[go: up one dir, main page]

KR20110104631A - 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법 - Google Patents

고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20110104631A
KR20110104631A KR1020100023622A KR20100023622A KR20110104631A KR 20110104631 A KR20110104631 A KR 20110104631A KR 1020100023622 A KR1020100023622 A KR 1020100023622A KR 20100023622 A KR20100023622 A KR 20100023622A KR 20110104631 A KR20110104631 A KR 20110104631A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stainless steel
color
heat treatment
austenitic stainless
corrosion resistance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR1020100023622A
Other languages
English (en)
Inventor
김영희
Original Assignee
동아대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동아대학교 산학협력단 filed Critical 동아대학교 산학협력단
Priority to KR1020100023622A priority Critical patent/KR20110104631A/ko
Priority to JP2010073132A priority patent/JP2011195947A/ja
Priority to CN201010134496.3A priority patent/CN102191452B/zh
Publication of KR20110104631A publication Critical patent/KR20110104631A/ko
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/34—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases more than one element being applied in more than one step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)

Abstract

본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강으로 제조된 소재 및 부품에 대해 질화열처리, 표면가공공정 및 산화처리를 실시하여 내식성이 우수하고 표면경도가 높아 흠집이 잘 생기지 않으면서 다양한 컬러를 갖는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강 소재 및 부품의 제조에 관한 것이다.
또 본 발명에 의해 제조된 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강 소재 및 부품은 사용 중 그 표면 색상이 퇴색되는 경우 재차 표면가공공정과 컬러 산화피막공정을 실시하여 재사용할 수 있다.

