침탄강(浸炭鋼)과 질화강

침탄강(浸炭鋼)

침탄 탄소강은 일반적으로 침탄처리 후, 저온에서 담금질(퀜칭)-템퍼링(뜨임)한 후, 부품의 중심은 충분한 강도와 인성을 갖춘 저탄소 마르텐사이트이며, 표면은 단단하고 내마모성을 지닌 템퍼링 마르텐사이트와 일정량의 미세 탄화물이다. 구조. 자동차 및 트랙터 변속기 기어, 내 담금질 엔진 캠 및 피스톤 핀과 같은 높은 표면 경도와 내마모성을 요구하는 구조 부품은 강한 충격 및 마모 조건 하에서 작동하지만 코어 요구 사항은 더 높은 강도와 ​​인성을 갖추고 있다. 침탄 담금질과 저온 담금질에 의한 저탄소강에 적합한 부품의 중심은 높은 인성과 충분한 강도를 확보하기 위해 저탄소강의 담금질 조직이며 표면(특정 깊이)은 고탄소로 함량 (0.85 % ~ 1.05 %), 담금질 후 높은 경도 (HRC> 60)로 우수한 내마모성을 가진다.

 

기계구조용강 중에는 표면경화처리 즉 고주파담금질(高周波燒入)이나 침탄담금질(浸炭燒入) 등의 방법에 의해 재료의 표면만 일정 깊이로 경화하여 사용하는 것들이 있다. 이 중 침탄(저 탄소강의 표면에 C를 확산 등의 방법으로 침투시켜 표면만 고탄소강으로 함) 처리를 하여 사용하는 침탄용강을 일반적으로 침탄강이라고 하는데 보통 탄소함유량이 0.25% 이하의 재료를 사용한다.

침탄강으로서 사용되는 강의 종류에는 C강, Cr강, Cr-Mo강, Ni-Cr강, Ni-Cr-Mo강 등이 KS나 JIS 공업규격에 규정되어 있으며 이외에도 Mn-Cr강 등도 사용된다.

침탄한 강은 열처리에 의해 침탄층만 경도와 내마모성(耐磨耗性)이 크고 침탄을 하지 않는 비침탄부(非浸炭部)는 강인한 것이 필요하며 또 형상이 복잡한 부품 등에 침탄처리하여 사용하므로 담금질성이 좋고 열에 의한 변형이 적은 것이 요구된다.

크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)은 침탄이 쉽게 일어나도록 하는 작용을 하며 니켈(Ni)은 침탄층의 탄소 C%의 증가가 너무 많이 되지 않도록 억제하며 결정립(結晶粒, Grain size)의 조대화(粗大化)를 방지하는 성질이 있으므로 각종 침탄용강의 합금원소로서 우수하다.

 

<침탄 담금질에 적합한 주요 재료>

SCM415, SCM420, SM15C 등 탄소 함유량이 적은 합금강이나 탄소강

 

1. 침탄깊이

침탄한 후 열처리를 실시하여 그 표면경화층(表面硬化層)이 경도분포(硬度分布)를 가질 경우 표면으로부터 Hv513 (HRC 50)까지의 깊이를 JIS에서는 유효침탄경화층(有效浸炭硬化層)으로 정의(定義)하고 있다. 침탄경화층의 깊이는 침탄부품의 성능에 크게 영항을 미치므로 부품(部品)의 용도에 따라 달리 최적침탄경화층(最適浸炭硬化層)을 주어야 한다.

 

그 일예(一例)를 아래 표에 나타낸다.

저합금강의 침탄깊이는 강종의 차는 거의 없고, 침탄온도, 유지시간에 의해 결정되며 또 침탄분위기(浸炭雰囲気)가 일정하면 침탄온도를 높이거나 유지시간을 길게 해줌으로써 침탄깊이는 임의로 조정이 가능하다.

