[논문]침탄질화 처리된 SCM415강의 깊이에 따른 확산 및 마모특성 변화

이수연; 윤국태; 허석환; 이찬규

doi:10.5695/jkise.2011.44.5.207

[국내논문] 침탄질화 처리된 SCM415강의 깊이에 따른 확산 및 마모특성 변화
The Change in Diffusion Coefficient and Wear Characteristic in Carbonitriding Layer of SCM415 Steel 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.44 no.5, 2011년, pp.207 - 212

이수연 (창원대학교 금속.신소재공학부) , 윤국태 (대구기계부품연구원) , 허석환 (삼성전기) , 이찬규 (창원대학교 금속.신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the change in diffusion coefficient and wear characteristic with depth in the carbonitriding layer of SCM415 steel was discussed. To determine the diffusion coefficient, depth profile of carbon was measured from the surface using the Glow Discharge Spectrometer. In otherwise, measurements of carbide fraction, micro vickers hardness of surface and observation of microstructure have been implemented through the SEM image. $Fe_3$(C,N) layer and effective depth were increased as the time for carbonitriding takes longer. According to wear experiment, the results showed that wear resistance was improved by $Fe_3$(C,N) layer and effective depth.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

침탄질화 열처리는 본 연구적용 대상인 다양한 베어링 시스템을 장착한 공작기계용 고속 스핀들의 표면처리 분야 외 Auto Mission, Fork, Lever류 등 자동차부품, 에어컨 등 전자부품, 유압부품, 산업기계부품, 특수볼트, 기어 및 Shaft류에 적용되는 등, 고수명, 저진동, 고정밀화 등의 특성을 요하는 다양한 기계부품 분야에 응용가능하다. 따라서 본 연구는 침탄질화 열처리법으로 Fe₃(C,N)상의 생성을 통하여 낮은 유효 경도깊이에서도 내마모성을 향상시키고자 하였다. 침탄질화 열처리의 시간에 따른 미세조직, 유효 경도깊이 변화, 탄소의 확산계수 및 내마모 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
따라서 본 연구는 침탄질화 열처리법으로 Fe₃(C,N)상의 생성을 통하여 낮은 유효 경도깊이에서도 내마모성을 향상시키고자 하였다. 침탄질화 열처리의 시간에 따른 미세조직, 유효 경도깊이 변화, 탄소의 확산계수 및 내마모 특성에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

그림 2는 침탄질화 열처리 조건으로 승온 60분 후, 5분 동안 예열, 850℃에서 20~30분 침탄, 같은 온도에서 20~30분 동안 질화, 60℃까지 급냉시킨 후, 후열처리(템퍼링)를 실시하였다. 850℃ 침탄질화 열처리시 사용된 가스는 LPG가스로 탄소 분압 1.0을 유지하였으며, 질화처리시에는 NH₃가스 분위기에서 탄소 분압 0.8로 열처리하였다. 이때 실시한 침탄 및 질화처리 시간 및 온도조건을 표 2에 나타내었다.
마찰·마모 시험조건은 상온에서 무윤활 상태로 회전속도 100 RPM, 시험시간 300 sec, 시험거리 47.1 m, 회전반경 12.5 mm, 시편부과하중 5 kgf으로 시험을 실시하였으며, 마찰·마모시험 후 마찰계수, 마모흔 관찰 및 분석을 행하였다.
침탄질화 열처리 시간변화에 따른 유효 경화깊이 변화를 확인하기 위해 침탄질화된 시편의 단면을 Sand paper #2000까지 연마하고, 1 µm까지 Polishing한 후 표면에서 내부로의 미세경도 및 미세조직 변화를 관찰하였다. 미세조직 관찰은 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였고, 특정 시편에 대해서는 표면에서 내부로의 탄소농도변화를 분석하여 확산계수를 구했다. 탄소농도분석은 GDS(Glow Discharge Spectrometer, JY10000RF, KBSI-PA314)를 이용하여 A조건의 시편을 표면에서 깊이 방향으로의 탄소의 변화를 0.
본 연구에서는 SCM415강의 침탄질화 열처리를 각각 40분(A조건), 50분(B조건), 60분(C조건)을 실시하였을 때, 침탄질화 열처리에 의한 미세조직, 유효 경화깊이, 탄소 확산계수 및 마찰계수를 조사한 결과 다음과 같은 같은 결론을 얻었다.
그림 8에서 보듯이 표면에서 깊이 방향으로의 농도 분석을 GDS장비를 이용하여 도출한 탄소의 농도를 상기 식(2)에 대입하여 확산계수(D)를 고찰할 수 있다. 이때 확산 전 모재의 탄소농도는 CS분석의 실측치인 0.15 wt%를 이용하였고, 표면의 탄소농도는 GDS 분석결과인 1.05 wt%를 사용하여 확산계수를 계산하였다. GDS 분석을 통해 얻어진 탄소농도를 이용하여 그림 8에 표시된(*) 영역의 확산계수 계산결과를 표 3에 나타내었다.
이때 실시한 침탄 및 질화처리 시간 및 온도조건을 표 2에 나타내었다. 조건 A는 850℃에서 침탄처리 20분, 질화처리 20분, 조건 B는 850℃에서 침탄처리 30분, 질화처리 20분, 조건 C는 850℃에서 침탄처리 30분, 질화처리 30분을 행하여 시편을 준비하였다.
침탄질화 열처리 시간변화에 따른 유효 경화깊이 변화를 확인하기 위해 침탄질화된 시편의 단면을 Sand paper #2000까지 연마하고, 1 µm까지 Polishing한 후 표면에서 내부로의 미세경도 및 미세조직 변화를 관찰하였다.
미세조직 관찰은 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였고, 특정 시편에 대해서는 표면에서 내부로의 탄소농도변화를 분석하여 확산계수를 구했다. 탄소농도분석은 GDS(Glow Discharge Spectrometer, JY10000RF, KBSI-PA314)를 이용하여 A조건의 시편을 표면에서 깊이 방향으로의 탄소의 변화를 0.02 mm단위로 분석하였다.

