강철을 어떻게 강화합니까? 방법, 단계 및 팁

표면 경화가 실제로 강철에 미치는 영향

표면 경화는 내부 코어를 견고하고 연성을 유지하면서 강철 부품의 외부 표면을 경화시키는 열처리 공정입니다. 그 결과 외부는 마모와 표면 피로에 저항하지만 내부는 균열 없이 충격과 응력을 흡수할 수 있는 구성 요소가 탄생했습니다. 이 조합은 기어, 캠샤프트, 액슬, 절삭 공구와 같은 까다로운 응용 분야에서 단조강과 가공 부품에 꼭 필요한 것입니다.

"케이스"라고 불리는 강화된 외부 층은 일반적으로 깊이 0.1mm ~ 3mm 이상 , 사용된 방법과 노출 시간에 따라 다릅니다. 코어는 일반적으로 20~40HRC 사이로 비교적 부드러운 상태를 유지하지만 케이스는 58~65HRC 잘 통제된 프로세스에서. 이러한 이중 구역 구조는 완전 경화만으로는 달성할 수 없으므로 표면 경화를 강철 단조 및 제조에서 독특하고 매우 실용적인 기술로 만듭니다.

모든 강철이 표면 경화에 동일하게 반응하는 것은 아니라는 점을 이해하는 것이 좋습니다. 저탄소강(0.1%~0.3% 탄소)은 처리 후에도 코어가 연성을 유지하기 때문에 가장 일반적으로 표면 경화 처리됩니다. 중탄소강도 처리할 수 있지만 고탄소강은 코어가 이미 높은 경도를 달성할 수 있기 때문에 일반적으로 대신 완전 경화됩니다.

강철을 케이스 경화하는 데 사용되는 주요 방법

강철 표면 경화에는 여러 가지 확립된 방법이 있으며, 각각은 다양한 재료, 케이스 깊이 요구 사항 및 생산 환경에 적합합니다. 올바른 것을 선택하는 것은 기본 강철 합금, 원하는 표면 경도, 치수 공차 및 사용 가능한 장비에 따라 다릅니다.

침탄

침탄은 단조강 부품에 가장 널리 사용되는 표면 경화 방법입니다. 이 공정에는 저탄소강을 고온에서 탄소가 풍부한 환경에 노출시키는 작업이 포함됩니다. 일반적으로 850°C ~ 950°C(1560°F ~ 1740°F) — 탄소가 표면으로 확산될 만큼 충분히 길다. 충분한 탄소가 흡수되면 부품이 담금질되어 경화된 케이스에 고정됩니다.

침탄에는 세 가지 일반적인 변형이 있습니다.

• 가스 침탄: 부품은 일반적으로 천연 가스나 프로판이 풍부한 흡열 가스인 탄소 함유 가스 분위기의 용광로에 배치됩니다. 이는 자동차 및 철강 단조 산업에서 널리 사용되는 가장 제어 가능하고 확장 가능한 방법입니다.
• 팩 침탄: 강철 부품은 고체 탄소질 물질(탄산바륨이 혼합된 숯과 같은)이 담긴 용기에 포장되어 몇 시간 동안 가열됩니다. 이것은 소규모 작업장이나 불규칙한 모양에 여전히 사용되는 낮은 기술 방법입니다.
• 액체(염욕) 침탄: 부품을 용융된 시안화물 기반 염욕에 담급니다. 빠르고 효과적이지만 유해한 화학 물질이 포함되어 있어 환경 및 안전 문제로 인해 사용이 감소했습니다.

목표 달성을 위한 일반적인 가스 침탄 사이클 케이스 깊이 1mm AISI 8620과 같은 저탄소강의 경우 930°C에서 대략 8~10시간이 걸립니다. 침탄 후 부품을 오일이나 물로 담금질한 다음 150°C~200°C에서 뜨임 처리하여 담금질 응력을 완화하는 동시에 표면 경도를 60HRC 이상 유지합니다.

질화

질화는 탄소가 아닌 강철 표면에 질소를 도입합니다. 상당히 낮은 온도에서 작동합니다. 480°C ~ 590°C(900°F ~ 1095°F) — 이는 왜곡이 최소화되고 담금질이 필요하지 않음을 의미합니다. 따라서 질화는 치수 정확도가 중요한 정밀 부품 및 완성 부품에 특히 적합합니다.

