KR20140080179A - 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법 - Google Patents

금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20140080179A
KR20140080179A KR1020120149697A KR20120149697A KR20140080179A KR 20140080179 A KR20140080179 A KR 20140080179A KR 1020120149697 A KR1020120149697 A KR 1020120149697A KR 20120149697 A KR20120149697 A KR 20120149697A KR 20140080179 A KR20140080179 A KR 20140080179A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nitrogen
target metal
metal
present
chamber
Prior art date
Application number
KR1020120149697A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101453380B1 (ko
Inventor
김준호
차병철
정우창
조형호
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020120149697A priority Critical patent/KR101453380B1/ko
Priority to JP2015549261A priority patent/JP6063584B2/ja
Priority to CN201380067371.5A priority patent/CN104870681B/zh
Priority to PCT/KR2013/011891 priority patent/WO2014098500A1/ko
Publication of KR20140080179A publication Critical patent/KR20140080179A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101453380B1 publication Critical patent/KR101453380B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/40—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C23C8/52—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions more than one element being applied in one step
    • C23C8/54—Carbo-nitriding

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

본 발명은 금속 표면 질화처리 장치 및 금속의 질화처리 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 금속 표면 질화처리 장치 및 금속의 질화처리 방법에 의하여, 내마모성 및 내식성이 우수하고 높은 표면 경도를 가지는 금속을 제공할 수 있다. 또한, 금속의 효율적이고 생산성 있는 공정을 통하여 대량생산이 가능하다.

Description

금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법{METAL SURFACE NITRIDE-TREATMENT APPARATUS AND METHOD OF NITRIDE-TREATMENT}
본 발명은 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 부품의 수명과 내구성을 증대시키기 위해 높은 표면경도, 우수한 내마모성, 내부식성 등의 성능을 부여할 수 있는 가스질화법이 널리 적용되고 있다.
현재 상업적으로 많이 사용되는 가스질화 방식은 암모니아를 이용해 실시하는 저온질화법인데 이는 긴 처리시간, 암모니아의 악취, 스테인레스 강의 경우 자연산화막으로 인한 질화능 저하 등의 문제점을 가지고 있다. 특히 배치식 공정의 경우 준비 작업 및 별도의 출하 단계가 필요하므로 연속 공정이 불가하여 생산성 저하, 공정 운전상의 곤란 등의 문제가 있어 대량 생산에 적합하지 않다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 고온질화법을 통해 질화처리된 금속의 효율적이고 생산성 있는 연속공정 및 대량생산을 위한 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따른 금속 표면 질화처리 장치는, 챔버; 타겟 금속이 상기 챔버 내를 지나도록 하는 이송부; 다수의 관통 홀을 포함하는 질소 통과부로서, 상기 관통 홀의 주입구로 공급된 질소가 배출되는 상기 관통 홀의 배출구는 상기 챔버 내를 지나가는 상기 타겟 금속의 표면과 일정한 간격으로 이격 형성되어 있는, 질소 통과부; 및 상기 질소 통과부에 상기 질소 가스를 공급하는 질소 공급부;를 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부는 각각 50 mm 이하의 간격으로 떨어져 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 챔버 내를 가열하는 가열부를 더 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 질소 공급부는 상기 챔버 내로 상기 질소 가스를 0.1 내지 20 kg/㎠ 압력으로 공급하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 공급된 질소 가스 (N2)는 상기 관통 홀을 통과하여, 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부 사이의 공간에서 분해되어 질소기 (N)가 되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 금속 표면 질화처리 장치는 연속식인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 제2 측면에 따른 금속 표면 질화처리 방법은, 타겟 금속을 고온의 챔버 내를 지나도록 이송하는 단계; 및 다수의 관통 홀이 형성되어 있는 질소 통과부의 상기 다수의 관통 홀을 통하여 질소 가스를 공급하여 상기 타겟 금속의 