Description

고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법{Colored Austenitic Stainless Steel Article and Manufacturing Method of the Same With Excellent Corrosion Resistance and High Surface Hardness}
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오스테나이트계 스테인리스강으로 제조된 소재나 부품을 질화열처리(nitriding) 및 표면가공공정을 거친 후 산화처리를 실시하여 우수한 내식성, 높은 표면경도 및 다양한 컬러를 갖는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
내식성이 중요시되는 분야에 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강(austenitic stainless steel)은 크롬 18 중량%, 니켈 8 중량% 를 함유한 철을 기본으로 한 소재로서, 일반적으로 18 - 8 스테인리스강이라고 부른다. 또 이 18 - 8 스테인리스강에 1 ~ 3 중량% 의 Mo 을 함유한 오스테나이트계 스테인리스강도 범용적으로 사용된다.
이들 오스테나이트계 스테인리스강은 STS 304, STS 316, STS 310 등 용도나 특성에 따라 많은 강종이 KS에 규격화되어 있으며, 내식성이 우수하여 생활용품, 가정 및 사무실 용품, 장신구, 미용기구, 식품산업 및 화학산업 등에 널리 사용되고 있다.
한편, 현대사회에서 색상을 이용하여 생활 속에서 다양한 미관을 만들어 내고자 하는 욕구가 높아지고 있다.
이러한 스테인리스강에 대한 종래의 컬러 형성방법은 예를 들면 다음과 같은 것들이 있다.
CVD법이나 PVD법에 의해 스테인리스강 표면에 형성된 Ti 또는 Zr의 경질막은 경도는 높지만 모재와의 밀착력이 낮아 박리가 일어날 수 있고, 주로 금색계통의 단일 색상만이 구현가능하다는 것이 단점이다. 또한 모재인 스테인리스강에 필적하는 정도의 내식성을 제공하지 못하는 것도 문제이다.
한편, 영국의 INCO법(UK pat, 275, 781)은 스테인리스강을 산성 Cr 용액에 침지시켜서 Fe, Ni, Cr 의 산화물로 이루어진 두께 1㎛ 내외의 산화물층을 형성하고 이 산화물층에 의해 나타나는 빛의 간섭작용에 의해서 여러 가지 색이 발현되는데, 이때 형성되는 산화물층의 두께는 수백 Å 정도에 불과하여 피막의 두께가 얇고 표면경도가 낮아 흠집이 생기기 쉽다.
스테인리스강을 고온의 산화성 분위기에서 산화처리하면 금색, 갈색 및 청색 등의 색상을 부여할 수 있으나 이때 형성되는 두께 수백 Å 정도의 산화피막은 상기 INCO법과 마찬가지로 흠집이 생기기 쉽다.
또 상기의 방법들은 모재의 경도를 높이지는 못하므로 큰 하중이 작용하는 용도로는 사용하기 곤란하다.
한편, 상기의 컬러 형성 방법에 의한 컬러 소재는 사용 중 컬러 산화피막층의 박리가 발생하거나 또는 변색되는 경우 이를 재처리하여 다시 사용할 수 없어 폐기해야 하는 문제도 있다.
본 발명은 상기한 제반 문제점을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 흠집이 잘 생기지 않으며 내마모성 및 내식성이 우수하고, 색상이 미려하며 장식성이 우수할 뿐 아니라, 사용 후 소재 및 부품을 재처리하는 것이 가능하여 재사용할 수 있으므로 자원을 절약하고 제조비용을 절감할 수 있는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, (a) 오스테나이트계 스테인리스강재에 질화열처리를 실시하는 단계; (b) 질화열처리를 실시한 상기 강재에 대해 표면가공공정을 실시하는 단계; 및 (c) 표면가공공정을 실시한 상기 강재에 대해 컬러 산화피막층을 형성하기 위한 산화열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재의 제조방법이 제공된다.
본 발명에서 질화열처리라 함은, 스테인리스강재의 표면에, 고경도의 질소 과포화 고용체(nitrogen supersaturated solid solution)와 그 하부에 질소확산층을 형성하기 위하여 가스법, 플라즈마법 또는 염욕법으로, 300 ~ 450℃의 온도범위에서 1 ~ 30시간 열처리를 실시할 수 있으며, 이때 스테인리스강재 표면에 형성되는 질소 과포화 고용체의 상 조성은 바람직하기로는 S - 상(S - phase)인 것을 특징으로 한다.
