KR100512452B1 - 고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압 및 공압용 피스톤 로드 등과 같이 물 및 염수 등의 염소 이온에 의한 부식이 심한 환경에서 우수한 내식 특성을 발휘하는 철강부품을 제조하는 공정에 사용되는 고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법에 관한 것이다.

본 발명은 기계 연마된 강부품을 질화 또는 질화침탄 처리하여 산소가 함유된 ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상이 혼합된 산소 함유 화합물층을 형성하고, 상기 화합물층을 기계 마무리 처리하는 단계와; 기계 마무리 처리된 화합물 층위에 크롬 도금 처리 또는 크롬 도금 후 기계 마무리 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법과 이 방법에 의하여 제조된 고내식성 강부품을 제공한다.

Description

고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법{High Corrosion Resistance Steel Components And Complex Surface Modification Method for Making The Same}

본 발명은 고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유압 및 공압용 피스톤 로드 등과 같이 물 및 염수 등의 염소 이온에 의한 부식이 심한 환경에서 우수한 내식 특성을 발휘하는 철강부품을 제조하는 공정에 사용되는 고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 물 및 염소 이온(Cl^-)에 노출되는 환경에 사용되는 철강부품에 사용되는 부품의 내식성을 향상시키기 위해서는 경질 크롬 도금이나 장식용 다층 크롬 도금법을 주로 사용한다.

크롬 자체는 내식 특성이 우수하지만 경질 크롬 도금법에 의하여 도금된 크롬층에는 마이크로 크랙(micro crack)이 쉽게 발생하고, 상기 마이크로 크랙으로 통하여 물이나 염수 분위기에 포함된 염소 이온이 용이하게 침투하여 부품의 표면에 부식이 쉽게 진행되는 문제점을 안고 있다.

상기와 같은 마이크로 크랙은 경질 크롬 도금을 할 때에 전착증에 도금층 내부 응력 때문에 미세한 균열과 핀홀(pin hole)이 발생하며, 이 균열과 핀홀은 도금층 두께가 약 50㎛ 정도까지는 기지 조직의 표면까지 관통하여 소재의 부식을 일으킨다.

따라서, 경질 크롬 도금품의 고내식성을 얻기 위해서는 경질 크롬 도금층을 50㎛ 이상 두껍게 하여 사용하여 왔으나, 50㎛ 이상의 도금 두께로 도금을 하기 위해서는 도금 처리 시간을 6시간 이상 유지해야 한다.

그리고, 상기와 같은 경질 크롬 도금 방법 외에 장식 크롬 도금 방법을 이용하면 마이크로 크랙 현상은 발생하지 않으나, 장식 크롬 도금 방법은 구리-니켈-크롬(Cu-Ni-Cr)의 3중으로 도금해야 한다.

이상과 같이 내식성을 높이기 위해서 경질 크롬 도금 처리된 강부품은 물이나 염소 이온 등에 의한 내식성이 낮아 도금층 두께를 50㎛ 이상으로 두껍게 실시한 후에 표면 평활도를 위하여 기계 연마 또는 버핑 처리를 해야 하며, 장식 크롬 도금은 구리 및 니켈 등의 하지 도금을 실시한 후에 크롬 도금을 최표면에 실시해야 하므로 부가적인 제조 경비가 많이 소요되고, 내식성을 더 이상 높일 수 없는 한계가 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 크롬 도금층이 가지는 우수한 내마모성, 윤활성, 내열성, 이형성 및 내약품성을 유지하면서 내식성을 높일 수 있도록 강재의 표면을 개질하여 크롬을 도금하는 고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 강부품에 크롬 도금을 실시하기 전에 질화(nitriding) 또는 질화침탄(nitrocarburising)하여 산소가 함유된 화합물층 즉, 산소 함유 화합물층을 형성시킨 후, 표면에 형성된 산화물을 버핑(buffing) 또는 래핑(lapping) 또는 폴리싱 등의 기계 마무리 처리한 후 크롬 도금을 실시하는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법을 제공한다.

그리고, 본 발명은 강부품의 표면에 산소가 함유된 ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상이 혼합된 산소 함유 화합물층; 상기 산소 함유 화합물층의 위에 형성된 크롬 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품을 아울러 제공한다.

