타프트라이드 처리(염욕 질화 처리)의 정의, 특징, 장점 및 단점까지 해설

타프트라이드 처리(염욕 질화 처리)는 금속 부품의 내구성이나 표면 경도를 높이는 방법 중 하나입니다. 한 번의 처리로 부품 표면에 단단하고 얇은 층을 형성해, 내마모성·내피로성·내식성 등 복수의 성능 향상을 기대할 수 있는 것이 특징입니다.
이번 내용에서는 자동차 부품이나 금형, 공작 기계등에서 마모나 수명에 과제를 안는 설계·개발·조달 담당자를 향해서, 타프트라이드 처리의 기초부터 실무상의 주의점까지를 알기 쉽게 해설합니다.

타프트라이드 처의 정의 

정의와 이름의 유래 

타프트라이드 처리란, 금속 부품의 표면을 경화시키는 질화 경화 처리(연질화)의 일종으로 염욕 질화 처리로 분류되어 있습니다. 용융 염욕(솔트배스)에 부품을 침지하여 질소를 침투시켜 표면 근방에 단단한 질화물 층을 형성하는 기술입니다. 원래 독일 화학업체가 개발한 처리법의 등록상표이며, 그 후 세계적으로 보급되었습니다.

처리 공정과 구조적 특징 

타프트라이드 처리는 시안화물이나 시안산염을 포함한 전용 용융염욕에 부품을 침지하여 실시하는 방법입니다. 처리 온도는 약 500~600℃로 용융염 중에 부품을 10분~수시간 유지합니다. 염욕의 열분해로 생긴 질소·탄소가 표면에 침입하여 경화층을 형성합니다.
처리 후의 부품 표면은 주로 아래와 같이 2 층 구조가 됩니다. 

• 화합물층
  
  바깥쪽에서 수 μm에서 수십 μm의 층으로 철 질화물, 탄질화물로 이루어진 매우 단단하고 치밀한 세라믹 형태의 층입니다. 접동시의 마찰을 저감하는 매끄러운 표면을 형성합니다.
  
• 확산층
  
  화합물층 바로 아래에 형성되어 질소·탄소가 금속 모재로 확산된 영역입니다. 소재와 일체화되어 있어 박리의 염려가 없으며 압축 잔류 응력에 의해 부품의 피로강도 향상에 도움이 됩니다.  

일반적인 처리 흐름은 전처리(세척)→염욕 처리→산화욕 처리→세척 및 냉각이라는 순서입니다. 특히 산화욕 처리는 「흑착색」이라고도 불리며 표면에 사삼산화철의 흑색피막을 형성하여 내식성을 더욱 향상시킵니다.

터프 라이드 처리의 주요 특징과 기능적 효과 

내마모성·내피로성 향상 

타프트라이드 처리의 가장 큰 효과는 내마모성 향상입니다. 처리 후의 표면 경도는 크게 향상되어 표면의 윤활성이 양호해지기 때문에 열융착이나 표면 박리가 일어나기 어려워져 금속끼리 접동하는 부품의 수명 연장으로 이어집니다.

또한 표면 확산층에 형성되는 압축 잔류 응력에 의해 재료 표면으로부터의 피로균열의 발생·진전이 억제되어 피로 강도가 향상됩니다. 이 때문에 자동차의 코일 스프링 등 반복 하중을 받는 부품에도 응용되고 있습니다.

치수 변화의 최소화와 정밀도 확보 

처리 온도가 약 500~600℃로 비교적 낮고, 가열 후의 급랭도 실시하지 않기 때문에, 열 변형이나 변형이 거의 발생하지 않는 점도 특징입니다. 800℃ 이상으로 가열하는 기존의 담금질 처리와 비교하여 현격히 변형이 적고 가공 정밀도를 유지할 수 있습니다.

형성되는 경화층도 0.01~0.3mm 정도로 얇고 치수 변화는 수 μm 정도로 억제되므로 높은 정밀도가 요구되는 금형 부품이나 공작 기계 부품에 적합합니다. 단, 소재 내부의 잔류 응력이 처리의 가열 과정에서 해방되어 약간의 변형이 발생할 수 있으므로 엄밀한 치수가 요구되는 경우 사전에 확인해 주십시오.

내식성 · 융착 방지 효과 

최외층에 형성되는 치밀한 화합물층은 적녹의 발생을 억제하는 효과가 있습니다. 특히 흑색 산화 피막 처리를 추가로 실시하면 내식성은 비약적으로 높아져 아연 도금에 필적하는 성능을 나타내는 경우도 있습니다.

