WO2018093146A1 - 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품 - Google Patents

철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품 Download PDF

Info

Publication number
WO2018093146A1
WO2018093146A1 PCT/KR2017/012944 KR2017012944W WO2018093146A1 WO 2018093146 A1 WO2018093146 A1 WO 2018093146A1 KR 2017012944 W KR2017012944 W KR 2017012944W WO 2018093146 A1 WO2018093146 A1 WO 2018093146A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
chromium
iron
based alloy
coating layer
layer
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/012944
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김상권
이재훈
여국현
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Original Assignee
Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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 Korea Institute of Industrial Technology KITECH filed Critical Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Priority to CN201780071249.3A priority Critical patent/CN109983147B/zh
Publication of WO2018093146A1 publication Critical patent/WO2018093146A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/28—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C10/34—Embedding in a powder mixture, i.e. pack cementation
    • C23C10/36—Embedding in a powder mixture, i.e. pack cementation only one element being diffused
    • C23C10/38—Chromising
    • C23C10/40—Chromising 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
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/60—After-treatment
    • 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
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • 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
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • 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
    • C23C8/36—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 using ionised gases, e.g. ionitriding

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating an iron-based alloy and a product having high hardness and low friction characteristics, and more particularly, after forming a chromium-based coating layer by pack cementation on the surface of the iron-based alloy, the chromium-based coating layer is
  • the present invention relates to a coating method of an iron-based alloy for coating an iron-based alloy layer by screen plasma immersion carbonization on a formed iron-based alloy, and a product having high hardness and low friction characteristics.
  • pack cementation is a kind of chemical vapor deposition (CVD) technique, in which an iron-based alloy and a pack mixture powder are charged into a pack, and then the pack is heated to coat the iron-based alloy.
  • the pack mixture powder is a powder containing a reactive metal such as chromium (Cr), aluminum (Al), silicon (Si), etc., an active agent such as ammonium chloride (NH 4 Cl), and an inert such as alumina (Al 2 O 3 ). to be.
  • a reactive metal such as chromium (Cr), aluminum (Al), silicon (Si), etc.
  • an active agent such as ammonium chloride (NH 4 Cl)
  • an inert such as alumina (Al 2 O 3 ).
  • Pack cementation is a coating method that has been used for a long time and has many advantages.
  • Pack cementation is a coating method for forming a coating layer that is simple, economical and has good adhesion.
  • the iron-based alloy coated by the pack cementation has mechanical properties such as improved hardness, corrosion resistance, wear resistance, oxidation resistance and the like.
  • a uniform coating layer may be formed on the entire surface of the iron-based alloy having a three-dimensional shape by pack cementation.
  • Pack cementation may be classified into chromizing, aluminizing, siliconizing, etc. according to the kind of reactive metal.
  • Patent No. 10-1384374 name of the invention: a method for coating a metal sintered part by pack cementation and a pack cementation coated metal sintered part, Patent Document 1 is disclosed.
  • US Patent Publication No. 2011-0293365 name: Cement plant refractory anchor, Patent Document 2
  • US Patent No. 5275983 Pack name of the invention: Pack mixture composition for SiC pack cementation coating of carbonaceous substrates, Patent Document 3 is disclosed.
  • parts such as bearings and bushings are used in a device that rotates at high speed, and require low friction characteristics as well as high hardness surfaces.
  • iron-based alloys have a high hardness surface but have a high friction coefficient to be used as materials for bearings and bushings.
  • a screen plasma method is used to penetrate nitrogen atoms and carbon atoms to improve hardness and reduce friction coefficients by forming new carbide and nitride complexes on the surface of iron-based alloys.
  • Screen plasma immersion carbonization is a method of generating plasma directly on the surface of an iron-based alloy to penetrate nitrogen and carbon. Unlike the conventional plasma method, plasma is generated through a screen separated from the iron-based alloy to infiltrate nitrogen to form an immersion carbonization layer. It is a method of manufacturing.
  • the screen plasma apparatus includes a vacuum chamber 10, a screen 20, a heater 30, a vacuum pump 40, a cathode power supply 50, and a heater power supply 60.
  • a general screen plasma precipitated carbonization is described.
  • the vacuum chamber 40 is operated to create a vacuum pressure atmosphere of about 1 ⁇ 10 -3 Torr in the vacuum chamber 10, and then the cathode power supply unit 50 connected to the screen 20 is operated to operate the screen.
  • the heater 20 is heated and the heater 30 is connected to the heater 30 so that the heater 30 is heated to raise the temperature in the vacuum chamber 10 to the process temperature.
  • the inner wall of the vacuum chamber 10 shows a positive (+) relative charge
  • the screen 20 shows a negative (-) relative charge, so that an electric field is generated between the inner wall of the vacuum chamber 10 and the screen 20.
  • nitrogen, hydrocarbon and hydrogen gas are injected into the vacuum chamber 10.
  • the hydrogen gas is formed in a high temperature and a vacuum atmosphere inside the vacuum chamber 10, and as soon as it is injected into the vacuum chamber 10 receives the energy of the temperature and pressure is plasmaized, hydrogen plasma and hydrocarbon plasma is screened (20) Dense around.
  • Nitrogen gas has a relatively high ionization energy than hydrogen gas, and thus, plasma is not smoothed. However, the plasma plasma hydrogenated already collides with the nitrogen gas and serves to smoothly generate the nitrogen plasma.
  • Screen plasma immersion carbonization using the screen plasma apparatus as described above has a problem of heating the vacuum chamber by using a heater, which is an additional device, to increase the temperature of the vacuum chamber to the process temperature.
  • a heater which is an additional device
  • the iron-based oxide film is naturally formed on the surface, which causes the iron-based oxide film to inhibit the nitriding carbonization process, and there is a problem that the iron-based oxide film is removed by lowering the magnetic conductivity of the iron-based alloy.
  • the conventional screen plasma apparatus applies a high-current power source and applies a cathodic, so that a high-density input process of the penetrating element is not possible due to the reaction of nitrogen and hydrocarbon gas in the glow, thereby accelerating the particle accelerator.
  • a high voltage is applied to the device to form an immersion layer on the iron-based alloy.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent No. 10-1384374
  • Patent Document 2 United States Patent Publication No. 2011-0293365
  • Patent Document 3 US Patent No. 5275983
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to control a strong oxide film, such as Cr 2 O 3 is naturally formed in a stainless steel material that can be removed only by processing outside the conventional pickling operation, while a very small amount without a separate external heater in the heating process It is to provide an iron-based alloy coating method using a heating process using a glow (glow) formed on the screen by the amount of gas input and power. Specifically, it aims to provide a new alloy coating on the outermost surface of the coating layer using nitrogen and carbon in atomic units, and to provide a product having high hardness and low friction characteristics manufactured by the above method.
  • an embodiment of the present invention is to form a chromium-based coating layer on the surface of the iron-based alloy using the pack cementation, and to form an impregnated carbonization layer using a screen plasma on the chromium-based coating layer It provides an iron-based alloy coating method comprising the step of.
  • the iron-based alloy may be an iron-based alloy coating method characterized in that it comprises a bearing steel or stainless steel.
  • the chromium-based coating layer is characterized in that it contains chromium (Cr), chromium (Cr) and iron (Fe) or chromium (Cr), iron (Fe) and vanadium (V) Alloy coating method.
  • the step of forming a chromium-based coating layer on the surface of the iron-based alloy using the pack cementation the step of injecting the iron-based alloy and the pack mixture in a pack (pack), charging the pack into a vacuum chamber
  • a chromium-based coating layer forming step of forming a chromium-based coating layer on the iron-based alloy while heating is maintained in the charging step a heating step of heating the pack charged in the vacuum chamber, and the heating step, wherein the pack mixture is formed of chromium.
  • It may be an iron-based alloy coating method comprising a powder, an active agent and an inert agent.
  • the chromium-based powder of the pack mixture is chromium (Cr) powder, chromium (Cr) powder and iron (Fe) powder or chromium (Cr) powder, iron (Fe) powder and vanadium (V) It may be an iron-based alloy coating method characterized in that it comprises a powder.
  • the pack mixture is characterized in that it comprises 10.5 wt% to 52.9 wt% of the chromium-based powder, 0.1 wt% to 3 wt% of the active agent and 47 wt% to 89.4 wt% of the inert agent. It may be an iron-based alloy coating method.
  • the step of forming the nitriding carbide layer using the screen plasma on the chromium-based coating layer, charging the iron-based alloy coated with the chromium-based coating layer in a vacuum chamber and covers the iron-based alloy with a double screen The ion cleaning step of reducing the chromium-based oxide film present on the iron-based alloy by injecting a first hydrogen gas into the vacuum chamber, a process current is applied to the dual screen and the second hydrogen gas, nitrogen in the vacuum chamber Generating a mixed plasma by injecting a gas and a hydrocarbon gas; and coating the mixed plasma on a chromium-based coating layer formed on the surface of the iron-based alloy to form an impregnated carbonized layer.
  • the ion cleaning step includes applying a first current to the dual screen to heat the vacuum chamber, injecting first hydrogen into the vacuum chamber, and applying the second screen to the dual screen. Generating a hydrogen plasma around the dual screen by applying a current; and reducing and removing the chromium-based oxide film present on the iron-based alloy.
  • the first current may be 3 A to 5 A and the second current may be iron-based alloy coating method, characterized in that 5 A to 15 A.
  • the chromium-based oxide film is characterized in that it contains chromium (Cr), chromium (Cr) and iron (Fe) or chromium (Cr), iron (Fe) and vanadium (V) Alloy coating method.
  • the process current may be an iron-based alloy coating method, characterized in that 20 to 30 A.
  • the content ratio of the nitrogen gas to hydrogen gas may be an iron-based alloy coating method, characterized in that 1: 3 to 4: 1.
  • the hydrocarbon gas may be an iron-based alloy coating method, characterized in that the CH 4 or C 2 H 2 and 1 sccm to 10 sccm gas amount is pulse-injected by repeating the injection section and the stop section. have.
  • another embodiment of the present invention provides a product having a high hardness and low friction characteristics produced by the iron-based alloy coating method.
  • the hardness of the product may be a product having high hardness and low friction characteristics, characterized in that 1450 HV to 2400 HV.
  • the friction coefficient of the product may be a product having a high hardness and low friction characteristics, characterized in that 0.3 to 0.4.
  • glow discharge can be formed around the screen at a high density, so that the inside of the vacuum chamber can be sufficiently raised to the process temperature without a heater.
  • the precipitated carbonization process may not be inhibited by removing the chromium-based oxide film present on the iron-based alloy using the ion cleaning process in the screen plasma process.
  • the product manufactured by the iron-based alloy coating method has a hardness value of 1450 HV or more hardness, it may have a characteristic that the friction coefficient can be lowered to 0.4 or less.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a conventional screen plasma apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a screen plasma apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a dual screen according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing X-ray diffraction patterns of SUJ2 having a chromium-based coating layer and a precipitated carbonization layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing X-ray diffraction patterns of SUJ2 having a chromium-based coating layer and a carburized layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing X-ray diffraction patterns of SUS316 having a chromium-based coating layer and a precipitated carbonization layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph illustrating X-ray diffraction patterns of SUS316 having a chromium-based coating layer and a carburized layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 1 (SUJ2-Cr-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an image showing a cross-sectional shape of Preparation Example 2 (SUJ2-Cr-Fe-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 2 (SUJ2-Cr-Fe-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is an image showing a cross-sectional shape of Preparation Example 3 (SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 3 (SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • Comparative Example 1 (SUJ2-Cr-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • Comparative Example 1 (SUJ2-Cr-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • Comparative Example 4 (SUJ2-Cr-Fe-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 17 is a graph showing the element content according to the depth of Comparative Example 4 (SUJ2-Cr-Fe-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • Comparative Example 5 (SUJ2-Cr-Fe-V-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is an image showing a cross-sectional shape of Preparation Example 4 (SUS316-Cr-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 4 (SUS316-Cr-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is an image showing a cross-sectional shape of Preparation Example 5 (SUS316-Cr-Fe-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 5 (SUS316-Cr-Fe-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • 25 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 6 (SUS316-Cr-Fe-V-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 26 is an image showing the cross-sectional shape of Comparative Example 6 (SUS316-Cr-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a graph showing the element content according to the depth of Comparative Example 6 (SUS316-Cr-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • Comparative Example 8 SUS316-Cr-Fe-V-SPC
  • FIG. 31 is a graph showing the element content according to the depth of Comparative Example 8 (SUS316-Cr-Fe-V-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • 35 is a graph illustrating a friction coefficient of Comparative Example 1 (SUJ2-Cr-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 36 is a graph illustrating a friction coefficient of Comparative Example 4 (SUJ2-Cr-Fe-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • 40 is a graph measuring the coefficient of friction of Preparation Example 4 (SUS316-Cr-SPNC) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 43 is a graph illustrating a coefficient of friction of Comparative Example 6 (SUS316-Cr-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • Example 44 is a graph illustrating a friction coefficient of Comparative Example 7 (SUS316-Cr-Fe-SPC) according to an embodiment of the present invention.
