KR20090033638A - 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저급 소재를 활용하면서도 내마모성과 표면경도를 극대화시킴과 아울러 변형량을 최소화시키고, 질소 흡착율을 향상시켜 제품 생산속도를 향상시킬 수 있도록 한 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 가열실 내부를 350~500℃의 온도로 가열하여 피처리물을 가열하고, 가열실 내부에 산소를 투입하여 피처리물 표면을 산화 활성화시키며, 가열실 내부의 온도를 700℃ 이상으로 승온시키고, 내부에 암모니아 가스를 투입하여 피처리물을 질화 처리하고, 피처리물을 냉각실로 이동시켜 오일소입조 내에서 오일로 균일 냉각하며, 오일소입조 내에서 냉각된 피처리물을 들어올려 오일 분위기에서 가스로 균일 냉각하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 내부는 인성 및 충격강도가 좋은 재질로 남아 있고, 표면만 대략 800HV 정도의 고경도를 갖도록 경화처리하여, 내마모성과 내구성이 필요한 제품에 사용이 적합하고, 저급 소재에 적용 가능하여 제품의 단가를 절감할 수 있으며, 표면 활성화를 통해 질소의 흡착률과 흡착속도를 향상시켜 제품의 생산성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

침탄, 질화, 표면경화, 표면 활성화, 암모니아가스, 저탄소 합금강.

Description

고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법{Method for surface hardening by high temperature nitriding in vacuum}

본 발명은 경화처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저급 소재를 활용하면서도 내마모성과 표면경도를 극대화시킴과 아울러 변형량을 최소화시키고, 질소 흡착율을 향상시켜 제품 생산속도를 향상시킬 수 있도록 한 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 표면경화처리는 철강의 열처리에서, 표면의 내마모성, 내피로성을 증가하기 위해 철강의 표면층만을 경화하여 내부에는 인성(靷性)을 보존하는 방법으로, 열처리, 침탄, 침탄질화, 질화(연질화, 염욕질화 등), 고주파 등이 사용되고 있다.

이 중, 침탄은 침탄제의 종류에 따라 고체, 액체, 가스 침탄법으로 분류가 되는데, 탄소량을 매우 낮게 만들어 놓은 저탄소강(低炭素鋼)의 표면으로부터 탄소를 스며들게 하여, 표면 가까이에만 탄소량을 높이고 그 후 담금질, 템퍼링의 처리를 함으로써 표면을 경화시키는 방법이다.

이러한, 침탄공정은 내마모성이나 피로저항이 커지는 특성으로 인해 자동차 부품의 경화처리에 주로 사용되고는 있으나, 상기 침탄공정은 냉각시 변형이 심하여 얇은 판재 부품에 적용하기 어려워 표면만을 경화하고자 하는 경우에는 질화처리를 대체하여 실시한다.

이와 같은 질화처리는 경화처리하고자 하는 제품의 내마모성을 향상시키고, 변형을 줄일 수 있는 효과가 있으나, 저온에서 실시되는 공정 특성상 침탄과 동일한 깊이로 질소를 침투시키기 위해서는 경화처리에 상당한 시간이 소요되고, 경화처리한 제품의 단가가 상승하여 가격경쟁력이 떨어지는 문제가 있으며, 또한 질화처리 중 제품 표면에 화합물층을 형성하여 제품의 표면을 거칠게 하는 문제도 발생하였다.

이에, 상기한 문제점을 해결하기 위해 1990년대 일본에서는 질소를 첨가하여 제품을 경화처리하는 L-Tec라는 방법을 제시하였다. 즉, 680~800℃의 온도 구간에서 탄소, 즉 이산화탄소, 메탄, 에탄 등의 가스나 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜 등을 첨가함으로써, 반응시 제품 표면에 약간의 침탄반응이 일어나도록 함과 동시에 질소를 첨가하는 것이다.

또한, 최근에는 일본의 니혼테크노사에서 초기 활성도를 증가시키기 위해 진공을 만들고 다시 대기압력으로 올려 CO₂ 가스와 암모니아의 함량을 조절하면서 강종별로 질소마르텐사이트를 만드는 N-Quenching이라는 공정이 개발되었다.

