KR100324854B1

KR100324854B1 - 강철의표면경화처리법및표면강화처리장치

Info

Publication number: KR100324854B1
Application number: KR1019920018220A
Authority: KR
Inventors: 나이도오다께시; 아즈미마사히로
Original assignee: 하라다 겐죠; 도와 고교 가부시키가이샤
Priority date: 1991-10-08
Filing date: 1992-10-06
Publication date: 2002-06-20
Also published as: US5268040A; EP0536986A1; JP3465112B2; KR930008183A; JPH0598343A

Abstract

강철부품을 침탄처리한 후 오스테나이트역으로부터 이 강철부품을 그의 Ms점보다 높은 온도로 냉각하여 확산 변태를 시키고 계속해서 질화처리를 실시하고 또 쇼트 피이닝을 실시하는 방법 및 이 방법을 실시하기 위하여 개폐문을 통하여 침탄 처리실, 확산 변태를 시키는 강온 처리실 및 질화 처리실을 연속해서 설치하고, 각각 상기 각 실에 피처리품을 옆실로 이송하는 이송장치를 설치한 장치.

Description

강철의 표면강화 처리방법 및 처리장치

본 발명은 강철의 표면경화 처리에 의한 내마모성의 향상, 강철부품의 표면경화 처리시에 있어서의 치수 변화를 방지하여 이 강철부품치수의 고정밀도화를 도모하고, 더 나아가서는 압축 잔류응력의 부여에 수반하는 피로강도의 향상을 도모할 수가 있는 강철의 표면강화 처리방법 및 표면강화 처리장치에 관한 것이다.

종래는 강철의 표면강화 처리방법으로서는 칩탄 담금질법, 고주파 담금질법이 채용되고 있다. 그것들의 방법은 어느것이나 강철을 오스테나이트(austenite)역까지 가열하여 급속히 냉각, 즉 담금질에 의해 단단한 마르텐사이트(martensite)조직 성분을 얻는 것이었다(강철의 열처리, 개정 5판, 제 253∼266면, 소화 60년 3월 15일, 일본 마루젠 발행 참조). 또 그를 위한 처리장치로서는 이른바 배치로(爐; batch type furnace), 연속로 등이 제공되고 있었다.

상기 종래의 담금질을 채용한 강철의 표면경화 처리방법은 폭 넓게 각종 공업 제품에 채용되고 있으나, 마르텐사이트 조직성분을 이용하는 것이기 때문에 표면경도, 즉 내마모성, 내피칭성 등의 기계적 성질의 면에서 반드시 만족을 얻을 수가 없는 경우가 있고 또한 담금질에 의해 강철부품 치수에 변화가 생기는 경우가 있는 등의 문제가 남아 있었다.

본 발명은 상기 사항을 감안하여 이루어진 것으로서 종래와 같이 마르텐사이트 조직성분을 얻기 위한 담금질을 채용하지 않고, 강철의 표면의 경도향상과 강철부품의 처리후에 있어서의 치수 변화를 방지한 강철의 표면 경화 처리법 및 이 방법을 실시하는 표면경화 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 표면경화 처리법의 발명은 강철부품을 침탄 처리한 후 오스테나이트역으로부터 그의 Ms점 보다 높은 온도로 냉각하여 확산 변태를 시키고 계속해서 질화처리를 하는 것이며 또한 그후 쇼트 피이닝(Shot peening)을 실시하는 것이며, 표면경화 처리장치의 발명은 개폐문을 통하여 침탄 처리실, 확산 변태를 수행하는 강온 처리실 및 질화물층의 생성을 수행하는 질화 처리실이 연속하여 설치되고 각각 상기 각실에는 처리된 강철 부품을 옆실로 이송가능케 한 이송장치가 설치된 구성으로 한 것이며, 또한 상기 강온 처리실내에 열교환기를 설치한 것이다.

본 발명은 강철에 탄소 및 질소를 침입시키는 것이며, 또한 그 표면에 쇼트 피이닝을 실시하는 것이다. 그러나 단순히 탄소 및 질소를 강철에 침입시킨 것 만으로는 종래의 담금질을 채용한 경우에 얻어지는 경도를 얻을 수가 없다. 그래서 본 발명은 먼저 침탄처리로서 필요로 하는 경도 깊이까지의 침탄을 실시하고 계속해서 Ms점 보다 높은 온도, 즉 오스테나이트로부터 마르텐사이트 조직으로 변하는 온도 보다 높은 온도로 냉각하여 확산 변태를 시켜, 주로 베이나이트(bainite), 그 외에 퍼라이트(pearlite) 및 소량의 트루스타이트(troostite)로 이루어진 조직으로 변태시키고, 다음에 질화처리를 실시하여 질소원자에 의한 고용체 강화 또는 질화물질의 생성을 행하게 해서 필요경도를 얻는 것이며, 더욱 계속해서 표면에 쇼트 피이닝을 실시하므로써, 압축잔류 응력이 부여되고 더욱 고경도의 표면층을 얻는 것이다. 또한 종래와 같은 담금질을 채용하지 않음으로써 처리후의 치수에 변화가 생기지 않도록 한 것이다.

