KR20160112061A - 물품의 표면처리방법 및 이에 의해 표면처리된 물품 - Google Patents

물품의 표면처리방법 및 이에 의해 표면처리된 물품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공구강과 같이 크롬(Cr)을 상당량 포함하는 물품을 플라즈마를 이용하여 표면처리하는 방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품에 관한 것이다.
본 발명에 따른 표면처리방법은, 물품의 표면을 수소 및 질소를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 상기 제1 표면처리 후에, 질소와 아르곤을 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

물품의 표면처리방법 및 이에 의해 표면처리된 물품 {SURFACE TREATING METHOD FOR ARTICLE AND SURFACE TREATED ARTICLE BY THE SAME}
본 발명은 물품의 표면처리방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품에 관한 것으로, 보다 구체적으로 금형강이나 공구강과 같이 크롬(Cr)을 상당량 포함하는 물품을 플라즈마를 이용하여 표면처리하는 방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품에 관한 것이다.
최근 고강도강의 성형에 대한 요구로 인해 금형강의 표면은 심한 소성변형 등에 노출되고 있다. 이러한 추세에 맞춰, 금형강의 수명을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
소재의 파괴는 주로 표면에서 시작된다고 알려져 있어, 소재의 표면처리 기술은 소재의 수명을 연장시키는데 중요한 기술이다.
이러한 표면처리 기술 중, 가스 질화처리는 소재의 표면에 우수한 물성을 부여함으로서, 소재의 수명 연장에 많은 기여를 하므로, 산업에서 가장 유용하게 사용되는 기술 중 하나이다.
강(steel)을 가스 질화처리하게 되면, 일반적으로 도 1에 나타난 단면 조직을 가지게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스 질화처리된 강(steel)의 최표면층에는 다양한 질화물로 이루어진 화합물층(compound layer)이 형성되고, 화합물층의 아래에는 석출된 질화물이 존재하는 확산영역(diffusion zone)이 형성되며, 이 확산영역의 하부에는 확산된 질소가 일부 고용된 베이스재가 존재하는 코어영역(core zone)이 존재한다.
상기 화합물층을 구성하는 질소 화합물로는 엡실론상(ε상, Fe3N)과 감마프라임상(γ'상, Fe4N)이 주로 형성되는데, 이중 ε상은 내마모성과 내피로성을 향상시키는 반면 충격하중이나 국부 응력에는 취약한 특성을 가지고, γ'상은 상대적으로 연하여 내마모성에서는 ε상에 비해 떨어지나 인성은 나은 특성을 보인다. 이러한 ε상과 γ'상의 제어를 통해 질화처리된 물품은 보다 나은 내마모성, 내피로성 및 내식성을 가지게 된다.
가스 질화처리 중에서, 이온질화는 플라즈마 질화 또는 글로우방전 질화라고도 불리는데, 이온질화법은 도 2에 도시된 바와 같이, 질화로(furnace)와 시편 사이의 글로우방전을 이용하여 질소가 재료의 표면으로부터 내부로 확산되도록 함으로써 재료의 표면영역의 질화가 이루어지도록 하는 방법이다.
이온질화는 다른 가스 질화처리에 비해 가스 소비가 적어 친환경적이고, 공정비용이 저렴하고, 사이클 시간이 짧으며, 공정의 반복이 가능할 뿐 아니라, 거의 대부분의 강(steel)에 대한 처리가 가능한 많은 이점이 있는 방법이다.
그런데, 전술한 바와 같이, 금형강의 수명을 향상시키기 위해서는 보다 향상된 표면물성을 구현할 수 있는 이온질화처리 방법의 개발이 요구되고 있다.
