KR100837789B1

KR100837789B1 - 질화처리방법

Info

Publication number: KR100837789B1
Application number: KR1020070020854A
Authority: KR
Inventors: 송창훈
Original assignee: 정익수
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-06-13

Abstract

본 발명은 철강제 단조품의 내부 경도를 저하시키지 않고 비교적 높은 내부 경도를 유지할 수 있는 질화처리방법에 관한 것이다.

본 발명의 질화처리방법은 질화로의 내부에 피처리물을 장입하고, 암모니아(NH₃) 가스를 주입하면서 내부온도가 480 ~ 560℃ 범위가 되도록 소정 시간 동안 승온하는 장입 및 승온단계; 상기 장입 및 승온단계의 최종 온도를 그대로 유지하면서 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 아산화질소(N₂O) 가스를 일정 조성 비율로 주입하여 소정 시간 동안 질화처리하는 질화단계; 상기 질화로의 내부에 질소(N₂) 가스를 주입하면서 소정 시간 동안 잔류가스를 배출, 제거하고 내부 온도를 소정 온도범위로 냉각시키는 퍼징단계; 상기 퍼징단계의 최종 온도를 일정 시간동안 유지하고 질소(N₂) 가스를 주입하면서 물(H₂O)을 이용하여 산화처리를 시행하는 산화단계; 및 상기 산화단계에 의해 산화된 피처리물을 상온까지 냉각시키는 냉각단계를 포함한다.

이에 의해, 질화처리가 낮은 온도에서 수행되므로 피처리물의 내부 경도 약화현상이 최소화되면서 기계적 강성과 내구성을 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

단조품, 질화처리, 내부 경도

Description

질화처리방법{NITRIDING TREATMENT METHOD}

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화처리방법을 설명하기 위한 공정도,

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화처리방법의 온도-시간 그래프이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 세척단계 20: 장입 및 승온단계

30: 질화단계 40: 퍼징단계

50: 산화단계 60: 냉각단계

본 발명은 질화처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 철강제 단조품의 내부 경도를 저하시키지 않고 비교적 높은 내부 경도를 유지할 수 있는 질화처리방법에 관한 것이다.

질화처리는 단조 등의 방법으로 제조된 철강제품에 내식성을 향상시키거나 도료의 도포성을 향상시키기 위한 표면 후처리공정으로 이용되고 있다.

질화처리방법으로는 가스질화법, 가스연질화법, 염욕연질화법, 이온질화법 등의 방법이 있으며, 그 중 주로 가스질화법과 가스연질화법이 이용되고 있다.

가스질화법은 NH₃ 가스만을 이용하여 질화처리를 수행하는 방법으로서, NH₃ 가스가 열분해되어 생성된 N₂와 H₂가 촉매작용에 의해 철강의 표면에 원자상의 N과 H를 생성하고, 활성이 큰 N이 표면에서 내부로 확산되면서 표면에 질화층을 형성하는 한편 내부에 N이 확산된 확산층을 생성하는 방법이다. 그러나, 가스질화법은 처리시간이 너무 길고, 질화층에 다공질층이 형성되어 취성이 발생된다는 단점이 있다.

가스연질화법은 흡열형 변성가스와 암모니아 가스를 1:1의 비율로 혼합하여 질화로에 투입하여 시행하게 된다.

예컨대, 일정 비율로 N₂, CO₂, 및 NH₃를 질화로에 투입하게 되면, NH₃는 다음의 화학식 1에 나타난 바와 같이 (N)을 발생하여 피처리물에 질화가 일어나고, CO₂는 화학식 1에서 생성된 H₂와 화학식 2와 같이 반응하여 CO와 H₂O를 생성한다.

화학식 2에서 생성된 CO는 화학식 3에 나타난 바와 같이 (C)를 생성하여 피처리물에 침탄을 일으키게 된다.

이와 같이 가스연질화법에서는 CO₂를 첨가함으로써 변성가스를 사용하지 않고 침탄할 수 있고, 질화반응을 저해하는 H₂와 반응하므로 질화속도를 높일 수 있는 장점이 있으나, 피처리물의 경도가 지나치게 저하되는 문제점이 있었다.

