[논문]저 탄소강의 오스테나이트 질화 시 암모니아 가스첨가 조건변화가 표면층 조직 및 기공변화에 미치는 영향

이제원; 노용식; 성장현; 임수근

doi:10.12656/jksht.2019.32.5.201

저 탄소강의 오스테나이트 질화 시 암모니아 가스첨가 조건변화가 표면층 조직 및 기공변화에 미치는 영향
Effect of Changes in Condition of Ammonia Gas Addition on the Surface Layer Microstructure and Porosity during Austenitic Nitriding of Low Carbon Steels 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.32 no.5, 2019년, pp.201 - 211

이제원 (경상대학교 재료공정융합공학과) , 노용식 (한국열처리) , 성장현 (한국열처리) , 임수근 (경상대학교 재료공정융합공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Low carbon steel (S20C steel) and SPCC steel sheet have been austenitic nitrided at $700^{\circ}C$ in a closed pit type furnace by changing the flow rate of ammonia gas and heat treating time. When the flow rate of ammonia gas was low, the concentration of residual ammonia appeared low and the hardness value of transformed surface layer was high. The depth of the surface layer, however, was shallow. With increasing the concentration of residual ammonia by raising up the ammonia gas flow, both the depth of the surface layer and the pore depth increased, while the maximum hardness of the surface layer decreased. By introducing a large amount of ammonia gas in a short time, a deep surface layer with minimal pores on the outermost surface was obtained. In this experiment, while maintaining 10~12% of residual ammonia, the flow rate of inlet ammonia gas, 7 liter/min, was introduced at $700^{\circ}C$ for 1 hour. In this condition, the thickness of the surface layer without pores appeared about $60{\mu}m$ in S20C steel and $30{\mu}m$ in SPCC steel plate. Injecting additional methane gas (carburizing gas) to this condition played a deteriorating effect due to promoting the formation of vertical pores in the surface layer. For $1^{st}$ transformed surface layer for S20C steel, maintaining 10~12% residual ammonia condition via austenitic nitriding process resulted in ${\varepsilon}$ phase with relatively high nitrogen concentration (just below 4.23 wt.%N) among the mixed phases of ${\varepsilon}+{\gamma}$. The ${\varepsilon}$ phase was formed a specific orientation perpendicular to the surface. For $2^{nd}$ transformed layer for S20C steel, ${\gamma}$ phase was rather dominant (just above 2.63 wt.%N). For SPCC steel sheet, there appeared three phases, ${\gamma}$, ${\alpha}(M)$ and weak ${\varepsilon}$ phase. The nitrogen concentration would be approximately 2.6 wt.% in these phases condition.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic sketch of experimental apparatus.
표 Table 1. Chemical compositions of carbon steels
그림 Fig. 2. Residual ammonia as a function of austenitic nitriding time at 700℃.
그림 Fig. 3. Residual ammonia as a function of austenitic nitrocarburising time at 700℃.
그림 Fig. 4. Optical micrographs of S20C steel after austenitic nitriding in a flowing ammonia gas of 3 liter/min at 700℃ for 4 hrs.; (a) etched with 2% nital and (b) polished microstructure.
그림 Fig. 5. Residual ammonia as a function of total permeation depth and pore depth during austenitic nitriding at 700℃ for 2 hours in the flowing ammonia gas.
그림 Fig. 6. Changes in peak hardness with increasing residual ammonia during austenitic nitriding at 700℃ in S20C steel.
그림 Fig. 7. Changes in hardness with depth below the surface and microstructure of the S20C steel after austenitic nitriding at 700℃ for 2 hours in the flowing ammonia gas of 3.0 liter/min.
그림 Fig. 8. Changes in hardness with depth below the surface and microstructure of the S20C steel after austenitic nitriding at 700℃ for 10 hours in the flowing ammonia gas of 0.6 liter/min.
그림 Fig. 9. Microstructures of the S20C and SPCC steels after austenitic nitriding at 700℃ for 1 hour in the ammonia gas of 7 liter/min.; (a) S20C steel and (b) SPCC steel.
그림 Fig. 10. Air cooled microstructure of the S20C steel after austenitic nitriding at 700℃ for 1 hour in the ammonia gas of 7 liter/min.
그림 Fig. 11. Microstructure of the S20C and SPCC steels after austenitic nitrocarburising at 700℃ for 1 hour in the ammonia gas of 7 liter/min plus 7% methane gas; (a) S20C steel and (b) SPCC steel.
그림 Fig. 12. Microstructure of the austenitic nitrocarburised steels at 700℃ for 1 hour in the ammonia gas of 5 liter/min plus 3% methane gas; (a) S20C steel and (b) SPCC steel.
$Fig. 13. X-ray diffraction patterns of S20C and SPCC steels after austenitic nitriding at 700℃ in the ammonia gas atmosphere of 7 liter/min.$ 그림 Fig. 13. X-ray diffraction patterns of S20C and SPCC steels after austenitic nitriding at 700℃ in the ammonia gas atmosphere of 7 liter/min.
그림 Fig. 14. EBSD images of the S20C steel after austenitic nitriding at 700℃ for 1 hour in the ammonia gas atmosphere of 7 liter/min. (a) 1^st layer, (b) 2^nd layer and (c) SEM image.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 질화처리에서 일반적으로 사용되는 피트형로에서 탄소강을 사용하여 700℃에서 유입 암모니아 가스의 유량과 시간을 변화 시켜 오스테나이트 질화한 다음, 시료의 조직검사를 통하여 표면층에 형성된 상과 표면층 깊이변화와 기공의 깊이를 조사하고, 잔류암모니아 농도변화가 표면층 상변화 및 경도변화에 어떤 영향을 미치는가를 조사하였다.
암모니아 가스를 사용하여 피트타입로에서 탄소강을 침질 및 침질탄화 시킬 때 암모니아 가스의 유량변화, 메탄가스 첨가의 영향 및 침질시간의 변화가 잔류 암모니아 농도변화 및 조직변화에 어떠한 영향을 미치는 가를 조사하기 위하여 아래와 같이 실험하였다.

