침탄화 vs 질화 vs 탄질화, 차이점은 무엇이고 어느 것이 더 낫습니까?

표면 경화 기술은 금속 구성 요소의 표면 특성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 기술 중에서 침탄, 질화 및 탄질화는 가장 널리 사용되는 세 가지 방법입니다. 이 글에서는 각 공정을 소개하고, 차이점을 비교하며, 특정 응용 분야에 가장 적합한 표면 처리를 선택하는 데 도움을 제공합니다.

침탄처리란 무엇인가?

탄소침투는 탄소를 함유하는 물질(예: 숯이나 일산화탄소)이 있는 상태에서 가열하는 동안 탄소를 흡수하도록 하여 금속(일반적으로 강철)의 경도와 내마모성을 향상시키도록 설계된 열처리 및 표면 경화 기술입니다. 이 공정은 탄소가 표면으로 확산되어 단단한 외부 층을 형성하는 반면 핵심은 인성과 연성을 유지하는 저탄소 작업물에 특히 효과적입니다. 탄소 침투 깊이는 처리 기간과 온도에 따라 영향을 받습니다. 탄소침투 후 강철은 종종 담금질 및 템퍼링됩니다. 담금질하는 동안 외부 층은 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변형되어 경도가 높아지고 핵심은 더 부드러운 페라이트 및/또는 펄라이트 구조를 유지합니다. 이 방법은 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 내충격성이 유지되도록 하여 기어, 샤프트 및 다양한 자동차 및 기계 부품과 같이 높은 강성이 필요한 구성 요소에 특히 유용합니다. 표면 탄소 함량을 주의 깊게 제어하는 ​​것은 이상적으로 약 0.8%로, 경화를 손상시킬 수 있는 과도한 잔류 오스테나이트와 같은 문제를 방지하는 데 필요합니다. 탄소침탄은 종종 초기 제조 단계에서 발생하는 바람직하지 않은 탈탄과 같은 문제를 해결하는 데 사용됩니다.

질화란 무엇인가?

질화는 질소를 금속 표면으로 확산시켜 코어의 원래 특성을 유지하면서 단단한 외층을 만드는 화학적 열처리 공정으로, 알루미늄, 몰리브덴, 크롬과 같은 질화물 형성 원소를 함유한 저탄소 합금강에 특히 효과적입니다. 일반적인 방법으로는 액체 질화, 가스 질화, 이온 질화가 있습니다. 전통적인 가스 질화는 작업물을 밀폐된 용기에 넣고 흐르는 암모니아 가스를 주입하여 가열하는 것을 포함합니다. 장시간 온도를 유지한 후, 암모니아는 열적으로 분해되어 작업물 표면에 지속적으로 흡착되고 표면 근처 층으로 확산되는 반응성 질소 원자를 생성합니다.

이 공정은 질소가 철 및 기타 합금 원소와 결합하면서 단단한 금속 질화물을 형성하여 표면 경도를 최대 76 HRC(90 HRA)까지 높이고 케이스 깊이는 일반적으로 200-300 μm 범위이지만 특정 응용 분야에서는 최대 2 mm까지 가능합니다. 질화는 강의 오스테나이트화점보다 낮은 온도, 일반적으로 약 550°C(1022°F)에서 수행되며, 이는 침탄과 같은 다른 공정보다 상당히 낮습니다. 이 낮은 온도 범위는 상당한 이점을 제공합니다. 질화된 부품은 변형과 왜곡이 감소하여 탁월한 치수 제어를 제공합니다. 그러나 코어의 경도가 낮고 케이스 깊이가 얕기 때문에 질화는 일반적으로 가볍거나 중간 정도의 하중을 받는 구성 요소에 대한 마모 및 피로 저항 요구 사항만 충족합니다. 또한 특정 내열 및 내식성 요구 사항이 있는 기계 부품과 다양한 절삭 공구, 냉간 작업 및 열간 작업 다이에도 적합합니다. 질화는 여전히 다양한 산업에 광범위하게 적용되고 있으며, 기어, 크랭크샤프트, 캠샤프트, 밸브 부품, 다이캐스팅 도구, 총기 부품, 플라스틱 금형 도구 등의 부품을 처리하는 데 사용되고 있습니다.

탄질화란 무엇인가?

탄질화는 부품 표면에 탄소와 질소를 동시에 주입하여 표면 근처의 경도와 탄성률을 높이는 열화학적 표면 개질 기술입니다. 주로 소량의 질소 주입과 함께 탄화 처리를 포함합니다. 탄질화 공정은 종종 저렴하고 기계 가공이 쉬운 저탄소강에 ​​적용되어 더 비싸고 가공하기 어려운 등급의 강철의 표면 특성을 부여합니다. 특히 기어, 샤프트, 피스톤, 롤러 및 베어링과 같이 마모에 대한 저항성이 뛰어나고 케이스 깊이 요구 사항이 0.1~0.75mm인 소형 구성품의 대량 생산에 적합합니다. 이 처리 방법은 탄화보다 더 단단한 케이스를 만들 수 있으며 주입 속도가 빠르고 템퍼링 및 피로에 대한 저항성이 더 좋으며 내마모성과 피로 방지 성능이 향상되고 처리 온도가 더 낮습니다.

