KR100333199B1 - 침탄처리방법 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본발명은 침탄처리에 관한 것이다.

2. 발병이 해결하려고 하는 과제

본발명은 플라즈마침탄처리를 주제로하는 경우의 톱니바퀴등의 가공물의 플라즈마침탄처리에 있어서 에쥐부와 평탄부의 침탄층 탄소농도를 균일하게 할것과 에쥐부에 있어서의 입계에 따라 망상의 탄화물 생성을 억제하고자 하는 것이다.

3. 발명의 해결방법의 요지

진공로내에 가공물을 수용하고 그 진공로내에 침탄성가스를 공급하여 글로우 방전하는 플라즈마 침탄처리를 실시하고 이어서 Co₂등의 탈산성가스를 공급하여 플라즈마 탈탄처리를 실시한다.

좋게는 침탄처리와 탈탄처리를 반복행하게 한다.

4. 발명의 중요한 용도

본발명은 침탄처리에 관한것이며 톱니바퀴등의 가공물의 플라즈마 침탄에 있어서 침탄층의 탄소농도 균일화와 에쥐부에 있어서의 입계에 따른 망상의 탄화물 생성억제에 관한 것이다.

Description

침탄처리방법

본 발명은 엣지부를 갖는 가공물(예를 들면 톱니바퀴)의 표면부에 침탄층을 형성하는 침탄처리방법, 특히 플라즈마 침탄처리방법의 개량에 관한 것이다.

플라즈마 침탄은 진공로내에 가공물을 수용하여 850 내지 1100℃로 가열하고, 로내에 반응 기체로서 C₃H₈등의 탄화수소 기체를 도입하고, 글로우 방전을 일으켜 음극으로 이용된 가공물의 표면을 침탄하는 것(예를 들면 일본 특허 제 90-145759 호 공보)으로서, 기체 침탄에 의한 경우보다 높은 침탄 효율을 수득할 수 있으므로, 일반적으로 높은 탄소 농도에서도 전체 표면에 균일한 농도 분포를 수득할 수 있다는 이점을 갖는다.

플라즈마 침탄후, 들러붙은 탄소를 내부로 확산시켜 소정 두께의 침탄층을 형성하기 위해 필요에 따라 후속적인 확산 처리를 실시한다.

플라즈마 침탄에 의해 가공물 표면에 주입된 탄소는 침탄 처리중 또는 후속적인 확산 처리중에 내부로 점차 확산하여 소정의 두께의 침탄층을 형성하는데, 이와 같은 플라즈마 침탄을 톱니바퀴와 같은 엣지부를 갖는 가공물에 적용할 때, 이엣지부의 침탄층에는 평탄부에 비해 상대적으로 탄소 농도가 높아진다.

이는 엣지부와 평탄부의 형상의 차이에 기인하는 것으로, 엣지부(A)(도 8을 참조할 수 있다)가 평탄부(B)에 비해 표면적은 크지만, 내부의 확산가능한 영역이 작고 들러붙은 탄소가 내부로 확산되기 힘들어 표면 탄소 농도가 감소되기 힘들기 때문이다.

엣지부(A)와 평탄부(B)의 표면 탄소 농도의 불균일성은 플라즈마 침탄에서 현저하며, 기체 침탄에서는 크게 문제가 되지않는다.

즉, 기체 침탄에서는 평형상테에서의 침탄이기 때문에, 가공물 표면의 탄소 농도가 대기의 탄소 포텐샬에 평형인 농도 이상으로는 상승하지않고, 또한 가공물 표면의 탄소 농도가 상승하면 침탄 속도가 떨어지므로 침탄처리중의 엣지부(A)와 평탄부(B)의 표면 탄소 농도는 크게 상이하지 않은 것으로 생각된다.

그러나, 플라즈마 침탄은 원래 비평형 상태하에서의 침탄이고, 침탄 처리중에 엣지부(A)의 표면 탄소 농도가 상승하여도 탄소가 들러붙는 속도는 평탄부(B)에서도 변하지 않으므로, 침탄 처리후의 표면 탄소 농도의 차이가 커지기 쉽다.

그리고, 탄소 농도의 불균일성은 확산 처리후에도 해소되지않는다.

따라서, 확산 처리가 종결된 단계에서 평탄부(B)의 침탄층에서 공석점을 초과하는 탄소 농도의 부분이 없어진 경우에도 엣지부(A)의 침탄층에서는 탄소 농도가 감소되기 힘드므로, 공석점을 초과하는 탄소 농도의 부분이 남는 경우가 있고, 이때, 냉각 후에 가공물의 엣지부(A)에 입계(粒界)를 따라 망상의 탄화물이 생성된다.

