KR950010239B1 - 도금처리대체용 강부품의 제조방법 - Google Patents

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Description

도금처리대체용 강부품의 제조방법

본 발명은 도금처리대체용 강부품의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 공해성 도금 혹은 표면처리를 대체하여 무공해, 저에너지로써 내식성, 내마모성 및 피로강도가 우수한 강부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이같은 도금처리대체용 강부품의 제조법은 현재까지 염욕법과 가스법이 개발되었는 바, 먼저 염욕법은 두개조의 연속적인 용융염욕조처리에 의해 강부품을 열처리함으로서 내식성을 갖는 강부품을 제조하는 기술로 알려져 있다. 이 경우 첫번째 용융염욕조는 질화처리욕조로서, 공해성의 청산카리화물, 청산카리염 매체를 녹인 욕조를 580℃로 가열한 상태에서 강부품을 넣고, 2시간 질화처리후 가성소다, 가성카리 및 질산소다를 녹인 400℃의 욕조에서 약 10분간 산화처리한 다음 부품을 물속에 냉각, 세척 공정을 거쳐 처리된 부품의 요망 표면조도를 얻기 위해 래핑 또는 연마한 것을 재차 400℃로 가열한 산화처리욕조(두번째 염욕조)에서 20분간 재산화시킨 후 수냉하여 완성된 내식강부품을 제조하는 방법이다. 그러나 이 염욕법은 독성화학물질의 사용으로 인한 환경공해 문제와 아울러 1차 염욕이 2차 염욕에 혼합됨으로서 생기는 산화처리의 블합리성 및 산화처리 후 수세 등에 의한 폐수처리의 문제가 야기되며, 또한 2차 산화처리를 위한 가열에 의해 특히 탄소강에서 부품의 피로강도가 감소하는 것이 가장 큰 결점이다.

또한 가스법은 550℃∼720℃의 암모니아-흡열형 가스 또는 암모니아-발열형 가스 분위기 중에서 4시간 이상 부품을 질화 혹은 침질탄화처리후, 2∼120초 동안 산화성 분위기 중에 노출시키는 표면산화열처리(1치산화처리)를 실시한 다음 물-기름 에멀죤 냉매에 냉각 후 탈지한 다음 내식성향상을 위해 왁스코팅 처리하는 방법과, 1차 산화처리후 냉각된 부품을 표면조도 0.2μmR_A이하로 연마한 후 재가열 산화처리(2차 산화처리)후 냉각하는 방법이다. 이같은 가스법은 가스질화처리완료후 인위적인 1차산화처리를 위해 노내에 잔류하는 원래의 가스를 질소가스로서 치환한 후 재차 노내에 산화성 가스를 별도로 투입하여 부품의 두께에 따른 1차 산화처리시간을 엄격하게 제어해야만 1μm 이하의 산화피막을 얻을 수 있기 때문에 처리공정상의 복잡성과 어려움이 뒤따르며, 특히 노내에 장입된 부품의 양과 표면적에 따라 부품전체에 걸쳐 균일한 산화층을 얻기가 어렵고, 연마 후 2차 산화처리를 350∼550℃에서 실시하기 때문에 재가열에 의한 에너지의 소비, 작업공정의 복잡성과 탄소강에서 질화처리중에 표면측에 형성된 질소고용층에서 2차 산화처리시의 재가열에 의한 질화물 즉, Fe₄N의 석출로 인해 부품의 피로강도가 현저히 감소하는 것이 큰 문제점으로 남아있으며, 특히 이 방법으로 제조된 부품은 5% 염수분무시험에서 100-200시간 정도에서 발청이 쉽게 일어나므로 내식성이 탁월하지못한 단점 또한 갖고 있다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 염욕법과 가스법이 지니고 있는 문제점을 최소화 내지 완전제거하기 위하여 동일 노내 가스분위기 중에서 가스산화-질화 또는 가스산화-침질탄화처리를 동시에 실시함으로써 저공해, 저에너지로써 내식성, 내마모성 및 피로강도가 우수한 강부품의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 질화성 가스에 산화성 가스를 첨가한 산화-질화 가스분위기에서 강부품을 열처리하여 표면에 산화물층, 산소가 합유된 ε-질화물층, 혹은 ε-탄질화물층을 형성하도록 한 도금처리 대체용 고내식성 강부품의 제조방법이 제공된다.

