KR20190066416A - 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법 - Google Patents

금속 부품의 침탄질화 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법은 금속 부품의 표면에 유분 및 이물질을 제거하는 탈지 단계; 유분 및 이물질이 제거된 상기 금속 부품을 예열 후 공냉시키면서 산화층을 형성하는 산화 단계; 상기 산화층이 형성된 상기 금속 부품에 탄소를 침탄 및 확산시켜 침탄층을 형성하는 침탄 단계; 상기 침탄층이 형성된 상기 금속 부품을 질화처리하는 질화 단계; 및 상기 금속 부품을 냉각시키는 마무리 단계;를 포함한다.

Description

금속 부품의 침탄질화 열처리 방법{METHOD OF CARBONITRIDING PROCESS FOR METAL PRODUCTS}
본 발명은 금속 부품의 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 조건을 변경하여 종래에 비하여 모재와 밀착력 및 치밀성이 우수한 Fe3O4 산화층을 두껍게 형성하여 내마모성 및 접촉 피로 특성을 향상시킬 수 있는 금속 부품의 열처리 방법을 제공한다.
일반적으로 우수한 기계적 물성 및 내식성 등이 요구되는 부품은 침탄질화 열처리(Carbonitriding)를 실시한 후 아연 또는 크롬을 도금하여 사용된다.
침탄 열처리 공정은 약 530℃의 온도에서 탈지를 실시한 후 약 920℃의 오스테나이트 영역에서 강의 표면에 탄소를 침탄, 확산시킨 후 급냉하여 심부는 인성을 갖고, 표면부는 탄소가 고용된 마르텐사이트 조직을 얻는 표면 열처리 방법으로 탄소의 매체에 따라 액체법, 가스법, 진공법, 이온법 등이 있다.
도 1은 종래 일반적인 침탄질화 열처리를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 침탄질화 열처리는 침탄 열처리시 표면에 이상산화층 형성에 따른 내마모성 또는 피로강도의 저하를 보완하기 위해 침탄 열처리 단계 이후에 단시간 동안 암모니아(NH3) 가스 등 질화성 매체를 첨가하여 최표면에 질화층을 형성시킨 것으로, 탄소가 주 경화원소이고 질소는 부가적인 경화 원소로 최표면을 경화시키는 효과가 있다.
이러한 침탄질화 열차리를 실시하면 표면에 질소와 탄소에 의한 고용강화 효과 및 마르텐사이트 변태에 의해 높은 내마모성, 인장강도, 내피로강도 및 내식성 등이 우수한 부품을 제조할 수 있다.
최근 파워트레인의 출력이 증가함에 따라 각각의 부품에 발생되는 부하가 증가되고 있어 보다 높은 내마모성, 내피로강도 및 내식성 등 기계적 물성이 요구되고 있다.
그러나 종래 침탄질화 열처리를 실시한 부품은 표면에 산화층의 두께는 1 ~ 2㎛밖에 되지 않아 상기 기계적 특성을 확보하는 고강도 부품을 얻는데 한계가 있다.
이에 열처리 시간을 증가시킴으로써 탄소 및 질소의 확산 깊이를 증가시키는 기술이 개발되었으나, 장시간 열처리에 따라 제조비용이 증가되며, 생산성이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것을 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여서는 안될 것이다.
KR 10-0095910 B1 (1996. 02. 21.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 침탄과 잔류오스테나이트량이 감소되는 것을 방지하면서 종래에 비하여 모재와 밀착력 및 치밀성이 우수한 Fe3O4 산화층을 형성시킬 수 있는 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법을 제공한다.
또한, 동일시간에 종래에 비하여 두꺼운 산화층을 형성하여 내마모성 및 접촉 피로 특성을 향상시킬 수 있는 금속 부품의 열처리 방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 부품의 열처리 방법은 금속 부품의 표면에 유분 및 이물질을 제거하는 탈지 단계; 유분 및 이물질이 제거된 상기 금속 부품을 예열 후 공냉시키면서 산화층을 형성하는 산화 단계; 상기 산화층이 형성된 상기 금속 부품에 탄소를 침탄 및 확산시켜 침탄층을 형성하는 침탄 단계; 상기 침탄층이 형성된 상기 금속 부품을 질화처리하는 질화 단계; 및 상기 금속 부품을 냉각시키는 마무리 단계;를 포함한다.
상기 탈지 단계는, 상기 산화층으로 Fe3O4 산화층이 형성될 수 있도록, 550 ~ 600℃의 온도에서 20분 동안 금속 표면의 이물질 및 유분을 제거하는 것이 바람직하다.
상기 산화 단계는, 상기 금속 부품을 890℃의 온도로 20분간 가열하는 예열과정; 및 예열된 상기 금속 부품을 500 ~ 700℃의 온도에서 10분간 공냉시켜 10㎛ 이상의 두께를 갖는 상기 산화층을 형성하는 공냉과정;을 포함할 수 있다.