표면에 질화층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 질소 통과부는, 상기 챔버 내를 지나는 상기 타겟 금속표면에 마주하도록 형성되어 있는 것이다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부가 0.05 내지 50 mm 이격되도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 질소 가스를 0.1 내지 20 kg/㎠ 압력으로 공급하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 공급된 질소 가스 (N2)는 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부 사이의 공간에서 분해되어 질소기 (N)의 형태로 상기 타겟 금속의 표면에 질화층을 형성하도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 타겟 금속의 표면에 형성된 질화층은, 상기 표면으로부터 상기 타겟 금속 내부 방향으로 질소기 농도가 감소하는 농도 구배를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 공급된 질소 가스 (N2)로부터 형성된 질소기 (N)는 자촉매로 작용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 금속의 질화처리 방법은 연속식으로 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 금속의 질화처리 방법은, 본 발명의 제1 측면에 따른 금속 표면 질화처리 장치를 이용하여 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법에 의하여, 내마모성 및 내식성이 우수하고 높은 표면 경도를 가지는 금속을 제공할 수 있다. 또한, 금속의 효율적이고 생산성 있는 공정을 통하여 대량생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 표면 질화처리 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 다른 구현예에 따른 환봉 형상의 타겟 금속일 경우 질소 통과부의 사시도 및 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 H빔 형상의 타겟 금속인 경우 질소 통과부의 사시도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 표면 질화처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 판상 형상의 타겟 금속에 질소가 제공되었을 때 자촉매 반응의 개념도이다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 판상 스테인레스 430의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따라 질화처리된 판상 스테인레스 430을 과잉 에칭한 표면의 SEM 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 4에 따라 질화처리된 SEM 단면 사진과 질화층을 구성하는 요소인 질소, 크롬, 철의 성분을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 4에 따라 질화처리된 판상 스테인레스 430의 질소 함량을 글로우 방전 분광분석기 (Glow Discharge Spectrometer; GDS)를 통해 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 5, 비교예 1 및 2에 따라 질화처리된 판상 스테인레스 430의 경도를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 6, 7 및 비교예 2에 따라 질화처리한 판상 스테인레스 430의 경도분포를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 8에 따라 질화처리한 스테인레스 430의 내부식성을 1 M의 H2SO4 용액에서 동전위법을 이용하여 측정한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 금속 표면 질화처리 장치에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 표면 질화처리 장치를 나타낸 개략도이다.
본 발명의 금속 표면 질화처리 장치는 챔버(미도시), 타겟 금속(100)이 상기 챔버 내를 지나도록 하는 이송부(300), 다수의 관통 홀(210)을 포함하는 질소 통과부(300)로서, 상기 관통 홀의 주입구로 공급된 질소가 배출되는 상기 관통 홀의 배출구는 상기 챔버 내를 지나가는 상기 타겟 금속의 표면과 일정한 간격으로 이격 형성되어 있는 질소 통과부(200) 및 상기 질소 통과부(200)에 상기 질소 가스를 공급하는 질소 공급부(미도시)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 이송부(300)는 롤투롤(roll to roll) 방식으로 상기 타겟 금속(100)을 상기 챔버 내로 통과시킬 수 있으나, 이에 제한하지 않고, 상기 타겟 금속(100)을 상기 챔버 내를 통과하게 하는 장치라면 당업자가 적의 선택 가능하다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 다른 구현예에 따른 환봉 형상의 타겟 금속인 경우 질소 통과부의 사시도 및 단면도이다. 도 1에서는 상기 타겟 금속이 판상의 형태로 도시되어 있지만, 도 2a 및 도 2b에서와 같이, 환봉 형상의 타겟 금속(100), 환봉 형상의 타겟 금속의 표면과 일정한 간격으로 이격 형성되어 있는 환봉 형태의 질소 통과부(200)를 포함하며, 상기 환봉 형상의 질소 통과부(200) 주위에는 다수의 관통 홀(210)을 포함한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 H빔 형상의 타겟 금속인 경우 질소 통과부의 사시도 및 단면도이다. 도 3a 및 도 3b에서와 같이, H빔 형상의 타겟 금속(100), H빔 형상의 타겟 금속의 표면과 일정한 간격으로 이격 형성되어 있는 H빔 형상의 질소 통과부(200)를 포함하며, 상기 H빔 형상의 질소 통과부(200) 주위에는 다수의 관통 홀(210)을 포함한다.
