[스크랩] 열처리

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[스크랩] 열처리

명호경영컨설턴트 2009. 8. 2. 21:04

열처리기술은 금속재료, 기계부품, 금형공구의 기계적 성질을 변화시키기 위하여 가열과 냉각을 반복함으로써 특별히 유용한 성질(내마성, 내충격성, 사용수명연장등)을 부여하는 기술로서 제조 공정의 중간 또는 최종단계에서 이루어지고 있다.

2) 열처리 기술의 종류

(1) 일반열처리

금속재료 및 기계부품의 가공시 발생된 취성을 개선하기 위하여 가열, 냉각하는 열처리기술로서 가열온도, 유지시간 냉각속도의 차에 따라 다음과 같이 분류한다.

1) 어닐링(Annealing) : 부품의 연화, 가공성 향상 및 잔류 응력제거

2) 노말라이징(Normalizing) : 가공시 발생된 이상조직의 균질화 및 가공성 향상

3) �칭(Quenching) : 부품의 경화(�칭처리시 경도는 3배정도 증가)

4) 템퍼링(Tempering) : �칭 처리된 부품의 잔류응력 제거, 조직 및 기계적 성질의 안정화

5) 마르템퍼링(Martempering) : 부품의 경화 및 인성향상

6) 오스템퍼링(Austempering) : 부품의 경화 및 인성향상

7) 시효(Aging) : 저온처리에 의한 안정화된 조직의 석출 및 가공에 의한 경도 향상

(2) 특수 열처리

금속부픔의 전체 또는 특정부분을 가열, 냉각 또는 특수원소를 첨가하여 내마모성, 내충격성등을 향상시키기 위한 열처리 기술로서 가열방법, 사용재료(처리약품)등에 따라 다음과 같이 분류한다.

1) 부분가열 표면경화

① 고주파 표면경화(Induction surface hardening) : 고주파 유도장치를 사용한 부품

② 화염 표면경화(Flame surface hardening) : 대형 구조물 용접 부분 표면경화를 위한 간이 열처리

③ 레이저 표면경화(Laser surface hardening) : 부품중 마모가 심한 부위등 필요 부분만의 표면경화

④ 전자빔 표면경화(Laser surface hardening) : 부품중 마모가 심한 부위등 필요 부분만의 표면경화

2) 전체가열 표면경화

① 침탄(Carburizing) : 부품표면에 탄소의 확산침투에 의한 표면경화

【 고체침탄(Solid Carburizing), 염욕침탄(Salt Bath Carburizing), 가스침탄(Gas Carburizing), 플라

즈마침탄(Plasma Carburizing), 진공침탄(Vaccum Carburizing) 】

② 침탄질화(Carbonitriding) : 부품표면에 탄소와 소량의 질소를 동시에 침투시켜 표면경화

③ 질 화(Nitriding) : 부품표면에 질소의 침투에 의한 표면경화

④ 침질탄화(Nitrocarburizing) : 부품표면에 질소와 소량의 탄소를 동시에 침투시켜 표면경화

⑤ 침 붕(Boriding) : 부품표면에 붕소의 확산침투에 의한 표면경화

⑥ 탄질화물 침투법 : 부품표면에 금속원소와 탄소에 의한 탄화물층을 형성하는 표면경화로 나누어

진다.

2. 열처리란 어떤 작업인가?

열처리란 금속재료(주로 철강재료)에 요구하는 기계적, 물리적성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술이며, 크게는 재료를 단단하게 만들어 기계적, 물리적 성능을 향상시키는 기술과 재료를 무르게하여 가공성을 개선시키는 기술로 대변할 수 있으며, 기타 특수한 목적을 위한 첨단 열처리 기술도 점차 개발되고 있다.

1) 열처리 종류

(1) 표면경화열처리

① 침탄, 침탄질화 : 내부도 약간 경화된다.

② 연질화, 가스질화 : 내부는 전혀 경화되지 않는다.

③ 고주파, 중주파, 화염열처리 : 필요한 부분만 표면경화된다.

(2) 전체 경화열처리 : 내부까지 경화된다.

① 조질처리 : 중탄소강, 구조용 합금강재(Sorbite 조직을 얻을 것)

② Q.T처리 : 중, 고탄소강, 구조용 합금강재

③ 진공열처리 : 고합금 공구강재(STD, STF, SKH, STS등)

(3) 연화열처리 : 재료를 무르게하여 가공성을 개선한다.

① 완전풀림 ② 확산풀림 ③ 구상화 풀림 ④ 응력제거 풀림

⑤ 중간풀림 ⑥ 연화풀림 ⑦ 2단 풀림 ⑧ 등온풀림

(4) 기타열처리

① 불림처리 : 조직개선 및 표준화, 응력제거, 가공성 향상

② 용체화 처리 : STS304등 Austenite계 스텐레스강의 강도, 가공성 향상, 내식성개선, 수명연장

③ 취성제거처리 : 도금에서 발생된 수소취성 제거

④ 수인처리 : 고 Mn강의 강도 가공성 향상

⑤ ADI처리 : 구상 흑연주철의 Austempering 처리, 기존 단조품에 열처리하던 것을 주조품으로 바꾸어 공정단축, 원가절감, 경량화에 의한 자동차 연비향상, 강도 향상등 자동차 부품에서 점차 일반부품으로 용도가 넓어지고 있음.

⑥ 침붕처리 : 초, 고내마모성을 요구하는 부품, HV1500이상의 고경도를 얻을 수 있다.

※ SHOT PEENING 효과

* SHOT의 강도를 높여 PEENING함으로써 기어 뿌리 굽힘 피로강도는 약 1.3∼1.5배까지 향상시킬 수

있으며, 그 효과도 가장 크다. 동시에 경화층 깊이를 얕게 함으로써 강도를 증대시킬 수 있다.

* 충격강도 향상에는 SHOT PEENING이 그다지 효과가 없음으로 P와 Si를 줄인 합금성분 조절이 효과가 크다.

3. 열처리 기호(JIS G 0201에 의함)

1. Normalizing

2. Annealing

Full Annealing

Spherodizing

Stree Relieving

Low Annealing

Ausannealing

Diffusion Annealing

Bright Annealing

Case Annealing

3. Quenching

Air Blast Quenching

Oil Quenching

Water Quenching

Marquenching

Flame Hardening

Induction Hardening

Press Quenching

Bright Quenching

Electrolytic Hardening

소준(불림)

소둔(풀림)

완전소둔

구상화소둔

응력제거소둔

저온소둔

등온소둔

확산소둔

광휘소둔

상자소둔

소입(담금질)

역풍소입

유(중)소입

수(중)소입

마르�칭

화염소입

고주파소입

프레스소입

광휘소입

전해소입

HNR

HAF

HAS

HAR

HAL

HAA

HAD

HAB

HAC

HQA

HQO

HQW

HQM

HQF

HQI

HQP

HQB

HQE

4. Tempering

Austempering

Martempering

Press Tempering

Bright Tempering

5. Carburizing

Solid Carburizing

Liquid Carburizing

Gas Carburizing

Carbonitriding

Anti Carburizing

6. Nitriding

Gas Nitriding

Liquid Nitriding

Tufftriding

7. Sulphurizing

Nitrosulphurizing

8. SubZero TreatMent

소려(뜨임)

오스템퍼링

마르템퍼링

프레스템퍼링

광휘소려

침탄

고체침탄

액체침탄

가스침탄

침탄침질

침탄방지

질화

가스질화

액체질화

연질화

침류

침류질화

심냉처리

HTA

HTM

HTP

HTB

HCS

HCL

HCG

HCN

HCA

HNT

HNTG

HNTL

HNTT

HSL

HSLN

HSZ

4. 열처리 설계와 재질선택시 참고사항

1) 열처리에 의해 어떤 성능을 기대하는가?

고내마모성, 고인성, 내피로도, 내충격성, 내열성, 내식성, 탄성, 열피로도, 내한성등 요구성능에 따라 재질, 열처리 기술의 종류, 경도값을 결정한다.

2) 제품의 사용온도, 사용조건, 사용빈도, 경제성을 감안한다.

주위의 환경(제품의 사용온도, 마찰열, 부식조건, 진동등)에 따라 혹은 사용빈도를 감안 적정한 강재

를 선정한다.

3) 사용경도는 어떻게 지정할 것인가?

원제품 경도값인가? KS, JIS 참고값인가?

제품에서 요구하는 인장강도 계산값인가?

4) KS, JIS에 표기된 각 재료별 경도값을 도면에 그대로 사용하면 안된다.

통상 KS, JIS 값은 각 재료별 ø25㎜ 환봉에 대한 실험값으로 재질별 조질 또는 Q.T한 참고값이다. 도면 SPEC은 제품이 요구하는 강도, 경도, 충격치등 정확한 값을 표기한다.

5) SM45C는 가장 일반적으로 사용하나 열처리가 잘 안되는 점이 있다.

각종기어, 축, 체인, 로울러, 금형, 핀등에 많이 사용되나, 열처리가 잘되는 크기는 ø15이하 t10㎜정도

(수냉하면 ø25 t20㎜정도)이며, 그 이상은 경도가 점차 낮아져 HRC50이상은 어렵다. 체적이 커질수록 점차 고합금강으로 사용한다.(질량효과 때문임) 단 고주파, 중주파 열처리는 체적에 관계없이 SM45C

가 무난하다.

