기계 재료로 많이 사용되는 강은 제강하는 과정에서 강이 가진 화학적 성분이나 강에 포함된 함급 원소량은 변하지 않는다. 그러나 기계를 제작할 때 사용 목적에 따라 강의 화학 성분을 바꾸어야 할 경우가 있다. 이 성분을 바꾸는 방법 가운데 하나가 재료의 표면을 단단하게 만드는 표면 경화(Surface Hardening)이다.
표면 경화는 화학 성분의 변화가 고체인 강에서만 일어나고 재료의 표면층에서만 발생한다는 특징을 가지고 있다. 기계 부품 가운데 표면 경도가 될 수 있으면 높고 내마멸성이 크고 충격에 잘 견디는 재료를 필요로 하는 것이 많다. 이러한 부품에는 기어나 캠, 캠샤프트 등이 있다. 표면 경화법으로 많이 이용되는 방법에는 침탄법과 질화법, 고주파담금질과 화염담금질, 방전경화, 금속침투법 등이 있다. 이중에서 기어의 재료에 많이 사용되는 방법이 침탄법이다. 침탄법은 강의 표면에 탄소(Carbon)을 침투시키는 방법이다.
기어의 재료로 고탄소강을 사용할 경우 열처리에 의해 높은 경도를 얻을 수 있으나 동시에 강한 충격에 잘 부러지는 취성을 가지게 된다. 따라서 표면은 경도가 높고 내부는 질긴 성분을 가진 재료가 큰 힘에 더 잘 견딜 수 있다. 기어의 재료로 탄소함유량이 적은 저탄소강을 선택할 경우, 표면은 기어가 장시간 서로 맞물려도 잘 견딜수 있도록 열처리로 경도를 높여주고 재료의 내부는 고탄소강에 비해 휨에 잘 견디는 인성을 갖도록 할 수 있다.
표면 경화 열처리는 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위한 방법으로 크게 화학적 방법과 물리적 방법으로 나눌 수 있다. 기어에 적용되는 화학적 방법에는 침탄법(carburizing)과 질화법(nitriding)이 있고, 물리적 방법에는 고주파 표면 경화법(induction hardening)이 있다.
침탄법이란? 열처리 과정은?
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.
침탄법의 종류?
침탄강
침탄경화의 대상이 되는 강을 침탄강이라 부르며 보통 탄소 함유량이 0.15-0.18%인 저탄소강과 크롬이나 몰리브텐이 첨가된 합금강이 있다. 침탄에 사용되는 기어의 재료는 S15C, SCM415, SCM420, SNC420, SNC815, SNCM420이다.
고체침탄법
고온에서 금속이나 비금속을 주강의 표면에 확산 침투시킴으로써 표면에 합금층을 생성시키는 방법이다. 침탄제는 목탄이 60-70% 탄산바륨 20-30% 탄산나트륨 10%이하 성분이 주로 사용된다. 침탄 온도는 강재를 900˚C 전후의 온도에서 장시간 처리하므로 중심부 조직이 거대화한다. 따라서 담금질을 하여 중심부 조직을 미세화하고 표면층을 경화시킨다. 침탄 부품 가운데 전면 침탄이 아니라 어느 한 부분만을 침탄할 때 도 있다. 이와 같은 경우를 국부 침탄이라 하며 침탄 방지제를 발라 침탄을 방지한다. 현재 침탄 방지로는 구리도금이 가장 많이 사용된다. 구리 도금의 두께는 20μ 정도이면 충분하다. 고체침탄법의 최대 결점은 침탄 시간이 길다는 점이다. 보통 0.1mm 침탄깊이를 얻는데 1시간 정도가 필요하다.
액체침탄법
NaCN을 주성분으로 하여 중성염이나 탄산염을 첨가한 침탄제로 된 용액 속에 침탄할 재료를 담그어 침탄 시키는 방법이다. 실제로는 침탄과 질화가 동시에 이루어지기 때문에 액체침탄질화법이라 부르기도 한다. 이 방법은 얇은 침탄층을 원할 때 사용하는 것이 좋다.
가스침탄법
고체침탄법이 지닌 단점을 보완하기 위해 사용되는 것이 가스침탄법이다. 가스침탄법은 고체침탄법에 비해 열효율이 높고 공정도 간단하여 널리 사용되고 있다. 가스 침탄제로는 일산화탄소와 메탄, 에탄, 프로판, 천연가스등 탄화수소계 가스가 주로 사용된다. 가스 침탄은 고체 침탄에 비해 전반적으로 침탄 시간이 짧다. 또한 온도 가열을 고주파를 이용하면 침탄 시간을 현저하게 단축시킬 수 있다. 고주파 가열에 의해 온도가 950-1050˚C까지 유지되고 침탄깊이를 0.8-1.0mm로 할 때, 약 30-40분간 이 온도를 지속함으로 침탄이 충분하게 이루어진다. 침탄이 이루어진 후에는 어떤 종류의 가스를 사용하든지 반드시 2차 열처리를 해주어야 한다. 그 이유는 침탄 부품이 강인 경우 고온에서 장시간 가열하면 심부 조직이 조립화(祖粒化)되기 때문에 이것을 다시 미세화하게 만들어 주어야 하기 때문이다. 또한 강 조직의 변화로 인해 강이 여리게 됨을 방지하고 표면층의 경화를 높이기 위해서도 재 열처리가 필요하다. 재열처리는 약 850-900˚C까지 재료의 온도를 올린 후 다시 냉각시키는 불림이나 1차 담금질을 한다. 760-780˚C로 2차 담금질을 한다. 마지막으로 150-170˚C에서 뜨임을 한다.