결과 케이스는 침탄보다 얕습니다(일반적으로 0.1mm ~ 0.6mm ), 그러나 표면 경도 값은 초과할 수 있습니다. 70HRC 상당(1100HV) 크롬, 몰리브덴, 알루미늄, 바나듐과 같은 질화물 형성 원소를 함유한 합금강에 사용됩니다. 일반적인 질화 등급에는 AISI 4140, 4340 및 니트랄로이강이 포함됩니다.

가스 질화는 용광로에서 해리된 암모니아를 사용합니다. 플라즈마(이온) 질화는 전기 글로우 방전을 사용하여 질소를 도입하고 복잡한 형상을 보다 균일하게 처리할 수 있습니다. 염욕 질화(페라이트계 연질화)는 속도가 더 빠르고 내마모성과 내식성이 모두 향상됩니다.

유도 경화

유도 경화에는 화학적 확산이 포함되지 않습니다. 대신, 전자기 유도를 사용하여 강철 부품의 표면을 오스테나이트화 온도 이상으로 빠르게 가열한 후 즉시 담금질합니다. 이 과정은 매우 빠릅니다. 표면 가열은 다음과 같이 발생할 수 있습니다. 1~10초 - 코어에 영향을 주지 않고 단단한 마텐자이트 케이스를 생성합니다.

이 방법에는 담금질 시 마르텐사이트를 형성하기에 충분한 탄소를 이미 갖고 있는 중탄소강(0.35%~0.55% 탄소) 또는 합금강이 필요합니다. 이는 철강 단조 및 자동차 분야의 샤프트, 기어, 크랭크샤프트 및 레일 부품에 일반적으로 사용됩니다. 케이스 깊이는 일반적으로 다음과 같습니다. 1mm ~ 6mm 사용 빈도와 가열 시간에 따라 다릅니다.

유도 주파수가 높을수록 케이스가 더 얕아집니다. 낮은 주파수는 더 깊게 침투합니다. 10kHz 주파수는 3~5mm 케이스를 달성할 수 있지만 200kHz 주파수는 0.5~1mm에만 도달할 수 있습니다. 경도는 일반적으로 다음과 같습니다. 55~62HRC 적절하게 선택된 강철에.

화염경화

화염경화는 직접 옥시아세틸렌 또는 옥시프로판 화염을 사용하여 강철 표면을 빠르게 가열한 후 물 담금질을 수행합니다. 이는 가장 오래된 선택적 표면 경화 방법 중 하나이며 특수 용해로 장비가 필요하지 않습니다. 이 기술은 중탄소강 및 합금강에 적용되며 대형 단조품, 기계 방식, 스프로킷 등 용광로나 유도 코일 내부에 쉽게 들어갈 수 없는 크거나 다루기 힘든 부품에 자주 적용됩니다.

화염 경화 범위가 넓은 케이스 깊이 1.5mm ~ 6mm , 50-60 HRC의 경도 값을 달성할 수 있습니다. 그러나 이 공정은 유도 경화보다 제어하기 어렵고 복잡한 형상 전체에 걸쳐 일관된 케이스 깊이를 얻으려면 숙련된 작업자가 필요합니다.

시안화 및 탄질화

침탄질화는 다음 온도에서 강철 표면에 탄소와 질소를 동시에 도입합니다. 700°C ~ 900°C . 종종 침탄과 질화의 하이브리드로 간주됩니다. 질소가 존재하면 필요한 담금질 강도가 낮아지고 왜곡이 줄어들며 경화성이 향상됩니다. 케이스 깊이는 일반적으로 전체 침탄보다 얕습니다. 0.07mm ~ 0.75mm - 얇은 단면 부품, 패스너 및 소형 기어에 널리 사용됩니다.

시안화는 액체 시안화나트륨 욕조를 사용하여 탄소와 질소를 동시에 도입합니다. 효과적이고 빠르지만 시안화물 염의 독성으로 인해 환경 규제로 인해 대부분의 국가에서 이 방법이 거의 사용되지 않게 되었습니다.

