질화 처리

섬네일|350px|현대적인 컴퓨터 제어 질화로
질화 처리(nitriding)는 질소를 금속 표면에 확산시켜 표면경화법된 표면을 만드는 열처리 공정이다. 이 공정은 저합금강에 가장 일반적으로 사용된다. 또한 타이타늄, 알루미늄, 몰리브데넘에도 사용된다.

일반적인 적용 분야로는 톱니바퀴, 크랭크축, 캠샤프트, 캠 팔로워, 밸브 부품, 압출기 스크류, 다이캐스팅 도구, 단금 다이, 압출성형 다이, 화기 부품, 인젝터 및 플라스틱 용범 도구 등이 있다.

공정
공정은 사용되는 기증 매체에 따라 이름이 붙여진다. 사용되는 세 가지 주요 방법은 가스 질화 처리, 염욕 질화 처리, 플라즈마 질화 처리이다.

가스 질화 처리
가스 질화 처리에서 질소 공급원은 질소가 풍부한 가스이며, 일반적으로 암모니아 (NH3)이므로 암모니아 질화 처리라고도 불린다. 암모니아가 가열된 가공물과 접촉하면 질소와 수소로 분해된다. 이 질소는 재료 표면에 확산되어 질화층을 형성한다. 이 공정은 거의 한 세기 동안 존재해왔지만, 지난 수십 년 동안에야 관련된 열역학과 동역학을 조사하기 위한 집중적인 노력이 이루어졌다. 최근의 개발로 인해 정확하게 제어할 수 있는 공정이 탄생했다. 결과 질화층의 두께와 상 구성은 선택 가능하며, 필요한 특정 특성에 맞게 공정을 최적화할 수 있다.

다른 변형에 비해 가스 질화 처리의 장점은 다음과 같다.
 질소와 산소의 가스 유량을 제어하여 질화 분위기에서 질소의 화학적 전위를 정밀하게 제어
 전반적인 질화 효과 (플라즈마 질화 처리와 비교할 때 일부 경우 단점이 될 수 있음)
 대규모 배치 처리 가능 – 제한 요인은 용광로 크기와 가스 유량
 현대적인 컴퓨터 제어 분위기로 질화 결과를 정밀하게 제어 가능
 상대적으로 낮은 장비 비용 – 특히 플라즈마와 비교 시

가스 질화 처리의 단점은 다음과 같다.
 반응 동역학이 표면 상태에 크게 영향을 받음 – 기름진 표면이나 절삭유로 오염된 표면은 좋지 않은 결과를 낳음
 크롬 함량이 높은 강철을 처리하기 위해 때때로 표면 활성화가 필요함 – 플라즈마 질화 처리 중 스퍼터링과 비교
 질화 매체로서 암모니아 – 특별히 독성은 없지만 고농도로 흡입 시 유해함. 또한, 산소 존재 하에서 가열 시 폭발 위험을 줄이기 위해 주의해야 함

염욕 질화 처리
염욕 질화 처리에서 질소 공급 매체는 사이안화물 염과 같은 질소 함유 염이다. 사용되는 염은 또한 가공물 표면에 탄소를 공급하여 염욕을 질탄화 공정으로 만든다. 사용되는 온도는 모든 질탄화 공정과 유사하게 550~570°C이다. 사용되는 염은 극도로 독성이 강하므로, 현대의 환경 및 안전 규제로 인해 이 공정은 점차 선호도가 떨어지고 있다.

염 질화 처리의 장점은 다음과 같다.
 빠른 처리 시간 – 일반적으로 원하는 확산에 도달하는 데 약 4시간 정도 소요되며, 다른 방법은 더 오래 걸린다.
 간단한 작업 – 염욕과 가공물을 원하는 온도로 가열한 다음, 일정 시간 동안 가공물을 침지한다.

단점은 다음과 같다.
 사용되는 염은 독성이 매우 강함 – 서구 국가에서는 엄격한 환경 법규에 따라 폐기가 규제된다.
 비용 – 이러한 규제로 인해 염욕 사용에 따른 비용이 증가했다.
 특정 염 유형으로 하나의 공정만 가능 – 질소 전위가 염에 의해 설정되므로 한 가지 유형의 공정만 가능하다.

플라즈마 질화 처리
이온 질화 처리, 플라즈마 이온 질화 처리 또는 글로 방전 질화 처리라고도 알려진 플라즈마 질화 처리는 금속 재료를 위한 산업용 표면 경화 처리이다.

플라즈마 질화 처리에서 질화 매체의 반응성은 온도 때문이 아니라 가스 이온화 상태 때문이다. 이 기술에서는 강한 전기장을 사용하여 질화될 표면 주변에 가스 이온화 분자를 생성한다. 이온화된 분자를 가진 이러한 고활성 가스를 플라즈마라고 부르며, 이 기술의 이름이 여기서 유래했다. 플라즈마 질화 처리1에 사용되는 가스는 일반적으로 순수한 질소인데, 자발적인 분해가 필요 없기 때문이다(암모니아를 이용한 질화 처리의 경우와 달리). 금속 절단, 용접, 클래딩 또는 분사에 사용되는 플라즈마 제트와 같은 고온 플라즈마가 있다. 또한 낮은 압력 체제에서 진공 챔버 내에서 생성되는 저온 플라즈마도 있다.

