KR102659910B1 - 침탄열처리방법 및 그로부터 제조된 침탄부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 침탄열처리방법 및 그로부터 제조된 침탄부품에 관한 것으로, 오스테나이트계 조직을 포함한 부품재를 반응챔버의 내부에 거치시키는 부품거치단계와, 상기 반응챔버의 내부에 활성화가스를 공급한 후 소정의 활성화온도에서 가열하여 상기 부품재의 부동태층을 제거하는 활성화단계와, 상기 반응챔버의 내부에 공정가스를 공급한 후 소정의 침탄화온도에서 상기 부품재의 표면을 침탄화시켜 침탄부품을 제조하는 침탄화단계를 수행하며, 금속분말 사출성형을 통해 제조되는 엔진 부품의 표면을 침탄화 처리하여 고내식성을 가지면서 내구성이 향상되어 엔진부품으로의 수명이 증가한다.

Description

침탄열처리방법 및 그로부터 제조된 침탄부품{METHOD OF MANUFACTURING CARBURIZED PART AND CARBURIZED PART THEREOF}
본 발명은 침탄열처리방법 및 그로부터 제조된 침탄부품에 관한 것으로, 금속분말사출성형을 이용한 스테인리스강 표면에 탄소를 침투시켜 내마모성, 내피로성 및 내식성이 향상된 침탄열처리방법 및 그로부터 제조된 침탄부품에 관한 것이다.
내연기관 엔진은 외부로부터 공기 및 연료를 흡입하여 연소실에서 연소시킴으로써 동력을 발생시키는 장치로서, 상기 공기 및 연료를 연소실로 흡입하기 위한 흡기밸브 및 상기 연소실에서 연소된 폭발 가스를 배출하기 위한 배기밸브를 구비하는데, 이러한 흡배기 밸브는 크랭크축의 회전에 연동하여 회전하는 캠축에 의해 개폐된다.
특히 구동캠, 캠샤프트, 태핏, 로커암 및 로커암 링크 등 내연기관 엔진에 사용되는 밸브 트레인 부품들은 고온, 고압과 같이 가혹한 조건에서 장시간 사용되므로 고강도, 내마모성, 내충격성 등의 우수한 내구성 및 정밀도가 요구된다.
또한, FFV(Flexible Fuel Vehicle) 엔진에 적용되는 엔진부품의 경우에는, FFV 연료의 높은 부식성으로 인해 연료분사장치 구성부품 내부에 부식이 발생하며 반복적인 구동과정에서 부식에 의한 마모가 가속화되어 부품이 고장, 파손되는 문제가 발생하고 있다.
그러나, 현존하는 금속분말 사출성형(Metal Powder Injection Molding, MIM) 재료 중 스테인리스강 SUS440C급의 경도를 만족하면서 충분한 내식성을 가지는 재료가 존재하지 않는다.
또한, 스테인리스 스틸(SUS316L)는 높은 내식성을 가지고 있지만 표면경도가 낮아 고온/고압 환경에서 내구성이 필요한 연료분사장치 구성 부품에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 부식성이 높은 에탄올 또는 메탄올 계열의 연료를 사용하는 FFV 엔진에 적용할 수 있도록, 고내식성을 가지면서도 내구성이 향상된 침탄부품의 개발이 필요하다.
한국등록특허공보 제10-1405845호
본 발명은 상기한 바와 같이 종래의 금속분말 사출성형을 통해 제조되는 엔진 부품에서 낮은 내구성과 같은 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 표면을 침탄처리하여 FFV 엔진에 사용가능한 엔진부품을 구현하는 침탄열처리방법 및 그로부터 제조된 침탄부품을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 침탄열처리방법은, 오스테나이트계 조직을 포함한 부품재를 반응챔버의 내부에 거치시키는 부품거치단계; 상기 반응챔버의 내부에 활성화가스를 공급한 후, 소정의 활성화온도에서 가열하여 상기 부품재의 부동태층을 제거하는 활성화단계; 및 상기 반응챔버의 내부에 공정가스를 공급한 후, 소정의 침탄화온도에서 상기부품재의 표면을 침탄화시켜 침탄부품을 제조하는 침탄화단계;를 포함한다.
