열처리 8

제7장 표면경화처리 분류

철강 재료의 표면층을 경화하기 위하여 행하는 열처리 방법을 표면경화처리 라고 하며 표면경화처리는 물리적 표면경화처리와 화학적 표면경화처리로 분류 되는데 금속 침투법(Metallic Cementation)은 화학적 표면경화처리에 속하고 그 밖에 표면경화처리로는 증착법, 탄화물 피복법, 금속 용사법, 산화 피막법 등이 있습니다.

3. 금속 침투법 및 피복금속

(1) 개요

피복하고자 하는 소재를 가열하여 그 표면에 다른 종류의 피복금속을 부착시키는 동시에 확산에 의해서 합금 피복층을 얻는 방법으로 주로 철강 제품에 대하여 시행하는 것이 금속 침투법.

금속 침투법의 목적은 내식성, 내열성 등의 화학적 성질을 향상시키는 동시에 경도 및 내마모성의 향상을 목적으로 함.

금속은 전기도금, 용사, 용융금속의 도금 등으로 피복시키는데 이는 피복금속의 분말을 밀폐 상태로 가열하여 분말금속이 내부로 확산 및 치환되는 현상을 이용한 것임.

(2) 금속 침투법 종류 및 특징

1) 세라다이징(Sheradizing, Zn 침투법)

아연을 침투 확산시키는 방법임.

미세 아연 분말 중에 처리품을 묻어 밀폐하고 350℃로 가열하여 2-3시간 유지하면 0.02mm의 피막층을 얻을 수 있음.

용융 아연 속에 침지시키는 방법도 있으며 갈바나이징(Galvanizing) 이라 함.

볼트, 너트 등의 소형 부품의 방식 목적으로 많이 사용됨 .

2)크로마이징(Chromizing, Cr 침투법)

소재 표면에 크롬을 침투 확산시키는 방법임.

크롬 분말(Al₂O₃를 약 25% 첨가) 속에 처리재를 넣고 1,300℃로 가열하여 2~3시간 유지함.

모재는 탄소 함유량 0.2% 이하의 연강이 사용됨.

크롬의 조성으로 표면층은 스테인레스강의 성질을 가지므로 내열, 내식, 내마모성이 큼.

3) 칼로라이징(Calorizing, Al 침투법)

소재 표면에 알루미늄을 침투시키는 방법임.

알루미늄 분말을 소량의 염화암모늄(NH₄Cl)과 혼합시켜 중성 분위기에서 약 900℃로 4시간 유지함.

고온 내산화성, 내식성이 좋음.

4) 보로나이징(Boronizing, B 침투법)

붕소를 침투 확산시켜 Hv 1,000  이상의 경도를 얻는 방법임.

보통 용융전해에 의해 900℃에서 0.15mm 정도의 붕소 화합물층이 얻어짐.

붕소 침투 후 확산처리를 하여 붕소를 분산시키는 것이 필요하며 인발 또는 딥드로잉용 금형의 표면처리에 이용됨.

5) 실리코나이징(Siliconizing, Si 침투법)

규소를 침투 확산시켜 내열성 및 내식성의 표면을 얻는 방법임.

규소분말 중에 부품을 넣어 환원성의 염소 가스 분위기 중에서 1,000℃, 2시간 정도 가열하여 0.7mm 정도의 피막층을 얻을 수 있음.

4. 증착법

(1) 개요

가스 반응 및 이온 등을 이용하여 탄화물, 질화물 등을 기판(Substrate)에 피복하여 간단한 방법으로 표면경화층을 얻는 것으로서 가스 반응을 이용한 C.V.D와 진공 중에서 증착하거나 이온을 이용하는 P.V.D로 분류되며 공구 등의 코팅에 이용됨.

(2) C.V.D(Chemical Vaper Deposition, 화학적 증착법)

1) 원리

가스도금, 증기도금 등으로 불리며 가스 반응을 이용하여 탄화물, 질화물 등을 기판에 피복함.

증착하려는 물질의 휘발성염을 기화실에서 가열·기화한 후 이것을 캐리어 가스(수소, 질소, 아르곤)와 혼합하여 도금실에 보내고 균일하게 고온으로 가열된 소재 표면과 접촉 반응시켜 피복 물질을 석출함.

코팅 온도 및 처리강종에 따라 다르지만 약 2~4시간 내에 5~15μm의 코팅층이 형성됨.

2) 특징

석출층의 종류가 많아 금속 산화물, 질화물, 산화물 등을 피복할 수 있음.

균일한 코팅층을 얻을 수 있음.

