KR100326093B1 - Boronizing composition and boronizing method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분말 확산코팅법에 의해 보론의 제공자로 보론 산화물 분말을 사용하여 금속부품의 표면에 고경도의 보라이드층을 형성하는 보로나이징 분말 및 이를 이용하여 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a boronizing powder for forming a high hardness boride layer on the surface of a metal part using boron oxide powder as a donor of boron by a powder diffusion coating method and a boride layer on the metal surface using the same. It is about a method.
본 발명에 따른 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법은 보론 산화물 3∼66 wt.%, 상기 보론 산화물을 보론으로 환원시키는 알루미늄 2∼44 wt.%, 상기 환원된 보론을 활성화시키는 KBF43 ∼ 10 wt.%, 나머지 SiC 또는 알루미나 분말 희석제로 구성되는 보로나이징 분말을 준비하는 단계; 내열성 용기속에 상기의 분말 및 보로나이징할 금속부품을 장입한 후 1∼24 시간 가열하는 단계를 포함한다.The method for forming the boride layer on the metal surface according to the present invention is 3 to 66 wt.% Of boron oxide, 2 to 44 wt.% Of aluminum to reduce the boron oxide to boron, KBF 4 3 to activate the reduced boron Preparing a boronizing powder composed of ˜10 wt.%, Remaining SiC or alumina powder diluent; Charging the powder and the metal parts to be boronated in a heat-resistant container, followed by heating for 1 to 24 hours.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따르면, 보론제공자로서 보론산화물을 사용함으로써 종래에 비해 훨씬 경제적으로 금속부품의 표면에 고경도의 보라이드층을 생성할 수 있게 된다.According to the present invention having the above-described configuration, by using boron oxide as the boron provider, it is possible to produce a high hardness boride layer on the surface of the metal parts much more economically than in the prior art.
Description
본 발명은 분말 확산코팅법에 의해 금속 부품, 특히 철계 합금으로 된 금속부품의 표면에 고경도의 보라이드층을 형성하는 보로나이징 분말 및 이를 이용하여 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법에 관한 것으로서, 특히 보론의 제공자로 보론 산화물 분말을 사용하여 금속부품의 표면에 보론이 확산코팅되도록 하는 분말 및 이를 이용하여 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a boronizing powder for forming a high hardness boride layer on a surface of a metal part, in particular an iron-based metal part by powder diffusion coating, and a method of forming a boride layer on a metal surface using the same. In particular, the present invention relates to a powder which allows boron to be diffusion coated on the surface of a metal part using boron oxide powder as a provider of boron, and a method of forming a boride layer on the metal surface using the same.
금속 부품의 내식성이나 내마모성을 높이기 위한 방법의 하나로서 금속의 표면에 알루미늄, 크롬 등의 원소를 고온에서 확산침투시키는 분말 확산코팅법 (pack cementation method)이 오래 전부터 널리 사용되어 왔다. 분말 확산코팅법이란 입히고자 하는 원소 또는 합금분말과, 이 원소 또는 합금을 활성화시키는 할로겐화합물 (halide)계의 염의 분말과, 이들 분말이 고온에서 응결하는 것을 방지하기 위해첨가하는 충전제 (주로 알루미나나 탄화실리콘과 같은 반응성이 없는 무기재료) 분말로 구성된 혼합분말 속에 처리하고자 하는 금속부품을 넣고 고온 (통상적으로 800oC내지 1200oC 정도의 고온)에서 일정 시간 가열하여 금속부품의 표면에서 수백 ㎛ 깊이까지 금속 확산코팅층을 얻는 방법이다. 이 공정에서 혼합분말 속에 있는 금속 원소 또는 합금분말의 원소는 활성제와 반응하여 할로겐화합물로 바뀌며 이 할로겐화합물이 혼합분말 내에서 기체상태로 분말속을 이동, 부품표면에서 분해된다. 이렇게 분해된 원소는 금속 부품내로 침투확산되어 일정두께의 확산코팅층이 생성된다.As one of methods for improving the corrosion resistance and wear resistance of metal parts, a powder cementation method has been widely used for a long time. The powder diffusion coating method is an element or alloy powder to be coated, a powder of a halogen-based salt activating the element or alloy, and a filler (preferably alumina or alumina) to prevent the powder from condensing at high temperatures. Hundreds of μm on the surface of the metal part by putting it in a mixed powder composed of powders of non-reactive inorganic materials such as silicon carbide) and heating it for a certain period of time at a high temperature (typically between 800 o C and 1200 o C). It is a method of obtaining a metal diffusion coating layer to a depth. In this process, the metal elements or alloy powder elements in the mixed powder react with the activator to be converted into halogen compounds, which are transported in the gaseous state in the powder to be decomposed at the surface of the part. The decomposed element penetrates and diffuses into the metal component to form a diffusion coating layer having a predetermined thickness.
