KR100526389B1 - 가스질화의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속제품을 가스질화하는 방법에 관련된다. 본 발명은 소정의 온도를 유지한 상태로 제1설정시간 동안 열처리하는 제1단계와, 상기 제1단계보다 승온한 상태로 제2설정시간 동안 열처리하는 제2단계와, 서냉하면서 115℃~125℃의 온도범위에서 금속제품을 장출하는 제3단계를 거치도록 함을 특징으로 한다. 이때, 상기 제1단계는 505℃~515℃의 온도를 유지한 상태로 30시간 동안 열처리하고, 상기 제2단계는 525℃~535℃의 온도를 유지한 상태로 52시간 동안 열처리한다.

이에 따라, 가스질화로 철강 제품의 표면을 경화함에 있어 추가적인 설비의 증설 없이 공정제어만으로 양산시 안정적인 품질과 생산성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

가스질화의 열처리 방법 {Method for heat treatment in gasnitriding}

본 발명은 가스질화의 열처리 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 철강 제품의 표면을 경화함에 있어 추가적인 설비의 증설 없이 양산시 안정적인 품질과 생산성을 유지할 수 있는 가스질화의 열처리 방법에 관한 것이다.

통상적으로 철강의 표면경화법에는 강 표면의 화학성분을 변화시켜 경화하는 화학적 표면경화법과 강 표면의 화학성분을 변화시키지 않고 담금질만으로 경화하는 물리적 표면경화법이 있다. 전자의 경우에는 침탄, 질화, 침황, 침붕 등이 있으며, 후자의 경우에는 유도가열 담금질, 화염 담금질 등이 있다.

이때 질화에 의한 표면열처리는 최초 염욕질화로부터 가스질화, 진공가스질화, 플라즈마 질화로 발전되어 왔다. 염욕질화의 경우에는 오염물질의 처리가 수반되고, 표면에 다공의 백색층으로 인하여 수명증가에 한계가 있다. 그리고 가스질화는 금속표면에 질소를 침투시켜서 표면을 경화하는 공법으로 높은 표면경도, 내마모성, 흠집에 대한 저항성(antigalling), 피로수명증진, 내식성(스테인레스의 경우는 예외), 내열성, 열에 의한 표면연화 저항성 등을 얻을 수 있다.

특히 가스질화 공법에는 체적변화가 수반되는 담금질이 없고, 상대적으로 낮은 처리온도가 적용되기 때문에 침탄 또는 기타의 일반적인 경화에 비해 조직변형이 적어 양산함에 있어 안정적인 품질을 유지하기에는 적절한 방식이다. 다만, 가스질화에 있어서도 표면에 15㎛ 이상의 백색층이 형성되므로 이에 따른 금형의 표면박리 등의 문제를 처리하기 위한 방안이 필요하다. 물론, 이를 위해 과도한 설비의 증설이 수반되거나 양산에 제한이 있어서는 곤란하므로 이러한 제한을 극복하는 가스질화의 열처리방밥이 절실한 실정이나 아직까지는 이에 대한 대책이 거의 없는 것이 작금의 현실이다.

따라서 본 발명은 상기한 점에 착안하여 안출한 것으로서, 보다 구체적으로는 가스질화로 철강 제품의 표면을 경화함에 있어 추가적인 설비의 증설 없이 공정제어만으로 양산시 안정적인 품질과 생산성을 유지할 수 있는 가스질화의 열처리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 금속제품을 가스질화하는 방법에 있어서, 소정의 온도를 유지한 상태로 제1설정시간 동안 열처리하는 제1단계와, 상기 제1단계보다 승온한 상태로 제2설정시간 동안 열처리하는 제2단계와, 서냉하면서 115℃~125℃의 온도범위에서 금속제품을 장출하는 제3단계를 거치도록 함을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1단계는 505℃~515℃의 온도를 유지한 상태로 30시간 동안 열처리하고, 상기 제2단계는 525℃~535℃의 온도를 유지한 상태로 52시간 동안 열처리한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이 통상의 가스질화 공정은 금속제품을 질화통에 넣고 질소가스 분위기에서 열처리를 수행한다. 그리고 도 2처럼 NH₃ 가스는 금속의 A₁ 변태점(723℃) 이하의 온도인 500~550℃에서 2NH₃ ←3H₂ + 2N 과 같이 해리되고, 이때 발생된 발생기 질소(N)가 금속표면의 미소성분인 Al, Cr, Mo, Ti 등과 화합하여 Al-N, Cr-N등과 같은 질화물을 만든다. 이와 같이 가스질화 공정은 고경도의 표면을 얻기 위한 별도의 소입(燒入) 공정을 필요로 하지 않으며, 특히 낮은 온도에서 처리되므로 변형이 적어 정밀도를 유지해야 하는 제품에 적합한 표면경화법이다.

