KR20120116895A - 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법 - Google Patents

고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 철강부품에 대하여 오스테나이트화 질화침탄 열처리를 실시하여 상기 청강부품의 표면층에 질소 및 탄소의 확산층을 형성한 후 급냉처리하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계를 거친 철강부품에 대하여 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하여 단일 입실론상(ε - 상) 또는 입실론상(ε - 상)과 감마프라임상(γ' - 상)의 혼합상으로 구성된 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법을 제공하여, 고면압강도, 고강도, 고내마모성 및 고내식성을 동시에 부여하여 철강부품의 내구성을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명에 의하면, 환경친화적인 방법으로 고온 강도가 유지되며 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품을 제조할 수 있다.

Description

고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법{Process for Manufacturing Steel Articles having High Contact Strength, high tensile strength and Excellent Corrosion Resistance}
본 발명은 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오스테나이트화 질화침탄과 질화침탄 열처리, 또는 오스테나이트화 질화침탄과 질화 열처리로 구성되는 복합열처리를 실시함으로써 철강부품에 대해 고면압강도, 고강도, 고내마모성 및 고내식성을 부여할 수 있는 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법에 관한 것이다.
높은 면압강도, 인장강도와 내식성이 요구되는 부품은 일반적으로 침탄 또는 침탄질화 열처리후 아연도금이나 크롬도금을 실시한다.
침탄 열처리 공정(Carburizing)은 930℃ 정도의 오스테나이트 영역에서 강의 표면에 탄소를 확산시킨 후 급냉하여 심부는 인성을 갖고 표면층은 탄소가 0.8% 중량비 정도로 고용된 마르텐사이트 조직을 얻는 열화학적 표면열처리 공정으로 탄소의 매체에 따라 액체법, 가스법, 진공법, 이온법 등이 있다.
침탄질화 열처리(Carbonitriding)는 침탄 열처리시 최표면에 이상산화층의 형성에 따른 내마모성이나 피로강도의 저하를 보완하기 위하여 침탄 열처리 종료전에 단시간 동안 침탄 분위기중에 소량의 질화성 매체를 첨가하는 공정으로 탄소가 주된 경화원소이며 질소는 부가적인 경화원소로서 질소는 최표면에서만 경화효과가 있다.
이러한 침탄 또는 침탄질화 열처리에 의해 철강부품의 표면에 경도가 700Hv 이상의 깊은 경화층을 형성함으로써 높은 내마모성, 면압강도, 인장강도, 내피팅성 및 내피로강도 등 우수한 기계적 특성을 얻을 수는 있으나, 이러한 처리에 의해 내식성을 부여할 수는 없으므로 상기 열처리 후 아연도금이나 크롬도금을 실시하여 내식성을 보완하고 있다.
그런데 이러한 도금시에는 도금공정 중 생성되어 강의 내부로 침투한 수소가 취성파괴를 일으키며, 특히 아연도금은 내마모성이 낮아 부품작동시 도금층의 마모로 조기부식이 발생할 수 있으며, 또한 도금공정 중 6가 크롬과 같은 환경부하 물질을 배출하므로 사용상 규제의 대상이 되고 있다.
철강부품에 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하는 경우, 예를 들면 본 발명자가 제시한 대한민국 특허 제0095910호에는 질화성 가스에 산화성 가스를 첨가한 질화-산화성 가스분위기에서 강부품을 열처리하여 표면에 산소가 함유된 ε - 상의 질화물층을 형성함으로써 내마모성과 함께 내식성을 부여하는 기술이 개시되어 있다.
그러나 상기 특허는 420?720℃ 의 저온에서 열처리함으로써 질소의 확산깊이가 깊지 않아 고강도를 얻는데 한계가 있고, 이 문제를 해결하기 위해 질화 열처리를 장시간 실시하면 경화깊이를 어느 정도 깊게 할 수는 있으나 본질적으로 경화깊이는 열처리 온도에 크게 의존하므로 이 역시 한계가 있으며 또한 장시간 열처리에 따른 경제적인 문제도 나타난다.
침탄, 침탄질화 또는 담금질 열처리에서 얻은 마르텐사이트 조직은 경도는 높으나 취성이 있으므로 이를 해소하기 위하여 템퍼링 열처리(뜨임)를 실시하는데, 이 템퍼링 열처리는 경화된 강의 취성을 감소시키거나 인성을 개선하는 것을 목표로 하는 열처리이다.
