KR20080095996A - Method for formation of nitrided/carburized layer on stainless steel by the application of low temperature plasma technique - Google Patents

Method for formation of nitrided/carburized layer on stainless steel by the application of low temperature plasma technique Download PDF

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Abstract

A method for formation of nitrided/carburized layer on stainless steel by the application of low temperature plasma technique is provided to improve he load-bearing capacity by ensuring enough thickness of stiffened layer. A method for formation of nitrided/carburized layer on stainless steel performs as follows 1) a preprocess step(S1) which pre-processes the base material and charged at the chamber; 2) a step(S2) it injects the gas for the pre-sputtering into the chamber, and where the chamber decides on the surface of the base material to the Han plasma-generating in the voltage authorization of the pressure maintenance of the temperature keeping of 300deg.C~470deg.C and 1~10Torr and 300~1000V for 50 minutes ~2 hours with pre-sputtering; 3) a carburizing step(S3) injecting the mixed gas in which the volume ratio is comprised of the H2 of 50~94%, the Ar of 5~40%, and the CH4 of 1~10% into the chamber and forms the supersaturation carbon layer into plasma-generating by the voltage authorization of the pressure maintenance of the temperature of 400~700deg.C and 1~10Torr and 400~1000V for 1~50 hours; 4) a nitrification treatment step(S4) injecting the mixed gas in which the volume ratio is comprised of the H2 of 10~85%, the Ar of 5~40%, and the N2 of 10~85% into the chamber and forms the supersaturation nitrogen layer into plasma-generating by the voltage authorization of the pressure maintenance of the temperature of 300~390deg.C and 1~10Torr and 400~1000V for 1~10 hours; 5) a formation method of the stainless steel carburization nitride layer using the low temperature plasma technique wherein the cooling step(S5) carrying the base material out is performed in the chamber after cooling the chamber to 250deg.C.

Description

저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법{Method for formation of nitrided/carburized layer on stainless steel by the application of low temperature plasma technique}Method for formation of nitrided / carburized layer on stainless steel by the application of low temperature plasma technique

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법을 보여주는 순서도.1 is a flow chart showing a method of forming a stainless steel carburized nitride layer using a plasma according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법으로 처리된 시편의 단면사진을 보여주는 실험사진.Figure 2 is an experimental photograph showing a cross-sectional photograph of the specimen treated by the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention and the conventional treatment method.

도 3은 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법과 미처리된 시편의 동전위 분극실험 후의 표면사진을 보여주는 실험사진.Figure 3 is an experimental photograph showing the surface photograph after the polarization test of the specimen treated with the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention and the conventional treatment method and untreated specimen.

도 4는 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법과 미처리된 시편의 내식성을 비교한 그래프도.Figure 4 is a graph comparing the corrosion resistance of the specimen treated with the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention and the conventional treatment method and the untreated specimen.

도 5는 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법으로 처리된 시편의 표면 경도를 비교한 그래프도.5 is a graph comparing the surface hardness of the specimen treated by the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention and the specimen treated by the conventional treatment method.

도 6은 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법으로 처리된 시편의 글로방전 방출 분광법(GDS)에 의한 분석결과를 비교한 그래프도.Figure 6 is a graph comparing the analysis results by Glow Discharge Spectroscopy (GDS) of the specimen treated with the method of forming a carburized nitriding layer according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리 방법과 미처리된 시편의 X-선 회절분석 결과를 보여주는 그래프도.Figure 7 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the specimen treated with the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention and the conventional method and untreated specimen.

도 8a 및 8b 각각은 침탄처리만을 한 시편과 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편의 표면 사진을 보여주는 실험사진.8a and 8b are photographs showing surface photographs of the specimens subjected to carburization only and the specimens treated by the method of forming a carburizing nitride layer according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법에 있어 챔버내의 온도변화를 보여주는 그래프도.9 is a graph showing the temperature change in the chamber in the method of forming a stainless steel carburized nitride layer using a plasma according to the present invention.

도 10은 본 발명에 사용되는 플라즈마 이온 장치의 간단한 구성도.10 is a simple configuration diagram of a plasma ion device used in the present invention.

**도면의 참조부호에 대한 설명**** Description of reference numerals in the drawings **

H : 히터 P : 시편(스테인리스 스틸)H: Heater P: Specimen (stainless steel)

PS : 플라즈마 Vp : 진공펌프PS: Plasma Vp: Vacuum Pump

S1 : 전처리 단계 S2 : 프리스퍼터링 단계S1: pretreatment step S2: presputtering step

S3 : 침탄처리 단계 S4 : 질화처리 단계S3: Carburizing Treatment Step S4: Nitriding Treatment Step

S5 : 냉각 단계S5: cooling stage

본 발명은 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 침탄처리에 의한 충분한 경화층의 두께 확보를 통한 하중지탱능력의 증가 내식성의 증가 및 질화처리에 의한 내마모성의 증가를 동시에 확보하되 부가 석출물 생성을 억제하여 양질의 과포화경화 조직을 확보하기 위하여 저온에서 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸의 침탄질화방법을 제공하는 데 있다.The present invention relates to a method for forming a stainless steel carburized nitride layer using plasma, and more particularly, to increase load-bearing capacity through securing a sufficient thickness of a hardened layer by carburizing and to increase corrosion resistance and to increase wear resistance by nitriding. In order to secure the at the same time, but to suppress the addition of precipitates to provide a high quality supersaturated hardened structure to provide a carburizing nitriding method of stainless steel using a plasma at a low temperature.

금속 재료 중 스테인리스 스틸(stainless steel)은 표면에 형성된 20~50Å의 얇은 산화막(Cr2O3)이 존재하여 부식으로부터 표면을 보호하는 역할을 한다. 이러한 높은 내식성으로 인해 식품, 약품, 식기 등 다양한 분야에 사용되고 있으나, 낮은 경도 특성 때문에 그 수요가 높은 자동차, 기계, 전자 부품에는 사용에 제약이 따르고 있다. 이에 스테인리스 스틸의 표면 처리 기술이 빠른 속도로 개발되고 있는 실정에 있다.Stainless steel (stainless steel) of the metal material has a thin oxide film (Cr 2 O 3 ) of 20 ~ 50Å formed on the surface serves to protect the surface from corrosion. Due to such high corrosion resistance, it is used in various fields such as food, medicine, tableware, etc., but due to its low hardness characteristics, the use of automobiles, machinery, and electronic components with high demand is limited. Therefore, the surface treatment technology of stainless steel is being developed at a high speed.

