표면경화법
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
표면경화법은 금속, 특히 강철의 표면을 경화시켜 내마모성, 내피로성, 내식성을 향상시키는 기술이다. 고대부터 사용된 기술로, 철의 강도와 내구성을 향상시키기 위해 발전해 왔다. 초기에는 침탄법이 주로 사용되었으며, 현대에는 침탄법 외에도 질화법, 시안화법, 화염 및 유도 경화법 등 다양한 기술이 개발되었다. 이러한 기술들은 자동차, 조선, 항공우주 산업 등 다양한 분야에서 부품의 성능을 향상시키는 데 기여하며, 대한민국 주력 산업에서도 널리 활용되고 있다.
더 읽어볼만한 페이지
| 표면경화법 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 금속 부품의 표면을 단단하게 만드는 열처리 공정 |
| 목적 | 내마모성, 내피로성, 인성 증가 |
| 적용 분야 | 기어, 캠축, 베어링 등 |
| 방법 | |
| 침탄법 | 고체 침탄: 탄소 화합물과 함께 가열 액체 침탄: 시안화물 염욕에 담금 기체 침탄: 탄화수소 가스 분위기에서 가열 |
| 질화법 | 암모니아 가스 분위기에서 가열 |
| 화염 경화 | 화염으로 표면 가열 후 급랭 |
| 유도 경화 | 유도 전류로 표면 가열 후 급랭 |
| 장단점 | |
| 장점 | 표면 경도 증가 내마모성 향상 내피로성 향상 인성 유지 |
| 단점 | 공정 복잡 비용 증가 열처리 변형 가능성 표면층 두께 제한 |
| 고려 사항 | |
| 재료 선택 | 탄소 함량, 합금 원소 고려 |
| 열처리 조건 | 온도, 시간, 분위기 조절 |
| 냉각 방법 | 물, 기름, 공기 냉각 선택 |
| 후처리 | 템퍼링, 연마 등 |
2. 역사
고대 한국에서는 철광석을 저온에서 환원시켜 연철을 얻는 방식이 주로 사용되었다. 이는 탄소 함량이 낮아 강도가 약하고 무른 특성을 지녔다. 삼국시대에는 제철 기술이 발전하면서 고온에서 철을 녹여 탄소 함량이 높은 주철을 생산하기 시작했다. 하지만 주철은 강도가 높지만 쉽게 깨지는 단점이 있었다.
초기 철 제련은 블루머리를 활용했는데, 이는 목재와 숯을 태우는 용광로에서 철광석을 금속 철로 변환하는 방식이었다. 이 방법으로 얻을 수 있는 온도는 일반적으로 철의 융점보다 낮았기 때문에 진정한 제련이 이루어지지 않았고, 대신 스펀지 형태의 금속 철/슬래그 매트릭스로 변환되었다.
제련 기술이 향상되면서 더 높은 용광로 온도를 얻을 수 있었고, 이는 철을 완전히 녹이기에 충분했다. 그러나 이 과정에서 철은 가열에 사용된 숯이나 코크스로부터 탄소를 흡수했다. 그 결과 탄소 함량이 약 3%인 용융 철이 생성되었는데, 이를 주철이라고 불렀다. 주철에서 과도한 탄소를 제거하고 연성 연철을 만들기 위해서는 추가적인 가공이 필요했다.
주철에서 거의 모든 탄소를 제거한 후, 그 결과물은 매우 연성이 있고 인성이 있지만, 매우 단단하지 않았고, 가열 및 급랭으로 경화될 수도 없었다. 이는 침탄 경화의 도입으로 이어졌다. 결과적으로 침탄 경화된 제품은 저탄소 강철 코어의 연성 및 인성 대부분과 외부 고탄소 강철 표면의 경도 및 탄성을 결합한다.
철 표면에 탄소를 적용하는 전통적인 방법은 철을 잘 밀봉된 상자("케이스") 안에 갈아놓은 뼈와 숯 또는 가죽, 발굽, 소금, 소변의 혼합물과 같은 탄소 함량이 높은 재료에 넣는 것이었다. 이 침탄 패키지는 고온으로 가열되지만, 철의 융점 이하로 유지하며 일정 시간 동안 그 온도를 유지한다.
