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GEAR - 질화 열처리
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01. 질화의 특징 및 기본원리, 02. 질화 열처리 종류, 03. 질화열처리 종류별 작업방법, 
04. 이온질화법의 각 강제의 질화적용 예, 05. 질화 처리의 특징,
06. 가스 질화와 가스 연질화의 차이점
01. 질화의 특징 및 기본원리
철강의 표면 경화법중 화학적 표면 경화법의 한가지
질화처리의 목적 : 내마모성, 피로강도, 내소착성, 내식성 향상
주 적용 제품 : 금형, 공구, 고정밀 기계부품의 고성능 강화가 요구되는 부품에 적합
질화의 장점 : 저온인 400~600℃정도에서 처리되기 때문에 변형을 최소화 할수 있다
질화처리의 기본 원리

  
질소(N2),암모니아(NH3)를 이용하여 철표면에 N를 침투 확산 시 경질의 질화물
  (εFe2-N,rFe4N)을 형성하며 강중에 N과 결합력이 강한 합급원소 (AI,Cr,Mo)는
  고경도의질화물(AIN,Cr2N,MoN)을 생성 시킨다(표1참조)
02. 질화 열처리 종류
암모니아 (NH3)GAS중에서 처리물을 500~550℃정도로 오랜시간 가열하는 방법
아래식과 같이 해리(Dissociation)하면 발생기 질소는 철 표면에 흡착되어 내부로 확산하여
  질화층을 만든다
  2NH3 →← 3H2 + 2[N]
Fe2-3N이 주성분인 질화층이 매우 경도가 높으며 처리시간이 길다
질화층이 경화하기위해서는 철중에 AI, Cr, Mo가 첨가되어야 하므로 강종에 제한을 받는다
질화층을 깊이 요구하는 제품에 많이 적용된다
◑ 액체질화
염욕질화용 염으로 NaCN(55~65%),KCN(35~45%)의 혼합염을 사용
가열온도를 500~600℃로 하면 질화가 주체인 질화가 되도 질화 시간은 약 30~120분으로
  가스질화보다 짧다
질화강 뿐만 아니라 보통 가스질화보다 얕은 질화층을 얻는데 사용
◑ 터프트라이트 질화
터프트라이트용으로 개발된 염욕을 사용
여기에 공기를 흡입시키면서 약 570℃로 10~30분 동안 가열한 후 수중에서 급랭
기존 NH3 가스에 의한 질화에 비해 처리시간이 짧다
강종 제한이 없다
화합물층(化合物層)에 의해 내마모성 향상
확산층(擴散層)에 의해 피로강도가 향상
◑ 新터프트라이트 질화
신터프트라이트법과 기존 터프트라이트의 차이점 : 염욕 성분 차
처리온도는 580℃정도이며 무공해로 작업 가능
터프트라이드와 내마모성피로강도는 거의 같다
내식성은 산화물층을 생성시키는 기법을 적용할때 상당히 향상된다
피로강도도 어느 정도 높일수있다
염욕의 질소 포텐셜이 높아 같은 질화층 두께을 얻는데 소요되는 시간이 단축되어 경제적이다
◑ 가스연질화
가스 연질화는 질소와 탄소의 작용으로 화합물층의 조성이 달라진다
NH3을 함유한 환원성 분위기 중에서 A1변태점 이하인 500~700℃ 정도의 저온으로
  1~4시간 가열 강 표면에 탄질화물 또는 질화물층 그 배후의 질소 확산층을 시킨다
이 질소 확산층의 고용화를 유지시키기 위해 처리 후 바로 유냉 등의 급냉 을 하는 방법
가스 연질화한 강의표면의 탄질화물층 또는 질화물층에 의해 내마모성, 내소착성, 내식성이향상
질소확산층에 의해 피로강도가 향상
◑ 가스연질화(Cont)
혼합가스를 이용한 가스연질화법의 화학반응식
  2NH3 → 3H2 + 2[N]
  2CO → [C] + CO2
  상기 반응식에 의한 질화공정은 표면층에 Fe3 C가 생성되며,
  이 Fe3 C가 핵이 되어 Fe3 N, Fe4 N의 화합물층이 생성된다
처리온도는 통상 570~580℃이며 시간은 30분~5시간 정도
◑ 이온질화
Ion질화는 N2, H2 가스 등을 함유한 혼합희박(混合稀薄)가스 분위기에서 글로우 방전에 의한
  이온충격으로 표면경화시키는 질화법이다
이 질화법은 금속의 표면질화법중 가장 최근의 신기술 열처리법
질화층의 선택조직생성과 저온처리로 모재의 변형방지, 빠른 처리시간으 로 품질향상, 생산성,
  향상에 적극 기여되는 기법이다
◑ 이온질화 특징
생산원가를 절감
  - 열원은 진공로 안의 이온화한 GAS가 음극표면 처리물에 고속으로 충돌시 발생하는
  열에의해 질화처리
  - 처리후에 담금질, 뜨임, 후가공 등이 필요없어 생산 원가를 절감
효과적인 process임
  - 이온 스퍼트링(SPUTTERING)에 의해 처리부품표면이 활성화되어 질소의 포텐셜이 높다
※이온질화와 가스질화의 질화 속도 비교 (재료 : 질화강)
◑ 이온질화 특징(Cont)
무공해
  - 미량의 N2, H2 GAS 만으로 처리되는 새로운 질화법이다
저온처리가 가능하다
  - 400℃정도의 저온에서도 상당한 질화효과가 있으며
  - 질화 후 변형은 매우 적다.
  - 표면 상태도 좋다
  - 이온질화 전에 연마가공을 하여 질화 후 그대로 사용하기도 한다
질화처리 조거의 선택폭이 넓다
  - 350~600℃ 또는 그 이상의 온도에서도 질화가 가능