본 발명에서는 타겟 금속이 판상 형상, 환봉 형상 및 H빔 형상을 가지는 경우에 따라 변경되는 질소 통과부를 도시하였지만, 이에 제한되지 않고 다양한 형상의 타겟 금속에 따라 질소 통과부도 다양한 형상으로 변경 가능하다. 본 발명의 일측에 따르면, 질화 가스 (N2)의 공급은 순수 암모니아 (NH3), 암모니아와 흡열성 가스의 혼합가스, 암모니아와 이산화탄소 (CO2)의 혼합가스, 또는 암모니아와 탄화수소계 (C2H2, CH4)의 혼합가스를 사용하여 수행할 수도 있는데, 탄화수소계 가스를 사용하는 경우 탄소의 침탄효과에 의한 표면활성화 효과도 나타나게 된다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 질소 공급부로부터 공급된 질소 가스 (N2)는 상기 다수의 관통 홀(210)을 통과하여, 상기 타겟 금속(100)과 상기 질소 통과부(200) 사이의 공간에서 분해되어 질소기 (N)가 되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 타겟 금속(100)은 스테인리스강, 탄소강, 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 바나듐(V), 철 (Fe), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈룸(Ta) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 타겟 금속(100)과 상기 질소 통과부(200) 사이의 간격을 조절하여 상기 타겟 금속으로의 질소 (N) 침투층의 깊이나 농도, 영역의 조절을 용이하게 수행할 수 있다. 본 발명의 일측에 따르면, 상기 타겟 금속(100)과 상기 질소 통과부(200)는 각각 약 50 mm 이하의 간격으로 떨어져 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 타겟 금속(100)과 상기 질소 통과부(200) 사이의 간격이 없으면, 질소가 충분히 활동할 수 있는 공간이 없어 질화능이 떨어지게 되고, 약 50 mm 초과인 경우, 질소 통과부 및 가스 주입부에서 존재 하는 질소의 밀도가 낮아져 질화능을 감소하는 문제점이 발생할 수 있다. 바람직하게는 최소 간격으로는 약 0.05 mm 정도의 간격이면 원하는 질화능을 얻을 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 챔버 내를 가열하는 가열부(미도시)를 더 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 챔버 내의 온도는 질화처리 타겟 금속의 재료 물성에 따라 질화처리 온도가 변하기 때문에 질화처리 타겟 금속의 재료 물성에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 타겟 금속이 강재이고 질소를 사용하는 경우에는 약 900 내지 약 1200 ℃로 가열하는 것일 수 있고, 이 경우, 약 900 ℃ 미만의 온도에서 질화 공정을 수행하게 되는 경우, 질소 분해의 활성화 에너지 장벽을 넘기지 못하며, 약 1200 ℃ 초과의 온도에서 질화 공정을 수행하게 되는 경우, 재료 물성 및 열 소모 측면에서 경제적이지 못한 면이 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 챔버 내의 온도에 따라 통과하는 시간을 조절할 수 있으며, 상기 이송부(300)는 상기 타겟 금속(100)이 예를 들어, 약 1분 이상의 시간 동안 지나도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 약 1분 미만의 시간 동안 지나도록 하는 경우, 상기 타겟 금속 표면으로의 질소기 (N)가 충분하게 침투하게 되지 않아 충분한 두께의 질화층을 얻을 수 없게 된다.
상기 질소 가스가 적절한 압력으로 공급되면 상기 공급된 질소 가스 (N2)가 질소기 (N)로 분해되게 되어, 상기 타겟 금속(100)과 상기 질소 통과부(200) 사이는 질소기 (N)로 점차 채워지게 된다. 본 발명의 일측에 따르면, 상기 질소 공급부는 상기 챔버 내로 상기 질소 가스를 약 0.1 내지 약 20 kg/㎠ 압력으로 공급하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 질소 가스를 약 0.1 kg/㎠ 미만의 압력으로 공급하는 경우, 낮은 가스 압력으로 인하여 자연적으로 타겟 금속 내부로 질소기가 확산되기 힘들고 압력구배에 의한 구동력 (driving force)이 낮아 질소기의 침투를 힘들게 하고, 약 20 kg/㎠ 초과의 압력으로 공급하는 경우, 높은 가스 압력으로 타겟 금속이 질화되는 것을 방해하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 금속 표면 질화처리 장치는 연속식인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 연속식으로 수행하는 경우, 금속의 질화처리를 효율적이고 생산성 있게 수행하게 되어 대량생산이 가능하게 된다.
