KR102360999B1 - 탄소강 침탄 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 탄소강 침탄 방법은, 크롬 및 실리콘을 포함하는 탄소강의 침탄 방법으로서, 온도 및 산소 분압을 소정의 범위로 제어하여 상기 탄소강의 표면에 FeO로 구성된 철산화물층을 형성시키는 전처리단계; 및 상기 탄소강의 표면에 탄소를 침투시키는 침탄처리단계;를 포함한다.

Description

탄소강 침탄 방법 {CARBURIZING METHOD FOR CARBON STEEL}
본 발명은 탄소강 침탄 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Si 및 Cr을 포함하는 저탄소강을 침탄시키는 탄소강 침탄 방법에 관한 것이다.
표면에 국한하여 우수한 내마모성을 필요로 하는 부품의 표면 경화 처리로서 일반적으로 침탄 처리 방법이 사용되고 있다.
침탄 처리란, 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 국부적으로 고탄소강을 형성시킨 후, 이를 급냉(Quenching)하여 표면을 경하게 하는 방법이다.
이러한 처리를 통해 경하고 내마모성이 있는 표면 혹은 표피층을 생성시키게 된다. 이때 중심부는 비교적 연하고 인성이 있기 때문에 부품 전체로서는 충격강도가 높아진다. 또한, 표피층에 압축응력이 부여되기 때문에 강의 피로강도도 증가한다.
한편, 최근 엔진 부품 및 변속기 기어의 구동 조건이 더욱 가혹해지면서, 이에 대응하기 위해 종래의 침탄 합금강인 SCM820PRH(0.6% Si, 2% Cr) 또는 SUJ2(0.3% Si, 1.4% Cr) 보다 더 높은 강도 및 경도를 달성하기 위해 합금원소인 Si 및 Cr 의 첨가량이 증대되고 있는 추세이다.
실리콘(Si)은 일반적으로 산소와 결합하여 SiO2의 치밀하고 견고한 산화막을 형성하여 탄소의 침투를 막기 때문에 침탄성을 크게 저하시키는 물질이고, 크롬(Cr)은 강재의 표면에 산화막을 형성할 뿐만 아니라 강재 내의 탄소 확산 속도를 저하시켜 침탄 깊이를 저하시키는 물질이다.
이에 따라 실리콘 1% 이상, 크롬 2% 이상 등 실리콘과 크롬의 함량이 높은 강재를 대상으로 가스 침탄을 수행하면, 침탄 처리에 의한 경도 향상 효과가 저하되고 침탄 처리가 불균일하게 이루어지는 문제가 있었다.
따라서, 실리콘과 크롬 함량이 높은 침탄용 강에 가스 침탄을 수행할 때, 침탄 효과를 증대시켜 경도를 증가시키고, 균일한 침탄을 수행할 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2015-10258 (2015.01.19)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 1% 이상의 실리콘과 2% 이상의 크롬을 함유하는 저탄소강을 효과적으로 침탄시킬 수 있는 탄소강 침탄 방법을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소강 침탄 방법은, 크롬 및 실리콘을 포함하는 탄소강의 침탄 방법으로서, 온도 및 산소 분압을 소정의 범위로 제어하여 상기 탄소강의 표면에 FeO로 구성된 철산화물층을 형성시키는 전처리단계; 및 상기 탄소강의 표면에 탄소를 침투시키는 침탄처리단계;를 포함한다.
상기 전처리단계는, 500~650℃(773~923K)의 온도 범위 및 하기 식 1에 의해 계산된 산소 분압 범위 하에서 상기 탄소강의 표면을 산화시켜 철산화물층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
(식 1)
7×10-61×EXP(0.09×T) ≤ A ≤ 6×10-60×EXP(0.098×T)
(단, A는 산소 분압(atm), T는 전처리단계의 온도(K))
상기 전처리단계는, 25~35분간 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 전처리단계는, Fe3O4 또는 Fe2O3를 포함하지 않는 철산화물층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
상기 침탄처리단계는, 900~950℃의 온도 범위에서 1~2시간 가스 침탄을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 침탄처리단계는, 상기 탄소강의 표면으로부터 0.2mm 범위 내에서 750Hv 이상의 경도를 갖도록 상기 탄소강을 침탄시키는 것을 특징으로 한다.
