KR20060126962A - 내마모 부품 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

Cr을 함유한 철계 합금 분말을 사용해서 압분체(壓粉體) 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 함으로써, 표면을 Fe-Cr-N 화합물층(2)과 Fe-Cr-N 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직(3)으로 하였다.

Description

내마모 부품 및 그 제작 방법{WEAR-RESISTANT PARTS AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은, 질화(窒化) 처리(nitriding treatment)에 의해 경도(硬度)를 증대시킨 내마모 부품 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

로터리 콤프레서 등에 설치되는 베인(vane)은, 실린더에 형성된 베인 홈(vane groove)에 슬라이딩(sliding)이 자유롭게 설치되어 있고, 베인은 그 측면이 베인 홈의 측벽과 슬라이딩 접촉(sliding contact)함과 동시에 그 선단부가 롤러에 슬라이딩 접촉하기 때문에 내마모성이 요구된다. 따라서 모재(母材)로서 크롬을 함유한 강철, 소결(燒結) 합금 혹은 주철을 사용하고 모재를 연질화(軟窒化) 처리(soft-nitriding)하여, 표면층에 Fe-Cr-N의 제1의 화합물층을 형성함과 아울러 제1의 화합물층의 아래쪽에 동일한 성분으로 된 제2의 화합물층을 형성한 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

또한 스텐레스 강철의 모재 표면에 질화 처리를 실시함으로써 질화층을 형성한 것도 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).

더욱이 철계 분말재의 재료를 사용해서 기공율(氣孔率: porosity) 혹은 공공율(空孔率: void volume) 10％ 이하 혹은 15％ 이하로 한 소결철(燒結鐵)을 담금질 (quenching) 및 템퍼링 처리에 의해 기지(基地; matrix)를 마르텐사이트 조직으로 한 후, 표면을 질화 처리 혹은 연질화 처리(soft-nitriding)에 의해 표면에 Fe-N으로 된 화합물층을 형성하고, 그 내측에 질소 확산층을 형성하도록 한 것도 있다(예를 들면, 특허문헌 3 혹은 4 참조).

특허문헌 1: 일본국 특개소60-26195호 공보

특허문헌 2: 일본국 특개평11-101189호 공보

특허문헌 3: 일본국 특개2001-140782호 공보

특허문헌 4: 일본국 특개2001-342981호 공보

그러나, 상기한 종래의 구성에서는, 표면이 Fe-Cr-N 혹은 Fe-N 화합물층 혹은 Fe-Cr-N 확산층으로 형성되어 있고, 표면이 단일 조성이며 경도가 균일하기 때문에, 콤프레서를 운전했을 때에 발생하는 베인 등의 내마모 부품의 미소한 마모도 균일하게 되어 있었다. 그 결과, 표면에 소정의 오일 유지성(oil retaining properties)을 유지하기가 어렵고, 눌어붙는 현상(seizing)이 생길 우려가 있었다.

본 발명은, 종래 기술이 가진 이러한 문제점을 감안해서 된 것이며, 내마모 부품의 표면을 경도가 상이한 혼합면으로 함으로써 미소한 기름 구멍(oil hole)을 형성하고, 내마모 부품을 운전했을 때의 오일 유지성을 향상할 수 있고, 눌어붙는 현상 등의 결함을 해소할 수 있는 신뢰성이 높은 내마모 부품을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 내마모 부품의 제작 방법은, Cr을 함유한 철계 합금 분말을 사용해서 압분체(壓粉體) 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 침탄(浸炭) 성분을 배제한 질화 처리를 하여, 표면을 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 의한 내마모 부품의 제작 방법의 다른 형태는, Cr을 함유한 철계 합금 분말에 Mn, Ti, Ⅴ 중의 적어도 1종의 금속 원소를 함유하는 합금 분말을 사용해서 압분체(壓粉體) 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 하여, 표면을 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 표면에 기공(氣孔)이 존재하고, 이 기공의 근방을 Fe-Cr-N 화합물층으로 하며, 기공으로부터 멀어짐에 따라 Fe-Cr-N 확산층과 기지(基地; matrix)의 혼합 조직으로 한 것이 좋다.

