기어, 캠, 샤프트와 같은 많은 구성품은 작동 중에 심각한 표면 마모와 마모를 겪습니다. 동시에 충격 하중을 견뎌내고 파손을 방지하기에 충분한 내부 강도와 연성이 있어야 합니다. 케이스 경화는 이러한 상충되는 요구 사항을 충족하는 이상적인 특성 조합을 제공합니다.
케이스 경화란 무엇인가
표면 경화라고도 알려진 케이스 경화는 기계 부품의 내구성과 성능을 개선하기 위해 설계된 널리 사용되는 재료 가공 기술입니다. 이 공정은 금속 작업물의 바깥층을 전략적으로 수정하여 종종 "쉘"이라고 불리는 단단하고 내마모성 표면층을 형성하면서 "코어"라고 불리는 더 부드럽고 튼튼한 내부를 유지합니다.
표면 경화 공정은 일반적으로 다음 두 가지 방법 중 하나를 통해 달성됩니다.
- 열처리를 통해 금속의 결정구조를 변화시킨다
- 표면 구성에 특정 원소(탄소나 질소 등) 도입
두 방법 모두 마모에 강한 단단한 바깥 껍질과, 인성과 강도를 제공하는 부드럽고 연성 있는 중심부로 구성된 부품을 만들어냅니다.
표면 경화 방법
침탄
침탄은 저탄소강의 외층에 탄소를 도입하여 표면 경도를 높이는 널리 사용되는 표면 경화 공정입니다. 강철 구성 요소는 일반적으로 800°C에서 1050°C 사이의 고온에서 탄소가 풍부한 환경에서 가열됩니다. 주변 매체의 탄소 원자는 강철 표면으로 확산되어 고탄소 층을 형성합니다.
탄소침탄 후, 구성 요소는 담금질 및 템퍼링되어 인성과 피로 강도가 좋은 단단하고 내마모성 표면 층을 생성합니다. 케이스 깊이와 경도는 용광로 분위기의 탄소 포텐셜, 온도 및 탄소 시간 조정을 통해 제어할 수 있습니다.
질화
질화는 표면층에 질소를 도입하여 강철의 표면 특성을 향상시킵니다. 강철 부분은 암모니아 가스 또는 질소 함유 염욕과 같은 질소가 풍부한 환경에서 비교적 낮은 온도(일반적으로 480°C~620°C)에서 가열됩니다.
질소 원자는 강철 표면으로 확산되어 단단한 질화물 침전물을 형성합니다. 질화는 매우 단단하고 얇은 케이스를 생성하여 내마모성, 피로 강도 및 내식성이 뛰어납니다. 최소한의 변형을 일으키고 완성된 부품에 적용할 수 있습니다.
시안화
사이안화 공정에서 강철 부분은 약 800°C에서 950°C의 온도 범위에서 시안화물 염(예: 시안화나트륨 또는 시안화칼륨)의 용융 욕조에 담가집니다. 이 공정은 표면에 탄소와 질소를 모두 도입하여 탄질화 효과를 생성합니다.
처리 후, 부품을 담금질한 다음 헹구어 잔류 시안화물을 제거합니다. 시안화는 내마모성이 좋은 얇고 단단한 케이스를 생산하지만 독성 시안화물 염을 사용하면 환경 및 안전 문제가 발생합니다.
유도 경화
유도 경화는 전자기 유도를 사용하여 충분한 탄소 함량이 있는 강철 부품의 표면을 빠르게 가열합니다. 부품은 고주파 교류 전류를 전달하는 구리 코일 안이나 근처에 배치됩니다. 이는 작업물 표면에 와전류를 유도하여 변형 온도 이상으로 가열됩니다.
가열 직후, 부품은 일반적으로 물, 오일 또는 폴리머 용액으로 빠르게 담금질됩니다. 이로 인해 가열된 표면 층이 마르텐사이트로 변형되어 단단하고 내마모성 케이스가 됩니다. 유도 경화는 빠르고 에너지 효율적이며 부품의 특정 영역을 선택적으로 경화할 수 있습니다.
다른 방법
기타 표면 경화 방법은 다음과 같습니다.
- 침탄질화: 탄소와 질소는 기존의 탄소침탄보다 낮은 온도에서 동시에 강철 표면에 주입됩니다. 얇지만 매우 단단한 표면층을 형성합니다.
- 페라이트 질화탄소화: 질소와 탄소는 임계온도에서 철 합금 표면에 확산되어 내마모성, 내부식성 및 피로 강도를 향상시킵니다.
- 화염 경화: 직접 산소 화염은 고탄소강 부품의 특정 표면적을 빠르게 가열한 다음 담금질합니다. 대형 부품을 선택적으로 경화할 수 있습니다.
케이스 경화의 장점
표면 경화는 기계 구성품의 성능을 최적화하는 데 여러 가지 주요 이점을 제공합니다.
- 내마모성 향상: 단단한 표면층은 마모, 미끄럼 마모 및 금속 간 접촉으로 인한 손상을 최소화합니다.
- 피로 강도 향상: 케이스 내 압축 잔류응력은 피로 파괴에 대한 저항력을 향상시킵니다.
- 유지된 강인함: 튼튼하고 연성이 좋은 코어는 충격과 진동에 대한 저항성을 제공하여 취성 파괴를 방지합니다.
- 선택적 경화: 특정 영역만 표면 경화시키고 다른 영역은 처리하지 않을 수 있습니다.
- 비용 효율성 : 값비싼 전면 경화 합금 대신 저렴한 저탄소강을 대량 재료로 사용할 수 있습니다.