그런데 침탄, 침탄질화 또는 담금질 열처리를 실시한 철강부품을 내식성을 부여하기 위하여 550℃?580℃의 온도범위에서 질화열처리를 실시하면 템퍼링 연화에 따라 질소확산층의 경도가 너무 낮아져 고강도를 구현할 수 없다.
노말라이징(Normalizing) 열처리나 어닐링(Annealing) 열처리된 부품에 대해 질화열처리를 실시하면 템퍼링 연화의 문제는 없으나, 확산층의 경도를 높이는 데는 한계가 있으며 SKD 61 또는 SKD 11 과 같은 금형용 강에 대해 질화 열처리를 실시하면 템퍼링 연화의 문제없이 고강도의 강을 얻을 수 있으나 재료비 및 가공비가 높다는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 일정 수준이상의 심부경도와 함께 고경도 및 고내식성을 부여함으로써 면압강도, 인장강도, 내마모성, 내피팅성 및 내식성이 우수한 철강부품의 제조공정을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래에서 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, (a) 철강부품에 대하여 오스테나이트화 질화침탄 열처리를 실시하여 상기 철강부품의 표면층에 질소 및 탄소의 확산층을 형성한 후 급냉처리하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계를 거친 철강부품에 대하여 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하여 단일 입실론상(ε - 상) 또는 입실론상(ε - 상)과 감마프라임상(γ' - 상)의 혼합상으로 구성된 화합물층을 형성하는 단계를 포함하는 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법이 제공된다.
상기 오스테나이트화 질화침탄 공정은 Fe-N계의 A1 변태점(공석온도)인 590℃ 이상의 오스테나이트 영역의 온도에서 질화성 분위기에 침탄성 매체를 소량 첨가한 혼합 분위기를 사용하여 강 표면에 질소와 탄소를 침투 및 확산시킴으로써 후속하는 급냉처리를 통하여 강표면에 질소와 탄소가 고용된 마르텐사이트 조직을 형성하여 높은 내마모성과 피로특성을 확보할 수 있는 열처리 공정이다.
상기 질화침탄 열처리는 Fe-N계의 A1 변태점(공석온도)인 590℃ 이하의 페라이트 영역의 온도에서 질화성 분위기에 침탄성 매체를 소량 첨가한 혼합 분위기를 사용하여 강 표면에 질소와 탄소를 동시에 침투시키는 열처리 공정이며, 상기 질화 열처리는 순수 질화성 분위기에서 강 표면에 질소만을 침투시키는 열처리 공정이다.
상기 오스테나이트화 질화침탄, 질화침탄 및 질화열처리의 공정에서는 사용되는 질소 및 탄소의 매체에 따라 액체법, 가스법, 진공법 및 이온법 등이 있으며, 각 매체에 따른 구체적인 열처리 공정은 이미 잘 알려져 있으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조공정은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 철강부품에 고내마모, 고강도, 고내피팅성 및 고내식성을 부여하여 내구성이 우수한 철강부품을 친환경적인 방법으로 제조할 수 있다.
둘째, 열처리후 별도의 후가공 공정이 필요하지 않으므로 제조공정이 단순하고 경제적이다.
먼저, 본 발명에 따르면 철강부품에 대해 오스테나이트화 질화침탄 열처리를 실시한 후 급냉한다.
본 발명에서 철강부품이라 함은 탄소강 및 합금강을 포함하는 모든 철강소재 또는 이들 철강소재로 제조된 제품을 포함하는 것을 의미한다.
오스테나이트화 질화침탄 열처리는 Fe-N계의 A1 변태점(공석온도)인 590℃ 이상, 바람직하게는 Fe-N 계 또는 Fe-C 계에서 750℃?1100℃ 온도범위의 오스테나이트 영역, 또는 페라이트와 오스테나이트의 혼합영역의 온도범위에서 질화성 분위기에 침탄성 매체를 소량 첨가한 혼합 분위기에서 질소와 탄소를 침투 및 확산시키는 공정으로, 590℃ 이하의 페라이트 영역에서 실시하는 일반적인 질화 열처리에 비해 질소와 탄소의 확산속도가 커서 경화깊이를 크게 확보하는 것이 가능하다.
