침탄 열처리의 정의와 종류 (고체침탄, 액체침탄, 가스침탄, 진공침탄)

이번에는 표면경화 종류의 하나인 '침탄 열처리'에 대해 알려드리겠습니다.

 

 

 

'침탄 열처리' 란?

강(Steel)의 표면에 탄소(Carbon)를 침투시키는 열처리 방법으로, 보통 '침탄법' 이라고 부릅니다.

즉, 표면에 탄소를 침투 및 확산시킨 후 담금질 하여 표면만 딱딱하게 경화시키는 열처리 방법입니다.

가공성이 좋은 연강 또는 탄소 함유량이 0.2% 미만인 저탄소강을 가공하여 원하는 형상으로 만든 뒤에, 표면층에 탄소를 침투시켜 내마모성과 표면경도를 높이고자 할 때 사용하는 표면경화 열처리방법 중 하나로서 기어, 샤프트, 캠과 같은 부품들의 표면 경도를 높여주고, 부품 내부는 하중에 의한 휨에 잘 견디는 인성을 갖도록 해주고자 할 때 유용한 방법입니다.

 

침탄 열처리 약식 그림

 

침탄 열처리 종류

∙ 고체 침탄법

고온에서 금속 또는 비금속을 강(Steel)의 표면에 침투시켜 합금층을 생성시키는 방법입니다.

고체 침탄제와 강을 철제 상자에 같이 넣은 뒤 내화 점토를 발라 밀봉시킨 상태에서 900~1000℃ 의 온도로 100~200분 동안 가열시키면, 탄소가 강의 표면에 침투됩니다.

침탄제는 반복적으로 사용할수록 침탄 효과가 떨어지게 되므로, 매회마다 적당량의 침탄제를 새로 공급해주어야만 합니다. 그리고 열처리 공정상 부품 전체에 열처리하는 것이므로, 만약 침탄이 필요 없거나 하지 말아야 하는 국소부위가 있다면 다음과 같은 방법을 사용합니다.

 

- 동으로 도금한다

- 초기 가공 시 여유 치수를 둔 다음, 침탄 열처리 후에 깎아낸다.

- 점토, 산화철분말, 규산나트륨, 석면 등 혼합물을 도포한다.

 

고체침탄법의 경우 침탄 깊이는 가열시간에 따라 달라지며, 0.5~2mm까지 가능합니다. 단, 가열 1시간당 0.1mm 밖에 침탄 되지 않아 다른 침탄법들에 비해 침탄 시간이 길어 양산성이 떨어지며, 탄소량을 조절하기 힘들다는 단점이 있습니다.

 

침탄 후에는 강(Steel)을 상온까지 서서히 냉각시킨 뒤에 다시 800~900℃ 까지 가열하여 기름에 급랭 시키는 담금질 과정을 하게 됩니다. 그리고 이걸 다시 재가 열하여 2차 담금질을 하면 보다 치밀한 조직을 얻을 수 있습니다.

침탄 상자에서 꺼낼 때, 상온까지 서랭시키지 않고 담금질 온도 800~900℃ 가 되었을 때 바로 담금질시키는 경우도 있습니다.

 

 

 

∙ 액체 침탄법 (염욕 침탄법)

침탄제와 촉진제를 용해한 액체(염욕) 속에 강(Steel)을 넣어 탄소와 질소를 침투시키는 열처리 방법입니다. 이처럼 침탄과 질화가 동시에 이루어지기 때문에 '액체침탄질화법' 이라고도 불립니다. 온도조절이 용이하며 가열이 균일하게 되어 제품의 변형이 적은 데다가 산화방지 효과까지 있습니다.

단, 침탄제(NaCN에 중성염이나 탄산염을 첨가한 침탄제)의 가격이 비싸며 침탄층이 얇고 유독가스가 발생한다는 단점이 있습니다.

 

∙ 가스 침탄법

일반적으로 많이 사용되는 침탄 열처리 방법으로, 고체 침탄에 비해 침탄 시간이 30~40분 정도로 매우 짧으며, 침탄 깊이가 균일합니다. 즉, 고체 침탄 법의 단점을 보완한 것이라고 할 수 있습니다.

일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 에탄(C2H4), 프로판(C3H8) 등과 같은 탄산수소계 가스를 니켈을 촉매로 하여 침탄가스로 변성시킨 후, 강(Steel)과 반응시키면 활성탄소가 석출 되어 표면에 탄소가 침투되게 하는 방법입니다.

단, 작업안정성이 낮고 대기 중에 공해를 유발하는 단점이 있습니다.

 

∙ 진공 침탄법

일반적으로 1기압 이하에서 900~1040℃ 의 온도로 가열한 제품에 대해 메탄, 프로판 등의 침탄성가스를 주입하여 침탄 열처리를 하였으나 그을음의 문제로 불포화 탄화수소인 아세틸가스를 이용하여 진공침탄을 실시하는게 현재 추세입니다. 탄소 고용한도와 확산을 이용하여 침탄층을 제어하는 방법으로, 침탄 시간과 확산 시간을 조절하여 목표로 하는 표면 탄소량과 침탄 깊이를 정확하게 얻을 수 있습니다.

 

침탄강의 종류

침탄 열처리의 대상이 되는 강(Steel)을 침탄강이라 하며, 탄소 함유량이 0.2% 미만인 저탄소강과 크롬이나 몰리브덴이 첨가된 합금강들이 해당됩니다.

 

- Cr강(크롬강) : SCR415, 420, 430

- Ni-Cr강(니켈 크롬강) : SNC415, 631, 815

- Cr-Mo강(크롬 몰리브덴강) : SCM415, 631, 815

- Ni-Cr-Mo강(니켈 크롬 몰리브덴강) : SNCM220, 415, 420, 439