KR101678417B1 - Surface treating method for article and surface treated article by the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공구강과 같이 크롬(Cr)을 상당량 포함하는 물품을 플라즈마를 이용하여 표면처리하는 방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품에 관한 것이다.
본 발명에 따른 표면처리방법은, 물품의 표면을 수소 및 질소를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 상기 제1 표면처리 후에, 질소와 아르곤을 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a method of surface treating an article containing a substantial amount of chromium (Cr) such as a tool steel using plasma and an article surface-treated by this method.
The surface treatment method according to the present invention is characterized by comprising a first surface treatment for ionizing the surface of an article using hydrogen and nitrogen and a second surface treatment for ionizing the surface of the article using nitrogen and argon after the first surface treatment .

Description

물품의 표면처리방법 및 이에 의해 표면처리된 물품 {SURFACE TREATING METHOD FOR ARTICLE AND SURFACE TREATED ARTICLE BY THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a surface treatment method for an article, and a surface treated article using the surface treated article.

본 발명은 물품의 표면처리방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품에 관한 것으로, 보다 구체적으로 금형강이나 공구강과 같이 크롬(Cr)을 상당량 포함하는 물품을 플라즈마를 이용하여 표면처리하는 방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품에 관한 것이다.The present invention relates to a surface treatment method for an article and an article surface-treated by the method, and more particularly to a method for surface-treating an article containing a substantial amount of chromium (Cr) such as a mold steel or a tool steel using plasma The present invention relates to an article surface-treated by a method.

최근 고강도강의 성형에 대한 요구로 인해 금형강의 표면은 심한 소성변형 등에 노출되고 있다. 이러한 추세에 맞춰, 금형강의 수명을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.Recently, the surface of mold steel has been exposed to severe plastic deformation due to the requirement for forming of high strength steel. In accordance with this trend, many studies are being conducted to improve the life of the mold steel.

소재의 파괴는 주로 표면에서 시작된다고 알려져 있어, 소재의 표면처리 기술은 소재의 수명을 연장시키는데 중요한 기술이다.It is known that the destruction of the material mainly starts from the surface, and the surface treatment technology of the material is an important technology for extending the life of the material.

이러한 표면처리 기술 중, 가스 질화처리는 소재의 표면에 우수한 물성을 부여함으로서, 소재의 수명 연장에 많은 기여를 하므로, 산업에서 가장 유용하게 사용되는 기술 중 하나이다.Of these surface treatment techniques, the gas nitriding treatment imparts excellent physical properties to the surface of the material, contributing greatly to the extension of the life of the material, and thus is one of the most useful techniques in industry.

강(steel)을 가스 질화처리하게 되면, 일반적으로 도 1에 나타난 단면 조직을 가지게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 질화처리된 강(steel)의 최표면층에는 다양한 질화물로 이루어진 화합물층(compound layer)이 형성되고, 화합물층의 아래에는 석출된 질화물이 존재하는 확산영역(diffusion zone)이 형성되며, 이 확산영역의 하부에는 확산된 질소가 일부 고용된 베이스재가 존재하는 코어영역(core zone)이 존재한다.When the steel is subjected to gas nitriding, it generally has the sectional structure shown in Fig. As shown in FIG. 1, a compound layer made of various nitrides is formed on the outermost layer of the gas nitrided steel, and a diffusion zone in which nitride is present is formed under the compound layer In the lower portion of the diffusion region, there is a core zone in which a base material in which diffused nitrogen is partially dissolved exists.

상기 화합물층을 구성하는 질소 화합물로는 엡실론상(ε상, Fe3N)과 감마프라임상(γ'상, Fe4N)이 주로 형성되는데, 이중 ε상은 내마모성과 내피로성을 향상시키는 반면 충격하중이나 국부 응력에는 취약한 특성을 가지고, γ'상은 상대적으로 연하여 내마모성에서는 ε상에 비해 떨어지나 인성은 나은 특성을 보인다. 이러한 ε상과 γ'상의 제어를 통해 질화처리된 물품은 보다 나은 내마모성, 내피로성 및 내식성을 가지게 된다.As the nitrogen compound constituting the compound layer, epsilon phase (ε phase, Fe 3 N) and gamma prase phase (γ 'phase, Fe 4 N) are mainly formed, while the ε phase improves abrasion resistance and fatigue resistance, And local stress, and the γ 'phase is relatively soft and less abrasive than the ε phase, but the toughness is better. The products nitrided through the control of the? Phase and? 'Phase have better abrasion resistance, fatigue resistance and corrosion resistance.

가스 질화처리 중에서, 이온질화는 플라즈마 질화 또는 글로우방전 질화라고도 불리는데, 이온질화법은 도 2에 도시된 바와 같이, 질화로(furnace)와 시편 사이의 글로우방전을 이용하여 질소가 재료의 표면으로부터 내부로 확산되도록 함으로써 재료의 표면영역의 질화가 이루어지도록 하는 방법이다.In the gas nitriding process, ion nitriding is also referred to as plasma nitridation or glow discharge nitriding. In the ion nitriding method, nitrogen is introduced from the surface of the material into the inside of the material through the glow discharge between the furnace and the specimen So that the surface region of the material is nitrided.

이온질화는 다른 가스 질화처리에 비해 가스 소비가 적어 친환경적이고, 공정비용이 저렴하고, 사이클 시간이 짧으며, 공정의 반복이 가능할 뿐 아니라, 거의 대부분의 강(steel)에 대한 처리가 가능한 많은 이점이 있는 방법이다.Ion nitration is environmentally friendly because it consumes less gas than other gas nitriding processes, has low process costs, has a short cycle time, can repeat the process, and has many advantages that can be processed on almost all steels There is a way.

