KR102112796B1 - 금형소재 표면의 열처리 산질화 방법 - Google Patents

금형소재 표면의 열처리 산질화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이케스팅 주도 프레스금형 부품이 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 갖도록 부품소재 표면에 산질화 처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내열성을 갖도록 한 것으로서, 프레스금형 소재의 피가공물을 질화 처리하기 위해 암모니아(NH3)와 질소(N2)를 균등 비율로 주입한 후 처음 120분간 서서히 520℃까지 올린 후 챔버의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입한 후 300분간 520℃를 유지하여 질화를 실시하고, 상기 질화를 실시한 후 520℃로 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2) 2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 520℃를 유지하면서 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하며, 상기 산질화 후 120분간 서서히 냉각시켜 100℃ 이하로 냉각시킨 다음 공작물을 질화로에서 꺼내는 단계를 포함하는 프레스 금형 소재 표면의 열처리 산질화 방법에 관한 것이다.

Description

금형소재 표면의 열처리 산질화 방법{Method of Mold Part Surface Oxidation Heat Treatment}
본 발명은 산업현장에서 사용되는 알루미늄소재를 프레스 성형하기 위한 프레스 금형 소재의 산질화 방법에 관한 것으로서, 산업현장에서 사용되는 알루미늄 소재의 성형물을 성형하기 위한 프레스 금형(성형틀)은 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 동시에 필요로 하는 것으로 프레스 금형 부품(가공물)의 재료 표면에 산질화 처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내열성을 갖도록 한 가공물 표면 열처리 산질화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 금형 소재로 사용되는 기어, 캠, 클러치, 슬라이드 코어, 인서트, 코어 핀, 슬리브 등과 같은 프레스 금형의 구성품은 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 필요로하는 부품에 대하여는 표면 열처리 방법으로 실시하여 왔다.
이와 같이 재료의 표면에 열처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내열성 등의 성질을 개선시키고, 내부는 적당한 강도를 주어 충격에 대한 저항을 크게 하는 방법을 표면 경화법이라고 한다.
상기 표면 경화법 중 하나로서, 질화법(窒化法)은 질화용 강(鋼)을 암모니아 기류 또는 염욕(salt bath) 중에서 가열하여 질소를 확산 침투하는 것으로, 질화용 강은 질화로 표면에 질화철(FeN)층, 즉 질화 층을 만드는 것이다.
이러한 질화법에는 가스질화법, 액체질화법(또는 염욕 질화법), 연질화법, 이온질화법 등의 방법이 있다. 이중 액체질화법 또는 염욕 질화법은 KCN + KCNO + Na2CO3 를 주성분으로 하는 용융염욕을 사용하여 약 570℃에서 질화하는 방법으로서, 독성의 화학 물질을 사용해야 하는 관계로 폐수처리 및 공정제어가 어려운 문제점이 있다.
특히 액체질화법은 열처리 대상의 제품 형상에 따라서 미세한 차이를 갖게된다. 즉, 액체 질화법으로 열처리시 대상물의 제품 외면이 간결한 경우에는 문제점이 없으나, 외면이 복잡한 형상인 경우와 또는 자동차의 엔진 커버와 같이 내부에 다수의 홀이 형성되는 경우 질화로 내부에서 액체물질을 분사 방식으로 진행할 경우 복잡한 형상의 틈새나 냉각 홀 내부에는 질화 층이 형성되지 않아 질화 층을 균일하게 형성하지 못하는 문제점이 있다.
또한 가스질화법은 도1(이하 "선행기술 1" 이라한다)과 같이 피처리물(1)을 바스켓(basket) 또는 지그(jig, 2)에 장착하여, 포트(3)내에 장입하고, 적정온도에서 혼합가스 등과 반응하도록 하여 산질화열처리를 실시하고 있다. 산질화반응에 사용되는 분위기 가스는 가스유입관(6)을 통하여 유입되고, 반응 후에 잔존하는 여분의 가스는 가스배출관(7)을 통해 배출된다.
일반적으로 생산성 향상을 위하여, 다량의 피처리물이 동시에 장입된 상태에서 산질화열처리가 이루어지므로, 하나의 로에 장입된 각각의 피처리물이 장입된 위치에 관계없이 균일하게 산질화열처리 되는 것이 산질화열처리의 품질을 좌우하는 매우 중요한 요소이다.