통상, 표면 처리방법으로는 침탄(carburizing)법, 질화(nitriding)법 등이 있다. 먼저, 상기 침탄법은 가장 오래된 표면경화법의 하나로 탄소가 적은 모재를 목탄과 같은 탄소로 구성된 물질 및 탄소를 포함하는 가스와 접촉시킨 상태에서 높은 온도로 가열하여 모재의 내부로 탄소를 흡수케 하는 방법이다.Usually, the surface treatment methods include carburizing, nitriding, and the like. First, the carburizing method is one of the oldest surface hardening methods, which absorbs carbon into the base material by heating it to a high temperature while contacting a base material having a low carbon with a material composed of carbon such as charcoal and a gas containing carbon Way.

상기 질화법은 다른 열처리 경화법에 비하여 처리 후 변형이 적기 때문에 기계부품의 수명연장 수단으로 전 산업분야에 활용되고 있다. 질화라 함은 질소를 모재에 침투시켜 그 표면을 경화시키는 조작을 말하는 것이다.Since the nitriding method has less deformation after treatment than other heat treatment hardening methods, the nitriding method is used in all industries as a means of extending the life of mechanical parts. Nitriding refers to an operation of hardening the surface by infiltrating nitrogen into a base material.

특히, 플라즈마를 이용한 질화는 플라즈마 방전에 의한 활성이온을 금속 표면에 침투시켜 경화처리 하는 것으로, 금속재료를 반응로 내에 설치한 상태에서 진 공 상태의 반응로를 일정한 반응온도로 가열하는 한편, 반응로에 질화용가스를 투입시키고, 금속재료에 일정한 펄스형 음전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 공정에 의해 금속재료의 표면을 경화처리 한다.Particularly, nitriding using plasma involves hardening treatment by injecting active ions by plasma discharge into the metal surface, while heating the vacuum reactor to a constant reaction temperature while the metal material is installed in the reactor. Nitriding gas is introduced into the furnace, and a surface of the metal material is hardened by applying a pulsed negative voltage to the metal material to generate a plasma.

이에, 스테인리스 스틸의 내마모성을 증가시키기 위해 질화법에 의한 표면처리를 하는 경우 500℃~600℃ 온도범위에서 금속재료의 표면으로부터 내부로 질소를 확산 침투시켜 경도를 높이는 것이 일반적이다.Therefore, in the case of performing the surface treatment by nitriding in order to increase the wear resistance of stainless steel, it is common to increase the hardness by diffusing and penetrating nitrogen from the surface of the metal material to the inside in the temperature range of 500 ° C to 600 ° C.

그러나 상기 질화처리는 모재인 스테인리스 스틸 표면에 높은 경화층을 형성함으로써 표면 경도는 향상시킬 수 있으나, 500℃ 이상에서 행해지는 질화공정의 특성상 CrN이 석출되어 표면에 얇고 안정한 Cr2O3피막을 형성할 수 없다. 따라서, 모재의 물성이 저하되어 내식 특성을 현저하게 떨어뜨리는 문제가 있었으며 이는 상기 내식성이 떨어지는 문제로 인하여 질화처리 단계를 400℃ 이하로 구성함으로써 내식성은 확보되지만 부득이하게 효율적인 내마모성 및 얇은 경화층 두께로 인한 하중지탱능력을 확보할 수 없는 문제점이 있었다.However, the nitriding treatment can improve the surface hardness by forming a high hardened layer on the surface of the stainless steel as a base material, but due to the nature of the nitriding process performed at 500 ° C. or higher, CrN is deposited to form a thin and stable Cr 2 O 3 film on the surface. Can not. Therefore, the physical properties of the base material is lowered, which has a problem of significantly lowering the corrosion resistance. This is because of the problem of inferior corrosion resistance, which constitutes a nitriding treatment at 400 ° C. or lower, thereby ensuring corrosion resistance but inevitably efficient wear resistance and thin cured layer thickness. There was a problem that can not secure the load bearing capacity.

한편, 상술한 표면 처리방법을 위하여 플라즈마(plasma)를 사용하는 표면 처리장치를, 도 10을 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 본 발명에 따른 침탄질화 처리 방법 또한 아래의 플라즈마 처리 시스템을 이용하는 것이므로, 본 발명을 설명함에 있어 동 장치의 설명에 갈음하기로 한다.Meanwhile, a surface treatment apparatus using plasma for the surface treatment method described above will be described with reference to FIG. 10. Since the carburization-nitriding treatment method according to the present invention also uses the following plasma treatment system, the present invention will be replaced with the description of the apparatus.

도 10은 본 발명에 사용되는 플라즈마 이온 장치의 간단한 구성도이다.10 is a simple configuration diagram of a plasma ion device used in the present invention.

도 10에서와 같이, 플라즈마 질화 또는 플라즈마 침탄은 모재의 시편(P) 외부에서 발생된 플라즈마에 질화용 또는 침탄용 기체를 통과시켜 시편(P)을 질화 또는 침탄시키는 것으로, 챔버(1) 내부 중앙에 음극 전원을 갖는 기판(2)을 설치하고 상기 기판(2) 위에 시편(P)을 구비하고 챔버 내측에 히터(H)를 설치한다.As shown in FIG. 10, the plasma nitriding or plasma carburizing is performed by nitriding or carburizing the specimen P by passing a gas for nitriding or carburizing through a plasma generated outside the specimen P of the base metal, and centering the inside of the chamber 1. A substrate 2 having a cathode power source is installed on the substrate 2, a specimen P is provided on the substrate 2, and a heater H is installed inside the chamber.

상기 챔버(1) 상부에는 가스투입부(4)를 설치되며 하부에는 진공펌프(Vp)를 설치하여 시편(P) 주변에 플라즈마(PS)를 생성시킬 수 있도록 한다. 또한, 상기 기판(2)과 히터(H)에는 전원장치(5)를 통하여 전원을 공급하도록 구성된다.The gas injection unit 4 is installed above the chamber 1, and a vacuum pump Vp is installed below the chamber 1 to generate plasma PS around the specimen P. In addition, the substrate 2 and the heater H are configured to supply power through the power supply 5.

상기 챔버(1) 내에 침탄 또는 질화처리에 대응하는 가스를 투입하고 히터(H)를 작동시켜 내부 온도를 증가시킨 뒤 플라즈마(PS)를 일정 시간 동안 발생시킴으로써 모재인 시편(P) 표면층에 해당 형성층을 이루도록 한다.Injecting a gas corresponding to carburizing or nitriding treatment into the chamber 1 and operating the heater H to increase the internal temperature, and then generate a plasma PS for a predetermined time, thereby forming the corresponding layer on the surface of the specimen P, which is the base material. To achieve.

