침탄과 질화, 침탄로, 진공침탄, 질화법, 짐탄법, 변성가스, 화염가스, 번아웃, 침류질화, 가스침탄질화법, 가스연질화법

로망사슴

침탄과 질화란?

<기출 - 금속재료>

24-2-5	5. 강의표면경화처리방법중질화법의 특성 및 종류에 대하여 설명하시오.
16-4-2	2. 침류(Sursulf)질화 방법과 특성을 설명하고 부품의 적용 예를 쓰시오.
23-3-6	6. 진공침탄과 가스침탄을 비교하고, 고온 진공 침탄을 위한 침탄용 소재의 결정립 성장 방지방안을설명하시오.
21-4-6	6. 강의 표면경화법 중 침탄법과 질화법에 대하여 설명하시오.
19-1-9	9.  반송가스(Carrier gas)를 이용하는가스침탄법으로서변성가스침탄법과적하식침탄법의가스 성분을 각각 설명하시오.
18-1-1	1. 배치 타입(batch type)의 분위기 열처리 로(furnace) 설비 중에서 화염커튼의 설치목적에 대하여 설명하시오.
17-1-9	9. 가스 침탄로의 번아웃(Burn out)에 대하여 설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 표면 경화 처리의 정의

특정 기계부품들은 내마모성이 풍부해야하는데, 내마모성을 높이기 위해서는 표면을 경화해야함. 
하지만 이때 강 전체를 마르텐사이트 조직 변태를 통한 강화를 한다면, 내부 또한 마르텐사이트 조직이 형성되어 가공상 문제가 될 수 있음. 또한 강 전체의 경도와 강도가 증대하여, 내충격성이 악화됨.
이럴때 강 전체는 강인성이 높은 재료를 사용하고, 마찰 등 내마모성이 증대되는 부분만을 경화하는 처리를 하는데, 이를 표면 경화 처리라고 함 

<대표적인 표면 경화 처리 예시> 
- 표면의 화학조성을 변화시키는 표면경화처리 : 침탄, 질화, 도금, 용사 등 
- 화학조성을 바꾸지 않고 경화층 형성 : 표면 담금, 숏피닝

금속의 표면경화법 정리, 금속의 강화기구, 표면처리

숏피닝 (Shot Peening), 숏블라스트, 샌드블라스트, 그리트 블라스트

아연도금(zinc plating, galvanizing) , 크로메이트(chromate), 크로뮴산염처리

인산염 피막처리 (Phosphating)

 

2) 표면경화처리 종류

• 침탄 경화
  • 고체 침탄법
  • 액체 침탄법
  • 가스 침탄법
• 질화 처리
  • 가스 질화법 
  • 액체 질화법 (연질화법) 
  • 이온 질화법
• 고주파 경화처리
• 화염 경화 처리
• 특수 표면 처리
  • 침황 및 침붕처리
  • 전해 및 방전경화
  • 플라즈마 질화
  • 플라즈마 침탄
  • 증착법 
    • 물리 증착법 (PVD)
    • 화학 증착법 (CVD)
  • 염욕 코팅법 (TD)
  • 레이저 및 전자빔 표면처리 
  • 산화피막 처리

 

2. 질화법

 

1) 질화법의 정의

Al, Cr, Ti, Mo, V 등을 첨가한 강에 N을 확산시키면 해당 원소와 N이 결합하면서 견고한 질화층을 만들어 표면의 경도가 높아짐. 
그러나 순철, 탄소강, Ni 및 Co를 함유하고 있는 강은 질화에 의해 경화되지 않으며, 질화하는 강은 위 원소를 함유하고 있는 특수한 조성의 것만 가능하며 이를 질화강이라고 부름. 

질화는 NH3  가스 중에서 제품을 약 500도 정도로 가열하여 행하며, 고온에서 NH3가 분해하여 생기는 활성N이 강재 표면에 침투하면서 형성이 됨. (침탄보다 더 강한 질화1철(Fe2N)이나 질화 2철(Fe4N)이 형성됨

침탄에 비해 높은 경도가 얻어지고 가열 온도가 낮아 열에 의한 변형이 적으며, 담금질의 필요성도 없으나, 처리시간이 긴 단점이 있음. 내마멸성과 내식성, 고온경도 측면에서 안정적임 

질화처리 전 피처리물의 요구 치수에 가깝게 다듬질가공 후 조질 처리한 뒤 탈지하여 질화로 내에 장입암. 

