This paper deals with wear characteristics of ion-nitrided metal, and with ion-nitride processing which is primarilly concerned with the effects of carbon content in workpiece and added carbon content gas atmosphere on hardness, compound layer thickness and diffusion layer thickness.
Increased carbon content in workpiece increases compound layer thickness, by decreases diffusion layer thickness. On the other hand, a small optimal amount of carbon content in gas atmosphere will increase compound layer thickness, as well as to increase diffusion layer thickness and hardness.
It was found that the ion-nitriding temperature at which maximum hardness is attained is governed by the amount of ion-nitriding time. When treatment time is made sufficiently long, the maximum hardness is obtained at temperature near 450℃. Wear tests show that compound layer of ion-nitrided metal reduces wear rate when the applied wear load is small. However, as the load becomes large, the existence of compound layer tends to increase wear rate. The residual stress at the surface of ion-nitrided metal was measured, and the internal stress distribution was calculated when the normal and tangential forces are applied to the surface of metal. Compressive residual stress at the compound layer is largest at the compound layer, and decreases as the depth from the surface increases.
Calculation shows that, when normal and tangential forces were applied, the maximum stress exists at a certain depth from the surface, and the larger the wear load the deeper the location of maximum stress. It is found in the analysis that under small applied wear load, the critical depth where voids and cracks may be created and propagated is located at the compound layer, so that the adhesive wear, where hardness is an important factor, is created and the existence of compound layer reduces the amount of wear. When the load becomes large, the critical depth is located below the compound layer and delamination, which may explained by surface deformation, crack nucleation and propagation, is created and the existence of compound layer increases wear rate.
최근 주목을 받고있는 이온질화법은 종래의 질화법과 비교하여 공해가 없고, 질화가 신속하며, 처리과정의 간단, 질화처리 원가의 감소, 합성층 및 확산층 조절의 용이, 부분 질화처리의 가능 그리고 질화 처리 후 기계적 성질이 향상된다는 점에서 많은 연구가 되어 있으나 질화 가스내의 탄소량 및 금속 기지내의 탄소량 영향과 질화처리물의 기계적 성질에 대하여는 연구가 되어있지 않다. 본 연구에서는 이온질화시의 처리온도, 압력 그리고 피처리물 및 가스중의 탄소량의 영향과 저온질화에서 금속 기지내 탄소량 및 가스중의 탄소량에 관하여 연구했다. 또한 이온 질화처리 된 금속의 마모특성을 이론 및 실험적으로 규명했다. 질화시 온도가 상승함에 따라 질소의 확산 계수가 크게 되어 합성층 및 확산층 두께가 증가된다. 그러나 온도가 너무 높으면 질화물의 조대화가 일어나 경도가 감소하고 변형이 크게 된다. 질화 시간이 짧을 경우 주어진 경도의 하중에 견딜 수 있는 충분한 합성층 깊이가 생성되지 못하여 고온에서 경도 최대치가 나타나고 질화시간이 길면 주어진 경도 하중에 견딜 수 있는 충분한 합성층이 생성되므로 합성층의 입자크기가 작은 영역인 저온에서 경도의 최대치가 나타난다.
질화온도를 동일하게 유지하기 위하여서는 가스압력이 낮을 때가 가스 압력의 높을 때보다 더 높은 전압을 공급하여야 하므로 이온의 수 및 이온이 갖는 에너지가 크게 되어 가스압력이 낮을때 합성층 두께가 증가된다. 가스압력이 너무 낮으면 이온이 갖는 에너지는 크나 이온 수가 적어 오히려 합성층 두께가 감소된다. 금속내부의 탄소의 증가는 $Fe_3C → Fe_3C$ $Fe_4N → Fe_3C$ $Fe_3N → Fe_2-_3N(ε)$ 반응에 의하여 형성되는 합성층 두께를 증가시키나 탄소의 존재가 질소의 확산을 방해하므로 합성층 두께는 감소한다. 이온 질화가스 중에 탄소를 첨가하면 합성층 생성되는 금속표면은 탄소량이 많게 되어 전술한 합성층 생성과정에 의하여 합성층이 증가한다.
합성층 $(Fe_2-_3N)$ 생성으로 질소의 함유량이 많게 된 금속표면에 비하여 확산층이 생성되는 금속내부는 질소량이 적으므로 질소의 확산 작용에 의하여 확산층을 증가시킬 수 있다. 합성층 두께는 가스중의 탄소량이 0ㆍ5 atom%까지 증가한다. 가스중에 탄소를 첨가하였을 때 합성층 생성이 용이하게 되어 낮은 질화처리 온도에서 주어진 경도 하중에 견딜 수 있는 합성층 두께를 얻을 수 있고, 또 질화 처리 온도가 낮으므로 생성 입자의 크기가 작게 되어 경도의 최대치가 탄소를 첨가하지 않았을 때에 비하여 낮은 온도에서 나타난다.
이온질화처리 금속의 잔유 압축 응력은 금속의 최외각 표면에 생성되는 합성층에서 가장 크고, 또 최대 전단응력이 생성되는 영역은 금속표면에 존재하지 않고 금속내부에 존재한다. 따라서 질화 처리된 금속의 마모는 합성층 깊이와 마모하중에 따라 달라진다. 마모하중이 작을 경우에는 최대응력이 생성되는 임계 깊이가 합성층 내부에 존재하게 되어 경도가 중요한 인자인 abrasive 마모가 일어나며 합성층 존재가 마모량을 감소시킨다. 반면에 마모하중이 커서 임계 깊이가 합성층 두께보다 크면 합성층과 확산층의 경계층 또는 확산층내에서 Void생성 및 합성-Crack전파-파괴과정에 의해서 설명되는 delamination에 의해서 마모가 일어나 합성층 존재가 마모량을 증가시킨다. 가스중에 탄소를 첨가하면 합성층 두께 및 경도를 증가시키므로 마모하중이 작을 경우 마모량을 감소시킬 수 있다.
