열처리 방법 중 질화법이란? 장점 및 공정 변형, 응용분야

사용되는 중요한 열처리 방법 중 하나인 질화는 재료의 표면층에 질소를 도입하여 경도, 내마모성 및 피로 강도를 향상하는 것입니다. 이번 글에서는 질화의 개념을 살펴보고 그 장점, 공정 변형 및 응용 분야에 대해 살펴보도록 하겠습니다.

 

질화법

 

 

I. 질화의 이해: 표면 경도 및 내마모성 향상

질화는 질소를 표면층으로 확산시켜 재료의 특성을 수정하는 표면 경화 공정이며 재료의 벌크 특성에 주로 영향을 미치는 다른 열처리 방법과 달리 질화는 표면 특성 개선에 중점을 둔다고 할 수 있습니다. 다음은 질화의 주요 내용입니다.

1.1 질화의 장점

질화는 몇 가지 중요한 장점을 제공합니다.

• 표면 경도 증가: 재료의 표면층에 질소를 도입하면 경도가 크게 향상되며 이것은 재료의 마모 및 변형에 대한 저항력을 높여 수명을 늘립니다.
• 개선된 내마모성: 질화 재료는 표면에 단단한 질화물 화합물이 형성되어 우수한 내마모성을 나타냅니다. 따라서 기어, 베어링 및 절삭 공구와 같은 슬라이딩 또는 롤링 접촉과 관련된 응용 분야에 적합하다고 할 수 있습니다.
• 강화된 피로 강도: 질화 처리는 재료의 피로 강도를 향상하여 실패 없이 주기적인 하중을 견딜 수 있도록 합니다. 이는 크랭크샤프트 및 캠샤프트와 같이 부품에 반복적인 응력이 가해지는 공정에서 특히 유용합니다.

 

II. 질화 공정 변형: 가스, 염욕 및 플라즈마(Plasma) 질화

질화는 각각 질소 도입을 위한 특정 매질을 활용하는 다양한 방법을 통해 달성할 수 있습니다. 다음은 질화 공정의 세 가지 일반적인 변형입니다.

2.1 가스 질화

가스 질화는 재료를 고온의 암모니아(NH3) 대기에 노출시키는 것을 포함하며 암모니아는 해리되어 질소를 방출하고 이 질소는 재료의 표면층으로 확산됩니다. 가스 질화는 제어 가능성, 균일성 및 깊은 케이스 깊이 달성 능력으로 인해 널리 사용됩니다.

2.2 염욕 질화

염욕 질화에서 재료는 질소 함유 염이 포함된 용융 염욕에 침지되고 수조의 높은 온도는 재료의 표면으로 질소를 확산시킬 수 있습니다. 염욕 질화는 복잡한 모양의 부품에 적합하며 우수한 케이스 깊이 제어를 제공합니다.

2.3 플라즈마 질화

플라즈마(Plasma) 질화는 글로우 방전 플라즈마(Plasma)를 사용하여 재료 표면에 질소를 도입하는 것입니다. 재료는 진공 챔버에 배치되고 전기장은 질소 가스를 이온화하여 플라즈마(Plasma)를 생성하고 고에너지 질소 이온이 물질의 표면에 충돌하여 질소 확산 및 질화물을 형성합니다. 플라즈마 질화는 정밀한 제어, 뛰어난 재현성 및 복잡한 형상을 처리할 수 있는 능력을 제공합니다.

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III. 질화의 응용

질화는 표면 경도, 내마모성 및 피로 강도가 중요한 산업에서 광범위하게 사용되는 분야이며 다음은 대표적인 응용 분야입니다.

3.1 자동차 및 항공우주 산업

자동차 및 항공우주 분야에서 질화는 일반적으로 크랭크축, 캠축, 기어 및 밸브와 같은 부품에 사용되며 질화 표면은 향상된 경도와 내마모성을 제공하여 이러한 중요한 부품의 성능과 내구성을 향상합니다.

3.2 공구 및 다이 제조

질화는 절삭 공구, 몰드 및 다이 생산에서 중요한 역할을 합니다. 질화를 통해 얻은 경화 및 내마모성 표면은 이러한 공구가 기계 가공, 단조 및 성형 공정의 까다로운 조건을 견딜 수 있게 하여 공구 수명을 연장하고 생산성을 높여줍니다.

3.3 기계 부품 및 베어링

샤프트, 베어링 및 기어와 같은 기계 부품은 질화를 통해 많은 장점을 얻을 수 있으며 이 공정은 이러한 구성 요소의 표면 경도와 내마모성을 높여주어 중장비 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어, 질화 베어링은 향상된 피로 강도와 마찰 저항성을 나타내어 사용 수명을 늘리고 유지 보수 요구 사항을 줄일 수 있습니다.

또한 질화는 사출 금형 및 압출 금형 제조에 적용되어 단단하고 내마모성 표면을 제공하여 이러한 중요한 도구의 수명과 성능을 보장합니다.

 

결론

질화는 재료의 표면 특성을 높여주어 경도, 내마모성 및 피로 강도를 향상하는 중요한 열처리 방법입니다. 질화는 표면층에 질소를 도입하여 까다로운 응용 분야를 견딜 수 있는 경화된 표면층을 생성하며 가스, 염욕 및 플라즈마(Plasma) 질화 변형은 다양한 재료 유형 및 형상에 맞춰 원하는 표면 속성을 달성하는 데 있어 유연성을 제공합니다.

자동차, 항공우주 및 공구 제조 산업은 중요한 구성 요소의 성능과 내구성을 향상하기 때문에 질화로부터 큰 장점을 얻습니다. 또한 질화 처리된 기계 부품과 베어링은 향상된 내마모성과 피로 강도를 나타내어 안정적인 작동을 보장합니다.

질화 공정의 원리와 변형을 이해하면 제조업체는 특정 응용 분야에 대한 재료의 특성을 최적화하여 제품 수명을 늘리고 유지 관리 비용을 줄이며 전반적인 성능을 향상할 수 있습니다. 질화는 다양한 산업에서 지속적으로 가치 있는 열처리 방법으로 사용되어 고품질의 오래 지속되는 부품 생산에 기여합니다.