질화처리

질화층의 구성

질화법 (Nitriding), 연질화법, 이온질화법, 가스질화법, 청화법, 액체질화법, 표면경화

 

2) 질화법의 종류

질화법에는 크게 가스질화법, 이온질화법, 액체질화법(연질화법)으로 구성되어있음 

(1) 가스질화법 (가스 순질화)

철은 분자상 질소를 흡수하기는 곤란하지만 고온에서 암모니아 가스에 접하면 쉽게 N과 화합함. 암모니아는 고온에서 다음과 같이 분해함

암모니아 가스를 이용한 질화법 
길화층의 두꼐는 보통 0.4 ~ 0.9mm수준, 은회색의 단단한 경화면
500도 정도로 50 ~ 100시간 암모니아 가스를 가열하면 발생기 질소가 철 등과 반응하여 질화2철(Fe4N)이나 질화1철 (Fe2N) 형성이후 강으로 침투

2NH3 → 2N + 3H2

 

(2) 이온질화법

저압의 질소 분위기 속에서 직류 전압을 노체와 피처리물 사이에 연결하고 글로우 방전(glow discharge)을 발생시 음극은 고에너지 발열과 침투 현상을 일으키면서 전압이 강하함

이온이 갖는 고운동에너지는 열에너지로 변환, 피처리물을 가열하여 일부는 직접 이온을 주입하고 음극 스퍼터링(sputtering)을 일으켜 그 표면으로부터 전자 및 원자가 반발하게 되는데, 내쫒긴 철의 원자는 전자에 의해 생성된 원자상 질소와 화합하여 질화철을 형성함.
이를 이용, 적당한 가스 분위기 (질화용 가스) 속에서의 글로 방전으로 음극을 질화하는 것을 이온질화법이라고 함       

이온질화법

(3) 염욕 연질화법 (터프트라이드법, TUFFTRIDE)

시안화나트륨 (NaCN)을 주성분으로 하는 염욕에 강재를 침지하면 C와 N이 동시에 강재에 침입하여 침탄과 질화가 이루어짐
 따라서 이를 침탄 질화 (Carbonitriding) 또는 청화 (Cyaniding)라고 함 

<가스침탄질화법과 가스연질화법의 차이>

질화법은 침투원소에 따라 순질화와 연질화로 구분된다. 
순질화는 질소(N)만 침투시켜 강화시키는 방법으로 가스질화법, 이온질화법이 이에 해당한다. 
연질화는 질소(N)과 약간의 탄소(C)를 침투시켜 경화시키는 방법으로, 가스연질화법과 염욕연질화법이 있다. 
가스침탄질화법(CARBONITRIDING)은 가스침탄의 발전에 부수하여 생긴 것이고, 가스연질화법은 암모니아가스와 RX가스를 혼합해서 처리하는 질화법의 일종이다. 

 

4) 침류(Sursulf)질화법

침류질화처리는 철강재료의 내나모성, 내피로성 및 내열응착성을 향상시키기 위한 표면처리법으로, 질화층 표면에 윤활제 역할을 할 수 있는 황화철이 혼재하도록 하는 방법임
침류 질화층 (철활화물층)을 생성시키는 방법이며, 현재 실용화되어있는 방법으로는 용융염 침류질화법, 가스침류질화법, 유동상로 침류질화법, 플라즈마 침류질화법 등이 있음 

플라즈마 침류질화법의 경우 저압의 질소, 수소, 황화수소(H2S)의 혼합가스분위기 중에서 피처리물을 음극으로 하여, 글로우 방전을 발생시켜 철강재료의 표면에 철질화물과 철황화물을 동시에 생성하는 방법.

침류질화에 의해 생성된 최표면층은 질화층 내부로 확산이 어려운 철황화물층으로, 경도는 낮지만 연한 황화철 성분이 고체윤활제 작용을 하여 내마모성과 내소착성등을 개선하는 효과가 있으며, 따라서 높은 경도를 유지하는 동시에 (질화층) 내마모성 증대를 위한 적절한 황화물층의 형성이 연구되는 중이다. 
처리시간과 처리온도의 증가에 따라 표면에 형성되는 연한 황화물층의 두께의 증가로 표면 경도는 급격히 감소함.

