질화 처리는 강철 부품의 표면 경도, 내마모성 및 피로 강도를 향상시키는 데 사용되는 저온 열화학 처리입니다. 낮은 처리 온도 덕분에 뛰어난 치수 안정성을 보장하므로 높은 내구성과 최소한의 변형이 요구되는 공작기계 스핀들, 크랭크축, 압출 금형과 같은 정밀 부품에 필수적입니다.
질화란 무엇입니까?
질화처리는 특정 온도에서 질소 원자가 공작물의 표면층에 침투하도록 하는 화학적 열처리 공정입니다.
질화 처리 후, 강철 부품 표면에는 매우 높은 경도(1000~1100 HV)를 나타내는 질화물층이 형성되며, 이 경도는 600~650°C에서도 감소 없이 유지되어 탁월한 내마모성과 고온 경도를 제공합니다. 강철 질화 처리 후, 질화층의 부피가 증가하여 표면에 압축 응력이 발생하고, 이는 피로 강도를 크게 향상시킵니다. 또한, 낮은 질화 온도로 인해 부품 변형이 최소화됩니다. 질화 표면은 화학적 안정성이 높은 조밀한 질화물층을 형성하여 우수한 내식성을 제공하며, 물, 과열 증기 및 알칼리 용액에서도 안정성을 유지합니다.
질화강에는 35CrAlA와 38CrMoAlA가 있습니다. 질화 처리 전에 부품은 내부 미세구조를 안정화하고 우수한 종합적인 기계적 특성을 얻기 위해 담금질 및 템퍼링 처리를 거쳐야 합니다. 이를 통해 사용 중 치수 변화를 최소화하고 질화 처리 후 추가 열처리가 필요하지 않습니다.
질화 처리는 주로 높은 피로 강도, 우수한 내마모성 및 정밀한 치수가 요구되는 기계 부품, 예를 들어 보링 및 연삭기의 스핀들과 슬리브, 웜 기어, 디젤 엔진 크랭크축 등에 적용됩니다. 또한 탁월한 표면 연마 성능과 일정 수준의 내식성 덕분에 플라스틱 금형에도 사용됩니다.
현재 사용되는 질화 방법에는 주로 가스 질화와 플라즈마 질화가 있습니다.
가스 질화
가스 질화(가스 연질 질화라고도 함)는 사전에 공기가 제거된 피트로에서 수행됩니다. 탈지 및 세척된 공작물을 밀폐된 로에 넣고 가열한 후 암모니아 가스를 주입합니다. 암모니아는 380°C 이상에서 분해되어 다음 반응에 따라 활성 질소 원자를 생성합니다.
2NH₃ → 3H₂ + 2[N]
활성 질소 원자는 강철 표면에 흡착되어 고용체 및 질화물(예: AlN)을 형성합니다. 질화 시간이 길어짐에 따라 질소 원자는 점차 내부로 확산되어 일정 깊이의 질화층을 형성합니다.
일반적인 질화 온도는 550~570°C이며, 질화 시간은 필요한 층 두께에 따라 달라집니다. 일반적으로 질화층 두께는 0.4~0.6mm이며, 이를 위해서는 40~70시간이 소요되므로 가스 질화 공정의 생산 주기는 비교적 깁니다.
가스 질화 공정은 사전 준비, 진공 및 가열, 질화 유지, 냉각의 네 단계로 구성됩니다. 원활한 질화를 위해 가공물은 투입 전에 가솔린이나 알코올로 탈지해야 합니다. 세척된 표면에는 녹이나 오염 물질이 없어야 합니다. 질화가 필요하지 않은 부분에는 주석 도금, 구리 도금 또는 코팅과 같은 질화 방지 처리를 할 수 있습니다. 날카로운 모서리는 더 깊고 취성이 강한 층을 형성할 수 있으므로 질화 처리된 부품은 피해야 합니다. 질화 후 부품을 꺼낼 때는 충돌을 방지하기 위해 조심스럽게 다루어야 하며, 가늘고 정밀한 부품은 변형 및 새로운 응력 발생을 방지하기 위해 매달아서 냉각해야 합니다.
