[논문]고온 가스 질화와 저온 가스 질화 방법에 따른 AISI 410 마르텐사이트 스테인레스강의 경화층 및 마모 특성

손석원; 이원범

doi:10.5695/jkise.2018.51.4.249

고온 가스 질화와 저온 가스 질화 방법에 따른 AISI 410 마르텐사이트 스테인레스강의 경화층 및 마모 특성
Surface Hardening and Wear Properties of AISI 410 Martensitic Stainless Steel by High & Low Temperature Gaseous Nitriding 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.51 no.4, 2018년, pp.249 - 255

손석원 (한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소 열처리그룹) , 이원범 (한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소 열처리그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

High temperature and low temperature gaseous nitriding was performed in order to study of the surface hardening and wear properties of the nitrided AISI 410 Martensitic stainless steels. High temperature gaseous nitiridng (HTGN) was carried out using partial pressure $N_2$ gas at $1,100^{\circ}C$ for 10 hour, and Low temperature gaseous nitiridng (LTGN) was conducted in a gas mixture of NH3 and N2 at $470^{\circ}C$ for 10 hour. The nitrided samples were characterized by microhardness measurements, optical microscopy and scanning electron microscopy. The phases were identified by X-ray diffraction and nitrogen concentration was analyzed by GD-OES. The HTGN specimen had a surface hardness of about $700HV_{0.1}$, $350{\mu}m$ of case depth. A ${\sim}50{\mu}m$ thick, $1,250HV_{0.1}$ hard nitrided case formed at the surface of the AISI 410 steel by LTGN, composed nitrogen supersaturated expanded martensite and ${\varepsilon}-Fe_{24}N_{10}$ iron nitrides. Additionally, the results of the wear tests, carried out LTGN specimen was low friction coefficient and high worn mass loss of ball. The increase in wear resistance can be mainly attributed to the increase in hardness and to the lattice distortion caused by higher nitrogen concentration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 AISI410 마르텐사이스계 스테인레스강의 표면경화에 따른 조직의 변화와 마모특성에 관련된 연구를 진행하였다. 표면경도의 경우 퀜칭템퍼링(Q&T), 고온질화, 저온 질화한 시험편중 저온에서 질화한 시험편이 가장 높은 1,250 HV_0.
본 연구에서는 고온과 저온에서 가스질화 처리한마르텐사이트계 스테인레스강 AISI 410 소재의 표면경화층을 분석하고자 하였다. 또한 각기 다른 방법의 질화처리된 시험편의 표면경도를 측정하였으며 조직분석을 실시하였고 표면 질소 농도측정을 통하여 경화층의 표면경도, 경화깊이, 질소 함량과 내마모 특성과의 연관성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