오스테나이트화 질화침탄에서 사용되는 혼합분위기는 질소와 탄소의 매체에 따라 액체법, 가스법, 진공법 및 이온법 등이 있다. 예를 들면, 가스법에서는 암모니아, 탄화수소 및 질소의 분위기에서, 진공법은 암모니아 및 아세틸렌의 분위기에서, 이온법은 질소 및 수소의 분위기에서 각각 실시할 수 있는데, 그 구체적인 공정은 종래의 공정으로 하거나 본 발명자가 제시한 대한민국 특허출원 제10-2009-0034314호에 개시된 방법으로 하여도 좋다.
본 발명의 오스테나이트화 질화침탄 공정에 따르면, 철강 부품을 오스테나이트 영역 또는 페라이트와 오스테나이트의 혼합영역까지 가열하여 고온에서 질소와 탄소원자의 높은 확산계수에 의해 주된 경화원소인 질소와 부가적인 경화원소인 탄소원자를 철강부품의 표면으로 충분히 확산시키는 것이 가능하다.
이후에 이 철강부품을 상온으로 급냉함으로서 표면은 질소와 탄소의 고용강화 효과와 마르텐사이트 변태에 의하여, 그리고 심부는 마르텐사이트 변태에 의해, 각각 높은 내마모성과 높은 템퍼링 연화저항성 및 고강도 특성을 갖는 철강부품을 얻을 수 있다.
이때 오스테나이트 단상영역에서 뿐만 아니라, 페라이트와 오스테나이트의 혼합상 영역에서 오스테나이트화 질화침탄을 실시하여도 질소확산층의 A1 변태점이 590℃로 낮아지므로 오스테나이트 단일상이 되므로 이후의 급냉에 따라 소재의 표면은 소량의 잔류 오스테나이트가 포함된 경도 700Hv 이상의 단일의 마르텐사이트 조직이 되고, 소재의 심부는 가열온도나 강종에 따라 페라이트 및 마르텐사이트의 혼합조직 또는 단일의 마르텐사이트 조직이 나타나므로 요구강도에 따라 가열온도를 적절하게 조절하여 달리할 수 있다.
이러한 오스테나이트화 질화침탄은 종래의 침탄 또는 침탄질화 열처리에 비해 질소 확산영역의 Ms점이 높으므로 경화능이 좋은 이점이 있다.
한편 오스테나이트화 질화침탄시에는 이후 원활한 질화 또는 질화침탄 열처리에 방해가 되며 박리의 우려가 있는 화합물층이 형성되는 것을 방지하고, 또한 잔류 오스테나이트의 양을 제어하기 위하여 강 내에 침투되는 질소 및 탄소의 양은 합쳐서 0.8?1.2 중량% 가 되도록 온도 및 분위기를 제어하는 것이 좋다.
이 같은 결과를 얻기 위해서는 오스테나이트화 질화침탄 분위기 중의 질소와 탄소 포텐샬의 제어는 실험적, 경험적으로 정할 수 있는데, 기본적으로는 얻어진 강재에 대한 처리결과로부터 피드백해서 분위기를 제어한다.
예를 들면, 가스법의 경우 로내의 미분해 암모니아의 농도를 측정하거나 또는 분해되어 로내에 잔류하는 수소의 농도를 검출하여, 이들 각각의 잔류농도에 따른 강재의 처리결과로부터 피드백해서 암모니아의 도입방법이나 처리온도를 결정할 수 있다.
따라서 분위기 및 처리온도를 각각 소정의 조건으로 결정한 후, 이로부터 결정되는 질소의 침투속도를 전제로 처리시간을 결정하여, 질소와 탄소의 침투량과 침투깊이를 적절히 제어하여 설정할 수 있다.
분위기 조건 결정시 강재의 탈탄을 방지하기 위하여 강재의 탄소 함량을 고려하여 분위기 중의 탄소 포텐샬을 결정해야 함은 물론이다.
이러한 방법으로 각 조건내의 분위기 및 온도로 처리를 하면 고속으로 질소의 침투확산이 가능하여 강재의 두께에 따라서는 단시간내에 심부까지 경화층을 얻는 것이 가능하다.
본 발명의 오스테나이트화 질화침탄으로, 질소가 침투확산한 확산영역은 A1 변태점이 낮아지고 Ms 점이 높아지므로 담금질 처리가 용이한데 처리조건이나 강종에 따라 공냉도 가능하다.
한편, 오스테나이트 영역에서 급냉하여 마르텐사이트 조직을 얻는 경우, 내부 응력을 완화하고 인성향상을 위한 템퍼링을 실시하는 것이 일반적이다.
