[논문]316L 오스테나이트계 스테인리스강의 저온 플라즈마질화처리시 공정변수가 표면경화층 특성에 미치는 영향

이인섭

doi:10.5695/jkise.2019.52.4.194

[국내논문] 316L 오스테나이트계 스테인리스강의 저온 플라즈마질화처리시 공정변수가 표면경화층 특성에 미치는 영향
The Effects of Processing Parameters on Surface Hardening Layer Characteristics of Low Temperature Plasma Nitriding of 316L Austenitic Stainless Steel 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.4, 2019년, pp.194 - 202

Abstract ▼ AI-Helper

A systematic investigation was made on the influence of processing parameters such as gas composition and treatment temperature on the surface characteristics of hardened layers of low temperature plasma nitrided 316L Austenitic Stainless Steel. Various nitriding processes were conducted by changing temperature ($370^{\circ}C$ to $430^{\circ}C$) and changing $N_2$ percentage (10% to 25%) for 15 hours in the glow discharge environment of a gas mixture of $N_2$ and $H_2$ in a plasma nitriding system. In this process a constant pressure of 4 Torr was maintained. Increasing nitriding temperature from $370^{\circ}C$ to $430^{\circ}C$, increases the thickness of S phase layer and the surface hardness, and also makes an improvement in corrosion resistance, irrespective of nitrogen percent. On the other hand, increasing nitrogen percent from 10% to 25% at $430^{\circ}C$ decreases corrosion resistance although it increases the surface hardness and the thickness of S phase layer. Therefore, optimized condition was selected as nitriding temperature of $430^{\circ}C$ with 10% nitrogen, as at this condition, the treated sample showed better corrosion resistance. Moreover to further increase the thickness of S phase layer and surface hardness without compromising the corrosion behavior, further research was conducted by fixing the $N_2$ content at 10% with introducing various amount of $CH_4$ content from 0% to 5% in the nitriding atmosphere. The best treatment condition was determined as 10% $N_2$ and 5% $CH_4$ content at $430^{\circ}C$, where the thickness of S phase layer of about $17{\mu}m$ and a surface hardness of $980HV_{0.1}$ were obtained (before treatment $250HV_{0.1}$ hardness). This specimen also showed much higher pitting potential, i.e. better corrosion resistance, than specimens treated at different process conditions and the untreated one.

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표/그림 (10)

표 Table 1. Chemical composition of AISI 316L Austenitic Stainless Steel (wt. %)
그림 Fig. 1. XRD analysis of the nitrided 316L samples at (a) various temperatures with fixed 10% N₂ percent (b) various nitrogen percent with fixed 430^oC temperature.
그림 Fig. 2. The optical micrographs of the nitrided 316L samples at (a-c) various temperature with fixed 10% N₂ percent (d-f) various nitrogen percent with fixed 430^oC temperature.
그림 Fig. 3. (a) Surface hardness and (b) Thickness of S phase layer of AISI 316L samples at various nitrogen percent with various treatment temperature.
그림 Fig. 4. GDOES analysis of AISI 316L samples at various temperature with fixed 10% N₂ percent.
그림 Fig. 5. Anodic potentiodynamic polarization test of AISI 316L samples at (a) various temperature with fixed 10% N₂ percent (b) various nitrogen percent with fixed 430^oC temperature.
그림 Fig. 6. Macroscopic View after potentiodynamic polarization test of AISI 316L samples (a) untreated and treated at (b-d) various temperature with fixed 10% N₂ percent (d-f) various nitrogen percent with fixed 430^oC temperature.
그림 Fig. 7. XRD analysis of the nitrided AISI 316L samples at various methane percent with fixed 10% nitrogen percent at 430^oC temperature.
그림 Fig. 8. (a-d) Optical micrographs and (e) Surface hardness and Thickness of S phase layer of the nitrided AISI 316L samples at various methane percent with fixed 10% nitrogen percent at 430^oC temperature.
그림 Fig. 9. (a) Anodic potentiodynamic polarization curve and (b-e) macrographs and micrographs of after corrosion tested AISI 316L samples at various methane percent with fixed 10% nitrogen percent at 430^oC temperature.