본 발명에 의한 내마모 부품의 제작 방법의 또 다른 형태는, Cr을 함유한 철계 합금 분말을 사용해서 압분체 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 하여, 표면을 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 소르바이트(sorbite)의 기지(基地) 조직의 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 한다.

이 경우, 표면에 기공이 존재하고, 기공의 근방을 Fe-Cr-N 화합물층으로 하며, 기공으로부터 멀어짐에 따라 Fe-Cr-N 확산층과 소르바이트(sorbite) 조직의 기지의 혼합 조직인 것이 좋다.

또한 압분체 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 담금질과 템퍼링 처리한 후, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 하고, 일부 표면에 제거 가공을 하여, 표면을 적어도 Fe-Cr-N 화합물층을 함유하는 혼합 조직으로 할 수도 있다.

질화 처리 전에 경미한 산화 처리를 위한 대기(大氣) 처리를 하도록 해도 좋은데, 대기 처리는 380℃의 온도 이상에서 하는 것이 바람직하다.

내마모 부품은, 표면에 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직을 가지고, 질화 후의 소결 소재의 표면의 거의 전체면이 0.1∼0.5㎛ 정도의 입자 혹은 돌기로 피복되어 있는 것이 좋다.

[발명의 효과]

본 발명은, 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있으므로, 아래에 기재되는 바와 같은 효과를 나타낸다.

Cr을 함유한 철계 합금 분말을 사용하거나, 혹은 Cr을 함유한 철계 합금 분말에 Mn, Ti, Ⅴ 중의 적어도 1종의 금속 원소를 함유하는 합금 분말을 사용해서 압분체(壓粉體) 소결 성형법으로 소재를 성형하고, 침탄 성분이 들어 있지 않은 질화 처리를 하여 표면을 화합물층과 확산층과 기지(matrix)의 혼합층으로 했기 때문에, 내마모 부품을 마무리 가공할 때에, 연한 기지 부분의 가공량이 많아져서 미소한 공동(空洞), 즉 속이 빈 구멍(hollow)이 형성되어 기름 구멍(oil hole)을 형성하게 되고, 더욱이 내마모 부품을 운전하면, 연한 기지(基地) 부분에 미소한 마모가 발생해서 기름 구멍을 형성하게 되어, 눌어붙는 현상(seizing)이 없는 신뢰성이 높은 내마모 부품을 실현할 수 있다.

또한 Cr을 함유한 철계 합금 분말에 Mn, Ti, Ⅴ 중의 적어도 1종의 금속 원소를 함유하는 합금 분말을 사용하면, 화합물층과 확산층에는 Cr, Mn, Ti, Ⅴ 중의 적어도 한가지 성분이 함유되므로, Fe, Cr에 의해서 소정의 경도를 확보하는 외에 Mn의 존재에 의해 더욱 경도를 향상시키거나, Ti의 존재에 의해 질화 처리를 촉진하거나, 혹은 Ⅴ의 존재에 의해 질화(窒化) 깊이를 깊게 할 수 있으므로, 내마모 부품의 신뢰성이 더욱 향상한다.

더욱이 Cr을 함유한 철계 합금 분말을 사용해서 압분체 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 담금질 및 템퍼링을 한 후, 침탄 성분이 들어 있지 아니한 질화 처리를 하여, 표면을 화합물층과 확산층과 소르바이트의 기지 조직으로 된 혼합 조직으로 했기 때문에, 내마모 부품을 마무리 가공할 때에 연한 기지 부분의 가공량이 많아져서 미소한 공동(空洞), 즉 속이 빈 구멍(hollow)이 형성되어 기름 구멍(oil hole)을 형성하게 된다. 또한 내마모 부품을 운전(상대 마찰 운동)하면, 화합물층이나 확산층에 비해서 연한 기지 부분이 미소한 마모를 일으켜서 기름 구멍을 형성하게 된다. 더욱이 기지(matrix) 조직이 담금질 및 템퍼링에 의해서 경도가 증가되어 있기 때문에, 화합물층과 확산층은 질화에 의해 그 경도가 더욱 증가됨으로써, 눌어붙는 일이 없이 더욱 높은 내마모성을 가진 신뢰성이 높은 내마모 부품을 실현할 수 있다.

