KR20110129683A

KR20110129683A - 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법

Info

Publication number: KR20110129683A
Application number: KR1020100049199A
Authority: KR
Inventors: 장우양; 조우석
Original assignee: 조선대학교산학협력단; (주)조아
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-02

Abstract

본 발명은 철강의 표면처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 철강의 표면을 산질화 처리하는 공정에 있어서, 피처리물인 철강이 내부에 장입되어 있는 질화로에 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)를 투입하고, 500 ~ 600℃의 온도에서 질화 처리하는 질화단계; 상기 질화 처리가 완료된 이후에 500 ~ 550℃까지 로냉하는 제1냉각단계; 상기 질화로의 온도를 500 ~ 550℃로 유지시키면서 수증기 분위기 하에서 산화 처리하는 산화단계; 및 상기 산화 처리가 완료된 이후에 실온까지 서냉하는 제2냉각단계를 포함하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 철강의 표면처리 방법은 가스질화 조건 및 산화조건을 확립하여 저가의 구조용 철강을 간단한 산질화 공정을 이용하여 표면 처리함으로써 내마모성, 강도 및 내식성을 효율적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 저온에서 단시간 질화하는 공정을 이용하여 균일한 질화물을 형성함으로써 일반적인 종래의 질화처리 과정에서 발생할 수 있는 질화 후에 고온에 노출 시 인성이 저하되는 등의 기계적 특성의 저하를 감소시킬 수 있으며, 산질화 처리 부품에서 나타나는 발청 등의 문제가 나타나지 않는다는 효과가 있다.

Description

내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법{Method for surface treating of steel excellent in corrosion resistance and abrasion resistance}

본 발명은 스테인리스 스틸을 대체하여 자동차 및 가전제품용 부품으로 사용될 수 있는 우수한 내마모성 및 내식성을 갖는 철강의 표면처리 방법에 관한 것이다.

산업 전반에 사용되는 많은 고기능성 부품들은 동일한 부품에서도 서로 상반되는 물성이 요구되는 경우가 대부분이다. 예를 들어, 부품의 표면에서 내마모성, 내열성, 무윤활성 또는 내식성 등과 같은 성질이 요구된다고 하더라도 재료의 내부는 취성파괴에 대한 안전성 확보를 위해 높은 인성을 요구하는 경우를 들 수 있다.

일반적으로 기계부품은 사용목적에 따라 정도의 차이는 있으나, 내식성, 내충격성 및 내마모성을 요구한다. 예를 들면, 기어, 캠, 클러치, 피스톤 로드 등과 같은 기계부품은 충격에 대한 강도와 표면의 높은 경도를 동시에 필요로 하는 경우가 많다. 이를 위해 기계부품의 표면에 특별한 처리를 실시하여 표면경도, 내마모성, 내충격성 등의 성질을 개선시키고, 내부는 적당한 강도를 주어 충격에 대한 저항을 크게 하는 방법을 표면경화법이라고 한다. 표면경화방법으로는 질화법과 화염경화법 등이 있다.

상기 표면경화법 중의 하나로서, 질화법은 철강을 질소 분위기 중에서 가열하여 질소를 확산 침투시켜 철강 표면에 질화층을 형성하는 공정을 말한다. 이러한 질화법에는 가스질화법, 액체질화법(또는 염욕 질화법), 연질화법, 이온질화법 등의 방법이 있다.

이 중 액체질화법 또는 염욕 질화법은 KCN + KCNO + Na₂CO₃를 주성분으로 하는 용융염욕을 사용하여 약 570℃에서 질화하는 방법으로서, 독성의 화학 물질을 사용해야 하는 관계로 폐수처리 및 공정제어가 어렵다. 또한, 연질화법은 경도 개선을 주목적으로 하는 것이 아니라 그 밖의 성질을 개선하는 것을 주목적으로 하는 것으로, 탄소강을 연질화하면 표면경도는 거의 높아지지 않으나, 마찰계수를 감소시키고, 내마모성이 증가하며, 내피로성이 향상되는 등의 효과가 있다.

또한, 이온질화법은 밀폐된 진공 용기에 음극과 양극의 두 전극을 넣고 용기 내 압력을 수 밀리바(mbar)로 감압하고 수백 내지 수천 볼트(volt)의 직류 전압을 인가하여 발생시키는 두 전극 간에 글로우(glow) 방전에 의하여 생성되는 질소이온 플라즈마(plasma)를 이용하여 금속표면을 질화시키는 방법으로서 플라즈마 질화법이라고도 한다.

