KR100530767B1 - 철강제 기계부품의 질화처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피처리물인 탄소강 소재의 철강제 기계부품의 표면을 질화처리하기 위한 철강제 기계부품의 질화처리방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 세척된 피처리물을 열처리로에 장입하고 이 열처리로를 580℃까지 가열하면서 열처리로에 30~40 ℓ/분의 유량으로 NH₃ 가스를 주입하여 피처리물을 NH₃ 가스만으로 질화처리하는 예열단계와, 이후에 열처리로의 온도를 상기 예열단계의 열처리로 온도 580℃로 유지하면서 상기 예열단계에서 조성된 열처리로 내부의 분위기 가스를 퍼징하고 연속하여 열처리로에 70 체적%의 NH₃, 20 체적%의 N₂ 와 10 체적%의 CO₂로 이루어진 혼합가스를 84 ℓ/분의 유량으로 도입하여 70~100분 동안 질화처리하여 피처리물의 표면에 질화층을 완성하는 질화처리단계로 구성된다.

Description

철강제 기계부품의 질화처리방법 {PROCESS FOR NITRIDING OF MECHANICAL STEEL COMPONENT}

본 발명은 철강제 기계부품의 질화처리방법에 관한 것으로, 특히 기계부품의 표면내식성을 크게 개선할 수 있도록 한 철강제 기계부품의 질화처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 기계부품의 재료로서 사용되는 철강재료는 부품에 요구된 강도를 만족시키므로 널리 이용되고 있다. 기계부품의 대부분은 강하고 내구성이 우수한 품질이 요구되고 있으며 이러한 이유로 철강재료는 최초공정에서 열처리되어 강도, 인성, 내구성 등이 부여된다. 또한 열악한 외부환경에 노출되는 일부의 기계부품은 표면의 내식성을 개선하기 위하여 열처리에 의한 표면처리가 이루어지기도 한다. 이러한 기계부품의 내식성을 위한 표면처리방법의 하나로 기계부품의 표면을 질화처리하는 방법이 알려져 있다.

질화처리방법으로서는 NH₃ 가스만을 이용한 가스질화법, KCNO 등의 염욕중에서 처리하는 염욕연질화법, NH₃ 가스와 흡열성 가스(RX 가스)를 혼합하여 이용하는 가스연질화법과, N₂ 와 H₂ 의 혼합가스를 플라즈마중에 넣어 처리하는 이온질화법 등이 알려져 있다. 통상적으로 이러한 질화처리밥법은 피처리재의 내마모성, 내소부성, 피로강도 등을 개선하는데 그 주요목적이 있으나 질화처리된 기계부품의 표면이 부식에 대한 내성을 갖도록 하는 내식성을 갖도록 하는데 이용될 수도 있다. 더욱이, 가스질화법의 경우, 520~570℃의 비교적 낮은 온도에서 열처리하므로 처리후 급냉하여도 변형이 적고 칫수정밀도가 양호하여 후가공이 거의 필요없기때문에 자동차용을 비롯하여 많은 기계부품에 적용되고 있다.

NH₃ 가스만을 이용하는 가스질화법에 있어서, NH₃ 가스는 가열하면 불안정하여 2NH₃ →N₂ + 3H₂ 의 열분해를 일으켜 N₂ 와 H₂ 를 생성한다. 분자상 N₂ 로는 500℃ 부근의 질화온도에서 질화작용은 일어나지 않는다. NH₃ 가스 분위기중에서 철강이 존재하면 촉매작용을 일으켜 철강의 표면에만 원자상의 N 와 H 를 생성하고 이 N은 활성이 커서 철강의 표면에서 내부로 확산하여 최표면에 질화층을 형성하고 내부에 N 이 확산된 확산층을 생성하는 것으로 알려져 있다. 이러한 가스질화법의 단점은 처리시간이 길고 질화층에서 다공질층이 형성되어 취성이 발생된다는 점이다.

이에 대하여 가스연질화법은 1970년대부터 급속히 개발되고 실용화된 방법으로서 상기 언급된 가스질화법에 비하여 처리시간이 크게 단축된 잇점을 갖는다. 또한 처리온도가 500~700℃의 비교적 낮아 열처리응력이 적은 잇점이 있다. 이러한 가스연질화방법은 공기와 탄화수소가스를 원료로 변성로에서 만든 흡열형 변성가스(RX 가스)와 암모니아가스를 1:1의 비율로 혼합하여 노내에 도입하는 방법이다. 노내분위기중에서 암모니아가스와 일산화탄소는 강의 표면에서 다음과 같은 반응을 일으킨다.