또한 압분체 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 담금질 및 템퍼링한 후, 침탄 성분이 들어 있지 아니한 질화 처리를 하여, 일부 표면에 제거 가공을 함으로써, 표면이 Fe-Cr-N 화합물층 뿐만 아니라 경도의 변동을 가진 표면이 된다. 따라서 마무리 가공할 때에, 연한 기지 부분의 가공량이 많아져서 미소한 공동(空洞), 즉 속이 빈 구멍(hollow)이 형성되어 기름 구멍(oil hole)을 형성하게 된다. 더욱이 가동(상대 마찰 운동) 시에 연한 부분이 미소한 마모를 발생하고, 거기에 기름 구멍이 형성되어 윤활성이 향상함과 아울러, 기름 구멍 외의 부분, 즉 화합물층 부분은 내마모성을 유지할 수 있으므로, 내마모 부품의 신뢰성을 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 내마모 부품의 단면 에칭 사진이다.

도 2는 도 1의 내마모 부품의 표면을 연마 가공해서 깎아 취한 표면의 에칭 사진이다.

도 3은 도 1의 내마모 부품의 표면의 마이크로 비커스 경도 측정 압흔(壓痕)의 사진이다.

도 4는 도 1의 내마모 부품의 경도 분포 곡선이다.

도 5는 각 시료의 소재에 대해서 한 열처리 패턴을 나타내는 도표이다.

도 6은 질화 후의 시료 Ⅹ의 배율 40일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 7은 질화 후의 시료 Y의 배율 40일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 8은 질화 후의 시료 Z의 배율 40일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 9는 질화 후의 시료 Ⅹ의 배율 200일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 10은 질화 후의 시료 Ⅹ의 배율 1,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 11은 질화 후의 시료 Ⅹ의 배율 5,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 12는 질화 후의 시료 Ⅹ의 배율 20,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 13은 질화 후의 시료 Y의 배율 200일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 14는 질화 후의 시료 Y의 배율 1,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 15는 질화 후의 시료 Y의 배율 5,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 16은 질화 후의 시료 Y의 배율 20,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 17은 질화 후의 시료 Z의 배율 200일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 18은 질화 후의 시료 Z의 배율 1,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 19는 질화 후의 시료 Z의 배율 5,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 20은 질화 후의 시료 Z의 배율 20,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 21은 질화 후의 시료 Z의 다른 부위의 배율 5,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 22는 질화 후의 시료 Z의 다른 부위의 배율 20,000일 때의 표면상태를 나타내는 사진이다.

도 23은 각 시료의 표층 근방에 있어서의 합금원소의 최고 농도를 나타내는 그래프이다.

도 24는 각 시료의 표층 근방에 있어서의 합금원소의 최고 농도 부위에 있어서의 0(산소) 농도를 나타내는 그래프이다.

[부호의 설명]

1: 기공, 2: 화합물층, 3: 혼합 조직,

8: 기공과 기공 사이의 마이크로 비커스의 압흔(壓痕)[Micro Vickers impression]

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

본 발명에 의한 내마모 부품은, 예를 들면 롤링 피스톤 등에 설치되고 있는 베인 등으로서 사용되는 것인데, 예를 들면 분말 HSS(분말 하이 스피드 강) 등과 같은, Cr을 함유한 철계 합금 분말에 대하여 약 1200℃의 온도에서 진공소결을 해서 소재를 성형한 후, 담금질 처리를 하여 마르텐사이트 조직으로 하고, 다시 템퍼링의 열처리를 480℃∼580℃에서 하여 소르바이트 조직으로 한 후에, 침탄 성분을 배제한 상태에서 템퍼링 온도 이하인 400℃에서 약 6시간의 가스 질화 처리를 한 것이다.

