KR101140464B1

KR101140464B1 - 철강 부재의 켄칭 방법, 켄칭 철강 부재 및 켄칭 표면 보호제

Info

Publication number: KR101140464B1
Application number: KR1020097004702A
Authority: KR
Inventors: 마사아끼 벳뿌; 히데히사 사꾸따; 가즈히꼬 모리
Original assignee: 니혼 파커라이징 가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2012-04-30
Also published as: WO2008018308A1; JP4762077B2; US20100163138A1; EP2053144A4; KR20090051066A; EP2053144B1; CN101501247B; EP2053144A1; JP2008038220A; CN101501247A

Abstract

본 발명은, 종래와 비교하여, 면압 강도, 내마모성, 굽힘 피로 강도 등의 기계적 강도에 의해 우수한 기계 구조용 부품의 표면 경화 처리 기술을 제공하는 것이다.

철강 재료의 표면에 경질 질화물층이 형성되고, 또한 그 상층으로서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 무기 화합물층이 형성된 것을 특징으로 하는 켄칭 철강 부재이다.

면압 강도, 내마모성, 굽힘 피로 강도, 켄칭, 켄칭 철강 부재

Description

철강 부재의 켄칭 방법, 켄칭 철강 부재 및 켄칭 표면 보호제{METHOD FOR QUENCHING OF STEEL MEMBER, QUENCHED STEEL MEMBER, AND AGENT FOR PROTECTING QUENCHED SURFACE}

본 발명은 면압 강도, 내마모성, 굽힘 피로 강도 등의 기계적 강도가 우수한 기계 구조용 부품의 표면 경화 처리 기술에 관한 것이다.

기계적 강도 향상을 위해, 주철이나 강의 기계 구조 부품에 질화 처리, 연질화 처리, 침탄 켄칭(quenching), 고주파 켄칭 등의 표면 경화 처리가 실시되어 있다. 이들 중에서, 질화 처리에 의해 최표면에 형성되는 질화물층은 내미끄럼 이동성이 우수하고, 마모에 강하며, 또한 시징(seizing) 저항성이 높은 것이 알려져 있다. 그러나, 종래의 질화 처리 혹은 연질화 처리는 침탄 켄칭, 고주파 켄칭에 비해 경화층 깊이가 얕고, 면압 강도, 피로 강도 등에 개선의 여지가 있었다. 그로 인해 최근, 질소의 특성을 살려, 질화 처리 혹은 연질화 처리 후에 고주파 켄칭을 실시하여 경화 심도를 깊게 하고, 면압 강도를 높게 하여 더욱 피로 강도를 높게 하는, 복합 경화 처리가 개발되어 있다.

그러나, 당해 복합 처리는, 예를 들어 특허문헌 1 내지 특허문헌 4에서는, 질화 처리에서 얻어진 질소 확산층에 있어서의 켄칭 조직의 특성의 이용, 즉 템퍼 링 연화 저항성, 균열 발생 저항성의 이용으로 면압 강도, 피로 강도의 향상을 기대하는 것이며, 질화 처리에서 형성되는 질화물층(화합물층)의 이용은 눈에 띄지 않는다. 오히려, 상기 공보에서는 적극적으로 질화물층의 분해, 소실시키는 고주파 처리 조건에 대해 검토가 이루어지고 있다. 즉, 질화 처리 후 고주파 켄칭에서는, 켄칭 온도는 적어도 오스테나이트 조직이 되는 온도 Ac1 변태점 이상의 온도가 필요하며, 통상 750 내지 1050℃의 온도 범위로부터 선택된다. 질화 온도 570℃에서 형성되는 질화물층은 철과 질소의 결합이며, 650℃ 이상으로 재가열되면 산화되어 분해되어, 질화물층의 질소는, 최표면에서는 질소 가스로서 방출되고 내부에서는 확산되는 결과, 질화물층이 소실되어 버린다. 이것은 예로부터 보고되어 있다(비특허문헌 1).

이와 같은, 질화 처리에 의해 표면에 형성된 질화물층을 그대로 고주파 켄칭하는 것에 의한, 고온 가열에서의 질화물층의 손상이나 소실이라는 문제를 해결하고자 한 기술로서, 질화 처리 후의 표면 상에 산화규소를 성분으로 하는 가스 질화ㆍ이온 질화 방지제, 침탄 방지제, 산화 방지제를 1 내지 3㎜의 두께로 피복하여 켄칭을 행하는 방법이 특허문헌 5에 개시되어 있다.

