영풍열처리기술자료 제목 : 질화열처리의기술과적용사례 제 1 호 영풍열처리 영풍열처리 Youngpoong Heat Treatment co. 본사공장 ) 702-083 대구광역시북구노원3가 59-21 전화 :053)356-2114~5 팩스 :351-9926 성서공장 ) 704-833 대구광역시달서구월암동 920-8 전화 :053)592-2271~3 팩스 :592-2274 WWW.HEAT-TREATMENT.CO.KR
1. 질화란 철강의표면경화법에는화학적표면경화법과물리적경화법이있다. 화학적경화법은침탄, 질화등이있다. 이들중질화처리는주로내마모성, 피로강도, 내소착성, 내식성향상을목적 으로하고있으며기어, 금형, 공구, 고정밀기계부품의고성능강화가요구되는부품에적합 하며다른열처리법에서얻을수없는독특한기계적성질을얻는데인식도가증가하고있고 실제현장에서많이적용하고있다. 질화는저온인 400~600 정도에서처리되기때문에변형을최소화할수있다는장점이있다. 아래설명에서와같이질화의종류도많이있는데대체적으로기본원리는질소 (N 2 ), 암 모니아 (NH 3 ) 를이용하여철표면에 N 을침투확산시켜경질의질화물 (εfe 2-3 N,rFe 4 N) 을형 성하며강중에 N 과결합력이강한합금원소 (AI,Cr,Mo) 는고경도의질화물 (AIN,Cr 2 N,MoN) 을 생성시킨다. 이러한질화물에의해독특한기계적성질을얻는표면경화열처리법이다. 2. 질화의종류 질화의종류는많은변화를거듭하면서발전되어왔고현재도계속연구개발을하고있다. 지금까지개발된질화를크게분류하면표 1 과같이대별할수있다. GAS 질화 염욕질화 액체질화 질화 터프트라이드 신터프트라이드 GAS 연질화 이온질화 * 표 1 질화의종류 * 2
3. 각종질화의개요 3-1, GAS 질화 GAS 질화는암모니아 (NH 3 )GAS 중에서처리물을 500~550 정도로오랜시간가열하는 방법이다. 암모니아 GAS 는다음식과같이해리하며발생기질소는철표면에흡착되어내 부로확산하여질화층을만든다. 2NH 3 3H 2 + 2[N] 가스질화에서는 Fe 2-3 N 이주성분인질화층이매우경도가높으며처리시간이상당히길 고질화층이경화하기위해서는철중에 AI, Cr, Mo 가첨가되어야하므로강종에제한을받 는다. 질화깊이를깊게요구하는제품에는이질화법이많이적용되고있다. 3-2, 염욕질화 액체질화는염욕질화용염으로 NaCN(55~65%),KCN(35~45%) 의혼합염을사용한다. 가열 온도를 500~600 로하면질화가주체인질화가되고질화시간은약 30~120 분으로가스 질화보다짧으며, 질화강뿐만아니라보통가스질화보다얕은질화층을얻는데사용된다. 3-3, 터프트라이드질화 이것은염욕질화법의일종이며터프트라이드 으로개발된염욕을사용하여여기에공기 를흡입시키면서약 570 로 10~30 분동안가열한다음 에급냉한다. 기존 NH 3 가스에의한질화에비해처리시간이짧으며, 강종제한도없다. 화합물층 ( ) 에의해내마모성이, 확산층 ( ) 에의해피로강도가향상된다. 3-4 터프라이트 터프트라이드 과기존터프트라이드의차이점은염욕, 성분차이, 염욕의질소포텐셜이높아같은질화층두께를얻는데소요되는시간이단축될수있어경제적인이점도있으며, 피로강도도어느정도높일수있는등의이점도있다. 처리온도는 580 정도이며무공해를달성할수있다. 신터프트라드법으로처리한부품은기존터프트라이드에비해내마모성은거의같으며피로강도는약간높다. 내식성은산화물층을생성시키는기법을적용할때상당히향상된다. 3
