KR20100091454A

KR20100091454A - 표면처리된 금속재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100091454A
Application number: KR1020090010645A
Authority: KR
Inventors: 이원범; 문경일; 유세훈; 김경황; 조균택
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-19

Abstract

본 발명은 표면처리된 금속재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 표면처리된 금속재는, 금속 모재의 표면으로부터 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층이 쇼트피닝에 의해 형성되고, 질화처리에 의해 생성된 질소 이온이 제1경화층을 통해 금속 모재의 내부로 확산되어 제2경화층을 형성하는 것으로 구현된다.

그리고 표면처리된 금속재 제조방법은, 금속 모재의 표면에 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층이 형성되도록 강철 구슬을 분사하는 쇼트피닝공정과, 상기 제1경화층을 통해 모재의 내부로 확산되면서 제2경화층을 형성하도록 질소이온을 생성시키는 질화공정의 순서로 진행된다.

따라서, 본 발명은 금속재의 표면경도를 향상시키며 경화층 깊이를 향상시키게 된다.

금속재, 쇼트피닝, 질화, 표면경도, 경화층.

Description

표면처리된 금속재 및 그 제조방법{SURFACE TREATMENT METAL MATERIAL AND PROCESS THEREOF}

본 발명은 표면처리된 금속재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속재의 표면경도를 향상시키면서 경화층을 두껍게 형성할 수 있는 표면처리된 금속재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 표면처리는 금속표면을 어떤 특정한 목적을 가지고 처리하는 일로, 일반적으로는 금속표면을 아름답게 보이게 하거나, 또는 표면의 내식성이나 내마모성을 개선할 때, 표면을 경화(硬化)처리 할 때 등 다양한 목적을 위하여 처리하는 경우를 말한다. 즉, 금속 제품(製品) 또는 금속 재료(材料)의 표면을 적당히 처리하여 내부 결점을 은폐함으로써 개선하려는 것이다.

상술한 표면처리로서 금속표면의 물성을 개질시켜 재료의 수명을 늘리기 위한 방법으로, 현재에는 쇼트 피닝, 침탄, 질화, 고주파 열처리 등이 널리 사용되고 있다.

이 가운데 쇼트 피닝(SHOT PEENING)은 원심력이나 압축 공기에 의해 조그마한 강철 구슬을 금속표면으로 강하게 분사하여 표면을 처리하는 방법으로서, 금속 표면에 가공 경화를 발생시켜 피로강도를 향상시킴에 따라 피로 수명을 증가시키고 강도를 높이는 동시에, 금속재의 경량화로 인한 에너지 절감을 기대할 수 있으며 가공 시 연료 소비를 낮출 수 있는 장점이 있는 반면에, 표면 깊숙이 경화층을 형성시키기 어려운 문제점이 있었다.

한편, 질화는 시간과 온도의 함수 관계를 가진 표면처리의 하나로서, 생성된 질소이온을 금속표면에 확산시킴으로써 표면을 개질시키는 방법이며, rf 플라즈마 이온질화와 글로우 방전 이온질화 등이 있다. 그러나, 이러한 질화는 시간과 온도의 변화에 따라 경화층의 두께가 달라지며, 이로 인해 두꺼운 경화층 형성을 위해서는 경제적인 측면에서 비용과 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 금속재의 표면경도를 향상시키면서 경화층을 두껍게 형성하여 표면 물성을 향상시킬 수 있는 표면처리된 금속재 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면처리된 금속재는, 금속 모재의 표면으로부터 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층이 쇼트피닝에 의해 형성되고, 질화처리에 의해 생성된 질소 이온이 제1경화층을 통해 금속 모재의 내부로 확산되어 제2경화층을 형성하는 것이다.

이때, 상기 제1경화층은 금속 모재의 표면으로부터 미세화된 결정립으로 이루어진 미세결정립층 및 소성변형층을 포함하는 데, 상기 결정립의 크기는 20~200㎚로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1경화층은 표면으로부터 50㎛의 두께로 이루어지고, 제2경화층은 제1경화층으로부터 110㎛의 두께로 이루어지게 된다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면처리된 금속재 제조방법은, 금속 모재의 표면에 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층이 형성되도록 강철 구슬을 분사하는 쇼트피닝공정과, 상기 제1경화층을 통해 모재의 내부로 확산되면서 제2경화층을 형성하도록 질소이온을 생성시키는 질화공정을 포함한다.