그런데, 전술한 바와 같이, 금형강의 수명을 향상시키기 위해서는 보다 향상된 표면물성을 구현할 수 있는 이온질화처리 방법의 개발이 요구되고 있다.However, as described above, in order to improve the lifetime of the metal mold, it is required to develop an ion nitriding method capable of realizing more improved surface physical properties.

L.L.G. da Silva, M. Ueda, R.Z. Nakazato, Surf. Coat. Technol. 201 (2007) 8291L.L.G. da Silva, M. Ueda, R.Z. Nakazato, Surf. Coat. Technol. 201 (2007) 8291

본 발명의 과제는 물품의 표면물성을 종래에 비해 향상시킬 수 있는 새로운 표면처리방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a novel surface treatment method capable of improving the surface physical properties of an article as compared with the prior art, and an article surface-treated by the method.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, 물품의 표면을 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 상기 제1 표면처리 후에, 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a first surface treatment for ionizing a surface of an article using a mixed gas of hydrogen and nitrogen; and a second surface treatment using a mixed gas of argon and nitrogen And performing a second surface treatment for ion nitriding the surface of the article.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 크롬(Cr)을 4중량%~32중량% 포함하는 강(steel)으로 이루어지고, 상기 물품의 표면의 질소농도가 48원자% 이상인 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품을 제공한다.Another aspect of the present invention for solving the above problems is characterized in that it is made of steel containing 4 wt% to 32 wt% of chromium (Cr), and the nitrogen concentration on the surface of the article is 48 atomic% or more To provide a surface treated article.

본 발명에 따른 표면처리는 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 2단계 질화처리를 통해, 기존의 질화처리법에 비해 우수한 마모특성을 갖는 표면개질이 가능하게 된다.The surface treatment according to the present invention can be carried out by a two-step nitriding process that performs a first surface treatment of ion nitriding using a mixed gas of hydrogen and nitrogen and a second surface treatment of ion nitriding using a mixed gas of argon and nitrogen , Surface modification having excellent wear characteristics as compared with the conventional nitriding process can be performed.

또한, 본 발명에 의하면, 종래의 질화처리법에 비해 짧은 시간 질화를 수행하여도 종래의 질화처리법과 유사한 수준의 표면 경도를 얻을 수 있다.Further, according to the present invention, a surface hardness similar to that of the conventional nitriding treatment can be obtained even when the nitriding is performed for a shorter time than the conventional nitriding treatment.

또한, 본 발명에 따라 표면처리된 물품은 기존의 질화처리법으로 표면처리된 물품에 비해 높은 경도와 내마모성을 가지므로, 특히 금형강의 수명향상에 적합하게 사용될 수 있다.In addition, the article surface-treated in accordance with the present invention has higher hardness and wear resistance than articles surface-treated with the conventional nitrification process, and can be suitably used particularly for improving the life of the mold steel.

도 1은 가스질화처리된 강(steel)의 전형적인 단면조직을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 가스질화장치의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 이온질화처리 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 이온질화처리 공정도이다.
도 5는 비교예에 따른 이온질화처리 공정도이다.
도 6은 베이스재와, 비교예, 실시예 1, 실시예 2에 따라 표면처리된 시편의 경도 프로파일이다.
도 7은 베이스((a),(e)), 비교예((b),(f)), 실시예 1((c),(g)), 및 실시예 2((d),(h))의 단면 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 8은 비교예(a), 실시예 1(b), 실시예 2(c)에 따라 표면처리된 시편의 표면조직을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 9는 베이스재, 비교예, 실시예 1, 및 실시예 2의 미세조직을 XRD로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 13은 각각 베이스재(도 9), 비교예(도 10), 실시예 1(도 11), 및 실시예 2(도 12)의 미세조직을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 질화처리된 단면 미세조직을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 15는 GD-OES를 사용하여 깊이 방향으로 정량적인 성분 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명에서 수행한 마모시험 장치 및 마모시험과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 17은 베이스재와, 비교예, 실시예 1, 실시예 2에 따라 표면처리된 시편의 마모시험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 1 schematically illustrates a typical cross-sectional structure of a gas nitrided steel.
2 schematically shows a structure of a gas nitriding apparatus used in the present invention.
3 is a process diagram of the ion nitridation process according to the first embodiment of the present invention.
4 is a process chart of the ion nitridation process according to the second embodiment of the present invention.
Fig. 5 is a process chart of an ion nitriding process according to a comparative example.
Fig. 6 is a hardness profile of the base material and the specimen surface-treated in accordance with the comparative example, examples 1 and 2. Fig.
Fig. 7 is a graph showing the relationship between the values of the voltages applied to the base (a) and (e), the comparative examples (b) and (f), the embodiment 1 (c) )) Were observed with an optical microscope and a scanning electron microscope.
8 is a photograph of the surface texture of a specimen surface-treated in accordance with Comparative Example (a), Example 1 (b), and Example 2 (c) with a scanning electron microscope.
Fig. 9 shows the results of XRD analysis of the microstructure of the base material, the comparative example, the example 1, and the example 2. Fig.
10 to 13 are diagrams showing the microstructure of the base material (FIG. 9), the comparative example (FIG. 10), the example 1 (FIG. 11) and the example 2 (FIG. 12) observed by a transmission electron microscope It is a photograph.
14 schematically shows a nitrided cross-section microstructure according to Example 1 of the present invention.
Fig. 15 shows the result of performing quantitative component analysis in the depth direction using GD-OES.
16 schematically shows the wear test apparatus and the wear test process performed in the present invention.
Fig. 17 shows the results of the abrasion test of the base material and the specimens surface-treated in accordance with the comparative example, the example 1 and the example 2. Fig.