3-5, 가스연질화 가스연질화 ( ) 는질소와탄소의작용으로화합물층의조성이달라진다. NH 3 을함유한환원성분위기중에서 A 1 변태점이하인 500~700 정도의저온으로 1~4 시 간가열하여강표면에탄질화물또는질화물층, 그배후의질소확산층을생성시키고, 이질 소확산층의고용화를유지시키기위해처리후바로유냉등의급냉을하는방법이다. 가스연질화한강의표면의탄질화물층또는질화물층에의해내마모성, 내소착성, 내식성이 향상되며, 질소확산층에의해피로강도가향상된다. 가스연질화의종류도많이개발되어있다. 그중혼합가스를이용한가스연질화법의화학반 응식을나타냈다. 2NH 3 3H 2 + 2[N] 2CO [C] + CO 2 상기반응식에의한질화공정은표면층에 Fe 3 C 가생성되며, 이 Fe 3 C 가핵이되어 Fe 3 N, Fe 4 N 의화합물층이생성된다. 처리온도는통상 570~580 이며시간은 30 분 ~5 시간정도이다. 3-6, 이온질화 Ion질화는 N 2, H 2 가스등을함유한혼합희박 ( ) 가스분위에서글로우방전에의한이온충격으로표면경화시키는질화법이다. 이질화법은금속의표면질화법중가장최근의신기술열처리법으로질화층의선택조직생성과저온처리로모재의변형방지, 빠른처리시간으로품질향상, 생산성, 향상에적극기여되는기법이다. * 이온질화의특징 1) 무공해 미량의 N 2, H 2 GAS 만으로처리되는새로운질화법이다. 2) 생산원가를절감 열원은진공로안의이온화한 GAS 가음극표면처리물에고속으로충돌시발생하는열에 의해질화처리된다. 물론처리후에담금질, 뜨임, 후가공등이필요없으므로많은생산원가 를절감할수있다. 4
3) 효과적인 PROCESS 임 이온스퍼트링 (SPUTTERING) 에의해처리부품표면이활성화되어질소의포텐셜이높다. 아래그림 1 은이온질화와가스질화의질화속도를비교한것이다. 재료는질화강을사용하 였다. 그림 1 질화속도의비교 4) 저온처리가가능하다. 400 정도의저온에서도상당한질화효과가있으며질화후변형은매우적다. 표면상태 도좋으므로이온질화전에연마가공을하여질화후그대로사용하기도한다. 5) 질화처리조건의선택폭이넓다. 350~600 또는그이상의온도에서도질화가가능하며, 처리온도, 처리시간등을감안하 여경제적인선택을할수있다. 6) 화합물층조성의조정이자유롭다. 이온질화에서는 ε 상, r 상의관리하기가쉽고화합물층조성조절이가능하다. 7) 특수강질화가쉽다. 예를들면스테인레스 (Stainless) 강과같이표면이크롬산화물을주체로하는부동태피막이 덮혀있어서질화를억제하는강에도질화가쉽다. 5
8) 적용범위가넓다 강, 주철, 티타늄, 지르코늄등의합금에도질화가쉽다. 9) 내식성이우수하다 대체적으로내식성이우수하며크롬도금이상의효과를나타내는재질도있다. 3-7, 각종질화법의특성과비교 Table1 각종질화법의특성 가스연질화 터프트라이드법 이온 Plasma 질화법 가스질화 원리 RX 가스 50% NH3 가스 50% 혼합분위기에서 N,C 를강에확산시킨다. 2NH 3 2[N]+ 3H 2 2CO [C]+C O XCN,XCNO,X CO(X: 알칼리금속 ) 욕중에서반응에의해 N, C 의확산공기 2XCNO+0 O+ 2[N]+XCO 2CO [C]+CO 진공로에서글로우방전을발생시켜 N,X 및다른가스의단독또는복합가스분위기에서확산시킨다. 