[논문]13%Cr-0.17%C 스테인리스강의 고온 가스질화에 미치는 Al 함량 변화의 영향

박범태; 김정민; 강희재; 공정현; 강창룡; 성장현

doi:10.12656/jksht.2011.24.6.318

13%Cr-0.17%C 스테인리스강의 고온 가스질화에 미치는 Al 함량 변화의 영향
Effect of Al Content Variation on High Temperature Gas Nitriding in 13%Cr-0.16%C Stainless Steel 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.24 no.6, 2011년, pp.318 - 326

박범태 (한국철강(주)) , 김정민 (동아대학교 대학원 금속공학과) , 강희재 (동아대학교 대학원 금속공학과) , 공정현 (동아대학교 신소형재가공청정공정개발 연구센터) , 강창룡 (부경대학교 금속공학과) , 성장현 (동아대학교 신소형재가공청정공정개발 연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

This study has been performed to investigate the effect of Al addition on High Temperature Gas Nitriding (HTGN) in 13%Cr-0.16%C stainless steel with different Al contents of 0.54%, 1.76% and 2.36%, respectively. HTGN treatment was carried out at $1100^{\circ}C$ for 1 hr, 5 hrs and 10 hrs. Nitrogen-permeated surface layers showed round type carbides of $Cr_{23}C_6$ and needle type nitrides of AlN in the matrix of martensite, representing 600~700 Hv. And the thickness of the surface layer increased with increasing Al content and HTGN treatment time. The inner region that was not permeated nitrogen showed chromium carbides in the mixed phase of martensite and ferrite for the 0.53% Al alloyed steel, however chromium carbides in the matrix of ferrite single phase were shown for the steels with the addition of 1.76%Al and 2.36%Al, representing the hardness of ~200 Hv. During nitrogen permeation from surface to the interior, substitutional elements of Cr, Al and Si moved toward the surface and interstitial element of carbon also moved from interior to the surface. This movement of alloying elements leads high concentration of these elements at the outmost surface, subsequently the lowest peak of substitutional elements were shown in the vicinity of near surface. After showing the lowest peak, the high concentration region of Al and C were formed due to the continuous movement of Al toward the surface. The long discontinuous precipitates of $Cr_{23}C_6$ and AlN were formed along the outmost surface owing to the high concentration of these alloying elements.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

