KR20100090444A

KR20100090444A - 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법

Info

Publication number: KR20100090444A
Application number: KR1020090009719A
Authority: KR
Inventors: 문경일; 이원범; 고영기
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-16
Also published as: KR101074164B1

Abstract

본 발명은 질화 반응성 향상을 통해 화합물층과 경화층을 신속하고 두껍게 형성하여 침탄 대체 기술로 사용함과 아울러, 내마모 및 내식 특성을 향상시키고, 경도값을 증가시킬 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법에 관한 것이다.

이를 위해, 노 내의 온도를 공정 온도까지 승온시켜 시편을 가열하고, 압력을 공정압력으로 유지시키고, 온도를 570℃ 이상 상승시킨 후 Ar과 H₂를 투입하면서 시편 표면을 이온 에칭하며, 노 내의 압력을 3Torr 이상으로 유지시키고 N₂와 H₂ 및 탄화가스를 투입하며 스크린망에 20A 이상의 전류를 인가하면서 1~9시간 동안 질화시키고, 노 내부에 N₂를 투입하여 시편을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 노 내부의 질화 조건을 제어하여 시편과 질화가스와의 반응성을 높이므로, 화합물층과 경화층의 형성을 촉진하여 경화층을 신속하게 형성하고 화합물층을 두껍게 성형하므로, 자동차 구동 부품계의 침탄기술을 대체하는 질화 처리가 가능한 효과가 있다.

포스트 플라즈마, 질화, 스크린망, 화합물층, 경화층.

Description

포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법{Method for nitriding by post-plasma}

본 발명은 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시편의 질화 반응성 향상을 통해 화합물층과 경화층을 신속하고 최대한 두껍게 형성하여 자동차 구동 부품계의 침탄 대체 기술로 사용 가능함과 아울러, 내마모 및 내식 특성을 향상시키고, 표면 경화처리에 따른 경도값을 증가시킬 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법에 관한 것이다.

일반적으로, 표면 처리라 함은 금속의 표면을 아름답게 보이게 하거나, 또는 표면의 내식성이나 내마모성을 개선할 때, 표면을 경화(硬化)처리할 때 등 다양한 목적을 위하여 처리하는 경우를 말한다.

이러한, 표면 처리 중 표면을 경화처리하는 방법으로는 침탄법, 질화법, 고주파 열처리 등이 있는데, 자동차 부품의 경우 피로하중을 받기 쉽기 때문에 통상 1~2시간에 0.4㎜이상의 경화층 형성을 위한 침탄법이 주로 적용되고 있다.

그러나, 침탄법은 변태점 이상에서 행해지는 이유로 처리시의 변형과 담금질시의 오염 등에 의해 후처리 작업이 필수적으로 따르게 된다. 이에 비해, 질화법은 500~600℃ 온도범위에서 금속재료의 표면으로부터 내부로 질소를 확산 침투시켜 내마모성, 내피로성, 내식성 등을 높이는 경화 기술로써, 낮은 온도 범위 내에서 행해지기 때문에 변형의 문제가 최소화될 수 있으며, 고온 강도가 우수하고 표면에 내마모성, 내식성이 우수한 화합물층이 형성되므로 침탄 대체 기술로서 많은 관심이 집중되고 있다.

즉, 질화법은 다른 표면 경화법인 침탄법, 고주파 열처리와 달리 강의 변태점 이하의 저온에서 처리하기 때문에 열처리 변형이 적어 정밀기계부품 및 자동차 부품, 금형 등에 많이 사용되고 있다. 이에, 아래의 표 1에서는 침탄 기술과 질화 기술의 특징을 간략하게 비교하여 나타내었다.

