침탄 경화법

최근 기계장치들의 성능이 빠르게 발전함에 따라 재료의 고기능, 고수명화 등에 대한 요구가 더욱 높아짐에 따라 재료 표면의 개질(改質) 기술에 대한 중요성 및 관심이 높아지고 있다. 표면개질 중에서 재료 그 자체의 기본적인 특성은 변화시키지 않고 표면의 경도만을 증가시켜, 그 재료의 내마모성 등을 향상시키는 표면경화 처리법은 오래전부터 많은 연구가 수행되어져 왔으며 또한 현재의 표면개질기술의 중심이 되어 있다.

일반적으로 금속재료의 표면개질은 1)표면에 경질의 물질을 피복하는 표면피복에 의한 개질법과 2)금속표면으로 다른 원소를 확산침투시키거나 조직변화를 일으켜 재료표면을 경화시키는 조직변화에 의한 개질법으로 대별할 수 있다. 표면피복에 의한 개질법에는 도장, 도금, 육성용접, 물리증착(PVD) 및 화학증착(CVD) 등이 있고, 조직변화에 의한 개질법에는 침탄, 질화, 이온주입 및 금속확산 등이 있다.

이들 표면피복에 의한 개질법과 조직변화에 의한 개질법은 각각 장단점을 가지고 있으며, 각 부품의 용도 및 성능에 맞는 성질을 부여할 수 있는 표면개질법을 선택하여야 할 것이다.

침탄법

침탄에 의한 표면경화는 표면경화법 중에서도 비교적 오래된 방법으로 널리 이용되고 있다. 또한 침탄법 중에서도 고체침탄은 가장 오래전부터(18세기경) 실시되어지고 있다. 가스 침탄은 그보다 늦은 1910년에 미국의 Am.Gas.Furnace.Co 에 의해 수평회전로를 이용해서 개발된 방법이며 침탄가스, 침탄의 기구, 내열강, 내화물 등의 미해결등 문제가 많기 때문에 본격적으로 공업적로가 만들어져 사용된 것은 1925년경이며 그 후에 많이 개량되었다. 오늘날 가스 침탄은 프로판을 이용한 흡열형 가스침탄이 주류를 이루게 되었다.

침탄이란 저탄소강(보통 표면강화강이라 한다)의 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소강으로 한 후, 이를 Quenching 처리하여 표면을 경하게 하는 방법이다. 보통 825℃와 925℃ 사이의 온도에서 고체매질(침탄분말), 염욕 혹은 기체 속에서 실시한다. 침탄은 침탄매질로부터 이동하는 보통 일산화탄소(CO) 형태의 기체상을 통해서 일어난다. 이러한 처리를 침탄경화(Case Hardening)라고 부르며, 경하고 내마모성이 있는 표면 혹은 표피층을 생성시키게 된다. 이 때 중심부는 비교적 연하고 인성이 있기 때문에 부품 전체로서는 충격강도가 높아진다. 또한 침탄경화 처리시 표피층에서 압축응력이 발달하기 때문에 강의 피로강도도 증가한다.

침탄에 관한 합금원소의 영향에 대해서는 많은 연구가 있었지만, 그 대표적인 원소의 영향을 보면 다음과 같다.1)

(1) 탄소: 침탄은 강표면의 흡착탄소가 내부로 확산해 진행하게 되므로 내부, 외부와의 탄소농도차가 클수록 침탄속도가 빨라진다. 또 실용상 강재의 심부는 인성을 유지하고 표면은 경도를 높이는 내마모성을 증가시키는 것이 목적이므로 탄소함량은 낮아야 하고 0.08～0.2%정도 요구된다.

(2) 크롬: 강중의 탄소 확산 속도를 지연시킨다. 크롬의 침탄에 미치는 영향은 크롬 4%일 때 침탄의 증가는 최대가 되고 표면탄소량이 3%에 이를 때도 있다. 이와 같이 탄소량이 현저하게 증가하는 것은 확산속도가 늦어져 표면에 탄소가 집적되어 탄화물을 만들기 때문이며, 침입깊이는 크게 증가하지 않음에도 불구하고 침탄증량은 크다. 그러나 침탄층의 탄소량이 현저하게 높아지면 오히려 연하게 되므로 크롬강의 침탄에는 완화침탄, 혹은 가스침탄에 의해 침탄능을 제어하는 침탄을 실시해야 한다.

