강철의 표면 경화 방법

강철 야금에서 표면경화가 의미하는 것

표면경화는 하나의 노 사이클, 합금 등급 또는 미세조직을 뜻하는 것이 아니다. ASM International은 표면경화를 철계 재료의 “표면층, 즉 경화층이 내부보다 실질적으로 더 단단해지도록” 처리하는 것으로 정의한다. 이 정의는 의도적으로 포괄적이다. 이는 특정한 생성 방법이 아니라 표면과 내부 사이의 경도 차이라는 결과를 설명한다.

이러한 구분이 중요한 이유는 강철 부품에 겉보기에는 상충하는 두 가지 특성이 요구되는 경우가 많기 때문이다. 작동 표면은 압입, 응착 마모, 연삭 마모 및 접촉 피로에 견뎌야 하는 반면, 내부는 충격을 흡수하고 급작스러운 파괴 없이 굽힘을 견뎌야 한다. 더 질긴 코어 위에 경질 표면을 형성하면 전체 단면을 균일하게 경화하는 것보다 두 요구 사항을 더욱 효과적으로 충족할 수 있다. 기어, 캠, 축, 핀 및 베어링 부품은 일반적으로 이러한 기능 분리에 의존한다.

선택한 공정에 따라 경도 차이가 형성되는 방식이 결정된다. 일부 처리는 확산을 통해 표면의 화학 조성을 변화시킨다. 다른 처리는 원래의 조성을 유지한 채 빠르고 국부적인 가열 및 냉각을 통해 표면 가까이의 영역만 변태시킨다. 그 결과 나타나는 경화층 깊이, 상, 잔류응력, 변형 및 검증 방법은 상당히 달라질 수 있다.

경화층, 코어 및 경도 구배

경화층은 경도와 미세조직이 내부와 다른 처리된 표면 영역이다. 코어는 그 영역 아래에 있는 재료를 뜻한다. “코어”가 반드시 연질 또는 미경화 상태를 의미하는 것은 아니다. 저탄소 침탄강은 담금질 후에도 비교적 질긴 저탄소 마르텐사이트 또는 뜨임 마르텐사이트 내부를 유지할 수 있으며, 질화 합금강은 질화 처리 전에 이미 강한 열처리 코어를 가질 수 있다.

경도 구배경도 구배 급격한 경계가 아니라 처리된 표면에서 영향을 받지 않은 코어를 향해 경도가 점진적으로 변하는 현상.

표면과 코어 사이에는 일반적으로 급격한 경계가 아니라 경도 구배가 존재한다. 침탄 부품은 표면 탄소 농도가 높고, 외부 가까이에는 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 및 탄화물이 존재하며, 탄소 농도가 원래 조성에 가까워질수록 경도가 감소할 수 있다. 질화 부품은 철 질화물로 이루어진 얇은 화합물층 아래에 질소 확산층이 존재하고, 그 아래에는 영향을 받지 않은 코어가 이어질 수 있다. 고주파 경화 부품은 표면의 마르텐사이트, 부분적으로 변태된 천이 영역, 그리고 그 아래의 원래 뜨임 조직을 나타낼 수 있다.

따라서 “경화층 깊이”는 명시된 측정 규칙과 연계되어야 한다. 유효 경화층 깊이는 일반적으로 정의된 프로파일을 따라 측정한, 표면에서 특정 경도 한계까지의 거리이다. 침탄 및 경화 강에 대해서는 ISO 2639:2002가 경화층 깊이를 결정하고 검증하는 방법을 제시한다. 이 표준의 적용 조건에서는 경화층 깊이의 3배 위치에서 경도가 450 HV 1 미만이어야 한다. 경도 척도, 시험 하중, 표면 준비, 측정 방향 및 측정 위치는 모두 보고되는 값에 영향을 준다.

전체 경화층 깊이는 다른 양이다. 이는 화학적 또는 구조적으로 변화된 층 전체의 두께를 뜻하며, 유효 경도 깊이에 사용되는 지점을 넘어 연장될 수 있다. 따라서 금속조직학적 검사, 미소경도 측정, 화학 분석 또는 상 식별은 동일한 부품에 대해 서로 다른 “깊이”를 산출할 수 있다. 단순히 “경화층 깊이”라고만 명시한 규격은 정의와 시험 방법을 밝히지 않는 한 불완전하다.