여기서, 상기 쇼트피닝공정에서는 금속 모재의 표면으로부터 미세화된 결정립으로 이루어진 미세결정립층과 소성변형층을 형성시키는데, 이때 결정립의 크기를 20~200㎚로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 쇼트피닝공정에서는 제1경화층의 깊이를 표면으로부터 50㎛로 형성하고, 상기 질화공정에서는 제2경화층의 깊이를 제1경화층으로부터 110㎛로 형성하게 된다.

아울러, 상기 질화공정은, 기판 위에 정치된 나이프가 내장된 챔버의 내부를 진공압으로 형성한 후, 450~500℃로 승온시켜서 챔버 내부 및 나이프를 균열시키는 균열단계; 상기 챔버 내부로 Ar과 H₂를 1:1로 주입하면서 0.4~0.6 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 나이프 표면을 에칭시키는 스퍼터링단계; 상기 챔버 내부로 질소와 수소를 1:3으로 주입하면서 0.1~0.3 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 나이프의 표면을 질화시키는 니트라이딩단계; 상기 챔버 내부로 질소가스를 주입하여 나이프 및 챔버를 냉각시키는 냉각단계;를 포함한다.

특히, 상기 쇼트피닝공정은 20 내지 120초로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기와 같은 수단으로 구현된 본 발명에 따르면, 쇼트피닝과 질화의 복합적인 표면처리에 의해 금속 모재의 표면경도를 향상시키는 동시에 경화층의 깊이를 깊게 형성하여 금속재의 품질을 제고시키며 수명을 극대화시킬 수 있는 매우 유용 한 효과가 있다.

특히, 본 발명은 쇼트피닝공정으로 형성된 미세 결정립구조의 제1경화층을 통해 질화공정으로 생성된 질소 이온이 금속 모재의 내부로 깊숙히 확산되므로, 경화층의 깊이를 향상되며, 이에 따라 금속재의 물성을 우수하게 도모할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 금속재는, 쇼트피닝에 의해 금속 모재(10)의 표면으로부터 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층(H10)이 형성되고, 질화처리에 의해 생성된 질소 이온이 제1경화층(H10)을 통해 금속 모재(10)의 내부로 확산되어 제2경화층(H20)을 형성하는 것이다.

금속재의 제1경화층(H10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 금속 모재(10)의 표면으로부터 형성된 미세결정립층(H11) 및 소성변형층(H12)을 포함한다. 여기서, 미세결정립층(H11)은 쇼트피닝에 의해 미세화된 결정립으로 이루어져 심각한 소성변형을 일으킨 영역이며, 미세화된 결정립의 지름(d1)은 20~200㎚로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 소성변형층(H12)은 쇼트볼에 의한 소성변형이 다소 적은 영역이다.

첨부된 도 8을 참조하여 각 경화층의 두께를 살펴보면, 제1경화층(H10)은 표면으로부터 50㎛의 두께로 이루어지고, 제2경화층(H20)은 제1경화층으로부터 110㎛ 의 두께로 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 금속재는, 열처리 후 쇼트피닝된 시편 또는 열처리 후 이온질화된 시편에 비해, 경화층의 두께가 두꺼워지게 된다.

이와 같이 구성된 금속재 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 의한 표면처리된 금속된 제조방법은, 금속 모재(10)의 표면에 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층(H10)이 형성되도록 강철 구슬을 분사하는 쇼트피닝공정(S100), 상기 제1경화층(H10)을 통해 모재(10)의 내부로 확산되면서 제2경화층(H20)을 형성하도록 질소이온을 생성시키는 질화공정(S200)의 순서로 진행된다.

쇼트피닝공정(S100)은 쇼트볼을 강하게 분사하여 금속 모재(10)의 표면에 제1경화층(H10)을 형성시키는 공정이다.