다만, 상기한 가스질화 공정은 도 3의 확대사진(배율 500배)처럼 질화층(N)과 백선층(W)이 필연적으로 생기는데, 이 때 종래의 기술편에서 설명한 바와 같이 백선층(W)의 박리문제를 해결하는 것이 무엇보다 중요하다. 즉, 상기한 백선층(W)에는 질소가스의 확산(탈락)으로 인한 기공이 많이 분포되어 있는데, 제품의 특성에 따라 백선층(화합물층)이 필요하기도 하지만 거의 대부분의 경우에는 연속공정에서 연마가공해서 절삭하는 후속공정이 수반되어야 한다. 더욱이 유압 펌핑유니트의 플란저와 같이 고압의 조건하에서 작동을 하는 부품의 표면에 백선층(W)이 두텁게 존재할 경우에는 백선층(W)에 존재하는 수많은 기공 때문에 크랙이 발생할 우려가 많아 성장 및 소착, 탈락 등의 원인이 될 가능성이 크다. 이럴 때 시멘타이트 조직인 백선층(w)의 강도가 너무 높아서 가공비가 과다하게 소요되는 점을 개선하는 것이 본 발명의 과제라 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 소정의 온도를 유지한 상태로 제1설정시간 동안 열처리하는 제1단계와, 상기 제1단계보다 승온한 상태로 제2설정시간 동안 열처리하는 제2단계와, 서냉하면서 115℃~125℃의 온도범위에서 금속제품을 장출하는 제3단계를 구비한다. 그런데 펌프의 핵심부라고 할 수 있는 플란저(plunger) 부품을 질화처리하는 종래의 경우를 보면, 도 2와 같은 1단의 질화공정을 적용하는 결과를 보여 주고 있다. 즉, 플란저(plunger) 부품을 질화처리하는 종래의 경우를 보면, 도 3처럼 질화층(N)의 깊이가 0.39mm인 반면, 화합물층인 백선층(W)의 깊이가 17~18㎛로 나타나는데, 참고적으로 플란저의 표면으로부터의 깊이 변화에 따른 경도를 수치적으로 표기하면 표 1 및 도 4와 같다.

깊이	0.05	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	CORE
경도	948	886	729	487	393	389	274

한편, 본 발명은 종래의 질화처리공정을 보다 구체적으로 구분하여 처리하되, 제1단계의 공정에서는 505℃~515℃의 온도를 유지한 상태로 30시간 동안 열처리하고, 제2단계의 공정에서는 525℃~535℃의 온도를 유지한 상태로 52시간 동안 열처리한다. 따라서 본 발명에는 종전과 동일하게 제작된 플란저의 금속제품을 도 5와 같은 2단질화 공정으로 열처리함을 주된 특징으로 삼는다. 그리고 상기한 바와 같이 510℃~530℃의 온도범위에서 2단계 형태로 질화처리를 행함에 있어서 Al+Ni 혼합 기체가스와 암모니아(NH3)를 종래와 동일한 비율로 혼합한 기체가스를 질화통 내부로 투입하면서 열처리를 행하게 된다. 그런 다음, 적절한 냉각을 거치되, 115℃~125℃의 온도범위에서 제품을 장출하는 점은 종래와 동일하다.

