[논문]STD11 고속도 공구강의 고온 가스질화 처리 및 템퍼링에 관한 연구

공정현; 강창룡; 성장현

[국내논문] STD11 고속도 공구강의 고온 가스질화 처리 및 템퍼링에 관한 연구
A Study on the High Temperature Gas Nitriding and Tempering in STD11 steel 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.22 no.5, 2009년, pp.282 - 289

공정현 (동아대학교 신소재공학과) , 강창룡 (부경대학교 신소재공학과) , 성장현 (신소형재가공청정공정개발연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of the high temperature gas nitriding (HTGN), tempering and subzero treatment of STD11 steel have been investigated. HTGN treatment was carried out at $1050^{\circ}C$, $1100^{\circ}C$ and $1150^{\circ}C$ for 1 hr. in an atmosphere of $1\;kg/cm^2$ nitrogen gas. Tempering and double-tempering were performed at $550^{\circ}C$ for 1 hr. The surface layer of HTGN-treated steel appeared the precipitates of $M_2N$, $M_7C_3$ and $M_{23}C_6$ in the matrix of austenite. However, the interior region exhibited martensite with the precipitation of carbides. The nitrogen content of the surface layer appeared ~1.35 wt.%, ~0.83 wt.% and ~0.56 wt.% at the HTGN treatment temperature of $1050^{\circ}C$, $1100^{\circ}C$ and $1150^{\circ}C$, respectively. The surface hardness of double-tempered and subzero-treated steel measured the maximum value of 828 Hv, 960 Hv, 750 HV after HTGN treatment at the $1050^{\circ}C$, $1100^{\circ}C$ and $1150^{\circ}C$, respectively. These hardness value increased above 230~420 Hv compared with the HTGN-treated steel due to the decrease in retained austenite and existence of fine precipitates.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

HTGN 처리가 끝난 시료의 표면에서 내부로의 N, C 및 Cr의 농도 변화는 GDA(Glow Discharge Spectrometer Analysis)를 이용하여 분석하였다. 또한, 미세 석출물 및 기지의 상분석은 X-선 회절 시험을 이용하였다.
STD11 강을 1050℃, 1100℃ 및 1150℃에서 HTGN 처리 한 후, 550℃에서 더블 템퍼링 및 subzero 처리하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
그러나, 높은 탄소함량으로 인해 Ms 와 Mf 점이 저하되어 많은 양의 잔류 오스테나이트를 생성하며 이러한 경향은 앞에서 본 것처럼 HTGN 처리온도가 높아질수록 더욱 뚜렷하다. 따라서, 본 연구에서 HTGN 처리 후 잔류 오스테나이트를 제거시켜 표면 경도 및 내마모성 향상을 위해 더블 템퍼링 후 subzero 처리를 하였다.
2차 경화는 550℃에서 나타났으며 약 720 Hv의 경도값을 보이고 있다. 따라서, 본 연구에서는 HTGN 처리 후 550E에서 1차 템퍼링 및 2차 템퍼링 후 subzero 처리하여 미세조직 변화 및 경도 변화를 조사하였다.
따라서, 본 연구에서는 냉간 공구강인 STD11 강을 이용하여 고온 가스질화(HTGN)한 후 표면과 내부의 상변화, 경도변화, 질소 함량변화 및 석출물의 거동을 조사하였고, 고온 가스질화(HTGN)후 템퍼링 한 강에 대해서도 상변화 및 경도변화를 조사하였다.
또한, 미세 석출물 및 기지의 상분석은 X-선 회절 시험을 이용하였다.
S. 유지하고 1050℃, 1100℃ 및 1150℃ 에서 1시간 동안 유지 후 유냉 하였으며, 템퍼링은 Ar gas 분위기에서 1시간 유지 후 유냉을 실시하였다. 더블 템퍼링이 끝난 시료는 액체 질소(-196℃) 에서 30분간 서브제로 처리하였다.
조직은 10 ml HN03+ 15 ml HCl + 10ml acetic acid 에서 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경 (FESEM)을 사용하여 관찰하였다. HTGN 처리 후표면에서 내부로의 경도 변화는 마이크로 비커스 경도기(load = 300 g)로 측정하였다.