입계를 따라 생성된 망상의 탄화물은 잘게 균열되는 기점이 되고(더욱이 엣지(A)는 응력이 집중되는 부위이다), 일단 생성된 것은 이후의 열처리에 의해 용이하게 소멸되지않는다.

본 발명은 이와 같은 종래의 플라즈마 침탄의 문제점을 반영한 것으로서, 플리즈마 침탄을 이용하여 엣지부를 갖는 가공물 표면에 균일한 탄소 농도의 침탄층을 형성하는 것, 또는 엣지부에 입계를 따라 망상의 탄화물이 생성되는 것을 억제하는 것을 목적으로한다.

본 발명은 진공로내에 가공물을 위치시키는 단계; 상기 진공로내에 침탄성 기체를 공급하고 글로우 방전시켜 상기 가공물을 플라즈마 침탄 처리하는 단계; 및 상기 가공물을 탈탄처리하는 단계를 포함하는, 엣지부를 갖는 가공물, 예를 들면 표면 열처리된 강으로 이루어진 톱니바퀴의 표면부에 균일한 침탄층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

플라즈마 침탄은 종래와 같이 850 내지 1100℃의 온도 범위내에서 수행하는것이 바람직하고, 침탄성 기체로는 공지된 CH₄, C₃H₈등의 탄화수소 기체를 사용할수 있다.

한편, 탈탄 처리 온도는 플라즈마 침탄과 동일한 온도 범위인 것이 바람직하지만, 페라이트(ferrite)의 석출을 방지하는 의미로 910℃이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 양태에서는, 플라즈마 침탄 처리와 탈탄 처리를 교대로 반복하여 행하였다.

본 발명에서, 적당한 탈탄 처리 수단으로는 상기 진공로내에 CO₂, H₂O, H₂, 0₂, NO_X등의 탈탄성 기체를 공급하여 글로우 방전시키는 플라즈마 탈탄이 선택된다.

또한 플라즈마 침탄 처리 후 또는 침탄처리 후에 적당히 확산처리를 실시할 수도 있다.

플라즈마 침탄처리 동안에 가공물 표면에 들러붙은 탄소는 플라즈마 침탄처리 동안에도 가공물 내부로 확산되지만, 엣지부에서는 확산이 일어나기 힘들기 때문에 플라즈마 침탄 처리후의 표면 탄소 농도는 평탄부에 비해 높다.

후속적인 탈탄 처리에서는 내부로 향하는 확산과 표면으로부터의 탈탄 둘모두에 의해 침탄층의 탄소농도는 내려가고 동시에 침탄층의 두께가 증가한다.

이때, 플라즈마 침탄시에 엣지부가 우선적으로 침탄되는 것과 원칙적으로 같은 형태의 효과(엣지부의 표면적이 상대적으로 큼)가 발생하여 엣지부에서의 탈탄속도가 증가하고 엣지부 표면의 탄소를 평탄부이상의 속도로 빨리 뺄수 있다.

즉, 침탄 처리 동안에 엣지부 표면으로부터 우선적으로 침탄되기 때문에, 엣지부와 평탄부의 침탄층 탄소 농도가 균일화된다.

또, 종래에는 확산 처리가 종결된 후에도 엣지부 침탄층의 탄소 농노가 충분히 내려가지 않고 냉각시 망상 탄화물이 석출되는 경우가 있지만, 플라즈마 침탄 처리후 탈탄 처리를 실시함으로써 확산과 탈탄의 둘모두의 효과로 엣지부 침탄층의 탄소 농도가 평탄부와 같이 내려가고 여기에 망상 탄화물이 석출되는 것을 방지할수 있다.

그런데, 플라즈마 침탄에서는 일반적으로 내부로의 확산 속도보다 침탄 속도가 조금 더 크기 때문에 플라즈마 침탄이 어느 정도 장기간 계속되면, 표면층의 탄소 농도가 플라즈마 침탄 온도에 따른 공석 한계(Acm)를 초과하여 상승하여 거기에 망상 탄화물이 생성될 염려가 있다.

망상 탄화물은 상술된 바와 같이 일단 발생하면 소멸시키기 어렵기 때문에 그 생성을 억제하려면 1회의 플라즈마 침탄을 단시간 내에 끝낼 필요가 있다.