그러나, 이 방법으로는, 가열시에서의 산화 현상은 방지할 수 있어도, 1㎜ 이상의 후막이 필요하며 열전도성도 낮으므로, 켄칭시의 냉각 속도가 불충분해져, 목적으로 하는 미세 마르텐사이트의 경도를 얻는 것은 곤란하였다. 또한, 이와 같은 표면 피막은 마찰 저항이 크기 때문에, 켄칭 처리 후에 제거해야만 해 생산 효율도 충분한 것은 아니었다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제3193320호

특허문헌 2 : 일본 특허 제3327386호

특허문헌 3 : 일본 특허 제3145517호

특허문헌 4 : 일본 특허 출원 공개 평7-90364호

특허문헌 5 : 일본 특허 출원 공개 소58-96815호

비특허문헌 1 : 열처리 16권 4호 P206 1976년

그래서, 본 발명은 이들 종래 기술의 문제점을 해결하여, 켄칭시의 경질 질화물층의 손상, 분해를 방지할 뿐만 아니라, 켄칭시의 냉각 속도를 저하시키지 않고 질화물층에 특정 조성으로 이루어지는 세라믹을 복합화하여 강화하고, 그 경도나 기계적 강도를 더욱 높여 면압 강도, 피로 강도를 얻는 동시에 보호층을 제거하지 않아도 양호한 미끄럼 이동성을 얻을 수 있는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 표면에 경질 질화물층이 형성된 철강 부재를 켄칭 처리하기 전에, 표면에 켄칭 표면 보호제를 함침 또는 도포시키는 방법에 있어서, 수㎛ 이하의 막 두께(부착량으로 수천㎎/㎡ 이하)라도 켄칭시의 질화물층 보호가 가능하여 켄칭시의 냉각 속도에 문제가 없고, 또한 켄칭 후에 보호층을 제거하지 않아도 미끄럼 이동성이 저하되지 않는 켄칭 표면 보호제의 조성에 대해 예의 실험 검토를 행하였다.

그 결과, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 세라믹 전구체를 포함하는 켄칭 표면 보호제가 종래 알려져 있지 않은 수㎛ 이하의 박막의 피복으로도 양호한 질화물 보호 효과를 나타내고, 열처리 후에 보호막을 제거하지 않아도 양호한 미끄럼 이동 성능을 나타내는 것을 발견하고, 또한 표면 보호제에는 Ca, Mg, Y, Sc 및 Ba 중에서 선택되는 1종을 포함함으로써 더욱 질화물 보호 효과가 개선되는 것을 발견하였다.

또한, 켄칭 후의 피막을 EPMA 등에 의해 단면 조성 분석한 결과, 이들 피막은 질화물 피막의 상층으로서 존재하고, 일부는 질화물과 복합 또는 반응하여 견고하게 결합하여 보호 효과, 미끄럼 이동 효과를 높이고 있다고 추정하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명의「켄칭 철강 부재」는, 그 제1 발명이, 철강 재료의 표면에 경질 질화물층이 형성되고, 또한 그 상층으로서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 무기 화합물층이 형성된 것을 특징으로 하는 것이다. 제2 발명은, 상기 금속 산화물을 포함하는 무기 화합물층이 또한 Ca, Mg, Y, Sc 및 Ba 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는, 상기 제1 발명이다. 또한, 제3 발명은, 경질 질화물층이 Fe, Ti, Zr, Mo, W, Cr, B 및 Si 중에서 선택되는 1종 이상의 질화물인, 상기 제1 발명 또는 상기 제2 발명이다. 제4 발명은, 상기 무기 화합물층이 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 금속을 상기 금속 환산의 합계로 1 내지 2000㎎/㎡의 범위에서 함유하는, 상기 제1 발명 내지 상기 제3 발명 중 어느 하나이다. 그리고, 제5 발명이, 상기 철강 부재가 고면압 영역에서 사용되는 기계 구조 부품인, 상기 제1 발명 내지 상기 제4 발명 중 어느 하나이다.

