소결강의 플라즈마 질화시 질화층의 미세조직에 미치는 공정변수의 영향

초록

소결재료는 벌크재에 비해 제조비용이 낮고 치수정밀도가 우수하기 때문에 자동차 부품 및 각종 산업기계분야에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 기공도가 높기 때문에 열처리시 산화나 탈탄이 발생되기 쉽고 열전도도, 피로수명 및 표면경도가 낮은 단점이 있다. 이를 극복하기 위한 최적의 표면개질처리법으로서 플라즈마 질화처리(plasma nitriding)는 소결재료의 표면경도와 내마모특성 및 내식성 등을 현저히 향상시킬 수 있는 가장 유력하며 확실한 표면처리법이라 할 수 있다. 소결강의 플라즈마 질화처리시 표면특성 및 미세조직은 인가되는 플라즈마 파워와 혼합가스조성, 가스압력, 처리온도 및 펄스비 등의 공정변수들에 의해 영향을 받는다. 특히, 화합물층에 생성되는 미시기공(micro-pore)은 내식성을 크게 저하시키기 때문에 이를 최소화하기 위한 연구가 진행중이며, 또한 플라즈마와 금속표면 사이의 계면에서 발생되는 플라즈마 물질전이 및 질화반응에 지배적으로 영향을 미치는 활성종(active species) 분석에 대한 관심이 점차 고조되고 있다. 본 연구에서는 소결강의 플라즈마 질화시 각각의 공정변수들이 질화층의 미세조직에 미치는 영향과 OES(Optical Emission Spectroscopy)를 이용한 이온활성종의 생성거동에 대해 고찰하였다. 처리온도 및 질소분율이 증가할수록 질화층의 두께와 미시기공의 생성빈도는 증가되었다. 또한 펄스비가 증가될수록 그러한 경향은 현저히 나타났으며, OES를 통한 질소활성종 분석결과 N2+ 스펙트럼선의 강도값과 N2+/N2 강도비에 따라 영향받음을 알 수 있었다. 한편, 펄스비의 경우 N2+ 스펙트럼선의 강도값의 변화와 매우 밀접한 관계를 보였으며 이러한 OES 진단기술을 적극 응용한다면 플라즈마 질화처리시 각각의 공정변수 변화에 따른 질화특성의 대략적인 시뮬레이션이 가능해질것이라 여겨진다.