ISO 18203:2026은 화염, 고주파, 전자빔 및 레이저 경화로 형성된 표면경화층뿐 아니라 탄질화, 침탄 및 질화로 형성된 층의 두께 측정을 다룬다. 이는 핵심적인 점을 재확인한다. 층 두께는 어두워진 표면에 대한 시각적 묘사가 아니라 측정되는 특성이다.

표면 경도만으로는 규격을 완성할 수 없는 이유

표면 경도는 유용하지만, 그 자체만으로 사용 중 거동을 예측할 수는 없다. 얕은 층은 높은 비커스 경도값을 나타내더라도 지지 재료가 지나치게 연하면 반복적인 헤르츠 접촉 하에서 파괴될 수 있다. 반대로 측정 경도가 더 낮더라도 층이 충분히 깊고 코어의 지지가 양호하며 잔류응력 상태가 유리하다면 우수한 성능을 발휘할 수 있다.

상대 경도

경도 프로파일은 코어의 인장강도, 인성 및 선행 열처리와 함께 검토해야 한다. 표면 미세조직도 중요하다. 침탄강 및 탄질화강은 일반적으로 오스테나이트화와 담금질 후 마르텐사이트를 형성하지만, 과도한 잔류 오스테나이트, 조대한 탄화물, 산화 또는 입계 산화는 치수 안정성과 피로 성능을 변화시킬 수 있다. 질화강 및 질화탄소강에는 화합물층과 확산층이 존재할 수 있으며, 이들의 두께, 기공률, 상의 균형 및 질소 분포가 마찰, 마모 및 부식에 영향을 준다. 이러한 특성은 단일 경도값만으로 추론할 수 없다.

표면의 압축 잔류 응력은 일부 피로 균열에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. Limited evidence

잔류응력은 또 다른 별도의 규격 항목이다. 담금질은 불균일한 변태와 열수축을 통해 인장 또는 압축 응력을 발생시킬 수 있다. 확산 처리도 첨가된 원자가 격자 치수를 변화시키고 화합물층과 확산층이 서로 다른 속도로 형성되기 때문에 응력을 발생시킬 수 있다. 표면 근처의 압축 잔류응력은 균열 발생에 대한 저항을 높이는 데 기여할 수 있지만, 과도한 응력, 변형 또는 불충분한 지지는 다른 파손을 일으킬 수 있다. 응력의 부호와 크기는 처리 명칭만으로 가정하지 말고 검증된 공정을 통해 측정하거나 관리해야 한다.

변형 역시 별도의 관리 계획이 필요하다. 온도, 단면 두께, 형상, 담금질 강도, 고정구 설계, 합금 조성 및 처리 후 뜨임은 모두 치수 변화에 영향을 준다. 동일한 유효 경화층 깊이와 표면 경도를 가진 두 부품이라도 런아웃, 치형 프로파일 오차 또는 보어 팽창은 서로 다를 수 있다. 따라서 검증에는 경도 측정, 금속조직 단면 검사, 치수 검사, 잔류 오스테나이트 측정 및 잔류응력 분석이 필요할 수 있다.

열화학적 표면경화와 열적 표면경화

열화학적 표면경화는 탄소, 질소 또는 두 원소를 도입하여 표면 조성을 변화시킨다. 미국 국립표준국의 한 핸드북은 이러한 기본 분류에 침탄, 질화 및 탄질화를 포함한다. 침탄에서는 탄소가 저탄소강 내부로 확산되어 저탄소 내부 위에 고탄소 표면을 형성한다. 이후 일반적으로 부품을 오스테나이트화하고 담금질하여, 탄소가 농축된 표면에 경질 마르텐사이트가 형성되도록 한다. 탄질화에서는 탄소와 질소가 오스테나이트에 도입되며, 일반적으로 마르텐사이트 경화층이 형성된다.

질화는 다른 야금학적 경로를 따른다. 질소가 적합한 강 내부로 확산되어 합금 질화물과 철 질화물을 형성하며, 일반적으로 침탄과 같은 오스테나이트화 및 담금질 사이클을 거치지 않는다. 질화탄소에서는 임계 온도 이하의 페라이트에 탄소와 질소를 도입하여 화합물층과 그 아래의 확산층을 형성한다. 따라서 명칭이 비슷하더라도 탄질화와 구별해야 한다. 페라이트계 질화탄소 처리도 기본적으로 동일한 원리에 따라 이루어진다.

