금속의 표면경화법 정리, 금속의 강화기구, 표면처리

<기출>

 

• 금속 22-2-6 금속재료의 강도를 증가시키는 방법 중 전위의 움직임을 제한하여 실용금속의 강화 수단으로 사용하는 방법을 5가지만 쓰고 설명하시오.
• 금속 21-4-3 금속의 표면경화법 중 금속침투법에 대하여 설명하시오.
• 금속 17-3-6 오스폼드(Ausformed)강은 400ksi 정도의 매우 큰 인장강도를 갖는 재료로, 공업적으로 이용 가능한 강 중 최고의 강도와 높은 인성을 보이고 있다. 그 제조법은 TTP상(그림 a)의 Pearlite와 Bainite 사이의 소위 ‘bay’영역에서(austenite 영역) 90% 이상의 소성가공 후 급냉하여 Martensite 상으로 만들고, 이의 tempering을 통해 제조된다. Ausformed 강의 강화기구를 이강의 특성에 관한 실험결과인 그림(b)∼(d)를 참고하여 설명하시오.
• 금속 14-2-1 금속의 강화기구를 설명하시오 
• 금속 14-2-3 스테인리스강에서 판재나 봉재 또는 주조품을 절삭유없이 절삭가공하면 소재가 가공경화되어 2차 절삭가공이 곤란해지는 이유를 설명하시오
• 금속 14-2-4 강의 표면경화열처리 중 고주파 경화 (High frequence induction hardening)법과 그 특징을 설명하시오
• 금속 14-3-2 금속용융액으로부터 금속이온을 환원 석출시켜 금속피막을 만드는 표면처리방법을 설명하시오
• 금속 14-3-5 금속조직을 미세화할 수 있는 방법 3가지를 설명하시오
• 금속 13-2-4 재료의 4대 강화기구를 설명하고 각 기구를 대표하는 강화식(equation0을 이용하여 강화 정도를 설명하시오. 이때 각 경우의 주 강화기구를 무엇과 무엇의 상호작용 때문의 형태로 설명하시오
• 금속 13-4-1 냉간공구강 STD11을 이용하여 18-8 오스테나이트계 스테인리스강용 4단 압연기의 냉간 압연롤을 만들었을때, 열처리 잔류응력의 관점에서 압연롤 단면 전체의 경화처리와 고주파 경화처리 같은 표면경화처리 중 어느 것이 더 적합한지를 설명하시오. 2) 18-8 오스테나이트계 스테인리스강의 열전도가 나쁨(보통강의 1/3정도) 이사실로부터 STD11 압연롤의 열처리에서 템퍼링은 저온템퍼링(180-200)과 고온템퍼링(500~520도) 중 어느것이 더 적합한지를 설명하시오
• 금속 12-3-3 강재의 표면경화 여렃리법에서 가스침탄법과 가스질화법의 공정상 특징과 장단점을 설명하시오
• 23-1-5 가공경화에 대하여 설명하시오.
• 23-2-1 1. 철강의 표면경화법 중 질화법의 종류를 설명하고, 그 중 이온 질화법의 장점에 대하여 설명하시오.
• 20-1-5 고주파 경화법에 대하여 설명하시오.
• 20-4-4 금속침투법 (Metallic Cementation)에 대하여 설명하시오. 
• 19-4-5 금속열처리에서 청화법과 질화법을 비교 설명하시오.
• 18-3-2 표면 열처리에서 질화물에 의한 표면경도를 얻는 처리법 5가지만 쓰고 설명하시오.
• 16-4-6 자동차 외판의 하지도장으로 사용하는 인산염 피막처리에 대하여 설명하시오
• 14-1-3 강재를 표면경화시키는 5가지 방법을 쓰고 설명하시오.
• 14-1-8 양극산화처리(Anodizing)에 대해서 설명하시오.
• 13-3-4 금속침투 표면처리법에서 크로마이징(chromizing), 칼로라이징(calorizing), 실리콘나이징(siliconizing)을 설명하시오
• 13-4-3 물리증착법(PVD: physical vapor depositon)을 설명하시오

 

1. 금속의 강화기구

 

1) 강(steel)의 정의

철과 탄소의 합금 (강철 = 강)  
탄소의 함유량이 0.035~1.7%인 철. 열처리에 따라 성질을 크게 변화시킬 수 있어 여러 가지 기계, 기구의 재료로 쓴다

강(steel) 잉곳 주조 이미지

 

2) 금속의 강화기구 종류 

• 마르텐사이트 강화
• 석출강화
• 고용체 강화
• 가공 경화
• 결정립 미세화 강화 (입계강화) 

3) 금속의 강화기구 정리 

2024.03.17 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 금속의 강화기구, 금속조직 미세화 방안

 

2. 강의 표면경화처리 

 

1) 표면 경화 열처리 정의

강의 표면만을 경화시켜, 내부는 인성을 부여하고 외부는 경도 및 강도를 부여하여 끈질기면서 강한 재질을 만드는 공정 

 