본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.The singular forms used to describe the embodiments of the present invention are meant to include plural forms unless the phrases expressly mean the opposite. And includes meaning of specific characteristics, regions, integers, steps, and actions. Elements and / or components, and other particular features, regions, integers, steps, acts. Quot; does not exclude the presence or addition of elements, elements and / or groups.

다르게 정의하지는 않았지만 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical terms and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Also, commonly used predefined terms are not to be construed as ideal or very formal meanings unless further defined and interpreted as having a meaning consistent with the relevant technical literature and the present disclosure.

본 발명자들은, 이온질화를 사용하면서 기존의 이온질화법에 비해, 물품(특히, 금형강과 같이 크롬을 다량 포함하는 강(steel)으로 이루어진 물품)의 경도와 내마모성과 같은 표면물성을 향상시키기 위하여 연구한 결과, 수소와 질소의 혼합가스를 이용한 전형적인 이온질화처리 후에, 아르곤과 질소의 혼합가스를 이용한 질화처리를 수행할 경우, 표면처리된 미세조직이 미세화되고 질소농도가 높아지며 표면이 거칠어지는 등의 미세조직의 변화가 발생하고, 이와 같은 미세조직의 변화가 표면물성의 향상에 기여하는 것을 밝혀내어 본 발명에 이르게 되었다.The inventors of the present invention conducted researches to improve the surface properties such as the hardness and the wear resistance of an article (particularly, an article made of steel containing a large amount of chromium such as a metal mold) in comparison with a conventional ion nitriding method while using ion nitriding As a result, it has been found that when a nitriding treatment using a mixed gas of argon and nitrogen is performed after a typical ion nitriding process using a mixed gas of hydrogen and nitrogen, the surface-treated microstructure becomes fine, the nitrogen concentration becomes high, The microstructure changes, and the change of the microstructure contributes to the improvement of the surface physical properties, leading to the present invention.

본 발명에 따른 표면처리방법은, 물품의 표면을 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 상기 제1 표면처리 후에 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.The surface treatment method according to the present invention is a surface treatment method comprising: a first surface treatment for ionizing a surface of an article by using a mixed gas of hydrogen and nitrogen; and a second surface treatment for ionizing the surface of the article by using a mixed gas of argon and nitrogen 2 < / RTI > surface treatment.

상기 물품은 질화처리가 가능한 물질로 이루어진 것이라면 제한없이 적용될 수 있으나, 바람직하게 Cr 4~32중량%을 포함하는 강(steel)이 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 Cr 6~32중량%를 포함하는 금형강이 사용될 수 있다.The article may be applied without limitation as long as it is made of a material capable of nitriding treatment. Preferably, steel containing 4 to 32% by weight of Cr may be used, more preferably 6 to 32% by weight of Cr Mold steel can be used.

상기 강(steel)에 있어서, Cr의 함량이 4중량% 미만일 경우 표면물성 향상효과가 충분하지 않고, 32중량%를 초과할 경우 표면물성 향상보다는 Cr의 소진에 의한 부식성 저하, 경화깊이의 저하가 발생할 수 있으므로 Cr의 함량은 4~32중량%가 바람직하다.If the content of Cr is less than 4% by weight, the effect of improving the surface properties is not sufficient. If the Cr content exceeds 32% by weight, the corrosion resistance due to the exhaustion of Cr, The content of Cr is preferably 4 to 32% by weight.

상기 제1 표면처리단계에 있어서, 상기 수소와 질소의 혼합가스의 혼합비는 수소:질소의 부피비가 1:4~4:1인 것이 바람직한데, 상기 혼합비를 벗어날 경우 질화가 일어나기 어렵기 때문이다.In the first surface treatment step, it is preferable that the mixing ratio of hydrogen and nitrogen is in the range of 1: 4 to 4: 1 by volume ratio of hydrogen to nitrogen, and nitriding is difficult to occur when the mixing ratio is out of the range.

상기 제2 표면처리단계에 있어서, 아르곤과 질소의 혼합가스의 혼합비는 아르곤:질소의 부피비가 1:5~5:1인 것이 바람직한데, 상기 혼합비를 벗어날 경우 미세결정립이 형성되지 않거나 질소의 농도가 오히려 낮아져 표면물성이 저하할 수 있기 때문이다.In the second surface treatment step, the mixing ratio of argon and nitrogen is preferably in the range of 1: 5 to 5: 1 by volume ratio of argon and nitrogen. When the mixing ratio is out of the range, fine crystal grains are not formed, Is lowered and the physical properties of the surface may deteriorate.

상기 제1 표면처리단계에 있어서, 표면처리 시간은 적어도 1시간 이상, 바람직하게는 2시간 이상 수행할 수 있다. 또한, 상기 제2 표면처리단계에 있어서, 표면처리시간은 적어도 2시간 이상, 바람직하게는 4시간 이상, 가장 바람직하게는 6시간 이상 수행할 수 있다.In the first surface treatment step, the surface treatment time may be at least 1 hour, preferably 2 hours or more. In the second surface treatment step, the surface treatment time may be at least 2 hours, preferably at least 4 hours, and most preferably at least 6 hours.

