[논문]스테인리스강의 기계적 성질에 미치는 저온 플라즈마 질화처리조건의 영향

빈정욱; 김한군

doi:10.12656/jksht.2010.23.5.269

[국내논문] 스테인리스강의 기계적 성질에 미치는 저온 플라즈마 질화처리조건의 영향
Effects of Low Temperature Plasma Nitriding Treatment on Mechanical Properties of Stainless Steel 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.23 no.5, 2010년, pp.269 - 276

Abstract ▼ AI-Helper

This study has been carried out to the low temperature plasma nitriding treatment on the mechanical properties of stainless steel at temperature range between $400^{\circ}C$ and $500^{\circ}C$. It was found that there was precipitated to free CrN matrix below $400^{\circ}C$ and there was precipitated S-phase of STS 316L, ${\varepsilon}$-phase of STS 409L and ${\alpha}N$-phase of STS 420J2. STS 316L has formed relatively abundant CrN phase and ${\gamma}^{\prime}-Fe_4N$ phase at $500^{\circ}C$, alternatively STS 409L and STS 420J2 were more deeply nitrided than STS 316L at $500^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 근래 저온플라즈마 질화처리한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 단일 강종에 대한 연구가 대부분이다. 따라서 본 연구에서는 오스테나이트계, 마르텐사이트계 및 페라이트계의 스테인리스강들을 동일 조건에서 저온질화처리하여 이들 강종들이 저온 플라즈마질화처리로 인한 장점을 갖는 기계적 특성 및 유기적인 상호관계를 복합적으로 비교고찰 하고자 하였다.

제안 방법

마모시험의 볼 재질은 고탄소크롬 베어링강인 SUJ2를 사용하여 볼 끝을 지름6의 볼 형태로 가공하여 사용하였다. 마모시험은 디스크의 회전속도를 5 cm/s로 일정하게 유지시키고 하중 10 N, 미끄럼거리 200 m의 조건으로 상온에서 실시하였다.
마이크로 비커스경도시험기를 사용하여 표면에서부터 중심부로 20 µm의 간격으로 경화층 깊이를 측정하였고, 유효경화층 깊이는 표면에서 400 Hv까지의 거리로 하여 모두 3회씩 측정하여 그 산술평균치를 경도값으로 사용하였다.
시편은 3 kW DC 글로우방전 플라즈마 질화장치를 이용하여 먼저 280℃에서 80%알곤 + 20% 수소혼합가스 조건에서 시편표면에 형성된 산화층을 제거하기 위하여 1시간 동안 스퍼터링 처리한 후, 전압 및 전류를 상승시켜 온도 400℃, 420℃ 및 500℃ 조건에서 10시간, 15시간 및 20시간 동안 질화처리하였다. 질화처리 분위기가스는 50% 질소 + 50%수소혼합가스 조건에서 챔버압력을 600 Pa로 조정하였고, 이때 사용한 실험조건은 Table 2와 같다.
시편의 조직을 고찰하기 위하여 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하였으며, 미처리 및 질화처리 표면의 상을 X-선 회절시험으로 분석하였다. 마이크로 비커스경도시험기를 사용하여 표면에서부터 중심부로 20 µm의 간격으로 경화층 깊이를 측정하였고, 유효경화층 깊이는 표면에서 400 Hv까지의 거리로 하여 모두 3회씩 측정하여 그 산술평균치를 경도값으로 사용하였다.
여러 온도 조건에서 처리된 플라즈마 질화층의 두께를 주사전자현미경을 사용하여 분석하였다. Fig.
오스테나이트계 STS 316L, 페라이트계 STS 409L 및 마르텐사이트계 STS 420J2를 DC-plused 플라즈마 분위기에서 질화처리한 후 기계적 성질을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다,
재질별 질화처리조건에 따른 기계적성질을 평가하기 위하여 시험편을 제작하여 인장강도와 파단면에 대한 분석을 실시하였다. 질화조건에 따른 마모특성을 고찰하기 위해 ball-on-disk형 마모시험기를 이용하여 무윤활상태 조건에서 실시하였다.
재질별 질화처리조건에 따른 기계적성질을 평가하기 위하여 시험편을 제작하여 인장강도와 파단면에 대한 분석을 실시하였다. 질화조건에 따른 마모특성을 고찰하기 위해 ball-on-disk형 마모시험기를 이용하여 무윤활상태 조건에서 실시하였다. 마모시험의 볼 재질은 고탄소크롬 베어링강인 SUJ2를 사용하여 볼 끝을 지름6의 볼 형태로 가공하여 사용하였다.

대상 데이터

질화조건에 따른 마모특성을 고찰하기 위해 ball-on-disk형 마모시험기를 이용하여 무윤활상태 조건에서 실시하였다. 마모시험의 볼 재질은 고탄소크롬 베어링강인 SUJ2를 사용하여 볼 끝을 지름6의 볼 형태로 가공하여 사용하였다. 마모시험은 디스크의 회전속도를 5 cm/s로 일정하게 유지시키고 하중 10 N, 미끄럼거리 200 m의 조건으로 상온에서 실시하였다.
본 실험에 사용된 시편은 시판되고 있는 두께 3 mm의 STS 316L, STS 409L 및 STS 420J2강 냉연 강판재를 사용하여 20×10 mm 크기로 절단 가공하여 시편으로 사용하였다.