침탄처리, 질화처리, 탄질화처리의 차이점은 무엇인가?

침탄, 질화, 탄질화의 가장 큰 차이점 중 하나는 작업 온도와 정밀 부품에 미치는 후속 효과에 있습니다. 질화를 다른 두 가지와 차별화하는 점은 비교적 낮은 온도로, 부품의 변형이 최소화되어 추가 가공이 필요 없는 정밀 부품에 이상적입니다. 반면 침탄 및 탄질화는 고온 공정으로, 일반적으로 정밀도 요구 사항이 낮은 부품에 적합합니다. 높은 정밀도가 필요한 경우 이러한 부품은 종종 처리 후 추가 가공이 필요한 반면, 질화는 추가 가공 없이 원하는 정밀도를 달성할 수 있습니다.

침탄처리 대 질화처리 대 탄질화처리, 어느 것이 나에게 더 나은가요?

각 프로세스에는 고유한 장점이 있으며 특정 상황에 더 적합합니다. 각 기술을 분석하고 언제 사용해야 하는지 예를 들어 보겠습니다.

1. 탄소침탄

침탄처리는 더 깊은 케이스 깊이가 중요한 고강도 및 내마모성 적용 분야에 이상적입니다.

장점:

• – 더 큰 케이스 깊이
• – 높은 충격 강도
• – 고강도 및 마모 응용 분야에 적합

선택해야 할 때:

• – 매우 깊은 표면 경화가 필요합니다.
• – 부품은 높은 충격 하중을 받게 됩니다.
• – 약간의 왜곡은 허용 가능
• – 구성 요소가 큽니다

응용 프로그램 예:

• – 중장비의 기어 이빨
• – 고성능 엔진의 캠축
• – 대형 산업용 샤프트
• – 중장비용 베어링

2. 질화

질화는 추가 기계 가공이 필요 없이 우수한 내식성 및 내마모성이 요구되는 고정밀 부품에 적합합니다.

장점:

• – 우수한 내식성
• – 내마모성이 우수함
• – 낮은 처리 온도로 인한 최소한의 왜곡
• – 급냉이 필요 없어 휘어짐 위험 감소
• – 고정밀 부품에 적합

선택해야 할 때:

• – 높은 차원 정밀도가 중요합니다
• – 우수한 내식성이 요구됨
• – 부품이 작고 복잡하다
• – 후처리 가공은 피해야 합니다.
• – 이 응용 프로그램은 항공우주, 의료 또는 기타 고정밀 산업에 적용됩니다.

응용 프로그램 예:

• – 유압 실린더 로드
• – 사출금형
• – 항공우주 응용 분야의 정밀 기어
• – 절삭 공구
• – 의료기기

3. 탄화질화

탄질화는 침탄과 질화의 장점을 잘 균형 있게 제공하므로 향상된 표면 경도와 피로 저항성이 필요한 일반 기계 구성품에 적합합니다.

장점:

• – 탄소침투보다 더 단단한 케이스를 만듭니다.
• – 탄소침투보다 처리시간이 훨씬 짧습니다.
• – 월경 중 연화에 대한 저항력 증가
• – 탄소침투만을 하는 경우보다 피로강도 및 충격강도가 향상됨
• – 탄소침투에 비해 향상된 내식성
• – 질화에 비해 공정이 간단하고 장비도 저렴하다

선택해야 할 때:

• – 속성의 균형(케이스 깊이, 경도, 내식성)이 필요합니다.
• – 비용 효율성이 중요합니다
• – 부품 크기가 소형에서 중형입니다.
• – 약간의 왜곡은 허용되지만 탄소화에 비해 최소화되어야 합니다.
• – 이 응용 프로그램은 우수한 피로 저항성을 요구합니다.

응용 프로그램 예:

• – 자동차 클러치 플레이트
• – 엔진의 밸브 시트
• – 부식성 환경의 패스너
• – 중간 크기 기어(M0.5 이상의 모듈 크기)
• – 금속 가공용 도구 및 다이

어떤 경우에는 여러 공정을 조합하는 것이 가장 좋은 해결책일 수 있습니다. 예를 들어, 제공된 밸브 시트 정보에서 언급했듯이, 탄소 침탄 후 탄질화 처리를 사용하여 표면 특성을 개선한 깊은 케이스 깊이를 얻을 수 있습니다.