석출속도가 비교적 빠르고 두껍게 피복이 됨.

밀창성이 좋고 핀홀이 적음.

P.V.D에 비해 장치가 간단하고 복잡한 형상의 소재도 피복이 가능함.

3) 단점

소재를 1,000℃ 이상의 고온으로 가열 처리하여 소재가 제한되고 변형이 발생함.

큰 도금 면적을 얻을 수 없음.

(3) P.V.D(Physical Vapor Deposition, 물리적 증착법)

1) 이온 플레이팅(Ion Plating)

(가) 원리

진공 용기 속에서 금속을 증발시키고 기판(모재)에 음극을 걸어 주어 글로우 방전이 발생되면 증발된 원자는 이온화되며 가스 이온과 함께 가속되어 기판에 충격적으로 입사하여 피복시키는 방법임.

(나) 특징

피막의 밀착성이 매우 우수하고 치밀함.

코팅 온도가 낮으므로 열에 의한 영향이 없음.

여러 종류의 화합물 피막을 얻을 수 있음.

구멍의 내면 등의 피복은 곤란함.

2) 스퍼터링(Sputtering)

(가) 원리

높은 에너지를 갖는 입자가 타깃에 충돌하면 이곳으로부터 원자가 튀어나오는 현상을 스퍼터링이라 함.

진공의 아르곤 분위기에서 전압을 걸면 Ar＋가 타깃(－)에 충돌하고 이 이온충격에 의해 튀어나온 원자가 ＋극인 모재 기판에 붙어 박막이 형성됨.

(나) 특징

박막 자체의 기능을 이용한 분야인 반도체, 센서 등에 이용됨.

밀착성의 문제로 금형 등의 이용에는 어려움이 있음.

모재의 내마모성, 내열성, 내식성, 장식성을  향상시킴.

3) 진공증착(Vacuumm Evaporation)

진공 중에서 금속을 가열 증발시켜 기판에 부착시키는 방법으로 광학부품, 전자부품에 응용되고 있으나 표면경화를 목적으로 사용하지 않음.

증착속도는 매우 빠르나 증착막이 균일하지 못하고 밀착성도 다른 방법에 비해 제일 안 좋음.

(4) C.V.D 및 P.V.D 비교

(5) 대표적인 코팅물질의 특성

1) TiCN

(가) 특성

저온 영역에서 경도가 높음.

초경모재와의 밀착강도가 높음.

높은 내마멸성을 가짐.

(나) 적용효과

초경모재와 표층 코팅의 중간에 코팅하여 높은 밀착강도를 갖게 하며 코팅층의 박리를 방지함.

내마찰 및 내마모성이 높고 릴리프면의 마모를 개선함.

2) TiN

(가) 특성

강재의 친화성이 없음.

강재와의 마찰계수가 낮음.

윤활작용이 있음.

(나) 적용효과

모재의 가장 표층에 코팅함으로써 칩이나 공작물과의 마찰저항을 줄이고 칩의 흐름을 원활하게 하는 동시에 발열과 마모를 경감시킴.

구성인선의 발생을 억제하여 용착이나 치핑을 방지함.

3) Al₂O₃

(가) 특성

고온 경도가 높고 고온 하에서도 화학적 안전성이 좋으며 다른 물질과 잘 반응하지 않음.

(나) 적용효과

고속 절삭 시 발생하는 열에 대하여 화학적으로 또는 물리적으로 내성을 가지고 있으며 강재 가공 시 크레이터 마모나 주철 가공 시 플랭크 마모에도 높은 항력을 발휘함.

☞ 크레이터 마모란 저탄소강이나 스테인리스강 등을 초경합금 절삭날로 고속으로 절삭하면 연속된 절삭으로 인해 인선 윗면을 문지르고 지나기 때문에 일종의 크레이터가 생기고, 이것이 심해지면 인선이 결손되어 공구의 수명을 단축시키게 되는데 TiC, TaC를 첨가한 초경합금은 이러한 현상이 잘 일어나지 않으므로 내크레이터성이 뛰어나다고 할 수 있습니다.

☞ 플랭크 마모란 절삭날의 측면이 절삭 가공면과의 접촉에 의해 닳아서 작아지거나 없어지는 것을 말합니다.

금형 재료의 화학적 표면경화처리 중 금속 침투법 그리고 물리적·화확적 표면경화처리가 아닌 표면처리 방법 중 증착법에 대한 포스트 마치고 다음에는 탄화물 피복법, 금속 용사법, 산화 피막법에 대한 포스트를 진행할 예정입니다.