즉, 종래의 담금질에 의해서 물리적으로 생기는 마르텐사이트 조직, 그것에 수반하는 강철부품의 처리후의 변형을 방지하기 위하여, 전혀 종래의 생각과 다르며, 침탄처리후에 확산 변태를 실시하여 주로 베이나이트, 그 외에 퍼라이트 및 소량의 트루스타이트로 이루어진 조직을 얻고, 계속해서 질화처리를 실시하는 것이다. 물론, 상기 침탄처리 및 확산 변태후에 실온까지 냉각시키고, 그 후에 질화처리를 실시하여도 좋다.

먼저 본 발명의 장치에 관하여 이하에서 설명한다. 도면중 1은 침탄 처리실이며, 상부(床部)에는 강철부품(2)의 이송롤러(3)가 설치되고 상세한 것을 도시하지 않았으나 이 이송롤러(3)의 양측에는 가열히터가 설치되어 있다. 또 노(爐)천정에는 교반팬(4)이 설치되어 있다. 도면중, 5는 입구문, 6은 강철부품(2)의 반입롤러, 7은 입구문(5)의 개폐장치이며, 일반적으로는 에어실린더, 혹은 체인 말아올리는 방식이 채용된다.

다음에 상기 침탄처리실(1)에는 개폐문(8)을 통하여 확산 변태를 실시하는 강온 처리실(9)이 인접된다. 이 강온 처리실(9)은 상부에 상기 침탄처리실(1)의 상부에 설치된 이송롤러(3)와 연동하는 강철부품(2)의 ;이송 롤러(10)가 설치되고 그의 양측에는 열교환기(11)가 설치되고, 천정에는 교반팬(12)이 설치되어 있다. 상기 열교환기(11)는 예컨대 저부를 폐쇄한 통체로 구성되고, 도시하지 않았으나 내부에 물이 충전되고 또 상기 물을 가열하는 히터가 내장되어 있다. 더욱이 상기 히터 대신에 침탄 처리실(1)로부터 배출되는 가스를 연소시켜서 상기 물을 가열하여도 좋다. 도면 중 방폭밸브 14는 개폐문(8)의 개폐장치이다.

또한 상기 강온 처리실(9)에는 개폐문(15)을 통하여 질화처리실(16)이 옆에 설치된다. 이 질화 처리실(16)은 상기 침탄처리실(1)과 거의 동일하게 구성되고 상부에는 상기 강온 처리실(9)의 상부에 설치된 강철부품(2)의 이송롤러(10)와 연동하는 강철부품(2)의 이송롤러(17)가 설치되고, 상세한 것을 도시하지 않았으나 이 이송롤러(17)의 양측에는 가열히터가 설치되어 있다. 또한 노천정에는 교반팬(18)이 설치되어 있다.

도면중 19는 개폐문(15)의 개폐장치, 20은 출구문, 21은 이 출구문의 개폐장치, 22는 반출롤러이다.

본 발명에 의하면 입구문(5)으로부터 강철부품(2)이 침탄 처리실(1)로 반입되고 처리온도 및 처리시간을 조정하여 필요로 하는 침탄 깊이의 침탄이 설치된다. 다음에 개폐문(8)이 열리고 이송롤러(3) 및 이송롤러(10)에 의해 강철부품(2)이 확산 변태를 실시하는 강온 처리실(9)로 이송된다. 이 강온 처리실(9)에는 침탄 처리실(1)에서 사용된 침탄성 가스, 질소 가스등이 충만되어 있고, 그의 내부에 설치된 열교환기(11) 및 교반팬(12)에 의해 강철부품(2)이 이 강철부품(2)의 Ms점 보다 높은 온도까지 냉각된다.

즉, 여기서 강철부품(2)을 Ms점 이하까지 냉각시키면, 마르텐사이트로 변태되어 종래의 담금질과 다름이 없게 되나 본 발명에서는 상기와 같이 Ms점 보다 높은 온도까지 냉각하고, 상기 침탄처리시 생긴 오스테나이트를 확산 변태하게 하고, 주로 베이나이트, 그 외의 퍼라이트 및 소량의 트루스타이트로 이루어진 조직을 얻는 것이다. 그리고 그후에 개폐문(15)을 열어 이송롤러(10) 및 이송롤러(17)에 의해 강철부품이 질화 처리실(16)로 이송된다. 질화처리는 암모니아가스, 암모니아가스와 흡열가스(RX가스)의 혼합가스, 및 암모니아가스와 질소가스의 혼합가스등에 의해 행해진다. 또한 표면의 산화에 의한 착색 혹은 생산성을 향상시키기 위하여 출구문(20)부에 적당한 냉각실을 설치하여 급냉하여도 좋다.