상기 표면가공공정은 질화열처리시 표면에 생성된 산화물을 제거하고 0.1 ~ 5 ㎛ Ra 의 표면 조도를 형성하기 위한 것으로 샌딩, 쇼트 피닝, 버핑, 래핑, 폴리싱 또는 베이퍼 쇼트 등으로 실시할 수 있다.
상기 컬러 산화피막층의 형성은 표면가공을 실시한 스테인리스강 소재나 부품의 표면에 다양하고 미려한 컬러를 구현하기 위한 것으로, 150 ~ 600℃의 산화성 가스분위기에서 10초 ~ 20시간동안 유지하여 실시하며, 이때 산화성 가스분위기는 산소, 공기, 수증기 또는 이산화질소 중에서 선택된 어느 1종 혹은 이들 2종 이상의 혼합가스이다. 또한 이들 가스에 질소가스를 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강 소재 및 부품은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 흠집이 잘 생기지 않으며 내마모성 및 내식성이 우수한 소재 및 부품을 제공할 수 있다
둘째, 색상이 미려하고 장식성이 우수한 소재 및 부품을 제공할 수 있다.
셋째, 사용 후 소재 및 부품을 재처리하여 재사용할 수 있으므로 자원을 절약하고 제조비용을 절감할 수 있다.
먼저, 본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강으로 제조된 소재나 부품에 대해 가스법, 플라즈마법 또는 염욕법으로 300 ~ 450℃의 온도범위에서 1 ~ 30시간동안 질화열처리를 실시하는데, 이때 형성되는 질소 과포화 고용체의 두께는 1 ~ 30㎛, 경도는 1000 ~ 1800HV 이며, 상 조성은 S - 상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
높은 내식성을 나타내는 스테인리스강재에 대해 450℃를 초과하는 온도에서 질화열처리를 실시하는 경우 다음과 같은 이유로 내식성이 저하된다.
스테인리스강의 높은 내식성은 강 표면에 형성되어 있는 크롬의 부동태피막에 의한 것인데, 450℃ 초과 온도범위에서 질화열처리를 실시하면 강의 표면에 크롬 질화물(CrN, Cr2N 등)이 석출되고 이러한 크롬 질화물 부근에서는 강에 고용된 크롬의 양이 저하된다. 따라서 크롬 질화물 부근에서는 크롬의 부동태피막이 형성되지 않거나 형성되는 양이 부족하게 되는, 크롬 질화물이 부식 환경에 대해 소위 예민화 현상이 일어나 내식성이 저하된다.
따라서, 만일 450℃ 이하에서 질화열처리를 하면, 표면에 이러한 크롬 질화물이 석출되지 않고 S - 상의 질소 고용체가 형성되는데 이 S - 상의 질소 고용체는 스테인리스강 고유의 내식성을 해치지 않으면서 1000HV 이상의 높은 표면경도를 갖는다.
특히, 400℃ 이하의 온도범위에서 질화열처리를 실시하여 형성된 S - 상은 질화열처리를 실시하지 않은 경우와 비슷한 수준의 내식성을 나타내는 것으로 알려져 있다.
S - 상의 특성에 대해서는 많은 연구가 있는데, 격자 상수가 0.378㎚인 체심입방체(FCC, Face Centered Cubic)이며, 여기에 질소가 최대 22 원자% 고용된 질소 과포화 고용체이다.
한편, 스테인리스강재의 질화열처리에 의해 내식성이 향상되는 이유로는, (a) 스테인리스강 표면에서 질소의 부동태피막의 형성이 촉진되기 때문이라는 것과 (b) 활성화된 스테인리스강 표면에 질소 농도가 증가된 때문이라는 등을 들 수 있다.
그런데 450℃ 초과 온도에서 질화열처리를 실시하면 이 S - 상 대신 CrN 이 석출되어 내식성을 저하한다. 따라서 질화열처리는 300 ~ 450℃의 온도범위에서 1 ~ 30시간동안 실시하여 S - 상의 두께가 1 ~ 30㎛이 되도록 하는 것이 좋다.
이보다 저온에서 질화열처리를 실시하면, 질소원자의 확산속도가 현저히 낮으므로 충분한 두께의 S - 상과 질소확산층을 얻을 수 없어 외부의 고하중을 지탱할 수 없다. 또한, 장시간 질화열처리를 실시하면 요망하는 두께의 S - 상과 질소확산층을 얻을 수는 있으나 경제적이지 않다.
상기 질화열처리는 가스법, 플라즈마법 또는 염욕법으로 실시할 수 있는데, 여기서 질화열처리라 함은 순수 질화분위기에서 실시하는 순질화열처리(nitriding)와 순수 질화분위기에 탄소를 포함하는 혼합분위기에서 실시하는 질화침탄열처리(nitrocarburizing)를 포함하는 광의의 의미로 사용한다.
상기 질화열처리 공정 중 가스법에 의한 질화열처리는 다음의 방법으로 실시할 수 있다.