또한, 본 발명의「철강 부재의 켄칭 방법」및 본 발명의「켄칭 철강 부재의 제조 방법」은, 표면에 경질 질화물층을 갖는 철강 재료를 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 세라믹 전구체를 포함하는 액(예를 들어, 산화물, 수화 산화물, 이온, 착이온 중에서 선택되는 1종 이상의 상태로서 당해 원소를 함유하는 세라믹 전구체를 포함하는 용액)에 접촉시킨 후, 켄칭 처리를 하는 것이며, 상기 켄칭 처리는 고주파 켄칭인 것이 바람직하고, 상기 세라믹 전구체를 포함하는 액(예를 들어 상기 용액)은 Ca, Mg, Y, Sc, 및 Ba 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는(예를 들어 산화물, 수화산화물, 이온, 착이온 중에서 선택되는 1종 이상의 상태로서 당해 원소를 함유하는) 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의「켄칭 표면 보호제」는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 세라믹 전구체를 포함하는 액(예를 들어, 산화물, 수화 산화물, 이온, 착이온 중에서 선택되는 1종 이상의 상태로서 당해 원소를 함유하는 세라믹 전구체를 포함하는 용액)으로 이루어지고, 당해 세라믹 전구체를 포함하는 액(예를 들어 상기 용액)은, 또한 Ca, Mg, Y, Sc 및 Ba 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 (예를 들어, 산화물, 수화 산화물, 이온, 착이온 중에서 선택되는 1종 이상의 상태로서 당해 원소를 함유하는) 것이 더욱 바람직하다. 여기서, 그대로 사용 가능한 타입에 더하여, 사용시에 용매로 희석하는 농축 타입이나 용매를 첨가하는 건조 타입도「켄칭 표면 보호제」의 개념에 포함된다(단, 이하에서는 그대로 사용 가능한 타입을 예시).

본 발명의 켄칭 철강 부재, 철강 부재의 켄칭 방법, 켄칭 철강 부재의 제조 방법 및 켄칭 표면 보호제에 따르면, 종래에 없는 박막으로 켄칭시의 경질 질화물층의 손상, 분해를 방지할 수 있으므로, 켄칭시의 냉각 속도를 저하시키지 않고 켄칭이 가능해져 높은 경도ㆍ기계적 강도를 얻을 수 있다. 또한, 보호층을 제거하지 않아도 양호한 미끄럼 이동성을 얻을 수 있으므로, 종래의 기술보다도 양산성, 실용성을 높일 수 있다.

도 1은 제1 실시예의 강재의 켄칭 후의 화합물층 단면 사진이다.

도 2는 제1 비교예의 강재의 켄칭 후의 화합물층 단면 사진이다.

도 3은 제2 비교예의 강재의 켄칭 후의 화합물층 단면 사진이다.

처음에, 본 발명에 관한「켄칭 철강 부재」의 각 요소에 대해 상세하게 서술한다. 우선, 본 발명의 적용 대상이 되는 철강 재료는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 탄소강, 저합금강, 고합금강, 주철을 들 수 있다. 특히 바람직한 재료는, 고탄소 탄소강, 저합금강 등이다.

본 발명에 있어서의 철강 재료 표면의 경질 질화물층은, 철강을 표면 처리(질소 확산 처리, CVD, PVD 등)하여 형성되는 질화물층인 한 특별히 한정되지 않고, Fe, Ti, Zr, Mo, W, Cr, B 및 Si 중에서 선택되는 1종 이상의 질화물층인 것이 바람직하며, 양산성의 면에서는 이들 중 Fe가 가장 바람직하다. Fe의 경질 질화물층의 형성 방법으로서는, 태프트라이드 처리, 팔소나이트(palsonite) 처리 등의 염 욕 질화 처리, 가스 연질화 처리, 이온 질화 처리, 플라즈마 질화 처리 등, 어느 하나의 질화 방법이 바람직하다. 또한, Fe 이외의 경질 질화물층의 형성은 플라즈마 CVD, 스퍼터링, 이온 플레이팅 등의 PVD 등의 방법에 의한 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서의 무기 화합물층은 철강 재료 표면의 경질 질화물층 상에 존재하고 있고, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 산화물을 주성분으로서 포함하고, 또한 임의 성분으로서 Ca, Mg, Ba, Y 및 Sc로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고 있는 것이 적합하다. 전자의 주성분은 내산화성, 질화물형 성능이 우수하고, 바람직한 임의 성분은 결정의 물성, 안정성 향상 효과를 기대할 수 있다.