13%Cr-0.16%C 조성의 스테인리스강에 Al 함량을 각각 0.54% 1.76% 및 2.36%로 변화시킨 강을 1100℃에서 각각 1, 5 및 10시간 고온 가스질화 (HTGN) 처리 후, 표면층의 조직변화, 석출물 분석및 함금원소의 농도변화를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
Al 이 각각 0.54%, 1.76% 및 2.36% 첨가된 F1, F2 및 F3 강 판재를 20×40×5 mm 크기로 절단하고 표면을 #1500 연마지에서 연마하였다.
고온 가스질화 시 표면층의 질소, 탄소 Al 및 Cr 의 이러한 거동에 따른 조직변화를 관찰하기 위하여 1100℃에서 1시간 고온 가스질화 한 강의 표면층을 SEM-EDS 분석을 하여 Fig. 8에 나타내었다. 여기서 F1강은 사진에 표시한 바와 같이 a, b 및 c의 위치에서 표면층을 따라 길게 면 분석하였으며 F3강은 점 분석하였다.
로 하여 1100℃에서 각각 1시간, 5시간 및 10시간 유지 후 수냉 하였다. 고온 가스질화 처리가 끝난 시험편은 절단하여 마운팅 후 연마 및 정마과정을 거친 다음 15ml HCl + 10ml HNO₃+ 10ml acetic acid 용액에서 부식하여, 광학 현미경 및 주사전자현미경 (FE-SEM JSM-6700F, JEOL)을 이용하여 표면과 내부의 상변화를 관찰하였다. 최외각 표면 및 내부에 형성된 석출물과 상은 X-선 회절기(Rigaku/Max-ua: Japan)를 이용하여 분석하였다.
고온 가스질화 처리는 연마가 끝난 F1, F2 및 F3 강을 분위기 가스 및 압력 조절이 가능한 수직관상 로에서 질소가스 압력을 1 kg/cm²로 하여 1100℃에서 각각 1시간, 5시간 및 10시간 유지 후 수냉 하였다. 고온 가스질화 처리가 끝난 시험편은 절단하여 마운팅 후 연마 및 정마과정을 거친 다음 15ml HCl + 10ml HNO₃+ 10ml acetic acid 용액에서 부식하여, 광학 현미경 및 주사전자현미경 (FE-SEM JSM-6700F, JEOL)을 이용하여 표면과 내부의 상변화를 관찰하였다.
05/sec로 2θ를 20^°~100^° 범위로 하였다. 고온 가스질화 처리에 따른 표면에서 내부기지로의 경도 변화는 마이크로 비커스 경도기(Matuzawa MXT 70)를 사용하여 측정하였으며, 표면에서 내부로의 질소, Cr 및 Al의 농도는 GDA(Glow Discharge Analyzer: GDA750 Spectruma, Germany)를 사용하여 분석 하였다.
따라서, 본 연구에서는 13%Cr-0.16%C 스테인리스강에 Al 첨가량을 각각 0.54%, 1.76% 및 2.36%로 다르게 첨가하여 고온 가스질화 처리한 후, 표면에서 내부로의 상변화, 경도변화 및 질소와 알루미늄의 농도 변화를 조사하여 Al 첨가량에 따른 고온 가스질화의 영향을 조사하였다.
시험조건은 Cu-Kα선을 사용하여, scan rate 0.05/sec로 2θ를 20°~100° 범위로 하였다.
8에 나타내었다. 여기서 F1강은 사진에 표시한 바와 같이 a, b 및 c의 위치에서 표면층을 따라 길게 면 분석하였으며 F3강은 점 분석하였다. 최외각 표면은 두 시료 모두 a에 표시된 바와 같이 탄소, Cr, 질소 및 Al 함량이 높게 나타났으며 특별히 Cr함량은 현저히 높다.
고온 가스질화 처리가 끝난 시험편은 절단하여 마운팅 후 연마 및 정마과정을 거친 다음 15ml HCl + 10ml HNO₃+ 10ml acetic acid 용액에서 부식하여, 광학 현미경 및 주사전자현미경 (FE-SEM JSM-6700F, JEOL)을 이용하여 표면과 내부의 상변화를 관찰하였다. 최외각 표면 및 내부에 형성된 석출물과 상은 X-선 회절기(Rigaku/Max-ua: Japan)를 이용하여 분석하였다. 시험조건은 Cu-Kα선을 사용하여, scan rate 0.