즉, 철의 일반적인 표면에서는 질소를 넣기가 매우 어렵기 때문에, 위의 N-Quenching 공정에서는 질소를 넣기 위해 CO2가스를 활용하여 표면을 활성하면서 산 화와 침탄 질화를 동시에 실시하는 것이다. 즉, 연질화를 고온에서 실시하는 방법을 취한다.

그러나, 상기한 N-Quenching 공정의 경우 소재의 탄소량이나 가공정도 등에 따라 불균일이 심하고, 특히 암모니아 가스 조절과 더불어 함유 가스로서 혼합가스를 사용하여 제어를 하는데 공정이 복잡하며, 현재 실용화 하는데 균일성 문제가 남아 아직 실용화 되지 못했다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 저급 소재를 활용하면서도 내마모성과 표면경도를 극대화시킴과 아울러 변형량을 최소화시키고, 질소 흡착율을 향상시켜 제품 생산속도를 향상시킬 수 있도록 한 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 피처리물의 표면을 경화처리하기 위한 방법에 있어서, 가열실 내부를 350~500℃의 온도로 가열하여 피처리물을 가열하는 공정과; 상기 가열실 내부에 산소를 투입하여 피처리물 표면을 산화 활성화시키는 공정과; 상기 가열실 내부의 온도를 700℃ 이상으로 승온시키고, 내부에 암모니아 가스를 투입하여 피처리물을 질화 처리하는 공정과; 질화처리한 피처리물을 냉각실로 이동시키되, 냉각실의 압력과 교반속도를 제어하여 피처리물을 오일소입조 내에서 오일로 균일 냉각하는 공정과; 상기 오일소입조 내에서 냉각된 피처리물을 들어올려 오일 분위기에서 가스로 균일 냉각하는 공정을 포함한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 내부는 인성 및 충격강도가 좋은 재질로 남아 있고, 표면만 대략 800HV 정도의 고경도를 갖도록 경화처리하여, 내마모성과 내구성이 필요한 구조물 및 구동부품 등에 사용이 가능한 효과가 있고, 또한 저탄소 저급소재와, 저탄소 합금강 등의 판재에 적용 가능하여 제품의 단가를 획기적으로 절감할 수 있는 효과도 있다.

더욱이, 질화공정 이전에 표면을 산화 활성화시켜 질소의 흡착률과 흡착속도를 증가시키고, 질소를 빠른 시간 내에 피처리물 내부로 확산시켜, 경화처리 속도를 향상시킴과 아울러 제품의 생산성을 극대화시킬 수 있는 효과도 있다.

게다가, 변형량이 침탄에 비해 매우 적고, 질화보다 처리온도가 높아 피처리물 표면에 확산층을 생성하므로, 생산효율 증대 및 저가의 내구성이 필요한 구동부품이나 기능성 구조물 제조에 탁월한 효과도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 9는 본 발명의 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법에 대한 것으로, 크게 가열공정(P10)과, 활성화공정(P20)과, 질화공정(P30)과, 오일 냉각공정(P40)과, 가스 냉각공정(P50)을 포함한다.

도 1 내지 도 3을 통해 설명하면, 먼저 가열공정(P10)은 가열실(10) 내부를 가열하여 피처리물을 가열하는 공정으로써, 대기압 분위기에서 가열실(10) 내부의 온도를 피처리물의 소재에 따라 약 350~500℃의 다양한 온도로 가열하여 피처리물을 가열한다.

활성화공정(P20)은 상기 가열실(10) 내부에 산소를 투입하여 피처리물 표면을 산화 활성화시키는 공정으로써, 가열실(10) 내부에 약 10~60 동안 산소를 투입하여 피처리물 표면을 산화시킨다.

질화공정(P30)은 상기 가열실(10) 내부의 온도를 승온시키고, 내부에 암모니아 가스를 투입하여 피처리물을 질화 처리하는 공정으로써, 가열실(10) 내부의 온도를 약 700~850℃로 승온 유지시키고, 상기 가열실(10)에 암모니아가스를 약 8~30ℓ/min 투입하면서, 피처리물을 약 60~180분 동안 질화처리한다.