상기 부품재는 몰리브덴 3중량% 이상 5중량% 이하, 질소 0.05중량% 이상 0.2중량% 이하, 니켈 8중량% 이상 11중량% 이하, 크롬 15중량% 이상 17중량% 이하를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 부품재는 몰리브덴 3중량% 이상 5중량% 이하, 질소 0.05중량% 이상 0.2중량% 이하, 니켈 8중량% 이상 11중량% 이하, 크롬 15중량% 이상 17중량% 이하, 탄소 0중량% 초과 0.03중량% 이하, 망간 0중량% 초과 2중량% 이하. 규소 0중량% 초과 1중량% 이하를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
상기 활성화가스는 염화수소, 염화암모늄으로 구성되는 군 중에서 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 활성화단계는 상기 침탄부품을 300℃ 이상 400℃ 이하의 활성화온도에서 0.5시간 이상 1.5시간 이하의 시간 동안 가열할 수 있다.
상기 공정가스는 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 아세틸렌으로 구성되는 군 중에서 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 침탄화온도는 400℃ 이상 500℃ 이하인 조건에서 상기 침탄화단계가 수행될 수 있다.
상기 침탄화단계는 상기 침탄부품을 상기 활성화온도에서 상기 침탄화온도로 승온시키는 침탄화승온단계; 상기 침탄부품을 상기 침탄화온도로 소정의 시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계; 및 상기 침탄부품을 상기 침탄화온도에서 상온까지 냉각하는 냉각단계;를 포함할 수 있다.
상기 침탄화승온단계는 50℃/시간 이상 150℃/시간 이하의 속도로 승온시킨다.
상기 냉각단계는, 37.5℃/분 이상 47.5℃/분 이하의 속도로 냉각시킨다.
또한, 본 발명에 의한 침탄부품은, 본 발명에 의한 침탄열처리방법에 의하여 제조된다.
상기 침탄부품은, 표면에 15㎛ 이상 35㎛ 이하의 두께를 가지는 침탄층이 형성된다.
상기 침탄층은, 두께 균일도가 5㎛ 이하가 되도록 형성된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 침탄열처리방법 및 그로부터 제조된 침탄부품에 의하면, 금속분말 사출성형을 통해 제조되는 엔진 부품의 표면을 침탄화하여 고내식성을 가지면서 내구성이 향상되어 엔진부품으로의 수명이 연장되는 효과가 있다.
도 1은 일반적으로 FFV(Flexible Fuel Vehicle) 엔진에 적용되는 고압펌프의 밸브슬리브를 확대하여 나타낸 부분 확대도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 침탄열처리방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 침탄부품의 단면을 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 침탄부품의 단면을 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 침탄열처리방법을 연속적으로 진행하는 공정 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 침탄열처리방법에서 활성화단계의 공정전(a)와 공정후(b)를 나타낸 공정 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 침탄부품이 사용되는 일반적인 고압펌프에서 밸브 슬리브(B)의 부분 확대도가 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 자동차 연료탱크에 장착된 저압펌프로부터 공급된 저압의 연료를 고압의 연료로 압축하여 연료레일에 공급하는 고압펌프의 내부에는 정밀한 양의 연료를 송출할 수 있도록 카운터바(B)의 내부에 볼(A)이 위치하고 있으며, 일측이 볼(A)에 연결되고, 타측이 밸브 슬리브(C)에 연결된 스프링(D)에 의하여 연료분사량이 조절된다.
특히, 고압펌프에서 저압의 연료를 고압으로 가압하므로 볼(A)과 카운터바(B)는 고압상태에 노출되며, 연료의 강한 부식성으로 인하여 녹이 발생할 가능성이 높다.