집이나 작업장에서 철강 침탄을 위한 단계별 공정

대장간, 소규모 기계 공장, 주택 단조 등 산업 환경 외부에서 작업하는 사람들에게는 팩 침탄이 가장 접근하기 쉬운 방법입니다. 다음은 프로세스에 대한 실제적인 연습입니다.

1. 올바른 강철을 선택하십시오. 1018, 1020, A36 등 저탄소강을 사용하세요. 고탄소강은 동일한 방식으로 침탄 처리의 이점을 얻지 못합니다. 저탄소 등급으로 만들어진 강철 단조 빌렛이 일반적인 출발 재료입니다.
2. 부품을 철저히 청소하십시오. 표면의 기름, 스케일, 녹, 오염물질을 모두 제거합니다. 오염물질은 탄소 확산을 방해하는 장벽 역할을 하며 케이스 깊이가 고르지 않게 됩니다.
3. 침탄 화합물을 준비합니다. 경목 숯(6~12mm 조각으로 분쇄)을 탄산염 에너자이저와 혼합합니다. 탄산칼슘(석회석 분말)이 더 안전한 대안으로 작용하지만 중량 기준으로 10~20%의 탄산바륨이 전통적입니다. 탄산염은 용기 내 일산화탄소와 반응하여 CO2를 생성하고, 이는 다시 CO로 순환되어 탄소가 풍부한 대기를 유지합니다.
4. 용기를 포장합니다. 부품을 금속 상자나 밀봉된 용기(주철 또는 두꺼운 강철) 안에 넣습니다. 부품 주위에 숯 화합물을 포장하여 모든 면에 최소 25mm의 화합물을 확보합니다. 가스 누출을 최소화하기 위해 내화 시멘트 또는 내화 점토로 뚜껑을 밀봉하십시오.
5. 용광로에서 가열합니다. 포장된 용기를 화로에 넣고 900°C~950°C(1650°F~1740°F) . 필요한 흡수 시간 동안 이 온도를 유지하십시오. 대략적인 기준으로 900°C에서 1시간 동안 케이스 깊이가 약 0.25mm 생성됩니다. 8시간이면 약 1mm가 생산됩니다.
6. 부품을 담금질하십시오. 아직 뜨거울 때 상자에서 부품을 꺼내 즉시 오일(모터 오일 또는 퀀칭 오일)로 담금질합니다. 물 담금질은 더 빠르지만 균열 위험이 증가합니다. 오일 담금질은 대부분의 저탄소강에 ​​적합하며 58-63 HRC의 케이스 경도를 생성합니다.
7. 담금질 후 성미. 부품을 150°C~200°C(300°F~390°F)로 1~2시간 동안 재가열하여 담금질로 인한 내부 응력을 완화합니다. 이는 표면 경도를 유지하면서 취성을 감소시킵니다. 이 단계를 건너뛰면 미세 균열이 발생할 위험이 있습니다.

케이스 경도에 대해 일반적으로 사용되는 현장 테스트 중 하나는 파일 테스트입니다. 케이스가 완전히 경화된 경우 새롭고 날카로운 파일이 절단되지 않고 표면에서 떨어져 나가야 합니다. 보다 정확한 측정을 위해 단면에 대한 로크웰 경도 테스트(HRC 스케일) 또는 비커스 미세 경도 테스트가 표준 접근 방식입니다.

표면 경화 방법 비교: 실제 개요

아래 표에는 특정 용도에 적합한 공정을 선택하는 데 도움이 되는 가장 일반적인 케이스 강화 방법 간의 주요 차이점이 요약되어 있습니다.

표면 경화에 가장 적합한 강종

모든 강철 등급이 동일한 방식으로 표면 경화에 반응하는 것은 아닙니다. 기본 재료의 선택은 달성 가능한 케이스 깊이, 코어 인성 및 처리 후 치수 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 강철 단조 분야에서는 표면 경화 공정에 맞는 올바른 등급을 맞추는 것이 부품 성능의 기본입니다.