2. 1. 고대 제철 기술과 표면 경화
고대 한국에서는 철광석을 저온에서 환원시켜 연철을 얻는 방식이 주로 사용되었다. 이는 탄소 함량이 낮아 강도가 약하고 무른 특성을 지녔다. 삼국시대에는 제철 기술이 발전하면서 고온에서 철을 녹여 탄소 함량이 높은 주철을 생산하기 시작했다. 하지만 주철은 강도가 높지만 쉽게 깨지는 단점이 있었다.초기 철 제련은 블루머리를 활용했는데, 이는 목재와 숯을 태우는 용광로에서 철광석을 금속 철로 변환하는 방식이었다. 이 방법으로 얻을 수 있는 온도는 일반적으로 철의 융점보다 낮았기 때문에 진정한 제련이 이루어지지 않았고, 대신 스펀지 형태의 금속 철/슬래그 매트릭스로 변환되었다.
제련 기술이 향상되면서 더 높은 용광로 온도를 얻을 수 있었고, 이는 철을 완전히 녹이기에 충분했다. 그러나 이 과정에서 철은 가열에 사용된 숯이나 코크스로부터 탄소를 흡수했다. 그 결과 탄소 함량이 약 3%인 용융 철이 생성되었는데, 이를 주철이라고 불렀다. 주철에서 과도한 탄소를 제거하고 연성 연철을 만들기 위해서는 추가적인 가공이 필요했다.
주철에서 거의 모든 탄소를 제거한 후, 그 결과물은 매우 연성이 있고 인성이 있지만, 매우 단단하지 않았고, 가열 및 급랭으로 경화될 수도 없었다. 이는 침탄 경화의 도입으로 이어졌다. 결과적으로 침탄 경화된 제품은 저탄소 강철 코어의 연성 및 인성 대부분과 외부 고탄소 강철 표면의 경도 및 탄성을 결합한다.
철 표면에 탄소를 적용하는 전통적인 방법은 철을 잘 밀봉된 상자("케이스") 안에 갈아놓은 뼈와 숯 또는 가죽, 발굽, 소금, 소변의 혼합물과 같은 탄소 함량이 높은 재료에 넣는 것이었다. 이 침탄 패키지는 고온으로 가열되지만, 철의 융점 이하로 유지하며 일정 시간 동안 그 온도를 유지한다.
2. 2. 전통적인 표면 경화 방법: 침탄법
초기 철 제련은 목재와 숯을 태우는 용광로인 블루머리를 활용했는데, 이는 철광석을 금속 철로 변환하는 방식이었다. 이 방법으로 얻을 수 있는 온도는 철의 융점보다 낮아, 스펀지 형태의 금속 철/슬래그 매트릭스가 생성되었다. 이 매트릭스는 재가열 및 망치질을 통해 슬래그를 제거하여 저탄소 연성 연철을 생산했다. 그러나 연철은 탄소 함량이 낮아 매우 무르며, 칼날 등이 쉽게 무뎌지고 구부러지는 문제가 있었다.제련 기술 발전으로 더 높은 용광로 온도를 얻게 되면서 철을 완전히 녹일 수 있게 되었지만, 이 과정에서 철은 숯이나 코크스로부터 탄소를 흡수하여 탄소 함량이 약 3%인 주철이 생성되었다. 주철은 깨지기 쉬워 칼날 등에 부적합했고, 추가 가공을 통해 연성 연철을 만들어야 했다. 주철에서 탄소를 거의 제거하면 매우 연성이 있고 인성이 있지만 단단하지 않아 가열 및 급랭으로 경화될 수 없었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 침탄 경화법이 도입되었다.