여기서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 무기 화합물층은 상기 금속의 질화물을 더 포함하는 것이 바람직하다. 무기 화합물층이 이들 금속 질화물을 포함함으로써 켄칭성, 미끄럼 이동성의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 당해 금속을 함유하는 세라믹 전구체를 경질 질화물층 상에 적용하여 켄칭한 경우, 당해 금속에 관해서는 질화물이 안정되므로, 당해 금속의 일부는 켄칭시에 경질 질화물층으로부터 온 질소와 반응하여, 질화물을 형성한다. 따라서, 이 경우에는 당해 금속 산화물을 포함하는 무기 화합물층은 질화물을 필수적으로 포함하게 된다.

상기 무기 화합물층은 상기 금속군 중에서 선택되는 1종 이상의 필수 금속을 상기 금속 환산의 합계로 1 내지 2000㎎/㎡ 함유하고 있는 것이 바람직하다. 상기 금속 환산의 합계가 1㎎/㎡ 미만에서는 질화물층의 보호 효과가 불충분해지고, 2000㎎/㎡를 초과하면 미끄럼 이동성, 밀착성이 저하되므로 바람직하지 않다. 또한, 본 명세서에 있어서의 당해 수치는 당해 무기 화합물층이 형성된 후에 있어서의 당해 층 중의 당해 금속량이지만, 이 수치는 켄칭 전에 철강 표면에 부착시킨 세라믹 전구체액 중의 금속량과 동일하다. 또한, 임의 금속의 양은 필수 금속의 약 20% 이하인 것이 적합하다.

다음에, 본 발명에 관한「켄칭 철강 부재」의 용도에 대해 설명한다. 본 발명에 관한 켄칭 철강 부재는 고압 영역에서 사용되는 것이 바람직하고, 바람직한 면압의 범위는 약 0.5㎫ 내지 3.5㎫이다. 또한, 철강 부재의 형상, 부품종은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 축, 기어, 피스톤, 샤프트, 캠 등을 들 수 있다.

다음에, 본 발명에 관한「철강 부재의 켄칭 방법」및「켄칭 철강 부재의 제조 방법」을 설명한다. 본 방법은 표면에 경질 질화물층을 갖는 철강 재료에 세라믹 전구체 함유액을 적용하는 적용 공정과, 상기 액이 적용된 철강 재료를 켄칭 처리하는 켄칭 공정을 필수 공정으로서 포함한다. 또한, 본 방법은, 그 밖에, 예를 들어 철강 부재 표면에 적용한 세라믹 전구체액의 용매를 제거하기 위한 건조 공정 등을 포함하고 있어도 좋다. 이 경우, 당해 건조 공정은 켄칭 전에 행하는 것이 바람직하고, 자연 건조, 가열 건조 등, 방법은 상관없다.

여기서, 우선, 적용 공정에 관하여 설명하면, 켄칭 전에 표면에 경질 질화물층(예를 들어 질화철을 포함하는 층)을 갖는 철강 재료를, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를, 산화물, 수화 산화물, 이온, 착이온 중에서 선택되는 1종 이상의 상태로서 함유하는 세라믹 전구체를 포함하는 용액에 접촉시키는 것이 적합하다. 여기서, 당해 용액은 이들 원소에 더하여, Ca, Mg, Y, Sc 및 Ba 중에서 선택되는 원소를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 접촉 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 스프레이, 딥, 브러쉬 도포, 플로우 코트, 롤 코트, 전해 석출 등이 가능하다.

다음에, 켄칭 공정에 관하여 설명하면, 본 공정은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 염욕 켄칭, 프레임 켄칭, 고주파 켄칭 등을 들 수 있고, 고주파 켄칭이 가장 바람직하다. 여기서, 켄칭 조건으로서는, 예를 들어 저합금강 재료의 경우, 일반적으로 켄칭은 재료의 오스테나이트화 온도보다 50 내지 60℃ 높은 900 내지 930℃로 설정되지만, 본 발명에서는 미리 질화 처리가 실시되어 있으므로, 급속 가열이 가능한 고주파 켄칭의 경우, 800 내지 850℃으로 설정되는 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 철강 부재 표면에 적용된 세라믹 전구체 중의 금속은, 당해 켄칭 공정에서 당해 금속이 산화물의 형태에 없는 경우에는 산화물 형성 프로세스를 거쳐서, 소결되어 세라믹스화한다. 또한, 상기한 바와 같이, 당해 금속은 산화물의 형태보다도 질화물의 형태가 안정되므로, 당해 켄칭 공정시에 당해 금속과 질화물층으로부터의 질소가 반응하여 당해 금속의 질화물도 형성된다.

