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

<구분>

• 표면처리
  •  표면경화법
    • 침탄법  
      • 고체침탄법 
      • 가스침탄법
    • 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>

• 23-2-1 철강의 표면경화법 중 질화법의 종류를 설명하고, 그 중 이온 질화법의 장점에 대하여 설명하시오.
• 19-4-5 금속열처리에서 청화법과 질화법을 비교 설명하시오.
• 18-3-2 표면 열처리에서 질화물에 의한 표면경도를 얻는 처리법 5가지만 쓰고 설명하시오.
• 금속 21-2-4 표면경화법 중 침탄과 질화를 동시에 행하는 침탄질화법에 대하여 설명하시오.
• 금속 19-4-5 강의 표면경화법 중 질화법(Nitriding)의 목적, 특징, 종류에 대하여 각각 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 질화법 (Nitriding) 정의

 강을 암모니아 (NH3) 기류 중에서 가열하여 질소를 침투시키는 표면경화법 

노 속에 강재를 넣고 암모니아가스를 통하게 하면서 500 ~ 530도의 온도로 50 ~ 100시간 정도 유리하게 되면 질소가 강재에 흡수되어 질화물이 형성 →침탄보다 더 강한 질화2철(Fe4N)이나 질화1철 (Fe2N)이 됨

질화법은 A1변태점 이하의 온도로 행하여 담금질할 필요가 없고, 치수의 변화도 가장 적다 

내마멸성과 내식성, 고온 경도에 안정적이다 

 

질화로 개략도

질화처리된 탄소강 (SM45C) 시편 조직, 왼쪽 흰 부분이 질화층

 

2) 질화법 특징

• 경화층은 얇고, 경도는 침탄한 것보다 더욱 큼
• 마모 및 부식에 대한 저항이 크다
• 침탄강은 침탄 후 담금질이 필요하나 질화법은 담금질 할 필요가 없어 변형이 적다
  (질화 후 그대로 제품으로 사용)
• 600도 이하의 온도에서는 경도가 감소되지 않고 산화도 잘 되지 않음
• 가열 온도가 낮음 
• 질화제는 암모니아 가스가 주로 쓰임 : 처리 온도가 낮아서 열변형이 작지만 처리 시간이 길고 가스 소모량이 많음 (해당 단점을 보완하기 위해 염욕질화법이나 연질화법이 공업화되어 처리시간이 1/20이하로 단축됨) 

질화에 따른 최고 경도와 경화층의 깊이 (50시간 기준)

 

 

 

3) 질화처리 순서 

1. 질화처리 전 예비처리 : 피 처리제품의 요구 치수에 가깝게 다듬질 가공 후 조질처리 하고 탈지 (이후 질화로 투입)
2. 약 500도의 질화온도에서 탈수한 암모니아 가스(NH3)를 보내면 암모니아 가스는 분해하여 질소가 노내에 확산하여 표면에 질화 경화층을 형성

4) 질화에 미치는 합금 원소 영향 

• 알루미늄 함유(질화물의 확산을 느리게 해 질화 강도 증대)
• 크롬 함유 (질화층 깊이 증대)
• 몰리브덴 (처리시간이 길어져도 강재가 취화되지 않음)
• 탄소 : 0.2 ~ 0.5% 함유하면 담금질과 뜨임 할 때 충분한 변형 저항력이 생기고 질화층도 단단해짐 
• 니켈 : 질화에는 아무 영향이 없으나 2 ~ 3% 함유시 중심부의 기계적 성질 향상
• 망간 : Al-Cr-Mo강에 1%까지 함유시 질화물 경도 향상에 도움이 됨 

 

2. 질화법 구분 

 

1) 가스 질화법 

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

(1) 가스 질화 기구 (mechanism)

• 2NH3 → 2N + 3H2 (암모니아는 고온에서 불안정하게 되어 질소와 수소로 분해) 
• 이 분해는 강표면에서 접촉적으로 신속히 진행되어 발생기의 N의 H를 만듬 
• 발생기의 원자상 N은 반응성이 강해 Fe, Al, Cr 등의 첨가 원소와 화합하여 질화물을 형성(질화층) 