침탄 경화된 제품은 저탄소 강철 코어의 연성 및 인성과 외부 고탄소 강철 표면의 경도 및 탄성을 결합한다. 전통적인 침탄법은 철을 밀봉된 상자 안에 간 뼈와 숯, 또는 가죽, 발굽, 소금, 소변의 혼합물 등 탄소 함량이 높은 재료와 함께 넣고 가열하는 방식이었다. 가열 시간이 길수록 탄소가 표면에 더 깊이 확산되며, 목적에 따라 경화 깊이를 조절했다. 침탄 경화된 부품은 표면 변색이 나타날 수 있으며, 이는 블루잉과 유사하게 내식성을 제공하고 매력적인 마감을 제공한다. '케이스 컬러링'은 이러한 패턴을 의미하며, 총기의 장식 마감으로 사용된다.
침탄 경화된 강철은 극강의 경도와 인성을 결합하며, 이는 균질 합금으로는 달성하기 어렵다. 단단한 균질 강철은 깨지기 쉬운 경향이 있지만, 침탄 경화 품목은 저탄소 코어 덕분에 더 큰 비용이 드는 합금강에 비해 유리하다.
한국의 전통적인 침탄법은 주로 숯을 사용했으며, 뼛가루, 가죽, 발굽, 소금, 소변 등의 유기물도 함께 사용되었다. 조선시대에는 침탄 기술이 더욱 발전하여 칼, 창, 농기구 등 다양한 제품에 적용되었다.
2. 3. 근대 이후 표면 경화 기술 발전
근대 산업화와 함께 철강 재료의 표면을 단단하게 만드는 다양한 기술이 발전하였다. 일제강점기에는 일본으로부터 시안화법, 질화법 등 새로운 표면 경화 기술이 도입되었다. 광복 이후에는 대한민국 정부 주도로 산업 발전을 위한 기술 개발이 이루어지면서 표면 경화 기술도 함께 발전했다.3. 현대의 표면 경화 기술
현대에는 탄소강뿐만 아니라 합금강에도 표면 경화가 적용되며, 다양한 공정을 통해 부품의 성능을 향상시키고 있다. 저탄소강은 일반적으로 경화가 어렵기 때문에, 표면에 탄소(침탄), 질소(질화) 또는 붕소(붕소화) 등을 확산시켜 경화성을 높이는 방법이 사용된다.
"표면 경화"라는 용어는 고대 공정과 동일한 침탄 공정에서 유래되었다. 강철 가공물을 탄소 기반의 표면 경화 화합물로 채워진 케이스 내부에 배치하고, 이를 침탄 팩이라고 불렀다. 이 팩을 가변적인 시간 동안 뜨거운 용광로 안에 넣어 표면 경화 깊이를 조절했다. 그러나 탄소가 고체 강철로 깊이 확산될 수 없는 한계 때문에, 이 방법으로 가능한 일반적인 표면 경화 깊이는 최대 1.5mm였다. 현대 침탄에서는 탄소가 풍부한 분위기에서 가열하는 등의 기술이 사용된다. 소형 품목은 토치로 반복 가열하고 "Kasenit"/"Casenite" 또는 "Cherry Red"와 같은 탄소 함유 매체에서 급냉시켜 표면 경화할 수 있다. 이러한 화합물의 구형 제형에는 잠재적으로 유독한 시안화물 화합물이 포함되어 있었지만, Cherry Red와 같은 최신 유형은 그렇지 않다.[2][3]
3. 1. 침탄법 (Carburizing)
침탄법(Carburizing)은 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 경화시키는 방법이다.[1] 탄소 자체는 표면 경화 온도에서 고체이므로 이동성이 없다. 강철 표면으로의 이동은 탄화 화합물의 분해와 밀봉된 상자에 채워진 산소에 의해 생성된 기체 일산화 탄소를 통해 이루어진다. 밀봉은 CO가 새어나가거나 과도한 외부 공기에 의해 CO2로 산화되는 것을 막기 위해 필요하다.[1]분해되기 쉬운 탄산염 "활성제"인 탄산 바륨을 첨가하면 BaO + CO2로 분해되어 다음 반응을 촉진한다.[1]
:C (공여체에서) + CO2 <—> 2 CO