 

 

3. 침탄법

 

1) 침탄법 정의

저탄소강을 침탄제 중에서 가열하는 열조작 

변태점 이상으로 가열시 고온에서 발생한 CO가스가 강재 표면에서 분해하고, 이때 분해된 C가 내부로 확산함
이때 저탄소강의 표면부(표층부)는 탄소량이 높아지게 되고, 이를 Q&T 하게 되면 표면과 심부의 기계적 물성을 다르게 가져갈 수 있음

0.2%C 이하의 저탄소강(저탄소합금강)을 함탄 물질과함께 가열하여 그 표면에 탄소를 침입 고용시켜서 표면만을 고탄소강으로 만든 뒤 담금질하여 표면만 경화시키고, 중심부분은 연강을 유지하여 인성을 부여하는 처리 

침탄법 (Carburizing), 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법, 침탄 기구 (mechanism), 침탄로

가스침탄열처리공정의 예, NCS

가열 → 침탄 → 확산 → 담금질 온도로 노랭 → 유냉 → 저온뜨임 

C + O2 → CO2
CO2 + C → 2CO 
2CO → C + CO2 (이후 활성탄소가 강재 표면에 침입하여 침탄층을 형성)

 

2) 침탄법 종류

침탄법에는 고체침탄, 가스침탄, 액체침탄, (진공침탄) 등이 있음

(1) 고체침탄

목탄 등의 고체침탄제를 침탄상자에 장입하여 밀폐하고 850-950도로 가열하여 침탄시킴. 
침탄제는 목탄, 골탄, 혁탄 등의 침탄제를 쓰며, 침탄 촉진제로는 BaCO3, Na2CO3 등을 첨가하여 사용함

침탄제에서 발생한 CO가스가 강 표면에서 분해하여 활성탄소(C)를 생성하여 표면에 침입, 침탄이 이루어짐

(2) 가스침탄

천연가스, 프로판가스, 부탄가스, 메탄가스 등의 가스를 넣어 제품을 넣은 노 중에 공기를 적당히 혼합, 불완전 연소시켜 850-900도로 가열하여 침탄함. 고체침탄법에 비해 균일한 침탄층을 얻을 수 있음 

침탄제에서 발생한 CO가스가 강 표면에서 분해하여 활성탄소(C)를 생성하여 표면에 침입, 침탄이 이루어짐

가스 성부능로는 메탄, 프로판, 부탄 가스 등 탄화수소 계열의 가스를 변성로에서 변성한 흡열형 가스가 사용되며, 침탄 가스의 표준 조성은 CO20-40%, CH4 3-30%, H2 30% 이상, CO2 0.5% 이하, H2O 0.5% 이하, 기타 N2 등으로 구성되어있음

침탄처리는 침탄기에 과잉침탄(약 1-1.1%C)시키고, 이어서 확산처리에 의해 표면 탄소농도를 목표치까지 내리는 것과 동시에 탄소를 강의 내부에 확산시키는 침탄-확산법을 사용함  

가스침탄처리공정, HRD

<반송가스(Carrier gas)를 이용하는 가스침탄법으로서 변성가스침탄법과 적하식침탄법의 가스성분>

변성가스란, 공업적으로 프로판, 부탄가스 등에 적당한 비율의 공기를 첨가하여 열분해, 혹은 산화 분해시킨 가스를 의미함. 캐리어가스(carrier gas), 반송가스 등으로도 불리며 변성 방식에 따라 발열형과 흡열형으로 구분됨. (침탄은 발열형 가스를 사용)
변성가스의 적절한 선택과 탄소 농도의 조절에 의해 침탄, 탈탄, 침탄질화, 광휘열처리 등을 실시함
가스 성부능로는 메탄, 프로판, 부탄 가스 등 탄화수소 계열의 가스를 변성로에서 변성한 흡열형 가스가 사용되며, 침탄 가스의 표준 조성은 CO20-40%, CH4 3-30%, H2 30% 이상, CO2 0.5% 이하, H2O 0.5% 이하, 기타 N2 등으로 구성되어있음

메탄가스의 경우) CH4 + (O2 + N2) → CO + H2 + N2 (대략적인 값, 좌측이 메탄가스, 우측이 변성 가스)
프로판가스의 경우) C3H8 + (O2 + N2) → CO + H2 + N2 (대략적인 값, 좌측이 프로판가스, 우측이 변성 가스) 

적하식침탄법은 유기액제를 노중의 피처리품에 적하시켜 생성된 분해가스로 고온에서 침탄하는 방법임.
가열한 노내에 2종류의 유기액제를 적하해서 열분해를 시키는데, 한쪽의 액제에는 캐리어 가스(이송 가스)로서 치환 및 침탄 중 노내 가스압을 정압으로 유지하는 역할을 하며, 한쪽은 침탄가스로 필요한 탄소 농도를 유지하는 역할을 함 
적하식 침탄로는 1) 변성로가 필요 없으며 2) 설비가 소규모이며 3) 유지비가 적어 경제적이며 4) 관리가 용이함 