대상 데이터

그림 1과 같이 공작기계의 부품인 베어링 스핀들의 침탄질화 처리 및 적용할 목적으로 본 연구에 사용한 시편은 저탄소 합금강인 SCM415강을 30 mm × 30 mm × 10 mm 크기 및 10 mm × 20 mm × 30 mm 크기로 절단하여 침탄질화 열처리를 실시하였고, 시편의 화학 조성은 표 1에 나타내었다.
침탄질화 열처리된 시편의 마찰·마모 특성을 평가하기 위해 Ball on Disk 방식의 마모시험기(RB114HTS)를 사용하였으며, 시험편은 30 mm ×30 mm × 10 mm 크기로 가공하였으며 상대재료로는 SUJ2 베어링 강을 사용하였다.

이론/모형

5 mm, 시편부과하중 5 kgf으로 시험을 실시하였으며, 마찰·마모시험 후 마찰계수, 마모흔 관찰 및 분석을 행하였다. 마찰계수 측정은 Ball 시험편 홀더부에 strain guage를 부착하여 발생되는 마찰력을 마찰계수 계산 알고리즘을 이용하여 마찰계수를 구하였다.

성능/효과

1. SCM415강에서 침탄질화 열처리의 시간을 증가시키는 A, B, C조건에서 유효 경화깊이는 각각 0.22 mm, 0.34 mm, 0.48 mm로 증가하였다.
2. A, B, C조건에서 최표면층의 Fe₃(C,N)화합물층의 두께는 평균 0.045 mm, 0.093 mm, 0.141 mm였다.
3. SCM415강의 탄소 확산계수 (850℃)는 2.113 ×10−12m²/s 정도로 앞서 보고된 연구자들의 γ-Fe 내의 탄소 확산계수(900℃)와 유사한 값을 가졌다.
4. 침탄질화 열처리 C조건에 따라 유효 경화깊이 0.48 mm에서 모재 대비 60% 향상된 마찰계수 0.156을 얻었다.
그 이후 탄소농도는 일정하게 감소하였으며 표면에서 약 200 µm에서 모재의 탄소농도인 0.15 wt%를 나타내었다.
침탄질화 열처리 조건별 유효경화층(Hv>550) 깊이는 A조건 0.22 mm(침탄 20분, 질화 20분), B조건 0.34 mm(침탄 30분, 질화 20분), C조건 0.48 mm(침탄 30분, 질화 30분)으로 침탄질화 열처리 시간이 증가할수록 유효경화층 깊이는 증가하는 것으로 나타났다.
주사전자현미경 미세 조직사진을 바탕으로 이미지 프로그램을 이용하여 탄화물의 체적분율을 산출한 결과를 그림 6에 나타내었다. 침탄질화 열처리 후 침탄질화층의 (Fe,Cr)계 탄화물의 체적분율은 A조건 0.94%, B조건 1.69%, C조건 3.02%으로 탄화물의 체적분율이 열처리시간이 증가함에 따라 증가하였다.
침탄질화 처리를 하지 않은 SCM415강의 모재와 침탄질화 열처리된 시편의 각 조건을 동일한 조건으로 마모시험을 실시한 결과를 그림 10에 나타내었다. 침탄질화 처리를 하지 않은 시편에 비해 침탄질화 처리된 시편의 마찰계수 값은 낮아졌으며, 침탄처리 30분, 질화처리 30분인 C조건에서 마찰계수가 0.156으로 SCM415강의 마찰계수 대비 60% 향상되었다. 이는 C조건에서 침탄질화 화합물층(Fe₃(C,N))의 깊이가 평균 0.