6) 모든 열처리에서 변형은 필수적으로 발생된다.

제품 완가공후 열처리는 불량을 초래하므로 후공적을 감안해야 한다.

7) 림드강 강재(비 탈산처리)로는 열처리 제어가 안된다.

중요품은 모두 킬드강을 사용한다. SS41, SPC등 저급소재는 KS 비열처리 소재로서 불순물 제거가 안

되어 열처리후 경도제어가 곤란하다. 각 재료는 KS에 림드강, 킬드강 제조법이 표기되어 있다.

8) STC3, STC5(탄소공구강)도 탄소강 종류로서 질량효과가 크다.

대형부품, 금형류에는 열처리 경화가 어려워 합금강재로 바꾸는 것이 좋다.

소형부품, 수냉용 단순부품은 관계없다.

9) 복합 열처리 기술도 활용 할 수 있어야 한다.

(1) 조질 + 고주파, 중주파

(2) 조질 + 연질화, 가스질화

(3) 풀림 + 침탄, 조질

(4) 진공열처리 + 연질화, 가스질화

(5) 침탄 + 고주파

이상 여러 가지 복합 열처리기술이 활용되고 있다.

10) 최고 품질은 적정재질로 적정 열처리기술을 선택하는데 있다.

11) 질량과 형상이 불균형한 제품은 항상 변형과 CRACK의 위험이 따른다.

5. 표면경화법

1) 침탄

(1) 서 언

금속은 기계부품 혹은 공업설비· 장치 등에 사용할 때 표면에 흠집, 균열등이 생긴다든가 마찰에 의해 표면이 마멸하는 것을 피하지 않으면 안된다. 표면손상이나 마멸의 방지는 공업기술이 진보하면 할수록 강력하게 요망되는 것이다. 이를 위한 표면기술을 일반적으로 표면경화라고 한다. 특히 표면층의 금속조직을 바꾸므로 표면경화의 목적을 달성하는 방법이 있는데, 이는 다른 원소를 표면으로부터 내부로 침투확산시켜서 표면층의 화학조성을 바꾸어 놓는 것이다. 여기서는 일반적으로 널리 상업화되어 침탄법에 대해서 서술하겠다.

(2) 침탄이란?

강은 Fe 중에 탄소를 0.02∼2.0% 함유한 합금이며 그 성질은 탄소의 양이 적으면 연하나 인성이 있고, 탄소량이 많으면 경하고 강하나 취약한 성질이 생긴다. 따라서 기계의 부품재료로서는 사용목적에 따라 탄소를 표면부에는 많게, 중심부에는 적게 분포시키면 표면은 경하여 내마모성이 좋고 중심부는 연하고 인성이 있어서 전체로서는 취약성에 의한 파괴를 피할 수가 있다. 이와 같이 제품을 만들기 위하여 저탄소 재료로 손쉽게 절삭가공한 후 표면에서 탄소를 확산시켜서 표면에 고탄소의 합금층을 만드는 조작을 침탄이라 한다.

(3) 가스침탄의 장단점

① 장 점

ⓐ 표면의 탄소농도를 조절할 수 있다.

ⓑ 표면광휘상태로 처리가 가능하며 침탄도 균일하게 행해진다.

ⓓ 침탄종료후 동일장치로 확산 어닐링도 가능하다.

ⓔ 다량 생산에 적합하며, 작업도 청결하다.

ⓕ 자동화도 용이하며, 품질관리도 실시하기 쉽다.

② 단 점

ⓐ 조업에 전문적인 지식이 필요로하며 폭발의 위험도 있고, 설비비가 약간 고가이다.

ⓑ 트레이 등이 침탄되어 수명이 짧다.

2) 고주파 담금질

(1) 개 요

고주파 담금질은 담금질부분에 대응하는 적당한 형상의 담금질코일을 만들어 이것을 1000사이클에서 1메가 사이클의 고주파 발생장치에 접속하고, 이것에 고주파 대전류를 통하면 근접하여둔 담금질 물체의 표면에 유도 전류가 흘러 이것에 의하여 물체는 표면층에서 급속히 가열된다. 담금질 온도에 달했을 때 가열을 중지, 냉각액을 외부에서 분사하여 담금질을 한다. 이와같은 고주파 담금질은 직접 가열로 열효율이 좋게 국부담금질, 전체담금질등 모두 가능하며, 처리시간을 짧고 일정한 조건에서 다수를 처리하는 것이 비교적 간단히 할 수 있는 등의 이점을 가지나 반면 발생장치가 극히 값이 비싸다는 결점이 있다. 고주파 담금질이 다른 표면경화법과 다른점은 자체경화능이 있는 강재를 사용하여 급속이 표면만을 가열하여 담금질하고, 따라서 내부는 거의 처음상태로 유지되는 것인데, 여기서 담금질 전 재료의 조직이 고주파 표면담금질과 같은 금속가열의 경우는 큰 영향력을 미치므로 0.4∼0.5% 탄소강에 있어서는 조질에 의해 현저한 경도 상승을 나타낸다. 바탕이 퍼얼라이트에는 이른바 불완전 담금질이 되고, 잔류페라이트가 있어 충분한 경도가 얻어지지 않는다. 또 조질재의 경우네는 담금질층과 내부사이에 이른바 경계층이 있어 경도가 저하하는데 이것은 탄소강에서 일어나기 쉽고 합금강 적어도 Cr강에서는 일어나지 않는다.

(2) 고주파 열처리의 특징

· 가열 시간이 짧아 열 영향이 적으므로 변형이 적다.

· 산화 SCALE의 발생이 적다.

· 장기 가열에 의한 탈탄 현상이 없다.

· 필요 부분만의 국부 열처리가 용이하다.

· 경화 깊이의 조정이 용이하다.

· 표면경화의 경우 내부의 인성을 유지할 수 있다.

· 표면경화, 풀림, 뜨임, 불림등 모든 열처리 분야에 적용이 용이하다.

(3) 고주파 열처리의 주의사항

① 고주파 발생장치의 용량에 따라서 가열능력 한계가 있어서 외경의 작업가능한 한계가 있고 도 및 경화층 깊이에 따라서 중주파 및 저주파 시설을 이용해야하며, 비용이 증가하는데 주의해야 한다.

② BUSH및 PIPE류의 외경고주파 작업시 두께에 따라서 치수 변형향의 차이가 있으며, 특히 내경 공차부의 재가공이 필요하므로 고주파 후 정삭을 해야한다.

③ 냉간인발환봉(일명 미가기환봉)은 표피 1.0㎜이상 가공한후에 최고경도가 나오며, 그 이유는 표피층의 탈탄현상등으로 탄소량의 감소가 주요인이다.

④ 단조주조의 소재는 담금질, 뜨임전에 반드시 전처리로써 불림 또는 풀림을 하고 결정립의 조정 조직의 균일화, 잔류응력 제거등을 해야한다. 한편 전처리를 불림 한 것인지 또는 풀림 한 것인지는 재질과 질량효과에 따라 구별되는데 절삭가공이 원활하게 되는편을 선택한다. 특수원소를 갖고 공기담금질성이 좋은 재료 경우 불림 또는 풀림에서도 경화하므로 불림, 뜨임을 하여 퍼얼라이트조직으로 한다. 또 두께가 큰 주강등에서 수지상정이 쉽게 없어지지 않을 때는 2차 불림을 하면 좋다.

(4) 고주파 열처리장치의 구조

① 고주파 발생장치

상용의 60Hz의 전력을 금속의 가열에 보다 효율적인 고주파 전력으로 변환시켜주는 장치이며, 변환기구로서 진공관을 사용하는 방식(진공관식 GENERATOR)과 반도체소자를 사용하는 방식이 있다. 반도체 소자로서 S.C.R을 사용하는 THYRISTER INVERTER는 에너지 효율이 탁월하여 최근 고주파 열처리에 가장 널리 사용되고 있으며, 진공관식 GENERATOR는 10KHz이상의 높은 주파수의 전력이 필요한 경우에 주로 사용한다.

② 정합부

고주파 발생장치에 의해 발생된 고주파 전력을 가열코일에 효과적으로 공급하기 위한 장치이며, 가열코일과 직결되어 있다.

③ 가열코일

제품의 형상에 따라 설계 제작되며, 대전력이 흐르므로 수냉식이 일반적이다. 또한 경화 열처리 경우와 같이 급냉이 필요한 경우 냉매를 분사할 수 있는 장치도 갖추고 있다.

④ 기계장치

제품의 특성에 따라 설계 제작되며, 가열코일을 상·하·좌·우로 이동시키고, 제품을 이송하며, 균일한 가열을 위해 제품을 회전시켜주는 장치이며, 전자제어에 의한 자동운전이 가능하다. SCANNING MACHINE이 대표적인 예이다.

⑤ 냉각수 장치 및 담금질유 장치

냉각수 장치는 고주파 발생장치, 가열코일등을 냉각시켜주는 냉각수의 순환장치이다. 담금질유 장치는 열처리의 경우 담금질유를 순환시켜즈는 장치이며, 담금질유의 반복 사용으로 인한 온도 상승을 방지하기 위한 담금질유 냉각장치가 포함된다.

