강의 표면 경화 방법
최근 기계 장치 들의 성능이 빠르게 발전하면서 재료의 고기능, 고수명화 등에 대한 요구가 더욱 높아 지고 있어서 재료의 개질 기술에 대한 중요성 및 관심이 높아지고 있다. 표면개질 중에서 재료 그 자체의 기본적인 특성은 변화가 없이 표면의 경도만 증가시켜 재료의 내 마모성 등을 향상시키는 표면 경화 처리법이 오래전부터 이루어 지고 있다.
일반적으로 금속 재료의 표면 개질은
1) 표면에 경질의 물질을 피복하는 표면 피복에 의한 개질법과
- 도장, 도금, 육성 용접, 물리 증착(PVD) 및 화학증착(CVD)
2) 금속표면으로 다른 원소를 침투 시켜 조직의 변화를 일으켜서 경화시키는 개질법으로 구분할 수 있다.
- 침탄, 질화, 이온 주입 및 금속 확산
1. 고주파 경화법 (Quenching)
고주파 전류를 강에 흐르게 하면 고주파 전류가 강의 표면을 따라 흐르게 되는 Skin Effect에 의해 강의 표면만이 고온으로 가열된다.
경화 대상물을 고주파 Coil안에 넣고 가열한후 급냉하여 표면을 경화시킨다.
특징은 다음과 같다.
(1) 간단한 형태의 대량 생산이 가능하다.
(2) 단시간의 가열이므로 탈탄이 없고, 경화표면의 산화가 극히 작으므로 경화 작업 후의 Scale 제거를 위한 연마 작업이 불필요하다.
(3) 완전한 담금질이 아니므로 변형이 적고 표면을 따라서 균질한 담금질이 가능하다.
(4) 직접 가열하므로 열효율이 좋다.
(5) 연속적인 자동화 작업이 가능하다.
(6) 표면은 초경도이고 내면은 인성이 있는 조직이 얻어 진다.
2. 침탄 경화법
침탄은 저탄소강의 표면에 탄소를 참투시켜 고탄소강으로 한후 이를 담금질(Quenching)하여 표면을 경하게 하는 방법이다. 보통 825 ~ 925℃ 사이의 온도에서 고체 매질(침탄 분말), 염욕 혹은 가스 분위기에서 실시한다.
침탄은 침탄 매질로부터 이동하는 보통 일산화탄소 형태의 기체상을 통해 일어난다. 이러한 처리를 침탄 경화라고 부르며, 경하고 내마모성이 있는 표면을 형성한다. 이때 중심부는 비교적 연하고 인성이 있기 때문에 부품 전체로서는 충격 강도가 높아진다. 또한 침탄 경화 처리시 표피층에서 압축응력이 발생하기 때문에 강의 피로 강도도 증가한다.
침탄에 관한 합금 원소의 영향은 다음과 같다.
(1) 탄소 : 침탄은 강 표면의 흡착 탄소가 내부로 확산해 진행하게 되므로 내부, 외부의 탄소 농도차가 클수록 침탄 속도가 빨라진다.
(2) 크롬 : 강중의 탄소 확산 속도를 지연 시킨다. 확산속도가 늦어 져서 표면에 탄소가 집적되게 되어 침탄층은 깊지 않아도 침탄량은 많게된다. 침탄층의 탄소량이 현저하게 높아지면 오히려 연하게 되므로 크롬강의 침탄에는 완화침탄, 혹은 가스 침탄에 의해 침탄 성능을 제어하는 침탄을 실시해야 한다.
(3) 니켈 : 니켈은 탄화물을 만들지 않으면, 강에 니켈이 합금되면 용융상태에 있어서의 탄소의 용해도를 감소 시키므로 침탄성을 저해한다. 그러나, 니켈이 들어 감으로 인해 니켈의 질량효과를 감소성질을 이용하여 열처리를 용이하게 하고 결정립의 조대화를 저지하며 심부의 인성을 높이기 위함이다.
(4) 몰리브덴 : 크롬과 같이 탄소의 확산속도를 늦추고, 탄화물을 만들어 표면 탄소량을 증가한다.
(5) 텅스텐 : 침탄성에는 그다지 영향이 없다. 강중의 탄소 확산을 늦추고 탄화물을 만들어 표면 탄소량을 증가하며, 탄소깊이를 감소시킨다. 강에 주는 성질로는 결정립을 미세화 하고 그 성장을 억제한다.
(6) 바나듐 : 침탄성을 저해하는 경향이 강하고 1% 함유하면 침탄성은 거의 없다.
(7) 티타늄 : 바나듐과 같이 탄소의 침입 깊이를 감소시켜, 결정립의 조대화를 저지한다.