후속연구

가 가스 분위기에서 질소로 분해되어 탄소와 함께 강으로 확산되는 열처리 방법이다. 침탄질화 열처리는 본 연구적용 대상인 다양한 베어링 시스템을 장착한 공작기계용 고속 스핀들의 표면처리 분야 외 Auto Mission, Fork, Lever류 등 자동차부품, 에어컨 등 전자부품, 유압부품, 산업기계부품, 특수볼트, 기어 및 Shaft류에 적용되는 등, 고수명, 저진동, 고정밀화 등의 특성을 요하는 다양한 기계부품 분야에 응용가능하다. 따라서 본 연구는 침탄질화 열처리법으로 Fe₃(C,N)상의 생성을 통하여 낮은 유효 경도깊이에서도 내마모성을 향상시키고자 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	침탄질화 열처리란?	본 연구에서는 위의 두 가지 표면처리기술의 장점을 결합시킨 침탄질화 열처리를 사용하였으며, 질화처리 기술이라기보다는 변형된 침탄처리기술로 침탄된 표면층을 질화처리하기 위해 침탄 분위기에 NH3를 불어 넣어서 NH3가 가스 분위기에서 질소로 분해되어 탄소와 함께 강으로 확산되는 열처리 방법이다. 침탄질화 열처리는 본 연구적용 대상인 다양한 베어링 시스템을 장착한 공작기계용 고속 스핀들의 표면처리 분야 외 Auto Mission, Fork, Lever류 등 자동차부품, 에어컨 등 전자부품, 유압부품, 산업기계부품, 특수볼트, 기어 및 Shaft류에 적용되는 등, 고수명, 저진동, 고정밀화 등의 특성을 요하는 다양한 기계부품 분야에 응용가능하다.
	침탄 방법 중 플라즈마 침탄처리의 장점은?	특히 근래에는 침탄 깊이를 얻기 위해 탄소의 확산속도가 빠르고, 산화를 발생을 억제시켜 기계적 성질을 향상시키는 진공 침탄과 침탄성 가스의 플라즈마를 이용한 플라즈마 침탄이 많이 연구 및 실용화되고 있다4,5). 플라즈마 침탄처리는 침탄가스의 소비가 적고 침탄가스나 캐리어 가스에 산소를 포함하지 않기 때문에 표면이상층이 형성되지 않는 이점이 있다6). 진공 침탄처리는 가스 침탄처리의 단점인 유해가스 CO2를 다량 발생시키는 환경문제를 개선하고 새로운 처리기술에 대한 연구가 활발히 진행중이다7).
	진공 침탄처리의 장점은?	플라즈마 침탄처리는 침탄가스의 소비가 적고 침탄가스나 캐리어 가스에 산소를 포함하지 않기 때문에 표면이상층이 형성되지 않는 이점이 있다6). 진공 침탄처리는 가스 침탄처리의 단점인 유해가스 CO2를 다량 발생시키는 환경문제를 개선하고 새로운 처리기술에 대한 연구가 활발히 진행중이다7).

참고문헌 (18)

G. P. Cavallaro, Surface & Coating Technology, 71 (1995), 182.

상세보기
Krauss, G., Materials Park, Ohio, ASM International, (1990).
H. W. Lee, Yonsei University, (2003), 11.
K. Terakado, R. Urao, M. Ohmori, Metall. and Mater. Trans. A., 27A (1996) 40.
M. Okumiya, Y. Tsunekawa, I. Niimi, K. Sakakibara, Mater. Trans, JIM., 35 (1994) 351.

상세보기
K. B. Park, D. M. Shin, K. S. Lee, J. Kor. Inst. Met. & Mater., 2 (2000) 338.
W. B. Lee, G. I. Moon, Y. K. Cho, K. M. Lim, S. G. Byun, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 43 (2010) 211.

원문보기 상세보기
H. Mallener, M. Schuiz, HTM, 48 (1993) 166.
M. B. Karais, A. M. Staines, Heat treatment Metals, 16 (1989) 79.
J. Zysk, J. Tacikowski, E. Kaspizycka, HTM, 34 (1979) 263.
Y. K. Kim, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 43 (2010) 91.

원문보기 상세보기
T. W. Kim, Y. S. Cho, Y. H. Kim, H. S. Park, The Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Semiannual, 38 (2004) 214.
T. W. Kim, Y. S. Cho, Y. H. Kim, H. S. Park, The Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Semiannual, 38 (2004) 218.
H. B. Bang, U. C. Jung, W. S. Jung, B. C. Cha, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 44. (2011) 149.

원문보기 상세보기
Korean Industrial Standard, Sintered ferrous materials, carburized or carbonitrided - Determination and verification of case-hardening depth by a microhardness test, KS D ISO 4507, (2009).
C. G. Lee, J. Kor. Soc. for Heat Treatment, 19 (2006) 54.
William D. Callister, David G. Rethwisch, Mater. Sci.& Eng., Sigma Press, 8 (2011) 152.
E. A. Brandes, G. B. Brook Smithells Metals Reference Book, Butterworth- Heinemann, Oxford, 7 (1992).

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증