침탄경화법(Carburizing)

침탄경화법(Carburizing)

열처리 효과가 적은 연강을 이용, 표면에 탄소를 침투시켜 경화하는 것으로써 고체침탄, 가스침탄, 액체침탄법 등 세가지가 있다. 침탄으로 얻을 수 있는 재료의 표면경도는 대략 다음과 같다.

 

<침탄에 의한 표면 경도>

재질	SCM415 SNCM220 SNC420	SCM420 SNCM420 SNC815
표면	HS 70 ~ 75	HS 75 ~ 80
심부	HS 65 ~ 70	HS 70 ~ 75

[1] 고체침탄법

○ 철제 상자 속에 목탄가루 또는 코크스 분말에 침탄촉진제, 탄산바륨 혹은 탄산나트륨을 6:4의 비율로 혼합하여 넣고, 이 속에 침탄강을 넣어서 이 용기를 침탄로에 투입하고 900~950℃ 정도에서 적당한 시간유지 후 꺼내어 급냉하는 조작이다.

○ 침탄반응

2CO＋3Fe⇌Fe3C＋CO2

CO2＋C→2CO

○ 침탄강 구비조건

㉠ 저탄소강이어야 한다.

㉡ 침탄시 고온에 장시간 가열하여도 결정립이 성장하지 않아야 한다.

㉢ 표면 결점이 없어야 한다.

㉣ 경화층의 경도는 높고 내마모성, 내피로성이 우수할 것

○ 침탄제 구비조건

㉠ 침탄력이 강해야 한다.

예)송탄보다는 목탄이 더욱 침탄력이 강하다.

㉡ 장시간의 반복작용에 잘 견디며 고온에서 침탄력이 강하게 유지되어야 한다.

㉢ 침탄성분중 P와 S가 적어야 하며 강재의 표면에 고착물이 융착되지 않아야 한다.

㉣ 시중에서 구하기 쉽고 값이 저렴해야 한다.

㉤ 침탄 온도상에서 가열도중에서 용적감소가 적어야 한다.

 

<침탄강>

종 류	기 호	성 분 치(%)					담 금 질			용 도
		C	Mn	Cr	Ni	Mo	1차	2차	뜨임
탄소강 21종 탄소강 21종	S9CK S15CK	0.10 0.15	0.5 0.5	― ―	― ―	― ―	900°유 900°유	780°수 780°수	180°공 180°공	스치롤러 캠축, 피스턴핀
크롬강 21종 크롬강 22종	SCr 21 22	0.15 0.20	0.7 0.7	0.1 0.1	― ―	― ―	880°유 880°유	830°유 830°유	170°공 180°공	기어 스프라인축
CrMo강 21종 CrMo강 22종 CrMo강 23종	SCM 21 22 23	0.15 0.20 0.20	0.7 0.7 0.9	1.0 1.0 1.0	― ― ―	0.2 0.2 0.2	880°유 880°유 880°유	830°유 830°유 830°유	180°공 180°공 180°공	스치롤러, 기어, 캠축축, 기어
NiCr강 21종   NiCr강 22종	SNC21종   SNC22종	0.15   0.15	0.5   0.5	0.4   0.8	2.3   3.2	0.2   0.2	870°유   860°유	780°수   780°유	180°공   180°공	스치롤러, 기어, 캠축 축, 기어
NiCrMo강 21종 NiCrMo강 22종 NiCrMo강 23종 NiCrMo강 25종 NiCrMo강 26종	SNCM21 SNCM22 SNCM23 SNCM25 SNCM26	0.20 0.15 0.10 0.20 0.16	0.8 0.6 0.6 0.4 1.0	0.5 0.5 0.5 0.9 1.6	0.6 1.8 1.8 4.3 3.0	0.2 0.2 0.2 0.2 0.5	880°유 880°유 880°유 850°유 880°공	880°유 880°유 880°유 780°유 800°공	1180°공 180°공 180°공 180°공 150°공	기어, 샤프트류     강력기어 강력축류

※ Si는 0.2, P와 S는 0.03%이하, 담금질은 침탄후의 온도를 의미한다.

 

<침탄부품에 나타나는 결함과 대책>

결함의 종류	원 인	대 책
경화불량	∙침탄부족   ∙담금질할 때 탈탄이 생긴다. ∙담금질 온도가 낮다. ∙냉각속도가 늦다.	∙강력한 침탄제를 사용한다. 　침탄온도와 침탄가열시간을 엄밀히 측정 조사한다. ∙직접담금질 또는 염욕에서 가열한다. ∙담금질 온도를 확인하고 온도를 알맞게 상승시킨다. ∙분수냉각이나 염수냉각을 행한다.
연 점	∙이상강이 된다.(Si<0.1%로서 침탄할 때) ∙담금질할 때 수증기가 강표면에 고착된다.	∙담금질 온도를 상승시킨다.(950~1,100℃)   ∙10%의 식염수에 담금질하거나 분수담금질을 한다.
박 리	∙탄소량의 농도가 알맞지 않다. ∙과잉침탄 ∙너무 빨리 침탄이 이루어진다.	∙확산풀림을 한다. ∙완화침탄을 한다. ∙먼저 행한 침탄층을 제거한다.
표면연화	∙잔류오오스테나이트가 존재한다.	∙심냉처리(sub-zero treatment)를 한다.

 

[2] 가스침탄법

○ 천연가스, 프로판가스, 발생로가스, 목탄가스 등을 변성로에 넣고 니켈을 촉매로 하여 침탄가스로 변성한 후 노중에 침탄강을 넣어 침탄 처리하는 방법이다.

○ 침탄반응

CH4＋3Fe⇄Fe3C＋2H2

2CO2＋3Fe⇄Fe3C＋CO2

○ 침탄성 가스의 표준조성

CO 20~40%, CH3 3~30%, H2 30%이상, CO2 0.5%이하, H2O 0.5%이하 나머지 H2로 구성되어 있다.

• 가스침탄의 장점

㉠ 특히 대량생산에 적합하다.

㉡ 참탄 농도의 조절이 쉽다.

㉢ 침탄이 균일하다.

㉣ 침탄후 직접담금질이 가능하다.

㉤ 침탄층이 탄소량을 조절할 수 있다.

㉥ 열효율이 좋고 온도조절을 임의로 조정할 수 있다.

㉦ 설비 및 조작이 간단용이하다.

 

[3] 액체 침탄법(시안화법)

고온에서 용해된 염(Salt)을 사용하는 방법으로 시안화나트륨(NaCN), 시안화칼륨(KCN)을 주성분으로 하고 염화물(NaCl, KCI, CaCl2)이나, 탄산염(Na2 CO3, K2 CO3)등을 40~50% 첨가하여 염욕중에서 600~900℃로 용해시키고 그중에 강을 침적해서 침탄처리하는 방법이다.

 

[4] 침탄후 열처리

○ 제1차 담금질

침탄은 900~1000℃의 고온에서 장시간 가열하므로 중심부의 조직이 극히 조대화하므로 이를 미세화하기 위해서 Ac1＋50℃ 정도에서 담금질한다.

○ 제2차 담금질

표면의 침탄층을 경화시키기 위해서 Ac3점 이상 가열후 수중에 담금질한다.

○ 뜨임

높은 경도가 요구될 때는 담금질후 150℃ 정도로 가열해서 경도는 약간 떨어지나 응력이 제거되고 재질이 우수해진다. 더욱 경도가 저하되어도 좋다면 200℃ 정도까지 가열한후 유냉한다.