상기 제1 표면처리 및 제2 표면처리를 수행한 후의 물품의 최외곽 표면에서의 질소농도는 일반적인 질화처리에서 얻을 수 없는 48원자% 이상인 것을 특징으로 하며, 질소농도가 48원자% 미만일 경우 경도 및 내마모성의 향상이 충분하지 않기 때문에 48원자% 이상이 바람직하고, 보다 바람직한 질소농도는 50원자%이다.The nitrogen concentration at the outermost surface of the article after the first surface treatment and the second surface treatment is 48 atomic% or more which can not be obtained by a general nitriding treatment. When the nitrogen concentration is less than 48 atomic%, the hardness and The improvement in abrasion resistance is not sufficient. Therefore, it is preferably 48 atomic% or more, and more preferably, the nitrogen concentration is 50 atomic%.

상기 제1 표면처리 및 제2 표면처리를 수행한 후의 물품의 표면에 형성되는 화합물층은 바람직하게, FeN, Fe3N, Fe4N, 및 CrN을 포함할 수 있다.Wherein the compound layer formed on the surface of the article after first performing a surface treatment and second surface treatment may preferably include FeN, Fe 3 N, Fe 4 N, and CrN.

또한, 상기 제1 표면처리 및 제2 표면처리를 수행한 후의 물품의 표면에 형성되는 화합물층은 물품을 이루는 재료에 형성된 크롬탄화물 경계부 이외의 영역(예를 들어, 크롬 탄화물의 계면이 아닌 기지 영역)에도 재결정조직을 포함할 수 있다.In addition, the compound layer formed on the surface of the article after the first surface treatment and the second surface treatment is performed may be a region other than the chromium carbide boundary portion (for example, a base region other than the interface of chromium carbide) And may also include recrystallized tissue.

또한, 상기 물품은 표면경도와 내마모성이 요구되는 용도라면 어느 것이나 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 금형용 또는 공구용일 수 있다.
Further, the article can be used for any application in which surface hardness and abrasion resistance are required, and can be used, for example, for a mold or a tool.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

이온질화처리를 하는 베이스 재료로는 퀀칭(quenching)과 템프링(tempering)처리된 12Cr-1.5C 공구강 로드(rod)를 사용하였으며, 이 재료의 경도를 측정한 결과, 670HV를 나타내었다.Quenching and tempered 12Cr-1.5C tool steel rods were used as the base material for ion nitriding. The hardness of this material was 670HV.

표 1은 베이스 재료의 구체적인 조성을 나타낸 것이다.Table 1 shows the specific composition of the base material.

성분ingredient CC CrCr MoMo VV MnMn SiSi PP SS FeFe 중량%weight% 1.521.52 12.812.8 0.990.99 0.380.38 0.530.53 0.40.4 0.040.04 0.020.02 Bal.Honey.

또한, 표 2는 베이스 재료의 기계적 물성을 나타낸 것이다.Table 2 shows the mechanical properties of the base material.

인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 항복강도(MPa)Yield strength (MPa) 연신율(%)Elongation (%) 샤피 V-노치 (J)Charpy V-Notch (J) 17361736 15321532 66 33

이러한 공구강 로드를 EDM(electric discharge machine)을 사용하여 직경 30mm, 길이 10mm의 로드로 가공한 후, 표면을 사포를 사용하여 연마하고, 1㎛ 다이아몬드 현탁액을 사용하여 폴리싱처리를 하며, 마지막으로 에탄올을 넣은 초음파 욕에 넣고 3분간 초음파 세척을 하였다. The tool steel rod was processed into a rod having a diameter of 30 mm and a length of 10 mm using an EDM (electric discharge machine), the surface was polished using sandpaper, polished using a 1 μm diamond suspension, and finally ethanol Was placed in an ultrasonic bath and ultrasonically cleaned for 3 minutes.

초음파 세척 후에는 아르곤과 수소 혼합가스를 사용하여 기판과 질소 침버 사이에 압력 66.7Pa, 온도 450℃, 바이어스 전압 -700V의 조건으로 이온세정을 실시하였다.After the ultrasonic cleaning, ion cleaning was performed between the substrate and the nitrogen scavenger using a mixed gas of argon and hydrogen under the conditions of a pressure of 66.7 Pa, a temperature of 450 ° C, and a bias voltage of -700 V.

세정처리가 완료된 베이스 로드에 대한 이온질화는 압력 0.4Pa, 온도 450℃에서 2단계로 수행되었다.The ion nitridation for the base rod subjected to the cleaning treatment was carried out in two steps at a pressure of 0.4 Pa and a temperature of 450 캜.

도 3에 도시된 바와 같이, 1단계 질화처리는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 2시간 동안 수행하였다. 이때, 질소와 수소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.As shown in FIG. 3, the first-stage nitridation process was performed for 2 hours under a bias voltage of -670 V using a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ). At this time, the mixing ratio of nitrogen and hydrogen was 1: 1 by volume.

이어서, 2단계 질화처리로 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 6시간 동안 수행하였다. 이때, 아르곤과 질소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.Subsequently, the mixture was subjected to a two-step nitriding process using a mixed gas of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) at a bias voltage of -670 V for 6 hours. At this time, the mixing ratio of argon and nitrogen was 1: 1 by volume.