첨부된 도 1은 쇼트피닝을 실시하기 위한 쇼트피닝장치를 나타낸 예시도로서, 쇼트볼을 공급하는 볼공급탱크(1)와, 볼공급탱크(1)에서 공급된 쇼트볼을 금속 모재(20)의 표면으로 분사하는 분사노즐(2)과, 분사노즐(2)로 압축공기를 공급하는 압축기(3)와, 분사노즐(2)을 통해 금속 모재(10)로 분사된 후 낙하되는 쇼트볼을 집수하는 집수조(4)와, 집수조(4)에서 집수된 쇼트볼을 입도별로 선별하여 볼공급탱크(1)로 공급하는 선별기(5)로 구성된다.

따라서, 상술한 쇼트피닝 장치는, 압축기(3)에 연결된 분사노즐(2)을 통해서 모재(10)의 표면으로 쇼트볼을 강하게 분사하여 충돌시킴에 따라 표면 처리하고, 집수조(4)에서 집수된 쇼트볼은 선별기(5)로 회수되어 입도별로 선별된 후, 볼공급탱크(1)로 공급되는 사이클을 반복하게 된다.

상기와 같은 쇼트피닝공정(S100)에 의해 금속 모재(10)는 경도를 향상시키게 되는데, 도 2에는 이러한 쇼트피닝공정(S100)에 의해 금속 모재(10)의 향상된 경도(Hv)를 시간(초)과 관련하여 그래프로 나타내고 있다. 본 발명에 의한 쇼트피닝공정은 20 내지 120초로 이루어지는 것이 바람직하다. 여기서, 쇼트피닝공정이 120초를 초과하는 경우 가공시간이 길어지는데 대한 경도 향상에 큰 변화가 없을 뿐만 아니라 금속 모재의 표면이 약간 패인 현상이 관찰되기 때문이며, 20초 미만인 경우 원하는 경도를 얻을 수 없기 때문이다.

상기와 같은 쇼트피닝공정(S100)에 의하면, 금속 모재(10)는 표면으로부터 제1경화층(H10)을 형성하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1경화층(H10)은 심각한 소성변형에 의해 미세화된 결정립구조가 관찰되는 미세결정립층(H11)과, 그 아래에서 비교적 작은 소성변형에 의해 형성되는 소성변형층(H12)으로 구성된다. 도 4는 미세결정립층(H11)의 표면에서 관찰된 TEM이미지를 나타낸 것으로서, (a)에서는 명시야상을, (c)에서는 암시야상을 나타내었으며, (b)는 미세한 결정립이 방위를 따라 무질서하게 배치된 상태를 나타내었다.

이와 같은 쇼트피닝공정(S100)에 의한 미세한 결정립의 크기(d1)는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 대략 20~200㎚로 이루어지는데, 모재(10)의 표면으로부터 10㎛까지는 20~50㎚의 크기로 이루어지며, 10~50㎛까지는 50~200㎚의 크기로 이루 어진다.

질화공정(S200)은 제1경화층(H10)의 아래에 인접된 제2경화층(H20)을 형성시키는 공정으로서, 도 6에서는 질화공정(S200)의 공정상태를 나타내고 있으며, 이러한 질화공정(S200)은 균열단계(S210), 스퍼터링단계(sputtering step, S220), 니트라이딩단계(nitriding, S230), 냉각단계(S240)의 순서로 진행된다.

여기서, 도 7은 질화공정을 실시하기 위한 질화장치를 나타낸 예시도로서, 질화장치는 기판(31) 및 히터(32)가 내장된 챔버(33)와, 챔버(33) 내부의 진공압을 조절하도록 연결된 진공펌프(34)와, 챔버(33) 내부로 각종 가스를 주입하도록 연결된 가스주입관(35)과, 챔버(33)와 기판(31)에 전압을 공급하도록 연결된 전원공급부(36)를 포함한다.

균열단계(S210)에서는 진공펌프(34)를 이용하여 챔버(33) 내부를 적절한 진공압으로 형성하고, 히터(32)에 의해 발산된 열로 챔버(33) 내부를 450~500℃로 승온시켜서 한 시간 동안 균열시키는데, 이같이 승온된 온도에 의해 챔버(33) 내부 및 기판(31) 위에 정치된 금속 모재(10)는 균열된다.