2NH₃ →3H₂ + 2[N]

2CO →CO₂ + [C]

CO₂ + H₂ →CO + H₂O

이로써 생성된 [N] 과 [C] 는 강으로 흡착 및 확산하여 질화, 침탄반응을 일으킨다. 이때, [N] 은 [C] 보다 확산속도가 빨라서 강의 내부에 깊이 침입하여 확산층을 형성한다. [C] 는 강의 표면에서 미세한 탄화물을 형성함과 동시에 질화물의 핵으로서 작용하여 화합물층 [Fe_2-3(NㆍC),Fe₄N] 을 형성한다. 이 화합물층은 단단하고 치밀한 탄화물이며 우수한 내마모성, 내식성을 갖는다. 확산층은 γ'(Fe₄N) 으로서 석출하거나 또는 αFe 중에 고용한 질소가 전위의 미끄러짐을 저지하기 때문에 피로강도를 향상시킨다. 화합물층의 두께 및 확산층의 깊이는 처리시간, 처리온도, 시편의 합금성분 (C, Al, Cr, Mo, V 등)에 따라 다소 다르다. NH₃ 가스와 흡열형 변성가스를 이용하는 가스연질화법은 가스 연질화로의 본체와는 별도로 변성로가 필요하다. 이 변성로가 필요없으면 설비비가 절감되고 작업성도 간략화될 수 있기 때문에 N₂ 를 베이스로 한 가스연질화법이 개발되었으며, 그 분위기는 N₂ 55% + NH₃ 40% + CO₂ 5% 이고 이들 가스는 연질화온도에 가열된 노내에서 다음과 같이 반응한다.

2NH₃ → 3H₂ + 2[N] (1)

CO₂ + H₂ → CO + H₂O (2)

2CO → CO₂ + [C] (3)

즉 NH₃ 는 식(1)에 의해 분해하여 [N] 를 발생하여 피처리물의 질화가 일어난다. 또 CO₂는 식(1)에서 생성한 H₂ 와 식(2)와 같이 반응하여 CO와 H₂O 를 생성한다. 여기서 생성된 CO는 다시 식(3)과 같이 [C]를 발생하여 피처리물의 침탄을 일으킨다. 이와 같이 CO₂ 를 첨가함으로서 종래의 가스연질화법과 같은 변성가스를 사용하지 않고 침탄할 수 있음과 동시에 식(1)에서 알 수 있는 바와 같이 그 양이 많으면 질화반응을 저해하는 H₂ 와 반응하기 때문에 질화속도가 증가된다. 또한 이 방법은 가스유량을 정밀하게 조절할 수 있기 때문에 화합물층을 적게, 확산층을 주체로 한 연질화층을 생성시킬 수 있는 이점이 있다. 그러나 이러한 가스연질화법은 설비비용이 비싸고 피처리물의 경도가 질화강에 비하여 낮은 단점이 있다.

본 발명에 있어서는 종래의 가스질화법과 가스연질화법에서 장점만을 취하고 적절히 응용하여 내식성이 요구되는 철강제 기계부품의 표면을 열처리하는 새로운 철강제 기계부품의 질화처리방법을 제공한다. 여기에서, 본 발명에 의하여 처리될 수 있는 기계부품은 열악한 외부환경에 노출되는 차량용 윈도 브러쉬 부품, 대형차량용 백미러 본체, 차량용 브레이크의 캘리퍼 구성부품, 차량용 브레이크의 백 플레이트, 외부장착형의 차량용의 볼트-너트 조립체 등이 있다.

본 발명에 있어서는 질화처리온도를 580℃로 설정하고 이러한 질화온도까지의 예열단계에서는 NH₃ 가스만을 이용한 가스질화법을 이용하고 상기 질화온도에서는 NH₃, N₂ 및 CO₂ 의 혼합가스를 이용한 가스연질화법을 이용하는 새로운 질화처리방법을 제공한다.

이를 위하여, 본 발명에 있어서는 피처리물인 탄소강 소재의 철강제 기계부품의 표면을 질화처리하기 위한 철강제 기계부품의 질화처리방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 세척된 피처리물을 열처리로에 장입하고 이 열처리로를 580℃까지 가열하면서 열처리로에 30~40 ℓ/분의 유량으로 NH₃ 가스를 주입하여 피처리물을 NH₃ 가스만으로 질화처리하는 예열단계와, 이후에 열처리로의 온도를 상기 예열단계의 열처리로 온도 580℃로 유지하면서 상기 예열단계에서 조성된 열처리로 내부의 분위기 가스를 퍼징하고 연속하여 열처리로에 70 체적%의 NH₃, 20 체적%의 N₂ 와 10 체적%의 CO₂로 이루어진 혼합가스를 80~90 ℓ/분의 유량으로 도입하여 70~100분 동안 질화처리하여 피처리물의 표면에 질화층을 완성하는 질화처리단계로 구성된다.

본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 예열단계와 질화처리단계로 구성된다.

본 발명에 있어서는 가스연질화법에서 열처리온도의 범위인 500~700℃에서 가장 효율적인 것으로 알려진 580℃를 질화처리온도로 설정하였다. 이러한 질화처리온도를 설정하여 주로 철강제 기계부품인 피처리물을 질화처리함에 있어서는 열처리로의 온도를 실온으로부터 580℃까지 예열하는 단계는 필수적으로 수행되어야 할 것이다.

본 발명은 열처리로의 온도를 실온으로부터 580℃까지 예열하는 예열단계를 가스질화법이 수행되는 단계로 이용하였다. 그리고 질화처리단계에서는 580℃의 질화처리온도에서 가스연질화법이 수행되는 단계를 이용하였다.