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문제 정의

그러나 위에서 언급한 모든 변수를 동시에 최적화하는 적절한 연구가 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 플라즈마질화처리시 더욱더 두꺼운 S상 및 높은 경도와 우수한 내식성을 얻기 위하여 가스성분 및 처리온도의 영향을 보다 잘 이해하기 위해 체계적인 실험을 수행하였다.
그러나, 이 최적화된 조건에서 내식성은 향상되었지만 S상 두께가 두껍지 않았서 하중지지용량(loadbearing capacity)이 낮으므로 실용성이 떨어진다. 따라서 316L 오스테나이트계 스테인리스강의 개선된 부식거동을 손상시키지 않으면서 S상 층 두께를 개선하기 위한 추가 연구를 수행하였다. 결과적으로, 탄소는 0% ~ 5% 범위의 메탄 (CH₄) 형태로 첨가되어 316L 오스테나이트계 스테인레스강의 S상 거동 및 부식저항에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

압연봉재의 재료를 절단하여 디스크 형태의 시편(φ16 mm × h3 mm)으로 가공하였다.
RigakuD / Max-200 X- 선 회절계를 사용하여 Cu-Kα 방사선 (λ = 1.544Å)을 사용하여 처리된 표면에 형성된 상을 분석하였다.
플라즈마질화 처리 전에 질소 및 탄소 원자가 쉽게 침투할 수 있도록 시편 표면에 미세 결함을 생성하기 위해 400℃ 온도에서 Ar 및 H2를사용하여 최소 40 분 동안 프리스퍼터링을 실시하였다.
SiC 연마지를 이용하여 120~1200번까지 순차적으로 연마 후0.05 μm 알루미나 슬러리로 경면처리를 하고 이물질 제거를 위해 초음파세척을 실시하여 플라즈마처리용 시편준비를 하였다.
종래의 기술로 304 및 316과 같은 오스테나이트계 스테인리스강을 질화처리를 하기 위해서 먼저 강 표면의 치밀화된 크롬산화물 (Cr₂O₃) 피막을 제거하는 공정을 반드시 실시한다. 그러나 플라즈마질화는 이 공정이 필요하지 않다.
플라즈마질화를 위해, H₂와 N₂ 가스를 진공용기에 주입하여 4Torr의 일정한 압력이 유지되도록 하고 처리온도에서 15시간 실시하였다. 플라즈마질화공정 중에 전압 바이어스의 영향으로 질소 및 수소가스가 이온화되어 시편에 침투된다.
플라즈마질화공정 중에 전압 바이어스의 영향으로 질소 및 수소가스가 이온화되어 시편에 침투된다. 글로우방전 환경에서 처리온도를 370℃ ~ 430℃로 변화시키고, 각각의 선택된 온도에서 N₂ 가스 양도 10% ~ 25%로, 그리고 CH₄ 가스의 양을 0% ~ 5%로 변화시키는 다양한 질화공정을 실시하였다. 이 공정이 끝난 후 바이어스 전압을 0으로 낮추고 시료가 산화되지 않도록 200℃까지 냉각시킨 다음 진공용기에서 시편을 제거하였다.
플라즈마질화처리된 시편의 단면 미세조직을 관찰하기 위해 SiC 연마지와 알루미나 슬러리를 이용하여 경면처리 후 왕수 (50% HCl + 30% HNO₃+ 20% H₂O)에 약 1분간 부식시켜 광학현미경(Olympus BX51M)을 이용하여 관찰하였다. RigakuD / Max-200 X- 선 회절계를 사용하여 Cu-Kα 방사선 (λ = 1.
544Å)을 사용하여 처리된 표면에 형성된 상을 분석하였다. 마이크로 경도 측정은 디지털마이크로비커스 경도시험기 Matsuzawa MMT-X7B로 압입하중 0.94 N (100 g) 및 하중시간 10초를 사용하여 수행되었다. 표면에서 깊이에 따른 질소와 탄소의 농도분포를 분석하기 위해 처리된 시편의 GDOES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry) 분석도 실시하였으며, 분석 방법은 Zn도금 층 정량분석프로그램인 Zn method를 이용하였으며, 700 V,20 mA로 측정하였다.
시편의 내식성을 평가하기 위하여 동전위분극실험을 실시하였다. 실험장치는 3극 Cell 내에서 PC로 제어되는 Potentiostat (Princeton Applied Research VersaSTAT 3)를 이용하여, 기준전극은 3.
따라서 316L 오스테나이트계 스테인리스강의 개선된 부식거동을 손상시키지 않으면서 S상 층 두께를 개선하기 위한 추가 연구를 수행하였다. 결과적으로, 탄소는 0% ~ 5% 범위의 메탄 (CH₄) 형태로 첨가되어 316L 오스테나이트계 스테인레스강의 S상 거동 및 부식저항에 미치는 영향을 조사하였다.

대상 데이터

시편의 내식성을 평가하기 위하여 동전위분극실험을 실시하였다. 실험장치는 3극 Cell 내에서 PC로 제어되는 Potentiostat (Princeton Applied Research VersaSTAT 3)를 이용하여, 기준전극은 3.5% KCl Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 상대전극으로 Pt 망을 사용하고 스캔범위는 -0.