이와 같이, 볼(A) 및 밸브 슬리브(C)는 고압, 부식성 환경 및 반복적인 구동에 의해 파손될 수 있기 때문에, 본 발명은 도 2와 같이 볼(A) 및 카운터바(B)와 같은 부품재의 표면을 침탄처리하여 침탄층을 형성하여 내구성을 증가시키며 내열성을 증대시킬 수 있도록 구성된다.
도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 침탄열처리방법을 나타낸 순서도가 개시되어 있으며, 도 3에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 침탄부품의 단면을 도시한 개략도가 개시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 침탄부품의 단면을 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 침탄열처리방법은, 오스테나이트계 조직을 포함한 부품재를 반응챔버의 내부에 거치시키는 부품거치단계(S10)와, 상기 반응챔버의 내부에 활성화가스를 공급한 후, 소정의 활성화온도에서 가열하여 상기 부품재의 모재(10) 표면에 형성된 부동태층(2)을 제거하는 활성화단계(S30) 및 상기 반응챔버의 내부에 공정가스(1)를 공급한 후, 소정의 침탄화온도에서 상기 부품재의 표면을 침탄화시켜 상기 부품재의 표면에 침탄층(20)을 형성하여 침탄부품을 제조하는 침탄화단계(S40)를 포함한다.
상기 반응챔버는 진공 열처리로일 수 있으며, 상세한 방법은 등록실용신안공보 제20-0437036호와 같은 공지기술을 참조하여 실시할 수 있다.
상기 부품거치단계(S10)에서는 침탄처리공정이 이루어지는 반응챔버의 내부에 스테인리스강으로 이루어진 모재(10)와 상기 모재(10)의 표면에 형성된 부동태층(2)을 포함하는 부품재가 거치된다.
제1 실시예에서 상기 부품재는 고압펌프의 밸브슬리브에 적용되는 볼(A)를 예시로 기재하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 기타 고압펌프나 고압인젝터에 적용되어 내식성과 내마모성이 요구되는 부품에 적용 가능하도록 다양한 형태로 형성되는 것을 모두 포함할 수 있다.
제1 실시예에서 상기 부품재는 인젝터 볼을 예시로 기재하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 인젝터 밸브시트, 고압 펌프에 사용되는 다양한 부품에 적용 가능하도록 다양한 형태로 형성되는 것을 모두 포함할 수 있다.
상기 부품재의 재질은, 몰리브덴 3중량% 이상 5중량% 이하, 질소 0.05중량% 이상 0.2중량% 이하, 니켈 8중량% 이상 11중량% 이하, 크롬 15중량% 이상 17중량% 이하를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
또한, 상기 부품재의 재질은, 몰리브덴 3중량% 이상 5중량% 이하, 질소 0.05중량% 이상 0.2중량% 이하, 니켈 8중량% 이상 11중량% 이하, 크롬 15중량% 이상 17중량% 이하, 탄소 0중량% 초과 0.03중량% 이하, 망간 0중량% 초과 2중량% 이하. 규소 0중량% 초과 1중량% 이하를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.
상기 부품재의 조성 범위를 벗어나는 경우, 오스테나이트상이 형성되지 않거나, 불완전하게 형성되어 있으므로 고온 및 강한 내부식성의 연료에 노출된 환경에서 상기 부품재가 쉽게 부식되어 부품 신뢰성이 저하된다.
특히, 상기 부품재의 모재(10) 표면에 형성된 부동태층(2)이 활성화단계에서 제거될 때, 금속의 전자손실에 의한 전기화학적 반응으로 인하여 작은 구멍(피트)가 형성되는 공식(Pitting Corrosion)이 발생하여 상기 부품재 표면의 침탄층(20)에서 두께 균일성이 저하된다.
또한, 상기 부품재에서 탄소가 함유된 공정가스(1)와의 반응이 쉽게 발생하는 크롬(Cr)과 망간(Mn)을 포함하도록 구성할 수 있으나 상기 부품재의 오스테나이트상을 유지하기 위하여 소정의 조성 범위 내로 한정한다.