이러한 분말 확산코팅법을 이용하여 금속부품의 표면에 고경도의 확산코팅층을 얻는 방법의 하나로서, 보론을 확산침투시켜 금속 부품의 표면에 고경도의 보라이드층을 형성하는 방법이 종래 이용되고 있다. 분말 확산코팅법에 의해 형성된 보라이드층은 철계합금의 경우 FeB나 Fe2B로 구성되며 그 경도가 비커스 경도로 1800 HV 내지 2000 HV에 달한다. 그 외 대부분의 금속계 보론화합물은 경도가 높고 화학적으로 안정하여 내식성 또한 높은 것으로 알려져 있는 바, 가령 TiB와 TiB2의 경도는 각각 2500HV 및 3370HV 이며 MoB2의 경도는 2330HV이다.As a method of obtaining a high hardness diffusion coating layer on the surface of a metal part by using the powder diffusion coating method, a method of forming a high hardness boride layer on the surface of a metal part by diffusing the boron has been conventionally used. . The boride layer formed by the powder diffusion coating method is composed of FeB or Fe 2 B in the case of iron-based alloy, the hardness of the Vickers hardness reaches 1800 HV to 2000 HV. Most of the metallic boron compounds are known to have high hardness and chemical stability and high corrosion resistance. For example, the hardness of TiB and TiB 2 is 2500HV and 3370HV, respectively, and the hardness of MoB 2 is 2330HV.
이러한 종래의 분말 확산코팅법을 이용하여 금속 부품에 보라이드 층을 얻고자 할 경우 대부분 보론 제공자로서 미국 특허 제3,936,327호에 개시된 바와 같이 보론 카바이드(B4C), 비정질 보론 또는 페로보론(Ferroboron)이 사용될 수 있지만,특히 비교적 가격이 낮은 보론 카바이드가 주로 쓰인다. 또한 활성제로서는 대부분의 알칼리 금속계 보론불화물(alkali metal borofluoride)이나 암모늄 보론불화물(ammonium borofluoride) 중에 택일하여 사용되고 있으며, 이 중 KBF4가 선호되고 있다. 희석제로는 탄화실리콘(SiC)이나 알루미나 분말이 사용된다.In the case of obtaining a boride layer on a metal part by using the conventional powder diffusion coating method, boron carbide (B 4 C), amorphous boron, or ferroboron, as disclosed in US Pat. This can be used, but boron carbide, which is relatively inexpensive, is mainly used. In addition, most of the alkali metal boron fluoride (alkali metal borofluoride) and ammonium borofluoride (ammonium borofluoride) is used as the active agent, of which KBF 4 is preferred. As the diluent, silicon carbide (SiC) or alumina powder is used.
상용되는 보로나이징용 혼합분말의 조성의 예는 다음과 같다.Examples of the composition of the commercially available blending powder for boronizing are as follows.