제안 방법

침질열처리에 의해 형성된 상은 X-선 회절분석(Xray diffractometer, Rigaku Ultima Ⅳ)을 통하여 조시하였으며 이때 Cu타겟을 사용하였다. 또한 주사전자 현미경(FE-SEM, Inspect F50)에 부착된 EBSD를 이용하여 표면층에 형성된 상의 종류와 형성모양을 조사하였다. 표면층에 형성된 상의 경도는 마이크로 비커스 경도기(FUTURE-TECH, FM-700)를 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같은 피트로를 사용하여 700℃에서 시료의 양을 일정하게 장입하고 유입 암모니아 유량변화에 따라 잔류암모니아 농도변화를 시간경과에 따라 조사하여 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서와 같이 유입 암모니아의 유량이 증가될수록 잔류암모니아 농도는 증가하고 처리시간이 경과할수록 잔류암모니아의 농도는 감소하고 있으며 유입 암모니아 1.
수냉이 끝난 시료는 통상의 연마 및 폴리싱 과정을 거쳐 2% 나이탈 용액에서 부식시켜 광학현미경(LICA DM-ILM)을 이용하여 표면층에 형성된 침질 조직 및 기공의 모양과 깊이를 관찰 및 측정하였다. 침질열처리에 의해 형성된 상은 X-선 회절분석(Xray diffractometer, Rigaku Ultima Ⅳ)을 통하여 조시하였으며 이때 Cu타겟을 사용하였다.
잔류암모니아 농도측정은 배기가스 중 미분해 암모니아 가스농도를 백분율로 측정하는 측정기(Master Company)를 사용하였다. 암모니아 가스를 투입한 후 최초에는 30분 간격으로, 1시간이 지난 이후는 1시간 간격으로 각각 3회 측정하여 평균값을 구하였다.
암모니아가스와 메탄가스를 동시에 노내에 도입시키는 오스테나이트 침질탄화 공정을 실시하면 어떠한 효과가 있는가를 알기 위하여 유입 암모니아 가스의 7%에 해당하는 유량(490 cc/min)으로 메탄가스를 첨가하여 오스테나이트 침질탄화 시켰다.
700℃에서의 침질시간은 1~10시간이었으며 침질처리한 후 수냉 하였다. 어떤 경우에는 침질의 효과와 더불어 침질탄화의 영향을 조사하기 위하여 투입 암모니아 가스의 7%에 해당하는 메탄가스를 투입하여 조직 및 경도에 미치는 침질 및 침질탄화의 효과를 조사하였다.
열처리는 300℃로 유지된 피트로를 700℃까지 승온 시키고 700℃에 도달하면 시료를 장입하고 암모니아가스를 투입하였다. 투입된 암모니아가스는 고순도 가스(99.
위와 같은 고찰을 바탕으로 S20C강을 700℃에서 오스테나이트 질화할 때 표면층의 조직과 경도 사이의 관계를 3가지 유형으로 분류하여 보았다.
이때 X-선 회절분석에서 얻은 ε상과 γ상에 대하여 각각 1개의 상만을 넣고 관찰하였다.
저 탄소강(S20C강)과 SPCC강판을 밀폐된 피트형로를 사용하여 700^oC에서 암모니아 가스유량과 처리시간을 변화시켜 오스테나이트 질화 시켰다. 여기서 얻은 결론은 다음과 같다.
즉, Fe24C10의 ε상과 Fe3N의 ε상의 결정구조가 모두 HCP로 동일 ㅇ하여 상의 image가 거의 동일하므로 ε-Fe3N으로, 마찬가지로 γ'-Fe4N과 γ-austenite는 결정구조가 FCC로 동일하여 γ-austenite로 분석하였다.
수냉이 끝난 시료는 통상의 연마 및 폴리싱 과정을 거쳐 2% 나이탈 용액에서 부식시켜 광학현미경(LICA DM-ILM)을 이용하여 표면층에 형성된 침질 조직 및 기공의 모양과 깊이를 관찰 및 측정하였다. 침질열처리에 의해 형성된 상은 X-선 회절분석(Xray diffractometer, Rigaku Ultima Ⅳ)을 통하여 조시하였으며 이때 Cu타겟을 사용하였다. 또한 주사전자 현미경(FE-SEM, Inspect F50)에 부착된 EBSD를 이용하여 표면층에 형성된 상의 종류와 형성모양을 조사하였다.
또한 주사전자 현미경(FE-SEM, Inspect F50)에 부착된 EBSD를 이용하여 표면층에 형성된 상의 종류와 형성모양을 조사하였다. 표면층에 형성된 상의 경도는 마이크로 비커스 경도기(FUTURE-TECH, FM-700)를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