L.L.G. da Silva, M. Ueda, R.Z. Nakazato, Surf. Coat. Technol. 201 (2007) 8291
본 발명의 과제는 물품의 표면물성을 종래에 비해 향상시킬 수 있는 새로운 표면처리방법과 이 방법에 의해 표면처리된 물품을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, 물품의 표면을 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 상기 제1 표면처리 후에, 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 크롬(Cr)을 4중량%~32중량% 포함하는 강(steel)으로 이루어지고, 상기 물품의 표면의 질소농도가 48원자% 이상인 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품을 제공한다.
본 발명에 따른 표면처리는 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 2단계 질화처리를 통해, 기존의 질화처리법에 비해 우수한 마모특성을 갖는 표면개질이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 종래의 질화처리법에 비해 짧은 시간 질화를 수행하여도 종래의 질화처리법과 유사한 수준의 표면 경도를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 표면처리된 물품은 기존의 질화처리법으로 표면처리된 물품에 비해 높은 경도와 내마모성을 가지므로, 특히 금형강의 수명향상에 적합하게 사용될 수 있다.
도 1은 가스질화처리된 강(steel)의 전형적인 단면조직을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 가스질화장치의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 이온질화처리 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 이온질화처리 공정도이다.
도 5는 비교예에 따른 이온질화처리 공정도이다.
도 6은 베이스재와, 비교예, 실시예 1, 실시예 2에 따라 표면처리된 시편의 경도 프로파일이다.
도 7은 베이스((a),(e)), 비교예((b),(f)), 실시예 1((c),(g)), 및 실시예 2((d),(h))의 단면 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 8은 비교예(a), 실시예 1(b), 실시예 2(c)에 따라 표면처리된 시편의 표면조직을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 9는 베이스재, 비교예, 실시예 1, 및 실시예 2의 미세조직을 XRD로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 13은 각각 베이스재(도 9), 비교예(도 10), 실시예 1(도 11), 및 실시예 2(도 12)의 미세조직을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 질화처리된 단면 미세조직을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 15는 GD-OES를 사용하여 깊이 방향으로 정량적인 성분 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명에서 수행한 마모시험 장치 및 마모시험과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 17은 베이스재와, 비교예, 실시예 1, 실시예 2에 따라 표면처리된 시편의 마모시험 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명자들은, 이온질화를 사용하면서 기존의 이온질화법에 비해, 물품(특히, 금형강과 같이 크롬을 다량 포함하는 강(steel)으로 이루어진 물품)의 경도와 내마모성과 같은 표면물성을 향상시키기 위하여 연구한 결과, 수소와 질소의 혼합가스를 이용한 전형적인 이온질화처리 후에, 아르곤과 질소의 혼합가스를 이용한 질화처리를 수행할 경우, 표면처리된 미세조직이 미세화되고 질소농도가 높아지며 표면이 거칠어지는 등의 미세조직의 변화가 발생하고, 이와 같은 미세조직의 변화가 표면물성의 향상에 기여하는 것을 밝혀내어 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명에 따른 표면처리방법은, 물품의 표면을 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와, 상기 제1 표면처리 후에 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 물품은 질화처리가 가능한 물질로 이루어진 것이라면 제한없이 적용될 수 있으나, 바람직하게 Cr 4~32중량%을 포함하는 강(steel)이 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 Cr 6~32중량%를 포함하는 금형강이 사용될 수 있다.
상기 강(steel)에 있어서, Cr의 함량이 4중량% 미만일 경우 표면물성 향상효과가 충분하지 않고, 32중량%를 초과할 경우 표면물성 향상보다는 Cr의 소진에 의한 부식성 저하, 경화깊이의 저하가 발생할 수 있으므로 Cr의 함량은 4~32중량%가 바람직하다.
상기 제1 표면처리단계에 있어서, 상기 수소와 질소의 혼합가스의 혼합비는 수소:질소의 부피비가 1:4~4:1인 것이 바람직한데, 상기 혼합비를 벗어날 경우 질화가 일어나기 어렵기 때문이다.