이는 CO의 전체 농도와 탄화 화합물의 활성을 증가시킨다.[1]
표면 경화가 뼈로 이루어졌다는 것은 일반적인 지식의 오류이지만, 이는 오해의 소지가 있다. 뼈가 사용되었지만, 주요 탄소 공여체는 발굽과 뿔이었다. 뼈에는 약간의 탄산염이 들어 있지만 주로 인산칼슘 (수산화인회석)이다. 이것은 CO 생성을 촉진하는 데 유익한 효과가 없으며 인을 불순물로 강철 합금에 도입할 수도 있다.[1]
침탄법은 탄소 함량이 0.1~0.3 wt% C인 강을 표면 경화하는 데 사용되는 공정이다. 이 공정에서 철은 특정 시간 동안 고온의 탄소 농도가 높은 환경에 노출된 후 급랭되어 탄소가 구조에 갇히게 된다. 침탄은 확산 제어 공정이므로 강철이 탄소 농도가 높은 환경에 더 오래 노출될수록 탄소 침투가 커지고 탄소 함량이 높아진다. 침탄된 부분은 화염 경화 또는 유도 경화를 통해 다시 경화될 수 있을 만큼 충분히 높은 탄소 함량을 갖게 된다.[1]
구리 도금과 같은 공정으로 나머지 부분을 보호하거나 부품의 일부에만 침탄 매체를 적용하여 부품의 일부만 침탄할 수 있다. 탄소는 고체, 액체 또는 기체 공급원에서 나올 수 있다. 고체 공급원에서 나오는 경우 이 공정은 팩 침탄이라고 한다. 저탄소 강 부품을 탄소질 재료로 포장하고 일정 시간 가열하면 탄소가 바깥쪽 층으로 확산된다. 액체 침탄은 부품을 용융 탄소 함유 재료(종종 금속 시안화물)의 욕조에 넣는 것이며, 가스 침탄은 부품을 메탄이 풍부한 내부를 유지하는 용광로에 넣는 것이다.[1]
3. 2. 질화법 (Nitriding)
질소(N)를 강재 표면에 확산시켜 경화시키는 방법으로, 주로 암모니아 가스 환경에서 이루어진다.[1] 500~600°C에서 장시간 가열 후 가스를 계속 공급하며 서서히 냉각하는 방식으로 진행된다. 질화법은 담금질이 필요 없고, 치수 변화가 적어 게이지나 측정기 등 정밀 부품의 측정면 경화에 이용된다.[1] 크롬, 몰리브덴, 알루미늄과 같이 질화물 형성 원소를 포함한 강재에 적용하면 효과적이며, 질화물 형성을 통해 경도를 높인다. 질화 후에는 담금질을 수행하지 않는다.[1]3. 3. 시안화법 (Cyaniding)
시안화법(Cyaniding)은 청화칼리, 청산소다 또는 페로시안화칼리 또는 페로시안화소다 등 시안화물을 사용해서 하는 경화법이다. 목탄이나 골탄 등을 사용하는 고체 침탄법보다도 비교적 얇은 경화층을 간단히 만들고자 할 때 이용하는 방법이다. 청화법에는 「간편 뿌리기법」과 「침적법」의 두 방법이 있다. 「간편 뿌리기법」은 시안화칼리 또는 황혈염(黃血鹽)을 주성분으로 한 분말제를 적열시킨 철의 부분에 뿌리거나 적열부분을 분말제 속에 파묻어 물 담금질을 하는 방법이다. 「침적법」은 청화칼리, 청화소다 등에 탄산칼리 또는 탄산소다 등을 섞은 혼합제의 용융 염욕(850°C)에 부품을 침적시킨 후 물 담금질한다. 이렇게 하면 깊이 0.3~1.0mm의 경화층이 생긴다. 청화법이 보통 고체 침탄법과 다른 점은 침적법을 단순히 탄소만을 침투시키는 데 대해 간이 뿌리기법, 청화물 CN에 의한 침탄과 질화의 두 작용을 할 수 있는 것이며, 청화법은 담금질 고속도강의 경화법에도 응용된다.사이아나이징은 빠르고 효율적인 표면 경화 공정으로, 주로 저탄소강에 사용된다. 부품을 시안화 나트륨 욕조에서 871–954°C까지 가열한 다음, 잔류 시안화물을 제거하기 위해 물 또는 오일로 냉각 및 세척한다.