스퍼터링단계(S220)에서는 균열된 금속 모재(10)의 표면을 이온에 의해 에칭(etching)시키는 단계로서, 가스주입관(35)을 통해 Ar과 H₂를 1:1 비율로 주입하고, 진공펌프(34)를 이용하여 챔버(33) 내부를 0.4~0.6 torr의 진공압으로 유지한다. 이러한 상태에서 전원공급부(36)를 통해 450V의 전압을 인가하면 +극인 챔 버(33)와 -극인 기판(31) 사이에 플라즈마가 발생되며, 이때 플라즈마 내의 Ar이온과 H이온은 나이프(10)의 표면을 에칭하도록 활성화시키는 작용을 하게 된다.

니트라이딩단계(S230)에서는 가스주입관(35)을 통해 질소와 수소를 1:3 비율로 주입하고, 진공펌프(34)를 이용하여 챔버(33) 내부를 0.1~0.3 torr의 진공압으로 유지한다. 이러한 상태에서 전원공급부(36)를 통해 450V의 전압을 인가하면 금속 모재(10)의 표면이 질화된다.

상기와 같은 단계에 의해 이온화된 질소 원자의 이동경로는 도 5의 (b)의 화살표를 통해 알 수 있으며, 이러한 도 5의 (b)는 질화공정으로 생성된 질소 이온이 쇼트피닝에 의해 형성된 제1경화층을 통해 이동되는 경로를 나타낸 개념도이다. 즉, 쇼트피닝공정(S100) 후 질화공정(S200)에 의해 생성된 질소 원자는, 20~200㎚ 크기(d1)의 결정립으로 이루어진 제1경화층(H10)의 수많은 경로를 통해 화살표방향으로 이동하므로 금속 모재(20)의 내부로 깊게 확산되는 것이다.

반면에 도 5의 (a)는 쇼트피닝공정 없이 금속 모재(10)에 질화공정(S200)만을 실시한 후 질소 원자의 이동상태를 나타내었으며, 이때 결정립의 크기(d2)는 10~30㎛로 도 5의 (b)에 비해 크게 이루어진다. 따라서 동일한 단위면적을 나타낸 도 5의 (a)는 (b)보다 결정립이 크게 형성되므로 경로가 적어지고, 이에 의해 질소 원자가 금속 모재(10)의 표면으로부터 내부 방향으로 깊게 확산 될 확률이 현저히 떨어지게 됨을 알 수 있다.

마지막 냉각단계(S240)에서는 금속 모재(10) 및 챔버(33)를 냉각시키는 단계로서, 가스주입관(35)을 통해 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 챔버(33) 및 금속모재(10)를 50℃이하로 냉각한다.

이하에서는 실시예를 통해 표면처리된 금속재 및 그 제조방법의 작용효과를 보다 구체적으로 설명한다.

도 8의, ‘HT’는 열처리된 베이스시편을, ‘HT_SP30’은 열처리 후 쇼트피닝된 시편을, ‘HT_IN’은 열처리 후 이온질화된 시편을, ‘HT_SP30+IN’은 열처리된 시편에 ‘HT_SP30’의 쇼트피닝과 ‘HT_IN’의 이온질화를 동일한 조건에서 시행한 시편을 나타내었으며, 의 경도와 경화층 깊이를 비교하여 그래프로 나타내었다.

도 8을 통해 알 수 있듯이, 표면경도에 있어서 ‘HT_SP30+IN’시편은 1250Hv로 다른 시편에 비해 향상된 값을 나타내었다. 즉, ‘HT_SP30’시편은 750Hv를, ‘HT_SP30’시편은 950Hv의 표면경도를 나타낸 데 반하여, ‘HT_SP30+IN’시편은 1250Hv로서 다른 시편에 비해 향상된 표면경도 값을 나타내었다.

또한, 경화층 깊이에 있어서도 ‘HT_SP30+IN’시편은 110㎛로, 50㎛의 경화층 깊이를 나타낸 다른 시편에 비해 향상된 값을 나타내었다.