암모니아가스의경우 2NH 2[N]+3H NH 가스분위기에서 N 을확산시켜친질소원소와질화물을만든다. 2NH 2[N]+3H 적용강종전강종전강종 일부의비철을포함한전강종 질화강 온도 460 ~ 580 560 ~ 580 350 ~ 570 500 ~ 540 열원외부전기가열외부전기가열방전가열외부전열가열 시간 15 분 ~ 6 시간 15 분 ~ 3 시간 15 분 ~ 20 시간 40 분 ~ 100 시간 질화제 NH 가스 RX 가스 XCN, XCNO N,H 침탄성의단독또는혼합가스 NH 가스 부분질화어려움어려움상당히쉬움어려움 관리 NH 3 의분해도노점. 보통 욕의조성및분석, 어려움 방전전압, 전류. 쉬움 N H 3 의분해도, 보통 변형 極 6
3-8 이온질화의적용사례 Table 2 이온질화법을적용시킨각종재질의특성및예 강종 SPCC S10C 처리온도 ( 일반, ) 화합물층두께 ( μm ) 경화층두께 (mm) 570 ~ 590 8 ~ 10 0.3 ~ 0.4 표면경도 (HMV) 400 ~ 500 500 ~ 600 적용예 컴퓨터주변부품, 미싱, 농기구부품, 판스프링, 브레이크패드등 컴퓨터주변부품, S25C S35C S45C 570 ~ 580 10 ~ 15 0.2 ~ 0.25 600 ~ 700 샤프트, 유공압부품, 펌프, 커터기어, 프린트기판용금형 SK3 550 ~ 570 10 ~ 15 0.25 ~ 0.3 600 ~ 700 프린트기판용금형샤프트, 핀등 SCM435 500 ~ 570 6 ~ 10 0.25 ~ 0.3 내치기어 550 ~ 750 10 ~ 15 0.5 ~ 0.6 샤프트 SCM440 내치기어, 유성차 500 ~ 530 10 ~ 15 0.4 ~ 0.6 600 ~ 700 SCM439 기어등 가열실린더, 스크 SACM645 500 ~ 550 10 ~ 20 0.25 ~ 0.5 900 ~ 1,000 류, 스크류, 스크류헤드, 터보부품, 캠, 인젝션핀 열간단조용금형, SKD61 510 ~ 530 10 ~ 15 0.25 ~ 0.5 1,000 ~ 1,100 알루미늄압출금형, SKD62 샤프트, 핀 SKD11 450 ~ 480 10 ~ 15 (0.1 ~ 0.3) 스크류, 스크류헤 1,000 ~ 1,200 0.01 ~ 0.15 드, 냉간용펀치 SKH51 480 ~ 500 2.0 ~ 8.0 0.1 ~ 0.2 냉간용펀치, 드릴, 1,200 ~ 1,300 0.01~0.03 엔드밀 0.02~0.08~0.1 터보부품, 밸브봉, SUS304 20 ~ 60 ~150 550 ~ 570 5 1,000 ~ 1,200 샤프트, 가이드롤 SUS403 100 ~ 180 0.1 ~ 0.18 러스크류 FCD 550 ~ 570 8 ~ 12.0 0.03 ~ 0.05 600 ~ 800 크랭크샤프트, 실린더 YHD3 390 ~ 420 5.0 ~ 10.0 0.1 ~ 0.2 1,000 ~ 1,100 열간단조용금형 NAK55 450 ~ 510 2.0 ~ 5.0 0.05 ~ 0.15 750 ~ 850 MASL 400 ~ 480 2.0 ~ 5.0 0.05 ~ 0.15 800 ~ 1,000 MAC24 500 ~ 530 10 ~ 15 0.4 ~ 0.6 800 ~ 900 7 소성가공금형, 금형부품다이케스팅금형부품소성가공금형, 다이케스팅금형부품실린더, 캠, 익스트누전기계부품