그 밖의 열화학적 방법으로는 청화, 붕소화 및 크로마이징이 있다. 확산되는 원소와 반응 생성물이 서로 다르므로, 이들의 경도 프로파일, 층 두께, 온도 한계, 변형 위험 및 부식 또는 마모 거동을 서로 무심코 대체해서는 안 된다. 마찰학 연구에서는 붕소화, 크로마이징, 침탄, 질화, 질화탄소 및 탄질화가 마모, 마찰 및 마찰부식의 변화와 관련되는 것으로 보고하지만, 그러한 변화의 방향과 크기는 강종, 상대재, 하중, 환경 및 층 구조에 따라 달라진다.

열적 표면경화는 표면에 경화 원소를 첨가하지 않는다. 화염, 고주파, 전자빔 및 레이저 경화는 기존 강의 조성을 유지한 채 국부적으로 변태 온도 이상까지 가열한 다음, 빠른 자기 담금질 또는 제어 냉각을 이용하여 마르텐사이트를 형성한다. ISO 18203:2026은 여러 열화학적 처리와 함께 이러한 방법을 다룬다. 따라서 이들 공정의 경화층은 확산으로 농축된 층이 아니라 변태된 영역이다. 다만 이 경우에도 경도 구배와 천이 영역은 형성된다.

결국 실제 공정 선택은 용어 선택이 아니라 야금학적 결정이다. 요구되는 접촉 저항, 코어 인성, 허용 변형, 목표 프로파일, 잔류응력 상태 및 검증 방법이 모두 해당 공정과 일치해야 한다. 침탄, 질화, 탄질화, 질화탄소 및 국부 열적 경화는 모두 “표면경화된” 강을 만들 수 있지만, 동일한 경화층을 만드는 것은 아니다.

탄소, 질소 및 열이 표면을 변화시키는 방식

ASM International은 표면층, 즉 경화층이 중심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 철계 재료를 처리하는 것을 표면 경화로 정의한다. 이 정의는 하나의 공정이 아니라 결과를 설명한다. 침탄 기어, 질화 축, 탄질화 핀, 유도 경화 레일은 모두 더 단단한 표면을 가질 수 있지만, 이들의 화학 조성, 상, 깊이별 분포, 응력 및 파손 양상은 서로 다르다.

열화학적 처리는 강 표면에 탄소, 질소 또는 탄소와 질소를 모두 첨가한다. 침탄은 탄소를 첨가하고, 질화는 질소를 첨가하며, 탄질화와 니트로카버라이징은 서로 다른 상 및 온도 조건에서 탄소와 질소를 첨가한다. ISO 18203:2026에서 다루는 화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화를 포함한 열적 방법은 새로운 침입형 원자를 상당한 농도로 공급하는 대신 표면을 가열하고 변태시켜 기존 조성을 변화시킨다.

확산과 농도 구배

탄소와 질소는 표면을 통해 강 내부로 들어가 농도 구배를 따라 이동한다. 원자는 철 원자 사이의 침입형 자리를 차지하며, 이동 속도는 온도, 결정 구조, 시간, 합금 조성 및 표면의 화학 퍼텐셜에 크게 좌우된다. 단순화하면 Fick의 법칙은 플럭스와 변화하는 농도 분포를 설명한다. 표면에서 중심부로 이어지는 구배가 가파를수록 초기 침투는 빠르게 진행되며, 경화층이 형성됨에 따라 구배는 점차 완만해진다.

공정 분위기는 표면 상태를 결정한다. 침탄에서는 로 분위기의 탄소 활성이 저탄소 내부 위에 고탄소 오스테나이트 표면을 형성한다. 표면이 즉시 균일한 조성을 갖게 되는 것은 아니다. 대신 탄소 농도는 일반적으로 외부 표면에서 멀어질수록 감소하며, 그 분포 형태는 온도, 탄소 포텐셜, 노출 시간 및 기체–금속 계면에서의 반응에 따라 달라진다. 처리가 예외적으로 오래 지속되거나 단면이 작은 경우가 아니라면 중심부는 본래의 탄소 함량에 가깝게 유지된다.

탄질화는 강이 오스테나이트 상태에 있을 때 탄소와 질소를 모두 도입한다. 질소는 탄소 이동, 경화능, 잔류 오스테나이트 및 합금 질화물의 석출에 영향을 줄 수 있다. 질소는 흔히 외부 표면 부근에 집중되므로, 질소의 분포는 탄소 분포보다 더 가파를 수 있다. 따라서 그 결과는 단순히 “질소가 추가된 침탄강”이 아니다.

