질화 열처리

질화열처리

질화법(窒化法(질화법 Nitriding)

1.질화열처리 개요

질화는 강(steel)표면에 질소(N)를 침투시켜 강 표면을 강화시키는 열화학적 처리방법이다.

강의 표면을 경화 시킨다는 면에서는 침탄(Carburizing)과 유사하지만 A1변태점(723℃)이하인500~600℃)의 온도에서 처리하고 조직변화에 의해 경화 되는것이 아니므로 침탄과 비교하여 열처리 변형이 적은 장점을 가지고 있다.

질화처리를 하면 강 표면에 질소화합물층 및 확산층이 생성된다.

화합물층(Compound Layer)은 매우 경하고 취약한 화합물로서 Υ상(Fe4N), έ상(Fe2`3N)이 있으며 그 특징은 강의 종류및 질화방법에따라 다르게 나타난다.

확산층(Diffusion Layer )은질소 고용물과 타 성분원소(A1아루미늄,Cr크롬,V바나듐,Ti티탄 Mo몰리부텐.W텅스텐등)와 결합된 미세 질화물이 존재한다. 이 확산층의 경도및 두깨는 질화방법,온도,처리시간,및 성분원소의 영향을 받으므로 용도에 따라 질화방법및강종을 선정하는것이 중요 하다.

높은 경도를 얻기위해서는 A1,Cr,Mo 등의 질화물 형성원소를 함유하는 강종이 필수 조건이므로 처리강에 많은 제약이 따른다.

 

2)질화 열처리한 각종 금형 사진들

3 질화의 분류

탄소(C)는 질화 시에 질소와 반응하여 질화물을 형성하지만 높은 경도를 얻기는 어렵다.

따라서 내마모성의 향상을 목적으로 탄소강에 질화처리를 하는것은 큰 의미가 없게 된다.

WHDFo의 가스순질화는 시간이 많이 걸리고 염욕질화는 공해배출이라는 단점을 갖고 있으나, 최근 개발 보급된 연질화 기술과 이온질화기술은 종래의 단점을 보안한 새로운 질화 방법이다.

침투 원소에 따라 순질화와 연질화로 구분

순질화:N만침투시켜 강화시킴

연질화:질소(N)와 약간의탄소(C)를 침투시켜 경화 하는 방법

(연질화의 특징)

종래가스질화(순질화.경질화)와 가스 연질화는 완전히 다른 처리다.

가스질화의 경우 합금강만이 처리가 가능한 반면,가스연질화의 경우 가스질화공법에 촉매가스를 사용 함으로 인해 합금강은 물론 저탄소강(SPCC, SAPH)등 저급재료에도 처리가 가능하다는 장점이 있다.

가스질화는 암모니아를 사용하기 때문에 응용의 폭이 넓지 못하지만 가스연질화는 반응가스의 사용에 따라 제품표면에 다양한 성질을 얻을수 있어 응용범위가 넓다.

가스질화의 경우 처리 시간이 긴반면 가스연질화는 촉매가스 사용으로 처리시간이 가스질화에 비해 짧다는 장점이 잇다.

연질화는 일반적으로 20㎛이하의 화합물층을 얻을 수 있다.

4.질화 열처리의 종류와 특징

1)가스 순질화

2)염욕 연질화

3)가스 연질화

4)이온 질화

1)가스 순질화

1923년 독일 AdolfFry박사에 의하여 개발된 표면경화 열처리 법이다.

금속의 A1(알루미늄) 변태점(725℃)이하의 온도인 (500~550℃)에서2NH3↔3H2+2N과 같은식의 해리에 의하여 발생된 발생기 질소(N)가 鋼(강)중의 미소성분인 A1,Cr,MoTi등과 화합하여 A1-N,Cr-N,Mo-N,Ti-N등과 같은질화물을 만들고 그 질화물은 경도가 비상하게높다.

2) 염록 연질화

트프드라이드(Tufftride)법이라고도 함

피로 수명이 길고 내식성이 상당히 큰 것이 장점이며 ,신속 염욕 질화 법이다

520~570℃의 온도에서 단시간(10~20分)동안 액체 질화 처리를 행한다.

연강에 이 처리를 하면 표면 경도HRC54정도가 된다.

NaCN(사이안화나트륨 [sodium cyanide])또는KCN)+02(공기투입)˃570℃˃5 NaCNO ˃

열분해˃3Na추+Naco3+2(N)의 반응을한다.

연질화를 효과적으로 하기 위해서는 공기를 불어 넣기위한 장치가 필요하다

자동차 부품의 치차류 또는 공구에 많이 이용된다.

3)가스연질화

종래의 염록 연질화와 유사한 목적으로 처리 되는 표면 경화 처리법이다

염욕연질화 방식은 주성분 사이나이트가 500~600℃의 온도로 가열된 액체속에서

5MCNO→3MCM+2CO=2N:2CO-CO2+CO같이발생기 질소원자 (N)가 발생되어 침탄과 질화 효과를 얻게 한다. 그러나 이방법은 냉각과정에서 수냉또는 오일 냉각을 거쳐야 함으로 다소의 변형과 표면에 이물질이부착되는 결점이 있다.