2NH₃ -> 3H₂ + 2(N)

CO₂ + H₂ -> CO + H₂O

2CO -> CO₂ + (C)

한편, 최근에는 가스질화법과 가스연질화법의 장점을 이용한 질화처리방법으로서, 피처리물을 질화로에 장입한 상태에서 질화온도에 도달될 때까지 NH₃ 가스만을 투입하는 가스질화법을 이용하고, 피처리물의 질화온도에 이르게 되면 N₂, CO₂, 및 NH₃를 질화로에 투입하는 가스연질화법을 이용하여 질화처리를 수행하는 방법이 제안되어 있다.

이와 같은 가스질화법과 가스연질화법을 혼용한 질화처리방법에서의 열처리는 질화처리 효율이 높은 580℃ 이상의 고온에서 시행하게 된다.

그러나, 피처리물이 고온 영역에서 장시간 노출되면 피처리물의 내부 경도가 현저히 저하되고, 결정립 조대화(組大化) 및 석출물의 조대화 등을 유발시켜 기계적 특성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 피처리물의 내부 경도 저하는 단조제품에 특히 심하게 나타남을 확인 할 수 있었다.

자동차용 부품으로서 윈도우 브러쉬장치에 적용되는 볼 스터드(Ball stud)의 예를 들어 살펴보면, 경도가 76 HRB(로크웰경도 B스케일 하중 100kgf 1/16"볼)인 원재료를 단조하여 형성한 제품의 경도가 85 ~ 88 HRB 범위로 측정된 상태에서 상기 종래 질화처리방법으로 질화처리를 수행한 후의 경도를 측정하여 본 결과, 63 ~ 69 HRB 범위의 경도가 얻어짐을 실험적으로 확인할 수 있었다.

즉, 단조제품의 경우 질화처리 전후에 내부 경도가 과도하게 약화되어 일정한 기계적 강성을 유지할 수 없어서 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

이에 따라, 종래의 질화처리방법에 의해 질화처리된 단조품을 열악한 외부환경에 노출되어 계속적인 작동력을 인가받는 장치 등에 적용할 경우 작동의 신뢰성을 확보할 수 없고, 안전성에 심각한 문제점을 갖는 것이다.

또한, 단조품의 내부 경도가 특정 경도로 정해져 양품을 판단하는 경우에는 이와 같은 조건을 만족할 수 없는 불량품이 양산되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 단조품을 질화처리하는 과정에서도 내부 경도가 약화되는 현상이 최소화되도록 하여 강성과 내구성이 유지되도록 한 질화처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 질화처리방법은, 질화처리방법에 있어서, 질화로의 내부에 피처리물을 장입하고, 암모니아(NH₃) 가스를 주입하면서 내부온도가 480 ~ 560℃ 범위가 되도록 소정 시간 동안 승온하는 장입 및 승온단계; 상기 장입 및 승온단계의 최종 온도를 그대로 유지하면서 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 아산화질소(N₂O) 가스를 일정 조성 비율로 주입하여 소정 시간 동안 질화처리하는 질화단계; 상기 질화로의 내부에 질소(N₂) 가스를 주입하면서 소정 시간 동안 잔류가스를 배출, 제거하고 내부 온도를 소정 온도범위로 냉각시키는 퍼징단계; 상기 퍼징단계의 최종 온도를 일정 시간동안 유지하고 질소(N₂) 가스를 주입하면서 물(H₂O)을 이용하여 산화처리를 시행하는 산화단계; 및 상기 산화단계에 의해 산화된 피처리물을 상온까지 냉각시키는 냉각단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따른 질화처리방법에서, 상기 질화단계에서 혼합가스의 조성비는 암모니아(NH₃) 50 ~ 80부피%, 질소(N₂) 10 ~ 30부피%, 및 아산화질소(N₂O) 5 ~ 20부피%의 범위이고, 질화로 내부 압력이 50 ~ 300mbar가 되도록 혼합가스를 주입할 수 있다.

상기 장입 및 승온단계의 승온 시간은 40 ~ 80분(min)이고, 상기 질화단계의 질화시간은 60 ~ 120분이며, 상기 퍼징단계의 수행시간은 10 ~ 30분이고, 상기 산화단계의 산화시간은 10 ~ 50분으로 할 수 있다.

그리고, 상기 산화단계에서 주입되는 물(H₂O)은 50 ~ 300mbar 범위의 압력으 로 분사되는 스팀일 수 있다.

상기 질화단계의 질화로 내부온도는 515 ~ 535℃ 범위이고, 상기 산화단계의 질화로 내부온도는 505 ~ 525℃ 범위로 할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화처리방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화처리방법의 온도-시간 그래프이다.