  • first component is expressed as being “connected (connected, contacted, coupled)" to a second component, it is said that the first component is “directly connected” to the second component or a third component. Means that it can be “indirectly connected” through. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Also, the terms “comprise” or “have” mean that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features, It does not mean that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is excluded.
  • the iron-based alloy coating method is to form a chromium-based coating layer on the surface of the iron-based alloy using the pack cementation, and forming a nitriding carbonized layer using a screen plasma on the chromium-based coating layer It may include.
  • a chromium-based coating layer is formed on the iron-based alloy surface by using pack cementation.
  • the method for forming a chromium-based coating layer on the surface of the iron-based alloy using the pack cementation may include a charging step, a heating step of heating the pack charged in the vacuum chamber, and a chromium-based coating layer forming step of forming a chromium-based coating layer on the iron alloy while the heating is maintained in the heating step.
  • the iron-based alloy and the pack mixture are first introduced into a pack.
  • Pack cementation is a method of manufacturing a coating layer in which a metal part to be processed is put into a pack mixture and heated at a high temperature for a predetermined time to form a surface layer on the metal part, and at the same time obtain a diffusion coating layer on the surface layer of the metal part.
  • Pack cementation of the present invention can be used as a method for forming a chromium-based coating layer on the surface of the iron-based alloy.
  • the iron-based alloy may include, but is not limited to, bearing steel or stainless steel.
  • the bearing steel is a high carbon chromium special steel
  • the stainless steel is an alloy steel containing nickel and chromium to supplement the corrosion resistance of iron.
  • the iron-based alloy of the present invention may be SUJ2 bearing steel or SUS316 stainless steel.
  • the pack mixture may include a chromium-based powder, an active agent and an inert agent.
  • the chromium-based powder of the pack mixture is chromium (Cr) powder, chromium (Cr) powder and iron (Fe) powder or chromium (Cr) powder, iron (Fe) powder and vanadium (V) It may include a powder, but is not limited thereto.
  • the chromium-based powder of the present invention is a reactant used when preparing a chromium-based coating layer, and may improve hardness, corrosion resistance, and lubricity of an iron-based alloy. It can be effective.
  • the active agent in the present invention may contribute to the formation of the chromium-based coating layer while reacting with the chromium powder to form a chromium-based coating layer, it may include a halogenated compound salt.
  • the halogenated compound salt may include potassium tetrafluoroborate (KBF 4 ), ammonium chloride (NH 4 Cl), fluoroammonium (NH 4 F), fluorine sodium (NaF) or sodium chloride (NaCl), It is not limited to this.
  • the active agent of the present invention may be potassium tetrafluoroborate (KBF 4 ).
  • the inert agent of the present invention can prevent the sintering of the iron-based alloy in the process of forming the chromium-based coating layer.
  • the inert agent may include, but is not limited to, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), silicon carbide (SiC) or chromium oxide (Cr 2 O 3 ). .
  • the inert agent of the present invention may be aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the pack mixture may include 10.5 wt% to 52.9 wt% of the chromium-based powder, 0.1 wt% to 3 wt% of the active agent, and 47 wt% to 89.4 wt% of the inert agent, but It is not limited.
  • the content of the chromium-based powder may include 10.5 wt% to 52.9 wt% of the total content of the pack mixture.
  • the content of the chromium-based powder is less than 10.5 wt%, the chromium-based coating layer may be formed too thin or the hardness value of the chromium-based coating layer may not reach the target value, which is not preferable.
  • the content of the chromium-based powder is more than 52.9 wt%, the chromium-based powder is agglomerated with the inert agent, and unnecessary substances are added to the surface of the iron-based alloy, which may cause excessive pores in the iron-based alloy, which is not preferable.
  • the content of chromium metal powder of the present invention may be 30 wt%.
  • the content of the active agent may include 0.1 wt% to 3 wt% of the total content of the pack mixture.
  • the content of the activator is less than 0.1 wt% or more than 3 wt%, considering the content of the chromium-based powder described above, a non-uniform chromium-based coating layer is formed or staining occurs inside the chromium-based coating layer, so that the mechanical properties of the chromium-based coating layer The problem of deterioration may arise, which is undesirable.
  • the content of the active agent of the present invention may be 1 wt%.
  • the content of the inert agent may include 47 wt% to 89.4 wt% of the total content of the pack mixture. If the content of the inert agent is less than 47 wt%, the penetration and diffusion of chromium, which will form the chromium-based coating layer, may not be achieved. If the content of the inert agent is more than 89.4 wt%, the formation of the chromium-based coating layer may be delayed. The mechanical properties of the chromium-based coating layer may be less than the target value is not preferable.
  • the content of the inert agent of the present invention may be 69 wt%.
  • the pack loaded in the vacuum chamber is heated.
  • a chromium-based coating layer is formed on the iron-based alloy while the heating process is maintained.
  • the chromium-based coating layer may be formed of a chromium-based halogen compound gas by reacting chromium-based powder of the components constituting the pack mixture with the activator while the heating temperature is maintained, wherein the chromium-based halogen gas is the surface of the iron-based alloy Adsorbed on, it may be formed while penetrating and diffusing into the iron-based alloy.
  • the chromium-based coating layer is formed on the surface of the iron-based alloy by using pack cementation, and then an impregnated carbonization layer is formed on the chromium-based coating layer by using a screen plasma.
  • the screen plasma apparatus includes a vacuum chamber 10, a double screen 70, a vacuum pump 40, and a cathode power supply 50.
  • a vacuum chamber 10 a vacuum chamber 10
  • a double screen 70 a vacuum pump 40
  • a cathode power supply 50 a cathode power supply 50.
  • the method of forming an immersion carbonization layer using the screen plasma on the chromium-based coating layer is charged with the iron-based alloy (2) coated with the chromium-based coating layer in the vacuum chamber 10 and the iron-based alloy Covering (2) with a double screen 70, an ion cleaning step of reducing the chromium-based oxide film present on the iron-based alloy 2 by injecting a first hydrogen gas into the vacuum chamber 10, the double Applying a process current to the screen 70, injecting a second hydrogen gas, nitrogen gas and hydrocarbon gas into the vacuum chamber 10 to generate a mixed plasma and the mixed plasma is formed on the surface of the iron-based alloy (2) It may include the step of coating on the chromium-based coating layer to form a precipitated carbonization layer.
  • the iron-based alloy (2) coated with a chromium-based coating layer is charged into the vacuum chamber 10 and the iron-based alloy (2) is covered with a double screen 70, and then the vacuum pump 40 is operated to operate the vacuum chamber ( 10)
  • the atmosphere inside is formed at a vacuum level of 1 ⁇ 10 -3 Torr to 1 ⁇ 10 -1 Torr.
  • the inner wall of the vacuum chamber 10 shows a positive (+) relative charge
  • the double screen 70 shows a negative (-) relative charge, so that an electric field is formed between the inner wall of the vacuum chamber 10 and the double screen 70. Is generated.
  • the vacuum degree of the vacuum chamber 10 is less than 1 ⁇ 10 ⁇ 1 Torr, it is not preferable that impurities in the vacuum chamber 10 are not sufficiently removed, and impurities are sufficiently formed even if a vacuum atmosphere is formed within 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Torr. Since it can be removed, creating a vacuum atmosphere above 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Torr is undesirable because it is unnecessary in the process.
  • the iron-based alloy (2) is covered with a double screen (70).
  • FIG 3 is a perspective view of a dual screen 70 according to an embodiment of the present invention.
  • the dual screen 70 is a screen used in a screen plasma process, and includes an outer cylinder 71 and an inner cylinder 72, and has a cylindrical structure with an open bottom.
  • the dual screen 70 may serve as an electrode for generating glow discharge in the vacuum chamber 10.
  • a first hydrogen gas is injected into the vacuum chamber 10 to reduce the chromium-based oxide film present on the iron-based alloy 2, which is called ion cleaning.
  • the internal temperature of the vacuum chamber 10 is raised to 100 ° C.
  • the vacuum chamber 10 when the vacuum chamber 10 is preheated to 100 ° C. by applying a first current, the vacuum chamber 10 is cooled from low to high temperature by using a high density glow generated between the screens. When the temperature change occurs, it is possible to prevent cracking due to thermal expansion, and oxygen and moisture may be discharged while burning the carbon inside the vacuum chamber 10.
  • the first current is 3 A to 5 A.
  • the first current is applied to the dual screen 70 so that the intensity of the first current for heating the internal temperature of the vacuum chamber 10 to 100 ° C is preferably 3 A to 5 A.
  • the first current may be 5 A.
  • the first hydrogen of the present invention may be a gas source for generating a hydrogen plasma.
  • a second current is applied to the dual screen 70 to generate a hydrogen plasma around the dual screen 20.
  • the heating process may be performed to increase the temperature of the vacuum chamber 10 to the process temperature by using a glow formed on the screen with a very small amount of gas input and power without a separate external heater.
  • the hydrogen plasma may comprise hydrogen plasma species including H ⁇ , H ⁇ or H ⁇ .
  • the second current is 5 A to 15 A.
  • the second current may be applied to the dual screen 70 to heat the internal temperature of the vacuum chamber 10 to 250 ° C., and the intensity of the second current that may generate hydrogen plasma is preferably 5 A to 15 A.
  • the first current may be 15 A.
  • the hydrogen plasma may be located in the center of the vacuum chamber by the force of the vacuum pump.
  • the chromium oxide film present on the iron-based alloy 2 is reduced and removed.
  • the iron-based alloy 2 coated with a chromium-based coating layer by pack cementation may have a chromium-based oxide film formed on a surface thereof when contacted with external air before being charged into the vacuum chamber 10.
  • the chromium-based oxide film may be a cause of inhibiting the nitriding carbonization process, the corrosion resistance of the iron-based alloy may be improved, but there is a disadvantage in reducing the magnetic conductivity. Therefore, in the present invention, the hydrogen plasma located at the center of the vacuum chamber 10 may react with the chromium oxide film to reduce and remove the chromium oxide film.
  • the chromium-based oxide film may include chromium (Cr), chromium (Cr) and iron (Fe) or chromium (Cr), iron (Fe) and vanadium (V), but is not limited thereto. It is not intended to be.
  • a process current is applied to the double screen 70, the second hydrogen gas, nitrogen gas and hydrocarbon gas is injected into the vacuum chamber 10 to generate a mixed plasma.
  • the mixed plasma may be nitrogen plasma, hydrogen plasma and hydrocarbon plasma.
  • the process current may be 20 A to 30 A.
  • Process current may be applied to the dual screen 70 to heat the internal temperature of the vacuum chamber 10 to 450 °C to 550 °C to generate the intensity of the process current is preferably 20 A to 30 A. .
  • the second hydrogen gas and the hydrocarbon gas are injected into the vacuum chamber 10
  • the second hydrogen gas and the hydrocarbon gas are formed in the vacuum chamber 10 in a high temperature and a vacuum atmosphere, so that the vacuum chamber 10 As soon as it is injected, it is plasmaized by the energy of temperature and pressure, and the hydrogen plasma and hydrocarbon plasma are concentrated around the double screen 70.
  • the hydrocarbon gas may include CH 4 or C 2 H 2 , and the amount of 1 sccm to 10 sccm gas may be pulse-injected by repeating the injection section and the stop section.
  • the ionization rate of the hydrocarbon gas can be increased by pulse injection of the hydrocarbon gas, and the diffusion layer of carbon and nitrogen can be formed deeper than the same time zone.
  • the hydrogen plasma may include hydrogen plasma species including H ⁇ , H ⁇ , or H ⁇
  • the hydrocarbon gas may be pulse injected by repeating a section in which the gas is injected for 2 seconds and stopped for 5 seconds.
  • the nitrogen gas has a relatively high ionization energy than the hydrogen gas, so that the plasma is not smoothed.
  • the plasma plasma hydrogenated already collides with the nitrogen gas to smoothly generate the nitrogen plasma.
  • the hydrogen plasma may improve the fluidity of the nitrogen plasma.
  • the nitrogen plasma of the present invention may include nitrogen species including N + , N, N 2 + or NH 3 .
  • the content ratio of nitrogen gas to hydrogen gas may be 1: 3 to 4: 1. More preferably, when the iron-based alloy is a bearing steel, the content ratio of nitrogen gas to hydrogen gas is 1: 3 to 1: 2, and in the case of stainless steel, the content ratio of nitrogen gas to hydrogen gas is 1: 1 to 4: 1. desirable.
  • the bearing steel since it is more difficult to diffuse nitrogen into the base material than the stainless steel, it is preferable to induce nitrogen diffusion by increasing the content of hydrogen gas to improve the fluidity of the nitrogen plasma. Therefore, a content ratio of nitrogen gas to hydrogen gas of 1: 3 to 1: 2 in which the content of hydrogen is higher than the content of nitrogen is preferable.
  • the stainless steel it is an iron-based alloy that is advantageous to contain nitrogen, the content of nitrogen gas to hydrogen gas of 1: 1 to 4: 1 where the content of nitrogen is higher than the content of hydrogen in order to perform nitrogen diffusion more densely Rain is preferred.
  • the mixed plasma is coated on the chromium-based coating layer formed on the surface of the iron-based alloy (2) to form an precipitated carbonization layer.
  • the nitrogen plasma and hydrocarbon plasma are located in the center of the vacuum chamber 10 under the influence of the vacuum pump 40, the nitrogen plasma and hydrocarbon plasma is sucked gas by the vacuum pump 40
  • the vacuum pump 40 In order to penetrate the iron-based alloy (2) coated with the chromium-based coating layer located in the center of the vacuum chamber 10 in the direction of the impregnated carbonization layer may be formed on the surface of the iron-based alloy (2).
  • the hardness of the product may be 1450 HV to 2400 HV.
  • the present invention can increase the hardness of the iron-based alloy using a pack cementation and screen plasma process. Therefore, the hardness of the product based on the iron-based alloy prepared in the above process may be 1450 HV to 2400 HV.
  • the friction coefficient of the product may be 0.3 to 0.4.