우선, 질화열처리에 앞서, 질소원자의 침투를 용이하게 하기 위해 불화처리를 실시한다. 이 불화처리에 사용하는 불소계 가스로서는 NF3, BF3, CF4, HF, SF6, C2F6 및 WF6 등으로 구성되는 불소 화합물 가스가 있는데, 이들을 단독 혹은 혼합하여 사용하거나, 혹은 여기에 질소가스를 희석하여 사용할 수도 있다.
불화처리는 질화열처리 온도인 300 ~ 450℃의 열처리로에 스테인리스강 소재나 부품을 장입한 후 불소계 가스분위기를 만들고, 이 분위기하에서 유지하여 실시한다. 이 같은 불소계 가스분위기 중에서 스테인리스강 소재나 부품의 유지시간은 그 형상이나 치수에 따라 적당한 시간으로 설정하는데 보통은 수분 ~ 수 십분 범위 내로 설정한다.
이 불화처리에 의해, 질소 원자가 스테인리스강 표면층에 침투하기 쉽게 되는데, 이 이유는 다음과 같다.
스테인리스강재의 표면은 질화작용을 일으키는 질소원자의 침투확산을 저해하는 부동태피막이 형성되어 있다. 이러한 부동태피막이 형성되어 있는 스테인리스강재를 상기와 같은 불소계 가스분위기 하에서 가열하면 상기 부동태피막이 불화막으로 변환된다. 이 불화막은 상기 부동태피막에 비해 질소원자의 침투가 용이하므로 스테인리스강은 질화가 용이한 표면상태로 전이되어 깊고 균일한 질화층이 형성될 수 있는 여건을 조성한다.
질화열처리는 상기와 같이, 불화처리에 의해 질소원자의 침투가 용이한 상태가 된 스테인리스강을 300 ~ 450℃의 온도의 가스 질화분위기에서 유지하는 것에 의해 실시된다. 이 경우, 가스 질화분위기는 순수 NH3, 또는 NH3와 흡열성 가스 또는 NH3와 CO2의 혼합가스가 사용되는데, 일반적으로는 상기 가스에 질소가스가 혼합되어 사용된다.
또는 암모니아 가스와 탄화수소계의 혼합가스를 사용하여 질화열처리를 실시할 수도 있는데, 이 경우 탄화수소계 가스에 의한 표면활성화 효과로 상기와 같이 질화열처리 전 불소계 가스로 전처리를 실시하지 않고도 가스 질화열처리를 실시할 수 있다.
염욕질화는 NaCN, KCN, NaCNO, KCNO, K2CO3 및 Na2CO3 등의 혼합용융염에 스테인리스강을 일정시간 침지하여 CN- 또는 CNO-의 질화, 또는 질화침탄 반응에 의해 질화열처리를 실시하는 공정이다.
플라즈마 질화는 진공 챔버내에 스테인리스강을 장입하고 일정압력까지 감압한 후 질소, 수소 및 탄화수소 등의 반응가스를 소정의 비율로 혼합하여 진공 챔버에 도입하면서 진공 챔버의 벽은 양극이 되고, 스테인리스강은 음극이 되도록 전압을 인가하면 글로우 방전이 발생하여 질화반응이 진행된다.
이때, 반응가스를 도입하기 전에 스테인리스강 표면을 스퍼터링으로 활성화시키는 예비처리를 수행하는 것이 중요하다. 스퍼터링은 예를 들면, 300 ~ 450℃의 온도영역에서 0.5 ~ 5torr 정도의 Ar와 수소의 혼합 가스분위기에서 글로우 가열하여, 고온의 가스 이온을 금속표면에 충돌시켜, 최표면의 산화피막이나 흡착오염층을 제거하는 공정이다. 이 예비처리 조작이 충분하지 않으면, 형성되는 질화층이 불충분하거나 아예 질화층이 형성되지 않는 경우도 있다.
상기 300 ~ 450℃의 온도영역에서 질화열처리를 실시하여 형성되는 S - 상은 스테인리스강 고유의 내식성을 해치지 않으면서 1000HV 이상의 높은 표면경도를 갖는 스테인리스강을 제공한다.
이어서, 상기 질화열처리를 실시한 소재 및 부품에 대해 표면가공공정을 실시한다.
질화열처리 시 공정에 따라, 예를 들면 질화열처리 완료 후 고온에서 열처리로 밖으로 꺼내어 공기와 접촉하면, 공기 중의 산소에 의해 스테인리스강 표면에 산화물이 생성되는데 이러한 산화물은 후술하는 산화에 의한 컬러 산화피막층의 형성에 방해가 되므로 이를 제거할 필요가 있다.
또 산화피막 형성에 의한 컬러구현은 산화층 표면에서 반사된 빛과 산화층을 투과하여 모재 표면에서 반사된 빛의 간섭현상에 의한 것으로, 표면이 지나치게 거친 경우 빛의 난반사로 인해 원하는 미려한 색상을 얻을 수 없다.
따라서 표면가공공정으로 스테인리스강 표면의 산화물을 제거하고 표면 조도를 조절하는데, 이때 표면가공 후 조도는 0.1 ~ 5㎛ Ra 의 범위로 하는 것이 좋고 표면가공공정은 샌딩(sanding), 쇼트 피닝(shot peening), 버핑(buffing), 래핑(lapping), 폴리싱(polishing) 또는 베이퍼 쇼트(vapor shot) 등으로 실시할 수 있다.
그런 다음, 상기 표면가공공정을 실시한 스테인리스강에 대해 컬러 산화피막을 형성하기 위한 산화처리를 실시한다.
