본질적으로 산업용 강철 경화는 전체 담금질(through-hardening)과 표면 담금질(case hardening)이라는 두 가지 주요 범주의 공정으로 지배됩니다. 수많은 전문적인 변형이 존재하지만, 거의 모든 일반적인 방법은 부품 전체를 경화시키는지 아니면 표면층만 경화시키는지에 따라 이 두 가지 계열 중 하나에 속합니다.
경화에서 중요한 결정은 긴 기술 목록 중에서 선택하는 것이 아니라 단 하나의 질문에 답하는 것입니다. 부품 전체에 걸쳐 균일한 경도가 필요합니까, 아니면 더 부드럽고 질긴 코어를 가진 내마모성 표면이 필요합니까?
전체 담금질(Through-Hardening): 균일한 강도를 위해
전체 담금질(퀜칭 및 템퍼링이라고도 함)은 부품의 전체 단면적에 걸쳐 일관된 경도와 미세 구조를 달성하는 것을 목표로 합니다. 이는 부품 본체 전체에 걸쳐 인장, 굽힘 또는 비틀림 응력을 받는 부품에 이상적입니다.
무엇인가
이 공정은 전체 강철 부품을 임계 변태 온도 이상으로 가열한 다음 오일, 물 또는 가스와 같은 매체에서 급속 냉각(퀜칭)하는 것을 포함합니다. 이 급속 냉각은 마르텐사이트라고 하는 매우 단단하고 취성이 있는 결정 구조를 고정시킵니다. 후속 템퍼링 단계(더 낮은 온도로 재가열)는 취성을 줄이고 인성을 향상시키기 위해 거의 항상 필요합니다.
주요 방법: 기존의 퀜칭 및 템퍼링
이는 분위기 제어 용광로에서 수행되는 고전적인 경화 공정입니다. 다양한 합금강에서 높은 강도를 달성하기 위한 비용 효율적이고 널리 이해되는 방법입니다.
주요 방법: 진공 경화
언급했듯이 이 공정은 진공로에서 수행됩니다. 주요 이점은 산소가 없으면 표면 반응이 방지되어 표면 탈탄이 없는 깨끗하고 밝은 부품이 생성된다는 것입니다.
제어된 환경은 또한 극도로 정밀한 온도 제어와 균일한 가열을 허용하여 변형을 최소화합니다. 퀜칭은 일반적으로 질소와 같은 고압 불활성 가스를 사용하여 수행되며, 이는 액체 퀜칭보다 덜 가혹하며 균열 또는 뒤틀림의 위험을 더욱 줄입니다.
표면 담금질(Case Hardening): 단단한 표면과 질긴 코어
표면 담금질 또는 표면 경화는 내부, 즉 부품의 "코어"를 부드럽고 연성으로 유지하면서 단단하고 내마모성인 외부 층("케이스")을 만듭니다. 이러한 이중 특성 프로파일은 표면 마모, 마모 및 접촉 피로에 저항해야 하는 동시에 파손 없이 충격 및 충격 하중을 견뎌야 하는 부품에 완벽합니다.
화학적 확산 방법
이러한 공정은 고온에서 요소를 확산시켜 강철 표면의 화학 조성을 변경합니다.
침탄(Carburizing)은 저탄소강을 탄소가 풍부한 환경에서 가열하여 탄소를 표면에 확산시키는 널리 사용되는 방법입니다. 그런 다음 이 표면을 퀜칭 및 템퍼링하여 질긴 저탄소 코어 위에 단단한 고탄소 케이스를 만들 수 있습니다.
질화(Nitriding)은 질소를 강철 표면으로 확산시키는 것을 포함합니다. 이 공정은 침탄보다 낮은 온도에서 수행되며 퀜칭이 필요하지 않아 변형이 최소화되고 치수 제어가 우수합니다. 결과로 생성되는 질화물 케이스는 매우 단단하고 내마모성이 뛰어납니다.