  • the present invention can reduce the coefficient of friction of the iron-based alloy using a pack cementation and screen plasma process. Therefore, the coefficient of friction of the product based on the iron-based alloy prepared in the above process may be 0.3 to 0.4.
  • a pack mixture including 30 wt% chromium powder, 1 wt% potassium tetrafluoroborate and 69 wt% aluminum oxide was prepared.
  • SUJ2 and the pack mixture were put into a pack, the pack was charged into a vacuum chamber, and the inside of the vacuum chamber was evacuated to a vacuum of 1 Torr.
  • purging was performed by supplying argon gas three times in the vacuum chamber, and lowering the flow rate of the supplied argon gas to maintain the inside of the vacuum chamber at 1 atmosphere.
  • the chromium coating layer was manufactured by maintaining the temperature inside the vacuum chamber at 950 ° C. for 10 hours.
  • the charged SUJ2 After charging the SUJ2 having the chromium coating layer prepared in a vacuum chamber, the charged SUJ2 is covered with a double screen, and the degree of vacuum in the vacuum chamber is maintained at a level of 5 ⁇ 10 ⁇ 3 Torr for 30 minutes. Thereafter, 500 sccm of the first hydrogen gas is added to the vacuum chamber to maintain the vacuum at 0.1 Torr. Next, a current of 5 A is applied to the screen and a high density glow generated between the screens is used to preheat the vacuum chamber to prevent cracking due to thermal expansion when a temperature change occurs from low to high temperatures. Next, a current of 15 A is applied for 30 minutes to raise the temperature inside the vacuum chamber to 250 ° C.
  • chromium, iron and vanadium powder was carried out under the same conditions except that the chromium-iron-vanadium coating layer prepared in the SUS316 to produce a carbonized carbon layer It was.
  • carburizing screen on the coating layer is an iron-based alloy (SUJ2-Cr-SPC) coating prepared
  • a carburized layer was prepared in SUJ2 in which a chromium coating layer was prepared under the same conditions except that nitrogen gas was not used and the hydrocarbon gas was continuously injected in Preparation Example 1.
  • the carburized layer was prepared in SUJ2 under the same conditions except that the pack cementation was not performed in Preparation Example 1, and the nitrogen gas was not used when the screen plasma was used and the hydrocarbon gas was continuously injected.
  • the iron-based alloy (SUJ2-Cr-Fe-SPC) manufactured by coating a carburizing layer on the coating layer
  • the carburized layer was prepared in SUJ2 in which the chromium-iron coating layer was prepared under the same conditions except that nitrogen gas was not used and the hydrocarbon gas was continuously injected in Preparation Example 2.
  • the iron- based alloy (SUJ2-Cr-Fe-V-SPC) having a carburized layer coated on the coating layer was manufactured.
  • Example 3 a carburized layer was prepared in SUJ2 in which a chromium-iron-vanadium coating layer was prepared under the same conditions except for continuously injecting a hydrocarbon gas without using nitrogen gas.
  • an iron-based alloy needle carbide layer is coated (SUS316-Cr-SPC) on the coating layer
  • the carburized layer was prepared in SUS316, in which the chromium coating layer was prepared under the same conditions except that nitrogen gas was not used and the hydrocarbon gas was continuously injected in Preparation Example 4.
  • an iron-based alloy SUS316-Cr-Fe-SPC having a carburized layer coated on the coating layer was manufactured.
  • the carburized layer was prepared in SUS316, in which the chromium-iron coating layer was manufactured under the same conditions except that nitrogen gas was not used and the hydrocarbon gas was continuously injected in Preparation Example 5.
  • Example 6 a carburized layer was prepared on SUS316 in which a chromium-iron-vanadium coating layer was prepared under the same conditions except for continuously injecting a hydrocarbon gas without using nitrogen gas.
  • 4 is a manufacturing example 1 (SUJ2-Cr-SPNC) coated with an immersion carbide layer on SUJ2 coated with a chromium-based coating layer by pack cementation, Preparation Example 2 (SUJ2-Cr-Fe-SPNC) and Preparation Example 3 (SUJ2 X-ray diffraction patterns of -Cr-Fe-V-SPNC).
  • 5 is Comparative Example 1 (SUJ2-Cr-SPC), Comparative Example 4 (SUJ2-Cr-Fe-SPC) and Comparative Example 5 (coated with a carburized layer on SUJ2 coated with a chromium-based coating layer by pack cementation). X-ray diffraction patterns of SUJ2-Cr-Fe-V-SPC).
  • the SUJ2 having the precipitated carbonization layer formed by the screen plasma has a different crystal structure from that of the SUJ2 having the carbonaceous layer formed therein, and the crystal structure differs depending on the chromium-based material for preparing the coating layer by pack cementation. It confirmed that it represents.
  • various desired crystal phases can be produced by using pack cementation and screen plasma.
  • the pack cementation and the screen plasma can be performed together in a process for manufacturing a coating layer on SUJ2.
  • FIG. 6 is a manufacturing example 4 (SUS316-Cr-SPNC), Manufacture Example 5 (SUS316-Cr-Fe-SPNC) and Manufacture Example 6 (SUS316) coated with an immersion carbide layer on the SUS316 coated with a chromium-based coating layer by the pack cementation X-ray diffraction patterns of -Cr-Fe-V-SPNC).
  • Figure 7 is Comparative Example 6 (SUS316-Cr-SPC), Comparative Example 7 (SUS316-Cr-Fe-SPC) and Comparative Example 8 ( X-ray diffraction patterns of SUS316-Cr-Fe-V-SPC).
  • the SUS316 having the carbonaceous layer formed with the screen plasma has a different crystal structure from that of the SUS316 having the carburized layer, and has a different crystal structure depending on the chromium-based material for preparing the coating layer by pack cementation. It confirmed that it represents. As a result, it can be determined that various desired crystal phases can be produced by using pack cementation and screen plasma. In addition, it can be determined that the pack cementation and the screen plasma can be performed together in a process for manufacturing a coating layer on SUS316.
  • a sample having a cross section was prepared by mounting SUJ2 including the coating layer and etching with hydrochloric acid.
  • the cross-sectional shape of the sample was analyzed using an optical microscope and elemental content analysis was performed by glow discharge optical emission spectrometry (GD-OES).
  • FIG. 8 is an image showing the cross-sectional shape of Preparation Example 1 (SUJ2-Cr-SPNC), Figure 9 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 1.
  • 10 is an image showing the cross-sectional shape of Preparation Example 2 (SUJ2-Cr-Fe-SPNC), Figure 11 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 2.
  • Figure 12 is an image showing the cross-sectional shape of Preparation Example 3 (SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC),
  • Figure 13 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 3.
  • FIG. 14 is an image showing the cross-sectional shape of Comparative Example 1 (SUJ2-Cr-SPC), Figure 15 is a graph showing the element content of the coating layer of Comparative Example 1.
  • Figure 16 is an image showing the cross-sectional shape of Comparative Example 4 (SUJ2-Cr-Fe-SPC),
  • Figure 17 is a graph showing the element content of the coating layer of Comparative Example 4.
  • Figure 18 is an image showing the cross-sectional shape of Comparative Example 5 (SUJ2-Cr-Fe-V-SPC),
  • Figure 19 is a graph showing the element content of the coating layer of Comparative Example 5.
  • the depth of the chromizing SUJ2 becomes deeper, and the precipitated carbon layer formed by screen plasma or The thickness of the carburized layer may be determined to be about 1 ⁇ m.
  • FIG. 20 is an image showing the cross-sectional shape of Preparation Example 4 (SUS316-Cr-SPNC), Figure 21 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 4.
  • 22 is an image showing the cross-sectional shape of Preparation Example 5 (SUS316-Cr-Fe-SPNC), Figure 23 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 5.
  • 24 is an image showing the cross-sectional shape of Preparation Example 6 (SUS316-Cr-Fe-V-SPNC), Figure 25 is a graph showing the element content according to the depth of Preparation Example 6.
  • the amount of chromium element was higher than that of other elements, and it was confirmed that the chromium coating layer was present at 60 ⁇ m or more.
  • the vanadium coating layer was present at 70 wt% or more at the outermost surface, and it was confirmed that a coating layer having a uniform content of elements was formed after the depth of 10 ⁇ m from the outermost surface of the coating layer of Preparation Example 5.
  • FIG. 26 is an image showing the cross-sectional shape of Comparative Example 6 (SUS316-Cr-SPC), Figure 27 is a graph showing the element content of the coating layer of Comparative Example 6.
  • Figure 28 is an image showing the cross-sectional shape of Comparative Example 7 (SUS316-Cr-Fe-SPC), Figure 29 is a graph showing the element content of the coating layer of Comparative Example 7.
  • Figure 30 is an image showing the cross-sectional shape of Comparative Example 8 (SUS316-Cr-Fe-V-SPC), Figure 31 is a graph showing the element content of the coating layer of Comparative Example 8.
  • the depth of SUS316 to be chromized becomes deeper, and the precipitated carbon layer formed by screen plasma or The thickness of the carburized layer may be determined to be about 1 ⁇ m.
  • the friction coefficient of the coating layer was a ball-on-disk method for measuring the relative friction coefficient between the product and the hard bearing ball.
  • the ball-on-disk method uses a 6 mm diameter STB 2 ball.
  • a linear velocity of 10 mm / sec and 1N load is used, and the relative humidity is a method of measuring the coefficient of friction in a constant temperature and humidity chamber to maintain a 50% wear condition.
  • FIG. 32 is a graph measuring the coefficient of friction of Preparation Example 1 (SUJ2-Cr-SPNC)
  • Figure 33 is a graph measuring the coefficient of friction of Preparation Example 2 (SUJ2-Cr-Fe-SPNC)
  • Figure 34 is a graph This is a graph measuring the friction coefficient of Example 3 (SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC).
  • 35 is a graph measuring the friction coefficient of Comparative Example 1 (SUJ2-Cr-SPC)
  • FIG. 36 is a graph measuring the friction coefficient of Comparative Example 4 (SUJ2-Cr-Fe-SPC)
  • FIG. 37 is a comparison. It is a graph which measured the friction coefficient of Example 5 (SUJ2-Cr-Fe-V-SPC).
  • the coefficient of friction of Preparation Example 1 in which the chromium coating layer and the carbonization layer are present is 0.5
  • the coefficient of friction of Comparative Example 2 in which the chromium coating layer and the carbonization layer is present is 0.6
  • the friction coefficient of Preparation Example 2 in which the chromium-iron coating layer and the precipitated carbonization layer is 0.6 is 0.6
  • the friction coefficient of Comparative Example 4 in which the chromium-iron coating layer and the carbonization layer is present is 0.7.
  • the coefficient of friction of Preparation Example 3 in which the chromium-iron-vanadium coating layer and the precipitated carbonization layer are present is 0.4
  • the coefficient of friction of Comparative Example 5, in which the chromium-iron-vanadium coating layer and the carbide-carburized layer is present is 0.6.
  • SUJ2 which has an impregnated carbonized layer, penetrates nitrogen and carbon in the screen plasma, and penetrates only carbon, thereby lowering the coefficient of friction than SUJ2, which has formed a carburized layer. It can be judged that it is preferable to form an precipitated carbonized layer.
  • FIG. 38 is a graph illustrating a friction coefficient of Comparative Example 2 (SUJ2-SPNC) in which an impregnated carbon layer was formed of screen plasma without performing pack cementation
  • FIG. 39 is carburized with screen plasma without performing pack cementation. It is a graph which measured the friction coefficient of the comparative example 3 (SUJ2-SPC) which formed the flower layer.
  • the SUJ2 having only the screen plasma and the precipitated carbonized layer or the carbonized layer may be determined to have a higher friction coefficient than the SUJ2 having both the pack cementation and the screen plasma.
  • Friction coefficient analysis of SUS316 including a coating layer made of a pack cementation and plasma screen
  • the friction coefficient of the coating layer was a ball-on-disk method for measuring the relative friction coefficient between the product and the high hardness stainless steel ball.
  • the ball-on-disk method uses a 6 mm diameter STS 316 ball.
  • a linear velocity of 10 mm / sec and 1N load is used, and the relative humidity is a method of measuring the coefficient of friction in a constant temperature and humidity chamber to maintain a 50% wear condition.
  • FIG. 40 is a graph measuring the coefficient of friction of Preparation Example 4 (SUS316-Cr-SPNC), Figure 41 is a graph measuring the coefficient of friction of Preparation Example 5 (SUS316-Cr-Fe-SPNC), Figure 42 It is a graph which measured the friction coefficient of Example 6 (SUS316-Cr-Fe-V-SPNC).
  • FIG. 43 is a graph measuring friction coefficient of Comparative Example 6 (SUS316-Cr-SPC)
  • FIG. 44 is a graph measuring friction coefficient of Comparative Example 7 (SUS316-Cr-Fe-SPC)
  • FIG. 45 is a comparison. It is a graph which measured the friction coefficient of Example 8 (SUS316-Cr-Fe-V-SPC).
  • the coefficient of friction of Preparation Example 4 in which the chromium coating layer and the carbonization layer are present is 0.6
  • the coefficient of friction of Comparative Example 6 in which the chromium coating layer and the carbonization layer is present is 0.6.
  • the friction coefficient of Preparation Example 5 in which the chromium-iron coating layer and the precipitated carbonization layer are 0.4 is 0.4
  • the friction coefficient of Comparative Example 7 in which the chromium-iron coating layer and the carbonization layer is present is 0.6.
  • the coefficient of friction of Preparation Example 6 in which the chromium-iron-vanadium coating layer and the precipitated carbonization layer are present is 0.7
  • the coefficient of friction of Comparative Example 8 in which the chromium-iron-vanadium coating layer and the carbonization layer is present is 0.7.
  • Such a result may be determined that the friction coefficient is lowered when the chromium-based material is mixed and coated with the chromium-based material in the pack cementation.
  • SUS316 in which an impregnated carbonization layer is formed by penetrating nitrogen and carbon on the chromium-iron coating layer in a screen plasma infiltrates only carbon, thereby lowering the coefficient of friction than SUS316 in which the carbonization layer is formed. And it can be judged that it is preferable to penetrate all carbon to form an impregnated carbonization layer.
  • Micro Vickers hardness measurement method is a method of measuring the hardness of the material by calculating the size engraved by applying a certain load to the material to be measured with a pyramidal diamond indenter.
  • Table 1 is a table showing the hardness values of the embodiments subjected to the pack cementation and screen plasma using the SUJ2 iron alloy, or the screen plasma only.
  • Hardness was measured using the same method as Experimental Example 7 to analyze the hardness of SUS316 having a coating layer.
  • Table 2 is a table showing the hardness values of the embodiments subjected to the pack cementation and screen plasma using the SUS316 iron-based alloy.
  • the hardness value was higher than 800 HV, which is the hardness value of general SUS316.
  • a chromium-based coating layer and an immersion carbonization layer on an iron-based alloy using pack cementation and screen plasma.
  • the iron-based alloy is used as SUS316
  • the chromated chromium-based coating layer may be formed to a thickness of 60 ⁇ m or more.
  • the friction coefficient of the iron-based alloy formed with the chromium-based coating layer and the precipitated carbonization layer was shown to exhibit a characteristic of lowering to a minimum of 0.4 level, and exhibited improved hardness characteristics of 1450 HV or more.

