많은 종류의 열처리법중 철강의 표면경화법에는 강 표면의 화학성분을 변화 시켜 경화하는 화학적 표면경화법과 강 표면의 화학성분을 변화 시키지 않고 담금질만으로 경화하는 물리적 표면경화법이 있다. 예를 들어 전자의 경우는 침탄, 질화, 침황, 침붕 등이 있으며, 후자의 경우는 유도가열 담금질과, 화염 담금질이 있다. 이러한 철강의 표면경화법은 주로 내마모성, 피로강도, 내식성, 내소착성 향상을 목적으로 하고 있으며, 기계부품, 금형, 공구등의 내구성, 고성능화, 고경량화가 요구되는 요즘 여러분야에 종사하는 기술자에게 표면경화법에 대한 인식이 점차 고조되고 있다.
* 질화처리의 목적
1) 표면을 경하게하고 다공성이어서 내마모성을 향상시킨다.
2) 표면에 화합물층을 생성시켜 내식성을 향상시킨다.
3) 내소착성을 향상시킨다.
4) 내열성을 향상 시킨다.
5) 확산층을 생성시켜 피로강도를 향상시킨다.
6) 처리품의 내부 인성을 유지할 수 있다.
7) 변형이 극히 적다.
2. 질화의 분류
다른 경화법과 마찬가지로 질화처리는 많은 연구개발로 산업에 적용되어 왔다. 따라서 질화법을 분류함에 있어서 여러가지 확산원소, 매체, 각국의 명칭, 연구개발사의 상품명 등 여러가지로 구분할 수 있다. 아래 표 1에서 질화법의 분류를 하였다.
표 1 질화법의 분류
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확산(침투) 원소 |
질소(N) 확산 : Nitriding 질화 |
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질소, 탄소(C) : Nitrocaburizing 연질화 | |
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질소, 유황(S) : Sulfur Nitriding 침유질화 | |
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질소, 산소(O) : Oxynitriding 산질화 | |
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매체 (방법) |
가 스 : 질화(NH3, N2, CO2), 연질화 (NH3, N2, RX, NX, DX) |
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염 욕 : 연질화(KCN, KCNO, CNO, CN), 침류질화(CNO, CN, S) | |
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이온질화 : 질화(N2, H2, NH3), 연질화(N2, NH3, CO2, RX) |
1) 질소의 거동질화란 활성화질소 (발생기 질소라고도 함)원자가 강중에 확산되어 질화 작용이 진행된다. 암모니아(NH3) 가스는 500℃ 이상으로 가열된 철표면의 촉매작용에 의해 열분해 되어 발생되는 발생기 질소 원자(N0)가 철표면에 흡착되어 내부로 확산하여 질화층을 만든다.2 NH3 ↔ 3H2 + 2[N]이렇게 결합된 질화철과 합금원소 (Al, Cr, Mo, W, V)의 원자와 질소원자가 결합하여 미세하고 견고한 질화물 Cr2N, CrN, AlN, Mo2N, WN, VN 등이 기지에 석출되어 격자간 비틀림을 일으키므로 급냉하지 않아도 경도가 매우 높다.
4. 질화 전처리 공정
표 2 질화강의 질화처리를 위한 가공공정의 예
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가공순서 |
가 공 공 정 |
세 부 내 용 |
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1 |
소 재 |
풀림처리 |
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2 |
황삭(거친 가공) |
두께 3 ~ 5mm정도의 가공 여유를 남긴다 |
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3 |
담 금 질 |
약 900℃ 유냉 (Oil Quenching) |
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4 |
뜨 임 |
650 ~ 700℃ 유냉 |
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5 |
교 정 |
변형이 심한 경우 교정한다. |
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6 |
응력 제거풀림 |
약 650℃, 5 ~ 10Hr 공냉 |
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7 |
중 간 가 공 |
두께 1.5 ~ 3 mm정도 가공 여유를 남긴다. |
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8 |
응력 제거풀림 |
약 650℃, 5 ~ 10Hr 공냉 |
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9 |
다듬질 가 공 |
두께 0.10 ~ 0.15 mm정도의 가공여유를 남긴다. |
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10 |
연 삭 |
두께 0.02 ~ 0.07 mm 정도의 가공여유를 남긴다. |
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11 |
질 화 |
500 ~ 560℃ , 25 ~ 100Hr질화 |
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12 |
연 삭, 연 마 |
도면의 치수대로 연삭한다 |
5. 질화 온도, 시간
질화온도, 시간, 가스량 : 질화온도는 여러가지 조건(변형량, 경도, 질화깊이)을 감안하여 설정하고, 질화 시간은 목표로하는 질화깊이에 맞추어 설정한다. 그림 1는 STD61의 금형 Pin의 가스질화 온도와 가스의 량에 대해 일예를 나타내었다.이 경우는 화합물층 두께를 2 ~ 5μm를 목표로 작업한 공정이며, 가능하면 화합물층 두께를 얇게(제품용도에 맞게) 하는 것이 좋다. 여기에서 사용되는 CO2 가스는 질화처리시 촉매 역활을 하며, 강 표면에 N의 농도가 올라가게 한다. H2 의 경우는 화합물층이 두껍게 형성된 경우, 즉 탈질시 사용하는 가스로서 표면의 N농도를 낮추어 탈질 시킨다.
그림 1 가스질화처리 온도, 시간, 가스량에 대한 공정예
6. 경도와 조직
가스 질화처리된 제품의 최외각에 경도는 재질에 따라 많은 차이가 난다. 특히 합금 원소 중 Al, Cr의 량에 따라 큰 차이가 나며, 이 두원소가 많이 함유된 SACM645 대표적인 질화강은 질화처리 후 경도가 HmV 950 ~ 1200으로 매우 높다. 연강의 경우는 합금원소가 거의 없기 때문에 표면 경도는 HmV 380 ~ 600 정도로 낮으나 질화층 깊이가 깊다.가스 질화처리한 표면조직은 화합물층(Fe2-3N)과 확산층 (AlN, CrN 등)으로 구성되어 있으며, 표면층에 생성된 화합물층은 매우 경하여 사용용도에 따라 제거하여 쓰기도한다. 필요한 경우 매우 얇은 화합물층(2 ~ 5μm)만이 요구 되며 두꺼울 경우 균열이나 박리가 발생할 수 있다.