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

<구분>

• 표면처리
  •  표면경화법
    • 침탄법 ★
      • 고체침탄법 ★
      • 가스침탄법 ★
      • 액체침탄법 ★
    • 질화법
      • 이온질화법
      • 가스질화법
    • 침탄질화법(청화법, 액체질화법, 액체침탄법) 
    • 숏피닝 (Shot Peening)
    • 화염경화 (Flame Hardening)
    • 고주파 열처리, 고주파경화법 
    • 방전 경화법 (Squart Hardening)
    • 하드페이싱 (Hard Facing) 
  • 표면 코팅 (증착법) 
    • 화학증착법 (CVD)
    • 물리증착법 (PVD) 
  • 금속피막
    • 산화피막 
    • 양극산화처리 (Anodizing)
    • 인산염피막처리 
      • 파커라이징 (Parkerizing)
      • 분더라이징 (Bonderizing)
      • 코스레타이징? (coslettizing)
  • 금속침투법
    • 크로마이징 (Chromizing)
    • 칼로라이징 (Calolizing)
    • 실리콘나이징 (Siliconizing)
    • 브로나이징
    • 세라다이징 
  • 도금
    • 전해도금(전기도금)
    • 무전해도금 
    • 용융도금
    • 진공도금
  • 도장
  • 기타
    • 설퍼라이징(Sulfurizing)

<기출>

• 금속 21-2-4 표면경화법 중 침탄과 질화를 동시에 행하는 침탄질화법에 대하여 설명하시오.

1. 개요

 

1) 침탄법 (Carburizing) 정의

 0.2%C 이하이며, 저탄소강 또는 저탄소 합금강을 함탄 물질과 함께 가열하여 그 표면에 탄소를 침입 고용시켜서 표면만을 고탄소강으로 만들어 경화시키고, 중심부분은 연강으로 만드는 것 
 (표면에 탄소를 침입시킨 다음 담금질 처리를 함으로써 표면층만 경화)
침탄강은 마멸에 견디는 표면경화층 부분과 강인성이 있는 중심부로 구성되어 있어 캠, 회전축 등에 사용됨 

주로 조성 열처리 (기본 열처리)가 끝나고 기계가공의 중간에 있어서 실시하는 열처리 
가스침탄, 고체침탄에서는 각종 전기로, 중경유로, 각종 가스로가 사용되고 액체침탄에서는 각종 염욕로, 유동상로 및 강재대류로를 사용함

 

 

2) 침탄 열처리 공정 예 (가스 침탄 기준) 

가스 침탄 열처리 공정 예, NCS

• A : 가열 (800도에서 변성 가스 송입)
• B : 침탄 (캐리어 가스 첨가)
• C : 확산 (변성 가스 송입) 
• D : 담금질 온도로 노랭 후 유지 (담금질 온도는 아래 링크 참조) 
• E : 60 ~ 80도로 유냉 
• F : 150 ~ 180도로 뜨임 (저온템퍼링, 공랭) 

 

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

 

3) 침탄 기구 및 순서(Mechanism) : 활성 탄소를 만들어서 제품과 같은 공간에 유지시키는게 핵심 

(1) 침탄 기구

• C + O2 → CO2 (탄소가 침탄로 안 산소와 반응하여 이산화탄소 형성)
• CO2 + C → 2CO (CO2가 탄소와 반응해서 일산화탄소 형성)
• 2CO → C + CO2 (활성 탄소가 강재표면에 침입하여 침탄층을 형성)

(2) 침탄 순서

1. 침탄용 재료 준비 및 가공, 표면 정리 (표면의 불순물 및 버 등을 제거한다)
2. 침탄성 가스를 준비 : 프로판 가스 등
3. 변성 장치와 침탄로 점검 (온도계 확인, 전기적 결선 확인, 작동 상태 점검) 
4. 프로판 가스 변성 작업 후 변성 가스를 침탄로로 보냄
5. 침탄로 가열 후 변성 가스 송입 / 노내의 분위기를 균일하게 관리 (팬 가동)
6. 가스 침탄, 침탄 종료 후 확산 처리 
7. 유냉 탱크를 준비하여 담금질 (확산 처리 후 담금질 온도까지 냉각시킨 후 30분 유지 → 이후 노에서 꺼내서 80도로 급냉 
8. 이후 저온템퍼링 (180도에서 2시간 뜨임) 후 공냉 

가스 변성 (변성 가스의 제조) 

