KR20090132694A - 피처리물 진공 침탄 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 피처리물, 즉, 탄소강 부품소재의 진공 침탄 처리의 결함 중에 하나인 슈팅(sooting)을 제거하기 위한 진공 열처리의 공정 기술을 제시하는 피처리물 진공 침탄 방법에 관한 것이다.
탄소강 부품 소재, 진공 침탄, 슈팅
Description
본 발명은 피처리물 진공 침탄 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 탄소강 부품 소재의 진공 침탄 처리의 결함 중 하나인 슈팅이 발생되지 않게하는 진공 침탄 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 피처리물 표면을 경화시켜 내마모성 , 내피로성 등의 기계적 성질을 개선시키는 표면 경화 처리방법에는 피처리물 표면만을 국부적으로 열처리하는 방법과 새로운 물질을 피처리물에 확산 및 침투 또는 강제로 주입시켜 모재금속과 반응시킴으로써 경한 합금층을 형성시키는 방법, 고경도 재료층을 표면에 피복시켜 별도의 층을 형성시키는 방법 등이 있다.
한편, 심부 경화는 피처리물의 전체를 담금질 등을 통하여 내부 및 외부 전체를 경화시키는 것이고, 이에 반하여 표면 경화는 심부는 피처리물의 성질을 그대로 유지하며 외부 표면만 경화시키는 방법이다.
이러한 표면 경화는 크게 피처리물 표면으로부터 질소를 주입시키는 질화법 과 탄소를 주입시키는 침탄법으로 나눌 수 있는데, 상기 질화법은 가스질화, 염욕질화 및 이온 질화등이 있고, 상기 침탄법은 가스 침탄, 염욕 침탄, 진공 침탄 등이 있다.
현재 많이 사용되고 있는 침탄법은 가스 침탄법인데, 표면에 내구성을 저하시키는 표면이상층 및 비소입층이 15~25㎛ 생성되고, 고온 침탄이 불가함으로 인해 열처리 시간과 비용의 증가를 초래하며, 제조공정 상에서도 이산화탄소의 발생, 염욕 또는 오일 사용 등으로 후처리 비용을 발생시키는 등의 여러 문제점들이 대두되고 있다.
이러한 가스 침탄의 문제에 대응할 새로운 침탄법 중 가장 주목을 받고 있는 방법이 진공 침탄법이다.
상기 진공 침탄법은 진공분위기에서 침탄을 실시하고, 고압의 가스로 소입을 시키는 새로운 열처리 방법으로, 표면이상층이 생성되지 않아 내구성(내피로성 및 내마모성)이 획기적으로 향상되며, 침탄 시 이산화탄소 발생이 거의 없고, 폐유/폐수처리 등이 없으며, 이물질 제거를 위한 후공정이 필요 없어 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다
그러나 현재 진공 침탄법으로 피처리물을 표면 경화하는 경우 필연적으로 표면 상에 소트(sooting)이 발생하게 되는데, 이러한 소트는 상기 피처리물의 표면 경도, 내마모성 및 윤활성 등과 같은 특성을 저하시키게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 피처리물을 진공 침탄법으로 표면 처리함에 있어 상기 피처리물 표면상에 소트가 발생되지 않도록할 뿐만 아니라 표면 경화 특성이 우수한 진공 침탄법을 제시하는 피처리물 진공 침탄 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 진공 분위기 하에서 피처리물을 예열 온도로 승온시킨 후, 제1시간 동안 예열하는 예열 공정을 진행하는 단계; 상기 피처리물을 침탄 온도로 승온시키고, 10-3torr 이하의 공정 압력이 되도록 탄화수소계 침탄 가스를 공급하는 단계; 상기 침탄 온도 및 공정 압력을 제2시간 동안 유지하면서 상기 피처리물에 탄소를 침투 확산시키는 침탄 공정을 진행하는 단계; 상기 침탄 공정 후 상기 피처리물을 유냉시키는 단계; 상기 유냉시킨 피처리물을 템프링 온도로 승온시킨 후, 상기 템프링 온도에서 제3시간 동안 유지시키는 템프링 공정을 진행하는 단계; 및 상기 템프링 공정 후 상기 피처리물을 공냉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 제1시간은 60분 내지 120분이고, 상기 제2시간은 90분 내지 150분이고, 상기 제3시간은 210분 내지 270분인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 제1시간은 90분이고, 상기 제2시간은 120분이고, 상기 제3시간은 240분인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 예열 온도는 800℃ 내지 900℃이고, 상기 침탄 온도는 980℃ 내지 1080℃이고, 상기 템프링 온도는 470℃ 내지 550℃인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 예열 온도는 850℃이고, 상기 침탄 온도는 1030℃이고, 상기 템프링 온도는 520℃인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법에 의해서도 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 목적은 상기 침탄 가스는 CH4(메탄), C3H8(프로판) 및 C4H10(부탄) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법에 의해서도 달성된다.