질화와 페라이트계 니트로카버라이징은 다른 방식으로 진행된다. 이 공정들은 일반적으로 임계 온도보다 낮은 온도에서 실시되며, 이때 기지는 페라이트 상태로 유지된다. 탄소와 질소는 페라이트를 통해 확산하지만, 페라이트의 탄소 고용도는 오스테나이트보다 훨씬 낮다. 따라서 질소는 철 및 합금 원소와 쉽게 반응하여 질화물 또는 탄질화물을 생성하며, 표면에는 얇은 화합물층이 형성될 수 있다. 그 아래에는 용해된 질소, 석출물 또는 이 둘을 포함하는 확산층이 위치한다. 이 층의 깊이와 특성은 침탄 경화층의 깊이로부터 추론할 수 없다.

확산은 또한 예리한 경계가 드문 이유를 설명한다. 금속조직 단면에서는 일반적으로 “경화층”과 “중심부”를 나누는 평면이 아니라 경도와 조성이 점진적으로 변하는 양상이 나타난다. 따라서 경화층 깊이는 특정 물성 임계값을 기준으로 정한 측정값이다. ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 경화층에 적용되며, 경화층 깊이의 3배 지점에서 450 HV 1 미만이라는 경도 조건을 사용한다. ISO 18203:2026은 열경화, 탄질화, 침탄 및 질화 등 여러 방법으로 생성된 층의 두께 측정을 다룬다. 측정 방법은 처리 방법 및 규정하려는 물성에 맞아야 한다.

오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트 및 화합물층

오스테나이트는 관련 임계 온도 이상에서 안정한 철의 면심입방 구조이다. 이는 더 낮은 온도에서 안정한 철의 체심입방 구조인 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 용해할 수 있다. 이러한 차이가 탄질화와 니트로카버라이징의 핵심적인 차이를 결정한다.

침탄 또는 탄질화 중에는 강을 오스테나이트 영역까지 가열한다. 탄소 또는 탄소와 질소가 이 상으로 확산되면서 표면은 중심부와 화학적으로 달라진다. 냉각 과정에서 오스테나이트는 냉각 속도와 경화능에 따라 펄라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 산업적 표면 경화에서는 일반적으로 담금질을 사용하여 농축된 표면이 대부분 마르텐사이트로 변태하도록 한다. 마르텐사이트는 과포화되고 왜곡된 체심정방 구조이며, 그 경도는 갇힌 탄소, 격자 변형 및 높은 밀도의 변태 결함에서 비롯된다.

담금질 중 중심부도 변태할 수 있지만, 중심부의 낮은 탄소 함량으로 인해 일반적으로 마르텐사이트 경도는 더 낮고 인성은 더 높다. 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 망간과 같은 합금 원소는 변태 속도론을 변화시키고 필요한 냉각 속도에 영향을 준다. 따라서 열 사이클과 단면 크기가 제어된다면 저탄소 중심부는 인성을 유지하면서 고탄소 표면은 높은 경도를 갖게 할 수 있다.

니트로카버라이징은 저농도 탄질화 공정이 아니다. 이는 임계 온도 이하의 페라이트 영역에서 진행되므로 의도적인 오스테나이트화 단계가 없으며, 일반적으로 담금질로 생성되는 마르텐사이트 경화층도 형성되지 않는다. 표면에는 흔히 백색층이라고 부르는 철 질화물 화합물층이 질소 함유 확산층 위에 형성될 수 있다. 정확한 상은 온도, 기체 또는 염의 화학 조성, 탄소 및 질소 포텐셜, 강의 조성에 따라 달라진다. 확산층 내부에는 합금 질화물이 형성될 수 있으며, 탄질화 후에 나타나는 것과 동일한 마르텐사이트 조직을 만들지 않고도 경도를 높일 수 있다.

질화에서도 이와 유사하게 화합물층과 확산층이 형성될 수 있으며, 붕화는 철 붕화물 또는 합금 붕화물을 생성하고 크로마이징은 크롬이 풍부한 상으로 표면을 개질할 수 있다. 이러한 층은 두께, 취성, 접착력, 경도 구배 및 접촉 하중에 대한 거동이 서로 다르다. 하나의 경도값만으로는 이들을 식별할 수 없다.

열경화는 또 다른 조직을 형성한다. 유도, 화염, 레이저 또는 전자빔 가열은 선택된 표면만 오스테나이트 상태까지 가열하고, 그 아래의 강은 더 낮은 온도로 유지한다. 이후 빠른 자체 냉각 또는 외부 냉각에 의해 오스테나이트화된 영역이 마르텐사이트로 변태한다. 탄소 확산이 필요하지 않으므로 경화 깊이는 주로 가열 패턴, 열전도율, 주파수 또는 빔 매개변수, 유지 시간 및 냉각 조건에 의해 결정된다.