성능/효과

4는 1100℃에서 5시간 고온 가스질화 처리한 강의 표면과 내부를 SEM-EDS 분석한 사진이다. 질소가 침투된 최외각 표면층 (a), (b) 및 (c)를 관찰한 결과 Al이 0.54% 첨가된 F1강은 둥근 모양의 석출물이 존재하고 있고, Al첨가량이 증가할수록 둥근 석출물과 함께 침상 석출물이 공존하고 있다. 이 둥근형태의 석출물은 Cr과 탄소의 함량이 높은 것으로 보아 Cr탄화물로 판단된다.
1. 질소가 침투된 표면층은 마르텐사이트 기지에 구형의 Cr₂₃C₆ 탄화물과 침상의 AlN 질화물이 형성되었으며, Al함량이 증가될수록 침상 AlN의 석출 양이 증가하였고 HTGN 처리시간이 증가할수록 질소가 침투된 표면층의 깊이가 깊어졌다. 이 경우 표면층 경도는 600~700 Hv를 나타내었다.
2. 고온가스 질화 처리시 표면에서 내부로 질소가 침투될 때 치환형 합금원소인 Cr, Al 및 Si도 내부에서 표면으로 이동하고 침임형 원소인 탄소도 표면으로 이동하여 최외각 표면층은 이들 원소의 함량이 높아짐으로서 짧은 거리에서 치환형 원소의 농도가 최저인 피크가 존재하였다. 치환형 원소들은 내부에서 표면으로 계속 이동하려고 하기 때문에 최저피크가 생긴 이후에는 Al 및 C의 농도가 평균 농도보다 높은 지역이 형성되었다.
3. 1100℃에서 1시간 HTGN 처리 후 표면에서5 µm 떨어진 곳에서 질소의 농도는 Al을 0.54%1.76% 및 2.36% 첨가한 강에 대하여 각각 0.02%, 0.34% 및 0.76% 로 나타났으며, Al 함량이 증가할 수록 질소와 Al의 강한 친화력으로 인하여 질소의 농도와 침투 깊이는 증가하였다.
4. 고온 가스질화 처리 시 최외각 표면은 질소 탄소 Cr, Al 및 Si의 농도가 매우 높으며 이로 인하여 Cr₂₃C₆ 및 AlN 석출물이 표면을 따라 불연속적으로 길게 존재하고 있었다.
세 종류의 강 모두 유사한 상이 관찰되고 있는 것을 알 수 있으며, 표면에 나타난 석출물은α기지에 Cr23C6와 AlN으로 나타났다.
여기서 F1강은 사진에 표시한 바와 같이 a, b 및 c의 위치에서 표면층을 따라 길게 면 분석하였으며 F3강은 점 분석하였다. 최외각 표면은 두 시료 모두 a에 표시된 바와 같이 탄소, Cr, 질소 및 Al 함량이 높게 나타났으며 특별히 Cr함량은 현저히 높다. 최외각 표면은 두 사진에서 보는 바와 같이 표면을 따라 질화처리 시 백층과 유사한 석출물이 불연속 적으로 석출된 것을 알 수 있는데 이들은 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고온 가스질화처리 시 발생하는 단점은?	일반적으로 고온 가스질화(High Temperature Gas Nitriding: HTGN)는 질소와 친화력이 큰 Cr 을 다량 함유한 스테인리스강에 적용하고 있으며, 주로 스테인리스강의 고용화 열처리 온도보다 약간 높은 1050~1150oC의 질소분위기에서 질소가스를 분해시켜 질소 원자를 스테인리스강의 표면에서 내부로 침투 확산시키는 열처리로서 경도 상승과 함께 내식 성이 증가되는 효과가 있다[1-14]. 그러나 고온 가스질화처리 도중 표면층에 많은 량의 질화물이 형성되면 질화물과 기지사이에 부정합 계면을 이루어 이계면이 우선 부식되어 내식성이 저하되는 단점이 있다[15].
	고온 가스질화란?	일반적으로 고온 가스질화(High Temperature Gas Nitriding: HTGN)는 질소와 친화력이 큰 Cr 을 다량 함유한 스테인리스강에 적용하고 있으며, 주로 스테인리스강의 고용화 열처리 온도보다 약간 높은 1050~1150oC의 질소분위기에서 질소가스를 분해시켜 질소 원자를 스테인리스강의 표면에서 내부로 침투 확산시키는 열처리로서 경도 상승과 함께 내식 성이 증가되는 효과가 있다[1-14]. 그러나 고온 가스질화처리 도중 표면층에 많은 량의 질화물이 형성되면 질화물과 기지사이에 부정합 계면을 이루어 이계면이 우선 부식되어 내식성이 저하되는 단점이 있다[15].
	13%Cr을 함유한 마르텐사이트계 스테인리스강은 고온 가스질화 온도에서 질소침투를 용이하게 하게 위해서 질소와 친화력이 큰 Ti, Al 등을 첨가하는 이유는?	13%Cr을 함유한 마르텐사이트계 스테인리스강은 고온 가스질화 처리 온도에서 오스테나이트 조직을 가지고 있지만 질소와 친화력이 큰 Cr함량이 적어 질소침투가 어렵기 때문에[15] 질소침투를 용이하게 하기 위하여 질소와 친화력이 큰 Ti, Al 등을 첨가하고 질소침투를 방해하는 탄소의 함량을 낮추어 고온 가스질화하면 질소가 침투된다고 보고되고 있다[3, 16, 17]. Al은 페라이트 형성원소이므로 첨가함량의 증가에 따라 고온 가스질화 온도에서도 페라이트 단상을 나타낼 수 있기 때문에 질소가 침투하기 어렵다고 생각되지만, 저자들은 Al이 함유된 13%Cr 스테인리스강을 고온 가스질화처리하면 Al과 N의 강력한 친화력에 의해 표면층에 AlN을 형성함으로 표면층의 상변화와 함께 경도가 증가하고 내식성이 저하한다는 연구결과를 발표하였다[15].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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