그러나, 오스테나이트화 질화침탄 후 후술하는 질화 또는 질화침탄 열처리를 위한 가열시 템퍼링 효과가 부수적으로 나타나므로 오스테나이트화 질화침탄시 별도의 템퍼링 공정을 반드시 실시할 필요는 없으나, 인성의 개선이 더 필요한 경우는 200℃ 내외에서 템퍼링을 실시하여도 무방하지만 이때 확산층의 경도는 다소 떨어질 수 있기 때문이 이 점을 감안하여야 한다.
다음으로, 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시한다.
질화 또는 질화침탄 열처리는 내식성을 향상시킬 목적으로 강종에 따라 단일 입실론상(ε - 상) 또는 입실론상(ε - 상)과 감마프라임상(γ' - 상)의 혼합상으로 구성된 화합물층을 얻기 위해 실시하는 것으로 철강부품의 표면에 질소 단독, 혹은 질소와 탄소를 동시에 침투 및 확산시키는 공정이다.
일반적으로 질화 또는 질화침탄 열처리는 가스법의 경우 암모니아, 암모니아와 흡열형 가스, 암모니아와 발열형 가스, 암모니아와 질소등의 혼합가스 분위기에서 실시하는데, 여기에 입실론상(ε - 상) 화합물층의 형성을 촉진하기 위하여 이산화탄소, 일산화탄소, 공기, 수증기 또는 메탄을 선택적으로 첨가할 수 있다.
질화 또는 질화침탄 열처리 온도와 시간은 요구하는 화합물층의 두께에 따라 달리하는데, 예를 들면, 570℃에서는 3시간, 610℃에서는 90분, 660℃에서는 45분 간의 처리에 의해 두께 25㎛의 화합물층을 얻을 수 있다.
일반적으로 질화 또는 질화침탄 열처리시 요구되는 화합물층의 두께는 5?30㎛ 정도인데 이를 위해 질화 또는 질화침탄 열처리는 400℃?650℃의 페라이트 영역에서 1시간?24시간 동안 실시한다. 질화처리 시간이 이 보다 짧으면 화합물층의 두께가 너무 얇고, 반면에 시간이 길면 화합물층이 너무 두꺼워 박리가 잘 일어나기 때문이다.
또한 상기 질화 또는 질화침탄 열처리후 요망하는 특성을 얻기 위한 경화깊이는 사용하는 소재나 열처리 공정에 따라 0.01㎜?3.0㎜로 하는데 경화깊이가 이보다 얕을 경우 요망하는 고강도의 강을 얻을 수 없으며, 경화깊이가 이보다 깊은 경우 처리공정에 장시간이 소요되어 경제적으로 무의미하며 또한 취성이 발생할 수 있기 때문이다.
그런데 이러한 통상의 질화 또는 질화침탄 열처리에 의해서 내식성이 우수한 입실론상(ε - 상) 또는 입실론상(ε - 상)과 감마프라임상(γ' - 상)의 혼합상으로 구성된 화합물층을 얻을 수는 있으나, 그 처리온도가 낮기 때문에 경화깊이는 그다지 깊지 않으며 경화층의 경도도 높지 않고, 특히 심부는 잘 경화되지 않으므로 질화 또는 질화침탄 열처리 전에 침탄 열처리, 또는 담금질 및 뜨임 열처리를 실시하여 높은 초기 경도를 미리 확보할 수 있다.
한편, 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하기 위해 통상적으로 사용하는 공정온도인 550℃ 이상으로 가열하는 경우 침탄 열처리, 또는 담금질 및 뜨임 열처리에 의해 경화된 철강부품이 탄화물의 조대화 및 전위(dislocation) 밀도의 감소 등으로 경도가 낮아지는데 이것을 '템퍼링 연화'라고 한다.
침탄열처리, 또는 담금질 및 뜨임 열처리를 실시한 철강부품에 대해 상기 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하면 입실론상(ε - 상)(Fe3CN) 의 화합물층의 형성으로 높은 내식성은 얻을 수 있으나, 질화 또는 질화침탄 열처리에 의한 경화효과보다 템퍼링에 의한 연화효과가 훨씬 우세하여 소망하는 경도의 경화층을 얻을 수 없게 된다.
