KR20120111077A - 고내구성 및 고내식성 철강소재 기계부품의 표면개질 처리방법 - Google Patents

고내구성 및 고내식성 철강소재 기계부품의 표면개질 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오스테나이틱 질화공정 (austenitic nitriding) 과 페라이틱 질화공정 (ferritic nitriding) 을 적용하여 제조공정중 환경부하 물질을 배출하지 않고 기계부품에 우수한 내구성 및 내식성을 부여할 수 있는 표면개질 처리공정에 관한 것이다.
본 발명은 철강소재를 800~1000℃의 암모니아와 질소 또는 암모니아, 탄화수소 및 질소의 혼합가스 분위기 중에서 1~5시간 동안 오스테나이틱 질화를 실시하고 담금질(quenching)한 다음 연삭가공을 실시하고 500~600℃에서 1~10시간 페라이틱 질화를 실시한 후, 표면가공을 하고 최종적으로 후산화 공정을 실시하는 기계부품의 표면처리 방법을 제공한다.

Description

고내구성 및 고내식성 철강소재 기계부품의 표면개질 처리방법{Surface heat treatment process for machine parts having high durability and high corrosion resistance}
본 발명은 철강소재에 오스테나이틱 질화공정 (austenitic nitriding)과 페라이틱 질화공정(ferritic nitriding)을 적용하여 제조공정 중에 환경부하 물질을 배출하지 않고 기계부품에 우수한 내구성 및 내식성을 부여할 수 있는 표면개질 처리방법에 관한 것이다.
철강소재에 내마모성이나 피로강도 향상을 위해 실시하는 표면개질 처리방법에는 대표적으로 탄소를 확산침투시킨 후 담금질(quenching)하는 가스 침탄열처리 공정(gaseous carburizing)이 있다.
이 가스 침탄열처리는 880℃~940℃의 온도범위에서 실시하여, 표면에는 0.8~1중량% 정도의 탄소가 고용된 탄소 마르텐사이트 조직으로 높은 표면경도를 부여하고, 심부는 소재 고유의 탄소에 의한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있으므로 우수한 내마모성과 고강도의 잇점이 있어 자동차 또는 산업기계의 동력전달용 기어등의 열처리공정으로 널리 적용되고 있다.
그런데 이러한 기어는 고속 회전중 기어사이의 마찰에 의해 온도가 약 400℃까지 상승하는데 침탄기어는 고온템퍼링 연화 저항성이 낮아 작동중 그 경도가 급격히 떨어지는 문제가 있다.
최근 화석연료의 대체 에너지원으로 풍력 발전기가 주목받고 있는데 풍력 발전기가 해안가에 설치되는 경우 기어는 특히 높은 내식성이 요구된다. 그런데 기어에 일반적으로 적용되는 침탄열처리 또는 고주파 열처리로는 내식성을 확보할 수 없으며 침탄 열처리 또는 고주파 열처리후 경질크롬도금을 실시하면 내식성은 높일수 있으나 수소취성의 발생으로 피로강도가 낮아진다.
한편, 가스 침탄열처리 공정에서는 사용가스 조성에 따라 40% 이상의 일산화탄소를 함유하고 있어 지구온난화 가스인 이산화탄소를 다량 배출하는 문제가 있다.
자동차의 쇽업소바는 주행중 바퀴에 가해지는 충격을 흡수하는 부품으로서 자동차 샤시부분의 주요부품이라고 할 수 있다. 이 쇽업소바를 구성하는 부품중 피스톤 로드는 일반적으로 SM 45C 상당의 탄소강에 고주파 열처리후 경질크롬도금을 실시하는데 고주파 열처리는 피로강도를, 경질크롬도금은 내식성 및 내마모성을 부여한다.