* 3.95 - 4.75% B4C, 75.05 - 90.25% SiC, 5% KBF4(미국특허 제3,936,327호)* 3.95-4.75% B 4 C, 75.05-90.25% SiC, 5% KBF 4 (US Pat. No. 3,936,327)
* 50% B4C, 45% SiC, 5% KBF4 * 50% B 4 C, 45% SiC, 5% KBF 4
* 85% B4C, 15% Na2CO3 * 85% B 4 C, 15% Na 2 CO 3
* 84% B4C, 16% Na2B4O7 * 84% B 4 C, 16% Na 2 B 4 O 7
그러나 이러한 종래의 보로나이징용 혼합분말의 조성에서는 상술한 바와 같이 보론의 제공자로 보론카바이드가 주로 사용되고 있기 때문에, 금속부품을 보로나이징하여 경도를 높이는 방법은 다른 표면경화처리법, 즉 침탄법이나 침질법에 비해 처리 비용이 보다 높은 문제점이 있었다.However, since boron carbide is mainly used as a provider of boron in the composition of the conventional boronizing powder, the method of increasing the hardness by boroning a metal part is another surface hardening method, that is, carburizing or sedimentation. There was a problem that the processing cost is higher than the law.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 보다 저렴한 비용으로 금속표면에 보라이드층을 형성할 수 있는 보로나이징 분말 및 이를 이용하여 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, an object of the present invention is to provide a boronized powder that can form a boride layer on the metal surface at a lower cost and the metal surface using the same It is to provide a method of forming a ride layer.
도1은 본 발명에 따른 보로나이징 방법에 의해 보라이드층이 형성된 시편의 단면 경도를 나타낸 그래프도이다.Figure 1 is a graph showing the cross-sectional hardness of the specimen on which the boride layer is formed by the boronizing method according to the present invention.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 보로나이징 분말은 보론 산화물 3∼66 wt.%, 상기 보론 산화물을 보론으로 환원시키는 알루미늄 2∼44 wt.%, 상기 환원된 보론을 활성화시키는 KBF43 ∼ 10 wt.%, 나머지 SiC 또는 알루미나 분말 희석제로 구성된다.In order to achieve the above object, the boronizing powder according to the present invention is 3 to 66 wt.% Boron oxide, 2 to 44 wt.% Aluminum for reducing the boron oxide to boron, KBF for activating the reduced boron 4 3-10 wt.%, And the remaining SiC or alumina powder diluent.
또한 본 발명에 따른 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법은 보론 산화물 3∼66 wt.%, 상기 보론 산화물을 보론으로 환원시키는 알루미늄 2∼44 wt.%, 상기 환원된 보론을 활성화시키는 KBF43 ∼ 10 wt.%, 나머지 SiC 또는 알루미나 분말 희석제로 구성되는 보로나이징 분말을 준비하는 단계; 내열성 용기속에 상기의 분말 및 보로나이징할 금속부품을 장입한 후 1∼24 시간 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of forming a boride layer on the metal surface according to the present invention is 3 to 66 wt.% Boron oxide, 2 to 44 wt.% Aluminum for reducing the boron oxide to boron, KBF 4 for activating the reduced boron Preparing a boronizing powder consisting of 3 to 10 wt.% Of the remaining SiC or alumina powder diluent; It is characterized in that it comprises the step of heating for 1 to 24 hours after charging the powder and the metal parts to be boronized in the heat-resistant container.
이하, 본 발명에 따른 보로나이징 분말 및 이를 이용하여 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the boronizing powder according to the present invention and a method of forming a boride layer on a metal surface using the same will be described in detail.
본 발명에 따른 보로나이징 분말의 제1실시예는,The first embodiment of the boroning powder according to the present invention,
- B2O3: 14 wt.%, Al : 10 wt.%, KBF4: 5 wt.%, Al2O3: 나머지B 2 O 3 : 14 wt.%, Al: 10 wt.%, KBF 4 : 5 wt.%, Al 2 O 3 : remainder
의 조성을 갖는다.Has a composition.