암모니아 분해 효율이 낮기 때문에 가스 질화는 일반적으로 알루미늄, 크롬, 몰리브덴 등의 원소를 함유하는 강재의 질화에 적합합니다. 주로 내마모성과 치수 정밀도가 요구되는 정밀 부품, 교번 하중을 받는 중요 부품, 내열 및 내마모성이 요구되는 부품(예: 보링 머신 스핀들, 고속 정밀 기어, 고속 디젤 엔진 크랭크축, 밸브, 다이캐스팅 금형)에 사용됩니다.
플라스마 질화
플라즈마 질화는 특정 진공도 조건에서 공작물(음극)과 양극 사이의 글로우 방전 현상을 이용하여 수행되므로 글로우 방전 플라즈마 질화라고도 합니다.
이미지 신용 : ScienceDirect
금속 가공물은 질소를 함유한 매질이 채워진 음압 용기 내의 음극으로 배치됩니다. 전원이 공급되면 매질 내의 질소 원자가 이온화되어 음극과 양극 사이에 플라즈마 영역이 형성됩니다. 플라즈마 영역의 강한 전기장 하에서 양전하를 띤 질소 및 수소 이온이 고속으로 가공물 표면을 충돌합니다. 이러한 이온 충돌은 표면에서 원자 스퍼터링을 일으켜 표면을 정화하는 동시에 질소는 흡착 및 확산을 통해 표면으로 침투합니다.
기존 가스 질화 방식과 비교했을 때, 플라즈마 질화 방식은 다음과 같은 장점을 제공합니다.
- 적절하게 단축된 질화 공정.
- 질화층의 취성이 감소했습니다.
- 에너지 및 암모니아 소비량 절감.
- 국소 처리 시 질화 처리가 필요하지 않은 영역을 보호할 수 있는 기능.
- 이온 충격에 의한 표면 정화는 부동태 피막을 제거하여 스테인리스강 및 내열강의 직접 질화 처리를 가능하게 합니다.
- 질화층 두께 및 미세구조 조절 가능.
단점으로는 높은 장비 투자 비용, 불균일한 온도 분포, 엄격한 운영 요건 등이 있습니다.
플라즈마 질화 처리는 내마모성 및 내식성이 요구되는 저부하 고속 부품뿐만 아니라 보링 머신 스핀들, 정밀 공작기계 리드 스크류, 밸브 스템 및 밸브와 같은 고정밀의 가늘고 긴 막대형 부품에 적합합니다.
질화용 강재
강철 표면에 높은 경도와 내마모성을 갖는 질화층을 형성하려면 특정 합금 원소를 함유한 합금강을 질화 공정에 사용해야 합니다. 이는 특정 합금 원소로 형성된 질화물이 철 질화물보다 훨씬 안정적이며 질화층 내에 고르게 분포되어 매우 높은 경도를 나타내기 때문입니다.
일반적인 합금 원소로는 Al, Cr, V, Mo, Mn, W 등이 있습니다. 가장 널리 사용되는 질화강은 38CrMoAl과 35CrAl이며, 이들은 질화 처리 후 매우 높은 표면 경도와 내마모성을 제공합니다. 피로 강도 향상용 강재로는 38CrA, 40CrNiMoA, 18Cr2Ni4WA 등이 있으며, 스테인리스강으로는 45Cr14Ni14W2Mo와 Cr10Si2Mn이 있습니다. 금형강으로는 3Cr2W8V가, 스프링강으로는 50CrVA가 있습니다.
질화 처리를 위한 준비 열처리
질화 처리된 가공물의 일반적인 가공 경로는 다음과 같습니다: 단조 → 어닐링(또는 노멀라이징 + 고온 템퍼링) → 황삭 가공 → 담금질 및 템퍼링 → 반가공 → 응력 제거 → 정삭 → 질화 → 최종 연삭 또는 연마.
이 경로에서 볼 수 있듯이, 질화 처리 전의 준비 열처리에는 어닐링(또는 노멀라이징 + 고온 템퍼링), 담금질 및 템퍼링, 그리고 응력 완화가 포함됩니다.
