KR101826999B1 - 주철부품의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주철부품 특히, 회주철 디스크의 마찰면의 열처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주철부품의 마찰면 부식을 방지하기 위한 주철부품의 열처리 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 질화로 내 온도를 승온시켜 700℃로 유지한 상태에서 회주철 부품을 투입하는 단계; 상기 질화로 내 온도를 하강시켜 400 ~ 550℃로 유지하며 회주철 부품을 질화처리하여 회주철 부품의 표면에 질화층을 생성하는 단계; 상기 질화층을 가지는 회주철 부품을 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성하는 단계; 상기 산화층을 가지는 회주철 부품을 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주철부품의 열처리 방법을 제공한다.

Description

주철부품의 열처리 방법 {Heat treatment method for cast iron product}

본 발명은 주철부품의 열처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주철부품의 마찰면 부식을 방지하고 치수변형을 최소화하기 위한 주철부품의 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 제동장치에 채택되고 있는 마찰식 브레이크 디스크는 허브와 결합되어 타이어와 함께 회전하게 되는데, 브레이크 제동시 주행중인 차량의 운동에너지를 열에너지로 바꾸어줌에 따라 차량의 제동이 이루어지게 된다.

이때, 제동 마찰력에 의한 브레이크 디스크의 온도는 400℃이상으로 올라가기 때문에 상기 디스크의 재질로는 열특성, 열방출, 진동감쇄기능이 우수한 회주철을 통상적으로 사용하고 있다.

회주철은 다른 공업용 재료에 비해 제작(주조 성형)이 용이하고 비용이 저렴하여 대표적으로 가장 많이 사용되고 있는 재료이다.

이러한 회주철로 제조된 디스크 주조품의 경우 용탕이 주형 내로 주입되어 냉각이 시작된 후 완료되기까지 자연적인 냉각속도 차이에 의해 디스크 내부에 잔류응력이 상당량 존재하게 되며, 이러한 디스크 주조품의 잔류응력은 브레이크 제동시 응력의 풀림에 따라 열변형에 상당한 영향을 미치게 되어 디스크의 두께 변화(DTV : disc thickness variation 및 Runout)의 발생을 초래하게 되고, 이에 브레이크 제동시 패드와 같은 마찰재와 디스크가 비평형 상태로 접촉함으로써 제동 토크 변화의 발생(BTV : brake torque variation)을 초래하게 된다.

또한, 디스크 외부에서 인가된 제동 열에너지에 의해 디스크 두께가 변화될 뿐만 아니라, 회주철 디스크는 일반적으로 대기중에서 발생하는 부식 및 수분에 의해 발생하는 표면 부식에 위해서도 제동시 떨림을 유발하게 된다.

따라서, 회주철 디스크의 부식을 억제하기 위하여 열처리를 수행하되, 열처리 중 잔류응력의 풀림에 따른 열변형을 사전에 최소화하기 위한 열처리 공정 개발이 요구되고 있다.

종래에는 브레이크 디스크와 같은 회주철 부품의 부식을 방지하기 위하여, 산질화 공정을 수행하나, 질화 열처리 공정 중에 인가되는 열로 인해 변형이 생기게 된다.

이에 적정한 두께의 산질화층을 생성함과 동시에 변형을 최소화하는 일 방법으로 회주철 디스크를 암모니아 가스(NH₃)에 산소(O₂)를 첨가한 분위기에서 500~700℃의 조건으로 4~5시간 동안 열처리를 실시하여 디스크 표면에 질화층과 질소 확산층(상기 질화층 내부에 생성됨)을 생성시키고 수증기를 투입하여 디스크의 제동표면(마찰면)에 기공이 있는 다공성 산화층(Fe₃O₄)을 형성시키거나, 또는 다른 방법으로 회주철 디스크를 염욕로 내에 투입하여 표면에 기공이 있는 질화층을 형성시키고 그 위에 산화층을 생성하여 제동 마찰면의 부식을 방지하고자 하였다(도 3 참조).

그러나, 상기와 같은 종래 방법으로 열처리된 회주철 부품의 경우 산화층 또는 질화 열처리 초기에 형성되는 입실론상 위주의 질화층에 생성되는 기공으로 인해 표면 마찰특성이 취약해지며, 과도한 열과 제어되지 않는 질화층의 상 형성에 의해 디스크가 변형되고 표면이 거친 질화층이 발생하게 되어 마찰계수가 떨어지며, 또한 제동시 소음이나 떨림이 발생하는 문제가 있다.

