기계공작법

7 편 열 처 리 와 표 면 처 리
4 장 강의 표면처리(교과서 p.568) [1] 표면경화법(表面硬化法) 사용 목적에 따라 내부는 인성이 크고 외부만 경도가 큰 것을 요할 때 표면만 경화처리하는 것으로서 다음과 같은 방법이 있다. (1) 침탄경화법(浸炭硬化法): 강의 담금질 효과는 탄소량에 비례하므로 연강의 표면에 탄소를 침투시켜 담금질하면 표면은 경강(硬鋼)이 되고, 내부는 연강으로 남아 있게된다. 이와 같이 침탄하여 담금질하는 것을 합쳐서 침탄경화라 한다. 침탄에는 고체침탄과 gas 침탄이 있으며, 침탄용 강의 구비 조건은 다음과 같다. 저탄소강이어야 한다. 장시간 가열하여도 결정입자가 성장하지 않아야 한다. 표면에 결함이 없어야 한다. 침탄용 강에서 Cr, Ni, Mo 등은 침탄량을 증가시키고 C, V, W, Si 등은 침탄량을 감소시키는 원소 들이며 침탄강의 성분은 다음 표와 같다. 침탄제에는 다음과 같은 것이 있다. 목탄(木炭), Na₂CO₃, BaCO₃ 등의 혼합물 목탄 90%, NaCl 10%의 혼합물 KCN, K₄Fe(CN)₆의 혼합물 K₄Fe(CN)₆, K₂Cr₂O₇의 혼합물 (1-1) 고체침탄법(固體浸炭法; solid carburizing): 침탄제와 강을 철제 상자에 넣고 gas가 새어 나오지 못하도록 내화점토를 발라 밀봉하고, 노(爐)에서 1000℃ 정도로 100 ~ 200min 동안 가열한다. 침탄 깊이는 가열시간에 따라 다르나 보통 0.5 ~ 2mm 정도이다. 침탄제는 반복 사용하면 침탄효과가 떨어지므로 매회마다 적당량의 새로운 침탄제를 보충하여야 한다. 부분 침탄을 할 때 침탄이 필요 없는 부분에는 다음의 방법을 취한다. 동도금을 한다. 점토, 규산 natrium, 식염, 산화철분말 및 석면의 혼합물을 도포한다. 가공여유를 두어 침탄 후 깎아낸다. 침탄로에서 꺼낸 강은 조직이 성장되어 있으므로 일단 상온까지 서랭하고, 다시 담금질 온도인 800~900℃까지 가열하여 기름에 급랭시켜 1차로 담금질한다. 이것을 다시 가열하여 2차 담금질을 함으로써 전체를 치밀한 조직으로 한다. 목적에 따라 200~300℃에서 뜨임하는 수도 있다. 침탄상자에서 꺼내면서 담금질 온도가 되었을 때 직접 담금질하는 방법도 있다. (1-2) gas 침탄법(gas solid carburizing): gas 침탄제에는 CO₂, CO, CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C_mH_n 등이 있으며,이들 gas가 고온의 강재에 접촉되면 활성탄소가 석출되어 γ 철 중에 고용(固溶)된다.예를 들면 CH₄ → C + 2H₂ γFe + CH₄ → (γFe + C) + 2H₂ 로 되어 C가 γ철 중에 고용(固溶)된다 (2) 질화법(窒化法; nitriding): 질소가 고온의 강에 작용하여 경도가 큰 질화철을 형성하며, 표면에만 작용시키면 표면은 내마모성이 크고, 내부는 원소재의 성질을 갖게 된다. 이 방법은 담금질할 필요가 없이 질화층이 생기는 것만으로 큰 경도가 얻어진다. 강을 NH₃ gas 분위기에서 500℃ 정도로 50 ~ 100 시간 정도 장시간 가열하면 Fe₂N 및 Fe₄N의 질화층이 형성된다. 질화법의 특징을 나열하면 다음과 같다. 경도는 침탄경화에 의한 것보다 크고 경화층은 얕다. 담금질하지 않으므로 변형이 적다. 가열온도가 낮다. 부분적으로 질화를 방지하기 위해서는 동도금 또는 아연도금한다. 질화에 사용되는 강을 질화강(nitriding steel)이라 하며 C: 0.3~0.4%, Mn: 0.4~0.7%, Cr: 1.2~1.8%, Al: 0.6~1.5%, Mo: 0.15~0.3%의 성분 범위가 좋다. (3) 청화법(靑化法; cyaniding): 철을 청화물 CN과 작용시켜 침탄과 질화가 동시에 진행되는 표면경화법으로서, KCN 및 NaCN을 주성분으로 하고 융점을 낮게 하기 위하여 KCL, NaCl, K₂CO₃, Na₂CO₃ 등을 첨가한 액 중에서 일정 시간 침지(浸漬)하여 가열하고 물 또는 기름에 담금질한다. 이를 액체침탄법(liquid carburizing)이라고도 하며, 다음은 그 화학 변화의 예이다. 2NaCN + O₂ → 2Na(CN)O 4Na(CN)O → 2NaCN + Na₂CO₃ + CO + 2N↑(강으로) 2CO → CO₂ + C↑(강으로) 이 방법의 장단점은 다음과 같다. 장점 균일한 가열이 이루어지므로 변형이 적다. 온도 조절이 용이하다. 산화가 방지된다. 단점 비용이 많이 든다. 침탄층이 얕다. gas가 유독하다. 이상은 청화법 중 침지법이고, 가열된 강에 분말인 청화물을 살포하고 물이나 기름에 담금질하는 살포법도 있다. (4) 화염(火焰)담금질: 이 방법은 담금질 효과를 나타낼 수 있는 C: 0.35 ~ 0.7%의 탄소강이나 합금강을 산소 acetylene gas 등의 화염을 이용하여 국부적으로 가열하고 공기 jet 나 물로 냉각시키는 것이다. 물체의 형상 및 치수, 목표로 한 경도 등에 따라 화염의 크기, 이동속도, 담금시간 등이 정해져야 한다. 다음 그림은 gear의 치면, journal 및 임의 마찰면을 화염담금질하는 예이다. 화염담금질