담금질, 뜨임 및 변태 응력

담금질은 고온에서 확산에 의해 제어되던 상태를 비평형 조직으로 고정한다. 침탄강 및 탄질화강의 표면에는 고탄소 마르텐사이트가, 중심부에는 저탄소 마르텐사이트가 존재할 수 있으며, 탄소 함량이 마르텐사이트 시작 및 종료 온도를 낮추는 경우 잔류 오스테나이트도 존재할 수 있다. 합금과 공정 제어에 따라 탄화물이 잔류하거나 석출될 수도 있다. 잔류 오스테나이트는 사용 중 또는 연삭 중에 후속 변태하여 치수 변화를 일으킬 수 있다.

냉각은 기계적으로 중립적인 과정이 아니다. 표면은 더 뜨거운 내부보다 먼저 냉각되고 수축하면서 열응력을 발생시킨다. 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태할 때 팽창하기 때문에 변태 또한 추가적인 변형을 일으킨다. 최종 잔류 응력 분포는 단면을 통과하는 온도 이력, 탄소 및 질소 구배, 마르텐사이트 분율, 형상 및 담금질 강도에 따라 달라진다. 표면의 압축 응력은 일부 피로 균열에 대한 저항성을 높이는 데 기여할 수 있지만, 과도한 변형, 담금질 균열 또는 중요한 위치에서의 인장 응력은 의도한 처리 효과를 상쇄할 수 있다.

뜨임은 담금질한 강을 오스테나이트 영역보다 낮은 온도에서 재가열하는 공정이다. 뜨임은 취성을 줄이고 담금질 응력의 일부를 완화하며, 과포화 마르텐사이트에서 탄소가 빠져나가도록 한다. 그 결과 생성되는 뜨임 마르텐사이트는 뜨임하지 않은 마르텐사이트보다 경도는 낮지만 일반적으로 더 안정적이고 손상 허용성이 높다. 뜨임은 잔류 오스테나이트를 변화시키고 탄화물을 석출시킬 수도 있다. 질화 부품 및 페라이트계 니트로카버라이징 부품은 다른 관점에서 평가해야 한다. 이들의 확산층과 화합물층은 담금질에 의해 생성되지 않으며, 처리 후 과도한 가열은 석출물을 조대화하고 층의 화학 조성을 변화시키거나 경도를 낮출 수 있다.

따라서 완성된 경화층은 화학 조성, 확산, 상 안정성, 가열, 냉각 및 응력 변화가 결합된 결과물이다. 검증 시에는 표면 경도만 보고해서는 안 된다. 측정된 경화층 깊이, 경도 분포, 미세조직, 해당되는 경우 화합물층 두께, 잔류 오스테나이트, 변형 및 잔류 응력 등을 보고해야 처리 결과가 사용 조건에 부합하는지 판단할 수 있다.

침탄: 탄소가 농축된 표면층 형성 후 경화

침탄의 원리

침탄은 저탄소강을 오스테나이트가 형성될 수 있는 온도에서 유지하는 동안 탄소가 강의 표면으로 유입되는 열화학적 처리이다. 이 처리는 저탄소의 내부 위에 고탄소 표면층을 형성하므로, 단순한 가열 작업이 아니며 그 자체로 완전한 경화 사이클을 의미하지도 않는다. 일반적으로 탄소가 농축된 층은 이후 오스테나이트화 및 급랭 처리를 거치며, 이를 통해 표면의 탄소 함량이 마르텐사이트를 형성할 수 있게 된다.

ASM International은 표면층, 즉 침탄층이 중심부보다 실질적으로 더 높은 경도를 갖도록 철계 재료를 처리하는 것을 표면경화(case hardening)라고 정의한다. 침탄은 변태 전에 표면 조성을 변화시켜 이러한 경도 차이를 만든다. 노 분위기, 염욕 또는 탄소 함유 매체의 탄소 포텐셜은 강 표면에서의 탄소 활성도보다 높게 유지된다. 그러면 탄소가 표면에서 용해된 후 내부로 확산된다. 탄소 농도는 표면으로부터 멀어질수록 감소하므로, 급격한 경계가 아니라 탄소 구배가 형성된다.