상기 침탄 단계는, 1.2% 탄소(C) 분위기에서 침탄시켜 침탄층을 형성하는 침탄과정; 및 1.0% 탄소(C) 분위기에서 상기 침탄층의 탄소를 확산시키는 확산과정;을 포함할 수 있다.
상기 질화 단계는, 상기 침탄층이 형성된 상기 금속 부품에 10NL/min의 속도로 14분간 암모니아(NH3) 가스를 투입하고 850℃, 0.8% 탄소(C) 분위기에서 25분간 질화처리하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 마무리 단계는, 210℃ 온도의 염욕에 상기 금속 부품을 투입하여 6분간 냉각시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 10㎛ 이상의 두께를 갖는 산화층을 형성하여 금속 부품의 내마모성 및 접촉 피로 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 밀착력이 우수하고 치밀성이 높은 Fe3O4 재질의 산화층을 형성하여 종래 (Fe0 . 6Cr0 . 4)2O3 재질의 산화층에 비하여 내마모성 및 접촉 피로 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 일반적인 침탄질화 열처리를 개략적으로 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법을 설명하기 위한 도면이며,
도 3은 다양한 비교예와 실시예의 산화막 두께를 보여주는 사진이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 다른 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법은 금속 부품의 표면에 부착된 유분 및 이물질을 제거하는 탈지 단계와 금속 부품을 산화시켜 표면에 산화층을 형성시키는 산화 단계와 산화층이 형성된 금속 부품을 탄소 분위기에서 열처리하여 침탄층을 형성하는 침탄 단계와 침탄층이 형성된 금속부품을 질화처리하는 질화 단계 및 금속 부품을 냉각시키는 마무리 단계를 포함한다.
종래 금속 부품의 유분 및 이물질 제거는 약 530℃에서 20분간 실시하였으나, 본 발명의 일실시예에 따른 탈지 단계는 550 ~ 600℃의 온도에서 20분간 실시하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 550℃ 미만의 온도로 탈지하는 경우 이후 산화막으로 Fe3O4 산화층에 비하여 모재와 밀착력 및 치밀성이 낮은 (Fe0 . 6Cr0 . 4)2O3 산화층이 형성되는 문제점이 있으며, 600℃를 초과하는 경우 산화층 형성시 산화 스케일이 과도하게 발생되어 침탄질화 열처리 품질이 저하되는 문제점을 가지고 있기 때문에 상기 범위로 제한한다.
상기와 같이, 탈지 단계가 완료되면, 산화 단계에서 금속 부품의 표면에 산화층을 형성시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화 단계는 금속 부품을 가열하는 예열과정과 예열된 금속 부품을 냉각시켜 산화층을 형성하는 공냉과정을 포함하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 예열과정은 890℃ 온도에서 20분간 예열시킨 다음, 공냉과정에서 금속부품을 500 ~ 700℃의 온도로 10분간 공냉시켜 두께가 10㎛ 이상인 Fe3O4 산화층을 형성한다.
이에, 종래 890℃에서 30분간 가열하여 산화층을 형성하는 경우 1~2㎛의 두께의 (Fe0 . 6Cr0 . 4)2O3 산화층이 형성되는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 산화층은 10㎛ 이상의 두께를 갖는 Fe3O4 산화층이 형성되어 종래에 비하여 내마모성 및 접촉 피로 특성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기와 같이, 금속 부품의 표면에 산화층이 형성되면 침탄 단계에서 탄소(C) 분위기에서 금속 부품에 탄소를 침탄 및 확산시켜 침탄층을 형성한다.
보다 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 침탄 단계는 1.2% 탄소 분위기에서 침탄시켜 침탄층을 형성하는 침탄과정과 침탄과정에 비하여 낮은 탄소 분위기인 1.0% 탄소 분위기에서 침탄층의 탄소를 확산시키는 확산과정으로 이루어진다.
종래 침탄공정은 920℃, 0.9%의 탄소 분위기에서 108분간 침탄층을 형성시킨 후, 920℃, 0.85% 탄소 분위기에서 90분간 확산시켰으나, 본원발명에서는 종래에 비하여 온도는 동일하게 유지하되 탄소 농도를 높여 침탄과정 및 확산과정을 실시하는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 본 발명의 실시예에 따르면 10㎛ 이상의 두께를 갖는 산화층이 형성됨으로 인하여 두꺼운 산화층으로 인하여, 종래에 비하여 높은 탄소 분위기에서 침탄 단계를 실시하여 침탄량 및 잔류 오스테나이트의 양이 저하되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
상기와 같이, 침탄 단계가 완료되면 질화 단계에서 침탄층이 형성된 금속 부품을 질화처리한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화 단계는 침탄층이 형성된 상기 금속 부품에 10NL/min의 속도로 14분간 암모니아(NH3) 가스를 투입하고 850℃, 0.8% 탄소(C) 분위기에서 25분간 질화처리하는 것이 바람직하다.