한편, 철강부품에 첨가되는 여러 성분중 질소는 500?700℃의 온도 범위에서 강중에 존재하는 미량의 Ti, Al, Nb 등과 미세한 질화물을 형성하여 고온 유지에 의한 경도 저하를 억제하는 작용, 즉 템퍼링 연화 저항성을 향상시키는 원소로서 알려져 있다.
오스테나이트화 질화침탄 열처리는 상기에서 설명한 바와 같이, 철강부품의 표면에 탄소와 질소를 침투 확산시키는 공정이므로, 표면의 질소농도가 높다는 점을 이용하여 오스테나이트화 질화침탄 열처리된 철강부품에 대해 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하면 질화 또는 질화침탄 열처리가 실시되는 온도범위에서 이미 존재하고 있는 질소가 강재 중의 Ti, Al, Nb 등과 결합하여 미세한 질화물을 형성함으로서 철강부품의 템퍼링 연화를 최소한으로 억제할 수 있다.
침탄열처리 후 질화 열처리를 실시한 종래의 경우와 비교하면, 본 발명에 따라 오스테나이트화 질화침탄 후 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시했을 때 경도가 더 높게 나타난다. 그 이유는 침탄열처리 후 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하면 질화 또는 질화침탄 열처리에 의한 경화효과보다도 템퍼링에 의한 연화효과가 훨씬 크게 작용하여 경도가 급격히 낮아지는 반면, 본 발명에서와 같이 오스테나이트화 질화침탄을 실시하면 질소의 템퍼링 연화억제효과에 의하여 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하여도 경도의 저하가 크지 않기 때문이다.
따라서 본 발명에 따르면, 질화 또는 질화침탄 열처리에 의해 입실론상(ε - 상)의 화합물을 형성하여 높은 내식성을 확보하고, 오스테나이트화 질화침탄시 확산된 질소에 의한 템퍼링 연화 억제효과 및 질소의 경화효과로 인하여 표면경도가 우수한 철강부품을 제조할 수 있게 된다. 또한 질소의 템퍼링 연화 억제효과로 고온에서 강도가 급격히 낮아지는 것을 방지할 수 있으므로 고온 강도를 적정 수준으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 구와 구 또는 구와 면이 접촉하는 헤르츠 접촉과 같이 고면압 강도, 고강도, 내피팅성 및 내식성이 동시에 요구되는 부품의 내구성 향상에 특히 유용한 기술이다.
한편, 오스테나이트화 질화침탄 후에 실시하는 질화 또는 질화침탄 열처리 공정은 특별히 한정하지 않으나, 본 발명자의 특허 제0095910호가 제안하는 방법으로 실시하는 경우 높은 내식성과 함께 은백색의 외관을 얻을 수 있으며, 이후 산화처리에 의해 다양하고 미려한 컬러도 부여할 수 있는 잇점이 있다.
또 상기 질화 또는 질화침탄 열처리후 공냉 또는 오일냉각을 하여도 무방하지만 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시켜 표면경도를 더 높이기 위하여 수냉을 실시할 수도 있다.
<실시예 1>
열간압연 소재를 사용하여 자동차의 유리 승강용 섹터기어(sector gear)를 프레스 성형한 후, 종래 방법에 따라, 침탄열처리 및 전기아연도금(MFZN8C 상당) 을 실시한 결과, 표면경도는 Hv 720, 전경화 깊이는 0.6㎜이었으며, 이를 염수분무시험(KS D 9502)으로 내식성을 평가한 결과, 70시간 이후 백록이 발생하였다.
한편, 상기와 동일 소재로 제작한 섹터기어를 780℃에서 50 부피%의 암모니아, 1부피%의 프로판 및 49 부피%의 질소로 구성된 혼합가스 분위기로 4시간 동안 오스테나이트화 질화침탄을 실시한 후 상온의 물에 급냉하였다. 이 기어를 550℃에서 70부피%의 암모니아, 10부피%의 이산화탄소 및 20부피%의 질소로 구성된 혼합가스 분위기로 3시간 동안 질화침탄을 실시하고 공냉한 결과, 표면경도 Hv 800, 전경화 깊이는 1.1㎜ 이었으며 내식성을 평가한 결과 200시간 이후에도 발청이 없었다.
<실시예 2>
판재를 사용하여 자동차 수동변속기용 클러치의 부품인 서브 플레이트(sub plate) 를 성형하고, 종래 방법에 따라, 침탄 열처리 및 산화처리한 결과, 표면경도 Hv 650, 전경화 깊이 0.3㎜이었으며 이 서브 플레이트를 염수분무시험(KS D 9502)으로 내식성을 평가한 결과 60분 이내에 발청이 있었다.
