KR100304049B1

KR100304049B1 - 탄화물을 이용한 표면경화 방법

Info

Publication number: KR100304049B1
Application number: KR1019990025575A
Authority: KR
Inventors: 남기석; 이상로; 이기정; 이구현; 나종주
Original assignee: 황해웅; 한국기계연구원; 이기정
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2001-09-24
Also published as: KR20010004834A

Abstract

본 발명은 가스 침탄(浸炭)으로 형성된 탄화물을 이용하여 내마모 요소부품의 표면을 경화시키는 방법을 적용함에 있어서, Cr을 많이 함유하고 있는 합금강의 가스 침탄은 Cr산화물 형성에 따라 침탄이 억제되고, 경화능이 부족하며, 그을음 발생 등의 문제가 있어 이를 해결할 수 있도록 한 가스 침탄 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 탄화물 형성원소인 Cr을 1∼25% 함유하는 합금강을 침탄하여 20∼80%의 탄화물층을 형성시킨 다음, Quenching하여 분산된 탄화물에 의해 강화된 마르텐사이트 조직으로 표면을 경화시키는 방법으로서, 침탄로에서 850∼1050℃의 온도범위로 가열한 다음, 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 및 부탄(C₄H₁₀) 등의 탄화수소가스, 또는 이들 가스와 CO₂의 혼합가스를 로내에 직접 공급하여 열분해시켜 카본 포텐셜이 1.0∼4.0%의 범위로 유지되는 분위기 중에서 침탄, 또는 침탄과 확산단계를 거쳐 침탄한 다음, Quenching온도 범위로 유지하여 물, 오일 또는 폴리머 냉매 중에 Quenching하고 템퍼링 하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄화물을 이용한 표면경화 방법{A Method of Surface Hardening using Carbide}

본 발명은 가스 침탄(浸炭)으로 표면을 경화시키는 방법을 적용함에 있어서, Cr을 많이 함유하고 있는 합금강의 가스 침탄은 Cr산화물이 형성됨에 따라 침탄이 억제되고, 경화능이 부족하며, 그을음이 발생하는 등의 문제가 있어 이를 해결할 수 있도록 한 침탄 방법에 관한 것으로서, 특히 침탄로에서 처리물을 산화시키는공정과 탄화물을 형성하기 위한 공정, 그리고 침탄된 처리물을 Quenching하여 경도를 부여하는 공정으로 구성되는 탄화물을 이용한 합금강의 표면경화 방법에 관한 것이다.

금속 및 세라믹 재료의 부품을 성형하는 금형, 압연롤 등은 자동차, 전기전자 관련산업, 항공산업 및 제철산업 등 모든 분야의 부품제작에 적용되는 것으로, 그 종류는 프레스 금형, 플라스틱 금형, 다이캐스트 금형, 단조금형 등이 있으며, 탄화물 및 산화물 분말(SiC, Al₂O₃및 SiO₂)은 입자가 날카롭고, 경도가 매우 높아 이들을 성형하는 분말야금 금형과 제철용 내화벽돌을 제조하는 금형의 경우 사용중 마모가 대단히 심하다.

이러한 금형의 재료로는 내마모 요소부품인 SK3의 탄소공구강, STD11의 합금공구강, SKH51의 고속도 공구강, 초경합금, 그리고 종래의 초경합금과 동일하게 분말야금법을 이용하여 제조하는 것으로 STD11, STD61 등의 특수강 성분 기지금속에 경도가 매우 높은 TiC로 분산 강화시킨 페로티타나이트(FERRO-TITANIT)가 사용된다.

특히, 제철용 내화벽돌 금형의 경우에는 대부분 HRC60∼62의 경도값을 갖는 SK3, STD11 공구강이 사용되며, 특수 금형에 극히 일부 초경합금이 사용되고 있으나, SK3, STD11 재료의 경우 마모가 대단히 심하기 때문에 사용수명이 대단히 짧으며, 일정기간 사용한 다음 다시 금형면을 연삭 가공하여 사용하고 있다. 따라서, 내화벽돌 제조에는 금형재료비가 차지하는 비중이 매우 크다는 문제도 있지만, 종래 내화벽돌 금형은 마모로 인하여 금형을 자주 교체함에 따라 생산량이 감소하는 등의 여러 문제를 가져오고 있다.