이하에서는, 본 발명의 금속의 질화처리 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 표면 질화처리 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 금속 표면 질화처리 방법은, 먼저, 타겟 금속이 고온의 챔버 내를 지나도록 이송시킨다 (S100). 상기 고온은 타겟 금속에 따라 결정되는 것으로서, 질화 반응이 일어날 정도의 온도를 의미하고, 약 200 내지 약 1200 ℃일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 타겟 금속은 스테인리스강, 탄소강, 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 바나듐(V), 철 (Fe), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈룸(Ta) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 다수의 관통 홀이 형성되어 있는 질소 통과부의 상기 다수의 관통 홀을 통하여 질소 가스를 공급하여 상기 타겟 금속의 표면에 질화층을 형성한다 (S200).
본 발명의 일측에 따르면, 질화 가스 (N2)의 공급은 순수 암모니아 (NH3), 또는 암모니아 (NH3)와 흡열성 가스 또는 암모니아 (NH3)와 이산화탄소 (CO2)의 혼합가스가 사용되거나, 또는 암모니아 가스와 탄화수소계의 혼합가스를 사용하여 수행할 수도 있는데, 이 경우 탄화수소계 가스에 의한 표면활성화 효과가 나타나게 된다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 공급된 질소 가스 (N2)는 상기 타겟 금속과 상기 가스주입 판들 사이의 공간에서 분해되어 질소기 (N)의 형태로 상기 타겟 금속의 표면에 질화층을 형성하도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 타겟 금속의 표면에 형성된 질화층은, 상기 표면으로부터 상기 타겟 금속 내부 방향으로 질소기 (N) 농도가 감소하는 농도 구배를 가지는 것일 수 있으며, 상기 타겟 금속 내부까지 질소기 (N)가 침투하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부 사이의 간격을 조절하여 상기 타겟 금속 표면으로의 질소 가스 침투층의 깊이나 농도, 영역의 조절을 용이하게 수행할 수 있다. 본 발명의 일측에 따르면, 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부를 각각 약 50 mm 이하로, 바람직하게는 약 0.05 mm 내지 약 50 mm 간격으로 이격되도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부 사이의 간격이 충분하지 않으면, 질소가 충분히 활동할 수 있는 공간이 적기 때문에 질화능이 떨어지게 되고, 약 50 mm 초과인 경우, 질소 통과부 및 가스 주입부에서 존재 하는 질소의 밀도가 낮아져 질화능을 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 챔버 내의 온도는, 질화처리 타겟 금속의 재료 물성에 따라 질화처리 온도가 변하기 때문에 질화처리 타겟 금속의 재료 물성에 따라 조절할 수 있으며, 예를 들어, 타겟 금속이 강재이고 질소를 사용하는 경우에는 약 900 내지 약 1200 ℃로 유지하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 챔버 내의 온도에 따라 통과하는 시간을 조절할 수 있으며, 상기 이송부는 상기 타겟 금속이 예를 들어, 약 1분 이상의 시간 동안 지나도록 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 약 1분 미만의 시간 동안 지나도록 하는 경우, 상기 타겟 금속 표면으로의 질소기 (N)가 충분하게 침투하게 되지 않아 충분한 두께의 질화층을 얻을 수 없게 된다.
