KR100504131B1 - 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화 또는 질화침탄 처리공정과 후산화 처리공정을 각각 전용의 질화로와 후산화로를 사용하여 처리함에 의해 질화 처리온도에서 후산화 처리온도까지의 냉각시간을 크게 단축할 수 있어, 신속한 냉각에 따라 전공정에서 형성된 표면 질화물층의 상변화를 방지할 수 있고, 강부품의 균일한 냉각과 적정의 후산화 온도에서 후산화 처리가 가능하여 표면에 견고하고 치밀하며 균일한 흑색 철산화물 피막을 형성하여 우수한 내식성을 갖는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법에 관한 것이다.

본 발명은 제1로에서 강부품을 질화 또는 질화침탄 처리를 실시하여 강부품의 표면에 ε-철질화물 또는 ε-철탄질화물을 형성한 후 N₂가스로 질화 또는 질화침탄가스를 퍼징하는 단계와, 상기 강부품을 노에서 꺼내어 공기 중에서 제어냉각하는 단계와, 미리 후산화처리 조건으로 설정된 후산화를 위한 제2로에 제어냉각된 강부품을 장입하여 후산화를 실시한 다음 냉각하여 사용하거나 냉각된 강부품을 흑색마무리처리하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법{Surface Modification Method for Manufacturing High Corrosion Resistance Steel Using Two Furnaces}

본 발명은 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법에 관한 것으로, 특히 질화 또는 질화침탄 처리공정과 후산화 처리공정을 각각 전용의 질화로와 후산화로를 사용하여 처리함에 의해 질화 처리온도에서 후산화 처리온도까지의 냉각시간을 크게 단축할 수 있어, 신속한 냉각에 따라 질화처리공정에서 형성된 표면 질화물층의 상변화를 방지할 수 있고, 강부품의 균일한 냉각과 적정의 후산화 온도에서 후산화 처리가 가능하여 표면에 견고하고 치밀하며 균일한 흑색 철산화물 피막을 형성하여 우수한 내식성을 갖는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법에 관한 것이다.

유압 및 공압용 피스톤 로드, 자동차용 쇼크업소바용 로드 및 댐퍼 로드 등은 내식성, 내마모성, 균일하고 치밀한 피막의 표면코팅을 위해 크롬 도금 또는 표면처리를 실시하고 있다.

특히, 물 및 염수 등의 염소이온(Cl)에 의한 부식이 심한 환경에서 우수한 내식 특성을 갖도록 하기 위해서 종래에는 질화 또는 질화침탄 처리공정과 후산화 처리공정을 단일 노(furnace)에서 질화 처리와 후산화 처리를 실시하였다.

이와 같이 질화 또는 질화침탄처리하면 도 1에 도시된 바와 같이 화합물층내에 처리방법에 따라 ε-Fe_2-3(N,C)상만 생성되거나 경우에 따라서는 ε-Fe_2-3(N,C)상과 γ'-Fe₄N상의 혼합상 또는 γ'-Fe₄N상만이 형성될 수 있다. 그런데 이들 두상은 염수 등에 대하여 내식성이 거의 없다.

따라서, 내식성을 부여하기 위하여는 후산화를 실시하는 것이 필요하며, 후산화처리를 실시하면 산소가 ε-Fe_2-3(N,C)상 내에만 함유되며, 이 경우 γ'-Fe₄N상은 후산화 후에도 내식성이 거의 없게 된다.

일반적으로 질화 또는 질화침탄처리하면 ε-Fe_2-3(N,C)상과 γ'-Fe₄N상의 혼합상이 얻어지나 처리 중에 가스와 온도를 제어하면 화합물층의 최표면에 ε-Fe_2-3(N,C)상만이 형성되게 할 수 있다. 이 경우 화합물층은 최표면에 ε-Fe_2-3(N,C)상이 형성되고, 그 아래에 ε-Fe_2-3(N,C)상과 γ'-Fe₄N상이 공존하게 되므로 ε-Fe _2-3(N,C)상과 γ'-Fe₄N상의 혼합상에 대해서도 후산화 처리를 실시하면 내식성을 갖게 된다.

따라서, 질화 또는 질화침탄처리에 의해 형성된 ε-Fe_2-3(N,C)상 또는 ε-Fe_2-3(N,C)상과 γ'-Fe₄N상의 혼합상 어느 것도 염수에 대한 내식성은 거의 없게 된다.