한편, 또 다른 내마모 요소부품인 압연롤은 워크롤, 백업롤, 텐션레벨러롤 및 가이드롤 등으로 나뉘어 지며, 이들은 고크롬 주철, 고속도 공구강, 베어링강 및 초경합금 등의 소재를 이용하여 제작한다. 그러나 사용중 금속 및 산화스케일 등과 접촉하여 심한 마모를 초래하고, 또한 일정시간 사용한 다음 다시 연삭 가공하여 사용함으로써 내화벽돌 금형과 마찬가지의 문제점이 발생한다.

종래 0.8~1%의 탄소농도로 침탄한 다음 Quenching하는 침탄법은 SK3, STD11과 같은 정도의 HRC60∼62의 경도가 얻어지나, 1~4%의 탄소농도로 침탄하여 마르텐사이트 기지에 경도가 매우 높은 탄화물을 형성시키는 경우 HRC 65~70의 매우 높은 경도와 내마모성을 얻을 수 있다. 그 탄화물은 마르텐사이트(Martensite) 기지의 인성을 저하시키지 않고 우수한 내마모성을 얻기 위해 구상으로 미세하게 많은 량이 형성되어야 한다.

그러한 탄화물을 얻기 위해, 합금원소로 탄화물이 입계에 망상으로 형성되는 것을 억제하는 Si를 0.5∼1.0% 정도 함유하고, 탄화물의 석출 및 구상화를 용이하게 하는 Cr을 2.0% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

그러나, Cr을 많이 함유하는 경우, Cr₂O₃의 치밀한 산화물 피막이 형성되어 침탄이 어렵고, 처리시간이 길어지며, 기지 중의 Cr이 탄화물로 존재함으로써 경화능을 저하시켜 냉각속도가 빠르지 않으면 트루스타이트(Troostite) 등의 불완전 조직이 형성되어 충분한 경도를 얻을 수 없다.

또한, 처리과정에서 많은 량의 탄화물을 미세하게 형성시키기 위해서는 높은 카본 포텐셜(가스 침탄 작업에서 침탄용 가스의 침탄능력을 의미함)을 유지하여야 하나, 종래 가스 침탄법의 경우 그을음이 많이 발생하여 침탄과 처리설비의 유지관리가 어렵게 된다.

따라서, Cr을 많이 함유하고 있는 강재의 침탄을 용이하게 하고 충분한 경도를 얻기 위해서는 Cr산화물 형성에 따른 침탄 저지효과를 극복하고, 경화능의 저하를 막을 수 있는 방법이 제시되어야 한다. 그리고 그을음의 제거가 용이하여야 하며, 가스 침탄 분위기 중의 카본 포텐셜을 높게 유지할 수 있어야 하고, 또한 균일한 분포의 온도 및 분위기를 얻을 수 있는 처리방법이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선할 수 있는 금형 및 압연롤을 비롯한 각종 내마모 요소부품의 가스침탄방법에 관한 것으로서, 특히 1∼4%의 탄소농도로 침탄하여 마르텐사이트 기지에 경도가 높은 탄화물을 형성시킬 경우 HRC65∼70의 높은 경도와 우수한 내마모의 특성을 얻을 수 있는 방법을 제시한다.

도 1은 본 발명의 방법에 적용되는 피트(Pit)형 침탄로의 개략적인 구조도,

도 2는 본 발명의 방법에 따른 가스침탄으로 경화된 탄화물층의 400배로 확대된 광학현미경 조직도.

