공업로기술/ 다목적 가스(GAS) 질화로
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다목적 가스(GAS) 질화로
기계부품의 표면강화 기술을 세멘테이션에 국한하게 되면 이전에는 거의가 침탄처리로 질화는 침탄의 10%에도 미치지 못하였다.
이것은 이미 알고 있는 바와 같이 침탄(주로 가스침탄)이 질화에 비해 기술적으로 확립되어 있고, 비교적 짧은 시간으로도 깊게 경화되기 때문이다.
,br> 그러나, 최근 비틀림, 변형등이 없는 열처리가 가하게 요구되고 있어 이에 질화처리가 크게 주목 되고 있다. 질화처리하면 먼저 우리는 고가(高價)처리라는 고정관념을 갖게 된다.

그러나 실제로는 침탄에 비하여 처리온도가 낮고 템퍼링이 필요없으므로 에너지 코스트가 절반이하로 된다. 또 냉각면에서 보면 유냉에서 공냉으로 바뀌는 것이 되므로 후세정이 필요없게 되어 세정코스트도 절감된다.
결국 종래에 말하고 있던 고가처리는 아닌 것이다. 로터리엔진의 인터널기어는 질화처리처리된 것으로 이후 쇼트피이닝하여 사용한다.

또한 최근 유럽에서 판매하고 있는 벤츠 자동차가 질화처리 미션기어를 사용하고 있다는 정보도 있다. 종래의 순질화나 연질화의 테두리를 벗어나 침탄이나 침탄질화 대신 질화를 채용하고자 하는 새로운 움직임이 일고 있다.

1. 가스질화와 가스연질화
가스질화(순질화라고도 함)와 가스연질화는 전혀 다른 처리로 알고 있다.
하지만 통상 가스질화처리는 침탄처리보다 높은 강도를 필요로 하는 부품에 적용, 주로 SACM(질화강)이나 SKD(다이스강)등 고급재료에 사용하는 예가 많고 가스연질화는 주로 지급재료에 사용되고 있다.
보다 자세하게 이들 처리를 <표 1>에 비교해 놓았다.
<그림 1>은 다양한 각 처리의 위치관계를 알기쉽게 종합하여 나타낸 것이다.



2. 신형 가스 질화로
가스질화나 가스연질화기술에 대한 연구는 그다지 많이 행해지지 않았으며 당연히 이들 설비에 관해서도 마찬가지이다.
즉 이들 기술에 대한 연구는 가스침탄로에 NH₃나 NH₃에 RX가스 또는 CO₂혼합가스를 넣어 처리하는 정도에 대한 것이 고작이었다.
당사에서는 가스질화로는 화학반응장치가 아니면 안된다는 생각을 갖고 진공로의 기술과 분위기로의 기술을 융합시켜 새로운 타입의 가스질화로를 개발하게 되어 이에 대한 개요를 소개하고자 한다.

(1) 피트형로(그림2)
① 진공기밀구조
② 진공 N₂치환 후 처리 개시
③ 무인조업 가능
④ 온도분포는 ±5℃이내
⑤ MI-CONE 제어
⑥ SCR-PID 제어
⑦ 배기가스는 분해로에서 N₂와 H₂로 분해후 배기
⑧ 경시(經時)변화없이 재현성은 있는 처리가 가능
⑨ 가스양은 종래의 1/2∼1/4
⑩ 다목적 사용이 가능
⑪ NH₃냄새가 없는 무공해설비
⑫ 보수비는 종래의 1/2

(2) 뱃치형 로(그림 3)
피트형의 특징에 추가하여 뱃치형 로는 다음과 같은 특징이 있다.
① 유냉 및 3실 공냉식은 냉각 시간이 짧다.
② 온도분포는 ±3℃이내
③ 로내 교반기는 정전이나 역전시에 사용
④ 자동화, 무인화가 가능
⑤ 로내에 분해로를 내장
⑥ 로내의 압력제어 실시
⑦ 천장부에 방폭장치 설치
⑧ 레디언트 튜브 버너 가열도 가능

3. 새로운 가스질화 처리
알루미늄 다이캐스트 금형이나 압출금형 등을 질화하는 경우 화합물층이 생성되면 heat check나 고면압에 의한 박리현상 등이 발생할 수 있어 금형수명이 줄어든다.
또한 마르에이징강을 시효처리해 주거나 템퍼링을 겸한 질화처리시 화합물층이 발생되어도 나쁘므로 쇼트피닝 등을 행해 제거해 주어야 한다.
앞에서 소개했던 신형 가스질화로의 경우는 진공기밀구조로 되어 있어 진공N₂치환에 의해 로내 기밀을 완전히 질소가스로 치환하여 가스질화처리 된다.

