[학위논문]플라즈마 침류질화시 H₂S & C₃H_(8) Gas첨가에 따른 S45C 탄소강의 표면 미세 구조 및 마찰, 마모에 관한 연구 A study on the Surface Microstructure and its effect on the friction coefficient of S45C carbon steel by plasma sulf-nitriding with H₂S and C₃H_(8) gas원문보기
기계 및 자동차에 사용되는 금속재료의 주된 단점으로는 마찰, 마모로 인한 재료의 성능 및 수명 저하이다. 따라서 마찰, 마모의 문제를 해결하기 위하여 여러 가지 재료의 개발 및 표면 처리 방법이 연구되어 왔다. 특히 표면 처리방법에서 질소 가스를 반응가스로 하여 모재 표면의 질화 처리 방법이 많이 응용되고 있으며, 특히, 마찰특성을 향상시키기 위한 침류질화 방법이 최근 연구되어 금속재료의 마찰 및 마모특성의 향상을 위해 활용되고 있다. 침류질화 처리법은 모재표면에 FeS로 형성된 침류질화층의 형성이 중요한 요인으로 작용하는데, 이 때 형성된 FeS의 특성은 평평한 밀집 구조를 가지고 있으며 소성 변형이 좋고 마찰면의 금속간 결합을 억제한다. 또한 접융면적을 증가시키며 접융면압의 저하를 가져오게 하여 Scuffing에 대한 저항성 및 내소부성을 우수하게 한다. 따라서 마찰 및 마모특성을 향상 시켜준다. 그러나 이러한 현상의 주요 원인을 학문적으로 근접한 사례는 아직까지 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 ...
기계 및 자동차에 사용되는 금속재료의 주된 단점으로는 마찰, 마모로 인한 재료의 성능 및 수명 저하이다. 따라서 마찰, 마모의 문제를 해결하기 위하여 여러 가지 재료의 개발 및 표면 처리 방법이 연구되어 왔다. 특히 표면 처리방법에서 질소 가스를 반응가스로 하여 모재 표면의 질화 처리 방법이 많이 응용되고 있으며, 특히, 마찰특성을 향상시키기 위한 침류질화 방법이 최근 연구되어 금속재료의 마찰 및 마모특성의 향상을 위해 활용되고 있다. 침류질화 처리법은 모재표면에 FeS로 형성된 침류질화층의 형성이 중요한 요인으로 작용하는데, 이 때 형성된 FeS의 특성은 평평한 밀집 구조를 가지고 있으며 소성 변형이 좋고 마찰면의 금속간 결합을 억제한다. 또한 접융면적을 증가시키며 접융면압의 저하를 가져오게 하여 Scuffing에 대한 저항성 및 내소부성을 우수하게 한다. 따라서 마찰 및 마모특성을 향상 시켜준다. 그러나 이러한 현상의 주요 원인을 학문적으로 근접한 사례는 아직까지 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 플라즈마 침류 질화법시 마찰 계수의 감소에 미치는 영향 인자를 새롭게 규명하고, 가스 조성 및 공정 변수를 변경하여 이러한 질화 공정을 통해서 부품의 수명 향상에 기대되는 저마찰계수의 실현과 또한 공정 변수에 따라 변화하는 미세조직을 연구함으로서 기존의 질화 공정을 향상 발전시키고 공구 및 자동차 부품 등에 적용하여 경제적인 공정 개발과 함께 각각의 물성 향상을 이룰 수 있을 것이라 본다. 본 연구에서는 특히, 기존의 연구들이 황이 석출되기보다는 입계지역에 침입되는 형태로 존재하도록 100 ppm(10sccm) 미만의 H₂S 가스를 첨가한 것에 비해 1000 ppm(100sccm) 이상의 H₂S 가스를 첨가하여 저마찰계수를 갖는 최적의 H₂S 가스량을 도출하고 형성된 육방정계의 황화철층의 물성 향상 및 미세화를 통한 표면마찰 특성의 극대화를 위한 연구이다. 최적의 마찰특성을 갖는 침류질화 처리 조건에 C₃H_(8) 가스를 첨가하고 공정온도 변화를 통하여 FeS의 다공성 화합물층의 조직변화를 조사하고 그에 따른 상변화 및 마찰특성을 조사하여 보았다. 결국 본 연구의 연구 방향은 다음과 같이 정리된다. 첫번째, 침류질화 처리는 550℃, 2torr의 압력에서 4시간 실시하였으며, 변수로는 H₂S 가스량을 변화하여 저뗏馨雍嗤?갖는 최적의 가스 조건을 도출하였다. 두번째, 최적의 H₂S 가스 조건에 C₃H_(8) 가스를 첨가하여 침류 질화 처리와 비교, 분석 하면서 새롭게 형성된 표면조직의 마찰, 마모특성 향상의 원인을 분석하였다. 세번째, 새로운 미세조직의 온도 변화에 따른 크기 및 마찰특성을 관찰하고 최적공정을 도출하였다. H₂S 가스 첨가에 따라 표면 미세경도는 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경도의 감소는 표면층에 형성되는 다공성의 FeS에 의한 것으로서FeS는 최표면에서만 나타났다. 마찰계수는 N2-H₂S(5%) 700sccm을 첨가하였을 때 0.5초반으로 가장 낮게 나타났으며 가스량이 그 이상이 되면 박리현상이 나타나면서 마찰계수는 다시 높아지는 경향을 보였다. 침류질화 처리시 C₃H_(8)가스의 첨가로 인해 침류질화시 나타났던 표면 경도 저하 현상은 크게 줄었다. 또한 화합물층의 두께는 작아졌으며 기존의 침류질화 조직과는 다른 형태의 새로운 조직이 형성되며 이 조직은 더욱 미세하고 치밀해진 형태를 나타내었다. 마찰계수는 H₂S 700, C₃H_(8) 100sccm 조건에서 약0.4를 나타내어 침류질화 처리에 비하여 낮아짐을 관찰하였다. 마모트랙 관찰 결과 강한 화합물층의 표면 구조가 마모로 인해 떨어져 나간 FeS의 미세한 입자들을 입자 사이에 가두게 되어 이탈을 방지하고 이러한 미세한 입자들은 강한 화합물위에서 오랫동안 머물게 됨으로써 높은 하중을 분산시키면서도 윤활 효과를 나타내 마찰 특성의 향상과 유지가 가능 한 것으로 판단되어진다. 이러한 조직은 온도에 따라 500℃에서 처리된 표면 미세조직이 50㎜ 미만으로 더욱 미세해지면서 마찰계수 또한 0.2이하로 극히 낮아졌음을 관찰하였다. 따라서 최적 조직은 연질화 처리를 통해 두꺼운 화합물층을 형성 후 본 연구에서의 침류질화처리를 표면에 실시함으로써 마찰, 마모특성이 우수한 침류질화층의 형성과 이러한 기술을 자동차, 기계 부품 등에 적용함으로써 연비향상과 수명 향상에 큰 효과가 있을 것이라 기대된다.
