금속의 표면경화법 (feat. 침탄법, 질화법, 화염경화법, 고주파 경화법)

오늘은 금속재료의 표면경화법에 대해 알아보자.
 
금속의 표면을 단단하게 만드는 방법은 크게 2가지가 있다.
탄소나 질소를 침투시켜 표면을 강화시키는 화학적 경화법과 담금질과 같은 열처리를 통해 기계적 성질을 변화시키는 물리적 경화법이다.
표면경화는 왜 해야 하는걸까?
표면경화법은 금속의 표면을 단단하게 만들고 내부는 연성을 유지하게 한다. 강력한 힘을 받는 기계요소, 이를테면 기어, 베어링, 커넥팅로드, 캠샤프트 등은 표면경화를 통해 충격에 강하면서도 질긴 특성을 갖게 만든다. 마치 건축물을 지을 때 콘크리트 안에 철근을 넣어 단단한 콘크리트와 질긴 철근이 큰 외력에 견딜 수 있는 것처럼 말이다.
 

1. 금속의 강화기구

 

표면경화법을 설명하기 전에 일반적으로 금속의 원소재 상태는 사용자나 설계자가 원하는 물성값이 아니라는 것을 알아야 한다. 그러므로 각종 처리를 통해 금속을 강하게 만든다. 그렇다면 금속을 강하게 만드는 방법은 어떤 게 있을까? 금속학적으로 보면 5가지로 볼 수 있다.
1) 마르텐사이트 강화
2) 고용체 강화
3) 석출강화
4) 가공 강화
5) 결정립 미세화
 
금속의 표면경화법과 강화기구는 밀접한 관련이 있다. 정확히 말하면 표면경화법은 강화기구의 한 방법이다. 화학적 경화법은 강화기구의 ‘고용체 강화’로 볼 수 있고, 물리적 경화법은 ‘마르텐사이트 강화’와 ‘가공 강화’에 해당한다.
강화기구와 관련된 구체적인 내용은 다음 포스팅을 참고하자.

https://portsafety.tistory.com/37

금속의 강화기구 5가지

 
 

2. 화학적 경화법

 

화학적 경화법은 탄소함유량 0.3% 이내의 저탄소강에서 주로 사용된다. 화학적 경화법을 사용하게 될 경우 표면의 탄소함유량이 올라가기 때문에 저탄소강에 적합하다.
 

1) 고체침탄법

섭씨 800도 이상에서 탄소강의 표면에 탄소(C)를 침투시키는 방법이다. 금속에는 탄소 함유량이 높아질수록 경도가 올라가게 되므로 이러한 특성을 활용한 것이다.
고체침탄법에서는 다음의 화학식에 따라 침투가 발생한다.
(1)    C + O2 → CO2
(2)    CO2 + C → 2CO
(3)    2CO → CO2 + C (침탄)
- 특징
(1) 가격이 저렴하고 작업방법이 간단
(2) 뜨임 과정이 필요하나 수정이 가능
(3) 시간이 오래 걸리고 균열이나 변형 가능성 높음
 

2) 가스침탄법

프로판가스, 부탄가스와 같은 탄화수소가스를 금속과 함께 넣고 가열하여 탄소를 침투시키는 방법이다.
(1)    CH4(메탄) → C(침탄) + 2H2
(2)    C2H6(에탄) → C(침탄) + CH4 + H2
- 특징
 (1) 침탄 농도 조절이 용이해 균일한 침탄층 형성
 (2) 연속 침탄으로 인한 대량 생산 가능
 

3) 시안화법

시안화나트륨(NaCN) 또는 시안화칼륨(KCN)을 활용하여 탄소(C)나 질소(N)를 침투시키는 방법으로 청화법, 침탄질화법이라고도 부른다.
(1)    2NaCN + O2 → 2NaCNO
(2)    4NaCNO → 2NaCN + Na2CO3 + CO(침탄) + 2N(질화)
- 특징
(1) 700도 이하일 때는 주로 질화가 일어나고, 800도 이상일 때는 주로 침탄이 발생
(2) 30분 이내 단시간 소요
(3) 시안화법을 수행 후에 수정작업이 불가능
(4) 유독가스가 발생하여 별도의 처리가 필요
 

