KR100445752B1 - 금속재의 크롬탄화물 피복방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속재 표면 상에 크롬탄화물을 피복하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 피복방법은 금속재의 표면에 크롬 도금(1)을 행한 후, 상기 크롬 도금된 금속재(2)를 진공, 환원 또는 침탄 분위기 하에 750~ 1250℃의 온도 범위에서 확산 열처리하는 것을 포함한다.

이러한 금속재의 크롬탄화물 피복방법에 의하면 기존의 소재에 비하여 도금 두께를 얇게 하면서도 내마모성과 내식성을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

금속재의 크롬탄화물 피복방법{A method for coating chromium carbide on a metal material}

본 발명은 금속재 표면 상에 크롬탄화물을 피복하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존에 비하여 도금 두께를 얇게 하면서도 내마모성과 내식성이 우수한 금속재의 크롬탄화물 피복방법에 관한 것이다.

최근 금형, 자동차, 중장비 및 공작기계 등 각종 기계 부품의 사용조건이 가혹해짐에 따라 이들 부품 소재만으로 마모, 부식 등의 요구특성을 만족시킬 수 없으며, 이를 극복하고자 크롬도금기술이 활용되고 있다.

크롬도금은 무수크롬산(CrO₂)과 물로 이루어진 도금욕 중에서 처리물을 음극으로 하고 불용성의 양극간에 전기를 공급하여 크롬산(H₂OCrO₄)을 거쳐 형성된 크롬산 착이온(CrO₄ ^-2)이 처리물 표면에 금속 Cr으로 석출되어 피복되는 것이다. 크롬도금은 일반적으로 처리비용이 저렴하고, 내식, 내마모 및 내열 특성이 우수하여 장식 및 공업용 제품에 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 내식 및 내마모 특성을 부여하기 위한 공업용 크롬도금의 경우 처리물의 내식성이 우수하고, Hv 900~ 1000의 높은 경도값을 가짐으로 인해 내마모 특성이 뛰어나며, 처리온도가 매우 낮아 각종 기계 부품에 널리 쓰이고 있다.

그러나, 크롬도금의 특성상 도금층 자체에 미세한 크랙이 존재하므로 인해 기지금속이 발청되어 부식이 진행되므로써 내식성이 떨어진다. 또한, 크롬도금된 처리물의 사용온도가 약 200℃를 초과하는 경우 경도가 낮아져 내마모성이 저하된다. 이를 해결하기 위해 공업용 크롬도금의 경우 대체로 100㎛ 이상의 매우 두꺼운 크롬도금층을 형성하고 있다. 그러나, 도금층의 두께가 두꺼워지는 경우 전류 효율이 10~ 20%로 매우 낮아져 매우 긴 작업시간이 소요되어 처리비용이 증가되며, 도금층과 기지와의 밀착력이 떨어진다. 또한, 처리물의 가장자리는 매우 두꺼운 도금층이 형성되는 반면, 중앙부는 상대적으로 도금층이 얇아지는 불균일한 도금층이 형성되곤 한다. 이로 인하여 치수정밀도가 높은 처리물의 경우 필요 이상으로 두껍게 도금한 다음, 연삭 가공을 통해 최종 도금두께로 조절하는 등 많은 단점을 가지고 있다. 그리고, 비록 크롬도금의 두께를 두껍게 하여 수명을 어느 정도 연장시킬수 있으나, 도금층 내에 존재하는 크랙으로 인해 한계가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 그 목적은 금속재를 먼저 크롬도금한 후 확산 열처리하여 금속재의 표면에 매우 높은 경도의 크롬탄화물층을 형성시키므로써, 도금두께를 얇게 형성하면서도 내마모성과 내식성을 대폭 향상시키는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 크롬탄화물층 형성과정을 설명하기 위한 모식도

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 형성된 크롬탄화물층의 단면조직.

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 크롬탄화물층의 단면조직.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 .... 크롬도금층 1' .... 크랙

2 .... 기지 3 ..... 크롬탄화물층

상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 피복방법은 금속재의 표면에 크롬도금층을 형성하는 방법에 있어서,

금속재의 표면에 크롬 도금을 행한 후, 상기 크롬 도금된 금속재를 확산 열처리하는 것을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 피복방법은 상기 금속재의 표면에 크롬도금층을 형성하기 전에 금속재의 표면에 10㎛이하의 두께로 니켈 또는 코발트층을 형성시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 피복방법은 소재에 내마모성을 부여하기 위하여 크롬도금처리가 가능한 처리물이면 어느 것이나 적용 가능하다. 바람직하게는 금속재에 적용하는 것이며, 더욱 바람직하게는 탄소가 함유된 강재에 적용하는 것이다. 강재의 경우 0.3~ 3.0wt%의 탄소를 함유한 강재가 바람직하다. 강재 중에 탄소 농도가 0.3wt% 이하인 경우에는 탄화물의 형성속도가 느리고, 3wt%를 초과하는 경우 탄화물의 형성속도는 빠르나, 철강소재의 기계적 성질이 나빠질 것이다.

