KR20130121266A - 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회주철재의 열처리 중 발생할 수 있는 다공층(입실상의 Fe₂N)으로 인한 표면상 거칠기의 단점을 후가공 또는 사전 미세가공 없이 개선할 수 있는 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법은 회주철 부품의 표면 열처리 전에 상기 부품의 가공 치수를 완제품 기준으로 -1~0mm 범위로 정삭하는 단계; 상기 정삭된 회주철 부품을 플라즈마 이온 질화시켜 Fe₂N을 최대한 억제할 수 있도록 하는 단계; 및 상기 단계에서 표면 열처리 후 부품 표면의 Fe₂N을 연삭하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 입실론 상의 Fe₂N을 최대한 억제하여 기공층을 줄임으로써, 표면 거칠기 및 변형을 최소화할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법{Reduction method for transformation of gray cast iron part}

본 발명은 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회주철 부품의 열처리 중 발생하는 표면 거칠기 및 변형을 억제할 수 있는 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법에 관한 것이다.

브레이크 디스크 등과 같은 회주철 부품이 마찰로 인해 부식되는 것을 방지하기 위해 부품 표면을 열처리한다.

상기 회주철의 경우에 편상 흑연이 기지조직인 펄라이트(pearlite) 주변에 불규칙적으로 생성된 상태에서 회주철 부품을 가공하면 표면 조도가 매우 매끄럽지 않게 가공되고, 부품 표면 위에 질화 열처리를 하면 다공층의 화합물이 생성되기 때문에 부품의 표면이 거칠게 된다.

상기한 거친 표면을 개선하기 위해 열처리 후에 표면가공, 예를 들면 연삭 및 호닝 공정을 실시하거나 매우 미세한 표면 가공 후에 열처리를 하여 표면 거칠기를 억제한다.

도 1은 기존의 표면 거칠기 개선을 위해 회주철 부품의 산질화 처리 시 가공 방법을 보여주는 공정도로서, 가공품을 연삭 장비에 장착하고 가공부의 외측과 내측을 황삭하고, 가공부의 외측 및 양면 정삭을 한 후, 드릴 및 면취 공정을 거쳐 외측면 정삭을 한다.

그 다음, 정상된 가공부의 표면을 산질화 열처리한 후, 산질화 처리된 표면을 연삭 또는 호닝하고 표면 처리(브러싱 처리)를 함으로써, 회주철 부품의 가공 시 표면 거칠기를 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 연삭 또는 호닝 공정 후 표면처리 공정을 표면처리 후 연삭 또는 호닝 공정으로 대체할 수 있다.

그러나, 종래기술에 따른 열처리 후 표면 가공방법은 입실론(ε) 상의 Fe₂N의 다공층 생성으로 표면 거칠기가 여전히 좋지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 회주철재의 열처리 중 발생할 수 있는 다공층(입실상의 Fe₂N)으로 인한 표면상 거칠기의 단점을 후가공 또는 사전 미세가공 없이 개선할 수 있는 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법은 회주철 부품의 표면 열처리 전에 상기 부품의 가공 치수를 완제품 기준으로 -1~0mm 범위로 정삭하는 단계; 상기 정삭된 회주철 부품을 플라즈마 이온 질화시켜 Fe₂N을 최대한 억제할 수 있도록 하는 단계; 및 상기 단계에서 표면 열처리 후 부품 표면의 Fe₂N을 연삭하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 입실론 상의 Fe₂N을 최대한 억제하여 기공층을 줄임으로써, 표면 거칠기 및 변형을 최소화할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 회주철 부품의 표면 열처리 단계에서 플라즈마 이온 질화 공정은 400~550℃에서 10~20 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.