화학 반응식은 다음과 같다.
: 2NaCN + O2 → 2NaCNO
: 2NaCNO + O2 → Na2CO3 + CO + N2
: 2CO → CO2 + C
이 공정은 침탄에 의해 생성된 것보다 더 단단한 얇고 단단한 껍질(0.25에서 0.75mm 사이)을 생성하며, 몇 시간에 비해 20~30분 만에 완료될 수 있어 부품이 변형될 기회가 줄어든다. 일반적으로 볼트, 너트, 나사 및 작은 기어와 같은 작은 부품에 사용된다. 사이아나이징의 주요 단점은 시안화물 염이 독성이 있다는 것이다.
3. 4. 화염 및 유도 경화법 (Flame and Induction Hardening)
차등 열처리(Differential heat treatment)는 철의 표면을 급속히 고온 상태로 만든 후 다시 급히 냉각시켜 경화를 얻는 방식이다. 현대의 차등 열처리는 주로 화염 경화와 유도 경화 방식을 따른다.화염 경화(Flame hardening)는 강력한 산소-가스 불꽃을 사용하여 철의 표면을 급속히 가열하여 표면층이 오스테나이트화 되었을 때 급랭하여 표면만을 경화한다. 유도 경화(Induction hardening)는 경화하려는 부분의 표면에 주로 전자기 유도에 의한 고주파 전류를 발생시켜 단시간에 고열로 가열한 후 표면층만을 경화시키는 방식이다.
화염 경화 또는 유도 경화는 강철 표면을 매우 빠르게 고온으로 가열한 다음, 일반적으로 물을 사용하여 빠르게 냉각시켜 표면에 마르텐사이트 "케이스"를 생성한다. 이러한 유형의 경화에는 0.3–0.6 wt% C의 탄소 함량이 필요하다. 다른 방법과 달리 재료의 화학적 조성을 변경하지 않고 국부적인 열처리 공정이므로, 급랭 경화에 충분히 반응하는 고탄소강에만 일반적으로 유용하다.
일반적인 용도로는 바깥층이 파일 저항성을 갖도록 경화된 자물쇠의 족쇄와, 내구성과 치명적인 고장 저항성을 유지하기 위해 인성이 필요한 동시에 경질 기어 맞물림 표면이 필요한 기계 기어가 있다.
화염 경화는 정의된 표면 영역에 산소-가스 불꽃을 직접 충돌시켜 사용하며, 경화 과정의 결과는 불꽃 헤드의 설계, 가열 시간, 도달할 목표 온도, 처리할 금속의 조성의 네 가지 요소에 의해 제어된다.
3. 5. 탄소 질화법 (Carbonitriding)
탄소 질화법은 시안화법과 유사하지만, 시안화나트륨 대신 암모니아와 탄화수소의 기체 분위기를 사용한다는 점이 다르다. 부품을 급냉할 경우 775–885 °C로 가열하고, 그렇지 않은 경우 649–788 °C로 가열한다.3. 6. 페라이트 질화 침탄법 (Ferritic Nitrocarburizing)
페라이트 질화 침탄은 주로 질소와 소량의 탄소를 임계 온도 미만, 약 650°C에서 가공물의 표면에 확산시킨다. 임계 온도 이하에서는 가공물의 미세 구조가 오스테나이트 상으로 변환되지 않고 페라이트 상으로 유지되므로 "페라이트" 질화 침탄이라고 불린다.4. 표면 경화의 활용
고압과 날카로운 충격을 받는 부품은 여전히 일반적으로 표면 경화 처리된다. 예를 들어, 발사 핀과 소총 노리쇠 면 또는 엔진 캠축이 있다. 이러한 경우, 경도가 필요한 표면을 선택적으로 경화하여 부품의 대부분을 원래의 튼튼한 상태로 유지할 수 있다.