이 구배는 중요하다. 표면 근처에서는 급랭 후 고탄소 마르텐사이트가 형성될 만큼 탄소 함량이 높을 수 있다. 더 안쪽에서는 동일한 열 사이클을 겪더라도 원래의 저탄소 조성이 대체로 유지된다. 그 결과 부품은 높은 경도와 내마모성을 갖는 표면과, 더 높은 인성 및 손상 허용성을 갖는 중심부를 함께 가질 수 있다. 이러한 구성 때문에 침탄은 기어, 스플라인 축, 롤러, 부시 및 접촉 응력에 노출되는 기타 부품에 사용된다. 그러나 모든 침탄 부품이 동일한 마모, 피로, 마찰 또는 부식 거동을 나타낸다는 뜻은 아니다.

AISI 8620, AISI 4320 및 AISI 9310은 침탄 공정에서 사용되는 저탄소 합금강의 대표적인 예이다. 그러나 강종 지정만으로 침탄층 깊이, 경도 분포 또는 변형 결과가 결정되는 것은 아니다. 강의 합금 원소 함량은 경화능, 탄화물 안정성, 변태 온도, 뜨임 반응 및 치수 변화를 변화시킨다. 니켈, 크롬 및 몰리브덴은 급랭 중 중심부의 경화를 돕지만, 과도한 표면 탄소 또는 부적절한 합금 조성 균형은 잔류 오스테나이트와 탄화물 형성을 증가시킬 수 있다.

침탄 매체와 공정에는 가스 침탄, 진공 침탄 및 고체 침탄이 포함된다. 가스 침탄에서는 일반적으로 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 메탄 및 기타 탄화수소 생성물을 포함하는 분위기를 제어한다. 진공 침탄은 저압에서 탄화수소를 주입하며, 장비와 부품에 따라 가스 또는 오일 급랭을 실시한다. 고체 침탄에서는 탄소를 함유한 화합물로 부품을 둘러싼다. 역사적으로는 활성제와 함께 목탄을 사용하기도 했지만, 모니터링되는 노 분위기보다 공정 제어가 직접적이지 않다.

온도와 시간은 탄소 분포를 결정한다. 일반적으로 온도가 높을수록 확산이 빨라지지만, 결정립 성장이 증가하고 변형이 커질 수도 있다. 노출 시간이 길어지면 침탄층은 더 깊어지지만, 단순화된 조건에서는 확산 거리가 시간의 제곱근에 대략 비례하므로 그 증가 속도는 점차 느려진다. 실제 탄소 분포는 탄소 포텐셜, 합금 원소, 노의 균일성, 표면 상태, 그리고 모서리·구멍·차폐 영역에서의 경계 조건에 따라 달라진다. 따라서 지정된 “침탄층 깊이”는 그 정의와 측정 방법이 함께 제시될 때에만 의미를 갖는다.

오스테나이트화, 급랭 및 뜨임

탄소가 표면으로 유입된 후에는 일반적으로 강이 경화 사이클을 거쳐야 한다. 직접 경화 공정에서는 오스테나이트화 온도에서 침탄을 실시한 후, 해당 온도에서 부품을 직접 급랭한다. 이중 경화 또는 재오스테나이트화 공정에서는 침탄 후 부품을 냉각한 다음 다시 가열한다. 경우에 따라 먼저 중심부의 조직을 미세화한 후 표면층을 경화하기도 한다. 선택되는 사이클은 강종, 단면 크기, 요구되는 중심부 특성, 결정립 크기 제어 및 변형 한계에 따라 달라진다.

오스테나이트는 탄소를 용해하며, 냉각 중 탄소가 농축된 표면층이 저탄소 중심부와 다르게 반응하도록 한다. 급랭이 충분히 가혹하고 온도 경로에서 과도한 변태 생성물이 형성되지 않으면, 표면층은 주로 마르텐사이트로 변태한다. 중심부 역시 마르텐사이트를 형성할 수 있지만, 탄소 함량이 더 낮으므로 급랭 직후 경도는 낮고 일반적으로 인성은 더 높다. 이러한 변태가 어느 깊이까지 진행되는지는 합금의 경화능에 의해 결정된다. 두꺼운 단면이나 불충분한 급랭 조건에서는 하중을 지지해야 하는 영역에 베이나이트, 페라이트 또는 펄라이트가 남을 수 있다.