회주철재의 표면 열처리 전에 회주철 부품 가공 시 부품 치수를 완제품 기준으로 정삭하고, 고온에서 플라즈마 이온 질화 공정을 거쳐 감마 프라임 상의 질화철(Fe₄N)을 최대한 형성하고 입실론 상의 질화철(Fe₂N)을 최대한 억제하며, 이온 질화 공정 이후 입실론 상의 질화철을 연삭하여 거칠기를 보정함으로써, 기존의 가공 공정을 유지하되, 후가공 또는 사전 미세가공 없이 표면 거칠기와 변형을 최소화할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 회주철 부품의 산질화 처리 시 가공 방법을 보여주는 공정도
도 2는 질화처리된 표면 구조의 깊이에 따른 질소 함량 및 상별 기공 분포를 보여주는 그래프
도 3은 질화처리된 부품의 표면 구조를 보여주는 단면도
도 4는 본 발명에 따른 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법을 설명하기 위한 공정도
도 5는 종래기술에 따른 일반 산질화 처리 시 두께 분포를 보여주는 SEM 사진이고, 도 6은 본 발명에 따른 이온 질화 처리 시 두께 분포를 보여주는 SEM 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 회주철 재, 예를 들면 브레이크 디스크의 표면 열처리 중 발생할 수 있는 표면 거칠기의 단점을 후가공 또는 사전 미세가공 없이 보완할 수 있는 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법에 관한 것이다.

도 2는 질화처리된 표면 구조의 깊이에 따른 질소 함량 및 상별 기공 분포를 보여주는 그래프이고, 도 3은 질화처리된 부품의 표면 구조를 보여주는 단면도이다.

도 2의 그래프에 나타낸 바와 같이 상(Phase) 별 질소 함량 및 기공 분포를 살펴보면, 입실론 상의 질화물(ε Nitride=Fe_{2 -3}N)이 가장 표면에 위치하면서 질소 함량이 가장 많고, 이 층에서 기공이 가장 많다.

감마 프라임 상의 질화물(γ' Nitride=Fe₄N)은 입실론 상의 질화물보다 상대적으로 질소 함량이 작을 뿐만 아니라 기공이 상대적으로 적다.

입실론 상과 감마 프라임 상의 질화물이 혼합된 혼합층(2)(Diffusion zone)의 경우 깊이가 깊을수록 질소함량이 낮아지고 있다.

도 3을 참조하면 회주철 재의 단면의 가장 위쪽에 위치한 표면에 산화층이 형성되고, 이 산화층은 열처리 후 가공시 제거된다.

중간에 하얗게 되어 있는 부분은 입실론 상의 질화물(ε Nitride=Fe_{2 -3}N)과 감마 프라임 상의 질화물(γ')이 서로 혼재되어 다공층으로 인해 표면이 거친 질화층(1)이고, 질화층(1) 아래에 조직이 치밀한 혼합층(2)이 있다.

상기 질화층(1)에는 기공이 포함되어 기공에 의해 질화층(1)에 갈라진 것처럼 보이는 부분이 있는데, 질화층(1) 내에 크랙 형태로 갈라진 검정색의 틈이 기공에 의해 생성된다.

본 발명은 상대적으로 질소함량이 적고 기공이 적은 감마 프라임 상의 질화물(Fe₄N)을 생성하고 입실론 상의 질화물(Fe_{2 -3}N)을 최대한 억제함으로써, 기공을 저감하여 표면 거칠기 및 변형을 최소화할 수 있다.

첨부한 도 4는 본 발명에 따른 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법을 설명하기 위한 공정도이다.

본 발명에 따른 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법은 표면 열처리 전 단계, 표면 열처리 단계, 및 표면 열처리 후 단계로 이루어진다.

상기 표면 열처리 전 단계는 회주철 부품을 열처리 전에 가공 시 치수를 완제품 기준으로 (-)1~0mm로 정삭하는 단계를 포함한다.

보다 상세하게는, 기존에는 (-)2~1mm까지 남기고 가공하여 재료의 열팽창에 의한 치수변화가 더 발생할 수 있지만, 본 발명에 따른 표면 열처리 전 단계는 회주철 부품을 열처리하기 전에 가공 시 치수를 완제품 기준으로 (-)1~0mm 까지 정삭하여 열팽창에 의한 치수변화를 최소화하는 단계를 포함한다.