산화에 의한 컬러구현은 산화층의 두께에 따라 독특한 컬러를 형성하는 것으로, 산화처리는 150 ~ 600℃의 산화성 가스 분위기하에서 10초 ~ 20시간동안 산화하여 실시할 수 있다. 이때 사용하는 산화성 가스는 산소, 공기, 수증기 및 이산화질소를 단독 또는 이들을 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 혹은 이들 가스에 질소를 포함할 수도 있다.
산화처리의 온도가 150℃ 미만이거나 산화처리시간을 10초 미만으로 했을 때는 산화처리가 수행되지 않아 원하는 컬러를 얻을 수 없으며, 산화처리 온도가 600℃ 보다 높거나 산화처리시간이 20시간을 초과할 경우에는 질화열처리 시 형성된 S - 상이 페라이트, CrN 및 오스테나이트 상으로 분해하여 내식성이 저하되고 경도가 급격히 낮아진다.
한편, 저온에서는 장시간의 산화처리로, 또는 고온에서는 단시간의 산화처리에서 동일한 수준의 두께를 가지는 산화물층이 형성되어 동일한 컬러를 얻을 수 있다.
즉, 고주파열처리와 같이 800℃의 고온에서 수초 ~ 수 십초간 단시간 가열하여도 저온에서 장시간 가열했을 때와 동일한 색상을 얻을 수 있다.
상기 산화처리 시 산화온도, 시간 및 산화분위기에 따라 형성되는 산화물층 두께가 달라지며,(수십 내지 수백 Å 내외) 이 산화물층 두께에 상응하는 색상이 얻어진다.
한편, 사용 중 컬러 산화피막층의 박리 또는 변색이 발생하는 경우, 표면가공공정으로 상기 컬러 산화피막층을 제거하고 다시 산화처리를 실시하여 컬러를 부여하여 재사용하여도 좋다.
본 발명에 의한 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강 소재 및 부품은 표면경도가 높아 고하중에 견딜 수 있으며, 마찰에 의해 흠집이 잘 발생하지 않아 장기간 사용하여도 그 미려한 색상이 유지된다. 또 질화열처리 시 형성된 S - 상에 의한 우수한 내식성으로 부식 환경에 노출되는 세탁기 부품, 수전, 화장실 용품, 건축 내외장재 및 크루즈 선박의 장식품등에 사용하면 좋다.
또 본 발명에 의한 컬러 소재 및 부품은 사용 중 컬러 산화피막층의 박리가 발생하거나 변색하거나 하여도 재사용할 수 있으므로 자원을 절약하고 제조비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다.
<실시예 1>
STS 304, STS 316 및 STS 310 소재로 외경 30㎜ φ, 두께 1㎜, 길이 300㎜의 파이프를 제작하였다. 이 파이프를 400℃로 설정한 피트형 로에 장입하고 로내 공기를 N2 로 치환한 후 불소계 가스(NF3 8 부피% 와 N2 92 부피 % 의 혼합가스)를 주입하고 이 상태에서 20분간 유지하였다. 이어서 상기 불소계 가스를 N2로 치환한 후 400℃의 질화성 가스(NH3 60 부피%, CO2 10 부피% 및 N2 30 부피%) 분위기에서 15시간동안 질화처리한 후 공냉하였다.
이와 같이 질화처리를 하였을 때, STS 304, STS 316 및 STS 310 소재의 화합물층의 두께는 각각 15㎛, 18㎛, 14㎛ 이었으며, 화합물층의 경도는 각각 1010Hv, 1070Hv, 1100Hv 이었다. 또한 염수분무시험으로(KS D 9502) 내식성을 평가한 결과 600시간에서도 발청이 없었다.
상기와 같은 질화처리 파이프를 버핑을 실시하여 그 표면조도를 1.2㎛ Ra 으로 한 후 480℃의 공기분위기에서 5시간동안 유지한 결과 황금색의 색상을 얻었으며 재질별 색상의 차이는 크지 않았다.
<실시예 2>
STS 304 및 STS 316 소재로 두께 5㎜, 직경 20㎜의 원반형태의 시험편을 제작하고 플라즈마 질화를 실시하였다. 플라즈마 질화의 조건은 N2 80 부피 %와 H2 20 부피 %의 혼합가스를 도입하면서 5torr로 감압하고 시험편은 음극으로 하여 약 500V을 인가하여, 글로우 방전상태에서 13시간동안 실시하는 것으로 하였다. 이때 시험편의 온도는 390℃로 하였으며, 질화처리 후 고진공하에서 상온까지 로냉하였다.
상기와 같이 플라즈마 질화를 실시하였을 때 화합물층 두께는 STS 304 및 STS 316 에 대해 각각 12㎛, 14㎛이었고 화합물층의 경도는 각각 1020Hv, 1200Hv이었다. 이를 염수분무시험으로(KS D 9502) 내식성을 평가한 결과 600시간에서도 발청이 없었다.
이 시편을 표면 조도가 0.9㎛ Ra 가 되도록 폴리싱한 후 450℃의 산소 50 부피 %와 공기 50 부피 %의 혼합가스 분위기에서 5시간동안 산화처리한 결과 금색의 색상을 얻었다.