AISI 410 소재의 표면 마찰 마모 특성을 확인하기 위하여 Ball-On-Disk 마모시험기를 사용하였으며, 퀜칭 템퍼링, 고온질화, 저온질화 처리된 각 시험편의 마찰계수와 Wear loss를 측정하여 마모 특성에 대한 분석을 하였다. 마모시험용 볼은 SiC 소재의 3 mm 크기 볼을 사용하였고 5 N의 하중으로 볼과 각 시험편의 표면에 하중을 가하였다.
열처리된 시험편은 SiC 사포를 이용하여 #1,500번까지 순차적으로 연마하여 동일한 표면 상태로 준비를 하였고, 고온 및 저온에서 가스 질화를 진행하였다. 고온질화 방법(High Temperature Gaseous Nitriding)은 1,100^oC에서 질소(N₂)가스를 로내에 주입하여 300mbar 압력을 유지하고 10시간동안 질화처리를 한 후 질소(N₂)가스를 이용하여 5 bar 압력으로 급냉처리를 하였다. 저온질화(Low Temperature Gaseous Nitriding)처리는 AISI 410 소재의 표면 크롬산화막 제거를 위하여 390^oC온도에서 아산화질소(N₂O)가스를 이용한 산화공정을 30분 동안 한 후 암모니아(NH₃)가스를 이용하여 30분 동안 환원공정을 함으로써 시험편 표면에 크롬 산화막이 감소하고 표면반응이 활성화되도록 하였다.
그리고 470^oC까지온도를 증가시킨 뒤 암모니아(NH₃)가스와 질소(N₂)가스를 1:1 비율로 혼합하여 300 mbar 압력으로 질화처리를 진행하였다. 고온질화(HTGN) 공정과 저온질화(LTGN) 공정 모두 질화 시간(10 시간), 공정압력(300 mbar)로 동일한 조건으로 하였다.
저온질화(Low Temperature Gaseous Nitriding)처리는 AISI 410 소재의 표면 크롬산화막 제거를 위하여 390^oC온도에서 아산화질소(N₂O)가스를 이용한 산화공정을 30분 동안 한 후 암모니아(NH₃)가스를 이용하여 30분 동안 환원공정을 함으로써 시험편 표면에 크롬 산화막이 감소하고 표면반응이 활성화되도록 하였다. 그리고 470^oC까지온도를 증가시킨 뒤 암모니아(NH₃)가스와 질소(N₂)가스를 1:1 비율로 혼합하여 300 mbar 압력으로 질화처리를 진행하였다. 고온질화(HTGN) 공정과 저온질화(LTGN) 공정 모두 질화 시간(10 시간), 공정압력(300 mbar)로 동일한 조건으로 하였다.
본 연구에서는 고온과 저온에서 가스질화 처리한마르텐사이트계 스테인레스강 AISI 410 소재의 표면경화층을 분석하고자 하였다. 또한 각기 다른 방법의 질화처리된 시험편의 표면경도를 측정하였으며 조직분석을 실시하였고 표면 질소 농도측정을 통하여 경화층의 표면경도, 경화깊이, 질소 함량과 내마모 특성과의 연관성을 확인하고자 하였다.
질화 공정 후에 각 시험편의 조직 관찰은 95 ml 에탄올, 5 ml 염산, 1 g 피크릭산을 혼합한 용액으로 에칭을 한 후 광학 현미경(Optical Microscope)과 주사 전자 현미경(Scanning electron Microscope)으로 표면경화층 및 단면조직 관찰하였다. 또한 비커스경도계(Micro Vickers Hardness Tester)를 이용하여 표면경도와 단면경도 측정(100 gf, 10초)을 하였다. 표면경화층의 X-선 회절 분석은 Cu-Kα 타겟을 이용하여 20^o에서 90^o 범위에서 회절각도를 검출하여 각 시험편 표면에 대한 상분석을 실시하였고, 질화층의 형성거동을 분석하기 위하여 GD-OES를 이용하여 질소의 단면 농도 분포를 조사하였다.
