진공 침탄 열처리의 원리, 장단점, 경화 깊이, 적합한 재질은?

진공 침탄 열처리의 원리, 장단점, 경화 깊이, 적합한 재질은?

이번에는 진공 침탄 열처리의 원리와 이점에 대해서 해설합니다.

진공 침탄 열처리는 금속 가공에 이용하는 열처리 방법의 일종입니다.

 

침탄은 강철의 표면에 탄소를 흡수 확산시키는 처리의 총칭으로,

침탄 후에 경화 담금질 등 열 처리를 실시하면 재료의 내마모성이 향상합니다.

침탄은 설비에 의해서 액체 침탄제 가스 침탄 법 등 각종 방식이 있는데 

그 중에서도 진공 침탄 열처리에는 풍부한 장점이 있습니다.

 

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진공 침탄 열처리란?

진공 침탄 열처리는 감압한 원자로 내에 메탄과 프로판,

에틸렌·아세틸렌 등의 탄화 수소계의 가스를 직접 원자로 내에 넣고

가스 열 분해에 의해서 생기는 활성 탄소를 재료의 표면에 침투시키는 열처리 방법입니다.

진공 침탄 담금질한 재료는 표면이 딱딱해져 내마모성이 생깁니다.

또 재료의 내부는 경도가 작아서 높은 인성도 가지고 있습니다.

진공 침탄 열처리는, 주로 저탄소 철강에 시행하는 열처리 용도로

자동차 부품이나 기계 부품 등에서 채용되고 있습니다.

진공 침탄 열처리의 장점

● 내마모성의 향상

진공 침탄 열처리는, 가스 침탄 담금질에 비해서 보다 제품의 내마모성을 향상시킬 수 있습니다.

침탄을 진공로 내에서 처리함으로써 침탄 깊이의 편차가 줄어드는 것 또한 포인트입니다.

● 입계 산화하지 않아 품질 향상으로 이어진다

진공 침탄 열처리는, 이름 그대로 진공 상태의 원자로 내에서 처리를 하기 때문에 

안정하여 재료 전체에 탄소를 공급 가능할 뿐만 아니라, 

재료의 표층부에 입계 산화가 발생하지 않는 특징이 있습니다.

입계 산화는 산소와 이산화 탄소 등의 산화성 분위기 속에서 열 처리했을 때 

금속 제품 표층부가 산화하는 현상으로 금의 원인이 되는 것입니다.

이상로부터 진공 침탄 열처리한 제품은 입계 산화 재료 표면의 마찰이 경감되고, 품질 향상에 이어집니다.

● 스테인레스 강 침탄이 가능

진공 침탄 열처리는, 가스 침탄 담금질이 불가능했던 스테인리스 강에 대해서도 

침탄법을 실시할 수 있습니다.

● 작업 효율의 향상

진공 침탄 열처리는 최대 1100℃ 정도의 고온에서 열 처리할 수 있으며, 

원자로의 시작이 빠르게 실시할 수 있습니다.

 

침탄층의 깊이는 처리 온도와 시간에 비례하므로 높은 온도에서 열 처리가 가능한 진공 침탄 열처리는,

작업 시간의 단축을 실현합니다.

● 친환경

진공 침탄 열처리는, 지구 온난화의 원인으로 지목된 CO2등의 온실 가스 배출이 적어

환경 친화적 특징이 있습니다.

● 뛰어난 안전성

진공 침탄로 안은 완전 밀봉된 상태에서 불길과 연기가 발생하지 않습니다.

이에 의한 화재나 폭발의 위험이 없고 안전하게 사용할 수 있습니다.

 

진공 침탄 열처리의 단점

● 비용이 비싼 경우가 있다

진공 침탄 열처리는, 복수의 제품을 혼재 처리하기 어렵기 때문에

가스 침탄 열처리에 비하면 비용이 조금 높은 경우가 있습니다.

● 스스가 발생하기 쉬운 경우가 있다

진공 침탄제 원자로 내에 탄화 수소계 가스를 공급하면 

열 분해로 인한 대량의 그을음이 발생합니다.

 

그래서로의 정비가 번잡하게 되는 경우가 있습니다.

 

다만 침탄제 가스에 아세틸렌 가스를 이용하여 낮은 압력으로 공급하는 등의 순서로 

수소의 발생을 억제하는 방법도 있습니다.

 

진공 침탄 열처리의 원리와 공정

진공 침탄 열처리는 저탄 소강을 가열·침탄 법을 실시함으로써

탄소 C가 재료의 표면에 확산됩니다.

그 후에 담금질을 하면 재료 표면이 고 탄소 농도 화하여,

고 경도에서 뛰어난 내마모성을 가집니다.

 

이때 재료의 내부는 저탄소 농도인 것으로 되어 있으며 뛰어난 인성도 동시에 얻어집니다.

 

 

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진공 침탄 담금질에 적합한 재질

진공 침탄 열처리는 저탄 소강 이하의 재질이 적합합니다.

· SCM415
· SS400
· SPCC

또 진공 침탄 열처리는 재난 침탄 재료로 꼽히는 SUS304스테인리스 철강에 대해서도 대응이 가능합니다.

뛰어난 내식성을 가진 SUS304에 표면 경화를 함으로써 모든 분야의 제품에 활용할 수 있습니다.

 

강철의 침탄 경화 깊이

진공 침탄 열처리의 품질을 가르는 요소 중 하나에 침탄 깊이가 있습니다.

진공 침탄 열처리의 깊이는 "유효 경화 깊이"과 "모든 경화 깊이" 2종류가 JIS에서 규정되어 있습니다.

유효 경화 깊이
유효 경화 깊이는[JIS B 6905:1995금속 제품 열 처리 용어]에서 

"경화의 표면에서 규정하는 한계 경도의 위치까지의 거리"이라고 정의되어 있습니다.

또 [JIS G 0557:2019강철의 침탄 경화 심도 측정 방법]에서는

한계 경도가 550HV에서 설정되어 있어 유효 경화 깊이는 일반적으로

"경화로, 또는 200℃을 넘지 않는 온도에서 담금질한 때의 표면에서 550HV까지의 거리"를 의미합니다.

 

모든 경화 깊이

모든 경화 깊이는 "경화의 표면으로부터, 경화와 천과의 물리적 또는 

화학적 성질의 차이를 분간 못할 위치까지의 거리"라 JIS에서 정의되어 있습니다.

 

쉽게 말하자면 윗 그림과 같이 재료의 표면에서 탄소가 침입하는 곳까지의 거리를 말합니다.

진공 침탄 열처리한 재료는 내부로 가면서 경도가 낮은 값을 나타냅니다.

 

다만 전 경화 깊이는 유효 경화 깊이처럼 명확한 경도의 기준이 있는 것이 아니라

소지와 유효 경화 깊이의 구별이 띄지 않는 곳까지의 거리를 가리키고 있습니다.

 

 

 

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