표면경화 열처리 종류 및 특징 / 침탄열처리 고주파열처리

표면경화는 기어, 캠, 캠샤프트 등에 주로 사용되는 열처리입니다.

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표면 경화 열처리

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.

 

● 침탄 표면 경화

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 경화

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 경화

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 없다.

○  저렴한  가격

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