한편, 상기와 동일한 이 서브 플레이트를 800℃에서 50부피%의 암모니아, 2 부피%의 메탄 및 48 부피%의 질소로 구성된 혼합가스 분위기로 3시간 동안 오스테나이트화 질화침탄을 실시한 후 80℃로 유지되는 오일에 급냉하였다. 이 서브 플레이트를 550℃에서 60부피%의 암모니아, 10부피%의 이산화탄소 및 30 부피%의 소로 구성된 혼합가스 분위기로 3시간 동안 질화침탄을 실시하고 상온의 물에 수냉한결과, 표면경도 Hv 750, 전경화 깊이는 0.9㎜ 이었으며 염수분무시험(KS D 9502)으로 내식성을 평가한 결과, 150시간 이후에도 발청이 없었다.
<실시예 3>
SCM 415 소재를 가공한 후 침탄열처리를 실시하여 자동차용 피니언 샤프트를 제조한 결과 이 피니언 샤프트의 표면 경도는 Hv 800, 유효경화깊이는 0.35㎜이었다.
SCM 415 소재로 동일한 치수의 피니언 샤프트를 가공하였으며 820℃에서 60부피%의 암모니아, 1.5 부피% 의 부탄 및 38.5 부피%의 질소로 구성된 혼합가스 분위기로 5시간 동안 오스테나이트화 질화침탄을 실시하고 상온의 물에 급냉하였다. 그 후 이 피니언 샤프트를 560℃에서 60% 부피의 암모니아, 40% 부피의 질소로 구성된 혼합가스 분위기로 4시간 동안 질화열처리를 실시하여 80℃로 유지되는 오일에 급냉한 결과, 표면경도 Hv 850, 유효경화 깊이는 0.45㎜이었다.
이상으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 고내마모, 고내피팅성 및 고내식성을 부여하여 내구성이 우수한 철강부품을 친환경적인 방법으로 제조할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (4)

  1. (a) 철강부품에 대하여 590℃ 이상의 온도에서 오스테나이트화 질화침탄 열처리를 실시하여 상기 철강부품의 표면층에 질소 및 탄소의 확산층을 형성한 후 급냉처리하는 단계; 및
    (b) 상기 (a) 단계를 거친 철강부품에 대하여 590℃ 이하의 온도에서 질화 또는 질화침탄 열처리를 실시하여 단일의 입실론상(ε - 상) 또는 입실론상(ε - 상)과 감마프라임상(γ' - 상)의 혼합상으로 구성된 질화 화합물층과 질소확산층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 (a) 단계에서, 상기 오스테나이트화 질화침탄 열처리는 전체의 처리 시간에 걸쳐 질화성 분위기에 침탄성 매체를 첨가한 혼합 분위기에서 열처리를 실시하여 상기 철강부품의 표면층에 질소 및 탄소의 확산층을 형성하고, 상기 확산층이 형성된 상기 철강부품을 급냉처리하여 상기 철강부품의 표면에 질소와 탄소가 고용된 마르텐사이트 조직을 형성하고,
    상기 (b) 단계의 상기 질화 열처리는 질화성 분위기에서 열처리를 실시하며, 상기 질화침탄 열처리는 질화성 분위기에 침탄성 매체를 첨가한 혼합 분위기에서 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 오스테나이트화 질화침탄 열처리는 Fe-N 또는 Fe-C 계의 오스테나이트 단상 영역 또는 페라이트와 오스테나이트의 혼합상 영역의 온도범위에서 실시하는 것을 특징으로 하는 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 급냉처리는 유냉 또는 수냉하는 것을 특징으로 하는 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 오스테나이트화 질화침탄 열처리에 의해 상기 철강부품 내에 침투되는 질소와 탄소의 양은 0.8?1.2중량%인 것을 특징으로 하는 고면압강도, 고강도 및 고내식성 철강부품의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3909902B2 (ja) * 1996-12-17 2007-04-25 株式会社小松製作所 高耐面圧用鋼部品およびその製造方法
KR100232268B1 (ko) * 1997-01-25 1999-12-01 김영희 금형용강의 열처리방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114317898A (zh) * 2021-12-24 2022-04-12 哈尔滨工程大学 一种提高铁素体不锈钢表面耐磨和耐蚀性的方法
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