  - 처리온도, 처리시간등을 감안하여 경제적인 선택을 할 수 있다
화합물층 조성의 조정이 자유롭다
ε상, r상의 관리하기가 쉽고 화합물층 조성조절이 가능하다
특수강 질화가 쉽다
  - 예를 들면 스테인레스(Stainless)강과 같이 표면이 크롬산화물을 주체로 하는 부동태 피막이
   덮혀 있어서 질화를 억제하는 강에도 질화가 쉽다
적용범위가 넓다
강, 주철, 티타늄, 지르코늄 등의 합금에도 질화가 쉽다
내식성이 우수하다
대체적으로 내식성이 우수하며 크롬도금이상의 효과를 나타내는 재질도 있다
03. 질화 열처리 종류별 작업방법
암모니아 (NH3)GAS중에서 처리물을 500~550℃정도로 오랜시간 가열하는 방법
아래식과 같이 해리(Dissociation)하면 발생기 질소는 철 표면에 흡착되어 내부로 확산하여
  질화층을 만든다
  2NH3 →← 3H2 + 2[N]
Fe2-3N이 주성분인 질화층이 매우 경도가 높으며 처리시간이 길다
질화층이 경화하기위해서는 철중에 AI, Cr, Mo가 첨가되어야 하므로 강종 에 제한을 받는다
질화층을 깊이 요구하는 제품에 많이 적용된다
◑ 액체질화
염욕질화용 염으로 NaCN(55~65%),KCN(35~45%)의 혼합염을 사용
가열온도를 500~600℃로 하면 질화가 주체인 질화가 되도 질화 시간은 약 30~120분으로
  가스질화보다 짧다
질화강 뿐만 아니라 보통 가스질화보다 얕은 질화층을 얻는데 사용
◑ 터프트라이트 질화
터프트라이트용으로 개발된 염욕을 사용
여기에 공기를 흡입시키면서 약 570℃로 10~30분 동안 가열한 후 수중에서 급랭
기존 NH3 가스에 의한 질화에 비해 처리시간이 짧다
강종 제한이 없다
화합물층(化合物層)에 의해 내마모성 향상
확산층(擴散層)에의해 피로강도가 향상
◑ 新터프트라이트 질화
신터프트라이트법과 기존 터프트라이트의 차이점 : 염욕 성분 차
처리온도는 580℃정도이며 무공해로 작업 가능
터프트라이드와 내마모성피로강도는 거의 같다
내식성은 산화물층을 생성시키는 기법을 적용할때 상당히 향상된다
피로강도도 어느정도 높일수있다
염욕의 질소 포텐셜이 높아 같은 질화층 두께을 얻는데 소요되는 시간이 단축되어 경제적이다
◑ 가스연질화
가스 연질화는 질소와 탄소의 작용으로 화합물층의 조성이 달라진다
NH3을 함유한 환원성 분위기 중에서 A1변태점 이하인 500~700℃ 정도의 저온으로
  1~4시간 가열 강 표면에 탄질화물 또는 질화물층 그 배후의 질소 확산층을 시킨다
이 질소 확산층의 고용화를 유지시키기 위해 처리 후 바로 유냉 등의 급냉 을 하는 방법
가스 연질화한 강의표면의 탄질화물층 또는 질화물층에 의해 내마모성, 내소착성, 내식성이향상
질소확산층에 의해 피로강도가 향상
◑ 가스연질화(Cont)
혼합가스를 이용한 가스연질화법의 화학반응식
  2NH3 → 3H2 + 2[N]
  2CO → [C] + CO
  상기 반응식에 의한 질화공정은 표면층에 Fe3 C가 생성되며,
  이 Fe3 C가 핵이 되어 Fe3 N, Fe4 N의 화합물층이 생성된다
처리온도는 통상 570~580℃이며 시간은 30분~5시간 정도
◑ 이온질화
Ion질화는 N2, H2 가스 등을 함유한 혼합희박(混合稀薄)가스 분위기에서 글로우 방전에 의한
  이온충격으로 표면경화시키는 질화법이다
이 질화법은 금속의 표면질화법중 가장 최근의 신기술 열처리법
질화층의 선택조직생성과 저온처리로 모재의 변형방지, 빠른 처리시간으 로 품질향상, 생산성,
  향상에 적극 기여되는 기법이다
◑ 이온질화 특징
생산원가를 절감
  - 열원은 진공로 안의 이온화한 GAS가 음극표면 처리물에 고속으로 충돌시 발생하는
  열에의해 질화처리
  - 처리후에 담금질, 뜨임, 후가공 등이 필요없어 생산 원가를 절감
효과적인 process임
  - 이온 스퍼트링(SPUTTERING)에 의해 처리부품표면이 활성화되어 질소의 포텐셜이 높다
※이온질화와 가스질화의 질화 속도 비교 (재료 : 질화강)
◑ 이온질화 특징(Cont)
무공해
  - 미량의 N2, H2 GAS 만으로 처리되는 새로운 질화법이다
저온처리가 가능하다
  - 400℃정도의 저온에서도 상당한 질화효과가 있으며
  - 질화 후 변형은 매우 적다.
  - 표면 상태도 좋다
  - 이온질화 전에 연마가공을 하여 질화 후 그대로 사용하기도 한다
질화처리 조거의 선택폭이 넓다
  - 350~600℃ 또는 그 이상의 온도에서도 질화가 가능
  - 처리온도, 처리시간등을 감안하여 경제적인 선택을 할 수 있다
화합물층 조성의 조정이 자유롭다
ε상, r상의 관리하기가 쉽고 화합물층 조성조절이 가능하다
특수강 질화가 쉽다
  - 예를 들면 스테인레스(Stainless)강과 같이 표면이 크롬산화물을 주체로 하는 부동태 피막이
   덮혀 있어서 질화를 억제하는 강에도 질화가 쉽다
적용범위가 넓다
강, 주철, 티타늄, 지르코늄 등의 합금에도 질화가 쉽다
내식성이 우수하다
대체적으로 내식성이 우수하며 크롬도금이상의 효과를 나타내는 재질도 있다

