KR100624043B1 - 금속의 표면경화방법 - Google Patents

Abstract

개시된 금속 표면경화방법은, 질소 플라즈마를 생성하여 금속 모재의 표면을 이온질화한 다음, 질화반응가스로 모재의 표면을 질화시키는 이온/가스복합질화단계와, 그 모재 표면에 질화물을 증착시키는 질화물코팅단계를 포함한다. 이와 같은 표면경화방법에 의하면 높은 경도와 안정성을 모두 갖춘 금속 소재를 얻을 수 있다.

복합질화, 코팅, 가스, 이온, 표면경화

Description

금속의 표면경화방법{Metal surface hardening method}

도 1은 본 발명에 따른 표면경화방법을 보인 플로우챠트,

도 2는 도 1의 단계를 따라 표면경화된 금속의 단면 사진,

도 3은 도 1의 단계를 따라 표면경화된 금속의 경도 분포와 종래의 방법으로 표면경화된 금속의 경도분포를 나타낸 그래프,

도 4는 도 1의 단계를 따라 표면경화된 금속이 고속도강으로 사용되기 전과 후의 상태를 찍은 사진.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

S1...이온/가스복합질화단계 S2...질화물코팅단계

본 발명은 로터리 컴프레서나 고속도강과 같이 높은 경도가 요구되는 제품에 적합한 금속의 표면경화방법에 관한 것이다.

일반적으로 높은 경도가 요구되는 금속 제품의 제조에는 그 모재의 표면 경도를 높이는 표면경화법이 적용된다. 이러한 표면경화법 중에서 대표적인 것으로는 표면질화법과 표면코팅법이 있는데, 표면질화법은 금속의 표면에 질화물 가스나 이온을 침투시켜서 모재 안쪽으로 확산층을 형성하여 표면을 경화시키는 방법이고, 표면코팅법은 예컨대 기상증착 등을 통해 소정 코팅재를 모재의 표면에 코팅하여 표면경도를 높여주는 방법이다.

그런데, 표면코팅법으로 경화된 제품의 경우에는 표면의 경도는 상당히 높아지는 반면 모재와의 결합력이 약해서 쉽게 박리될 수 있는 단점이 있다. 또한, 표면질화법에 의해 경화된 제품은 표면과 모재간에 점진적인 확산층이 생기기 때문에 결합력은 좋은 반면, 표면 경도가 코팅을 한 경우에 비해 상대적으로 약한 단점이 있다.

따라서, 이들의 단점을 보완할 수 있는 새로운 표면경화방법이 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 표면의 경도 및 모재와의 결합력을 동시에 향상시킬 수 있도록 개선된 금속의 표면경화방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 금속 표면경화방법은, 질소 플라즈마를 생성하여 금속 모재의 표면을 질화시킨 후 다시 질화반응가스로 상기 모재의 표면을 질화시키는 이온/가스복합질화단계와, 그 모재 표면에 질화물을 증착시키는 질화물코팅단계를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면경화방법을 도시한 플로우챠트이다.

도시된 바와 같이 본 실시예의 표면경화방법은, 이온/가스복합질화단계(S1)와 질화물코팅단계(S2)를 포함한다. 즉, 이 2가지 과정을 모두 거치면서 표면의 경도와 모재와의 결합력이 모두 향상된 금속 소재를 얻고자 하는 것이다. 다시 말해서, 이온/가스복합질화단계(S1)를 통해서는 모재와 표층 사이에 확산층이 형성되게 하여 표면경도 상승과 함께 결합력을 높이고, 질화물코팅단계(S2)에서 표면의 경도를 더 크게 끌어올리는 방식이다.

이중에서 먼저 상기 이온/가스복합질화단계(S1)는 다음과 같이 진행될 수 있 다.