오일 냉각공정(P40)은 질화처리한 피처리물을 냉각실(20)로 이동시키되, 냉각실(20)의 압력과 교반속도를 제어하여 피처리물을 오일소입조(25) 내에 침지시켜 오일로 균일 냉각한다. 여기서, 냉각실(20)의 압력이 가열실(10)의 압력보다 높은 경우에는 상기 피처리물의 이동을 제한하고, 냉각실(20)의 압력이 가열실(10)의 압력과 동일해지는 경우, 상기 피처리물의 이동을 허가하게 된다.

그 이유는, 냉각실(20)의 압력이 가열실(10)의 압력보다 현저히 높은 경우에 가열실(10)과 냉각실(20) 사이를 개방하면 냉각실(20)의 높은 압력에 의해 냉각실(20) 내부의 염이 가열실(10)로 넘어가게 되어, 사고 발생의 위험이 있기 때문이다. 또한, 오일소입조(25) 내의 냉각매질은 전열을 발생시켜 가열함으로써, 상기 오일소입조(25) 내에서 순환 유동시켜 염도 및 온도가 균일하게 되도록 한다.

가스 냉각공정(P50)는 상기 오일소입조(25)에서 냉각된 피처리물을 들어올려 오일 분위기에서 가스로 균일 냉각한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 고온 진공 질화법에 의해 피처리물을 경화처리 하기 위해서는 먼저 가열실(10) 내부에 경화처리하고자 하는 피처리물을 장입하게 되는데, 상기 피 처리물은 저탄소 저급소재나 저탄소 합금강 등으로써, 판재 혹은 제품의 표면만을 경화시키고자 하는 구동제품이고, 그 재질로 적절하게는 SPCC, S20C, SS440, SCM415 등을 들 수 있다.

가열실(10) 내부에 상기한 피처리물을 장입한 상태에서, 대기압분위기에서 가열실(10) 내부를 350~500℃의 온도로 가열하여 피처리물을 가열한다. 이와 동시에, 상기 가열실(10) 내부에 산소를 투입하여 10~60분 정도 피처리물 표면을 산화처리한다. 즉, 상기 산화작용을 통해 피처리물 표면이 활성화되면서 에칭이 일어나게 되고, 피처리물의 표면에 형성되어 있던 오염층과 가공층이 사라지게 된다.

도 4a, 4b는 상기한 표면 활성화공정(P20)을 거친 피처리물의 표면 사진을 각각 나타낸 것으로, 도 4a에서는 S20C를 400℃에서 40분간 산화한 경우, 표면이 에칭되어 나타남을 확인할 수 있고, 도 4b에서는 SCM415를 400℃에서 40분간 산화한 경우, 표면이 에칭되어 표면에 결정립이 관찰됨을 확인할 수 있다.

이처럼, 피처리물의 표면을 활성화시킨 이 후, 상기 가열실(10) 내부의 온도를 700~850℃로 승온시키고, 가열실(10) 내부에 암모니아 가스를 투입하여 피처리물을 질화 처리한다. 이때, 상기 피처리물 표면에는 FeO, Fe3O4층이 형성되어, 질소의 흡착률과 흡착속도를 증가시키고, 질소를 빠른 시간 내에 표면 반응을 유발시켜 피처리물 내부로 확산이 되도록 하며, 이에 따라 피처리물의 경화처리 속도 향상에 의해 제품 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

여기서, 질화 처리 이전에 산화를 시키지 않고 암모니아가스를 첨가하는 경우에는, 전혀 질화가 이루어지지 않거나, 불균일하게 일부만 질소마르텐사이트가 형성되는 데 반해, 본 발명과 같이 질화처리 이전에 산화를 시키게 되면, 피처리물 전체에 걸쳐 매우 균일하게 질화처리가 이루어질 수 있게 된다.