(8) 망간 : 침탄성을 증진시킨다. 강의 변태점을 저하시키므로 담금질 온도를 낮추고 변형을 감소시키는 장접이 있다. 쾌삭강중의 망간은 유황과 화합하여 MnS를 만들어 침탄성에는 영향을 주지 않지만, 절삭성을 개선한다.
(9) 실리콘 : 현저하게 침탄성을 저해한다. 실리콘이 1%가 되면 침탄성은 거의 잃게 된다. 보통 0.35%이하로 규정된다.
(10) 알루미늄 : 현저하게 침탄성을 저해한다. 표면 탄소 농도를 저해하는 동시에 침탄의 깊이를 감소해서 흑연화를 조장하므로 합금 원소로 사용되지 않는 다. 단 고온 침탄용강의 결정립 조대화 방지 목적으로 사용된다.
(11) 인 : 침탄성을 현저하게 저해한다. 특히 인은 심부와 침탄층을 취약하게 한다.
(12) 유황 : 침탄성을 현저하게 저해한다. 침탄층에 이상 조직을 일으키기 쉽기 때문에 되도록 적은 것이 바람직하다. 쾌삭강에는 망간과 함께 사용된다.
침탄강은 그 용도, 경제성등에 의하여 선택되는 것이나, 일반적으로 심부 강도가 그다지 요구되지 않는 것에는 탄소강, 그리고 비교적 강도가 요구되는 것에는 크롬강, 크롬-몰리브덴강 또한 높은 강도가 요구되는 곳에는 니켈-크롬강, 니켈-크롬-몰리브덴 강이 사용된다.
침탄에는 여러가지 방법이 있는 데 침탄제의 종류에 따라 고체 침탄법, 염욕에 의한 액체 침탄법 및 근래 많이 사용되는 가스침탄법이 있다.
(1) 고체 침탄법
고체 침탄법은 목탄을 주로 사용하는데, 밀폐된 침탄 상자 속에서 산소의 존재로 인해 침탄이 진행된다. 산소는 목탄과 반응하게 되고 가열 기간 동안 CO2가 풍부한 혼합물이 생성되고 이 이산화탄소는 목탄과 반응하여 점차 일산화 탄소가 풍부한 분위기가 형성된다.
CO2 + C => 2CO
이 일산화탄소는 온도가 올라감에 따라 가역적인 반응을 보여 유리 탄소가 형성된다.
2CO => CO2 + [C]
유리된 원자상 혹은 발생기 상태의 탄소는 강의 Austenite에 쉽게 고용되어 강 내부로 확산해 들어가게 된다.
(2) 액체 침탄법
액체 침탄법은 염욕 속에서 청화소다(NaCN) 혹은 청화카리 (KCN)와 같이 활성이 있는 침탄제를 사용하여 침탄하는 방법이다.
침탄 과정은 청화소다가 산소와 반응하여 생성된 CO에 의해 고체 침탄법과 같이 침탄된다.
(3) 가스 침탄법
가스 침탄법은 천연가스 또는 석유 부산물인 프로판등을 발생로를 사용하여 침탄 가스로 만들고 이것을 이용하여 침탄을 시킨다.
역시 침탄의 기본 원리는 CO와 CO2의 가역적 반응에 의한 유리 탄소에 의해 이루어 진다.
침탄 방법의 비교
침탄 방법 | 장점 | 단점 |
고체침탄법 | 설비비 저렴, 조작이 간단 | 표면 탄소농도, 침탄 깊이 조절 곤란 |
다양한 가열용 열원 사용 가능 | 침탄 종료후 직접 담금질 곤란 | |
대형, 소형 등 광범위한 침탄 가능 | 직업 환경이 나쁨 | |
액체 침탄법 | 설비비 저렴, 조작 간단 | 대형 부품의 깊은 침탄 불가 |
소량 다품종에 적합 | 욕의 조성이 변하기 쉽고 관리 곤란 | |
균일 급속 가열 용이 | 유독하다. | |
침탄 종료후 직접 담금질 가능 | 처리후 표면에 붙은 Salt 제거 곤란 | |
침탄이 비교적 고르다. | Salt가 고가 | |
가스 침탄법 | 표면 광휘상태에서 처리 가능 | 설비비 고가 |
표면 탄소 농도 조절 가능 | 조작에 전문 지식 필요 | |
직접 처리품을 가열하므로 열 효율이 좋다 | 폭발의 위험성 | |
침탄층 균일 | 로 수명이 짧다 | |
침탄 종료후 직접 담금질 가능 |
| |
동일 장치로 침탄, 확산 뜨임 가능 |
| |
작업이 청결 |
| |
대량 생산에 적합 |
| |
자동화 용이 |
|
3. 질화 경화법
질화 경화법은 침탄 경화와는 달리 담금질 경화가 아니므로 변형이 대단히 작고 또 가열도 저온의 α-철계역에서 실시되므로 열처리 변형이나 모재의 결정립 성장도 없으며, 경도는 침탄 경화에 비해 훨씬 높고 내마모성, 내식성이 우수하다. 또한 뜨임에 대한 강한 저항성을 나타낸다.