그런데, 종래의 선행기술1은 산질화열처리로(10)는 내부온도와 가스 분위기가 균일하게 이루어지지 않아서, 하나의 피처리물 내에 질화 얼룩이 생기거나, 또는 동일 로트(lot) 내에서 산질화 정도에 차이가 발생하는 문제점이 있다.
포트 바깥에 장착된 전기히터(4)에서 발생한 열이 포트(3)안의 피처리물(1)에 전달되는 과정은 주로 복사에 의하여 이루어지는데, 복사 열전달의 특성상 수직형 열처리로는 중앙부분이 온도가 높은 형태의 불균일한 온도 분포를 이루게 된다.
선행기술 1(도1)에 도시된 바와 같이, 열처리로(10) 내부에 순환팬(5)을 설치하여 강제대류에 의한 열전달이 이루어지도록 하는 것도 가능하지만, 원활한 가스의 흐름이 일어나지 못하므로 균일한 온도분포를 만들기에는 부족한 실정이다.
또한, 가스 분위기 문제에 있어서도 가스를 순환시키는 순환팬(5)이 설치되어 있기는 하지만, 포트(3) 바닥면에서 반사되어 상승하는 가스와 순환팬(5)에 의하여 하강하는 가스 기류 사이에 충돌이 생기면서, 국부적인 와류 내지는 정체 현상이 발생하여 균일한 가스 분위기를 이루지 못할 가능성이 있다.
따라서 불균일한 문제점을 해결하기 위하여, 산질화열처리로 내부의 위치별로 히터를 제어하거나, 열처리로의 내부 곳곳에 가스 유입관을 연결하여 가스분위기를 균일하게 조정하는 방법도 가능하다. 이는 비용이 과도하여 경제적인 이익이 떨어지는 문제점과, 대부분의 산질화열처리로가 피트(pit) 방식인 점에서 설치 및 유지보수가 곤란한 문제점이 있다.
이 분야의 선행기술을 살펴 보면, 공개특허공보 제10-2008-0020195호(공개일자 2008년03월05일)의 "산질화열처리로"(이하 "선행기술 2" 이라한다)는 로 내부에 설치된 포트(POT)에 피처리물을 장입하여 산질화열처리하는 산질화열처리로에 있어서, 상기 포트의 내부에 상기 포트와 소정의 간격을 두고 설치되어 상기 포트와의 사이에 가스순환공간을 형성하는 내측챔버로서, 상기 내측챔버의 하부에는 가스가 순환하여 유입되는 유입구를 구비하고, 상기 내측챔버의 벽면에는 복수의 가스통과공이 형성된 내측챔버; 및 상기 내측챔버의 상부에 장착되어, 상기 내측챔버의 가스를 상기 가스순환공간을 통하여 순환시키는 터보팬을 포함하고, 상기 터보팬에 의하여 토출되는 가스는 상기 가스순환공간에서 와류를 형성하는 산질화열처리로가 개시되었다.(도2참조)
그러나 상기 선행기술 역시 도1에 비하여 가스순환공간을 형성하는 내측챔버, 복수의 가스통과공이 형성된 내측챔버, 가스순환공간을 통하여 순환시키는 터보팬을 설치하여 상기 도1의 문제점을 해결하려고 하고 있으나. 산질화하기 위한 로 내부의 온도가 고온이므로 터보 팬이 없더라도 가스의 분포는 균일하게 분포될 수 밖에 없으므로 선행기술이 도1의 문제점을 완전히 해결될 수는 없다.