상기와 같은 본 발명은 고내식성 강부품을 제조하기 위해서는 기계 연마된 강부품을 질화 또는 질화침탄 처리한 후에 표면 산화물을 제거하기 위한 마무리 처리 단계와 크롬을 도금하는 단계로 구성된다.

질화 또는 질화침탄 단계는 노 속의 450∼700℃의 온도 범위에서 산소가 함유된 ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상이 혼합된 산소 함유 화합물층이 형성되며, 이 때 그 두께는 2∼100㎛까지 형성되며, 질화 또는 질화침탄 중이나, 처리 후에 공기와 프로판 등의 탄화수소계 가스의 혼합 가스, 공기, 스팀, 이산화탄소 등과 같은 산화성 분위기에서 강부품을 유지함으로써 화합물층에 산소가 함유되도록 하여 산소 함유 화합물층을 형성한다. 이 때, 상기 산소 함유 화합물층의 최표면층에는 철산화물이 형성된다.

질화 또는 질화침탄 처리 후에 강부품이 최표면에 형성된 상기 철산화물을 제거하기 위하여 기계 연마, 버핑(buffing), 래핑(lapping), 폴리싱(polishing) 중에서 어느 한 방법으로 5㎛R_max 이하의 조도를 유지한 후에 크롬을 도금한다.

그리고, 질화 또는 질화침탄 처리법은 플라즈마법(이온법), 가스법, 플라즈마 및 가스 복합 처리법, 염욕법, 유동상법 등 일체의 질화 또는 질화침탄법에 의하여 처리된 후에 형성된 산소 함유 화합물층의 상은 반드시 ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상이 혼합된 상이어야 한다.

여기서, 산소 함유 화합물층의 특징에 대하여 설명하면 다음과 같다. 일반적으로 강부품에 질화 또는 질화침탄 처리를 하면 ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상으로 구성된 화합물층이 형성된다.

상기 화합물층은 내마모성이 우수하지만 내식성이 거의 없다. 그러나, 상기 화합물층에 산소를 함유시키면 내마모성은 물론 내식성이 크게 향상되며, 특히 물이나 염수 등과 같은 염소 이온이 존재하는 환경에서 우수한 내식성을 나타낸다. 따라서 산소 함유 화합물층 위에 경질 크롬 도금을 실시한 후에 크롬 도금층에 마이크로 크랙이 발생하여도 그 아래의 산소 함유 화합물층 자체가 물 및 염수 등에 대하여 우수한 내식성을 가지고 있으므로 경질 크롬 도금층의 마이크로 크랙을 통한 부식이 일어나지 않는다.

따라서, ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상으로 구성된 산소 함유 화합물층 위에 경질 크롬 도금 또는 장식 크롬 도금을 실시하면 핀홀 및 마이크로 크랙의 유무에 관계없이 우수한 내식성을 확보할 수 있는 것이다.

한편, 질화 또는 질화침탄 처리 후에 이루어지는 크롬 도금 처리 전에 반드시 산화물을 제거하기 위한 기계 마무리 처리를 해야 하며, 사용 목적에 따라 경질 크롬 도금이나 장식 크롬 도금법으로 도금 처리하며, 도금층의 두께는 2∼100㎛ 범위이다.

그리고, 본 발명에서 질화 또는 질화 침탄 처리 온도를 450∼700℃로 유지해야 하는데, 그 이유는 450℃ 미만의 온도에서는 질화 반응이 일어나기는 하지만 반응 속도가 매우 느려서 경제성이 없으며, 700℃ 초과 온도에서는 강부품의 조직 변화가 일어나는 문제점이 있고 질화 처리 특성이 나타나지 않기 때문이다.

질화 또는 질화 침탄 처리 후에 강부품의 표면에 형성되는 산소 함유 화합물층의 두께는 염소 이온 환경에서 충분한 내식성을 확보하기 위하여 2∼100㎛의 두께로 형성되는데, 이는 450∼700℃의 온도에서 1∼72시간 동안 질화 또는 질화침탄 처리를 하면 형성되는 두께이며, 2㎛ 미만의 두께로 형성되면 충분한 내식성을 확보할 수 없으며, 100㎛ 이하의 두께 정도이면 충분한 내식성을 확보할 수 있기 때문에 100㎛를 초과하는 두께는 생산성을 저하시키는 요인으로 작용한다.