Landscapes

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

Abstract

본 발명은 철계 합급 코팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팩 시멘테이션으로 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하고, 스크린 플라즈마를 이용하여 상기 크롬계 코팅층 상에 침질탄화층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명은 철계 합금에 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 이용하여 크롬계 코팅층 및 침질탄화층을 형성함으로써, 고경도 및 저마찰성이 우수한 제품을 제조할 수 있는 특징이 있다.

Description

철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품
본 발명은 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철계 합금 표면에 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층을 형성한 후, 크롬계 코팅층이 형성된 철계 합금 상에 스크린 플라즈마 침질탄화법으로 침질탄화층을 코팅하는 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품에 관한 것이다.
일반적으로 팩 시멘테이션(pack cementation)은 일종의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 기술로서, 팩 내에 철계 합금 및 팩 혼합물 분말을 장입한 후 상기 팩을 가열하여 상기 철계 합금을 코팅하는 방법이다. 상기 팩 혼합물 분말은 크로뮴(Cr), 알루미늄(Al), 규소(Si) 등과 같은 반응 금속, 염화암모늄(NH4Cl)과 같은 활성제, 및 알루미나(Al2O3) 같은 불활성제를 포함하는 분말이다. 상기 팩이 가열되면, 상기 반응 금속 및 상기 활성제가 반응하고 기체 상태가 된 상기 반응 금속은 상기 철계 합금 표면에 침투하여, 상기 반응 금속을 주성분으로 하는 코팅층이 형성된다. 상기 불활성제는 코팅이 진행되는 동안 상기 철계 합금의 소결을 방지한다.
팩 시멘테이션은 오랫동안 사용되어 온 코팅 방법으로 여러 가지 장점이 있다. 팩 시멘테이션은 간단하고 경제적이며 밀착력이 우수한 코팅층을 형성하는 코팅 방법이다. 그리고 팩 시멘테이션에 의해 코팅된 철계 합금은 개선된 경도, 내식성, 내마모성, 내산화성 등과 같은 기계적 물성을 가진다. 또한 팩 시멘테이션에 의해 3차원 형상의 철계 합금에 대해서도 전면적으로 균일한 코팅층이 형성될 수 있다.
팩 시멘테이션은 반응 금속의 종류에 따라 크로마이징(chromizing), 알루미나이징(aluminizing), 실리코나이징(siliconizing) 등으로 분류될 수 있다. 상기 크로마이징과 관련하여, 등록특허 제10-1384374호(발명의 명칭: 팩 시멘테이션으로 금속 소결 부품을 코팅하는 방법 및 팩 시멘테이션 코팅한 금속 소결 부품, 특허문헌 1)가 개시되어 있다. 상기 알루미나이징과 관련하여, 미국 공개특허 제2011-0293365호(발명의 명칭: Cement plant refractory anchor, 특허문헌 2)가 개시되어 있다. 그리고 상기 실리코나이징과 관련하여, 미국 등록특허 제5275983호(발명의 명칭: Pack mixture composition for SiC pack cementation coating of carbonaceous substrates, 특허문헌 3)가 개시되어 있다.
한편 베어링, 부싱 등의 부품들은 고속으로 회전하는 장치에 사용되므로 고경도의 표면뿐만 아니라 저마찰 특성을 요한다. 그러나, 철계 합금은 고경도의 표면을 가지나 베어링, 부싱 등의 소재로 이용되기에는 마찰 계수가 높은 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 플라즈마 방법을 이용하여 질소 및 탄소를 침질탄화시켜 철계 합금의 마찰계수를 감소시키고자 하였다.
그러나 상기 플라즈마 방법은 철계 합금에 직접적인 아크(arc)가 발생하여 철계 합금의 표면이 손상되고, 철계 합금 표면에 생성되는 글로우(glow) 때문에 내부 온도가 균일하지 않아 질탄화층의 편차가 심한 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 스크린 플라즈마 방법을 이용하여 질소 원자 및 탄소 원자를 침투시켜 철계 합금의 표면에 새로운 카바이드 및 질화물의 복합 형성으로 경도를 향상시키고 마찰계수를 감소시키고자 하였다.
스크린 플라즈마 침질탄화는, 철계 합금의 표면에 직접 플라즈마를 발생시켜 질소 및 탄소를 침투시키는 방법인 통상의 플라즈마 방법과 달리, 철계 합금으로부터 이격된 스크린에 플라즈마를 발생시켜 질소를 침투시켜 침질탄화층을 제조하는 방법이다.
도 1은 일반적인 스크린 플라즈마 장치를 도시한다. 상기 스크린 플라즈마 장치는 진공 챔버(10), 스크린(20), 히터(30), 진공 펌프(40), 캐소드 전원부(50), 및 히터 전원부(60)를 구비한다. 도 1이 참조되어 일반적인 스크린 플라즈마 침질탄화가 설명된다.
먼저, 상기 진공 챔버(10)를 1×10-3 Torr 정도의 진공 압력 분위기가 조성되도록 진공 펌프(40)를 가동시킨 후, 스크린(20)과 연결되어 있는 캐소드 전원부(50)을 가동시켜 스크린(20)을 가열시키고, 히터(30)와 연결되어 있는 히터 전원부(60)를 가동시켜 히터(30)가 가열되서 진공 챔버(10) 내의 온도를 공정 온도로 상승시킨다. 이 때, 진공 챔버(10) 내벽은 플러스(+) 상대 전하가 나타나고, 스크린(20)은 마이너스(-) 상대 전하가 나타나서, 진공 챔버(10) 내벽과 스크린(20) 사이에 전기장이 생성된다.
그 다음으로는, 질소, 탄화수소 및 수소 가스를 진공 챔버(10) 내부에 주입시킨다. 이 때, 수소 가스는 진공 챔버(10) 내부가 고온 및 진공 분위기로 형성되어 있어 진공 챔버(10)에 주입되자마자 온도 및 압력의 에너지를 받아 플라즈마화 되고, 수소 플라즈마 및 탄화수소 플라즈마는 스크린(20) 주변에 밀집된다.
질소 가스는 이온화 에너지가 수소 가스보다 상대적으로 커서 플라즈마화가 원활히 이루어지지 않는다. 그러나, 이미 플라즈마화 된 수소 플라즈마가 질소 가스와 충돌하여 질소 플라즈마가 원활히 생성될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
상기 질소 및 탄화수소 플라즈마는 진공 챔버(10) 중심부에 위치하는 철계 합금(2)에 침투하여 철계 합금이 침질탄화된다.
상기와 같은 스크린 플라즈마 장치를 이용한 스크린 플라즈마 침질탄화는 진공 챔버의 온도를 공정 온도까지 높이기 위해 추가 장치인 히터를 이용하여 진공 챔버를 가열해야 하는 문제점이 있었다. 또한, 철계 합금을 공기 중에 노출시키면 표면에 철계 산화막이 자연적으로 형성되는데 철계 산화막이 침질탄화 공정을 저해하는 원인이 되고, 철계 합금의 자기 전도성을 저하시켜 철계 산화막을 제거해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 스크린 플라즈마 장치는 고전류의 전원을 인가하며 캐소딕(cathodic)을 걸어주어야 함으로 인해 글로우(glow) 내에서 질소 및 탄화수소 가스의 반응에 의해 침투형 원소의 고밀도 투입공정이 불가능하여 입자 가속기나 고전압을 장치에 투입하여 철계 합금에 침질화층을 형성해야 하는 문제점이 있었다.
따라서, 철계 합금의 경도를 높이고 마찰계수를 저하시키면서, 철계 산화막을 제어할 수 있으면서 추가 가열과정이 필요하지 않는 철계 합금 코팅 방법에 대한 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문허]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허 제 10-1384374호
(특허문헌 2) 미국 공개특허 제2011-0293365호
(특허문헌 3) 미국 등록특허 제5275983호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 산세 작업등 외부에서 처리해야만 제거 가능했던 스테인레스 소재 등에 자연적으로 형성되는 Cr2O3 등 강력한 산화막을 제어할 수 있으면서 가열과정에서 별도의 외부 히터 없이 매우 적은 양의 가스 투입 및 전력량으로 스크린에 형성되는 글로우(glow)를 이용한 가열 공정을 이용한 철계 합금 코팅 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로는 원자단위의 질소 및 탄소를 이용하여 코팅층의 최표면에 새로운 합금 코팅을 부여하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품을 제공하는 것을 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 형성하는 단계를 포함하는 철계 합금 코팅 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 철계 합금은 베어링 강 또는 스테인리스 강을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계는, 팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입하는 단계, 상기 팩을 진공 챔버에 장입하는 장입 단계, 상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열하는 가열 단계 및 상기 가열 단계에서 가열이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성되는 크롬계 코팅층 형성 단계를 포함하고, 상기 팩 혼합물은 크롬계 분말, 활성제 및 불활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물의 크롬계 분말은 크롬(Cr) 분말, 크롬(Cr) 분말 및 철(Fe) 분말 또는 크롬(Cr) 분말, 철(Fe) 분말 및 바나듐(V) 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물은 상기 크롬계 분말 10.5 wt% 내지 52.9 wt%, 상기 활성제 0.1 wt% 내지 3 wt% 및 상기 불활성제 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 형성하는 단계는, 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금을 진공 챔버에 장입하고 상기 철계 합금을 이중 스크린으로 커버하는 단계, 상기 진공 챔버 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원하는 이온 클리닝 단계, 상기 이중 스크린에 공정 전류를 인가하고 상기 진공 챔버 내에 제2수소 가스, 질소 가스 및 탄화수소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 혼합 플라즈마가 철계 합금 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 코팅되어 침질탄화층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이온 클리닝 단계는, 상기 이중 스크린에 제1전류를 인가하여 상기 진공 챔버를 가열하는 단계, 상기 진공 챔버 내에 제1수소를 주입하는 단계, 상기 이중 스크린에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린 주위에 수소 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1전류는 3 A 내지 5 A이고 상기 제2전류는 5 A 내지 15 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 산화막은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 공정 전류는 20 A 내지 30 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 질소 가스 대 수소 가스의 함량비는 1:3 내지 4:1인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄화수소 가스는 CH4 또는 C2H2를 포함하고 1 sccm 내지 10 sccm 가스량이 주입 구간 및 정지 구간을 반복하여 펄스 주입되는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 철계 합금 코팅 방법으로 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제품의 경도는 1450 HV 내지 2400 HV인 것을 특징으로 하는 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제품의 마찰계수는 0.3 내지 0.4인 것을 특징으로 하는 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품일 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 팩 시멘테이션으로 크로마이징된 철계 합금 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 제조할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 스크린 플라즈마에서 스크린을 이중 구조로 사용하여 스크린 주위에 글로우(glow) 방전이 고밀도로 형성될 수 있어서 히터 없이도 충분히 진공 챔버 내부를 공정 온도까지 올릴 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 스크린 플라즈마 공정에서 이온클리닝 공정을 이용하여 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 제거하여 침질탄화 공정이 저해되지 않을 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 철계 합금 코팅 방법으로 제조된 제품은 경도가 1450 HV 이상의 경도값을 가지며, 마찰계수가 0.4 이하로 저하될 수 있는 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 일반적인 스크린 플라즈마 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스크린 플라즈마 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 스크린을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 크롬계 코팅층 및 침질탄화층이 형성된 SUJ2들의 X-선 회절패턴들을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 크롬계 코팅층이 및 침탄화층이 형성된 SUJ2들의 X-선 회절패턴들을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 크롬계 코팅층 및 침질탄화층이 형성된 SUS316들의 X-선 회절패턴들을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 크롬계 코팅층 및 침탄화층이 형성된SUS316들의 X-선 회절패턴들을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUJ2-Cr-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUJ2-Cr-SPNC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUJ2-Cr-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUJ2-Cr-SPC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 4(SUS316-Cr-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 4(SUS316-Cr-SPNC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 24는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 25는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 26은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 6(SUS316-Cr-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 27은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 6(SUS316-Cr-SPC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 28은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 7(SUS316-Cr-Fe-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 29는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 7(SUS316-Cr-Fe-SPC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 30은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 31은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 32는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUJ2-Cr-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 33은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 34는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 35는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUJ2-Cr-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 36은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 37은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 38은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 2(SUJ2-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 39는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 3(SUJ2-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 40은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 4(SUS316-Cr-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 41은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 42는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 43은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 6(SUS316-Cr-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 44는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 7(SUS316-Cr-Fe-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 45는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 다양한 실시예를 설명하기 위한 것이지, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 제1구성요소가 제2구성요소에 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 표현될 때, 이는 상기 제1구성요소가 상기 제2구성요소에 "직접적으로 연결"되거나 또는 제3구성요소를 통해 "간접적으로 연결"될 수 있다는 것을 의미한다. 