 

각종 부품의 침탄깊이의 일례

침탄깊이(mm)	소 요 성 능	대 표 부 품 예
0.5 이하	내마모성만을 필요로 하고 강도는 별로 중요시되지 않는 부품	로드볼(Rod ball), 쉬프트 포크(Shift fork), 속도계 치차(Speed meter gear), 샤클-볼트(Shackel bolt), 펌프축(Pump shaft)
0.5~1.0	내마모성과 동시에 높은 하중에 대한 경도를 필요로 하는 부품	미숀치차(Mission gear), 피트만 암(Pitman arm), 스티어링 암(Steering arm), 볼 스터드(Ball stud), 밸프 로커암 축(Valve rocker arm shaft)
1.0~1.5	Sliding및 회전등의 마모에 대한 고압하중, 반복굴곡 하중에 견디는 강도를 요구하는 부품	링기어(Ring gear), 드라이브 피니온(Drive pinion), 슬라이드 피니온(Slide pinion), 피스톤 핀(Piston pin), 캠축(Cam shaft), 킹핀(King pin), 롤러 베어링(Roller bearing), 스티어링(steering), 넉클 핀(Knuckle pin), 치차 축(Gear shaft)
1.5 이상	고도의 충격적 마모, 비교적 고도의 반복하중에 충분히 견디는 부품	연결축(Connecting shaft), 캠면(Cam면), 암 플레이트(Arm plate)

 

2. 중심부의 기계적 성질

침탄 처리한 강재의 중심부의 기계적 성질은 침탄강의 경우도 강인강과 경화능에 의해서 결정된다. 경화층은 심부와 탄소량이 다르므로 담금질성은 전혀 다르지만, 고탄소로 되어 있으므로 경화능을 고려할 필요는 없다. 한편 중심부는 경도가 지정되므로 담금질성이 문제가 된다. 강인강의 경우에는 담금질 후 보통 450℃ 이상에서 뜨임을 행하므로 담금질에 의한 잔류응력(殘留応力, 재료내부에 존재하는 응력으로 인장과 압축응력의 2종류가 있음, 일반으로 인장잔류응력은 재료강도를 약하게 압축잔류응력은 재료강도를 높인다)은 대부분 없게 되며 그 영향도 별로 없는 것으로 생각된다. 침탄강의 경우 참탄담금질 후 뜨임은 200℃ 이하의 온도에서 행하여지는 수가 많다. 그러나 이온도에서 제거되지 않은 대부분의 잔류응력은 강인강에 있어서는 별로 영향이 없는 것에 비해, 침탄강에서는 필요이상으로 경화능이 양호하고 심부경도가 높게 되면 표면의 침탄부에 인장응력이 잔류하여 재료강도를 약하게 한다.

중심부의 경도는 잔류응력의 분포가 좋은 상태가 되도록 하여야 하며 일반적으로 치차(Gear)등은 HRC 40 이상으로 되면 침탄부에 인장응력이 생겨 파손의 원인이 된다.

 

3. 강종별 특성

침탄강에 대해서도 그 선택방법은 거의 강인강과 같이 생각하여도 좋으나, 위에 기술한 바와 같이 주의할 점은 다만 침탄 경화층의 두께, 중심부의 경도를 고려하지 않으면 안 된다.

 

(1) 탄소침탄강

기계구조용탄소강 중에 침탄강은 SM 9CK, SM 15CK, SM 20CK가 있다.

일반적으로 탄소강은 질량효과가 커서, 중심부의 경도가 낮게 되고, 담금질은 수냉에 의한 것이 보통이므로 담금질 균열, 변형의 우려가 없는 단순한 형상의 작은 부품에 사용된다.

 

(2) Cr 침탄강

SCr21, SCr22의 2종류가 있으며 이것은 탄소강을 변화시킨 것으로 중심부의 강도에 따라 나누어 사용된다.

Cr강은 침탄부의 경도가 높고 내마모성도 커서 자동차공업에 널리 이용된다. 그러나 이 침탄강도 질량효과가 커서 대형부품에는 적합하지 않다.