그런데, 경질크롬도금은 도금공정에서 환경부하물질인 6가 크롬이 발생하므로 이를 대체하기 위하여 3가 크롬도금 공정으로 실시하고 있으나 공정비용이 높고, 내식성이 높지 않아 겨울철 염해에 의해 조기부식되어 누유의 가능성이 있다.
또한 고주파 열처리는 표면만 경화하므로 로드 전체의 강도 향상에는 한계가 있어, 고강도를 요구하는 경우 고주파 열처리 전에 별도의 담금질 및 뜨임 열처리를 해야 하는 번거로움이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 특개평 6-184728 는 저탄소강의 피스톤 로드를 570℃의 온도의 암모니아 70% 및 흡열형 가스 30% 의 혼합가스 분위기중에서 2시간 유지하여 Fe3N의 화합물층을 형성한 후 피스톤 로드를 래핑가공하고, 500℃의 온도에서 30분 유지하여 두께 2~4㎛의 산화물층 (Fe3O4)을 형성하여, 내식성이 우수한 피스톤 로드를 제공하고자 하였으나, 표면경화깊이가 얕으며, 심부까지 경화되지 않아 만족스러운 강도를 얻을 수 없다. 또한 500℃에서 산화시 질소 고용층에서 Fe4N 의 석출로 피로강도가 현저히 낮아진다는 문제가 있다.
EP-A-0077627에는 탄소강을 550~800℃의 온도범위의 암모니아와 흡열형가스 또는 암모니아와 발열형 가스등의 가스 분위기 중에서 질화처리후 래핑 등의 기계가공을 실시하고 다시 300~600℃의 온도에서 산화처리하여 고내식성 강을 제공하고자 하는 기술이 제시되어 있다.
그러나 상기 특허는 일반적인 질화 온도범위보다 다소 높은 550~800℃의 펄라이트 - 오스테나이트 영역에서 질화처리를 실시함에 따라 경화깊이는 좀 더 깊게 할 수 있으나, 고강도를 요하는 부품에 적용하기에는 강도면에서 한계가 있다.
특개평 6-184728 EP-A-0077627
따라서, 본 발명의 목적은 높은 내구성 및 내식성을 갖는 기계부품의 표면처리 공정을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 공정중 환경부하물질을 배출하지 않으므로 환경친화적인 공정으로 고강도 및 고내식 기계부품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 기계가공된 철강소재 부품을 800~1000℃의 암모니아와 질소의 혼합가스 또는 암모니아, 탄화수소 및 질소의 혼합가스 분위기에서 1~5시간 오스테나이틱 질화를 실시하는 단계; (b) 상기 (a)단계를 거친 상기 부품을 소정의 냉각매체를 이용하여 담금질(quenching)을 실시하는 단계; (c) 상기 (b)단계를 거친 상기 부품에 대해 연삭가공을 실시하는 단계; (d) 상기 (c)단계를 거친 상기 부품에 대해 페라이틱 질화를 실시하는 단계; 및(e) 상기 (d)단계를 거친 상기 부품에 대해 표면가공을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내구성 및 고내식성 철강소재 부품의 표면개질 처리방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 오스테나이틱 질화는 기계부품을 오스테나이트 온도영역에서 질화 또는 질화침탄을 실시하는 것을 의미하며, 상기 페라이틱 질화는 기계부품을 페라이트 온도영역에서 질화 또는 질화침탄을 실시하는 것을 지칭한다.
상기 탄화수소는 프로판, 부탄, 메탄, 에틸렌, 아세틸렌 및 에탄 중에서 선택된 어느 하나이며, 상기 후산화공정은 산소, 공기, 이산화탄소, 발열형 가스, 수증기 중의 단독 또는 2 이상의 혼합가스 분위기중에서 실시하여 최표면층에 두께 4㎛이하의 산화물층을 형성하기 위한 것이다.