또한, 가스질화법은 암모니아 가스를 가열 분해하여 생성되는 활성화된 질소를 금속표면과 반응시켜 표면에 경도가 큰 질화층을 얻는 방법으로, 약 50시간 내지 100 시간의 공정시간을 요한다.

한편, 최근에 들어 정밀부품에 대한 신뢰성, 내구성 및 기능성 등에 대한 요구조건이 다양하고 엄격하여 짐에 따라 재료 표면에 여러 종류의 우수한 표면기능을 창출할 수 있는 ‘복합 표면개질 기술’에 대한 관심이 점차 확대되고 있으며, 최종 제품의 우열은 표면개질에 의해 얻어진 고기능성의 달성 정도에 따라 달라질 수 밖에 없는 실정이다.

상기 복합 표면개질 기술은 이미 선진국에서는 공업적 응용단계에 도달하여 독자적인 노하우를 축적하고 있으며 모재의 강화, 밀착성의 향상 및 피막의 복층화 등의 장점을 갖기 때문에 각각의 적용분야에서 까다로운 수요자에 대응할 수 있고 차별화된 고부가가치의 제품을 생산하는 유력한 수단이다. 또한 복합 표면개질에 의해서 단순히 이전의 제품보다 수명을 연장시키는 것만이 아니고 더욱 가혹한 환경조건에서도 사용될 수 있을 뿐만이 아니라 우수한 내마모성, 내소착성, 내식성, 섭동 및 이형특성 등을 나타낼 수 있다.

구조용 철강부품에 적용할 수 있는 여러 종류의 복합 표면개질 기술 중 환경부하 및 경제성면에서 가장 유리한 기술은 산질화 처리(Oxynitrizing)기술로서 질화공정(Nitriding)과 산화공정(Oxidation)을 포함한 기술이다.

철강소재에 철질화물을 형성하는 질화기술의 개발은 1923년 독일 Krupp 사의 A. Fry 등이 최초로 암모니아(NH₃)가스 중에서 탄소강과 합금강의 가스질화를 발표한 이래 약 70년이 경과한 오늘날에도 널리 이용되고 있다. 또한 질화 후 산화공정을 도입하는 산질화 처리(Oxynitrizing)기술이 자동차 부품, 가전제품 및 공구류 등에 적용되고 있으나 핀·홀 발생에 따른 내식성의 결여로 그의 적용성의 한계를 극복하지 못하고 있는 실정이다. 즉, 가스-열화학 반응을 이용하는 가스 질화 시스템에서는 질화 공정의 제어가 수치 해석적으로 이루어지지 않고 있으며 특히 산화공정시 발생하는 표면의 핀·홀로 말미암아 발청의 문제점이 노출되고 있다.

이에 본 발명자들은 상기 종래 문제점들을 해결하기 위하여, 구조용 소재로 많이 사용되고 있는 철강의 내마모성과 내식성을 동시에 향상시킬 수 있는 산질화 처리 조건을 확립함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 스테인리스 스틸을 대체하여 자동차 및 가전제품용 부품으로 이용하고자 간단한 산질화 처리를 통하여 철강의 내마모성과 내식성을 대폭 향상시킬 수 있는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 철강의 표면을 산질화 처리하는 공정에 있어서, 피처리물인 철강이 내부에 장입되어 있는 질화로에 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)를 투입하고, 500 ~ 600℃의 온도에서 질화 처리하는 질화단계; 상기 질화 처리가 완료된 이후에 500 ~ 550℃까지 로냉하는 제1냉각단계; 상기 질화로의 온도를 500 ~ 550℃로 유지시키면서 수증기 분위기 하에서 산화 처리하는 산화단계; 및 상기 산화 처리가 완료된 이후에 실온까지 서냉하는 제2냉각단계를 포함하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 철강은 탄소함량이 0.1 ~ 3.0 중량%인 탄소강 또는 주철일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 질화단계는 120 ~ 150분간 유지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 산화단계는 20 ~ 40분간 유지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)의 체적비는 6 : 1 ~ 4 : 1일 수 있다.