도 1은, 이와 같이 하여 제작한 본 발명에 의한 내마모 부품의 질화 처리 후의 단면 조직을 나타내고 있는데, 가스 질화 처리 후, 에칭을 하여 화합물층을 관찰하기 쉽게 한 것이다.

소재가 압분체(壓粉體) 소결 성형에 의해 제조되어 있으므로, 밀도는 80∼90％ 정도까지밖에 증가하지 않고, 기공(1)이 다수 존재한다. 더욱이, 질화 처리에 사용한 가스가 기공(1)을 통과함으로써 안쪽까지 질화가 되고 있고, 흰 색의 화합물층(2)이 기공(1)의 주변에 형성되어 있다. 또한 기공(1)으로부터 멀어짐에 따라서 검은 부분(3)이 많아지고 있는데, 이것은 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직이다.

도 2는, 이 내마모 부품을 도 1의 면에 대하여 직각방향으로 절단하고(즉, 표면으로부터 소정의 깊이로 절단하고), 절단면을 연마한 것의 표면을 450배로 확대한 것이다.

도 2에 나온 바와 같이, 연마면에는 압분체 소결 성형품 특유의 기공(1)이 존재하고, 이 기공(1)의 주변은 질화 처리용 가스가 침입해서 질화가 진행하고 있으므로, Fe-Cr-N 화합물층(2)이 에칭되어서 흰 색으로 되어 있다. 또한 기공(1)의 표면으로부터 떨어진 곳에는 흰 색이 적어지고, Fe-Cr-N 확산층과 기지(基地)의 혼합 조직(3)이 존재하고 있다. 즉, 기공(1)이 있는 내마모품의 표면은 화합물층(2)과 확산층과 기지 조직의 혼합 조직(3)으로 되어 있다.

도 3은, 내마모 부품의 단면을 마이크로 비커스 경도로 측정한 압흔(壓痕; impression)의 사진이며, 압흔이 작을수록 마이크로 비커스 경도가 단단하다는 것 을 나타내고 있다. 마이크로 비커스의 압흔의 크기로부터 명확한 바와 같이, 기공(1)의 주변은 비교적 작고, 기공(1)과 기공(1) 사이(8)의 마이크로 비커스의 압흔의 크기는 기공의 주변에 비해서 크므로, 경도가 저하해 있음을 알 수 있다. 이것은, 기공(1)의 주변을 질화용 가스가 침입해서 기공(1)의 주변에 화합물층(2)을 형성하고 있고, 기공(1)과 기공(1) 사이(8)는 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직(3)으로 되어 있기 때문에, 경도가 기공(1)의 주변에 비해서 저하되어 있다고 생각된다.

이와 같이 표면의 경도가 적당히 변화하고 있으므로, 내마모 부품을 마무리 가공할 때에, 연한 기지(matrix) 부분의 가공량이 많아져서 미소한 공동(空洞), 즉 속이 빈 구멍(hollow)이 형성되어 기름 구멍(oil hole)을 형성하게 된다. 더욱이 내마모 부품이 작동하면, 연한 기지 조직의 부분에는 미소한 마모가 발생해서 기름 구멍으로서의 역할을 하게 된다. 따라서, 압분체 소결 성형품의 기공 외에도 쐐기 효과가 높은 기름 구멍이 가동부 전체면에 걸쳐 형성된다. 따라서, 표면 전체로서는 오일 유지성이 높아져서 윤활성이 양호해지고, 내마모성은 기공 주변의 화합물층과 확산층에서 확보할 수 있으므로, 표면 전체가 단단한 내마모 부품에 비해서 양호한 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한 본 실시의 형태는, 분말 HSS의 담금질 및 템퍼링 처리품의 경우에 대해서 설명했지만, 소재를 일반적인 합금 분말로 제조해도 좋고, 또한 Cr을 함유한 철계 합금 분말에 Mn, Ti, Ⅴ 중의 적어도 1종의 금속 원소를 함유하는 합금 분말을 사용하여 제조해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

도 4는, 도 1의 내마모 부품의 질화 처리 후의 경도 분포 곡선을 나타내고 있는데, 표면으로부터 0.4mm를 초과한 위치 A에서도 경도는 표면 B의 경도와 거의 동일하다. 이 내마모 부품의 표면을 0.1mm 정도 연삭(硏削)해서 제거 가공한 후의, 표면으로부터의 깊이 0.1mm인 위치 C를 에칭하면 도 2의 단면 조직처럼 된다.