침탄용 저탄소강

• AISI 1018/1020: 가장 일반적이고 경제적인 선택입니다. 표면 마모 저항이 필요하지만 비용을 제어해야 하는 샤프트, 핀 및 일반 강철 단조 부품에 사용됩니다. 치료 전 기계 가공이 용이합니다.
• AISI 8620: 기어 및 샤프트 생산에 널리 사용되는 니켈-크롬-몰리브덴 합금강입니다. 이 제품은 안정적으로 침탄 처리되며 열처리 후 탁월한 코어 인성을 제공하므로 구동계 부품의 단조강에 대한 벤치마크 등급이 됩니다.
• AISI 9310: 고성능 항공우주 및 고강도 기어 응용 분야에 사용됩니다. 높은 니켈 함량으로 인해 탁월한 코어 강도와 케이스 경화성을 제공합니다.
• AISI 4118/4320: 경화성이 우수한 크롬-몰리브덴 재종입니다. 더 깊은 케이스 깊이와 더 나은 피로 저항이 필요한 변속기 기어 및 단조품에 사용됩니다.

질화용 합금강

• AISI 4140: 가스 질화에 잘 반응하는 다용도 크롬-몰리브덴강입니다. 단조강 장비의 공구 홀더, 스핀들, 정밀 샤프트에 자주 사용됩니다.
• AISI 4340: 고강도 니켈-크롬-몰리브덴 합금강입니다. 질화 처리 후 표면 경도와 코어 인성이 탁월하게 결합됩니다. 항공우주 단조품 및 구조 부품에 흔히 사용됩니다.
• 니트랄로이 135M: 질화물 형성 원소로 알루미늄을 함유한 질화 처리용으로 특별히 개발되었습니다. 질화를 통해 얻을 수 있는 가장 높은 표면 경도 값을 생성하며 종종 1000HV를 초과합니다.

유도 및 화염 경화용 중탄소강

• AISI 1045: 유도 경화에 널리 사용되는 중탄소강입니다. 샤프트, 차축 및 농기구 단조품에 흔히 사용됩니다. 유도 처리 후 표면에서 55-60HRC를 달성합니다.
• AISI 4140/4340: 높은 표면 온도에서 담금질할 때 유도 경화에도 적합합니다. 크랭크 핀, 드릴 칼라 단조품 및 중공업 부품에 사용됩니다.
• AISI 1060/1080: 탄소 함량이 높을수록 마모가 심한 접촉 표면에서 화염 경화가 실행되는 레일 및 스프링 응용 분야에 적합합니다.

케이스 강화가 다음과 상호 작용하는 방식 강철 단조 프로세스

산업 제조에서 케이스 경화는 거의 항상 단조 후 작업입니다. 개방형 다이, 폐쇄형 다이(인형 다이) 또는 롤 단조 등 강철 단조는 강철의 입자 구조를 개선하고 입자 흐름을 부품 형상에 맞춰 정렬합니다. 이러한 결정립 미세화는 열처리가 적용되기 전에 강철의 기계적 특성을 향상시킵니다.

강철 단조 후 부품은 일반적으로 단조 응력을 완화하기 위해 정규화되거나 어닐링된 다음 거의 최종 치수로 황삭 가공됩니다. 이 단계에서 케이스 강화가 적용됩니다. 순서가 중요합니다. 부품이 표면 경화 전에 정삭 가공되면 경화 공정으로 인해 부품이 공차를 벗어나는 사소한 치수 변화(왜곡)가 발생할 수 있습니다. 대부분의 제조업체는 경화 후 최종 단계로 연삭 또는 정삭 가공을 남겨둡니다.

단조품 침탄 시 강철 단조 중에 생성된 미세한 입자 구조는 탄소 확산 변동성을 제한하고 복잡한 기하학적 구조 전반에 걸쳐 케이스 깊이를 보다 균일하게 유지하는 데 도움이 됩니다. 단단한 입자 구조를 가진 단조품은 케이스-코어 전이 영역에서 더 나은 피로 저항을 나타냅니다. 이 영역은 반복 하중 하에서 피로 균열이 일반적으로 시작되는 곳입니다.

예를 들어, 8620 강철의 폐쇄형 단조를 통해 생산된 자동차 변속기 기어는 일반적으로 케이스 깊이 0.8~1.2mm , 담금질, 템퍼링 및 마무리 연삭. 이러한 단조와 침탄의 조합은 다음을 초과하는 접촉 응력을 견딜 수 있는 부품을 생산합니다. 1500MPa 수백만 번 이상의 로딩 주기 — 어느 프로세스만으로는 달성할 수 없는 성능입니다.