한편, 스테인리스 스틸의 내식성과 내마모성 모두를 확보하기 위하여 플라즈마 처리 시스템을 사용한 저온(low temptature) 침질탄화(Nitrocarburizing) 방법을 사용되기도 하기도 하는데, 이와 같은 기존 처리방법은 플라즈마 표면 처리방법으로 모재를 처리하는 경우 과포화탄소층과 과포화질소층 형성에 구성되는 여러 가스성분( H2, Ar, N2, CH4 등)을 모두 동시에 넣고 가열하고 플라즈마로써 부식에 강하고 경도가 높은 표면 형성층을 형성하는 것이다.Meanwhile, in order to secure both corrosion resistance and abrasion resistance of stainless steel, a low temptature nitrocarburizing method using a plasma treatment system may be used. Such a conventional treatment method uses a plasma surface treatment method to treat a base material. In this case, several gas components (H 2 , Ar, N 2 , CH 4, etc.) at the same time, and heating them together to form a surface forming layer resistant to corrosion and high hardness by plasma.

하지만, 도 2 내지 도 3 각각에서 보이는 것과 같이, 상기의 기존 처리방법 에 의해 구성되는 표면 형성층은 충분한 두께를 확보하기가 힘들뿐 아니라, 400℃ 이상으로 챔버 온도를 유지하여야 충분한 두께를 확보하기 때문에 불필요한 CrN 석출물이 생성되어 내식특성이 현저하게 저하되는 문제점이 있었다.However, as shown in each of Figures 2 to 3, the surface forming layer formed by the conventional treatment method is not only difficult to ensure a sufficient thickness, but also to ensure a sufficient thickness to maintain the chamber temperature above 400 ℃ Unnecessary CrN precipitates are generated, there is a problem that the corrosion resistance is significantly reduced.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성함에 있어 침탄처리에 의한 충분한 경화층의 두께확보를 통한 하중지탱능력의 증가 및 내식성의 증가 및 질화처리에 의한 내마모성의 증가를 동시에 확보하되 부가 석출물 생성을 억제하도록 하여, 표면 형성층이 양질의 과포화경화 조직으로 구성될 수 있는 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸의 침탄질화방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, in the formation of a stainless steel carburizing nitriding layer to increase the load-bearing capacity and increase the corrosion resistance and nitriding treatment through securing the thickness of a sufficient hardened layer by carburizing treatment It is an object of the present invention to provide a method of carburizing and nitriding stainless steel using plasma in which the surface forming layer can be composed of high-quality supersaturated hardened tissue, while simultaneously securing an increase in wear resistance.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스 스틸을 모재로 하여 상기 모재를 챔버 내에 장입시켜 가열과 플라즈마를 이용하여 과포화탄소층과 과포화질소층를 연속적으로 형성시키는 방법에 있어서, 1) 모재를 전처리하여 챔버에 장입하는 전처리 단계; 2) 상기 챔버에 프리스퍼터링(pre-sputtering)용 가스를 주입하되, 상기 챔버는 300℃~470℃의 온도 유지 및 1~10Torr의 압력 유지와 300~1000V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 50분~2시간 동안 상기 모재의 표면을 프리스퍼터링 하는 단계; 3) 상기 챔버에 50~94%의 H2 , 5~40%의 Ar, 1~10%의 CH4으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 주입하고 400~700℃의 온도 및 1~10Torr의 압력 유지와 400~1000V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 1~50시간 동안 과포화탄소층을 형성하는 침탄처리 단계; 4) 상기 챔버에 10~85%의 H2 , 5~40%의 Ar, 10~85%의 N2으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 주입하고 300~390℃의 온도 및 1~10Torr의 압력 유지와 400~1000V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 1~10시간 동안 과포화질소층을 형성하는 질화처리 단계; 5) 상기 챔버를 250℃ 까지 냉각한 다음 상기 챔버에서 모재를 반출하는 냉각단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of continuously forming a supersaturated carbon layer and a supersaturated nitrogen layer by using austenitic stainless steel as a base material and charging the base material into a chamber using heating and plasma. Pretreatment step of pre-treating the charge into the chamber; 2) Injecting a gas for pre-sputtering into the chamber, the chamber is 50 minutes by maintaining a temperature of 300 ℃ ~ 470 ℃, maintaining a pressure of 1 ~ 10 Torr and plasma generation by applying a voltage of 300 ~ 1000V Presputtering the surface of the base material for ˜2 hours; 3) Injecting a mixed gas composed of 50 to 94% H 2 , 5 to 40% Ar, and 1 to 10% CH 4 in a volume ratio and maintaining a temperature of 400 to 700 ° C. and a pressure of 1 to 10 Torr. Carburizing treatment step of forming a supersaturated carbon layer for 1 to 50 hours by plasma generation by applying a voltage of 400 ~ 1000V; 4) Injecting a mixed gas having a volume ratio of 10 to 85% H 2 , 5 to 40% Ar, and 10 to 85% N 2 into the chamber, and maintaining a temperature of 300 to 390 ° C. and a pressure of 1 to 10 Torr. And a nitriding treatment step of forming a supersaturated nitrogen layer for 1 to 10 hours by plasma generation by applying a voltage of 400 to 1000 V; 5) It provides a method of forming a stainless steel carburized nitriding layer using a low temperature plasma technology comprising the step of cooling the chamber to 250 ℃ and then carrying out the base material from the chamber.

또한, 상기 침탄처리 단계와 질화처리 단계 사이에는 상기 챔버의 온도를 300~390℃의 온도로 냉각시키는 단계가 더욱 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법을 제공한다.In addition, between the carburizing step and the nitriding step provides a method for forming a stainless steel carburized nitriding layer using a plasma, characterized in that further comprising the step of cooling the temperature of the chamber to a temperature of 300 ~ 390 ℃. .

또한, 상기 프리스퍼터링 단계는 20~80%의 H2 와 20%~80%의 Ar으로 부피비율이 구성된 혼합기체가 상기 프리스퍼터링용 가스인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법을 제공한다.In addition, the pre-sputtering step is a stainless steel carburized nitriding layer using a low-temperature plasma technology, characterized in that the mixed gas composed of the volume ratio of 20 to 80% H 2 and 20% to 80% Ar is the presputtering gas. It provides a method of forming.

또한, 상기 침탄단계 및 질화단계 각각은 챔버 내의 설정된 유지압력에 도달하기 전 0.6~1 Torr에 달하는 시점에서 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법을 제공한다.In addition, the carburizing step and the nitriding step each provide a method for forming a stainless steel carburizing nitriding layer using a low-temperature plasma technology, characterized in that for generating a plasma at a time point of 0.6 ~ 1 Torr before reaching the set holding pressure in the chamber. do.

또한, 상기 프리스퍼터링 단계, 침탄처리 단계, 질화처리 단계 및 냉각단계 각각은 우선적으로 챔버 내에 잔존하는 공기 또는 이전 단계의 잔존가스를 배출하 여 50mTorr의 압력을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법을 제공한다.In addition, each of the pre-sputtering step, carburizing step, nitriding step and cooling step is to discharge the remaining air or the remaining gas of the previous step in the chamber to achieve a pressure of 50mTorr preferentially Provided is a method of forming a stainless steel carburized nitride layer.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 각 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같다. 이에, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기에서 설명된 본 발명에 대한 구성요소 간의 관계 등에 따른 설명이 중복되는 경우에는 그 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Therefore, in the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, in the case where descriptions according to the relationship between the elements of the present invention described above are overlapped, the description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법을 보여주는 순서도이다.1 is a flow chart showing a method of forming a stainless steel carburized nitride layer using a plasma according to the present invention.