그러나, 특히 ε-Fe_2-3(N,C)상에 (ε-Fe_2-3(N,C)상에만 기공이 형성되며 이 기공을 통해 산소가 주로 침입하여 ε-Fe_2-3(N,C)상 내에 산소가 함유되고 기공층은 산화물로 메꾸어지게 된다.) 산소가 함유되면 내식성이 크게 향상되며, 또한 이 화합물층 위에 Fe₃O₄ 산화물층이 형성되어 내식성이 부가적으로 더욱 향상된다.

도 1에서 화합물층을 구성하는 물질은 ε-Fe_2-3(N,C)상과 γ'-Fe₄N상이며, γ'-Fe₄N상을 제외한 모든 영역은 ε-Fe_2-3(N,C)상으로 되어 있다.

종래에는 570~580℃의 온도에서 강부품 표면에 ε-철질화물(epsilon iron nitride) 또는 ε-철탄질화물(epsilon iron carbonitride)(ε-Fe_2-3(N,C))로 표면층을 형성시킨 후 흑색 철산화물(Fe₃O₄) 피막을 형성시키기 위한 후산화(post oxidation)공정을 연속하여 진행할 때, 단일의 질화로 내에서 먼저 강부품의 표면을 질화(nitriding) 또는 질화침탄(nitrocarburising) 처리후 N₂ 가스로 노내의 질화 또는 질화침탄 분위기를 퍼징(purging)하면서 부품의 온도를 후산화 온도까지 노속에서 냉각한 후 동일 노내에서 후산화를 실시한다. 이러한 질화 또는 질화침탄 공정과 후산화공정은 단일 노에서 연속적으로 처리되므로 질화처리후 후산화에 적합한 온도로 냉각시키는 것이 필요하다.

그러나, 종래의 단일 노를 사용한 처리방법에 있어서는 동일로에서 연속적으로 질화 또는 질화침탄 처리, N₂ 가스 퍼징, 온도 냉각 및 후산화 처리를 실시하는 방법은 대량생산을 위해 대형 노를 이용할 때 다음과 같은 심각한 문제를 야기하게 된다.

즉, 처리될 강부품을 약 2톤 정도 장입한 현장 생산용 노(1200mmφ×2200mmH)에서 40℃ 낮추는데 소요되는 시간은 약 1시간 30분 이상 소요되므로, 적정 후산화 온도인 400~540℃까지 냉각하는데 최소 3시간의 냉각시간이 소요된다. 이 경우 N₂ 퍼징가스가 10㎥/hr 이상 소비되기 때문에 다량의 퍼징가스가 소모되는 문제가 있다.

또한, 상기와 같이 노냉시간이 길어지면 강부품의 표면에 형성된 화합물층 내의 질소 및 탄소가 탈질 및 탈탄되어 화합물층 내의 ε-철질화물 또는 ε-철탄질화물의 화학조성이 변화하여 오히려 내식성이 감소한다. 즉, 질화 또는 질화침탄처리에 의해 형성된 ε-Fe_2-3(N,C)상은 질화 또는 질화침탄 분위기가 아닌 질소분위기에서 500℃ 이상의 온도에서 장시간 동안 유지될 때 최표면층의 ε-Fe_2-3(N,C)상에 존재하는 C와 N이 N₂가스 분위기로 빠져 나와 ε-Fe_2-3(N,C)상이 γ'-Fe₄ N상으로 변하게 된다. 이 경우, γ'-Fe₄N상은 후산화를 실시하여도 산소가 함유되지 않으므로 내식성이 부여되지 못하여 화학조성이 변하면 오히려 내식성이 감소하는 문제가 있다.

또한, 540℃ 이상에서 수증기에 의한 후산화시 철산화물은 Fe₃O₄가 생성되어야 하나 Fe₂O₃도 소량씩 생성되어 내식성에 나쁜 영향을 미치게 된다.

더욱이, 종래방법에서는 강부품이 노냉될 때 강부품의 노내 위치에 따라 강부품의 냉각이 균일하게 진행되지 못하여 노냉시간이 길어지거나 또는 후산화시에 균일하지 못한 흑색 철산화물 피막이 얻어지게 되어 이 또한 내식성에 나쁜 영향을 미치게 된다.