마모 시험 후 AISI 410 각 시험편의 마찰계수를 측정하였고, 시험편 표면에 형성된 마모 트랙의 폭을 광학현미경을 통하여 관찰하였다. 또한, 볼(SiC)의 마모된 손실량을 계산하여 상대 비교하였다. 손실된 SiC 볼의 마모량은 아래 식(1)과 같이 Wear loss 부피를 계산하여 비교하였다.
트랙 반경은 5 mm로 설정하여 드라이(Dry) 조건에서 마모 시험을 하였다. 마모 시험 후 AISI 410 각 시험편의 마찰계수를 측정하였고, 시험편 표면에 형성된 마모 트랙의 폭을 광학현미경을 통하여 관찰하였다. 또한, 볼(SiC)의 마모된 손실량을 계산하여 상대 비교하였다.
1가 되도록 하였다. 열처리된 시험편은 SiC 사포를 이용하여 #1,500번까지 순차적으로 연마하여 동일한 표면 상태로 준비를 하였고, 고온 및 저온에서 가스 질화를 진행하였다. 고온질화 방법(High Temperature Gaseous Nitriding)은 1,100^oC에서 질소(N₂)가스를 로내에 주입하여 300mbar 압력을 유지하고 10시간동안 질화처리를 한 후 질소(N₂)가스를 이용하여 5 bar 압력으로 급냉처리를 하였다.
고온질화 방법(High Temperature Gaseous Nitriding)은 1,100^oC에서 질소(N₂)가스를 로내에 주입하여 300mbar 압력을 유지하고 10시간동안 질화처리를 한 후 질소(N₂)가스를 이용하여 5 bar 압력으로 급냉처리를 하였다. 저온질화(Low Temperature Gaseous Nitriding)처리는 AISI 410 소재의 표면 크롬산화막 제거를 위하여 390^oC온도에서 아산화질소(N₂O)가스를 이용한 산화공정을 30분 동안 한 후 암모니아(NH₃)가스를 이용하여 30분 동안 환원공정을 함으로써 시험편 표면에 크롬 산화막이 감소하고 표면반응이 활성화되도록 하였다. 그리고 470^oC까지온도를 증가시킨 뒤 암모니아(NH₃)가스와 질소(N₂)가스를 1:1 비율로 혼합하여 300 mbar 압력으로 질화처리를 진행하였다.
질화 공정 후에 각 시험편의 조직 관찰은 95 ml 에탄올, 5 ml 염산, 1 g 피크릭산을 혼합한 용액으로 에칭을 한 후 광학 현미경(Optical Microscope)과 주사 전자 현미경(Scanning electron Microscope)으로 표면경화층 및 단면조직 관찰하였다. 또한 비커스경도계(Micro Vickers Hardness Tester)를 이용하여 표면경도와 단면경도 측정(100 gf, 10초)을 하였다.
마모시험용 볼은 SiC 소재의 3 mm 크기 볼을 사용하였고 5 N의 하중으로 볼과 각 시험편의 표면에 하중을 가하였다. 트랙 반경은 5 mm로 설정하여 드라이(Dry) 조건에서 마모 시험을 하였다. 마모 시험 후 AISI 410 각 시험편의 마찰계수를 측정하였고, 시험편 표면에 형성된 마모 트랙의 폭을 광학현미경을 통하여 관찰하였다.
표면경화층의 X-선 회절 분석은 Cu-Kα 타겟을 이용하여 20o에서 90o 범위에서 회절각도를 검출하여 각 시험편 표면에 대한 상분석을 실시하였고, 질화층의 형성거동을 분석하기 위하여 GD-OES를 이용하여 질소의 단면 농도 분포를 조사하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 마르텐사이트계 스테인레스강 AISI 410소재를 저압 가스분위기의 질화공정 방법에 따른 조직 및 물성 변화를 확인하기 위하여 Ø30 × 10 mm 크기의 AISI 410소재를 준비하였다.
퀜칭 템퍼링만 진행한 시험편의 트랙의 경우 트랙의 폭이 498.15 μm로 측정되었다.