선택적 가열 방법
이러한 방법은 표면만 빠르게 가열한 다음 퀜칭하여 표면을 경화시킵니다. 코어의 화학 조성과 특성은 변경되지 않습니다.
유도 경화(Induction hardening)는 고주파 교류 자기장을 사용하여 부품 표면에 빠르게 열을 발생시킵니다. 표면이 올바른 온도에 도달하면 전원을 차단하고 부품을 즉시 퀜칭합니다. 매우 빠르고 깨끗하며 제어 가능한 공정입니다.
화염 경화(Flame hardening)는 토치의 고온 화염을 사용하여 부품 표면을 가열합니다. 원하는 온도에 도달하면 표면을 퀜칭합니다. 더 수동적인 공정이지만 매우 크거나 불규칙한 부품에 다재다능하고 적합합니다.
트레이드오프 이해하기: 깊이 대 변형
올바른 공정을 선택하려면 서로 다른 야금학적 결과 사이의 내재된 절충 사항을 이해해야 합니다.
코어 절충: 경도 대 인성
이것은 야금학에서 가장 근본적인 트레이드오프입니다. 전체 담금질은 경도와 강도를 최대화하지만 취성을 증가시킵니다. 표면 담금질은 의도적으로 복합체를 만들어 표면 경도와 코어 인성 사이의 균형을 맞춥니다.
변형 및 치수 제어
가열 및 급속 퀜칭을 포함하는 모든 공정은 응력을 유발하며 변형 위험을 수반합니다. 부품 전체에 영향을 미치는 전체 담금질은 일반적으로 표면 담금질보다 뒤틀림 위험이 더 높습니다.
진공 경화(vacuum hardening) 및 질화(nitriding)와 같은 공정은 보다 균일한 가열과 덜 심각하거나 퀜칭이 없기 때문에 우수한 치수 안정성으로 높이 평가됩니다.
비용 및 적용
균일한 특성이 필요한 부품의 경우 전체 담금질이 종종 더 간단하고 비용 효율적입니다. 표면 담금질 공정은 더 복잡하고 비쌀 수 있지만 기어, 베어링 및 크랭크축과 같이 맞춤화된 표면 및 코어 특성이 필요한 고성능 부품에 필수적입니다.
올바른 경화 공정 선택
선택은 부품의 의도된 기능과 성능 요구 사항에 따라 완전히 결정되어야 합니다.
- 굽힘 또는 인장 하중에 저항하기 위해 균일한 강도와 경도가 주요 초점인 경우: 기존 퀜칭 및 템퍼링과 같은 전체 담금질 공정 또는 더 높은 정밀도를 위해 진공 경화를 선택하십시오.
- 코어 충격 강도와 결합된 표면 내마모성이 주요 초점인 경우: 고하중을 위한 침탄 또는 속도와 정밀도를 위한 유도 경화와 같은 표면 담금질 공정을 선택하십시오.
- 최대 치수 안정성이 주요 초점이며 변형이 필수가 아닌 경우: 표면 담금질의 경우 질화 또는 전체 담금질 응용 분야의 경우 진공 경화를 우선시하십시오.
부품 전체를 경화하는 것과 표면만 경화하는 것 사이의 이러한 근본적인 차이점을 이해하는 것이 재료의 성능 목표에 적합한 처리를 지정하는 열쇠입니다.
요약표:
| 공정 유형 | 주요 목표 | 주요 방법 | 이상적인 용도 |
|---|---|---|---|
| 전체 담금질 | 부품 전체에 걸친 균일한 경도 | 퀜칭 및 템퍼링, 진공 경화 | 인장, 굽힘 또는 비틀림 응력 하의 부품 |
| 표면 담금질 | 단단한 표면, 질긴 코어 | 침탄, 질화, 유도, 화염 경화 | 기어, 베어링, 내마모성과 충격 강도가 필요한 부품 |
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