열처리 적용의 정의

-침탄강의 선택

요구되는 재료의 강도를 만족시키려면, 강재를 선택하고 열처리 방법을 결정하여야 한다. 이러한 일련의 작업을 열처리설계라 칭한다. 적절한 열처리 설계는 부품에 요구되는 재료강도를 명확히하며 제조 원가를 최소로 함을 염두에 두러야 한다.

실제로는 여러가지 성질을 재료는 요구하고 있으나, 열처리부품에서는 경도, 충격성, 내마모성등 특성한 성질을 명확히하여 열처리 설계를 하여야 한다.

유사품과 비교, 과거의 실적 경험을 바탕으로 재료를 선택하고 열처리방법을 결정해야한다. 기계부품에 침탄열처리를 행하는 경우 설계자는 최소한의 표면경도와 경화깊이를 지정하여야 한다. 이것은 요구되는 재료강도를 경도의 특성치로 대치할 수 있기 때문이다.

침탄강을 선택할 때 기지경도를 만족시키고 침탄층에는 충분한 소입성을 가진 재료를 선택하여야 한다.이것은 재료의 사전 열처리조건과도 관련이 있다. 경화깊이는 침탄조건 강종 및 사전 열처리 조건에 따라 달라지기 때문이다.

 

1.기지 경도(Matrix hardness)

침탄 경화층 이외의 임의의 위치에서 측정한 경도를 기지 경도라 한다.

축의 경우는 표면으로부터 1/4R 위치를 측정하여 이 재료의 강도를 표시하는 경우도 있다.

침탄부품의 기지경도의 추정은 소재조질로 소입경화깊이의 검토에 이용된다.

그로스만의 챠트를 사용한다. 직경 50mm로 표면으로부터 5mm위치의 기지경도가 HB=302(hrc=32)를 요구하는 경우 다음의 순서로 추정할 수 있다.

이것은 반지름 25mm에 대해여 표면으로부터 5mm위치에 있으므로 로스만챠드 r/R=(25-5)/25=0.8을 이용한다.

 

2.침탄층의 경도

침탄층의 경화능은 구조용합금강 중에서 우수하다. 소물부품은 공냉을 실시하여도 절삭이 불가능 할 정도까지 경화가 일어난다. 반대로 부품의 질량이 클 경우에는 유냉을 실시하여도 불완전퀜칭이 일어나는 경우가 있다. 일반적으로 질량이 큰 부품의 침탄층이 충분히 경화가 될 수 있는지는 검토하여야되므로 그로스만챠트에서 r/R=1.0을 이용하여 살두께에 대한 관계를 알아 볼수 있다.

침탄층이 퀜칭경화되는 것을 추정하는 순서를 알아보자.

그로스만챠트 r/R=1.0이고 침탄강의 죠미니시험편을 각각 C%에 침탄한 결과이다. 부품의 직경이 이의 냉각능인 경우 이의 교점으로부터 수직선, 이것이 처리물 표면의 냉각속도에 대응하는 조미니거리이다.

 

-침탄강의 검사의 정의

열처리를 행한 부품은 정해진 판정기준에의한 검사를 실시하여, 합격품만 다음 공정으로 이송되어야 한다. 여기에서 중요한 것은 판정기준의 내용이다.

예를 들면 퀜칭을 행한 부품이 치수변형이다. 치수가 변했다는 것은 이 부품에 요구되는 기능을 만족시키는 경우와 만족시키지 못하는 경우가 있다. 이 경우에 만족시키는 변형의 허용범위가 판정기준이 된다. 이상과 같이 부품에 요구되는 기능을 충분히 분석하여 적절한 판정기준을 설정하여야하며, 동시에 제조원가를 낮출 수 있도록 함이 중요하다. 침탄부품의 표면경도를 지정하는 경우, 설계자는 템퍼링 후의 치수를 지정하는 것이 보통이다.. 이것을 검사하는 경우 템퍼링 후의 검사로는 불충분하다. 이유는 침탄퀜칭이 정상적으로 실시되었는가를 판단할 수 있는 것은 템퍼링 후의 경도값으로는 불가능하기 때문이다. 업무를 표준화하는 입장에서 검사는 판정기준에 따라서 합격, 불합격의 결정을 하여야 함은 절대적인 사항이다.

 

-침탄강의 강도에 영향을 미치는 요인

침탄강의  강도를 지배하는 인자는 경도와 압축잔류응력으로 구별된다. 경도를 지배하는 요인은 여러가지 있으며, 이를 아래의 특성요인도에 나타낸다.

 

1.탄소량

경도를 지배하는 최대인자는 C% 이다. C%의 측정은 침탄부품의 품질을 평가하는 경우 대단히 중요한 요소이다. 탄소분석은 오래전 부터 행하여 오던 절삭가루를 시료로하여 연소시키는 방법이 있다. 최근 장치는 1개의 측정이 1분이내에 가능하며 디지털로 표시되고 있다.

다른 방법은 발광분광분석을 이용하는 것이다. 이는 파이10~15의 평면을 이용, 분석하는 것으로 표면층을 그라인딩하여 임의의 깊이에서 분석이 가능하다. 이상은 기기분석 방법이며, 분석기기는 일반적으로 고가이므로 어디에나 설치가 곤란하다. 이런 기기를 사용하지않고도 충분히 공업적으로 만족할 수 있는 C%의 추정은 가능하다.

이 방법은 옛부터 사용되고 있는 광학현미경에 의한 방법이다. 퀜칭이 완료된 침탄층의 조직을 관찰하여 C%를 추정할 수 있다. 관찰의 포인트는 잔류오스테나이트량, 탄화물의 량, 마르텐사이트 형상의 3가지 퀜칭경도로서 알 수 있다.

이 것은 숙련을 필요로 하지만 결코 불가능한 것은 아니다. 기타 방법으로는 불꽃테스터 방법이 있지만 이는 침탄품과 같은 표면과 심부의 탄소량이 다를 경우에는 적용이 곤란하다.

 

2.경도

침탄경도는 조직과 밀접한 관계가 있다.침탄부품의 표면경도는 일반적으로 로크웰C스케일로 측정한다. 표면의 경도분포는 비커스경도계를 사용한다.

경도 측정시 주의사항은 표면 근방 30um부근을 정확히 측정하기 어렵다는 것이다. 이유는 입계산화에 기인한 불완전퀜칭층의 유무를 알지 못하고 있기 때문이다.불완전퀜칭칭이 침탄강의 재료강도에 미치는 영향은 이미 알고 있다.

 

3.조직

침탄강의 조직은 침탄층의 재료강도와 밀접한 관계가 있다. 침탄층의 조직성분의 종류와 입계산화에 기인한 불오나전 퀜칭층의 유무는 중요한 요인이다. 조직 검사시 중요한 포인트는 잔류 오스테나이트량, 트루스타이트조직, 결정입도 등이 있다.

 

4.경도, 경화깊이 산포

침탄처리한 부품의 경우, 제품별 및 부위별로 표면경도 및 경화깊이의 산포가 발생한다.

이의 원인은 소재의 재질 산포, 형상에 의한 냉각능 차이, 처리로의 분위기 분포, 장입방법의 차이, 장입위치에 따른 냉각차이 등 수 많은 요소가 있다. 이러한 이유로 각종 검사표준 및 측정위치, 허용범위, 측정방법 등을 규정하여 실시하고 있다.