침탄과 질화를 비교하면 침탄은 Austenite 상태의 높은 온도 영역에서 확산에 의해 침입형 합금 원소의 침입으로 Austenite에서 Martensite로의 상변태에 의하여 표면 경도를 얻는 Austenite계의 화학 열처리인데 비해 질화 처리는 350 ~ 600℃ 범위 온도의 Ferrite상에 질소 원자를 침투 시켜 실온 까지 냉각할 때 아무런 상변태가 수반되지 않는 Ferrite계 화학 열처리이다.
질화법은 철강의 표면에서 N(순질화 처리) 혹은 N와 C(연질화 처리)를 작용시켜, 철 표면에 화합물층을 생성하고, 내부에 α-Fe에 만이 고용한 과포화 고용체 또는 합금원소의 질화물이 석출하는 확산층이 얻어진다.
순질화는 질소 한가지만의 작용이고, 연질화는 탄소와 질소의 복합 작용에 의한 것이므로 화합물층의 조성이 달라지게 된다. 확산층의 경우는 두가지 모두 본질적으로 같고, 단지 연질화 처리에서는 온도가 높으며 탄소의 촉매작용에 의해서 질소의 확산 속도가 빨라질 뿐이다.
표면에 생성되는 화합물층의 경우에는 순질화 처리시 질소 Potential이 높아서 생성되는 질화물의 상이Fe4N이나 Fe3N보다 Fe2N이 많아지므로 경도가 높아서 매우 취약하므로 반드시 제거해 주어야 한다. 그러나 연질화 처리의 경우에는 화합물 층이 Fe-N-C계이며 질소 Potential이 낮기 때문에 ε-Fe3N과 γ’-Fe4N이 생겨지며 이기에 탄소가 고용된 것이므로 성질이 매우 특이하며 인성과 미끄럼성, 내식 내열성이 뛰어 나기 때문에 유익하게 사용된다.
질화에 미치는 영향
(1) 탄소 : 질화강에서 침탄강과 같이 특별한 탄소량 제약은 없으나 0.2 ~ 0.5%가 바람직 하다. 탄소를 함유 하지 않으면 질화층이 붕괴되기 쉽고 탄소량이 너무 많으면 질화 속도가 늦어 지고 두께, 경도 모두 감소되어 실용에 적합하지 않다.
(2) 크롬 : 알루미늄과 같이 질화강에는 필요원소이며, 질화층의 최고 경도에 미치는 영향으로서는 크롬 3%가 알루미늄 1%에 해당한다. 알루미늄을 함유하지 않은 질화강에서는 크롬이 필수 원소이며, 알루미늄이 표면 경도를 증가하는 데 비해 크롬은 질화층을 두껍게 하는 경향을 가지고 있다.
(3) 알루미늄 : 질화강에 가장 필요한 원소로 크롬과 같이 첨가되면 양자의 특징을 살려가며 최대의 효과를 낸다. 알루미늄 1% 까지는 알루미늄 양에 따라 급격히 경도를 높이지만 그 이상이 되면 별다른 영향이 없다. 알루미늄 양이 일정하면 크롬이 증가하더라도 최고 경도의 변화가 없다. 질화층의 두께는 알루미늄이 많아지면 엷어지나, 크롬은 별 영향이 없다.
(4) 몰리브덴 : 함유량이 증가하면 경화층의 경도는 증가하나 2% 이상에서는 영향이 적다. 이 원소의 특징은 질화 열처리시에 경도의 저하를 저지 시킬 때가 있다.
(5) 니켈 : 질소와 반응하지 않고 질화물 생성 원소로서는 아무 역할도 하지 못한다. 이 원소의 존재는 심부의 기계적 성질을 향상한다.
(6) 망간 : 질화층의 경화를 다소 보강하나, 알루미늄, 크롬 만큼 유력하지 않다. 경화층의 깊이와 함량 1% 까지는 증가하지만 그 이상이 되면 반대로 엷어진다. 경도는 1% 까지는 변화가 없으나, 그 이상이 되면 도리어 저하한다.