이와 같이 분말 HSS의 압분체 소결품은 단시간의 질화 처리에서도, 소재 속에 기공이 있기 때문에 질화용 가스가 내부까지 쉽사리 침투하므로 깊숙하게 질화된다. 따라서, 통상의 질화 처리에서는, 소재를 대충 가공(rough machining)한 후에, 질화 처리를 하고, 다시 마무리 가공하는 공정을 필요로 하고 있는 것에 대해, 분말 HSS의 압분체 소결품은, 소재에 질화 처리를 하고, 직접 마무리 가공을 해도 필요한 경도를 용이하게 얻을 수 있다. 또한 소재의 담금질 및 템퍼링에 의한 변형이 발생해서 가공 정밀도가 불균일하게 되더라도, 깊숙하게 질화되어 있으므로 완성품의 가장 단단한 화합물층의 표면경도의 변동을 적게 할 수 있다.

또한, 표면을 제거 가공함으로써, Fe-Cr-N 화합물층뿐만 아니라, Fe-Cr-N 확산층 및 기지(matrix)의 혼합 조직이 노출되지만, 이것은 표면에 가까운 장소에서도 경도가 낮은 부분이 존재하는 것으로부터도 이해할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명에 의한 내마모 부품은 우수한 내마모성을 유지하면서, 대충 실시하는 가공 공정을 생략할 수 있으므로, 염가로 제작할 수 있다.

실시예 1

3종류의 Cr을 함유한 철계 합금 분말을 소정의 형상으로 우선 성형하고, 이 성형체를 소정의 온도(예를 들면, 1180℃)에서 진공소결해서 소결체를 제작하여, 소결체에 소정의 열처리를 한 후, 표면형상을 조사하였다. 각 시료의 재료는 SKH51에 상당하고, 여기서는 시료 Ⅹ, Y, Z라고 한다.

표 1은 시료 Ⅹ, Y, Z의 열처리 후의 조성 분석 결과를 나타내고 있다.

또한 도 5는 각 시료의 소재에 대해 실시한 열처리 패턴을 나타내고 있고, 표 2는 각 시료의 재질특성을 나타내고 있다.

그 후, 시료 Ⅹ 및 Y에 대하여는 400℃의 온도에서 6시간 질화 처리를 한 것에 대해, 시료 Z에 대하여는 480℃의 온도에서 3시간의 대기(大氣) 처리(경미한 산화 처리)를 하고, 다시 400℃의 온도에서 6시간의 질화 처리를 하였다.

이어서, 배율 40∼20,000의 주사형 전자 현미경을 이용하여 각 시료의 표면형상 및 표면성상을 조사, 평가하였다.

도 6 내지 8은, 질화 후의 시료 Ⅹ, Y, Z의 배율 40일 때의 표면상태를 각각 나타내고 있는데, 시료 Y 및 Z는 같은 표면상태를 나타내고 있는 것에 대해, 시료 Ⅹ는 시료 Y 및 Z에 비해서 미소한 입상(粒狀)을 나타내고 있어, 활성의 표면상태가 나타나고 있다.

또한, 도 9 내지 12는 시료 Ⅹ의 배율 200, 1,000, 5,000, 20,000일 때의 표면상태를 각각 나타내고 있고, 도 13 내지 16은 시료 Y의 배율 200, 1,000, 5,000, 20,000일 때의 표면상태를 각각 나타내고 있다. 또한, 도 17 내지 20은 시료 Z의 배율 200, 1,000, 5,000, 20,000일 때의 표면상태를 각각 나타내고 있고, 도 21 및 22는 시료 Z의 다른 부위의 배율 5,000, 20,000일 때의 표면상태를 각각 나타내고 있다.