(5) 高周波燒入(담금질) 適用部品

業種別	部品名
自動車部品	Crankshaft, Camshaft, Ring Gear, Axle, Tube, Rear Axle Shaft, Rear Spindle, B.J Shaft, DOJ Outer, B.J Outer, Tripod, Torsion Bar, Gear Sleeve, Ball Joint & Socket, Engine Valve & Valve Seat, 其他 Rod, Lever, Gear類
二輪車	Crankshaft, Camshaft, Gear, Sprocket, Leaver, Pin, Rod類
建設機械部品	Track Shoe, Track Link, Pin, Bush, Front Idler, Sprocket, Final Gear, Roller, Shoe Bolt, Cutting Edge, Piston Rod, Drillshaft, Sleeve, Ring & Gear, Spline Shaft, 族回輪, 其他, Rod Lever, Wire Sheave類
製鐵機械部品	Pinion Gear, Screw, Roller, Spindle, Coupling
鐵道車輛部品	Piston Rod, Crankshaft, Axleshaft, Axle Wheel, Motorshaft, Motor Pinion & Gear Spring Pin & Link
起重機 및 捲上機部品	Gear, Pinion, Axleshaft & Wheel, Rail, Wire Sheave, 其他, Pin, Bush, Shaft類
纖維 및 化工機部品	Heating Cylinder, Screw, Rod, Roller, Cam, Gear, Pin, Shaft類
冷凍機 및 Compressor	Crankshaft, Cylinder Liner, Piston Pin, Piston Rod, Valve & Valve Seat, 其他 Gear, Shaft, Pin類
鑛業 및 窯業機械部品	Gear, Pinion, Roller, Sprocket, Screw, Liner, Crusher Parts, Conveyer Parts 其他 Shaft, Pin, Bolt類
工作機械部品	Bed, Screw, Spindle, Rod, Boring Bar, L.M Guide Rail, Gear, Shaft, Ball類
內燃機械部品	Crankshaft, Camshaft, Rocket Arm & Shaft, Cylinder Liner Valve & Valve Seat, Piston Pin & Rod, 其他 Gear, Shaft, Pin類
鍛壓機械部品	Crankshaft, Camshaft, Ram, Bed, Piston Rod, Pin類
農機具部品	Gear, Shaft, Pin類

3) 각종강재의 고주파 담금질 표준경도

명칭, 규격

번호, 기호

C량 %

A(水)

HRC

B(PVA)

HRC

기계구조용 탄소강 강재 JIS G4051

S30C

S33, 35C

S38C

S40, 43C

S45, 48C

S50, 53, 55C

0.27∼0.33

*0.30∼0.38

0.35∼0.41

*0.37∼0.46

*0.42∼0.51

*0.47∼0.58

40∼52

45∼55

50∼62

52∼62

55∼62

40∼55

45∼55

48∼55

니켈크롬강 강재 JIS G4102

SNC236

SNC631

SNC836

0.32∼0.40

0.27∼0.35

0.32∼0.40

(48∼55)

(48∼52)

(52∼60)

45∼52

45∼50

50∼58

니켈크롬 몰리브덴강 강재 JIS G4103

SNCM240

SNCM431

SNCM439

SNCM447

SNCM625

SNCM630

0.38∼0.43

0.27∼0.35

0.36∼0.43

0.44∼0.50

0.20∼0.30

0.25∼0.35

52∼62

45∼52

52∼62

55∼62

37∼48

45∼52

크롬강 강재 JIS G4104

SCr430

SCr435

SCr440

SCr445

0.28∼0.33

0.33∼0.38

0.38∼0.43

0.43∼0.48

48∼55

(52∼58)

(55∼62)

45∼52

50∼55

55∼62

크롬 몰리브덴강 강재 JIS G4105

SCM430

SCM432

SCM435

SCM440

SCM445

0.28∼0.33

0.27∼0.37

0.33∼0.38

0.38∼0.43

0.43∼0.48

45∼50

45∼58

50∼58

(55∼62)

45∼50

45∼58

48∼55

55∼62

기계구조용 망간강 강재 및 망간 크롬강 강재 JIS G4106

SMn433

SMn438

SMn443

SMnC443

0.30∼0.36

0.35∼0.41

0.40∼0.46

48∼55

50∼60

55∼62

45∼52

48∼55

52∼60

55∼62

스텐레스강 봉 JIS G4303

SUS420J1

SUS420J2

0.16∼0.25

0.26∼0.40

37∼48

45∼55

탄소공구강 강재 JIS G4401

SK3,4,5

* 0.8∼1.10

55∼65

55∼62

명칭, 규격

번호, 기호

C량 %

A(水)

HRC

B(PVA)

HRC

합금공구강 강재 JIS G4404

SKS2

SKS4*

1.00∼1.10

0.45∼0.55

60∼65

55∼62

52∼60

스프링강 강재 JIS G4801

SUP6

SUP9

0.55∼0.65

0.50∼0.60

55∼62

52∼60

고탄소 크롬 베어링강 강재 JIS G4805

SUJ2

SUJ3

0.95∼1.00

62∼65

60∼62

탄소강 단강품 JIS G3201

SF55

SF60

(0.34∼0.38)

(0.43∼0.48)

45∼55

52∼60

탄소강 주강품 JIS G5101

SC46

SC49

(0.16∼0.25)

(0.20∼0.30)

32∼45

40∼48

37∼48

구조용 고장력 탄소강 및 저합금강 주강품 JIS G5111

SCC3

SCC5

0.30∼0.40

0.40∼0.50

45∼55

52∼62

40∼52

48∼60

SCMn2

SCMn3

SCMn5

0.25∼0.35

0.30∼0.40

0.40∼0.50

45∼52

48∼55

55∼62

45∼52

50∼58

SCSiMn2

0.25∼0.35

50∼60

SCMnCr2

SCMnCr3

SCMnCr4

0.25∼0.35

0.30∼0.40

0.35∼0.45

45∼52

(48∼55)

(52∼60)

48∼55

52∼60

SCCrM1

SCCrM3

0.20∼0.30

0.30∼0.40

(42∼50)

(50∼60)

42∼50

48∼55

스텐레스강 주강품 JIS G5121

SCS2

0.16∼0.24

(37∼48)

37∼48

회주철품 JIS G5501

FC20, 25

FC30

(3.0∼3.5)

(3.0∼3.3)

40∼52

45∼52

40∼52

42∼52

구상흑연 주철품 JIS G5704

FCD40

FCD45

FCD60

(3.3.∼3.8)

27∼37

32∼45

45∼55

퍼얼라이트 가단 주철품 JIS G5704

FCMP50

FCMP60

(2.0∼3.0)

48∼55

52∼60

45∼55

48∼60

* 표시는 규격의 합산(최소∼최대) 탄소강, ( )는 참고치

6. 가스질화란 무엇인가?

1) 개 요

가스질화는 금속표면에 질소를 침투시켜서 표면을 硬化하는 공법으로 단단한 표면을 얻기 위한 별도의 소입(燒入) 공정을 필요로 하지 않으며, 표면경화 열처리법으로서 금속의 A₁ 변태점인 723℃ 이하의 온도인 500∼550℃에서 NH₃ 가스는 2NH₃←3H₂ + 2N과 같은식의 해리에 의하여 발생된 발생기 질소(N)가 銅중의 미소성분인 Al, Cr, Mo, Ti등과 화합하여 Al-N, Cr-N등과 같은 질화물을 만든다.

특히 낮은 온도에서 처리되므로 정밀도를 유지하여 변형이 적은 표면경화법이다.

2) 질화목적

질화를 하는 본래의 목적은

● 높은 표면경도

● 내마모성과 흠집에 대한 저항성(antigalling)

● 피로수명증진

● 내식성(스텐레스 경우는 예외), 내열성

● 질화온도 이상의 온도에서 사용시 열에 의한 표면의 연화 저항성 등을 얻기 위해서이며, 이 공법에는 체적변화가 수반되는 담금질이 없고 상대적으로 낮은 처리온도가 적용되기 때문에 침탄 또는 기타의 일반적인 경화에 비해 조직변형이 적다. 또한 질화의 결과 약간의 팽창이 일어날 수 있으나 체적의 변

화가 극히 적은 열처리 기술임.

3) 질화강

합금 원소로써 사용되는 것은 보통 Al, Cr, V, W, Mo등인데 질화온도에서 안정한 질화물을 형성하기 때문에 Mo은 질화물을 형성할 뿐만 아니라 질화온도에서의 취성을 감소시켜 주는데 기여를 한다. Al은 가장 강력한 질화물형성 원소로(0.8∼1.5% Al)을 함유하고 있는 강이 합금원소 함량만으로 보았을 때는 최상의 질화결과를 나타낼 수 있으나, Cr을 함유하고 있는 강도 Cr함량이 충분히 높으면 대략 이와같은 좋은 결과를 나타낼 수 있다.

합금되지 않은 탄소강은 질화에 적합하지 않은데 왜냐하면 이 강은 박리되기 쉬운 고도로 취약한 질화층을 형성시키며, 확산층 내에서의 경도증가도 작기 때문이다.

함 Al강은 매우 높은 경도의 내마모성이 대단히 좋은 질화층을 생성시키나 이 질화층은 전성이 작으므로 함 Al강을 질화강으로 선택할 때에는 이점에 유의해야하는데 반대로 저합금 Cr강은 상당히 전성이 크나 경도가 낮은 질화층을 만든다. 그러나 이러한 차이가 있다고해도, 이들 질화강은 내마모성과 좋은 긁힘 저항성을 나타낸다.