즉 변성가스침탄법은 변성과 침탄이 각각 다른 노에서 행하여지나, 해당 방법은 변성과 침탄을 동일 노에서 행하는 방법임 
적주제로는, 벤졸, 메탄올,에탄올, 프로판올, 아세트아미드 등을 사용함
(메탄올 및 글리세린 = 캐리어용 // 에탄올 및 프로판올 = 침탄용)

적하침탄로

(3) 액체침탄

NaCN을 주성분으로 하는 염욕에 강재를 침지하여 침탄하는 방법. 가열 온도는 750-900도. 이 방법에서는 침탄과 함께 질화도 발생하기 때문에 침탄질화(carbo-nitriding) 혹은 청화(Cyaniding)이라고도 불림. NaCN의 분해로 CO, N2가 발생하고 이것이 강 표면에서 분해하여 활성 C, N을 생성, 침투함으로서 침탄화 질화가 발생함 

(4) 고온진공침탄

진공침탄(vacuum carburizing)은 대기압보다 낮은 압력에서 실시되는 고온 가스 침탄처리

제품을 진공로에 넣고 900-1000도까지 가열하여 청결을 보장하고 오염을 방지하며 산화를 방지함. 
이후 제품이 가열되면 침탄가스를 진공로에 넣는데, 저압과 제어된 환경은 가스를 탄소로 분해하여 강재의 표면으로 확산하는 것을 촉진

이후 일반 침탄과 동일하게 담금질 및 템퍼링처리 함 

 

강재 표면에서 탄화수소가스가 분해하여 탄소가 직접 표면으로 흡수해 확산하며, 이때 수소가스가 발생함

CH4 = [C] + 2H2

침탄온도에서 메탄가스의 분해에 대한 구동력이  높아, 가스 분해가 빠르게 발생하고 강재 표면에서 탄소 흡수가 빠르게 됨. 진공침탄에서는 침탄 - 확산의 과정으로 실시되며, 이후 확산 단계에서 탄소가 강재 내부로 확산하면 표면 탄소량이 감소하고 침탄 깊이가 증가하게 됨 
진공상태에서 침탄을 처리하기 때문에, 안정적이며 제품 전체에 탄소 공급이 가능하며 산화가 발생하지 않음. 

진공침탄의 과정, NCS

진공열처리 (VACUUM HEAT TREATMENT)

Q. 고온 진공 침탄을 위한 침탄용 소재의 결정립 성장 방지방안

침탄용강이 구비해야하는 조건은 다음과 같다. 
① 저탄소강이어야함
② 침탄시 고온에서 장시간 가열해도 결정립자가 성장하지 않아야함 
③ 강재주조시 결함이 없이 완전을 기해야하며, 표면에 결점이 없어야함 

Cr, Ni, Mo은 침탄량을 증가시키는 원소이며, C, V, W, Si는 침탄량을 감소시키는 원소임
결정립 성장을 방지하기 위해서는 미세조직안정화원소(Nb, Ti, V)를 첨가하는 방법이 있음. 해당 원소는 석출물을 형성, 결정립 계면의 이동을 방해함. 또한 침탄용소재를 선택해야하는데, Cr, Mo, Al 등을 포함한 저합금강은 고온에서 안정성이 높아 결정립 성장을 억제할 수 있음. 또한 침탄온도를 과도하게 높이지 않게 하여 결정립 성장을 줄여야하며, 유냉 이상의 빠른 냉각을 통해 결정립 성장을 억제해야하며, 침탄 시간을 최소화해야함 

냉간가공와 열간가공의 차이, 회복, 재결정, 결정립 성장, 2차 재결정

합금원소의 영향, 금속의 합금 원소, 합금강, 강재

주조물의 수축, 수지상정 (Dendrite)

금속의 응고, 깁스의 자유에너지, 공정합금, 포정합금

침탄강의 종류

 

3) 침탄로 구성

Q.  배치 타입(batch type)의 분위기 열처리 로(furnace) 설비 중에서 화염커튼의 설치목적에 대하여 설명하시오.
Q. 가스 침탄로의 번아웃(Burn out)에 대하여 설명하시오.

분위기로란, 밀폐된 가열실에 침탄성, 질화성, 환원성 가스를 송입하여 무산화열처리, 침탄, 질화 등 표면경화를 하는 로를 분위기로라고 함. 형태에 따라 배치로(Batch type)과 연속로(continuous type)으로 구분이 됨 