또한 본 발명에 따른 보로나이징 분말의 제2실시예는,In addition, a second embodiment of the boronizing powder according to the present invention,
- Na2B4O7: 12 wt.%, Al : 10 wt.%, KBF4: 5 wt.%, Al2O3: 나머지Na 2 B 4 O 7 : 12 wt.%, Al: 10 wt.%, KBF 4 : 5 wt.%, Al 2 O 3 : remainder
의 조성을 갖는다.Has a composition.
이러한 조성의 보로나이징 분말을 내열성 용기 내에 넣고 가열하면, 보론산화물은 알루미늄에 의해 다음과 같이 환원된다.When the boronizing powder of such a composition is put into a heat resistant container and heated, boron oxide is reduced by aluminum as follows.
B2O3+ 2Al = 2B + Al2O3(1)B 2 O 3 + 2Al = 2B + Al 2 O 3 (1)
Na2B4O7+ 4Al = Na2O + 2Al2O3+ 4B (2)Na 2 B 4 O 7 + 4Al = Na 2 O + 2Al 2 O 3 + 4B (2)
위 반응(1)에서 보면 B2O31 mol (69.62g)과 알루미늄 2 mol (54g)이 반응하여 2 mol (21.62g)의 보론을 얻으며 반응(2)에서는 Na2B4O71mol (201.23g)과 알루미늄 4 mol (108g)이 반응하여 4 mol (43.24g)의 보론을 얻으며 따라서 보론제공자의 g당 환원 보론의 양은 B2O3의 경우가 많음을 알 수 있다. 반응 (1)과 (2)에 의거하여 최대 보론함량을 계산하면 무게로 각각 17.5%와 14%가 된다. 따라서 희석제와 활성제를 첨가하면 보론함량을 낮출 수 있으며 반응 (1)과 (2)는 온도가 높을수록 빠르게 진행되므로 금속부품의 보로나이징 속도 또는 두께를 조절할 수 있다.In the above reaction (1), 1 mol (69.62g) of B 2 O 3 reacts with 2 mol (54g) of aluminum to obtain 2 mol (21.62g) of boron, and in reaction (2), Na 2 B 4 O 7 1mol ( 201.23 g) and 4 mol (108 g) of aluminum react to obtain 4 mol (43.24 g) of boron. Therefore, the amount of reduced boron per g of boron donor is often B 2 O 3 . Based on the reactions (1) and (2), the maximum boron content is 17.5% and 14% by weight, respectively. Therefore, the addition of diluent and activator can lower the boron content, and the reactions (1) and (2) proceed faster as the temperature is higher, thereby controlling the boronizing speed or thickness of the metal parts.
다음으로 본 발명에 따른 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 금속표면에 보라이드층을 형성하는 방법은 원료 보로나이징 분말을 준비하는 단계, 내열성 용기 속에 이 분말을 넣고 보로나이징할 금속부품을 파묻은 후 산소의 침투를 막기 위해 용기를 밀봉하거나 SiC 등으로 두껍게 덮어준 다음 이 용기를 800 내지 1200℃ 사이에서 1시간 내지 24시간 정도 가열하는 단계로 구성되는 바 그 바람직한 실시예는 다음과 같다.Next, a method of forming a boride layer on the metal surface according to the present invention will be described. The method for forming a boride layer on the metal surface according to the present invention comprises the steps of preparing a raw material boronizing powder, putting the powder in a heat-resistant container and burying the metal parts to be boronized, and then Sealing or thickly covering with SiC or the like and then heating the vessel between 800 to 1200 ℃ for 1 hour to 24 hours bar preferred embodiment is as follows.
