질화의 기초: 담금질 없는 가스 질화와 플라즈마 질화

다른 경화 원리

침탄과 달리 질화는 상변태에 의존하지 않는다. 부품을 강의 템퍼링 온도 및 변태 온도보다 낮은 대략 500–580 °C까지 가열하고, 질소를 공급하는 환경(암모니아 가스 또는 질소 플라즈마) 속에 둔다. 질소가 확산해 들어가 강 중의 합금 원소와 미세하고 단단한 질화물을 형성한다. 이후 담금질을 하지 않으므로 변형이 최소 수준이며, 완성된 부품을 그대로 처리할 수 있다.

두 개의 영역

질화된 표면에는 뚜렷이 구분되는 두 영역이 있다.

• 화합물층("화이트 레이어") — 철 질화물로 이루어진 얇은 표면 피막으로, 두께는 일반적으로 수 µm에서 수십 µm 정도이다. 매우 단단하고, 스커핑과 부식에 강하지만 취성을 띨 수 있다. 정밀 부품이나 피로 하중을 받는 부품에서는 종종 그 두께를 제한하거나 래핑으로 제거한다.
• 확산층 — 그 아래에서는 고용된 질소와 합금 질화물 석출물이 경도를 심부 수준까지 점진적으로 높인다. 전체 경화 깊이는 일반적으로 약 0.2–0.7 mm로 침탄 케이스보다 훨씬 얕다. 온도가 낮아 확산이 느리고, 사이클 자체도 이미 수십 시간씩 소요되기 때문이다.

표면 경도는 강에 크게 의존한다. 알루미늄과 크롬을 함유한 강종은 대략 1000 HV를 초과할 수 있는 반면, 일반 탄소강은 질화물 형성 원소가 부족하여 표면 보호 정도의 효과밖에 얻지 못한다.

질화에 잘 맞는 강

질화강은 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 바나듐으로 의도적으로 합금 첨가된다.

• 1.8550 (31CrMoV9) — 대표적인 전용 질화강으로, 미리 경화된 상태로 공급된다.
• 4140 / 42CrMo4 — 적당한 케이스 경도로 충분한 샤프트와 기어에 널리 질화된다.
• H13 (1.2344) — 열간 공구강 금형은 다이캐스팅 사용 중 소착(soldering)과 히트 체킹에 견디기 위해 일상적으로 질화(또는 질화침탄)된다.
• 스테인리스강과 마레이징강에는 내식성이나 시효 조직을 해치지 않기 위한 자체적인 저온 변형 공정이 있다.

중요한 공정 규칙

1. 먼저 예비 경화한다. 심부는 질화 전에 담금질과 템퍼링을 거치며, 최종 템퍼링 온도는 질화 온도보다 충분히 높아야 한다. 그렇지 않으면 질화 사이클 자체가 심부를 과도하게 템퍼링하게 된다.
2. 황삭 가공 후 응력을 제거한다. 그래야 질화 사이클에 두 가지 일을 동시에 맡기지 않게 된다.
3. 가스 대 플라즈마. 가스 질화는 경제적인 배치(batch) 표준이다. 플라즈마(이온) 질화는 화이트 레이어를 더 잘 제어할 수 있고, 스테인리스 강종에도 더 쉽게 적용되며, 기계적으로 부위를 마스킹할 수도 있지만 설비 비용이 더 높다.
4. 담금질이 없으면 구제도 없다. 표면 결함, 탈탄, 또는 연한 심부는 투입된 상태 그대로 결과에 남는다. 준비 품질이 결과를 결정한다.

질화와 침탄의 비교

두 표면 경화 공정은 경쟁 관계가 아니라 상호 보완 관계이다. 침탄은 더 깊은 케이스(일반적으로 0.5–2 mm급), 더 높은 하중 용량, 대량 생산 기어에서의 더 낮은 단위 비용을 제공하지만, 담금질이 필요하고 그에 따른 변형과 마무리 연삭이 뒤따른다. 질화는 케이스가 더 얕고 접촉 하중 한계가 더 낮지만, 부품을 처리 전에 마무리 가공할 수 있고, 치수 안정성을 유지한 상태로 나오며, 내식성과 스커핑 거동이 더 우수하다. 결정 요인은 대개 필요한 유효 경화 깊이, 변형 허용 범위, 그리고 해당 강이 질화가 의존하는 질화물 형성 원소를 함유하고 있는지 여부이다.