2) 표면 경화 열처리 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 

3. 강의 표면경화처리 세부

 

1) 침탄 처리, 침탄법  (Carburizing) 

침탄 처리란 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 
침탄강은 마멸을 견디는 표면경화층과 인성을 부여하는 중심부가 있어 캠, 회전축, 롤러 등에 사용됨 

침탄 처리의 종류는 고체침탄, 가스침탄, 액체침탄이 있음 

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

 

2) 질화처리, 질화법 (Nitriding)

질화법은 노속에 질소 (가스질화법의 경우 주로 암모니아가스(NH3)를 넣는다)를 통하게 하여 적절한 온도 (500~530도)에서 장시간 유지하게 되면 표면에 질화철(질화2철이나 질화1철)을 형성하게 하여 표면만을 경화시키는 처리 
 담금질이 불필요하고, 저온에서 실시하여 치수의 변화도 없으며 내마멸성이 매우 좋은 것이 특징

가스질화법,이온질화법(글로방전), 액체질화법(연질화법) 등이 있음 

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

 

3) 고주파 경화처리

고주파 경화처리는 고주파 전류를 응용하여 표면만 퀜칭(담금질)을 하는 표면경화법
강에 교류전류를 흘리고 주파수를 높이면 표피효과에 의해 표면만 전류가 흐르게 되고, 이때 생기는 줄열을 이용, 표면만 가열후 급냉하여 담금질 하는 원리 

고주파 경화법 (High Frequency Induction Hardening)

 

4) 화염 경화 처리 (화염 담금질법) 

화염 경화 처리는 불꽃 화열을 이용, 고주파 담금질과 같이 경화성이 있는 강재를 사용하여 희망하는 표면만을 경화싴티는 열처리 

(1) 연료 가스 종류 

• 연료가스로는 산소-아세틸렌(C2H2)를 많이 사용
• 최근에는 메탄가스(CH4), 프로판가스(C3H8), 부탄가스(C4H10), 천연가스, 도시가스 등도 이용함 

(2) 화염경화처리 방법

• 가스 불꽃에 의해 강재의 표면측이 급속 가열되어 담금질온도 도달시 가열을 멈추고 냉각수로 담금질 
• 실제 작업에서는 산소가 아세틸렌의 양보다 약간 많거나 거의 같은양으로 조절해서 사용함 

화염의 종류, HRD

(3) 화염경화처리 특징

화염 담금질법에는 고정법, 전진법, 회전법, 조합법이 있음 

• 불꽃의 유속이 일정한 경우 가열시간을 단축시킬 수 있고 작업능률이 좋아짐
• 불꽃의 유속이 너무 높아지면 과열이나 온도에 따른 담금질 얼룩 생성 가능 
• 담금질 경화층의 균일성을 위해서는 화구공의 직경이 적을수록 좋음(그러나 유량이 감소) 
• 부품의 크기나 형상에 제한이 없음
• 국부적인 담금질이 가능
• 담금질 변형이 적음
• 설비비가 저렴함
• 가열온도의 조절이 어려움 (담금질 온도 확인은 강재의 색상과 시차 온도계로 파악) 

 

5) 침황 처리, 침붕 처리 

(1) 침황 처리

강재 표면에 엷은 황화층 (FeS)을 형성시키는 방법
마찰저항을 적게하여 윤활성을 향상시키는 효과가 있음 
마찰계수가 낮아 내마모성 및 내 소착성을 향상시킴 (주로 고체 가공유로 사용되는 황화 몰리브덴과 마찰계수가 거의 같게 됨)

자동차나 공작기계의 베어링부, 절삭공구, 금속 주형 등에 사용됨 

• 액체법, 기체법, 고체법이 있음 
• 최근에는 염욕을 이용한 방법이 많이 사용됨 
  (S또는 S화합물의 알칼리성 수용액을 70~80%로 가열하여 침적하거나, 중성염 또는 환원성염에 황화물을 첨가하고 강재를 침지시키는 방법이 가장 많이 이용됨) 
• 이렇게 되면 FeS의 석출물이 표면에 형성이 되는데, 이를 침황층이라 하며 0.2 ~ 0.3mm wjdeh ehla 
• 중성염욕법은 400~600도 사이에서 처리됨

 

(2) 침붕 처리 

침붕처리는 붕소(Boron, B)를 금속 소재에 확산시켜 붕소 화합물을 표면에 형성시키는 방법 
붕소화합물은 매우 높은 경도를 가짐 (붕소는 다양한 원소들과 반응하여 높은 경도의 화합물을 형성함) 

철합금의 경우 FeB, Fe2B 등을 형성하게 되는데 이 둘은 생성시 응력 방향이 다르고(FeB는 인장응력, Fe2B는 압축응력) 열팽창계수가 크게 다르기 때문에, 열충격분위기에서 균열이 발생할 수 있어 Fe2B 단일층 형성이 가장 바람직함

침붕처리의 방법으로는 분말법, 페이스트법, 액체법, 기체법, 플라즈마법, 유동상법 등이 있음  

• 우수한 내마모성
• 우수한 내산성 및 내부식성 

 