대상 데이터

화학조성은 Table 1에 나타내었다. 시료는 가로세로두께를 10 mm X 30 mm x 5 mm 크기로 절단하여 표면을 연마한 후, HTGN 처리 시료로 사용하였다.
시판되고 있는 STD11 냉간 공구강을 고온 가스 질화 처리 (High Temperature Gas Nitriding: HTGN) 에 사용하였다. 화학조성은 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

56 wt.% 이었으며, HTGN 처리온도가 상승할수록 질소의 양은 침투깊이 전체에 걸쳐 감소하였다. 이것은, 온도가 상승할수록 많은 탄화물의 분해로 인해 기지에 고용되는 탄소의 함량이 많아져, 표면에서 내부로 침투, 확산하는 질소의 이동을 방해하기 때문으로 판단된다.
1. STD11 강을 1시간 HTGN 처리 한 결과 약 5 ㎛ 지점에서 질소의 함량은 1050℃는 약 1.35 wt.%, 1100℃ 에서 약 0.
2. HTGN 처리 후 표면에는 Cr2N 및 M7C3 {(Cr, Fe)7C₃}, Cr23C₆ 형태의 질화물 및 탄화물이석출되었다. 이러한 질화물 및 탄화물은 더블 템퍼링 및 subzero 처리 후 미세하게 형성, 분산되어 표면 경도를 상승시키는 것으로 판단된다.
3. HTGN 처리 후 오스테나이트상이 생성되어, 최외각 표면 경도는 내부 경도보다 약 100-150 Hv 낮게 나타났다. 그러나, 550℃에서 더블 템퍼링 및 subzero 처리하여 오스테나이트 상이 템퍼드 마르텐사이트 상으로의 변태하여 표면 최고경도는 각각 828 Hv, 960 Hv 및 750 Hv를 보였다.
고온 가스 질화 처리에 의해 질소가 표면에서 내부로 침투될 때 질소와 친화력이 큰 Cr, Nb, Ti 과 같은 치환 형 원소들은 내부에서 표면으로 이동하며 Crp, TiN 및 NbN과 같은 질화물이 형성된다고 알려져 있다. [7], 본 실험에서 Cr 함량을 분석한 결과, 내부에서 일정한 값을 보이고 있으나 최외각 표면부터 5 ㎛ 지점까지 그 함량은 상대적으로 낮다. 이것은 질소가 침투될 때 질소와 강력한 친화력을 가진 Cro] 내부에서 표면으로 이동하여 Cr 고갈지역이 나타나기 때문으로 판단된다[9].
10은 각 온도에서 HTGN 처리 한 경도값과 550℃에서 더블 템퍼링 및 subzero 처리 한 강의표면에서 내부로의 경도 변화를 나타낸 것이다. 각각의 온도에서 HTGN 처리 후 더블 템퍼링 및 subzero 처리한 결과 모두 표면 및 내부 경도가 상승하였다. 1050℃에서 HTGN 처리한 더블 템퍼링 및 subzero 처리한 시험편의 최외각 표면 경도는 약 715 Hv이며, 최고경도는 표면에서 약 20 ㎛ 지점에서 828 Hv를 나타내었다(a).
일반적으로, 강에서 오스테나이트화 온도가 높아질수록 탄화물의 분해량은 커지며, 기지에 고용된 탄소의 양이 많아질수록 Ms 점은 낮아진다고 보고되고 있다[11]. 따라서, 본 실험에서 HTGN 처리온도가 높아질 수록탄화물의 분해량이 많아지고 분해된 탄소가 기지 내로 고용되면서 Ms 점은 점점 낮아져서 냉각시 변태되는 마르텐사이트의 양은 적어지며 상대적으로 잔류오^테나이트 양은 많을 것으로 판단된다.
STD11 공구강의 탄화물 석출과 관련한 보고에 의하면, 탄화물은 완전한 고상이 되기 전에 고액 공존(mushy zone) 영역인 1250℃에서 M7C3 탄화물이 생성되기 시작하며, 완전한 고상 영역인 114(TC 영역에서 MeCg 탄화물이 생성되고, 460℃ 이하에서는 또 다른 종류의 탄화물인 M3C2 가 생성된다고 한다[11]. 본 연구에서 각 온도에서 HTGN 처리한 시험편의 EDS 분석결과, Cr, 탄소 및 질소의 함량을 고려해 볼때 M7C₃ 또는 MeCg type의 탄화물 및 M2N 형태의 질화물이 존재하는 것으로 생각된다.

참고문헌 (13)

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