본 발명에 따른 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법은 가스질화 조건 및 산화조건을 확립하여 저가의 구조용 철강을 간단한 산질화 공정을 이용하여 표면 처리함으로써 내마모성, 강도 및 내식성을 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 저온에서 단시간 질화하는 공정을 이용하여 균일한 질화물을 형성함으로써 일반적인 종래의 질화처리 과정에서 발생할 수 있는 질화 후에 고온에 노출 시 인성이 저하되는 등의 기계적 특성의 저하를 감소시킬 수 있으며, 산질화 처리 부품에서 나타나는 발청 등의 문제가 나타나지 않는다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 얻어진 산질화 공정기술을 가전제품 및 자동차 부품에 적용함으로써 매출신장을 기대할 수 있으며, 저가의 산질화 철강으로 제조된 부품은 종래에 사용되던 고가의 내식합금인 스테인리스 스틸로 제조된 부품을 대체할 수 있기 때문에 부품의 원가절감에 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 여러 강종의 질화온도 및 질화시간에 따른 질화층의 침투깊이를 비교하기 위하여 제작한 표준시편을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전처리 전의 시편의 외관을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 질화처리 공정도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 산화처리 공정도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 STC3, SM45C, SS400 및 FCD500의 질화처리 전의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 STC3, SM45C, SS400 및 FCD500의 질화온도 및 시간에 따른 질화층의 두께 변화를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 STC3, SM45C, SS400 및 FCD500의 산화온도 및 시간에 따른 산화층의 두께 변화를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 550℃에서 120분간 질화처리 후, 550℃에서 20분간 산화처리 한 시편들의 산질화층의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 550℃에서 120분간 질화처리 후, 550℃에서 20분간 산화처리 한 시편들의 산질화층의 전계주사전자현미경(FESEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 550℃에서 120분간 질화처리 후, 550℃에서 20분간 산화처리 한 시편들의 질화층 및 산화층의 두께를 비교하여 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 550℃에서 120분간 질화처리 후, 550℃에서 20분간 산화처리 한 시편들의 표면으로부터의 깊이에 따른 비커스 경도 변화를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 550℃에서 120분간 질화처리 후, 550℃에서 20분간 산화처리 한 시편들의 염수분무시험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법에 관한 것으로, 저가의 구조용 철강의 내마모성, 강도 및 내식성을 효율적으로 향상시킬 수 있는 산질화 처리 공정을 확립하였다는 점에 특징이 있다.

일반적으로 고내마모성 및 고내식성이 요구되는 냉장고 등과 같은 가전제품의 소재로는 스테인리스 스틸이 주로 사용되고 있으나, 스테인리스 스틸은 내식성이 우수한 반면 고가이기 때문에 원가절감 차원에서 보다 저렴한 소재인 철강재로 대체해야 할 필요성이 있다. 이에 따라, 표면처리 기술로 산질화 처리 기술이 사용되긴 하였으나, 핀·홀 발생에 따른 내식성의 결여로 그의 적용성의 한계를 극복하지 못하는 문제점이 있었다.

이에 따라 본 발명자들은 철강재의 내마모성과 내식성을 향상시켜 각종 가전제품, 자동차 등의 부품에 사용하기 위해 효율적인 산질화 처리 공정을 확립하였으며, 본 발명에 따른 산질화 표면처리 방법은 산화공정 시 발생하는 표면의 핀·홀로 인해 발생하는 발청의 문제점을 해결할 수 있어 철강재의 내식성 및 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 “철강(鐵鋼)”은 일반적으로 철과 탄소의 금속 합금을 말하며, 규소(Si), 망가니즈(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 등을 첨가하여 철이 가지는 성능(강도, 질긴 성질, 자성, 내열성 등)을 인공적으로 높일 수 있다. 철광석으로부터 직접 제조하여 나오는 것을 선철(pig iron)이라 하며, 제강로를 이용하여 선철 속의 탄소를 2.0% 이하로 줄인 것을 강(steel)이라 한다. 이러한 철강은 탄소 함유량에 따라 연철, 강, 주철 등으로 분류되며, 연철은 0.02% 이하, 강은 0.02 ~ 2%, 주철은 2 ~ 6.67%의 탄소를 함유하고 있다. 연철은 주로 전자기재료, 촉매, 합금용으로 사용되며, 주철은 주물제품이나 강의 재료로 사용된다. 2.11% 이상의 탄소를 함유하면, 철과 탄소의 금속간화합물인 시멘타이트 Fe3C와 철이 약 1,150℃에서 공정(共晶)을 이루기 때문에 강의 성분을 가진 것보다 주물을 만들기 쉽다.