상기 질소 가스가 적절한 압력으로 공급되면 상기 공급된 질소 가스 (N2)가 질소기 (N)로 분해되게 되어, 챔버 내부는 질소기 (N)로 점차 채워지게 된다. 본 발명의 일측에 따르면, 상기 질소 가스를 약 0.1 내지 약 20 kg/㎠ 압력으로 공급하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 질소 가스를 약 0.1 kg/㎠ 미만의 압력으로 공급하는 경우, 낮은 가스 압력으로 인하여 자연적으로 타겟 금속 내부로 질소기가 확산되기 힘들고 압력구배에 의한 구동력 (driving force)이 낮아 질소기의 침투를 힘들게 하고, 약 20 kg/㎠ 초과의 압력으로 공급하는 경우, 높은 가스 압력으로 타겟 금속이 질화되는 것을 방해하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 공급된 질소 가스 (N2)로부터 형성된 질소기 (N)는 자촉매로 작용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 판상 형상의 타겟 금속에 질소가 제공되었을 때 자촉매 반응의 개념도이다. 타겟 금속 및 질소 통과부의 50 mm 이하의 간격 내에서 발생하는 자촉매 반응이다. 질소 공급부에서 공급된 질소 가스가 승온된 타겟 금속 및 질소 통과부 사이에서 반복적으로 부딪히게 되고 이 때 온도 및 촉매 역할을 하는 타겟 금속이 질소의 활성화 에너지를 넘게 해주는 역할을 해 질소 가스(N2)를 질소기 (N)로 분해시키고 이 질소기 (N)가 타겟 금속 표면으로 들어가 질화층이 형성된다. 계속 공급되는 질소 가스 (N2)가 상기 타겟 금속에 질화층을 형성시킬 수 있는 질소기 (N)로 변해 질화처리의 속도가 높아지며, 따라서 질화층의 형성속도가 높아지는 장점이 있고, 상기 타겟 금속의 기지원소 또는 첨가원소와 만나 내식성 및 기계적 특성을 향상시키며, 연속적으로 공급 및 질화처리가 가능해 생산 효율을 극대화시키는 이점이 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 금속 표면 질화처리 방법은 연속식으로 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 연속식으로 수행하는 경우, 금속 표면 질화처리를 효율적이고 생산성 있게 수행하게 되어 대량생산이 가능하게 된다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 금속 표면 질화처리 방법은, 제1 측면에 따른 금속 표면 질화처리 장치를 이용하여 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 질화처리된 금속은 표면 경도가 높아 고하중에 견딜 수 있으며, 마찰에 의해 흠집이 잘 발생하지 않으므로, 발전터빈, 자동차용 강판, 풍력프로펠러 등의 소재로서 장기간 사용하여도 우수한 상태를 유지할 수 있다. 또 질화처리 시 형성된 우수한 내식성으로 부식 환경에 노출되는 해양플랜트, 담수화설비, 화학설비 등 구조용 재료 등에 사용하면 좋다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1]
본 발명의 장치 챔버 내부의 온도가 800 ℃가 되도록 온도를 서서히 올리고, 롤(roll)을 통하여 챔버 내부로 판상 스테인레스 430이 연속적으로 지나갈 수 있도록 하였다. 그리고 나서, 상기 챔버 내부로 1.5 Kg/cm2의 분압이 유지되도록 질소 가스를 계속 공급시켰다. 분압이 유지되면, 800 ℃의 고온에서 질소 가스가 질소기로 분해하게 되어 질화처리가 가능해 진다. 그리고, 질소 통과부와 판상 스테인레스 430이 0.3 mm 간격을 유지하며 마주볼 수 있도록 하고, 10분 동안 질소 통과부의 다수의 관통 홀을 통하여 판상 스테인레스 430 표면에 질화 가스를 주입시켰다.
[실시예 2]
본 발명의 장치 챔버 내부의 온도를 900 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.
[실시예 3]
본 발명의 장치 챔버 내부의 온도를 1000 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.