성능/효과

(a)에서 퀜칭 템퍼링(Q&T) 한 AISI 410 소재와 고온질화한 시험편은 표면 측정 결과 마르텐사이트(α′)상이 2θ에서 45o, 65o, 82o(ICDD #06-0696)에서 피크가 검출된 것을 확인하였다.
1) AISI 410 소재에 고온질화 시험편의 경우 표면경도 값은 700 HV_0.1까지 표면경화가 이루어진 것을 확인 하였고, 저온질화의 경우 1,250 HV_0.1까지 표면경도가 높게 올라간 것을 확인 하였다.
2) 조직관찰을 통해서 경화깊이를 확인 결과 고온질화 시험편의 경우 높은 온도에서 질화가 되었기 때문에 약 350 μm정도의 표면경화층이 형성된 것을 확인하였고, 저온질화 시험편의 경우에는 약 50 μm의 표면경화층이 형성된 것을 확인하였다.
56 μm로 측정되었다(그림 7 (c)). 200 m거리 까지 측정된 평균 마찰계수 및 마모된 볼과 트랙의 폭길이 값을 표 2에 나타내었으며 저온질화 시험편의 마찰계수가 가장 낮았고, 저온질화 시험편과 마찰이 일어난 볼의 마모흔적 길이가 가장 크게 측정되었다.
3) XRD 측정 결과 퀜칭 템퍼링 시험편과 고온 질화 시험편에서는 마르텐사이트(α′) 피크가 검출 되었고, 저온질화의 경우 표면에 ε-Fe24N10과 마르텐사이트(α′) 회절 각도보다 낮은 Expanded Martensite(α′-N) 상이 측정되었고 이는 표면에 질소가 과고용된 것을 확인 할 수 있었다.
4) Ball-On-Disk 마모시험 결과에서 마모 시간이 증가함에 따라 각 시험편의 마찰계수는 모재(Q&T)시험편의 마찰계수와 비슷한 값으로 증가하는 것을 확인 할 수 있었고, 저온질화 시험편의 마찰계수가 가장 낮게 측정되어 내마모 특성이 가장 좋을 것을 확인하였다.
2) 조직관찰을 통해서 경화깊이를 확인 결과 고온질화 시험편의 경우 높은 온도에서 질화가 되었기 때문에 약 350 μm정도의 표면경화층이 형성된 것을 확인하였고, 저온질화 시험편의 경우에는 약 50 μm의 표면경화층이 형성된 것을 확인하였다. 또한, GD-OES 분석으로 표면경화층의 질소 농도를 측정한 결과, 질소 확산에 의한 표면경화가 일어난 것을 알 수 있고 저온질화가 고온질화보다 질소농도가 약 10배 정도 높게 측정되었다.
또한, 질화한 AISI 410 시험편의 경우 질소의 침투에 의해 심부에서 표면으로 갈수록 경도가 증가하여, 고온 질화의 경우 약 500 μm까지 모재경도보다 증가하였고, 유효경화층 깊이는 350 μm로 측정되었다.
4) Ball-On-Disk 마모시험 결과에서 마모 시간이 증가함에 따라 각 시험편의 마찰계수는 모재(Q&T)시험편의 마찰계수와 비슷한 값으로 증가하는 것을 확인 할 수 있었고, 저온질화 시험편의 마찰계수가 가장 낮게 측정되어 내마모 특성이 가장 좋을 것을 확인하였다. 마모 볼(SiC)의 손실량을 계산한 결과 질소가 과고용된 저온질화 시험편의 마모 볼 손실된 부피는 2 × 10^-3mm³으로 마모가 가장 많이 일어난 것을 알 수 있었다.
이러한 표면경도 및 표면 조직 상태는 마모특성과 깊은 관련이 있고, 이는 마찰계수의 결과를 비교함으로 내 마모특성을 유추할 수 있다[12]. 본 연구에서 그림 8을 통하여 마모특성을 비교분석한 결과 저온에서 질화한 시험편이 마찰계수 0.2~0.4로 가장 낮게 측정되었으며 내마모특성이 가장 좋은 것을 알 수 있다. 즉 AISI410 소재의 내마모 특성을 향상시키기 위해서는 고온질화에 비해 저온질화가 높은 표면경도 및 낮은 마찰계수를 얻기 위한 최선의 질화방법이라고 사료된다.
그림 6는 Ball-On-Disk 마모시험 동안 측정된 마찰계수 결과 값이다. 퀜칭 템퍼링한 시험편의 경우 마찰계수가 거리가 증가하여도 0.45정도의 일정한 마찰계수가 측정되었으며, 고온질화한 시험편의 경우 거리가 증가함에 따라 마찰계수가 점점 증가하는 것을 알 수 있다. 저온질화한 시험편의 경우 초기에 마찰계수가 0.
1의 경도를 나타내었고 그림 4에서 저온질화 시험편은 50~60 μm까지 높은 분율의 질소가 침투되어있음을 알 수 있다. 플라즈마 질화에 의한 마르텐사이트 스테인레스강은 질소가 표면에 침투하여 격자의 팽창을 유발하는 것으로 알려져 있으며[8,9], 본 연구에서도 그림 5와 같이 암모니아 가스를 이용한 저온 질화의 경우 표면에 격자 팽창이 일어난 것을 확인하였다. 이러한 질소의 과고용은 높은 표면경도를 가져오고 표면 화합물과 Expanded Martensite Phase(α′-N)형성에 따른 결과임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마르텐사이트계 스테인레스강이 산업적으로 널리 사용되는 이유는?	전형적으로 10~18 wt% Cr과 8~14 wt%의 Ni로 이루어진 오스테나이트계와 마르텐사이트계, 듀플렉스 스테인레스강 등이 사용되고 있으며, 최근 철강 산업에서는 원가 절감을 위하여 코발트 및 니켈 등 고가의 합금원소를 극소화하기 위한 방안을 모색하고 있다. 그중, 마르텐사이트계 스테인레스강은 니켈의 함량을 줄이고 탄소의 함량을 증가한 소재로 합금공구강과 금형강 보다 내식성이 우수하고 열처리에 의한 물성제어가 가능하기 때문에 기어 및 샤프트, 자동차 부품, 유압 부품, 오일 및 가스 밸브, 플라스틱 사출 금형 등 산업적으로 널리 사용되고 있다[1,2].
	스테인레스강의 특성은?	스테인레스강은 연성과 내식성이 우수하여 다양한 분야에 적용되어 사용되고 있다. 전형적으로 10~18 wt% Cr과 8~14 wt%의 Ni로 이루어진 오스테나이트계와 마르텐사이트계, 듀플렉스 스테인레스강 등이 사용되고 있으며, 최근 철강 산업에서는 원가 절감을 위하여 코발트 및 니켈 등 고가의 합금원소를 극소화하기 위한 방안을 모색하고 있다.
	스테인레스강의 표면처리 방법에 따라 C,N의 원소 침투가 어려운 이유는?	한편 스테인레스강은 우수한 내식성과 연성을 가지고 있지만, 경도가 낮아 많은 응용분야에 제한되어 사용되고 있어, 스테인레스강의 표면처리를 통한 물성향상에 대한 연구가 다양하게 진행되고 있다[3,5]. 스테인레스강은 주요 원소인 Cr 성분이 표면에 nm 단위의 크롬산화층을 형성하고 있어 열확산 표면처리 방법에 의한 C, N 원소의 침투가 어렵다. 또한, 특정 온도와 압력에서 공정을 진행할 경우 스테인레스강에 포함된 Cr 성분이 CrC, CrN 등 크롬 석출물을 형성하고, 이로 인한 모재의 Cr 함량 감소가 일어나 내식성이 감소하는 현상이 나타난다.

참고문헌 (12)

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A. Dalmau, C. Richard,A. Igual-Munoz, Degradation mechanisms in martensitic stainless steels: Wear, corrosion and tribocorrosion appraisal, Tribol. Int. 121 (2018) 167-179

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