케이스 깊이 및 경도 일관성 제어

케이스 경화에서 가장 일반적인 문제 중 하나는 케이스 깊이가 일정하지 않다는 것입니다. 이로 인해 조기 표면 피로, 파손 또는 사용 중 균열이 발생할 수 있습니다. 여러 가지 변수가 케이스 깊이 일관성을 좌우하며, 이를 제어하는 ​​것이 고품질 열처리와 열악한 관행을 구분하는 요소입니다.

용광로의 온도 균일성

용해로 내부의 온도 구배는 배치 전체의 케이스 깊이 변화로 직접적으로 해석됩니다. 용광로에서 처리되는 기어 배치 ±15°C 온도 변화 부하 전반에 걸쳐 10~15%의 케이스 깊이 차이가 나타납니다. 산업용 가스 침탄로는 일반적으로 유지 관리를 위해 지정됩니다. ±5°C 균일성 작업 구역 전체에 걸쳐. 열전대 교정 및 가열로 인증(AMS 2750 또는 CQI-9와 같은 표준에 따름)은 품질 관리 열처리 시설의 표준 관행입니다.

가스 침탄의 탄소 전위 제어

가스 침탄에서는 로 분위기의 탄소 전위를 주의 깊게 조절해야 합니다. 탄소 전위가 너무 높으면 표면 탄화물 네트워크가 형성됩니다. 즉, 결정립 경계에 부서지기 쉬운 판 모양의 철 탄화물이 생겨 피로 수명이 크게 줄어듭니다. 탄소 전위가 너무 낮으면 표면 탄소가 부족하고 케이스가 부적절하게 단단해집니다. 대부분의 가열로 시스템은 산소 프로브(심 스톡 프로브 또는 람다 프로브)를 사용하여 탄소 전위를 지속적으로 모니터링하고 조정합니다. 0.8%~1.0% 표면 탄소 대부분의 기어 및 샤프트 응용 분야에 사용됩니다.

냉각 심각도 및 고정 장치 설계

불균일한 담금질은 뒤틀림과 일관성 없는 경도의 또 다른 주요 원인입니다. 서로 다른 방향으로 담금질에 들어가거나 담금질 매체가 부품 주위에 고르지 않게 흐르는 부품은 서로 다른 속도로 냉각되고 서로 다른 영역에서 서로 다른 미세 구조를 생성합니다. 적절하게 설계된 고정 장치는 담금질 중에 부품을 안전하게 고정하고 모든 표면에 일관되게 담금질 매체에 접근할 수 있도록 합니다. 담금질 중 오일 온도는 일반적으로 다음과 같이 유지됩니다. 40°C~80°C(100°F~175°F) 대부분의 강철 단조 응용 분야에서 차가운 오일은 너무 강하게 담금질되고, 뜨거운 오일은 너무 천천히 담금질됩니다.

처리 후 검사

케이스 강화 결과 검증은 파괴 및 비파괴 테스트를 통해 수행됩니다. 파괴 테스트에는 생산 배치로 처리된 샘플 쿠폰에서 단면을 절단한 다음 Vickers 미세경도 테스터를 사용하여 점진적인 깊이에서 경도를 측정하여 경도 프로파일을 생성하는 작업이 포함됩니다. 유효 케이스 깊이는 경도가 다음으로 떨어지는 깊이로 정의됩니다. 550HV(약 52HRC) ISO 2639에 따라 비파괴 방법에는 자기 Barkhausen 소음 분석 및 와전류 테스트가 포함되며, 이를 통해 부품을 절단하지 않고도 케이스 깊이와 표면 경도 이상을 감지할 수 있습니다.

케이스 강화의 일반적인 실수와 이를 방지하는 방법

현장에서 발생하는 대부분의 케이스 강화 실패는 피할 수 있는 소수의 오류로 인해 발생합니다. 생산 공장에서 작업하든 소규모 단조 작업에서든 이러한 오류를 미리 인식하면 비용이 많이 드는 재작업과 부품 거부를 방지할 수 있습니다.