항목	침탄	질화
적용 강종	제약 있음	범위가 넓음
처리 온도	850~950℃	400~600℃
추가 열처리	필요(Q/T)	필요 없음(어닐링 효과 포함)
후처리 필요성	필요	필요 없음
경화 깊이	깊음(0.4~1.5㎜)	얇음(0.3~1.0㎜)
표면 경도	60~65HRC	70HRC 이상
내충격성(인성)	취약	보통
변형	큼	극소(저온공정)
내식성	보통(높은 탄소함유는 stress corrosion craking 유발)	우수(저탄소강의 내식성 향상)
내마모성	보통	우수

한편, 질화처리시, 강내의 질소의 고용도는 0.1 at.% 이하이므로 표면에 인터메탈릭 형태의 ε-F_2-3N 또는 γ-F₄N 조성의 화합물층을 쉽게 형성하게 된다. 즉 표면의 질소 농도가 0.1%를 넘게 되면 γ-F₄N이 형성되고, 다시 표면의 질소 농도가 6%를 넘게 되면 ε-F_2-3N상이 형성된다.

이와 관련하여, 도 1에서 Fe-C-N 상태도의 특성을 나타내었는데, 각 상에 따라 특성이 차이가 있다. 즉, 제품의 성질이 약한 표면경도와 연성이 요구될 때에는 α고용체나 γ상을 요구하고, 높은 표면경도와 내식성과 내마모성을 요구할 때는 ε상을 형성시키는 것이 기본적이다. 또한, 질화보다 더 높은 성질을 요구하게 될 경우, 코팅층 형성시에는 질화층을 연성이 우수한 화합물층이 없는 α상이나 연성이 우수하고 물성도 좋은 γ'상을 형성시키게 되며 내식성 및 마찰계수 저감을 원할 경우, ε상 위에 산질화와 같은 특수 질화 기술을 접목시키는 방안이 제시되고 있다.

특히, 기계부품이나 자동차 부품은 마찰로 인하여 효율이 떨어지고 부품의 수명 또한 줄어들게 된다. 따라서, 이러한 마찰로 인한 문제점을 현실적으로 해결하기 위하여 저탄소강이나 저합금강의 표면에 백색층의 ε-F_2-3N을 빠른 시간 내에 형성시키는 기술이 개발되고 있다.

γ-F₄N은 FCC이고 ε-F_2-3N은 HCP상이기 때문에 질소 농도 변화에 따라 γ상이 ε상으로 변하게 될 경우, 상변태가 요구되어 시간이 필요하므로 대게 γ + ε이 공존하는 형태로 존재하게 된다. 반면, ε상이 핵생성되면, 성장은 쉽게 되는 것으로 알려져 있어 표면 질소 농도를 높이는 등의 방법을 통해 ε상을 형성시키는 기술이 개발되고 있다.

베어링, 부싱 등 기계 부품과, 캠, 샤프트와 같은 자동차 구동 부품의 재료로 사용되는 저탄소강이나 저합금강의 내구성 향상을 위해서는 충분한 표면 경도와 경화 깊이가 필요한데 보통 화합물층의 두께는 10~25㎛, 질화층은 400㎛이상이 요구되고 있다. 이러한 질화 조직 형성을 위해 12~20 시간 이상의 가스 연질화가 요구되기도 한다. 이에, 최근에는 이온질화를 이용한 기술에서 글로우 형성에 의한 신속 질화 기술 등이 보고되고 있으나, 이 경우도 표면층에 대한 스퍼터링 효과와 낮은 압력에 의해 화합물층 두께를 두껍게 형성하는데 어려움이 있다.

결국, 내구성, 내피로특성 및 내마모성 향상을 위한 자동차, 기계 부품의 표면 질화처리를 위해서는 화합물층과 질화층을 동시에 두껍게 형성시키는 것이 중요하다고 할 수 있고, 특히 고품질성과 그린 공정이라는 측면에서 관심이 증대되고 있는 이온 질화의 경우에 있어 상기 특성을 유지할 수 있는 공정 기술에 대한 수요가 증가하고 있다.