도 9 내지 12에 의하면, 시료 Ⅹ의 표면은 소립(小粒)이 압착 소결되어 소결 입자 간극(間隙)의 표면에 미세한 볼록(凸) 형상 석출물이 무수하게 존재하고 있고, 이들 미소한 석출물 주변에 질화물 입자의 석출이 나타나고 있다. 즉, 시료 Ⅹ는 400℃의 온도에서 6시간 질화 처리를 함으로써 내부까지 질화되어 있는 것을 알 수 있다.

도 13 내지 16에 의하면, 시료 Y는 시료 Ⅹ에 비해서 소결 입자가 크고, 도 9 및 10과 도 13 및 14를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 시료 Y는 비교적 평평한 표면상태를 나타내고 있고, 배율 5,000 이상의 관찰에 있어서도, 시료 Ⅹ에서 나타나는 미세 볼록(凸) 형상 석출물의 비율이 적어 안정한(불활성의) 표면상태에 있다.

또한, 도 17(배율 200)에 의하면, 시료 Z의 표면의 소결 입자는 시료 Y와 유사하고, 시료 Ⅹ에 비해서 큰 상태에 있지만, 도 18 내지 22에 나온 배율 1,000 이상의 관찰에 의하면, 시료 Z는 표면 및 소결 입자 간극(間隙)에 미세한 석출물이 시료 Ⅹ 이상으로 존재하여, 미시적으로는 시료 Ⅹ와 유사한 표면상태가 형성되어 있다.

시료 Y와 시료 Z의 상위점은, 소결 후의 소재의 대기(大氣) 처리의 유무에 있는데, 전자는 비처리 상태에 있는 것에 대해, 후자는 대기 처리한 상태에 있다. 비처리재는, 앞서 설명한 바와 같이 표면이 평평해서 안정한 상태를 나타내고 있지만, 대기 처리한 시료 Z는 표면에 볼록(凸) 형상 석출물이 무수히 생기고 있으므로, 시료 Ⅹ와 마찬가지로 표면이 활성화해 있다.

한편, 질화 후의 각 시료의 경도는 표 3에 나온 바와 같다.

표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 표면으로부터 깊이 0.01mm 및 0.05mm의 부위에서의 경도는 시료 Z, Ⅹ, Y의 순서로서, Z의 경우가 가장 높다.

표 3에 나온 경도와 앞서 설명한 표면형상을 비교하면, 질화 후의 표면에 존재하는 미세한 석출 입자는 도 9 내지 22에 나온 바와 같이 시료 Z, Y, Ⅹ의 순서로서, Z의 경우가 가장 밀도가 높다. 시료 Z는 시료 Y를 질화 처리하기 전에 대기 처리함으로써 시료 표면에 미세한 산화물 입자가 형성되어 있으므로, 시료 Z는 미세하게 석출한 산화물 입자가 표면을 활성화시킴으로써 질화반응이 용이해진 것이라고 상정된다.

또한, 시료 Y의 경우, 질화온도를 상승하거나(예를 들면, 약 430℃), 혹은 질화온도는 400℃이더라도 질화시간을 길게 함으로써(예를 들면, 약 10시간), 표면으로부터의 깊이 0.5mm의 부위에서의 경도가 900Hv 이상까지 높아질 경우도 있었지만, 질화가 불안정해서 균열이 발생하는 경우도 있었다.

더욱이, 시료 Z에 대하여, 처리 시간을 일정(3시간)하게 하고, 처리 온도를 280℃、380℃、480℃、580℃로 변경해서 대기 처리를 한 결과, 280℃에서는 표면으로부터 깊이 1.5mm의 부위에서의 경도가 900Hv를 밑돌았지만, 처리 온도가 380℃ 이상인 경우, 표면으로부터 깊이 1.5mm까지의 경도가 모두 900Hv 이상인 것이 확인되었다.

즉, 시료 Y 및 Z는 질화성이 나쁘지만, 380℃의 온도에서 3시간의 대기 처리를 한 후, 400℃의 온도에서 6시간의 질화 처리를 함으로써, 시료 Ⅹ와 마찬가지로 질화성이 향상한다.

