표면 경화 열처리 | 기계공작법 3.5
기계공작법Chapter 03 열처리와 표면 처리 › Section 05
3.5 표면 경화 열처리
앞 절까지의 열처리는 부품 전체의 조직을 한꺼번에 바꾸었다. 이 절의 열처리는 같은 부품 안에서 겉과 속의 성질을 일부러 다르게 만든다. 표면층만 골라 경화시키는 다섯 가지 방법과, 그 셋을 가르는 기준을 다룬다.
01한 부품에 두 가지 성질교재 50p
겉과 속에 서로 다른 성질이 필요한 자리. 표면 경화법이 나온 까닭.
- 기어 · 축 · 핀 · 베어링 — 표면과 내부에 요구되는 성질이 서로 다른 부품.
- 표면 — 다른 부품과 맞닿아 마찰과 마모를 받으므로 매우 단단해야 함.
- 내부 — 충격을 흡수해 부러지지 않아야 하므로 질기고 인성이 커야 함.
- 전체를 단단하게 만들면 속까지 취성이 커져 부러지기 쉬워짐.
- 표면 경화법 — 부품의 겉과 속의 기계적 성질을 다르게 만들려고 표면층만 골라 경화시키는 기술.
- 크게 세 갈래 — 화학적 표면 경화법 · 물리적 표면 경화법 · 금속 침투법.교재 50p
앞 절들과 무엇이 다른가
- 3.3 · 3.4 — 부품 전체의 조직을 바꾸는 열처리.
- 3.5 — 두께 방향으로 성질을 갈라 놓는 열처리.
- 노리는 것 — 겉은 단단하고 속은 질긴 한 몸.
02세 갈래를 가르는 기준교재 50p
기준은 하나 — 표면의 화학 성분을 바꾸는지, 조직만 바꾸는지.
| 갈래 | 바꾸는 것 | 방식 | 속하는 공법 |
|---|---|---|---|
| 화학적 표면 경화법 | 성분 | 탄소나 질소를 표면층에 스며들게 함. | 침탄법 · 질화법 |
| 물리적 표면 경화법 | 조직만 | 성분은 그대로 두고 가열과 냉각으로 경화시킴. | 화염 경화법 · 고주파 경화법 |
| 금속 침투법 | 성분 | 다른 금속 원소를 확산 침투시켜 합금층을 만듦. | 크로마이징 등 다섯 |
- 화학적 표면 경화법과 금속 침투법 — 표면의 화학 성분 자체가 달라짐.
- 물리적 표면 경화법 — 성분은 그대로이고 조직만 달라짐.
- 가름 한 줄 — 표면에 무언가를 넣었는지, 데우고 식히기만 했는지.
03침탄법 — 탄소를 먹여 굳힘교재 50p
- 침탄법(carburizing) — 탄소 0.2 % 이하의 저탄소강을 탄소가 풍부한 침탄제 속에서 가열해 표면층만 고탄소강으로 바꾸는 방법.
- 저탄소강을 고르는 까닭 — 탄소가 적어 담금질을 해도 잘 단단해지지 않기 때문.
1저탄소강 준비
- 탄소 0.2 % 이하의 강.
2침탄제 속에서 가열
- 약 900 ~ 950 ℃.
- 표면에 탄소를 스며들게 함.
3표면층이 고탄소강
- 속은 저탄소강 그대로 남음.
4담금질과 뜨임
- 표면을 마르텐사이트로 변태시켜 경화.
- 침탄제에 따른 분류 — 고체 침탄 · 액체 침탄 · 가스 침탄.
- 장점 — 경화 깊이가 비교적 깊고 작업 시간이 짧은 편.
- 단점 — 높은 온도에서 급랭하는 담금질이 뒤따르므로 열응력에 의한 치수 변형이 큼.
가장 잘 빠뜨리는 한 단계
- 표면에 탄소를 스며들게 한 것만으로는 아직 단단해지지 않음.
- 침탄이 끝난 뒤 담금질과 뜨임을 이어서 해야만 표면이 마르텐사이트로 변태하여 경화됨.
- 곧 침탄은 탄소를 넣는 단계일 뿐, 굳히는 것은 그다음 담금질.
04질화법 — 질소를 먹여 굳힘교재 51p
- 질화법(nitriding) — 질화용 특수강을 암모니아 가스 분위기에서 오래 가열해, 분해된 질소 원자를 표면에 스며들게 함으로써 매우 단단한 질화물층을 만드는 방법.
- 대상 재료 — 알루미늄 · 크롬 · 몰리브덴 등을 함유한 질화용 특수강.
- 처리 조건 — 500 ~ 550 ℃의 암모니아 가스 분위기에서 50 ~ 100시간 가열.
1장점
- 질화물층 자체가 이미 높은 경도를 가지므로 뒤에 담금질을 할 필요가 없음.
- 가열 온도가 낮고 급랭 공정이 없어 치수 변형이나 균열이 거의 생기지 않음 — 가장 큰 장점.
- 표면 경도가 침탄법보다 높고 내마모성과 내식성도 우수.
2단점
- 처리 시간이 50 ~ 100시간으로 매우 김.
