강의 표면 경화법

1. 개요

• 표면 경화법: 재료의 표면을 경화시켜 내마모성, 강도, 경도를 높이거나 내식성을 높이는 것
• 표면경화법의 종류: 물리적 경화법, 화학적 경화법, 금속침투법의 세가지로 구분

2. 화학적 표면 경화(표면경화법 5가지)

(1) 고체 침탄법

• 연강 또는 저탄소강을 침탄제와 함께 침탄상자에 넣고 A1점이상(900~950도씨)에서 가열하여 탄소를 강의 내부로 침투시켜 표면을 경화시킴
• 강 표면(마텐자이트)은 경강이고, 내부(펄라이트)는 연강으로, 이중 조직으로 나타남
• 침탄제: 목탄, 코크스, CO2 가스로 표면강화
• 특징: 숙련기술이 필요치 않고, 조작이 간단, 설비비 저렴, 부붐의 크기 및 가열원의 종류에 제한이 없음, 재료의 침탄층이 일정하지 않음, 표면에 망상의 탄화물 형성, 작업환경 열악, 대량생산 불가능

(2) 가스침탄법

• 침탄성 가스(CH4, C2H6)를 침탄 가열로로 보내어 900~950도씨에서 3~5시간 가열
• 침탄 깊이: 1mm 정도
• 특징: 대량생산에 적합, 침탄농도 조절 가능, 침탄 균일, 침탄부 직접 담금질이 가능, 설비 조작이 용이, 그을음으로 침탄이 저하됨

(3) 시안화법

• KCN, NaCN(청화법)

(4) 질화법

• 강재 표면에 질소(NH3)를 확산 침투시켜 강 표면에 내마모성, 내식성을 부여
• 목적: 내마모성 증대 (공구강, 질화강), 피로강도 및 내마모성 증대(구조용 강)
• 특징: 높은 표면경도, 내마모성 및 내식성 증가, 피로한도가 향상됨, 열에 의한 변형이 적음 

(5) 침유처리법

• 철강 표면에 유화철(FeS)을 생성하여 표면 경도를 향상시킴
• 마찰저항 감소, 유활성 증가
• 용도: 고속도 공구강

3. 물리적 표면경화

(1) 화염경화

• 담금질의 강재(Cr - Mo강, Ni - Cr - Mo강)를 사용하여 강재의 일부 표면만 경화함
• 열원: 산소 아세틸렌(C2H2)이 많이 사용됨
• 대평 부품의 국부 경화
• 가열원의 이동이 요이
• Rool, Shaft, Gear, 차륜, 선반 Bed
• 특징: 대형 부붐 경화(국부 경화)시에 적용, 설비비 저렴, 가열원의 이동이 용이, 균열 및 변형이 적음, 표면은 경화 및 내마모성 우수, 조작에 숙련 필요, 화구의 설계 정밀도 필요, 불꽃 조절이 어렵고 가스 취급으로 위험함

(2) 고주파경화

• 고주파 전력을 이용하여 피가열물을 가열하는 전계 유도가열과 자개 유도가열
• 필요 부분만을 원하는 깊이만큼 균일하게 또는 변형 없이 직접 가열하는 유도자의 형상이 중요
• 특징: 조작이 간단하며, 작업비가 고가, 작업시간이 짧고 탈판이 없으며, 산화가 미세하게 발생, 열처리 불량률이 낮음, 열효율 우수, 대량생산 가능, 운전 조작시 감전에 주의

4. 금속 침투법

(1) 크로마이징: Cr

• Cr증기를 강 재료 표면에 접촉하여 내부로 침투시켜 내식, 내산, 내마멸성을 증가시킨다.
• 공구재료에 주로 사용

(2) 칼로라이징: Al

• 내스케일성, 내식성 증가 및 고온산화에 우수하다
• 고온관, 용기등에 사용

(3) 실리코나이징: Si

• 내식성, 내산성, 내열성 증가

(4) 보로나이징(붕소): B

• 내마모성 증가
• 경화열처리 불필요

(5) 세라다이징(아연침투): Zn

피열처리제를 아연불말 중에 넣고 밀폐, 가열하는 방법

아연은 활성화되어 내부로 치환, 확산되어 재료를 부식으로부터 보호함

볼트, 너트등의 소형 부품의 방식 목적으로 실시됨

 

(6) 초경 탄화물 침투

강재 표면에 텅스텐 탄화물, 티타늄, 몰리브덴, 크롬 등의 탄화물을 침투시켜 내마모성, 내열성을 증대시킴

다이스, 펀치, 날, 롤 등의 각종 공구에 적용

 

결론

표면 경화법은 주로 내마모성, 피로강도, 내식성 등의 향상을 주목적으로 하고 있으며 최근 기계부품, 금형, 공구 등의 내구성, 고성능화, 고경량화가 요구되면서 표면경화법에 대한 인식이 점차 고조되고 있다.

축이나, 기어, 클러치, 캠, 스핀들 등의 동력전달장치는 부품의 수명 향상을 목적으로 재료의 강성과 동시에 표면에 경도를 증대시켜야 하므로 표면경화 열처리를 실시하고 있는 추세이다.