 

6) 전해 경화, 방전 경화 

(1) 방전경화

전해 담금질은 강재(피열처리물)을 음극에 걸고, 경화하려고 하는 부분만을 전해액중에 담그고 양극관과의 사이에 전류를 흘리게 되면 일반 전기 분해의 조건을 훨씬 넘는 범위에서 발생하는 발열현상으로 가열하는 것 
가열 후 담금질 온도에 도달시 전원을 끊고 그대로 전해액 중에서 급랭함 

 전기분해 → 스파크 방전(불꽃방전) → 아크 방전의 순서대로 진행하며, 아크방전시 가열속도가 급속히 증가함 

전해핵은 가열과 냉각의 2가지 역할을 하기 때문에 통전시간, 액의 온도, 전해질, 전압 등의 적절한 조절로 경화층을 조절할 수 있음 

※ 전해액 구비 조건 

• 전극을 침식시키면 안됨
• 취급이 쉽고 독성이 없어야함
• 경제적으로 염가여야함 
• 음극(피처리물) 주위 수소가 저전압으로 발생하기 쉬워야함 
• 비전도도가 커야함 

전해경화 도식도, HRD

(2) 방전 경화

방전 경화는 불꽃 방전(spark)에 의해 금속의 표면, 특히 철강의 표면을 경화시키는 것 

모통 제품은 콘덴서의 음극에, 전극은 콘덴서의 양극에 결선시켜 방전회로를 만들고, 전극을 적당한 진동기에 고정시켜서 제품의 표면을 연속적으로 두드리면 주기적으로 불꽃방전이 발생되며 표면 경화가 발생함 

전극과 제품이 떨어졌을때 콘덴서는 충전이 되고, 전극과 제품이 접근하면 적당한 간격이 되었을대 불꽃 방전이 발생한다. 해당 방산점은 1000도에 가까운 고온에 도달하며, 고열에 의해 방산점 부분은 용융해버리고 일부는 기화됨 

방전을 이용한 하드페이싱(hard facing) 방법으로는 전해경화, 공기중 불꽃 방전을 이용한 방전경화 ㅗ이에 아크 방전 가열, 방전 압력 경화, 방전 전자력 경화, 전기적 침투 확산 경화 등이 있음 

방전 경화 mechanism, HRD

 

전해 가공의 종류

양극산화피막, 양극산화처리, 아노다이징 (Anodizing), 알루메이트, 알루미늄 표면처리

[특수가공][공정] 전해연마 (Electrolytic Polishing)

방전가공 (EDM; Electric Discharge Machining)

전해연삭 (Electrolytic Grinding, Electrochemical Grinding : ECG)

 

 

7) 플라즈마 질화, 플라즈마 침탄

글로 방전을 형성하여 질화처리하는 이온질화법과 동일(상단 링크 참조) 

 

8) 물리증착법 (PVD), 화학증착법(CVD)

물리증착법은 진공 속에서 금속 기체가 플라즈마의 도움을 받아 여기된 상태로 기판에 도달 후 성장하여 피막을 형성하는 공정 
진공증발법, 이온 플레이팅, 스퍼터링법이 있음 

화학증착법은 가열된 기판 위에 입히고자 하는 피막의 성분을 포함안 원료의 혼합가스를 접촉시켜 기상반응에 의해 표면에 금속, 합금, 탄화물, 질화물 등 다양한 피막을 형성시키는 방법 

물리증착법(PVD; Physical Vapor Deposition), 화학증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 공구코팅, 초경합금

 

 

9) 염욕 코팅법(TD처리, Toyota Diffusion)

용융 붕산나트륨에, 탄소와 결합하여 합금탄화물을 형성하는 V, Nb, Ti 또는 Cr등의 탄화물 형성원소를 첨가하여 사용 
두께가 4 ~ 7㎛에 해당하는 탄화물 코팅층은 강의 종류에 따라 10분에서 8시간 내에 형성되고, VC나 NbC층은 3000HV 이상의 코팅경도가 보고되고 있음 

위 용액에 피처리물을 침지시켜 코팅처리한다 

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

 

 

10) 레이저 및 전자빔 표면처리 

레이저와 전자빔은 매우 큰 고에너지와 직접적인 열원을 제공하여 많은 표면 개량 기술에 사용함 
고에너지빔은 절단과 용접, 표면 용융과 합금화 및 국부적인 표면 열처리에 사용됨 

 

11) 산화 피막 처리

산성분위기 중 화학반응에 의해 견고한 산화 피막을 공구강 표면에 형성시키는 방법 

산화피막, 흑색산화피막 (black oxide coating)

 

 

 

4. 기타 처리

금속침투법, 아노다이징, 인산염처리 등이 있음 

인산염 피막처리 (Phosphating)

양극산화피막, 양극산화처리, 아노다이징 (Anodizing), 알루메이트, 알루미늄 표면처리

금속침투법 (metallic cementation), 세라다이징, 칼로라이징, 크로마이징, 규소침투법, 보로나이징