질화 처리의 정의, 종류,재료 맟 설계의 포인트에 대해 해설

질화 처리는 부품 성능과 수명을 향상시키는 표면 처리 기술입니다. 한편, 이름은 알고 있지만, 「어떤 효과가 있을지 모른다」라고 하는 고민을 가지는 설계·개발 담당자 분도 있을 것입니다.
이번 내용에서는 질화처리의 원리, 종류, 재료, 설계상의 주의사항을 정리하여 실무에 활용하는 방법을 제시합니다.

질화 처리의 정의

질화처리란 강철 표면에 질소를 침투시켜 경질의 내마모성이 우수한 질화물층을 형성하는 열처리의 일종입니다. 부품의 표면을 단단하게 하여 마모나 손상을 방지하고 피로 강도와 내식성을 향상시킬 수 있습니다.
질화 처리의 특징은 약 500℃라는 비교적 낮은 온도에서 이루어지는 점입니다. 열처리가 800℃ 이상의 고온에서 이루어지는 것에 비해 저온에서 처리하기 때문에 강철 내부 조직의 변화가 적고 치수 변화나 변형이 거의 발생하지 않습니다. 또한 유해 약제를 사용하지 않아 비교적 안전하지만 염욕질화에서는 시안화합물을 다루기 때문에 추가적인 안전 대책이 필요합니다.

질화 처리의 종류와 특징

처리법은 목적·재질에 따라 구분하여 사용합니다. 여기서는 아래의 3가지 분류로 질화 처리의 종류와 특징을 정리합니다.

질화 처리

질화 처리는 강철 표면에 질소(N)를 단독으로 확산 침투시켜 매우 단단한 질화물의 층을 형성하는 표면 경화법입니다.

가스 질화

가스질화는 약 500℃에서 암모니아를 분해하고, 발생한 활성질소를 강 표면에 확산시켜 질화층을 형성하는 방법입니다.
가스질화의 장점은, 최표면의 「백층」이라고 불리는 질화철 화합물의 두께나, 그 아래의 「확산층」의 깊이를 컨트롤하기 쉬운 점에 있습니다. 또한 처리로 내가 가스로 채워지기 때문에 크기가 큰 부품(대경 워크)이나 한 번에 많은 부품을 처리하는 경우에도 균일한 질화층을 형성할 수 있습니다.

플라즈마 질화

플라즈마 질화는 진공에 가까운 상태의 용광로 내에서 질소 가스를 플라즈마화하고 이온을 직접 강재 표면에 충돌시켜 질소를 침투시키는 저온 열처리 과정입니다. 처리 대상물을 음극(-), 노벽을 양극(+)으로 고전압을 걸어 글로우 방전이라는 현상을 발생시켜 처리합니다.
플라즈마 질화의 장점은 가스 질화보다 더 낮은 온도(400~500℃ 정도)에서 처리가 가능하다는 점입니다. 열에 의한 치수 변화나 변형이 작기 때문에 가공 후의 마무리 공정을 최소한으로 줄일 수 있습니다. 또한 이온이 물리적으로 충돌하기 때문에 복잡한 형상의 부품 구석구석까지 균일하고 밀착성이 높은 경화층을 형성할 수 있습니다.

연질화 처리

연질화 처리는 질소(N)뿐만 아니라 탄소(C)도 동시에 강철 표면에 확산 침투시키는 열화학 처리입니다.

가스 연질화

가스 연질화는 암모니아 가스와 더불어 CO(일산화탄소)나 CO2(이산화탄소) 등의 탄소원이 되는 가스를 혼합한 분위기 속에서 실시하는 연질화 처리입니다. 처리 온도는 일반적으로 570℃ 전후로, 비교적 단시간에 표면에 얇은 확산층을 형성할 수 있습니다.
가스 연질화의 특징은 왜곡이 매우 적고 치수 정밀도를 유지하기 쉬운 점입니다. 정밀한 치수가 요구되는 부품이나 복잡한 형상을 가지는 부품에도 안심하고 적용할 수 있습니다. 또한 염욕연질화에 비해 환경부하가 적고 폐액처리의 문제가 없는 점도 장점입니다.

염욕 연질화

염욕연질화는 시안화염을 주성분으로 하는 용융염 욕조(솔트바스)에 부품을 침지하여 질소와 탄소를 동시에 확산시키는 표면경화법입니다. 처리 온도는 580℃ 정도로, 가스법에 비해 단시간(1~3시간 정도)에 균일한 경화층을 얻을 수 있습니다.
단시간에 처리가 완료되기 때문에 높은 생산성이 강점입니다. 또한 액체 중에서 처리하기 때문에 물품의 대소나 형상에 관계없이 균일하게 가열되어 얼룩이 없는 경화층을 형성할 수 있습니다.

침황 질화 처리

침황 질화 처리는 질화 및 연질화 과정에 황(S)의 확산 침투를 가한 표면 개질 기술입니다.