따라서, 종래의 질화법에 의한 내식강의 표면처리방법은 낮은 생산성과 내식성 및 제품의 온도 불균일로 인한 균일하지 못하고 미려하지 못한 후산화층 형성 등이 해결하여야 할 문제점으로 남아 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 질화 또는 질화침탄 처리공정과 후산화 처리공정을 각각 전용의 질화로와 후산화로를 사용하여 처리함에 의해 질화 처리온도에서 후산화 처리온도까지의 냉각시간을 2 내지 40배 단축할 수 있어, 신속한 냉각에 따라 전공정에서 형성된 표면 질화물층의 상변화를 방지할 수 있고, 강부품의 균일한 냉각과 적정의 후산화 온도에서 후산화 처리가 가능하여 표면에 견고하고 치밀하며 균일한 흑색 철산화물 피막을 형성하여 우수한 내식성을 갖는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 대량 생산시 단일 노에서 질화 또는 질화침탄 처리공정에 후속하여 후산화 처리공정을 갖는 경우 후산화 처리공정을 별도의 후산화로에서 실시함에 따라 질화 또는 질화침탄 처리공정후 퍼징가스로 퍼징한 후 바로 질화로에서 꺼내어 후산화로를 사용하므로 N₂ 퍼징가스를 크게 절약할 수 있는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 2기의 노를 사용하여 제1노에서 550~600℃에서 강부품을 질화 또는 질화침탄처리를 실시한 후 N₂가스로 질화 또는 질화침탄가스를 퍼징한 다음, 강부품을 노에서 꺼내어 공기 중에서 30초~1시간 동안 제어냉각한 후 미리 후산화처리 조건으로 설정된 400~540℃의 후산화를 위한 제2로에서 제어냉각된 강부품을 장입하여 1분~5시간 동안 후산화를 실시한 후 공냉 또는 수냉을 실시하는 것을 특징으로 하는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법을 제공한다.

후산화처리는 ε-Fe_2-3(N,C)상의 화합물에 산소를 함유시키고 나아가 최표면층에 Fe₃O₄ 산화물을 형성시켜 내식성을 향상시키고 또한 흑색의 미려한 표면을 얻기 위한 것이다. 후산화 처리온도가 낮을수록 Fe₃O₄ 층이 얇고 ε-Fe_2-3 (N,C)상에 들어가는 산소양도 적게 된다. 따라서, 400~540℃의 온도범위에서 1분~5시간 후산화처리하면 Fe₃O₄ 산화물층 두께는 0.1~2㎛ 정도밖에 되지 않는다.

만약, 540℃에서 5시간 이상 후산화를 실시하면 후산화에 의한 Fe₃O₄ 산화물층의 두께가 두껍게 되며, 이 경우는 후산화 처리후 흑색마무리처리를 하지 않고도 고내식성을 요구하는 강부품에는 적합하다. 그러나, Fe₃O₄ 산화물층의 두께가 두껍게 되면 흑색마무리처리 중에 산화물층이 박리되어 떨어져 나가며 또한 마무리 조도가 나빠지는 문제가 있다.

또한, 후산화처리가 400℃, 1분 이하인 경우는 Fe₃O₄ 산화물층의 두께가 너무 얇고, ε-Fe_2-3(N,C)상에 들어가는 산소양도 적게 되어 내식성이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 바람직하게는 Fe₃O₄ 산화물층의 두께가 1㎛ 미만으로 형성하여 흑색마무리처리를 실시하는 것이 좋게 된다.

또한, 상기 제어냉각에 소요되는 시간을 30초~1시간으로 정하였으나, 이는 후산화 처리될 강부품의 크기(두께, 직경, 중량 등)을 고려하여 적정한 냉각시간이 설정되는 것이 바람직하다. 예를들어, 0.8mm 두께로 이루어진 판재는 약 30초 정도면 후산화 온도까지 냉각이 이루어지며, 100mmφ×2000mmH 봉은 약 1시간 정도 냉각시간이 소요되기 때문이다.

본 발명의 등온 후산화법은 제1로에서 가스법, 플라즈마법(이온법), 유동상법 및 플라즈마-가스 복합처리법 등에 의한 질화 또는 질화침탄을 실시하는 분위기 등에 적용되며, 이 경우 먼저 제1질화로에서는 ε-철질화물 또는 ε-철탄질화물로 구성된 화합물층을 형성시키며, 이 층에 산소를 함유시키고, 화합물층 위에 Fe₃O₄ 철산화물층을 형성시키기 위해 제2후산화로에서 등온 후산화를 실시한다.