상기 활성화가스는, 염화수소, 염화암모늄으로 구성되는 군 중에서 어느 하나 이상을 포함하며, 가장 바람직하게는 독성이 높은 염화수소보다 안전성이 높으면서 침탄속도를 제어하기 용이한 염화암모늄을 사용할 수 있다.
상기 활성화단계(S30)는, 상기 침탄재를 300℃ 이상 400℃ 이하의 활성화온도에서 0.5시간 이상 1.5시간 이하의 시간 동안 가열한다.
상기 활성화단계(S30)가 300℃ 미만에서 일어나는 경우, 활성화가스와 상기 부품재 표면의 부동태층(2)과의 반응이 발생하지 않거나 느리게 일어나므로 시간이 오래 소요된다.
또한, 상기 활성화단계(S30)가 400℃를 초과하여 일어나는 경우, 상기 부품재의 부동태층(2)을 제거하는 과정에서 소모되는 에너지량이 증가하고, 반응속도가 증가하면서 상기 부품재 표면에서의 공식현상이 가속화되어 상기 부품재 표면에서의 표면 거칠기가 증가하여 후속으로 진행되는 침탄공정 과정에서 침탄층(20) 형성이 균일하게 되지 않는 문제점이 있다.
또한, 상기 활성화단계(S30)가 0.5시간 미만으로 수행되는 경우, 활성화가스와 상기 부품재 표면의 부동태층(2)이 불완전하게 반응하여, 상기 부품재의 표면에 부동태층(2)이 잔류하여 침탄층(20)이 불균일하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 활성화단계(S30)가 1.5시간을 초과하여 수행되는 경우, 활성화가스와 상기 부품재 표면의 부동태층(2)이 모두 반응하여 추가적인 효과가 미미하며, 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
상기 활성화단계(S30)가 진행되기 전, 상기 반응챔버의 내부 분위기를 진공 상태로 유지하는 진공 형성단계(S20)가 수행된다.
상기 진공 형성단계(S20)에서는 반응챔버 내부에 존재하는 질소 또는 산소와 같은 가스를 배기하며, 공지기술을 사용하여 수행할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 상기 활성화단계(S30)가 수행된 후, 상기 반응챔버의 내부에 공정가스(1)를 공급하고, 소정의 침탄화온도에서 상기 부품재의 표면을 침탄화시켜 상기 부품재의 표면에 침탄층(20)을 형성하는 침탄화단계(S40)가 수행된다.
도 6(a)와 같이 부동태층(2)이 상기 부품재의 모재(10) 표면에 형성된 상태에서는 상기 공정가스(1)가 모재(10)로 침투하지 못하나, 도 6(b)와 같이 부동태층(2)이 제거된 상태에서는 상기 공정가스(1)의 탄소가 모재(10)로 침투할 수 있다.
도 6을 참조하여 상세히 설명하면, 상기 공정가스(1)는, 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 아세틸렌으로 구성되는 군 중에서 어느 하나 이상을 포함하며, 가장 바람직하게는 상기 부품재를 구성하는 강과의 반응성이 우수한 아세틸렌을 상기 공정가스(1)로 사용한다.
다시 설명하면, 상기 공정가스(1)로 고온에서 분해되어 탄소를 공급할 수 있는 메탄, 에탄, 프로판과 같은 탄화수소 가스를 사용할 수 있으나, 상기 부품재의 표면에 위치한 금속원자와의 반응성이 우수하여 침탄층(20)의 형성속도가 향상되도록 아세틸렌을 사용할 수 있다.
상기 침탄화단계(S40)에서 침탄화가 이루어지는 침탄화온도는 400℃ 이상 500℃ 이하의 범위이며, 가장 바람직하게는 450℃에서 공정이 이루어진다.
