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현재 자동차 산업은 엔진의 배기량이 커지고 연료의 직분사 방식이 보편화되고 있으며 구동모터가 고속 회전함에 따라 구동계 기어는 물론이고 변속기용 기어에도 부하환경이 가혹해지고 있다. 따라서 치수변형이 없고 내마모성이 우수한 질화 열처리를 기어 부품에 도입하여 우수한 내마모성과 고강도화를 이루고자 하는 노력이 많아지고 있다. 질화 열처리는 주로 미세조직, 내부식성, 내마모성, 피로파괴 등과 관련된 연구가 많이 진행되었다. 하지만 모재의 최외각에 생기는 화합물층에서 박리현상이 일어나는 문제점이 발생한다. 그럼에도 불구하고 박리현상과 관련된 연구는 미비하다.본 연구에서는 질화 열처리용 기어강인 31CrMoV9강에 질화 ...

현재 자동차 산업은 엔진의 배기량이 커지고 연료의 직분사 방식이 보편화되고 있으며 구동모터가 고속 회전함에 따라 구동계 기어는 물론이고 변속기용 기어에도 부하환경이 가혹해지고 있다. 따라서 치수변형이 없고 내마모성이 우수한 질화 열처리를 기어 부품에 도입하여 우수한 내마모성과 고강도화를 이루고자 하는 노력이 많아지고 있다. 질화 열처리는 주로 미세조직, 내부식성, 내마모성, 피로파괴 등과 관련된 연구가 많이 진행되었다. 하지만 모재의 최외각에 생기는 화합물층에서 박리현상이 일어나는 문제점이 발생한다. 그럼에도 불구하고 박리현상과 관련된 연구는 미비하다.본 연구에서는 질화 열처리용 기어강인 31CrMoV9강에 질화 퍼텐셜을 다르게 가스 질화 열처리를 할 때 발생하는 미세조직을 관찰하고 기계적 성질을 평가하며 특히, 인장 시험과 4점 굽힘 시험을 통한 균열 거동에 관해서 고찰하였다. 가스 순질화 열처리를 550 ℃, 10시간 그리고 질화물의 상 제어를 위한 질화 퍼텐셜을 각각 0.5, 1, 2로 하여 31CrMoV9강에 실시 하였고, 각 조건을 차례대로 N1, N2, N3으로 명명하였다. 질화 퍼텐셜이 커질수록 화합물층의 두께는 약 3 μm에서 8 μm로 증가하여 형성이 되었다. 이는 질화 퍼텐셜이 클수록 철과 반응하는 활성기 질소의 양이 많아져서 질화물을 많이 형성했을 것으로 생각한다. 하지만 화합물층 아래에 생기는 확산층의 두께는 질화 퍼텐셜에 상관없이 거의 일정하였다. 이는 질소가 확산하는 깊이는 온도와 시간에 지배를 받기 때문이라고 생각된다. 그리고 질화 퍼텐셜이 커지면 ε 질화물의 양이 8 %에서 16 %로 증가하는 경향은 Lehrer diagram의 경향과 잘 일치함을 확인하였다. 하지만 ε 질화물의 정량적인 양은 질소와 반응하는 합금원소 때문에 잘 일치하지 않았다. 이는 Lehrer diagram이 순철에 관한 상태도이기 때문이다. 그래서 합금원소를 추가해서 수정한 상태도가 필요하다는 것을 확인하였다. 한편, 모든 조건에서 탄소 재분배 현상이 일어났는데 이는 질화 열처리 온도에서 기지 내에 존재하는 시멘타이트에서 분해되어서 나온 탄소가 확산되어 들어온 질소의 고용에 의한 응력장 때문에 밀려났을 것으로 생각된다.기계적 성질은 파괴 인성과 1축 인장, 4점 굽힘 시험을 통해 평가하였다. 파괴 인성은 질화 퍼텐셜이 증가함에 따라서 상승하였는데 화합물층에 존재하는 경한 ε 질화물의 양이 늘어났기 때문이라 생각된다. 질소 고용에 따른 고용강화 효과와 탄질화물의 형성으로 인한 석출강화 효과 때문에 전위의 움직임을 방해하여서 인장 강도는 점차 상승하는 반면 질화층이 취성파괴를 일으키기 때문에 연신율은 감소하였다. 인장 응력-연신 곡선상에 serration이 발생하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 화합물층 내에 발생하는 균열 때문이다. 인장 시편에서 발생하는 균열은 기공으로부터 인장 하중 방향과 수직하게 발생하여 모재 방향으로 전파하였다. 인장 시험의 결과와 비슷하게 4점 굽힘 시험 도중에 굽힘 응력-연신 곡선상에 serration이 발생하는 것을 확인하였지만, 이는 화합물층 내에 표면과 평행한 방향으로 균열이 발생했기 때문이다. EBSD 결과를 바탕으로 이런 형태의 균열이 박리를 일으키는 원인이고, 세립하고 균일한 결정립이 화합물층에 형성되면 균열의 생성과 성장이 지연되는 것을 확인하였다.

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