침탄법(Carburizing)

0.2%C 이하 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소강으로 만든 후, 이것을 열처리하여 경화시키는 방법을 침탄(Carburizing)이라 한다.
침탄 처리를 할 때 내부는 저탄소강으로 담금질 경화가 일어나지 않지만, 외부는 고탄소강 조직으로 하여 표면 경화층을 얻는 것이다.
침탄 시에는 전용 침탄로를 많이 사용하고 있으며 침탄과 동시에 경화를 일으키는 열처리를병행한다.
침탄방법에는 고체 침탄법, 액체 침탄법, 가스 침탄법이 있다.

1.고체 침탄법(Pack Carburizing)

1.1 침탄 방법

철재의 침탄상장에 고체 침탄제와 침탄 촉진제를 넣고, 밀폐한 후 가열 유지하여 저탄소강표면에 침탄층을 얻음.

1.2 침탄 요소

① 침탄제 : 목탄, 코크스
② 침탄 촉진제 : 탄산바륨

  • BaCO3)
    ③ 가열온도 및 시간 : 900 ~ 950℃ 가열 후 4 ~ 5시간 유지.
    ④ 침탄 깊이 : 0.5 ~ 2.0mm
    ⑤ 침탄층의 탄소량 : 0.85 ~ 0.9% (과공석강의 조직)

    1.3 침탄 시 유의점

    ① 침탄 온도가 높으면 침탄속도가 빠르나, 950℃ 이상이면 오스테나이트 결정립이
      조대화 된다.
    ② 침탄 깊이가 너무 깊으면 비용이 많이 들고 인성이 감소된다.
    ③ 침탄제 입도가 너무 작으면 열의 통과에 불리하여 시간이 걸린다.
    ④ 강재에 크롬(Cr)이 함유되면 탄소의 확산이 느려 과잉 침탄이 발생한다.
    ⑤ 균일 침탄 및 침탄층의 조절에 신경을 써야 한다.
    ⑥ 탄산나트륨이 너무 많으면 강 표면에 용착되어 침탄이 어렵다.

    • 1.4 국부적 침탄

    ① 탄소강에 구리도금을 한다.
    ② 가공 여유를 두어 침탄 후 절삭 가공하여 침탄 부를 깎아낸다.
    ③ 진흙을 바르고 석면 및 강판으로 두른다.

    1.5 침탄 후 열처리

    1.5.1 확산 풀림
    탄소의 확산이 느린 Cr 을 함유한 강은 탄소가 표면에 집중되어 표면에 과잉 침탄이발생되므로
    탄소를 내부로 확산시키기 위해 침탄온도에서 30분~4시간 정도 풀림 처리를 한다.

    1.5.2 구상화 풀림
    침탄층에 나타난 망상의 시멘타이트는 담금질 전에 구상화 하는 것이좋으며, 1차 및 2차 담금질을
    할 때는 1차 담금질 후 650 ~ 700℃에서 구상화 풀림 처리를 한다.

    1.5.3 담금질
    처리 중의 중심부는 조직이 매우 조대함므로 A3 보다 30℃ 이상으로 가열 후유냉시켜 1차 담금질 하고,
    다음에 침탄부 (표면)를 경화시키기 위해 A1점 이상 가열 후수중에서 2차 담금질 한다.

    구분풀림 온도냉각목적
    1차 담금질A3 이상 30℃유냉조직의 미세화
    1차 담금질A1 점 이상수냉표면 경화

    1.5.4 뜨임
    침탄 후 담금질한 강의 응력제거 및 마르텐자이트의 안정화를 위해 저온 뜨임(150 ~ 200℃) 처리를 하며, 저온 뜨임을 통해 연마균열이 방지되고 내마모성이 향상된다.

    2. 액체 침탄법 (Liquid Carburizing)

    2.1 침탄 방법

    침탄 질화법 (Carbon nitriding), 시안화법(Cyaniding)이라고도 하며, 침탄제와 촉진제를동제상자에 넣고 용해하여 강재를 염욕 중에 침지시켜, 발생기 탄소와 질소를 침입시킴.