1회의 플라즈마 침탄으로 망상 탄화물을 생성시키지않고 필요량의 탄소를 취해 소정 깊이의 침탄층과 침탄 농도를 수득하는 것이 바람직하지만, 이것이 불가능한 경우에는 중간에 탈탄 처리를 수행하여 복수회의 플라즈마 침탄을 실시한다.

이에 의해 가공물 표면에 한번에 과잉의 탄소가 들러붙는 망상 탄화물의 생성이 억제되고 또 플라즈마 침탄후의 탈탄 처리에 따른 탄소 농도의 균일화와 내부로의 확산이 그때마다 행하여지고 큰 침탄 깊이와 침탄층에 필요한 탄소 농도를 얻는 것이 용이하다.

본 발명에서, 플라즈마 침탄 처리와 탈탄 처리를 동일한 진공로에서 계속 행하는 것도 바람직하고, 또한 양 공정을 각각 분리하여 개별적으로 행할 수도 있다.

망상 탄화물이 석출되는 것을 방지하기 위해 플라즈마 침탄후에 냉각하지않고 탈탄처리한다.

특히, 플라즈마 탈탄 처리시에는 동일한 진공로내에서 반응 기체를 교체하거나, 글로우 방전 조건을 적절히 선택하여 조절하는 것만으로 즉시 실시하는 것이바람직하다.

플라즈마 침탄 처리 온도가 높아지면 침탄 속도 및 확산 속도가 증가하고 침탄 효율이 증가된다.

한편, 너무 고온이면 에너지 효율이 나쁘고 가공물의 비틀어짐도 커지므로 통상적인 바와 같이 850 내지 1100℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다.

또한 플라즈마 탈탄 처리 온도는 가공물 표면이 국부적으로라도 과잉으로 탈탄되어 페라이트화되는 것을 방지하기위해 910℃이상인 것이 필요하다.

또한 페라이트 중에서는 확산 속도가 느려지기 때문에 일단 페라이트가 발생하면 잘 해소되지않는다.

이하에서, 본 발명의 실시예를 비교예와 같이 설명한다.

표면 열처리 강 소재로 C: 0.18%, Si: 0.09%, Mn: 0.69%, P: 0.006%, S: 0.021%, Cr: 1.02%, Mo: 0.39%, Al: 0.35%, Nb: 0.035%이고 나머지가 Fe인 차동 장치 기어의 피니언 기어를 이하의 조건에서 침탄 처리하였다.

실시예 (도 i을 참조할 수 있다)

① 진공로내에 가공물을 위치시키고 진공중에서 1000℃에서 10분간 균열 처리하고, ② 진공로내에 H₂기체를 도입하여 로의 내압을 3Torr로 조정하고, 350V, 2A의 조건으로 글로우 방전하고 20분간 정화 처리하고, ③ H₂기체를 빼내고 C₃H₈기체를 도입하여 로의 내압을 3.5Torr로 조정하고, 400V, 2A의 조건으로 글로우 방전하고 10분간 플라즈마 침탄 처리하고, ④ C₃H₈기체를 빼내고 CO₂기체를 도입하여 로의 내압을 3Torr로 조정하고, 10분간 플라즈마 탈탄처리하고, ⑤ 10분간 플라즈마 침탄 처리(③과 동일한 조건)하고, ⑥ 10분간 플라즈마 탈탄 처리(④와 동일한 조건)하고, ⑦ 10분간 플라즈마 침탄 처리(③과 동일한 조건)하고, ⑧ 70분간 플라즈마 탈탄 처리(④와 동일한 조건)하고, ⑨ 로의 내부를 진공으로 하고 5분간 확산 처리후 850℃까지 서냉, 열처리 또는 그대로 서냉하였다.

종래예 (도 2를 참조할 수 있다)

① 진공로내에 가공물을 위치시키고 진공중에서 10OO℃에서 10분간 균열 처리하고, ② 진공로내에 H₂기체를 도입하여 로의 내압을 3Torr로 조정하고, 350V, 2A의 조건으로 글로우 방전하고 20분간 정화 처리하고, ③ H₂기체를 빼내고 C₃H₈기체를 도입하여 로의 내압을 3.5Torr로 조정하고, 400V, 2A의 조건으로 글로우 방전하고 50분간 플라즈마 침탄 처리하고, ④ 로의 내부를 진공으로 하고 72시간 확산처리하고, ⑤ 850℃까지 서냉, 열처리 또는 그대로 서냉하였다.