[실시예 4]
본 발명의 장치 챔버 내부의 온도를 1100 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에 따른 판상 스테인레스 430의 SEM 사진이다. 도 6a에서는 질화처리 후 발생하는 마르텐사이트 조직이 보이지 않지만, 도 6b 내지 도 6d에서는 마르텐사이트 깊이가 변화하는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 따라 질화처리된 판상 스테인레스 430을 과잉 에칭한 표면의 SEM 사진이다. 판상 스테인레스 430의 과잉 에칭에 의하여 마르텐사이트 조직이 확실하게 나타남을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 실시예 4에 따라 질화처리된 SEM 단면 사진과 질화층을 구성하는 요소인 질소, 크롬, 철의 성분을 나타낸 도면이다. 판상 스테인레스 430의 표면뿐만 아니라 내부까지 질소가 포함되어 있음을 확인하였다.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 4에 따라 질화처리된 판상 스테인레스 430의 질소 함량을 글로우 방전 분광분석기 (Glow Discharge Spectrometer; GDS)를 통해 나타낸 도면이다. 마르텐사이트 조직이 발생한 실시예 4에서 확연하게 많은 양의 질소가 검출되었다 (실제 함량은 100분의 1).
[실시예 5]
본 발명의 장치 챔버 내부의 온도가 1100 ℃가 되도록 온도를 서서히 올리고, 롤(roll)을 통하여 챔버 내부로 판상 스테인레스 430이 연속적으로 지나갈 수 있도록 하였다. 그리고 나서, 상기 챔버 내부로 1.5 Kg/cm2의 분압이 유지되도록 질소 가스를 계속 공급시켰다. 분압이 유지되면, 1100 ℃의 고온에서 질소 가스가 질소기로 분해하게 되어 질화처리가 가능해 진다. 그리고, 질소 통과부와 판상 스테인레스 430이 0.3 mm 간격을 유지하며 마주볼 수 있도록 하고, 60분 동안 질소 통과부의 다수의 관통 홀을 통하여 판상 스테인레스 430 표면에 질화 가스를 주입시켰다.
[비교예 1]
본 발명의 장치 챔버 내부에 질소 가스 대신 아르곤 가스를 주입하여 수행한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 조건으로 실시하였다.
[비교예 2]
본 발명의 질소 처리 장치를 이용하지 않고 종래 기술의 배치형 (batch type) 장치를 이용한 일반적 질화 처리 (General nitriding treatment)한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 조건으로 실시하였다.
도 10은 본 발명의 실시예 5, 비교예 1 및 2에 따라 질화처리된 판상 스테인레스 430의 경도를 나타낸 도면이다. 질화처리가 되면 마르텐사이트화가 될 뿐만 아니라 경도가 증가하기 때문에 경도 깊이를 확인할 수 있는 중요한 척도이다. 유일하게 실시예 5의 경우에만 경도가 증가한 것으로 본 발명의 효능을 입증할 수 있다.
[실시예 6]
본 발명의 장치 챔버 내부의 온도가 1100 ℃가 되도록 온도를 서서히 올리고, 롤(roll)을 통하여 챔버 내부로 판상 스테인레스 430이 연속적으로 지나갈 수 있도록 하였다. 그리고 나서, 상기 챔버 내부로 1.5 Kg/cm2의 분압이 유지되도록 질소 가스를 계속 공급시켰다. 분압이 유지되면, 1100 ℃의 고온에서 질소 가스가 질소기로 분해하게 되어 질화처리가 가능해 진다. 그리고, 질소 통과부와 판상 스테인레스 430이 0.1 mm 간격을 유지하며 마주볼 수 있도록 하고, 60분 동안 질소 통과부의 다수의 관통 홀을 통하여 판상 스테인레스 430 표면에 질화 가스를 주입시켰다.
[실시예 7]
본 발명의 질소 통과부와 판상 스테인레스 430의 간격을 0.5 mm로 유지하는 것을 제외하고는 실시예 6과 동일한 조건으로 실시하였다.
도 11은 본 발명의 실시예 6, 7 및 비교예 2에 따라 질화처리한 판상 스테인레스 430의 경도분포를 나타낸 도면이다. 실시예 6 및 7의 경우 최소 300 ㎛까지 경화층이 형성된 것을 확인할 수 있으며 비교예 2의 경우 경화층이 형성되지 않은 것이 확인되어 간격 유지의 효과가 있음을 입증할 수 있다.
