질화란 무엇입니까?

질화의 기초

질화는 금속 표면에 질소를 확산시켜 케이스 경화 표면을 생성하는 열처리 공정입니다. 추가된 질소는 코어의 야금학적 특성에 큰 영향을 미치지 않으면서 경도와 내마모성을 증가시킵니다. 질화하는 동안 금속은 질소가 풍부한 분위기에서 500-550°C로 가열됩니다. 질소는 최대 0.5mm 깊이의 표면으로 확산되고 알루미늄, 바나듐 및 크롬과 같은 합금 원소와 반응하여 단단한 질화물을 형성합니다. 이 질화물은 표면 경도를 최대 1300HV까지 증가시켜 내마모성과 내식성을 향상시킵니다.

질화의 목적

질화는 다음과 같은 몇 가지 주요 목적을 위해 금속의 표면 특성을 개선하는 데 사용됩니다.

표면 경도 증가

질화의 주요 목적은 금속의 표면 경도를 높이는 것입니다. 추가된 질소는 합금 원소와 반응하여 단단한 질화물 화합물을 형성합니다. 이 확산층은 경도를 최대 1300HV까지 증가시켜 내마모성과 부하 용량을 향상시킵니다.

피로 강도 향상

질화에 의해 생성된 강화 케이스 깊이는 기어 및 샤프트와 같은 구성 요소의 피로 강도를 향상시킵니다. 질화 케이스에 형성된 압축 응력은 균열 시작 및 전파에 대한 저항성을 증가시킵니다.

내식성 강화

질화는 두 가지 방식으로 내식성을 향상시킵니다. 첫째, 질화물 화합물은 매우 안정적이고 불활성입니다. 둘째, 질화에 의해 생성된 층 깊이는 표면층이 마모되어도 코어 재료가 영향을 받지 않도록 합니다.

최소 왜곡

담금질 경화 방법과 달리 질화는 부품을 빠르게 냉각할 필요가 없습니다. 결과적으로 질화는 변형이나 잔류 응력이 거의 발생하지 않아 고정밀 부품에 적합합니다. 질화로 인한 치수 변화는 무시할 수 있습니다.

질화의 종류

산업에서 사용되는 질화 공정에는 몇 가지 주요 방법과 변형이 있습니다.

• 가스 질화– 가스 질화에서 질소원은 질소와 수소로 해리된 암모니아 가스에서 나옵니다. 암모니아 가스는 순수한 질소 가스보다 저렴합니다. 구성 요소는 암모니아 흐름이 제어되는 밀폐된 레토르트에서 500-590°C로 가열됩니다.
• 플라즈마 질화- 플라즈마 질화는 고전압 전원 공급 장치에서 생성된 플라즈마 방전을 사용하여 활성화된 질소 이온을 생성합니다. 이것은 350-590°C의 낮은 온도에서 더 빠른 확산을 가능하게 합니다. 플라즈마 질화는 케이스 깊이를 정밀하게 제어합니다.
• 염욕 질화- 염욕 질화에서 질소원은 NaCN과 같은 시안화물 염의 해리에서 나옵니다. 부품은 580-590°C로 유지되는 용융 시안화물 염욕에 잠겨 있습니다. 염욕 질화는 최대 1500 HV의 매우 높은 경도를 달성할 수 있습니다.
• 유동층 질화- 유동층 질화는 가스 흐름에 의해 유동화된 알루미나 분말 층에서 암모니아 가스의 해리를 포함합니다. 이 방법은 처리 중에 우수한 온도 균일성을 제공합니다.
• 기타 변형- 다른 변형에는 탄질화물을 형성하기 위해 탄소를 첨가하는 연질화, 흑색 산화물 층을 형성하기 위한 후산화, 및 350-380°C 사이의 저온 질화가 포함됩니다. 플라즈마 연질화와 같은 하이브리드 공정도 사용됩니다.

질화에 적합한 재료

질화는 다양한 철 및 비철 합금에 적용할 수 있습니다.

저탄소강

탄소가 0.25% 미만인 저합금강은 일반적으로 표면 경도와 내마모성을 높이기 위해 질화됩니다. 낮은 탄소 함량은 불안정한 질화철의 형성을 감소시킵니다. 인기 있는 예로는 1018, 4140 및 4340 강이 있습니다.