이에, 이온질화시, 화합물층 형성에 있어 주요 영향 인자를 확인해 보면 다음과 같이 정리된다.

(1) 합금원소 : Al, Cr, Ti, Mo, V 등은 질소와 쉽게 결합하여 강한 질화물을 형성한다. 따라서, 이런 원소를 포함하는 합금에 대한 질화시 초기 질화를 촉진하는 역할를 하나 화합물층이나 확산층의 성장을 느리게 하는 경향이 있다.

(2) 가스의 조성 : 이온질화시 암모니아가 사용되지 않고 질소와 수소의 비율에 의해 질화 포텐셜이 조절되는데, 일반적으로 질화층(경화층)의 두께는 질소의 농도에 큰 영향을 받지 않으나 화합물층의 두께는 단위시간당 질소원자의 농도의 의존하므로 20%이상의 질소 비율시 뚜렷한 성장이 관찰되어 80%까지 성장이 증가하는 것으로 관찰되며, 90~100%까지 증가시는 그 효과가 감소되는데, 이는 표면에서 발생하는 산화물 및 불순물의 제거 효과가 감소하여 질화 속도가 감소하는 것으로 알려지고 있다.

이처럼, 질소 농도를 높이는 방법 이 외에 접근되는 방법은 메탄이나 프로판과 같이 탄소를 포함하는 가스를 첨가하는 방법이다. 도 1과 같이 Fe에 대한 N의 고용도는 0.1wt%인데 반해 Fe-C계에서 N의 고용도는 0.02까지 낮아지고, 특히 γ Fe상의 형성은 제한되며, ε상의 형성이 촉진된다. 이는, ε상에 C의 고용도가 3.8 wt% 까지 되므로 N의 농도가 떨어지며 따라서 상대적으로 낮은 질소 농도에서도 ε 상의 형성이 쉬워지기 때문이다.

한편, 현대의 질화 기술은 이온질화의 품질과 가스 질화의 생산량을 목표로 발전하고 있고, 상기한 목표를 달성하기 위한 대표적인 질화 기술로는 포스트 플라즈마 질화를 들 수 있다.

상기한 포스트 플라즈마(Post plasma) 질화에 대하여 설명하면, 첨부도면 도 2와 같이 시편(P) 외부에서 발생된 플라즈마에 질화용 기체를 통과시켜 시편(P)을 코팅 및 질화시키는 것으로, 노(1) 내부 중앙에 음극 전원을 갖는 기판(2)을 설치하고, 상기 기판(2) 위에 시편(P)을 구비하며, 노 내측에 히터(H)를 설치한다. 그리고, 노(1) 상부에 가스투입부(4)를 설치하고, 하부에 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 공급한다.

여기서, 상기한 플라즈마(PS)를 간단하게 설명하면 원자는 수백만~수천만 온도에서 원자핵과 전자가 분리하여 그대로의 상태로 격렬하게 운동을 하여 전기적으로는 중성인 가스 상태가 되는데, 이것을 플라즈마라고 한다.

이와 같이 설명된 포스트 플라즈마 질화는 플라즈마에 질화 가스를 통과시켜 시편을 질화 처리하게 됨으로써, 처리 시편에 글로우를 직접 가하지 않고 질화를 할 수 있게 된다. 따라서, 아크 등에 의한 시편의 표면 손상이 없고, 시편 형상의 제약이 없어 상기한 이온질화법의 단점을 해결할 수 있는 것이다.

그러나, 상기 포스트 플라즈마 질화는 시편 표면에 직접 전하가 가해지지 않게 됨으로써, 이온질화법에서와 같은 이온들의 스퍼터링 효과에 의한 표면 산화막 제거 및 활성화 과정이 없기 때문에 질화의 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

도 3은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 출원인이 선출원하여 특허 등록받은 특허 제0610645호 "포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치"에 대한 것으로, 설명하면 시편 외부에 플라즈마가 생성되는 스크린망을 설치하고, 상기 스크린망 외측에 다수의 가스홀을 갖는 가스관을 설치하여 구성된다.