상기 제2 표면처리단계에 있어서, 아르곤과 질소의 혼합가스의 혼합비는 아르곤:질소의 부피비가 1:5~5:1인 것이 바람직한데, 상기 혼합비를 벗어날 경우 미세결정립이 형성되지 않거나 질소의 농도가 오히려 낮아져 표면물성이 저하할 수 있기 때문이다.
상기 제1 표면처리단계에 있어서, 표면처리 시간은 적어도 1시간 이상, 바람직하게는 2시간 이상 수행할 수 있다. 또한, 상기 제2 표면처리단계에 있어서, 표면처리시간은 적어도 2시간 이상, 바람직하게는 4시간 이상, 가장 바람직하게는 6시간 이상 수행할 수 있다.
상기 제1 표면처리 및 제2 표면처리를 수행한 후의 물품의 최외곽 표면에서의 질소농도는 일반적인 질화처리에서 얻을 수 없는 48원자% 이상인 것을 특징으로 하며, 질소농도가 48원자% 미만일 경우 경도 및 내마모성의 향상이 충분하지 않기 때문에 48원자% 이상이 바람직하고, 보다 바람직한 질소농도는 50원자%이다.
상기 제1 표면처리 및 제2 표면처리를 수행한 후의 물품의 표면에 형성되는 화합물층은 바람직하게, FeN, Fe3N, Fe4N, 및 CrN을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 표면처리 및 제2 표면처리를 수행한 후의 물품의 표면에 형성되는 화합물층은 물품을 이루는 재료에 형성된 크롬탄화물 경계부 이외의 영역(예를 들어, 크롬 탄화물의 계면이 아닌 기지 영역)에도 재결정조직을 포함할 수 있다.
또한, 상기 물품은 표면경도와 내마모성이 요구되는 용도라면 어느 것이나 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 금형용 또는 공구용일 수 있다.
<실시예 1>
이온질화처리를 하는 베이스 재료로는 퀀칭(quenching)과 템프링(tempering)처리된 12Cr-1.5C 공구강 로드(rod)를 사용하였으며, 이 재료의 경도를 측정한 결과, 670HV를 나타내었다.
표 1은 베이스 재료의 구체적인 조성을 나타낸 것이다.
성분 C Cr Mo V Mn Si P S Fe
중량% 1.52 12.8 0.99 0.38 0.53 0.4 0.04 0.02 Bal.
또한, 표 2는 베이스 재료의 기계적 물성을 나타낸 것이다.
인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 연신율(%) 샤피 V-노치 (J)
1736 1532 6 3
이러한 공구강 로드를 EDM(electric discharge machine)을 사용하여 직경 30mm, 길이 10mm의 로드로 가공한 후, 표면을 사포를 사용하여 연마하고, 1㎛ 다이아몬드 현탁액을 사용하여 폴리싱처리를 하며, 마지막으로 에탄올을 넣은 초음파 욕에 넣고 3분간 초음파 세척을 하였다.
초음파 세척 후에는 아르곤과 수소 혼합가스를 사용하여 기판과 질소 침버 사이에 압력 66.7Pa, 온도 450℃, 바이어스 전압 -700V의 조건으로 이온세정을 실시하였다.
세정처리가 완료된 베이스 로드에 대한 이온질화는 압력 0.4Pa, 온도 450℃에서 2단계로 수행되었다.
도 3에 도시된 바와 같이, 1단계 질화처리는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 2시간 동안 수행하였다. 이때, 질소와 수소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.
이어서, 2단계 질화처리로 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 6시간 동안 수행하였다. 이때, 아르곤과 질소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.
즉, 실시예 1의 전체 질화처리 시간은 총 8시간이었으며, 질화처리 후에는 노내에서 상온으로 냉각되었다.
<실시예 2>
세정처리가 완료된 베이스 로드에 대한 이온질화는 실시예 1과 동일하게 압력 0.4Pa, 온도 450℃에서 2단계로 수행되었다.