이온질화가 먼저 진행되는데, 일단 표면경화를 하려는 대상금속인 모재를 소정 챔버 안에 장입하고, 그 챔버 내부를 진공배기한다. 그리고는, N₂가스를 대기압(1,013mbar)으로 투입하고 내부온도를 150℃까지 승온한다. 이어서, N₂ 및 공기의 혼합가스를 챔버 안에 투입하고 350℃로 승온하여 10~60분간 유지한다. 이것은 예비 산화 단계로서, N₂ 및 공기의 혼합가스 투입 후 350℃로 유지될 때까지는 초기 산화 및 균질화가 진행된다. 이어서, 챔버 내부 온도를 플라즈마 생성온도인 400~550℃로 승온하고, 수소와 아르곤가스의 혼합가스를 투입하며 압력을 0.5~1.5mbar로 유지하여 모재의 표면이 플라즈마 생성에 따라 세정되게 한다. 그리고는, N₂ 20~50vol%와, 수소 80~50vol% 및 아르곤 또는 CO₂ 0~10vol%이하의 혼합 가스를 투입하고 압력을 2~5mbar로 유지하여 본격적으로 플라즈마를 생성시킴으로써 상기 모재 표면을 이온질화한다.

그리고 바로 이어서 가스질화가 다음과 같이 진행된다. 우선, 챔버 내부를 다시 진공배기하고 N₂가스를 대기압으로 투입한다. 이어서, N₂ 또는 NH₃ 분위기에서 500~570℃로 챔버 온도를 올린다. 그리고, 이 온도가 유지되는 상태에서 NH₃, N₂, 그리고 CO₂나 NO_X 가 혼합된 질화반응가스를 투입하여 모재의 표면 질화를 진행시킨다. 이 과정에서 모재 표면으로 질소가 침투하여 확산되면서 경도와 결합력이 강한 화합물층과 확산층을 만들게 된다. 이 과정이 끝나면, 챔버를 다시 진공배기 하고 질소가스를 투입한 후 모재를 냉각시킨다. 이렇게 해서 이온/가스복합질화단계를 마친다.

따라서, 이 단계를 통해 표층과 모재와의 사이에 양측의 결합력을 견고하게 유지해주는 매우 안정적인 화합물층과 확산층이 형성되는 것이다.

다음으로 상기 질화물코팅단계(S2)는 다음과 같이 진행될 수 있다.

일단, 상기 모재의 표면을 경면 연마하고 세척한다. 그리고나서, 그 모재를 코팅재가 준비된 챔버에 장입하고 내부를 10^-4mbar 정도로 진공 배기한다. 여기서 코팅재로는 TiN, CrN, AlTiN, TiAlN, TiCN, ZrN 등의 질화물이 사용된다. 이 상태에서 챔버 내부를 400~500℃까지 승온하고 아르곤 가스를 투입하여 표면을 활성화시킨다. 그리고, 이어서 10^-2 ~ 10^-3 mbar의 압력으로 N₂ 가스를 투입하고 상기 코팅재를 상기 모재에 물리적기상증착(PVD;physical vapor deposit) 방법으로 증착시킨다. 이에 따라 모재 표면에 고경도의 질화물 코팅층이 형성되며, 이후 챔버 내부를 냉각하고 코팅작업을 마친다.

이와 같은 과정으로 얻어진 금속 소재는 모재의 표면에 고경도의 코팅층을 가질 뿐 아니라, 모재와 표층과의 사이에 견고한 결합력을 유지해주는 화합물층과 확산층을 가지게 된다.

도 2는 크롬강을 상기와 같은 단계들을(S1)(S2) 거쳐서 표면경화한 경우의 단면 사진을 보인 것이다. 사진에서 볼 수 있는 바와 같이 표면에 약 3.5㎛ 정도 두께의 코팅층이 있고, 그 아래 15㎛ 정도의 화합물층이, 다시 그 밑으로 확산층이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.

이와 같은 본 발명의 방법으로 제조된 금속의 표면경도를 기존의 방식으로 경화된 것과 비교하여 도 3의 그래프에 도시하였다.

도면의 제일 왼쪽 그래프는 이온질화만 한 경우의 깊이에 따른 금속 경도 변화를 보인 것으로, 표면의 화합물층 경도가 가장 높고, 그 안쪽의 확산층은 안으로 들어가면서 서서히 경도가 모재의 수준으로 감소되는 경향을 보인다. 따라서, 모재와 표층 사이의 확산층이 극단적인 경계선을 만들지 않고 양측을 안정적이면서도 견고하게 결합시키고 있음을 알 수 있다. 대신 표층의 경도는 그리 높지 않게 나타난다.