상기 침탄처리단계는, 상기 탄소강의 표면에 형성되는 침탄층의 두께가 0.5mm 이상이 되도록 상기 탄소강을 침탄시키는 것을 특징으로 한다.
상기 전처리단계에서, 상기 탄소강은 2wt% 이상의 Cr 및 1wt% 이상의 Si을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 탄소강 침탄 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 모재의 표면에 다공성의 FeO만으로 구성된 철산화물층을 형성시킴으로써 동일한 침탄 공정으로 더 높은 경도와 두꺼운 두께를 갖는 침탄층을 형성시킬 수 있다.
둘째, 저렴한 가스 침탄 방법으로도 균일한 침탄층을 형성시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침탄 방법의 시간-온도 조건을 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전처리 단계의 조건을 나타낸 그래프,
도 3은 전처리 단계의 조건 변화에 따라 탄소강 표면에 형성되는 조직을 비교한 사진,
도 4는 전처리 단계의 조건 변화에 따라 변화하는 탄소강 표면의 경도를 나타낸 그래프이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 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 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 탄소강 침탄 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 침탄 방법의 개략적인 시간-온도 그래프가 도시되어 있고, 도 2에는 온도-산소분압에 따라 생성되는 철산화물의 종류를 구분한 그래프가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 침탄 방법은 크게 전처리단계와 침탄처리단계로 구분될 수 있다. 전처리단계에서는 탄소강의 표면에 철산화물층을 형성시키고, 침탄처리단계에서는 탄소강 모재에 탄소를 침투시켜 경도를 향상시키게 된다.
이때 전처리 단계에서는 온도 및 산소분압을 적절히 제어하여 FeO, 즉 우스타이트(Wustite) 계열 철산화물로 구성된 층을 형성시키는 것이 바람직하다.
일반적으로 철산화물은 FeO, Fe2O3, Fe3O4의 세 종류로 구분되는데, 이 중에서 FeO는 파단 강도가 낮고, 다수의 기공을 포함하는 특징이 있다. 이러한 특징 때문에 FeO로 구성된 철산화물에는 쉽게 균열이 발생하게 되고, 이 균열을 통해 후술할 침탄 단계에서의 탄소 유동이 원활하게 이루어질 수 있다.
반면, Fe2O3 및 Fe3O4, 즉 마그네타이트 또는 헤마타이트 계열 철산화물은 기공의 양이 적을 뿐만 아니라 그 조직이 치밀하기 때문에 균열이 발생하기 어렵다. 따라서, 철산화물층에 Fe2O3 및 Fe3O4이 포함되면 침탄 단계에서 탄소의 침투를 방해하므로 침탄의 효과가 저하되거나 불균일한 침탄이 이루어지게 된다.
따라서, 보다 바람직하게는 철산화물층에 Fe2O3 및 Fe3O4이 전혀 포함되지 않는 것이 좋다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 철을 산화시킬 때 FeO를 형성시키기 위해서는 특정 조건의 온도 및 산소분압이 필요하다.
즉, 전처리단계에서는 온도를 500~650℃(773~923K), 산소분압을 하기 식 1에 따라 제어하는 것이 바람직하다.
(식 1) 7×10-61×EXP(0.09×T) ≤ A ≤ 6×10-60×EXP(0.098×T)
이때, 식 1에 삽입되어 있는 A는 산소 분압(atm)이고, T는 절대온도(K) 단위의 전처리단계 온도이다.
가로축을 절대온도(K)로, 세로축을 산소분압(atm)의 로그스케일로 설정한 그래프 상에서, 철이 산화되면서 생성되는 산화물의 종류가 바뀌는 경계가 직선에 가깝게 형성된다. 따라서, 이 경계선을 플롯하여 수식화시킴으로써, FeO를 형성시키기 위한 온도 및 산소분압 조건을 상술한 식 1과 같이 정량화시킬 수 있다.