S20C 시료는 직경 25 mmΦ의 환봉을 두께 10 mm로 절단하였으며 냉간 압연강판은 두께 0.6 mm 강판을 10 mm(폭) × 60 mm(길이)로 절단하여 침질(탄화)처리에 사용하였다.
시료는 S20C강과 냉간압연 강판(SPCC)으로서 그 화학조성을 Table 1에 나타내었다. S20C 시료는 직경 25 mmΦ의 환봉을 두께 10 mm로 절단하였으며 냉간 압연강판은 두께 0.
실험에 사용된 로는 연구개발용으로 제작한 밀폐형 피트로 이며 직경 152 mmΦ, 용량 17리터의 소형 분위기 로이다.
열처리는 300℃로 유지된 피트로를 700℃까지 승온 시키고 700℃에 도달하면 시료를 장입하고 암모니아가스를 투입하였다. 투입된 암모니아가스는 고순도 가스(99.999%)이며, 각각 0.6, 1, 3 및 7 liter/min으로 투입하였다. 700℃에서의 침질시간은 1~10시간이었으며 침질처리한 후 수냉 하였다.

성능/효과

1. 유입되는 암모니아가스의 유량이 낮으면 잔류암모니아 농도가 낮고 상변태가 일어난 표면층은 높은 경도를 나타내지만 깊이는 얕다. 암모니아가스의 유량을 증가시켜 잔류암모니아 농도를 증가시키면 표면층 깊이는 깊어지나 기공의 깊이도 함께 깊어지면서 최고경도 또한 낮아진다.
700℃에서 유입 암모니아 유량을 7 liter/min으로 유지 시키면서 1시간 동안 처리하는 오스테나이트 질화실험을 여러 번 반복한 결과 잔류암모니아는 7~13%를 유지하였으며 이때가 기공이 거의 없고 표면층의 깊이도 깊어서 비교적 양호한 결과를 얻었으며 이는 다른 실험결과와 유사하다[1]. 실험조건을 바꾸어 노의 온도를 700℃에서 장시간 유지한 다음 시료장입과 함께 동일한 유량의 가스를 투입하면 잔류암모니아의 농도가 낮아지거나 어떤 경우에는 표면층에 기공이 생겼으며 가스 투입시간을 2시간으로 연장시켜도 기공이 형성되었다.
오스테나이트 질화 시 최외각 표면에 기공을 최소화 시키면서 깊은 표면층을 얻는 방법은 많은 양의 암모니아 가스를 짧은 시간 투입하는 방법이다. 본 실험에서 유입 암모니아가스 유량을 7 liter/min으로 700℃에서 1시간 오스테나이트 질화시켜 잔류암모니아 농도를 10~12%가 되도록 관리하는 조건에서 S20C강은 약 60 μm, SPCC강판은 약 30 μm두께의 기공이 없는 표면층을 얻었다. 이 조건에서 침탄성 가스인 메탄가스를 투입하면 표면층에 수직기공의 형성을 촉진 시켰다.
앞에서 저탄소강을 이용하여 700^oC에서 오스테나이트 질화처리 하여 질소를 침투 시킬 때 많은 양의 암모니아를 짧은 시간에 노내에 도입하여(본 실험 에서는 1시간 이내) 질소가 침투된 표면층에 기공이 형성되지 않도록 하여야 하며, 특히 메탄가스와 같은 침탄성 가스를 암모니아가스와 함께 첨가하는 것은 기공형성을 조장시키기 때문에 오스테나이트 질화에 유리하지 않다는 것을 알 수 있었다. 이러한 방법으로 S20C강에서 짧은 시간에 깊은 경화층을 얻었지만 표면층 경도는 첫 번째층과 두 번째층이 각각 HV552 및 HV401 그리고 SPCC강은 HV648로 비교적 낮게 나타났다.