7 편 열 처 리 와 표 면 처 리

4 장 강의 표면처리(교과서 p.568)

[1] 표면경화법(表面硬化法)

사용 목적에 따라 내부는 인성이 크고 외부만 경도가 큰 것을 요할 때 표면만 경화처리하는 것으로서 다음과 같은 방법이 있다.

(1) 침탄경화법(浸炭硬化法):

강의 담금질 효과는 탄소량에 비례하므로 연강의 표면에 탄소를 침투시켜 담금질하면 표면은 경강(硬鋼)이 되고, 내부는 연강으로 남아 있게된다. 이와 같이 침탄하여 담금질하는 것을 합쳐서 침탄경화라 한다. 침탄에는 고체침탄과 gas 침탄이 있으며, 침탄용 강의 구비 조건은 다음과 같다.

저탄소강이어야 한다.
장시간 가열하여도 결정입자가 성장하지 않아야 한다.
표면에 결함이 없어야 한다.

침탄용 강에서 Cr, Ni, Mo 등은 침탄량을 증가시키고 C, V, W, Si 등은 침탄량을 감소시키는 원소 들이며 침탄강의 성분은 다음 표와 같다.

침탄제에는 다음과 같은 것이 있다.

목탄(木炭), Na₂CO₃, BaCO₃ 등의 혼합물
목탄 90%, NaCl 10%의 혼합물
KCN, K₄Fe(CN)₆의 혼합물
K₄Fe(CN)₆, K₂Cr₂O₇의 혼합물

(1-1) 고체침탄법(固體浸炭法; solid carburizing):

침탄제와 강을 철제 상자에 넣고 gas가 새어 나오지 못하도록 내화점토를 발라 밀봉하고, 노(爐)에서 1000℃ 정도로 100 ~ 200min 동안 가열한다. 침탄 깊이는 가열시간에 따라 다르나 보통 0.5 ~ 2mm 정도이다. 침탄제는 반복 사용하면 침탄효과가 떨어지므로 매회마다 적당량의 새로운 침탄제를 보충하여야 한다. 부분 침탄을 할 때 침탄이 필요 없는 부분에는 다음의 방법을 취한다.

