열처리 6

제7장 표면경화처리 분류

철강 재료의 표면층을 경화하기 위하여 행하는 침탄법, 질화법, 고주파, 화염 경화법 등과 같은 열처리 방법을 표면경화처리 라고 하며 표면경화처리는 물리적 표면경화처리와 화학적 표면경화처리 두 가지로 분류 하는데 기어, 축, 캠 등에 강도와 인성 뿐만 아니라 접촉부에 내마멸성을 부여하기 위하여 시행합니다.

1. 침탄법 종류 및 특징

(1) 개요

화학적 표면경화처리 중 탄소 함유량 0.2% 이하의 저탄소강 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소강으로 만든 후 이것을 열처리하여 경화시키는 방법을 침탄법(Carburizing)이라 함.

침탄처리를 할 때 내부는 저탄소강 조직으로 담금질 경화가 일어나지 않지만 외부는 고탄소강 조직이 되어 표면경화층을 얻을 수 있음.

침탄 시에는 전용 침탄로를 많이 사용하고 있으며 침탄과 동시에 경화를 일으키는 열처리를 병행함.

침탄법에는 고온 침탄법, 액체 침탄법, 가스 침탄법이 있음.

(2) 고체 침탄법(Pack Carburizing)

1) 침탄방법

철재의 침탄상자에 고체 침탄제와 침탄 촉진제를 넣고 밀폐한 후 가열 유지하여 저탄소강 표면에 침탄부를 얻음.

2) 침탄요소

(가) 침탄제

목탄, 코크스

(나) 침탄 촉진제

탄산바륨(BaCO₃)

(다) 가열온도 및 시간

900~950℃ 가열 후 4~5시간 유지.

(라) 침탄깊이

0.5~2.0mm

(마) 침탄층의 탄소량

0.85~0.9%(과공석강 조직)

3) 침탄 시 유의점

침탄온도가 높으면 침탄속도가 빠르나 950℃ 이상이면 오스테나이트 결정립이 조대화됨.

침탄깊이가 너무 깊으면 비용이 많이 들고 인성이 불리함.

침탄재 입도가 너무 작으면 열이 통과하는데 불리하여 처리시간이 오래 걸림.

강재에 크롬이 함유되면 탄소의 확산이 느려 과잉 침탄이 발생함.

균일 침탄 및 침탄층의 조절에 신경을 써야 함.

탄산나트륨이 너무 많으면 강 표면에 용착되어 침탄이 어려움.

4) 국부적 침탄 방지

탄소강에 구리 도금을 할 것.

가공 여유를 두어 침탄 후 절삭가공하여 침탄층을 깍아낼 것.

진흙을 바르고 석면 또는 강판을 두를 것.

5) 침탄 후 열처리

(가) 확산 풀림

탄소의 확산이 느린 크롬 함유강은 탄소가 표면에 집중되어 표면에 과잉 침탄이 발생되므로 탄소를 내부로 확산시키기 위해 침탄 온도에서 30분~4시간 정도 풀림 처리함.

(나) 구상화  풀림

침탄층에 나타난 망상의 시멘타이트는 담금질 전에 구상화하는 것이 좋으며 1차 및 2차 담금질을 할 때는 1차 담금질 후 650~700℃에서 구상화 풀림 처리함.

(다) 담금질

처리 중의 중심부는 조직이 매우 조대하므로 A₃ 점보다 30℃ 정도 높은 온도에서 가열 후 유냉시켜 1차 담금질을 하고 나서 침탄부를 경화시키기 위해 A₁ 점 이상 가열 후 수중에서 2차 담금질함.

(라) 뜨임

침탄 후 담금질한 강의 응력 제거 및 마텐자이트의 안정화를 위해 저온 뜨임(150~200℃) 처리를 하고 저온 뜨임을 통해 연마 균열이 방지되며 내마모성이 향상됨.

(3) 액체 침탄법(Liquid Carburizing)

1) 침탄방법

침탄 질화법, 시안화법(Cyaniding)이라고 하며 침탄제와 촉진제를 동제의 상자에 넣고 용해하여 강재를 염욕 중에 침지시켜 발생기 탄소와 질소를 침투시킴.

