표면 경화 열처리(침탄법, 질화법, 숏피닝, 하드페이싱 등)

표면 경화 열처리

 기어, 크랭크축, 캠 등과 같이 표면은 단단하게 하여 내마모성을 높이고, 내부는 충격 등에 견딜 수 있게 강인성을 갖도록 하는 열처리.

1. 화학적 표면 경화법

 - 저탄소강에 미소량의 합금 원소를 함유시킨 강재에 특수한 열처리를 하여 강재 표면층의 화학 성분을 여러 가지 원소의 확산에 의해서 변화시켜 경화층을 얻는 경화법

 1) 침탄법(carburizing)

 O 저탄소강(0.2%이하 탄소)을 침탄제 속에 넣고 가열하여 그 표면에 탄소를 침입, 고용시켜 표면만 강화하는 열처리 방법. 침탄제의 상태에 따라 고체(목탄, 코크스 사용) 침탄법, 가스 침탄법 등이 있음.

 O 특징

   (1)침탄 깊이가 작음

   (2) 침탄 후 열처리 필요

   (3) 짧은 시간에 표면 경화 가능

 2) 질화법

 O 철강의 표면을 암모니아 가스와 같이 질소(N)를 함유하고 있는 물질로 장시간(50~100시간) 500~550℃로 가열하여 표면에 질화층을 만들어 경화시키는 열처리 방법. 질화 처리 후 담금질 필요 없음.

 O 특징

   (1) 경화층이 얕고 경화는 침탄법보다 크다.

   (2) 내마모성, 내식성이 큼

   (3) 처리 시간이 긴 결점이 있음.

 3) 가스 침탄법

 O 침탄제로 일산화탄소와 메탄, 에탄, 프로판, 천연가스 등 탄화 수소계 가스를 소재 표면에 직접 접촉시켜 활성 탄소를 석출시키는 열처리로 고체 침탄법이 지닌 단점을 보완하여 침탄 시간이 짧고 열효율이 좋으며, 작업이 간단하여 연속적인 침탄이 가능하다.

 O 특징

   (1) 침탄 온도에서 직접 담금질 할 수 있어 작은 재료와 다량 생산에 적합

   (2) 침탄 후 반드시 2차 열처리를 해줘야 함.

 

 4)금속 침투법

 O 강재를 가열하여 제품 표면에 친화력이 강한 아연(Zn), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 등을 고온에서 확산 침투시켜 합금 피막을 형성하여 표면을 경화시키는 방법. 시멘테이션 경화법이라고도 함.

 O 특징 : 표면 경화, 내식성, 내산성, 내열성 및 내마멸성등이 향상

 

 

2. 물리적 표면 경화법

 - 강재의 화학 성분은 변화시키지 않고 단순히 강재 표면만을 경화시키는 표면 경화법

 1) 화염 경화법

 O 가스 열을 사용하여 탄소강(0.4%C)이나 합금강의 표면만을 가열한 후 물로 급속히 냉각시키는 방법이다. 열원으로는 산소-아세틸렌 가스가 많이 사용된다. 표면 경화 깊이는 불꽃 온도, 가열시간, 이동속도에 따라 다르다. 기어 잇면, 캠, 선반의 베드 등의 부분 경화에 사용된다.

 O 특징

   (1) 부품의 크기와 형상에 제한이 없다.

   (2) 내부 변형이 없고 큰 재료에 사용이 가능하다.

   (3) 국부적인 담금질이 가능하다.

 2) 고주파 경화법

 O 표면 경화할 재료의 표면에 코일을 고주파 유도 전류를 이용하여 가열 재료의 소요 깊이까지 표면층을 가열한 다음, 급랭하여 경화시키는 방법

 대형 제품이나 긴 제품에 유리하고, 국부적인 경화도 쉽게 할 수 있어 축, 기어, 핀 등에 사용

 O 특징

   (1) 표면 경화법 중 가장 편리한 방법

   (2) 담금질 시간이 짧음.

   (3) 변형이 작음

   (4) 설비가 비싸고 복잡한 형상에는 적합하지 않음. 

 3) 숏 피이닝

 O 금속 재료의 표면에 강이나 주철의 작은 입자를 고속으로 분사시켜 가공 경화층을 만듦. 스프링, 축, 핀 등에 적용

 O 특징

   (1) 인장, 압축강도에는 거의 영향이 없음.

   (2) 피로 한도를 현저하게 향상시킴

 4) 하드 페이싱법

 O 금속 표면에 스텔라이트(Co-Cr-W-C)나 초경합금 등의 특수 합금을 재료의 표면에 용착시켜 표면 경화층을 만드는 경화법

 

3. 기타 표면 경화법

 1) CVD법(chemical vapor deposition, 화학증착법)

 O 기체상의 성분들이 열, 플라즈마 및 에너지 등에 의해서 화학적으로 반응하여 기판 표면에 박막을 형성시키는 방법으로 초경 공구의 세라믹 피막뿐만 아니라 반도체 공업의 발전에 크게 기여하였다. 피막 박막으로는 TiC, TiN, Al2O3 등 반도체 공정이나, 세라믹 박막(thin film)의 제조 등에 사용.

 2) PVD(physical vapor deposition, 물리 증착법)

 O 피막을 입힐 재료의 표면에 단일 또는 복합 금속을 진공 상태에서 화학 반응을 유발시키지 않고 증착시키려고 하는 물질 즉, 탄화물, 질화물, 산화물 등의 형태를 물리적인 변화에 의하여 기판에 직접 증착시키는 형태로 박막(thin film)을 형성하는 박막 제조 표면 처리법이다. PVD는 증착시키려는 물질을 기체 상태로 만들어서 날려 보내는 것이므로 진공을 요구한다.   증착막의 두께는 옹스트롬 단위에서 mm단위까지 다양하게 조절 가능하며, 기계, 화학 공업 분야 및 원자력, 반도체, 전자 공학 관련 분야에서부터 장식용의 실용적인 부분에 이르기까지 광범위하게 널리 응용되고 있다.

 3) 플라즈마 용사법

 O 구리 축으로 연결된 텅스텐(W)으로 만든 음극 전극과 구리로 만든 노즐 형태의 양극 사이에 가스 또는 가스 혼합물을 송입하고 고전극 아크 방전에 의하여 가스를 플라즈마 상태(전자, 원자, 이온으로 이루어진 가스)로 만든 후 금속이나 세라믹 등을 연속적으로 피막 재료의 표면에 분사하여 피막을 적층시키는 방법이다. 비철용 압연롤, 플라스틱 사출용 스크루, 섬유 제지의 각종 특수 롤, 철강의 롤, 라이너, 기계 및 금형 부품 등의 내마모, 내식용 및 초경피막 기술 등에 적용된다.