즉, 포터에 가스통과공을 형성한다 하더라도 이는 단순이 가스이동통로 이며 이의 통로를 통하여 가스를 터보팬으로 불어준다 하더라도 가스의 이동흐름은 빨라질 수 있으나 피처리물의 산질화를 균일하게 하는 것은 한계가 있는 문제점이 있다. 다시 말해서 질화로에서 피처리물을 산질화할때 로(爐) 내부의 열처리에 따른 기술이 중요한 것으로 열처리의 어떤 방식으로 하느냐에 따라서 피처리물의 산질화 품질이 달라지나 상기 선행기술은 이의 균질화를 터보팬을 이용하여 균질화하는 것이나 피처리물 구조가 복잡하고 홀이 많은 경우에는 오히려 불균등한 균질화가 이루어지는 문제점이 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2008-0020195호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 프레스 금형 소재의 구성품으로 사용되는 기어, 캠, 클러치, 슬라이드코어, 인서트, 코어핀, 슬리브 등과 같이 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 동시에 필요로 하는 부품(피처리물)의 재료 표면에 산질화처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내열성을 갖도록 함을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 피처리물을 산질화 처리하기 위한 혼합 가스를 암모니아(NH3), 이산화탄소(CO2), 질소(N2), 산소(O2)를 투입하여 질화층 깊이가 100㎛∼200㎛으로 형성되며, 표면에 산화층(Fe3O4)를 형성하고, 표면경도 Hrc46±1을 갖도록 함으로서 내식성, 내마모성, 강도를 향상시킬 수 있도록 함을 목적으로 하며,
또한 본 발명은 2∼3㎛으로 카본산화피막(Fe3O4C)이 형성됨으로 내식성과 내소착성이 향상되도록 하고, 3∼5㎛으로 산화막인 포러스층(Fe3O4)이 형성되어 윤활성향상과 내식성이 향상되도록 하고, 6∼10㎛의 백층(Fe2.3N)으로 질화물이 형성되어 내마모성, 내소착성, 내식성이 향상되도록 하며, 80㎛ 이상의 확산층(Fe4N)이 형성되어 압축 잔류 응력 형성 및 경도증가로 피로에 대한 강도 가 향상되고 내마모성이 향상되도록 하고, 모재 고유 강도와 인성, 연성이 유지될 수 있도록 함을 목적으로 한 프레스 금형소재 표면의 열처리 산질화 방법에 관한 것이다.
본 발명은 상기 목적을 해결하기 위한 수단으로서,
성형 가공된 프레스 금형의 부품인 피처리물 표면에 묻은 유분 및 이물질을 세정으로 제거하고 샌딩을 이용하여 표면의 가공 크롬 막을 제거하는 단계;
상기 프레스금형 소재 표면의 가공 크롬 막을 제거한 후에는 피처리물을 질화로의 챔버에 적재하는 단계;
상기 공작물이 적재된 질화로 챔버에 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 주입하는 단계;
상기 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 질화로에 주입한 후 처음 120분간 서서히 520℃까지 올리고, 300분간 520℃를 유지하여 1차 산질화하는 단계;
상기 1차 산질화를 520℃까지 올린 후 질화로 내의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입한 후 300분간 520℃를 유지하여 2차 산질화를 실시하는 단계;
상기 2차 산질화를 실시한 후 520℃로 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2)2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 520℃를 유지하면서 3차 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하는 단계;
상기 20분간 520℃를 유지하면서 산질화 후 120분간 서서히 냉각시켜 100℃ 이하로 냉각시킨 다음 가공물을 질화로에서 꺼내는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 산화피막층을 형성하는 단계는 질화를 300분간 실시한 후 500℃∼550℃ 로 유지한 상태에서 질화로 수용공간 100중량대비 질소(N2) 80중량%: 산소(O2)20중량%로 혼합한 혼합가스 40중량%를 공급하고 20분간 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 산질화피막층 단계는 1차 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 질화로에 주입하고 120분간 서서히 500℃∼550℃까지 올리고, 2차 질화로 내의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입여 300분간 500℃∼550℃를 유지하면서 질화를 실시하고, 3차 질화를 실시 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2)2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 500℃∼550℃를 유지하면서 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 된 본 발명은 강도와 표면의 높은 경도를 동시에 필요로 하는 부품(피처리물)의 재료 표면에 산질화처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내열성을 갖도록 한 것이다.
본 발명은 질화로 내부에 기체물질을 넣어 산질화가 진행되는 동시에 산질화 진행시 일정압력을 가해 냉각홀 내부에도 산질화 층이 형성되도록 함으로 작은 홀 및 작은 내측 코너등에 산질화가 원활하게 형성되도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 프레스 금형은 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 동시에 필요로 하는 것으로 프레스 금형 부품(피처리물)의 재료 표면에 산질화 처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내열성을 갖도록 하는 효과를 갖는다.