도 4에 도시된 바와 같이, 1단계 질화처리는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 2시간 동안 수행하였다. 이때, 질소와 수소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.
그리고, 2단계 질화처리는 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 1시간 동안 수행하였다. 이때, 아르곤과 질소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.
즉, 실시예 2의 전체 질화처리 시간은 총 3시간이었으며, 질화처리 후에는 노내에서 상온으로 냉각되었다.
<비교예>
세정처리가 완료된 베이스 로드에 대한 이온질화의 조건은 압력 0.4Pa, 온도 450℃에서 질화처리로 실시되었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 질화처리는 질소(N2)와 수소(H2)의 혼합가스를 사용하여 바이어스 전압 -670V의 조건으로 8시간 동안 수행하였다. 이때, 질소와 수소의 혼합비는 부피비로 1:1로 하였다.
질화처리 후에는 노내에서 상온으로 냉각되었다.
경도 분석
비커스 미소경도기(FM-7)을 사용하여 미소경도를 측정하였고, 구체적으로 미소경도 측정은 10g의 하중과 15초간의 유지시간의 조건으로 측정하였으며, 모든 경도시험은 20회 이상 반복하였고, 그 평균치를 적용하였다.
경도 분석 결과, 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 표면 최대경도가 1500HV0.05이고, 실시예 2의 표면 최대경도는 1200HV0.05이며, 비교예의 표면 최대경도는 1250HV0.05를 나타내었다.
즉, 본 발명의 실시예 1에 따라 이온질화처리된 시편이 종래의 전형적인 이온질화처리방법인 비교예에 비해 표면 최대 경도가 현저하게 향상되었음을 알 수 있다.
한편, 실시예 2의 경우, 비교예의 질화시간에 비해 5시간이나 짧게 질화처리가 되었음에도 불구하고, 비교예에 근접하는 표면 최대경도를 나타낸다. 다만, 실시예 1과 비교할 때, 경도가 상당한 차이가 있으므로, 2단계 질화처리는 적어도 2시간 이상, 바람직하게는 4시간 이상, 보다 바람직하게는 6시간 이상 수행할 필요가 있음을 알 수 있다.
또한, 경화깊이에 있어서도, 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1과 비교예는 약 60㎛까지 경화되었으나, 실시예 2의 경우 약 40㎛까지만 경화되었는데, 이러한 경화깊이의 차이도 실시예 2가 실시예 1이나 비교예에 비해 현저하게 질화시간이 짧은데 기인하는 것이다.
미세 조직
모든 질화시편은 광학현미경, 주사전자현미경 및 X-선 회절기, GD-OES, 및 투과전자현미경을 사용하여 분석하였다.
도 7은 베이스재((a),(e)), 비교예((b),(f)), 실시예 1((c),(g)), 및 실시예 2((d),(h))의 단면 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
베이스재에서는 조대하고 작은 입자의 조합으로 이루어진 템퍼드 마르텐사이트 조직이 관찰되며, 이러한 미세조직은 AISI D2 강을 퀀칭하고 템퍼링하였을 때 나타나는 조직이다.
이에 비해, 실시예 1((c),(g)) 및 비교예((b),(f))에 의 표면 영역에는 균질한 화합물층이 형성되어 있고, 질화처리 시간이 실시예 1 및 비교예에 비해 현저하게 짧았던 실시예 2((d),(h))에서는 불균질한 화합물층이 형성되었음을 알 수 있다.
도 8은 비교예(a), 실시예 1(b), 실시예 2(c)에 따라 표면처리된 시편의 표면조직을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 방법은 비교예에 따른 방법에 비해 표면의 요철이 더 심하게 형성된 표면거칠기가 상대적으로 큰 상태를 나타내며, 이러한 큰 표면거칠기는 아르곤과 질소의 혼합가스를 이용한 이온질화시 아르곤 이온의 표면 충돌에 기인하는 것으로 보인다. 한편, 실시예 2의 2단계 이온질화시간이 매우 짧았기 때문에, 표면상태가 실시예 1에 비해 매끈한 상태를 유지하고 있다.
