표면 경화법의 종류와 원리

핵심 정리

표면경화법은 강의 표면층은 단단하게 만들고 내부는 질긴 상태로 남기는 열처리 방법이다. 기계부품·금형·공구처럼 표면이 마모되거나 반복 하중을 받는 부품에 주로 적용하며, 내마모성·피로강도·내식성·내소착성을 높이는 것이 목적이다. 전체를 담금질해 굳히는 방식과 달리 표면만 경화하므로 내부의 인성도 유지할 수 있다. 표면경화법은 표면의 화학성분을 바꾸는 화학적 표면경화법과 성분을 바꾸지 않고 담금질로 경화하는 물리적 표면경화법으로 나뉜다. 두 방법을 가르는 기준이므로 선지를 볼 때 가장 먼저 확인해야 한다.

화학적 방법은 표면에 특정 원소를 침입시켜 성분을 바꾸는 방식이다. 침입 원소가 경화를 일으키며, 방법마다 침입 원소가 다르다는 점이 구분의 출발점이다. 질화법은 암모니아 가스 분위기에서 약 500°C로 가열해 질소를 침투시켜 표면을 경화하는 방법이다. 침탄법은 탄소를 침입시켜 표면을 경화하는 방법이다. 청화법은 침탄과 질화가 동시에 일어나는 표면경화법이다. 세 방법은 표면에 들어간 원소가 경화를 일으킨다는 점은 같지만, 침입 원소의 조합은 서로 다르다.

물리적 방법은 표면 성분을 바꾸지 않고 가열한 뒤 급랭해 경화한다. 고주파 경화법은 표면을 고주파로 가열한 뒤 급랭하여 경화하는 방법이다. 화염 경화법은 화염으로 표면층만 가열한 뒤 급랭하여 경화하는 물리적 표면 경화법이다. 두 방법은 열원만 다르고 표면을 가열한 뒤 급랭하는 구조는 같으므로 함께 익힌다.

표면경화법은 열처리의 한 갈래이므로, 같은 표면을 다루더라도 열처리가 아닌 공정과 구분해야 한다. 선철을 정련해 강을 만드는 제강법은 표면경화 열처리가 아니다. 풀림은 내부 응력을 제거하고 재료를 연화시키는 열처리이므로 표면만 경화하지 않는다. 풀림은 경화가 목적이 아니므로 담금질 경화와 반대 방향의 열처리로 이해하면 된다.

선지를 가르려면 이름·원소·가열 방식을 한 묶음으로 익혀야 한다. 이 세 요소를 함께 보면 화학적 방법과 물리적 방법, 열처리와 표면처리의 경계를 구분할 수 있다. 표면경화법은 기계 설계에서 표면의 내구성과 내부의 강도를 함께 얻으려는 목적으로 선택하며, 방법의 이름이 달라도 목적은 같다는 점을 기억해야 한다.

자세히

질화법과 침탄법의 구분

질화법과 침탄법은 모두 표면에 원소를 넣어 경화하는 화학적 방법이지만, 질소와 탄소 중 어떤 원소를 넣는지가 다르다. 따라서 두 방법을 같은 것으로 묶어 익히면 선지를 구분하기 어렵다. 질화법은 가스 분위기와 가열 온도를 함께 기억하고, 침탄법은 탄소를 침입시켜 표면을 경화하는 방법으로 익히면 두 방법을 구별할 수 있다. 두 방법은 모두 강 표면을 대상으로 하지만, 선지에서 침입 원소를 바꿔 놓을 수 있으므로 원소를 먼저 확인해야 한다. 표면의 성분 변화로 경화한다는 점은 같지만, 그 변화를 일으키는 원소가 다르므로 두 방법을 같은 결론으로 묶을 수 없다. 이 차이를 기억하면 질화법과 침탄법을 바꿔 놓은 선지를 가려낼 수 있다.

청화법의 성질

청화법에서는 침탄과 질화가 함께 일어나므로 두 방법의 특징을 함께 살펴야 한다. 청화법은 처리 후 변형이 적다. 청화제로는 NaCN, KCN 등이 사용된다. 두 내용은 청화법 자체의 특징이므로 침탄만 하는 방법이나 질화만 하는 방법의 특징과 구분해 기억해야 한다. 청화법을 침탄법·질화법과 나란히 보면, 세 방법 모두 표면층의 성분을 바꾸지만 청화법에서는 두 원소가 함께 작용한다는 차이가 있다. 아래 표는 세 방법에서 침입하는 원소를 비교한다.