4) 질화법

암모니아(NH3)를 섭씨 500도까지 올려 분해하면 질소가 나오는데 이것을 침투시키는 방법이다. 저탄소강 뿐만 아니라 저합금강에서도 사용 가능한 방법이다.
질화 방법에 따라 가스질화법, 염욕질화법, 이온질화법으로 나눌 수 있다.
(1)    2NH3 → 3H2 + N2
(2)    N2 + 6Fe → 2Fe3N
- 특징
(1) 암모니아는 독성물질이므로 취급에 주의해야 함
(2) 작업장이 깨끗하고 부산물이 나오지 않음
(3) 뒤틀림이나 변형이 적음
 
침탄법과 질화법을 비교하면 다음과 같다.

구분	침탄법	질화법
경도	상대적으로 낮음	상대적으로 높음
열처리	열처리 필요	열처리 불필요
수정	수정 가능	수정 불가능
시간	처리시간이 짧음	처리시간이 긺
변형	변형 발생	변형 적음
비용	적음	많음

 
위 내용은 일반적인 내용이므로 상황에 따라 달라질 수 있다는 점은 참고해야 한다.
 

3. 물리적 경화법

 

물리적 경화법은 화학적 경화법과는 다르게 금속의 화학조성비를 변화시키지 않고 기계적 성질을 변화시키는 방법이다.
 

1)    화염 경화법 (Flame hardening)

< 화염 경화법 >

 
탄화수소연료를 이용하여 만든 불꽃으로 금속 표면을 가열하고 물 등으로 급랭을 하게 되면 담금질효과에 따라 표면이 경화되는데 이를 화염 경화법이라 한다.
탄화수소연료에는 아세틸렌가스나 프로판가스 등이 사용되고 불꽃을 이용하다보니 사용에 주의해야 한다.
- 특징
(1) 불꽃의 온도를 조절하기 어려움
(2) 설비비가 저렴하고 국부적인 경화처리가 가능
(3) 부품이나 재료의 형상에 구애받지 않음
 

2) 고주파 경화법 (Induction hardening)

< 고주파 경화법 >

 
코일에 고주파 전류를 보내면 맴돌이 전류가 유도되어 고주파 유도열이 발생하는데 이 열로 가열하고 급랭시켜 담금질효과를 유발하는 것을 고주파 경화법이라 한다.
고주파 경화법은 주방에서 흔히 사용하는 인덕션의 원리와 동일하다.
- 특징
(1) 빠른 시간에 가열할 수 있어 산화되지 않음
(2) 온도를 조절하기 용이
(3) 형상이나 모양에 제한
(4) 설비비가 고가이고 국부적인 처리에 어려움
(5) 화석연료를 사용하지 않으므로 탄소배출량이 적고 폭발 위험이 없음
 

3)    숏피닝 (Shot peening)

< Shot Peening >

 
금속 표면에 작은 입자(0.5~1mm)의 플라스틱, 나무 등을 고속분사하면 가공경화 현상에 의해 표면의 경도가 올라가는데 이를 숏피닝이라 한다.
여기서 알아야 할 이론이 있는데 Coaxing effect라는 것이다. 이것은 과소응력을 반복할 경우 재료의 피로한도가 증가되는 현상을 뜻하는데, 여기서 응력은 피로한도 내에 있어야 한다. (마치 나를 죽일 수 없는 고통은 나를 강하게 만든다는 문구처럼…)
숏피닝은 이런 coaxing effect를 이용한 경화법이라 할 수 있고 가공경화의 일환으로도 볼 수 있다.
- 특징
(1) 인장강도, 압축강도에는 영향이 없음
(2) 피로한도만 증가시킴