침탄

침탄(carburizing)은 철 또는 강철이 숯이나 일산화 탄소와 같은 탄소 함유 물질이 있는 상태에서 가열되는 동안 탄소를 흡수하는 열처리 과정이다. 이는 금속을 더 단단하게 만들고 내마모성을 높이려는 목적이다. 시간과 온도에 따라 영향받는 영역의 탄소 함량은 달라질 수 있다. 침탄 시간이 길고 온도가 높을수록 탄소 확산 깊이가 증가하는 경향이 있다. 담금질에 의해 철 또는 강철이 급속히 냉각될 때, 외표면의 높은 탄소 함량은 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태로 인해 단단해지는 반면, 내부는 페라이트 및 펄라이트 (철) 미세 구조로 부드럽고 강한 상태를 유지한다.Oberg, E., Jones, F., and Ryffel, H. (1989) Machinery's Handbook 23rd Edition. New York: Industrial Press Inc.

이 제조 공정은 다음과 같은 핵심 사항으로 특징지을 수 있다: 저탄소 가공물에 적용된다. 가공물이 고탄소 기체, 액체 또는 고체와 접촉한다. 단단한 가공물 표면을 생성한다. 가공물 내부는 대부분 인성과 연성을 유지한다. 그리고 최대 의 표면 경도 깊이를 생성한다. 어떤 경우에는 제조 공정 초기에 발생한 원치 않는 탈탄에 대한 해결책으로 사용되기도 한다.

 방법 
강철의 침탄은 탄소원을 사용하여 금속 표면을 열처리하는 것을 포함한다. 침탄은 저탄소강의 표면 경도를 높이는 데 사용될 수 있다.

초기 침탄은 처리할 샘플 주위에 숯을 직접 싸서 적용(처음에는 표면경화법이라고 불림)했지만, 현대 기술은 탄소 함유 가스나 플라즈마(예: 이산화 탄소 또는 메테인)를 사용한다. 이 과정은 주로 주변 가스 조성과 노 온도에 따라 달라지며, 이는 열이 재료의 나머지 부분의 미세 구조에도 영향을 미칠 수 있으므로 신중하게 제어해야 한다. 가스 조성에 대한 정밀한 제어가 필요한 응용 분야에서는 진공 챔버 내에서 매우 낮은 압력으로 침탄이 이루어질 수 있다.

플라즈마 침탄은 스테인리스강을 비롯한 다양한 금속의 표면 특성(마모, 부식 저항성, 굳기, 하중 지지 능력 및 품질 기반 변수 등)을 개선하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다. 이 공정은 환경 친화적이며(기체 또는 고체 침탄과 비교하여) 복잡한 형상을 가진 부품을 균일하게 처리할 수 있다(플라즈마가 구멍과 좁은 틈새까지 침투할 수 있음). 이는 부품 처리 측면에서 매우 유연하다.

침탄 공정은 탄소 원자가 금속의 표면층으로 확산되는 방식으로 작동한다. 금속은 금속 결정 격자에 단단히 결합된 원자로 구성되어 있으므로, 탄소 원자는 금속의 결정 구조로 확산되어 용액 상태로 남아 있거나(금속 결정 매트릭스 내에 용해됨 - 이는 일반적으로 낮은 온도에서 발생) 또는 모금속 내의 원소와 반응하여 탄화물을 형성한다(일반적으로 모금속 원자의 이동성이 높아 높은 온도에서 발생). 탄소가 고용체 상태로 남아 있으면 강철은 경화를 위해 열처리된다. 이 두 가지 메커니즘 모두 금속 표면을 강화하는데, 전자는 펄라이트 또는 마르텐사이트를 형성하고 후자는 탄화물 형성을 통해 이루어진다. 이 두 물질은 모두 단단하고 마모에 강하다.

가스 침탄은 일반적으로 900~950°C 범위의 온도에서 수행된다.

산소-아세틸렌 용접에서, 침탄 불꽃은 산소가 거의 없어 그을음이 많고 온도가 낮은 불꽃을 생성한다. 이는 종종 금속을 어닐링하여 용접 과정 동안 더 유연하고 연성 있게 만드는 데 사용된다.

침탄된 가공물을 생산할 때의 주요 목표는 가공물 표면과 탄소 함유 요소 간의 최대 접촉을 보장하는 것이다. 가스 및 액체 침탄에서는 가공물이 종종 메시 바구니에 지지되거나 와이어로 매달린다. 팩 침탄에서는 가공물과 탄소가 용기에 밀봉되어 가능한 한 많은 표면적에서 접촉이 유지되도록 한다. 팩 침탄 용기는 일반적으로 알루미늄 또는 내열 니켈-크롬 합금으로 코팅된 탄소강으로 만들어지며 모든 개구부는 내화 점토로 밀봉된다.

