표면경화법(case hardening)

표면경화법 (case hardening)

금속의 열처리 방법 중의 하나로 금속 표면만의 경도를 올리는 방법이다. (겉은 바삭하고 속은 부드러운 바게트 빵같은 느낌이다.) 물론 surface hardening 이라고도 한다. 탄소강 뿐만 아니라 합금강에도 사용된다. 

금속 제품에서 경도를 높히는 것은 마찰면에 주로 사용되는데 경도를 높히면 내마모성이 높아지기 때문이다. 내마모성을 위해 경도가 높은 금속만을 적용하면 취성이 높아지는 단점이 있기 때문에 표면만 경도를 높히고 내부는 경도를 높히지 않기 때문에 취성의 전반적인 저하없이 내마모성을 높힐 수 있게 된다. 

강 표면의 화학성분을 변화시켜 경화하는 화학적 표면경화법과 강 표면의 화학성분을 변화 시키지 않고 담금질만으로 경화하는 물리적 표면경화법이 있다.

화학적 방법은 저탄소강과 같이 경도가 낮은 경우에 탄소나 질소를 표면에 스며들게 하여 경도를 올리는 것이 주 원리이다 (저탄소강은 말 그대로 탄소 함량이 낮아 경도를 올리기 쉽지 않다). 당연히 최종 형상으로 가공된 제품에 대해서 수행한다. 예를 들어 침탄법은 탄소를 스며들게 하는데 탄소는 당연히 고체이기 때문에 표면으로 스며들지 못하고 일산화탄소 (CO) 가스 형태로 제품의 표면에 스며들게 된다. CO 만드는 것은 쉬운데 밀폐된 공간 안에서 탄소가 많은 것들을 고온에서 산소와 반응시키면 된다 (번개탄에 불 붙이고 문 닫으면 사망하는 바로 그 원리). 탄소가 풍부한 뼈, 뿔, 발굽 등도 사용했다고 한다.

시안화법(청화법, Cyaniding)

시안화물을 사용하는 경화법이다. 빠르고 효율적인 방법으로 30분 이내에 가능하며 침탄법보다도 경도가 높다. 볼트, 너트, 스크류나 작은 기어와 같은 소형 부품에 보통 적용된다. 가장 큰 단점은 공정에 독성이 있는 재료가 있다는 것이다. 청화법에는 간편 뿌리기법과 침적법의 두 방법이 있다. 

간편 뿌리기법

시안화칼리 또는 황혈염을 주성분으로 한 분말제를 적열시킨 철의 부분에 뿌리거나 적열부분을 분말제 속에 파묻어 물 담금질을 하는 방법이다. 

침적법

청화칼리, 청화소다 등에 탄산칼리 또는 탄산소다 등을 섞은 혼합제의 용융 염욕(850℃)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.

질화법(Nitriding)

표면에 질소를 확산시켜, 표면층을 경화하는 방법이다. 암모니아 가스 중에 질소(N)의 반응으로 질화층을 만든다. 500~600℃로 50~100시간 가열하여, 계속해서 가스를 공급하면서 서서히 냉각시킨다. 가스에 노출되는 시간에 비례해서 경화층의 두께가 결정된다. 치수 변화가 적고, 담금질을 할 필요가 없다. 측정기에서 측정면의 경화 등에 이용된다. 

가스 질화법

설트 배스 (salt bath) 질화법

플라즈마 질화법

침탄법

침탄법(Carburizing)은 저탄소강의 표면에 탄소를 침입시켜 경화시키는 것이다..

고체 침탄법

가스 침탄법

진공 침탄법

화염 및 유도 경화법 혹은 차등 열처리 (Differential heat treatment)

철의 표면을 급속히 고온 상태로 만든 후 다시 급히 냉각시키는 과정 (보통 물을 사용) 을 통해 경화를 얻는 방식이다. 

화염 경화(Flame hardening)

강력한 화염에 의해 철의 표면을 급속히 가열하여 표면층이 오스테나이트화 되었을 때 급랭하여 표면만을 경화한다.

유도 경화(Induction hardening)

경화하려는 부분의 표면에 주로 전자기 유도에 의한 고주파 전류를 발생시켜 단시간에 고열로 가열한 후 표면층만을 경화시키는 방식이다.

참고문헌

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%91%9C%EB%A9%B4%EA%B2%BD%ED%99%94%EB%B2%95

https://en.wikipedia.org/wiki/Case-hardening