배치로는 열처리품의 비정량씩을 묶어서 열처리하는 방식이며 피트로(원통로), 횡형로(케이스형로)의 형태가 있음. 
작업자의 수작업에 의해 열처리부품을 장입에 소정의 온도로 가열한 후, 노내에서 장입된 상태로 냉각시키거나 노 밖으로 꺼내어 냉각시킴.
연속로는 노의 일단으로부터 항상 일정량의 열처리품을 장입하고, 타단으로는 장입량과 같은 양의 열처리 완료품을 연속적으로 취출할수가 있는 터널 형식의 노를 의미함. 다품종 소량생산에는 적용이 불가능하며, 푸셔로, 콘베이어로, 노상 진동형로 등이 있음

배치타입 열처리로에 설치되어있는 화염커튼은 로의 개구부에 설치되어있어, 외부 공기 유입을 방지하고 내부 가스 유출을 방지하는 장치이다. 장입구 혹은 취출구에 가연성 가스를 연소시켜 불꽃의 막을 만드는 것을 화염커튼이라 하며, 가연성 가스는 도시가스, 메탄, 프로판, 부탄 등에 공기를 불어넣어 완전 연소되는 비율로 혼합하여 사용함

화염커튼이 입구, 출구의 문을 완전히 덮을 수 있도록 연소방향, 불꽃 높이를 조절해야하며 열처리로의 문의 제어에 맞게 점화가 적절하게 이루어져야함 

또한, 그을음으로 변성로나 침탄로 등에 축적된 유리 탄소는 변성로나 침탄로의 기능을 저하시키는데, 이에 따라 정기적으로 적당량의 공기를 송입하여 연소 제거하는데 해당 조작을 번아웃(burn out)이라 함. 
가스침탄로의 경우,
① 노내의 온도를 850-950도로 유지 
② 노 내로 침탄성 분위기 가스 송입을 중단 
③ 노의 문을 열면 화염커튼이 점화되어, 공기가 들어가 노내의 가연성 가스와 함께 연소함 
④ 가열로의 문을 열고 3-5분간 공기중에 방치한 뒤, 5-10분간 노의 문을 닫고 노내의 유리탄소를 공기와 반응시키며, 이런 조작을 노 내부의 청색 불꽃이 보이지 않을때까지 반복함
⑤ 번아웃 이후에는, 노온도를 해당 처리온도로 올린 뒤 침탄성 분위기 가스를 송입하여 탄소 농도를 조절하고 재개한다. 

가스침탄로, HRD

 

 

4. 고찰

 

1) 침탄법 vs 질화법 특징

구분	침탄법	질화법
경도	질화법보다 낮음	침탄법보다 높음
열처리 필요 유무	침탄 후 열처리 필요	질화 후 열처리 필요 없음
수정 가능	침탄 후 수정이 가능	질화 후 수정 불가능
처리 시간	짧다 (30분 ~ 4시간)	길다 (50 ~ 100시간)
변형 여부	경화에 의한 변형 발생 (고온 유지, 담금질로 인함)	경화에 의한 변형이 생기지 않음
고온경도	고온으로 가열되면 뜨임이 되고 경도가 낮아짐	고온으로 가열되어도 경도 유지
여린 정도	여리지 않음	질화층은 여림 (잘 깨짐)
강재 종류	강재 제한이 적음	강재 종류에 대한 제한을 받음
비용	비용이 저렴하다	비용이 많이 발생 (시간이 길다

 

2) 표면 경화 공법 선택 기준  (침탄, 질화)

각 공법의 특성을 참고하여 진행해야함. 
침탄용강과, 질화용강은 서로 구성 성분과 기계적 물성치가 다르기 때문에 설계 요건에 맞는 재료를 선택해야함
또한 질화법은 표면만 경화하는 반면, 침탄법은 내부까지 어느정도 경화가 되는 차이가 있음 
침탄은 고온 처리로 인해 열처리 변형 가능성이 있지만 질화처리는 열처리 변형이 적어, 이후 공정이 어느정도 가능한지 검토 후 결정해야함. 예를 들어 기어의 침탄처리시 특정 경도 이상 되면 더이상의 절삭가공이 불가능할 수 있음 
또한 재료의 비용을 고려하여 결정해야함 

합금원소의 영향, 금속의 합금 원소, 합금강, 강재

담금질, 담금질 결함, 담금질 균열, 담금질 냉매, 표면 탈탄

경화능(harden ability), 경화능 시험, 죠미니 시험(Jominy test)

금속간 화합물, 비금속 개재물

기어의 재료, 기어의 열처리

아연도금(zinc plating, galvanizing) , 크로메이트(chromate), 크로뮴산염처리

고속도강(HSS, SKH2,3,51,59...) 열처리, 고속도강, 고속도강 2차 경화 현상, 고속도강 종류