다음에, 상기 방법에서 사용되는, 본 발명에 관한「켄칭 표면 보호제」는, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 산화물, 수화 산화물, 이온, 착이온 중에서 선택되는 1종 이상의 상태에서 함유하는 세라믹 전구체를 포함하는 용액인 것이 적합하다. 이들 금속 중, 주성분으로서는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, Mo 및 Al의 산화물, 수화 산화물, 이온 또는 착이온이 바람직하고, 이들에 보조적으로 Ca, Mg, Ba, Y 및 Sc의 산화물, 수화 산화물, 이온 또는 착이온을 첨가하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 세라믹 전구체를 포함하는 액(예를 들어 용액)의 용매로서는, 안전성의 면에서, 물을 주된 용매로 하는 것이 바람직하고, 철강 부재의 부식을 방지하기 위해서는 중성 내지 알카리성인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 용액의 고형분 농도는 특별히 한정되지 않지만, 0.1 내지 10wt%가 바람직하다.

여기서, 본 발명에 관한「켄칭 표면 보호제」의 제조 방법(세라믹 전구체 용액의 조제 방법)으로서는, 금속 화합물 원료로서, 질산염, 아세트산염, 옥살산염 등의 당해 금속염이나 금속 알콕시드 등을 적절하게 사용할 수 있다. 이들 금속 화합물 원료는 그대로 용매에 희석하여 사용해도 좋지만, 가수 분해, 가열 결정화 등에 의해 산화물이나 수화 산화물의 분산졸로서 사용해도 좋다. 또한, 시판되고 있는 이들 금속 산화물졸도 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 켄칭 표면 보호제에는 졸의 분산제나 안정화제, 습윤성 향상제, 증점제 등 그 밖의 유기/무기 첨가 성분을 보조적으로 포함하는 것도 바람직하다.

이하에 본 발명의 실시 형태를 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명의 범위는 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<제1 실시예>

기재로서 직경 8㎜, 길이 12㎜의 SCM440 조질재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융염욕 중에서 570℃에서 2시간 염욕 연질화 처리(태프트라이드 처리 : 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)하여 유냉하여, 강재 표면에 두께 12㎛의 질화철로 이루어지는 화합물층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 4%의 산화티탄 중성수 분산졸(팔티탄 5603 : 아나타제+아몰퍼스졸 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)을 딥코팅하여, 여분의 액을 제거한 후, 180℃에서 건조시켰다. Ti 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, 150㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 산화티탄을 포함하는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 고주파 켄칭 장치를 사용하여 약 150℃/sec의 속도로 가열하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제2 실시예>

기재로서 직경 20㎜, 길이 40㎜의 조질재(SCM440)를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융염욕 중에서 570℃에서 2시간 연질화 처리(태프트라이드 처리 : 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)하여 강재 표면에 두께 10㎛의 질화철로 이루어지는 화합물층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 8%의 탄산지르코늄암모늄(다이이찌 기겐소 가가꾸고오교오 가부시끼가이샤제) 및 산화이트륨을 포함하는 코팅제 용액을 브러쉬 도포한 후, 150℃에서 건조시켰다. Zr과 Y의 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, Zr이 850㎎/㎡, Y가 50㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 지르코늄 및 이트륨을 포함하는 산화물로 이루어지는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주 파 켄칭 장치를 사용하여 800℃×5초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제3 실시예>

기재로서 직경 8㎜, 길이 12㎜의 SCM440 조질재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융염욕 중에서 570℃에서 2시간 연질화 처리(태프트라이드 처리 : 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)하여 강재 표면에 두께 12㎛의 질화철층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 10%의 알루미나졸(알루미나졸 200 닛산 가가꾸고오교오 가부시끼가이샤제)을 브러쉬 도포한 후, 건조시켰다. Al 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, 1300㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 산화알루미늄을 포함하는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제4 실시예>

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 3%의 몰리브덴산암모늄과 2%의 텅스텐산암모늄을 포함하는 코팅제 용액을 딥코팅한 후, 건조시 켰다. Mo와 W의 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, Mo가 150㎎/㎡, W가 100㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하는 산화물로 이루어지는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 800℃×5초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제5 실시예>