(3) 니켈: 니켈은 탄화물을 만들지 않으며, 또 강에 니켈이 합금되면, 용융상태에 있어서의 탄소의 용해량도 감소시키므로 침탄성을 저해한다. 그러나 표면열처리강에 0.4～4.5%까지 첨가되고 있는 것은 니켈의 질량효과 감소성질을 이용함으로써 열처리를 용이하게 하고 결정립의 조대화를 저지하며 심부의 인성을 높이기 위함이다.

(4) 몰리브덴: 크롬과 같이 강중의 확산속도를 늦추고, 탄화물을 만들어 표면탄소량을 증가시킨다. 그러나 6%에서 최대치에 달하고, 그 이상이 되면 오히려 감소된다. 강에 주는 성질은 양호하며 자경성 및 심부강도를 개선하므로 0.15～0.7% 첨가된다.

(5) 텅스텐: 침탄성에는 그다지 영향이 없다. 강중의 탄소확산을 늦추고 탄화물을 만들어 표면탄소량을 증가하며, 탄소깊이를 감소시킨다. 강에 주는 성질로는 결정립을 미세화하는 동시에 그 성장을 저해하는 작용이 있다.

(6) 바나듐: 침탄성을 저해하는 경향이 강하고 1% 함유하면 침탄성은 거의 잃게 된다.

(7) 티탄: 바나듐과 같이 탄소의 침입깊이를 감소시켜, 결정립의 조대화를 저지시킨다.

(8) 망간: 침탄성을 증진시킨다. 즉 10%까지는 침탄성을 높이고, 그 이상은 망간의 증가와 더불어 감소한다. 망간은 최고경도에 영향을 주지 않고 심부의 결정립 성장을 조장하며, 심부와 특히 침탄층을 취화하는 경향이 있으므로 0.6%이하로 한다. 그러나 강의 변태점을 저하시키므로 담금질온도를 낮추고 변형을 감소시키는 장점이 있다. 쾌삭강중의 망간은 유황과 화합해서 MnS를 만들어 침탄성에는 영향을 주지 않고 절삭성을 개선시킨다.

(9) 실리콘: 현저하게 침탄성을 저해한다. 특히 실리콘 1%가 되면 침탄성은 거의 잃게 된다. 보통 0.35% 이하로 규정되어 있다.

(10) 알루미늄: 현저하게 침탄성을 저해한다. 표면탄소농도를 저해하는 동시에 침탄층의 깊이를 감소해서 흑연화를 조장하므로 합금원소로는 사용되지 않는다. 단, 고온침탄용강의 결정립 조대화 방지원소로서 주목되고 있다.

(11) 인: 침탄성을 현저하게 저해한다. 특히 인은 심부와 침탄층을 취약하게 한다. 보통 0.03%이하로 규정되어 있다.

(12) 유황: 침탄성을 현저하게 저해한다. 또 침탄층에 이상조직을 일으키기 쉽기 때문에 되도록 적은 것이 바람직하며, 0,03%이하로 규정되고 있다. 단지 쾌삭강에는 망간과 함께 첨가되어 있다.

침탄용강은 그 용도, 경제성 등에 의하여 선택되는 것이나, 일반적으로 심부강도가 그다지 요구되지 않는 것에는 탄소강, 그리고 비교적 강도가 요구되는 것에는 크롬강, 크롬-몰리브덴강, 또한 높은 강도를 요구하는 것에는 니켈-크롬강, 니켈-크롬-몰리브덴강 등이 사용된다.

표. 1에 이들 합금원소의 영향을 고려해서, 현재 사용되는 JIS의 표면열처리강을 나타냈는데 이들 강은 함탄량에서 보면 0.1, 0.15, 0.2%C의 3단계로 나누어지며, 함탄량이 많은 강종은 기계적 강도는 상승하지만 인성은 저하된다. 합금성분은 크롬(Cr) 0.4～1.8%, 니켈(Ni) 0.4～4.5%, 몰리브덴(Mo)은 0.15～0.7%이며, 이들 성분의 일반적인 효과는 조질성을 개선해서 결정립의 성장을 저지하고 심부의 강도 및 인성을 높이는데 있다.

침탄에는 여러가지 방법이 있는데 침탄제의 종류에 따라 고체침탄법, 염욕(Salt Bath)에 의한 액체침탄법 및 근래 많이 사용하는 가스침탄법의 3종류로 분류된다.