<실시예 3>
STS 316 및 STS 310 으로 제조된 직경 11㎜의 볼에 대해 염욕질화를 실시하였다. 염욕질화는 450℃로 유지되는 NaCN 45 중량%, Na2CO3 45중량% 및 (NaK)4Fe(CN)6 15 중량%로 구성되는 혼합용융염에 8시간동안 침적하는 방법으로 실시하였다. 이와 같이 염욕질화를 실시하였을 때 화합물층 두께는 STS 316 및 STS 310 에 대해 각각 22㎛, 19㎛이었으며 화합물층의 경도는 두 소재 모두 1000Hv 정도이었다.
이후 이 염욕질화된 볼에 대해 바렐연마를 실시하였다. 바렐연마 조건은 볼 100 개에 대해 물 500cc, 직경 3㎜의 연마석 800cc 및 컴파운드 30cc의 비율로 혼합한 혼합액에 담그고 회전수는 200prm 으로 하여 20분 동안 원심 바렐을 실시하는 것으로 하였다.
이 연마된 볼을 500℃의 산소 60 부피 %와 질소 40 부피 %의 혼합가스 분위기에서 5시간동안 산화를 실시한 결과 금색의 색상을 얻었으며 염수분무시험으로 내식성을 평가한 결과 700시간 후에도 발청이 없었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. (a) 오스테나이트계 스테인리스강재에 질화열처리를 실시하는 단계;
    (b) 질화열처리를 실시한 상기 강재에 대해 표면가공공정을 실시하는 단계; 및
    (c) 표면가공공정을 실시한 상기 강재에 대해 컬러 산화피막층을 형성하기 위한 산화열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질화열처리는 가스법, 염욕법 또는 플라즈마법으로 300 ~ 450℃의 온도 범위에서 1 ~ 30시간동안 실시하여 표면에 S - 상 질화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 표면가공공정은 샌딩, 쇼트 피닝, 버핑, 래핑, 폴리싱 및 베이퍼 쇼트 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 컬러 산화피막층을 형성하기 위한 산화열처리 단계는 150 ~ 600℃ 온도 범위의 산화성 가스분위기에서 10 초 ~ 20시간동안 실시하는 특징으로 하는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 산화성 가스분위기는 산소, 공기, 수증기 및 이산화질소로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합가스이거나, 또는 이들 가스에 질소를 더 포함하는 가스인 것을 특징으로 하는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재의 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컬러 스테인리스강재에 대해, 사용 후, 상기 표면가공공정 및 컬러 산화처리를 재차 실시하여 재사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되는 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재.
KR1020100023622A 2010-03-17 2010-03-17 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법 Ceased KR20110104631A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100023622A KR20110104631A (ko) 2010-03-17 2010-03-17 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법
JP2010073132A JP2011195947A (ja) 2010-03-17 2010-03-26 耐食性及び高硬度のカラーオーステナイト系ステンレス鋼材及びその製造方法
CN201010134496.3A CN102191452B (zh) 2010-03-17 2010-03-29 高耐蚀性和高硬度的彩色奥氏体不锈钢材及其制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100023622A KR20110104631A (ko) 2010-03-17 2010-03-17 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110104631A true KR20110104631A (ko) 2011-09-23