도 1에서와 같이 본 발명은 모재인 스테인리스 스틸의 표면에 과포화탄소층과 과포화질소층을 형성하기 위하여 크게, 상기 모재를 전처리하는 단계(S1)와, 상기 모재를 프리스퍼터링(pre-sputtering)하는 단계(S2)와, 상기 모재를 침탄(carburizing)처리하는 단계(S3)와, 상기 모재를 질화(nitriding)처리하는 단계(S4)와 마지막으로 냉각하는 단계(S5)로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the present invention provides a pre-sputtering step (S1) and a pre-sputtering of the base material in order to form a supersaturated carbon layer and a supersaturated nitrogen layer on a surface of stainless steel as a base material. Step S2, carburizing the base material (S3), nitriding the base material (S4) and finally cooling (S5).

상기 전처리 단계(S1)는 모재 표면의 불순물들을 제거하기 위한 공정으로써 통상의 세척과정을 포함한다. 특히, 상기 전처리 단계(S1)의 보다 구체적이고 양호 한 실시 예로써 다음과 같은 전처리 단계(S1)를 제안할 수 있다.The pretreatment step (S1) includes a conventional washing process as a process for removing impurities on the surface of the base material. In particular, as a more specific and preferred embodiment of the pretreatment step S1, the following pretreatment step S1 may be proposed.

먼저, 모재의 표면을 사포 등으로 연마할 수 있으며 상기 표면 연마된 모재를 알루미나 슬러리(Alumina slurry)를 사용하여 경면처리(鏡面處理)하여 보다 표면의 거칠기를 고를 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 경면처리된 상기 모재를 다시 아세톤 용액에 침지시켜 초음파 세척으로 마무리하는 것이 바람직하다. 다음으로 상기 표면 연마와 세척 등의 공정이 마친 뒤 상기 모재를 통상의 플라즈마 이온 장치에 구성된 챔버에 장입하도록 한다.First, the surface of the base material may be polished with sandpaper or the like, and the surface polished base material is preferably mirror-treated using an alumina slurry to more evenly roughen the surface. In addition, the mirror-treated base material is preferably immersed in an acetone solution to finish by ultrasonic cleaning. Next, after the surface grinding and cleaning process is completed, the base material is charged into a chamber configured in a conventional plasma ion device.

상기 플라즈마 이온 장치는 전술한 종래기술의 설명과 동일하므로 중복되는 장치의 설명은 생략하도록 한다.Since the plasma ion device is the same as the above description of the related art, description of the overlapping device will be omitted.

모재를 프리스퍼터링(pre-sputtering)하는 단계(S2)는 상기 전처리된 모재의 표면을 프리스퍼터링하여 모재의 표면에 있는 산화막 등의 불순물을 더욱 제거하고, 이후 실시되는 침탄처리 및 질화처리시 모재의 표면에 각 형성층(과포화탄소층과 과포화질소층)이 더욱 더 안정적으로 생성되도록 하기 위함이다.Pre-sputtering the base material (S2) is to further remove the impurities such as the oxide film on the surface of the base material by pre-sputtering the surface of the pre-treated base material, after the carburizing treatment and nitriding treatment This is to make each formation layer (persaturated carbon layer and supersaturated nitrogen layer) on the surface more stable.

프리스퍼터링은 모재의 표면을 이온충격(ion bombardment)효과에 의한 것으로 불활성 원소를 부딪쳐서 금속 분자 및 불순물을 쫓아낸 후 표면에 막을 부착하여 표면을 깨끗이 하는 것이다. 상기 프리스퍼터링을 하기 위한 불활성 가스로는 CO2, CO, Ar, H2 가스를 단독 혹은 이들의 적당한 혼합으로 이루어지는 것이 일반적이다.Pre-sputtering is the ion bombardment effect on the surface of the base material. It strikes inert elements to drive out metal molecules and impurities, and then attaches a film to the surface to clean the surface. As the inert gas for presputtering, CO 2 , CO, Ar, and H 2 gases are generally made of only one or a suitable mixture thereof.

한편, 본 발명에서 제안하는 프리스퍼터링 단계(S2)는 상기 전처리 단계 후의 모재를 안치하고 있는 챔버에 프리스퍼터링용 가스(불활성 가스)를 주입한다. 이때 상기 챔버는 300℃~470℃의 온도를 유지하도록 한다. 특히 상기 프리스퍼터링용 가스는 80%의 H2 와 20%의 Ar으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 구성하도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 챔버내의 압력은 1~10Torr로 유지하도록 한다.On the other hand, the pre-sputtering step (S2) proposed in the present invention injects the pre-sputtering gas (inert gas) into the chamber in which the base material after the pretreatment step is placed. At this time, the chamber is to maintain a temperature of 300 ℃ ~ 470 ℃. In particular, the pre-sputtering gas is preferably to form a mixed gas consisting of a volume ratio of 80% H 2 and 20% Ar. The pressure in the chamber is maintained at 1 to 10 Torr.

상기 프리스퍼터링용 가스가 챔버에 주입되면 300~1000V의 전압인가를 가하여 플라즈마 생성하여 상기 모재의 표면을 프리스퍼터링 하되, 그 진행 시간은 50분~2시간으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.When the presputtering gas is injected into the chamber, plasma is applied by applying a voltage of 300 to 1000 V to presputter the surface of the base material, but the advancing time is preferably 50 minutes to 2 hours.

상기 프리스퍼터링된 모재를 침탄처리 하는 단계(S3)는 챔버에 침탄처리용 가스를 주입하고 일정전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 플라즈마에 의한 침탄 과정을 통해 상기 모재의 표면에 침탄물층인 과포화탄소층(γC, C-enriched layer)을 형성하게 한다. Carburizing the pre-sputtered base material (S3) injects a gas for carburizing treatment into the chamber and generates a plasma by applying a constant voltage to the supersaturated supercarbide layer on the surface of the base material through the carburization process by the plasma. To form a carbon layer (γ C , C-enriched layer).

상기 침탄처리 단계(S3)의 구체적인 사항은 다음과 같다.Specific details of the carburization step (S3) are as follows.

챔버에 50~94%의 H2 , 5~40%의 Ar, 1~10%의 CH4으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 침탄처리용 가스로 구성하여 주입한다. 또한, 상기 챔버의 온도는 400~700℃으로 가열하여 유지시키며 1~10Torr의 압력을 유지시키도록 설정한다.Into the chamber, a mixture gas composed of 50 to 94% H 2 , 5 to 40% Ar, and 1 to 10% CH 4 is composed of carburizing gas. In addition, the temperature of the chamber is set to maintain a pressure of 1 ~ 10 Torr while maintaining the heating to 400 ~ 700 ℃.