도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화처리방법은 장입 및 승온단계(20), 질화단계(30), 퍼징단계(40), 산화단계(50), 및 냉각단계(60)가 순차적으로 시행되어 피처리물의 표면을 질화처리하게 된다.

장입 및 승온단계(20)의 선행단계로서, 피처리물에 부착된 이물질, 절삭유, 방청유 등과 같이 질화처리에 방해가 되는 물질들을 제거하기 위한 세척단계(10)가 시행될 수 있다. 예컨대, 90 ~ 100℃ 정도의 세척액, 트리클로로에틸렌(TCE,trichloroethylene)이 채워진 세척조에 피처리물을 투입하고, 훈증방식으로 40 ~ 80분 정도의 시간 동안 체류시켜 질화 방해물질을 제거할 수 있다. 이때 세척액의 PH 농도는 PH7 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.

다음, 장입 및 승온단계(20)에서는 질화로의 내부에 피처리물을 장입하고, 암모니아(NH₃) 가스를 주입하면서 내부 온도를 소정 시간 동안 480 ~ 560℃ 범위의 일정 온도가 되도록 한다.

여기서, 승온 시간은 40 ~ 80분으로 하여 온도를 점진적으로 상승시킨다. 내 부온도가 낮게 유지될수록 질화처리 후의 내부 경도 약화현상이 저감되는 효과가 있으나, 후술되는 질화단계(30)에서 질화품질에 영향을 미칠 수 있으므로 480 ~ 560℃, 바람직하게는 515 ~ 535℃의 온도범위로 내부 온도를 상승 및 유지시키는 것이 좋다. 더욱 바람직하게는 60분 동안 525℃의 온도가 되도록 하는 것이 더욱 양호한 효과를 발휘할 수 있음을 실험적으로 확인할 수 있었다. 또한, 암모니아(NH₃) 가스의 주입량은 질화단계(30)에서 주입되는 암모니아(NH₃) 가스의 주입량에 대해 40 ~ 60부피% 범위가 적당하다.

질화단계(30)는 장입 및 승온단계(20)의 최종 온도를 그대로 유지하는 동시에 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 아산화질소(N₂O) 가스를 일정 조성 비율로 주입하면서 소정 시간 동안 질화처리하여 피처리물의 표면에 질화층을 형성하는 단계이다.

질화단계(30)에서 혼합가스의 조성비는 암모니아(NH₃) 50 ~ 80부피%, 질소(N₂) 10 ~ 30부피%, 및 아산화질소(N₂O) 5 ~ 20부피%로 선택될 수 있으며, 질화로 내부 압력이 50 ~ 300mbar가 되도록 혼합가스를 주입한다.

그리고, 질화단계(30)의 질화시간은 60 ~ 120분, 질화로 내부온도는 515 ~ 535℃가 되도록 하는 것이 바람직하며, 525℃ 내외의 온도에서 90±10분 정도의 시간 동안 시행하는 것이 더욱 바람직하다.

퍼징단계(40)는 질화로의 내부 분위기를 질화단계(30)에서 산화단계(50)로 전환시키기 위한 잔류가스 제거공정으로, 즉 질화로의 내부에 질소(N₂) 가스를 주입하여 질화단계(30)에서 잔류되는 암모니아(NH₃), 아산화질소(N₂O) 가스 등을 소정 시간 동안 배기시키면서 내부 온도를 10 ~ 30℃ 범위로 냉각시키게 된다.

그 수행시간은 10 ~ 30분 정도로 시행하게 되며, 본 실시예에서는 15분 동안 내부 온도가 10℃ 정도 하강되도록 하여 질화로 내부 온도가 515℃ 에 도달될 까지 시행하였다. 이때, 잔류가스를 제거하도록 주입되는 질소(N₂) 가스의 주입 압력은 40mbar 이상이 바람직하다.

산화단계(50)는 퍼징단계(40)의 온도를 일정 시간동안 유지하고 질소(N₂) 가스를 주입하면서 물(H₂O)을 이용하여 산화처리를 시행함으로써 피처리물에 내식성을 부여하는 단계이다.

이때, 질화로의 내부온도를 505 ~ 525℃ 범위로 하고 산화시간이 10 ~ 50분 정도의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 515℃의 온도에서 15분 정도 시행하였다.

산화단계(50)에서 주입되는 H₂O는 50 ~ 300mbar 정도의 압력으로 분사되는 스팀으로 하여 질화로의 내부 온도변화를 최소화하는 것이 바람직하다.