함 Cr공구강들은 대단히 높은 단위 하중 하에서의 심한 충격에 대한 용도에 잘 적용될 수 있는 높은 심부 강도와 표면경도의 조화를 이룰 수 있다.

이 강의 제한요소는 우선 가격이 비싸다는 점과 가공이 어렵다는 것이다.

● Al은 표면경도 향상에는 유효하지만 경화깊이 증대에는 도리어 역효과를 미친다.

● Cr은 표면경도와 깊이 향상에 모두 기여한다.

● V은 경화깊이 증대에 큰 효과를 나타낸다.

● 경화층 깊이 증대에는 Cr, V을 첨가하는 것이 좋다, 유효경화깊이(HV420)에는 Cr을 1.0% 첨가함으로

써 최대가 되고, V은 0.1%이상의 첨가로서 포화된다.

4) 질화전 열처리

모든 경화가능한 강은 질화전에 담금질, 고온뜨임 = 조질(QUENCHING, TEMPERING) 열처리 되어야 하는데, 뜨임(TEMPERING) 열처리온도는 질화온도에서 조직상의 안정이 보장될 수 있을 만큼 충분히 높아야 하는바, 질화전 열처리 최저온도는 통상 질화 최고 온도보다 적어도 30℃는 되어야 한다.

강종에 따라 심부경도가 높아지면 질화층 경도도 높아지고, 낮아지면 따라서 낮아지기도 함으로써 이러한 강종에 있어서 질화층 경도를 최대로 하고자 할 때는 허용 가능한 최저온도로 해야 한다.

5) 화학성분별 Gas 질화 표면경도 측정값 DATA

기 호	재 질 명	화 학 성 분(%)								표면경도
기 호	재 질 명	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	표면경도
SC46	탄소강 주강	0.30 이하	0.30 ∼ 0.60	0.60∼ 0.90	0.050 이하	0.050 이하	·	·	·	HV380 ∼ HV440
SCPH21	고온고압용 주강	0.20 이하	0.60 이하	0.50 ∼ 0.80	0.040 이하	0.010 이하	1.00 ∼ 1.50	0.45 ∼ 0.65	·	HV600 이상
SM45C	기계구조용 탄소강	0.42 ∼ 0.48	0.15 ∼ 0.35	0.60 ∼ 0.90	0.030 이하	0.035 이하	·	·	·	HV500±100
SCM440	크롬 몰리브덴강	0.38 ∼ 0.43	0.15 ∼ 0.35	0.60 ∼ 0.85	0.030 이하	0.030 이하	0.90 ∼ 1.20		·	HV650±50
SKD61	열간금형강	0.32 ∼ 0.42	0.80 ∼ 1.20	0.50 이하	0.030 이하	0.030 이하	4.50∼ 5.50		0.80 ∼ 1.20	HV900 이상
STS000	스테인레스강	·	·	·	·	·	·	·	·	HV900 이상
SACM645 (SACMI)	질 화 강	0.40 ∼ 0.50	0.15 ∼ 0.50	0.60 이하	0.030 이하	0.030 이하	1.30 ∼ 1.70		A ℓ 0.70 ∼ 1.20	HV900 ∼ 1200

NOTE.

● 표면 질화층(화합물층) 두께 : 0.5∼0.7㎜

● 탄소강은 경도가 낮고 Cr, Mo, V 합금강은 경도가 높은 질화층 경도를 얻는다.

● 공정설계 : 사용현상조사, 연구 ⇒ 적합한 재질선택 ⇒ 황삭기계가공 ⇒ 조질(담금질, 뜨임) ⇒ 정삭

⇒ 연삭(마무리사상) ⇒ 치수검사 ⇒ 탈지, 세척 ⇒ 질화준지 ⇒ Gas질화(72hr 이상)

1) 진공로의 담금질 작업표준

(1) 적용범위진공열처리

이 작업표준은 당사의 진공로에서 가공하는 금형, 공구류의 1차예열, 2차예열, 본열, 냉각에 대하여 규정한다.

(2) 가공(목적)품질

① 겉모양(표면상태)

표면에 균열, 산화피막층이 없어야 하고 담금질후 가공품 표면에 반점 및 변형이 없어야 한다.

② 변형 및 경도

담금질후 피가공물의 변형상태는 가공품별 재질별에 따라서 아래 표와 같다.

구분 가공품		용 도	재 질	가공치수(㎜)	가공허용범위(㎜)	담금질경도(HRC)
금 형 류	다이캐스팅	알루미늄 아 연 구 리	STD61	60ø100미만 60ø100이상 50300250미만 50300250이상	+0.05∼0.1 +0.1∼0.15 +0.1∼0.15 +0.15∼0.2	53∼55
	프 레 스	열 간 냉 간	STD62 STD11	50300250미만 50300250이상 20250155미만 20350150이상	±0.1∼0.15 ±0.15∼0.2 ±0.05∼0.1 ±0.1 ∼ 0.2	53∼55 61∼63
	몰 드	사 출 사 출 사 출 사 출 사 출	XW-10 STAVAX STD11 STS440C STS420J₂	10150100미만 10150100이상	±0.01∼0.05 ±0.01∼0.05 ±0.1∼0.10 ±0.1∼0.10 ±0.1∼0.10	62∼64 56∼58 63∼65 58∼60
	금 형 부 품	반 도 체	Ferro-Tic	30ø150미만 30ø150이상	±0.01∼0.05 ±0.05∼0.10	68∼72
공 구 류	압 축 공 구	다이스류	STD62 STD5	50ø80미만 50ø80이상	±0.01∼0.05 ±0.05∼0.10	53∼55
	압 축 공 구	아웃터슬리브	STD61	50ø80미만 50ø80이상	±0.01∼0.05 ±0.05∼0.10	53∼55
	절 삭 공 구	드 릴	SKH51	5ø50미만 5ø50이상	―	64∼65
		탭	SKH51	―	―	64∼65
		리 마	SKH51, 55	―	―	64∼65
		앤 드 밀	SKH51, 57	30ø*100미만, 이상	±0.1∼0.2	64∼65
		호 브	SKH51	―	―	64∼65
	냉간가공공구	인발다이스	SKH51	―	―	64∼65
		로 울	STD11, 9	80ø*800미만	±0.2∼0.3	62∼63
		해딩다이스	STD11	―	―	62∼63
		게 이 지	STD11	―	―	62∼63

2) 진공로의 뜨임작업

(1) 적용범위

이 작업표준은 당사에서 가공하는 금형, 공구류의 진공열처리중 담금질후에 실시하는 뜨임 작업 공정에 대하여 규정한다.

(2) 가공(목적)품질

① 겉모양

표면에 균열, 산화피막층이 없어야 하고 진공템퍼링후 표면이 미려하여야 하며 광휘성이 양호하여야 한다.

② 경 도

뜨임후의 강종별 경도는 다음표와 같다.

구분 가공품		용 도	재 질	뜨임후경도(HRC)
금 형 류	다이캐스팅	알루미늄 아 연 구 리	STD61	45∼48
	프 레 스	열 간 냉 간	STD62 STD11	48∼50 58∼60
	몰 드	사 출 품	XW-10, STAVAX STD11, STS440C STS420	55∼56
	금 형 부 품	반 도 체	Ferro-Tic	66∼68
공 구 류	압 축 공 구	다이스류	STD62 STD5	50∼52
	압 축 공 구	아웃터슬리브	STD61	43∼45
	절 삭 공 구	드 릴, 탭	SKH51	63∼64
		리 마	SKH51, 55	63∼64
		앤 드 밀	SKH51, 57	64∼65
		호 브	SKH51, 57	64∼65
	냉간가공공구	인발다이스	SKH51	63∼64
		로 울	STD11, 9	61∼62
		해딩다이스, 게이지	STD11	61∼62

3) 진공열처리란?

진공열처리(VACCUM HEAT TREATMENT)란 금속의 재조 및 가공의 한 공법으로, 열처리 작업을 밀폐된 용기내에서 어느 압력수준까지 공기를 배기시킨 상태에서 수행하는 것이다. 진공열처리는 복잡한 형상이나 막힌 공공부품의 후미진 부분등의 열처리를 행할 때 열처리 효과가 보통의 로에 비해 크다. 피처리물 표면의 산화반응을 방지할 수 있으며, 표면에서 모재의 원소가 이탈되는 것을 방지(탈탄방지) 효과와 열처리도중 피처리물의 이동이 없어서 재료의 변형이 적고 안전조업이 가능하나, 투자비가 고가이고, 엄격한 작업조건이 요구되며, 열처리 싸이클이 길다.

4) 금형소재 절단에는 절단방향이 매우 중요하다.

① 냉간공구강 SKD11등의 상종은 소재의 단신방향(혹은 압연방향) 및 이와 직각방향에 있어서 치수변화의 상태가 상이하여, 소위 방향에 대한 수치변화의 이방성을 나타낸다. 따라서 소재로부터의 재료 선택에 특히 주의할 필요가 있다.

② 열간공구강 SKD61 금형의 경우 담금질, 뜨임처리에 의해 소재의 단신방향으로 수축 혹은 약간 팽창하며, 이것과 직각방향으로는 반드시 팽창한다. 이렇게 열처리에 의해 발생하는 치수변화는 방향에 대한 이방성을 나타내므로 주의할 필요가 있다.