또한 표면이 단단하고 매끄러워지기 때문에 금속끼리 서로 마찰할 때 미소 용착이 일어나는 것을 방지할 수 있습니다. 화합물층이 윤활제와 같이 기능하여 상대재와의 응집을 방지하기 위해 금형의 가동부나 볼트, 너트의 감합부 등으로 트러블을 미연에 방지합니다.

타프트라이드 처리의 장점과 단점 

설계면·비용면의 장점 

설계 및 비용면에서 타프트라이드 처리의 장은 다음과 같습니다. 

• 재료 비용 절감
  고가의 특수 합금강 대신 저렴한 기계 구조용 강철에 타프트라이드 처리를 하면 필요한 표면 성능을 확보할 수 있습니다. 이를 통해 재료 비용 절감과 조달의 용이화로 이어집니다.
• 생산성 증가
  다른 열처리(가스질화는 20시간 이상)에 비해 처리가 짧은 시간(10분~수시간 정도)이 되는 것이 장점입니다. 또한 한 번에 다수의 부품을 처리할 수 있어 생산성도 뛰어납니다.
• 적용 범위의 넓이
  탄소강, 합금강, 주철, 스테인레스강 등 폭넓은 강종에 대해 처리 효과를 발휘할 수 있으므로 재료 선택의 폭이 넓어 다루기 쉬운 처리입니다.
  

처리 한계와 주의점 

한편, 타프트라이드 처리에는 이하와 같은 처리 한계나 주의점이 존재합니다. 

• 경화층의 두께
  경화층이 얇기 때문에 표면에서 깊이 방향으로 강도가 필요한 부품이나 큰 충격 하중이 가해지는 부품에는 적합하지 않습니다. 이러한 경우 부품 전체를 경화시키는 열처리 등이 적합합니다.
  
• 경도 한계
  표면 경도의 절대치는 가스 질화 처리나 공구강의 열처리 경도에는 미치지 않습니다. 최고의 경도가 요구되는 경우에는 다른 표면 처리를 검토합시다.
  
• 환경·안전면의 과제
  염욕에는 시안화물을 포함한 약제를 사용하기 때문에 폐액 처리나 작업자 안전에 엄격한 관리가 필요합니다. 유럽의 RoHS나 REACH 등의 규제 동향을 배경으로 염욕법은 신규 채용이 감소 경향에 있어 대체적으로 가스 연질화 채용이 증가하고 있습니다
  
• 사이즈 제약
  염욕로 크기의 기준으로 대략 수십 cm 정도에서 긴 것으로 약 1m 전후까지가 일반적입니다. 실제로 처리 가능한지 여부는 설비의 크기와 지그의 사정에 따라 달라지기 때문에 사전에 확인이 필요합니다.
  

타프라이드 처리를 이용한 설계·제작상의 주의점 

대응 소재와 처리 온도의 제약 

타프트라이드 처리는 주로 탄소강, 합금강, 공구강, 주철, 스테인레스강 등의 철강 재료에 적용 가능합니다. 알루미늄 합금이나 동합금 등의 비철금속, 비금속 재료에는 적용할 수 없습니다.

스테인레스강을 처리할 때는 질화를 저해하는 표면의 부동태 피막을 사전에 제거하는 「활성화 처리」가 필요합니다. 또한 열처리된 부품에 적용할 경우 타프트라이드 처리 온도가 열처리 온도보다 높으면 경도가 저하될 우려가 있으므로 사전에 고온에서 열처리를 하는 등의 전처리가 필요합니다.

치수 공차·층 두께·후처리의 고려점 

정밀 부품을 설계할 때는 처리에 따른 수 μm의 치수 변화를 고려합시다. 예를 들어 클리어런스가 작은 접동 부품에서는 처리 후의 치수 변화를 예상하고 가공 공차를 설정해야 합니다.

경화층의 두께는 처리 시간에 따라 어느 정도 컨트롤 가능합니다. 요구되는 내마모성 및 하중 조건에 따라 최적의 층 두께를 결정합니다. 또, 처리 후에 가벼운 연마등의 후처리를 실시하는 경우는, 경화층을 너무 많이 제거하지 않도록, 적절한 연마하의 설정이 필요합니다.

외주처 선정・안전성・환경규제의 확인항목 

타프트라이드 처리를 외주할 때는 신뢰할 수 있는 처리 업체 선정이 중요합니다. 선정에 있어서는, 이하의 점을 확인합시다.

