KR101823890B1 - 강의 가스 질화처리방법 - Google Patents

강의 가스 질화처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강의 가스 질화처리방법에 관한 것으로, 강을 노(furnace)에 장입하는 단계, 열처리하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하는 강의 가스 질화처리방법에 있어서, 열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 제어하여 상기 강의 표면에 γ' 단일상의 화합물층을 생성함으로써, 상기 강의 인성(靷性)을 향상시키는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법에 관한 것이다.

Description

강의 가스 질화처리방법{Method for gas nitriding of steel}
본 발명은 강의 가스 질화처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변속기용 링기어 등 강의 표면처리에 있어서, 질화처리시 질화처리상수(KN) 및 온도를 제어하여 γ' 단일상의 화합물층(compound layer)을 생성함으로써, 상기 강의 내피로성 및 내충격성 등을 개선하는 강의 가스 질화처리방법에 관한 것이다.
자동차의 경우 통상적으로 엔진, 변속기, 종감속기어 및 구동축의 순서로 회전동력이 전달되는데, 변속기(transmission)는 자동차 등 원동기의 속력이나 회전력을 바꾸는 장치이다.
일반적으로 상기 변속기에 사용되는 변속기용 링기어는 엔진동력을 차동계로 전달하는 부품 중 하나로, 재질은 강(steel)이며, 작동 중에 반복적이고 지속적인 충격을 받기에 내마모성, 내피로성 및 내충격성 등 높은 수준의 물성이 요구된다.
따라서 상기 요구되는 물성을 충족시키기 위해 소재의 표면층을 경화시킬 필요가 있는데, 종래에는 주로 진공침탄 및 가스 연질화처리 등의 표면경화법(Surface hardening)을 사용하였다.
구분 온도(℃)
 시간
(노 장입
~ 냉각)		 노내
분위기
 분위기
가스
조절		 화합물
층
 열처리 변형량(μm)
타원량 테이퍼 평면도
종래
진공침탄		 820
~ 950		 8시간
이상		 침탄
가스		 진공 없음 150
~ 250		 50
~ 100		 50
~ 100
종래
가스
연질화		 500
~ 600		 8시간
이상		 NH3
+RX 가스		 없음 ε+γ' 20
~ 30		 30
~ 50		 10
~ 20
상기 표 1은 변속기용 링기어(애뉼러스 기어)의 표면경화법으로 사용되는 종래 진공침탄 열처리 및 가스 연질화처리를 비교한 표이다.
상기 표 1에서 나타난 바와 같이, 종래 진공침탄 열처리는 약 820 ~ 950 ℃ 온도 범위에서 실시되는데, 링기어는 열변형에 매우 취약한 링형상의 기어이기 때문에 고온에서의 열처리에 의해 타원 및 테이퍼(taper) 등의 열변형이 발생하여 변속기 작동시 소음이 증대되는 문제가 있었다.
또한, 종래 가스 연질화처리의 경우 상기 진공침탄 열처리 대비 비교적 저온인 약 500 ~ 600 ℃ 온도 범위에서 실시되는데, 상변태를 수반하지 않기에 열처리 변형량이 상대적으로 작고, 상기 처리에 의해 형성되는 화합물층이 ε 상 및 γ' 상이 공존하는 복합상인바 내마모성이 우수한 장점이 있으나, 질화처리 후 냉각 시에 ε 상 및 γ' 상의 열팽창계수 차이에 의해 발생되는 응력 때문에 상의 계면에 미세 크랙이 발생하여, 기어 구동시 화합물층이 깨지거나 박리현상이 발생되는 등 인성(靷性)이 저하되고 취성이 강해지는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, AC3 변태점 이하의 온도에서 강을 가스 질화처리하여 열변형을 최소화하고, 상제어를 통해 강의 표면에 γ' 상의 단일상 조직을 가지는 화합물층을 형성함으로써 인성, 내피로성 및 내충격성 등이 향상되는 강의 가스 질화처리방법을 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 강의 가스 질화처리방법은 강을 노(furnace)에 장입하는 단계, 열처리하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하는 강의 가스 질화처리방법에 있어서, 열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 제어하여 상기 강의 표면에 γ' 단일상의 화합물층을 생성함으로써, 상기 강의 인성(靷性)을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 열처리 온도(T)는 400 내지 550 ℃ 범위 및 상기 질화처리상수(KN)는 0.5 내지 7 atm-1/2 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 노 내부에 수소 센서를 장착하여 수소 분압을 측정하고, 상기 측정된 수소 분압에 대응되는 암모니아 분압을 조절함으로써 질화처리상수(KN)를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 열처리하는 단계는 12시간 이상 열처리하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 강은 변속기용 링기어인 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 종래 진공침탄 열처리와 비교하여 공정비용이 절감되고, 상대적으로 저온에서 가스 질화처리하므로 열처리에 의한 변형이 작은 장점이 있다.