5) 2차 경화공구강에는 고온뜨임이 좋다

냉간금형강의 대표적인 SKD11은 냉간사용이라고하는 종래의 개념으로부터 180℃∼200℃의 뜨임이 채용되고 있다. 그런데 최근에는 작업속도가 빨라지고, 절삭날 부위의 온도가 꽤나 높아가고 있다. 아마도 그 온도는 200℃이상으로 되었다고 생각된다. 그렇게 되면 모처럼 200℃에서 뜨임하여 얻은 성능(주로 경도)은 무위로 돌아가고, 훨씬 성능이 저하되고 만다. 그래서 SKD11의 뜨임 온도는 200℃만이 아니고, 고온뜨임도 고려해야 한다.

다행히 SKD11은 2차 경화를 나타내는 합금강이므로 고온뜨임이 가능하다.

500℃∼530℃의 뜨임으로서 경도는 200℃ 뜨임보다도 HRC에서 1∼1.5 낮아지는 정도이므로 문제가 없으며, 오히려 내열성이 발휘되므로 더 좋게되는 셈이다.(금형 납품기일에 쫓긴 나머지 뜨임회수 또는 시간부족으로 인한 금형품질저하, 불량발생에 주의해야 한다)

6) 방전가공후 응력제거(재뜨임)가 필요하다

방전가공과 와이어 방전가공시 액중에서 용융가공하기 때문에 가공표면은 용융가공 담금질층, 그 아래는 고온담금질층, 3번째층은 고온뜨임층이 되어 있다. 첫째층과 둘째층을 EDM의 변질층이라고 부른다. 이것은 담금질층이므로 마르텐사이트 백색층이다. 따라서 이층을 뜨임하지 않으면 안된다. 그대로 사용하면 마르텐사이트층이 결손하게 된다.

스트레스제거라는 의미에서도 뜨임은 필요하다. 뜨임온도는 SKH는 500℃∼550℃, SKD, SKS등은 200℃에서 뜨임한다.

8. 조질열처리

1) 담금질 + 고온뜨임

담금질-뜨임(조질)은 강의 기계적 성질을 향상시키기 위해 유효한 처리이고, 이 담금질 뜨임이 좋고 나쁨에 따라 그 성질은 크게 좌우된다. 또 담금질 뜨임, 즉 조질의 과정은 반드시 뜨임 공정을 거치지 않으면 안된다. 우선, 담금질에 대해 담금질의 이론은 생략하고 작업성의 면에서 고찰한다. 담금질은 완전함을 항상 목표로 하지 않으면 안된다. 이 완전함이란 완전한 담금질 즉, 100%의 마르텐사이트화로의 목표이다. 이 100% 마르텐사이트를 얻기 위한 제1조건은 수많은 요인이었다.

강철이 갖는 C%와 담금질 경도는 비례하고, C%가 많으면 담금질 경도는 높다. 따라서 C%의 양에 따라 100% 마르텐사이트의 담금질된 경도를 알 수 있고, 바꾸어 말하면 담금질 된 경도를 계측해, 그 값에 의해 마르텐사이트화된 양(%)를 구할 수 있다.

물론 100%는 이상치이고 Ms-Mf 구역안에서 Mf가 상온이하인 경우는 담금질한 후 서브제로처리 등의 공정을 더하지 않으면, 100% 달성할 수 없는 일도 있을 수 있다.

마르텐사이트 변태는 온도 의존성이 있는 것도 인식해 둘 필요가 있다. 열처리를 하고 있는 사람은 항상 담금질 작업에 있어서 완전 담금질을 목표로 한 작업을 하지 않으면 안된다. 그를 위해서는 개개의 조건을 확실하고 뚜렷하게 한 후에 비로소 소정의 담금질이 가능한 셈이지만, 뒤에 설명할 뜨임에 의해 조정하는 일이 없도록 과정으로서의 작업관리에 노력하지 않으면 안된다.

2) 조질열처리품의 황삭가공치수

(1) 적용범위

이 규정은 거친 가공후 조질열처리를 시행하는 부품의 황삭가공치수에 대해 규정한다.

(2) 황삭가공 치수

황삭가공치수는 부품의 형상에 의해 각각 아래표에 따르는 것으로 한다.

(3) 표면의 거칠기 : 황삭가공의 표면거칠기에 대해서는 별도로 규정하지 않지만 절단기의 상처와 표면의 흑피 부분을 남겨서는 안된다. (Crack 발생의 주요요인)

(4) 특수부품의 황삭가공치수 : 특수재질 및 특수형상으로 조질열처리 변형이 특히 큰 것. 또 조질열처리 후의 절삭가공중에 특히 커다란 변형이 발생하는 것에 대해서는 담당자간에 협의한 뒤 이 규정의 치수에 적당한 수치를 가산한다.

① 환봉류의 황삭가공치수

외경에 아래표의 치수를 가산한다. 단위 ㎜

200

이하

200 -

400

400 -

600

600 -

800

800 -

1000

이상

50이하

50 - 100

100 - 150

150 - 200

200 - 300

300 - 500

* 총길이에 대한 가산 치수는 4㎜로 한다.

② 원통류의 황삭가공치수

외경 및 내경에 아래표의 치수를 가산한다. 단위 ㎜

200

이하

200 -

400

400 -

600

600 -

800

800 -

1000

이상

50이하

50 - 100

100 - 150

150 - 200

200 - 300

300 - 500

1. 총길이에 대한 가산 치수는 4㎜로 한다.

2. 두께가 외경의 10% 이하의 것에 대해서는 위표의 1.5배로 한다.

③ 평물류(판)의 황삭가공치수

두께에 아래표의 치수를 가산한다. 단위㎜

200

이하

200 -

400

400 -

600

600 -

800

800 -

1000

이상

50이하

50 - 100

100 - 150

150 - 200

200 - 300

300 - 500

1. 외경(또는 길이)에 대한 가산 치수는 4㎜로 한다.

2. 두께가 외경의 10% 이하의 것에 대해서는 1.5배로 한다.

9. 경도불량의 원인과 대책

원 인	작 업 인 자	구 체 적 인 방 법
담금온도 너무낮다	1. 담금온도 선정 miss(너무 낮은 지시) 2. 담금온도 관리 miss(열전대의 열화, 삽입방법miss) 3. 얼룩(입재량, 장입방법 불충분)	KS 및 Maker 추천온도 참조, 정기 정검 균일가열할 수 있게 적정간격에서 입재량 조정, 경화능이 좋은 재료로 변경
담금온도 너무높다	1. 담금온도 선정 miss(너무 높은 지시) 2. 담금온도 관리 miss(열전대의 열화, 삽입방법miss)	KS 및 Maker 추천온도 참조 정기 점검 균일가열
냉각 불충분	1. 노출해서 담금질까지의 시간이 너무 걸린다. 2. 냉각방법의 선정 miss 3. scale, 솔트부착(대기, 솔트가열 때) 4. 액온의 관리 miss 5. 교반 불충분 6. 액중에서 인상온도 너무 높다.	출제방법의 합리화, 열처리 설비이후 가공 Layout의 검토 냉각제의 특성파악 산화 방지제도포, 분위기로 사용 솔트신속 제거 유온 60∼80℃ 수온 30도 이하 교반기의 설치 Ms 점 + 약 50도에서 끌어올린다.
뜨임온도 너무높다	Ms 점 근방에서 뜨임	30∼80℃에서 뜨임 이행
탈 탄	1. 소재탈탄 잔재 2. 담금가열에 의한 탈탄(대기로 과열)	최소 절삭여유의 엄수 분위기 또는 가열
이 재	전공정, 열처리공정의 혼입	작업 기록표등의 관리

10. 열처리 변형 방지의 요점

대 책 법

방 법

구 체 적 인 방 법

체질의 개선

1. 경화능이 좋은 재료를 이용한다. 냉각속도의

완화에 의해 열응력의 저감

2. 재료취급방법의 검토

3. 강의 채용

1. 경화능이 좋은 재료로 변경

(예) STC-STD, STS-STD

2. 재료의 방향성을 알고, 목적에 맞는 재료취급을 한다.

3. 마르에이징, 플라스틱형용강등의 석출경화강의 채용

전처리의 개선

1. 소재의 내부응력제거

2. 가공응력의 제거

1. 소재조질의 실시(HS40정도 예 : 다이캐스트형)

2. 거친 가공후 변형제거 풀림의 채용

형상의 개선

1. 균일가열이 될 수 있게 두께의 변화를 제거

2. 장척재의 휘기쉬운 것은 짧게

1. 예를 들면 대칭형상으로 해서 열처리 후 가공

2. 열처리전의 길이를 짧게 해서 1개당 변형을 적게

하고, 후공정에서 조립한다.

열처리 조건의

개선

변형을 적게하는 열처리 조건으로 변경

1. 가능한 담금온도를 낮게한다.

2. 부분적으로 경화하면 좋은 것은 솔트에 의해 부분

가열등을 이용한다.

가열 냉각방법의

개선

1. 균일가열 이완의 방지

2. 서서히 가열

3. Press 담금의 채용

4. 균일냉각법의 실시

5. 항온 뜨임의 채용

1. ⓐ 부품간격, 대열원위치나 지지방법에 주의

ⓑ 온도분포 확인시, 유효구역내에 가열한다.

2. 적정한 예열을 행한다. 가능한한 서서히 가열한다.

3. 형상에 맡는 치구를 채용 Ms점 근방을 이용한다.

4. ⓐ 냉각제의 흐름을 균일하게 한다.

ⓑ 임계 냉각속도내에서 천천히 냉각한다.