한편 산화-질화처리 분위기 중에서 산화와 질화가 동시에 일어나는 것은 질화성 가스에 산화성 가스를 첨가함으로서 노내 가스반응에 의해 생성된 수증기와 미반응된 산소 혹은 탄화수소가스와 공기의 노내 직접반응에 의해 형성된 이산화탄소 및 일산화탄소 등의 산화성 가스에 의해 표면산화물층과 산소가 함유된 ε-질화물층 혹은 ε-탄질화물층이 형성된다. 이때 ε-질화물 혹은 ε-탄질화물내에 산소의 침투깊이는 5~10μm정도이다.

최표면 산화물층과 산소가 함유된 ε-질화물층 혹은 ε-탄질화물층을 동시에 형성하기 위한 가스분위기 열처리는 420~720℃까지의 온도구간에서 최대 50시간 까지 암모니아와 10~50%의 공기 및 질소와 암모니아와 5∼50%의 (C₃H₈+air) 및 질소로 구성된 가스분위기에서 실시하며, 이때 사용된 열처리로는 상하부에 교반팬(fan)이 부착된 하부가스주입형 핏트형로, 올케이스로(sealed quench furnace), 유동상으로 또는 3개 이상의 챔버로 구성되고 각 챔버의 상하에 교반팬이 부착된 메쉬벨트타입 연속로 등이며, 여기서 산화-질화처리를 일으키는 가스는 강부품표면에 암모니아 가스가 원자질소를 공급하고 이산화탄소 및 일산화탄소가 탄소를 공급하며, 노내에서 공기 중의 산소 및 공기와 프로판 가스의 연소반응에 의해 형성된 수증기, 이산화탄소 및 일산화탄소가 산소를 공급한다. 부품의 최표면의 산화물층과 산소가 함유된 ε-질화물층의 두께는 각각 0.5∼5μm 및 15~30μm까지 형성시킬 수 있으며, 이것은 부품의 물리적 요구특성에 따라 처리시간, 온도 및 가스분위기 조성을 제어함에 따라 변화시킬 수 있다.

특히 산화-질화복합동시처리 후 표면연마를 한 상태에서 0.2μmR_A이하의 표면조도를 요구하는 부품에 대해서 표면산화물층의 두께는 0.5~5μm까지 형성시킬 수 있으며, 또한 산소가 함유된 ε-질화물층의 15∼30μm까지 형성하고, 이때 산소가 함유된 ε-질화물층 두께의 1/3∼1/2은 기공층으로 구성되어 있으며, 이 기공에 산화물이 형성되어 표면내식성이 향상된다. 대표적으로 이러한 산소가 함유된 ε-질화물층의 두께는 대략 20μm정도가 적당하며, 이 두께는 570℃에서 2시간 혹은 600℃에서 1시간 20분 열처리함으로서 형성시킬 수 있다. 그러나 이보다 더 얇거나 두꺼운 산소가 함유된 ε-질화물층은 처리시간 및 온도와 사용된 가스분위기 조성에 따라 변화시킬 수 있다. 표면 산화물층 두께는 산화-질화열처리가스조성에 따라 변화시킬 수 있으며 또한 열처리온도와 시간도 역시 변수가 된다. 예를 들면, 50%NH₃-20%(C₃H₈+4air)-30%N₂가스 분위기 중에서 570℃에서 2시간 산화-질화열처리시 표면 산화물층은 대략 4μm두께를 가지며, 이때 산소가 함유된 ε-질화물층은 22μm로서 나타나며, 산소가 함유된 ε-탄질화물층의 기공층의 두께는 대략 10μm정도로 형성된다.