공개특허공보 제10-2011-0129683호(2011.12.02. 공개)

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 고안한 것으로서, 회주철 부품의 표면에 대해 산질화 공정에서 기공이 없는 감마프라임상의 Fe4N 생성을 촉진시켜 백색 질화층(질화층 중 기공이 없는 층임)을 두껍게 형성하고, 염욕산화 공정에서 기공을 최소화한 산화층을 형성하여 표면을 거칠지 않게 함과 동시에 마찰면의 부식을 방지함은 물론 부품의 열처리 중에 발생하는 열변형을 저감하는 주철부품의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 질화로 내 온도를 승온시켜 700℃로 유지한 상태에서 회주철 부품을 투입하는 단계; 상기 질화로 내 온도를 하강시켜 400 ~ 550℃로 유지하며 회주철 부품을 질화처리하여 회주철 부품의 표면에 질화층을 생성하는 단계; 상기 질화층을 가지는 회주철 부품을 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성하는 단계; 상기 산화층을 가지는 회주철 부품을 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주철부품의 열처리 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 질화층 위에 산화층을 생성하는 단계는, 질화층을 가지는 회주철 부품을 300~550℃의 염욕로 내에 투입하고 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성하거나, 또는 회주철 부품의 질화층 표면에 수분을 분사하여 400 ~ 550 ℃의 고온에서 질화층 표면을 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성하여 이루어진다.

또한 바람직하게 상기 질화층을 생성하는 단계에서는 질화처리 시간을 120~300분으로 하고, 상기 산화층을 생성하는 단계에서는 산화처리 시간을 20분 이내로 한다.

이에 본 발명에 따른 주철부품의 열처리 방법에 의하면 회주철 부품의 마찰면 부식성이 개선되어 부품의 마찰면 부식을 방지할 수 있고, 종래 방법 대비 부품의 변형과 표면의 거칠기를 최소화하여 부품의 외관을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 주철부품의 열처리 방법을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 열처리 방법으로 처리된 회주철 부품의 표면구조를 나타낸 도면
도 3은 종래기술에 따른 열처리 방법으로 처리된 회주철 부품의 표면구조를 나타낸 도면

이하, 본 발명에 따른 주철부품의 열처리 방법에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 회주철 부품의 열처리 시 마찰면의 부식성을 개선하기 위하여, 가스산질화(혹은 가스질화) 또는 이온산질화(혹은 이온질화) 방식을 이용하여 질화층 중 기공이 없는 백색 질화층을 생성 촉진하여 가능한 두껍게 형성하고, 염욕산화 방식을 이용하여 표면에 기공이 없는 또는 기공을 최소화한 단일 산화층을 형성하도록 한다.

일반적인 산질화 공정에서는 로(furnace) 내 온도와 압력, 질소가스의 비율 및 처리시간 등에 따라 질화층의 상태와 특성이 결정된다.

이에 본 발명에서는 산질화 및 염욕산화 공정시 온도 및 시간 조건을 적절하게 조절하여, 취성이 강한 입실론상의 Fe₂N과 Fe₃N으로 된 다공성 질화층의 생성을 억제할 수 있도록 질화층 표면을 제어하고 그 위에 기공을 최소화한 산화층을 생성하여 부품의 마찰특성의 취약점을 억제한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 주철부품의 열처리 방법은 산질화 공정을 통해 회주철 부품의 표면에 질화층을 생성하는 단계와, 염욕산화 공정을 통해 상기 질화층 위에 산화층을 생성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 회주철 부품을 질화로 내에 투입하고 질화처리하는 중 부품의 열변형과 표면의 거칠기를 억제하고 적정한 두께로 질화층을 형성하기 위하여, 표면이 불완전한 다공성 질화층의 생성을 억제하기 위해 먼저 사전에 질화로 내 온도를 700℃로 충분하게 승온시키고 암모니아(NH₃) 가스와 기타 반응가스(산소를 포함한 혼합가스)를 18:1의 부피비율로 혼합하여 질화로 내에 유입시킨다.

상기와 같은 조건으로 질화로 내 온도와 분위기를 유지한 상태에서, 상기 질화로 내에 회주철 부품을 장입하여 투입한 후 질화로 내 온도를 하강시켜 400 ~ 550℃로 유지하며 회주철 부품을 질화처리하여 부품 표면에 질화층을 형성한다.

이때 디스크의 변형과 표면의 거칠기를 최소화하면서 Fe₄N로 된 감마프라임상을 5~20㎛의 두께로 생성하기 위하여, 상기 회주철 부품의 질화처리 시간은 120~300분이 바람직하다.