이론/모형

94 N (100 g) 및 하중시간 10초를 사용하여 수행되었다. 표면에서 깊이에 따른 질소와 탄소의 농도분포를 분석하기 위해 처리된 시편의 GDOES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry) 분석도 실시하였으며, 분석 방법은 Zn도금 층 정량분석프로그램인 Zn method를 이용하였으며, 700 V,20 mA로 측정하였다.

성능/효과

이는 플라즈마 질화공정 과정에서 스테인리스강 부품 표면에 질소이온이 충돌하면 크롬산화물 피막이 실질적으로 제거될 수 있기 때문이다. 또한, 플라즈마질화는 가스분위기 조성을 조절함으로써 화합물층의 상을 용이하게 제어할 수 있어서 기존의 가스질화보다 우수하다. 저온 질화공정에서, 준안정 상(metastablephase)인 질소 과포화고용체 즉 확장 오스테나이트층 (γ_N 상 또는 S상)이 오스테나이트계 스테인리스강 표면에 형성되어 높은 표면경도를 보여주고 있다[3,4].
따라서 모든 실험 데이터와 위의 모든 논의를 고려할 때 질화 온도를 370℃에서 430℃로 높이면 표면경도가 증가하고 S상 층 두께가 증가하며 내식성이 향상된다고 결론내릴 수 있다. 한편, 430℃에서 질화분위기 내의 질소의 비율을 증가시키면 표면경도가 증가하고 S상 층 두께가 증가하지만 내식성은 감소한다.
한편, 430℃에서 질화분위기 내의 질소의 비율을 증가시키면 표면경도가 증가하고 S상 층 두께가 증가하지만 내식성은 감소한다. 따라서 이 두 가지 현상을 고려하여, 더 두꺼운 S상 층, 더 높은 표면경도 및 더나은 내식성을 위한 적합한 조건은 430℃에서 질화분위기 내의 질소농도가 10%로 최적화된다. 그러나, 이 최적화된 조건에서 내식성은 향상되었지만 S상 두께가 두껍지 않았서 하중지지용량(loadbearing capacity)이 낮으므로 실용성이 떨어진다.
또한, Cr₂N상은 CH₄ 농도 3% 및 4%에서 처리된 시편에 미량 존재한다. 이러한 모든 이유로 5% CH₄에서 처리된 시편은 다른 CH₄ 농도에서 처리된 시편보다 우수한 내식성을 나타낼 수 있다고 가정할 수 있다.
그림 9 (a)는 처리온도 430℃에서 질소농도를 10%로 고정시키고 다양한 메탄농도 (0% ~ 5%)에서 질화처리된 316L 오스테나이트계 스테인레스강 시편의 양극 동전위분극곡선을 보여준다. 질화분위기에메탄을 첨가하여 질화처리된 시편들 모두 순질화처리된 (0% CH₄) 시편보다 낮은 부식전류밀도 및 높은 부식전위를 가지므로 우수한 내식성을 가지는 것을 알 수 있다. 그리고 공식전위도 메탄을 첨가하여 처리된 시편들 모두 미처리된 시편보다 더 높은 것을 알 수 있다.
그림 9 (b-e)는 동전위분극시험 후 시험표면을 실체현미경을 사용하여 저배율로 관찰된 사진 및 광학현미경 사진을 나타낸다. 5%CH₄로 처리된 시편이 다른 CH₄ 농도에서 처리된 시편보다 시험표면이 더 깨끗하다는 것을 알 수 있다. 이것은 그림 7에서 논의된 것처럼 5% CH₄ 처리된 시편의 XRD에 Cr₂N이 없기 때문이다.
이것은 그림 7에서 논의된 것처럼 5% CH₄ 처리된 시편의 XRD에 Cr₂N이 없기 때문이다. 따라서 5% CH₄ 로 처리된 시편은 높은 부식전위, 높은 공식전위 및 낮은 부식전류밀도를 보여주므로 가장우수한 부식저항을 나타낸다.
1. 질화온도를 370℃에서 430℃까지 높이면 S상층 두께와 표면경도가 증가하며 질소농도에 관계없이 내식성이 향상된다.
2. 질소농도를 10%에서 25%로 증가시키면 처리온도에 관계없이 표면경도 및 S상 층 두께는 증가하지만 내식성은 감소한다.
3. 위에서 언급한 두 가지 현상을 고려할 때, 더 두꺼운 S상 층, 더 높은 표면경도 및 더 나은 내식성을 위한 적합한 조건은 430℃에서 질화분위기 내의 질소농도가 10%로 최적화된다. 이 최적화된 조건에서 약 11 μm의 S상 층 두께, 약 730 HV_0.
4. 질화분위기에서 메탄을 주입할 경우, 최적 처리조건은 430℃에서 10% N₂및 5% CH₄으로 결정되었고, 이때 약 17 μm의 S상 층 두께와 약 980HV_0.1의 표면경도가 얻어진다. 또한 이 시편은 다른 공정조건에서 처리된 시편 및 미처리된 시편보다 공식전위가 높으므로 매우 우수한 내식성을 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마질화는 표면의 크롬산화물 피막을 제거하는 공정이 필요없는 이유는?	그러나 플라즈마질화는 이 공정이 필요하지 않다. 이는 플라즈마 질화공정 과정에서 스테인리스강 부품 표면에 질소이온이 충돌하면 크롬산화물 피막이 실질적으로 제거될 수 있기 때문이다. 또한, 플라즈마질화는 가스분위기 조성을 조절함으로써 화합물층의 상을 용이하게 제어할 수 있어서 기존의 가스질화보다 우수하다.
	저온 플라즈마질화 처리기술이란?	그러나 저온 플라즈마질화 처리기술을 오스테나이트계 스테인리스강에 적용하여 우수한 내식성을 손상시키지 않고 경도와 내마모성을 동시에 높일 수 있다. 이 기술은 액체 또는 가스질화의 경우보다 친환경적인 공정이며, 더 낮은 온도에서도 질화처리가 가능한 유망하고 산업적으로 실용적인 표면 합금화기술이다[1,2].
	플라즈마질화의 장점은?	이는 플라즈마 질화공정 과정에서 스테인리스강 부품 표면에 질소이온이 충돌하면 크롬산화물 피막이 실질적으로 제거될 수 있기 때문이다. 또한, 플라즈마질화는 가스분위기 조성을 조절함으로써 화합물층의 상을 용이하게 제어할 수 있어서 기존의 가스질화보다 우수하다. 저온 질화공정에서, 준안정 상(metastablephase)인 질소 과포화고용체 즉 확장 오스테나이트층 (γN 상 또는 S상)이 오스테나이트계 스테인리스강 표면에 형성되어 높은 표면경도를 보여주고 있다[3,4].

