표면 열처리의 종류 : 금속 열처리의 기초 지식 7

업데이트 날짜 : 2016 년 6 월 3 일 (처음 게시) 
저자 :仁平기술사 사무소 소장仁平宣弘
 

1. 표면 경화를 목적으로 한 표면 열처리의 종류

표면 열처리를 간략하게 연재의 제 1 회 에서 소개했습니다. 그 목적의 대부분은 표면 경화입니다. 강재 표면 열처리를 실시함으로써 높은 경도를 얻을 수 (그림 1) 이에 따라 내마모성 및 내 피로성이 향상됩니다. "표면 경화"(그림 1의 고주파 열처리, 침탄 열처리) 및 "비금속의 확산 침투 처리"중에서도 질화 · 연질 화 처리에 의해 얻어지는 경도는 1,000HV 정도입니다. 이에 대해 "보로나이진구 (집중 호우 붕화 처리)」나 「탄화물 코팅」에서는 1,500HV 이상의 경도를 얻을 수 있습니다.
그림 1 : 표면 열처리의 종류와 얻어지는 경도
그림 1 : 표면 열처리의 종류와 얻어지는 경도
철강 재료의 종류 나 기대 할 수있는 효과에 따라 적용되는 표면 열처리의 종류는 다릅니다. 다음에 공업 적으로 많이 사용되고있는 철강 재료와 적용되는 주요 표면 열처리를 나타냅니다 (표 1). 표에서 "○"적용 사례가 비교적 많고, "×"는 적용 사례가 전혀 없거나 있어도 극히 드문 것을 의미합니다. 예를 들어, 탄소 C를 0.4 % 이상 함유 한 강종의 경우 "침탄 열처리」의 적용 사례는 거의 없습니다. 또한 "질화 처리"와 "연질 화 처리"모든 강종에 적용되고 있습니다.
표 1 : 공업 적으로 많이 사용되고있는 철강 재료와 적용되는 주요 표면 열처리
철강 재료의 종류 주요 표면 열 처리
이름 주요 JIS 강종 고주파 열처리 ID 침탄 열처리 C 질화 처리 N 연질 화 처리 NC 탄화물 코팅 CC
기계 구조용 강재 탄소강 S20C ○ ○ ○ ○ ×
S45C ○ × ○ ○ ×
합금강 크롬 몰리브덴 강 SCM420 × ○ ○ ○ ×
SCM440 ○ × ○ ○ ×
니켈 크롬 몰리브덴 강 SNCM420 × ○ ○ ○ ×
SNCM439 ○ × ○ ○ ×
알루미늄 크롬 몰리브덴 강 SACM645 × × ○ ○ ×
스테인레스 스틸 오스테 나이트 계 18 크롬 -8 니켈강 SUS304 × × ○ ○ ×
마르텐 사이트 계 13 크롬강 SUS410 × ○ ○ ○ ○
SUS420J2 ○ × ○ ○ ×
17 크롬강 SUS440C × × ○ ○ ○
공구강 탄소 공구강 SK85 ○ × ○ ○ ○
고속도 공구강 SKH51 × × ○ ○ ○
SKH57 × × ○ ○ ○
합금 공구강 냉간 금형용 스틸 SKD11 × × ○ ○ ○
열간 금형 강 SKD61 × × ○ ○ ○

2. 고주파 열처리

"고주파 열처리"는 표면 열처리를 대표하는 표면 경화 법입니다. 기계 구조용 강재에 적용되어 샤프트와 기어 등 다양한 기계 부품에 사용되고 있습니다. 처리 방법은 다음과 같습니다. 첫째, 고주파 코일 (가열 코일)의 유도 가열에 의해 강재를 변태점 이상 (오스테 나이트 영역)까지 급속하게 가열합니다. 그리고 내부 온도가 상승하기 전에 급속히 냉각합니다. 따라서 강재의 표면 만 경화 (마르텐 사이트 영역)합니다 (그림 2).
그림 2 : 수직 이동 구이 입법의 모식도 급속한 가열과 냉각에 의해 금속 조직이 변화하는
그림 2 : 수직 이동 구이 입법의 모식도 급속한 가열과 냉각에 의해 금속 조직이 변화하는
더 자세히 살펴 보자. 강재에 근접한 고주파 코일에 고주파 전류를 흘리면 강재 표면에는 "소용돌이"이 흐릅니다. 와전류와 강재의 전기 저항에 의한 「줄열」에 의해 강재는 급속히 가열합니다. 와전류 침투 깊이는 고주파의 주파수가 높을수록 얕아지고, 낮을수록 깊어집니다. 따라서 경화 층 깊이를 얕게하고 싶은 경우 나 대상물이 작은 경우에는 높은 주파수를 사용합니다. 반대로 내부까지 경화시키고 싶은 경우에는 낮은 주파수를 사용합니다.
소입 경화 층은 보통의 담금질 조직과 유사한 마르텐 사이트입니다. 소입 경화 층의 깊이는 "유효 경화 층 깊이 '와'전체 경화 층 깊이"가 이러한 측정 방법은 「JIS G 0559」으로 규정되어 있습니다 (그림 3).
  • 유효 경화 층 깊이 : 경화 층의 표면에서 한계 경도 위치까지의 거리
  • 전체 경화 층 깊이 : 경화 층과 직물의 경도 또는 현미경 조직의 차이를 구분 할 수없는 위치까지의 거리
그림 3 : 고주파 열처리를 실시한 S45C 경도 추이
 그림 3 : 고주파 열처리를 실시한 S45C 경도 추이
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3. 침탄 열처리

탄소 C는 강철을 담금질 경화시키는 데 필수적인 요소입니다. 탄소 C가 없으면 소입 경화는 기대할 수 없습니다. "침탄 처리"는 탄소 함유량이 적은 강을 침탄 제 중에서 900 ~ 1,000 ℃로 가열하여 탄소 C를 확산 침투시켜 표면의 탄 소량을 증가시키는 처리 방법입니다. 침탄 처리 ​​한 강철을 담금질하면 침탄 층은 경화, 내마모성이 부여됩니다. 또한 내부의 비 침탄 부분은 경화하지 않기 때문에, 인성은 유지됩니다.