 

(3) Cr-Mo 침탄강

Cr강에 Mo을 첨가하면 기계적 성질이 개선되고 질량효과가 감소되므로 탄소 침탄강, 크롬 침탄강보다도 큰 부품에 적용할 수 있다. SCM21, SCM22는 탄소량이 약간 다른 것이며 SCM23은 Mn을 다량 함유하고 있고 SCM24는 Mo을 많이 포함하고 있는 것이며 질량효과가 작아 대형부품에 적합하다.

 

(4) Ni-Cr 침탄강

Ni-Cr 침탄강은 강인성이 좋으며 질량효과가 적다.

SNC21과 SNC22가 있고 Cr량과 Ni량이 다르다. 특히 SNC22는 어느정도의 자경성(自硬性 : 담금질 온도에서 공냉만으로 경화되는 성질)이 있으므로 작은 부품에서는 공기담금질이 가능하다. 따라서 담금질 변형을 피하여야 하는 부품에 적합하다.

 

(5) Ni-Cr-Mo 침탄강

SNCM21, 23은 Ni 절감강(節減鋼)으로 SNC21, 22와 거의 비슷한 성질을 가지고 있다. SNCM25는 최대량의 Ni을 함유하므로 질량효과가 적어 자경성(自硬性)을 가지며 경화층의 인성이 타 강종보다 크다. SNCM26은 Mn, Cr, Ni, Mo 모두 높고, 침탄강 중 최고의 강도를 가지며 상당히 커다란 부품에서도 공냉으로 담금질이 되며 열처리에 의한 변형이 적으므로 정밀부품을 만드는 데에 적합하다.

 

(6) Mn-Cr 침탄강 Mn 침탄강

SMnC21과 SMn21이 있다. SMn21은 Cr을 낮추고 Mn량을 높여 Cr-Mo강의 Mo을 Mn으로 치환한 것이다. Cr-Mo강에 비해 질량효과가 크며 또한 인성이 낮다는 점에서는 못하나 Mo을 사용하지 않으므로 값이 싸다.

 

질화강(窒化鋼)

구조용 기계부품의 표면에 내마모성을 줄 경우에 질화강이 사용된다. 질화는 강재표면에 질소를 확산 등의 방법으로 침투시켜 표면만 질소 함유량을 증가시키는 것을 말하는데 질화된 부분의 질화층은 경도가 Hv1,000부근으로 높고, 내마모성, 내 피로성이 우수한 특징을 갖고 있다.

질화강에는 Al 및 Cr을 함유하는 것이 필요하다. 질화처리는 500~550℃로 장시간(35~80hr) 가열하므로 침탄에 비해 온도가 낮고 변형이 적은 것이 특징이다. 또 장시간 가열에서 뜨임취성이 발생하지 않도록 배려되어 있다.

질화강은 질화처리에 앞서 담금질, 뜨임을 실시하여 소정의 기계적 성질을 갖게 하여, 질화한 후에는 다음 열처리를 실시하지 않는다. 이 때문에 뜨임온도는 질화처리온도보다 높은 온도를 선택하여 질화에 의해 성질이 나쁘게 되는 것을 방지하여 둘 필요가 있다.

질화층의 성질뿐만 아니라 중심부의 기계적 성질도 질화강의 특성을 지배하는 것으로서 중요하다. 특히 크기(Size)가 큰 부품에는 뜨임후의 인성, 강도의 면에서 담금질성이 높은 것이 필요하다. 질화강은 JIS에서는 1강종만을 규정하고 있으나 각국에서는 여러가지 질화강이 쓰이고 있다. 표면경도를 특히 필요로 하는 부품에 가장 널리 쓰이고 있는 것이 고 Al-Cr-Mo계로 SACM1은 여기에 속한다.

이 강종은 표면경도가 가장 높고, 내마모성, 피로강도가 크며 내식성이 있고, 500℃ 정도까지 온도가 올라가도 경도가 저하되지 않는 등의 특징이 있다. 주로 내연기관 부품, 게이지 블록(Gauge block)등에 사용된다.