공구강

H13, P20 및 D2를 포함한 공구강은 높은 담금질성과 합금 함량으로 인해 질화에 이상적입니다. 질화는 열간 또는 냉간 가공용 툴링의 경도, 강도 및 수명을 증가시킵니다.

스테인리스 강

410, 416, 420 및 17-4PH와 같은 마르텐사이트 및 석출 경화 스테인리스강은 효과적으로 질화되어 내마모성과 내식성을 향상시킬 수 있습니다. 1000-1400 HV의 표면 경도를 얻을 수 있습니다.

알루미늄 합금

규소와 마그네슘을 포함하는 특정 알루미늄 합금은 연질화라는 공정을 통해 질화될 수 있습니다. 이것은 질소와 탄소를 동시에 합금으로 확산시킵니다.

티타늄 합금

Ti-6Al-4V를 포함한 티타늄 합금은 플라즈마 방법을 통해 질화할 수 있습니다. 이는 코어 연성 및 파괴 인성에 영향을 미치지 않으면서 고경도 보호 표면층을 생성합니다.

기타 합금

니켈 기반 초합금, 공구강 및 코발트 합금과 같은 다른 재료도 질화할 수 있습니다. 질화물을 안정화시키기에 충분한 합금 첨가물이 있는 철 및 비철 합금 모두 이점을 얻을 수 있습니다.

질화를 위한 장비 및 소모품

질화 공정은 특수 용광로, 가스 공급 및 온도 모니터링 장비를 활용합니다.

• 질화로
  • 최대 1000°F(590°C)의 가스 및 플라즈마 질화를 위한 기밀 레토르트 및 단열재가 있는 상자 또는 캐비닛 스타일 용광로.
  • 약 1100°F(590°C)의 염욕 질화를 위한 용융 염욕 용광로.
  • 유동층 질화를 위한 다공성 세라믹 매질을 포함하는 유동층 용광로.
• 질소 가스
  • 가스 질화의 소스로 사용되는 고순도 질소 가스.
  • 가스 질화를 위해 질소와 수소로 해리되는 암모니아 가스.
• Power Supplies
  • 플라즈마 질화를 위해 최대 1000V의 DC 전원 공급 장치와 10,000암페어 이상의 정격 전류.
• 온도 모니터링
  • 용광로 온도 균일성을 모니터링하기 위한 열전대.
  • 구성 요소의 표면 온도를 측정하는 고온계.
• 소모품
  • 염욕 질화용 시안화물 염.
  • 유동층 질화용 알루미나 분말.
  • 급냉 오일, 세정액, 공구, 고정구 등

반복 가능한 케이스 깊이와 특성을 달성하기 위해 질화 대기, 온도 및 기간을 제어하려면 적절한 장비가 필수적입니다.

질화 공정

일반적인 질화 공정의 주요 단계는 다음과 같습니다.

1. 청소관련
   1. 탈지, 알칼리성 세척 또는 산 세척을 통해 구성 요소 표면에서 먼지, 오일, 그리스, 산화물 및 기타 오염 물질을 제거하십시오.
2. 로딩중
   1. 오염을 방지하고 적절한 노출을 보장하기 위해 부품을 고정구 또는 바스켓에 조심스럽게 로드합니다.
3. 가열 및 유지
   1. 400-800°F/hr(220-440°C/hr)의 속도로 가열하여 질화 온도에 도달합니다.
   2. 공작물이 열 평형에 도달할 수 있도록 질화 온도를 유지하십시오.
4. 질화
   1. 케이스 깊이를 달성하는 데 필요한 시간 동안 질화 온도에서 질소가 풍부한 환경에 공작물을 노출시킵니다.
   2. 암모니아 가스는 질소와 수소로 분해됩니다. 플라즈마는 질소 이온을 생성합니다. 시안화물 염은 질소를 방출합니다.
5. 담금질
   1. 질화 구조를 보존하기 위해 오일과 같은 급속 냉각. 일부 프로세스에는 필요하지 않습니다.
6. 하역 및 청소
   1. 공작물을 내리고 세척하여 담금질 오일이나 염류의 잔류물을 제거하십시오.
   2. 그라인딩 또는 폴리싱과 같은 후처리를 적용합니다.

원하는 케이스 깊이를 얻고 왜곡을 최소화하며 질화물 상 형성을 보장하려면 신중한 공정 제어가 필요합니다.

질화의 산업적 응용

기계 부품에서 질화의 일반적인 산업 용도는 다음과 같습니다.