본 발명의 피처리물 진공 침탄 방법은 피처리물의 표면 경화 특성은 우수하면서도 표면에 소트가 발생되지 않도록 하는 피처리물 진공 침탄 방법을 제공하는 효과가 있다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시 예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법을 보여 주는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법의 피처리물의 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 피처리물 진공 침탄 방법을 설명하면, 우선 피처리물을 진공 침탄 장치 내부의 장입한다.
이어서, 상기 피처리물이 장입된 진공 침탄 장치 내부를 진공 분위기로 배기한다.
이어서, 상기 피처리물을 가열하여 예열 온도로 승온시킨다. 그리고 상기 피처리물을 상기 예열 온도에서 제1시간 동안 예열하는 예열 공정(S100)을 진행한다.
이때, 도 2에서 도시하고 있는 바와 상기 예열 온도는 800℃ 내지 900℃, 바람직하게는 850℃이다. 또한 상기 제1시간은 60분 내지 120분, 바람직하게는 90분이다.
상기 예열 공정(S100)은 상기 피처리물 전체가 상기 예열 온도로 가열되도록 하는 공정으로, 이후 설명될 침탄 공정 시 원하는 침탄 깊이 및 균일한 침탄층을 획득하기 위해서 필요할 뿐만 아니라 열충격에 의한 피처리물의 변형 등을 방지하 기 위해 필요하다.
이어서, 상기 피처리물을 침탄 온도로 승온시키고, 이와 동시 또는 순차적으로 상기 진공 침탄 장치 내부로 탄화수소계 침탄 가스를 공급하되, 상기 진공 침탄 장치 내부의 진공도가 10-3torr 이하의 공정 압력으로 공급(S200)한다.
이때, 상기 침탄 가스는 CH4(메탄), C3H8(프로판) 및 C4H10(부탄) 등과 같은 탄화수소계 가스를 사용하며, 상기 탄화수소계 가스 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합 가스를 이용한다.
상기와 같이 진공 침탄 장치에서 진공 침탄 시 공정 압력이 10-3torr 이하인 경우, 피처리물 표면에 슈팅(sooting)이 발생하지 않게 된다.
상기 슈팅은 상기 침탄 가스가 상기 진공 침탄 장치 내에서 과잉(즉, 높은 공정 압력) 또는 미분해됨으로서 상기 피처리물의 표면에서 침탄 가스로부터 유래한 탄소의 내부 확산 속도와 표면집적의 불균형에 의해 생겨나기 때문에 본원 발명에서와 같이 상기 공정 압력, 즉 상기 침탄 가스의 압력을 10-3torr 이하로 제어하는 경우 상기에서 상술한 슈팅이 발생되지 않게 된다.
이어서, 상기 침탄 온도 및 공정 압력을 제2시간 동안 유지하여 상기 피처리물에 탄소를 침투, 확산시키는 침탄 공정(S300)을 진행한다.
이때, 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 침탄 온도는 980℃ 내지 1080℃, 바람직하게는 1030℃이다.
또한 상기 제2시간은 90분 내지 150분, 바람직하게는 120분이다.
이어서, 상기 침탄 공정(S300)이 완료되면 상기 피처리물을 유냉(S400)시킨다.
이어서, 상기 유냉시킨 피처리물을 템프링 온도로 승온시킨 후, 상기 템프링 온도에서 제3시간 동안 유지시키는 템프링 공정(S500)을 진행한다.
이어서, 상기 템프링 공정(S500)이 완료된후 상기 피처리물을 공기 중에서 냉각시키는 공냉 공정(S600)을 진행하여 상기 피처리물을 진공 침탄하는 공정이 완료된다.
이때, 상기 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이 상기 템프링 온도는 470℃ 내지 550℃, 바람직하게는 520℃이다.
또한, 상기 제3시간은 210분 내지 270분, 바람직하게는 240분이다.
이때, 상기 템프링 공정(S500) 및 공냉 공정(S600)은 한 번 또는 복 수회 반복할 수 있다.
< 실험 예 1>
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법을 이용하여 냉간 금형 소재인 SKD11을 진공 침탄한 결과를 보여주는 파단면의 조직사진이다.
이때, 본 실험 예에서는 상기 피처리물 진공 침탄 방법에서 침탄 공정 시간 변화에 따른 결과를 보여주고 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 SKD11의 전자현미경 조직사진은 1030℃에서 각각 100분간(도 3a의 경우) 또는 120분간(도 3b의 경우) 진공 침탄한 결과를 보여주고 있는데, 100분간 진공 침탄한 경우에는 도 3a에서 보는 바와 같이 탄화물의 형상이 구형에 가깝고, 도 3b에서 보는 바와 같이 탄화물의 형상이 막대상과 구형이 혼재하고 있는 양상을 보여주고 있다.