급랭의 가혹도는 최대화하기보다 제어해야 한다. 오일, 고분자 용액, 가압 가스 및 기타 급랭제는 서로 다른 속도로 열을 제거하며, 교반은 국부적인 냉각 조건을 변화시킨다. 매우 가혹한 급랭은 원하지 않는 연질 변태 생성물을 줄일 수 있지만, 열응력과 변태응력을 증가시켜 균열 및 치수 변화를 키울 수도 있다. 단속 급랭, 단계 급랭 또는 가압 가스 급랭은 특정 형상의 부품에서 변형을 줄일 수 있지만, 모든 경우에 보편적으로 적합한 급랭제는 없다.

급랭 후에는 뜨임을 실시한다. 뜨임의 목적은 급랭 직후 마르텐사이트의 취성과 높은 잔류응력을 줄이는 동시에 요구되는 경도와 치수 안정성을 확보하는 것이다. 뜨임은 원래의 저탄소 상태를 회복시키지 않는다. 탄소가 풍부한 표면층은 화학적으로 구별되는 상태로 남으며, 그 반응은 중심부와 다를 수 있다. 뜨임 온도와 시간은 탄화물 석출, 마르텐사이트 분해, 잔류 오스테나이트의 안정성 및 최종 경도에 영향을 미친다. 높은 표면 경도가 요구되는 경우 저온 뜨임이 일반적이지만, 이는 완전한 미세조직과 경도 분포를 규정하는 것을 대신할 수 없다.

공정 제어에서는 오스테나이트 결정립 성장도 관리해야 한다. 침탄 온도는 충분히 높기 때문에, 특히 강에 적절한 결정립 미세화 첨가 원소가 부족하거나 사이클이 제대로 제어되지 않을 경우 장시간 노출로 prior-austenite 결정립이 조대화될 수 있다. 조대한 결정립은 인성을 저하시키고 변태 거동을 변화시킬 수 있다. 원래의 침탄 온도보다 낮은 온도로 재가열하면 조직을 미세화할 수 있지만, 추가적인 열 사이클이 필요하고 변형이 발생할 기회도 그만큼 늘어난다.

미세조직, 잔류 오스테나이트 및 변형

침탄 경화층에는 고탄소 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 탄화물 및 천이 영역이 포함될 수 있다. Strong evidence

침탄층은 마르텐사이트만으로 정의되지 않는다. 실제 미세조직 검사에서는 고탄소 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 탄화물 및 탄소와 경도가 중심부 방향으로 감소하는 천이 영역이 관찰될 수 있다. 각 구성상의 비율과 형태는 표면 탄소 포텐셜, 온도, 합금 조성, 냉각 속도 및 뜨임 조건에 따라 달라진다.

잔류 오스테나이트잔류 오스테나이트 조성과 냉각 이력에 의해 변태 온도가 충분히 낮아져 담금질 후에도 변태하지 않고 남아 있는 오스테나이트.

탄소가 농축된 오스테나이트의 마르텐사이트 시작 온도가 충분히 낮아 급랭 중 완전히 변태하지 않을 때 잔류 오스테나이트가 형성된다. 일부 잔류 오스테나이트는 변형을 수용하여 즉각적인 균열을 줄일 수 있지만, 사용 중 응력, 가공 또는 이후 냉각에 의해 치수적으로 불안정해질 수 있다. 마르텐사이트로 변태하면 팽창이나 기타 치수 변화가 발생할 수 있다. 잔류 오스테나이트가 과도하면 측정 경도가 낮아지거나 접촉 피로 거동이 변할 수도 있다. 따라서 치수 안정성이나 반복 하중이 중요한 경우에는 금속조직학적 방법 또는 X선 회절을 통해 잔류 오스테나이트 함량을 측정하는 경우가 많다. 표면 경도만으로는 잔류 오스테나이트를 신뢰성 있게 식별할 수 없다.

탄화물도 또 다른 제어 문제를 제기한다. 합금 탄화물은 내마모성에 기여할 수 있지만, 연속적인 탄화물 망상조직이나 과도한 결정립계 탄화물은 침탄층을 취화시키고 경화능에 필요한 합금 원소를 소모할 수 있다. 과도한 탄소 포텐셜, 온도에서의 과도한 유지 시간 또는 부적절한 강의 화학 조성은 시험 압흔에서는 더 높은 경도를 나타내지만 실제 사용에서는 성능이 떨어지는 표면을 만들 수 있다. 목표는 가능한 한 높은 표면 탄소 함량이 아니라 제어된 탄소 분포이다.