    2.2 침탄 요소

    ① 침탄제 : 시안화 나트륨(NaCN), 시안화칼륨(KCN)
    ② 침탄촉진제 : 탄산칼륨(K2CO3 ), 탄산나트륨(Na2CO3), 염화칼륨(Ncl), 염화나트륨(Nacl)
    ③ 가열온도 및 시간 : 600 ~ 900℃에서 약 30분 (700℃이하 : 질화, 800℃ 이상 : 침탄)
    ④ 침탄 깊이 : 0.1 ~ 0.5mm (처리온도에 비례)
    ⑤ 침탄층의 탄소량 : 0.7 ~ 1.0%

    2.3 액체침탄의 장점

    ① 가열이 균일하고 제품의 변형이 적다.
    ② 온도조절이 용이하여 시간이 절약된다.
    ③ 산화방지 효과가 있어 계기류 등의 침탄에 이용된다.

    2.4 액체침탄의 단점

    ① 침탄제의 가격이 비싸다.
    ② 침탄층이 얇다.
    ③ 유독가스가 발생된다.

    2.5 국부적 침탄

    ① 산화 알루미늄(Al2O3), 산호규소(SiO2)등을 바른다.
    ② 니켈, 크롬 등의 전기도금을 한다.
    ③ 용용 알루미늄을 도포한다.

    2.6 침탄 후 열처리

    2.6.1 담금질

    ① 공냉 후 재가열 하여 담금질 하거나 침탄 온도로 부터 730 ~ 750℃까지 냉각한 후담금질 한다.

    ② 담금질 온도가 높으면 잔류 오스테나이트 양이 많아져 경도가 저하될 수 있으며 담금질 변형방지를 위해 수냉 하지 않고 마?칭 (Marquenching)할 수도 있다.

    2.6.2 뜨임
    담금질 후 150 ~ 180℃의 저온 뜨임을 실시하여 강의 내부응력을 제거한다.

    3. 가스 침탄법(Gas Carburizing)

    3.1 침탄 방법

    주로 작은 부품의 침탄에 이용되는 것으로 메탄가스나 프로판가스, 아세틸렌 가스등탄화수소계 가스를 변성로에 넣고 니켈을 촉매로 하여 침탄가스로 변성 후, 오스테나이트화된금속의 표면을 접촉시키면 활성탄소가 침입하여 침탄이 일어난다.

    3.2 침탄 요소

    ① 침탄제 : 일산화탄소(CO), 메탄(CH4)
    ② 가열온도 및 시간 : 900 ~ 950℃ 에서 3 ~ 4시간
    (최근에는 1000 ~ 1200℃의 고온침탄을많이 사용)
    ③ 침탄 깊이 : 약 1mm

    3.3 고온침탄의 장점

    ① 침탄시간이 단축된다.
    ② 확산구배가 급하지 않다.
    ③ 깊은 침탄층을 얻을 때 효과적이다.

    3.4 가스침탄의 단점

    ① 균일한 침탄층을 얻음(가스공급량, 혼합비, 온도의 조절)
    ② 작업이 간편하고 열효율이 높다.
    ③ 연속 침탄에 의해 다량 침탄이 가능한다.

    3.5 침탄 후 열처리

    3.5.1 1차 담금질
    고온에서 장시간 가열하므로 성장된 조직을 미세화 하기 위해, A3 점 이상30℃까지 가열한 후 기름 중에서 1차 담금질 한다.

    3.5.2 2차 담금질
    표면의 침탄부를 마르텐자이트로 변화시켜 경화하기 위한 처리로써 A3 점 이상가열한 다음 물 속에 담금질 한다.

    3.5.3 뜨임
    담금질한 다음 150 ~ 200℃ 정도로 10분 정도 가열하여 응력을 제거하고,인성을 부여하나 경도는 다소 저하된다.