즉, 시편 외부에 설치된 스크린망에 플라즈마를 생성시킨 후, 산화 및 환원성 기체에 의해 시편 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하고, 상기 시편에 질소와 수소와 질화제를 투입하여 질화시킨 후, 노 내부의 온도를 떨어뜨려 시편을 냉각함으로써, 시편을 질화시키게 된다.

그러나, 상기한 질화방법은 낮은 처리온도에 따른 낮은 확산속도에 의해 침탄보다 공정시간이 길어지는 문제가 발생하고, 또한 여, 생산 단가를 중요시하는 자동차 부품에 있어 적용이 제한되는 문제가 발생하였다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 시편의 질화 반응성 향상을 통해 화합물층과 경화층을 신속하게 형성하여 자동차 구동 부품계의 침탄 대체 기술로 사용 가능한 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 화합물층과 경화층을 두껍게 형성하여 내마모 및 내식 특성을 향상시키고, 표면 경화처리에 따른 경도값을 증가시킬 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 노 내부에 시편을 장입 및 가열하고 시편 외부의 스크린망에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 방법에 있어서, 진공 압력에서 노 내의 온도를 공정 온도까지 승온 및 예열시켜 시편을 가열하는 예열공정과; 노 내의 압력을 1.25Torr 이하의 공정압력으로 유지시키고, 온도를 570℃ 이상 상승시킨 후, Ar과 H₂를 1:1의 비율로 투입하면서 1시간 동안 시편 표면을 이온 에칭하는 스퍼터링공정과; 노 내의 압력을 3Torr 이상의 공정압력으로 유지시키고, N₂와 H₂를 3:1~4:1의 비율로 투입하며, 탄화가스를 전체가스에 대해 1~2중량% 투입하고, 스크린망에 적어도 20A 이상의 전류를 인가하면서 시편의 종류에 따라 1~9시간 동안 질화시키는 질화층 형성공 정과; 노 내부에 N₂를 투입하여 시편을 냉각시키는 냉각공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 탄화가스는 프로판(C₃H₈)과 메탄(CH₄) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 노 내부의 온도와 압력과 탄화가스 및 N₂의 농도를 화합물층이 형성되기 좋은 조건으로 유지하고, 스크린망에 인가되는 전류를 통해 시편 표면의 이온 밀도를 가일층 상승시켜, 시편과 질화가스와의 반응성을 높이게 되고, 이로 인해 화합물층과 경화층의 형성을 촉진하여 경화층의 깊이를 2시간 이내의 짧은 시간에 형성할 수 있게 된다. 따라서, 공정 시간의 단축을 통해 우수한 물성을 확보할 수 있고, 제품의 생산 단가를 획기적으로 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 상기와 같은 화합물층 형성 촉진을 통해 질화 시편의 화합물층을 최대한 두껍게 성형할 수 있으므로, 우수한 내마모 및 내식성과 함께 고온 강도 및 내피로 특성의 향상이 가능한 효과가 있고, 기존 침탄 기술이 적용되는 다양한 자동차 및 기계 부품의 품질 향상을 위한 표면 경화처리에 적용이 가능한 효과도 있다.

또한, 플라즈마를 이용한 진공 공정이므로, 사용하는 가스량을 기존의 가스질화공정에 비해 1/100 이하로 줄일 수 있고, 인체에 무해한 가스를 이용하므로 친 환경적인 공정이 가능함과 아울러, 가스질화 못지 않은 경화층 형성속도와 우수한 상 조절 능력 등의 복합화를 통해 고급 기술로써의 활용이 가능한 효과도 있다.

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

도 4는 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품의 질화방법을 순차적으로 나열한 공정도로, 크게 예열공정(P10)과, 스퍼터링공정(P20)과, 질화층 형성공정(P30)과, 냉각공정(P40)으로 나뉘어진다.