이와 같이 피처리물의 질화처리가 완료되면, 가열실(10)과 냉각실(20)의 압력이 동일하게 되도록 조절한 후, 상기 가열실(10)과 냉각실(20) 사이를 개방하여 가열된 피처리물을 냉각실(20)로 이동시키고, 상기 가열실(10)과 냉각실(20) 사이를 차단한다.

그리고, 이동된 피처리물은 냉각실(20) 하부에 조성된 오일소입조(25)에 침지시켜 냉각시키게 되는데, 이때 상기 피처리물의 특성에 따른 연속냉각곡선을 감안하여 상기 냉각실(20)의 압력을 변화 및 제어하게 된다.

이와 같이, 상기 냉각실(20)의 압력을 변화시켜 피처리물을 냉각시키면, 피처리물의 분압과 점도가 바뀌게 되고, 그에 따라 증기막 단계와 대류단계 개시 온도가 바뀌게 된다. 이에 따라, 피처리물 내, 외부의 냉각 시작온도를 제어하여 피처리물의 냉각 성능을 높일 수 있게 된다.

즉, 다시 설명하면 상기 냉각실(20)의 압력 변화에 의해, 오일소입조(25)의 기체분자량이 줄어들게 되고, 피처리물 내부에 전달되는 냉각속도가 차이가 나게 되며, 액체의 기화 속도가 빨라지게 된다. 따라서, 피처리물 내부의 활동도가 달라져 전체적인 피처리물 냉각속도를 지연시키고, 염내에서 형성되는 기포발생단계를 부위별로 차이가 없이 만들어 균일냉각을 시킴으로써, 상기 피처리물의 열처리 중 발생되는 변형 및 크랙 등을 방지할 수 있는 것이다.

아울러, 상기와 같이 피처리물의 열 변형을 최소화함으로써, 열 변형에 따른 후처리공정절감 및 이로 인한 금형제작 및 제반 비용을 절감할 수도 있고, 또한 상기 후처리 가공 및 연마에 따라 발생되는 폐기물을 절감할 수 있으며, 그에 따른 환경오염인자를 감소 및 개선시킬 수 있는 것이다.

상기와 같이 오일소입조(25)에서 냉각을 마친 후에는 상기 피처리물을 들어올려 냉각실(20) 상부 공간의 오일 분위기에서 가스 냉각을 시행하여 피처리물의 경화처리 과정을 완료하게 된다. 이때, 상기 가스 냉각공정(P60) 이 후에 피처리물의 크기가 큰 경우에는 다시 오일소입조(25) 내부에 침지시켜 재냉각시킬 수도 있다.

부가하여 설명하면, 도 9에 도시한 바와 같이 탄소강 상태도의 경우, BCC→FCC로 바뀌는 오스테나이징 온도가 723℃로 높은 반면, 질소의 경우 오스테나이징 온도가 약 590℃정도로 낮다. 즉, 탄소강에서는 아직 변태온도가 아니기 때문에 마르텐사이트를 형성할 수 없는 온도이나, 질소가 들어간 층의 경우에는 오스테나이징이 되므로 냉각을 하게 되면 마르텐사이트 조직을 가질 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 발명은 저탄소 저급소재와, 저탄소 합금강 등의 판재의 경우에도, 탄소에 비해 낮은 온도에서 형성되는 마르텐사이트 조직을 표면만 얻을 수 있으므로, 내부는 기존의 펄라이트와 페라이트의 인성 및 충격강도가 좋은 재질로 남아 있고, 표면만 800HV 정도의 고경도를 갖도록 경화처리 함으로써, 내마모성과 내구성이 필요한 구조물 및 구동부품 등에 사용이 가능하고, 또한 제품의 단가를 획기적으로 절감할 수 있게 된다.

즉, 도 5a는 S20C강종에 적용된 질소마르텐사이트의 2시간 경화처리공정에서 확보된 단면조직과 그 확대 사진이고, 도 5b는 도 5a의 경화처리시 얻어진 경도 프로필로써, 표면의 경도가 820HV인 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 6a는 SPCC강종에 적용된 질소마르텐사이트의 2시간 경화처리공정에서 확보된 단면조직과 그 확대 사진이고, 도 6b는 도 6a의 경화처리시 얻어진 경도 프로필로써, 표면의 경도가 800HV인 것을 확인할 수 있다.