송풍 냉각한다.

5. 적정한 열욕온도와 시간의 검토가 사전에 필요

11. 열처리 강재의 화학성분 및 열처리조건

(1) 냉간가공용 합금공구강(COLD WORK TOOLS STEEL)

강종

기호

화 학 성 분 (%)

풀림

(C)

담금질

(C)

뜨임

(C)

풀림

경도(HRC)

뜨임

경도(HRC)

용도

STD11

1.40

1.60

<0.40

<0.60

<0.03

11.00

13.00

0.8

1.2

0.2

0.5

830∼880

1000∼1050

150∼200

255>

61<

성형로라, 컷터, 냉간금

STS 2

1.00

1.10

<0.35

<0.50

<0.03

0.5

1.0

1.00

1.50

<0.2

750∼800

830∼880

150∼200

217>

61<

탭, 드릴, 컷터

다이스, 쇠톱날

STS 3

0.90

1.00

>0.35

0.90

1.20

<0.03

0.5

1.0

0.5

1.0

750∼800

800∼850

150∼200

217>

60<

탭, 게이지다이스

(2) 열간가공용 합금공구강(HOT WORK TOOL STEEL)

STD61

0.32

0.42

0.8

1.2

0.5 이하

<0.03

<0.01

4.50

5.50

1.0

1.5

0.3

0.5

830∼870

1000∼1050

550∼650

229>

53<

열간다이스, 다이캐스팅

STS 4

0.25

0.35

<0.40

<0.60

<0.03

<0.01

2.0

3.0

5.0

6.0

0.3

0.5

800∼850

1050∼1100

600∼650

235>

50<

다이캐스팅, 동압출다이스

콘테이너 리브

STF 4

0.5

0.6

>0.35

0.60

1.00

<0.03

<0.01

1.3

2.0

0.7

1.0

0.2

0.5

0.2

0.5

<0.2

760∼810

820∼880

400∼650

241>

다이볼록, 열간보조다이스

열간단조형

(3) 탄소공구강(HIGH CARBON TOOL STEEL)

STC3

1.0

1.1

<0.35

0.5 이하

<0.03

<0.02

750∼780

760∼820

150∼200

217>

63<

목공용구, 게이지, 태엽

프레스형 립부

STC 4

0.9

1.0

<0.35

0.5 이하

<0.03

<0.02

750∼780

760∼820

150∼200

207>

61<

목공드릴, 펜촉, 프레스

다가네, 스크랩바

STC 5

0.8

0.9

>0.35

0.5 이하

<0.03

<0.02

730∼760

760∼820

150∼200

201>

59<

톱날, 먼지, 철인, 프레스

(4) 고속도공구강(HIGH SPEED TOOL STEEL)

SKH51

0.8

0.9

<0.4

<0.03

3.8

4.5

5.5

6.7

1.6

2.2

800∼880

1200∼1250

540∼570

255>

62<

절삭공구, 드릴, 밀링컷

탭, 호프

SKH55

0.80

0.90

<0.4

<0.03

3.8

4.5

4.8

6.2

5.5

6.7

1.7

2.2

4.5

5.5

800∼880

1220∼1260

530∼570

277>

63<

고속, 중절삭공구, 엔드리

(5) 구조용 합금강 및 탄소강(ALLOY STRUCTURAL STEEL AND CARBON STEEL)-HB조질 경도임.

SCM 440	0.38 0.43	0.15 0.35	0.6 0.85	<0.03	<0.03		0.9 1.2	0.1 0.3	810∼850	830∼880	550∼630	285∼ 352	고장력축, 고압강판, 강력볼트, 샤후트
SCM 415	0.13 0.18	0.15 0.35	0.6 0.85	<0.03	<0.03		0.9 1.2	0.15 0.3	850∼900	850∼900 780∼830	150∼200	235∼ 321	축류, 기어, 핀
SNCM 240	0.38 0.43	0.15 0.35	0.7 1.0	<0.03	<0.03	0.4 0.7	0.4 0.65	0.15 0.3		820∼870	580∼680	255∼ 311	고장력, 강력볼트, 핀, 강력기어
SNCM 439	0.36 0.43	0.15 0.35	0.6 0.9	<0.03	<0.03	1.6 2.0	0.6 1.0	0.15 0.3		820∼870	580∼680	293∼ 352	고장력축, 강력볼트, 핀, 강력기어
SNCM 420	0.17 0.23	0.15 0.35	0.4 0.9	<0.03	<0.03	1.6 2.0	0.4 0.65	0.15 0.3		850∼900 770∼820	150∼200	293∼ 375	축류, 치차핀, 빗트, 스리
SNCM 45C	0.42 0.48	0.15 0.35	0.6 0.9	<0.03	<0.03				810	820∼870	550∼650	201∼ 269	볼트, 너트, 크랭크축, 핀 체인
SNCM 55C	0.52 0.58	0.55 0.25	0.6 0.9	<0.03	<0.03				810	820∼870	550∼650	229∼ 285	톱, 레바, 로드스프링, 고장력

12. 담금질, 조질처리의 특징 일람표

내마모성 요구 HRC50이상 강인성 요구 HRC50이하 고주파 담금질품 : 소재 조질처리 변형을 최소로 할 때 : 가공후 풀림처리 HRC30이상이면 후가공이 어렵다 SCM440 황삭가공후 열처리(생략하면 잘 깨짐)

SM45C, SM50C

STC3, STC5

SCM435, SCM440

일반기계부품

SCM435 정도의 높은 항장력, 충격값이 필요치 않을 때

탄소 공구강으로 저급공구, 질량 효과가 커서 소형 얇은 제품 적용 중·대형은 수냉하므로 단순형상 가능

SM45C보다 높은 항장력과 충격값을 필요로하는 일반기계부품 SM45C에서는 질량효과가 크기 때문에 경도를 얻을 수 없을 때 이 강을 사용하는 경우가 있다.

조

질

처

리

일반기계 부품으로서 항장력, 충격값, 피로 강도를 필요로 하는것.

축, 핀, 이음, 레버, 너트, 와셔

HRC20∼28

(Hs34∼41)

HRC25∼30

(Hs38∼42)

조질후 기능부 고주파 SM45C, SCM440보다 높은 경도 내마모성이 필요시

HRC28∼35

(Hs41∼48)

높은 인장강도, 내피로도

강력볼트, 너트, 핀, 스크류, 축

HRC24∼31

(Hs37∼43)

항장력이 필요하고, 수냉 다금질 가능한 부분

절

삭

가

공

후

담

금

질

뜨

임

을

하

는

부

품

담

금

질

뜨임

항장력, 내마모성이 상기 보다도 필요하고 충격값은 상기보다 적어도 되는 부품

핀, 축이음, 기어 죠, 클러치

HRC30∼36

(Hs42∼49)

S55C보다 낮은 항장력, 내마모성의 부품

일반볼트, 너트, 핀, 체인부품, 기타 구조용 부품

공구류 HRC60이상

스프링류 HRC40∼50

금형부품 HRC50∼60

와사류 HRC40∼45

HRC36∼42

(Hs49∼56)

SM55C보다 높은 충격값이 필요

HRC42∼48

(Hs56∼64)

SM55C정도의 충격값으로 되는것

표

면

경

화

에

의

한

부

품

화

염

에

의

한

부

분

경

화

내마모성이 필요하고 고주파 담금질이 곤란한 것, 갱산 수량이 적어 고주파가 비경제적인 것.

소

재

HRC20∼28(조질처리)

(Hs34∼41)

HRC15∼20 비조질

HRC29∼36

(Hs41∼48)

담

금

질

부

HRC40∼47 뜨임할 것

(Hs54∼63) 일반부품

HRC50∼55

소형부품, 날끝, 드라이버

HRC50∼57

(Hs67∼76)

SM45C보다 높은 충격값을 필요로 하는 것.

HRC45∼52 특히 내마모성

(Hs60∼69)인것, 뜨임할것

HRC55 이상

높은 내마모성, 송곳

고

주

파

담

금

질

내마모성, 항장력, 피로 강도를 필요로하는 부품 축, 핀, 셔터축, 캠, 기어

소

재

HRC20∼28(조질처리)

(Hs34∼41)

HRC55∼60

금형부품, 내마모용 부품

HRC29∼36

(Hs41∼48)

담

금

질

부

HRC50∼57

(Hs67∼76) 일반부품

표면 고주파 담금질하면 HRC65까지 가능하므로

내마모성이 좋다

HRC50∼57

(Hs67∼76)

SM45C보다 높은 충격값을 필요로 하는 것.