즉, 실시예 1의 전체 질화처리 시간은 총 8시간이었으며, 질화처리 후에는 노내에서 상온으로 냉각되었다.
That is, the total nitriding time in Example 1 was 8 hours in total, and after the nitriding treatment, the furnace was cooled to room temperature.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

세정처리가 완료된 베이스 로드에 대한 이온질화는 실시예 1과 동일하게 압력 0.4Pa, 온도 450℃에서 2단계로 수행되었다.Ion nitridation for the base rod subjected to the cleaning treatment was carried out in two steps at a pressure of 0.4 Pa and a temperature of 450 캜 in the same manner as in Example 1.

도 4에 도시된 바와 같이, 1단계 질화처리는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 2시간 동안 수행하였다. 이때, 질소와 수소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.As shown in FIG. 4, the first-stage nitridation process was performed for 2 hours under a bias voltage of -670 V by using a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ). At this time, the mixing ratio of nitrogen and hydrogen was 1: 1 by volume.

그리고, 2단계 질화처리는 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 1시간 동안 수행하였다. 이때, 아르곤과 질소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.The two-stage nitridation process was performed for 1 hour under a bias voltage of -670 V using a mixed gas of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ). At this time, the mixing ratio of argon and nitrogen was 1: 1 by volume.

즉, 실시예 2의 전체 질화처리 시간은 총 3시간이었으며, 질화처리 후에는 노내에서 상온으로 냉각되었다.
That is, the total nitriding time in Example 2 was 3 hours in total, and after the nitriding treatment, the furnace was cooled to room temperature.

<비교예><Comparative Example>

세정처리가 완료된 베이스 로드에 대한 이온질화의 조건은 압력 0.4Pa, 온도 450℃에서 질화처리로 실시되었다.The ion nitridation condition for the base rod subjected to the cleaning treatment was nitriding treatment at a pressure of 0.4 Pa and a temperature of 450 캜.

도 5에 도시된 바와 같이, 질화처리는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 8시간 동안 수행하였다. 이때, 질소와 수소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.As shown in FIG. 5, the nitriding treatment was performed for 8 hours under a bias voltage of -670 V using a mixed gas of nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ). At this time, the mixing ratio of nitrogen and hydrogen was 1: 1 by volume.

질화처리 후에는 노내에서 상온으로 냉각되었다.
After the nitriding treatment, it was cooled to room temperature in the furnace.

경도 분석Hardness analysis

비커스 미소경도기(FM-7)을 사용하여 미소경도를 측정하였고, 구체적으로 미소경도 측정은 10g의 하중과 15초간의 유지시간의 조건으로 측정하였으며, 모든 경도시험은 20회 이상 반복하였고, 그 평균치를 적용하였다.The microhardness was measured using a Vickers microhardener (FM-7). Specifically, the microhardness was measured under a load of 10 g and a holding time of 15 seconds. All hardness tests were repeated 20 times or more, The average value was applied.

경도 분석 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 표면 최대경도가 1500HV0.05이고, 실시예 2의 표면 최대경도는 1200HV0.05이며, 비교예의 표면 최대경도는 1250HV0.05를 나타내었다.Hardness results, as shown in FIG. 6, and Example 1, the surface hardness of up to 1500HV 0.05 in Example 2, the surface hardness of up to 1200HV 0.05 and the comparative example the maximum surface hardness showed 1250HV 0.05.

즉, 본 발명의 실시예 1에 따라 이온질화처리된 시편이 종래의 전형적인 이온질화처리방법인 비교예에 비해 표면 최대 경도가 현저하게 향상되었음을 알 수 있다.In other words, it can be seen that the ion nitriding test piece according to Example 1 of the present invention significantly improved the surface maximum hardness as compared with the comparative example, which is a typical ion nitriding method of the related art.

한편, 실시예 2의 경우, 비교예의 질화시간에 비해 5시간이나 짧게 질화처리가 되었음에도 불구하고, 비교예에 근접하는 표면 최대경도를 나타낸다. 다만, 실시예 1과 비교할 때, 경도가 상당한 차이가 있으므로, 2단계 질화처리는 적어도 2시간 이상, 바람직하게는 4시간 이상, 보다 바람직하게는 6시간 이상 수행할 필요가 있음을 알 수 있다.On the other hand, in the case of Example 2, although the nitriding treatment was performed for 5 hours shorter than the nitriding time of the comparative example, the surface hardness near to the comparative example is shown. However, as compared with Example 1, since the hardness is considerably different, it is understood that the nitriding treatment of the second step needs to be performed for at least 2 hours, preferably 4 hours or more, and more preferably 6 hours or more.

또한, 경화깊이에 있어서도, 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1과 비교예는 약 60㎛까지 경화되었으나, 실시예 2의 경우 약 40㎛까지만 경화되었는데, 이러한 경화깊이의 차이도 실시예 2가 실시예 1이나 비교예에 비해 현저하게 질화시간이 짧은데 기인하는 것이다.
6, the cured products of Example 1 and Comparative Example were cured up to about 60 탆, but in Example 2, the cured products were cured up to about 40 탆. This is because the nitriding time is remarkably shorter than that of the example 1 or the comparative example.

미세 조직Microstructure

모든 질화시편은 광학현미경, 주사전자현미경 및 X-선 회절기, GD-OES, 및 투과전자현미경을 사용하여 분석하였다.All nitrided specimens were analyzed by optical microscope, scanning electron microscope and X-ray diffractometer, GD-OES, and transmission electron microscope.

도 7은 베이스재((a),(e)), 비교예((b),(f)), 실시예 1((c),(g)), 및 실시예 2((d),(h))의 단면 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.Fig. 7 is a graph showing the relationship between the amount of the base material ((a), (e)), the comparative examples ((b) h)) were observed with an optical microscope and a scanning electron microscope.

