표면 경화강: 공정, 등급 및 사용 시점
표면 경화란 무엇인가요?
표면 경화는 연성이 뛰어나고 질긴 내부 표면층(“케이스”) 위에 단단하고 내마모성이 있는 외부층을 형성하는 표면 처리 기법입니다. 가장 일반적인 방법은 저탄소강 표면에 탄소를 확산시키는 침탄 처리입니다. 관련 확산 방법으로는 탄질화 처리(탄소와 질소)와 질화 처리(질소만 사용)가 있습니다. 이 모든 처리 방법은 표면의 화학적 조성을 변화시켜 표면을 경화시킨 후, 필요한 부위를 급랭시키는 과정을 거칩니다.
표면 경화는 유도 경화나 화염 경화와 혼동해서는 안 됩니다. 이 두 가지 방법 역시 표면층을 경화시키지만, 이미 충분한 탄소를 함유한 강재를 국부적으로 가열하고 담금질하는 방식으로, 새로운 원소를 첨가하지 않습니다. 이 가이드에서는 확산 기반 표면 경화 공정에 대해 다룹니다.
표면 경화 처리된 부품은 두 가지 특성을 동시에 제공하도록 설계되었습니다.
- 단단하고 내마모성이 뛰어난 표면으로, 일반적으로 경도는 58~64 HRC입니다.
- 견고하고 충격에 강한 코어, 일반적으로 30~45 HRC
전체적으로 경도 60 HRC까지 경화된 강철은 충격 하중을 받는 부품에 사용하기에는 너무 취성이 강하고, 중심부가 35 HRC로 유지된 경우 표면에 노출되면 마모가 빠르게 진행됩니다. 표면 경화는 동일 부품 내에서 두 가지 요구 사항을 충족하는 영역을 분리합니다.
표면 경화는 어떻게 작동할까요?
침탄 처리(가장 일반적)
침탄 처리는 탄소 함량이 낮은 강(일반적으로 0.10~0.25% 탄소) 표면에 탄소를 첨가하는 공정으로, 이 정도의 탄소 함량으로는 자체적으로 경화되기에 충분하지 않습니다.
- 탄소 확산: 부품을 탄소가 풍부한 분위기(가스, 액체 염 또는 고체 화합물)에서 900~950°C로 유지합니다. 탄소는 표면의 오스테나이트에 용해되어 내부로 확산됩니다.
- 침탄 깊이: 일반적인 유효 침탄 깊이는 0.5~2.0mm입니다. 침탄 깊이는 일정한 비율이 아니라 시간의 제곱근에 비례하여 증가하므로, 침탄 깊이가 깊을수록 경화 시간이 비례적으로 길어집니다. 침탄 깊이가 대략 두 배가 되면 동일한 온도에서 침탄 시간이 약 네 배가 됩니다.
- 담금질: 부품을 오일이나 물에 담금질합니다. 고탄소 표면은 60~64 HRC의 경도를 가진 마르텐사이트로 변환되는 반면, 저탄소 중심부는 더 부드럽고 인성이 뛰어난 상태로 유지됩니다.
- 템퍼링: 150~200°C의 저온 템퍼링은 표면 경도 손실을 최소화하면서 응력을 완화합니다.
탄질화
탄질화 처리는 기본적으로 질소를 분위기에 첨가하여 침탄하는 공정입니다. 질소는 경화성을 높이고 경화 온도를 낮추어, 부품을 약 800~870°C에서 처리하고 오일 담금질할 수 있도록 합니다. 표면 경화층은 일반 침탄보다 얕으며(보통 0.1~0.5mm), 공정 속도도 빠릅니다. 따라서 소형 부품이나 대량 생산되는 마모 부품에 적합합니다.
질화
질화 처리는 암모니아 가스 또는 염욕 분위기에서 약 500~550°C의 저온에서 질소를 표면으로 확산시키는 공정입니다. 경화는 현장에서 형성되는 단단한 질화물에서 비롯되므로 담금질이 필요하지 않습니다. 표면층은 약 0.1~0.5mm로 얇지만, 약 700~1100 HV의 매우 높은 경도를 가지며, 담금질이나 내부 상변화가 없기 때문에 변형이 최소화됩니다.
질화 처리는 일반적인 저탄소 침탄강에는 적용되지 않습니다. 크롬, 몰리브덴, 알루미늄 또는 바나듐과 같은 질화물 형성 원소를 함유한 강이 필요합니다. 실제로 이는 중탄소 합금강(예:, 4140 (그리고 질화 전용 강) 및 다양한 공구강. H13, 예를 들어, 는 다이캐스팅 및 압출 공구의 표면 마모 및 침식 저항성을 향상시키기 위해 일상적으로 질화 처리됩니다.