또한, 상기 산소 함유 화합물층 위에 형성되는 크롬 도금층은 2∼100㎛의 두께로 형성되는데, 2㎛ 미만의 두께에서는 내식성과 내마모성이 저하되며, 100㎛ 정도이면 원하는 내마모성을 확보할 수 있기 때문에 100㎛를 초과한 도금층은 생산성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 하지만, 매우 높은 고내마모성을 확보할 필요가 있는 경우에는 150㎛의 두께로 도금 처리하는 경우도 있다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다.

유압용 실린더의 피스톤 로드는 SM45C 소재로써 직경 30mm, 길이 650mm 치수로 되어 있다. 상기 피스톤 로드를 2.5㎛Rmax로 연마한 후에, 580℃에서 3시간 동안 70%NH3-30%(5Air-C3H8) 분위기 즉, 산화, 질화 침탄 분위기에서 산질화침탄 처리를 하여 강부품의 표면에 산소 함유 화합물층을 형성한다.

그리고, 수냉 처리를 한 다음, 버핑 처리를 통하여 1.2㎛R_max의 조도를 얻은 다음, 무수크롬산 등을 주원료로 하는 경질 크롬 도금 욕조에서 10㎛의 크롬 도금층을 형성시킨 후, 버핑 처리를 실시한 다음, 5% NaCl을 이용한 염수 분무 시험을 한 결과, 720시간이 경과하여도 전혀 발청 현상이 없었다.

위에서 언급한 강부품 소재면에 질화 또는 질화침탄 처리를 하지 않고 바로 동일하게 경질 크롬 도금만 실시한 강부품은 위와 동일한 시험 분위기에서 40시간 동안의 염수 분무 시험 기간 중에 9곳에서 발청 현상이 일어났다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 물과 염수 등과 같은 염소 이온 분위기에서 쉽게 부식되는 경질 크롬 도금 또는 장식 크롬 도금하는 강부품에 대해 크롬 도금의 제 특성을 유지하면서 내식성을 크게 향상시켜 주는 방법을 제공함으로써, 비용이 많이 소요되는 두꺼운 경질 크롬 도금이나 구리-니켈-크롬 등의 장식 크롬 도금을 하지 않고도, 크롬 도금 처리 전에 강부품의 표면에 질화 또는 질화침탄 처리를 하여 산소 함유 화합물층을 형성한 후에, 이 층 위에 크롬 도금을 실시하여 처리 시간 및 비용을 절감하면서 고 내식성을 확보할 수 있는 효과를 제공한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (8)

1. (a) 강부품을 질화 또는 질화침탄 처리하여 산소 함유 ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상이 혼합된 산소 함유 화합물층을 형성하고, 기계 마무리 처리하는 단계와;

   (b) 기계 마무리 처리된 산소 함유 화합물층 위에 크롬 도금 또는 크롬 도금 후 기계 마무리 처리를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서의 질화 또는 질화 침탄 처리는 가스법, 플라즈마법(이온법), 플라즈마와 가스의 복합 처리법, 염욕법, 유동상법 중에서 선택된 적어도 어느 한 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서의 질화 또는 질화 침탄 처리는 450∼700℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 형성된 상기 산소 함유 화합물층의 두께는 2∼100㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서의 기계 마무리 처리는 기계 연마, 폴리싱, 래핑, 버핑 방법 중에서 선택된 적어도 어느 한 방법인 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서의 크롬 도금에 의한 도금층의 두께는 2∼100㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서의 크롬 도금은 경질 크롬 도금법과 장식 크롬 도금법 중에서 선택된 어느 한 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품 제조를 위한 복합 표면 개질 방법.
8. 강부품의 표면에 산소가 함유된 ε-Fe_2-3(C,N)상 또는 ε-Fe_2-3(C,N)상과 γ′-Fe₄N상이 혼합된 산소 함유 화합물층;

   상기 산소 함유 화합물층의 위에 형성된 크롬 도금층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식성 강부품.