1μm이하의 산화물층두께는 브레이크 마스타 백, 나사못과 같은 저탄소강 및 저탄소합금강의 내식성을 향상하는데 매우 적합하며, 특히 얇은 강판(3mm이하)으로 성형제조된 부품의 경우, 표면산화물층이 2μm 이상일 경우 박리가 일어나므로 이를 방지하기 위해 표면산화물층의 두께가 1.5μm이하가 되도록 가스분위기를 조절해야 한다.

상기한 바와 같은 처리에 의한 부품은 산화-질화열처리온도에서 수용성 유기흑착액(건설화학, BBF-100)에 냉각 후 120℃에서 건조함으로서 200시간 이상 동안의 염소분무시험(ASTM standard B117-64)에서 견딘다. 이같은 처리법에서 저탄소강에서는 냉각온도가 산화-질화열처리온도보다 낮게 될 경우, 냉각중에 저탄소강부품의 질소고용층에서 Fe₄N이 석출하게 됨으로서 강의 항복 및 인장강도를 현저히 낮게 하므로 냉각을 최소한 560℃이상에서 실시해야 한다. 그리고, 질화-산화열처리될 부품의 형상, 두께에 따라 냉각속도를 조절하기 위해 수용성유기흑착액의 농도를 조절함으로서 변형없는 부품을 얻을 수 있고, 이때 농도조절은 물의 혼합량의 가감에 의해 조절될 수 있다.

한편, 산화-질화열처리 후 수용성유기흑착액에 냉각을 요하지 않는 부품은 주로 열처리기름(하우톤 켄칭 G) 또는 수용성 냉각제(남영유화)에 직접 냉각한다.

특히 저탄소합금강, 중탄소강 및 중탄소합금강 등은 상하에 교반팬(fan)이 부착된 하부가스주입식 핏트형로에서 산화-질화열 처리를 실시한 후 냉각제에 냉각하는 시간이 최대 3분을 넘지 않게끔 냉각속도를 조절해야만 열처리된 부품의 피로강도를 보장할 수 있으며, 표면산화물층의 두께가 2μm이상 넘지 않게 해야 한다. 이렇게 하여 냉각된 표면은 미적으로 아름다운 검푸른색 혹은 흑색을 나타내며, 70시간까지의 염수분무시험에 견딘다.

부품이 어떤 표면조도를 요구하는 경우에 있어서 산화-질화처리 후 수용성 유기흑착액에 냉각하지 않고, 상기한 바와 같이 열처리기름이나 수용성 냉각제에 직접 냉각한다. 예를 들면, 자동차용 쇼크업소바용 로드, 각종 유·공압 피스톤 로드, 뎀퍼로드 등과 같이 경질크롬도금 혹은 고주파 열처리 후 경질크롬도금을 실시하는 부품의 경우는 가스산화-질화 분위기에서 열처리 후 열처리 기름이나 수용성 냉각제에 직접 냉각한 다음 부품에 요구되는 표면조도를 얻기 위해 표면연마를 실시한다. 이때 표면연마는 표면조도를 0.15μmR_A이하로 실시하는 것이 좋으며, 연마시 산화-질화처리된 부품의 최표면의 산화물층이 제거된다. 이와 같이 연마된 상기 부품은 높은 피로강도를 가지며, 이후의 부가적인 산화처리를 않고서도 염수분무시험에서 300시간 발청없이 견딘다.

이 방법에 의해 제조된 자동차용 쇼크업소바용 로드, 각종 유·공압 피스톤 로드 및 뎀퍼로드 등은 마치 크롬도금처리를 한 것과 같은 표면경면광택을 내며, 고주파열처리와 크롬도금을 병행실시하는 부품의 기계적 성질을 능가하는 것으로 평가된다. 특히, 경질크롬도금처리의 경우 도금층을 30μm로 처리했을 때 염수분무시험에서 72-96시간에서 발청을 한다는 사실과 비교할 때 3배 이상의 내식성이 보장되며, 부품표면층의 질소고용층을 재가열없이 유지하기 때문에 동일부품에 대해 종래의 염욕법과 가스법에 의해 제조된 것과 비교할 때 부가적인 재가열 조작이나 열적 산화조작을 필요로 하지 않으며, 처리공정이 대폭 간단하고, 높은 내식성 및 피로강도를 확보할 수 있는 방법이다.