Family

ID=44600309

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100023622A Ceased KR20110104631A (ko) 2010-03-17 2010-03-17 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP2011195947A (ko)
KR (1) KR20110104631A (ko)
CN (1) CN102191452B (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3159427A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-26 Mahle International GmbH Valve for internal combustion engines
WO2018117346A1 (ko) 2016-12-23 2018-06-28 주식회사 포스코 골드 컬러 강판 및 그 제조방법
WO2019125000A1 (ko) * 2017-12-22 2019-06-27 주식회사 포스코 내마모성 및 발색력이 우수한 스테인레스 발색 기판 및 이를 위한 스테인레스 기판의 발색방법
KR20200049304A (ko) 2018-10-31 2020-05-08 한국생산기술연구원 탄소포텐셜 제어를 통한 저온 침탄처리방법
KR20200049306A (ko) 2018-10-31 2020-05-08 한국생산기술연구원 자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법
KR20200134834A (ko) * 2019-05-24 2020-12-02 장인열처리(주) 쇽업쇼바의 내식성이 향상된 경량 피스톤로드의 제조방법
KR20220095292A (ko) * 2020-12-29 2022-07-07 주식회사 컬러스텐 칼라 스테인리스판 표면 가공 방법

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102747317A (zh) * 2012-07-27 2012-10-24 重庆三爱海陵实业有限责任公司 气门液体氮碳共渗自动生产线
CN102747316B (zh) * 2012-07-30 2014-06-18 鹰普航空零部件（无锡）有限公司 耐腐蚀不锈钢零件盐浴氮化预处理与气体氮化复合热处理工艺
CN103014599B (zh) * 2012-12-09 2015-03-18 常州大学 一种奥氏体不锈钢复合表面处理工艺
CN103276346B (zh) * 2013-05-06 2016-02-03 青岛泰德汽车轴承股份有限公司 一种金属轴承保持架的处理方法
KR101650318B1 (ko) * 2015-03-24 2016-08-23 금오공과대학교 산학협력단 스테인리스강의 질화방법
CN105112623B (zh) * 2015-07-10 2017-04-26 国网山东省电力公司电力科学研究院 一种耐候钢快速稳定化方法
WO2018119769A1 (zh) * 2016-12-28 2018-07-05 深圳大学 一种木纹不锈钢及其制备方法
JP7078220B2 (ja) * 2017-02-22 2022-05-31 学校法人トヨタ学園 金属製品の製造方法
CN108486525A (zh) * 2017-02-22 2018-09-04 学校法人丰田学园 金属制品的制造方法
JP7197109B2 (ja) * 2017-12-28 2022-12-27 八田工業株式会社 ステンレス鋼製品、及び、ステンレス鋼製品の製造方法
CN110724902A (zh) * 2019-11-18 2020-01-24 惠州市鑫洪柏精密五金制品有限公司 一种无污染的钢铁气体发黑工艺
JP7417216B2 (ja) * 2021-02-24 2024-01-18 株式会社サーフテクノロジー オーステナイト系ステンレス鋼の生産方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4899047A (ko) * 1972-03-29 1973-12-15
JPS5141020B2 (ko) * 1972-10-07 1976-11-08
JPS6021370A (ja) * 1983-07-14 1985-02-02 Hisashi Yokoo カラ−ステンレス材の製造方法
JPS61281864A (ja) * 1985-06-07 1986-12-12 Nisshin Steel Co Ltd テンパ−カラ−を付与したステンレス鋼帯およびその製造方法
JPS63238259A (ja) * 1987-03-27 1988-10-04 Nippon Yakin Kogyo Co Ltd ステンレス鋼管の着色処理方法
JP3174422B2 (ja) * 1993-03-01 2001-06-11 エア・ウォーター株式会社 ステンレス窒化品
TW237484B (ko) * 1992-09-16 1995-01-01 Daido Oxygen
ES2292983T3 (es) * 2002-07-16 2008-03-16 Danmarks Tekniske Universitet Cementacion en caja de acero inoxidable.
KR20080012324A (ko) * 2005-05-31 2008-02-11 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비 전기 접촉 스프링과 같은, 금속 스트립 제품, 및 그 제조방법
JP4933795B2 (ja) * 2006-02-23 2012-05-16 株式会社リケン 固体高分子電解質型燃料電池のセパレータ
KR100761903B1 (ko) * 2006-05-01 2007-09-28 김영희 고내식성 컬러강재의 제조방법
JP5148209B2 (ja) * 2007-08-28 2013-02-20 学校法人同志社 溶融塩電気化学プロセスを用いた表面窒化処理方法
JP2009161815A (ja) * 2008-01-08 2009-07-23 Panasonic Corp エアロゾルデポジション装置、蓄電デバイス用極板、セパレータ、および蓄電デバイス

