침탄[carburizing], 침탄담금질법[case hardening]

침탄[carburizing]

기어, 베어링, 샤프트 또는 엔진의 캠과 같은 기계부품에서는 부품 전체의 인성이 요구됨과 동시에, 마모에 견디기 때문에 표면이 단단하여야 한다.

여기서 철강 속에 탄소를 첨가하면 경도가 올라가는 것을 이용하여 재료의 표면에 탄소를 침입시켜 표면층 만을 경화시키는 것이 침탄이다.

표면에 탄소를 침입시키는 방법으로 고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법이 있다. 고체침탄은 침탄시키고자 하는 부품을 목탄 및 촉진제와 함께 상자 속에 밀봉하고 850~950℃에서 수시간 가열한다.

가스침탄은 탄화수소가스와 공기를 반응시켜 생성한 RX가스라고 불리우는 가스 등의 침탄성가스 속에서 침탄시킨다. 침탄은 대부분 이 방법으로 이루어진다.

액체침탄은 NaCN 또는 KCN 등의 시안화합물에 NaCl을 첨가한 침탄제를 가열용융시키고 그 욕 속에 부품을 담그므로써 침탄시킨다. 액체침탄의 경우 탄소와 동시에 질소도 침입하므로 침탄질화법이라고도 불리운다. 그 밖에 재료를 음극으로 하여 염욕 속에 통전함으로써 침탄하는 전해침탄이라는 방법도 있다.

침탄시킨 재료는 내마모성을 향상시키는 것만이 아니라 피로에 대한 저항도 상승하므로 적절하다. 이것은 표면이 경화하는데 덧붙여 침탄에 의해 표면층의 마르텐사이트변태 개시온도가 저하하고 철강의 마르텐사이트변태에 따라 체적팽창의 효과 때문에 표면층에 압축응력이 잔류하게 된다.

표면경화법에는 침탄 이외에도 질화, 고주파담금질, 숏피닝 등이 있다.

기계구조용탄소강, 기계구조용합금강에서는 담금질․뜨임 등 통상의 열처리를 실시하여 사용하는(강인강) 것 외에 침탄하여 사용하는(표면담금질강) 경우도 많다.

침탄한 경우는 침탄후 담금질, 뜨임처리를 하고 결정립을 가늘게 함으로써 성질을 조정한다.

에탄의 분해로 등에 사용되는 화학공업용내열강에는 사용 중에 침탄이 너무 심하게 일어나면 재료가 균열되는 등의 불량이 생긴다. 이러한 경우 재료에 Ni, Si를 많이 합금첨가하면 침탄이 어려워진다.

 

침탄담금질법[case hardening]

0.1~0.25%의 탄소를 포함하는 강의 표면층에 대한 탄소량을 침탄에 의해 약0.8%로부터 담금질․뜨임에 의해 표면경화시킨 처리(표면경화). 표면경화라고도 하고 침탄담금질용의 강이 표면담금질강이다. 재료 내부는 인성에 풍부하므로 마모나 피로에 강하고 인성이 높은 재료가 얻어진다.

침탄에서는 강재를 900℃ 부근의 고온에 장시간 유지하므로 내부의 결정립이 커지게 되거나 바로 좋은 인성을 얻기 어렵다.

그러한 경우는 우선 1차담금질이라고 하여 내부의 A3변태점보다 약간 위의 온도로 가열하고 기름담금질하여 결정립을 가늘게 함과 동시에, 침탄후 서냉시에 망목상(網目狀)으로 생긴 시멘타이트를 구상화한다.

이어서 침탄층의 A1변태점보다 약간 높게 가열하여 2차담금질한다.

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