KR20130121269A - 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상(Phase) 제어가 가능한 플라즈마 이온 질화처리 공법을 적용하여 마찰면에 입실론 상의 질화층의 생성을 억제하고 조직이 치밀한 감마 프라임(γ')상의 질화층을 생성시킴으로써, 마찰재의 내마모성을 증대하고 회주철 부품의 마찰면 부식을 방지하여 외관을 향상시킬 수 있는 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법은 로(盧) 내에 회주철 부품을 넣고, 암모니아 가스 중에 반응가스를 첨가한 분위기에서 400~550℃ 온도로 120~300분 동안 유지하며 플라즈마 이온 질화처리를 하는 단계;를 포함하고, 회주철 표면에 발생하는 질화층의 상을 제어하여 마찰계수의 저하를 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법은 로(盧) 내에 회주철 부품을 넣고, 암모니아 가스 중에 반응가스를 첨가한 분위기에서 400~550℃ 온도로 120~300분 동안 유지하며 플라즈마 이온 질화처리를 하는 단계;를 포함하고, 회주철 표면에 발생하는 질화층의 상을 제어하여 마찰계수의 저하를 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회주철 부품의 마찰면 부식을 방지하여 외관을 향상시킬 수 있는 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 자동차용 브레이크 디스크는 주행중의 자동차가 가지고 있는 운동에너지를 디스크와 마찰재의 마찰에 의한 열에너지로 바꾸어 자동차를 정지시키는 장치로서, 매우 효율적인 열방출 능력을 필요로 한다.
이러한 요구조건을 만족시키기 위해 일반적으로 브레이크 디스크는 저렴하면서도 열방출성이 좋은 회주철로 제작되고 있다.
상기 회주철로 제작되는 브레이크 디스크는 마찰재로서 질화처리를 통해 내마모성을 증대시킨다.
도 1은 종래기술에 따른 브레이크 디스크의 산질화처리 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 상기 브레이크 디스크(10)의 질화처리 방법은 브레이크 디스크(10)를 로(盧) 내에 넣고 암모니아 가스(NH3) 중에 산소(O2)를 첨가하는 분위기에서 온도 500~700℃로 4~5시간 동안 유지하며 산질화 처리를 실시하여 회주철 표면에 산질화층을 형성한다.
예를 들어, 산질화층을 형성하는 단계는 암모니아(NH3), 질소(N2), 이산화탄소(CO2) 분위기에서 610℃로 250분 동안 유지하여 질화 처리하는 단계와, 수증기에 의해 555℃로 20분 동안 유지하여 산화 처리를 하는 단계와, 공기 중에 자연 냉각시키는 단계로 이루어진다.
상기와 같은 방법에 의해 산질화 처리된 브레이크 디스크(10)의 경우에 산질화 처리 전 및 후의 두께 변화량은 다음 표 1과 같다.
상기 표 1에 나타낸 바와 같이 산질화 처리 후 브레이크 디스크(10)의 두께 변화는 기공층으로 인해 약 20~30㎛로 증대되었다.
이는 산질화처리 시 대기중의 산소와 회주철의 반응에 의해 입실론(ε) 상의 질화층이 표면에 형성되고, 입실론 상의 질화층으로 인해 취성이 강해지고 입실론 상의 산질화층에 함유된 기공층으로 인해 마찰면에 부식 발생이 심하게 되고 제동 중 표면 탈락이 발생하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 상(Phase) 제어가 가능한 플라즈마 이온 질화처리 공법을 적용하여 마찰면에 입실론 상의 질화층의 생성을 억제하고 조직이 치밀한 감마 프라임(γ')상의 질화층을 생성시킴으로써, 마찰재의 내마모성을 증대하고 회주철 부품의 마찰면 부식을 방지하여 외관을 향상시킬 수 있는 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법은 로(盧) 내에 회주철 부품을 넣고, 암모니아 가스 중에 반응가스를 첨가한 분위기에서 400~550℃ 온도로 120~300분 동안 유지하며 플라즈마 이온 질화처리를 하는 단계;를 포함하고, 회주철 표면에 발생하는 질화층의 상을 제어하여 마찰계수의 저하를 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 이온 질화처리로 회주철 부품 표면에 질화층을 형성한 후, 200~500℃ 온도를 유지하며 염욕로 내 또는 공기 중 수분에 의해 산화 처리하는 단계를 더 포함하여, 표면의 기공 형성과 부품의 변형을 억제하고 산화층을 생성할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 염욕로 내에서 산화 처리는 200~500℃ 온도에서 20~60분 동안 유지되어, 부품 자체의 변형을 억제하고 산화층을 충분히 생성할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 플라즈마 이온 질화 처리를 통해 회주철 표면에 질화층의 상을 제어하여, 취성과 기공이 있어 제동 중 표면 탈락이 발생하게 만드는 입실론 상의 생성을 억제하고, 조직이 치밀하고 질소원자의 확산이 빠른 단상의 감마프라임 상을 유도함으로써, 마찰재의 내마모성을 방지할 뿐만 아니라, 마찰계수의 저하를 방지할 수 있다.