기재로서 직경 20㎜, 길이 40㎜의 조질재(SCM440)를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융염욕 중에서 570℃에서 2시간 연질화 처리(태프트라이드 처리 : 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)하여 강재 표면에 두께 10㎛의 질화철층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재는, 또한 농도 0.8%의 수화산화크롬(Ⅲ)졸(크롬산을 환원하여 조제)을 딥코팅한 후, 건조시켰다. Cr 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, 25㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 산화크롬을 포함하는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제6 실시예>

기재로서 직경 8㎜, 길이 12㎜의 SCM440 조질재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융염욕 중에서 570℃에서 2시간 연질화 처리(태프트라이드 처리 : 니 혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)하여 강재 표면에 두께 12㎛의 질화철층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 3%의 페르옥소티탄산졸과 0.2%의 옥살산칼슘을 포함하는 코팅제 용액을 딥코팅한 후, 250℃에서 건조시켰다. Ti와 Ca의 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, Ti가 310㎎/㎡, Ca가 40㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 Ti 및 Ca를 포함하는 산화물로 이루어지는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 800℃×5초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제7 실시예>

기재로서 직경 20㎜, 길이 40㎜의 조질재(SCM440)를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 이온 플레이팅 장치에 의해 1시간 처리하여 강재 표면에 두께 3㎛의 질화티탄으로 이루어지는 경질 질화물층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화티탄층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 8%의 탄산지르코늄암모늄(다이이찌 기겐소 가가꾸고오교오 가부시끼가이샤제) 및 산화이트륨을 포함하는 코팅제 용액을 브러쉬 도포한 후, 150℃에서 건조시켰다. Zr과 Y의 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, Zr이 600㎎/㎡, Y가 35㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 지르코늄 및 이트륨을 포함하는 산화물로 이루어지는 무기 화합물층을 형성한 질화티탄층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 800℃×5초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제8 실시예>

기재로서 직경 8㎜, 길이 12㎜의 SCM440 조질재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 이온 플레이팅 장치로 2시간 처리하여 강재 표면에 두께 5㎛의 질화크롬으로 이루어지는 경질 질화물층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화크롬층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 4%의 산화티탄 중성수 분산졸(팔티탄 5603 : 아나타제+아몰퍼스졸 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)을 딥코팅하여, 여분의 액을 제거한 후, 180℃에서 건조시켰다. Ti 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, 180㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 산화티탄을 포함하는 무기 화합물층을 형성한 질화크롬층을 형성한 강재에 대해, 또한 고주파 켄칭 장치를 사용하여 약 150℃/sec의 속도로 가열하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제9 실시예>

기재로서 직경 8㎜, 길이 12㎜의 SCM440 조질재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 플라즈마 CVD 장치로 3시간 처리하여 강재 표면에 두께 3㎛의 질화붕소로 이루어지는 경질 질화물층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화붕소층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 4%의 산화티탄 중성수 분산졸(팔티탄 5603 : 아나타제+아몰퍼스졸 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)을 딥코팅하여, 여분의 액을 제거한 후, 180℃에서 건조시켰다. Ti 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, 160㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 산화티탄을 포함하는 무기 화합물층을 형성한 질화붕소층을 형성한 강재에 대해, 또한 고주파 켄칭 장치를 사용하여 약 150℃/sec의 속도로 가열하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제10 실시예>

기재로서 직경 20㎜, 길이 40㎜의 조질재(SCM440)를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 이온 플레이팅 장치에 의해 2시간 처리하여 강재 표면에 두께 3㎛의 질화지르코늄층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 경질 질화물층을 형성한 강재에 대해, 또한 농도 2%의 수산화탄탈 및 농도 0.3%의 수산화니오브의 졸 용액을 딥코팅한 후, 건조시켰다. 탄탈의 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, 70㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 탄탈 및 니오브를 포함하는 무기 화합물층을 형성한 질화지르코늄층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제11 실시예>

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재는, 또한 농도 2%의 옥살산하프늄을 포함하는 코팅제 용액을 딥코팅한 후, 250℃에서 건조시켰다. Hf의 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, Hf가 120㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 Hf를 포함하는 산화물로 이루어지는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재는, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 800℃×5초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제1 비교예>

기재로서 제1 실시예와 같은 탄소강재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융염욕 중에서 570℃에서 1시간 연질화 처리(태프트라이드 처리 : 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)하여 강판 표면에 두께 12㎛의 질화철층을 형성한 후, 그대로 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제2 비교예>

기재로서 제1 실시예와 같은 탄소강재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 용융염욕 중에서 570℃에서 1시간 연질화 처리(태프트라이드 처리 : 니혼 파커라이징 가부시끼가이샤제)하여 강판 표면에 두께 약 5㎛의 질화철층을 형성하였다.