이상의 결과로부터, 열처리된 모재(10)를 쇼트피닝한 후 이온질화시키면, 표면경도가 우수할 뿐만 아니라 경화층을 깊게 형성하여, 향상된 물성을 통해 금속재의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

<실시예 1>

STD61 강종으로 이루어진 시편을 열처리한 후 그 표면에 미세 결정립구조로 이루어진 제1경화층이 형성되도록 쇼트피닝공정을 통해 30초 동안 강철 구슬을 분사한다. 이어서, 시편을 기판(31) 위에 정치시키고 대략 308ℓ의 부피를 이루도록 형성(지름 70㎝ × 높이 80㎝)된 챔버(33)의 내부를 진공상태로 형성한 후, 1시간 동안 450℃로 승온시켜서 챔버(33) 및 시편을 균열시킨다. 다음, 챔버(33) 내부로 Ar과 H₂를 1:1 비율인 200sccm씩 주입하면서 0.5 torr의 진공압을 유지한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 시편의 표면을 30분 동안 에칭시킨다. 계속해서, 챔버(33) 내부로 질소와 수소를 1:3 비율인 20sccm과 60sccm 주입하고, 챔버(33) 내부가 0.2 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 시편의 표면을 2시간 동안 질화시키고 난 후, 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 시편 및 챔버(33)를 50℃이하로 냉각시킨다.

<실시예 2>

STD61 강종으로 이루어진 시편을 열처리한 후 그 표면에 미세 결정립구조로 이루어진 제1경화층이 형성되도록 쇼트피닝공정을 통해 20초 동안 강철 구슬을 분사한다. 이어서, 시편을 기판(31) 위에 정치시키고 대략 308ℓ의 부피를 이루도록 형성(지름 70㎝ × 높이 80㎝)된 챔버(33)의 내부를 진공상태로 형성한 후, 1시간 동안 440℃로 승온시켜서 챔버(33) 및 시편을 균열시킨다. 다음, 챔버(33) 내부로 Ar과 H₂를 1:1 비율인 150sccm씩 주입하면서 0.5 torr의 진공압을 유지한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 시편의 표면을 30분 동안 에칭시킨다. 계속해서, 챔버(33) 내부로 질소와 수소를 1:3 비율인 60sccm과 180sccm 주입하고, 챔버(33) 내부가 0.2 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 시편의 표면을 2시간 동안 질화시키고 난 후, 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 시편 및 챔버(33)를 50℃이하로 냉각시킨다.

<실시예 3>

STD61 강종으로 이루어진 시편을 열처리한 후 그 표면에 미세 결정립구조로 이루어진 제1경화층이 형성되도록 쇼트피닝공정을 통해 60초 동안 강철 구슬을 분사한다. 이어서, 시편을 기판(31) 위에 정치시키고 대략 308ℓ의 부피를 이루도록 형성(지름 70㎝ × 높이 80㎝)된 챔버(33)의 내부를 진공상태로 형성한 후, 1시간 동안 450℃로 승온시켜서 챔버(33) 및 시편을 균열시킨다. 다음, 챔버(33) 내부로 Ar과 H₂를 1:1 비율인 150sccm씩 주입하면서 0.4 torr의 진공압을 유지한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 시편의 표면을 30분 동안 에칭시킨다. 계속해서, 챔버(33) 내부로 질소와 수소를 1:2.67 비율인 30sccm과 80sccm 주입하고, 챔버(33) 내부가 0.1 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 시편의 표면을 2시간 동안 질화시키고 난 후, 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 시편 및 챔버(33)를 50℃이하로 냉각시킨다.

<실시예 4>

STD61 강종으로 이루어진 시편을 열처리한 후 그 표면에 미세 결정립구조로 이루어진 제1경화층이 형성되도록 쇼트피닝공정을 통해 120초 동안 강철 구슬을 분사한다. 이어서, 시편을 기판(31) 위에 정치시키고 대략 308ℓ의 부피를 이루도록 형성(지름 70㎝ × 높이 80㎝)된 챔버(33)의 내부를 진공상태로 형성한 후, 1시간 동안 450℃로 승온시켜서 챔버(33) 및 시편을 균열시킨다. 다음, 챔버(33) 내부로 Ar과 H₂를 1:1 비율인 150sccm씩 주입하면서 0.3 torr의 진공압을 유지한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 시편의 표면을 30분 동안 에칭시킨다. 계속해서, 챔버(33) 내부로 질소와 수소를 1:3 비율인 20sccm과 60sccm 주입하고, 챔버(33) 내부가 0.08 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 시편의 표면을 2시간 동안 질화시키고 난 후, 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 시편 및 챔버(33)를 50℃이하로 냉각시킨다.