한편, 더 높은 내식성과 낮은 표면마찰계수를 요구하는 부품 즉 표면윤활성이 우수한 부품을 제조할 경우에는 수용성 알칼리 마그네타이트피막처리를 실시한다. 본 처리법은 산화-질화처리 후 냉각된 부품을 표면 연마 실시후 120∼140℃로 가열된 수용성알칼리 용액에 산화-질화처리후 냉각, 연마공정을 거친 부품을 미리 100∼120℃의 온도에서 예열하여 3∼5분간 침적한 다음 50℃로 가열된 물에 세척 후 건조하여 완제품으로 한다. 이때 사용된 수용성 알칼리 피막처리제는 해수 1ι에 12몰 가성소다와 100g의 질산소오다를 녹인 용액이며, 피복층의 두께는 0.5∼1μm로서 주로 Fe₃O₄로 구성되어 있다.

본 발명은 가스를 사용하기 때문에 염욕법과 관계된 공해문제를 일소하고, 또한 현존하는 가스법에 비해 질화처리후 부가적으로 실시하는 인위적인 산화열처리를 필요로 하지 않으며, 재가열에 의한 에너지 절감, 작업공정의 단순화 및 높은 피로강도를 갖는 부품의 제조에 있어서 잇점을 갖는다.

본 발명에서 산화-질화열 처리는 엄격히 말해서 동일 노내에서 산화와 질화가 동시에 일어남을 의미하며, 이때 질화는 침질탄화처리와 광의의 의미에서 동일하다. 따라서 질화는 강 중에 질소를, 침질탄화는 강 중에 질소와 탄소를 동시에 확산침투시키는 열화학적 처리법으로서 본 발명에서 질화는 침질탄화를 포함하는 광의의 뜻으로 사용하고 있다. 따라서 본 발명에서는 산화-질화처리는 암모니아가스에 10% 이상의 공기와 질소를 첨가한 것으로 질화처리가 되고, 산화-침질탄화처리는 단지 사용가스의 조성 중 공기와 프로판의 혼합기체 및 질소가스를 첨가할 경우 침질탄화처리가 된다.

본 발명에 의해 강부품의 내식성의 향상은 산화질화 동시처리에 의해 강부품의 표면에 부착된 표면산화물층과 산소가 함유된 ε-질화물층 중의 기공속의 산화물 형성 및 표면 ε-질화물 자체가 높은 내식성을 갖는다. 이들 산화물층은 주로 Fe₃O₄, Fe₂O₃으로 구성되며, 표면 ε-질화물층은 주로 산소가 함유된 Fe₃(CN)으로 구성된다.

[실시예 1]

쇼크업쇼바용 로드는 길이 34cm, 직경 18mmØ, 초기 표면조도 0.2∼0.4μmR_A로 가공·연마를 실시한 S45C와 45C에 해당하는 비조질강을 580℃에서 2시간 동안 50%NH₃-30%(C₃H₈+4air)-20%N₂가스분위기에서 산화-질화처리후 수용성 냉각제에 냉각하였다. 이때 표면에 형성된 산화물은 양자의 소재에 대해 동일하게 대략 2.2μm, ε-탄질화물층의 두께는 25μm, 기공층의 두께는 약 12μm로 나타났다. 이 로드들을 0.11μmR_A로 연마한 상태에서 염수분무시험 결과 양자 공히 300시간 이상 발청없이 살아남았으며, 또한 더 높은 내식성과 표면윤활성 및 미적 효과를 부여하기 위해 0.11μmR_A로 최종연마상태의 로드를 100℃로 예열 후 125℃로 가열교반되는 해수 1ι에 12몰 가성소다와 100g의 질산소오다를 녹인 용액에 5분간 침지후 흐르는 물에 세척 후 건조한 다음 염수분무시험한 결과 양자의 재질 모두 400시간 이상 발청없이 견디며, 이같이 처리된 로드(S45C)를 유압식 및 가스식 쇼크업소버로 조립후 왕복압축시험결과 600만 싸이클에서도 아무런 문제점이 발견되지 않았으며, 이는 현재 제조되고 있는 동종의 경질크롬도금처리에 비해 3배 이상의 내구성이 있었다.