이때, 상기 탄화물의 형상이 구형일 수록 우수한 재료 특성을 보여주는데, 진공 침탄을 100분간 실시한 경우가 120분간 실시한 경우보다 구형 탄화물이 더 많이 존재하는 것으로 보임으로 100분간 실시하는 것이 더욱 바람직한 것으로 보인다.
<실험 예 2>
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법을 이용하여 냉간 금형 소재인 SKD11을 진공 침탄한 결과를 보여주는 파단면의 조직사진이다.
이때, 본 실험 예에서는 상기 피처리물 진공 침탄 방법에서 템프링 공정 실시의 효과를 보여주고 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 SKD11의 현미경 조직사진은 1030℃에서 100분간 침탄 공정을 진행한 후, 상기 템프링 공정을 520℃에서 180분간 실시한 결과로 각각 200배율 및 500배율의 현미경사진이다.
도 4a에서 보는 바와 같이 상기와 같은 조건의 템프링 공정을 실시한 결과, 탄화물이 무질서하게 배열된 상태로서 탄화물의 방향성 및 자체 분해가 일어남을 알 수 있다.
또한, 도 4b에서는 2차 탄화물의 형성과 2차 탄화물 입자의 미세화를 보여주고 있을 뿐만 아니라 미용해 1차 탄화물이 널리 분포되어 있고, 탄화물의 입자 크기가 분균일하게 나타나 있어 1차 탄화물이 단신으로 균일성을 나타내고 있거나 밴드 조직을 나타내 보이지는 않고 있는 것을 보여 주고 있다.
1차 탄화물이 단신 방향으로 정렬되거나 밴드 조직을 형성하면 여러 가지 기계적 성질의 이방성이 나타나는 문제가 있을 뿐만 아니라 치수 변화의 이방성이 나타나서 열처리 시 길이 방향과 폭 방향의 치수변화량을 예측하지 못하게 하는 문제점을 발생시킨다.
그러나 도 4a 및 도 4b에서 도시하고 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법을 이용하여 침탄하게 되면 탄화물이 무질서하게 배열된 상태로서 탄화물의 방향성 및 자체 분해가 일어나 상기와 같은 문제가 발생하지 않게 된다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법을 보여 주는 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법의 피처리물의 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법을 이용하여 냉간 금형 소재인 SKD11을 진공 침탄한 결과를 보여주는 파단면의 조직사진이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 피처리물 진공 침탄 방법을 이용하여 냉간 금형 소재인 SKD11을 진공 침탄한 결과를 보여주는 파단면의 조직사진이다.
Claims (6)
- 진공 분위기 하에서 피처리물을 예열 온도로 승온시킨 후, 제1시간 동안 예열하는 예열 공정을 진행하는 단계;상기 피처리물을 침탄 온도로 승온시키고, 10-3torr 이하의 공정 압력이 되도록 탄화수소계 침탄 가스를 공급하는 단계;상기 침탄 온도 및 공정 압력을 제2시간 동안 유지하면서 상기 피처리물에 탄소를 침투 확산시키는 침탄 공정을 진행하는 단계;상기 침탄 공정 후 상기 피처리물을 유냉시키는 단계;상기 유냉시킨 피처리물을 템프링 온도로 승온시킨 후, 상기 템프링 온도에서 제3시간 동안 유지시키는 템프링 공정을 진행하는 단계; 및상기 템프링 공정 후 상기 피처리물을 공냉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1시간은 60분 내지 120분이고, 상기 제2시간은 90분 내지 150분이고, 상기 제3시간은 210분 내지 270분인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 제1시간은 90분이고, 상기 제2시간은 120분이고, 상기 제3시간은 240분인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 예열 온도는 800℃ 내지 900℃이고, 상기 침탄 온도는 980℃ 내지 1080℃이고, 상기 템프링 온도는 470℃ 내지 550℃인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 예열 온도는 850℃이고, 상기 침탄 온도는 1030℃이고, 상기 템프링 온도는 520℃인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 침탄 가스는 CH4(메탄), C3H8(프로판) 및 C4H10(부탄) 중 어느 하나 이상 인 것을 특징으로 하는 피처리물 진공 침탄 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102145259B1 (ko) * | 2019-11-12 | 2020-08-18 | 이양호 | 탄소공구강 열처리 방법과 이를 이용한 탄소공구강 |
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| JP3895000B2 (ja) * | 1996-06-06 | 2007-03-22 | Ｄｏｗａホールディングス株式会社 | 浸炭焼入焼戻方法及び装置 |
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- 2008-06-23 KR KR1020080058798A patent/KR100996285B1/ko not_active IP Right Cessation
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