과거에는 총기가 표면 경화 처리되는 일반적인 품목이었다. 낮은 탄소 합금에서 가장 잘 수행되는 정밀 가공이 필요했지만 더 높은 탄소 합금의 경도와 내마모성이 필요했기 때문이다. 특히 싱글 액션 리볼버를 포함한 많은 구형 화기의 현대 복제품은 여전히 표면 경화된 프레임 또는 전통적인 숯과 뼈 표면 경화로 남은 얼룩덜룩한 패턴을 모방하는 ''표면 착색''으로 만들어진다.
표면 경화의 또 다른 일반적인 적용 분야는 나사, 특히 자체 태핑 나사이다. 나사가 강철과 같은 다른 재료를 드릴, 절단 및 태핑할 수 있으려면 드릴 포인트와 성형 나사가 드릴링하는 재료보다 더 단단해야 한다. 그러나 전체 나사가 균일하게 단단하면 매우 부서지기 쉬워 쉽게 부러진다. 이는 표면만 경화되고 코어가 상대적으로 부드러워 부서지기 쉬운 정도가 덜하도록 함으로써 극복된다. 나사 및 패스너의 경우, 표면 경화는 가열 후 급냉으로 구성된 간단한 열처리를 통해 이루어진다.
도난 방지를 위해 자물쇠 족쇄와 체인은 절단을 방지하기 위해 종종 표면 경화 처리되는 반면, 충격에 저항하기 위해 내부에서는 덜 부서지기 쉬운 상태로 유지된다. 표면 경화된 부품은 가공하기 어렵기 때문에 일반적으로 경화 전에 성형된다.
대한민국의 주력 산업에서 표면경화법은 다양한 분야에 적용된다. 자동차 산업에서는 엔진 부품, 변속기 기어, 샤프트 등 내마모성과 내피로성이 요구되는 부품에 적용되며, 조선 산업에서는 선박 엔진 부품, 프로펠러 샤프트 등 고강도와 내식성이 필요한 부품에 사용된다. 항공우주 산업에서는 항공기 엔진 부품, 랜딩 기어 등 극한 환경에서 작동하는 부품의 성능 향상에 기여한다.
더불어민주당은 제조업 경쟁력 강화를 위해 표면 경화와 같은 뿌리 기술의 중요성을 강조하고 있으며, 관련 기술 개발 및 인력 양성에 힘쓰고 있다.
4. 1. 대한민국 주력 산업에서의 활용
대한민국의 주력 산업에서 표면경화법은 다양한 분야에 적용된다. 자동차 산업에서는 엔진 부품, 변속기 기어, 샤프트 등 내마모성과 내피로성이 요구되는 부품에 적용되며, 조선 산업에서는 선박 엔진 부품, 프로펠러 샤프트 등 고강도와 내식성이 필요한 부품에 사용된다. 항공우주 산업에서는 항공기 엔진 부품, 랜딩 기어 등 극한 환경에서 작동하는 부품의 성능 향상에 기여한다.고압과 날카로운 충격을 받는 부품, 예를 들어 발사 핀, 소총 노리쇠 면, 엔진 캠축 등은 표면 경화 처리를 통해 필요한 경도를 확보한다. 과거에는 총기가 표면 경화 처리되는 일반적인 품목이었으며, 특히 싱글 액션 리볼버를 포함한 구형 화기의 현대 복제품은 표면 경화된 프레임 또는 ''표면 착색''으로 만들어진다. 나사, 특히 자체 태핑 나사의 경우에도 표면 경화를 통해 드릴링하는 재료보다 더 단단하게 만들어 쉽게 부러지지 않도록 한다. 도난 방지를 위한 자물쇠 족쇄와 체인 또한 표면 경화 처리로 절단을 방지하고, 충격에 저항하기 위해 내부는 덜 부서지기 쉬운 상태로 유지한다.
4. 2. 첨단 기술과의 융합
5. 결론
참조
[1]
서적
Part I: Applied Physical Metallurgy
Hodder & Stoughton
[2]
서적
Gunsmithing
Stackpole Books
[3]
웹사이트
Case Hardening in a Home Garage
http://www.hemmings.[...]
2006-03-01
[4]
웹사이트
산질화
http://report.dreamw[...]
[5]
웹사이트
"[공학]표면경화법 현황 과 발전방향"
http://report.dreamw[...]
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com