데이터처리

본 실험에 사용된 시편은 시판되고 있는 두께 3 mm의 STS 316L, STS 409L 및 STS 420J2강 냉연 강판재를 사용하여 20×10 mm 크기로 절단 가공하여 시편으로 사용하였다. 시편의 성분은 분광 분석기를 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

1. 오스테나이트계, 페라이트계 및 마르텐사이트계의 표면경도가 질화처리전 190~240 Hv0.1에서 질화처리 후 1000 Hv_0.1 이상의 값이 얻어졌으며, 저온처리에 의한 질화층의 표면형상도 균일하게 생성되었다.
2. 400℃ 저온플라즈마 질화처리조건에서 CrN상이 석출되지 않았으며, STS 316L강에서는 팽창 오스테나이트(S상)이 석출되었고, STS 409L강에서는 ε-상이, STS 420J2에서는 팽창 마르텐사이트 (αN)상이 석출되었다.
3. STS 316L의 경우 500℃, 20시간 질화처리로 나머지 강종에 비해 상대적으로 많은 CrN 및 γ'-Fe4N 조직이 생성되었고, 질화경화층 깊이가 상대적으로 얕게 얻어졌다.
4. 질화처리한 모든 강종에서 질화처리하기 전에 비하여 마모손실이 1.7~2.4 mg에서 0.1~0.3 mg으로 마모손실량이 6~13% 개선되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인리스강의 특징은?	스테인리스강은 내식성이 우수한 반면 경도 및 마모특성이 비교적 부족하다. 따라서 이러한 결점을 보완하기 위한 하나의 방법으로 플라즈마 질화법이 많이 사용된다[1-6].
	STS 316L의 연신율이 500℃에서 처리한 경우 60% 수준까지 감소한 이유는?	연신율이 많이 하락한 이유는 Fig. 1에 나타낸 것처럼 질소의 과포화 고용으로 인해 압축잔류응력이 증가하고 강하지만 취성인 CrN이 표면층에 두껍게 생성됨으로 인한 것으로 생각된다[16].
	플라즈마 질화법으로 인한 영향은 무엇인가?	따라서 이러한 결점을 보완하기 위한 하나의 방법으로 플라즈마 질화법이 많이 사용된다[1-6]. 이러한 처리에 의하여 질소원자를 강 속에 확산시키고 금속원소가 질화물을 생성시키는 열화학공정이 이루어지므로 써 재료가 글로우방전된다. 플라즈마 질화는 이온 및 중성입자들이 목표물에 충돌하여 산화피막을 제거하게 되고 질소를 주입 확산시킴에 따라 열화학 처리한 스테인리스강은 크롬과 같은 활발한 질화물 생성원소의 존재로 인하여 금속표면 부분에 질화크롬 등의 질화물을 석출시켜 경화된다.

참고문헌 (19)

Z.L. Zhang and T. Bell : Book-Inst. of Mat. 752 (2001) 1.
O. Ozturk and D. L. Williamson: Surf. Coat. Technol. 158-159 (2002) 288.

상세보기
H. Pelletier, P. Mille, D. Muller, J. P. Stoquert, A. Comet and J. J. Grob : Mat. Scie. with Ion Beams 178 (2001) 319.
G. B. Stachowiak, G. W. Stachowiak and P. Evans: Wear 241 (2000) 220.

상세보기
Z. Tek, M. A. Gungor, E. Cal, M. Sonugelen, C. Artunc and A. Oztarhan : Surf Coat. Technol. 158/159 (2002) 157.

상세보기
T. Bacci, F. Borgioli, E. Galvanetto and G. Pradelli : Surf. Coat. Technol. 139 (2001) 251.

상세보기
W. Mller, S. Parascandola, T. Telbizova, R. Gnzel and E. Richer: PBll 99 (2001) 73.
T. Roux, A. Saker, C. Leroy, C. Frantz and H. Michel, Trait: Therm. 278 (1994) 61.
N. Yasumaru, K. Tsuchida, E. Saji and T. Ibe : Mater. Trans., JIM 34 (1995) 696.
G. J. Li, Q. Peng, C. Li, Y. Wang, J. Gao, S. Y. Chen, J. Wang and B. L. Shen : Sur. Coat. Technol. 202 (2008) 2749.

상세보기
C. X. Li, J. Georges and X. Y. Li : Surf. Eng. 18(6) (2002) 453.

상세보기
E. Menthe, K. -T. Rie, J. W. Schultze and S. Simson: Plasma Sur. Eng. 74-75 (1995) 412.
S. J. Kim, J. S. Yoo, J. M. Preiest and M. P. Fewell : Surf. Coat. Technol. 163-164 (2003) 380.

상세보기
C. E. Foerster; F. C. Serbena and S. L. R. da Silva : Intern. Conf, on Ion Beam Modi. of Mat. (2007) 732.
C. F. M. Borges, S. Hennecke and E. Pfender : Surf. Coat. Technol. 123 (2000) 112.

상세보기
E. De las Heras, G. Ybarra, P. Corengia, D.G. Santmaria, A. Garcia-Luis, M. Brizuela, P. Corengia, A. Cabo. N. Mingolo and S. Bruhl: Plasma Process. Polym. 4 (2007) S741

상세보기
C. X. Li and T. Bell: Wear 256 (2004) 1144.

상세보기
K. -L. Hsu, T. M. Ahn and D. A. Rigney: Wear 60(1) (1980) 13.

상세보기
Y. T. Xi, D. X. Liu and D. Han : Sur. Coat. Technol. 202 (2008) 2577.

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