이렇게 하여 표면에 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 산화규소를 성분으로 하는 침탄 방지제 용액을 딥코팅하여, 여분의 액을 제거한 후, 건조시켰다. Si 부착량을 형광 X선 분석 장치로 측정한 결과, 350㎎/㎡였다.

이와 같이 하여 산화규소를 포함하는 무기 화합물층을 형성한 질화철층을 형성한 강재에 대해, 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여 가열한 후, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제3 비교예>

기재로서 제1 실시예와 같은 탄소강재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 이온 플레이팅 장치에 의해 1시간 처리하여, 강재 표면에 두께 3㎛의 질화티탄으로 이루어지는 경질 질화물층을 형성하였다. 또한, 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제4 비교예>

기재로서 제1 실시예와 같은 탄소강재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 이온 플레이팅 장치에 의해 1시간 처리하여, 강재 표면에 강재 표면에 두께 5㎛의 질화크롬으로 이루어지는 경질 질화물층을 형성하였다. 또한, 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여, 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

<제5 비교예>

기재로서 제1 실시예와 같은 탄소강재를 사용하여, 이 표면을 탈지 세정한 후, 플라즈마 CVD 장치로 3시간 처리하여, 강재 표면에 두께 3㎛의 질화붕소로 이루어지는 경질 질화물층을 형성하였다. 또한 제1 실시예와 같은 고주파 켄칭 장치를 사용하여 850℃×3초간 고주파를 가하여. 즉시 수냉하여 켄칭을 행하였다.

(평가 시험)

이들 처리를 행한 강재는 마이크로 커터로 절단하여, 질화물층의 잔존 상태를 금속 현미경으로 확인하는 동시에, 최표면 및 표면으로부터 0.1㎜의 단면의 경 도를 마이크로 비커스 경도계로 측정하였다. 표1에 평가 시험 결과의 일람을 나타낸다. 또한, 도 1 내지 도 3에, 제1 실시예, 제1 비교예 및 제2 비교예에 있어서의 단면의 금속 현미경 사진을 나타낸다. 또한, 도 1 내지 도 3의 중앙의 백색부가 질화철을 포함하는 무기 화합물층이며, 그 하부가 철강 기재부이다.

표로부터, 본 발명의 제1 실시예 내지 제11 실시예에서는, 켄칭 후에 있어서도 표면의 질화물층이 손상을 받는 일 없이 잔존하고 있어, 표면 경도 및 표면으로부터 일정 깊이까지의 단면의 경도도 충분히 높은 것을 알 수 있다. 이에 대해, 보호층의 코팅을 행하지 않은 제1 비교예에서는, 질화철로 이루어지는 화합물층의 산화 분해가 진행되고 있어, 질화물이 산화물로 변화되어 표면의 경도가 저하되고 있었다. 한편, Si 산화물에서 보호층을 형성한 제2 비교예에서도, 화합물층이 손상을 받아 일부가 없어졌고, SiO₂막의 열전도성이 나쁘기 때문에 충분한 켄칭 효과를 얻을 수 없어, 단면 경도의 저하가 인정되므로 바람직하지 않은 것을 알 수 있다.

본 발명의 철강 부재의 켄칭 방법, 켄칭 철강 부재, 켄칭 철강 부재의 제조 방법 및 켄칭 표면 보호제는 기계, 자동차, 산업 기계, 공작 기계 등의 기어, 샤프트, 캠 등의 부품, 공구, 금형, 베어링 등, 경도, 내마모성, 피로 강도가 요구되는 모든 철강 부재에 적용할 수 있다. 또한, 무기 화합물층의 조성을 선택함으로써, 내식성이나 접착ㆍ밀착성이나 대전 방지성도 동시에 부여하는 것이 가능하므로, 이들 이외의 용도에도 적절하게 사용할 수 있어 산업상 이용할 수 있는 범위가 넓다.