• 잘못된 기본 재료: 고탄소강의 침탄을 시도하면 이점이 거의 없으며 부서지기 쉬운 탄화물 네트워크가 생성될 수 있습니다. 표면 경화 방법을 선택하기 전에 항상 모재 강의 탄소 함량을 확인하십시오.
• 화를 참지 않음: 템퍼링을 하지 않은 담금질된 강철은 엄청난 내부 응력을 받습니다. 즉시 뜨임 처리하지 않으면 담금질 후 몇 시간 동안 부품에 균열이 생길 수 있습니다. 160°C에서 1시간만 담가두더라도 항상 담금질 후 몇 시간 이내에 뜨임질을 하십시오.
• 담금질 전 가열이 고르지 않음: 담금질 시 균일한 오스테나이트화 온도에 있지 않은 부품은 불균일한 미세 구조를 갖게 됩니다. 담금질하기 전에 가공 온도에서 적절한 담금 시간을 보장하십시오. 얇은 부분은 15~20분만 담그면 됩니다. 두꺼운 단조품에는 한 시간 이상이 필요할 수 있습니다.
• 표면 오염: 침탄 전 부품 표면의 오일, 그리스 또는 산화로 인해 탄소가 확산될 수 없는 데드존이 생성됩니다. 가공하기 전에 부품을 탈지하고 가볍게 샌드블래스트하거나 청소해야 합니다.
• 적용을 위한 소형 케이스: 무거운 하중을 받는 기어의 얇은 케이스(0.2mm)는 접촉 응력으로 인해 파손되어 연질 코어가 노출되고 급격한 마모 또는 구멍이 발생합니다. 케이스 깊이 사양을 접촉 압력과 일치시키고 구성 요소가 사용 중에 보게 될 하중을 맞추십시오.
• 과침탄: 과도한 시간이나 탄소 전위는 표면에 잔류 오스테나이트와 탄화물의 두껍고 부서지기 쉬운 흰색 층을 생성합니다. 이 층은 벗겨져 피로 강도를 개선하기는커녕 극적으로 감소시킬 수 있습니다.

표면 경화 단조 부품이 표준인 응용 분야

케이스 강화는 틈새 치료법이 아닙니다. 이는 구조 및 기계 부품을 단조강에 의존하는 여러 산업 전반의 표준 생산 공정에 내장되어 있습니다.

• 자동차 변속기 및 차동장치: 자동 변속기의 링 기어, 피니언 및 선 기어는 8620 또는 4320 강철로 단조되고 0.9~1.4mm의 케이스 깊이로 침탄 처리됩니다. 표면 경도와 코어 인성의 조합은 수십만 킬로미터에 걸쳐 차량 구동계의 반복적인 접촉 응력과 충격 부하를 처리합니다.
• 항공우주 구조 단조품: 항공기의 랜딩 기어 부품, 액추에이터 샤프트 및 베어링 저널은 AMS 6415와 같은 항공우주 사양에서 요구하는 높은 강도와 인성을 유지하면서 내마모성을 제공하기 위해 질화 또는 침탄 처리된 4340 강철로 제작되는 경우가 많습니다.
• 광산 및 건설 장비: 트랙 핀, 부싱, 버킷 톱니 및 굴삭기 붐 핀은 합금강으로 단조되었으며 케이스는 암석 및 토양과의 접촉으로 인한 마모를 방지하기 위해 경화되었습니다. 매우 가혹한 조건에서 내구성을 제공하기 위해 이러한 응용 분야에서는 케이스 깊이가 2~4mm인 것이 일반적입니다.
• 크랭크샤프트 및 캠샤프트: 종종 1045강 또는 미세 합금강으로 단조되는 자동차 크랭크샤프트는 저널 표면에서 유도 경화되어 국부적인 표면 경도를 달성하는 동시에 샤프트의 나머지 부분은 인성을 유지합니다. 55-60 HRC의 저널 경도는 처리되지 않은 표면에 비해 베어링 수명을 크게 연장합니다.
• 수공구 및 절단 도구: 1020강으로 만든 끌, 펀치, 다이를 집에서 팩 침탄 처리하여 단단한 절삭날을 만들 수 있습니다. 이는 표면 경화의 가장 오래된 응용 분야 중 하나이며 산업 환경 외부에서 작업하는 대장장이 및 도구 제작자와 관련이 있습니다.