04. 이온질화법의 각 강재의 질화적용 예

강종
처 리 온 도
(일반, ℃)
화 합 물 층
두께(㎛)
경 화 층
두께(mm)
표 면 경 도
(HMV)
적 용 예
SPCC
S10C
570 ~ 590
8 ~ 10
0.3 ~ 0.4
400 ~ 500
500 ~ 600
컴퓨터주변부품,
미싱,농기구부품,판스프링,
브 레이크패드 등
S25C
S35C
S45C
570 ~ 580
10 ~ 15
0.2 ~ 0.25
600 ~ 700
샤프트,유공압부품,
펌프, 커터기어,
프린트기판용 금형
SK3
550 ~ 570
10 ~ 15
0.25 ~ 0.3
600 ~ 700
프린트기판용금형
샤프트, 핀 등
SCM435
500 ~ 570
6 ~ 10
10 ~ 15
0.25 ~ 0.3
0.5 ~ 0.6
550 ~ 750
샤프트
내치기어
SCM440
SCM439
500 ~ 530
10 ~ 15
0.4 ~ 0.6
600 ~ 700
내치기어,유성차
기어등
SACM64
5
500 ~ 550
10 ~ 20
0.25 ~ 0.5
900 ~ 1,000
가열실린더,스크류,
스크류,스크류헤드,터보부품,캠,
인젝션핀
SKD61
SKD62
510 ~ 530
10 ~ 15
0.25 ~ 0.5
1,000 ~ 1,100
열간단조용금형,
알루미늄 압출금형,
샤프트, 핀
SKD11
450 ~ 480
10 ~ 15
(0.1 ~ 0.3)
0.01 ~ 0.15
1,000 ~ 1,200
스크류,스크류헤드,
냉간용 펀치
SKH51
480 ~ 500
2.0 ~ 8.0
0.1 ~ 0.2
0.01~0.03
1,200 ~ 1,300
냉간용펀치,
드릴,엔드밀
SUS304
SUS403
550 ~ 570
20 ~ 60 ~150
100 ~ 180
0.02~0.08~0.15
0.1 ~ 0.18
1,000 ~ 1,200
터보부품,밸브봉,
샤프트,가이드롤
러스크류
FCD
550 ~ 570
8 ~ 12.0
0.03 ~ 0.05
600 ~ 800
크랭크샤프트,
실린더
YHD3
390 ~ 420
5.0 ~ 10.0
0.1 ~ 0.2
1,000 ~ 1,100
열간단조용
금형
NAK55
450 ~ 510
2.0 ~ 5.0
0.05 ~ 0.15
750 ~ 850
소성가공금형,
금형부품다이케스팅
금형부품
MASL
400 ~ 480
2.0 ~ 5.0
0.05 ~ 0.15
800 ~ 1,000
소성가공금형,
다이케
스팅금형부품
MAC24
500 ~ 530
10 ~ 15
0.4 ~ 0.6
800 ~ 900
실린더,캠,
익스트
누전기계 부품
05. 질화 처리의 특징
 