HRC52∼60 특히 내마모성

경화층 깊이

㎜

일반부품 1∼2㎜, 특히 마모를 예상하는 설계일 때 2∼4㎜, 중주파, 담금질, 저주파는 4∼7㎜

침

탄

담

금

질

표면 내마모성, 강도, 내압력성, 내부에 강인성, 내충격성을 요구하는 부품 기어, 축, 핀 또는 고주파 담금질 부품과 같은 목적이나 고주파 담금질이 곤란한 부품

얇은 부시, 와셔

SCM415

SCM420

SNC815

기어, 축, 핀, 부시, 와셔등의 일반부품

주로 공작기계 자동차기어 부품에 많이 활용

SCM415보다 더 강도를 필요로 할 때

SCM420보다 더 강도를 필요로 할 때

가급적이면 이 재료는 사용하지 말 것, 내부경도 증가

스파이럴 베벨에는 이것을 사용할 것, 인성증가

항장력, 충격값, 열처리효과는 SCM415 < SCM420 < SNC815

소

재

축

HRC 21이상

HRC 25이상

HRC 29이상

기

어

HRC 23이상

HRC 27이상

HRC 31이상

표면

HRC 55∼60 또는 HRC 58∼63 (Hs75∼85)

경화층 깊이

㎜

얇은제품, 소형제품

모듈 4미만의 기어 0.2∼0.5

일반부품

모듈 4이상 7미만의 기어0.5∼0.8

좌측이상의 것, 대형 0.8∼1.2 또는 1㎜이상

13. 표면경화 처리의 특징 일람표

항목	고주파 담금질	화염 담금질	침탄 담금질	연 질 화		경 질 화
적 용 재 료	0.4∼0.6%C 탄소강 SCM440 SK, 주강, 단조강	0.4∼0.6%C 탄소강 HMDI	0.23%C이하 탄소강 S09CK, S15CK SCM415, SCM420 SNCM220, 침탄강재	① 저·중·탄소강	② 탄소강, 합금강, 스테인 리스강, 주강	SACM645(SACM1) 질화를 위해서는 Al, Cr의 함유가 조건
표 면 경 화 처 리 법	고주파 유도 전류에 의해서 강재의 표면을 급열, 급냉하여 표면경화 시키는 것을 말하며, 내부는 강인하고 표면은 내마모성을 요구하는 기계부품에 많이 활용된다.	산소, 아세칠렌을 사용하여 강재의 급열, 급냉하여 경화시키는 방법으로 형상이 복잡하거나 두꺼운 경화층 깊이를 원할 때 사용하나, 특수한 경우가 아니고는 최근에 잘 활용하지 않고 있다.	저탄소강재의 표면에 고온가열로써 탄소를 침투시켜 냉각하여 표면경도를 높이는 것을 말하며, 고체침탄, 액체, 가스침탄법등이 있으며, 내마모성, 내충격성, 강인성을 요구하는 기계부품에 활용되고 있다. 최근 가스침탄법을 많이 활용하고 있는데, 이는 침탄분위기, 침탄층관리가 보다 쉽기 때문이다.	① 터프트라이드(염욕연질화) 염욕질화법 NaCNO 또는 칼리계의 욕으로 발생기의 질소에 의하여 질화처리온도 500∼600℃, 처리시간 2Hr로 0.015∼0.02의 경화층을 얻을 수 있다. ② 서설프(염욕연질화) 터프트라이드와 거의 비슷하며, 유황이 첨가 침투된다. 모든 강종에 처리할 수 있다. ③ 가스연질화 NH3, Co2등 가스를 사용하여 연질화하며, 침투된 화합물층은 염욕연질화와 거의 같다.		500∼600℃에서 암모니아 가스를 통과시키면 분해된 N이 물건의 표면에 흡수되어 고경화층을 얻을 수 있다. 경화깊이 100h 0.7㎜, 50h 0.5㎜이다
경 화 층	주파수에 따라 고주파는 보통 1∼2㎜, 중주파는 3∼5㎜ 그보다 깊은 경화층은 저주파를 사용한다. 구멍의 내부, 단면의 내부는 곤란하며, 재질에 따라 경화층 깊이를 측정하는 기준이 다르다. 화염 담금질은 경화층을 제어할 수 없다.		물건의 형상에 관계없이 같은 두께의 경화층을 얻을 수 있다. 경화할 필요가 없는 곳은 침탄 방지한다. 사용로에 따라 0.1∼수㎜까지 침탄경화층이 가능하다.	강도를 요구하는 제품은 조질처리 후 연질화 한다. 내식, 내마모성, 내피로성이 뛰어난 화합물층을 얻는다. 화합물층은 10∼30μ 범위 30이 넘으면 표면백층이 박리될 위험이 있다.		0.5∼0.7㎜정도까지 가능하며, 조질한 제품은 증가할 수 있다. 표면층은 박리의 위험이 있으므로 0.1㎜정도 연마하면 좋다. 경화층은 질소 흡수로 0.02∼0.03% 팽창
생 산 성	국부경화 가능 열처리 시간 수초 자동화 가능, 대량 생산에 적합	국부경화 가능 열처리 시간 수분 장치간단 온도제어 곤란	물건 전체의 열처리,가열시간이 길다. 공업규격에는 2단 단금질로 되어 있으나, 실정은 1단 단금질	경제적이고 열처리 시간이 비교적 짧다. 약 4시간 공해가 없다.		물건 전체의 열처리 시간이 매우 길다 약 6일
경 도	HRC 40∼55	HRC 40∼55	HRC 50∼65	HV400이상		HV900이상
변 형	담금질보다 小	담금질보다 小	고주파보다 大	극히 小		극히 小
처리비	대량생산 小, 기타 中	염가	고가	中		아주 고가
경화층 ㎜	0.8∼7 4이상은 합금강	1∼12 4이상은 합금강	가스침탄 0.1∼5.0㎜/m	0.015∼0.02 (전용강의 0.1∼0.2)		0.1∼0.6 0.4이상은 비경제적
특 징	간단한 형상은 대량 생산 전기조작 자동화 비교적 안정된 경화 국부 경화기능	크기, 형태에 관계없음 국부 담금질 가능 설비비 염가 가열온도 제어 곤란	탄소 농도의 조정이 가스는 용이 침탄균일, 침탄깊이의 제어 용이 작업환경이 청결	충격이 약하다. 가스질화에 비해 단시간 처리 처리재료에 제한이 없다. 내식, 내마모성이 좋다.		내마모, 내식성 뛰어남 질화후의 처리 불필요. 변형과 담금질 균열 없음.
용 도	체인휠, 핀, 기어류, 축류	크랭크 샤프트, 캠, 샤프트	축, 핀, 캠, 롤러, 체인, 부시, 기어	캠, 샤프트 등 자동차부품		디젤분사 노즐, 블록게이지

14. 열처리 용어 해설

用語	對應語	意味
熱處理	Heat Treatment	철강에 소요의 성질을 부여하기 위하여 행하는 가열과 냉각을 조합하여 철강의 강도를 여러 가지 요구 성질에 맞도록 하는 조작
燒鈍	Annealing 풀 림	철강을 적당한 온도로 가열하고 그 온도에서 유지한 후 서냉하는 조작. 그 목적은 내부응력의 제거, 경도저하, 피삭성의 향상, 냉간가공성의 개선 결정립의 조정, 소요의 기계적, 물리적 또는 기타의 성질을 얻는 것이다.
燒準	Normalizing 불 림	철강의 前加工의 영향을 제거하고 결정립을 미세화하여 기계적성질을 개선하기 위하여 AC₃점 또는 A㎝점 이상의 적당한 온도로 가열한 후 통상은 공기줄에서 냉각하는 조작
燒入	Quenching 담금질	「오스테나이트(Austenite)」化 온도에서 급냉하여 경화하는 조작 또는 급속하게 냉각하는 조작을 말할 때도 있다.
燒戾	Tempering 뜨 임	燒入하여 생긴 조직을 변태 또는 석출을 진행시켜 안정한 조직에 가깝게 하고 소요의 성질 및 상태를 부여하기 위하여 AC₁점 이하의 적당한 온도로 가열 냉각하는 조작 燒俊뒤에 이용하는 일도 있다.
「오스테나이트」	Austenite	γ철의 고용체에 붙여진 조직상의 명칭으로 고온에서 안정한 조직이며 탄소강에서는 가장 소입효과를 얻었을 때 나타나는 조직이다. 보통 탄소강에서는 여하히 소입하여도 이 조직을 얻을수 없다. 그러나 특수강에서는 그렇게 급냉시키지 않아도 이 조직을 얻을 수 없다. 그러나 특수강에서는 그렇게 급냉시키지 않아도 이 조직을 얻을 수 있다. 가열하면 용이하게 Martensite로 된다.
「마르텐사이트」	Martensite	Austenite를 급냉한 경우에 Ms점 이하의 온도에서 변태하여 생긴 침상조직 원래의 Austenite와 동일한 화학조성을 가진 체심 정방정 또는 체심 입방정의 고용체 Martensite는 Austenite의 소성변형에 의하여 생긴 것도 있다.
「베이나이트」	Bainite	Austenite의 냉각변태 생성물의 하나로 Pearlite 생성온도와 Martensite생성온도(Ms점)와의 중간의 온도 범위에서 생긴 것. 현미경적으로는 Pearlite 생성온도 가까이에서 생긴 것은 羽毛狀, Martensite 생성온도 가까이서 생긴 것은 針狀을 나타내는 일이 많다. 전자를 上部 Bainite, 후자를 下部 Bainite라 한다.
「트루스타이트」	Troostite	Martensite을 燒戾 했을 때 생긴 조직으로 광학현미경으로 식별할 수 없을 만큼 미세한 Ferrite와 탄화물로 되어 있다. 극히 부식되기 쉬운 조직이다.
「소르바이트」	Sorbite	Martensite을 약간 고온도로 燒戾하여 탄화물이 粒狀으로 석출 성장한 Ferrite와 탄화물의 혼합조직, 이 경우의 탄화물은 약 400배의 광학현미경으로 알아볼 수 있다.
「퍼얼라이트」	Pearlite	Austenite 조직이 냉각될 때 An변태를 일으켜서 생긴 Ferrite와 Cementite의 층상조직 냉각속도의 大·小에 의하여 중간거리가 달라진다. 광학 현미경으로 식별하기 곤란할 정도로 밀접한 경우를 미세 Pearlite(Fine Pearlite)라 한다.
「훼라이트」	Ferrite	철 고용체 및 철 고용체에 붙여진 조직상의 명칭 철의 고용체를 Ferrite라 한다.
「세멘타이트」	Cementite	철과 탄소의 화합물, 화학식은 근사적으로 Fe₃C로 표시된다.
조직의 경도순위 Cementite → Martensite → Troostite → Sorbite → Pearlite → Austenite → Ferrite ← 경도높다 경도낮다 →
고용화열처리	Solution Treatment 용체화 처리	강의 합금성분을 고용체로 용해하는 온도이상으로 가열하여 충분한 시간 유지하여 급냉하여 그 석출을 저지하는 조작.