베이스재에서는 조대하고 작은 입자의 조합으로 이루어진 템퍼드 마르텐사이트 조직이 관찰되며, 이러한 미세조직은 AISI D2 강을 퀀칭하고 템퍼링하였을 때 나타나는 조직이다.In the base material, a tempered martensite structure consisting of a combination of coarse and small particles is observed, and this microstructure is a structure that appears when the AISI D2 steel is quenched and tempered.

이에 비해, 실시예 1((c),(g)) 및 비교예((b),(f))에 의 표면 영역에는 균질한 화합물층이 형성되어 있고, 질화처리 시간이 실시예 1 및 비교예에 비해 현저하게 짧았던 실시예 2((d),(h))에서는 불균질한 화합물층이 형성되었음을 알 수 있다.On the other hand, a homogeneous compound layer was formed on the surface region in Example 1 ((c), (g)) and Comparative Examples ((b) and (f)), In Example 2 ((d) and (h)), which was remarkably shorter than that of Comparative Example 1, the heterogeneous compound layer was formed.

도 8은 비교예(a), 실시예 1(b), 실시예 2(c)에 따라 표면처리된 시편의 표면조직을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.8 is a photograph of the surface texture of a specimen surface-treated in accordance with Comparative Example (a), Example 1 (b), and Example 2 (c) with a scanning electron microscope.

도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 방법은 비교예에 따른 방법에 비해 표면의 요철이 더 심하게 형성된 표면거칠기가 상대적으로 큰 상태를 나타내며, 이러한 큰 표면거칠기는 아르곤과 질소의 혼합가스를 이용한 이온질화시 아르곤 이온의 표면 충돌에 기인하는 것으로 보인다. 한편, 실시예 2의 2단계 이온질화시간이 매우 짧았기 때문에, 표면상태가 실시예 1에 비해 매끈한 상태를 유지하고 있다.As shown in FIG. 8, the method according to Example 1 of the present invention shows a state in which the surface roughness formed on the surface is greater than the surface roughness of the comparative example. It seems to be due to the surface collision of argon ion during ion nitridation using mixed gas. On the other hand, since the two-stage ion nitriding time in Example 2 was very short, the surface state was maintained to be smooth compared with Example 1.

도 9는 베이스재, 비교예, 실시예 1, 및 실시예 2의 미세조직을 XRD로 분석한 결과를 나타낸 것이다.Fig. 9 shows the results of XRD analysis of the microstructure of the base material, the comparative example, the example 1, and the example 2. Fig.

도 9에 나타난 바와 같이, 베이스재의 경우 AISI D2 강의 주상(main phase)인 α-Fe와 크롬 탄화물에 관련된 몇 개의 피크가 검출된다.As shown in Fig. 9, in the case of the base material, several peaks related to α-Fe and chromium carbide, which are the main phases of AISI D2 steel, are detected.

질화처리를 한 후에는 추가적으로 철질화물 및 크롬질화물과 같은 질화물상에 관련된 피크가 표면 영역에서 검출되는데, 비교예와 실시예 1의 경우 질화시간은 동일함에도 불구하고, 실시예 1의 크롬질화물 및 철질화물(Fe3N)의 피크는 비교예에 비해 약 40% 정도 강한 강도(intensity)를 나타내는 차이가 있음을 알 수 있다. After the nitriding process, a peak related to the nitrides, such as iron oxides and chromium nitrides, is additionally detected in the surface region. The nitriding time of the comparative example and the example 1 are the same, It can be seen that the peak of the cargo (Fe 3 N) shows a difference of about 40% stronger than that of the comparative example.

즉, 본 발명의 실시예 1의 표면에는 비교예에 비해 크롬질화물 및 철질화물이 더 많이 형성된다.That is, on the surface of Example 1 of the present invention, more chromium nitride and iron oxide are formed than the comparative example.

도 10 내지 도 13은 각각 베이스재, 비교예, 실시예 1, 및 실시예 2의 미세조직을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.10 to 13 are photographs of the microstructure of the base material, the comparative example, the example 1, and the example 2, respectively, observed with a transmission electron microscope (TEM).

도 10에 나타난 바와 같이, 베이스재의 경우, Cr23C6와 같은 크롬리치탄화물과 같은 금속탄화물로 이루어진 석출물과 함께 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 이루어져 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 10, it can be seen that the base material is composed of a tempered martensite structure together with a precipitate composed of a metal carbide such as Cr-rich carbide such as Cr 23 C 6 .

비교예의 화상은 표면으로부터 1㎛ 깊이 이내에서 촬영된 것인데, 도 11에 나타난 바와 같이, 비교예의 경우, 주로 Fe3N으로 이루어진 철질화물과, 크롬질화물로 이루어져 있음을 알 수 있다. 또한, 현저하게 미세화된 입자와 함께, 크롬질화물이 주로 크롬탄화물 주위에서 관찰된다.Comparing the image it can be seen that if geotinde taken within 1㎛ depth from the surface, as shown in Figure 11, the comparative example, that consists primarily of freight and cheoljil, chromium nitride consisting of Fe 3 N. In addition, along with the significantly finely divided particles, chromium nitride is mainly observed around the chromium carbide.

