침탄에서 목표 표면 탄소 함량은 일반적으로 0.7%에서 1.2% 범위입니다. 이 공정은 전체 부품의 화학적 조성을 변경하는 것이 아니라, 의도적으로 급격한 탄소 구배를 생성하는 것입니다. 탄소 수준은 이 높은 표면 농도에서 강철의 원래 훨씬 낮은 코어 탄소 함량(예: 0.1% ~ 0.25%)으로 급격히 감소합니다.
침탄의 근본적인 목표는 단순히 특정 탄소 비율을 달성하는 것이 아닙니다. 이는 표면에 충분한 탄소를 도입하여 담금질 시 단단하고 내마모성 있는 마르텐사이트 구조로 변형될 수 있도록 하는 동시에 코어는 부드럽고 강인하게 유지하는 것입니다.
침탄에서 탄소의 목적
부드러운 코어에서 단단한 표면으로
저탄소강은 본질적으로 강인하고 연성이 있어 충격에 대한 파손 저항력이 있습니다. 그러나 마모와 마모에 저항하기에는 너무 부드럽습니다.
침탄은 고온(일반적으로 850-950°C 또는 1560-1740°F)에서 강철 표면으로 탄소 원자를 확산시켜 이 문제를 해결합니다. 이는 저탄소강 코어 외부에 고탄소강 "표면층"을 생성합니다.
공석점 목표
강철에서 최대 경도를 위한 이상적인 탄소 함량은 공석점과 같거나 약간 높은 수준이며, 이는 대략 0.8% 탄소입니다.
이 농도에서 강철의 미세 구조는 담금질 후 거의 전적으로 마르텐사이트로 변형될 수 있습니다. 마르텐사이트는 침탄 부품에 탁월한 내마모성을 부여하는 매우 단단하고 취성이 있는 상입니다.
탄소 구배가 핵심입니다
침탄은 균일한 층을 생성하지 않습니다. 가장 높은 탄소 농도가 즉각적인 표면에 있는 확산 구배를 생성합니다.
이 탄소 수준은 기본 재료의 원래 화학적 조성과 일치할 때까지 깊이에 따라 점차 감소합니다. 이 탄소 강화층의 두께를 케이스 깊이라고 합니다.
탄소 함량을 제어하는 주요 요인
최종 표면 탄소 함량과 케이스 깊이는 우연이 아닙니다. 이는 세 가지 주요 공정 변수에 의해 정밀하게 제어됩니다.
침탄 분위기
부품을 둘러싼 매체(가스, 액체 또는 고체 팩)는 특정 탄소 전위를 가집니다. 이는 강철로 탄소를 전달하는 능력을 측정하는 것입니다.
현대 가스 침탄에서는 분위기가 특정 탄소 전위를 유지하도록 신중하게 제어되며, 이는 강철 표면이 흡수할 최대 탄소 함량을 직접적으로 결정합니다.
온도
높은 공정 온도는 탄소 원자가 강철로 확산되는 속도를 증가시킵니다. 이를 통해 더 짧은 시간에 더 깊은 케이스를 형성할 수 있습니다.
온도는 또한 강철의 오스테나이트 상이 용해할 수 있는 최대 탄소량에 영향을 미칩니다.
시간
침탄 사이클의 지속 시간은 케이스 깊이에 직접적인 영향을 미칩니다. 강철이 탄소 풍부 분위기에서 온도를 유지하는 시간이 길수록 탄소 원자는 재료 내부로 더 깊이 침투합니다.
절충점 및 위험 이해
올바른 탄소 함량을 달성하는 것은 균형을 맞추는 행위입니다. 최적 범위를 벗어나면 부품 성능에 심각한 위험이 따릅니다.
과도한 탄소의 위험 (>1.2%)
표면 탄소 함량이 너무 높아지면(과공석) 강철의 결정립계에 취성이 있는 철 탄화물(시멘타이트) 네트워크가 형성될 수 있습니다.
이러한 탄화물은 내부 응력 지점 역할을 하여 케이스의 인성과 피로 수명을 크게 감소시키고 하중 하에서 깨지거나 균열이 발생하기 쉽게 만듭니다.
불충분한 탄소의 문제 (<0.7%)
표면 탄소가 너무 낮으면 강철은 담금질 시 최대 잠재 경도를 달성할 수 없습니다.
결과적인 미세 구조는 단단한 마르텐사이트와 더 부드러운 상의 혼합이 될 것입니다. 이는 의도했던 것보다 내마모성이 떨어지고 하중 지지 능력이 낮은 부품으로 이어집니다.
케이스 깊이 대 표면 탄소
케이스 깊이와 표면 탄소는 서로 관련되어 있지만 다른 매개변수라는 것을 이해하는 것이 중요합니다.
얕은 케이스(짧은 사이클)에 높은 표면 탄소를 가질 수도 있고, 깊은 케이스(긴 사이클)에 적당한 표면 탄소를 가질 수도 있습니다. 적용 분야에 따라 두 가지의 이상적인 조합이 결정됩니다.
목표에 맞는 올바른 선택
최적의 표면 탄소 함량은 전적으로 부품의 의도된 서비스 조건에 따라 달라집니다.
- 극심한 내마모성과 접촉 경도에 중점을 둔다면: 약간 과공석 표면 함량(0.9% ~ 1.1%)을 목표로 하되, 취성이 있는 탄화물 네트워크를 방지하기 위해 침탄 후 열처리가 제어되는지 확인하십시오.
- 경도와 피로 수명 및 인성의 균형에 중점을 둔다면: 과도한 탄화물과 관련된 취성을 유발하지 않고 우수한 경도를 달성하기 위해 공석 조성(약 0.8% C)을 목표로 하십시오.
- 무거운 하중을 위한 매우 깊은 케이스를 달성하는 데 중점을 둔다면: 이는 확산을 유도하기 위해 공정 시간을 연장하고 온도를 제어하는 것에 더 가깝고, 동시에 최적의 표면 탄소 함량(예: 0.8% - 0.9%)을 유지하는 것입니다.
궁극적으로 침탄에서 탄소 함량을 제어하는 것은 복합 재료, 즉 단단하고 내구성 있는 껍질로 보호되는 강인하고 연성이 있는 코어를 정밀하게 설계하는 것입니다.
요약 표:
| 매개변수 | 일반적인 범위 | 목적 |
|---|---|---|
| 표면 탄소 함량 | 0.7% - 1.2% | 단단하고 내마모성 있는 마르텐사이트 케이스 생성 |
| 코어 탄소 함량 | 0.1% - 0.25% | 강인하고 연성이 있는 코어 유지 |
| 공정 온도 | 850°C - 950°C (1560°F - 1740°F) | 강철로 탄소 확산 유도 |
| 목표 공석점 | ~0.8% 탄소 | 최대 경도 잠재력 극대화 |
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