도 9는 베이스재, 비교예, 실시예 1, 및 실시예 2의 미세조직을 XRD로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 베이스재의 경우 AISI D2 강의 주상(main phase)인 α-Fe와 크롬 탄화물에 관련된 몇 개의 피크가 검출된다.
질화처리를 한 후에는 추가적으로 철질화물 및 크롬질화물과 같은 질화물상에 관련된 피크가 표면 영역에서 검출되는데, 비교예와 실시예 1의 경우 질화시간은 동일함에도 불구하고, 실시예 1의 크롬질화물 및 철질화물(Fe3N)의 피크는 비교예에 비해 약 40% 정도 강한 강도(intensity)를 나타내는 차이가 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예 1의 표면에는 비교예에 비해 크롬질화물 및 철질화물이 더 많이 형성된다.
도 10 내지 도 13은 각각 베이스재, 비교예, 실시예 1, 및 실시예 2의 미세조직을 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 사진이다.
도 10에 나타난 바와 같이, 베이스재의 경우, Cr23C6와 같은 크롬리치탄화물과 같은 금속탄화물로 이루어진 석출물과 함께 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 이루어져 있음을 알 수 있다.
비교예의 화상은 표면으로부터 1㎛ 깊이 이내에서 촬영된 것인데, 도 11에 나타난 바와 같이, 비교예의 경우, 주로 Fe3N으로 이루어진 철질화물과, 크롬질화물로 이루어져 있음을 알 수 있다. 또한, 현저하게 미세화된 입자와 함께, 크롬질화물이 주로 크롬탄화물 주위에서 관찰된다.
실시예 1의 화상도 표면으로부터 1㎛ 깊이 이내에서 촬영된 것인데, 도 12에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 경우 비교예와 달리, 화합물층에서 미세화된 입자 조직을 나타내며, 미세화된 입자와 함께 FeN, Fe3N, Fe4N, 및 CrN과 같은 다양한 종류의 질화물이 표면 영역에 존재함이 관찰되었다.
실시예 2의 이미지는 표면으로부터 1㎛ 깊이 이내에서 촬영된 것인데, 도 13에 나타난 바와 같이, 실시예 2의 경우 흰 점선으로 표시된 부분의 상부에는 실시예 1과 유사한 미세조직이 관찰되고, 하부는 비교예와 유사한 미세조직이 관찰된다. 이로부터, 실시예 2의 경우, 충분하지 않은 2단계 질화시간으로 인해, 표면층에서 실시예 1과 같은 미세조직으로의 변화가 충분히 일어나지 않았음을 알 수 있다.
도 14는 이상과 같은 미세조직 분석결과를 통해, 본 발명의 실시예 1에 따른 질화처리된 단면 미세조직을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 질화처리될 경우, 입자 미세화가 일어나며, 표면의 최외곽에는 CrN이 리치(rich)한 조직이 형성되고, CrN 리치조직을 포함하는 표층부에는 질소농도가 매우 높은 영역이 형성되고, 이와 같은 조직은 일반적인 이온질화처리에 의해 구현되는 미세조직과 구분되는 조직이다.
성분 분석
도 15는 GD-OES를 사용하여 깊이 방향으로 정량적인 성분 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 15에 나타난 바와 같이, 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 모두 표면에서 최대의 질소농도를 나타내며, 내부로 갈수록 질소의 농도가 점진적으로 낮아진다.
실시예 1의 최외곽 표면에서 측정된 질소의 농도는 약 55원자%인데, 실시예 2의 경우 약 30원자%였고, 비교예의 경우 약 43원자%였다.
한편, 크롬 농도는 베이스 영역에 비해 모두 낮았으나, 실시예 1의 크롬 최대농도가 비교예나 실시예 2에 비해서 높은 수치를 나타내었다.