본 발명에서 크롬도금은 통상의 전기도금이나 용융도금방법은 물론 증착을 통하여 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 무수크롬산과 물로 이루어진 도금욕을 사용하여 전기크롬도금하는 것이다.

상기 크롬도금된 금속재는 확산 열처리를 통하여 크롬도금층 내에 탄소를 확산시켜 크롬탄화물층을 형성한다. 확산 열처리는 진공 분위기, 환원 분위기 또는 침탄 분위기 하에서 행한다. 탄소가 함유된 강재의 경우 진공 또는 환원 분위기에서 확산 열처리하여도 무방하나 탄소가 없거나 함유량이 적은 금속재의 경우 침탄 분위기에서 확산 열처리를 할 필요가 있다. 진공 또는 환원 분위기 하에서 행하거나 침탄 분위기에서 가열하는 경우 탄화물의 형성속도를 빠르게 하고, 보다 우수한 경화 특성을 얻을 수 있다.

확산 열처리는 처리물을 열처리로에 장입한 다음, 탄소의 확산 이동이 용이한 온도, 구체적으로는 750~ 1250℃의 온도 범위에서 필요한 두께의 탄화물을 얻을 수 있는 시간 동안 가열하는 것이 바람직하다.보다 바람직하게는, 상기 확산 열처리를 행한 후, 소재의 조직이 조대화되어 기계적 성질이 떨어지는 것을 방지하도록 담금질(Quenching)을 행하는 것이다. 즉, 본 발명에서는 탄화물이 형성되면 소재를 담금질한 후, 공냉, 유냉 또는 가스 냉각 등을 통해 모재의 경도를 더욱 부여할 수 있다. 이때, 담금질 온도는 소재의 종류에 따라 다르다. 예를 들면, STC4의 담금질 온도는 760~ 850℃, SM45C는 820~ 870℃, STD61은 1000~ 1050℃, 그리고 STD11은 970~ 1050℃이다.

이하, 본 발명의 메카니즘을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 크롬탄화물층 형성과정을 설명하기 위한 모식도로서, 도 1a는 본 발명을 실시하지 않은 경우이며, 도 1b는 본 발명을 실시한 경우이다. 도1a에서 부호 "1"은 크롬도금층이며, "1'"는 도금층 내의 크랙이고, "2"는 탄소가 함유되어 있는 소재의 기지를 나타낸다. 상기 크롬도금층은 Hv 800~ 1100 정도로 대체로 낮은 경도값을 갖고 있다. 이러한 크롬도금층을 확산 열처리하면 기재(2) 내에 존재하던 탄소가 크롬도금층으로 확산하여 크롬과 반응하여 크롬탄화물층을 형성하게 된다. 상기 크롬탄화물층은, 예를들어 (Cr, Fe)_xC_y로서 Hv 1600~ 2500 정도의 매우 높은 경도값을 갖게 된다. 이 크롬탄화물층은 고온에서도 높은 경도값을 나타내어 200℃ 이상의 고온으로 가열하여도 경도가 낮아지지 않으며, 또한 내산화성 및 내식성이 매우 우수하다. 이와 더불어 확산 열처리에 의하여 크롬도금층에 존재하던 크랙이 제거되어 부식 매체가 기지와 접촉하는 것을 차단하여 더욱 더 내식 및 내산화 특성이 향상된다.

본 발명은 이러한 크롬도금층을 확산 열처리를 통해 크롬탄화물층으로 전환함에 따라 상온에서의 경도가 매우 높아짐은 물론 기존의 크롬도금층과는 달리 사용 온도가 높아져도 연화되질 않는다. 또한, 크롬도금층 내에 존재하던 크랙의 제거로 인하여 내산화 및 내식성이 매우 우수하여 사용 수명이 대폭적으로 향상된다. 더욱이, 본 발명에서는 종래의 크롬도금에서와 같이 수명을 연장하기 위해 도금 두께를 100㎛ 이상으로 두껍게 할 필요가 없어 도금 시간을 크게 줄일 수 있다. 본발명에서 크롬탄화물층 두께는 제품에 따라 달라지며, 이에 따라 크롬도금층의 두께도 달라진다. 바람직하게는 크롬도금층은 약 100㎛ 이하, 보다 바람직하게는 5~ 50㎛의 두께로 형성하는 것이다. 또한, 크롬탄화물층과 기지와의 밀착력을 보다 더 향상시키기 위해 크롬도금층과 기지간에 니켈 또는 코발트를 10㎛이하의 두께로 도금하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 여러 실시를 통하여 구체적으로 설명하지만, 이러한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것이며, 상기 예시된 실시예들은 결코 본 발명의 기술 영역을 한정하는 것으로 해석되어서는 아니됨은 자명하다.

[실시예 1]

탄소 농도가 0.43wt%인 SM45C 강재의 표면을 연삭한 다음, 두께 10㎛ 내외로 크롬도금을 하였다. 크롬도금층의 경도는 Hv 800 정도이었으며, 크롬도금층에는 미세 크랙이 존재하였다.