(1) 스프링강의 질화
자동차 경량화대책의 일환으로 엔진 스피링 (코일 스프링)에 질화처리 함으로써 피로강도를 높여 스프링성을 올리려는 움직임이 일고 있으며 일부에서는 이미 실용화 단계에 이르고 있다. 이 경우 질화조건은
① 재질 : SWOSC-V
② 처리온도 : 430℃
③ 처리시간 : 120 Hr
④ 표면강도 : HV680
⑤ 내부경도 : HV460
⑥ 경화깊이 : 60μ(HV500)
⑦ 화합물층 : 2μ이하
화합물층은 크랙발생의 기점이 되므로 2μ이하로 낮춰주고 가능하면 화합물층이 없는 <그림 4>의 경도분포를 얻을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
엔진 스프링은 매우 중요한 부품이므로 반드시 처리에 대한 재현성을 얻을 수 있어야 한다.

(2) 마르에이징강의 질화
자동차 무단변속기 등에 사용되는 동력전달용 steel 벨트로서 마르에이징 강재가 사용되고 있다. 마르에이징강은 매우 높은 인장강도를 지니고 있으나 굽힘피로강도가 낮고 이로 인해 밴딩(구부러짐) 응력이 높게 부하되는 상태에서는 적용상 부적합하므로 벤당응력 향상이 필수적이다.
이에 질화처리하여 피로강도를 높이는 방식이 일부 행해지고 있다. <그림 5>는 마르에이징강의 질화처리 곡선이다.

(3) 스테인레스 질화(SUS304등)
최근들어 스테인레스강부품(밸브나 샤프트류)에 질화처리가 많이 행해지고 있다.
마르텐사이트계의 SUS420J2 등은 산듯하게 질화가 잘 되지만 오스테나이트계 SUS303 이나 SUS304는 부동태막이 강고(强固)하여 전처리를 해주어야 쉽게 질화처리를 할 수 있다.
즉, 보통은 처리전에 산세정해주거나 진공가열하여 부동태막을 제거한 후 질화처리 해준다.
최근에는 가스질화시 환원성이 매우 강한 유화수소(H₂S)를 미량 첨가하여 부동태막을 제거하므로서 SUS303이나 SUS304 등의 질화처리도 유연하게 하는 방식이 개발되었다.
특히 이 유화수소는 N₂로 희석되어 있는 것으로 만일 새어나오더라도 인체에는 해가 없다.

또한 배기가스는 드라이 흡착통을 통하므로 거의 100%제거가 가능하다.
다음은 SUS304의 질화처리 조건이다. (그림 6)
① 재질 : SUS304
② 표면강도 : HV1090(200g)
③ 내부경도 : HV420 (200g)
④ 흑색층 : 32.7∼37.5μ
⑤ 확산층 : 50μ

(4) 침유질화처리
최근 가스질화와 가스연질화처리시에 유화수소(H₂S)를 첨가하는 경우 N과 S를 별도로 제어하는 가스침유질화 기술이 개발되었다.

이 처리에 의하면 굳고 치밀한 질화 화합물(백층)이 질소 확산 경화층 위에 다시 고체윤활성을 지닌 침유층이 3∼5μ정도 형성되는 형태로 된다.
<그림 7>은 피트형 침류질화로를 사용하여 처리한 SCM435강의 열처리 곡선이며 그 때의 미세조직도를 <사진 1>에 나타내었다.

가스침류질화는 단순한 질화처리에 비해 내열응착성 및 내굽힘성, 내마모성, 내피팅성을 지니므로 심한(가혹한)상태의 사용조건에서도 그 효과를 발휘한다.
자동차 부품의 경우 침탄품에서 질화품으로의 전환은 고성능의 부품 확보에 따른 질적인 향상을 꾀할 수 있게 되었다.

더욱이 스테인레스강의 가스질화 개발로 자동차 헤드 밸브 등의 품질을 개선할 수 있게 되었으며 유화수소를 적정량 투입하므로서 질소확산경화층위에 고체윤활성이 있는 침류층을 형성, 지금까지 기대하지 못했던 특성을 얻을 수 있었다.
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