만약 120분 미만으로 질화처리하는 경우 감마프라임상이 회주철 부품 내에 깊이 침투하기 어려워 부품 표면에 주로 5㎛ 이내의 입실로상만 생성되고, 300분을 초과하여 질화처리하는 경우 질화층의 두께는 5~20㎛로 충분히 두꺼우나 회주철 부품의 변형성이 증가하여 바람직하지 못하다.

또한, 상기 회주철 부품의 질화처리 시 열처리 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우 즉, 400℃ 미만으로 열처리하는 경우 질소 원자의 확산속도가 느려져 질화층의 생성이 느려지고 550℃를 초과하여 열처리하는 경우 열변형이 발생하기 용이하여 바람직하지 못하다.

이러한 열처리 온도 및 시간 조건에 의해 상기 질화층 생성 단계에서는, 취성이 강한 입실론상의 Fe₂N 및 Fe₃N의 생성을 최소화하고 감마프라임상의 Fe₄N의 생성을 촉진하게 되어 표면에 다공성 질화층의 생성을 억제하고 기공이 없는 백색 질화층을 가능한 두껍게 형성하게 된다.

즉, 상기 질화층은 대부분이 기공이 없는 Fe₄N로 된 감마프라임상의 백색 질화층으로 형성되어진다(도 2 참조).

또한, 상기 질화로 내 분위기 가스는 산질화 공정의 온도 및 시간 조건에 따라 가스의 혼합 비율을 적절하게 조정하게 되며, 예컨대 암모니아와 혼합가스(산소와 기타 가스로 된 혼합가스)는 18:1의 비율로 혼합 조성될 수 있다.

다음, 상기 질화층 형성 이후 그 위에 산화층을 생성하기 위하여, 수분(H₂O)을 회주철 부품의 질화층 표면에 20분간 분무하여 질화층 표면을 고온(400 ~ 550 ℃)에서 급속으로 산화처리하거나, 또는 상기 질화층 생성을 위한 열처리 이후 300~550℃의 온도로 승온되어 있는 염욕로 내에 회주철 부품을 20분간 투입하여 급속으로 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성한다.

여기서, 상기 회주철 부품의 산화처리를 위한 염욕산화 공정은 20분 이내로 실시하여 부품 표면의 산화층에 기공 및 이외의 상이 형성되는 것을 억제하고 부품의 변형이 발생되는 것을 최소로 억제하도록 한다.

아울러, 상기 회주철 부품은 20분 이내로 산화처리하여 약 1㎛의 두께로 산화층이 생성되도록 함이 바람직하다. 만약 20분을 초과하여 산화처리하는 경우 회주철 부품(디스크)의 과도한 변형이 생기기 쉽고 불필요한 산화층이 생성되어 바람직하지 못하다.

또한, 상기 회주철 부품의 산화처리 시 열처리 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우 산화처리 시간에 따른 산화층의 생성이 용이하지 않고 회주철 부품에 변형이 생기기 쉽기 때문에 바람직하지 못하다.

마지막으로, 상기 염욕로 내에서 또는 염욕로 밖으로 빼낸 뒤 공기 중에서 상기 회주철 부품을 상온까지 냉각함으로써 열처리 공정을 완료하게 된다.

이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 설명에 의해 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 다양한 변경 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (4)

1. 질화로 내 온도를 승온시켜 700℃로 유지한 상태에서 회주철 부품을 투입하는 단계;
   상기 질화로 내 온도를 하강시켜 400 ~ 550℃로 유지하며 회주철 부품을 질화처리하여 회주철 부품의 표면에 질화층을 생성하는 단계;
   상기 질화층을 가지는 회주철 부품을 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성하는 단계;
   상기 산화층을 가지는 회주철 부품을 냉각하는 단계;를 포함하며,
   상기 질화층 위에 산화층을 생성하는 단계는,
   질화층을 가지는 회주철 부품을 300~550℃의 염욕로 내에 투입하고 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성하거나, 또는
   회주철 부품의 질화층 표면에 수분을 분사하여 400 ~ 550 ℃의 고온에서 질화층 표면을 산화처리하여 상기 질화층 위에 산화층을 생성하되,
   상기 회주철 부품의 산화처리 시간을 20분 이내로 하여 1㎛의 두께로 산화층을 생성하는 것을 특징으로 하는 주철부품의 열처리 방법.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 질화층을 생성하는 단계에서는, 질화처리 시간을 120~300분으로 하는 것을 특징으로 하는 주철부품의 열처리 방법.
   
4. 삭제

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