침탄 공정 설명: 정의, 종류 및 성능

침탄은 고온에서 표면을 경화시켜 단단하고 내마모성이 뛰어난 외부와 강하고 충격 흡수력이 좋은 내부를 가진 부품을 만드는 공정입니다. 침탄은 자동차 및 항공우주 산업에서 변속기 기어, 구동축, 고하중 베어링과 같은 고하중 부품에 사용되는 표준 열처리 방식입니다.

침탄이란 무엇입니까?

침탄은 공작물을 가열하고 침탄 매체에 담가 탄소 원자가 표면에 침투하도록 하는 화학적 열처리 공정입니다. 이는 금속 재료에 흔히 사용되는 열처리 공정으로, 공작물의 침탄된 표면은 높은 경도와 향상된 내마모성을 얻게 됩니다. 침탄 공정은 항공기, 자동차, 트랙터 등의 기계 부품, 예를 들어 기어, 축, 캠축 등에 널리 사용됩니다.

탄소를 함유하는 매체의 종류에 따라 침탄은 기체 침탄, 고체 침탄, 액체 침탄으로 분류할 수 있다.

가스 침탄은 공작물을 밀폐된 침탄로에 넣고 기체 침탄제(메탄, 에탄 등) 또는 액체 침탄제(등유, 벤젠, 알코올, 아세톤 등)를 주입하는 공정입니다. 이러한 침탄제는 고온에서 분해되어 활성 탄소 원자를 생성하고, 이 원자들이 표면에 침투하여 고탄소 표면층을 형성합니다.

고체 침탄은 가장 초기의 방법으로, 공작물과 고체 침탄제(숯과 활성제)를 밀폐된 침탄 상자에 넣고, 이를 용광로에서 침탄 온도까지 가열한 후 일정 시간 동안 유지하여 활성 탄소 원자가 표면에 침투하도록 하는 방식입니다.

액상 침탄은 액체 매체를 사용하여 공정을 진행합니다. 일반적인 액상 침탄 매체로는 탄화규소와 "603" 침탄제가 있습니다.

가스 침탄

가스 침탄은 현재 가장 널리 사용되고 있으며 가장 빠르게 성장하는 방법입니다. 이 방법은 공정 변수를 합리적으로 조정함으로써 제어된 분위기와 안정적인 제품 품질을 제공합니다.

가스 침탄법은 대량 생산에 적합하고, 공정이 간편하며, 품질 관리가 용이하여 오늘날 널리 사용되고 있습니다. 이 방법은 주로 천연가스, 프로판 또는 부탄을 주 가스로 사용합니다. 표면 탄소 농도 조절, 가스 유량 및 온도 제어의 자동화 용이성, 간편한 관리 등의 장점을 제공합니다. 단점으로는 고가의 장비와 소량 생산 시 높은 비용, 그리고 전문적인 공정 기술이 필요하다는 점이 있습니다.

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가스 침탄 방법에는 드립피드법과 흡열 가스법 두 가지가 있습니다. 드립피드법에서는 공작물을 활성 침탄 매체가 채워진 밀폐된 피트형로에 넣고 900~950°C(일반적으로 930°C)의 단상 오스테나이트 영역까지 가열합니다. 충분한 시간 동안 유지하면 매체에서 분해된 활성 탄소 원자가 강철 표면으로 침투하여 표면은 고탄소화되고 내부는 원래의 조성을 유지합니다. 로 내부의 침탄 분위기는 주로 케로신, 아세톤, 톨루엔, 포름알데히드와 같은 유기 액체가 고온에서 분해되어 형성되며, 주로 CO, H₂, CH₄로 구성되고 소량의 CO₂와 H₂O가 포함됩니다.

가스 침탄 공정은 분해, 흡수, 확산의 세 가지 기본 단계로 구성됩니다. 먼저, 침탄 매체가 고온에서 분해되어 활성 탄소 원자를 생성합니다.

CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]

2CO ⇌ CO₂ + [C]

CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]

이후 활성탄 원자는 강철 표면에 흡수되어 고온 오스테나이트에 용해된 후 내부로 확산되어 일정 깊이의 침탄층을 형성합니다. 침탄층의 깊이는 주로 유지 시간에 따라 달라집니다. 일정한 온도에서 유지 시간이 길수록 침탄층이 두꺼워집니다. 생산 과정에서는 정확한 배출 시간을 결정하기 위해 "현장 샘플 검사" 방법을 흔히 사용합니다.

피트형 용광로를 930°C에서 사용할 때, 침탄 시간과 깊이 사이의 관계는 다음과 같습니다.

진공침탄

진공 침탄 공정은 공작물을 진공로에 넣고 진공 상태로 만든 후 가열하여 내부를 정화하는 과정입니다. 침탄 온도에 도달하면 프로판과 같은 탄화수소를 주입합니다. 일정 시간이 지난 후 침탄제 주입을 중단하고 다시 진공 상태로 만들어 확산시킵니다.