가스 안에는 소량의 CO2, H2O 등 유해 성분이 함유되어있는데 해당 유해성분을 변화시키고 정제시켜야함. 해당 가스의 조성을 열처리 목적에 맞게 바꾼 가스를 변성가스라고 함 (ex. 이산화탄소 → 일산화탄소로 정재 등)  

- 발열형 가스의 변성 : 원료가스를 변성로에서 다량의 공기와 혼합하여, 그 연소열을 이용해 변성 (원료 자체의 발열 반응)
- 흡열형 가스의 변성 : 가스침탄에 사용되는 프로판, 부탄, 천연 가스 등을 원료로 하여 적당량의 공기를 혼합시킨 후 고온으로 가열하여 얻은 가스를 흡열형 가스 (RX가스) → 생성된 가스를 가스침탄로에 도입시켜 침탄작업 실시

(3) 국부적 침탄 방지

• 탄소강에 구리도금
• 가공 여유를 두어 침탄 후 절삭가공하여 깎아냄
• 진흙을 바르고 석면 및 강판으로 두름 

4) 침탄의 대상 (침탄강)과 침탄 후 표면 경도 수준

• 침탄강 : 보통 탄소 함유량이 0.15 ~ 0.18%의 저탄소강과 Cr 혹은 Mo가 첨가된 합금강 
• 침탄에 사용되는 기어 재료 : SM15C, SCM415, SCM420, SNC420, SNC815, SNCM420 등

재질	SCM415, SNCM220, SCN420	SCM420, SNCM420, SNC815
표면	Hs 70 ~ 75	Hs75 ~ 80
심부	Hs 65 ~ 70	Hs 70 ~ 75

 

2. 침탄법 구분 

 

1) 고체 침탄법

목탄 등의 침탄제와 부품을 침탄상자에 장입하여 내화점토로 밀봉한 후 900 ~ 950도 정도로 가열하여 3~4시간 유지하면 0.5 ~ 2mm 정도의 침탄층을 얻을 수 있음 

(1) 침탄제 / 침탄 촉진제

• 침탄제 (탄소를 침입 고용) : 목탄, 골탄, 혁탄 
• 침탄 촉진제 : BaCO3, Na2CO3, NaCl

(2) 침탄 기구 (mechanism)

• C + O2 → CO2 (탄소가 침탄로 안 산소와 반응하여 이산화탄소 형성)
• CO2 + C → 2CO (CO2가 탄소와 반응해서 일산화탄소 형성)
• 2CO → C + CO2 (활성 탄소가 강재표면에 침입하여 침탄층을 형성)

(3) 고체 침탄 특징

• 침탄층 (고탄소층)의 탄소 농도는 공석강 탄소 농도 정도가 적합 (약 0.8%) : 이 농도 이상이 되면 과잉 침탄 조직이 되어 사용 중 박리가 생기거나 기계적 성질이 저하
• 침탄층 깊이는 침탄 온도와 침탄 시간에 의해서 결정됨 (침탄 온도가 너무 높으면 강재 중심부의 결정립자가 조대화되어 (오스테나이트 결정립이 조대화됨) 취성을 증가 → 대부분 900 ~ 950도에서 침탄 후 급랭하여 경화시킴 
• 침탄 깊이는 0.5 ~ 2mm 정도가 적당함 
• 침탄 깊이가 너무 깊으면 비용이 많이 들고 (가열 시간 길어짐) 인성이 불리
• 강재에 Cr이 함유되면 탄소의 확산이 느려 과잉 침탄 발생 

침탄시간, 온도에 따른 침탄층 깊이 추이, NCS

 

 

2) 가스 침탄법 (Gas Carburizing)

침탄성 가스를 밀폐한 열처리로로 보내어 이 분위기에서 강재를 가열하여 침탄하는 처리법 
변성 가스를 오스테나이트화된 금속의 표면에 접촉시키면 활성탄소가 침입하여 침탄이 발생 

(1) 침탄성 가스

• 천연가스, 프로판가스, 부탄가스, 메탄가스 
• 침탄성가스를 변성로에서 변성시킨 후, 변성가스(carrier gas)에 메탄가스, 프로판가스 등 중탄가스(enrich gas)를 혼합하여 사용
• 가스를 변성로에 넣을때 니켈을 촉매로 하여 침탄가스로 변성 

(2) 침탄 기구 (mechanism)