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3159427A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-26 Mahle International GmbH Valve for internal combustion engines
WO2018117346A1 (ko) 2016-12-23 2018-06-28 주식회사 포스코 골드 컬러 강판 및 그 제조방법
WO2019125000A1 (ko) * 2017-12-22 2019-06-27 주식회사 포스코 내마모성 및 발색력이 우수한 스테인레스 발색 기판 및 이를 위한 스테인레스 기판의 발색방법
KR20200049304A (ko) 2018-10-31 2020-05-08 한국생산기술연구원 탄소포텐셜 제어를 통한 저온 침탄처리방법
KR20200049306A (ko) 2018-10-31 2020-05-08 한국생산기술연구원 자연산화막 제거가스를 이용한 저온 침탄처리방법
KR20200134834A (ko) * 2019-05-24 2020-12-02 장인열처리(주) 쇽업쇼바의 내식성이 향상된 경량 피스톤로드의 제조방법
KR20220095292A (ko) * 2020-12-29 2022-07-07 주식회사 컬러스텐 칼라 스테인리스판 표면 가공 방법

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011195947A (ja) 2011-10-06
CN102191452A (zh) 2011-09-21
CN102191452B (zh) 2014-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20110104631A (ko) 고내식성 및 고경도 컬러 오스테나이트계 스테인리스강재 및 그 제조방법
US5593510A (en) Method of carburizing austenitic metal
US20070251605A1 (en) Method for producing highly corrosion-resistant colored article made of steel
EP2703516B1 (en) Manufacturing method of cast-iron vehicular disc brake rotor
CA2707588A1 (en) Method for producing corrosion-resistant surfaces of nitrated or nitrocarburated steel components
CN112095073B (zh) 一种强韧性的qpq处理工艺
JP3388510B2 (ja) 耐食、耐摩耗鋼及びその製造方法
US5228929A (en) Thermochemical treatment of machinery components for improved corrosion resistance
JPH04143263A (ja) 硬質オーステナイト系ステンレスねじおよびその製法
US8414710B2 (en) Method for surface treatment of metal material
JP2010222648A (ja) 炭素鋼材料の製造方法および炭素鋼材料
JP3005952B2 (ja) オーステナイト系金属に対する浸炭処理方法およびそれによって得られたオーステナイト系金属製品
JP3064908B2 (ja) 浸炭硬化時計部材もしくは装飾品類およびそれらの製法
JP3695643B2 (ja) 鉄系部品
KR101614259B1 (ko) 시효처리 및 연질화처리가 in-situ로 결합된 방법을 이용한 마르텐사이트계 석출경화형 스테인리스강 표면에 경화층을 형성하는 방법
Triwiyanto et al. Low temperature thermochemical treatments of austenitic stainless steel without impairing its corrosion resistance
KR100862217B1 (ko) 2단계 가스 질화 또는 가스 질화침탄에 의한 고내식 및고내마모 강재의 제조방법
JP6490102B2 (ja) 時計ネジおよびその製造方法
KR100998103B1 (ko) 고내식성 및 내오염성 철강 소재의 제조방법
KR100317730B1 (ko) 산화피막 형성방법
JP2010222649A (ja) 炭素鋼材料の製造方法および炭素鋼材料
KR100512452B1 (ko) 고내식성 강부품과 이를 제조하기 위한 복합 표면 개질 방법
JP4327812B2 (ja) 浸炭部品の製造方法
WO2008124247A1 (en) Activation qf aluminum
KR100522919B1 (ko) 고속도 공구강의 내식, 내마모성 부여를 위한 저변형 처리방법

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20100317

PG1501 Laying open of application
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20150304

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20100317

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20151029

Patent event code: PE09021S01D

E90F Notification of reason for final refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event date: 20160422

Patent event code: PE09021S02D

E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20160627

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20160422

Comment text: Final Notice of Reason for Refusal

Patent event code: PE06011S02I

Patent event date: 20151029

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I