2) 침탄요소

(가) 침탄제

시안화나트륨(NaCN), 시안화칼륨(KCN)

(나) 침탄 촉진제

탄산칼륨(K₂CO₃), 탄산나트륨(Na₂CO₃), 염화칼륨(KCl), 염화나트륨(NaCl)

(다) 가열온도 및 시간

600~900℃에서 약 30분(700℃ 이하 질화, 800℃ 이상 침탄.

(라) 침탄깊이

0.1~0.5mm(처리 온도에 비례)

(마) 침탄층의 탄소량

0.7~1.0%

3) 액체 침탄법의 특징

(가) 장점

가열이 균일하고 제품의 변형이 적음.

온도 조절이 용이하여 시간이 절약됨.

산화방지 효과가 있어 계기류 등의 침탄에 이용됨.

(나) 단점

침탄제의 가격이 고가임.

침탄층이 얇음.

유독 가스가 발생됨.

4) 국부적 침탄 방지

산화알루미늄(Al₂O₃), 산화규소(SiO₂) 등을 바를 것.

니켈, 크롬 등의 전기도금을 할 것.

용융 알루미늄을 도포할 것.

5) 침탄 후 열처리

(가) 담금질

공냉 후 재가열하여 담금질하거나 침탄 온도로부터 730~750℃까지 냉각한 후 담금질을 시행함.

담금질 온도가 높으면 잔류 오스테나이트의 양이 많아져 강도가 저하될 수 있으며 담금질 변형 방지를 위해 수냉을 하지 않고 마퀜칭을 할 수도 있음.

(나) 뜨임

담금질 후 150~180℃의 저온 뜨임을 실시하여 강의 내부응력을 제거함.

(4) 가스 침탄법(Gas Carburizing)

1) 침탄방법

주로 작은 부품을 침탄에 이용되는 것으로 메탄 가스나 프로판 가스, 아세틸렌 가스 등 탄소화수소계 가스를 변성로에 넣어 니켈을 촉매로 하여 침탄 가스로 변성 후 오스테나이트화 된 금속의 표면을 접촉시키면 활성 탄소가 침입하여 침탄이 일어남.

2)침탄요소

(가) 침탄제

일산화탄소(CO), 메탄(CH₄)

(나) 가열 온도 및 시간

900~950℃에서 3~4시간(최근에는 1,000~1,200℃의 고온 침탄을 많이 사용)

(다) 침탄깊이

약 1mm

3) 고온 침탄의 장점

침탄시간이 단축됨.

확산 구배가 급하지 않음.

깊은 침탄층을 얻을 때 효과적임.

4) 가스 침탄법의 특징

균일한 침탄층을 얻을 수 있음.(가스 공급량, 온도의 조절)

작업이 간편하고 열효율이 높음.

연속 침탄에 의해 다량 침탄이 가능함.

5) 침탄 후 열처리

(가) 담금질

① 1차 담금질

– 고온에서 장시간 가열하므로 성장된 조직을 미세화하기 위해 A₃점보다 30℃ 높은 온도까지 가열한 후 기름 중에서 담금질을 시행함.

② 2차 담금질

– 표면의 침탄부를 마텐자이트로 변화시켜 경화하기 위한 처리로서 A₃점 이상 가열한 다음 물속에서 담금질을 시행함.

(나) 뜨임

– 담금질한 다음 150~200℃ 정도로 10분 정도 가열하여 응력을 제거하고 인성을 부여하나 경도는 다소 저하됨.

(다) 확산 풀림

– 크롬강이나 크롬-몰리브덴강과 같이 탄소의 확산이 느려서 탄소가 표면에 집중될 때 탄소를 내부로 확산시키기 위해 침탄 온도에서 30분~4시간 동안 풀림을 시행함.

(라) 구상화 풀림

– 침탄층에 나타난 망상의 시멘타이트는 담금질 전에 구상화하는 것이 좋으며 1차 및 2차 담금질 시에는 1차 담금질 후 650~700℃에서 구상화 풀림을 시행함.

금형 재료의 화학적 표면경화처리 중 침탄법에 대한 포스트를 마치고 다음에는 질화법, 금속 침투법과 같은 화학적 표면경화처리(Surface Hardening)에 대한 포스트를 진행할 예정입니다.