강의 표면처리/표면경화법

1 표면처리/표면경화법 개요

 1) 정의

   - 재료에 화학적 물리적방법으로 처리하여 재료의 기계적 성질을 변화시키는것.

   - 일반적으로 재료 내부는 적당한 인성을 가져서 내충격성을 확보하고 표면은 경하게 만들어 경도를 높이는 것.

 2) 열처리

   - 물리적 처리는 열을 가한뒤 조직을 재 형성하는 과정에서 기계적 성질을 변화시킨다.

 

2 표면경화법의 종류

 1) 화학적 표면처리
   ① 고체침탄법(침탄법 : 재료 표면에 탄소/질소를 침투시켜 표면을 과공석강, 공석강, 아공석강 층으로 만드는 방법.)

     - 침탄제(목탄, 탄산바륨, 코크스, C02 가스)와 재료를 함께 노안에서 가열하는 방법.
     - 가열온도 900~950도 가열시간 5~6시간.

     - 0.5~3mm 정도의 표면열처리, 표면의 탄소함유량은 0.9% 수준.

     - 연강(저탄소강 0.018C)을 침탄제와 함께 침탄상자에 넣고 A1이상 가열하여 탄소를 재료에 침투시키는 방법.

     - 강표면은 경강(마르텐사이트化), 내부는 연강(펄라이트) 이중조직발생.

  ② 가스침탄법

     - 침탄제(메탄, 에탄, 프로판) 로 충진된 침탄로에 넣고 가열하는 방법.

     - CH4, C2H6를 침탄가열로로 보내어 A1 이상 900~950℃로 3~5시간 가열

     - 탄소가 표면에 침투되도록하여 표면을 연한조작에서 경한 조직으로 변환함.

     - 1mm 침탄깊이

   ③ 질화법

     - 강을 암모니아(NH3) 분위기속에 넣고 가열하여 질소를 재료에 침투시키는 방법.

     - A1 이하의 온도(500~600℃)에서 NH3를 확산침투시켜 질화층(질화철 : FeN) 형성하는 방법.

     - 질화로에 넣고 520도를 유지하여 50~100시간 가열(질화는 온도와 연관됨).

     - 질화의 깊이는 0.7mm 수준, 조직변화에 의한 경화는 아니므로 열처리 변형이 적은 장점이 있음.

     - 높은 표면경도, 내마모성, 내식성, 피로한도 성질을 부여함.

     - 침투원소에 따라 순질화와 연질화로 구분됨. 가스질화(순질화)는 합금강만 처리가 가능한 반면, 연질화는 저탄소강까지 처리가능.

       * 순질화 : N만 침투시켜 강화시킴

       * 연질화 : N과 C를 침투시켜 경화하는 방법(20㎛)

질화 처리 기구

   ④ 액체침탄법

     - KCN(시안화칼륨, 청산가리), NaCN(시안화나트륨)용액 수조에 가열된 재료를 넣어서 질화와 침탄의 효과를 내는 것.

     - 청화법, 시안화법, 침탄질화법이라고 함.

     - 800~900℃ 시안화 수조에 침지시켜 20~30분 가열함.

     - 0.1~0.5mm 침탄두께를 형성함.(고체침탄보다 낮은 침탄 깊이를 원할때 사용)

     - C뿐아니라 N침탄 가능하여 표면경화 효율이 더 높음.

  2) 물리적 표면처리

   ① 화염경화법

     - 산소-아세틸렌(C2H2)을 사용하여 강재 표면부를 A1온도까지 가열한 뒤 급랭시켜 재료의 표면만을 담금질하는 방법

     - 작업이 간단하고 저렴하며 부분경화가 가능하다.

     - 저탄소강에 적합하며(C0.4~0.7) 온도를 정확하게 측정할 수 없으므로 작업자의 경험에 의해 이루어져야한다.

   ② 고주파경화법(고주파 담금질)

     - 고주파 전류를 이용하여 일정한 두께의 표면만을 가열한 후 급랭시키는 방법
     - 주파수 조절로 가열온도를 설정할 수 있고 극히 일부에만 급격하게 가열이 가능하다.
       * 기어 또는 복잡한 부품을 전체/부분 경화할 수 있다.

     - 깊이 0.5~1mm 로 열처리한 효과를 냄.(담금질)

   ③ 케이스하드닝법
     - 침탄과 절차는 유사하나 침탄 후 추가적인 담금질을 수행하는것. 침탄강이라고 함.
     - 절차
       a 재료를 920도에서 가열한 후 물로 담금질처리 ; 1차 담금질
       b 침탄층 경도를 높이기 위해 760도(재결정이상온도)에서 가열하고 물로 담금질 ; 2차 담금질
       c 내부응력을 제거하기 위해 100도에서 30분간 끓임
     - 치밀한 표층과 조대한 내부조직의 재료를 만들 수 있다.
 3) 금속침투법

   ① 크로마이징(Cr) : 내식성 내마모성

   ② 브로나이징(B) : 내식성 내마모성

   ③ 칼로라이징(Al) : (500도까지)내열성 내스케일성

   ④ 실리코나이징(Si) : 내식성 내열성

   ⑤ 세라다이징(Zn) : 내식성

 4) 염욕(열처리로)
   - 가열재를 융해한 염, 금속속에 재료를 가열하는 것 
   - 반사로, 머플로, 전기저항로, 연속가열로, 욕로등이 사용됨
   - 재료의 내외 균일한 온도를 만들 수 있고 일정온도로 가열시간을 조절하여 핵의 성장량을 제어할 수 있다.
   - 염욕제
      * 22%NaNO3+78%KNP3 / 550도 이하 적용 / 템퍼링용
      * 60%BaCl2+40%KCl / 550~950도 적용 / 담금질용