열처리의 종류 및 침탄열처리

1. 열처리 종류

철강 재료는 같은 성분이라도 열처리 방법에 따라 조직이 크게 달라질 수 있다. 따라서 열처리를 알맞게 하면 필요에 따라 철강 재료의 기계적 성질과 그 밖의 성질을 변화시켜 사용 용도에 따라 효과적으로 이용할 수 있다.

열처리는 이와 같이 재료에 특별한 성질을 부여하는 것이라 정의할 수 있으며 다음과 같이 분류한다.

 

① 계단 열처리(interrupted heat treatment)

② 항온 열처리(isothermal heat treatment)

③ 연속 냉각 열처리(continuous cooling heat treatment)

④ 표면 경화 열처리(surface hardening heat treatment)

 

이중 기어를 열처리하는데 주로 쓰이는 계단 열처리와 표면 경화 열처리에 대해서만 알아보도록 하겠다.

 

2. 계단 열처리

 

① 담금질(quenching)

강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤, 마텐자이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시키는 열처리 방법이다.담금질은 강의 경도와 강도를 증가시키기 위한 것이다. 강의 담금질 온도가 너무 높으면 강의 오스테나이트 결정 입자가 성장하여 담금질후에도 기계적 성질이 나빠지고 균열이나 변형이 일어나기 쉽다. 따라서 담금질 온도에 주의해야 한다.

 

② 뜨임(tempering)

담금질한 강은 경도가 증가된 반면 취성을 가지게 되고, 표면에 잔류 응력이 남아 있으면 불안정하여 파괴되기 쉽다. 따라서 적당한 인성을 재료에 부여하기 위해 담금질 후에 반드시 뜨임 처리를 해야한다. 즉 담금질 한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류 응력을 감소시켜, 필요로 하는 성질과 상태를 얻기 위한 것이 뜨임의 목적이다. 담금질한 강을 적당한 온도까지 가열하여 다시 냉각시킨다.

 

③ 풀림(annealing)

일반적으로 풀림이라 하면 완전 풀림(full annealing)을 말한다.

주조나 고온에서 오랜 시간 단련된 금속재료는 오스테나이트 결정 입자가 커지고 기계적 성질이 나빠진다. 재료를 일정 온도까지 일정 시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료가 연화된다. 이러한 목적을 위한 열처리 방법을 풀림이라 부른다.

풀림의 목적을 다음과 같이 정리할 수 있다.

a) 단조나 주조의 기계 가공에서 발생한 내부 응력 제거

b) 열처리로 인해 경화된 재료의 연화

c) 가공이나 공작으로 경화된 재료의 연화

d) 금속 결정 입자의 미세화

 

④ 불림(normalizing)

불림의 목적은 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조 등으로 인한 내부 응력을 제거하며 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다.

강을 불림 처리하면 취성이 저하되고 주강의 경우 주조 상태에 비해 연성이나 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선된다. 재료를 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 다음 일정 시간 유지시킨 후 공기 중에서 냉각시킨다. 이렇게 하여 미세하고 균일하게 표준화된 금속 조직을 얻을 수 있다.

 

3. 표면 경화 열처리

 

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.

 

① 침탄법

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.

 

② 질화법

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.

a) 침탄에 비해 경화층이 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다.

b) 마모나 부식에 대한 저항력이 크다.

c) 담금질이 필요 없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장 적다.

d) 600℃ 이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다.

 

③ 고주파 표면경화법

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. 1차 유도전류는 표면에 집중하여 흐르므로 표면경화에는 다음과 같은 장점이 나타난다.

a) 표면에 에너지가 집중하기 때문에 가열 시간을 단축할 수 있다.

b) 가공물의 응력을 최대한 억제할 수 있다.

c) 가열 시간이 짧으므로 산화나 탈탄 염려가 없다.

d) 값이 싸다.

[침탄 열처리]

1. 침탄법이란

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.

 

2. 침탄법의 종류

 

침탄법은 침탄제의 종류에 따라 고체, 액체, 가스 침탄법으로 분류된다.

 

‣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℃ 전후의 온도에서 장시간 처리하므로 중심부 조직이 거대화한다.

따라서 담금질을 하여 중심부 조직을 미세화하고 표면층을 경화시킨다.

침탄 부품 가운데 전면 침탄이 아니라 어느 한 부분만을 침탄 할 때도 있다. 이와 같은 경우를 국부 침탄이라 하며 침탄 방지제를 발라 침탄을 방지한다. 현재 침탄 방지로는 구리도금이 가장 많이 사용된다.

구리 도금의 두께는 20u 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℃ 까지 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 만들어주어야 하기 때문이다. 또한 강 조직의 변화로 인해 강이 여리게 됨을 방지하고 표면층의 경화를 높이기 위해서도 재 열처리가 필요하다. 재열처리는 약 850-900℃까지 재료의 온도를 올린 후 다시 냉각시키는 불림이나 1차 담금질을 한다. 760-780℃로 2차 담금질을 한다.

마지막으로150-170℃에서 뜨임을 한다.

 

3. 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.

 

4. 표면 경도

 

침탄으로 얻을 수 있는 재료의 표면 경도는 대략 다음과 같다(이 값은 대략적인 값임).

 

<표1>침탄에 의한 표면 경도

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

 

침탄 열처리 요령서(1)

 

주의사항

본 침탄 열처리 요령서는 일본에서 사용된 예입니다.국내 실정과 다를 수 있으므로

이 문서는 다만 참고용으로만 사용하시기 바랍니다.

 

1. 적용 범위

 

1) 침탄 열처리를 적용하는 제품의 규격(Specification) 확인 요령

① 침탄 열처리가 요구되는 제품은 도면에 따라 정확한 규격을 확인하도록 한다.

② 침탄 유효경화층 두께와 표면의 경도를 확인한 후 요청된 기어 제품의 입고일을 확인하고

인수한다.

 

2) 제품 출하시 확인요령

① 기어 측면의 면취가 제대로 가공되었는 지 확인한다.

② 차량으로 제품을 이동할 때 부딪쳐서 생긴 흠이나 눌림 현상이 있는지를 확인한다.

 

3) 침탄 열처리 제품의 입고전 제품의 보관 방법

① 기어 제품은 옆으로 뉘여서 보관한다.

② 피니언은 세워서 보관한다.

③ 침탄을 방지할 필요가 있는 제품은 침탄 방지제가 제대로 도포 되었는지 확인한다.

④ 기어를 세워서 보관하는 경우는 제품의 직경이 250mm이고 치폭이 50mm 미만인 경우에 적용한다 (제품의 변형에 매우 조심할 것).

 

금속재료핸드북

금속재료핸드북