가스연질화는 N2.CO2.H2.NH3등의 혼합가스를 사용하여 Fe-N-C계의화합물층을 얻게하며 특히 냉각과정에서 진공처리후 NH3또는 N2분위기로 냉각시켜 줌으로써 변형이 없어야 하는 정밀한 제품을 고품질로 처리할 수 있는 최첨단 열처리다.

(가스연질화의 특징)

변형을 극소화 하고 표면의 산화방지로완성품처리가 가능한 최첨단 열처리다.

내마모성.내식성.피로강도가 우수하다

짧은 처리시간으로 신속한 납기일을 보장한다.

혼합가스를 사용하므로 침탄과 질화의 안정된 조직을 얻게된다.

RX가스와 암모니아가스를 50:50으로 혼합하여 570℃에서 처리하는 무공해방법이다.

어떠한 강종에도 질화 처리 할 수 있다.

4)이온질화

1~20Ton의 질소혼합가스분위기 중에서 로체를 양극 피처리물을 음극으로 하여 수백볼트의 직류전압을 가하면 글로방전(Glow Discharge)이 발생되며 플라즈마가 부드러운 빛으로 처리물을 덮는다. 이 때 이온화된 가스성분은 고속으로 가속되어 피처리물 표면에충돌,이를 가열한다.동시에 Sputtering작용 등에 의하여 질화가 진행된다. 이와 같이 이온질화법은 종래의 질화법과 전혀다른 획기적인 처리법으로서 현재 자동차 부품을 비롯하여 각종기계부품,정밀부품.사출성형기부품 각종금형등의 이용이 높아지고 있는 질화법이다.

이온이 갖는고운동애너지는 열에너지로 변환하고 피처리물을 가열하여 일부는 직접이온을 주입하고 음극(-극)스퍼트링(Sputtering)을 일으켜 그표면으로부터 전자및원자가 반발된다. 내쫒긴 철의 원자는 전자에 의해 생성된 원자상의 질소와 화합하여 질화층을 형성한다.

feN흡착에 의해 feN으로 다음 저위의질화물로 분해하고 질소를 방출하여 일부는 플라스마(Plasma)의 가스로 되돌아가 새로운N과결합하여 질화를 촉진시킨다.

이혼질화의 특성

가스비율을 조절 하므로써화합물층의 조성이 조성되고 목적에 적합한 기계적성질을 얻을수 있다. 진공증에 처리 되므로처리후의 표면은 Porous층이적어 표면 조도의 저하가 적고 변형이 거의 없으므로 후 가공을 생략하그나 간략화 할 수 있다.이온화된 가스의 스퍼터링 작용을 이용하기 때문에종래 질화처리에 비교하여 460℃정도의 저온처리에서는 휨량이 적으며 ,또한 850℃정도의 고온영역에서는 Ti등의 질화처리를 할 수 있다.

스텐레스, 티탄,지르코늄등 특수금속의 질화처리가 된다. 부분질화가 용의하고 강종에 따라내식성의 향상을 기할 수 있다. 다른 질화법에서 얻을 수 없는 감마층및 금속학적물성 생성이 가능하다.다른 질화법에 비해서 작업환경이 매우 좋다. 질화 속도가 비교적 빠르다.

5.이온질화 열처리한 각종 금형 사진들

질화의경도와조직

가스 질화 처리된 제품의 최외각의 경도는 재질에 따라 많은 차이가 난다 . 특히 합금 원소중Al(알루미늄)Cr(크롬)의 량에 따라 큰 차이가 나며 이 두원 소가 많이 함유된 SACM645대표적인 질화강은 질화처리 후HmV950~1200으로 매우 높다.

연강의 경우는 합금원소가 없기 때문에 표면경도는 HmV380~600정도로 낮으나 질화 층 깊이가 깊다.

가스 질화 처리한 표면조직은 화합물 층과(Fe2-3N)과 확산 층(AIN.CrN)등으로 구성되어 있으며 사용 용도에 따라 제거하여 쓰기도 한다, 필요한경우매우 얇은 화합물 층(2~5㎛)만이 요구되며 두꺼울 경우 균열이나 박리가 발생할 수 있다.

산질화 처리란

암모니아 가스중에 산소를 첨가한 분위기중에 질화처리 하거나 질화처리 후 수증기를 투입하여 피 처리물 표면에 산화 층(Fe304)를생성시켜 내식성, 내마모성. 내피로성,강도향상 등을 도모한 표면열처리

2NH3 → 3H2 + 2[N] 식(1)

CO2 + H2 → CO + H2O 식(2)

2CO → CO2 + [C] 식(3)

2NH3 → 3H2 + 2[N](1)

CO2 + H2 → CO + H2O(2)

2CO → CO2 + [C](3)

you tube링크

https://youtu.be/C0GINDPG8Ns

https://youtu.be/0hKL3K9ZUwc

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