기계 및 자동차에 사용되는 금속재료의 주된 단점으로는 마찰, 마모로 인한 재료의 성능 및 수명 저하이다. 따라서 마찰, 마모의 문제를 해결하기 위하여 여러 가지 재료의 개발 및 표면 처리 방법이 연구되어 왔다. 특히 표면 처리방법에서 질소 가스를 반응가스로 하여 모재 표면의 질화 처리 방법이 많이 응용되고 있으며, 특히, 마찰특성을 향상시키기 위한 침류질화 방법이 최근 연구되어 금속재료의 마찰 및 마모특성의 향상을 위해 활용되고 있다. 침류질화 처리법은 모재표면에 FeS로 형성된 침류질화층의 형성이 중요한 요인으로 작용하는데, 이 때 형성된 FeS의 특성은 평평한 밀집 구조를 가지고 있으며 소성 변형이 좋고 마찰면의 금속간 결합을 억제한다. 또한 접융면적을 증가시키며 접융면압의 저하를 가져오게 하여 Scuffing에 대한 저항성 및 내소부성을 우수하게 한다. 따라서 마찰 및 마모특성을 향상 시켜준다. 그러나 이러한 현상의 주요 원인을 학문적으로 근접한 사례는 아직까지 많지 않다. 따라서 본 연구에서는 플라즈마 침류 질화법시 마찰 계수의 감소에 미치는 영향 인자를 새롭게 규명하고, 가스 조성 및 공정 변수를 변경하여 이러한 질화 공정을 통해서 부품의 수명 향상에 기대되는 저마찰계수의 실현과 또한 공정 변수에 따라 변화하는 미세조직을 연구함으로서 기존의 질화 공정을 향상 발전시키고 공구 및 자동차 부품 등에 적용하여 경제적인 공정 개발과 함께 각각의 물성 향상을 이룰 수 있을 것이라 본다. 본 연구에서는 특히, 기존의 연구들이 황이 석출되기보다는 입계지역에 침입되는 형태로 존재하도록 100 ppm(10sccm) 미만의 H₂S 가스를 첨가한 것에 비해 1000 ppm(100sccm) 이상의 H₂S 가스를 첨가하여 저마찰계수를 갖는 최적의 H₂S 가스량을 도출하고 형성된 육방정계의 황화철층의 물성 향상 및 미세화를 통한 표면마찰 특성의 극대화를 위한 연구이다. 최적의 마찰특성을 갖는 침류질화 처리 조건에 C₃H_(8) 가스를 첨가하고 공정온도 변화를 통하여 FeS의 다공성 화합물층의 조직변화를 조사하고 그에 따른 상변화 및 마찰특성을 조사하여 보았다. 결국 본 연구의 연구 방향은 다음과 같이 정리된다. 첫번째, 침류질화 처리는 550℃, 2torr의 압력에서 4시간 실시하였으며, 변수로는 H₂S 가스량을 변화하여 저뗏馨雍嗤?갖는 최적의 가스 조건을 도출하였다. 두번째, 최적의 H₂S 가스 조건에 C₃H_(8) 가스를 첨가하여 침류 질화 처리와 비교, 분석 하면서 새롭게 형성된 표면조직의 마찰, 마모특성 향상의 원인을 분석하였다. 세번째, 새로운 미세조직의 온도 변화에 따른 크기 및 마찰특성을 관찰하고 최적공정을 도출하였다. H₂S 가스 첨가에 따라 표면 미세경도는 감소하는 경향을 보였다. 이러한 경도의 감소는 표면층에 형성되는 다공성의 FeS에 의한 것으로서FeS는 최표면에서만 나타났다. 마찰계수는 N2-H₂S(5%) 700sccm을 첨가하였을 때 0.5초반으로 가장 낮게 나타났으며 가스량이 그 이상이 되면 박리현상이 나타나면서 마찰계수는 다시 높아지는 경향을 보였다. 침류질화 처리시 C₃H_(8)가스의 첨가로 인해 침류질화시 나타났던 표면 경도 저하 현상은 크게 줄었다. 또한 화합물층의 두께는 작아졌으며 기존의 침류질화 조직과는 다른 형태의 새로운 조직이 형성되며 이 조직은 더욱 미세하고 치밀해진 형태를 나타내었다. 마찰계수는 H₂S 700, C₃H_(8) 100sccm 조건에서 약0.4를 나타내어 침류질화 처리에 비하여 낮아짐을 관찰하였다. 마모트랙 관찰 결과 강한 화합물층의 표면 구조가 마모로 인해 떨어져 나간 FeS의 미세한 입자들을 입자 사이에 가두게 되어 이탈을 방지하고 이러한 미세한 입자들은 강한 화합물위에서 오랫동안 머물게 됨으로써 높은 하중을 분산시키면서도 윤활 효과를 나타내 마찰 특성의 향상과 유지가 가능 한 것으로 판단되어진다. 이러한 조직은 온도에 따라 500℃에서 처리된 표면 미세조직이 50㎜ 미만으로 더욱 미세해지면서 마찰계수 또한 0.2이하로 극히 낮아졌음을 관찰하였다. 따라서 최적 조직은 연질화 처리를 통해 두꺼운 화합물층을 형성 후 본 연구에서의 침류질화처리를 표면에 실시함으로써 마찰, 마모특성이 우수한 침류질화층의 형성과 이러한 기술을 자동차, 기계 부품 등에 적용함으로써 연비향상과 수명 향상에 큰 효과가 있을 것이라 기대된다.
Abstract : This study observed the fine structure and changes of the surface features that are shown through plasma nitriding treatment in order to improve the friction coefficient of S45C steel, which is commonly used as a bushing material. This process was undertaken by adding N2, H₂, H₂S, and C₃H...