상기 침탄화단계(S40)는 18시간 이상 32시간 이하의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 침탄화단계(S40)가 18시간 미만으로 수행되면, 상기 공정가스(1)로부터 상기 부품재의 모재(10)로 탄소 확산이 저하되어 침탄층(20)의 두께가 부족해지고 전체적인 부품재의 경도와 내구성이 저하되는 문제점이 발생한다.
상기 침탄화단계(S40)가 32시간을 초과하여 수행되는 경우, 상기 공정가스(2)로부터 상기 부품재의 모재(10)로 탄소 확산이 과도하게 발생하여 상기 부품재의 표면에 탄소 부산물(Soot)가 남아 얼룩이 발생하며, 침탄화 과정에서 부품 내부에 응력이 증가하여 부품 변형량이 증가하고 공정시간이 증대되어 원가가 상승한다.
상기 침탄화온도가 400℃ 미만인 경우, 상기 공정가스(1)가 불완전하게 분해되며 충분한 양의 탄소가 상기 부품재의 내부로 침투하기 어려워 침탄층(20)의 두께가 부족한 문제점이 있다.
또한, 상기 침탄화온도가 500℃를 초과하는 경우, 상기 부품재가 고온에서 변형될 수 있으며, 결정입계에서 크롬 탄화물이 석출되는 예민화(Sensitization) 현상이 발생하여 결정입계에서 크롬이 고갈되면서 내부식성이 저하된다.
상기 침탄화단계(S40)는, 상기 침탄부품을 상기 활성화온도에서 상기 침탄화온도로 승온시키는 침탄화승온단계(S41)와, 상기 침탄부품을 상기 침탄화온도로 소정의 시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계(S42)와, 상기 침탄부품을 상기 침탄화온도에서 상온까지 냉각하는 냉각단계(S43)를 포함한다.
상기 침탄화승온단계(S41)에서는, 활성화온도에서 침탄화온도까지 50℃/시간 이상 150℃/시간 이하의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 한다.
상기 활성화온도에서 상기 침탄화온도까지 50℃/시간 미만의 속도로 승온되는 경우, 침탄화 속도가 감소하여 전체 침탄화단계(S40)에서 소요되는 시간이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 상기 활성화온도에서 상기 침탄화온도까지 150℃/시간을 초과하는 속도로 승온되는 경우, 급격한 온도변화로 인하여 상기 부품재가 변형되고 승온을 위한 가열장치에 부담이 증가하여 상기 부품재 또는 상기 가열장치의 수명이 감소할 수 있다.
상기 냉각단계(S43)는, 침탄화온도에서 상온(25℃)까지 37.5℃/분 이상 47.5℃/분 이하의 속도로 냉각시키는 것을 특징으로 하며, 가장 바람직하게는 42.5℃/분의 속도로 상기 침탄화온도에서 상온까지 10분 이내로 냉각한다.
침탄화온도에서 상온까지 37.5℃/분 미만의 속도로 냉각되는 경우, 침탄화 과정이 추가로 진행되어 상기 부품재의 표면에 형성된 침탄층(20)의 두께가 두꺼워지며 전체적인 침탄층(20)에서의 응력이 증가하는 문제점이 발생한다.
또한, 침탄화온도에서 상온까지 47.5℃/분을 초과하는 속도로 냉각되는 경우, 상기 부품재가 급격한 온도의 변화에 따라 수축하면서 내부 응력 증가에 따른 크랙 및 부품 변형이 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 침탄부품은, 본 발명의 제1 실시예에 따른 침탄열처리방법에 따라 제조된다.
상기 침탄부품은, 표면에 15㎛ 이상 35㎛ 이하의 두께를 가지는 침탄층(20)이 형성된다.
상기 침탄부품의 표면에 상기 침탄층(20)이 15㎛ 미만의 두께로 형성되는 경우 상기 침탄층(20)에서의 내마모성이 저하되며, 상기 침탄부품의 수명이 단축되는 결과로 이어질 수 있다.