설명하면, 먼저 예열공정(P10)은 노(10) 내부의 온도를 시편(P)이 질화 처리될 수 있는 공정온도까지 승온 및 예열시키는 단계로, 3×10^-3의 진공 압력하에서 히터(H)를 이용하여 570℃까지 온도를 상승시킨 후, 약 30분간 예열시켜 노(10) 내부에 장입된 시편(P)을 예열한다.

스퍼터링공정(P20)은, 시편(P) 외부에 설치된 스크린망(20)에 플라즈마(PS)를 생성시킨 후, 활성화를 위한 Ar과 H₂를 스크린망(20) 외부의 가스관(30)을 통해 상기 플라즈마(PS)에 통과시켜 시편(P) 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하는 공정이다.

즉, 상기 스퍼터링공정(P20)에서는 노(10) 내부의 압력을 1.25Torr 이하의 공정압력으로 유지시키고, 노(10) 내부의 온도를 570℃ 이상 상승시킨 후, Ar과 H₂를 스크린망(20)에 형성된 플라즈마(PS)에 1:1의 비율로 투입하면서 1시간 동안 시 편(P) 표면을 이온 에칭한다.

질화층 형성공정(P30)은 스퍼터링공정(P20)을 거친 시편(P)에 N₂와 H₂와 탄화가스 투입하여 질화 처리하는 것으로, N₂와 H₂를 3:1~4:1의 비율로 투입하고, 상기 탄화가스는 노(10) 내부에 투입되는 전체 가스에 대해 약 1~2중량%를 투입한다.

이처럼, 투입되는 N₂와 H₂ 및 탄화가스는 가스관(30)을 통해 스크린망(20)에 생성된 플라즈마(PS)에 통과시켜 시편(P)을 질화시키게 되는데, 특히 이와 같은 공정 중 스크린망(20)에는 적어도 20A 이상의 전류를 인가하면서, 시편(P)의 종류에 따라 약 1~9시간 동안 시편(P)을 질화시키는 것이 적절한 바, 이에 대한 실험예는 후술하기로 한다. 그리고, 상기한 탄화가스는 탄소(C)를 함유한 가스로써, 프로판(C₃H₈)과 메탄(CH₄) 중 어느 하나를 사용한다.

냉각공정(P40)은 노(10) 내부를 냉각시켜 시편(P)을 냉각시키는 것으로, 노(10) 내부를 500Torr 이하의 압력으로 유지시킨 채, 노(10) 내부에 N₂를 투입하여 시편(P)을 냉각시킨다.

한편, 본 발명의 질화방법을 수행하기 위한 질화장치는 본 출원인이 선출원하여 특허 등록받은 특허 제0610645호 "포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치"에 개시된 것과 동일한 것을 사용한다. 이에 대해서는 본 발명의 배경기술 설명에 간략하게 전술한 바 있으나, 본 발명의 이해를 돕기 위해 상기 질화장치의 구성에 대해 도 3을 통해 보다 구체적으로 설명한다.

노(10) 내측에는 히터(H)를 내장하여 시편(P)을 가열하고, 하부에는 진공펌프(Vp)를 설치하여 노(10) 내부의 분위기를 진공 상태로 변형시킨다.

그리고, 상기 노(10) 상부에는 후술될 가스관(30)으로 작용 기체를 투입하기 위한 가스투입부(40)를 설치하고, 상기 가스투입부(40)와 노(10) 사이에는 노(10) 내부의 진공도를 유지 및 측정하기 위한 바라트론 게이지(Baratron gauge)(G)와, 노(10)에 투입되는 가스의 양을 조절하기 위한 스로틀밸브(Thv)를 각각 설치한다. 또한, 상기 노(10)는 PC 등과 전기적으로 연결하여 플라즈마(PS) 및 전원 공급 상태를 실시간으로 측정함으로써, 질화 공정을 전반적으로 제어할 수 있도록 한다.