이와 같은 본 발명의 2단계 열처리는 진공설비 등의 추가적인 설비 없이 열풍장치를 제어하는 것만으로도 용이하게 본 발명의 목적달성이 가능하다. 그리고 이것은 기존에 설치된 제어패널(도시 생략)에서 타이머의 설정을 변경하는 것으로 충분하다.

아울러 본 발명에 따른 금속제품의 경도변화는 표 2 및 도 6과 같으며, 전술한 종래의 표 1과 비교하여 볼 때 전반적으로 경도가 향상됨을 알 수 있다.

깊이	0.05	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	CORE
경도	1036	944	770	504	417	388	268

그리고 본 발명에 의해 제조된 금속제품의 표면을 500배율로 확대한 도 7의 사진을 판독하여 보면, 백선층(W)의 깊이는 12~13㎛ 이하로 감소된다. 따라서 백선층의 깊이가 감소되는 만큼 연삭에 의한 후가공 시간을 절약할 수 있어 생산성이 향상된다. 더욱이 경화층의 깊이는 0.46mm 내외로 나타나므로 종래에 비해 표면경화에 의한 물성 개선이 크게 기대된다.

또한, 본 발명에서 백선층이 얇아지는 이유는 복잡한 이론전개보다는 수많은 반복시험에 의한 시행착오에 의존하지만 백선층의 형성이 질화시간과 관련이 있다는 결론에 도달한다. 즉, 질화시간이 길어지면 표면의 백선층에 충만된 질소가스가 탈락하여 기공이 형성되는데, 이 기공사이로 탄소가 침투하여 결국 탄소조직이 확산되고, 이것이 시멘타이트 조직으로 바뀌어 백선층이 형성된다. 그리고 질화처리에 실질적으로 소요되는 시간을 대비하여 보면, 종래에는 1단질화에서 72시간 유지되는 반면, 본 발명에서는 2단질화의 총 82시간 중 525℃~535℃의 온도에서 52시간 유지됨으로 인해 질화시간이 크게 단축됨을 알 수 있다.

또한 통상의 질화처리 온도를 저온(예컨대, 520℃)으로 유지하는 경우, 질소의 확산 속도가 낮아져 질화 경화 깊이가 감소하기 때문에 깊은 질화처리를 할 수 없으며 소재의 어닐링 효과가 줄어든다는 점도 감안해야 한다. 이외에도 전술한 경도나 경화 깊이 등의 요소는 본 발명의 온도 및 시간조건 외에 가스공급량, 가스혼합성분비, 투입 금속제품의 조직상태 등의 여타 공정조건에 의하여 달라질 수 있음은 물론이다.

상기한 구성 및 작용에 따르면, 본 발명은 가스질화로 철강 제품의 표면을 경화함에 있어 추가적인 설비의 증설 없이 공정제어만으로 양산시 안정적인 품질과 생산성을 유지할 수 있는, 유용한 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하며, 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

도 1은 질화처리과정의 일단을 보여주는 예시도,

도 2는 종래의 공정을 간략하게 나타내는 도표,

도 3은 종래의 공정에 의한 제품조직의 확대사진,

도 4는 종래의 공정에 따른 경도변화를 나타내는 그래프,

도 5는 본 발명의 공정을 간략하게 나타내는 도표,

도 6은 본 발명의 공정에 따른 경도변화를 나타내는 그래프,

도 7은 본 발명의 공정에 의한 제품조직의 확대사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

W: 백선층 N: 질화층

Claims (3)

1. 금속제품을 가스질화하는 방법에 있어서,

   소정의 온도를 유지한 상태로 제1설정시간 동안 열처리하는 제1단계와,

   상기 제1단계보다 승온한 상태로 제2설정시간 동안 열처리하는 제2단계와,

   서냉하면서 115℃~125℃의 온도범위에서 금속제품을 장출하는 제3단계를 거치도록 함을 특징으로 하는 가스질화의 열처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1단계는 505℃~515℃의 온도를 유지한 상태로 30시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 가스질화의 열처리 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2단계는 525℃~535℃내외의 온도를 유지한 상태로 52시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 가스질화의 열처리 방법.