이후 연삭(또는 호닝)과정을 통해 완제품 기준치수까지 가공하여 최대한 조도를 향상시키는 기술이며, 이 한계치를 초과하는 경우에 재료, 즉 회주철과 산질화층이 서로 다른 팽창 발생으로 인해 치수변화가 더 커질 수 있다.

그리고, 이 단계에서 가공 시 황삭 및 정삭을 할 수 있다.

상기 표면 열처리 단계는 Fe₂N 입실론 상의 다공층 생성을 최대한 억제하기 위해 400~550℃의 고온에서 10~20시간 동안 플라즈마 이온 질화 처리를 실시한다.

만약 400℃ 미만의 온도에서는 질화층이 잘 생성되지 않아 20시간 이상이 소요되게 되며, 550℃초과의 온도에서라도 20시간이상의 경우에는 질화원소의 회주철내 확산이 이루어지지 않아 더 이상의 두께가 증가하지 않으며, 또한 550℃이상의 온도에서 산질화를 실시하는 경우 온도에 의한 열변형에 의해 두께 변화가 더욱 커지게 되므로, 상기 조건이 최적화된 조건이다.

상기 이온 질화 처리를 통해 감마 프라임 상의 Fe₄N 을 형성하여 입실론 상의 Fe₂N 을 최대한 억제할 수 있다.

상기 표면 열처리 후 단계는 이온 질화 처리 공정을 거친 후 부품 표면에 있는 입실론 상의 Fe₂N 을 0~1mm 황삭 후 연삭 연마하여 거칠기를 보정하는 단계이다.

상기 표면 열처리 후 단계에서 산화, 연삭 또는 호닝 및 표면처리(브러싱 처리) 공정을 수행할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면 회주철재의 표면 열처리 전에 회주철 부품 가공 시 부품 치수를 완제품 기준으로 정삭하고, 고온에서 플라즈마 이온 질화 공정을 거쳐 감마 프라임 상의 질화철(Fe₄N)을 최대한 형성하고 입실론 상의 질화철(Fe₂N)을 최대한 억제하며, 이온 질화 공정 이후 입실론 상의 질화철을 연삭하여 거칠기를 보정함으로써, 기존의 가공 공정을 유지하되, 후가공 또는 사전 미세가공 없이 표면 거칠기와 변형을 최소화할 수 있다.

상기와 같은 효과를 검증하기 위해 회주철 부품을 질화처리하기 전과 기존의 일반적인 산질화 처리 및 본 발명에 따른 방법으로 이온 질화 처리를 한 후 변형량을 비교한 결과는 표 1과 같다.

표 1에 나타낸 바와 같이 변형량 측정 결과 질화 처리 전에는 본 발명에 따른 변형량이 일반 산질화 대비 1~2㎛ 증가하였지만, 질화 처리 후에는 본 발명에 따른 변형량이 일반 산질화 대비 4~7㎛ 정도 감소하였다.

도 5는 종래기술에 따른 일반 산질화 처리 시 두께 분포를 보여주는 SEM 사진이고, 도 6은 본 발명에 따른 이온 질화 처리 시 두께 분포를 보여주는 SEM 사진이다.

도 5 및 도 6을 참조하면 본 발명에 따른 이온 질화 처리 시 질화층(1)의 두께가 종래의 산질화 시 대비 더욱 얇으면서 균일함을 알 수 있다.

1 : 질화층 2 : 혼합층

Claims (2)

1. 회주철 부품의 표면 열처리 전에 상기 부품의 가공 치수를 완제품 기준으로 -1~0mm 범위로 정삭하는 단계;
   상기 정삭된 회주철 부품을 플라즈마 이온 질화시켜 Fe₂N을 최대한 억제할 수 있도록 하는 단계;
   상기 단계에서 표면 열처리 후 부품 표면의 Fe₂N을 연삭하는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 회주철 부품의 표면 열처리 단계에서 플라즈마 이온 질화 공정은 400~550℃에서 10~20 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 회주철 부품의 표면 거칠기 및 변형 저감 방법.
   

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