• 2CO → C + CO2
• 일산화탄소 : CO + H2 → C + H2O
• 메탄(천연가스) : CH4 → C + 2H2
• 에탄(천연가스) : C2H6 → C + CH4 + H2
• 프로판가스 : C3H8 → C + C2H6 + H2

(3) 가스 침탄 특징

• 침탄 농도 조절이 용이함
• 침탄이 균일하게 됨 (가스공급량, 혼합비, 온도의 조절) 
• 침탄 후 바로 담금질이 가능 (애초에 노 내에서 수행되므로, 액체나 고체를 닦을 필요가 없음) 
• 침탄층의 확산 조절이 쉬움 
• 열효율이 좋음 
• 조작이 간단하고 작업환경이 깨끗하여 대량 생산에 적합함 (연속 침탄으로 인한 대량 생산) 
• 침탄을 원하지 않는 부분은 동도금 or 점토, 규산나트륨, 식염, 산화철분말, 석면 등의 침탄 방지제를 도포하고 침탄로 투입

가스침탄반응 개략도, NCS

 

 

3) 액체침탄법, 침탄질화법, 시안화법 (Liquid Carburizing, Cyaniding)

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 

(1) 액체 침탄 기구 (mechanism)

• 2NaCN + O2 → 2NaCNO
• 4NaCNO → 2NaCN + Na2CO3 + CO (침탄에 사용) + 2N (질화에 사용) 

(2) 액체 침탄 특징

• 700도 이하일때는 주로 질화가, 800도 이상일 때는 주로 침탄이 발생
• 침탄 깊이는 900도에서 30분 처리에 의해 약 0.3mm 정도가 얻어짐  
• 온도 조절이 쉽고 일정 시간을 지속할 수 있음 
• 산화가 방지되고 시간이 절약된다 
• 내마모성이 우수하고 변형이 적음
• 마템퍼링, 마퀜칭 등 항온 열처리 조작이 편리
• 침탄제의 값이 비싸고, 침탄층이 얇으며, 유독 가스가 발생해서 환기장치가 필요함
• 침탄층이 얇다 

시안화법

 

3. 침탄 후 열처리 

고체를 침탄할 떄는 침탄 상자 중에서 그대로 서랭 후 재가열하여 담금질, 뜨임을 하거나
확산 풀림, 구상화 풀림을 한 후 담금질하기도 함 

 

1) 확산 풀림, 구상화 풀림 

• Cr 강이나 Cr-Mo강과 같이 탄소 확산이 느린 강은 침탄 온도에서 30분 ~ 4시간 정도 확산 풀림을 한 후 담금질한다
  (Cr 함유강은 탄소의 확산이 느려 탄소가 표면에 집중되어 표면에 과잉침탄이 됨)
• 침탄 층에 나타난 망상의 시멘타이트는 담금질하기 전 구상화처리함 
• 담금질이 1,2차로 나뉘어 있다면 1차 담금질 후 구상화풀림(650~700도)함 

기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔

 

2) 담금질 

침탄은 고온에서 장시간 가열 → 중심부 조직이 조대화됨 

• (조직 미세화 목적 담금질) 따라서 중심부 조직을 미세화하기 위해 Ac3 이상 30~50도 정도 가열한 후 유랭(급냉) 하여 1차 담금질
  : 침탄을 행한 재료는 그대로 제품을 사용하는 일은 거의 없다 (침탄을 하면 재료의 중심부는 장시간 가열했기 때문에 결정립이 조대해져있고, 재료에 끈기를 주기 위하여 조대화 한 결정립을 미세하게 할 목적으로 재료를 920 ~ 930도로 가열한 후 유랭 (1차 담금질) 
  : 빠른 냉각속도는 미세 조직 형성에 필수적 (물, 기름, 액체질소 등) / 냉각 속도가 느리면 조직이 거칠어짐 
  
• (침탄부 경화 목적 담금질) 이후 침탄부를 경화시키기 위하여 Ac1점 이상으로 가열한 후 수랭하여 2차 담금질 (마르텐사이트경화)
  : 고온으로 가열해도 결정립이 조대화되지 않는 니켈 함유 표면경화용 강은 2차 담금질만 한다 (침탄강 특징)

침탄 / 케이스 하드닝법

 

3) 뜨임

담금질 후 반드시 저온 뜨임 (담금질 제품의 연마 균열 방지에 꼭 필요)

• 최후로 가열에 의한 스트레인을 제거하기 위해 뜨임처리