진공 침탄은 진공 상태에서 고온(1030~1050°C)으로 진행되는 가스 침탄의 한 종류입니다. 진공은 표면을 깨끗하게 하여 탄소 원자의 흡착을 촉진하고, 표준 가스 침탄에 필요한 시간보다 약 3분의 1 수준으로 사이클 시간을 크게 단축시켜 줍니다. 또한, 진공로는 고온에서도 유지 보수 비용을 증가시키지 않습니다.

또한, 진공 침탄 공정은 운반 가스나 탄소 포텐셜 제어가 필요하지 않습니다. 탄소 농도는 부스트 시간과 확산 시간의 비율에 따라 달라지므로 탄소 포텐셜 제어 장치나 가스 발생기가 필요 없습니다. 이 공정은 제품 품질 향상과 에너지 절약에 상당한 이점을 제공합니다.

플라즈마 침탄

플라즈마 침탄은 플라즈마 충격을 이용하여 가스 침탄을 촉진하는 공정입니다. 진공 침탄과 마찬가지로 가스 발생기나 탄소 전위 제어기가 필요하지 않습니다. 방전 전류 밀도를 조절하여 침탄층의 농도를 제어할 수 있습니다. 플라즈마 충격이 공정을 강화하기 때문에 침탄 속도가 일반 침탄보다 훨씬 빠르며, 진공 침탄과 유사한 수준입니다.

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침탄용 강재

침탄에 사용되는 강은 일반적으로 저탄소강 및 저탄소 합금강이며, 중심부의 충분한 강도와 인성을 확보하기 위해 탄소 질량 분율이 0.1%~0.25%여야 합니다. 크롬, 니켈, 망간, 티타늄, 몰리브덴과 같은 합금 원소는 경화성을 향상시키고, 결정립을 미세화하며, 과열을 방지하고, 중심부의 인성을 높이기 위해 첨가됩니다.

일반적인 학년 및 적용 분야:

저강도강(S355, 1022, 5120 등): 마찰판, 부싱, 게이지와 같이 하중이 적고 내마모성이 요구되는 부품에 사용됩니다.

중강도강(20CrMn, 20CrMnTi, 20CrMnMo 등): 축, 기어, 핀과 같이 중간 하중을 견디고 내피로성이 요구되는 부품에 사용됩니다.

고강도강(12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4, 30CrMnTi 등): 고출력 엔진 샤프트 및 고하중 기어와 같은 고강도, 고하중 부품에 사용됩니다.

침탄 후 열처리

침탄 처리 ​​후, 가공물은 표면 강도, 경도 및 내마모성을 향상시키고 결정립을 미세화하며 중심부의 인성을 강화하기 위해 열처리를 거쳐야 합니다.

직접 담금질

직접 담금질은 침탄 처리 ​​후 공작물을 용광로 내에서 760~860°C까지 냉각(예냉)한 다음 담금질하는 방식입니다. 예냉은 내부 응력과 변형을 줄이고 고탄소 오스테나이트가 탄화물을 석출하도록 하여 잔류 오스테나이트를 감소시킵니다. 이 방법은 생산성을 높이고 비용을 절감하지만, 본질적으로 미세한 결정립을 가진 강에만 적합하며 표면 탄소 농도가 매우 높은 경우에는 적합하지 않습니다.

단일 담금질

침탄 처리 ​​후 서서히 냉각시킨 다음, 공작물을 임계 온도 이상으로 재가열합니다. 담금질핵심 강도 요구 사항이 높은 경우 온도는 A3보다 약간 높아야 합니다. 하중은 낮지만 표면 요구 사항이 높은 부품의 경우 온도는 Ac1보다 30~50°C 높게 설정합니다.

이중 담금질

이중 담금질은 높은 기계적 강도가 요구되는 부품이나 본질적으로 입자가 굵은 강재로 제작된 부품에 사용됩니다. 첫 번째 담금질(A3 + 30~50°C 이상)은 중심부 구조를 개선합니다. 두 번째 담금질(Ac1 + 30~50°C 이상)은 표면 구조를 미세화하여 미세한 마르텐사이트와 입상 이차 탄화물을 얻습니다.

침탄 처리된 부품은 담금질 후 150~250°C에서 템퍼링됩니다. 비합금강의 경우 일반적으로 150~180°C의 온도가 사용되며, 합금강의 경우 160~200°C의 온도가 사용됩니다. 담금질 및 저온 템퍼링 후, 표면 경도는 58~64 HRC에 도달하여 우수한 내마모성을 나타내는 반면, 중심부는 인성을 유지합니다. 표면에 형성된 압축 응력은 피로 강도 또한 향상시킵니다.

침탄 처리된 부품의 성능

담금질 후 표면 미세구조는 주로 고경도 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트, 그리고 소량의 탄화물로 구성됩니다. 중심부는 인성이 뛰어난 저탄소 마르텐사이트이며, 페라이트는 생성되지 않아야 합니다. 일반적인 침탄층 깊이는 0.8~1.2mm이며, 심층 침탄 시에는 2mm 이상에 도달합니다. 표면 경도는 58~63 HRC, 중심부 경도는 30~42 HRC입니다. 침탄 처리는 강도, 충격 인성, 내마모성을 효과적으로 향상시켜 부품 수명을 연장합니다.

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