이때 강부품의 주된 냉각은 제1질화로에서 제2후산화로로 이동하는 공기중에서 일어나며, 피처리 강부품이 적재된 치구를 고속 냉각팬장치 위에 얹고 이를 작동시켜 송풍시키면 치구대의 중간부분에 적재된 강부품이 쉽게 냉각되어 후산화 처리온도에 도달하면서 표면은 Fe₃O₄ 산화물층이 형성된다.

특히 적정 후산화 처리온도가 400~540℃이기 때문에 이 후산화 온도영역에서 형성된 흑색의 철산화물은 Fe₃O₄이며 540℃ 이상에서 형성된 철산화물 보다 치밀하고 견고하게 부착되어 있어 버핑(buffing), 래핑(lapping), 폴리싱(polishing), 또는 기계연마 등의 마무리처리를 거치면 흑색의 미려한 표면을 얻는다.

상기한 2기의 노를 이용한 등온 후산화법은 질화온도에서 후산화 처리온도까지 냉각시간을 2배 내지 40배 단축할 수 있고, N₂ 퍼징가스의 절감은 물론 신속한 냉각에 의한 화합물층의 상변화가 거의 없으며, 강부품의 균일 냉각이 이루어지며, 적정한 후산화 온도에서 후산화를 실시함으로써 견고하고 치밀하며 균일한 흑색 철산화물 피막을 얻을 수 있어 우수한 내식성을 갖게 된다.

상기와 같은 처리를 거친 본 발명의 강부품은 최표면에 부착된 Fe₃O₄ 피막이 치밀하고 견고하여 염수의 흡수가 거의 없고 또한 Fe₂O₃가 형성되지 않기 때문에 5% NaCl 염수분무 시험시 400시간 이상의 우수한 내식성을 나타낸다.

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예를 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

(실시예)

SM45C로 기계가공 연마된 직경(10mmφ)×길이(190.5mmL)인 가스스프링 로드를 직경 1200mmφ, 높이 2200mmH인 핏트형 노에서 10,000개 장입 후 580℃에서 3시간 가스 질화침탄 처리 후 N₂ 가스로 10분간 퍼징한 다음 공기중에 꺼내어 3분간 제어냉각한 후 450℃로 유지된 수증기 분위기의 제2후산화로에 장입하여 1시간 동안 후산화를 실시한 다음 수냉하였다.

상기 처리가 완료된 로드를 흑색 마무리 처리한 후 로드에 대한 내식성을 조사하기 위하여 5% NaCl 염수분무 시험한 결과 480시간 동안 발청이 일어나지 않았다.

상기 실시예에서 10,000개의 로드 중 소재 자체의 결함, 취급부주의, 버핑불량 등의 로드를 제외하면 약 99.9%의 로드는 상기한 내식성을 만족하는 것으로 나타났다.

또한, 종래의 1기의 노를 이용하여 질화처리와 후산화 처리를 연속적으로 실시하는 경우 48~120시간 동안 발청이 일어나지 않았다. 따라서, 종래방법에서는 내식성이 본원발명에 비하여 크게 떨어지며 또한 피처리 부품의 내식성 편차가 큰 문제가 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 질화로와 후산화로 등의 2기의 노를 이용함에 따라 신속하고 효과적인 후산화 처리를 실시할 수 있어, 생산성이 높고, 퍼징가스를 크게 절약하며, 내식성과 미적 특성이 향상된 강부품의 표면처리가 이루어진다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 강부품을 질화 또는 질화침탄 처리하는 경우 강부품의 표면 구조를 보여주기 위한 모식 단면도이다.

Claims (4)

1. 제1로에서 강부품을 질화 또는 질화침탄 처리를 실시하여 강부품의 표면에 ε-철질화물 또는 ε-철탄질화물을 형성한 후 N₂가스로 질화 또는 질화침탄가스를 퍼징하는 단계와,

   상기 강부품을 노에서 꺼내어 공기 중에서 제어냉각하는 단계와,

   상기 제어냉각에 따라 후산화 조건에 도달한 경우 미리 후산화처리 조건으로 설정된 후산화를 위한 제2로에 제어냉각된 강부품을 장입하여 후산화를 실시한 다음 냉각하여 사용하거나 냉각된 강부품을 흑색마무리처리하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 질화 또는 질화침탄은 가스법, 플라즈마법(이온법), 유동상법 및 플라즈마-가스 복합처리법 중 어느 하나의 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 후산화 처리는 400~540℃에서 1분~5시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 흑색마무리처리단계는 기계연마, 버핑, 폴리싱 및 래핑 중 어느 하나의 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2기의 노를 사용한 고내식강 제조를 위한 표면개질방법.