가운데 그래프는 물리적기상증착으로 TiN을 코팅만 한 경우의 금속 경도 변화를 보인 것으로, 표면의 TiN 코팅층은 상당히 높은 경도를 보이는 반면, 모재와의 경도차이가 경계선 부근에서 급격하게 변하는 특성을 보이고 있다. 따라서, 표면경도는 우수하지만 모재와의 결합력에 문제가 있어 박리 등의 위험이 높은 경도 분포를 가진다.

마지막으로 가장 우측의 그래프는 본 발명의 표면경화방법을 따라 제조된 금속의 경도 특성 그래프로서, 모재와 인접한 외측에는 이온/가스복합질화단계(S1)를 통해 생성된 화합물층과 확산층이 형성되어 있고, 최외곽에는 질화물코팅단계(S2)에서 생성된 코팅층이 형성되어 있다. 코팅층은 가운데 그래프와 같이 코팅재의 높은 경도 특성을 보이고 있고, 화합물층과 확산층에서는 모재 쪽으로 점진적으로 감소하는 경도 특성을 보이고 있다. 따라서, 표층의 경도도 상당히 높아지면서, 동시에 모재와 표층 사이가 극단적인 경계선이 없이 안정적이면서도 견고한 결합층을 형성하고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 표면경화방법에 따르면 경도와 안정성을 고루 갖춘 금속 소재를 제조할 수 있게 된다.

도 4는 이와 같은 본 발명의 표면경화법으로 제조된 금속 소재를 고속도강에 적용하여 사용한 예를 보인 것으로, 좌측은 사용 전, 우측은 사용 후의 상태를 찍은 사진이다. 사용 전과 사용 후를 비교해보면, 심한 마모나 박리 같은 변화는 거의 나타나지 않았음을 확인할 수 있다. 따라서, 경도와 안정성이 동시에 확보된 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 금속의 표면경화방법에서는, 이온/가스복합질화과정을 통해 모재와의 결합력을 높이고 질화물코팅과정을 통해 표층을 고경도화하기 때문에, 이 방법을 사용하게 되면 높은 경도와 안정성을 모두 갖춘 금속 소재를 얻을 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (3)

1. 질소 플라즈마를 생성하여 금속 모재의 표면을 질화시키고, 질화반응가스로 상기 모재의 표면을 질화시키는 이온/가스복합질화단계; 및,

   그 모재 표면에 질화물을 증착시키는 질화물코팅단계;를 포함하며,

   상기 이온/가스복합질화단계는,

   상기 모재가 장입된 챔버 내부를 진공배기한 후, 질소가스를 대기압으로 투입하여 150℃까지 승온하는 단계와,

   질소 및 공기의 혼합가스를 투입하고 350℃로 승온하여 10~60분간 유지하는 단계와,

   상기 챔버 내부 온도를 400~550℃로 승온하고, 수소와 아르곤가스의 혼합가스를 투입하며 압력을 0.5~1.5mbar로 유지하여 상기 모재의 표면을 세정하는 단계와,

   질소와 수소 및 아르곤의 혼합 가스를 투입하고 압력을 2~5mbar로 유지하여 플라즈마를 생성시킴으로써 상기 모재 표면을 이온질화하는 단계와,

   상기 이온질화 후 상기 챔버를 진공배기하고 질소가스를 대기압으로 투입하는 단계와,

   질소가스 분위기에서 상기 챔버 내부를 500~570℃로 승온하는 단계와,

   500~570℃로 온도가 유지되는 상태에서 상기 챔버 내에 질화반응가스를 투입하는 단계와,

   상기 챔버 내부를 진공배기 후 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속의 표면경화방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 질화물코팅단계는,

   상기 모재의 표면을 경면 연마하고 세척하는 단계와,

   상기 모재를 코팅재가 준비된 챔버에 장입하고 내부를 진공 배기하는 단계와,

   상기 챔버 내부를 400~500℃까지 승온하고 아르곤 가스를 투입하여 표면을 활성화하는 단계와,

   질소 가스를 투입하면서 상기 코팅재를 상기 모재에 증착시키는 단계 및,

   상기 챔버 내부를 냉각하는 단계를 포함하는 금속의 표면경화방법.

Images