상기 침탄부품의 표면에 상기 침탄층(20)이 35㎛를 초과하는 두께로 형성되는 경우, 상기 침탄층(20)을 형성하는 공정이 장시간 진행되므로 상기 침탄부품의 변형이 발생하고 원가 상승으로 이어질 수 있다.
상기 침탄층(20)은 두께 균일도가 0㎛ 초과 5㎛ 이하의 범위로 유지되도록 형성된다.
상기 침탄층(20)의 두께 균일도가 5㎛를 초과하도록 형성되는 경우, 전체적으로 상기 침탄층(20)의 강도가 균일하지 않으므로 국부적인 마모에 따른 상기 침탄부품의 수명저하가 발생하여 신뢰성이 저하된다.
이하에서는 본 발명에 따른 침탄열처리방법이 적용되어 제조된 침탄부품인 실시예와, 종래 기술에 따라 제조된 비교예에 대한 내구성 평가비교 및 물성 평가비교 결과를 설명하도록 한다.
실시예
몰리브덴 4중량%, 질소 0.15중량%, 니켈 9.5중량%, 크롬 16중량%를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지는 부품재를 진공로 내부에 거치한다.
이후, 활성화단계(S30)에서는 상기 진공로의 내부에 염화암모늄을 포함하는 활성화가스를 공급한 후, 상기 부품재를 350℃의 활성화온도에서 1시간 동안 가열하여 상기 부품재의 모재(10) 표면에 형성된 부동태층(2)을 제거한다.
상기 활성화단계(S30)가 수행된 후, 상기 반응챔버의 내부에 아세틸렌을 포함하는 공정가스(1)를 공급한 후, 상기 부품재를 350℃의 활성화온도에서 450℃의 침탄화온도로 100℃/시간의 가열속도로 1시간 동안 승온시키는 침탄화승온단계(S41)가 수행된다.
상기 침탄화승온단계(S41)가 종료된 후, 상기 부품재를 450℃의 침탄화온도에서 25시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계(S42)가 수행된다.
상기 침탄화유지단계(S42)가 종료된 후, 상기 부품재를 상기 침탄화온도에서 상온(통상적으로, 25℃)으로 42.5℃/분의 속도로 냉각시켜 10분 동안 냉각하는 냉각단계(S43)가 수행된다.
비교예 1
상기 부품재의 합금 조성비는 탄소 1.4중량%, 크롬 17중량%, 니오븀 3중량%를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
상기 부품재를 450℃에서 조질처리(Quenching & Tempering)을 진행하며, 상세한 방법은 한국등록특허공보 제10-1714016호와 같은 공지기술을 사용하여 실시할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 2
상기 부품재의 합금 조성비는 크롬 17.5중량%, 니켈 12.1중량%, 몰리브덴 2.2중량%를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화단계(S40)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 3
상기 부품재의 합금 조성비는 크롬 16중량%, 니켈 9.5중량%, 몰리브덴 4중량%, 질소 0.25중량%를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화단계(S40)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 4
상기 부품재의 합금 조성비는 크롬 14중량%, 니켈 9.5중량%, 몰리브덴 4중량%, 질소 0.15중량%를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화단계(S40)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 5
상기 부품재의 합금 조성비는 크롬 18중량%, 니켈 9.5중량%, 몰리브덴 4중량%, 질소 0.15중량%를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화단계(S40)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 6
상기 부품재의 합금 조성비는 크롬 16중량%, 니켈 7중량%, 몰리브덴 4중량%, 질소 0.15중량%를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화단계(S40)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 7
침탄화승온단계(S41)가 종료된 후, 상기 부품재를 390℃의 침탄화온도에서 25시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계(S42)가 수행된다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화승온단계(S41), 냉각단계(S43)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 8
침탄화승온단계(S41)가 종료된 후, 상기 부품재를 510℃의 침탄화온도에서 25시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계(S42)가 수행된다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화승온단계(S41), 냉각단계(S43)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 9
침탄화승온단계(S41)가 종료된 후, 상기 부품재를 450℃의 침탄화온도에서 17시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계(S42)가 수행된다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화승온단계(S41), 냉각단계(S43)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
비교예 10
침탄화승온단계(S41)가 종료된 후, 상기 부품재를 450℃의 침탄화온도에서 33시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계(S42)가 수행된다.
