질화법 (Nitriding)

질화법 (Nitriding)은 다른 표면 경화법과는 달리 변태점 이하의 상당히 낮은 온도에서 처리된다.
500 ~ 600℃의 온도에서 처리하기 때문에 변형이 적은 표면 경화법으로 널리 이용된다.
그러나 높은 경도를 얻기 위해 크롬, 몰리브덴 등의 질화물 형성 원소를 함유하는 강종이 필수이므로 처리 강에 많은 제한이 따르며, 질화처리 제품은 0.1mm ~ 0.2mm 정도의 연마가공을하여 사용한다.

1. 가스 질화

1.1 질화 방법

질소는 강에 잘 용해되지 않지만, 500℃ 정도로 50 ~ 100 시간 암모니아 (NH₃)가스를 가열하면 발생기 질소가 철 등과 반응하여 Fe₄N, Fe₂N 등의 질화물을 만들면서 강으로 침투되며, 질화층의 두께는 보통 0.4mm ~ 0.9mm 정도로써 은회색의 단단한 경화면이다.

1.2 질화강 함유 원소의 역할

① 알루미늄 : 질화물의 확산이 더디어 질화경도를 증가시킨다.
② 크롬: 질화층의 깊이가 증가된다.
③ 몰리브덴 : 처리시간이 길어져도 강재가 취화되지 않는다.

1.3 질화층의 깊이와 경도 분포

① 질화층의 깊이 및 경도는 질화온도, 처리시간에 따라 다르면 요구되는 질화 깊이를 얻기 위해서는 온도와 시간을 적절히 조합해야 한다.

② 경도 분포만을 고려할 경우 탄소 함유량이 적은 것이 유리하나, 질화층의 박리, 확산층의 균열이 우려되므로 500 ~ 550℃에서 질화 처리 후, 600℃ 이상에서 확산시킨 2단 질화가 효과적이다.

③ 질화를 요하지 않는 부분은 미리 주석(Sn)이나 땜납 등으로 둘러싸거나, 니켈도금을 하여 질화상자에 넣는다

2. 액체 질화(연질화)

2.1 질화 방법

가스 질화법은 처리시간이 길고 제한된 질화용강에만 처리가 가능하므로, 이러한 단점을 개선하기 위해 시안화나트륨 (NaCN), 시안화칼륨 (KCN)등을 주성분으로 염욕로에서 500 ~ 600℃로 5 ~ 15시간 가열하여 질화층으로 얻는다.
특히 처리 중 반응을 촉진시키기 위해 혼합염 중에 공기를 불어 넣는 터프트라이드( Tufftriding) 방법이 있다.

2.2 특징

① 질화 처리 시간이 짧다.
② 저온 처리로써 균일하고 안정된 조직을 얻는다.
③ 가스질화로써 처리가 곤란한 강에도 적용이 가능한다.
④ 유해물질이 발생된다.

3. 이온 질화

3.1 질화 방법

① 연질화법의 시안화합물의 공해 대책을 보완한 것으로, 밀폐시킨 용기 내에 질소와 수소의 혼합분위기(N₂+H₂)속에서 질화 처리하고자 하는 부품을 음극으로, 별도의 전극을 양극으로 설치한다.

② 직류전압을 걸어주는 글로우 방전에 의해 혼합가스를 음극의 처리부품을 고속으로 충돌 가열시키고 동시에 질소를 침투시킨다.

3.2 특징

① 작업환경이 좋고 질화속도가 빠르다.
② 별도의 가열장치가 필요 없다.
③ 가스비율을 변화시켜 질화층의 조성을 제어할 수 있다.
④ 가스질화로써 처리가 곤란한 강에도 적용이 가능한다.
⑤ 복잡한 형상의 부품은 균일한 질화가 어렵다.
⑥ 처리부품의 온도측정과 급속냉각이 어렵다.

4. 침탄법과 질화법의 장단점 비교