고체침탄법은 목탄을 주제로 하는데, 밀폐된 침탄상자 속에 있던 공기중에서 들어간 산소의 존재로 인하여 침탄이 진행된다. 산소는 목탄과 반응하게 되고 가열기간 동안 CO2가 풍부한 혼합물이 생성되어 다음 식과 같이 계속해서 목탄과 반응하게 된다.

CO2 + C → 2CO (1)

온도가 상승됨에 따라 평형은 점차 우측으로 진행된다. 즉 가스 혼합물은 점차 CO가 풍부해진다.

2CO → CO2 + [C] (2)

여기서 유리된 원자상 혹은 발생기 상태의 탄소는 강의 오스테나이트상에 쉽게 고용되어 강 내부로 확산해 들어가는데, 심지어 탄화물을 형성하는 범위까지도 확산하게 된다. 여기서 생성되는 CO2는 위의 식 (1)에 따라서 또 다시 목탄과 반응하게 되고, 이러한 반응사이클은 계속해서 되풀이 된다.

액체침탄법은 염욕 속에서 청화소다(NaCN) 혹은 청화카리(KCN)와 같이 활성이 있는 침탄제를 사용하여 침탄하는 방법이다. 침탄과정은 청화소다가 산소와 반응하여 생성된 CO에 의하여 고체침탄법과 같이 침탄된다.

가스침탄법은 미국의 영향을 받아 1955년경부터 급속히 발달 보급된 방법이다. 미국에서는 대량으로 생산되는 천연가스, 또는 석유정제 부산물인 프로판 등을 발생로를 사용하여 침탄성 가스로 만들고 이것을 처리로에 도입해서 침탄하였다. 이러한 탄화수소를 공정에 도입하면 로 내에서 몇가지 반응이 동시에 일어나는데, 이 때 일어나는 반응은 다음과 같다.

2CO = CO2 + [C]

CH4 = [C] + 2H2

CO+H2 = [C] + H2O

여기서 석출된 탄소가 활성탄소[C]로 이 탄소가 강중으로 침입확산해서 침탄이 실시된다.

상기의 3종류 침탄방법에 대한 장,단점을 표.2에 나타내었다.

표 2. 침탄방법에 따른 장,단점 비교

침탄방법

고체침탄법

설비비 저렴, 조작 간단

다양한 가열용 열원 사용 가능

대형,소형 등 광범위한 침탄 가능

표면탄소농도, 침탄깊이 조절 곤란

침탄 종료후 직접 담금질 곤란

작업환경이 나쁨

액체침탄법

설비비 저렴, 조작 간단

소량다종 품목에 적합

균일, 급속 가열 용이

침탄 종료후 직접 담금질 가능

침탄이 비교적 고르다.

대형부품의 깊은 침탄 불가

욕의 조성이 변동하기 쉽고 관리 곤란

유독하다

처리후 표면에 붙은 Salt 세정이 곤란

Salt가 고가

가스침탄법

표면광휘상태에서 처리 가능

표면탄소농도의 조절이 가능

직접처리품을 가열하므로 높은 열효율

침탄층 균일

침탄 종료후 직접 담금질 가능

동일장치로 침탄, 확산 뜨임 가능

작업이 청결

다량생산에 적합

자동화 용이

설비비 고가

조작에 전문지식 필요

폭발의 위험

로수명이 짧다.

조질 처리(Quenching and Tempering)의 요점

강의 열처리에는 담금질, 뜨임, 노멀라이징(Normalizing), 어닐링(Annealing) 등 여러 종류가 있으나 이중에서 조질 처리가 열처리의 핵심이라 할 수 있다.

이 문서는 강재의 조질 처리시 간과하기 쉬운 것 중 실무적으로 필요한 사항들을 정리해 본다.

1) 탄소강과 합금강은 어떻게 다른가?

합금강은 합금원소가 포함되어 있어 열처리 없이도 사용할 수 있다는 생각은 틀린 생각이다. 일반구조용강이나 용접구조용강과 같이 열처리하지 않고 사용함을 원칙으로 하는 강과는 달리 탄소강, 합금강은 열처리하여 사용한다. Mn, Ni, Cr, Mo 등의 합금 원소가 첨가된 강은 열처리에 의해 그 특성이 비로서 발휘되며 탄소강으로 열처리시 목적하는 경도를 얻지 못했을 때 합금강으로 무조건 바꾸는 것도 바람직하지 못하며 제품의 크기와 요구 물성치를 고려해야 한다.