또한, 종래 가스 연질화처리의 경우 강의 표면층에 ε 상(Fe2 ~3N) 및 γ'(Fe4N) 상이 공존하는 복합상을 가지는 화합물층이 형성되는 것과 달리, 본 발명에 의한 경우 ε 상 보다 내피로성 및 내충격성 등이 우수한 γ' 상의 단일상을 가지는 화합물층이 형성됨에 따라 인성이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 강을 기본 재질로 하는 변속기용 링기어의 일반적인 제조공정을 나타낸 흐름도.
도 2는 종래 진공침탄 열처리에 따른 강의 상변태를 나타낸 상태도.
도 3은 종래 가스 연질화처리에 의해 강의 표면에 형성되는 화합물층을 나타낸 사진.
도 4는 종래 가스 연질화처리에 의해 강에 형성되는 화합물층의 박리현상을 나타낸 사진.
도 5는 철-질소의 상태도.
도 6은 KN - T (Lehrer) 평형 상태도.
도 7은 본 발명의 일실시예로 상기 가스 질화처리방법에 의해 열처리된 변속기용 링기어의 사진.
도 8은 본 발명에 의한 변속기용 링기어의 XRD 그래프.
도 9는 종래 가스 연질화처리된 변속기용 링기어의 압입 시험 결과를 나타낸 사진.
도 10은 본 발명에 의한 가스 질화처리된 변속기용 링기어의 압입 시험 결과를 나타낸 사진.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 사용되는 용어, 특히 질화처리상수(KN)는 하기 수식(1)에 의해 정의된다.
KN = PNH3/(PH2)3/2 [atm-1/2] (1),
(여기서, 상기 PNH3는 노내 분위기 중 암모니아(NH3) 기체의 분압, 상기 PH2는 노내 분위기 중 수소(H2) 기체의 분압).
이 때, 상기 수소(H2) 기체는 하기 화학식(2)에 의해 생성된다.
NH3 ↔ N + 3/2 H2 (2).
도 1은 강을 기본 재질로 하는 변속기용 링기어의 일반적인 제조공정을 나타낸 흐름도이다.
도시된 바와 같이, 탄소강 또는 합금강 등의 강재를 1000 ~ 1300 ℃ 온도범위로 가열 후 열간 단조를 실시하고, 상기 열간 단조에 의한 단조품을 냉각시킨 다음, 요구되는 물성에 따라 QT(Quenching & Tempering) 처리, 노말라이징(Normalizing) 처리 또는 어닐링(Annealing) 처리를 실시한다.
상기 QT 처리의 경우 기어의 굽힘강도 등의 내구성을 향상시키기 위한 것으로, AC3 변태점 이상의 온도에서 일정시간 유지후 Quenching 한 다음, 500 ~ 650 ℃의 온도범위에서 유지 후 공냉하는 템퍼링(Tempering)을 실시하여 200 ~ 305 Hv 수준의 경도를 얻을 수 있다.
한편, 상기 노말라이징(Normalizing) 처리 또는 어닐링(Annealing) 처리의 경우 링기어의 조직을 균일화시키기 위한 것으로, AC3 변태점 이상의 온도에서 일정시간 유지 후 공냉 또는 노냉을 실시하여 150 ~ 250 Hv 수준의 경도를 얻을 수 있다.
그 후, 상기 열처리된 부품을 기어의 형상에 맞게 선삭 가공한 다음, 브로칭 공정을 통해 기어치 가공을 실시하여 변속기용 링기어를 제조한다.
상기 변속기용 링기어는 통상적으로 가혹한 조건에서 적용되기 때문에 강의 표면을 경화시켜 물성을 향상시킬 필요가 있다.
도 2는 종래 진공침탄 열처리에 따른 강의 상변태를 나타낸 상태도이다.
도시된 바와 같이, 종래 진공침탄 열처리의 경우 변속기용 링기어 등의 강을 약 820 ~ 950 ℃ 에서 가열 및 유지한 다음, Quenching 하여 α' 상을 형성하는데, AC3 이상의 고온에서 열처리를 함에 따라 상변태를 수반하므로 열변형이 크며, 특히 변속기용 링기어가 상기 열처리를 거치는 경우 열변형이 발생하여 변속기 작동 시에 소음이 발생되는 문제가 있었다.
한편, 도 3은 종래 가스 연질화처리에 의해 강의 표면에 형성되는 화합물층을 나타낸 사진이고, 도 4는 종래 가스 연질화처리에 의해 강에 형성되는 화합물층의 박리현상을 나타낸 사진이다.
도시된 바와 같이, 종래 가스 연질화처리에 의해 복합상을 가지는 화합물층이 형성됨에 따라, 취성이 강해져 박리현상 등의 취성파괴가 발생되는 문제가 있었다.
이와 달리, 이하에 의해 설명되는 본 발명에 의한 강의 가스 질화처리방법은 노 장입에서 냉각까지의 질화처리 중, 열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 제어하여 상기 강의 표면에 γ' 단일상의 화합물층(conpound layer)을 생성함으로써, 내피로성, 내충격성 및 인성 등을 향상시킬 수 있으며, 이를 변속기용 링기어 등에 적용하여 가혹한 조건에서도 내구성을 보장할 수 있다.