[실시예 2]

질화강(SCAM 1종)으로 표면조도 0.3μmR_A로 가공된 프라스틱 사출성형기의 스크류를 500℃에서 60시간 동안 부피%로 3%NH₃-60%N₂-10% 공기 분위기에서 산화-질화처리후 500℃까지 냉각하여 수용성 냉매에 냉각한 다음 표면조도 0.2μmR_A로 연마를 실시후 이 스크류를 염수분무시험한 결과, 200시간 이상에서도 발청이 생기지 않았으며, 또한 질화후 경질크롬도금처리한 것에 비해 내마모성이 3배이상 향상되었으며, 결과적으로 사용수명이 3배 이상 증가하였다.

[실시예 3]

켄칭·템퍼링한 질화강(SACM 1종)으로 기계가공한 방직용 및 기계용 스핀들 부품을 0.4μmR_A정도로 연마한 후 하부가스주입형 핏트로에서 580℃에서 30시간 동안 50%NH₃-30%(C₃H₈+4air)-20%N₂가스 분위기로 침질탄화처리후 수용성 냉각제에 냉각한 다음 0.2μmR_A의 조도를 갖도록 연마한 상태에서 염수분무 시험한 결과 200시간 이상 발청이 발생하지 않았으며, 실제 피로강도로 3배이상 향상되었다.

Claims (15)

1. 질화성 가스인 암모니아가스에 공기 혹은 공기와 프로판가스를 직접 노내에 투입하여 강부품을 산화-질화동시처리하여 표면에 산화물층, 산소가 함유된 ε-질화물층 혹은 산소가 함유된 ε-침질탄화물층을 형성하도록 하여 그것을 표면마무리처리하도록 하는 도금처리대체용 강부품의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 표면 산화물층의 주성분은 Fe₃O₄및 소량의 Fe₂O₃임을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면 산화물층의 두께를 0.2∼5μm로 형성시키는 방법.
4. 제1항에 있어서, 산소가 함유된 ε-질화물 또는 ε-탄질화물층의 두께를 10∼30μm로 형성시키는 방법.
5. 제4항에 있어서, 산소가 함유된 ε-질화물 또는 ε-탄질화물층이 3∼15μm의 기공층을 포함하도록 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 기공층내에 산화-질화반응에 의해 산화물이 형성되도록 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 질화 또는 침질탄화-산화열처리후 강부품을 노내 혹은 공기중에 냉각하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 질화 또는 침질탄화-산화열처리후 강부품을 수용성유기 흑착액에 냉각하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 질화 또는 침질탄화-산화열처리후 강부품을 직접 열처리유 혹은 수용성냉각오일에 냉각하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 냉각후에 0.4μmR_A이하의 표면조도를 얻기 위해 연마하는 공정을 더 포함하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 연마한 후 부가적인 산화처리 혹은 유기물 피복처리를 실시하지 않고 백색광택을 갖는 내식강을 제조하는 방법.
12. 제10항에 있어서, 표면조도를 0.2μmR_A이하로 연마한 후 수용성 알칼리 용액에서 마그네타이트 피막 처리하는 방법.
13. 제10항에 있어서, 표면조도를 0.2μmR_A이하로 연마한 후 350∼600℃로 유지된 산화성가스분위기에서 산화피막처리하는 방법.
14. 제1항에 있어서, 질화 또는 침질탄화-산화처리를 상하에 교반팬이 부착된 하부가스주입식 핏트형로, 유동상로 또는 올케이스로(sealde quench furnace)에서 실시하는 방법.
15. 제1항에 있어서, 질화 또는 침질탄화-산화처리를 3개 이상의 챔버로 구성하는 연속로에서 실시하는 방법.