상기 “강(steel)”은 탄소 함유량이 2%이하 0.02%까지의 것을 말하며, 탄소강이라고 한다. 강은 담금질하면 경화하므로 예부터 칼·식칼 등의 절삭공구에 사용되었다. 강은 탄소 함유량에 따라 3가지, 즉 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 분류되며, 또 다시 저탄소강은 극연강(탄소 함유량 0.12% 이하) 및 연강(탄소 함유량 0.12 ~ 0.20%), 중탄소강은 반연강(탄소 함유량 0.20 ~ 0.35%) 및 반경강(탄소 함유량 0.35 ~ 0.50%), 고탄소강은 경강(탄소 함유량 0.50 ~ 0.80%) 및 최경강(탄소 함유량 0.80 ~ 2.0%)으로 분류할 수 있다. 저탄소강은 강도가 낮고 무르며 가공하기가 쉬워 철판, 철근, 철사 등에 주로 사용되며, 중탄소강은 저탄소강 보다 강도와 경도가 커서 볼트 등의 기계부품, 구조용 재료 등에 사용되며, 고탄소강은 강도가 크고 단단하여 칼, 끌, 대팻날 등의 공구, 레일 등에 사용된다.

따라서, 본 발명은 철강의 표면을 산질화 처리하는 공정에 있어서, 피처리물인 철강이 내부에 장입되어 있는 질화로에 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)를 투입한 후, 500 ~ 600℃의 온도에서 질화 처리하는 질화단계; 상기 질화 처리가 완료된 이후에 500 ~ 550℃까지 로냉하는 제1냉각단계; 상기 질화로의 온도를 500 ~ 550℃로 유지시키면서 수증기 분위기 하에서 산화 처리하는 산화단계; 및 상기 산화 처리가 완료된 이후에 실온까지 서냉하는 제2냉각단계를 포함하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 철강의 표면처리 방법을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 본 발명에 따른 철강의 표면처리 방법은 전처리단계, 승온단계, 질화단계, 제1냉각단계, 산화단계, 제2냉각단계를 포함한다.

본 발명에서 산질화 처리를 하고자 하는 피처리 대상으로 모든 종류의 철강을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 탄소함량이 0.1 ~ 3.0 중량%인 탄소강 또는 주철을 사용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 탄소강 또는 주철로는 STC3강, SM45C강, SS400강, FCD500주철 등을 들 수 있다.

먼저, 상기 전처리단계는 피처리물인 철강에 부착된 이물질, 절삭유, 방청유 등과 같이 질화처리에 방해가 되는 이물질들을 제거하기 위해 사전 처리과정을 말하는데, 예를 들어, 알칼리 세정기를 이용하여 스프레이 방식으로 세정하는 방법, 트리클로로에틸렌을 이용하여 침적탈지 및 증기탈지시키는 방법 등을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니며 통상적으로 철강을 세척하는 방법은 모두 사용될 수 있다.

다음으로, 상기 승온단계는 전처리단계를 거쳐 세척된 철강을 질화로 내에 장입하고, 암모니아(NH₃) 가스를 질화로 내에 주입하면서 30 ~ 90분 동안 내부온도가 500 ~ 600℃가 되도록 점진적으로 온도를 상승시켜주는 과정을 말한다.

다음으로, 상기 질화단계는 질화로에 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)를 투입한 후, 500 ~ 600℃의 온도에서 120 ~ 150분간 유지하여 질화 처리하여 철강의 표면에 질화층을 형성하는 과정을 말한다. 여기서, 질화로에 투입하는 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)의 체적비는 6 : 1 ~ 4 : 1일 수 있으며, 바람직하게는 5 : 1인 것이 좋다. 질화단계에서 500℃ 이하의 온도에서는 질화가 잘 이루어지지 않는 문제점이 있으며, 600℃ 이상의 온도에서는 ε상이 생성되는 문제점이 있어 바람직하지 않다.

또한, 본 발명에서 철강의 표면에 형성된 질화층의 두께는 질화온도 및 질화시간이 증가함에 따라 비례하여 두꺼워지며, 같은 온도 및 시간이라 하더라도 철강의 종류에 따라 질화층의 두께는 달라질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일실시예에서 질화층은 기지와 뚜렷하게 구분할 수 있을 정도로 형성되며, 질화층의 두께는 STC3의 경우 18 ~ 32㎛, SM45C의 경우 27 ~ 45㎛, SS400의 경우 16 ~ 33㎛, 그리고 FCD500의 경우 7 ~ 25㎛로 나타났다(실시예 3 참조).

이러한 질화단계가 완료되면 500 ~ 550℃까지 로냉하는 제1냉각단계를 거친다.

다음으로, 상기 산화단계는 냉각시킨 질화로를 다시 승온시켜 500 ~ 550℃의 온도가 되도록 하고, 수증기 분위기 하에서 20 ~ 40분간 유지하여 산화시키는 공정을 통해 산화층을 형성하는 공정을 말한다. 산화단계에서 500℃ 이하의 온도에서는 치밀하지 못한 산화층이 생성되는 문제점이 있으며, 550℃ 이상의 온도에서는 다공층이 생성되는 문제점이 있어 바람직하지 않다.