도1은 종래의 산질화열처리 로(爐)의 단면도를 나타낸 것이며,
도2는 또 다른 종래의 산질화열처리 로(爐)의 단면도를 나타낸 것이며,
도3은 본 발명에 따른 실시 예로서 피처리물을 산질화하는 공정 순서도를 나타낸 도면 대용 사진이며,
도4는 본 발명에 따른 실시 예로서 피처리물을 산질화하는 시간 및 온도를 나타낸 그래프를 나타낸 것이며,
도5는 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 산질화가 이루어진 공작물 홀 내부 산질화층을 나타낸 것이며,
도6은 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 형성된산화막, 기공층, 백층, 모재층이 형성된 단층구조를 나타낸 것이며,
도7은 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 형성된 시편의 질화층의 깊이를 나타낸 예시도 이며,
도8는 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법 의해 형성된 산질화 조직층을 설명한 것이며,
도9는 본 발명의 피처리물 시편을 농도 35%의 소금물에 지속적으로 노출시켜 내식성을 측정한 시험그래프를 나타낸 것이며,
도10은 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 산질화된 시편과 기존의 일반산질화 시편을 염수에 노출시켜 부식된 상태를 비교한 방청성능 시험결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 다이케스팅 주조에 있어서 주조하기 위한 프레스 금형의 구성품 소재를 산질화 처리하여 다이케스팅 주조시 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 갖도록 한 것이다.
또한 본 발명은 다이케스팅 주조시 사용하는 프레스 금형 뿐만 아니라 산업현장에서 사용되는 공작기계의 기어, 캠, 클러치, 슬라이드코어, 인서트, 코어핀, 슬리브 등과 같이 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 동시에 필요로 하는 부품(피처리물)의 재료 표면에 산질화 처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내열성을 향상시 킬 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 프레스금형 구성품을 가공시 소재인 피처리물 표면에 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하는 것으로 이를 실시하기 위해 프레스 금형 소재의 강도와 표면 경도를 높이기 위한 질화법(窒化法)은 질화용 강(鋼)을 암모니아 기류 또는 염욕(salt bath) 중에서 가열하여 질소를 확산 침투하는 것으로, 질화용 강은 질화로 표면에 질화철(FeN)층, 즉 질화층을 만드는 것이다.
즉, 질화층을 형성하기 위한 산질화는 연질화 및 순질화처리 후 산화 처리하는 처리 방법으로서, 암모니아(NH3) 가스중에 산소를 첨가산 분위기 중에서 질화 철리하거나, 질화처리 후 수증기를 투입하여 피처리물(가공물)표면에 산화층(Fe3O4)를 생성시켜 내식성, 내마모성, 내피로성, 강도 향상 등을 도모한 표면 열처리법이다.
이하 본 발명의 실시 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제1공정: 세정 및 샌딩으로 크롬 막 제거단계
다이케스팅 주조 프레스 금형부품으로 사용되는 소재인 캠, 클러치, 슬라이드코어, 인서트, 코어핀, 슬리브 등과 같은 부품을 가공 및 연마한 후 소재 표면에 묻은 유분 및 이물질을 세정작업으로 제거한다.
상기와 같이 가공 연마된 부품을 세정작업 하더라도 부품의 표면에 형성된 크롬막은 제거되지 않으므로 샌딩을 이용하여 표면의 가공 크롬 막을 제거한다.
제2공정: 질화로 챔버에 적재 및 가스주입단계
상기 표면을 샌딩을 이용하여 크롬 막을 제거한 후에는 공작물을 질화로의 챔버에 적재한다.
상기 피처리물(부품)이 적재된 질화로 챔버에 1차 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 질화처리 가스를 주입한다.
이때 가공물이 적재되는 질화로는 내측에는 챔버를 이루고, 질화로 몸체는 이중 벽 구조인 자켓으로 이루어져 내벽과 외벽 사이에 챔버를 간접 가열할 수 있도록 히터가 설치되어 있다.
또한 가스 주입은 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1 / 이산화탄소(CO2) 0.1 / 질소(N2) 8 : 산소(O2)2 의 비율로 단계별로 가스를 주입하게 되는데 이의 주입 비율은 질화로를 컨트롤하는 일측 제어판에 설치된 각각의 계기를 통하여 식별할 수 있으며, 각각의 가스 혼합비율은 자동으로 제어할 수 있도록 시스템이 구성된다.
또한 질화로를 가열하기 위한 전기 히터 온도 제어기 및 가스주입 시간 제어 역시 시스템 상으로 조절되며 이는 통상적인 전기 전자 제어장치를 이용하여 실시한다.
본 발명에서 주입되는 가스는 챔버의 공간 100 중량%에 대하여 암모니아와 질소가 균등혼합된 40중량%로 주입된다.