2) 합금강이 탄소강보다 인장강도가 큰가?

철강 핸드북에서는 확실히 탄소강보다 합금강이 일반적으로 강도가 크다고 나와 있다. 그러므로 그렇게 생각하는 것도 무리는 아니다. 그러나 강도가 큰 것은 재질 때문이 아니고 경도값이 다르기 때문이다. 조질후의 경도를 같게 하여 비교하면 합금강도 고탄소강도 강도는 거의 같다. 즉 강도는 재질로써 결정되는 것이 아니고 경도 및 조직으로서 결정된다는 사실이다.

3) 합금강이 탄소강보다 담금질 경도가 큰가?

담금질 경도는 강의 C%에만 의존하는 것으로 C%가 많은 쪽이 경도가 크게 경화된다. 담금질로 최대의 경도를 얻는 상한치는 대략 0.6 C% 정도가 된다. Mn. Cr, Ni, Mo등의 합금원소는 주로 경화 심도를 깊게 하기 위해 첨가하는 것이다. 경화심도를 크게하는 성질을 경화능이라 한다. 따라서 SCM435가 SM45C보다 경화능은 크지만 최대 경도는 작다.

4) 경도가 크면 취약하고 연성이 크면 인성도 크게 되는가?

이것은 틀리는 말이다. 경도가 크면 취약해지지만 그렇다고 해서 연한 것이 곧 인성이 큰 것은 아니다. 재료가 연해지면 인성은 크게 되나 인성이 반드시 증가하지는 않는다. 인성은 조질 처리를 할 때 얻어지는 성질이다. 인장시험에서는 연성을 알고 충격시험에서는 취성을 아는 것이다.

5) 같은 재질이면 재료의 크기에 관계없이 같게 경화되는가?

그렇지 않다. 담금질 경화는 부품이 클수록 나빠진다. 이와 같은 것을 질량 효과(Mass Effect)라 한다. 어느 크기 이상이 되면 표면에서는 경화가 되지만 내부에서는 냉각속도가 늦어져서 경화가 되지 못하고 만다. 이와 같이 경화가 나빠지는 정도를 좌우하는 것은 각각의 강의 경화능으로서 경화능이 나쁜 S-C재는 경화능이 좋은 SCM재보다 질량효과가 크다라고 표현된다.

6) SM40C에서도 직경이 25mm라면 중심까지 경화되어지는가?

공구용 탄소강의 조성에 가까운 SM55C라면 그렇게 말할 수도 있으나 SM40C정도의 C%에서는 직경 25mm의 중심부 경도는 HRc30 정도가 된다. 일반적으로 탄소강은 표면으로 부터 수mm밖에 경화되지 않는다.

7) 도면상 지정하는 각종 규격에 명시된 값으로 정해도 좋은가?

설계자들 중에는 소요강도에서 일단 재질을 정하면 그 재질에 대응하는 규격의 경도를 그대로 설계도면에 기재하는 경우가 있다. 이것은 큰 잘못이다. 규격에 써있는 강도나 경도는 그 재질의 특성이 아니라 직경 25mm의 공시재를 조질 처리할 때의 값(탄소강의 경우)으로 그 재질 고유의 값은 아니며 열처리 방법에 따라 변동하는 값이다.

부품을 설계할 때는 강도를 필요로 하는 부위를 결정하고, 필요강도를 만족하기 위해서는 경도를 얼마로 하면 좋은가를 결정한다. 또한 이 경도를 확보하기 위해 질량효과를 고려하고 어떤 재질로 하면 좋은가를 결정하는 것이다. 이때 충분히 경화능이 우수한 강을 선택하는 것이 필요하다. 충분히 담금질한 것을 템퍼링해야만 가장 우수한 피로 성질과 인성을 확보하게 되는 것이다.

8) 담금질한 재료의 강은 가장 경하고 가장 강한가?

일반적으로 강의 경도와 강도는 비례관계가 있어 경하면 강하다고 본다. 그러나 담금질한

그대로의 강은 경도는 크지만 그에 비해서 취약하다(취성이 크다). 또한 담금질한 채 방치한 강의 경도는 높지만 인장강도가 낮으며 이는 담금질에 의한 잔류 응력이 존재하기 때문인 것으로 알려지고 있으며 템퍼링 온도가 200℃ 이상이 되면 잔류 응력의 50%이상이 제거되기 때문에 경도와 강도의 비례 관계가 이루어 진다. 따라서 담금질한 후 반드시 200℃이상으로 템퍼링을 해 주어야 한다.