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현들을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하지, 하나 또는 그 이상의 다른, 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성이 배제된다는 것을 의미하지 않는다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 철계 합금 코팅 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 철계 합금 코팅 방법은 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 방법은, 팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입하는 단계, 상기 팩을 진공 챔버에 장입하는 장입 단계, 상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열하는 가열 단계 및 상기 가열 단계에서 가열이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성되는 크롬계 코팅층 형성 단계를 포함할 수 있다.
팩 시멘테이션으로 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하기 위해서는 먼저 팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입한다.
팩 시멘테이션은 팩 혼합물 속에 처리하고자 하는 금속 부품을 넣고 고온에서 일정 시간 가열하여 금속 부품 상에 표면층을 형성하고 동시에 금속 부품의 표면층에 확산 코팅층을 얻을 수 있는 코팅층 제조방법이다.
본 발명의 팩 시멘테이션은 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하기 위한 방법으로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 철계 합금은 베어링 강 또는 스테인리스 강을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
베어링 강은 고탄소크롬 특수강이며, 스테인리스 강은 철의 내식성을 보완하기 위해 니켈 및 크롬 등을 함유한 합금강이다.
예를 들어, 본 발명의 철계 합금은 SUJ2 베어링 강 또는 SUS316 스테인리스 강일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물은 크롬계 분말, 활성제 및 불활성제를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물의 크롬계 분말은 크롬(Cr) 분말, 크롬(Cr) 분말 및 철(Fe) 분말 또는 크롬(Cr) 분말, 철(Fe) 분말 및 바나듐(V) 분말을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
통상적으로 크롬 금속은 경도, 내식성 및 윤활성이 우수한 특성을 나타내기 때문에, 본 발명의 상기 크롬계 분말은 크롬계 코팅층을 제조할 때 사용되는 반응물로, 철계 합금의 경도, 내식성 및 윤활성을 향상시킬 수 있는 효과가 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 활성제는 크롬계 코팅층을 이루게 될 크롬 분말과 반응하면서 크롬계 코팅층 형성에 기여할 수 있으며, 할로겐화합물계염을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 할로겐화합물계염은 테트라플루오르붕산칼륨(KBF4), 염화암모늄(NH4Cl), 플루오르암모늄(NH4F), 플루오르소듐(NaF) 또는 염화소듐(NaCl)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
예를 들어, 본 발명의 활성제는 테트라플루오르붕산칼륨(KBF4)일 수 있다.
또한, 본 발명의 불활성제는 크롬계 코팅층이 형성되는 과정에서 철계 합금의 소결을 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 불활성제는 산화알루미늄(Al2O3), 실리카(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 산화크롬(Cr2O3)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
예를 들어, 본 발명의 불활성제는 산화알루미늄(Al2O3)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물은 상기 크롬계 분말 10.5 wt% 내지 52.9 wt%, 상기 활성제 0.1 wt% 내지 3 wt% 및 상기 불활성제 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, 상기 크롬계 분말의 함량은 상기 팩 혼합물의 전체 함량 중 10.5 wt% 내지 52.9 wt%를 포함할 수 있다. 크롬계 분말의 함량이 10.5 wt% 미만일 경우에는 크롬계 코팅층이 너무 얇게 형성되거나 크롬계 코팅층의 경도값이 목표치에 미달될 수 있어 바람직하지 않다. 반면 크롬계 분말의 함량이 52.9 wt%를 초과하면, 크롬계 분말이 불활성제와 뭉쳐지면서 철계 합금의 표면에 불필요한 물질이 첨가되고, 이에 따라 철계 합금에 지나치게 기공이 생길 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 크롬 금속 분말의 함량은 30 wt%일 수 있다.
그리고, 상기 활성제의 함량은 상기 팩 혼합물의 전체 함량 중 0.1 wt% 내지 3 wt%를 포함할 수 있다. 활성제의 함량이 0.1 wt% 미만이거나 3 wt%를 초과하면, 전술한 크롬계 분말의 함량을 고려할 때, 불균일한 크롬계 코팅층이 형성되거나 크롬계 코팅층 내부에 얼룩이 발생하여 크롬계 코팅층의 기계적 물성이 저하되는 문제가 생길 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 활성제의 함량은 1 wt%일 수 있다.
또한, 상기 불활성제의 함량은 상기 팩 혼합물의 전체 함량 중 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함할 수 있다. 불활성제의 함량이 47 wt% 미만이면 크롬계 코팅층을 이루게 될 크롬의 침투 및 확산이 원하는 정도로 이루어지지 않을 수 있고, 불활성제의 함량이 89.4 wt%를 초과하면, 크롬계 코팅층의 형성이 늦어져 크롬계 코팅층의 기계적 물성이 목표치에 미달될 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 불활성제의 함량은 69 wt%일 수 있다.
그 다음으로는, 상기 팩을 진공 챔버에 장입한 후, 상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열한다.
그 다음으로는, 상기 가열 과정이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성된다.
본 발명에서 크롬계 코팅층은 가열 온도가 유지되는 동안, 팩 혼합물을 이루는 성분 중 크롬계 분말이 활성제와 반응하여 크롬계 할로겐화합물 기체로 형성될 수 있고, 상기 크롬계 할로겐화합물 기체들이 철계 합금의 표면에 흡착되어 상기 철계 합금의 내부로 침투 및 확산되면서 형성될 수 있다.
본 발명에서 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성한 다음으로, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 형성한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스크린 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다. 상기 스크린 플라즈마 장치는 진공 챔버(10), 이중 스크린(70), 진공 펌프(40) 및 캐소드 전원부(50)를 구비한다. 도 2가 참조되어 본 발명의 스크린 플라즈마 침질탄화가 설명된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 형성하는 방법은 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)을 진공 챔버(10)에 장입하고 상기 철계 합금(2)을 이중 스크린(70)으로 커버하는 단계, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원하는 이온 클리닝 단계, 상기 이중 스크린(70)에 공정 전류를 인가하고, 상기 진공 챔버(10) 내에 제2수소 가스, 질소 가스 및 탄화수소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 혼합 플라즈마가 철계 합금(2) 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 코팅되어 침질탄화층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)을 진공 챔버(10)에 장입하고 상기 철계 합금(2)을 이중 스크린(70)으로 커버한 후, 진공 펌프(40)을 작동시켜 진공 챔버(10) 내부의 분위기를 1×10-3 Torr 내지 1×10-1 Torr 수준의 진공도로 조성한다. 이 때, 진공 챔버(10) 내벽은 플러스(+) 상대 전하가 나타나고, 이중 스크린(70)은 마이너스(-) 상대 전하가 나타나서, 진공 챔버(10) 내벽과 이중 스크린(70) 사이에 전기장이 생성된다.
진공 챔버(10)의 진공도가 1×10-1 Torr 미만일 경우에는, 진공 챔버(10) 내의 불순물이 충분히 제거되기 어려워 바람직하지 않고, 1×10-3 Torr 이내로 진공 분위기를 조성하여도 불순물이 충분히 제거될 수 있기 때문에, 1×10-3 Torr 초과로 진공 분위기를 조성하는 것은 공정상 불필요 하므로 바람직하지 않다.
본 발명의 실시예에 있어서, 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)을 진공 챔버(10)에 장입한 후, 상기 철계 합금(2)을 이중 스크린(70)으로 덮는다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 스크린(70)을 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 이중 스크린(70)은 스크린 플라즈마 공정에서 사용하는 스크린으로서, 외통(71) 및 내통(72)으로 구성되어 있으며, 하부가 개방된 원통형의 구조를 가지고 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 이중 스크린(70)은 진공 챔버(10) 내에서 글로우(glow) 방전이 발생시키는 전극 역할을 할 수 있다.
그 다음으로는, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시키는데, 이 과정을 이온클리닝이라고 한다.
상기 이온클리닝 방법은, 상기 이중 스크린(70)에 제1전류를 인가하여 상기 진공 챔버(10)를 가열하는 단계, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소를 주입하는 단계, 상기 이중 스크린(70)에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린(70) 주위에 수소 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저 이중 스크린(70)에 제1전류를 인가하면, 진공 챔버(10)의 내부 온도가 100 ℃까지 상승된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제1전류를 인가하여 진공 챔버(10)를 100 ℃로 예열하면, 스크린 사이에서 발생하는 고밀도의 글로우(glow)를 이용하여 진공 챔버(10)가 저온에서 고온으로 온도 변화가 일어날 때 열팽창에 의한 균열을 방지할 수 있고, 상기 진공 챔버(10) 내부에 있는 탄소를 태우면서 산소 및 수분을 배출시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1전류는 3 A 내지 5 A이다. 제1전류가 상기 이중스크린(70)에 인가되어 진공 챔버(10)의 내부 온도를 100 ℃까지 가열시키는 제1전류의 세기는 3 A 내지 5 A가 바람직하다.
예를 들어, 제1전류는 5 A일 수 있다.
그 다음으로는, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소를 주입한다.
본 발명의 제1수소는 수소 플라즈마를 발생시키기 위한 가스원일 수 있다.
그 다음으로는, 상기 이중 스크린(70)에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린(20) 주위에 수소 플라즈마를 발생시킨다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 이중 스크린(70)에 제2전류를 인가하면, 이중 스크린(70)의 외통(71) 및 내통(72) 사이에 글로우(glow) 방전이 발생하여, 상기 수소 플라즈마는 이중 스크린(70)의 외통(71) 및 내통(72) 사이에 존재하는 공간(S)에 수집될 수 있다. 이에 따라, 수소 플라즈마의 밀도는 단일의 스크린 플라즈마 장치보다 고밀도로 형성될 수 있다. 따라서, 별도의 외부 히터 없이 매우 적은 양의 가스 투입 및 전력량으로 스크린에 형성되는 글로우(glow)를 이용하여 공정 온도까지 진공 챔버(10)의 온도를 높이는 가열 과정을 진행할 수 있다.
예를 들어, 수소 플라즈마는 Hα, Hβ 또는 Hγ를 포함하는 수소 플라즈마종을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2전류는 5 A 내지 15 A이다. 제2전류가 상기 이중스크린(70)에 인가되어 진공 챔버(10)의 내부 온도를 250 ℃까지 가열시켜 수소 플라즈마를 발생시킬 수 있는 제2전류의 세기는 5 A 내지 15 A가 바람직하다.
예를 들어, 제1전류는 15 A일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수소 플라즈마는 진공 펌프에 의한 힘으로 진공 챔버의 중심부에 위치할 수 있다.
그 다음으로는, 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거한다.
본 발명에서 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)은 진공 챔버(10)에 장입되기 전 외부 공기와 접촉하였을 때 표면에 크롬계 산화막이 형성될 수 있다.
상기 크롬계 산화막은 침질탄화 공정을 저해하는 원인이 될 수 있으며, 철계 합금의 내식성은 좋아질 수 있으나 자기 전도성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서 진공 챔버(10)의 중심부에 위치된 수소 플라즈마가 상기 크롬계 산화막과 반응하여 크롬계 산화막을 환원시켜 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 산화막은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
본 발명의 이온 클리닝 공정 다음으로는, 이중 스크린(70)에 공정 전류를 인가하고, 진공 챔버(10) 내에 제2수소 가스, 질소 가스 및 탄화수소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시킨다.
예를 들어, 상기 혼합 플라즈마는 질소 플라즈마, 수소 플라즈마 및 탄화수소 플라즈마일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 공정 전류는 20 A 내지 30 A일 수 있다. 공정 전류가 상기 이중스크린(70)에 인가되어 진공 챔버(10)의 내부 온도를 450 ℃ 내지 550 ℃까지 가열시켜 상기 혼합 플라즈마를 발생시킬 수 있는 공정 전류의 세기는 20 A 내지 30 A가 바람직하다.
본 발명에서 상기 진공 챔버(10) 내에 제 2 수소 가스 및 탄화수소 가스가 주입되면, 제2수소 가스 및 탄화수소 가스는 진공 챔버(10) 내부가 고온 및 진공 분위기로 형성되어 있어 진공 챔버(10)에 주입되자마자 온도 및 압력의 에너지를 받아 플라즈마화 되고, 수소 플라즈마 및 탄화수소 플라즈마는 이중 스크린(70) 주변에 밀집된다.
상기 탄화수소 가스는 CH4 또는 C2H2를 포함하고 1 sccm 내지 10 sccm 가스량이 주입 구간 및 정지 구간을 반복하여 펄스 주입될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄화수소 가스를 펄스 주입함으로써 탄화수소 가스의 이온화율을 높일 수 있고, 탄소 및 질소의 확산층을 동일 시간대보다 더 깊은 깊이로 형성시킬 수 있다.