제3공정: 피처리물(부품)에 질화 및 산화피 막층 형성
상기 가스를 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 주입한 후 처음 120분간 서서히 520℃까지 올린 후 챔버의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입한 후 300분간 520℃를 유지하여 질화를 실시한다.
이때 질화단계를 실시한 후 520℃로 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2)2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 520℃를 유지하면서 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성한다.
즉 본 발명은 산화피막(Fe3O4)층을 형성하는 단계에서 질화를 300분간 실시한 후 500℃∼550℃로 유지한 상태에서 질화로 수용공간 100중량% 대비 질소(N2) 80중량%: 산소(O2)20중량%로 혼합한 혼합가스 40중량%를 공급하여 20분간 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성한다.
상기 20분간 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성시의 온도는 바람직하게 520℃를 유지하면서 20분간 실시한다.
상기 산질화 후 120분간 냉각시켜 100℃ 이하로 냉각시킨 다음 피처리물을 질화로에서 꺼내는 단계로 이루어진다.
또한 본 발명의 다른 실시 예로서, 산질화피막층 단계는 1차 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 질화로에 주입하고 120분간 서서히 500℃∼550℃까지 올리고, 2차 질화로 내의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입여 300분간 500℃∼550℃를 유지하면서 질화를 실시하고, 3차 질화를 실시 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2) 2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 500℃∼550℃를 유지하면서 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하는 방법으로 가공물 표면의 열처리 산질화 방법을 실시할 수 있다.
이와 같이 이루어지는 본 발명은 공작물을 질화 및 산질화하기 위한 공정을 간략히 살펴보면,
1단계: 1차 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 가스를 주입한 후 120분간 서서히 520℃까지 올린다.
2단계: 상기 520℃까지 올린 후에는 챔버 총 수용공간 100중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입한 후 300분간 520℃를 유지한다.
3단계: 상기 520℃에서 300분간 질화를 실시한 후 질소(N2) 8: 산소(O2) 2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 520℃를 유지하면서 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성한다.
4단계: 상기 20분간 산질화 후 120분간 냉각시켜 100℃ 이하로 냉각시킨 다음 공작물을 질화로에서 꺼내는 단계로 이루어진다.
이와 같이 된 본 발명은 질화로 내부에 기체물질을 넣어 질화가 진행됨으로서 질화 진행시 일정 압력이 가해지므로 냉각홀 내부에 질화층에 형성되어 산질화가 기루어진다.
또한 본 발명은 상기 질화로에서 가스에 의한 질화가 진행된 후 산질화가 이루어지는 것으로 산질화된 부품(피처리물)의 질화층 깊이는 200㎛∼400㎛이며, 산화층 깊이는 2㎛∼3㎛이고, 화합물층깊이는 8㎛∼10㎛으로 형성된다.
상기 본 발명의 산질화 방법에 의해 실시된 각각의 부품 산질화 시편의 검사 결과를 살펴보면 아래의 표1과 같은 결과가 나타나고 있음을 알 수 있다.
Figure 112019128175075-pat00001
상기 표1에서 알 수 있는 바와 같이 모든 시편에서 모재경도 Hrc46±1, 표면경도 Hv1000이상, 산화층 깊이 1.5㎛이상, 화합물층 깊이 8㎛이상, 질화 층 깊이 100㎛이상으로 나타났다.
이하 본 발명의 첨부도면에 의거하면 설명하면 다음과 같다.
도3은 본 발명에 따른 실시 예로서 피처리물을 산질화하는 공정 순서도를 나타낸 도면 대용 사진으로 나타낸 것으로서, ①가공물 준비단계, 산질화를 실시하기 위해 가공된 부품의 외면을 연마를 실시하여 가공물의 가공을 완료한다.
②세정단계, 가공이 완료된 부품의 피처리물은 외면에 유분등 이물질이 묻어 있는 관계로 이를 세정하여 외면에 묻은 유분과 이물질을 완전히 제거한다.
③샌딩단계, 샌딩으로 피처리물의 표면에 형성된 크롬막을 제거 함으로서 질화가스가 균일하게 들어감으로 질화층이 균일하게 형성된다.
④질화로에 제품적재 단계 및 질화로 장입단계, 상기에서 크롬막이 제거된 가공물을 산질화하기 위해 질화로의 가공물 받침대에 나열시켜 질화로 내에 장입한 다은 질화를 위한 가스를 주입하는 동시에 히터를 작동시켜 질화로를 가열한다.