가스 침황 질화

가스침황질화는 암모니아 가스와 탄소원 가스 외에도 황화수소(H2S) 등의 황을 함유한 가스를 병용하여 강철 표면에 질화물층과 황화물층을 동시에 형성하는 처리입니다. 황화물이 고체 윤활제로서 기능하기 때문에 특히 마찰을 줄이고 싶은 경우에 사용됩니다.
가장 큰 장점은 마찰 계수가 낮고 갉아먹는 방지 효과가 높다는 점에 있습니다. 또한 가스를 사용하기 때문에 복잡한 형상의 부품에도 균일하게 처리할 수 있습니다.

염욕 침황 질화

염욕 침황 질화는 질소와 탄소를 함유한 시안화염 베이스의 염욕에 황화물을 첨가한 욕조에서 부품을 처리하는 방법입니다. 질소, 탄소, 유황의 3가지 원소를 동시에 단시간에 강철 표면에 확산시킵니다.
마찰 계수를 대폭 저감할 수 있다는 점이 강점입니다. 형성되는 황화물층이 높은 윤활성을 가지므로 특히 공구나 금형의 수명 연장에 효과를 발휘합니다. 이로 인해 유지 보수 간격이 길어지고 생산성 향상으로 이어집니다.

주요 재료 및 용도 사례

여기에서는 질화 처리가 이용되는 주요 재료와 용도 사례를 정리합니다.

스틸

질화처리는 SS400, S45C, S50C, SCM440 등의 철강재료에 적용 가능합니다. 이하에 각 재료와 용도 사례를 정리합니다.

프리하든 스틸

프리하든 스틸은 미리 열처리에 의해 경도가 높아진 상태로 공급되는 특수한 스틸 종류로 주로 금형재료로 사용됩니다. 주요 재료와 용도 사례는 다음과 같습니다.

설계상의 주의점

질화 처리는 부품의 성능을 향상시키는 수단입니다. 효과를 최대한으로 끌어내기 위해서는, 이하의 점에 주의합시다.

치수 변화와 왜곡

질화 처리는 저온에서 행해지기 때문에, 열처리의 고온 처리에 비하면 열에 의한 왜곡이나 치수 변화가 작아집니다. 높은 치수 정밀도를 유지하기 쉽고, 가공 후의 마무리 공정을 줄일 수 있습니다.
단, 치수 변화가 전혀 없는 것은 아닙니다. 강철 표면에 질소가 들어가 수 마이크론에서 십수 마이크론 정도의 질화물층이 형성되기 때문에 부품의 치수는 약간 증가합니다. 마이크론 단위의 정밀도가 요구되는 정밀 부품에서는 특히 주의가 필요합니다.

마모에 대한 대책

질화 처리를 실시하는 목적 중 하나는 부품의 마모 대책입니다. 질화에 의해 형성되는 표면의 경질 질화물층은 부품의 내마모성을 극적으로 향상시킵니다. 표면의 평활성도 향상되기 때문에 마찰 계수가 저하되고 접동성이 향상됩니다.
현재 사용하는 부품 중 마모 문제가 발생한 경우 설계 단계부터 표면 경화 처리 후보로 질화 처리를 검토하는 것이 좋습니다.

비용 및 처리 시간

질화처리는 수 시간~수십 시간이 소요되며, 진공/가스로 등 고가의 설비도 필요하기 때문에 처리비용도 다른 표면처리에 비해 높아지는 경향이 있습니다.
단, 처리 후의 마감 가공(연삭 등)이 불필요하게 되거나 간략화 할 수 있는 경우도 있기 때문에 부품 제조 전체의 총비용과 리드타임을 고려한 종합적인 판단이 필요합니다.

정리

이번 내용에서는 부품의 성능과 수명을 향상시키는 표면처리 기술인 질화처리에 대해 그 원리부터 종류, 주의점까지를 해설하였습니다.
질화 처리는 약 500℃라는 비교적 저온에서 강철 표면에 질소를 침투시켜 경질 질화물층을 형성하는 기술입니다. 이것에 의해, 열처리 등의 고온 처리에 비해 치수 변화나 왜곡이 극히 적고, 정밀 부품에도 적용하기 쉽다는 큰 장점이 있습니다.
처리방법에는 질소만을 침투시키는 「가스 질화」나 「플라즈마 질화」, 탄소도 동시에 첨가하는 「연질화 처리」, 황을 첨가하여 윤활성을 높이는 「침황 질화 처리」 등 목적이나 재료에 따른 다양한 선택지가 있습니다. 내마모성이나 피로 강도를 비약적으로 향상시키는 한편, 처리시간이 길고 비용이 높은 경향이 있기 때문에 전체 비용으로 판단하는 것이 중요합니다.
SS400이나  SCM440과 같은 일반 스틸부터 금형용 프리하든 스틸까지 폭넓게 적용할 수 있으며, 톱니바퀴와 샤프트, 금형 부품의 수명 연장에 크게 공헌합니다. 이번 내용을 참고하시어 설계 단계부터 질화 처리를 적절히 활용하여 제품의 부가가치 향상에 도움이 되시기 바랍니다.