이를 제외하고는 부품거치단계(S10) 및 진공형성단계(S20), 활성화단계(S30), 침탄화승온단계(S41), 냉각단계(S43)는 실시예 1과 동일하게 수행한다.
내구 성능 평가 실험
실시예 및 비교예 1 내지 비교예 10에 따라 표면에 침탄층(20)이 형성된 침탄부품의 내구 성능 평가를 진행하기 위해, 마이크로 비커스 경도(Hv)의 측정을 진행하였으며 해당 측정은 JIS R 1610(2003)에 준거하여 진행하였다.
측정은 MATSUZAWA의 자동 미소 경도 시험 시스템 AMT-X7FS를 사용하여 시험 하중 0.4903N(50gf), 유지력 15초로 행하는 것으로 한다
물성 평가
실시예 및 비교예 1 내지 비교예 10에 따라 표면에 침탄층(20)이 형성된 침탄부품의 물성을 평가하기 위해, 물성 평가를 진행하였다.
마찰 계수 도출을 위해 10N, 0.1m/s, 1km 및 SKH51 pin을 이용하여 Pin on disk 실험을 진행하였다.
상기 침탄층(20)의 부식은 Sartorius의 마이크로저울 MCA125S를 이용하여 가로 5mm, 세로 10mm, 높이 55mm의 표준시편에 상기 침탄열처리방법에 따라 침탄층(20)을 형성한 후, 2질량% 황산 수용액에서 1000시간 동안 상온(25℃)에서 침적하였다.
상기 침탄층(20)의 두께와 두께 균일도 측정은 KEYENCE의 VK-X250K 공초점 현미경(Confocal microscopy)을 이용하여 측정하였으며, 상세한 측정방법은 통상적인 기술자가 알려진 공지기술(한국등록특허 제10-1594690호, 멀티프로브 기반의 3차원 형상 및 박막두께의 동일위치 측정 장치 및 방법)를 참조할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
항목 표면경도
(HV)		 침탄층 두께
(㎛)		 침탄층 두께
균일도
(㎛)		 부식율
(g/dm2/day		 마찰계수
(건식)		 마찰계수
(오일)
비교예1 658 - - 0.355 1.37 0.65
비교예2 752 17 ±7 0.029 0.69 0.33
비교예3 945 24 ±3 0.014 0.45 0.22
비교예4 924 22 ±5 0.026 0.51 0.27
비교예5 942 23 ±3 0.006 0.42 0.21
비교예6 984 23 ±4 0.023 0.45 0.23
비교예7 842 19 ±3 0.010 0.48 0.23
비교예8 938 24 ±4 0.074 0.52 0.27
비교예9 823 18 ±3 0.011 0.49 0.25
비교예10 971 30 ±5 0.019 0.47 0.25
실시예 1,048 25 ±3 0.003 0.36 0.17
상기 표 1에 따르면, 표면경도 시험결과, 실시예의 표면경도는 1,048HV로, 비교예 1 내지 비교예 10과 대비하여 표면경도가 증가하여 내마모성이 향상된 것을 향상할 수 있다.
또한, 침탄층(20) 두께를 상기 방법을 통해 확인한 결과, 실시예의 침탄층(20) 두께는 25㎛으로, 비교예 1 내지 비교예 9의 침탄층(20) 두께보다 크고, 비교예 10의 침탄층(20) 두께보다 작아 상기 침탄층(20)의 강도를 유지하면서 내부 응력으로 인한 부품의 변형을 방지하였다.
또한, 실시예의 침탄층(20) 두께 균일도는 ±3㎛로, 상기 침탄층(20)의 균일한 강도를 유지할 수 있는 5㎛ 이하의 두께 균일도를 유지하고 있는 것으로 확인되었으며, 비교예 2이 ±7㎛인 점을 제외하고는 소정의 범위 안에 있어 균일한 침탄층(20)을 구현할 수 있는 것으로 확인되었다.