이러한 산화층은 산화처리에 의해 질화층 위에 치밀하게 형성되며, 질화층과 산화층 사이 또는 산화층 내에는 일부 기공(porous)층이 형성될 수도 있다.

예를 들어, 본 발명의 일실시예에서 STC3의 경우 구상의 탄화물 기지 위에 질화층이 발달되어 있으며 질화층 위에는 치밀한 산화층이 관찰되며 질화층/산화층 경계에는 기공층이 관찰되었고, SM45C의 경우 비교적 치밀하고 두꺼운 질화층 위에 미세한 기공이 균일하게 분포한 산화층이 관찰되었으며, 또한 SS400의 경우 SM45C와 유사한 경향을 나타내나 질화층에 비해 산화층이 상대적으로 크게 나타났으며 FCD500의 질화층 및 산화층 모두 치밀한 미세조직을 관찰할 수 있었다(실시예 4 내지 5 참조).

이러한 산화단계가 완료된 후 실온까지 서냉하는 제2냉각단계를 거치면 산질화 처리가 완료된다.

본 발명에 따른 산질화 처리를 거친 철강은 경도가 높아 내마모성이 우수하고, 부식결함이 발생하지 않아 내식성이 우수한 특징이 있으며, 저온에서 단시간 질화하는 공정을 이용하여 균일한 질화물을 형성함으로써 일반적인 종래의 질화처리 과정에서 발생할 수 있는 질화 후에 고온에 노출 시 인성이 저하되는 등의 기계적 특성의 저하를 감소시킬 수 있으며, 산질화 처리 부품에 나타나는 발청 등의 문제가 나타나지 않는다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 산질화 처리를 거친 저가의 철강으로 제조된 부품은 기존에 많이 사용되었던 고가의 내식합금인 스테인레스 스틸로 제조된 부품을 대체할 수 있어 부품의 원가절감에 크게 기여할 수 있으며, 자동차 및 각종 가전제품용 부품에 적용할 수 있는데, 예를 들어, 내마모성과 내식성을 동시에 필요로 하는 냉장고의 팬플레이트 및 컨덴서 튜브 등, 상용차의 힌지류, 기어류 및 사프트 등, 금형 부속류 등에 널리 응용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1>

시편 및 예비처리

본 발명자들은 여러 강종의 질화온도 및 질화시간에 따른 질화층의 침투두께를 비교하기 위하여, 외경이 40mm인 환봉에 φ=5mm인 드릴로 구멍(drilled hole)을 관통하여 표준시편을 제작하였다(도 1 참조). 또한, 지름이 30 ~ 50mm인 환봉상태의 STC3강, SM45C강, SS400강 및 FCD500 주철의 시편들을 t = 5mm인 두께로 절단하였으며, 절단시 변형 및 과열을 방지하기 위하여 연마재(abrasive) 절단기에서 냉각수로 냉각하면서 절단하였고, 이를 산질화 처리용 시편으로 사용하였다(도 2 참조). 이때, 시편 가공시의 절삭유를 제거하기 위하여 알칼리 세정기를 이용하여 스프레이 방식에 의해 시편 표면의 절삭유를 제거한 후 세정하였다.

본 시험에서 산질화 처리를 위한 철강으로는 Fe-C(0.2 ~ 1.1%)-Mn(0.1 ~ 0.8%) 조성을 갖는 탄소강 및 주철을 사용하였으며, 탄소강으로는 STC3강, SM45C강, SS400강을 사용하였고, 주철로는 FCD500을 사용하였다. 본 시험에서 산질화 처리에 사용한 철강 시편들의 화학조성은 하기 표 1에 나타내었다.

산질화 처리에 사용된 시편의 화학조성(중량%)

종류	C	Si	Mn	P	S	Fe
STC3	1.12	0.15	0.32	0.02	0.02	잔여
SM45C	0.44	0.17	0.37	0.01	0.01	잔여
SS400	0.25	0.21	0.37	0.02	0.02	잔여
FCD500	2.31	2.33	0.23	0.03	0.02	잔여

< 실시예 2>

질화처리 전 각 철강의 미세조직

본 발명자들은 STC3, SM45C, SS400 및 FCD500의 질화처리 전 미세조직을 관찰하여 도 5에 나타내었다.