침탄은 일반 용광로(대기 용광로) 또는 저압 침탄 용광로(LPC)에서 수행될 수 있다.

 일반 용광로(대기 용광로): 일반 침탄은 탄소 포텐셜을 제어하는 분위기 제어 공정이다.
 저압 침탄 용광로(LPC): 저압 침탄은 산소 없이 침탄 가스(예: 아세틸렌)를 주입하여 작동한다.

 경화제 
이 공정을 수행하는 데 사용될 수 있는 다양한 유형의 원소 또는 재료가 있지만, 주로 높은 탄소 함량을 가진 재료로 구성된다. 몇 가지 일반적인 경화제로는 일산화 탄소 가스(CO), 사이안화 나트륨 및 탄산 바륨 또는 활엽수 숯이 있다. 가스 침탄에서는 프로페인 또는 천연가스에서 탄소가 방출된다. 액체 침탄에서는 탄소가 주로 사이안화 나트륨(NaCN)과 염화 바륨(BaCl2)으로 구성된 용융염에서 유래한다. 팩 침탄에서는 코크스 또는 활엽수 숯에서 일산화 탄소가 방출된다.

 기하학적 가능성 
침탄될 수 있는 모든 종류의 가공물이 있으며, 이는 침탄될 수 있는 재료의 형태에 대해 거의 무한한 가능성을 의미한다. 그러나 비균일하거나 비대칭적인 단면을 포함하는 재료에 대해서는 신중한 고려가 필요하다. 서로 다른 단면은 서로 다른 냉각 속도를 가질 수 있으며, 이는 재료에 과도한 응력을 유발하고 파손을 초래할 수 있다.

 치수 변화 
가공물이 약간의 치수 변화 없이 침탄 과정을 거치는 것은 사실상 불가능하다. 이러한 변화의 양은 사용되는 재료의 종류, 재료가 겪는 침탄 공정, 그리고 가공물의 원래 크기와 형태에 따라 달라진다. 그러나 변화는 열처리 작업에 비해 작다.

+재료 특성 변화Robert H. Todd, Dell K. Allen and Leo Alting Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc., 1994. pp. 421–426 가공 재료 특성 침탄 효과 기계적표면 경도 증가
내마모성 증가
피로/인장 강도 증가 물리적결정립 성장 발생 가능
부피 변화 발생 가능 화학적표면 탄소 함량 증가

 가공물 재료 
일반적으로 침탄되는 재료는 초기 탄소 함량이 0.2~0.3% 범위인 저탄소강 및 합금강이다. 가공물 표면은 기름, 산화물 또는 알칼리성 용액과 같은 오염 물질이 없어야 하며, 이는 탄소의 가공물 표면으로의 확산을 방지하거나 방해한다.

 다른 방법 비교 
일반적으로 팩 침탄 장비는 액체 또는 가스 침탄 장비보다 큰 가공물을 수용할 수 있지만, 액체 또는 가스 침탄 방법이 더 빠르고 기계화된 재료 취급에 적합하다. 또한 탄질화에 대한 침탄의 장점은 더 큰 표면 경화 깊이(0.3인치보다 큰 표면 경화 깊이 가능), 적은 왜곡, 그리고 더 나은 충격 강도이다. 이는 고강도 및 내마모성 응용 분야(예: 가위 또는 칼)에 완벽하게 적합하다. 단점으로는 추가 비용, 더 높은 작업 온도 및 증가된 시간이 포함된다.

 장비 선택 
일반적으로 가스 침탄은 대형 부품에 사용된다. 액체 침탄은 소형 및 중형 부품에 사용되며, 팩 침탄은 대형 부품 및 소형 부품의 대량 개별 처리에 사용될 수 있다. 진공 침탄(저압 침탄 또는 LPC)은 기본 재료 내의 합금 원소에 따라 오일 또는 고압 가스 담금질(HPGQ)과 함께 사용될 때 다양한 부품에 적용될 수 있다.

 같이 보기 
 탄질화
 표면경화법
 시멘테이션 공정
 도가니강
 하비 장갑 (하비화강이라고도 함), 침탄의 초기 적용
 헤이워드 A. 하비, 침탄 개발의 선구자
 크루프 장갑
 플라즈마 질화 처리

 각주 

 추가 자료 
Geoffrey Parrish, Carburizing: Microstructures and Properties. ASM International. 1999. pg 11
ECM USA, Conventional Atmospheric Carburizing Versus Low Pressure Carburizing Furnace Systems. https://www.ecm-usa.com/resources/lpc-comparison

 외부 링크 

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