(도면 부호의 설명)

1...노 몸체, 2...레토르트(Retort),

3...열선, 4...교반팬,

5...처리물, 6...도어,

7...가스 공급관, 8...배기구.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 탄화물 형성원소인 Cr을 1∼25% 함유하는 합금강을 침탄하여 20∼80%의 탄화물층을 형성시킨 다음, Quenching하여 분산된 탄화물에 의해 강화된 마르텐사이트 조직으로 표면을 경화시키는 방법으로서,

침탄로에서 850∼1050℃의 온도범위로 가열한 다음, 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 및 부탄(C₄H₁₀) 등의 탄화수소가스, 또는 이들 가스와 CO₂의 혼합가스를 공급하여 카본 포텐셜이 1.0∼4.0%의 범위로 유지되는 분위기중에서 시간 동안 침탄, 또는 침탄 및 확산단계를 거쳐 침탄하고, 강재의 Quenching온도 범위로 가열하여 유지한 후, 물, 오일 또는 폴리머 냉매 중에서 냉각하고, 템퍼링 하는 방법을 사용하는 것을 특징으로 하고 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탄화물을 이용한 표면경화 방법 및 침탄로의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 크게 처리물을 산화시키는 공정과 탄화물을 형성하기 위한 침탄공정, 그리고 침탄된 처리물을 Quenching하여 경도를 부여하는 공정으로 구분되며, 침탄을 실시하기 위한 바람직한 침탄로는 피트형으로써 도 1에 도시한 바와 같이, 로몸체(1), 레토르트(2), 열선(3), 교반팬(4), 처리물(5), 도어(6), 가스공급관(7), 배기구(8)로 이루어져 있다.

산화공정은, Cr이 많이 함유되어 있는 강종(예를 들면 STD61, STS420 등)이기 때문에 그 처리물의 표면은 치밀한 산화층인 부동태 피막으로 되어 있어, 이를 기공이 많은 산화층으로 바꿈으로써 침탄을 용이하게 하기 위함이다. 그 과정은 도어(6)를 열고 처리물(5)을 장입한 다음, 가스공급관(7)을 통해 공기를 공급하여 600∼1050℃의 온도범위에서 1∼4시간 동안 유지한다. 여기에서, 산화온도가 600℃ 이하인 경우에는 침탄에 적합한 충분한 산화층이 형성되지 않으며, 또한 1050℃이상에서 산화시켜 침탄하는 경우에는 생성된 탄화물이 너무 조대하여 기계적 성질을 저하시킨다.

산화가 완료되면 850∼1050℃의 침탄온도 범위로 가열하여, 1.0∼4.0% 정도의 높은 카본 포텐셜을 유지시켜 20∼80%의 입상 탄화물층을 형성시키는 침탄, 또는 침탄확산 공정을 거쳐 필요로 하는 경화깊이를 얻는다. 이때 카본 포텐셜이 1.0% 이하로 유지될 경우 생성되는 탄화물의 량이 적게 되고, 카본 포텐셜이 4.0% 이상으로 될 경우에는 많은 량의 그을음이 형성되어 바람직하지 않다.

또한, 형성된 입상 탄화물층의 량이 20% 이하일 경우에는 표면경화 효과가 크지 못하며, 또한 80% 이상인 경우에는 입상 탄화물 층이 취성을 띄게 되어 파괴된다. 침탄온도가 850℃ 이하인 경우에는 탄화물의 형성속도가 느리고, 형성된 탄화물의 량이 충분하지 못하며, 또한 1050℃ 이상인 경우에는 침탄속도는 빠르나 탄화물 입자가 조대하여 바람직하지 않다.

1.0∼4.0%의 바람직한 카본 포텐셜을 얻기 위해 처리가스로는 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 및 부탄(C₄H₁₀) 등의 탄화수소가스, 또는 이들 가스와 CO₂의 혼합가스를 가스공급관(7)을 통하여 공급하며, 경화능이 부족한 강재의 경우에는 추가로 암모니아(NH3) 가스를 공급한다.

침탄이 완료되면 강재의 Quenching온도 범위로 가열하여 일정시간 유지한 다음, 공기, 오일 또는 폴리머 냉매 중에서 Quenching과정을 통해 처리물에 경도를 부여하며, 마지막으로 Quenching된 처리물을 템퍼링(tempering)하는 과정을 거친다.