본 발명에 의하면, 철강소재에 오스테나이틱 질화공정(austenitic nitriding)과 페라이틱 질화공정(ferritic nitriding)을 적용하여 제조공정 중에 환경부하 물질을 배출하지 않으면서 기계부품에 우수한 내구성 및 내식성을 부여할 수 있는 제조할 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 기계부품의 제조공정을 보여주는 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도면을 참조하면, 기계가공 공정(S1)은 철강부품을 가공하여 소망하는 기계부품을 준비하는 공정이다. 이때 가공 치수는 오스테나이틱 질화 또는 페라이틱 질화 후 치수변형을 고려하여 약간의 가공 여유를 부여하는 것이 좋으며, 사용되는 기계부품은 용도에 대응하는 특성을 갖는 재질이 선택되는데, 예를 들면 탄소강이나 합금강 등이 기계부품으로 채용될 수 있다.
상기 기계가공된 기계부품을 800~1,000℃의 온도범위에서 1~5시간 동안 오스테나이틱 질화열처리를 실시하여 기계부품의 표면에 질소 단독, 또는 질소와 탄소가 함께 고용된 경화층을 형성한다.(S2)
상기 오스테나이틱 질화 열처리는 기계부품을 Fe-C 상태도의 오스테나이트 영역의 온도로 가열하고 암모니아와 질소의 혼합가스 분위기나, 혹은 암모니아, 탄화수소 및 질소의 혼합가스 분위기 중에서 처리하여 질소 단독 혹은 질소와 탄소를 동시에 부품의 표면에 확산시킨 후, 수용성 냉매나 오일 등의 냉매에 담금질(quenching)을 하여, 표면은 질소 또는 질소와 탄소가 함께 고용된 마르텐사이트 조직을 갖는 경화층을 얻고, 심부는 기계부품 고유의 합금성분에 의한 마르텐사이트 조직을 얻는 열처리이다.
상기 오스테나이틱 질화 열처리시 암모니아와 질소의 혼합가스 분위기 중에서 처리하는 경우, 기계부품의 표면에 질소만 확산되므로 오스테나이틱 질화 (austenitic nitriding)가 되며, 암모니아, 탄화수소 및 질소의 혼합가스 분위기 중에서 처리하는 경우에는 질소와 탄소가 동시에 기계부품의 표면에 확산되는 오스테나이틱 질화침탄(austenitic nitrocarburizing)이 된다. 본 발명에서의 오스테나이틱 질화는 오스테나이틱 질화침탄을 포함하는 광의의 의미로 사용된다.
상기 질화성 가스 조성으로는 암모니아 가스 30~90 부피%, 질소 10~70 부피%로 하며, 상기 질화침탄성 가스 조성으로는 암모니아 가스 30~90 부피%, 탄화수소 10 부피% 이하, 그리고 나머지는 질소로 한다. 탄화수소의 함량이 이보다 높을 경우 그을름(soot)이 발생할 수 있다.
탄화수소의 종류로는 예를 들면, 프로판 (C3H8), 메탄 (CH4), 에틸렌 (C2H4), 부탄 (C4H10), 에탄 (C2H6)을 사용할 수 있다.
상기 오스테나이틱 질화의 온도범위를 800~1,000℃, 처리시간을 1~5시간으로 제한하는 것은 질소와 탄소의 확산속도와 관계가 있다. 즉, 처리온도가 높을수록 단시간에 충분한 경화깊이를 얻을 수 있으나, 처리온도가 지나치게 높을 경우 암모니아의 분해량이 너무 많아 질소 원자의 공급원이 적어지게 되며 오스테나이트 결정립이 조대화되어 피로강도나 충격특성이 낮아질 수 있다. 이보다 온도가 낮으면 질화에 소요되는 시간이 지나치게 길어 경제적 관점에서 바람직하지 못하다.
또 질화시간의 하한치를 1시간으로 제한하는 것은 이보다 처리시간이 짧으면 충분한 경화깊이를 얻을 수 없으며, 상한치를 5시간으로 하는 이유는 경제적으로 불리하기 때문이다.