상기 노(10)의 중앙 내부에는 플레이트(25)를 설치하고, 상기 플레이트(25) 상부에 질화 처리하고자 하는 시편(P)을 구비한다. 그리고, 상기 시편(P) 외부에는 시편(P)을 커버하도록 스크린망(20)을 설치하게 되는데, 상기 스크린망(20)은 상부스크린망(20a)과 복수(본 발명에서는 2개를 적용)의 측부스크린망(20b)으로 분리 설치하여 각각의 스크린망(20)에 DC 전원의 공급이 가능하도록 한다.

이때, 상기 스크린망(20)에 전원을 공급하는 전원장치(50)를 다수 구비하여 스크린망(20) 각각에 개별적으로 전원을 공급하는 것이 가능하게 구성함으로써, 상기 스크린망(20)에 보다 높은 전류를 흐를 수 있도록 하였다.

이러한, 상기 스크린망(20)은 금속재로 형성하여 음극전원을 띄도록 함으로써, 상기 스크린망(20)에 플라즈마(PS)를 생성시킨다. 그리고, 상기 스크린망(20) 외부에는 산화 및 환원성 기체와 질화제가 투입되는 나선형의 가스관(30)을 설치하되, 상기 가스관(30)에는 다수의 가스홀(35)을 형성한다. 또한, 상기 가스관(30)은 노(10) 외부의 가스투입부(40)와 연결되어 가스를 공급받는다.

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

본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법을 통해 시편(P)을 질화 처리하기 위해서는 먼저, 시편(P)을 질화로 내부에 장입하게 되는데, 본 발명에서 사용된 시편(P)은 금형강 재료 STD11, STD61, S45C, SCM440종 중 어느 하나를 적용하였다.

상기 시편(P)의 장입 이후에, 노(10) 내부의 진공도를 진공펌프(Vp)를 이용하여 1×10^-3Torr로 유지시키고, 히터(H)에 전원을 공급하여 노(10) 내부의 온도를 공정 온도인 570℃까지 승온시킨 후, 약 30분간 예열 유지시킨다.

이 후, 노(10) 내부의 온도를 질화 온도인 570℃ 이상으로 유지시키고, 압력을 1.25Torr 이하로 유지시킨 채, 스크린망(20)에 생성된 플라즈마(PS)에 Ar 500sccm과 H2 500sccm을 1:1의 비율로 통과시켜 시편(P)의 표면을 약 1시간 동안 이온 에칭함으로써, 시편(P) 표면을 스퍼터링한다.

그리고, 시편(P)에 질화층을 형성하게 공정을 실시하게 되는데, 본 발명에서는 시편(P)에 화합물층과 경화층이 형성되기 좋은 조건을 유지하기 위해 노(10) 내부의 온도를 상기한 스퍼터링공정(P20)의 공정 온도인 570℃ 이상을 유지시키고, 노(10) 내부의 압력을 플라즈마(PS)가 안정하게 유지될 수 있는 한도(적절하게는 3Torr 이상)에서 가능한 높게 유지시킨다.

그리고, ε상의 촉진을 위하여 프로판(C₃H₈) 및 메탄(CH₄)과 같은 탄화가스를 전체 가스 대비하여 약 1~2중량%, 일례로 100sccm 첨가한다. 즉, 탄화가스 내의 탄소는 질화시에 강내의 질소 확산 속도를 촉진시키는 역할을 하게 됨으로써, 질화 처리속도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.

또한, 노(10) 내부에 N₂와 H₂를 약 3:1~4:1의 비율, 일례로 N₂ 300sccm H2 1000sccm을 투입 및 유지함으로써, 단위 시간당 N2 가스의 비율을 높여주고, 특히 스크린망(20)에 적어도 20A 이상의 전류를 흘려주는 것이 필요하다.