⑤산질화층 형성 및 가공물(제 품)추출 단계, 가공물을 장입한 후에는 질롸로를 히터로 가열하고, 질화로 내에 질화를 위한 가스를 주입하게 되는데, 1차 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 주입하고, 그 다음 2차로 처음 120분간 서서히 520℃까지 올린 후 챔버의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입하고, 300분간 520℃를 유지하여 질화를 실시하고, 3차로 520℃로 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2)2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 520℃를 유지하면서 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성한 다은 질화로에서 산질화가 완료된 가공물을 질화로에서 추출하는 것으로 완료된다.
도4는 본 발명에 따른 실시 예로서 피처리물을 산질화하는 시간 및 온도를 나타낸 그래프를 나타낸 것으로서, 가공물을 질화로에서 산질화 처리시 먼저 가스를 암모니아(NH3) 1: 질소(N2) 1의 비율로 주입한 후 처음 120분간 서서히 520℃까지 올려 1차 산질화한 후 챔버의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입한 후 300분간 520℃를 유지하여 2차 산질화를 실시하고, 다시 후 520℃로 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2)2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 520℃를 유지하면서 3차 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하고, 산질화 후 120분간 냉각시켜 100℃ 이하로 냉각시키는 과정을 그래프로 나타낸 것이다.
도5은 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 산질화가 이루어진 공작물 홀 내부 산질화층을 나타낸 것으로서, 도5는 피처리물의 홀에 산질화가 형성되는 것을 테스트한 것으로서 400㎜ 구간 홀 크기별로 산질화를 테스트한 것이다.
이는 산질화 처리시 홀 내부에 산질화층이 형성되는지의 여부를 확인하는 것으로 가공물의 홀에 형성된 산질화층은 홀 크기에 관계없이 홀 내부까지 형성되는 것을 알 수 있다.
또한 본 발명의 산질화는 가스를 이용한 산질화 처리함으로 액체에 비하여 가스가 미세한 부분까지 침투하여 가공물의 표면 뿐만아니라 홀까지 양질의 산질화가 이루어짐을 알 수 있다.
도6은 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 형성된 산화막, 기공층, 백층, 모재층이 형성된 단층구조를 나타낸 것이다.
첨부된 도6에서 알 수 있는 바와 같이 상단 표면층으로부터 산화막(Fe3O4), 기공층(Porous), 백층(White Layer), 모재(Matrix)가 형성됨을 알 수 있다.
본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 산질화 처리된 피처리물은 질화표면경도 Hv100g900이상, 확산층 깊이 100㎛이상으로 형성된다.
도7는 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 형성된 시편의 질화층의 깊이를 나타낸 것으로서, 도7에서 알 수 있는 바와 같이 질화 층 깊이는 200㎛∼400㎛이고, 산화층 깊이는 2㎛∼3㎛이며, 화합물층 깊이는 8㎛∼10㎛으로 형성됨을 알 수 있다.
본 발명은 도7와 같이 산질화 층이 형성될 경우 내식성과 내마모성, 내습동성이 향상됨으로 열간단조금형, 슬리브, TIP, 실린더, 스크류 등에 적용할 수 있다.
도8은 본 발명의 피처리물 표면의 열처리 산질화 방법 의해 형성된 산질화 조직층을 설명한 것으로서, 피처리물에 형성된 조직은 도8에서 알 수 있는 바와 같이 ①2∼3㎛으로 형성된 산화층(Fe3O4C)은 카본산화피막이 형성됨으로 내식성과 내소착성이 향상되며, ②3∼5㎛으로 산화막인 포러스층(Fe3O4)이 형성되어 윤활성향상과 내식성이 향상되며, ③6∼10㎛의 백층(Fe2.3N)으로 질화물이 형성되어 내마모성, 내소착성, 내식성이 향상되며, ④80㎛이상의 확산층(Fe4N)이 형성되어 압축 잔류응력 형성 및 경도증가로 피로에 대한 강도가 향상되고 내마모성이 향상되며 모재 고 유 강도와 인성, 연성이 유지됨을 알 수 있다.
삭제
도9는 본 발명의 피처리물 시편을 농도 35%의 소금물에 지속적으로 노출시켜 내식성을 측정한 시험그래프를 나타낸 것이며, 도10은 본 발명의 공작물 표면의 열처리 산질화 방법에 의해 산질화된 시편과 기존의 일반산질화 시편을 염수에 노출시켜 부식된 상태를 비교한 방청성능 시험결과를 나타낸 것이다.