(9) 탄성률 값은 담금질에 의해 커지는가?

탄성률(E)은 영률(Young's Modulus)이라고도 불리우며, 인장시험의 응력-변형률 관계에서의 기울기에 해당한다. 현장에서는 강성이라고도 한다. E값은 강의 성분에 의해 다소 틀리지만 대체로 21,000kgf/mm2이라고 한다. 담금질하여 경화되면 E값이 커진다고 생각하고 있는 사람들이 있지만 응력-변형률 직선의 기울기는 거의 변하지 않는다. 오히려 담금질하여 경화되면 E 값은 다소 적어지지만, 탄성한도나 항복점은 높아진다. 그렇기 때문에 소성변형은 어렵게 된다. 부연하면 E 값이 큰 금속은 초경합금에서 E=60,000kgf/mm2 이다.

(10) 강은 급가열하면 균열이 생기는가?

강은 급속가열만으로는 균열이 생기지 않는다. 급속가열로 표면은 온도가 상승하여 팽창하지만, 내부는 아직 상온이기 때문에 압축응력을 받게 된다. 표면과 내부가 팽창의 차에 의해 불균형을 이룬다. 표면은 온도가 높고 연화되어 있으므로 소성변형도 일어날 수 있으나, 균열은 일어나지 않는다. 그러나 가열된 강이 냉각되어 가면, 이번에는 표면이 역으로 인장응력을 받게 되기 때문에 균열이 일어난다. 다시 말하면 급속가열에서는 균열이 일어나지 않고 급열 후 냉각할 때에 균열이 일어나는 것이다.

새빨갛게 가열된 부품은 어떠한 냉각수나 얼음에 넣어도, 넣는 순간에는 오스테나이트 조직으로 연하고 점성을 지니므로 균열은 일어 나지 않고 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하여 수축으로부터 팽창으로 역전할 때 균열이 생성되는데 이것이 담금질 균열이다.

(11) 조질후의 기계적인 성질은 경도만으로 평가되는가?

불완전 담금질에서는 템퍼링 후의 경도가 적절한 경우 보증될 수 있는 것은 인장 강도뿐이다. 담금질이 불충분한 것은 템퍼링 후의 경도가 완전 담금질된 것과 같다고 하여도 항복강도, 연신율, 비틀림, 충격치, 피로강도 등은 담금질이 잘 된 것보다 열악하다.

(12) 경화는 중심부까지 잘 되는 것이 가장 바람직한가?

볼트 등과 같이 축방향에 인장력을 받는 부품이라면, 단면 전체에 균일하게 경도가 나오도록 경화시키는 일이 중요하다. 그러나 중심까지 경도가 나오도록 경화시키는 것은 경화능이 좋은 강을 사용하는 것 이외에, 소직경의 것은 몰라도 일반적으로 어렵다. 그러나 일반적으로 기계부품은 휘는 힘이나 뒤틀리는 힘을 받는 일이 많은데, 이러한 힘들이 중심부에 미치는 응력은 거의 없으므로, 표면만 높은 경도가 얻어지도록 경화가 되어지면 충분한 경우가 많다. 고주파경화나 침탄경화 또는 5-C재를 사용한 표면경화는 이러한 목적에 대응한 경화법으로 알려져 있다. 뿐만아니라 표층닥에 압축응력이 잔류하기 때문에 담금질 균열방지, 피로강도의 점에서도 유리하다.

(13) 담금질 온도란 담금질액에 투입하는 온도인가?

담금질 온도란 담금질하기 위한 최고 가열온도(오스테나이트화 온도)이며, 담금질하는 온도, 즉 담금질액에 들어가는 온도와는 차이가 있다. 담금질액에 들어가는 온도가 급냉 온도가 되는 것이다. 따라서 담금질 온도와 급냉온도는 다르다

(14) 담금질을 다시 하는 횟수는 2회까지는 허락될 수 있는가?

담금질하였는데 경도가 나오지 않을 때, 템퍼링하여 너무 연화되었을 때는 2회를 한도로 하여 담금질을 다시 반복하여도 좋다. 그 이상이 되면 실험결과 균열발생 가능성이 매우 높아지므로 지양하는 것이 바람직하다.