〈제1 실시예〉<First Embodiment>
B2O3: 14 wt.%, Al : 10 wt.%, KBF4: 5 wt.%, 나머지 Al2O3의 조성을 가진분말 (상기 보로나이징 분말의 제1실시예의 성분과 동일)을 기계적으로 혼합하여 평균입도가 325 mesh 이하가 되도록 볼밀로 분쇄한다. 이 성분으로 혼합된 분말에서 B2O3로부터 얻을 수 있는 보론함량은 약 4.4%이다.B 2 O 3 : 14 wt.%, Al: 10 wt.%, KBF 4 : 5 wt.%, And a powder having a composition of the remaining Al 2 O 3 (the same as that of the component of the first embodiment of the boroning powder) The mixture is mechanically mixed and milled by a ball mill to have an average particle size of 325 mesh or less. The boron content obtained from B 2 O 3 in the powder mixed with this component is about 4.4%.
이 분말 약 12g을 알루미나로 된 용기에 담고 그 속에 크기가 10mm x 10 mm x 2mm인 전해철 (순철) 및 스테인리스계 STS304강 시편을 파묻는다. 이어서, 이 용기를 알루미나로 된 뚜껑으로 덮어 밀봉하여 전기로에 넣고 분당 10oC로 가열한다. 온도가 950oC에 도달하면 약 6시간 동안 유지한 후 노냉시킨다. 다음으로 냉각된 알루미나 용기 속의 금속 시편을 꺼내고 세척한 후 단면 경도 측정을 하기 위해 절단하고 마운팅한다. 마운팅된 시편을 연마하여 보라이드 층이 형성유무를 광학현미경으로 관찰하고 표면으로부터 경도를 측정한다. 처리된 시편은 표면 상태가 양호하며, 광학현미경 관찰 결과, 전해철 시편의 경우 약 60㎛, 304강 시편의 경우 약 40㎛의 보라이드 층을 확인 할 수 있었다.About 12 g of this powder is placed in an alumina container and buried in it are electrolytic iron (pure iron) and stainless steel STS304 steel specimens measuring 10 mm x 10 mm x 2 mm in size. The vessel is then covered with a lid made of alumina, sealed and placed in an electric furnace and heated to 10 ° C. per minute. When the temperature reaches 950 o C, hold it for about 6 hours and then cool it. Next, the metal specimens in the cooled alumina vessel are taken out, washed, cut and mounted for cross-sectional hardness measurements. The mounted specimen was polished to observe the formation of boride layer by optical microscope and the hardness was measured from the surface. The treated specimens had good surface conditions, and the results of optical microscopy showed a boride layer of about 60 μm for electrolytic iron specimens and about 40 μm for 304 steel specimens.
도1은 본 발명에 따른 보로나이징 분말로 처리하여 보라이드층이 형성된 시편의 단면 경도를 나타낸 그래프도로서, 도시된 바와 같이 전해철과 304강 표면에 생긴 보라이드 층의 경도가 각각 1900HV와 1700HV 정도로 모재의 경도보다 훨신 높음을 알 수 있다.1 is a graph showing the cross-sectional hardness of the specimen formed with a boride layer treated with boronizing powder according to the present invention, the hardness of the boride layer formed on the surface of the electrolytic iron and 304 steel as shown 1900HV and 1700HV, respectively It can be seen that much higher than the hardness of the base material.
〈제2 실시예〉<2nd Example>
Na2B4O7: 12 wt.%, Al : 10 wt.%, KBF4: 5 wt.%, 나머지 Al2O3의 조성을 가진 분말(상기 보로나이징 분말의 제2실시예의 성분과 동일)을 기계적으로 혼합하여 평균입도가 325 mesh 이하가 되도록 볼밀로 분쇄한다. 이 성분으로 혼합된 분말에서 B2O3로부터 얻을 수 있는 보론함량은 약 2.6%이다.Na 2 B 4 O 7 : 12 wt.%, Al: 10 wt.%, KBF 4 : 5 wt.%, The powder having the composition of the remaining Al 2 O 3 (same as the components of the second embodiment of the boroning powder ) Is mechanically mixed and ground with a ball mill to have an average particle size of 325 mesh or less. The boron content obtained from B 2 O 3 in the powder mixed with this component is about 2.6%.