도9와 도10은 산질화처리된 가공물을 소금물(염수)을 이용하여 실험한 것으로 9는 농도 35%의 소금물에 시편을 지속적으로 노출시켜 내식성을 측정한 것으로 본 발명의 출원인이 실시한 산질화 시편(신기산질화)을 농도 35%의 소금물에서 800시간까지 내식성에 문제가 없었는데 반하여 일반산질화 처리된 시편은 200시간으로 상당한 차이를 갖는 것임을 알 수 있다.
이를 더욱 구체적으로 살펴보기 위해 도10에 나타난 바와 같이 본원 발명의 산질화처리된 시편과 일반 산질화처리된 시편을 소금물에 노출시켰을때 본 발명의 시편은 45일까지 아무런 변화가 없었으나, 일반 산질화 처리된 시편은 7일부터 발청이 시작되어 8일차 부터는 상당이 발청이 이루어졌음을 알 수 있다.
이와 같이 본원 발명의 암모니아(NH3), 질소(N2), 이산화탄소(CO2), 질소(N2)로 이루어진 가스를 이용하여 질화처리 함으로서 다이케스팅 주조를 위한 프레스 금형 소재의 내식성, 내마모성, 내습동성, 내소착성을 가지므로 내마찰과 표면경도가 향상되도록 한 것이며, 동시에 산업현장의 공작기계에 사용되는 기계슬리브, 슬라이드코어, 가동다이, 슬라이더 홀드, 쿠랭크 인서트, 인서트, 코어핀의 부품에 적용하여 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 동시에 필요로 하는 가공물의 수명을 길게하여 경제적인 이득을 가질 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 다이케스팅 주조를 위한 프레스 금형 구성품을 가공한 피처리물의 표면에 묻은 유분 및 이물질을 세정으로 제거하고 샌딩을 이용하여 피처리물 표면의 가공 크롬 막을 제거하는 단계;
    상기 피처리물 표면의 가공 크롬 막을 제거한 후에는 피처리물을 질화로의 챔버에 적재하는 단계;
    상기 피처리물이 적재된 질화로 챔버에 암모니아(NH3)와 질소(N2)를 균등 비율로 주입하는 단계;
    상기 암모니아(NH3)와 질소(N2)를 균등 비율로 질화로에 주입한 후 처음 120분간 520℃까지 올리고, 300분간 520℃를 유지하여 산질화하는 단계;
    상기 520℃까지 올린 후 질화로 내의 총 수용 공간 100 중량%에 대하여 이산화탄소(CO2) 0.8중량%를 주입한 후 520℃로 300분을 유지한 후 질소(N2) 8: 산소(O2) 2의 비율로 가스를 공급하여 20분간 520℃를 유지하면서 산질화하여 산화피막(Fe3O4)층을 형성하는 단계;
    상기 20분간 520℃를 유지하면서 산질화 후 120분간 냉각시켜 100℃ 이하로 냉각시킨 다음 피처리물을 질화로에서 꺼내는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 프레스금형 소재 표면의 열처리 산질화 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화피막(Fe3O4)층은 카본산화피막(Fe3O4C)이 2∼3㎛으로 형성되어 내식성과 내소착성이 향상되도록 한 것을 특징으로 하는 프레스금형 소재 표면의 열처리 산질화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산화피막(Fe3O4)층은 내측으로 산화막인 포러스층이 3∼5㎛으로 형성되어 윤활성 향상과 내식성이 향상되도록 한 것을 특징으로 하는 프레스금형 소재 표면의 열처리 산질화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화피막(Fe3O4)층이 형성된 피처리물은 포러스층이 형성된 내측에 백층(Fe2.3N)이 6∼10㎛으로 질화물이 형성되어 내마모성, 내소착성, 내식성이 향상되도록한 것을 특징하는 프레스금형 소재 표면의 열처리 산질화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산화피막(Fe3O4)층이 형성된 피처리물은 백층 내측에 확산층(Fe4N)이 80㎛으로 형성되어 압축 잔류 응력 형성 및 경도증가로 피로에 대한 강도가 향상되도록 하여 내마모성이 향상되고, 모재 고유 강도와 인성, 연성이 유지되도록 한 것을 특징으로 하는 프레스금형 소재 표면의 열처리 산질화 방법.
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