종래 질화 공정은 10분간 3 ~ 6NL/min의 속도로 암모니아(NH3) 가스를 주입한 후 10분간 열처리를 실시하는 데 비하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질화 단계는 종래 질화 공정에 비하여 암모니아 투입량 및 질화시간을 증가시키는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 상기 침탄 단계와 같이 산화층의 두께가 두꺼워짐에 따라 질화 단계가 상기 범위를 벗어나는 경우 질화 처리 효과가 미미하기 때문이다.
상기와 같이 질화 단계가 완료되면, 마무리 단계에서 210℃ 온도의 염욕에 금속 부품을 투입하여 6분간 냉각시키고 작업을 종료한다.
본 발명에서 마무리 단계에서 염욕 급랭을 실시하는 이유는 모재와 산화층의 밀착력을 향상시킬 수 있기 때문이다.
구분 탈지온도
(℃)		 산화 단계 산화층 산화층
두께(㎛)		 접촉 피로 수명(회)
(1500rpm, 3.48GPa)
예열조건
(℃, min)		 공냉조건
(℃, min)
비교예 1 530 890, 30 - (Fe0 . 6Cr0 . 4)2O3 1.5 780만
비교예 2 580 890, 20 900, 10 Fe3O4 3 800만
비교예 3 580 890, 20 750, 10 Fe3O4 5 830만
비교예 4 530 890, 20 600, 10 (Fe0 . 6Cr0 . 4)2O3 3 785만
실시예 580 890, 20 600, 10 Fe3O4 10 1600만
표 1은 탈지 조건과 산화 조건을 달리하여 제조된 다양한 비교예들과 실시예에 따라 제조된 금속 부품의 산화층 및 접촉 피로 수명을 측정하여 나타낸 표이다.
본 발명에서 접촉 피로 수명은 차량의 엔진과 유사한 고온 윤활 환경에서 시편을 부착한 시편롤러를 시편롤러에 비하여 직경이 큰 시험롤러에 접촉시킨 상태에서 시편롤러와 시험롤러를 다른 속도로 회전시켜 면서 시편의 박리가 발생될 때까지의 시편롤러의 회전 횟수를 측정하였다.
보다 구체적으로, 시편롤러와 시험롤러는 3.48GPa의 압력으로 접촉되며, 시편롤러는 1500rpm의 속도로 회전하면서 접촉 피로 수명을 측정하였다.
도 3은 다양한 비교예 1(a), 비교예 2(b), 비교예 3(c) 및 실시예(d)의 산화막 두께를 보여주는 사진이다.
표 1 및 도 3에서 알 수 있듯, 탈지온도가 550℃ 미만인 경우 Fe3O4 산화층에 비하여 내마모성 및 접촉 피로 특성이 낮은 (Fe0 . 6Cr0 . 4)2O3 산화층이 형성됨을 ㅇ알 수 있다.
또한, 산화단계에서 공냉을 실시하지 않는 경우 산화층 두께가 1.5㎛로 너무 얇고, 예열 후 공냉과정에서 700℃를 초과하는 온도로 공냉시키는 경우 산화층이 3 ~ 5㎛로 비교적 얇게 형성되어 내마모성 및 접촉 피로 특성 향상정도가 미미하여 상기 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
특히 본 발명의 실시예에 따르면 산화층으로 (Fe0 . 6Cr0 . 4)2O3 산화층에 비하여 내마모성 및 접촉 피로 특성이 우수한 Fe3O4 산화층이 형성되며, 그 두께도 10㎛ 이상 형성되어 비교예들에 비하야 약 2배 이상 접촉 피로 수명이 향상되는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 금속 부품의 표면에 유분 및 이물질을 제거하는 탈지 단계;
    유분 및 이물질이 제거된 상기 금속 부품을 예열 후 공냉시키면서 산화층을 형성하는 산화 단계;
    상기 산화층이 형성된 상기 금속 부품에 탄소를 침탄 및 확산시켜 침탄층을 형성하는 침탄 단계;
    상기 침탄층이 형성된 상기 금속 부품을 질화처리하는 질화 단계; 및
    상기 금속 부품을 냉각시키는 마무리 단계;를 포함하는, 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈지 단계는,
    상기 산화층으로 Fe3O4 산화층이 형성될 수 있도록, 550 ~ 600℃의 온도에서 금속 표면의 이물질 및 유분을 제거하는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화 단계는,
    상기 금속 부품을 가열하는 예열과정; 및
    예열된 상기 금속 부품을 500 ~ 700℃의 온도에서 공냉시켜 10㎛ 이상의 두께를 갖는 상기 산화층을 형성하는 공냉과정;을 포함하는, 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 침탄 단계는,
    탄소(C) 분위기에서 침탄시켜 침탄층을 형성하는 침탄과정; 및
    상기 침탄과정에 비하여 낮은 탄소 분위기에서 상기 침탄층의 탄소를 확산시키는 확산과정;을 포함하는, 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 질화 단계는,
    상기 침탄층이 형성된 상기 금속 부품에 암모니아(NH3) 가스를 투입하고 탄소(C) 분위기에서 질화처리하는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 마무리 단계는,
    염욕에 상기 금속 부품을 투입하여 냉각시키는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 침탄질화 열처리 방법.
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