냉각단계(60)는 산화단계(50)에 의해 산화된 피처리물을 상온에 도달될 때 까지 냉각시키는 단계로서, 냉각단계(60)가 질화로 내부에서 수행됨을 고려하여 본 실시예에서는 냉각방식으로 공냉방식을 채용하였으나 수냉방식으로 대체할 수 있다 는 것을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화처리방법을 자동차용 부품으로서 윈도우 브러쉬장치에 설치되는 직경 13φ의 볼 스터드(Ball stud)에 적용하여 질화처리를 시행한 결과, 질화단계(30) 및 산화단계(50)에 의해 얻어지는 화합물층의 두께가 8 ~ 20미크론(㎛) 범위로 측정되어 충분한 표면 내식성과 강도가 확보됨을 알 수 있었다.

이와 같이 질화로의 내부 온도가 상대적으로 낮은 환경에서도 두꺼운 화합물층을 얻을 수 있는 것은, 아산화질소(N₂O) 가스가 질화단계(30)에서 열분해되어 생성된 산소가 환원성이 강하고 질화반응을 저해하는 수소(H₂)와 결합하여 물(H₂O)을 생성함으로써 질화 전위를 높여주기 때문이다.

또한, 질화처리 전에 내부 경도가 85 ~ 88 HRB (로크웰경도 B스케일 하중 100kgf 1/16"볼)로 측정된 냉간단조된 볼 스터드 원재료를 본 발명에 따라 질화처리한 후 그 내부 경도가 81 ~ 87 HRB 정도를 유지하는 것으로 측정되었다.

전술한 바와 같이, 동일한 볼 스터드 원재료가 종래 질화처리방법에 의해 내부 경도가 63 ~ 69 HRB로 저하되던 것과 비교하여, 본 발명에 의해 내부 경도의 약화 정도가 상당히 개선되었고 일정한 기계적 강성과 내구성을 유지하고 있음을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 질화처리방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

본 발명의 질화처리방법은, 질화처리가 580℃ 이상의 고온에서 수행되는 종래의 질화처리방법 보다 상대적으로 낮은 온도에서 수행되고 아산화질소(N₂O)에 의해 질화 전위가 상승되므로, 피처리물의 내부 경도 약화현상이 최소화되면서도 기계적 강성과 내구성을 일정하게 유지할 수 있다.

특히, 일정한 내부 경도가 요구되는 단조품의 질화처리시에 적절한 두께의 화합물층을 형성하면서도 내부 경도의 약화현상을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

질화처리방법에 있어서,

질화로의 내부에 피처리물을 장입하고, 암모니아(NH₃) 가스를 주입하면서 내부온도가 480 ~ 560℃ 범위가 되도록 40 ~ 80분 동안 승온하는 장입 및 승온단계;

상기 장입 및 승온단계의 최종 온도를 그대로 유지하면서 암모니아(NH₃), 질소(N₂), 및 아산화질소(N₂O) 가스를 일정 조성 비율로 주입하여 60 ~ 120분 동안 질화처리하는 질화단계;

상기 질화로의 내부에 질소(N₂) 가스를 주입하면서 10 ~ 30분 동안 잔류가스를 배출, 제거하고 내부 온도를 상기 질화단계의 내부 온도로부터 10 ~ 30℃ 온도범위로 냉각시키는 퍼징단계;

상기 퍼징단계의 최종 온도를 10 ~ 50분 동안 유지하고 질소(N₂) 가스를 주입하면서 물(H₂O)을 이용하여 산화처리를 시행하는 산화단계; 및

상기 산화단계에 의해 산화된 피처리물을 상온까지 냉각시키는 냉각단계를 포함하되,

상기 질화단계에서 혼합가스의 조성비는 암모니아(NH₃) 50 ~ 80부피%, 질소(N₂) 10 ~ 30부피%, 및 아산화질소(N₂O) 5 ~ 20부피%이고, 질화로 내부 압력이 50 ~ 300mbar가 되도록 상기 혼합가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 질화처리방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 산화단계에서 주입되는 물(H₂O)은 50 ~ 300mbar 범위의 압력으로 분사되는 스팀인 것을 특징으로 하는 질화처리방법.
제1항 또는 제4항에 있어서,

상기 질화단계의 질화로 내부온도는 515 ~ 535℃ 범위이고, 상기 산화단계의 질화로 내부온도는 505 ~ 525℃ 범위인 것을 특징으로 하는 질화처리방법.