[기계안전기술사] 문제풀이 2025년 135-3-4 표면 처리법 중 금속 침투법과 금속 피막법

4. 표면 처리법 중 금속 침투법과 금속 피막법에 대하여 설명하시오

문제해설

0.개요
표면경화처리
철강 재료의 표면층을 경화하기 위하여 행하는 열처리 방법을 표면경화처리라고 하며 표면경화처리는 물리적 표면경화처리와 화학적 표면경화처리로 분류 되는데 금속 침투법(Metallic Cementation)은 화학적 표면경화 처리에 속하고 그 밖에 표면경화처리로는 증착법, 탄화물 피복법, 금속 용사법, 산화 피막법 등이 있습니다.

1. 금속침투법의 정의와 원리
금속침투법은 피복하고자 하는 금속 재료를 고온으로 가열한 삼태에서 표면에 다른 금속을 부착시키고, 확산을 통해 합금 피복층을 형성하는 방법입니다.
이 과정에서 금속의 물리적, 화학적 성질이 변화하며, 사용 환경에 적합한 내구성과 기능을 제공합니다

2. 금속침투법의 주요 목적
1) 화학적 특성 향상 : 내식성 및 내열성을 강화하여 금속의 수명을 연장합니다
2) 기계적 특성 개선 : 경도 및 내마모성을 향상시켜 금속의 내구성을 높입니다.

3. 금속침투법 종류와 특징
1) 아연 Zn 침투법
2) 알루미늄 Ai 침투법
3) 크롬 Cr 침투법
4) 규소 Si 침투법

1) 브로나이징 (Boronizing)
특징 : 붕소(B)를 철강에 침투 확산시켜 경도를 향상시킵니다
방법 : 강재 표면에 붕소를 침투시켜 붕소화 층(Hv 1500~2000)을 생성합니다.
          주로 전해 붕해법이 사용 됩니다.
효과: 고경도 및 내마모성 향상.

2) 크로마이징 (Chromizing)
특징 : 크롬(Cr)을 철강 표면에 침투시켜 내식성과 내열성을 개선합니다.
방법 : 크롬 분말 속에 재료를 묻고 1000~1400C로 가열합니다.
효과 : 크롬이 침투된 표면층은 스테인리스 강과 유사한 성질을 가지며, 내식성 및 내마모성이 우수합니다

3) 실리코나이징 (Siliconizing)
특징 : 규소(Si)를 침투 확산시켜 내열성과 내산성을 향상시킵니다.
방법: 철강을 Fe-Si-C 혼합물 속에 넣고 950~1050C로 가열합니다.
효과 : 내식성, 내마멸성, 내열성이 우수한 Fe-si 합금층 형성

4) 세라다이징 (Sherardizing)
특징 : 아연(Zn)을 침투 확산시켜 철 표면에 경화층을 생성합니다.
방법 : 아연 분말 속에 재료를 묻고 300~420C로 15시간 동안 처리하여 0.015mm 두께의 경화층을 형성합니다.
효과 : 방청 특성이 뛰어나 볼트 및 너트와 같은 소형 철강 제품에 적합합니다.

5) 칼로라이징 (Calorizing)
특징 :알루미늄(AI)을 침투시켜 내열성과 내스케일성을 향상시킵니다.
방법 : 알루미늄 분말과 염화암모늄을 혼합하여 재료와 함께 850~950C로 가열합니다.
효과 : 고온 환경에서도 안정적인 내열층을 형성합니다.

금속침투법은 다양한 산업에서 활용됩니다.
자동차, 항공, 전자, 건설 등 내식성과 내마모성이 요구되는 분야에서 특히 유용하며,
고온 및 부식 환경에 서도 뛰어난 성능을 발휘합니다.

금속침투법은 금속 표면의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 중요한 기술입니다.
내식성, 내열성, 경도, 내마모성 등 다양한 특성을 향상시킬 수 있어, 고품질 금속 제품 생산에 필수적인 공정으로 자리 잡고 있습 니다. 이 기술은 철강 산업뿐만 아니라 다양한 분야에서 중요한 역할을 하며, 앞으로도 지속적인 발전이 기대됩니다.

4. 금속 피막법
1)도금법
금속의 표면에 다른 금속을 피복시키는 처리이며,
처리 방법으로는 전기도금, 화학도금, 용융도금 등이 있음.
2) 금속용사법
분말, 선재 형태의 재료를 용융시켜 고속으로 모재에 충돌시켜 피막을 형성
① 플라즈마 용사
- 아르곤, 헬륨, 질소 등의 가스를 아크열로 초고온의 플라즈마 제트를 조성하여 고속으로 용사
- 밀착강도 우수
③ 화염 용사
- 산소와 연료에의한 화염을 이용한 금속분말 용새
- 설비가 간단하고 비용이 걸며
③ 아크 용사
- 두 개의 와이어 전국으로 아크를 발생시켜 용사
- 생산성이 높음.