15. 열처리에 의한 금형 파손 원인

- 열처리시 소재의 표면관리 오류(침탄, 탈탄) : 40% ━━━━━┓

- Quenching처리 및 Tempering 작업 오류 : 20% ┣━ 70%

- 오스테나이트화 온도 관리 부실 : 10% ━━━━━┛

- 설계미스, 과도한 연마, 무리한 사용조건, 부적절한 강종선택 : 30%

16. 연마 작업에 의한 금형 파손 원인(냉간 공구강)

- Factor : 연마속도, 무디어진 wheel, grit크기, 냉각액

- 현상 : 표면 변색(Burning), 미세균열(에칭확인)

- 관리사항 : 연마 열화 방지, 연마 방향에 따른 Grinding Scratch

―→ 부적절한 Quenching 혹은 Tempering처리에 의해서 연마시 균열발생

(Tempering 연결시간, 높은 담금질 온도, 침탄층)

17. 熱處理事故를 줄이기 위한 設計上의 注意点

1) 精密한 設計는 熱處理社故를 防止

2) 生産性向上 뛰어난 熱處理效果

설계 → 소재 → 황삭가공 → 풀림 → 정삭가공 → 열처리 → 연마 → 완성

金型·工具의 經濟的使用

· 정밀한 설계

· 적당한 강종 선택

· 정확한 열처리

· 용도에 알맞게 사용

⊙ 부품의 표층부간의 급냉 불연속성에 의해서 냉각이 늦은

부분에 UPSET이 일어나고 이것이 PULL 스트레스가 되고, PULL 갈라짐의 원인이 된다.

부품의 내외부품의 불연속성에 의해서 냉각이 늦은 부분에 스트레치가 일어나고 이것이 PUSH 스트레스가 되고, PUSH 갈라짐의 원인이 된다.

이 PULL 혹은 PUSH 스트레스가 부품에 존재하는 NOTCH

부(접목부)에 작용해 갈라짐이 일어나는 것이다. 아무리 스

트레스가 있어도 부품에 NOTCH가 없으면 갈라짐은 발생하

지 않는다.

⊙ 소재는 금형공구 사용시 요구되는 기능에 맞는 특수강의 강

도, 인성, 내마모성등을 고려하여 선택하여야 합니다.

⊙ 설계는 열처리 사고가 많이 발생하는 부위를 유의하여 설계

해야 합니다.

⊙ 금형, 공구 가공시 열처리후 변형량을 감안하여 가공해야

합니다.

⊙ 연마 CRACK 방지를 위하여 연마방향, 특수강의 조직과 특

성을 유의하여야 합니다.

⊙ 가공(요철)이 많은 정밀금형은 각 부분마다 열처리시 문제

가 되므로 금형전체의 질량효과나 노치 영향을 감안하여 설

계해야 합니다.

18. 열처리를 외주(外注)할 때의 주의사항

강재의 열처리를 외주할 때에는 열처리된 부품에도 여러 가지 문제점이 나타나는 수가 있다. 이것을 피하기 위해서는 발주하는 측에서 다음과 같은 유의를 하는 일이 중요하다.

즉, (1)강재의 확인 (2)사용기능 (3)지금까지 사용해 온 경도 (4)사용온도 (5)열처리에 의해 기대하는 성질 등을 잘 인식하여 주문하여야만 한다.

1) 강재는 지정한 것인가?

사용재료가 틀리지 않은 재료인가를 화학성분표로서 확인하고, 할 수 있으면 불꽃시험으로 이것을 검증하는 것이 좋겠다. 틀리는 원소가 혼재되어 생기는 트러블이 의외로 많기 때문이다. 특히, 규격품의 강재라면 규격 보증 마크가 붙어 있는가, 그 강종 기호가 붙어 있는가를 확인해야 한다. 그리고 절삭가공중 재료가 섞이는 경우가 많아 불량발생이 많다. 열처리를 주문하는 측에서도, 또 청부 맡은 측에서도 대단히 중요한 포인트이다.

2) 사용목적은 어떤 것인가?

무엇에 사용할 것인가, 어떤 기능을 하는 것인가를 명시하는 것이 좋다. 인장 강도를 요하는 것에 사용할 것인가, 충격을 받는 곳에 사용할 것인가, 마모 부분에 사용할 것인가를 명시하여 두면, 열처리하는 측에서는 적절한 열처리방법을 판단하여 선택할 수가 있는 것이다.

3) 종래의 사용경도는 얼마인가?

종래 사용한 성적이 좋았던 경도를 지시하는 일은 적정한 열처리 방법을 결정하는 데에 유효한 자료가 된다. 또 그 경도를 필요로 하는 부위를 결정하는 일도 중요하다. 표면이라든가, 표면에서 몇 ㎜가 되는 곳인가 등이다. 만일 표면을 절삭할 수 없다면, 표면의 경도로부터 내부층의 경도를 추정해야만 하는데, 경도와 그 위치는 열처리에 있어 대단히 중요한 기준이 된다.

4) 사용온도는 몇 도인가?

부품의 사용온도는 열처리, 특히 템펴링온도를 결정함에 대단히 중요한 지표가 된다. 예를들면, 소정의 경도로부터 템퍼링온도가 정해져도 이 온도가 사용온도보다도 낮았다면 아무 소용이 없으며, 역으로 사용온도가 마이너스라 하면 서브제로(Subzero) 처리를 할 필요가 생겨난다. 사용온도가 확실치 않으면, 사용을 끝낸 부품의 표면경도를 측정하여 이 경도가 얻어지는 템퍼링 온도로부터 처리되어야 할 온도가 대체로 구해진다. 중요한 것은 사용환경에 맞추어 열처리 해야만 한다는 것이다. 템퍼링 온도의 고저, 내한성은 서브제로 온도의 여부에 따라 정하여 진다. 템퍼링 온도가 높을수록 내열성이 좋은 것이 되고, 서브제로 온도가 낮을수록 우수한 것이 된다. 템퍼링 온도가 높을수록 내열성이 좋은 것이 되고, 서브제로 온도가 낮을수록 우수한 것이 된다. 강도 인간과 같이 환경에 순응한 열처리가 필요한 것이다.

5) 열처리에 의해 어떤 성질을 기대하는가?

마모에 강하게하기 위해서는 경도가 높아야만 하는데, �칭한 그대로 방치해 두면, 어느 정도 경하여도 마모에 약하다. 저온 템퍼링하여 잔류응력을 제거할 필요가 있다. 또 잔류오스테나이트가 있으면, 시효 변형되기도 하고, 연마균열을 일으키기도 한다. 따라서 잔류오스테나이트의 거동을 고려하지 않으면 안된다. 잔류오스테나이트와 동시에 잔류응력의 장점이나 단점도 잊어서는 안된다. 그 이외에 템퍼링 취성은 사용상 성질의 변화를 알아서 열처리를 발주하여야만 한다.

6) 금기사항은?

열처리를 주문할 때 이것은 규격품 강재이므로 규격표대로 열처리할 것을 주문하는 사례가 많은데, 이것은 정말로 넌센스이다. 왜냐하면, 규격표대에 기재된 열처리는 규격표의 표준시편(JIS 경우 Ø18㎜에 한한 것이기 때문에 규정대로의 열처리를 시행할 때에는 부품을 그 규격으로 해야만 하기 때문이다.

이것은 질량효과 때문이다. 물론 규정된 표준시편이라고 하면 규정표대로 열처리를 해야만 한다.

19. 경도환산표

Rockwell(H_RC)

Vickers(H_v)

Brinell(H_B)

Shore(H_s)

mohs 경도

1221

1116

1022

941

780

745

712

682

106

102

}

8.5

868

804

746

653

627

601

}

8.0

694

650

606

587

578

555

534

514

}

7.5

551

534

502

474

460

495

477

461

444

429

}

7.0

435

423

401

390

380

361

415

401

388

375

363

352

}

6.5

344

334

320

311

303

292

285

341

331

321

311

302

293

285

}

6.0

278

270

261

255

249

240

235

228

222

277

269

262

256

248

241

235

229

223

}

5.5

217

213

208

201

197

192

186

183

178

174

217

212

207

201

197

192

187

183

179

174

}

5.0

171

166

162

159

155

152

149

148

143

140

138

134

131

170

167

163

159

156

152

148

146

143

140

137

134

131

}

4.0

129

127

123

121

118

116

128

126

123

121

118

116

출처 : 꿈꾸는세상은어디에

글쓴이 : 가을나그네 원글보기

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