동도금을 한다.
점토, 규산 natrium, 식염, 산화철분말 및 석면의 혼합물을 도포한다.
가공여유를 두어 침탄 후 깎아낸다.

침탄로에서 꺼낸 강은 조직이 성장되어 있으므로 일단 상온까지 서랭하고, 다시 담금질 온도인 800~900℃까지 가열하여 기름에 급랭시켜 1차로 담금질한다. 이것을 다시 가열하여 2차 담금질을 함으로써 전체를 치밀한 조직으로 한다. 목적에 따라 200~300℃에서 뜨임하는 수도 있다. 침탄상자에서 꺼내면서 담금질 온도가 되었을 때 직접 담금질하는 방법도 있다.

(1-2) gas 침탄법(gas solid carburizing):

gas 침탄제에는 CO₂, CO, CH₄, C₂H₆, C₃H₈, C_mH_n 등이 있으며,이들 gas가 고온의 강재에 접촉되면 활성탄소가 석출되어 γ 철 중에 고용(固溶)된다.예를 들면

CH₄ → C + 2H₂

γFe + CH₄ → (γFe + C) + 2H₂

로 되어 C가 γ철 중에 고용(固溶)된다

(2) 질화법(窒化法; nitriding):

질소가 고온의 강에 작용하여 경도가 큰 질화철을 형성하며, 표면에만 작용시키면 표면은 내마모성이 크고, 내부는 원소재의 성질을 갖게 된다. 이 방법은 담금질할 필요가 없이 질화층이 생기는 것만으로 큰 경도가 얻어진다. 강을 NH₃ gas 분위기에서 500℃ 정도로 50 ~ 100 시간 정도 장시간 가열하면 Fe₂N 및 Fe₄N의 질화층이 형성된다. 질화법의 특징을 나열하면 다음과 같다.

경도는 침탄경화에 의한 것보다 크고 경화층은 얕다.
담금질하지 않으므로 변형이 적다.
가열온도가 낮다.

부분적으로 질화를 방지하기 위해서는 동도금 또는 아연도금한다. 질화에 사용되는 강을 질화강(nitriding steel)이라 하며 C: 0.3~0.4%, Mn: 0.4~0.7%, Cr: 1.2~1.8%, Al: 0.6~1.5%, Mo: 0.15~0.3%의 성분 범위가 좋다.

(3) 청화법(靑化法; cyaniding):

철을 청화물 CN과 작용시켜 침탄과 질화가 동시에 진행되는 표면경화법으로서, KCN 및 NaCN을 주성분으로 하고 융점을 낮게 하기 위하여 KCL, NaCl, K₂CO₃, Na₂CO₃ 등을 첨가한 액 중에서 일정 시간 침지(浸漬)하여 가열하고 물 또는 기름에 담금질한다. 이를 액체침탄법(liquid carburizing)이라고도 하며, 다음은 그 화학 변화의 예이다.

2NaCN + O₂ → 2Na(CN)O

4Na(CN)O → 2NaCN + Na₂CO₃ + CO + 2N↑(강으로)

2CO → CO₂ + C↑(강으로)

이 방법의 장단점은 다음과 같다.

장점

균일한 가열이 이루어지므로 변형이 적다.
온도 조절이 용이하다.
산화가 방지된다.

단점

비용이 많이 든다.
침탄층이 얕다.
gas가 유독하다.

이상은 청화법 중 침지법이고, 가열된 강에 분말인 청화물을 살포하고 물이나 기름에 담금질하는 살포법도 있다.

(4) 화염(火焰)담금질:

이 방법은 담금질 효과를 나타낼 수 있는 C: 0.35 ~ 0.7%의 탄소강이나 합금강을 산소 acetylene gas 등의 화염을 이용하여 국부적으로 가열하고 공기 jet 나 물로 냉각시키는 것이다. 물체의 형상 및 치수, 목표로 한 경도 등에 따라 화염의 크기, 이동속도, 담금시간 등이 정해져야 한다. 다음 그림은 gear의 치면, journal 및 임의 마찰면을 화염담금질하는 예이다.

화염담금질