이상의 처리에 의해서 종래왁 같이 담금질을 하는 일이 없이 표면을 경화시킬 수가 있으나 더욱 표면의 경도를 개선하고 압축 잔류응력을 부여시키기 위하여 계속해서 쇼트 피이닝을 실시하므로써 강철부품 표면의 기계적 성질이 개선되는 것이다.

상기 본 발명의 표면경화 처리장치에 의하며 표면경화 처리작업을 연속적으로 행할 수가 있다.

상기 본 발명의 장치를 사용하여 실시한 구체적 표면경화 처리법에 관하여 이하에서 설명한다. 실험에 사용된 4종류의 강철의 시험편(A,B,C,D)의 화학조성은하기표 1과 같다.

먼저, 상기 각각의 시험편 A, B, C, D를 침탄 처리실(1)로 반입하여 침탄처리를 실시하였다. 이 침탄처리에는 RX가스가 사용되고, 930℃에서 4.5시간 행하여 졌다. 그리고 이 침탄처리는 RX가스를 사용하여 행하는 방법에 한하지 않고 직접 침탄법, 예컨대 일본 특허 공개 공보 1988년 제 45359호 적주식 침탄법(適注式浸炭法), 질소 베이스 침탄법의 어느 것이라도 좋다. 다음에 침탄 처리실에서 840℃까지 강온하고 다음에 강온 처리실(9)로 이송하고 상기 각 시험편 A, B, C, D의 Ms점 보다 높은 온도인 480℃까지 냉각하여, 동일한 온도로 5시간 유지시킨 후 질화 처리실(16)로 이송하여 525℃에서 12시간 질화처리를 실시하였다.

또 노즐형에 의한 쇼트 피이닝을 실시하였다. 쇼트 피이닝의 조건은 공기 압력 6kg/㎠, 투사시간 90초, 투사량 20kg/분, 사용 강철구 지름 0.6mm이다.

상기 쇼트 피이닝 처리이전에 있어서의 각 시험편의 단면경도 측정 결과가 제 4도에 표시되어 있다. 즉, 표면 경도는 Hv810-1060, 경화깊이는 0.6∼0.7mm에 달하여 있고, 후술하는 종래법(제 13도)에 비하여 손색이 없는 것이 확인되었다.

그후 쇼트 피이닝을 실시한 각 시험편 A, B, C, D의 단면경도 측정결과가 상기 제 4도의 측정결과와 대비시켜서 제 5∼제 8도에 표시되어 있다. 제 5도는 시험편 A, 제 6도는 시험편 B, 제 7도는 시험편 C, 제 8도는 시험편 D에 관한 것이다. 시험편 D는 쇼트 피이닝에 의해 표면이 박리되었기 때문에 최표면의 경도가 저하하였으나 다른 표면경도는 Hv1050∼1100, 경화깊이는 0.7∼1.1mm에 달하고 있으며, 종래의 담금질 법에서는 얻어지지 않는 고경도의 값이 얻어졌다.

그리고, 제 9도∼제 12도는 상기 각 시험편 A, B, C, D,의 처리후의 조직을 나타내는 현미경 사진(X400)이며, 제 9도는 시험편 A, 제 10도는 시험편 B, 제 11도는 시험편 C, 제 12도는 시험편 D에 관한 것이며 상기와 같이 시험편 D에서는 최표면이 박리되어 있다.

또 제 13도는 종래의 침탄법에 의한 각 시험편 A, B, C, D의 단면경도 측정 결과이며, 상기 침탄조건에 의해서 침탄처리후 담금질을 실시하고 또 160℃에서 2시간 템퍼링(tempering)을 한 결과이며, 시험편 D를 제외하고 표면 경도는 Hv680∼ 820, 경화 깊이는 0.55∼1.1mm였다.

하기 표 2에는 종래의 침탄법에 의해 처리한 경우와 본 발명의 방법에 의해 처리한 경우의 시험편의 치수 측정 결과가 표시되어 있다.

여기서 사용된 강철부품의 평기어의 화학조성은 상기 시험편 C와 동일하며, 그의 형상은 모튤:2.5mm, 피치원직경:70mm, 칫수:28매, 치폭:20mm이다.