(2) 가스 질화 특징

• 질화층의 깊이 및 경도는 처리 시간에 따라 다르며 요구되는 질화 깊이 확보를 위해서는 온도와 시간을 적절히 조합
• 경도 분포만을 고려시 탄소함유량이 적은 것이 유리하나, 질화층의 박리 및 확산층의 균열이 우려됨
• 따라서 500 ~ 550도에서 질화처리 후 600도 이상에서 확산시킨(풀림처리) 2단 질화가 효과적 
• 질화를 요하지 않는 부분은 미리 주석이나 땜납 등으로 둘러싸거나 니켈 도금을 하여 질화상자에 넣음 

질화온도가 증가할 수록 질화층 두께는 증가하고 최고 경도는 감소 (단지 경화층만 두꺼워지고 너무 길어지면 취약해짐)

 

2) 이온 질화법

저압의 질소 분위기 속에서 직류 전압을 노체와 피처리물 사이에 연결하고 글로 방전 (glow discharge)을 발생시 음극은 고에너지 발열과 침투 현상을 일으키면서 전압이 강하함
이를 이용, 적당한 가스 분위기 (질화용 가스) 속에서의 글로 방전으로 음극을 질화하는 것을 이온질화법이라고 함       

(1) 이온 질화 기구 (mechanism)

• 저압의 질소 분위기(수소 혼합, N2 + H2) 속에서 직류 전압을 노체와 피처리물에 각각 연결 (피처리물을 음극으로, 별도의 전극을 양극으로) 
• 직류전압을 걸어주어 글로 방전 (glow discharge) 발생
• 이온이 갖는 고운동 에너지는 열에너지로 변환하고 피처리물을 가열 
• 일부는 직접 이온을 주입하고 음극 스퍼터링 (sputtering)을 이르켜 그 표면으로부터 전자 및 원자가 반발됨
• 내쫒긴 피처리물의 철 원자는 전자에 의해 생성된 원자상 질소와 화합하여 질화철 (FeN)을 형성
• FeN 흡착에 의해 FeN으로 급속히 다음 저위의 질화물로 분해하고 질소를 방출하고, 일부는 플라즈마 가스로 되돌아가 새로운 N와 결합하여 질화를 촉진 
  
  

이온질화처리 공정도, NCS

 

(2) 이온질화법  특징

• 처리 후 표면은 광히 상태로 되어 표면 조도의 저하가 적고 변형이 거의 없어 처리 후 가공을 생략하거나 줄일 수 있음 
• 작업환경이 좋고 질화 속도가 빠름 
• 별도의 가열장치가 필요 없음 (방전시 열에너지 발생)
• 가스 비율을 변화시켜 질화층 조성 제어
• 가스 질화 처리가 곤란한 강에도 적용 가능 
• 복잡한 형상의 부품은 균일한 질화가 어려움 (이온 흡착 어려움) 
• 처리 부품의 온도 측정과 급속 냉각이 어려움

 

 

3) 액체질화법, 연질화 (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) 
• 시안화 나트륨 (NaCN), 시안화칼륨(KCN) 등을 주성분으로 한 염욕로에서 500 ~ 600도로 5 ~ 15시간 가열하여 질화층을 확보 

(2) 액체 침탄 특징

• 700도 이하일때는 주로 질화가, 800도 이상일 때는 주로 침탄이 발생
• 질화처리 시간이 짧음 
• 저온처리로 균일하고 안정된 조직을 얻음
• 가스 질화로 처리가 곤란한 강에도 적용 가능 
• 내마모성이 우수하고 변형이 적음
• 마템퍼링, 마퀜칭 등 항온 열처리 조작이 편리
• 침탄제의 값이 비싸고, 침탄층이 얇으며, 유독 가스가 발생해서 환기장치가 필요함

조질처리된 SM 45C를 570도에서 2시간동안 염욕 연질화 처리 한 질화층의 조직과 경도 분포

시안화법

 

3. 침탄법과 질화법 비교

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)

 

2024.02.26 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 침탄법 (Carburizing), 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법, 침탄 기구 (mechanism), 침탄로