도 5는 철-질소의 상태도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 가스 질화처리방법은 내피로성 및 내충격성 등의 내구성이 우수한, γ' 상(Fe4N)의 단일상 조직을 가지는 화합물층을 생성하는 것을 목적으로 하는데, 상태도 내의 γ' 상(Fe4N) 영역이 협소하기 때문에 일반적인 질화처리에 의해 온도 및 질소의 원자백분율(atomic percent)을 제어하여 상기 상(phase)을 얻는 것은 매우 어렵다.
그러나, 이하에서 설명되는 KN - T (Lehrer) 평형 상태도를 이용하여 상제어 가스 질화처리를 함으로써 강의 표면에 γ' 상(Fe4N)의 단일상 조직을 가지는 화합물층을 생성할 수 있다.
도 6은 KN - T (Lehrer) 평형 상태도이다.
도시된 바와 같이, 상기 상태도는 열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 변수로 하는 평형상태의 상을 나타낸 도면인데, 강의 가스 질화처리방법에 있어서, 상기 열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN) 값을 조절함으로써 강의 표면에 종래 질화처리에 의해 얻기 어려운 고인성 γ' 상(Fe4N)의 화합물층을 형성할 수 있다.
구분 열처리 온도(℃) 열처리 시간
(노 장입~냉각)		 노내 분위기 분위기 가스 조절
발명 열처리 400 ~ 550 12시간 이상 NH3 KN 값 조절 :
0.5 ~ 7 atm-1/2
상기 표 2는 상기 KN - T (Lehrer) 평형 상태도를 토대로 강의 표면에 γ' 단일상의 화합물층을 생성하기 위한 조건을 나타낸 표이다.
즉, 강을 노(furnace)에 장입하는 단계, 열처리하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하는 강의 가스 질화처리방법에 있어서, 암모니아(NH3)의 노내 분위기 하에 상기 열처리 온도(T)는 400 내지 550 ℃ 범위 및 상기 질화처리상수(KN)는 0.5 내지 7 atm-1/2 범위 내에서 제어되어야 상기 강의 표면에 γ' 단일상의 화합물층이 생성된다.
이 때, 상기 질화처리상수(KN)는 상기 노 내부에 수소 센서를 장착하여 수소 분압을 측정하고, 상기 측정된 수소 분압에 대응되는 암모니아 분압을 조절함으로써 제어될 수 있다.
또한, 상이 형성되어 실제로 평형상태에 도달하기까지는 어느 정도의 시간이 걸리는데, 상기 열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN)의 조건 하에서 γ' 단일상을 형성하기 위해 요구되는 열처리 시간은 적어도 12 시간 이상이다.
이와 같이, 본 발명에 의한 가스 질화처리방법을 사용하면 강의 인성을 향상시킬 수 있는데, 특히 고인성이 요구되는 변속기용 링기어에 적용함으로써 원하는 물성을 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예로 상기 가스 질화처리방법에 의해 열처리된 변속기용 링기어의 사진이고, 도 8은 본 발명에 의한 변속기용 링기어의 XRD 그래프이다.
도시된 바와 같이, 상기 XRD 그래프를 통해 가스 질화처리 시 열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 조절함으로써 고인성 γ' 상(Fe4N)의 화합물층이 형성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 종래 진공침탄처리와 대비하여 비교적 저온에서 열처리를 실시하기에, 열처리에 의한 변형이 작아 상기 링기어를 변속기에 적용시 소음이 감소되는 효과가 있다.(33dB -> 25 dB)
도 9는 종래 가스 연질화처리된 변속기용 링기어의 압입 시험 결과를 나타낸 사진이고, 도 10은 본 발명에 의한 가스 질화처리된 변속기용 링기어의 압입 시험 결과를 나타낸 사진이다.
도시된 바와 같이, 종래 가스 연질화처리된 변속기용 링기어에서 크랙(crack)이 발생되는 것과 대비하여 본 발명에 의한 가스 질화처리된 변속기용 링기어에서는 크랙이 발생되지 않는데, 이는 강의 표면에 γ' 상(Fe4N)의 화합물층이 형성되어 인성이 향상되었기 때문이다.

Claims (5)

  1. 강을 노(furnace)에 장입하는 단계, 열처리하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하는 강의 가스 질화처리방법에 있어서,
    열처리 온도(T) 및 질화처리상수(KN)를 제어하여 상기 강의 표면에 γ' 단일상의 화합물층을 생성함으로써, 상기 강의 인성(靷性)을 향상시키며,
    상기 열처리 온도(T)는 400 내지 550 ℃ 범위 및 상기 질화처리상수(KN)는 0.5 내지 7 atm-1/2 범위 내이고,
    상기 열처리하는 단계는 12시간 이상 열처리하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노 내부에 수소 센서를 장착하여 수소 분압을 측정하고,
    상기 측정된 수소 분압에 대응되는 암모니아 분압을 조절함으로써 질화처리상수(KN)를 제어하는 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 변속기용 링기어인 것을 특징으로 하는 강의 가스 질화처리방법.
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