그 결과, 과공석 조성인 STC3의 경우 구상의 초석 세멘타이트+펄라이트 미세조직으로 구성되어 있었으며, SM45C의 경우 초석 페라이트+펄라이트 혼합조직으로 구성되어 있었다. 한편, SM45C보다 C의 양이 작은 SS440의 경우 다각형의 초석 페라이트에 소량의 펄라이트가 혼재되어 있는 혼합조직으로 구성되어 있었으며, FCD500의 경우에는 펄라이트 기지에 구상의 흑연 주위에 페라이트가 환상으로 존재하는 벌스 아이(bull's eye) 조직을 나타내었다.

< 실시예 3>

질화처리 온도 및 시간에 따른 질화층의 두께변화

본 발명자들은 암모니아 가스에 의한 질화, 즉 철강의 표면에서 접촉·분해되어 생긴 발생기 N₂를 강 주위로 확산시키는 방법을 이용하여 질화처리하였다.

우선, STC3강, SM45C강, SS400강 및 FCD500 주철의 최적의 질화 조건을 조사하기 위하여, 질화로에 체적비 5:1의 NH₃가스 및 CO₂가스를 투입하여 표준시편을 500 ~ 600℃ 온도구간에서 120 ~ 150분 질화처리 하였을 때 형성된 질화층의 두께 및 경도 변화를 살펴보았다. 이때, 질화층의 두께는 구멍(drilled hole)을 갖는 표준시편의 구멍 중심부를 절단하여 A와 B(도 1 참조)의 질화층의 두께를 측정하였으며, 처리온도 및 처리시간에 따른 질화층의 두께 변화는 도 6 내지 도 9에 나타내었다.

그 결과, STC3의 경우 도 6에 나타낸 바와 같이, 500℃에서 90분간 처리한 경우 질화층의 두께는 약 18㎛이었으며 질화시간이 120분, 150분으로 증가함에 따라 질화층의 두께는 각각 23㎛, 28㎛로 증가하였다. 또한, 550℃와 600℃에서 90분 처리하였을 때 질화층의 두께는 각각 26㎛, 28㎛로 나타났으며, 500℃에서와 마찬가지로 처리시간이 증가함에 따라 질화층의 두께도 증가하였으나, 그 증가폭은 500℃일 때보다 크지 않았다.

또한, SM45C의 경우 도 7에 나타낸 바와 같이, 동일한 온도 및 시간에서 전체적으로 STC3의 경우보다 질화층의 두께는 증가하였다. 500℃에서 유지시간이 90, 120 및 150분으로 증가함에 따라 질화층의 두께는 각각 28㎛, 32㎛ 및 40㎛로 증가하였다. 또한, 550℃ 및 600℃에서는 유지시간이 증가함에 따라 질화층의 두께는 증가하였으나 그 폭은 500℃ 경우보다 크지 않았다.

한편, SS400의 경우 도 8에 나타낸 바와 같이, 온도 및 시간에 따라 STC3와 유사한 경향을 나타냈다. 그러나 구상흑연을 포함한 FCD500의 경우 도 9에 나타낸 바와 같이, 질화층의 두께는 현저하게 낮게 나타났는데, 500℃에서 90분간 처리한 경우 질화층의 두께는 약 8㎛ 내외이었으며 유지시간이 120, 150분으로 증가함에 따라 12㎛, 18㎛으로 증가하였다. 또한 550℃에서 90분간 처리한 경우 질화층은 12㎛이었으나 유지시간이 증가함에 따라 질화층은 16㎛ 및 24㎛로 증가하였다.

따라서, 상기와 같은 결과를 종합할 때, 질화층의 두께는 STC3은 18 ~ 32㎛, SM45C는 27 ~ 45㎛, SS400은 16 ~ 33㎛, FCD500은 7 ~ 25㎛ 범위로 나타났으며, 질화처리 온도가 높을수록, 질화처리 유지시간이 길수록 질화층이 더 두껍게 형성되며, 탄소강이 주철에 비해 더 두꺼운 질화층을 형성한다는 사실을 확인할 수 있었다.

< 실시예 4>

산화처리 온도 및 시간에 따른 산화층의 두께변화

본 발명자들은 상기 <실시예 3>에서와 같이 550℃에서 120분 간 질화처리한 각각의 시편들을 500 ~ 550℃ 온도구간에서 10 ~ 30분 유지하여 분무상태의 수증기 분위기에서 산화처리 한 후, 산화처리 온도 및 시간을 변화시켰을 때 형성된 산화층의 변화를 도 10 내지 도 13에 나타내었다.