상기 표 2에서 명백한 바와 같이 본 발명의 방법에 의하면 변형량을 종래의 처리법에 비하여 약 3분의 1로 감소 시킬수 있다는 것이 확인된 것이다. 따라서 종래 처리후에 변형 수정을 위하여 행하여지고 있는 연삭에 의한 기계가공이 불필요하게 되는 등의 효과를 얻을 수가 있다. 제 14도에는 마모시험 결과가 표시되어 있다. 도면중 곡선(25)이 본 발명의 방법으로 처리한 경우(단, 상기 시험편 D를 제외함)이며, 종래의 침탄법에서 가장 내마모성이 우수하다고 되는 과잉 침탄처리재의 마모량곡선(26)이상으로 내마모성이 우수하다는 것이 확인된 것이다.

또 회전벤딩에 의한 피로시험 결과에서는 상기 종래의 침탄법에 의해 처리한 후, 쇼트 피이닝 조건을 여러 가지로 바꾸어서, 최적의 결과가 얻어진 경우의 피로강도가 153kg/㎟였던 것에 대하여 본 발명의 방법으로 처리한 경우(단, 상기 시험편 D를 제외함)은 상기 종래의 피로강도를 초과하는 163kg/㎟이며 우수한 결과가 확인된 것이다.

본 발명의 방법에 의하면 지금가지에 제공되고 있는 강철의 표면 경화처리법에 비하여 높은 표면 경도를 얻을수가 있기 때문에 내마모성의 향상을 도모할 수가 있는 동시에 담금질의 필요가 없기 때문에 처리한 강철부품 치수의 변형량을 최소로 할 수가 있고 게다가 담금질 가름의 세정등의 작업도 불필요하게 되어 공업적 효과도 크다. 더욱이 쇼트피이닝에 의해 압축 잔류응력이 부여 되어 피로 강도의 향상이 도모되는 것이다. 또 본 발명의 장치에 의하면 상기 방법을 연속적으로 효율이 좋게 실시할 수가 있는 것이다.

제 1도는 본 발명의 처리장치의 종단면도,

제 2도는 제 1도의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도,

제 3도는 강온 처리실의 평면도,

제 4도는 본 발명의 방법에 의한 4종류의 시험편의 단면 경도 측정선도,

제 5도는 본 발명의 방법에 의한 시험편(A)의 단면경도 측정ㅈ선도,

제 6도는 본 발명의 방법에 의한 시험편(B)의 단면경도 측정선도,

제 7도는 본 발명의 방법에 의한 시험편(C)의 단면경도 측정선도,

제 8도는 본 발명의 방법에 의한 서험편(D)의 단면경도 측정선도,

제 9도는 본 발명의 방법에 의한 시험편(A)의 단면조직을 나타내는 현미경 사진(X400),

제 10도는 시험편(B)의 단면조직을 나타내는 현미경 사진(X400),

제 11도는 시험편(C)의 단면조직을 나타내는 현미경 사진(X400),

제 12도는 시험편(D)의 단면조직을 나타내는 현미경 사진(X400),

제 13도는 종래의 침탄법에 의한 4종류의 시험편의 단면경도 측정선도,

제 14도는 마모시험결과를 나타내는 선도,

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1... 침탄 처리실 2... 강철부품

3, 10, 17... 이송롤러 5... 입구문

6... 반입롤러 7... 개폐장치

8, 15... 개폐문 9... 강온 처리실

16... 질화 처리실 20... 출구문

22... 반출롤러 25... 본 발명의 마모시험결과곡선

26‥‥ 증대의 마모량 곡선 A, B , C , D... 시험편(片)

Claims

강철부품을 침탄처리후 오스테나이트역으로부터 상기 강철부품을 그의 Ms점 보다 높은 온도로 냉각하여 확산 변태를 시키고, 계속해서 질화처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 강철의 표면경화 처리방법.
강철부품을 침탄처리후 오스테나이트역으로부터 상기 강철부품을 그의 Ms점 보다 높은 온도로 냉각하여 확산 변태를 시키고 계속해서 질화처리를 실시하고, 또 쇼트 피이닝을 실시하는 것을 특징으로 하는 강철의 표면경화 처리방법.
개폐문을 통하여 침탄 처리실, 확산 변태를 시키는 강온 처리실 및 질화물 층의 생성을 수행하는 질화 처리실이 연속하여 설치되고, 각각 상기 각 실에는 강철부품을 옆실로 이송 가능하게 하는 양측에 가열히터가 설치된 이송장치가 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 강철의 표면경화 처리장치.
제 3항에 있어서, 강온 처리실내에 열교환기가 설치되어 이루어진 강철의 표면경화 처리장치.