둘째로, 회주철 표면에 질화층 형성 후 염욕로 내 혹은 공기 중 수분에 의해 산화처리하여 기공층의 생성을 억제하고 질소 원자의 침투를 원활하게 하여 표면의 산화방지를 강화하고, 염욕 산화 공정은 20~60분 동안 200~500℃ 온도를 유지하여 산화층을 충분히 생성할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 브레이크 디스크 산질화 처리 방법을 설명하기 위한 그래프
도 2는 종래의 산질화 처리된 브레이크 디스크 및 이의 표면 확대사진
도 3은 종래의 산질화 처리된 브레이크 디스크 표면의 층두께를 보여주는 단면사진
도 4는 본 발명에 따른 브레이크 디스크 산질화 처리 방법을 설명하기 위한 그래프
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 이온질화 및 산화처리된 브레이크 디스크 표면의 단면사진
도 2는 종래의 산질화 처리된 브레이크 디스크 및 이의 표면 확대사진
도 3은 종래의 산질화 처리된 브레이크 디스크 표면의 층두께를 보여주는 단면사진
도 4는 본 발명에 따른 브레이크 디스크 산질화 처리 방법을 설명하기 위한 그래프
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 이온질화 및 산화처리된 브레이크 디스크 표면의 단면사진
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 브레이크 디스크 산질화 처리 방법을 설명하기 위한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 이온질화 및 산화처리된 브레이크 디스크 표면의 단면사진이다.
본 발명은 브레이크 디스크와 같은 마찰재의 내마모성을 증대하고 대기 중의 산소와 회주철의 반응으로 인해 발생되는 입실론 상의 질화층의 생성을 억제하기 위한 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법은 강한 경도로 인해 제동시 마찰재의 대면공격을 악화시킬 수 있는 확산층의 생성을 억제하고, 취성과 기공으로 인해 제동 중 표면탈락 현상의 원인이 되는 입실론(ε) 상의 발생을 최소화할 수 있다.
마찰계수의 저하를 방지하기 위해, 회주철 부품, 예를 들면 브레이크 디스크의 마찰면에 조직이 치밀하고 질소원자의 확산이 빠른 감마프라임 상의 질화층의 생성을 유도함으로써, 기공이 있는 입실론 상이나 복합물층보다는 조직이 치밀한 감마프라임 상을 회주철 재의 깊이 방향으로 깊이 침투시킬 수 있다.
본 발명의 이온 질화 표면처리 방법은 기존의 입실론 상이나 복합물층을 최소화하고 감마프라임 상을 최대화하기 위해 플라즈마 이온 질화 공법을 적용한다.
먼저, 회주철 부품인 브레이크 디스크를 로(盧) 내에 장입하고 로 온도를 400~550℃로 승온시킨다.
플라즈마 질화 처리 시 조건을 살펴보면, 로(盧) 내부에 암모니아와 반응가스 N2, H2 및 CH4를 주입하고, 400~550℃에서 120~300분 동안 회주철 부품을 플라즈마 이온 질화 처리하여 질화층을 형성한다.
상기 적정 감마프라임 상이 형성된 이후에 표면의 내식성을 유지하기 위해 질화층이 형성된 회주철 표면을 선택적으로 산화처리 하여 산화층을 형성한다.
상기 산화층을 생성할 경우에 염욕로 내 또는 공기 중 수분에 의해 산화를 실시하되, 질화층의 생성이 완료된 120~300분 이후 시점에 디스크를 로내에서 꺼내어 상온(25~30℃)으로 바로 냉각하여 대기중에서 산화를 유도한다.
또는 로(盧) 내 질화 완료온도인 400~550℃에서 200~500℃ 까지, 30분 이내에 로 내에서 냉각하되, 산화가 이루어질 수 있도록 산소 분위기나 수분을 임의 로내 유입시켜 표면에 기공층의 형성은 억제하되 질소 원자의 침투를 원활하게 할 수 있다.
염욕 산화 공정은 20~60분 동안 실시하여, 부품 자체의 변형을 억제하고, 20~60분의 산화시간을 유지하여 산화층을 충분히 생성시킬 수 있도록 한다.