또한 각 시료는 표층 근방에서의 합금원소(Cr, W, Mo, Ⅴ) 및 0(산소) 농도에 차이가 나타나서, 이들 원소농도 분포의 차이가 질화반응에 영향을 미치고 있다.

더욱 상세히 설명하면, 각 시료의 표층조성 조사를 약 50㎛의 깊이까지 실시한 바, 어느 재료라도 3㎛ 이상의 심도(深度) 부분의 농도는 거의 같은 값을 나타냈으므로, 3㎛의 깊이까지의 데이터를 기초로 해서 표층을 구성하는 원소의 농도 분포를 해석하였다.

그 결과, 시료 Ⅹ는 표층으로부터 약 0.2㎛의 깊이에서 기재부(基材部) 조성의 약 2∼3배로 농화(濃化)한 Cr, W, Mo 및 Ⅴ의 농화 영역이 나타났고, 최표층에서 약 30％에 달하는 0(산소)의 양이 검출되었다. 또한, 시료 Y의 표층 근방에서의 W, Mo 및 Ⅴ 농도는 기재부 조성의 약 1.5배 정도로 농화해 있었지만, Cr은 탈(脫)원소화 현상을 나타내고 있었다. 더욱이, 최표층에서의 O(산소) 농도는 약 6％ 정도이며, 시료 Ⅹ에 비하면 낮다.

또한, 시료 Z는 시료 Ⅹ와 마찬가지로 표층으로부터 약 0.2㎛의 깊이에서 기재부 조성의 약 1.5∼2배로 농화한 W 및 Mo와, 최표층에서 약 6％ 정도의 0(산소)의 양이 검출되었다. 한편, Cr 및 Ⅴ의 거동은 시료 Y와 유사하고, 전자는 탈원소거동을 나타내고, 후자는 최표층에서 농화하는 현상을 나타내었다.

이상으로부터, 시료 Z 표층을 구성하는 원소농도는, 시료 Ⅹ와 시료 Y의 중간적 양상을 가지고 있는 것이라고 상정된다.

도 23은 각 시료의 표층에서의 합금원소의 최고 농도를 나타내고 있는데, 표층에서의 Cr, W, Mo 및 Ⅴ의 양은 시료 Ⅹ가 가장 높다. 또한, 시료 Y와 시료 Z에 있어서는, Cr의 양은 거의 등량(等量)이지만, 그 밖의 원소는 시료 Y에 비해서 시료 Z가 높다. 이들 사실로부터, 질화했을 경우, 시료 Ⅹ, Z, Y의 순서로 전자일 수록 경화하기 쉬운 상태에 있는 것이라고 추측된다.

각 시료는 대기 가열 처리함으로써 질화가 용이해지기 때문에, 각 합금원소의 최고 농도 부위에서의 0(산소) 농도에 착안하면 도 24의 그래프가 얻어졌다. 이 그래프에 의하면, Ⅴ의 최고 농도 부위에서의 0(산소) 농도의 거동을 제외하면, 시료 Ⅹ는 다른 시료에 비해서 고농도의 0(산소)의 양이 검출된다. 한편, 질화하기 어려운 시료 Y는 0(산소) 농도가 가장 낮다. 이들 사실로부터 표층 근방에서 생기는 Cr, W 및 Mo의 최고 농도 부위에서의 0(산소) 농도의 고저(高低)가 질화의 난이(難易)를 결정하고 있는 것이라고 상정된다.

그리고 Ⅴ 최고 농도 부위에서의 0(산소) 농도가 시료 Z에서 높은 것은, 시료 Z에서는 최표면에서 Ⅴ 농도가 가장 높고, 다른 시료는 최표면보다도 내부로 들어간 개소에서 Ⅴ 농도가 높아지고 있는데, 이것은 O(산소)의 양의 흡수차에 의해 생긴 것으로서, V의 양과의 직접적인 관계는 희박한 것이라고 상정된다.