오스테나이틱 질화열처리에서 가스는 피처리물의 요구특성에 따라 확산층에 질소 또는 질소와 탄소가 0.05~1.0중량%로 되도록 제어하면서 도입한다. 확산층에 이같은 결과를 생기게 하기 위한 노내 온도의 선정 및 가스 도입방법은 실험적, 경험적으로 정하면 좋다.
본 발명은 기계부품을 오스테나이트 단일 영역의 온도까지 가열하고 고온에서 질소, 또는 질소와 탄소 원자의 높은 확산계수를 이용하여 주된 경화원소인 질소와 부가적인 경화원소인 탄소 원자를 충분히 확산시킨 후 담금질(quenching)을 함으로써 표면은 질소와 탄소의 고용강화와 마르텐사이트 변태에 의하고, 심부는 기계부품 고유의 합금성분에 따른 마르텐사이트 변태에 의해 높은 내마모성과 질소고용에 따른 높은 템퍼링 연화저항성 및 고강도 특성을 갖는 기계부품을 제공할 수 있다. 상기 오스테나이틱 질화처리 후 기계부품을 노에서 꺼내어 수용성 냉각제나 오일에 담금질(quenching)한다.
상기 오스테나이틱 질화가 실시된 기계부품에 대해 연삭가공을 실시한다. (S3)
상기 연삭가공은 오스테나이틱 질화 후 치수변형을 교정하거나 냉각 매체에 따라 표면에 생성된 산화물이나 이물질을 제거하기 위한 것으로, 도면상의 최종치수로 가공하고 표면조도는 0.2㎛Ra 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 연삭가공된 기계부품에 대해 페라이틱 질화열처리를 실시한다. (S4)
페라이틱 질화는 500~600℃의 페라이트 영역에서 1~10시간동안 처리하여 기계부품의 표면에 두께 8~25㎛ 정도의 철질화물과 깊이 0.5mm 정도의 질소확산층을 형성하는 것으로, 일반적인 가스질화 조건인 암모니아-질소, 암모니아-이산화탄소-질소, 암모니아-흡열형가스, 암모니아-발열형가스 등의 분위기에서 실시할 수 있다.
암모니아-질소의 분위기를 사용하면 기계부품의 표면에 질소만이 확산되는 페라이틱 질화열처리 (ferritic nitriding) 가 되며, 암모니아-질소의 분위기에 이산화탄소등의 침탄성 가스가 혼합되면 페라이틱 질화침탄 (ferritic nitrocarburizing) 이 되는데, 본 발명에서 페라이틱 질화는 페라이틱 질화침탄을 포함하는 의미로 사용한다.
상기 페라이틱 질화는 오스테나이틱 질화처리된 기계부품에 두께 8~25㎛ 정도의 철질화물을 형성하여 내식성을 부여하기 위한 것으로, 높은 내식성을 얻기 위해서는 단일 ε-상의 철질화물이 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 침탄열처리된 기계부품에 대해 질화열처리를 실시하는 경우 Fe, Cr 또는 Mo 등의 합금성분과 탄소로 구성되는 탄화물은 질화열처리 온도인 500~600℃부근에서 쉽게 조대화되어 침탄 열처리시 형성된 높은 경도가 급격히 낮아지는 문제가 있다.
반면, 본 발명에서와 같이 오스테나이틱 질화 열처리 후 페라이틱 질화시 형성되는 Fe, Cr 또는 Mo 등의 합금성분과 질소로 구성되는 질화물은 500~600℃부근에서도 쉽게 조대화되지 않고 미세한 형태로 남아 있어, 우수한 템퍼링 연화저항성을 가지므로 높은 경도값과 피로강도를 유지한다.