표면 경화에 적합한 강철
침탄 및 탄질화 공정에는 저탄소 기본강이 필요합니다. 고탄소강에 첨가되는 합금 성분은 심부 강도와 두꺼운 단면의 표면 경화성을 향상시킵니다.
| 등급 (AISI/GB) | 탄소 | 주요 합금 | 일반적인 사용 |
|---|---|---|---|
| 1018 | ~0.18% | 망 | 스트레스가 적은 마모 부품, 최저 비용 |
| 1020 | ~0.20% | 망 | 일반 목적 |
| 8620 | ~0.20% | 니켈-크롬-몰리브덴 | 기어, 축, 핀, 캠축 |
| 4320 | ~0.20% | 니켈-크롬-몰리브덴 | 고강도 기어 |
| 9310 | ~0.10% | 니켈-크롬-몰리브덴 | 항공기 기어, 높은 신뢰성 |
| 20CrMnTi | ~0.20% | 크롬-망간-티타늄 | 자동차 변속기 기어 (중국에서 흔히 사용됨) |
8620은 가장 널리 사용되는 합금 침탄강으로, 우수한 인성과 적당한 경화성을 균형 있게 갖추고 있습니다. 20CrMnTi는 티타늄을 첨가하여 결정립을 미세화했으며, 중국 자동차 기어 생산에서 주로 사용됩니다. 일반 탄소강인 1018과 1020은 가장 저렴한 옵션이지만, 인성과 경화성이 제한적이므로 가벼운 하중을 견뎌야 하는 용도에 가장 적합합니다.
표면 경화 vs. 전체 경화
| 측면 | 표면 경화 | 경화 과정을 통해 |
|---|---|---|
| 탄소강 | 0.10 ~ 0.25% | ~0.30% 이상 |
| 표면 경도 | 58~64 HRC | 58~64 HRC (공구강) |
| 코어 경도 | 25~45 HRC | 표면과 동일 |
| 핵심 강도 | 높은 | 높은 경도에서 낮음 |
| 내마모성 | 표면 전용 | 전체 단면도 |
| 마모 후 | 내부 연약층이 노출되어 있어 빠르게 파손됩니다. | 균일하게 착용합니다 |
| 피로 저항성 | 압축 표면 응력으로 인해 훌륭합니다. | 좋은 |
| 차원 변화 | 일부는 담금질에서 비롯됩니다. | 재질에 따라 다르지만, 공기 경화형은 변형이 적습니다. |
침탄 처리된 표면에 남은 압축 잔류 응력은 굽힘이나 구름 접촉 하중을 받는 부품에 실질적인 이점을 제공하는데, 이는 표면에서의 피로 균열 발생을 억제하기 때문입니다.
표면 경화강과 공구강 중 선택하기
표면 경화 처리는 다음과 같은 경우에 적합한 선택입니다.
- 충격이나 굽힘을 견딜 수 있는 견고한 코어가 필요한 부품에는 기어, 샤프트 및 캠축이 포함됩니다.
- 마모는 표면에만 국한되며, 해당 부품은 제한된 깊이의 마모를 견딜 수 있습니다.
- 침탄 공정은 곡면을 따라 진행되어 균일한 표면을 형성하기 때문에 형상이 복잡합니다.
- 굽힘 또는 접촉 피로 수명은 매우 중요하며, 압축 표면 응력은 직접적인 이점을 제공합니다.
완전 경화 공구강은 다음과 같은 경우에 적합한 선택입니다.
- 이 부품은 재연마될 절삭 공구이므로 날의 깊이 방향으로 일관된 특성을 가져야 합니다.
- 마모는 두꺼운 블랭킹, 전단 및 압출과 같은 공정에서처럼 얇은 표면을 넘어 침투할 수 있습니다.
- 예를 들어 다이캐스팅에서는 H13과 같은 높은 고온 경도가 요구됩니다.
- 펀치나 성형 다이처럼 전체 단면이 소성 변형에 저항해야 합니다.
표면 경화 처리가 금형 및 절삭 공구에서 공구강을 대체할 수 없는 이유는 무엇일까요?
표면 경화 처리는 일반적으로 0.5~2mm 정도로 얕게 이루어집니다. 이 표면이 마모되면 연질의 내부가 노출되어 부품이 빠르게 손상됩니다. 금형은 사용 수명 동안 여러 번 재연마되는데, 재연마할 때마다 경화된 재료가 제거되므로 표면 경화 처리된 금형은 결국 연질의 내부가 노출됩니다. 게다가 침탄 경화 처리된 표면의 내마모성은 고탄소 마르텐사이트에만 의존하는 반면, D2와 같은 등급은 부피 기준으로 약 12~18%의 경질 크롬 카바이드가 고함량으로 함유되어 있어 내마모성이 훨씬 뛰어납니다. 절삭날의 경우, 관통 경화 공구강의 날 유지력은 완전히 다른 차원입니다.
표면 경화는 기어, 축, 베어링에 매우 적합합니다. 하지만 블랭킹 다이, 펀치, 성형 공구, 절삭 공구와 같이 전체 경화된 공구강이 필요한 제품에는 적합하지 않습니다.
표면 경화 부품의 품질 관리
- 경화층 깊이: 표면에서 중심부까지 경도 측정을 하거나 현미경 검사를 통해 지정된 유효 경화층 깊이와 비교하여 측정합니다.
- 표면 경도: 로크웰 C 또는 비커스 경도(지정된 하중 기준).
- 중심경도: 일반적으로 반지름의 중간 지점 또는 중심부에서 측정합니다.
- 미세구조: 케이스 내 미세한 마르텐사이트, 연속적인 결정립계 탄화물 없음, 그리고 제어된 잔류 오스테나이트.
- 변형: 열처리 후 치수 검사.