처리 | 표면층 | 온도 | Quenching | 경도 | 변형 | 층두께 | 설비 | 적용 |
침탄 | C | 높음 | 필요 | 대 | 대 | 깊이 | 간단 | 표면 강화강 |
질화 | N | 낮음 | 불필요 | 특대 | 무 | 얕음 | 복잡 | 질화강 |
4. 화염 소입 경화법
고주파 경화법과 같이 경화능이 있는 금속 제품의 표면만을 경화시키는 방법이다. 열원으로는 산소-아세틸렌 가스가 가장 많이 사용되며, propane 또는 천연가스 등도 사용된다. 가스염으로 제품의 표면을 급속히 가열하여 소입온도에 도달했을 때 냉각액을 외부로부터 분사하여 소입한다. 이 방법은 제품 전체를 열처리하는 것이 아니라 필요한 부분만을 경화시키므로 변형을 최소화하고 소입에 의한 Crack을 방지할 수 있고, 인장 강도, 충격치, 내마모성등을 향상시킬 수 있다. 고주파 경화법에 비하면 그 설비비가 작고 조작도 간단하므로 많이 이용되고 있다.
5. 금속 삼투법
금속 삼투법은 제품의 표면에 다른 종류의 금속을 피복시키고 동시에 확산에 의하여 합금 피복층을 얻는 방법을 말한다. 금속 표면에 Zn, Al, Cr등을 피복 호가산 시키는 방법이 많이 사용되고 있다.
실제 적용하는 방법은 다음의 세가지가 있다.
(1) 고온에서 제품의 표면에 피복 금속층을 전기도금, 용사, 용융도금등의 적당한 방법으로 만들어 주고, 이것을 고온으로 가열하여 확산시켜 합금 피복층을 얻는 방법이다.
(2) 피복 금속의 분말중에 제품을 묻어서 밀폐상태로 가열해 주는 방법이다. 이경우 합금 분말과 제품의 표면과는 접촉하고 있으나 접촉 면적은 매우 작다, 제품 표면에 공급되는 금속은 주로 피복금속분말로부터 발생한 금속증기 및 그 응축 또는 액체 상태에서 일어난다고 생각할 수 있다.
(3) 피복 금속의 화합물을 품은 염류의 혼합물을 고온에서 용융시켜 그 액중에 금속을 담그고 피복금속의 삼투층을 얻는 방법이며 Cr 삼투법이 그 예이다.
금속 삼투법은 주로 철강제품에 실시되며 내식성, 내고온 산화성 등의 화학적 성질을 향상시키는 것이 그 목적이며 동시에 경도, 내마모성을 증가 시키는 효과가 있다.
(1) 아연 삼투법(Sherardizing)
금속 표면을 깨끗하게 한 후 이것을 철제용기내의 아연 분말중에 넣고 밀봉하여 전기 또는 가스로 가열한다. 제품을 아연 분말중에 완전히 균일하게 장입하는 것은 곤란하므로 가열중에 용기를 서서히 회전시키면 균일한 두께의 합금 피복층을 얻을 수 있다. Zn은 증기압이 상당히 노픙며 특히 halogen 화합물의 Flux를 첨가하지 않아도 충분한 확산피복속도를 얻을 수 있다.
(2) 알루미늄 삼투법(Calorizing)
Fe-Al합금은 내고온 산화성이 우수하므로 그 합금 피복을 철제 제품에 피복시키는 방법을 말한다. 확산제로서 Al 50, Al2O3 45, NH4Cl 5의 중량비로 혼합한 것을 사용하여 850℃ ~ 950℃에 약 2시간 가열하여 철강제품에 Al을 확산 시킨다. 철강제품에 Al을 삼투 시킨 것은 우수한 내고온 산화성을 가지며 그 이상의 경우에는 Stainless Steel등에 Calorizing 한 것을 사용하는 것이 좋다.
(3) 크롬 삼투법(Chromizing)
금속 제품에 Cr을 삼투 확산 시키면 Fe의 Matrix에 합금 피막층이 형성되어 내식성이 크게 개선된다. Cr을 삼투 시키는 데는 Cr의 증기를 이요하거나 또는 운반체로서 Halogen원소를 사용하여 Halogen화 Cr 증기를 이용한다. 저탄소강의 표면에 Cr 삼투처리를 하면 표면의 Cr농도는 30%이상에 도달하여 그 내식성은 많이 개선된다. 즉, 대기중 또는 수증기중에서 내식성이 좋으며 또 묽은 질산에 대해서도 우수한 저항력을 나타낸다. 그러나, 묽은 염산 또는 묽은 황산에 대해서는 쉽게 부식된다. 고온 산화에 대해서도 Cr 삼투는 효과가 있으며, 800℃ 정도까지는 저항력이 상당히 강하지만 이것보다 더 고온에서 견디게 하기 위해서는 Cr삼투를 한후에 그 위에 도 Al 삼투를 하여 주면 효과가 있어 1100 ~ 1200℃ 정도의 고온 산화에 견딜 수 있다.
(4) 규소 삼투법(Siliconizing)
규소의 함량이 높은 고규소철합금(12 ~ 15% Si)은 극히 우수한 내식성을 가지고 있어 여러가지로 사용되나 매우 취약한 결점이 있다.
