표면 경화 열처리란?
기계 재료로 많이 사용되는 강은 제강 과정에서 화학 성분이나 포함된 원소량이 변하지 않습니다. 하지만 기계를 제작할 때는 사용 목적에 따라 강의 화학 성분을 바꾸는 것이 필요할 수 있습니다. 그 중 하나가 재료의 표면을 단단하게 만드는 표면 경화(Surface Hardening)입니다.
표면 경화의 특징
- 표면 경화는 재료의 표면층에서만 발생하며, 고체 상태의 강에서만 화학 성분의 변화가 일어납니다.
- 기어, 캠, 캠샤프트와 같은 부품은 표면 경도가 높고 내마모성이 크며, 충격에 잘 견디는 특성을 요구합니다.
- 표면 경화법은 침탄법, 질화법, 고주파 담금질, 화염 담금질, 방전 경화, 금속 침투법 등 다양한 방법이 있습니다.
침탄법(Carburizing)
- 기어 재료로 많이 사용되는 표면 경화법입니다.
- 강의 표면에 탄소를 침투시켜 표면을 단단하게 만드는 방법입니다.
- 고탄소강은 높은 경도를 얻을 수 있지만 취성(쉽게 부러짐)도 증가합니다. 따라서, 저탄소강을 사용해 내부는 인성을 유지하고, 표면은 경도가 높은 재료를 만들 수 있습니다.
표면 경화법의 분류
- 화학적 방법: 침탄법(Carburizing), 질화법(Nitriding)
- 물리적 방법: 고주파 표면 경화법(Induction Hardening)
침탄 표면 경화란?
침탄이란 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위해 다음과 같은 단계를 사용하는 방법이다. 탄소함유량이 0.2% 미만인 저탄소강이나 저탄소합금강을 침탄제 속에 파묻고 오스테나이트 범위로 가열한 다음, 그 표면에 탄소를 침입하고 확산시켜서 표면 층만을 고탄소 조직으로 만든다.
침탄 후 담금질하면 표면의 침탄층은 마텐자이트 조직으로 경화시켜도 중심부는 저탄소강 성질을 그대로 가지고 있어 이중 조직이 된다. 표면이 단단하기 때문에 내마멸성을 가지게 되며, 재료의 중심부는 저탄소강이기 때문에 인성을 가지게 된다. 이러한 성질 때문에 고부하가 걸리는 기어에는 대개 침탄 열처리를 사용한다.
침탄법은 침탄에 사용되는 침탄제에 따라 고체침탄과 액체침탄과 가스 침탄으로 나눈다. 특별히 액체 침탄의 경우, 질화도 동시에 어느 정도 이루어지기 때문에 침탄 질화법이라 부른다.
질화 표면 경화란?
금속 재료 표면에 질소를 침투시켜서 매우 단단한 질소화합물(Fe2N) 층을 형성하는 표면경화법을 질화라 부른다. 이것은 담금질과 뜨임 등의 열처리 후 약 500℃로 장시간 가열한 후 질소를 침투시켜 경화시킨다. 침탄처럼 침탄 후 담금질이 필요 없으므로 다른 열처리 방법에 비해 변형이 매우 작으면 내마멸성과 내식성과 피로 강도 등이 우수하다. 그러나 다른 열처리에 비해 가격이 많이 든다.
질화법은 다음과 같은 특징이 있다.
○ 침탄에 비해 경화층이 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다.
○ 마모나 부식에 대한 저항력이 크다.
○ 담금질이 필요없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장 적다.
○ 600℃ 이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다.
고주파 표면 경화란?
0.4 – 0.5%의 탄소를 함유한 고탄소강을 고주파를 사용하여 일정 온도로 가열한 후 담금질하여 뜨임하는 방법이다. 이 방법에 의하면 0.4% 전후의 구조용 탄소강으로도 합금강이 갖는 목적에 적용할 수 있는 재료를 얻을 수 있다. 표면 경화 깊이는 가열되어 오스테나이트 조직으로 변화되는 깊이로 결정되므로 가열 온도와 시간 등에 따라 다르다.
보통 열처리에 사용되는 가열 방법은 열에너지가 전도와 복사 형식으로 가열하는 물체에 도달하는 방식을 이용하고 있다. 그러나 고주파 가열법에서는 전자 에너지 형식으로 가공물에 전달되고, 전자 에너지가 가공물의 표면에 도달하면 유도 2차 전류가 발생한다. 이 때 가공물 표면에 와전류(eddy current)가 발생하여 표피효과(skin effect)가 된다. 2차 유도전류는 표면에 집중하여 흐르므로 표면경화에는 다음과 같은 장점이 나타난다.
○ 표면에 에너지가 집중하기 때문에 가열 시간을 단축할 수 있다.
○ 가공물의 응력을 최대한 억제할 수 있다.
○ 가열 시간이 짧으므로 산화나 탈탄 염려가 없고 가격이 저렴하다.