산화 온도를 500℃ 미만으로 설정할 경우, 산소분압을 지나치게 낮게 조절해야 하기 때문에 공정 분위기를 조성하기 위해 소모되는 비활성가스가 증가하면서 비용이 상승하며, 공정 시간이 증가하고 생성되는 철산화층의 두께가 감소하는 문제가 발생한다.
반면 산화 온도를 650℃ 초과로 설정할 경우, 철산화물층의 두께가 20㎛를 초과하여 형성되기 때문에 탄소의 유동을 방해하므로 침탄 효과가 저해된다.
도 2와 식 1을 참조로 하면, 산소분압이 7×10-61×EXP(0.09×T) 미만일 경우 철산화물이 형성되지 않고 Si 또는 Cr 산화물만이 형성된다. 반면 산소분압이 6×10-60×EXP(0.098×T) 초과일 경우, 철산화물층으로서 FeO가 아닌 Fe3O4가 형성되어 침탄 효과를 저해하게 된다.
참고로, 일반적인 대기 조건에서의 산소분압은 9×10-15atm 정도로서, 본 발명에 따른 전처리단계의 온도 조건 하에서 Fe2O3 또는 Fe3O4이 생성되게 된다.
전처리단계의 수행 시간은 25~35분 범위 내에서 수행하며, 바람직하게는 30분 정도 수행하는 것이 적합하다. 전처리단계의 시간이 이보다 짧으면 철산화물층을 형성시키기 어렵고, 이보다 길면 생산성이 저하되면서 강재의 내부에 균열이 발생할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 침탄처리단계에서는 900~950℃의 온도 범위에서 1~2시간 가스 침탄을 수행하는 것이 바람직하다. 가스 침탄은 저렴하면서 대량 생산에 유리한 침탄 방법이지만, 탄소의 침투력이 비교적 낮아 강재의 표면에 치밀한 산화물이 존재할 경우 침탄 효율 및 균일성이 저하된다.
이에 더해서, 침탄처리단계는 소재 내외부의 온도를 균일화시키는 균열과정과, 가스를 통해 탄소를 공급하는 침탄과정과, 강재 내에서 탄소를 확산시키는 확산과정을 포함하고, 확산과정이 종료된 이후 강재를 상온까지 급냉시키는 급냉과정을 포함할 수 있다.
균열과정, 침탄과정 및 확산과정은 모두 900~950℃의 온도 범위에서 약 30분 정도씩 수행되는 것이 바람직하고, 급냉과정은 강재 표면에 형성된 침탄층을 마르텐사이트화시킬 수 있도록 수행해야 한다.
급냉과정이 종료된 이후, 최종적인 침탄층 깊이는 0.5mm 이상 형성되는 것이 바람직하다. 침탄층 깊이가 0.5mm에 미달할 경우, 강재의 표면 경도 향상 효과가 낮아지게 된다.
본 발명은 상술한 전처리단계를 통해 침탄처리단계에서의 침탄 효율을 높이기 위한 것으로서, 침탄처리단계의 각 공정에 대한 더 자세한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 도 1에는 전처리단계와 침탄처리단계 사이에 온도가 낮아지는 지점이 존재하는데, 이는 전처리단계를 수행하는 기기와 침탄처리단계를 수행하는 기기가 서로 다를 경우 강재가 공기중에서 자연 냉각되는 것을 나타낸 것으로서, 이러한 냉각 없이 바로 침탄처리단계를 수행하는 온도로 가열하여도 무방하다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예와, 그와 대비되는 비교예에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 침탄 방법은 특히 실리콘 1wt% 이상, 크롬 2wt% 이상 함유한 저탄소강을 대상으로 한다. 이하에서 설명할 실시예 및 비교예는 하기 표 1의 조성을 따른다.
조성 C Si Mn Ni Cr Mo Nb V N Fe
함량
(wt%)		 0.2 1.2 0.6 0.3 2.7 0.3 0.02 0.05 0.012 Bal.