즉, 도 5에서 도시한 바와 같이 동일한 바이어스 전압을 인가한 상태에서, 스크린 전원을 사용한 경우가 스크린 전원을 사용하지 않는 경우보다 바이어스 전류값이 2.5배 이상 상승한 것을 확인할 수 있다. 이와 같은, 시편(P) 표면에서의 전류값 상승은 표면 이온 밀도의 상승을 의미하는 것으로, 결국 이온질화만을 이용하였을 때보다 2.5배 이상의 이온 밀도의 상승이 가능하게 된다.

이를 통해, 도 6에서 도시한 바와 같이 S45C, SCM종의 경우 2시간 이내에 20㎛ 이상의 화합물층과 100㎛ 이상의 경화층 형성이 가능하게 되는 것이다. 이에 반해, 도 7은 일본의 이온질화 전문회사인 CEMM에서 보고한 실험결과 그래프로써, 570℃에서 20㎛ 이상의 화합물층 형성을 위해 10시간 이상이 필요한 것으로 보고됨으로써, 본 발명의 질화방법은 일본의 실험결과에 비해 약 5배 이상 빠른 시간에 가능한 것임을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 질화방법은 자동차 구동 부품계의 표면 경화처리에서 요 구하는 경화층 깊이를 2시간 이내의 짧은 시간에 형성할 수 있으므로, 공정 시간의 단축을 통해 우수한 물성을 확보할 수 있고, 제품의 생산 단가를 획기적으로 절감시킬 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 플라즈마(PS)를 이용한 진공 공정이므로, 사용하는 가스량을 기존의 가스질화공정에 비해 1/100 이하로 줄일 수 있고, 인체에 무해한 가스를 이용하므로 친환경적인 공정이 가능함과 아울러, 가스질화 못지 않은 경화층 형성속도와 우수한 상 조절 능력 등의 복합화를 통해 고급 기술로써의 활용이 충분하다 할 것이다.

[실험예]

전술한 바와 같은 공정을 통해 질화된 시편(P)의 기계적 특성을 확인하기 위하여 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 50gf/10sec의 하중으로 10회 이상 측정하였고, 표면 조직의 관찰을 위하여 광학 현미경과 주사전자 현미경으로 표면 조직을 관찰하였으며, 시편(P)의 화합물층 및 경화층의 두께를 확인하기 위하여 단면으로 시편(P)을 절단 후, 3% 나이탈 부식액에 에칭(etching)한 다음 광학현미경으로 그 조직을 관찰하였다.

H₂S 가스량에 따른 화합물층 두께의 변화를 알아보기 위한 단면 조직사진 분석 결과 H2S 가스량 변화에 따른 두께의 큰 변화는 없었다. 다만, 2시간 질화 처리 후 7㎛의 화합물층과 50㎛ 정도의 경화층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

도 8은 질화 시간에 따른 시편(P) 표면 조직의 변화를 관찰한 광학 사진이 고, 도 9는 도 8의 실험 결과를 정리한 그래프로써, 탄소강(S45C) 및 저합금강(SCM)의 경우 1시간에 이미 10㎛ 이상의 화합물층과 300㎛ 이상의 경화층의 형성이 가능하였으며, 2시간에 20㎛에 가까운 화합물층과 500㎛에 가까운 경화층을 형성하고 있음을 확인할 수 있다.