[실시예 8]
본 발명의 장치 챔버 내부의 온도가 1100 ℃가 되도록 온도를 서서히 올리고, 롤(roll)을 통하여 챔버 내부로 판상 스테인레스 430이 연속적으로 지나갈 수 있도록 하였다. 그리고 나서, 상기 챔버 내부로 1.5 Kg/cm2의 분압이 유지되도록 질소 가스를 계속 공급시켰다. 분압이 유지되면, 1100 ℃의 고온에서 질소 가스가 질소기로 분해하게 되어 질화처리가 가능해 진다. 그리고, 질소 통과부와 판상 스테인레스 430이 0.3 mm 간격을 유지하며 마주볼 수 있도록 하고, 10 분 동안 질소 통과부의 다수의 관통 홀을 통하여 판상 스테인레스 430 표면에 질화 가스를 주입시켰다.
도 12는 본 발명의 실시예 8에 따라 질화처리한 스테인레스 430의 내부식성을 1 M의 H2SO4 용액에서 동전위법을 이용하여 측정한 도면이다. 금속의 부식을 나타내는 양극산화곡선의 부식전류밀도가 질화처리를 한 경우, 질화처리를 하지 않은 스테인레스 430보다 더 낮게 분포해 내식성이 증가했음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
1: 금속 표면 질화처리 장치
100: 타겟 금속
200: 질소 통과부
210: 다수의 관통 홀
300: 이송부

Claims (14)

  1. 챔버;
    타겟 금속이 상기 챔버 내를 지나도록 하는 이송부;
    다수의 관통 홀을 포함하는 질소 통과부로서, 상기 관통 홀의 주입구로 공급된 질소가 배출되는 상기 관통 홀의 배출구는, 상기 챔버 내를 지나가는 상기 타겟 금속의 표면과 일정한 간격으로 이격 형성되어 있는, 질소 통과부; 및
    상기 질소 통과부에 상기 질소 가스를 공급하는 질소 공급부;
    를 포함하는 금속 표면 질화처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부는 각각 50 mm 이하의 간격으로 떨어져 있는 것인, 금속 표면 질화처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내를 가열하는 가열부를 더 포함하는 것인, 금속 표면 질화처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 질소 공급부는 상기 챔버 내로 상기 질소 가스를 0.1 내지 20 kg/㎠ 압력으로 공급하는 것인, 금속 표면 질화처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공급된 질소 가스 (N2)는 상기 관통 홀을 통과하여, 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부 사이의 공간에서 분해되어 질소기 (N)가 되는 것인, 금속 표면 질화처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 표면 질화처리 장치는 연속식인 것인, 금속 표면 질화처리 장치.
  7. 타겟 금속을 고온의 챔버 내를 지나도록 이송하는 단계; 및
    다수의 관통 홀이 형성되어 있는 질소 통과부의 상기 다수의 관통 홀을 통하여 질소 가스를 공급하여 상기 타겟 금속의 표면에 질화층을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 질소 통과부는, 상기 챔버 내를 지나는 상기 타겟 금속 표면에 마주하도록 형성되어 있는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부가 0.05 내지 50 mm 이격되도록 하는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 질소 가스를 0.1 내지 20 kg/㎠ 압력으로 공급하는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 공급된 질소 가스 (N2)는 상기 타겟 금속과 상기 질소 통과부 사이의 공간에서 분해되어 질소기 (N)의 형태로 상기 타겟 금속의 표면에 질화층을 형성하도록 하는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 타겟 금속의 표면에 형성된 질화층은, 상기 표면으로부터 상기 타겟 금속 내부 방향으로 질소기 농도가 감소하는 농도 구배를 가지는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 공급된 질소 가스 (N2)로부터 형성된 질소기 (N)는 자촉매로 작용하는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 금속의 질화처리 방법은 연속식으로 수행하는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 금속의 질화처리 방법은, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 금속 표면 질화처리 장치를 이용하여 수행하는 것인, 금속 표면 질화처리 방법.