가 스
연 질 화)
터프트라이드
(염욕질화) 법
이온Plasma
질 화 법
가 스
질 화
원 리
RX 가스50%
NH3가스50%
혼합분위기에
서N,C를 강에
확산시킨다.
2NH3→2[N]+ 3H2
2CO→[C]+CO
XCN,XCNO,X
CO(X:알칼리금속)
욕중 에서
반응에 의해N,
C의 확산공기
2XCNO+0→O+2[N]+X
CO
2CO→[C]+CO
진공로에서
글로 우방전을
발생시 켜 N,X 및
다른 가스의 단독
또는 복합가스 분
위기에서
확산시킨다.
암모니아가스의
경우
2NH→2[N]+3H
NH가스
분위기에서
N 을 확산시켜
친질소원 소와
질화물을
만든다.
2NH→2[N]+3H
적용
강종
전 강 종
전 강 종
일부의 비철을
포함한 전강종
질 화 강
온 도
460 ~ 580℃
560 ~ 580℃
350 ~ 570℃
500 ~ 540℃
열 원
외부전기가열
외부전기가열
방전가열
외부전기가열
시 간
15분 ~ 6시간
15분 ~ 3시간
15분 ~ 20시간
40분 ~ 100시간
경화층
(mm)
화합물층 최대 0.04
확산층 최대 0.4
화합물층 최대 0.04
확산층 최대 0.4
화합물층 최대 1/1000
확산층 최대 0.4
화합물층 최대 0.03
확산층 최대 0.6
표면경
도(Hv)
탄소강(1000~1200)
합금강 (600~1200)
탄소강(1000~1200)
합금강 (600~1200)
탄소강(1000~1200)
합금강 (600~1200)
고합금강 (1000~1200)
질화제
NH3가스
RX가스
XCN,
XCNO
N,H 침탄성의
단독 또는 혼합가스
NH3 가스
장점
내마모,
내소착성
피로강도,
내식성,
물처리
대책
불필요
단시간
내소착성
피로강도,
모든강에
적용 가능,
설비비적음,
어떤
형상도
적용가능
질화성
양호,
넓은
조건
설정가능
화합물
층이
양호
높은 경도
내마모성
피로강도
단점
설비비가 비쌈,
오스테
나이트강에
부적당
배수처리
에서
CN제거
대 책
형상과
크기 제한,
급랭 이
불가능,
양산 곤란
백층연마
제거,
장시간
소요,
전용강종이
필요
부분질화
어 려 움
어 려 움
상당히 쉬움
어 려 움
관 리
NH3의
분해도
노점. 보통
욕의 조성

분석,
어려움
방전 전압,
전류. 쉬움
N H3의
분해도,
보 통
변 형
極小

06. 가스 질화와 가스 연질화의 차이점

질화법
가스 질화
가스 연질화
재질
고급강
SACM, SKH, SKD, SCM, SUP
저급강
SPC, 탄소강, 주철, STKM
목적하는 조직
확산층과
Al, Cr과 N화합물층
(Fe-Al-N, Fe-Cr-N)
화합물층
Fe와 N 화합물
(Fe3N, Fe4N)
경화층 깊이
깊다
0.1 ~ 0.3mm
얕다
8 ~ 15 um
표면경도
높다
Hv 700 ~ 1200
낮다
Hv 400 ~ 700
처리시간
길다
25 ~ 100시간
짧다
90 ~ 150 분
용 도
단발 부품
금형종류, Drive-shaft,
eject-turbine, cam
양산 부품
OA부품, 자동차부품, 미싱부품
참고 자료 및 출처 - ㈜영풍 열처리( www.heat-treatment.co.kr ) - ㈜동성열처리
  
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