일반적으로 강철은 플라즈마 질화 처리로 유익하게 처리된다. 이 공정은 질화된 미세 구조의 정밀한 제어를 허용하여 화합물 층 형성 유무에 관계없이 질화 처리가 가능하다. 금속 부품의 성능이 향상될 뿐만 아니라 작동 수명도 증가하며, 처리되는 금속의 변형 한계 및 피로 강도도 증가한다. 예를 들어, 오스테나이트계 스테인리스강의 내마모성과 같은 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있으며 공구강의 표면 경도를 두 배로 만들 수 있다.

플라즈마 질화 처리된 부품은 일반적으로 바로 사용할 수 있다. 가공, 연마 또는 기타 질화 후 공정이 필요하지 않다. 따라서 이 공정은 사용자 친화적이며, 가장 빠르기 때문에 에너지를 절약하고, 왜곡이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다.

이 공정은 나치 박해를 피해 취리히에 정착한 독일의 베른하르트 베르그하우스(Bernhardt Berghaus)가 발명했다. 1960년대 후반 그의 사망 후 이 공정은 클록너 그룹에 인수되어 전 세계적으로 보급되었다.

플라즈마 질화 처리는 종종 물리 기상 증착 (PVD) 공정과 결합되어 이중 처리라고 불리며, 향상된 이점을 제공한다. 많은 사용자는 처리의 마지막 단계에 플라즈마 산화 단계를 결합하여 내마모성 및 내식성을 가진 부드러운 제트블랙 산화물 층을 생성하는 것을 선호한다.

질소 이온이 이온화에 의해 생성되므로, 가스 또는 염욕 질화 처리와 달리 플라즈마 질화 처리의 효율성은 온도에 의존하지 않는다. 따라서 플라즈마 질화 처리는 260°C에서 600°C 이상까지 넓은 온도 범위에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 중간 온도(예: 420°C)에서 스테인리스강은 크로뮴 질화물 침전물을 형성하지 않고 질화 처리될 수 있으므로 내식성을 유지할 수 있다.

플라즈마 질화 처리 공정에서는 질소 가스(N2)가 주로 질소 운반 가스로 사용된다. 수소나 아르곤과 같은 다른 가스도 사용된다. 실제로, 질화 처리 전에 부품을 가열하는 동안 아르곤과 수소를 사용하여 질화될 표면을 세척할 수 있다. 이 세척 절차는 표면의 산화물 층을 효과적으로 제거하고 남아있을 수 있는 미세한 용매 층도 제거할 수 있다. 이는 플라즈마 공장의 열 안정성에도 도움이 되는데, 플라즈마에 의해 추가되는 열이 가열 중에 이미 존재하므로 공정 온도에 도달하면 실제 질화 처리가 미미한 가열 변화로 시작된다. 질화 처리 공정에는 수소 가스도 첨가되어 표면을 산화물로부터 깨끗하게 유지한다. 이 효과는 질화 처리 중인 부품 표면을 분석하여 관찰할 수 있다(예를 들어 참조).

질화 처리 재료
쉽게 질화 처리될 수 있는 강철의 예로는 SAE 4100, 4300, 5100, 6100, 8600, 8700, 9300 및 9800 시리즈, 영국 항공기 품질 강철 등급 BS 4S 106, BS 3S 132, 905M39 (EN41B), 스테인리스강, 일부 공구강 (예: H13 및 P20) 및 특정 무쇠가 포함된다. 이상적으로 질화 처리용 강철은 경화 및 템퍼링된 상태여야 하며, 질화 처리는 최종 템퍼링 온도보다 낮은 온도에서 이루어져야 한다. 미세하게 선삭되거나 연마된 표면 마감이 가장 좋다. 표면 경도를 유지하기 위해 질화 처리 후 최소한의 재료만 제거해야 한다.

질화 처리 합금은 알루미늄, 크로뮴, 몰리브데넘, 타이타늄과 같은 질화물 형성 원소를 포함하는 합금강이다.

2015년에는 질화 처리를 사용하여 철-망간 합금에서 독특한 이중 미세 구조 (마르텐사이트-오스테나이트, 오스테나이트-페라이트)를 생성했는데, 이는 강력하게 향상된 기계적 특성과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

역사
강철의 표면 특성에 대한 질소의 영향에 대한 체계적인 조사는 1920년대에 시작되었다. 가스 질화 처리에 대한 조사는 독일과 미국에서 독립적으로 시작되었다. 이 공정은 독일에서 열렬한 환영을 받았고, 질화 처리를 염두에 둔 여러 강철 등급이 개발되었는데, 이른바 질화강이라고 불렸다. 미국에서의 반응은 덜 인상적이었다. 수요가 너무 적어 이 공정은 미국에서 거의 잊혀졌다. 제2차 세계 대전 후 이 공정은 유럽에서 재도입되었다. 최근 수십 년 동안 관련된 반응의 열역학과 동역학을 이해하기 위한 많은 연구가 이루어졌다.

 같이 보기 
 붕소 처리
 침탄
 탄질화 처리
 페라이트계 질탄화 처리
 표면 처리

 각주 

추가 자료
 
 
 

 외부 링크 
 
 질화 처리 소개 
 ECM USA, Vacuum Furnace Manufacturer: Vacuum Purged Gas Nitriding. https://www.ecm-usa.com/applications/nitriding
 ECM USA, Vacuum Furnace Manufacturer: FNC Ferritic Nitrocarburizing. https://www.ecm-usa.com/applications/ferritic-nitrocarburizing-fnc

분류:플라스마 공정
분류:질소
분류:열처리