고합금강 계열인 금형강이나, Cr 함량이 높아 질화가 어려운 강종인 SKD11종의 경우에도 5~10㎛ 정도의 화합물층 형성이 가능하였으며, 같은 고합금강 계열인 SKD61종의 경우도 질화처리 4시간 이 후, 16㎛에 가까운 화합물층과 200㎛ 이상의 경화층을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 10은 화합물층이 두껍게 형성된 질화 시편(P)의 표면 조직을 관찰한 사진으로, 매우 두껍고 조대한 결정립으로 구성된 층이 형성된 것을 확인할 수 있다. 보통 마찰계수를 낮추어 내마모 특성을 향상시키기 위한 침류질화 기술과, 내식성을 SUS이상으로 향상시키기 위한 산질화 기술의 경우, 최종 침류질화층과 산화층을 형성시키기 전에 화합물층을 두껍게 형성하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에서와 같이 화합물층을 두껍게 형성하는 것은, 상기한 침류질화와 산질화 기술에 기반이 되는 것으로, 결과적으로 제품의 우수한 내마모 특성과 내식성을 확보할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명의 질화방법은 우수한 내마모 및 내식성과 함께 고온 강도 및 내피로 특성의 향상이 가능하고, 특히 신속한 질화 처리가 가능하여 기존 침탄 기술이 적용되는 다양한 자동차 및 기계 부품의 품질 향상을 위한 표면 경화처리에 적용이 가능하다.

일례로, 자동차용 크랭크 샤프트의 질화는 6~16㎛의 화합물층 두께, 300㎛의 경화층 두께, 680Hv 이상의 표면 경도를 요구하고 있는데, 본 발명의 질화 공정을 통해 상기한 조건을 만족시킬 수 있음을 실험을 통해 확인할 수 있었고, 이에 대한 실험결과를 도 11에 도시하였다.

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 종래 질화 기술을 설명하기 위한 Fe-C-N 상태도,

도 2는 종래 기술에 의한 질화장치의 개략도,

도 3은 본 출원인에 의해 선출원되어 등록된 질화장치의 개략도,

도 4는 본 발명에 의한 질화방법의 공정을 순차적으로 나열한 공정도,

도 5는 본 발명에 의한 질화공정 중 스크린망 유무에 따라 다르게 인가되는 전류량의 차이를 나타낸 표,

도 6은 본 발명에 의한 질화공정 이 후의 강종별 단면 사진,

도 7은 도 6의 실험 결과와 대비하기 위해 시간에 따른 화합물층 두께 변화 데이터를 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명의 질화방법에 의해 시간에 따른 강종별 단면 조직의 변화를 보여주는 광학사진,

도 9는 도 8의 실험결과 사진에 따라 시간에 따른 강종별 화합물층 두께 변화를 나타낸 그래프,

도 10은 본 발명의 질화방법에 의한 시편 표면의 조직을 나타낸 SEM 사진,

도 11은 본 발명의 질화방법을 적용한 크랭크샤프트의 실험 처리결과를 나타낸 그래프 및 사진.

*도면중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 노 20 : 스크린망

30 : 가스관 40 : 가스투입부

P10 : 예열공정 P20 : 스퍼터링공정

P30 : 질화층 형성공정 P40 : 냉각공정

P : 시편 PS - 플라즈마

Claims

노 내부에 시편을 장입 및 가열하고 시편 외부의 스크린망에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 방법에 있어서,

진공 압력에서 노(10) 내의 온도를 공정 온도까지 승온 및 예열시켜 시편(P)을 가열하는 예열공정(P10)과;

노(10) 내의 압력을 1.25Torr 이하의 공정압력으로 유지시키고, 온도를 570℃ 이상 상승시킨 후, Ar과 H₂를 1:1의 비율로 투입하면서 1시간 동안 시편(P) 표면을 이온 에칭하는 스퍼터링공정(P20)과;

노(10) 내의 압력을 3Torr 이상의 공정압력으로 유지시키고, N₂와 H₂를 3:1~4:1의 비율로 투입하며, 탄화가스를 전체가스에 대해 1~2중량% 투입하고, 스크린망(20)에 적어도 20A 이상의 전류를 인가하면서 시편(P)의 종류에 따라 1~9시간 동안 질화시키는 질화층 형성공정(P30)과;

노(10) 내부에 N₂를 투입하여 시편(P)을 냉각시키는 냉각공정(S40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법.
제 1항에 있어서, 상기 탄화가스는 프로판(C₃H₈)과 메탄(CH₄) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 자동차 부품용 질화방법.