그 결과, STC3의 경우 도 10에 나타낸 바와 같이, 500℃에서 10분간 처리한 경우 산화층의 두께는 약 5㎛이었으며 산화시간이 20분, 30분으로 증가함에 따라 산화층의 두께도 점차 증가하였으나, 증가폭이 크지는 않았다. 또한, 550℃ 및 600℃에서는 500℃에서보다 산화층의 두께가 증가하였으며, 20분까지는 산화시간이 증가함에 따라 산화층의 두께도 점차 증가하였으나 20분 이후에는 오히려 산화층이 감소하는 것으로 나타났다.

또한, SM45C의 경우 도 11에 나타낸 바와 같이, 산화온도 및 산화시간이 증가함에 따라 산화층의 두께가 증가하였으며, 500℃일 때는 시간이 증가함에 따라 증가폭이 크지 않았으나, 550℃ 및 600℃에서는 500℃일 때 보다 증가폭이 크게 나타났다.

한편, SS400의 경우 도 12에 나타낸 바와 같이, STC3 및 SM45C 보다 전체적으로 산화층의 두께가 높게 나타났으며, 온도 및 시간에 따라 STC3와 유사한 경향을 나타내었으나, 550℃ 및 600℃에서의 증가폭 및 감소폭이 STC3 보다 다소 크게 나타났다. 그러나 FCD500의 경우 도 13에 나타낸 바와 같이, 산화층의 두께는 5㎛ 이하로 다른 강종들에 비해 현저하게 낮게 나타났으며, 온도가 증가함에 따라 산화층의 두께는 증가하긴 하였으나 그 증가폭이 아주 미미하게 나타났다.

따라서, 상기와 같은 결과를 종합할 때, 질화처리에서와 마찬가지로 산화처리 온도가 높을수록, 산화처리 유지시간이 길수록 산화층이 더 두껍게 형성되며, 탄소강이 주철에 비해 더 두꺼운 산화층을 형성한다는 사실을 확인할 수 있었다.

< 실시예 5>

산화처리 온도 및 시간에 따른 미세조직의 변화

본 발명자들은 철강의 종류, 질화조건 및 산화조건에 따른 질화층, 확산층 및 산화층의 미세조직을 조사하기 위하여 산질화 처리한 시편들을 마운팅 프레스에서 마운팅하여 0.05㎛ 크기의 알루미나 분말까지 최종 연마하였으며, 최종 연마된 시편은 2 ~ 3% 나이탈(nital)로 에칭하였다.

에칭이 끝난 시편은 광학현미경 및 전계주사전자현미경(FESEM: Field Emission Scanning Electron Microscope)을 이용하여 질화층, 확산층 및 산화층의 미세조직을 관찰하였으며, 기지 및 질화층의 화학성분 분석은 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectro- meter)를 이용하였다.

550℃에서 120분 간 질화처리하고, 550℃에서 20분간 산화처리한 후 공냉한 시편들의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과, 도 14에 나타낸 바와 같이, 전체적으로 기지와 질화층은 뚜렷하게 구분되며 질화층 위에 산화처리에 의해 형성된 산화층이 발달되어 있었으며, 산화층 내에서는 일부 기공(porous)층이 관찰되었다. STC3의 경우 질화층에 비해 산화층의 두께는 크지 않았으나 SM45C 및 SS400의 경우 비교적 두꺼운 산화층이 생성되어 있었다. 또한 질화층이 얇은 FCD500의 경우에는 산화층의 두께 역시 작게 나타났다.

또한, 상기 시편들의 산질화층을 보다 자세히 관찰하기 위하여 주사전자현미경을 이용하여 질화층 및 산화층을 확대하여 관찰한 결과, 도 15에 나타낸 바와 같이, STC3의 경우 구상의 탄화물 기지 위에 질화층이 발달되어 있었으며, 질화층 위에는 치밀한 산화층이 관찰되며 질화층/산화층 경계에는 기공(porous)층이 관찰되었다. SM45C의 경우 비교적 치밀하고 두꺼운 질화층 위에 미세한 기공이 균일하게 분포한 산화층이 관찰되었다. 또한 SS400의 경우 SM45C와 유사한 경향을 나타내었으나 질화층에 비해 산화층이 상대적으로 크게 나타났으며, FCD500의 경우 질화층 및 산화층 모두 치밀한 미세조직인 것을 관찰할 수 있었다.