- 경화 깊이가 얇음.
- 치수 변형이 극히 적음 — 정밀 부품에 유리한 까닭.교재 51p
05침탄법과 질화법을 나란히교재 51p
부품의 형상과 필요한 정밀도에 따라 갈라 씀.
| 구분 | 침탄법 | 질화법 |
|---|---|---|
| 대상 재료 | 탄소 0.2 % 이하의 저탄소강 | 알루미늄 · 크롬 등을 함유한 질화용 특수강 |
| 처리 온도 | 약 900 ~ 950 ℃ | 약 500 ~ 550 ℃ |
| 처리 시간 | 비교적 짧음 | 50 ~ 100시간으로 매우 김 |
| 후속 열처리 | 담금질과 뜨임이 반드시 필요 | 필요 없음 |
| 치수 변형 | 담금질을 하므로 큼 | 극히 적어 정밀 부품에 유리 |
| 경화 깊이 · 경도 | 깊이는 깊고 경도는 질화법보다 낮음 | 깊이는 얕고 경도는 매우 높음 |
- 경도 분포로 견주면 차이가 더 뚜렷함. 가로축이 표면에서의 깊이, 세로축이 경도.
- 두 곡선 모두 안쪽으로 갈수록 경도가 떨어지다가 모재의 경도에 이름.
- 질화 쪽 — 표면에서 더 높은 값으로 출발하나 빨리 떨어짐.
- 침탄 쪽 — 낮은 값으로 출발하나 천천히 떨어져 더 깊이 이어짐.
- 한마디로 — 질화는 더 단단하지만 얕고, 침탄은 덜 단단하지만 깊음.
갈림길은 후속 열처리
- 침탄법 — 담금질과 뜨임이 반드시 필요. 그래서 치수 변형이 큼.
- 질화법 — 담금질이 필요 없음. 그래서 치수 변형이 극히 적음.
- 정밀도를 요구하는 부품이면 질화법 쪽, 깊은 경화층이 필요하고 시간이 촉박하면 침탄법 쪽.
06물리적 표면 경화법 — 성분은 그대로교재 52p
- 물리적 표면 경화법 — 표면의 화학적 성분은 그대로 둔 채 표면층만 급속히 가열한 뒤 급랭시켜 마르텐사이트로 경화시키는 방법.
- 표면 담금질 — 성분을 바꾸지 않고 조직만 바꾸므로 붙은 다른 이름.
- 적용 대상 — 탄소를 0.4 % 이상 함유한 기계 구조용 탄소강이나 합금강.
- 침탄법과의 갈림.
- 침탄법 — 탄소가 모자라니 겉에 탄소를 넣어 주는 쪽.
- 물리적 표면 경화법 — 탄소가 이미 넉넉하니 겉만 데워서 식히면 되는 쪽.
- 가열 방식에 따라 둘로 갈림 — 산소–아세틸렌 화염을 쓰는 화염 경화법, 유도 전류의 저항열을 쓰는 고주파 경화법.
07화염 경화법과 고주파 경화법교재 52p
데우는 방식만 다를 뿐, 급히 데우고 급히 식히는 뼈대는 같음.
1화염 경화법
- 화염 경화법(flame hardening) — 약 3,500 ℃에 이르는 산소–아세틸렌 화염으로 표면만 급속히 가열해 오스테나이트로 만든 직후, 곧바로 물을 뿌려 급랭시키는 방법.
- 마무리 — 150 ~ 200 ℃의 저온 뜨임을 반드시 실시. 잔류 응력을 없애고 취성을 줄이기 위함.
- 주의 — 화염 온도가 매우 높으므로 표면이 녹지 않도록 가열 시간과 속도를 세밀하게 조절해야 함.
- 알맞은 곳 — 대형 기어의 이 표면 · 대형 롤러 · 공작 기계의 안내면처럼 가열로에 넣기 어려운 부품의 국부적 경화. 설비도 비교적 간단.
2고주파 경화법
- 고주파 경화법(induction hardening) — 부품 겉에 구리관으로 만든 유도 코일을 감고 고주파 대전류를 흘려보내는 방법.
- 표피 효과(skin effect) — 전자기 유도로 부품 표면층에만 강한 유도 전류가 집중되는 현상.
- 이 전류가 저항열을 내어 표면이 순식간에 적열되었을 때 냉각액을 분사해 급랭.
- 가열 시간이 몇 초로 극히 짧은 것이 모든 이점의 뿌리.
- 짧게 데우는 데서 오는 이점 넷.
- 산화나 탈탄 불량이 거의 없음.
- 내부까지 열이 전달되지 않아 치수 변형이 최소 — 열처리 뒤의 연삭 공정을 줄이거나 생략할 수 있음.
- 주파수와 가열 시간으로 경화 깊이를 정밀하게 조절할 수 있음.
- 열효율이 높고 유해 가스가 나오지 않음.
- 3.4에서 본 질량 효과도 줄어 표면 경도가 고름 — 기어 · 캠 · 크랭크축의 표면 경화에 널리 쓰임.교재 52p
두 방법의 같은 점과 다른 점
- 다른 점 — 데우는 수단뿐. 불꽃이냐 유도 전류냐.