실시예의 침탄층(20) 두께 균일도는 ±3㎛로, 5㎛ 이하의 두께 균일도를 유지하고 있는 것으로 확인되었으며, 비교예 2이 ±7㎛인 점을 제외하고는 소정의 범위 안에 있어 균일한 침탄층(20)을 구현할 수 있는 것으로 확인되었다.
또한, 황산 수용액을 활용하여 상기 침탄층(20)의 부식정도를 측정한 결과, 실시예의 부식율은 0.003g/dm2/day로, 비교예 1 내지 비교예 10과 대비하여 내부식성이 향상된 것을 확인하였다.
그리고 Plate on disk 실험을 통해 마찰계수를 측정한 결과, 실시예의 건식 마찰계수와 오일 마찰계수는 각각 0.36 및 0.17로, 비교예 1 내지 비교예 10과 대비하여 침탄부품의 표면의 마찰계수가 감소하여 저마찰성의 침탄층(20)을 구현하였다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1 : 공정가스
2 : 부동태층
10 : 모재
20 : 침탄층
S10 : 부품거치단계
S20 : 진공형성단계
S30 : 활성화단계
S40 : 침탄화단계
S41 : 침탄화승온단계
S42 : 침탄화유지단계
S43 : 냉각단계

Claims (13)

  1. 오스테나이트계 조직을 포함한 부품재를 반응챔버의 내부에 거치시키는 부품거치단계;
    상기 반응챔버의 내부에 활성화가스를 공급한 후, 소정의 활성화온도에서 가열하여 상기 부품재의 부동태층을 제거하는 활성화단계; 및
    상기 반응챔버의 내부에 공정가스를 공급한 후, 소정의 침탄화온도에서 상기 부품재의 표면을 침탄화시켜 침탄부품을 제조하는 침탄화단계;
    를 포함하고,
    상기 침탄화단계는,
    400℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 18시간 이상 32시간 이하의 시간 동안 수행되고,
    상기 활성화가스는,
    염화암모늄을 포함하고,
    상기 침탄화단계는,
    상기 침탄부품을 상기 활성화온도에서 상기 침탄화온도로 승온시키는 침탄화승온단계;
    상기 침탄부품을 상기 침탄화온도로 소정의 시간 동안 유지시키는 침탄화유지단계; 및
    상기 침탄부품을 상기 침탄화온도에서 상온까지 37.5℃/분 이상 47.5℃/분 이하의 속도로 냉각시키는 냉각단계;
    를 포함하고,
    상기 침탄부품은,
    표면에 17㎛ 이상 35㎛ 이하의 두께를 가지는 침탄층이 형성된 침탄열처리방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품재는,
    몰리브덴 3중량% 이상 5중량% 이하, 질소 0.05중량% 이상 0.2중량% 이하, 니켈 8중량% 이상 11중량% 이하, 크롬 15중량% 이상 17중량% 이하를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진 침탄열처리방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품재는,
    몰리브덴 3중량% 이상 5중량% 이하, 질소 0.05중량% 이상 0.2중량% 이하, 니켈 8중량% 이상 11중량% 이하, 크롬 15중량% 이상 17중량% 이하, 탄소 0중량% 초과 0.03중량% 이하, 망간 0중량% 초과 2중량% 이하. 규소 0중량% 초과 1중량% 이하를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어진 침탄열처리방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성화단계는,
    상기 침탄부품을 300℃ 이상 400℃ 이하의 활성화온도에서 0.5시간 이상 1.5시간 이하의 시간 동안 가열하는 침탄열처리방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공정가스는,
    메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 아세틸렌으로 구성되는 군 중에서 어느 하나 이상을 포함하는 침탄열처리방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 침탄화승온단계는,
    50℃/시간 이상 150℃/시간 이하의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 침탄열처리방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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