그리고 상기 챔버에 400~1000V의 전압인가에 가하여 플라즈마를 생성하여 모재의 표면에 과포화탄소층(γC, C-enriched layer)을 형성하되, 그 진행 시간은 1~50시간으로 이루어지도록 한다. 한편, 상기 챔버 내의 설정된 유지압력에 도달하기 전 0.6~1Torr에 달하는 시점에서 플라즈마를 발생시키도록 하여 상대적으로 낮은 압력에서 플라즈마를 미리 발생시켜 플라즈마의 효율적인 운용이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.Then, a plasma is generated by applying a voltage of 400 to 1000 V to the chamber to form a supersaturated carbon layer (γ C , C-enriched layer) on the surface of the base material, but the progress time is made to be 1 to 50 hours. On the other hand, it is preferable to generate the plasma at a time point of 0.6 ~ 1 Torr before reaching the set holding pressure in the chamber to generate the plasma at a relatively low pressure in advance to enable efficient operation of the plasma.

이에, 상기 침탄처리 단계(S3)에서 모재의 표면에 형성되는 과포화탄소층은 상술된 각 조건에 의해 비교적 두꺼운 경화층(~25㎛ 정도의 두께로써 후술 되는 질화처리 단계에서 생성되는 과포화질소층인 질화물층과 대비하면)을 형성하게 되어 하중지탱능력이 증가된다. 모재인 스테인리스 스틸에 있어 상기 침탄물층인 과포화탄소층은 표면경도는 비교적 낮지만 높은 내식성을 확보할 수 있는 특징이 있다.Thus, the supersaturated carbon layer formed on the surface of the base material in the carburizing step (S3) is a supersaturated nitrogen layer produced in the nitriding treatment step described later with a thickness of about 25 μm, which is relatively thick by each of the above-described conditions. In comparison with the nitride layer), the load carrying capacity is increased. In the base material stainless steel, the supersaturated carbon layer, which is the carburized layer, has a relatively low surface hardness but has high corrosion resistance.

한편, 상기 침탄처리 단계(S3)와 이어지는 질화처리 단계(S4) 각각의 챔버 온도변화는 약 100~300℃ 가량 낮아진다. 이에 상기 챔버를 침탄처리 단계(S3)가 완료된 후 상기 챔버내의 잔존 가스를 배출시켜 진공상태의 챔버를 유지한 상태에서 이어지는 다음 단계인 질화처리 단계(S4)에서의 설정 온도 300~390℃까지 냉각시키도록 함이 바람직하다.On the other hand, the chamber temperature change of each of the carburization step (S3) and the subsequent nitriding step (S4) is about 100 ~ 300 ℃ lowered. Accordingly, after the carburizing step S3 is completed, the chamber is cooled down to a set temperature of 300 to 390 ° C. in the nitriding step S4, which is a subsequent step in which the remaining gas in the chamber is discharged to maintain the chamber in a vacuum state. It is preferable to make it.

상기 프리스퍼터링된 모재를 질화처리 하는 단계(S4)는 챔버에 질화처리용 가스를 주입하고 일정전압을 인가하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 플라즈마에 의한 질화 과정을 통해 상기 모재의 표면에 질화물층인 과포화질소층(γN, N-enriched layer)을 형성하게 한다. 상기 질화처리 단계(S4)의 구체적인 사항은 다음과 같다.Nitriding the presputtered base material (S4) injects a nitriding treatment gas into the chamber and applies a constant voltage to generate a plasma, thereby supersaturating a nitride layer on the surface of the base material through nitriding by the plasma. Form a nitrogen layer (γ N , N-enriched layer). Specific details of the nitriding treatment step S4 are as follows.

챔버에 10~85%의 H2 , 5~40%의 Ar, 10~85%의 N2으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 질화처리용 가스로 구성하여 주입한다. 또한, 상기 챔버의 온도는 300~390℃으로 가열하여 유지시키며 1~10Torr의 압력을 유지시키도록 설정한다.Into the chamber, a mixture gas composed of 10 to 85% H 2 , 5 to 40% Ar, and 10 to 85% N 2 is composed of a nitriding gas. In addition, the temperature of the chamber is set to maintain a pressure of 1 ~ 10 Torr and maintained by heating to 300 ~ 390 ℃.

그리고 상기 챔버에 400~1000V의 전압인가에 가하여 플라즈마를 생성하여 모재의 표면에 과포화질소층을 형성하되, 그 진행 시간은 1~10시간으로 이루어지도록 한다. 또한, 상기 챔버 내의 설정된 유지압력에 도달하기 전 0.6~1 Torr에 달하는 시점에서 플라즈마를 발생시키도록 하여 상대적으로 낮은 압력에서 플라즈마를 미리 발생시켜 플라즈마의 효율적인 운용이 가능하도록 하는 것이 바람직하다.In addition, a plasma is generated by applying a voltage of 400 to 1000 V to the chamber to form a supersaturated nitrogen layer on the surface of the base material, but the progress time is made to be 1 to 10 hours. In addition, it is preferable to generate the plasma at a time point of 0.6 to 1 Torr before reaching the set holding pressure in the chamber so that the plasma can be generated in advance at a relatively low pressure to enable efficient operation of the plasma.

이때, 상기 질화처리 단계(S4)에서는 질화의 최대 온도를 390℃로 유지하는 것이 중요한데 이는 CrN이 석출되는 것을 방지하기 위함이다. 이처럼, 낮은 온도에서 CrN 석출물의 생성 없이 만들어진 과포화경화 조직인 과포화질소층을 S-phase (supersaturated or expanded austenite (γN)) 라고도 한다.At this time, in the nitriding treatment step (S4), it is important to maintain the maximum temperature of nitriding at 390 ° C. to prevent the precipitation of CrN. As such, the supersaturated nitrogen layer, which is a supersaturated hardened tissue produced without the formation of CrN precipitates at low temperatures, is also referred to as supersaturated or expanded austenite (γ N ).

또한, 상기 질화처리 단계(S4)에서 모재의 표면에 형성되는 질화물층인 과포화질소층은 상술된 각 조건에 의해 비교적 얇은 경화층(~5㎛ 정도의 두께로써 상술된 질화처리 단계에서 생성되는 침탄물층인 과포화탄소층과 대비하면)을 형성하게 된다. 모재(경도 250HV0.1)인 스테인리스 스틸에 있어 상기 과포화질소층은 높은 표면경도(경도 1300HV0.01)및 높은 내식성을 모두 확보할 수 있는 특징이 있다.In addition, the supersaturated nitrogen layer, which is a nitride layer formed on the surface of the base material in the nitriding treatment step (S4), is a carburizing produced in the nitriding treatment step described above with a relatively thin hardened layer (˜5 μm thickness) under each of the conditions described above. In contrast to the supersaturated carbon layer, which is the water layer). In the stainless steel of the base material (hardness 250HV 0.1 ), the supersaturated nitrogen layer is characterized by ensuring both high surface hardness (hardness 1300HV 0.01 ) and high corrosion resistance.