- 같은 점 — 성분을 바꾸지 않고 표면만 급히 가열했다가 급랭한다는 뼈대.
- 화염 경화는 큰 부품의 국부 경화, 고주파 경화는 변형을 꺼리는 양산 부품 쪽에 유리.
08금속 침투법 — 다섯 이름과 다섯 원소교재 52p
- 금속 침투법(metallic cementation) — 부품을 금속 분말이나 가스 속에 넣고 고온으로 가열해, 표면층에 다른 금속 원소를 확산 침투시켜 합금층을 만드는 처리.
- 얻는 것 — 단단해지는 데 그치지 않고 침투시킨 금속 고유의 내식성이나 내열성까지.
- 외우는 요령 — 이름과 침투 원소의 짝을 함께.
| 이름 | 침투 원소 | 얻는 성질과 쓰임 |
|---|---|---|
| 크로마이징 | Cr 크롬 | 스테인리스강과 비슷한 층이 형성됨. 내식성과 고온 내열성이 매우 우수해짐. |
| 칼로라이징 | Al 알루미늄 | 촘촘한 산화알루미늄 피막이 생겨 고온 산화를 막는 능력이 크게 좋아짐. 가열로 부품에 씀. |
| 세라다이징 | Zn 아연 | 아연 합금층으로 붉은 녹을 막는 방청이 목적. 소형 나사 · 볼트 · 와셔에 널리 씀. |
| 실리코나이징 | Si 규소 | 내산성과 내마모성을 높임. |
| 보로나이징 | B 붕소 | 매우 단단한 붕화물층을 만듦. 침탄이나 질화보다 훨씬 높은 표면 경도를 얻으므로 극심한 마찰 부품에 씀. |
다섯 공법을 한 줄씩
- 침탄법 — 저탄소강에 탄소를 침투. 깊게 경화되나 담금질이 필요하고 변형이 큼.
- 질화법 — 특수강에 질소를 침투. 담금질 없이 매우 단단하나 얕고 오래 걸림.
- 화염 경화법 — 산소–아세틸렌 화염으로 표면만 가열한 뒤 수랭. 큰 부품에 알맞음.
- 고주파 경화법 — 유도 전류의 표피 효과로 몇 초 만에 가열한 뒤 급랭. 변형이 적음.
- 금속 침투법 — 크롬 · 알루미늄 · 아연 · 규소 · 붕소를 침투시켜 합금층을 만듦.
이 절의 핵심 정리
- 기어·축·핀·베어링처럼 표면은 단단하고 내부는 질겨야 하는 부품에서 표면층만 골라 경화시키는 기술이 표면 경화법이다. 화학적 표면 경화법·물리적 표면 경화법·금속 침투법 세 갈래로 나뉘며, 화학적 표면 경화법과 금속 침투법은 표면의 화학 성분 자체를 바꾸고 물리적 표면 경화법은 조직만 바꾼다.
- 침탄법은 탄소 0.2 % 이하의 저탄소강을 침탄제 속에서 약 900~950 ℃로 가열해 표면층을 고탄소강으로 바꾸는 방법이다. 침탄만으로는 경화되지 않으므로 담금질과 뜨임이 반드시 뒤따라야 하며, 그 급랭 때문에 치수 변형이 크다.
- 질화법은 알루미늄·크롬·몰리브덴을 함유한 질화용 특수강을 500~550 ℃의 암모니아 가스에서 50~100시간 가열하는 방법이다. 질화물층 자체가 단단해 담금질이 필요 없고 치수 변형이 극히 적어 정밀 부품에 유리하지만, 처리 시간이 매우 길고 경화 깊이가 얇다. 질화는 더 단단하지만 얕고 침탄은 덜 단단하지만 깊으며, 두 공법의 갈림길은 후속 열처리의 유무다.
- 물리적 표면 경화법은 성분을 그대로 둔 채 표면층만 급속 가열 후 급랭시켜 마르텐사이트로 경화시키는 방법이며 표면 담금질이라고도 한다. 탄소 0.4 % 이상의 기계 구조용 탄소강에 적용하고, 화염 경화법과 고주파 경화법으로 갈린다.
- 화염 경화법은 약 3,500 ℃의 산소–아세틸렌 화염으로 가열한 뒤 수랭하고 150~200 ℃에서 저온 뜨임을 실시하며, 가열로에 넣기 어려운 큰 부품의 국부 경화에 알맞다. 고주파 경화법은 표피 효과로 몇 초 만에 표면을 가열한 뒤 급랭하므로 산화·탈탄이 적고 변형이 최소이며 경화 깊이를 정밀하게 조절할 수 있다.
- 금속 침투법은 다른 금속 원소를 확산 침투시켜 합금층을 만드는 처리로, 크로마이징(Cr)·칼로라이징(Al)·세라다이징(Zn)·실리코나이징(Si)·보로나이징(B) 다섯을 이름과 원소의 짝으로 외워야 한다.
강의 자료3.5 표면 경화 열처리
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