상기 페라이틱 질화공정을 거친 기계부품에 대해 표면가공을 실시한다. (S5)
상기 표면가공은 질화공정중 또는 냉각중에 표면에 생성된 산화물 또는 이물질을 제거하기 위한 것으로 바렐(barrel), 버핑(buffing), 래핑(lapping), 폴리싱(polishing) 또는 숏 피닝(shot peening) 등의 방법으로 실시할 수 있는데, 표면가공후 표면조도는 0.2㎛Ra이하로 하는 것이 좋다.
특히, 유공압 피스톤 로드의 경우 표면가공은 표면조도나 마찰특성 향상에 중요한데 표면가공 후 표면은 은백색의 표면색상을 갖는다. 이러한 오스테나이틱 질화와 페라이틱 질화열처리를 실시하여 고강도를 가지면서 내식성이 우수한 기계부품을 제조할수 있다.
한편, 상기 표면가공을 거친 기계부품은 바람직하기는 150~500℃의 산화성 분위기에서 후산화 공정을 실시할 수 있다. (S6)
상기 후산화 공정은 산소, 수증기, 이산화탄소, 발열형 가스, 질소 및 공기의 단독가스 분위기 혹은 둘 이상의 복합가스 분위기에서 10분~4시간 동안 실시하여 산화공정 조건에 따라 수십 nm~4㎛ 두께의 철산화물층을 형성하고 철질화물층에 산소를 함유시킴으로서 내식성을 더 향상시킬 수 있다.
즉, 오스테나이틱 질화와 페라이틱 질화 열처리를 실시함으로써 높은 내식성을 갖는 기계부품을 얻을 수 있는데, 후산화 공정을 추가로 실시하여 더 우수한 내식성을 부여할 수 있다. 또한 후산화 공정조건에 따라 표면색상은 금색, 보라색, 청색 또는 흑색의 다양한 색상이 구현되어 외관특성을 개선할 수 있다.
이러한 공정으로 제조된 기계부품은 고강도와 고내식성을 동시에 제공할 수 있으며, 높은 템퍼링 연화저항성을 가지므로 기어에 사용되는 경우 높은 마찰열에도 강도가 낮아지지 않는다.
또한 경질크롬 도금층과 유사한 마찰계수를 가지므로, 슬라이딩 운동을 하는 유공압 피스톤 로드에 적합할 뿐만 아니라, 수분에 대한 극히 낮은 습윤성으로 높은 표면장력을 가지므로 염수 분무시험시 높은 내식성을 나타낸다.
(실시예 1)
내경 1200mmΦ, 높이 4000mmH이며, 상, 하부에 교반팬이 장착된 피트형 로에 S20C, S45C 및 SCM440 소재를 장입하고(이때 온도는 500℃), 유량은 40m3/시간, 조성은 70 부피% 암모니아, 27 부피% 질소, 및 3 부피% 메탄의 혼합가스를 주입하면서 온도를 910℃까지 높였다. 이후 910℃의 온도에서 4시간 동안 동일 유량 및 조성의 가스를 주입하면서 오스테나이틱 질화침탄을 실시한 후, 상온의 수용성 냉각제에 담금질(quenching)한 결과, S20C, S45C 및 SCM440 의 표면경도는 각각 62HRC, 63.1HRC 및 64.4HRC 이었다.
오스테나이틱 질화침탄을 실시한 이 소재를 조도가 0.16㎛Ra 가 되도록 연삭가공을 실시한 다음, 520℃로 유지되는 상기한 바와 동일한 로에서 유량 1.2m3/시간, 조성은 60 부피% 암모니아 및 40 부피% 질소의 혼합가스를 주입하면서 3시간 동안 질화를 실시한 후 로에서 꺼내어 공냉한 결과, S20C, S45C,및 SCM440의 표면경도는 각각 54HRC, 57.1HRC, 58HRC 이었으며, 화합물층 두께는 소재에 따라 8~10㎛ 인 것으로 나타났다.