기어

질화 합금강 기어는 표면 경도와 피로 강도가 더 높습니다. 변속기 기어, 캠 기어, 링 기어 등에 사용됩니다.

베어링스

베어링 레이스, 롤링 요소 및 베어링 표면의 질화는 반복 하중 하에서 내마모성과 내구성을 향상시킵니다.

크랭크 샤프트

질화는 크랭크샤프트 필렛과 저널의 피로 강도를 증가시킵니다. 자동차 및 해양 엔진에 사용됩니다.

피스톤

질화 주조 알루미늄 피스톤은 실린더 벽에 대한 긁힘 저항성과 점착성 내마모성을 증가시킵니다.

밸브

밸브 면과 스템을 질화 처리한 내연 기관의 흡기 및 배기 밸브 마모 개선.

절단 도구

질화 처리된 코팅된 고속도강 및 초경 절삭 공구는 금속 제거율과 수명이 더 좋습니다.

다이 및 몰드

주조, 단조 및 스탬핑을 위한 질화 공구강 몰드 및 다이는 향상된 내구성과 성능을 보여줍니다.

기타 용도

압력 용기, 샤프트, 실린더, 캠, 패스너, 액추에이터 및 유체 동력 구성 요소에서 일반적입니다.

표면 경도, 내마모성, 피로 강도 및 내식성의 증가로 질화는 중요한 기계 부품에 이상적입니다.

보석 및 액세서리의 질화

산업적 용도보다 덜 일반적이지만 질화는 보석 및 패션 액세서리에 일부 틈새 응용 분야가 있습니다.

개선 된 표면 마감

질화는 반지, 팔찌 및 시계 케이스와 같은 보석류 금속 부품에 매끄럽고 균일한 표면 마감을 제공할 수 있습니다. 이는 XNUMX차 연마의 필요성을 줄여줍니다.

향상된 내식성

질화층은 반지, 팔찌, 체인 및 금속 시계줄과 같이 습기에 노출된 장신구의 내식성을 향상시킵니다.

장식용 블랙 코팅

스테인레스 스틸 또는 티타늄을 질화하여 식각된 표면을 선택적으로 흑화하면 장신구에 장식 패턴과 악센트를 제공할 수 있습니다.

경화 표면

표면 경화를 통해 남성용 반지 및 금속 시계 밴드와 같은 사용 빈도가 높은 보석 품목의 내마모성을 향상시킵니다.

비용 절감

특정 금속에서 질화는 더 낮은 비용으로 도금 또는 PVD 코팅에 비해 성능상의 이점을 제공할 수 있습니다.

고객 인식

일부 고급 브랜드는 기술 및 표면 마감의 인지된 이점을 위해 질화 처리를 사용합니다.

제조 산업만큼 널리 보급되지는 않았지만 질화는 일부 보석 응용 분야에 기능적 및 미적 이점을 제공할 수 있습니다. 주얼리 메탈의 외관을 유지하려면 적절한 관리가 필요합니다.

다른 표면 경화 공정과의 비교

질화는 여러 면에서 다른 일반적인 표면 경화 공정과 다릅니다.

침탄

침탄은 질소가 아닌 탄소를 강철 표면으로 확산시킵니다. 더 단단하지만 덜 안정적인 마텐자이트 케이스를 생성합니다. 질화는 더 나은 내식성을 제공합니다.

질화 침탄

연질화는 질소와 탄소를 동시에 첨가합니다. 결합된 탄질화물 케이스는 단독으로 사용할 때보다 이점을 제공할 수 있습니다.

유도 경화

유도 경화는 전자기 유도를 통해 표면을 빠르게 가열하고 담금질합니다. 질화는 더 깊은 케이스 깊이와 더 적은 왜곡을 제공합니다.

화염 경화

화염 경화를 통해 산소 연료 토치는 담금질 전에 표면을 빠르게 가열합니다. 질화는 복잡한 형상을 보다 효과적으로 강화할 수 있습니다.

하드 필름 증착

PVD, CVD 및 열 스프레이 코팅과 같은 하드 필름 증착 기술은 표면에 얇은 세라믹 코팅을 증착합니다. 질화는 더 나은 접착력과 내피로성을 위해 기질 금속 자체에 질소를 확산시킵니다. 그러나 코팅은 절연 또는 고온 저항과 같은 추가 이점을 제공할 수 있습니다.