C에서 오스테나이트 질화처리 하여 질소를 침투 시킬 때 많은 양의 암모니아를 짧은 시간에 노내에 도입하여(본 실험 에서는 1시간 이내) 질소가 침투된 표면층에 기공이 형성되지 않도록 하여야 하며, 특히 메탄가스와 같은 침탄성 가스를 암모니아가스와 함께 첨가하는 것은 기공형성을 조장시키기 때문에 오스테나이트 질화에 유리하지 않다는 것을 알 수 있었다. 이러한 방법으로 S20C강에서 짧은 시간에 깊은 경화층을 얻었지만 표면층 경도는 첫 번째층과 두 번째층이 각각 HV552 및 HV401 그리고 SPCC강은 HV648로 비교적 낮게 나타났다. 오스테나이트 질화처리에 의해 이들 강의 경도가 낮은 이유를 규명하기 위하여 Fig.
이상의 실험결과에서 17리터 용량의 밀폐된 피트형로를 사용하여 700oC에서 유입 암모니아를 7 liter/min으로 주입시켜 잔류암모니아를 10~12% 남게 오스테나이트 질화처리 한 결과 S20C강의 경우 약 60 μm 두께의 2개의 표면층을 얻었으며 첫 번째 층은 ε+γ의 혼합상 중 질소농도가 비교적 높은 ε상이 지배적(4.23 wt.%N 이하)으로 나타났으며 두 번째층은 ε+γ의 혼합상 중 γ상이 지배적(2.63 wt.%N 이상)으로 나타났다.
즉 Fig. 5에서 유입암모니아 유량을 적게 하여 잔류암모니아가 1.8~2.2%로 낮은 값을 갖는 시료가 침투층 깊이는 25~31 μm으로 낮지만 표면층의 최고 경도는 HV800 이상으로 높게 나타났다, 반면에 잔류암모니아 농도가 높아 침투깊이와기공의 깊이가 깊은 시료는 최고 경도값이 낮게 나타남을 알 수 있다.
즉, 피트타입 로를 사용하여 암모니아 가스유량을 7 liter/min으로 S20C 강과 SPCC 강판을 700oC에서 1시간동안 오스테나이트 질화시킨 결과 표면층은 비교적 깊게 형성되고 경도가 높을 것으로 예상되는 ε상도 형성되었지만 수냉에 의해서도 경도가 낮은 γ상이 함께 존재하여 표면경도를 낮추었다.
첫 번째는 오스테나이트 질화 시 유입되는 암모니아 유량을 높여 과다하게 긴 시간 처리한 경우로서 Fig. 7의 경도 그래프와 조직사진에서와 같이 질소 침투층의 깊이는 깊으나 최외각 표면층은 기공이 도입되어 낮은 경도 값을 보이고 조직사진에서와 같이 표면층에서 기공이 끝나는 지점부터 높은 경도를 나타내면서 점진적으로 경도가 감소하는 유형이다. 층 경계를 넘어선 기지 층은 오스테나이트 질화 전에 페라이트+펄라이트의 밴드조직이었던 원소재가700℃의 오스테나이트 질화에 의해 펄라이트 부분은 높은 탄소 함량과 침투되는 질소의 복합효과에 의하여 오스테나이트로 변한다음 칭에 의해 마르텐사이트로 변태되었으며, 페라이트 부분도 질화물로 추정되는 미세한 입자가 존재하는 것을 알 수 있다.