이러한 단계는 질화 처리를 위한 준비 단계이며, 일반적으로 질화 처리 후에는 추가적인 가공 작업이 이루어지지 않습니다.
어닐링과 노멀라이징은 미세구조를 개선하고, 가공성을 향상시키며, 내부 응력을 제거하고, 담금질 및 템퍼링을 위한 준비를 합니다.
담금질 및 템퍼링
담금질 및 템퍼링은 균일하고 미세한 소르바이트 미세구조를 얻기 위한 중요한 전처리입니다. 이는 코어 부분의 우수한 기계적 특성을 보장할 뿐만 아니라 질화 처리에 필요한 미세구조적 준비를 제공합니다.
담금질 및 템퍼링 조건은 질화 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 38CrMoAlA강의 경우, 임계점은 더 높습니다: Ac1 = 790°C, Ac3 = 900°C, Ar1 = 740°C. 또한, 알루미늄은 페라이트를 안정화시켜 가열 시 오스테나이트에 대한 용해도를 낮추므로, 노멀라이징 및 담금질 온도를 높이고 유지 시간을 일반 합금 구조강보다 약 1.5배 더 길게 해야 합니다.
담금질 온도가 너무 낮거나 유지 시간이 부족하여 오스테나이트 내 페라이트가 불완전하게 용해되면, 질화 처리 중 표면에 자유 페라이트가 남아 질화층의 취성을 크게 증가시킵니다. 반대로 담금질 온도가 지나치게 높으면 오스테나이트 결정립이 조대화되어 질화물이 결정립계를 따라 우선적으로 확장되면서 질화층에 뚜렷한 물결 모양 또는 망상 구조가 형성됩니다.
템퍼링 온도는 질화 품질에 큰 영향을 미칩니다. 담금질 및 템퍼링 후 경도를 결정하는 요소인데, 템퍼링 온도가 높을수록 경도가 낮아지고 기지 내 탄화물 분산이 감소하며, 질화 과정 중 질소 침투가 용이해지고 침투 속도가 증가하며 질화층이 깊어집니다. 템퍼링 온도가 상승함에 따라 질화층의 경도는 감소하고, 중심부의 경도는 약간 감소합니다.
복잡한 형상의 가공물의 경우, 가공으로 인한 응력을 제거하고 질화 처리 중 변형을 줄이기 위해 응력 완화 어닐링이 필요합니다. 담금질 및 템퍼링 처리 후 경도 저하를 방지하려면 응력 완화 온도는 템퍼링 온도보다 40~70°C 낮게 설정하고, 적절한 유지 시간을 확보한 후 150°C 이하로 서서히 냉각시킨 다음 제거해야 합니다.
표 1: 가스 질화 처리를 위한 예비 열처리 공정
| 자재 | 예비 열처리 공정 |
| 일반 구조용 강재 부품 / 충격 인성 요구 조건이 낮은 부품 | 담금질 및 템퍼링(Q&T). 고온 템퍼링 온도는 질화 온도보다 20~40°C 높아야 하며, 유지 시간은 지나치게 길어서는 안 됩니다. |
| 38CrMoAl 강철 | 노멀라이징 처리를 사용할 수 있지만 냉각 속도가 빨라야 합니다. 단면적이 큰 공작물에는 노멀라이징 처리가 금지되어 있습니다. 담금질 및 템퍼링(Q&T) 처리를 반드시 사용해야 하며, 그렇지 않으면 질화층에 침상 질화물이 제대로 생성되지 않을 수 있습니다. 공구강 및 금형강의 경우, 일반적으로 질화 처리 전에 담금질 및 템퍼링을 수행하며, 어닐링은 금지되어 있습니다. |
| 가늘고, 벽이 얇고, 복잡하며 정밀한 부품 | 질화 처리 전에 하나 이상의 응력 제거 처리가 필요합니다. 응력 제거 온도는 일반적으로 템퍼링 온도보다 낮지만 질화 온도보다는 높습니다. |
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