예를 들어, 수소 플라즈마는 Hα, Hβ 또는 Hγ를 포함하는 수소 플라즈마종을 포함할 수 있으며, 탄화수소 가스는 2 초 동안 주입되고 5초 동안 정지되는 구간을 반복하여 펄스 주입될 수 있다.
본 발명에서, 질소 가스는 이온화 에너지가 수소 가스보다 상대적으로 커서 플라즈마화가 원활히 이루어지지 않는다. 그러나, 이미 플라즈마화 된 수소 플라즈마가 질소 가스와 충돌하여 질소 플라즈마를 원활히 생성할 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 수소 플라즈마는 질소 플라즈마의 유동성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어 본 발명의 질소 플라즈마는 N+, N, N2 + 또는 NH3를 포함하는 질소종을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 질소 가스 대 수소 가스의 함량비는 1:3 내지 4:1일 수 있다. 더욱 바람직하게는 철계 합금이 베어링 강일 경우에는 질소 가스 대 수소 가스의 함량비가 1:3 내지 1:2가 바람직하며, 스테인리스 강일 경우에는 질소 가스 대 수소 가스의 함량비가 1:1 내지 4:1이 바람직하다.
상기 베어링 강의 경우, 상기 스테인리스 강보다 모재로의 질소 확산이 보다 어렵기 때문에, 수소 가스의 함량을 높여주어서 질소 플라즈마의 유동성을 향상시켜 질소 확산을 유도하는 것이 바람직하다. 따라서, 수소의 함량이 질소의 함량보다 높은 1:3 내지 1:2의 질소 가스 대 수소 가스의 함량비가 바람직하다. 또한, 상기 스테인리스 강일 경우, 질소를 함유하는데 유리한 철계 합금으로, 질소 확산을 보다 더 고밀도로 수행하기 위해 질소의 함량이 수소의 함량보다 높은 1:1 내지 4:1의 질소 가스 대 수소 가스의 함량비가 바람직하다.
마지막으로, 상기 혼합 플라즈마가 철계 합금(2) 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 코팅되어 침질탄화층을 형성한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 질소 플라즈마 및 탄화수소 플라즈마는 진공 펌프(40)의 영향력으로 진공 챔버(10)의 중심부에 위치하고, 상기 질소 플라즈마 및 탄화수소 플라즈마는 진공 펌프(40)가 기체를 빨아들이는 방향으로 이동하여 진공 챔버(10) 중심부에 위치하는 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)에 침투하여 상기 철계 합금(2) 표면에 침질탄화층이 형성될 수 있다.
이하, 철계 합금의 코팅 방법으로 코팅된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제품의 경도는 1450 HV 내지 2400 HV일 수 있다.
통상적인 철계 합금의 경도는 800 HV 정도 인데, 본 발명은 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 철계 합금의 경도를 높일 수 있다. 따라서 상기 공정으로 제조된 철계 합금을 모재로 하는 제품의 경도는 1450 HV 내지 2400 HV일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제품의 마찰계수는 0.3 내지 0.4일 수 있다.
본 발명은 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 철계 합금의 마찰계수를 저감시킬 수 있다. 따라서 상기 공정으로 제조된 철계 합금을 모재로 하는 제품의 마찰계수는 0.3 내지 0.4일 수 있다.
이하, 본 발명의 제조예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 제조예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
[제조예 1]
베어링 강(SUJ2) 철계 합금에 크롬( Cr ) 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침질탄화(SPNC, Screen Plasma Nitro-carburizing)층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-Cr-SPNC) 제조
1-1. 팩 시멘테이션을 이용한 크롬 코팅층 제조
철계 모재로 SUJ2를 준비한 후, 크롬 분말 30 wt%, 테트라플루오르붕산칼륨 1 wt% 및 산화알루미늄 69 wt%를 포함하는 팩 혼합물을 제조하였다. 다음으로, SUJ2 및 팩 혼합물을 팩에 투입하고, 팩을 진공 챔버에 장입한 후 진공 챔버 내부를 1 Torr의 진공도로 진공화하였다. 다음으로, 진공 챔버 내부에 아르곤 가스를 3회 공급하여 퍼징을 수행하고, 공급되는 아르곤 가스의 유량을 낮추어 진공 챔버 내부가 1 기압으로 유지되게 하였다. 다음으로, 진공 챔버 내부의 온도를 950 ℃로 설정한 상태로 10 시간을 유지하여 크롬 코팅층을 제조하였다.
1-2. 스크린 플라즈마를 이용하여 크롬 코팅층이 제조된 SUJ2에 침질탄화층 제조
상기 크롬 코팅층이 제조된 SUJ2를 진공 챔버에 장입한 후, 장입된 SUJ2를 이중 스크린으로 커버하고, 상기 진공 챔버 내의 진공도를 5×10-3 Torr 수준으로 30 분간 유지한다. 이후 진공 챔버에 제1수소 가스를 500 sccm 투입하여 진공도를 0.1 Torr로 유지하도록 한다. 다음으로, 스크린에 5 A의 전류를 인가하여 스크린 사이에서 발생하는 고밀도의 글로우(glow)를 이용하여 진공 챔버가 저온에서 고온으로 온도 변화가 일어날 때 열팽창에 의한 균열 방지를 위해 예열한다. 다음으로, 15 A의 전류를 30 분간 인가하여 진공 챔버 내부의 온도를 250 ℃까지 상승시킨다. 연속적으로 챔버에 20 A 전류를 인가하여 진공 챔버 내부의 온도를 450 ℃까지 상승시킨 후 같은 전류를 인가한 상태에서 질소 가스 250 sccm, 제2수소 가스 350 sccm을 1 시간 동안 투입 한다. 탄화수소 가스는 5 sccm을 2 초 주입한 후 5 초 정지하는 간격으로 펄스 주입하는 과정을 1 시간 동안 수행하여 크롬 코팅층이 제조된 SUJ2에 침질탄화층을 제조하였다.
[제조예 2]
베어링 강 철계 합금에 크롬-철( Cr -Fe) 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침질탄화층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-Cr-Fe-SPNC) 제조
상기 제조예 1에서 크롬 분말 대신 크롬 및 철 분말을 사용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철 코팅층이 제조된 SUJ2에 침질탄화층을 제조하였다.
[제조예 3]
베어링 강 철계 합금에 크롬-철-바나듐( Cr -Fe-V) 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침질탄화층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC) 제조
상기 제조예 1에서 크롬 분말 대신 크롬, 철 및 바나듐 분말을 사용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철-바나듐 코팅층이 제조된 SUJ2에 침질탄화층을 제조하였다.
[제조예 4]
스테인리스 강(SUS316) 철계 합금에 크롬 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침질탄화층이 코팅된 철계 합금(SUS316-Cr-SPNC) 제조
상기 제조예 1에서 베어링 강 대신 스테인리스 강을 사용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬 코팅층이 제조된 SUS316에 침질탄화층을 제조하였다.
[제조예 5]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침질탄화층이 코팅된 철계 합금(SUS316-Cr-Fe-SPNC) 제조
상기 제조예 1에서 베어링 강 대신 스테인리스 강을 사용하고, 크롬 분말 대신 크롬 및 철 분말을 사용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철 코팅층이 제조된 SUS316에 침질탄화층을 제조하였다.
[제조예 6]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철-바나듐 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침질탄화층이 코팅된 철계 합금(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC) 제조
상기 제조예 1에서 베어링 강 대신 스테인리스 강을 사용하고, 크롬 분말 대신 크롬, 철 및 바나듐 분말을 사용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철-바나듐 코팅층이 제조된 SUS316에 침질탄화층을 제조하였다.
[비교예 1]
베어링 강 철계 합금에 크롬 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침탄화(SPNC, Screen Plasma Carburizing)층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-Cr-SPC) 제조
상기 제조예 1에서 질소 가스를 사용하지 않고, 탄화수소 가스를 지속적으로 주입하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬 코팅층이 제조된 SUJ2에 침탄화층을 제조하였다.
[비교예 2]
베어링 강 철계 합금에 침질탄화층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-SPNC) 제조
상기 제조예 1에서 팩 시멘테이션을 수행하지 않는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 SUJ2에 침질탄화층을 제조하였다.
[비교예 3]
베어링 강 철계 합금에 침탄화층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-SPC) 제조
상기 제조예 1에서 팩 시멘테이션을 수행하지 않고, 스크린 플라즈마 이용 시 질소 가스를 사용하지 않고, 탄화수소 가스를 지속적으로 주입하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 SUJ2에 침탄화층을 제조하였다.
[비교예 4]
베어링 강 철계 합금에 크롬-철 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침탄화층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-Cr-Fe-SPC) 제조
상기 제조예 2에서 질소 가스를 사용하지 않고, 탄화수소 가스를 지속적으로 주입하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철 코팅층이 제조된 SUJ2에 침탄화층을 제조하였다.
[비교예 5]
베어링 강 철계 합금에 크롬-철-바나듐 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침탄화층이 코팅된 철계 합금(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC) 제조
상기 제조예 3에서 질소 가스를 사용하지 않고, 탄화수소 가스를 지속적으로 주입하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철-바나듐 코팅층이 제조된 SUJ2에 침탄화층을 제조하였다.
[비교예 6]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침탄화층이 코팅된 철계 합금(SUS316-Cr-SPC) 제조
상기 제조예 4에서 질소 가스를 사용하지 않고, 탄화수소 가스를 지속적으로 주입하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬 코팅층이 제조된 SUS316에 침탄화층을 제조하였다.
[비교예 7]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침탄화층이 코팅된 철계 합금(SUS316-Cr-Fe-SPC) 제조
상기 제조예 5에서 질소 가스를 사용하지 않고, 탄화수소 가스를 지속적으로 주입하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철 코팅층이 제조된 SUS316에 침탄화층을 제조하였다.
[비교예 8]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철-바나듐 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 침탄화층이 코팅된 철계 합금(SUS316-Cr-Fe-SPC) 제조
상기 제조예 6에서 질소 가스를 사용하지 않고, 탄화수소 가스를 지속적으로 주입하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철-바나듐 코팅층이 제조된 SUS316에 침탄화층을 제조하였다.
[실험예 1]
SUJ2-크롬계 코팅층-SPNC 및 SUJ2-크롬계 코팅층-SPC의 결정구조 분석
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층이 존재하는 SUJ2의 결정구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석을 실시하였다.
도 4는 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 코팅된 SUJ2에 침질탄화층을 코팅한 제조예 1(SUJ2-Cr-SPNC), 제조예 2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC) 및 제조예 3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)의 X-선 회절패턴들이다. 또한, 도 5는 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 코팅된 SUJ2에 침탄화층을 코팅한 비교예 1(SUJ2-Cr-SPC), 비교예 4(SUJ2-Cr-Fe-SPC) 및 비교예 5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)의 X-선 회절패턴들이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 스크린 플라즈마로 침질탄화층을 형성한 SUJ2는 침탄화층을 형성한 SUJ2와 상이한 결정구조를 나타내며, 팩 시멘테이션으로 코팅층을 제조하기 위한 크롬계 물질에 따라 상이한 결정구조를 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과로, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 이용하여 원하는 결정상을 다양하게 제조할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 SUJ2에 코팅층을 제조하기 위한 공정으로 함께 수행할 수 있는 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 2]
SUS316-크롬계 코팅층-SPNC 및 SUS316-크롬계 코팅층-SPC의 결정구조 분석
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층이 존재하는 SUS316의 결정구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석을 실시하였다.
도 6은 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 코팅된 SUS316에 침질탄화층을 코팅한 제조예 4(SUS316-Cr-SPNC), 제조예 5(SUS316-Cr-Fe-SPNC) 및 제조예 6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)의 X-선 회절패턴들이다. 또한, 도 7은 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 코팅된 SUS316에 침탄화층을 코팅한 비교예 6(SUS316-Cr-SPC), 비교예 7(SUS316-Cr-Fe-SPC) 및 비교예 8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)의 X-선 회절패턴들이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 스크린 플라즈마로 침질탄화층을 형성한 SUS316은 침탄화층을 형성한 SUS316과 상이한 결정구조를 나타내며, 팩 시멘테이션으로 코팅층을 제조하기 위한 크롬계 물질에 따라 상이한 결정구조를 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과로, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 이용하여 원하는 결정상을 다양하게 제조할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 SUS316에 코팅층을 제조하기 위한 공정으로 함께 수행할 수 있는 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 3]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층을 포함하는 SUJ2의 단면 형상 및 코팅층의 원소 함량 분석
코팅층이 형성된 SUJ2의 단면 형상 및 깊이에 따른 원소 함량을 분석하기 위하여 코팅층을 포함하는 SUJ2를 마운팅(mounting)한 후 염산으로 에칭하여 단면이 드러난 샘플을 제작하였다. 상기 샘플의 단면 형상을 광학 현미경(Optical Microscope)을 사용하여 분석하였고, 글로우 방전 분광분석법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GD-OES)으로 원소 함량 분석을 실시하였다.