실시예 1의 화상도 표면으로부터 1㎛ 깊이 이내에서 촬영된 것인데, 도 12에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 경우 비교예와 달리, 화합물층에서 미세화된 입자 조직을 나타내며, 미세화된 입자와 함께 FeN, Fe3N, Fe4N, 및 CrN과 같은 다양한 종류의 질화물이 표면 영역에 존재함이 관찰되었다.As shown in Fig. 12, the image of Example 1 was photographed within a depth of 1 mu m from the surface. Unlike the Comparative Example, as shown in Fig. 12, the fine grain structure was shown in the compound layer, It has been observed that various nitrides such as Fe 3 N, Fe 4 N, and CrN are present in the surface region.

실시예 2의 이미지는 표면으로부터 1㎛ 깊이 이내에서 촬영된 것인데, 도 13에 나타난 바와 같이, 실시예 2의 경우 흰 점선으로 표시된 부분의 상부에는 실시예 1과 유사한 미세조직이 관찰되고, 하부는 비교예와 유사한 미세조직이 관찰된다. 이로부터, 실시예 2의 경우, 충분하지 않은 2단계 질화시간으로 인해, 표면층에서 실시예 1과 같은 미세조직으로의 변화가 충분히 일어나지 않았음을 알 수 있다.The image of Example 2 was taken at a depth of 1 탆 from the surface. As shown in FIG. 13, in Example 2, a microstructure similar to that of Example 1 was observed at the upper portion indicated by a white dotted line, Microstructure similar to the comparative example is observed. From this, it can be seen that, in the case of Example 2, the change from the surface layer to the microstructure as in Example 1 did not occur sufficiently due to the unsatisfactory two-step nitriding time.

도 14는 이상과 같은 미세조직 분석결과를 통해, 본 발명의 실시예 1에 따른 질화처리된 단면 미세조직을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 질화처리될 경우, 입자 미세화가 일어나며, 표면의 최외곽에는 CrN이 리치(rich)한 조직이 형성되고, CrN 리치조직을 포함하는 표층부에는 질소농도가 매우 높은 영역이 형성되고, 이와 같은 조직은 일반적인 이온질화처리에 의해 구현되는 미세조직과 구분되는 조직이다.
Fig. 14 schematically shows the nitrided cross-sectional microstructure according to Example 1 of the present invention through the above-described microstructure analysis results. As shown in FIG. 13, when the nitriding treatment is performed according to the first embodiment, grain refinement occurs, and a CrN rich structure is formed at the outermost surface of the surface, and a nitrogen concentration And such a structure is a structure different from the microstructure realized by the general ion nitriding process.

성분 분석Component analysis

도 15는 GD-OES를 사용하여 깊이 방향으로 정량적인 성분 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.Fig. 15 shows the result of performing quantitative component analysis in the depth direction using GD-OES.

도 15에 나타난 바와 같이, 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 모두 표면에서 최대의 질소농도를 나타내며, 내부로 갈수록 질소의 농도가 점진적으로 낮아진다.As shown in Fig. 15, the nitrogen concentration of the first embodiment, the second embodiment and the comparative example all show the maximum nitrogen concentration on the surface, and the concentration of nitrogen gradually decreases toward the inside.

실시예 1의 최외곽 표면에서 측정된 질소의 농도는 약 55원자%인데, 실시예 2의 경우 약 30원자%였고, 비교예의 경우 약 43원자%였다.The concentration of nitrogen measured at the outermost surface of Example 1 was about 55 atomic%, about 30 atomic% for Example 2 and about 43 atomic% for the comparative example.

한편, 크롬 농도는 베이스 영역에 비해 모두 낮았으나, 실시예 1의 크롬 최대농도가 비교예나 실시예 2에 비해서 높은 수치를 나타내었다.
On the other hand, although the chromium concentration was lower than that of the base region, the maximum chromium concentration of Example 1 was higher than that of Comparative Example and Example 2.

마모 시험Abrasion test

도 16은 본 발명에서 수행한 마모시험 장치 및 마모시험과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2, 비교예에 따라 표면처리된 시편의 마모시험은 볼-온-디스크(ball-on-disk)형 마찰계를 사용하여 수행하였다.16 schematically shows the wear test apparatus and the wear test process performed in the present invention. As shown in FIG. 16, the abrasion test of the surface-treated specimens according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples of the present invention was performed using a ball-on-disk type friction meter.

구체적으로, 시편은 시계방향으로 회전하는 스테이지에 놓여지고, 직경 5.5953mm, 경도 2100HV을 갖는 SiC 볼이 로드암을 통해 하중이 가해진다.Specifically, the specimen is placed on a clockwise rotating stage, and an SiC ball having a diameter of 5.5953 mm and a hardness of 2100 HV is loaded through the rod arm.

마모시험은 5N, 10N, 20N의 하중과, 100rpm, 200rpm, 500rpm의 회전속도로 상온에서 진행하였다.The abrasion test was carried out at room temperature with a load of 5 N, 10 N, and 20 N and a rotation speed of 100 rpm, 200 rpm, and 500 rpm.

도 17은 표면처리를 하지 않은 베이스재와, 비교예 및 실시예 1에 따라 질화처리를 수행한 시편의 회전속도((a)100rpm, (b)200rpm, (c)500rpm)에 따른 마모율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.Fig. 17 is a graph showing the relationship between the wear rate of the base material without surface treatment and the rotational speed (100 rpm, (b) 200 rpm, (c) 500 rpm) of the test piece subjected to the nitriding treatment according to the Comparative Example and Example 1 .

도 17에 나타난 바와 같이, 시편의 마모율은 가해진 하중이 증가함에 따라 증가하며, 비교예 및 실시예 1에 따라 표면처리된 시편은 표면처리가 되지 않은 베이스재에 비해 낮은 마모율을 나타낸다.As shown in Fig. 17, the wear rate of the specimen increases with an increase in the applied load, and the specimen surface-treated according to the comparative example and the example 1 exhibits a lower wear rate than the non-surface-treated base material.