한편, 상기 질화를 실시한 소재를 버핑가공하여 표면조도가 0.11㎛Ra 가 되도록 한 다음, 270℃의 공기 분위기에서 2시간 동안 산화처리를 한 결과 청색을 얻었으며, 이 소재를 KS D 9502에 준하여 염수 분무시험을 실시한 결과, 500시간에서도 발청이 없었다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 로에 직경 11mm의 SUJ2 볼을 10,000개 장입하고(이때 온도는 550℃) 유량은 38m3/시간, 조성은 65부피% 암모니아, 30부피% 질소 및 5부피% 프로판으로 구성되는 혼합가스를 주입하면서 온도를 900℃까지 높였다. 이후 900℃의 온도에서 3.5시간 동안 동일한 유량의 상기 조성의 가스를 주입하면서 오스테나이틱 질화침탄을 실시한 후 30℃로 유지되는 오일에 담금질한 결과 표면경도는 64HRC이었다.
이 볼을 조도가 0.15㎛Ra가 되도록 바렐연마를 실시한 다음 540℃로 유지되는 상기와 동일한 노에서 유량은 1.6m3/시간, 조성은 50부피% 암모니아 및 50부피% 질소의 혼합가스를 주입하면서 3시간 동안 질화한 후, 노에서 꺼내어 공랭한 결과 표면경도가 55.4HRC이었으며, 화합물층의 두께는 14㎛이었다.
상기 질화처리 소재에 다시 바렐가공을 실시하여 표면조도가 0.16㎛Ra가 되도록 한 다음 230℃의 산소 분위기에서 2.5시간 동안 산화처리한 결과 황금색을 얻었으며, 이 소재를 KS D 9502에 준하여 염수 분무시험을 실시한 결과 450시간에서도 발청이 없었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정이나 변형이 가능할 것이다.
본 발명은 고내구성과 고내식성을 요구하는 자동차 및 산업기계의 동력전달장치용 기어뿐만 아니라, 유공압 피스톤 로드 등을 환경친화적인 방법으로 제조하는데에 적용할 수 있다.

Claims (5)

  1. (a) 기계가공된 철강소재 부품을 800~1000℃의 암모니아와 질소의 혼합가스 또는 암모니아, 탄화수소 및 질소의 혼합가스 분위기에서 1~5시간 오스테나이틱 질화를 실시하는 단계;
    (b) 상기 (a)단계를 거친 상기 부품을 소정의 냉각매체를 이용하여 담금질(quenching)을 실시하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계를 거친 상기 부품에 대해 연삭가공을 실시하는 단계;
    (d) 상기 (c)단계를 거친 상기 부품에 대해 페라이틱 질화를 실시하는 단계; 및
    (e) 상기 (d)단계를 거친 상기 부품에 대해 표면가공을 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내구성 및 고내식성 철강소재 부품의 표면개질 처리방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a)단계의 혼합가스 분위기는 암모니아 30~90 부피%, 탄화수소 10 부피% 이하, 나머지는 질소로 구성되는 것을 특징으로 하는 고내구성 및 고내식성 철강소재 부품의 표면개질 처리방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (d)단계의 페라이틱 질화는 500~600℃의 질화성 가스 분위기에서 1~10시간 실시하는 것을 특징으로 하는 고내구성 및 고내식성 철강소재 부품의 표면개질 처리방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (e)단계에 이어서, 150~500℃의 산소, 수증기, 이산화탄소, 발열형 가스 및 공기 중에서 선택된 어느 1종의 가스 분위기 또는 2 이상의 혼합가스 분위기 중에서 10분~4시간 후산화 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고내구성 및 고내식성 철강소재 부품의 표면개질 처리방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (e)단계의 표면가공은 바렐, 버핑, 래핑, 폴리싱 및 숏 피닝 중에서 선택된 어느 하나의 공정으로 실시하는 것을 특징으로 하는 고내구성 및 고내식성 철강소재 부품의 표면개질 처리방법.
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