<비교예 1>

STD61 강종으로 이루어진 시편을 열처리한다. 이어서, 시편을 기판(31) 위에 정치시키고 대략 308ℓ의 부피를 이루도록 형성(지름 70㎝ × 높이 80㎝)된 챔버(33)의 내부를 진공상태로 형성한 후, 1시간 동안 440℃로 승온시켜서 챔버(33) 및 시편을 균열시킨다. 다음, 챔버(33) 내부로 Ar과 H₂를 1:1 비율인 150sccm씩 주입하면서 0.5 torr의 진공압을 유지한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의 해 시편의 표면을 30분 동안 에칭시킨다. 계속해서, 챔버(33) 내부로 질소와 수소를 1:3 비율인 60sccm과 180sccm 주입하고, 챔버(33) 내부가 0.2 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 시편의 표면을 2시간 동안 질화시키고 난 후, 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 시편 및 챔버(33)를 50℃이하로 냉각시킨다.

<비교예 2>

STD61 강종으로 이루어진 시편을 열처리한다. 이어서, 시편을 기판(31) 위에 정치시키고 대략 308ℓ의 부피를 이루도록 형성(지름 70㎝ × 높이 80㎝)된 챔버(33)의 내부를 진공상태로 형성한 후, 1시간 동안 450℃로 승온시켜서 챔버(33) 및 시편을 균열시킨다. 다음, 챔버(33) 내부로 Ar과 H₂를 1:1 비율인 150sccm씩 주입하면서 0.4 torr의 진공압을 유지한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 시편의 표면을 30분 동안 에칭시킨다. 계속해서, 챔버(33) 내부로 질소와 수소를 1:2.67 비율인 30sccm과 80sccm 주입하고, 챔버(33) 내부가 0.1 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 시편의 표면을 2시간 동안 질화시키고 난 후, 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 시편 및 챔버(33)를 50℃이하로 냉각시킨다.

<비교예 3>

STD61 강종으로 이루어진 시편을 열처리한다. 이어서, 시편을 기판(31) 위에 정치시키고 대략 308ℓ의 부피를 이루도록 형성(지름 70㎝ × 높이 80㎝)된 챔 버(33)의 내부를 진공상태로 형성한 후, 1시간 동안 450℃로 승온시켜서 챔버(33) 및 시편을 균열시킨다. 다음, 챔버(33) 내부로 Ar과 H₂를 1:1 비율인 150sccm씩 주입하면서 0.3 torr의 진공압을 유지한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 시편의 표면을 30분 동안 에칭시킨다. 계속해서, 챔버(33) 내부로 질소와 수소를 1:3 비율인 20sccm과 60sccm 주입하고, 챔버(33) 내부가 0.08 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 시편의 표면을 2시간 동안 질화시키고 난 후, 챔버(33) 내부로 질소가스를 주입하여 시편 및 챔버(33)를 50℃이하로 냉각시킨다.

<실험예>

실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 3의 조건으로 제조된 시편의 표면경도 및 경화층의 깊이를 아래의 표 1로 나타내었다.

	표면경도(Hv)	경화층 깊이(㎛)
실시예 1	1250	110
실시예 2	1100	60
실시예 3	1100	70
실시예 4	1150	80
비교예 1	950	50
비교예 2	850	40
비교예 3	850	50

상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 실시예 1 내지 4의 조건으로 제조된 시편의 표면경도가 비교예 1 내지 3에 비해 우수하며 경화층 또한 깊게 형성되었다. 즉, 쇼트피닝공정(S100)을 실시한 후 질화공정(S200)으로 처리된 시편이, 쇼트피닝공정을 행하지 않고 질화공정만으로 처리된 시편에 비해 우수한 표면경도를 나타내었으며, 실시예 1의 조건에서 최고의 표면경도를 나타내었다. 또한, 쇼트피닝공정(S100)을 실시한 후 질화공정(S200)으로 처리된 시편이, 쇼트피닝공정을 행하지 않고 질화공정만으로 처리된 시편에 비해 보다 깊은 경화층을 형성하게 된다.