이후 상기 챔버를 250℃ 까지 냉각한 다음 상기 챔버에서 모재를 반출하는 냉각단계(S5)를 거쳐 최종적으로 모재인 스테인리스 스틸의 표면에 침탄질화층(γCN)의 형성을 완료한다.Thereafter, the chamber is cooled to 250 ° C., and then the formation of the carburized nitride layer (γ C + γ N ) is completed on the surface of the stainless steel, which is finally the base material, through the cooling step S5 of carrying out the base material from the chamber.

한편, 상기 프리스퍼터링 단계(S2), 침탄처리 단계(S3), 질화처리 단계(S4) 및 냉각단계(S5) 각각은 우선적으로 챔버 내에 잔존하는 공기 또는 이전 단계의 잔존가스를 배출하여 50mTorr의 압력을 이루도록 하여, 이어지는 단계에서 주입되는 가스(프리스퍼터링용 가스, 침탄용 가스, 질화용 가스)가 잔존가스에 의해 그 성분비가 변경되는 것을 막기 위함이며 이는 결과적으로 고품질의 표면층들을 형성하기 위함이다.On the other hand, each of the pre-sputtering step (S2), carburizing step (S3), nitriding step (S4) and cooling step (S5), each of the air remaining in the chamber or the remaining gas of the previous step is first discharged to a pressure of 50mTorr In order to achieve this, the gas injected in the subsequent step (pre-sputtering gas, carburizing gas, nitriding gas) is prevented from changing the component ratio by the remaining gas, which is to form high quality surface layers as a result.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따라 스테인리스 스틸의 표면에 침탄질화층을 형성한 시편과, 상기 시편의 경도 및 부식 특성을 실험 결과를 참고하여 알아보면 다음과 같다.Hereinafter, the hardness of the specimen and the corrosion characteristics of the specimen and the carburized nitride layer formed on the surface of the stainless steel according to an embodiment of the present invention with reference to the experimental results are as follows.

이하, 사용된 스테인리스 스틸은 AISI304L의 디스크 형상의 시편을 이용하였으며 일 실시예의 상세한 구성은 다음과 같다.Hereinafter, the stainless steel used used a disk-shaped specimen of AISI304L and the detailed configuration of one embodiment is as follows.

1) 상술된 전처리 단계(S1)에 따라 상기 시편을 챔버에 장입한다.1) Charge the specimen into the chamber according to the pretreatment step (S1) described above.

2) 프리스퍼터링 단계(S2)로써 상기 챔버에 80%의 H2 와 20%의 Ar으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 주입하고 300℃~470℃의 온도 유지 및 400V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 60분의 시간 동안 상기 시편(모재)의 표면을 프리스퍼 터링 한다.2) Injecting a mixed gas having a volume ratio of 80% H 2 and 20% Ar into the chamber as a pre-sputtering step (S2) and maintaining plasma at a temperature of 300 ° C. to 470 ° C. and generating a plasma by applying a voltage of 400V. Presputter the surface of the specimen (base) for 60 minutes.

3) 침탄처리 단계(S3)로써 상기 챔버에 75%의 H2 , 20%의 Ar, 5%의 CH4으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 주입하고 470℃의 온도 및 4Torr의 압력 유지와 500V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 25시간 동안 과포화탄소층을 형성한다. 3) Injecting a mixed gas composed of 75% H 2 , 20% Ar, 5% CH 4 into the chamber by carburizing step (S3), maintaining a temperature of 470 ° C. and a pressure of 4 Torr, and Plasma generation by voltage application forms a supersaturated carbon layer for 25 hours.

4) 질화처리 단계(S4)로써 상기 챔버에 65%의 H2 , 10%의 Ar, 25%의 N2으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 주입하고 370℃의 온도 및 2Torr의 압력 유지와 600V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 5시간 동안 과포화질소층을 형성한다.4) As a nitriding step (S4) , a mixed gas having a volume ratio of 65% H 2 , 10% Ar, 25% N 2 is injected into the chamber, and the temperature is maintained at 370 ° C. and the pressure of 2 Torr and 600V The plasma generation by voltage application forms a supersaturated nitrogen layer for 5 hours.

5) 냉각단계(S5)로써 상기 챔버를 250℃ 까지 냉각한 다음 상기 챔버에서 모재를 반출한다. 또한 상기 침탄처리 단계(S3)와 질화처리 단계(S4) 사이에는 상기 챔버의 온도를 370℃의 온도로 냉각시키는 단계가 더욱 포함되도록 한다.5) Cool the chamber to 250 ° C by the cooling step (S5) and then take out the base material from the chamber. In addition, between the carburization step (S3) and the nitriding step (S4) to further include the step of cooling the temperature of the chamber to a temperature of 370 ℃.

한편, 기존 처리방법이라 함은 종래기술에서 서술한 것과 같이 과포화탄소층과 과포화질소층 형성에 구성되는 여러 가스성분(H2, Ar, N2, CH4 등)을 모두 동시에 넣고 가열(챔버온도 400℃ 및 40시간)하는 방법을 지칭하는 것이다.On the other hand, the conventional treatment method is a variety of gas components (H 2 , configured in the supersaturated carbon layer and supersaturated nitrogen layer as described in the prior art) Ar, N 2 , CH 4 Etc.) and all of them at the same time refers to a method of heating (chamber temperature 400 ℃ and 40 hours).

도 2는 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법으로 처리된 시편의 단면사진을 보여주는 실험사진이며, 도 3은 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법과 미처리된 시편의 동전위 분극실험 후의 표면사진을 보여주는 실험사진이다.2 is an experimental photograph showing a cross-sectional photograph of a specimen treated by the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention and a specimen treated by a conventional treatment method, and FIG. 3 is treated by the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention. This is an experimental photograph showing the surface photograph after the polarization test of the specimen, the existing treatment method and the untreated specimen.

도 2에서 보여지는 각 시편들은 왕수에서 약 1분간 부식시킨 것이다. 각 사진에서 하얗게 보이는 부분은 경도가 향상된 부분이다. 이에 기존 처리방법에 의한 시편은 형성된 경화층의 두께가 상대적으로 얇은 것을 알 수 있으며 표면부에 Cr2N 석출물이 생성되었음을 알 수 있으며, 이로 인하여 내식성이 저하된다.Each of the specimens shown in Figure 2 is corroded for about one minute in the aqua regia. The white part in each picture is the part with improved hardness. The specimen by the conventional treatment method can be seen that the thickness of the formed cured layer is relatively thin, and it can be seen that the Cr 2 N precipitates are formed in the surface portion, thereby lowering the corrosion resistance.