또, 도 7는 S415C강종에 적용된 질소마르텐사이트의 2시간 경화처리공정에서 확보된 단면조직과 그 확대 사진이고, 또한 도 8은 SCM415강종에 적용된 질소마르텐사이트의 2시간 경화처리공정에서 얻어진 경도 프로필로써, 표면의 경도가 820HV인 것을 확인할 수 있다.

더욱이, 침탄을 하게 되면 변형이 크기 때문에 얇은 제품의 변형량 예측이 어려우나, 본 발명은 변태점을 지나지 않기 때문에 변형량이 침탄에 비해 매우 적고, 질화보다 온도가 높아 화합물층 대신 확산층만 생성하므로, 후 연마가 불필요하며, 이로 인해 생산효율 증대 및 저가의 내구성이 필요한 구동부품이나 기능성 구조물 제조에 탁월한 효과가 있는 것이다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 경화처리 방법을 순차적으로 나열한 블럭도,

도 2는 본 발명에 의한 경화처리 방법의 공정을 나타낸 그래프선도,

도 3은 본 발명에 의한 경화처리 장치를 나타낸 개략도,

도 4a, 4b는 본 발명에 의한 활성화공정 이 후에 각각 다른 강종의 피처리물 표면을 나타낸 사진,

도 5a, 5b는 본 발명에 의한 경화처리를 통해 확보된 S20C강종의 단면조직 사진 및 경도 프로필,

도 6a, 6b는 본 발명에 의한 경화처리를 통해 확보된 SPCC강종의 단면조직 사진 및 경도 프로필,

도 7은 본 발명에 의한 경화처리를 통해 확보된 S415C강종의 단면조직 사진,

도 8은 본 발명에 의한 경화처리를 통해 확보된 SCM415강종의 경도 프로필,

도 9는 본 발명의 경화처리작용을 부가하여 설명하기 위한 Fe-FeC계 상태도 및 Fe-N계 상태도.

*도면중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 가열실 20 : 냉각실

25 : 오일소입조 P10 : 가열공정

P20 : 활성화공정 P30 : 질화공정

P40 : 오일 냉각공정 P50 : 가스 냉각공정

Claims (6)

1. 피처리물의 표면을 경화처리하기 위한 방법에 있어서,

   가열실(10) 내부를 350~500℃의 온도로 가열하여 피처리물을 가열하는 공정(P10)과;

   상기 가열실(10) 내부에 산소를 투입하여 피처리물 표면을 산화 활성화시키는 공정(P20)과;

   상기 가열실(10) 내부의 온도를 700℃ 이상으로 승온시키고, 내부에 암모니아 가스를 투입하여 피처리물을 질화 처리하는 공정(P30)과;

   질화처리한 피처리물을 냉각실(20)로 이동시키되, 냉각실(20)의 압력과 교반속도를 제어하여 피처리물을 오일소입조(25) 내에서 오일로 균일 냉각하는 공정(P40)과;

   상기 오일소입조(25) 내에서 냉각된 피처리물을 들어올려 오일 분위기에서 가스로 균일 냉각하는 공정(P50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 활성화공정(P20)은 가열실(10) 내부에 산소를 투입하여 피처리물 표면을 10~60분 산화처리 하는 것을 특징으로 하는 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 질화공정(P30)은 가열실(10) 내부의 온도를 700~850℃로 승온 유지시키고, 암모니아가스를 8~30ℓ/min 투입하면서, 피처리물을 60~180분 동안 질화처리 하는 것을 특징으로 하는 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법.
4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피처리물은 저탄소 저급소재나 저탄소 합금강을 사용하는 것을 특징으로 하는 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 피처리물은 SPCC, S20C, SS440, SCM415 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 피처리물은 판재임을 특징으로 하는 고온 진공 질화법에 의한 경화처리 방법.

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