도 8은 제조예 1(SUJ2-Cr-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 9는 제조예 1의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 10은 제조예 2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 11은 제조예 2의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 12는 제조예 3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 13은 제조예 3의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 13을 참조하면, 크롬 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 1의 최표면에서 질소, 탄소 및 크롬 원소의 함량이 5 wt% 이상 존재하는 것을 확인하였으며, 크롬 코팅층의 두께는 약 5 μm인 것을 확인하였다. 또한, SUJ2에 코팅된 코팅층이 균일하게 형성된 것을 확인하였다. 팩 시멘테이션으로 형성된 크롬계 코팅층에 철(Fe)이 포함된 제조예 2 및 제조예 3은 SUJ2의 최표면에 철(Fe)의 함량이 85 wt% 이상 존재하지만 그 두께는 매우 얇으며, 질소 및 탄소의 원소도 5 wt% 정도 존재하는 것을 확인하였다. 제조예 2 및 제조예 3의 코팅층의 최표면에서부터 1 μm 깊이 이후부터는 크롬 원소의 양이 다른 원소보다 많으며, 크롬 코팅층이 30 μm 이상으로 존재하는 것을 확인하였다. 또한, 제조예 3은 바나듐 코팅층이 25 μm 이상 존재하는 것을 확인하였다.
도 14는 비교예 1(SUJ2-Cr-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 15는 비교예 1의 코팅층의 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 16은 비교예 4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 17은 비교예 4의 코팅층의 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 18은 비교예 5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 19는 비교예 5의 코팅층의 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 19를 참조하면, 스크린 플라즈마로 침질탄화층이 형성된 SUJ2 및 침탄화층이 형성된 SUJ2의 단면 형상은 유사한 것으로 확인되었다. 또한, 제조예 1 및 비교예 1 또는 제조예 2 및 비교예 4의 코팅층의 원소 함량은 탄소를 제외하고 유사한 수준으로 확인되었다. 다만, 비교예 5는 제조예 3보다 크롬 및 바나듐의 원소가 코팅층의 더 깊은 곳까지 존재하며 그 깊이는 35 μm 이상인 것으로 확인되었다.
이러한 결과를 바탕으로, 팩 시멘테이션에서 크롬계 물질로 크롬 및 철 또는 크롬, 철 또는 바나듐을 혼합하여 코팅하면, 크로마이징이 되는 SUJ2의 깊이가 더 깊어지며, 스크린 플라즈마로 형성되는 침질탄화층 또는 침탄화층의 두께는 약 1 μm인 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 4]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층을 포함하는 SUS316의 단면 형상 및 코팅층의 원소 함량 분석
코팅층이 형성된 SUS316의 단면 형상 및 깊이에 따른 원소 함량을 분석하기 위하여 코팅층을 포함하는 SUS316을 마운팅(mounting)한 후 왕수로 에칭하여 단면이 드러난 샘플을 제작하였다. 상기 샘플의 단면 형상을 광학 현미경(Optical Microscope)을 사용하여 분석하였고, 글로우 방전 분광분석법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GD-OES)으로 원소 함량 분석을 실시하였다.
도 20은 제조예 4(SUS316-Cr-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 21은 제조예 4의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 22는 제조예 5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 23은 제조예 5의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 24는 제조예 6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 25는 제조예 6의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 20 내지 도 25를 참조하면, 제조예 4의 크롬 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 4의 최표면에서 크롬 원소의 함량이 20 wt% 이상 존재하는 것을 확인하였으며, 크롬 코팅층의 두께는 60 μm 이상인 것을 확인하였다. 또한, SUS316에 코팅된 코팅층이 균일하게 형성된 것을 확인하였다. 팩 시멘테이션으로 형성된 크롬계 코팅층에 철(Fe)이 포함된 제조예 5는 SUS316의 최표면에 철(Fe)의 함량이 90 wt% 이상 존재하지만 그 두께는 매우 얇으며, 질소 및 탄소의 원소도 5 wt% 정도 존재하는 것을 확인하였다. 제조예 5의 코팅층의 최표면에서부터 1 μm 깊이 이후부터는 크롬 원소의 양이 다른 원소보다 많으며, 크롬 코팅층이 60 μm 이상으로 존재하는 것을 확인하였다. 또한, 제조예 5는 바나듐 코팅층이 최표면에서 70 wt% 이상 존재하며, 제조예 5의 코팅층의 최표면에서부터 10 μm 깊이 이후부터 원소의 함량이 균일한 코팅층이 형성되는 것을 확인하였다.
도 26은 비교예 6(SUS316-Cr-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 27은 비교예 6의 코팅층의 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 28은 비교예 7(SUS316-Cr-Fe-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 29는 비교예 7의 코팅층의 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 30은 비교예 8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 31은 비교예 8의 코팅층의 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 20 내지 도 31을 참조하면, 스크린 플라즈마로 침질탄화층 또는 침탄화층이 형성된 SUS316의 단면 형상은 유사한 것으로 확인되었다. 또한, 제조예 4 및 비교예 6, 제조예 5 및 비교예 7 또는 제조예 6 및 비교예 8의 코팅층의 원소 함량은 탄소를 제외하고 유사한 수준으로 확인되었다.
이러한 결과를 바탕으로, 팩 시멘테이션에서 크롬계 물질로 크롬 및 철 또는 크롬, 철 또는 바나듐을 혼합하여 코팅하면, 크로마이징이 되는 SUS316의 깊이가 더 깊어지며, 스크린 플라즈마로 형성되는 침질탄화층 또는 침탄화층의 두께는 약 1 μm인 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 5]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층을 포함하는 SUJ2의 마찰계수 분석
코팅층의 마찰계수는 제품과 고경도 베어링 볼의 상대마찰계수를 측정하는 볼온디스크(Ball-on-Disk) 방법을 이용하였다. 볼온디스크(Ball-on-Disk) 방법은 6 mm 직경의 STB 2 볼(ball)을 이용하여. 선속도 10 mm/sec, 1N 하중로 구동하고, 이 때 상대습도는 50 %의 마모조건을 유지되도록 항온 항습실에서 마찰계수를 측정하는 방법이다.
도 32는 제조예 1(SUJ2-Cr-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이고, 도 33은 제조예 2(SUJ2-Cr-Fe-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이며, 도 34는 제조예 3(SUJ2-Cr-Fe-V-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다. 도 35는 비교예 1(SUJ2-Cr-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이고, 도 36은 비교예 4(SUJ2-Cr-Fe-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이며, 도 37은 비교예 5(SUJ2-Cr-Fe-V-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 32 내지 도 37을 참조하면, 크롬 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 1의 마찰계수는 0.5이며, 크롬 코팅층 및 침탄화층이 존재하는 비교예 2의 마찰계수는 0.6이다. 또한, 크롬-철 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 2의 마찰계수는 0.6이며, 크롬-철 코팅층 및 침탄화층이 존재하는 비교예 4의 마찰계수는 0.7이다. 또한, 크롬-철-바나듐 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 3의 마찰계수는 0.4이며, 크롬-철-바나듐 코팅층 및 침탄화층이 존재하는 비교예 5의 마찰계수는 0.6이다.
이러한 결과로, 크롬-철-바나듐 코팅층 및 침질탄화층이 형성된 제조예 3의 마찰계수가 제조예 1 및 제조예 2보다 낮은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 침질탄화층이 형성된 제조예 1, 제조예 2 및 제조예 3이 질소가 제외된 침탄화층이 형성된 비교예 1, 비교예 4 및 비교예 5보다 마찰계수가 낮은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 팩 시멘테이션에서 크롬계 물질로 크롬 및 철 또는 크롬, 철 또는 바나듐을 혼합하여 코팅하면, 마찰계수가 낮아지는 것으로 판단할 수 있다. 특히 스크린 플라즈마에서 질소 및 탄소를 모투 침투시켜 침질탄화층이 형성된 SUJ2가 탄소만을 침투시켜 침탄화층이 형성된 SUJ2보다 마찰계수가 낮아지며, SUJ2의 마찰계수를 저감시키기 위해서는 SUJ2에 질소 및 탄소를 모두 침투시켜 침질탄화층을 형성하는 것이 바람직한 것으로 판단할 수 있다.
도 38은 팩 시멘테이션을 수행하지 않고 스크린 플라즈마로 침질탄화층을 형성한 비교예 2(SUJ2-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이고, 도 39는 팩 시멘테이션을 수행하지 않고 스크린 플라즈마로 침탄화층을 형성한 비교예 3(SUJ2-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 32 및 도 38 내지 도 39를 참조하면, 팩 시멘테이션을 수행하지 않고 스크린 플라즈마로 침질탄화층을 형성한 비교예 2의 마찰계수는 0.6이며, 질소를 제외한 침탄화층을 형성한 비교예 3의 마찰계수는 또한 0.6이다.
이러한 결과로, 스크린 플라즈마만을 수행하여 침질탄화층 또는 침탄화층이 형성된 SUJ2는 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 모두 수행한 SUJ2 보다 마찰계수가 높은 것으로 판단할 수 있다. 이와 같은 결과는 SUJ2의 마찰계수를 저감시키기 위해서는 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 모두 수행하는 것이 바람직한 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 6]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층을 포함하는 SUS316의 마찰계수 분석
코팅층의 마찰계수는 제품과 고경도 스테인리스 볼의 상대마찰계수를 측정하는 볼온디스크(Ball-on-Disk) 방법을 이용하였다. 볼온디스크(Ball-on-Disk) 방법은 6 mm 직경의 STS 316 볼(ball)을 이용하여. 선속도 10 mm/sec, 1N 하중로 구동하고, 이 때 상대습도는 50 %의 마모조건을 유지되도록 항온 항습실에서 마찰계수를 측정하는 방법이다.
도 40은 제조예 4(SUS316-Cr-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이고, 도 41은 제조예 5(SUS316-Cr-Fe-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이며, 도 42는 제조예 6(SUS316-Cr-Fe-V-SPNC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다. 도 43은 비교예 6(SUS316-Cr-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이고, 도 44는 비교예 7(SUS316-Cr-Fe-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이며, 도 45는 비교예 8(SUS316-Cr-Fe-V-SPC)의 마찰계수를 측정한 그래프이다.
도 40 내지 도 45를 참조하면, 크롬 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 4의 마찰계수는 0.6이며, 크롬 코팅층 및 침탄화층이 존재하는 비교예 6의 마찰계수는 0.6이다. 또한, 크롬-철 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 5의 마찰계수는 0.4이며, 크롬-철 코팅층 및 침탄화층이 존재하는 비교예 7의 마찰계수는 0.6이다. 또한, 크롬-철-바나듐 코팅층 및 침질탄화층이 존재하는 제조예 6의 마찰계수는 0.7이며, 크롬-철-바나듐 코팅층 및 침탄화층이 존재하는 비교예 8의 마찰계수는 0.7이다.
이러한 결과로, 크롬-철 코팅층 및 침질탄화층이 형성된 제조예 5의 마찰계수가 제조예 4 및 제조예 6보다 낮은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 침질탄화층이 형성된 제조예 5가 질소를 제외한 침탄화층이 형성된 비교예 7보다 마찰계수가 낮은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 크롬 코팅층 및 크롬-철-바나듐 코팅층을 포함하는 제조예 4 및 비교예 6 또는 제조예 6 및 비교예 8은 침질탄화층 및 침탄화층에 형성에 따른 마찰계수의 차이가 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
이와 같은 결과는 팩 시멘테이션에서 크롬계 물질로 크롬 및 철을 혼합하여 코팅하면, 마찰계수가 낮아지는 것으로 판단할 수 있다. 특히 스크린 플라즈마에서 크롬-철 코팅층 상에 질소 및 탄소를 모투 침투시켜 침질탄화층이 형성된 SUS316이 탄소만을 침투시켜 침탄화층이 형성된 SUS316보다 마찰계수가 낮아지며, SUS316의 마찰계수를 저감시키기 위해서는 SUS316에 질소 및 탄소를 모두 침투시켜 침질탄화층을 형성하는 것이 바람직한 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 7]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층을 포함하는 SUJ2의 경도 분석
코팅층이 형성된 SUJ2의 경도를 분석하기 위해 마이크로 비커스 경도 측정 방법을 이용하여 경도를 측정하였다. 마이크로 비커스 경도 측정 방법은 경도를 측정하고자 하는 물질에 피라미드형 다이아몬드 인덴터로 일정 하중을 가해 새겨진 크기를 계산해서, 물질의 단단함을 측정하는 방법이다.
표 1은 SUJ2 철계 합금을 이용하여 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 실시하거나, 스크린 플라즈마만을 실시한 각 실시예들의 경도값을 나타낸 표이다.
실시예 경도 (HV) 실시예 경도 (HV)
제조예 1 2377 비교예 2 1133
비교예 1 2397 비교예 3 705
표 1을 참조하면, 팩 시멘테이션을 수행하지 않고 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 제조한 비교예 2 및 침탄화층을 제조한 비교예 3보다 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 함께 수행하여 침질탄화층을 제조한 제조예 1 및 침탄화층을 제조한 비교예 1의 경도 값이 향상되었다.
이러한 결과를 바탕으로, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 함께 수행하면 스크린 플라즈마 만을 수행할 때보다 SUJ2의 경도가 향상되는 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 8]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마로 제조된 코팅층을 포함하는 SUS316의 경도 분석
코팅층이 형성된 SUS316의 경도를 분석하기 위해 상기 실험예 7과 동일한 방법을 이용하여 경도를 측정하였다.
표 2는 SUS316 철계 합금을 이용하여 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 실시한 각 실시예들의 경도값을 나타낸 표이다.
실시예 경도 (HV) 실시예 경도 (HV)
제조예 4 1510 비교예 6 1674
제조예 5 1499 비교예 7 1853
제조예 6 1496 비교예 8 1156
표 2를 참조하면, 팩 시멘테이션 후 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화 또느 침탄화층을 형성하였을 때, 일반적인 SUS316의 경도값인 800 HV 보다 높은 경도 값을 나타내는 것을 확인하였다.
이러한 결과를 바탕으로, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 함께 수행하면 SUS316의 경도가 향상되는 것으로 판단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조예 및 실험예를 참조하면, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마를 이용하여 철계 합금 상에 크롬계 코팅층 및 침질탄화층을 제조할 수 있다. 또한, 철계 합금을 SUS316으로 이용하면 크로마이징된 크롬계 코팅층이 60 μm 이상의 두께로 형성될 수 있다. 또한 크롬계 코팅층 및 침질탄화층이 형성된 철계 합금의 마찰계수는 최소 0.4 수준으로 낮아지는 특성을 나타내고, 1450 HV 이상의 향상된 경도 특성을 나타내는 것을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
1 : 스크린 플라즈마 장치
10 : 진공 챔버
20 : 스크린
30 : 히터
40 : 진공 펌프
50 : 캐소드 전원부
60 : 히터 전원부
70 : 이중 스크린
71 : 외통
72 : 내통
2 : 철계 합금

