열처리 실무의 개념

-침탄용 강에 대한 정의

침탄에 적용되는 재료는 KS의 구조용처강재 중에 침탄용으로 구분되어있으며, 소재의 탄소량에 관계되어 있다. 일반적으로 0.2%C 정도의 강재를 기본으로 하여 여기에 Ni, Cr, Mn, Mo 등의 합금원소를 단독 또는 복합으로 첨가하여 침탄용강이라 칭하고 있다.

침탄은 침탄성 분위기의 가본 포텐샬과 금속 중의 C% 와의 농도차에 비례하여 탄소가 확산침투되므로 강 중의  C%가 높을ㄹ수록 침탄이 잘 이루어지지 않는다.

침탄품의 특징의 첫번째 특징은 침탄퀜칭한 부품의 표면에 압축된 잔류응력이 생성되는 것이다. 침탄강(소재)에 포함되어 있는 탄소량이 많은수록 침탄소입후, 부품표면의 압축잔류응력이 작게 나타나므로, 침탄에 적용되는 강의 탄소량은 보통

0.2% 전후가 적용된다.

 

1.침탄용강의 규격

KS의 구조용강 강재에는 퀜칭을 보증하는 것과 보증하지 않는 것의 2가지로 되어 있다.

경화능보증강은 H강이라고 하며, 이는 H-밴드가 규정되어 있으며, H-밴드란 퀜칭시 경도를 보증하는 허용범위를 의미한다.사용 용도에 따라서는 일반적 H밴드 보다 훨씬 더 그 허용범위를 좁혀서 사용할 수도 있으며, 이 경우는 메이커 측과 별도 협의하여 제조, 사용하여야 한다. 일반적으로는 그 허용 범위를 1/2밴드 또는 1/3밴드를 사용하고 있으나 특별한 경우에는 이 보다 훨씬 더 좁혀서 사용할 수도 있다.

 

2.소재의 기본적 성질

침탄강의 열처리시 생각해 두어야할 기본적 사항은 변태점에 관한 사항이다.

침탄강은 절삭가공하기 전에는 노멀라이징을 실시하고, 단조를 실시하였을 경우에는 노멀라이징 또는 조질처리

(Quenching & Tempering)등의 전처리를 실시한다.

이 때 적정한 온도관리가 요구되므로 소재의 변태온도를 미리 알아두어야 할 필요가 있다.

 

-침탄층의 열처리 특성

강을 침탄하여 표면을 경화하는 목적은 1)내마모성을 얻고자할 경우 2)강의 피로강도를 향상시킬 경우 3)소착을 방지할 

경우 등이 있다.

기계 부품에 요구되는 재료강도는 부품의 기능에 따라 다르다. 기본적으로는 요구되는 기능에 맞는 열처리를 실시하여야 하며, 이는 용이하지 않으며, 요구되는 기계강도를 만족시키는 열처리를 실시하는 것이 기술자의 과제이다.

침탄 열처리시 부품의 품질에 영향을 미치는 기본적인 요인에 대해서 알아보자.

 

1.침탄의 경도

경도는 마르텐사이트에 고용되어있는 탄소량에 의해 좌우된다.

C가 많이 고용된 마르텐사이트의 경우 경도가 높다.

침탄은 강을 오르테나이트상태로 가열하여 탄소를 침입시키고, 변태를 이용하여 마르텐사이트를 생성시켜 경화시키는 것이다.침탄의 표면탄소량은 강의 공석 조성을 중심으로 처리하는 것이 보통이다. 0.80%C의 Ms점은 강종에 따라 다르지만 보통 120~150도이다. C가 1%를 초과하는 경우 Ms점이 내려가 약100도 부근이다.

 

2.침탄층의 조직

침탄층의 표면조직은 탄소량에 따라 크게 변화한다. C가 많을수록 일반적으로 잔류 오스테나이트량이 많아지며, 표면경도가 낮다. 그러나 0.6%의 탄소량의 경우는 냉각중에 트루스타이트를 생설시킬 수 있다. 현미경 조직관찰시 잔류 오스테나이트량 및 마르텐사이트의 특징을 판단할 시에는 경도와 탄소량을 추정할 수 있다.

Ni, Cr, Mo 등의 합금원소를 갖고있는 침탄강의 침탄층은 경화능이 좋아서 두께가 얇은 경우에는 유냉이 아닌 공냉에서도 충분한 경화가 일어난다. 한편 경화능이 좋더라도 두께가 두꺼운 경우는 유냉을 실시하여도 충분한 경화가 일어나지 못하는 경우가 있다. 이런 경우 침탄층 일부에 트루스타이트가 생성된다.조직을 관찰하여 보면 냉각이 불충분하여 침탄층에 트르스타이트가 생성됨을 알 수 있다.

이 침탄퀜칭조직을 검사하여 보면 유효경화층을 만족하는 경우가 많으나, 트루스타이트는 마르텐사이트에 비해 피로강도가 낮은 관계로 이 측면에서 불리하다.

 

-침탄강의 잔류 오스테나이트의 정의

침탄퀜칭부품은 마르텐사이트 조직의 상태에서 사용된다.

그러나 강종 및 열처리방법에 따라 퀜칭상태에서 마르텐사이트 성분외에 오스테나이트성분이 혼재되어 나타날 수 있다.

특히 C, Ni, Mo 등의 합금원소가 많이 첨가되어 있을 때, 궨칭하는 경우 마르텐사이트변태를 진행시키지 못한 미변태의 오스테나이트 즉 잔류오스테나이트량이 많이 나타난다.

보통의 침탄 열처리시 생성되는 10~30% 정도의 잔류오스테나이트는 재료의 피로강도에 큰 영향을 미치지 않는다고 알려져 있다. 침탄질화의 경우 특별한 방법으로 잔류오스테나이트를 적극적으로 이용하는 경우도 있다. 반대로 잔류오스테나이트를 심냉처리(Sub-zero)하여 감소시키면서 경도를 높이는 방법으로 이용 할수 있다.

그러나 심냉처리하여 경도를 높히는 경우 이 재료의 피로 강도는 상당히 저하된다.

 

침탄강의 입계산화점에 대해서 알아보자.

프로판 및 부탄을 공기와 변성하여 사용하는 RX가스는 미량의 수증기 및 탄산가스를 포함하고 있어, 이 가스가 강을 산화시킨다. 그래서 침탄 중의 강은 침탄과 동시에 산화가 진행된다. 강의 산화는 분위기가스 중의 수증기 및  탄산가스 농도가 높을수록 로점이 높을수록(카본포텐샬이 낮을수록) 금속의 온도가 높을수록 잘 진행된다.

또한 강 중에 산소와 친화력이 강한 원소 즉 Cr, Mn 등을 많이 함유한 강은 산화가 쉽다.강에 산소가 침투하는 경우 산소의 확산속도는 잉ㄹ반적으로 결정입내보다 입계 방향으로 빠르게 진행된다.