그것을 진공로에 장입하고, 약 10^-2torr로 배기시킨 후, 약 900℃로 가열하여 16시간 동안 유지하여 기지 내의 탄소를 크롬도금층으로 확산시켜 탄화물층을 형성하였다.

그 결과, SM45C의 경도는 Hv 1600의 매우 높은 경도값을 나타내었다.

[실시예 2]

탄소 농도가 0.95wt%인 STC4 강재를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄화물층을 형성하였다. 도2는 이러한 크롬탄화물층이 형성된 단면조직 사진이다.

STC4 강재의 경우 Hv 1650의 매우 높은 경도값을 나타내었다. 즉, 본 발명을 적용한 결과, STC4 강재의 경우 크롬도금층의 경도값이 약 2배 이상 증가하였으며, 도2에 나타난 바와 같이, 크롬도금층에 존재하던 미세한 균열이 제거됨을 알 수 있었다.

[실시예 3]

탄소 농도가 0.4wt%인 STD61 강재의 표면을 연삭한 다음, 두께 10㎛ 내외로 크롬도금을 하였다. 크롬도금층의 경도는 Hv 800 정도이었으며, 크롬도금층에는 미세 크랙이 존재하였다.

그것을 진공로에 장입하고, 약 10^-2torr로 배기시킨 후, 약 1000℃로 가열하여 25시간 동안 유지하여 기지 내의 탄소를 크롬도금층으로 확산시켜 탄화물층을 형성하였다.

그 결과, STD61 강재의 경도는 Hv 1600의 매우 높은 경도값을 나타내었다.

[실시예 4]

탄소 농도가 1.5wt%인 STD11 강재의 표면을 연삭한 다음, 두께 10㎛ 내외로 크롬도금을 하였다. 크롬도금층의 경도는 Hv 800 정도이었으며, 크롬도금층에는 미세 크랙이 존재하였다.

그것을 진공로에 장입하고, 약 10^-2torr로 배기시킨 후, 약 1000℃로 가열하여 16시간 동안 유지하여 기지 내의 탄소를 크롬도금층으로 확산시켜 탄화물층을형성하였다. 도3은 이러한 크롬탄화물층이 형성된 단면조직 사진을 보이고 있다.

STD11 강재의 경우 Hv 1700의 매우 높은 경도값을 나타내었다. 즉, 본 발명을 적용한 결과, STD11 강재의 경우 크롬도금층의 경도값이 약 2배 이상 증가하였으며, 도3에 나타난 바와 같이, 크롬도금층에 존재하던 미세한 균열이 제거됨을 알 수 있었다.

[실시예 5]

상기 STD61 강재의 표면을 연삭한 다음, 약 7㎛두께로 니켈도금층을 형성한 후, 10㎛ 내외로 크롬도금을 하였다.

그것을 진공로에 장입하고, 약 10^-2torr로 배기시킨 후, 약 1000℃로 가열하여 25시간 동안 유지하여 기지 내의 탄소를 크롬도금층으로 확산시켜 탄화물층을 형성하였다.

그 결과, STD61 강재에 크롬도금층만을 형성한 경우 밀착력이 약 80N이었으나, 본 발명에서는 밀착력이 약 120N 수준으로 향상되었으며, 경도도 Hv 1600의 매우 높은 경도값을 나타내었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기존의 크롬도금층을 고경도의 탄화물층으로 전환시켜 내마모성을 크게 향상시킬 수 있으며, 또한 크롬도금층의 두께를 대폭 줄일 수 있고, 그로 인하여 균일한 두께의 도금층을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 두께의 균일화를 위한 연삭공정을 생략할 수 있다. 더욱이, 본 발명에서는 기존의 크롬도금층 내에 존재하던 크랙을 없앨 수 있어 종래의 크롬도금 소재보다 한층 더 우수한 내식성을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 크롬도금층과 기지와의 밀착력이 향상되어 금형, 자동차, 중장비 및 공작기계 등 각종 기계 부품에 적용되는 경우 수명 연장은 물론 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 금속재의 표면에 크롬도금층을 형성하는 방법에 있어서,

   0.3~ 3.0wt%의 탄소를 함유한금속재의 표면에5~ 50㎛의 두께로크롬 도금을 행한 후, 상기 크롬 도금된 금속재를진공 또는 환원분위기 하에 750~ 1250℃의 온도범위에서확산 열처리하는 것을 포함하는 금속재의 크롬탄화물 피복방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 금속재의 표면에 크롬도금층을 형성하는 방법에 있어서,

   0.3~ 3.0wt%의 탄소를 함유한금속재의 표면에 10㎛이하의 두께로 니켈 또는 코발트층을 형성시킨 후,5~ 50㎛의 두께로크롬 도금을 행한 다음, 상기 크롬 도금된 금속재를진공 또는 환원분위기 하에 750~ 1250℃의 온도범위에서확산 열처리하는 것을 포함하는 금속재의 크롬탄화물 피복방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제