Claims (16)

  1. 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 형성하는 단계;를 포함하는 철계 합금 코팅 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 철계 합금은 베어링 강 또는 스테인리스 강을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 크롬계 코팅층은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계는,
    팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입하는 단계;
    상기 팩을 진공 챔버에 장입하는 장입 단계;
    상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열하는 가열 단계; 및
    상기 가열 단계에서 가열이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성되는 크롬계 코팅층 형성 단계;를 포함하고,
    상기 팩 혼합물은 크롬계 분말, 상기 크롬계 분말과 반응하면서 상기 크롬계 코팅층 형성에 기여하는 활성제 및 상기 크롬계 코팅층이 형성되는 과정에서 상기 철계 합금의 소결을 방지하는 불활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 팩 혼합물의 크롬계 분말은 크롬(Cr) 분말, 크롬(Cr) 분말 및 철(Fe) 분말 또는 크롬(Cr) 분말, 철(Fe) 분말 및 바나듐(V) 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 팩 혼합물은 상기 크롬계 분말 10.5 wt% 내지 52.9 wt%, 상기 활성제 0.1 wt% 내지 3 wt% 및 상기 불활성제 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 침질탄화층을 형성하는 단계는,
    크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금을 진공 챔버에 장입하고 상기 철계 합금을 이중 스크린으로 커버하는 단계;
    상기 진공 챔버 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원하는 이온 클리닝 단계;
    상기 이중 스크린에 공정 전류를 인가하고, 상기 진공 챔버 내에 제2수소 가스, 질소 가스 및 탄화수소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    상기 혼합 플라즈마가 철계 합금 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 코팅되어 침질탄화층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 이온 클리닝 단계는,
    상기 이중 스크린에 제1전류를 인가하여 상기 진공 챔버를 가열하는 단계;
    상기 진공 챔버 내에 제1수소를 주입하는 단계;
    상기 이중 스크린에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린 주위에 수소 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1전류는 3 A 내지 5 A이고 상기 제2전류는 5 A 내지 15 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 크롬계 산화막은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 공정 전류는 20 A 내지 30 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 질소 가스 대 제2 수소 가스의 함량비는 1:3 내지 4:1인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 탄화수소 가스는 CH4 또는 C2H2를 포함하고 1 sccm 내지 10 sccm 가스량이 주입 구간 및 정지 구간을 반복하여 펄스 주입되는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  14. 제 1항의 제조방법으로 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제품의 경도는 1450 HV 내지 2400 HV인 것을 특징으로 하는 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제품의 마찰계수는 0.3 내지 0.4인 것을 특징으로 하는 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품.
PCT/KR2017/012944 2016-11-18 2017-11-15 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품 Ceased WO2018093146A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201780071249.3A CN109983147B (zh) 2016-11-18 2017-11-15 铁基合金的涂布方法及通过该方法制备的具有高硬度及低摩擦特性的产品

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160153964A KR101849997B1 (ko) 2016-11-18 2016-11-18 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품
KR10-2016-0153964 2016-11-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018093146A1 true WO2018093146A1 (ko) 2018-05-24

Family

ID=62088386

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2017/012944 Ceased WO2018093146A1 (ko) 2016-11-18 2017-11-15 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품

Country Status (3)

Country Link
KR (1) KR101849997B1 (ko)
CN (1) CN109983147B (ko)
WO (1) WO2018093146A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112210756A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 辽宁科技大学 一种铁基合金表面强耐蚀性高铬复合渗氮层的制备方法
CN115807206A (zh) * 2022-11-24 2023-03-17 北京科技大学 一种高表面疏锌性能碳钢的制备方法及疏锌性能测试方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102228437B1 (ko) * 2019-10-28 2021-03-16 (주)금강 확산침투처리를 이용한 볼 밸브의 표면코팅 방법
KR102464318B1 (ko) * 2021-02-23 2022-11-09 (주)금강 내마모성 향상을 위한 볼 밸브의 표면코팅 방법
CN115874140A (zh) 2021-09-27 2023-03-31 北京小米移动软件有限公司 金属的表层处理方法、金属组件以及电子设备
KR102906154B1 (ko) * 2025-09-15 2025-12-31 (주)플로원 다중 침투형 복합내마모층이 구비된 장치

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0647845U (ja) * 1992-12-04 1994-06-28 有限会社佐藤化成工業所 エイズ検査用精液採取器
KR200293803Y1 (ko) * 2002-08-07 2002-11-01 류희근 채변기
KR200473307Y1 (ko) * 2014-04-24 2014-06-26 강성국 대변 시료채취기
KR20160044369A (ko) * 2014-10-15 2016-04-25 유상영 인유두종 바이러스 검사를 위한 질내 시료 셀프 채취기
KR101794025B1 (ko) * 2016-11-16 2017-11-06 김관기 검체 검사에 사용되는 자가 검체 채취 기구

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0426751A (ja) * 1990-05-18 1992-01-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd オーステナイト系ステンレス鋼の表面改質処理法
KR20110096544A (ko) * 2008-12-12 2011-08-30 비수비우스 크루서블 컴패니 시멘트 공장 내화물 앵커
KR101384374B1 (ko) * 2012-03-06 2014-04-14 한국생산기술연구원 팩 시멘테이션으로 금속 소결 부품을 코팅하는 방법 및 팩 시멘테이션 코팅한 금속 소결 부품
CN202898513U (zh) * 2012-10-09 2013-04-24 江苏丰东热技术股份有限公司 大型双控温式活性屏离子渗氮装置
KR101397340B1 (ko) * 2013-03-13 2014-05-20 이승윤 금속 표면처리 방법 및 이에 따른 금속 처리물

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0647845U (ja) * 1992-12-04 1994-06-28 有限会社佐藤化成工業所 エイズ検査用精液採取器
KR200293803Y1 (ko) * 2002-08-07 2002-11-01 류희근 채변기
KR200473307Y1 (ko) * 2014-04-24 2014-06-26 강성국 대변 시료채취기
KR20160044369A (ko) * 2014-10-15 2016-04-25 유상영 인유두종 바이러스 검사를 위한 질내 시료 셀프 채취기
KR101794025B1 (ko) * 2016-11-16 2017-11-06 김관기 검체 검사에 사용되는 자가 검체 채취 기구

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112210756A (zh) * 2020-10-13 2021-01-12 辽宁科技大学 一种铁基合金表面强耐蚀性高铬复合渗氮层的制备方法
CN115807206A (zh) * 2022-11-24 2023-03-17 北京科技大学 一种高表面疏锌性能碳钢的制备方法及疏锌性能测试方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101849997B1 (ko) 2018-04-20
CN109983147A (zh) 2019-07-05
CN109983147B (zh) 2021-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2018093146A1 (ko) 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고경도 및 저마찰 특성을 갖는 제품
WO2021162424A1 (ko) 세라믹 부품 및 이를 포함하는 플라즈마 식각장치
WO2017142231A1 (ko) 금속판, 증착용마스크 및 이의 제조방법
WO2021162422A1 (ko) 세라믹 부품 및 세라믹 부품의 제조방법
WO2012047035A2 (ko) 대칭형 유입구 및 유출구를 통해 반응가스를 공급하는 기판 처리 장치
WO2019231164A1 (ko) 식각 특성이 향상된 화학기상증착 실리콘 카바이드 벌크
WO2012169847A2 (ko) 화합물 분말 제조장치, 이를 이용한 철-붕소 화합물 분말의 제조방법, 붕소합금 혼합분말과 그의 제조방법, 분말결합체와 그의 제조방법, 및 강관과 그 제조방법
WO2022131553A1 (ko) 무방향성 전기강판 및 그 제조 방법
WO2023101291A1 (ko) 내식성 및 환경 안정성이 우수한 삼원계 용융아연도금강판 표면처리용 조성물, 이를 이용하여 표면처리된 삼원계 용융아연도금강판 및 이의 제조방법
WO2017007138A1 (ko) 이온주입기용 리펠러, 캐소드, 챔버 월, 슬릿 부재 및 이를 포함하는 이온발생장치
WO2018199507A1 (ko) 전자 부품 캐리어 시트, 및 이를 이용한 점착 장치와 박막 형성장치
WO2020204290A1 (en) X-ray emitting device comprising a focusing electrode composed of a ceramic-based material
WO2017111561A1 (ko) 합금 코팅 강판 및 이의 제조방법
WO2018043766A1 (ko) 구리 박막 기판 및 이의 제조방법
WO2023287192A1 (ko) 실리콘 전구체 화합물, 이를 포함하는 실리콘-함유 막 형성용 조성물, 및 실리콘-함유 막 형성용 조성물을 이용한 막 형성 방법
WO2020218879A1 (ko) 실리콘계 점착성 보호 필름 및 이를 포함하는 광학 부재
WO2016108398A1 (ko) 유기 13족 전구체 및 이를 이용한 박막 증착 방법
WO2023177091A1 (ko) 차폐 화합물, 이를 이용한 박막 형성 방법, 이로부터 제조된 반도체 기판 및 반도체 소자
WO2023101290A1 (ko) 내식성 및 내흑변성이 우수한 삼원계 용융아연도금강판 표면처리용 조성물, 이를 이용하여 표면처리된 삼원계 용융아연도금강판 및 이의 제조방법
WO2025053724A1 (ko) 표면 증강 라만 산란 칩 및 그의 제조방법
WO2023200154A1 (ko) 루테늄 전구체 조성물, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 루테늄-함유 막의 형성 방법
WO2026038896A1 (ko) 박막 처리 방법 및 이를 포함하는 메모리 소자의 제조방법
WO2022055102A1 (ko) 히터 부재, 히터 부재 형성 방법 및 흡연용 디바이스
WO2025095543A1 (ko) 공정챔버용 금속부품에 박막을 형성시키는 원자층 증착 장치
WO2026049181A1 (ko) 유리기판 금속화 공정, 이를 포함하는 유리기판 제조 공정 및 금속화된 유리기판

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17872524

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17872524

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1