KR1020120149697A 2012-12-20 2012-12-20 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법 KR101453380B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120149697A KR101453380B1 (ko) 2012-12-20 2012-12-20 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법
JP2015549261A JP6063584B2 (ja) 2012-12-20 2013-12-19 金属表面処理装置及びこれを利用した金属表面処理方法
CN201380067371.5A CN104870681B (zh) 2012-12-20 2013-12-19 金属表面处理装置及利用该装置的金属表面处理方法
PCT/KR2013/011891 WO2014098500A1 (ko) 2012-12-20 2013-12-19 금속표면처리장치 및 이를 이용한 금속표면처리방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120149697A KR101453380B1 (ko) 2012-12-20 2012-12-20 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140080179A true KR20140080179A (ko) 2014-06-30
KR101453380B1 KR101453380B1 (ko) 2014-10-22

Family

ID=51130976

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120149697A KR101453380B1 (ko) 2012-12-20 2012-12-20 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101453380B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040067664A (ko) * 2003-01-24 2004-07-30 엘지전자 주식회사 연속표면처리장치의 가스분배장치
JP2009228055A (ja) 2008-03-21 2009-10-08 Toyota Motor Corp ガス窒化処理方法、及び、ガス窒化処理装置
KR101194670B1 (ko) * 2010-05-17 2012-10-29 서울질화(주) 질화로
KR101245564B1 (ko) * 2011-05-06 2013-03-20 주식회사 삼락열처리 스테인레스강, 내열강 및 고합금강에 대한 가스질화방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101453380B1 (ko) 2014-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2740709C (en) Method and apparatus for nitriding metal articles
JP2007046088A (ja) 浸窒焼入品及びその製造方法
Calabokis et al. Crevice and pitting corrosion of low temperature plasma nitrided UNS S32750 super duplex stainless steel
CN102666902A (zh) 通过双辊薄带铸造方法制备的马氏体不锈钢及其制备方法
JP6220956B1 (ja) ダイヤモンド電極、ダイヤモンド電極の製造方法及び電解水生成装置
JP2008231563A (ja) 浸炭部品の製造方法
KR101453380B1 (ko) 금속 표면 질화처리 장치 및 질화처리 방법
Berton et al. Quenching and tempering effect on the corrosion resistance of nitrogen martensitic layer produced by SHTPN on AISI 409 steel
Sousa et al. Cathodic cage nitriding of AISI 409 ferritic stainless steel with the addition of CH4
Spies et al. IFHTSE Global 21: heat treatment and surface engineering in the twenty-first century Active screen plasma nitriding and nitrocarburising of steels: an overview
KR20210036662A (ko) 질화 처리 방법
JP5371376B2 (ja) ステンレス鋼製の加工品の表面硬化方法及び該方法の実施のための溶融塩
BR112019008898A2 (pt) processo para tratamento a quente de uma peça de trabalho consistindo em um aço de alta liga
KR101564670B1 (ko) 금속표면질화처리장치 및 이를 이용한 금속표면질화처리방법
JP2009299122A (ja) 浸窒焼入れ方法、浸窒焼入れ用ヒーター、および浸窒焼入れ装置
Zumbilev CARBONITRIDING AUSTENITE STEEL IN GLOW DISCHARGE PLASMA
KR101583490B1 (ko) 대상 금속부재 형상의 수용공간을 포함하는 금속표면처리장치 및 이를 이용한 금속표면처리방법
JP6357042B2 (ja) ガス軟窒化方法およびガス軟窒化装置
CN104870681B (zh) 金属表面处理装置及利用该装置的金属表面处理方法
KR101564667B1 (ko) 금속표면처리장치 및 이를 이용한 금속표면처리방법
KR20100115637A (ko) 환경친화 고온 질화침탄 방법
KR20180100776A (ko) 가스질화방법 및 가스질화장치
KR101564669B1 (ko) 이송부를 포함하는 금속표면처리장치 및 이를 이용한 금속표면처리방법
KR20100081053A (ko) 가스 순환장치를 구비한 열처리로
JP4293024B2 (ja) ＴｉＮ被膜の連続成膜方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190925

Year of fee payment: 6