도 3은 동전위 분극실험 후의 각 시편의 표면사진을 보여준다. 미 처리재에서 보여지는 검고 둥근 모양(Fitting corrosion)은 국부적으로 부식이 일어난 것이다. 상기의 부식은 스테인리스 스틸에서 흔히 나타나는 부식 형태이며 이러한 부식은 국부적으로 손상된 부분에 응력이 집중되어 재료를 매우 취약하게 하는 주요 원인이 된다. 3 shows a photograph of the surface of each specimen after the coincidence polarization test. The black and fitting corrosion seen in the untreated material is a local corrosion. Corrosion is a form of corrosion commonly found in stainless steel, which is a major cause of stress concentrations in locally damaged areas, making the material very brittle.

이에 반하여, 본 발명에 따른 처리 결과의 시편 표면사진을 보면 상기와 같은 검고 둥근 형상이 나타나지 않음을 알 수 있으며 이는 응력 집중현상이 나타나지 않았음을 알 수 있다. 한편, 기존 처리방법에 의한 시편의 표면 사진은 내식성을 잃어버려 심하게 부식되어 스테인리스 스틸의 이점이 없는 상태를 보여주고 있다.On the contrary, when looking at the specimen surface photograph of the treatment result according to the present invention, it can be seen that the black and round shapes as described above do not appear, which shows that the stress concentration phenomenon does not appear. On the other hand, the surface photograph of the specimen by the conventional treatment method shows a state without the advantage of stainless steel due to the loss of corrosion resistance and severe corrosion.

도 4는 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법과 미처리된 시편의 내식성을 비교한 그래프도이며, 도 5는 본 발명에 따른 침 탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법으로 처리된 시편의 표면 경도를 비교한 그래프도이다.Figure 4 is a graph showing the corrosion resistance of the specimen treated with the method of forming a carburized nitriding layer according to the present invention and the conventional treatment method and the untreated specimen, Figure 5 is treated with the method of forming a carburized nitriding layer according to the present invention A graph plotting the surface hardness of specimens and specimens treated with conventional treatment methods.

도 4에서 보이는 것과 같이, 본 발명에 따른 시편의 처리방법이 기존 처리방법보다 전위가 높고 교환전류밀도 값도 낮아 내식성이 우수한 것임을 알 수 있다. 또한, 미 처리재와 비교하여도 내식성이 월등히 향상된 것을 알 수 있다.As shown in Figure 4, it can be seen that the treatment method of the specimen according to the present invention has a higher potential and lower exchange current density value than the conventional treatment method, which is excellent in corrosion resistance. In addition, it can be seen that the corrosion resistance is significantly improved compared with the untreated material.

도 5는 각 방법에 의한 시편의 표면경도 분포를 보여주는 것으로 본 발명에 따른 처리방법(30시간)이 기존 처리 방법(40시간)보다 전체 소요되는 시간이 짧음에도 형성된 경화층이 두꺼워 큰 하중을 가하여도 표면경도가 떨어지지 않는 것을 보여준다. 또한, 미 처리 시편의 표면경도와 비교하여 4~5배 향상되었음을 알 수 있어 내마모성이 현저히 증가 되었음을 알 수 있다.Figure 5 shows the distribution of the surface hardness of the specimen by each method, even if the treatment method (30 hours) according to the present invention takes a shorter overall time than the conventional treatment method (40 hours) by applying a large load due to the thick layer formed It also shows that the surface hardness does not fall. In addition, it can be seen that the 4 to 5 times improved compared to the surface hardness of the untreated specimen, the wear resistance was significantly increased.

도 6은 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법으로 처리된 시편의 글로방전 방출 분광법(GDS : Glow Discharge optical Emission Spectroscopy)에 의한 분석결과를 비교한 그래프도로써, 표면에서 내부로의 C,N 원소농도 분포를 보여주고 있다.6 is a graph comparing the analysis results by glow discharge optical spectroscopy (GDS) of the specimen treated by the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention and the specimen treated by the conventional treatment method, It shows the distribution of C and N element concentrations from the surface to the inside.

즉, 기존처리법에 의한 경우 처리시간이 40시간임에도 불구하고 C의 농도가 약15μm 까지 밖에 확산되지 않았지만, 본 발명에 따른 방법으로는 해당 처리시간이 약 30시간만으로도 약 35μm까지 확산이 된 것을 알 수 있다.That is, in the case of the conventional treatment method, even though the treatment time was 40 hours, the concentration of C was only diffused to about 15 μm, but the method according to the present invention showed that the treatment time was diffused to about 35 μm even with only about 30 hours. Can be.

도 7은 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편과 기존 처리방법과 미처리된 시편의 X-선 회절분석 결과를 보여주는 그래프도이다.7 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of the specimen treated with the method of forming a carburized nitride layer according to the present invention, the conventional treatment method and the untreated specimen.

상기 그래프에서 확인되듯이 미 처리재와 비교하여 본 발명에 따라 처리된 시편의 경우 전체적으로 피크의 이동이 발생하여 석출물(Cr2N)이 거의 형성되지 않았고, 과포화탄소층 (γC)피크와 과포화질소층 (γN)피크가 주로 확인된다. 이에 반해 기존 처리법의 경우 Cr2N이 형성된 것을 확인할 수 있다. 한편, 상기 도 7에서 보이는 γC (111) 와 γN (200)의 표기에서 상기 각 숫자는 해당 경화층의 결정면 종류를 나타내는 것이다.As can be seen from the graph, in the case of the specimen treated according to the present invention compared to the untreated material, the peak shift occurred as a whole, and almost no precipitate (Cr 2 N) was formed, and the supersaturated carbon layer (γ C ) peak and supersaturated. Nitrogen layer (γ N ) peaks are mainly identified. On the contrary, in the case of the conventional treatment method, it can be confirmed that Cr 2 N is formed. In addition, in the description of (gamma) C (111) and (gamma) N (200) shown in said FIG. 7, each said number shows the kind of crystal plane of the said hardened layer.

도 8a 및 8b 각각은 침탄처리만을 한 시편과 본 발명에 따른 침탄질화층의 형성방법으로 처리된 시편의 표면 사진을 보여주는 것으로, 8a에서 보이는 것과 같이 통상적인 침탄처리(Carburizing)만을 실시하면 그을음(sooting)이 많이 발생됨을 알 수 있다. 하지만 본 발명에 따른 침탄처리 후 질화처리를 행하면, 그을음이 질화하는 동안 청정작용을 하여 표면의 그을음을 현저하게 감소시키는 효과가 있음 을 알 수 있다.8a and 8b each shows a surface photograph of the specimen subjected to carburization only and the specimen treated by the method of forming a carburizing nitriding layer according to the present invention. As shown in FIG. It can be seen that sooting occurs a lot. However, if the nitriding treatment is performed after carburizing according to the present invention, it can be seen that the soot has an effect of remarkably reducing soot on the surface by performing a cleaning action during nitriding.