상기 회주철 부품의 표면에 산화층을 생성한 후 공기 중에서 또는 로 내부에서 냉각시킨다.
이와 같은 이온 질화 표면 처리 방법에서 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
플라즈마 이온 질화 공법은 기존의 산질화 공법에 비해 상 제어가 가능하여 입실론 상의 질화층을 줄이고 감마 프라임 상의 질화물을 부품의 표면에서 깊이방향으로 침투시킬 수 있다.
여기서, 침투한 질소의 확산 깊이는 처리물의 온도, 로 내 압력, 질소가스 비율 및 처리 시간에 따라 변한다.
화합물층에서 질소화합물의 확산속도(확산계수)는 감마프라임 상이 입실론 상의 2배 이상 빠르기 때문에 화합물층 생성시 입실론 상의 생성을 막고, 감마프라임의 단상을 생성시켜 질소의 확산속도를 증가시킨다.
또한, 단일상이 아닌 복합상(입실론+감마프라임상)이 생성되는 경우에 격자구조 차이(면심입방(FCC), 조밀육방(HCP))에 따라 취성이 강해지게 되므로 단일상의 생성을 유도하는 것이 마찰면에 적용하는데에 유리하다.
이러한 화합물 구조를 이루기 위해서는 이온질화 분위기 내에 탄소를 억제하여 감마프라임의 단일상을 유도하고 복합상을 억제한다.
또한, 탄소가 없는 조건에서 질소가 수소보다 더 함량이 크고, 질소와 수소 모두 0.25%를 초과하는 조건을 만들어 단일 감마프라임 상을 유도한다.
화합물층의 두께는 스퍼터링 속도와 응축속도, 처리온도에 좌우된다.
매우 높은 스퍼터링 속도(높은 전압)에서는 처리시간을 매우 길게 하여도 화합물이 형성되지 않는다.
감마프라임 단일상은 2시간까지만 증가하므로 2~5시간 동안 6~8㎛의 범위에서 단일상을 형성한다.
이온질화온도에 따라 두께 증가의 영향은 있으나 회주철재의 템퍼링 온도 500~580℃ 이하에서 실시해야 하므로, 550℃ 이하의 조건에서 형성한다.
또한, 질화물 석출강도는 400~550℃ 이하에서 최고 강도가 유지되므로 이 공정을 반영한다.
이후 적정 감마프라임 상의 질화층이 형성된 이후에는 표면의 내식성을 유지하기 위해 표면 산화층(Fe3O4)을 형성하기 위한 공정을 적용한다.
단일상으로 형성된 질화층을 갖는 디스크에 대해 선택적으로 산화처리를 실시하되, 염욕이나 수증기를 이용하여 표면에 산화층(Fe3O4)을 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 플라즈마 이온 질화 처리를 통해 회주철 표면에 질화층의 상을 제어하여, 취성과 기공이 있어 제동 중 표면 탈락이 발생하게 만드는 입실론 상의 생성을 억제하고, 조직이 치밀하고 질소원자의 확산이 빠른 단상의 감마프라임 상을 유도함으로써, 마찰재의 내마모성을 방지할 뿐만 아니라, 마찰계수의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 회주철 표면에 질화층 형성 후 염욕로 내 혹은 공기 중 수분에 의해 산화처리하여 기공층의 생성을 억제하고 질소 원자의 침투를 원활하게 하여 표면의 산화방지를 강화하고, 염욕 산화 공정은 20~60분 동안 200~500℃ 온도를 유지하여 산화층을 충분히 생성할 수 있다.
Claims (3)
- 로(盧) 내에 회주철 부품을 넣고, 암모니아 가스에 반응가스를 첨가한 분위기에서 400~550℃ 온도로 120~300분 동안 유지하며 플라즈마 이온 질화처리를 하는 단계;
를 포함하고, 회주철 표면에 발생하는 질화층의 상을 제어하여 마찰계수의 감소를 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 이온 질화처리로 회주철 부품 표면에 질화층을 형성한 후, 200~500℃ 온도를 유지하며 염욕로 내 또는 공기 중 수분에 의해 산화 처리하는 단계를 더 포함하여, 표면의 기공 형성과 부품의 변형을 억제하고 산화층을 생성할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 염욕로 내에서 산화 처리는 200~500℃ 온도에서 20~60분 동안 유지되어, 부품 자체의 변형을 억제하고 산화층을 충분히 생성할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 회주철 부품의 플라즈마 질화 표면처리 방법.
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