마모 시험
도 16은 본 발명에서 수행한 마모시험 장치 및 마모시험과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2, 비교예에 따라 표면처리된 시편의 마모시험은 볼-온-디스크(ball-on-disk)형 마찰계를 사용하여 수행하였다.
구체적으로, 시편은 시계방향으로 회전하는 스테이지에 놓여지고, 직경 5.5953mm, 경도 2100HV을 갖는 SiC 볼이 로드암을 통해 하중이 가해진다.
마모시험은 5N, 10N, 20N의 하중과, 100rpm, 200rpm, 500rpm의 회전속도로 상온에서 진행하였다.
도 17은 표면처리를 하지 않은 베이스재와, 비교예 및 실시예 1에 따라 질화처리를 수행한 시편의 회전속도((a)100rpm, (b)200rpm, (c)500rpm)에 따른 마모율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 17에 나타난 바와 같이, 시편의 마모율은 가해진 하중이 증가함에 따라 증가하며, 비교예 및 실시예 1에 따라 표면처리된 시편은 표면처리가 되지 않은 베이스재에 비해 낮은 마모율을 나타낸다.
그런데, 실시예 1에 따른 시편의 마모율은 하중이 5N에서 20N으로 증가함에 따라 점진적으로 증가하는 반면, 비교예에 따른 시편의 마모율은 20N에서 베이스재와 유사한 수준까지 도달하는데 상대적으로 빠른 증가속도를 보인다.
즉, 저하중 저회전속도에서는 비교예와 본 발명의 실시예 1 사이의 차이는 거의 없으나, 하중이 증가할수록, 회전속도가 증가할수록 본 발명의 실시예 1은 비교예에 비해 우수한 내마모성을 나타냄을 알 수 있다.
이러한 우수한 내마모성은, 질화처리 후 소재의 표면근처에 형성된 조직인, 재결정에 의해 미세화된 결정립과, 아르곤을 이용한 충돌 공정 시 보다 많은 철 원자가 소재 표면에서 스퍼터링되고 이러한 철 원자가 결합한 철 질화물이 소재 표면에 보다 많은 양이 흡수되어 형성되는 높은 질소농도층과, 흡수된 많은 양의 질소에 의해 표면에 존재하는 상대적으로 많은 양의 크롬질화물, 및 아르곤 충돌에 따라 형성되는 표면 요철 등이 종합적으로 기여한 것이라고 할 수 있다.

Claims (11)

  1. 물품의 표면을 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제1 표면처리와,
    상기 제1 표면처리 후에, 아르곤과 질소의 혼합가스를 사용하여 이온질화하는 제2 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물품은 Cr 4~32중량%을 포함하는 강(steel)인 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소와 질소의 혼합가스의 혼합비는 수소:질소의 부피비가 1:4~4:1인 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아르곤과 질소의 혼합가스의 혼합비는 아르곤:질소의 부피비가 1:5~5:1인 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 표면처리 후의 물품의 표면에서의 질소농도가 48원자% 이상인 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 표면처리는 2시간 이상 수행하고,
    상기 제2 표면처리는 4시간 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 물품은 금형용인 것을 특징으로 하는 물품의 표면처리방법.
  8. 표면처리된 물품으로,
    상기 물품은 크롬(Cr)을 4중량%~32중량% 포함하는 강(steel)으로 이루어지고,
    상기 물품의 표면의 질소농도가 48원자% 이상인 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 물품의 표면으로부터 소정 깊이까지 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층은 FeN, Fe3N, Fe4N, CrN상을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 물품의 표면으로부터 소정 깊이까지 화합물층이 형성되며, 상기 화합물층은 상기 강에 형성된 크롬탄화물 경계부 이외의 영역에 재결정 조직이 형성된 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 물품은 금형인 것을 특징으로 하는 표면처리된 물품.
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