따라서, 쇼트피닝공정(S100)과 질화공정(S200)이 복합적으로 처리된 시편은 질화공정만으로 처리된 시편에 비해 표면경도가 우수할 뿐만 아니라 경화층의 깊이 또한 깊게 형성되어, 표면 물성을 향상시키고 이로 인해 수명이 향상된 금속재를 제공하게 된다.

본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태로 개량, 변경, 대체, 부가할 수 있음은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체, 부가에 의한 실시가 이하의 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것임은 자명하다.

도 1은 본 발명의 쇼트피닝장치를 도시한 예시도.

도 2는 본 발명의 쇼트피닝에 의해 금속 모재의 경도를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 쇼트피닝에 의해 형성된 제1경화층을 도시한 단면도.

도 4는 도 3의 표면 상태를 나타낸 TEM이미지.

도 5는 동일한 단위면적당 질소원자의 이동상태를 개념적으로 나타낸 도면으로서, (a)는 쇼트피닝공정 없이 금속 모재에 질화공정만을 실시한 후 질소 원자의 이동상태를 개념적으로 나타낸 개념도이고, (b)는 본 발명의 질화공정으로 형성된 질소 이온이 쇼트피닝에 의해 형성된 제1경화층을 통해 이동되는 경로를 개념적으로 나타낸 개념도.

도 6은 본 발명의 공정도.

도 7은 본 발명의 질화장치를 도시한 예시도.

도 8은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 시편과 비교 시편의 표면경도 및 경화층 깊이를 측정하여 나타낸 그래프.

Claims

금속 모재의 표면으로부터 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층이 쇼트피닝에 의해 형성되고, 질화처리에 의해 생성된 질소 이온이 제1경화층을 통해 금속 모재의 내부로 확산되어 제2경화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재.
청구항 1에 있어서,

상기 제1경화층은, 금속 모재의 표면으로부터 미세화된 결정립으로 이루어진 미세결정립층 및 소성변형층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재.
청구항 2에 있어서,

상기 결정립의 크기는 20~200㎚로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재.
청구항 1에 있어서,

상기 제1경화층은 표면으로부터 50㎛의 두께로 이루어지고, 제2경화층은 제1경화층으로부터 110㎛의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재.
금속 모재의 표면에 미세 결정립구조를 갖는 제1경화층이 형성되도록 강철 구슬을 분사하는 쇼트피닝공정과, 상기 제1경화층을 통해 모재의 내부로 확산되면 서 제2경화층을 형성하도록 질소이온을 생성시키는 질화공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 쇼트피닝공정에서는 금속 모재의 표면으로부터 미세화된 결정립으로 이루어진 미세결정립층과 소성변형층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재 제조방법.
청구항 6에 있어서,

상기 쇼트피닝공정은 결정립의 크기를 20~200㎚로 형성하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 쇼트피닝공정에서는 제1경화층의 깊이를 표면으로부터 50㎛로 형성하고, 상기 질화공정에서는 제2경화층의 깊이를 제1경화층으로부터 110㎛로 형성하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 질화공정은,

기판 위에 정치된 나이프가 내장된 챔버의 내부를 진공압으로 형성한 후, 400~500℃로 승온시켜서 챔버 내부 및 나이프를 균열시키는 균열단계;

상기 챔버 내부로 Ar과 H₂를 1:1로 주입하면서 0.4~0.6 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 나이프 표면을 에칭시키는 스퍼터링단계;

상기 챔버 내부로 질소와 수소를 1:3으로 주입하면서 0.1~0.3 torr의 진공압을 이루도록 한 후, 전원을 인가하여 나이프의 표면을 질화시키는 니트라이딩단계;

상기 챔버 내부로 질소가스를 주입하여 나이프 및 챔버를 냉각시키는 냉각단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 쇼트피닝공정은 20 내지 120초로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면처리된 금속재의 제조방법.