본 실시예에 의하면, 시료 Z는 시료 Ⅹ와 마찬가지로 질화물의 미세한 석출 입자가 표면을 피복하고 있어, 그 밀도는 일견하면 시료 Ⅹ 이상이라고 생각된다. 이것이, 최외 표층에서의 경도의 서열을 결정짓고 있어, 대기 처리에 의한 표면형상 변화에 의해 생긴 미세 석출 입자가 질소의 흡수를 유발한 것이라고 추정된다. 또한 시료 Ⅹ 및 Z의 질화 후의 소결 소재의 표면의 거의 전체면이 0.1∼0.5㎛ 정도의 입자 혹은 돌기로 피복되어 있는 것을 관찰할 수 있었다.

이상으로부터 시료 Ⅹ 및 Z는 본 발명에 의한 내마모 부품의 재료로서 바람직하게 사용할 수 있는 것에 대해, 시료 Y의 사용은 바람직하지 못하다.

또한, 이상으로부터 다음과 같이 판단할 수 있다.

(1) 질화 후의 재료의 표면은 소재의 표면상태를 계속하고 있고, 시료 Ⅹ 및 시료 Z는 표면에 미세 석출물이 다수 나타나지만, 시료 Y는 석출물이 적어 평면적이다.

(2) 질화 후의 깊이 0.01mm 및 0.05mm인 부위의 경도는, 시료 Z가 가장 높고, 그 다음이 Ⅹ, Y의 순서이다. 표층 경도는 표면 석출물의 밀도와 밀접한 관련이 있다.

(3) 질화의 난이(難易)의 정도는, 표층에 생기는 합금원소의 농화, 농도분포 상태 및 미소 산화물 입자 등의 표면 활성화 현상에 의해 지배되고 있다.

본 발명에 의한 내마모 부품은, 마무리 가공할 때에, 연한 기지(matrix) 부분의 가공량이 많아져서 기름 구멍이 되는 미소한 공동이 형성되고, 또한 연한 기지 부분에 미소한 마모가 발생해서 기름 구멍이 형성되므로, 내마모성이 향상해서 눌어붙는 현상(seizing)을 발생하지 않아, 엔진 혹은 압축기의 접동 부품(sliding component) 등에 사용하면 효과적이다.

Claims (9)

1. Cr을 함유한 철계 합금 분말을 사용해서 압분체(壓粉體) 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 하여 표면을 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
2. Cr을 함유한 철계 합금 분말에 Mn, Ti, Ⅴ 중의 적어도 1종의 금속 원소를 함유하는 합금 분말을 사용해서 압분체 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 하여 표면을 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 기지의 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 표면에 기공이 존재하고, 기공의 근방을 Fe-Cr-N 화합물층으로 형성시키며, 기공으로부터 멀어짐에 따라 Fe-Cr-N 확산층과 기지의 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
4. Cr을 함유한 철계 합금 분말을 사용해서 압분체 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 하여 표면을 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 소르바이트의 기지 조직의 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
5. 제4항에 있어서, 표면에 기공이 존재하고, 기공의 근방을 Fe-Cr-N 화합물층으로 형성시키며, 기공으로부터 멀어짐에 따라 Fe-Cr-N 확산층과 소르바이트 조직의 기지의 혼합 조직을 형성시킨 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
6. 압분체 소결 성형에 의해 소재를 성형하고, 담금질 및 템퍼링한 후, 침탄 성분을 배제한 질화 처리를 하고, 일부의 표면에 제거 가공을 하여 표면을 적어도 Fe-Cr-N 화합물층을 함유하는 혼합 조직으로 한 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 질화 처리 전에 대기(大氣) 처리를 하도록 한 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 대기 처리를 380℃의 온도 이상에서 실시하도록 한 것을 특징으로 하는 내마모 부품의 제작 방법.
9. 표면에 Fe-Cr-N 화합물층과 Fe-Cr-N 확산층과 기지(matrix)의 혼합 조직을 가지고, 질화 후의 소결 소재의 표면의 거의 전체면이 0.1∼0.5㎛ 정도의 입자 혹은 돌기로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모 부품.

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