Claims

질소 확산 처리에 의해 철강 재료의 표면에 경질 질화물층이 형성되고, 상기 경질 질화물층 상에 세라믹 전구체 층이 형성된, 켄칭 처리되는 철강 부재이며,

상기 철강 부재는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 세라믹 전구체를 상기 경질 질화물층의 표면에 적용함으로써 제조되는, 켄칭 처리되는 철강 부재.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 전구체층은 Ca, Mg, Y, Sc 및 Ba로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상을 더 함유하는, 켄칭 처리되는 철강 부재.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 전구체층은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택되는 1종 이상의 금속을 상기 금속 환산의 합계로 1 내지 2000㎎/㎡의 범위 내에서 더 함유하는, 켄칭 처리되는 철강 부재.
제1항에 있어서, 상기 경질 질화물층은 염욕 질화 처리, 가스 연질화 처리, 이온 질화 처리 및 플라즈마 질화 처리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 처리에 의해 형성되는, 켄칭 처리되는 철강 부재.
제1항에 있어서, (i) Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 세라믹 전구체 함유액을, 경질 질화물층을 갖는 철강 재료 표면에 걸쳐 적용하는 공정과,

(ii) 세라믹 전구체 함유액의 용매를 제거하는 공정을 포함하는 프로세스에 의해 제조되는, 켄칭 처리되는 철강 부재
제5항에 있어서, 상기 세라믹 전구체 함유액은 Ca, Mg, Y, Sc 및 Ba로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는, 켄칭 처리되는 철강 부재.
제5항에 있어서, 상기 세라믹 전구체 함유액에 대한 용매는 중성 내지 알칼리성인, 켄칭 처리되는 철강 부재.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 켄칭 처리되는 철강 부재를 켄칭함으로써 제조되는 켄칭 처리된 철강 부재이며, 철강 재료의 표면에 질소 확산 처리에 의해 형성된 경질 질화물층이 존재하는, 켄칭 처리된 철강 부재.
제8항에 있어서, 상기 철강 부재가 고면압 영역에서 사용되는 기계 구조 부품인, 켄칭 처리된 철강 부재.
제8항에 있어서, 상기 켄칭 처리된 철강 부재의 부품 또는 부품종은 축, 기어, 피스톤, 샤프트 및 캠으로 구성되는 군으로부터 선택되는, 켄칭 처리된 철강 부재.
제8항에 있어서, 켄칭 처리는 800 내지 850℃로 실행되는, 켄칭 처리된 철강 부재.
제8항에 있어서, 켄칭 처리는 고주파 켄칭인, 켄칭 처리된 철강 부재.
질소 확산 처리에 의해 표면에 경질 질화물층이 형성된 철강 재료에, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 세라믹 전구체를 포함하는 액에 적용하고, 당해 액의 용매를 제거함으로써 세라믹 전구체층을 경질 질화층 상에 형성하는 공정과, 세라믹 전구체층이 형성된 철강 재료에 켄칭 처리를 행하는 공정을 포함하는, 철강 부재의 표면에 질소 확산 처리에 의해 형성된 경질 질화물층이 존재하는, 켄칭 처리된 철강 부재의 제조 방법.
제13항에 있어서, 세라믹 전구체를 포함하는 액이, Ca, Mg, Y, Sc 및 Ba 중으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 더 함유하는, 켄칭 처리된 철강 부재의 제조 방법.
제13항에 있어서, 세라믹 전구체층이 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W, Mo 및 Al로 이루어지는 군 중으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을, 상기 금속 환산의 합계로 1 내지 2000㎎/㎡의 범위에서 함유하는 것인, 켄칭 처리된 철강 부재의 제조 방법.
제13항에 있어서, 경질 질화층이, 염욕 질화 처리, 가스 연질화 처리, 이온 질화 처리 및 플라즈마 질화 처리로부터 선택되는 처리에 의해 형성된 것인, 켄칭 처리된 철강 부재의 제조 방법.
제13항에 있어서, 세라믹 전구체를 함유하는 액의 용매가, 중성으로부터 알칼리성인, 켄칭 처리된 철강 부재의 제조 방법.
제13항에 있어서, 켄칭 처리를 800 내지 850℃에서 실행하는, 켄칭 처리된 철강 부재의 제조 방법.
제13항에 있어서, 켄칭 처리가 고주파 켄칭인, 켄칭 처리된 철강 부재의 제조 방법.