도 9는 상술한 본 발명의 전체 단계에서 챔버 내의 온도변화를 보여주고 있다. 상술한 일 실시예에 따른 본 발명의 온도변화를 보여주고 있으며, 침탄 처리단계(S3)에서 질화 처리단계(S4)로 이행하는 시기 및 냉각단계(S5)에서는 챔버의 온 도가 냉각됨을 보여주고 있다.Figure 9 shows the temperature change in the chamber at all stages of the invention described above. The temperature change of the present invention according to the above-described embodiment is shown, and the temperature of the chamber is cooled in the time of transition from the carburizing step S3 to the nitriding step S4 and the cooling step S5. .

상기에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시한 예를 위주로 상술하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 각 구성요소는 동일한 목적 및 효과의 달성을 위하여 본 발명의 기술적 범위 내에서 변경 또는 수정될 수 있을 것이다.Although the above has been described above with reference to a preferred embodiment according to the present invention, the technical idea of the present invention is not limited thereto, and each component of the present invention is changed or modified within the technical scope of the present invention for achieving the same object and effect. Could be.

본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법은 침탄처리에 의한 내식성의 증가, 충분한 경화층의 두께 확보를 통한 하중지탱능력 및 질화처리에 의한 내마모성의 증가를 동시에 확보할 수 있으며 부가 석출물 생성이 억제되어 양질의 표면층인 침탄질화층(γCN)을 확보할 수 있는 이점이 있다.In the method of forming a stainless steel carburized nitride layer using plasma according to the present invention, it is possible to secure an increase in corrosion resistance by carburizing treatment, a load bearing ability through securing a sufficient hardened layer thickness, and an increase in wear resistance by nitriding treatment. The generation of precipitates is suppressed, and there is an advantage of securing a carburized nitride layer (γ C + γ N ), which is a good surface layer.

Claims (5)

오스테나이트계 스테인리스 스틸을 모재로 하여 상기 모재를 챔버 내에 장입시켜 가열과 플라즈마를 이용하여 과포화탄소층과 과포화질소층를 연속적으로 형성시키는 방법에 있어서,In the method of charging the base material into the chamber using austenitic stainless steel as a base material to form a supersaturated carbon layer and a supersaturated nitrogen layer continuously by heating and plasma, 1) 모재를 전처리하여 챔버에 장입하는 전처리 단계;1) a pretreatment step of pretreatment of the base material to the chamber; 2) 상기 챔버에 프리스퍼터링(pre-sputtering)용 가스를 주입하되, 상기 챔버는 300℃~470℃의 온도 유지 및 1~10Torr의 압력 유지와 300~1000V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 50분~2시간 동안 상기 모재의 표면을 프리스퍼터링 하는 단계;2) Injecting a gas for pre-sputtering into the chamber, the chamber is 50 minutes by maintaining a temperature of 300 ℃ ~ 470 ℃, maintaining a pressure of 1 ~ 10 Torr and plasma generation by applying a voltage of 300 ~ 1000V Presputtering the surface of the base material for ˜2 hours; 3) 상기 챔버에 50~94%의 H2 , 5~40%의 Ar, 1~10%의 CH4으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 주입하고 400~700℃의 온도 및 1~10Torr의 압력 유지와 400~1000V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 1~50시간 동안 과포화탄소층을 형성하는 침탄처리 단계;3) Injecting a mixed gas composed of 50 to 94% H 2 , 5 to 40% Ar, and 1 to 10% CH 4 in a volume ratio and maintaining a temperature of 400 to 700 ° C. and a pressure of 1 to 10 Torr. Carburizing treatment step of forming a supersaturated carbon layer for 1 to 50 hours by plasma generation by applying a voltage of 400 ~ 1000V; 4) 상기 챔버에 10~85%의 H2 , 5~40%의 Ar, 10~85%의 N2으로 부피비율이 구성된 혼합기체를 주입하고 300~390℃의 온도 및 1~10Torr의 압력 유지와 400~1000V의 전압인가에 의한 플라즈마 생성으로 1~10시간 동안 과포화질소층을 형성하는 질화처리 단계;4) Injecting a mixed gas having a volume ratio of 10 to 85% H 2 , 5 to 40% Ar, and 10 to 85% N 2 into the chamber, and maintaining a temperature of 300 to 390 ° C. and a pressure of 1 to 10 Torr. And a nitriding treatment step of forming a supersaturated nitrogen layer for 1 to 10 hours by plasma generation by applying a voltage of 400 to 1000 V; 5) 상기 챔버를 250℃ 까지 냉각한 다음 상기 챔버에서 모재를 반출하는 냉 각단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법.5) A method of forming a stainless steel carburized nitriding layer using a low temperature plasma technique comprising: cooling the chamber to 250 ° C. and then removing the base material from the chamber. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 침탄처리 단계와 질화처리 단계 사이에는Between the carburizing step and the nitriding step 상기 챔버의 온도를 300~390℃의 온도로 냉각시키는 단계가 더욱 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법.The method of forming a stainless steel carburized nitride layer using a low temperature plasma technique, characterized in that further comprises the step of cooling the temperature of the chamber to a temperature of 300 ~ 390 ℃. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 프리스퍼터링 단계는The presputtering step 20~80%의 H2 와 20%~80%의 Ar으로 부피비율이 구성된 혼합기체가 상기 프리스퍼터링용 가스인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법.A method of forming a stainless steel carburized nitriding layer using a low temperature plasma technique, characterized in that the mixed gas having a volume ratio of 20 to 80% H 2 and 20% to 80% Ar is the presputtering gas. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 침탄단계 및 질화단계 각각은Each of the carburizing step and the nitriding step is 챔버 내의 설정된 유지압력에 도달하기 전 0.6~1 Torr에 달하는 시점에서 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법.A method of forming a stainless steel carburized nitride layer using a low temperature plasma technique, wherein the plasma is generated at a time point of reaching 0.6 to 1 Torr before reaching the set holding pressure in the chamber. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 프리스퍼터링 단계, 침탄처리 단계, 질화처리 단계 및 냉각단계 각각은The presputtering step, carburizing step, nitriding step and cooling step respectively 우선적으로 챔버 내에 잔존하는 공기 또는 이전 단계의 잔존가스를 배출하여 50mTorr의 압력을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 기술을 이용한 스테인리스 스틸 침탄질화층의 형성방법.A method of forming a stainless steel carburized nitriding layer using a low temperature plasma technique, wherein the air remaining in the chamber or the gas remaining in the previous step is discharged to achieve a pressure of 50 mTorr.
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