용도별 타프트라이드 처리의 적용 예 

업계별・부품별 구체예 

뛰어난 특성을 가진 타프트라이드 처리는 폭넓은 업계에서 이용되고 있습니다. 대표적으로는, 자동차(기어·샤프트·스프링), 금형(다이캐스팅·사출 성형·단조), 건설 기계(유압 실린더·샤프트류)등에서, 마모·피로·갤링 대책으로서 채용이 진행되고 있습니다.

채용되는 이유 

각 용도에서 터프 라이드 처리가 채용되는 이유는 주로 다음 4가지입니다. 

• 수명 연장으로 비용 절감
  부품 교체 주기를 늘리고 유지 보수 비용을 줄일 수 있습니다.
• 고정밀 부품에 대응
  처리에 의한 변형이 작기 때문에 치수 정밀도가 중요한 부품에도 적용 가능합니다. 
• 재료비 절감
  저렴한 강재로 고성능화를 도모할 수 있으므로 총 비용을 억제할 수 있습니다.
• 방청·윤활성 부여
  도금 처리가 곤란한 정밀 개소에도 방청성이나 윤활성을 부여 가능합니다.

다른 표면 처리와의 비교 

각 처리와의 특성 비교표 

질화 처리와의 차이 

일반적으로 「질화처리」는 암모니아 가스 중에서 장시간 처리하는 「가스질화(경질질화)」를 가리키는 경우가 많습니다. 가스질화는 20시간 이상에 걸쳐 0.3mm 이상의 두꺼운 경화층을 형성하여 고경도를 실현합니다.

한편, 타프트라이드 처리는 단시간에 완료하는 대신 층은 얇고 경도도 가스질화와 비교하면 낮은 경향이 있습니다. 「깊고 단단하게 하는」 것이 가스 질화, 「얇아도 다기능으로 하는」 것이 타프트라이드 처리로 구분됩니다.

이소나이트와의 차이 

이소나이트 처리는 타프트라이드 처리와 본질적으로 같은 「염욕 연질화 처리」입니다. 양자의 차이는 상표와 제공 기업뿐으로, 처리의 원리나, 내마모성·내피로성을 향상시키는 효과는 동등하다고 생각해도 문제 없습니다.

원래 타프트라이드는 독일에서 개발된 기술의 명칭이며, 이소나이트는 일본 퍼커라이징 주식회사가 국내에서 전개할 때의 상표입니다. 세세한 프로세스 관리에 각사의 노하우는 있습니다만, 이용자의 입장에서는 같은 처리로서 인식해도 좋을 것입니다.

가스 연질화와의 차이 

가스 연질화는 가스 분위기에서 실시하는 연질화 처리로, 타프트라이드와 얻을 수 있는 효과는 거의 동등합니다. 가장 큰 차이는 처리 매체가 「염욕」이냐 「가스」냐 하는 점입니다.

가스 연질화는 유독한 폐액을 내지 않고 환경 부하가 낮다는 장점이 있습니다. 한편, 타프트라이드는 처리 시간이 더 짧은 경향이 있으며, 한 번에 다수의 소품을 균일하게 처리하기 쉽다고 합니다.

성능은 거의 비슷하기 때문에 「프로세스 조건이 다른 형제관계」라고 이해하시면 될 것 같습니다.

정리 

타프트라이드 처리(염욕 질화 처리)는 금속 부품 표면에 얇은 경화층을 형성하여 내마모성,내피로성,내식성을 한번에 향상시키는 비용과 성능의 균형이 뛰어난 표면 특성 개선 기술입니다. 처리에 따른 치수 변화가 극히 작기 때문에 정밀 부품에도 적용하기 쉽다는 큰 장점이 있습니다. 또한 처리 시간이 짧고 생산성이 뛰어나며 저렴한 강재로 고성능화를 도모할 수 있어 비용 절감에도 효과적입니다.
한편 경화층이 얇기 때문에 충격이나 중하중이 가해지는 용도에는 적합하지 않으며 유독한 시안화합물을 사용하기 때문에 환경·안전면에서의 관리가 필수적입니다. 가스 질화나 침탄 열처리 등 다른 표면 처리와의 특성 차이를 올바르게 이해하고, 부품에 요구되는 성능에 따라 최적의 수법을 선택합시다. 이번 내용에서 말한 요점을, 제품 개발에 꼭 도움이 되어 주세요.