7의 경도 그래프와 조직사진에서와 같이 질소 침투층의 깊이는 깊으나 최외각 표면층은 기공이 도입되어 낮은 경도 값을 보이고 조직사진에서와 같이 표면층에서 기공이 끝나는 지점부터 높은 경도를 나타내면서 점진적으로 경도가 감소하는 유형이다. 층 경계를 넘어선 기지 층은 오스테나이트 질화 전에 페라이트+펄라이트의 밴드조직이었던 원소재가700℃의 오스테나이트 질화에 의해 펄라이트 부분은 높은 탄소 함량과 침투되는 질소의 복합효과에 의하여 오스테나이트로 변한다음 칭에 의해 마르텐사이트로 변태되었으며, 페라이트 부분도 질화물로 추정되는 미세한 입자가 존재하는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오스테나이트 질화/침질탄화란?	오스테나이트 질화/침질탄화(Austenitic Nitriding/ Nitrocarburising: AN/ANC)는 가스, 염욕 및 플라즈마를 이용하여 침질 또는 침질탄화에 의해 강의표면을 경화 시키는 처리법의 하나로서, 질소가 침투된 강의 표면층이 오스테나이트로 부분변태를 일으키는 온도에서 수행하는 열처리로 정의 된다[1]. 즉, Fe-C 상태도 및 Fe-N 상태도의 공석온도 사이에서 가스, 염욕 및 플라즈마를 이용하여 오스테나이트 질화/침질탄화를 수행하지만 암모니아 가스를 이용하여 질화/침질탄화 시키는 방법이 가장 널리 이용되고 있다[2].
	가스질화법의 단점은?	지금까지 질소를 이용한 표면경화 법으로 가장 널리 이용되고 있는 가스질화법은 저합금강을 사용하여 495~565oC의 온도범위에서 수행하며 급속 퀜칭이 필요하지 않고, 침탄에서와 같은 탄소-오스테나이트가 탄소-마르텐사이트로 상변태 할 때 생기는 큰 치수변화도 일어나지 않는 장점이 있다[3]. 그러나 페라이트의 질소 고용도가 낮고 처리온도가 낮아 수 시간 또는 며칠 동안 장시간 처리하여도 경화층 깊이는 상대적으로 얕고 질소농도는 표면에서 중심부(core)로 급격히 감소하여 바람직하지 않은 예리한 경도구배 및 응력구배를 초래하는 단점을 가지고 있다[4].
	가스질화법의 장점은?	지금까지 질소를 이용한 표면경화 법으로 가장 널리 이용되고 있는 가스질화법은 저합금강을 사용하여 495~565oC의 온도범위에서 수행하며 급속 퀜칭이 필요하지 않고, 침탄에서와 같은 탄소-오스테나이트가 탄소-마르텐사이트로 상변태 할 때 생기는 큰 치수변화도 일어나지 않는 장점이 있다[3]. 그러나 페라이트의 질소 고용도가 낮고 처리온도가 낮아 수 시간 또는 며칠 동안 장시간 처리하여도 경화층 깊이는 상대적으로 얕고 질소농도는 표면에서 중심부(core)로 급격히 감소하여 바람직하지 않은 예리한 경도구배 및 응력구배를 초래하는 단점을 가지고 있다[4].

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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