이 분말 약 12g을 알루미나로 된 용기에 담고 그 속에 크기가 10mm x 10 mm x 2mm인 전해철 (순철) 및 스테인리스계 STS304강 시편을 파묻는다. 이어서, 이 용기를 알루미나로 된 뚜껑으로 덮어 밀봉하여 전기로에 넣고 분당 10oC로 가열한다. 온도가 950oC에 도달하면 약 6시간 동안 유지한 후 노냉시킨다. 다음으로 냉각된 알루미나 용기 속의 금속 시편을 꺼내고 세척한 후 단면 경도 측정을 하기 위해 절단하고 마운팅한다. 마운팅된 시편을 연마하여 보라이드 층이 형성유무를 광학현미경으로 관찰하고 표면으로부터 경도를 측정한다. 처리된 시편의 표면 상태는 상기 제1실시예보다 좋지 않았지만 광학현미경 관찰 결과, 전해철 시편의 경우 약 40 ㎛, 304강 시편의 경우 약 25㎛의 보라이드 층을 확인 할 수 있다. 보라이드 층의 단면 경도도 전해철과 304강 표면에 생긴 보라이드 층의 경도가 각각 1900HV와 1700HV 정도로 모재의 경도보다 훨신 높음을 알 수 있다.About 12 g of this powder is placed in an alumina container and buried in it are electrolytic iron (pure iron) and stainless steel STS304 steel specimens measuring 10 mm x 10 mm x 2 mm in size. The vessel is then covered with a lid made of alumina, sealed and placed in an electric furnace and heated to 10 ° C. per minute. When the temperature reaches 950 o C, hold it for about 6 hours and then cool it. Next, the metal specimens in the cooled alumina vessel are taken out, washed, cut and mounted for cross-sectional hardness measurements. The mounted specimen was polished to observe the formation of boride layer by optical microscope and the hardness was measured from the surface. Although the surface state of the treated specimens was not as good as in the first embodiment, optical microscopic observations revealed that the boride layer had a thickness of about 40 μm for electrolytic iron specimens and about 25 μm for 304 steel specimens. The cross-sectional hardness of the boride layer also shows that the hardness of the boride layer formed on the surface of the electrolytic iron and the 304 steel is much higher than that of the base metal, about 1900 HV and 1700 HV, respectively.
이상과 같은 구성의 본 발명의 보로나이징 분말에 따르면, 보론제공자로서 보론산화물을 사용함으로써 종래의 보론카바이드를 사용한 경우에 비해 1/10 이하로 저렴하게 보로나이징 분말을 생산할 수 있게 되어 훨씬 경제적으로 금속부품의 표면에 고경도의 보라이드층을 생성할 수 있게 된다.According to the boronizing powder of the present invention having the above configuration, by using boron oxide as a boron provider, it is possible to produce boronizing powder at a cost less than 1/10 of that of conventional boron carbide, which is much more economical. As a result, a hardened boride layer may be formed on the surface of the metal part.
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| JPS6160876A (en) * | 1984-08-23 | 1986-03-28 | エレクトロシユメルツヴエルク・ケンプテン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング | Boriding of metal or metal alloy by solid boroniding agent |
| KR910020194A (en) * | 1990-05-08 | 1991-12-19 | 장태성 | Boronizing agent and boron penetrating surface treatment method of iron or iron alloy surface |
| JPH0448065A (en) * | 1990-06-16 | 1992-02-18 | Iwate Seitetsu Kk | Uniform boron pack cementation method |
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1999
- 1999-07-02 KR KR1019990026443A patent/KR100326093B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0448065A (en) * | 1990-06-16 | 1992-02-18 | Iwate Seitetsu Kk | Uniform boron pack cementation method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20010008547A (en) | 2001-02-05 |
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