그런데, 실시예 1에 따른 시편의 마모율은 하중이 5N에서 20N으로 증가함에 따라 점진적으로 증가하는 반면, 비교예에 따른 시편의 마모율은 20N에서 베이스재와 유사한 수준까지 도달하는데 상대적으로 빠른 증가속도를 보인다.However, the wear rate of the specimen according to Example 1 gradually increased as the load increased from 5N to 20N, while the wear rate of the specimen according to the comparative example reached a level similar to that of the base material at 20N, see.

즉, 저하중 저회전속도에서는 비교예와 본 발명의 실시예 1 사이의 차이는 거의 없으나, 하중이 증가할수록, 회전속도가 증가할수록 본 발명의 실시예 1은 비교예에 비해 우수한 내마모성을 나타냄을 알 수 있다.That is, there is almost no difference between Comparative Example and Example 1 of the present invention at a low rotational speed during the lowering. However, as the load is increased and the rotational speed is increased, Example 1 of the present invention exhibits superior wear resistance Able to know.

이러한 우수한 내마모성은, 질화처리 후 소재의 표면근처에 형성된 조직인, 재결정에 의해 미세화된 결정립과, 아르곤을 이용한 충돌 공정 시 보다 많은 철 원자가 소재 표면에서 스퍼터링되고 이러한 철 원자가 결합한 철 질화물이 소재 표면에 보다 많은 양이 흡수되어 형성되는 높은 질소농도층과, 흡수된 많은 양의 질소에 의해 표면에 존재하는 상대적으로 많은 양의 크롬질화물, 및 아르곤 충돌에 따라 형성되는 표면 요철 등이 종합적으로 기여한 것이라고 할 수 있다.These excellent abrasion resistance are caused by grain refinement by grain recrystallization, which is a structure formed near the surface of the material after nitriding treatment, and iron atoms, which are sputtered on the surface of the workpiece in comparison with the impact process using argon, A high nitrogen concentration layer in which a large amount is absorbed and formed, a relatively large amount of chromium nitride existing on the surface due to a large amount of absorbed nitrogen, and a surface irregularity formed in response to argon impingement, etc. have.

Claims (11)

Cr 4~32중량%을 포함하는 강(steel)으로 이루어진 물품의 표면을 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와,
상기 제1 표면처리 후에, 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하고,
상기 제1 표면처리에서 수소와 질소의 혼합가스의 혼합비는 수소:질소의 부피비가 1:4~4:1이고 표면처리시간은 2시간 이상이며,
상기 제2 표면처리에서 아르곤과 질소의 혼합가스의 혼합비는 아르곤:질소의 부피비가 1:5~5:1이고 표면처리시간은 4시간 이상이며,
상기 제2 표면처리 후의 물품의 표면에서의 질소농도가 48원자% 이상이고,
상기 물품의 표면으로부터 소정 깊이까지 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층은 FeN, Fe3N, Fe4N, CrN상을 포함하며,
상기 물품의 표면으로부터 소정 깊이까지 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층은 상기 강에 형성된 크롬탄화물 경계부 이외의 영역에 재결정 조직이 형성된 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
A first surface treatment for ionizing the surface of an article made of steel containing 4 to 32% by weight of Cr by using a mixed gas of hydrogen and nitrogen,
After the first surface treatment, a second surface treatment is performed in which ion nitridation is performed using a mixed gas of argon and nitrogen,
In the first surface treatment, the mixture ratio of hydrogen and nitrogen is 1: 4 to 4: 1 by volume ratio of hydrogen to nitrogen, the surface treatment time is 2 hours or more,
In the second surface treatment, the mixture ratio of argon and nitrogen is 1: 5 to 5: 1 by volume ratio of argon and nitrogen, and the surface treatment time is 4 hours or more.
The nitrogen concentration at the surface of the article after the second surface treatment is 48 atomic% or more,
To a predetermined depth from the surface of the article compound layer is formed, the compound layer comprises a FeN, Fe 3 N, Fe 4 N, CrN phase,
Wherein a compound layer is formed from the surface of the article to a predetermined depth, and the compound layer has a recrystallization structure in a region other than the boundary of chromium carbide formed on the steel.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 물품은 금형용인 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the article is for a mold.
표면처리된 물품으로,
상기 물품은 크롬(Cr)을 4중량%~32중량% 포함하는 강(steel)으로 이루어지고,
상기 물품의 표면의 질소농도가 48원자% 이상이며,
상기 물품의 표면으로부터 소정 깊이까지 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층은 FeN, Fe3N, Fe4N, CrN상을 포함하며,
상기 물품의 표면으로부터 소정 깊이까지 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층은 상기 강에 형성된 크롬탄화물 경계부 이외의 영역에 재결정 조직이 형성된 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품.
As a surface treated article,
The article is made of steel containing 4 wt% to 32 wt% of chromium (Cr)
The nitrogen concentration on the surface of the article is 48 atomic% or more,
To a predetermined depth from the surface of the article compound layer is formed, the compound layer comprises a FeN, Fe 3 N, Fe 4 N, CrN phase,
Wherein a compound layer is formed from the surface of the article to a predetermined depth, and the compound layer has a recrystallized structure in a region other than a boundary of chromium carbide formed on the steel.
삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 물품은 금형인 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품.
9. The method of claim 8,
Wherein the article is a metal mold.
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