한편, 550℃에서 120분 간 질화처리하고, 550℃에서 20분간 산화처리한 후 공냉한 시편들의 질화층 및 산화층의 두께를 강종별로 비교한 결과를 도 16에 나타내었는데, STC3의 경우 질화층의 두께는 15.7㎛이었으며 산화층의 두께는 10.7㎛이었으며, SM45C의 경우에는 질화층의 두께는 28.3㎛이었으며 산화층의 두께는 12㎛으로 나타났다. 그러나 SS440의 경우 질화층의 두께는 12.3㎛이었으나 산화층의 두께는 19㎛으로 STC3 및 SM45C에 비해 산화층/질화층의 비가 크게 나타났다. 한편, 기지가 펄라이트와 벌스 아이 조직인 FCD500의 경우에는 질화층은 11.2㎛, 산화층은 3㎛ 내외로 나타났다.

< 실시예 6>

산질화 처리 시편의 경도 변화

본 발명자들은 철강의 종류 및 산질화 조건에 따른 표면으로부터의 경도 분포를 조사하기 위하여 마이크로 비커스경도시험기를 이용하여 각 시험편들의 경도값을 측정하였으며, 이 때 사용된 압자는 원추형 다이아몬드, 시험하중은 50g, 유지시간은 15초이었다.

산질화 처리(550℃에서 120분간 질화 후, 550℃에서 20분 간 산화)한 STC3, SM45C, SS400 및 FCD500 시편들의 표면으로부터의 비커스 경도 변화를 측정한 결과를 도 17에 나타내었다.

그 결과, STC3의 경우에는 표면의 경도가 HV=509이었으며 SS440 및 SM45C는 각각 HV=571 및 HV=618을 나타내었다. 그러나 질화층 및 산화층의 두께가 얇은 FCD500의 경우 HV=795로 매우 높은 값을 나타내었다. 또한, 표면으로부터 50㎛깊이에서는 STC3, SM45C 및 SS400의 경우 거의 기지의 경도에 비례하여 경도값을 나타내었으나, FCD500의 경우에는 확산층의 존재에 따라 기지보다 높은 경도를 나타내었다.

< 실시예 7>

염수분무시험

본 발명자들은 냉장고 및 김치냉장고의 컨덴서 냉매 싸이클관으로 사용이 고려되는 SPC1의 산질화 조건에 따른 내식성을 비교하기 위하여 KS D 9502에 의거 염수분무시험을 실시하였다. 시험용 염용액은 KS M 8155에서 규정한 염화나트륨[1급]을 탈이온수에 용해하여 5±0.5% 염용액을 제조하였다. 용액의 농도는 비중계를 사용하여 측정하였으며 35℃에서 1.0305 이었다. 압축공기는 포화공기를 사용하였으며, 압력은 0.8㎏/㎠, 분무실의 온도는 35±2℃로 유지하였으며 시험시간은 24시간이었다.

산질화 처리(550℃에서 120분간 질화 후, 550℃에서 20분 간 산화)한 STC3, SM45C, SS400 및 FCD500 시편들을 5±0.5% NaCl 염용액에서 포화공기 압력 0.8㎏/㎠, 분무실 온도 35±2℃ 및 24시간 동안 염수분무시험한 후 증류수로 세척하여 알코올로 건조한 시편의 외관을 도 18에 나타내었다.

또한, KS D 9502의 레이팅 넘버법에 의해 STC3, SM45C, SS400 및 FCD500의 내식성을 비교한 결과, STC3, SM45C 및 SS400에서는 육안 및 현미경 관찰에서 부식결함들은 관찰되지 않았으나, FCD500에서는 레이팅 넘버 9.8-4에 상응하는 부식결함들이 관찰되었다.

이상의 결과들을 종합하여 볼 때, 본 발명에 따른 산질화 공정기술을 가전제품 및 자동차 부품에 적용할 수 있으며, 고가의 내식합금인 스테인리스 스틸로 제조된 부품을 대체할 수 있기 때문에 컨덴서 부품의 원가절감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

철강의 표면을 산질화 처리하는 공정에 있어서,
피처리물인 철강이 내부에 장입되어 있는 질화로에 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)를 투입하고, 500 ~ 600℃의 온도에서 질화 처리하는 질화단계;
상기 질화 처리가 완료된 이후에 500 ~ 550℃까지 로냉하는 제1냉각단계;
상기 질화로의 온도를 500 ~ 550℃로 유지시키면서 수증기 분위기 하에서 산화 처리하는 산화단계; 및
상기 산화 처리가 완료된 이후에 실온까지 서냉하는 제2냉각단계
를 포함하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 철강은 탄소함량이 0.1 ~ 3.0 중량%인 탄소강 또는 주철인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 질화단계는 120 ~ 150분간 유지하는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 산화단계는 20 ~ 40분간 유지하는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법.
제1항에 있어서,
상기 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)의 체적비는 6 : 1 ~ 4 : 1인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내식성이 우수한 철강의 표면처리 방법.