이와 같이 침탄 처리한 후 서냉 또는 열처리한 시료의 엣지부 및 평탄부(각각 도 8의 (A) 또는 (B)에 해당한다)의 금속 조직 현미경 사진을 도 3 내지 도 5에서 나타낸다.

도 3은 침탄 처리후 서냉한 가공물의 엣지부의 금속 조직 현미경 사진이다.

종래예 (b)에서는 펄라이트(pearlite) 조직안에 입계를 따라 탄화물이 석출(흰 망상으로 보이는 부분)되어 있지만, 실시예 (a)에서는 탄화물의 석출이 나타나지 않는다.

도 4 및 도 5는 각각 종래예 및 실시예의 침탄후 열처리된 가공물의 엣지부와 평탄부의 금속 조직 현미경 사진이고, 도 4의 중래예에서는 평탄부는 마르텐사이트(martensite) 조직(검게 보이는 부분)과 잔류 오스테나이트 조직(희게 보이는 부분)이고 탄화물이 보이지 않지만, 엣지부 (b)에는 탄화물이 망상으로 석출되어있다.

그러나, 도 5의 실시예에서는 평탄부 (a) 및 엣지부 (b) 둘모두에서 탄화물이 석출되지 않았다.

도 6은 침탄후 열처리를 실시한 실시예의 평탄부 표현으로부터의 거리와 경도(빅커스 경도)의 관계를 나타내고, 도 7은 동일한 종래예의 평탄부 표면으로부터의 거리와 경도(빅커스 경도)의 관계를 나타낸다.

실시예에서는 탈탄 처리를 수행했음에도 불구하고, 종래예와 거의 동일한 표면 경도가 수득되고, 또한 유효 경화층 깊이(550Hv 이상의 경도가 수득되는 깊이)에 대해서도 종래예의 1.31mm에 대해서 1.22mm로 손색이 없다.

본 발명에 따르면 엣지부를 갖는 가공물의 표면에 균일한 탄소 농도의 침탄층을 형성할 수 있고, 냉각시에 엣지부에 망상의 탄화물이 생성하는 것을 억제할 수 있다.

도 1은 실시예의 플라즈마 침탄처리방법을 나타낸 도면이다.

도 2는 종래예의 플라즈마 침탄처리방법을 나타낸 도면이다.

도 3a는 실시예에 따라 침탄 처리한 후 서냉한 가공물의 엣지부(edge)의 금속 조직 현미경 사진이다.

도 3b는 종래예에 따라 침탄 처리한 후 서냉한 가공물의 엣지부(edge)의 금속 조직 현미경 사진이다.

도 4a는 종래예에 따라 침탄 처리한 후 열처리한 가공물의 평탄부의 금속 조직 현미경 사진이다.

도 4b는 종래예에 따라 침탄 처리한 후 열처리한 가공물의 엣지부의 금속 조직 현미경 산진이다.

도 5a는 실시예에 따라 침탄 처리한 후 열처리한 가공물의 평탄부의 금속 조직 현미경 사진이다.

도 5b는 실시예에 따라 침탄 처리한 후 열처리한 가공물의 엣지부의 금속 조직 현미경 사진이다.

도 6은 실시예에 따라 침탄 처리한 후 열처리한 가공물의 평탄부의 빅커스(Vicker's) 경도와 표면으로부터의 거리의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 7은 종래예에 따라 침탄 처리한 후 열처리한 가공물의 평탄부의 빅커스 경도와 표면으로부터의 거리의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 8은 엣지부와 평탄부를 설명하는 도면이다.

Claims (5)

1. 진공로내에 가공물을 위치시키는 단계;

   상기 진공로내에 침탄성 기체를 공급하고 글로우 방전(glow discharge)시켜 상기 가공물을 플라즈마 침탄처리하는 단계; 및

   상기 가공물을 탈탄 처리하는 단계를 포함하는 엣지부(edge)를 갖는 가공물으 표면부에 침탄층을 형성하는 침탄처리방법.
2. 제1항에 있어서,

   플라즈마 침탄처리와 탈탄처리를 교대로 반복하는 것을 포함하는 침탄처리방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   탈탄처리가 가공물이 위치된 진공로내에 탈탄성 기체를 공급하여 글로우 방전시키는 플라즈마 탈탄처리인 침탄처리방법.
4. 제3항에 있어서,

   탈탄성 기체가 CO₂기체임을 특징으로하는 침탄처리방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   플라즈마 침탄처리 또는 탈탄처리를 수행한 후 확산처리를 실시함을 포함하는 침탄처리방법.