참고문헌 (10)

V. Singh, K. Marchev, C. V. Cooper, E.I. Meletis, Intensified plasma-assisted nitriding of AISI 316L stainless steel, Surf. Coatings Technol. 160 (2002) 249-258.

상세보기
T. Bell, Y. Sun, a. Suhadi, Environmental and technical aspects of plasma nitrocarburizing, Vacuum. 59 (2000) 14-23.

상세보기
E. Menthe, A. Bulak, J. Olfe, A. Zimmermann, K.T. Rie, Improvement of the mechanical properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding, Surf. Coatings Technol. 133-134 (2000) 259-263.

상세보기
M.P. Fewell, D.R.G. Mitchell, J.M. Priest, K.T. Short, G.A. Collins, The nature of expanded austenite, Surf. Coatings Technol. 131 (2000) 300-306.

상세보기
G. jiang Li, Q. Peng, C. Li, Y. Wang, J. Gao, S. yuan Chen, et al., Effect of DC plasma nitriding temperature on microstructure and dry-sliding wear properties of 316L stainless steel, Surf. Coatings Technol. 202 (2008) 2749-2754.

상세보기
N. Mingolo, A.P. Tschiptschin, C.E. Pinedo, On the formation of expanded austenite during plasma nitriding of an AISI 316L austenitic stainless steel, Surf. Coatings Technol. 201 (2006) 4215-4218.

상세보기
H. Dong, P. Qi, X.Y. Li, R.J. Llewellyn, Improving the erosion - corrosion resistance of AISI 316 austenitic stainless steel by low-temperature plasma surface alloying with N and C, Mater. Sci. Eng. A. (2006).
F. Chen, C. Chang, Effect of CH 4 addition on plasma nitrocarburizing of austenitic stainless steel, Surf. Coat. Technol. 173 (2003) 9-18.

상세보기
I. Lee, Influence of Temperature and Time on Low-Temperature Plasma Nitrocarburizing of AISI 304L Austenitic Stainless Steel, J. Korean Phys. Soc. 54 (2009) 1131-1135.

상세보기
S. Leigh, M. Samandi, G. a Collins, K.T. Shortb, P. Martin, L. Wielunski, The influence of i o n energy on the nitriding behaviour of austenitic stainless steel, Surf. Coatings Technol. 85 (1996) 37-43.

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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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