도 3에는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예의 조직 사진이, 도 4에는 표면으로부터의 깊이에 따른 경도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도 3 및 4의 (a)는 본 발명의 실시예로서, 표 1의 조성으로 제조된 강재를 전처리단계에서 온도 600℃, 산소분압 1.0×10-24atm 조건으로 30분간 산화시키고, 침탄처리단계에서 온도 930℃ 조건으로 가스 침탄 공정을 1시간 30분간 수행한 후 급냉하여 제조되었다.
도 3 및 4의 (b)는 비교예 1, (c)는 비교예 2로서, 제조시 다른 조건은 실시예와 동일하지만, 전처리단계에서의 산소분압이 상이하다. 즉, 비교예 1은 산소분압 1.0×10-22atm, 비교예 2는 산소분압 1.0×10- 15atm 의 조건으로 각각 전처리단계를 수행하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 실시예(a)는 산소분압이 본 발명의 범위를 만족하여 모재의 표면에 FeO만으로 구성된 철산화물층이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
반면, 비교예 1(b)에는 모재와 FeO 사이에 얇은 Fe3O4 층이 형성되어 있고, 비교예 2(c)에는 FeO 또는 Fe3O4 없이 Fe2O3 만이 형성되어 있다.
이러한 실시예 및 비교예들의 표면 경도를 나타낸 도 4를 보면, 실시예(a)는 표면 경도가 매우 높게 형성되어 표면으로부터 0.2mm 범위 내의 경도가 750Hv를 초과하는 것을 알 수 있다.
반면 약간의 Fe3O4 가 형성된 비교예 1(b)의 경우, 표면 경도가 600Hv 이하로 크게 낮아 침탄 경화가 거의 이루어지지 않은 것을 알 수 있고, Fe2O3 로 구성된 비교예 2(c)는 비교예 1(b)보다도 낮은 550Hv 이하의 경도를 나타내어 침탄 경화가 이루어지지 않은 것을 알 수 있다.
즉, 같은 조성으로 제조된 강재를 같은 조건으로 침탄 처리하더라도, 그 전처리 방법에 따라 강재의 표면에 형성되는 철산화물 조직이 달라지고, 이에 따라 침탄의 효과가 달라지게 되는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. C: 0.2wt%, Si: 1.2wt%, Mn: 0.6wt%, Ni: 0.3wt%, Cr: 2.7wt%, Mo: 0.3wt%, Nb: 0.02wt%, V:0.05wt%, N: 0.012wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 탄소강의 침탄 방법으로서,
    온도 및 산소 분압을 소정의 범위로 제어하여 상기 탄소강의 표면에 FeO로 구성된 철산화물층을 형성시키는 전처리단계; 및
    상기 탄소강의 표면에 탄소를 침투시키는 침탄처리단계;를 포함하고,
    상기 전처리단계는, 500~650℃(773~923K)의 온도 범위 및 하기 식 1에 의해 계산된 산소 분압 범위 하에서 상기 탄소강의 표면을 산화시켜 철산화물층을 형성시키되, Fe3O4 또는 Fe2O3를 포함하지 않는 철산화물층을 형성시키는 것을 특징으로 하는, 탄소강 침탄 방법.
    (식 1)
    7×10-61×EXP(0.09×T) ≤ A ≤ 6×10-60×EXP(0.098×T)
    (단, A는 산소 분압(atm), T는 전처리단계의 온도(K))
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전처리단계는, 25~35분간 수행하는 것을 특징으로 하는, 탄소강 침탄 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 침탄처리단계는, 900~950℃의 온도 범위에서 1~2시간 가스 침탄을 수행하는 것을 특징으로 하는, 탄소강 침탄 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 침탄처리단계는, 상기 탄소강의 표면으로부터 0.2mm 범위 내에서 750Hv 이상의 경도를 갖도록 상기 탄소강을 침탄시키는 것을 특징으로 하는, 탄소강 침탄 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 침탄처리단계는, 상기 탄소강의 표면에 형성되는 침탄층의 두께가 0. 5mm 이상이 되도록 상기 탄소강을 침탄시키는 것을 특징으로 하는, 탄소강 침탄 방법.
  8. 삭제
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