피처리물은 표면이 통상적인 전처리 또는 세척처리후에 실온에서 열처리로에 장입된다.

열처리로에 피처리물이 장입된 후에 열처리로를 580℃까지 가열하면서 열처리로에 30~40 ℓ/분의 유량으로 NH₃ 가스를 주입한다. 이와 같은 경우 열처리로의 온도가 질화처리온도인 580℃까지 가열되는데 소요되는 시간은 약 100~120분이다.

이와 같은 예열단계에서 실질적으로 피처리물의 질화처리가 이루어지는 온도범위는 500℃ 이상의 온도범위이다. 이러한 예열단계에서, NH₃ 가스는 2NH₃ →N₂ + 3H₂ 의 열분해를 일으켜 N₂ 와 H₂ 를 생성하여 [N] 이 피처리물의 표면에서 내부로 확산되어 표면에 질화층과 확산층을 형성할 것이다. 그러나, 이와 같은 예열단계에서 [N] 에 의하여 피처리물의 표면에 형성된 질화층과 확산층은 질화시간으로 볼 때 불안정한 각각의 예비질화층 및 예비확산층으로 보아야 할 것이다.

이러한 예열단계 이후에 동일한 열처리로에서 연속하여 수행되는 질화처리단계에서는 질화처리온도가 580℃로 고정되게 설정된 상태에서 피처리물의 질화처리가 이루어진다. 이를 위하여 예열단계에서 처리로 내부의 가스분위기는 퍼징되고 열처리로에는 70체적%의 NH₃, 20체적%의 N₂ 와 10체적%의 CO₂로 이루어진 혼합가스가 80~90 ℓ/분의 유량으로 도입된다.

이와 같은 질화처리단계에서는 NH₃ 와 N₂ 의 열분해에 의하여 생성된 [N] 가스가 상기 예열단계에서 형성되기 시작한 예비질화층과 예비확산층에 작용하여 피처리물에서 요구된 질화층과 확산층이 형성될 수 있도록 한다. 피처리물의 표면층에 형성된 질화층은 피처리물의 표면경도를 높이고 특히 표면의 내식성을 크게 개선함으로서 기계부품의 수명을 크게 연장시킬 수 있는 것이다.

이하 실시예에 따라서 설명한다.

[실시예]

피처리물인 탄소강 소재의 철강제 기계부품의 표면을 질화처리하기 위하여 기계부품의 표면이 기계적으로 또는 기타 다른 방법으로 세척되었다. 예열단계에서 세척된 피처리물이 열처리로에 장입되고 이 열처리로를 580℃까지 가열하면서 열처리로에 30~40 ℓ/분의 유량으로 NH₃ 가스를 주입하였다. 열처리로가 질화처리온도인 580℃까지 가열되는데 소요되는 시간은 약 100~120분이었다. 이러한 예열단계에서는 질화처리온도 부근에서 피처리물을 NH₃ 가스만을 이용한 가스질화법으로 질화처리하였다.

이후에 열처리로의 온도를 상기 예열단계의 질화처리온도인 580℃로 유지하면서 상기 예열단계에서 조성된 열처리로 내부의 분위기 가스를 퍼징하고 연속하여 열처리로에 70체적%의 NH₃, 20체적%의 N₂ 와 10체적%의 CO₂로 이루어진 혼합가스를 84ℓ/분의 유량으로 도입하였으며 70~100분 동안 이러한 혼합가스를 이용한 가스연질화법으로 피처리물의 표면에 질화층을 완성하였다.

그 결과로, 피처리물의 표면경도가 향상되고 내식성이 크게 개선되었다.

이와 같이, 본 발명은 질화처리온도를 580℃로 설정하고 이러한 질화온도까지의 예열단계에서는 NH₃ 가스만을 이용한 가스질화법을 이용하고 상기 질화온도에서는 NH₃, N₂ 및 CO₂ 의 혼합가스를 이용한 가스연질화법을 이용하는 새로운 질화처리방법을 제공한다.

Claims (1)

1. 피처리물인 탄소강 소재의 철강제 기계부품의 표면을 질화처리하기 위한 철강제 기계부품의 질화처리방법에 있어서, 이 방법이 세척된 피처리물을 열처리로에 장입하고 이 열처리로를 580℃까지 가열하면서 열처리로에 30~40 ℓ/분의 유량으로 NH₃ 가스를 주입하여 피처리물을 NH₃ 가스만으로 질화처리하는 예열단계와, 이후에 열처리로의 온도를 상기 예열단계의 열처리로 온도 580℃로 유지하면서 상기 예열단계에서 조성된 열처리로 내부의 분위기 가스를 퍼징하고 연속하여 열처리로에 70체적%의 NH₃, 20체적%의 N₂ 와 10체적%의 CO₂로 이루어진 혼합가스를 80~90 ℓ/분의 유량으로 도입하여 70~100분 동안 질화처리하여 피처리물의 표면에 질화층을 완성하는 질화처리단계로 구성됨을 특징으로 하는 철강제 기계부품의 질화처리방법.