다음은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내고 있다.

KS규격의 STD61강재는 4.75∼5.5%의 많은 량의 Cr을 많이 함유함으로 인해 부동태 피막이 형성되어 침탄이 어려운 열간 공구강이므로, 이를 본 발명에서 바람직한 실시범위로 처리하였다.

도 1과 같은 피트형 침탄로의 도어(6)를 열고 STD61강재로 제작된 시료를 처리물(5)을 놓는 위치에 장입하여, 가스공급관(7)을 통해 공기를 공급하고 900℃로 가열한 다음 2시간 동안 유지하여 산화시킨다.

산화가 완료된 후 980℃로 가열하여 그 온도로 유지시킨 다음, 프로판가스를 공급하여 카본 포텐셜을 2.5%로 유지하여 24시간 동안 침탄한 다음, 900℃로 냉각하여 30분 동안 유지한 다음 폴리머 냉매 중에 Quenching하고 180℃에서 1시간 동안 템퍼링하면, 도 2와 같은 약 60%의 입상 탄화물 조직과 매우 높은 경도가 얻어진다.

처리방법별 경도 비교

처리방법	경도(HRC)
본 발명의 경우	68∼70
종래 침탄법	60∼63
STD61 Quenching·템퍼링	60∼62
SKH55 Quenching·템퍼링	65∼67

도 2는 상기한 본 발명의 방법을 적용한 탄화물 층의 확대된 조직도로써, 회흑색 기지는 마르텐사이트, 흰색은 탄화물이다.

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명의 합금강은 매우 높은 경도를 통해 우수한 내마모 특성이 요구되는 금형 및 압연롤을 비롯한 각종 내마모 요소부품의 수명을 크게 연장시킴은 물론, 성능 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 가격이 비싼 고급강재 대신 저급의 강재로 대체할 수 있어 적용부품의 제조비용을 절감할 수 있고, 금형의 교체횟수를 줄여 생산성을 증대할 수 있다.

또한, 종래 침탄법에 있어서는 시간당 로내 체적의 2∼8배 정도로 많은 량의 RX, N2 및 메타놀 분해 캐리어가스와 메탄, 프로판 및 부탄 등의 탄화수소계 엔리치 가스를 별도로 공급해야 함으로써 가스의 소모량이 많았음은 물론, 많은 량의 그을음이 발생하였다. 그러나 가스의 전체공급량을 시간당 로내체적의 0.5배 이내로 공급하므로써 가스의 소모량 및 그을음의 발생을 크게 줄일 수 있을 뿐 아니라, 처리설비의 유지관리가 용이하여 처리비용의 절감효과가 크다.

Claims

탄화물 형성원소인 Cr, Mo 등의 탄화물 형성원소를 함유하는 합금강을 침탄하여 20∼80%의 탄화물층을 형성시킨 다음, Quenching하여 분산 석출된 탄화물에 의해 강화된 마르텐사이트 조직으로 표면을 경화시키는 방법으로 850∼1050℃의 온도범위로 가열 유지된 침탄로에 메탄(CH₄), 프로판(C₃H₈), 및 부탄(C₄H₁₀) 등의 탄화수소계 가스, 또는 이들 탄화수소계 가스와 CO₂의 혼합가스를 로내에 직접 공급하여 열분해시켜 카본 포텐셜이 1.0∼4.0%의 범위로 유지된 분위기 중에서 침탄, 또는 침탄과 확산단계를 거쳐 침탄한 다음, Quenching 및 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 탄화물을 이용한 표면경화 방법.
제 1항에 있어서,

침탄하기 전 가열과정에서 600∼1050℃로 가열과 동시에 공기를 공급하여 1∼4시간 동안 합금강을 산화시키는 것을 특징으로 하는 탄화물을 이용한 표면경화 방법.
제 1항에 있어서,

암모니아 가스(NH₃)를 침탄시 추가로 공급하는 것을 특징으로 하는 탄화물을 이용한 표면경화 방법.