스테인리스강의 기계적 성질 및 내식성에 미치는 저온 플라즈마 처리의 영향에 관한 연구

Abstract

스테인리스강은 크로뮴함량이 많아서 내식성이 뛰어나기 때문에 많이 사용되고 있지만, 마찰 및 마멸특성이 다소 미비하여 내마멸성을 필요로 하는 응용분야에 많은 제약을 받아왔다. 따라서 이러한 결점을 보완하기 위하여 가스 또는 염욕질화 같은 일반적인 열화학공정을 적용하고자 많은 시도가 있었으나 표면의 크로뮴산화 부동태층으로 인해 적용에 어려움이 있었다. 그 해결방안의 한 가지 방법으로 플라즈마 질화처리가 도입되어 사용되고 있지만 이 또한 비교적 높은 온도에서 처리하기 때문에 변형이 발생할 수 있고, 표면조도가 높고, 강종선택에 한계가 있으며, 열처리 비용도 비교적 고가이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근 여러 가지 다양한 공정들이 소개되고 있으며, 그 가운데 한가지로서 저온 플라즈마 질화처리법이 있다. 이 질화처리를 실시하면 합금강의 표면에 질화물 및 탄화물을 석출시켜 스테인리스강의 내식성을 그대로 유지시키면서 Fcc 오스테나이트 내에 합금을 과포화시켜 내마멸성 및 경도를 향상시킨다. 그러나 지금까지의 이러한 연구들은 단일강종에 대한 연구들이 대부분이어서 스테인리스강 고유의 내식특성과 내마멸 특성과의 유기적인 상호관계를 복합적으로 고찰하는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 오스테나이트계, 마르텐사이트계 및 페라이트계의 스테인리스강들을 동일 조건에서 각각의 공정에 따라 온도 및 시간을 변화시켜 고온 및 저온에서 질화처리 하였을 때 이들 강종이 갖는 기계적 특성 및 내식성이 갖는 유기적인 상호관계를 복합적으로 비교·고찰 하고자 하였다.

플라즈마 질화처리 후 모든 스테인리스강에서 화합물층으로 구성된 두꺼운 질화층과 질소 확산층을 확인할 수 있었다. 오스테나이트계인 STS 316L의 400℃ 및 420℃처리 시험편에서는 질소 S-상의 특징을 나타내고 달리 고온(500℃)의 질화층에서는 CrN 및 γ'-Fe4N 석출상이 나타나고 있는 것을 알 수 있다. 페라이트계인 STS 409L의 미처리 시험편에서 3개의 α상 피크를 나타내고 있고, 400℃ 질화처리에서는 단지 ε 상만 나타내고 있지만, 온도가 증가하면 CrN상과 γ'-Fe4N상이 나타나 있다. 마르텐사이트계 스테인리스강의 경우, 미처리시험편은 2개의 다른 α상 피크를 나타내고 있지만, 420℃에서의 질화층에서는 일반적으로 발견할 수 있는 철, 질화철 및 질화크로뮴을 포함한 어떤 상에도 일치하지 않는 αN (팽창 마르텐사이트)와 ε-Fe3N으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 500℃ 질화처리의 경우 역시 크로뮴질화물이 석출되어 CrN과 γ'-Fe4N이 생성되어 있다.

질화처리 후 시험편들의 경도는 증가할 뿐 아니라 내마멸 특성도 증가되었다.

내식특성 변화의 경우, 저온 질화처리로는 모든 시험편의 내식성은 향상되었으나, 500℃에서 질화처리 한 경우에는 STS 409L 및 STS 420J2 강과의 개선된 결과와 달리 STS 316L의 내식성은 많은 크로뮴질화물의 생성으로 인해 악화되었다.

The improvement of hardness and tribological properties of stainless steel is a concern of high technological interest. There are several methods of surface treatment in which physical property improvements can be obtained. One of the well-known mechanisms for surface hardening of stainless steels is nitriding, which the Fe and Cr are combined with nitrogen to form nitrides. However, corrosion resistance of the austenitic stainless steel is dramatically reduced after nitriding due to the formation of CrN and then the depletion of chromium in the matrix of the nitrided. But the formation of chromium nitride can be avoided if nitriding temperature is lowered to approximately 400℃ to make the mobility of the chromium to be restricted. In the present work, a study of DC-pulsed plasma nitriding over a wide range of treatment temperatures between 400 and 500℃ and time from 10 to 20hrs on austenitic, martensitic and ferritic stainless steels has been investigated. Characterization of the plasma surfaces of systematic materials was carried out in terms of microstructure observations, phase identification, surface and cross-section microhardness measurements, tensile strength test, fractographs observation and dry sliding wear test. Experimental results showed that plasma nitriding produced a relatively thick nitrided layer consisting of a compound layer and an adjacent nitrogen diffusion layer on all stainless steels. The modified surface layers of the nitrided STS 316L specimens mainly consisted of S phase, while at higher treatment temperatures both chromium(CrN) and iron nitrides(γ'-Fe4N) precipitated and their amount increased as treatment temperature increased. In case of the nitrided STS 420J2 specimens, an expanded martensitic lattice was observed at 400℃, whereas Fe4N and CrN were formed at 500℃. The ε-nitided layer was indicated in STS 409L, and Fe4N and CrN were produced at 500℃ as well. Plasma nitriding not only increased the surface hardness but also improved the wear resistance of all specimens. The anti-wear property of the steel nitrided at 500℃ was much more excellent than others. It was found that plasma-nitriding treatment at 400 and 420℃ resulted in increasing the corrosion resistance in all stainless steel specimens but the treatment at 500℃ showed different results. The corrosion resistance of STS 409L and STS 420J2 specimens was enhanced, while STS 316L specimen was decreased due to the formation of CrN.