Abstract : This study observed the fine structure and changes of the surface features that are shown through plasma nitriding treatment in order to improve the friction coefficient of S45C steel, which is commonly used as a bushing material. This process was undertaken by adding N2, H₂, H₂S, and C₃H_(8) during the nitrification treatment. In this study, the influences of gases to sulf-nitriding by H₂S gas were investigated by flowing 100-1000 sccm of N2-H₂S(5%) gas at 2 torr and 570℃ and also adding C₃H_(8) gas with 100sccm. As a result, it was observed that the surface structure changed into a porous layer with increasing H₂S gas, and that the size of the surface particles was below 100nm. Then, the lowest friction coefficient was 0.5 in case of flowing 700scc H₂S gas only. The structure became finer with the addition of C₃H_(8) gas at 500℃. At the condition, the particle size of the surface was below 50nm and the friction coefficient was below 0.2. Consequently, the increase of H₂S gas is increasing the porous and fine structure, C₃H_(8) gas promotes the structure to be fine. This study discussed the reasons for the influence of carbon and sulfur on the structure and the friction coefficient. The results of this study, plasma sulf-nitriding with H₂S and C₃H_(8) gas, will be contributed to the improvement of the life time of machine and automobile parts by increasing hardness and decreasing the friction coefficient.
Abstract : This study observed the fine structure and changes of the surface features that are shown through plasma nitriding treatment in order to improve the friction coefficient of S45C steel, which is commonly used as a bushing material. This process was undertaken by adding N2, H₂, H₂S, and C₃H_(8) during the nitrification treatment. In this study, the influences of gases to sulf-nitriding by H₂S gas were investigated by flowing 100-1000 sccm of N2-H₂S(5%) gas at 2 torr and 570℃ and also adding C₃H_(8) gas with 100sccm. As a result, it was observed that the surface structure changed into a porous layer with increasing H₂S gas, and that the size of the surface particles was below 100nm. Then, the lowest friction coefficient was 0.5 in case of flowing 700scc H₂S gas only. The structure became finer with the addition of C₃H_(8) gas at 500℃. At the condition, the particle size of the surface was below 50nm and the friction coefficient was below 0.2. Consequently, the increase of H₂S gas is increasing the porous and fine structure, C₃H_(8) gas promotes the structure to be fine. This study discussed the reasons for the influence of carbon and sulfur on the structure and the friction coefficient. The results of this study, plasma sulf-nitriding with H₂S and C₃H_(8) gas, will be contributed to the improvement of the life time of machine and automobile parts by increasing hardness and decreasing the friction coefficient.
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