산화 피막법(Oxidation Film Teating)
1. 개요
주로 고합금 공구강, 금형강 등에 이용되며 산소 분위기 중에서 산소와의 반응으로 산화철 피막을 형성하는 처리임.
철강의 산화 피막 중에서도 Fe₃O₄는 치밀하여 쉽게 탈락이 되지 않으며 마모와 부식에 강하므로 이 피막을 미리 형성시켜 놓음.
피막층은 다공질의 견고한 산화 피막 속에 기름을 흡수하여 윤활성이 향상되고 내마모성을 좋게 하여 공구 등의 기계적 성능을 향상시킴.

2. 산화 피막법 종류 및 특징
산화 피막처리는 수증기 처리법, 산화 처리법, 약품 처리법 등이 있음.

1 수증기 처리법(Steam Homo Treatment)
1) 처리방법
담금질, 뜨임 등의 열처리와 가공이 완료된 강재 부품을 증기 처리로(전기로)에 넣고 350~370℃까지 가열하여 균일한 온도가 되었을 때 증기를 가한 후 30분을 유지함.
증기를 가하면서 승온하여 550℃가 되었을 때 1~15시간 유지하여 산화 피막을 형성하는데 피막 두께는 1~3μm 정도임.

2) 특징
내식성과 윤활성이 증가함.
마찰계수를 낮추어 내마모성을 부여함.

2. 산화 처리법(Oxidation)
고속도강 등 뜨임 온도가 485℃ 이상의 공구강에 적용되는 것으로서 소재의 표면층을 제거한 후 공기 중에서 485℃ 정도로 재가열하면 표면에 다공질의 산화 피막층이 형성되어 기계적 성능을 향상시킴.

3. 약품 처리법
철의 표면에 산화 피막을 형성하기 위해 화학약품을 사용하는 방법으로 수산제일철을 가열할 때 발생되는 일산화탄소에 의해 산화 피막을 형성시킴.

탄화물 피복법(Hard Facing)
1. 개요
강의 표면에 초경 탄화물을 침투·확산 또는 부착시키는 방법으로 초경도의 표면층을 형성하여 내마모성과 내열성을 가짐.
탄화물 피복법은 처리온도가 높기 때문에 변형 발생 요인이 많지만 매우 높은 경도를 얻을 수 있으므로 다이, 펀치, 롤러 등과 같은 내마모성이 요구되는 금형 재료 및 코팅 초경공구 등에 이용됨.
탄화물 피복법의 처리방법은 용융염 중에 침지하는 침지법, 분말 중에 가열하는 분말법, 가스 반응 및 이온 등을 이용하는 증착법 등이 있음.

2. 탄화물 피복방법
1) 침지법(TD Process)
(가) 처리방법
① 처리품의 세정
– 탄화물층의 표면을 매끄럽게 하기 위해 산화 스케일이나 녹을 제거할 것.
② 예열
– 열응력 및 변태응력의 발생을 억제하여 변형과 균열을 최소로 하기 위해 일반적으로 열처리로에서 행하며 복잡한 형상의 부품이나 큰 부품에서 효과적임.
③ 침지처리
– 붕소를 주성분으로 하여 탄화물 형성원소를 첨가한 염욕에 모재를 침지시켜 담금질 온도로 가열하여 일정시간 유지하면 5-15μm 정도의 탄화물층을 얻음.
④ 열처리 담금질 경화가 필요한 경우 수냉 또는 유냉을 하며 뜨임을 하여 모재의 조직 및 경도를 조정함.
⑤ 세정 온수 중에 재침지하거나 샌드블라스트 등을 이용하여 표면에 부착된 염욕을 제거함.

(나) 특징
균일하고 양호한 표면층이 형성됨.
초경합금보다 높은 경도와 내마모성을 얻음.
염욕의 교체로 탄화물 종류를 쉽게 선택할 수 있음.
탄화물층의 박리 또는 균열 발생이 없음.
고온처리 및 담금질 경화에 의한 변형 발생의 가능성이 있음.

2) 분말법
(가) 처리방법
소결에 의해 이루어지며 0.1μm 이하의 대단히 미세한 WC 입자 속에 강을 파묻고 1,000~1,100℃의 환원성 분위기나 중성 분위기 중에 적당한 시간으로 가열한 후 서냉함.
처리입자는 WC 외에 티타늄, 몰리브덴, 크롬 등을 사용하기도 함.

3) 증착법
가스반응 및 이온 등을 이용하여 탄화물, 질화물 등의 코팅층을 얻을 수 있는 피복방법으로서 P.V.D와 C.V.D로 대별됨.

금형 재료의 화학적 표면경화처리 중 탄화물 피복법, 금속 용사법, 산화 피막법에 대한 포스트를 마치고 다음에는 그 외에 열처리에 대한 포스트를 진행할 예정입니다.