변형은 여러 원인이 함께 작용하여 발생한다. 열팽창과 수축, 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태할 때의 변태 변형, 불균일한 냉각, 단면 두께 변화, 잔류 가공응력, 지그 또는 하중의 영향 등이 이에 해당한다. 기어에서는 치형 크기나 런아웃이 변할 수 있고, 축은 휘거나 직경이 증가할 수 있으며, 얇은 단면은 뒤틀릴 수 있다. 따라서 형상, 노 내 배치 방향, 급랭 교반 및 고정 방법은 공정 사양에 포함되어야 한다. 경화 후 연삭으로 일부 치수 오차를 보정할 수는 있지만, 부적절한 침탄층 미세조직을 복구하거나 필요한 침탄층을 소모하지 않고 변형을 제거할 수는 없다.

검증에서는 표면 경도 값 하나 이상을 측정해야 한다. ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 표면층의 깊이를 결정하고 검증하는 방법을 다루며, 적용 범위를 정의하기 위해 침탄층 깊이의 3배 지점에서 450 HV 1 미만의 경도 조건을 사용한다. 지정된 하중, 시편 준비, 측정 간격 및 종점을 준수하면 표면에서 중심부 방향으로 측정한 경도 분포를 통해 유효 침탄층 깊이를 설정할 수 있다. ISO 18203:2026은 침탄, 침탄질화, 질화, 화염 경화, 유도 경화, 전자빔 경화 및 레이저 경화에 의한 표면 경화층을 다루며, 서로 다른 처리에는 정의된 측정 절차가 필요하다는 점을 다시 확인한다.

금속조직 검사는 경도 분포 측정으로는 놓칠 수 있는 마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 및 탄화물을 밝혀낼 수 있다. 정밀 부품에서는 치수 검사와 잔류응력 측정도 필요할 수 있다. 침탄은 강에 가장 널리 사용되는 열화학적 처리 중 하나이지만, 그 결과는 조성, 변태, 미세조직, 응력 및 측정된 침탄층 깊이가 제어된 조합으로 나타난 것이며, 모든 경화 표면을 포괄하는 일반적인 명칭이 아니다.

침탄질화: 오스테나이트 내의 탄소와 질소

침탄질화는 강이 오스테나이트 상태에 있는 동안 탄소와 질소가 모두 강의 표면으로 유입되는 열화학적 표면경화 공정이다. 이렇게 농축된 층을 이후 담금질하면, 일반적으로 저탄소 코어보다 상당히 높은 경도를 갖는 마르텐사이트가 생성된다. 이러한 점에서 침탄질화는 공정 원리상 침탄과 질화의 중간에 해당하지만, 단순히 더 빠른 침탄 사이클도 아니며 고온에서 실시하는 질화침탄도 아니다.

ASM International은 표면층, 즉 경화층이 코어보다 상당히 높은 경도를 갖도록 철계 재료를 처리하는 것을 표면경화로 정의한다. 미국 국립표준국 역시 탄소, 질소 또는 탄소와 질소가 강 표면에 첨가되는지에 따라 침탄, 질화 및 침탄질화를 분류한다. 따라서 침탄질화는 최종 경도 분포만이 아니라 확산되는 원소와 그 상 조건에 따라 식별해야 한다.

침탄질화 메커니즘

가공물은 하부 임계온도 이상으로 가열되어 오스테나이트 영역에 들어가며, 일반적으로 탄소 함유 가스와 암모니아가 첨가된 제어 가스 분위기에서 처리된다. 일산화탄소, 메탄, 프로판 및 흡열성 운반 가스가 탄소 공급에 관여할 수 있고, 암모니아는 원자상 질소의 공급원이 된다. 탄소 포텐셜, 암모니아 해리, 가스 유량, 압력 및 로 온도가 함께 강 표면의 화학적 포텐셜을 결정하므로 분위기를 제어해야 한다.

오스테나이트화 온도에서 오스테나이트는 상당량의 탄소와 더 적지만 야금학적으로 중요한 양의 질소를 고용할 수 있다. 이후 탄소와 질소는 표면에서 내부로 확산된다. 이들의 농도는 거리에 따라 감소하므로, 뚜렷한 경계가 아니라 농도 구배가 형성된다. 생성되는 농도 분포는 온도, 유지 시간, 합금 조성, 표면 반응 및 분위기가 각 원소를 공급하는 속도에 따라 달라진다.

질소는 표면 화학적 성질 이상의 영향을 미친다. 오스테나이트에서 질소는 경화능을 높이고 일부 변태 반응을 지연시킬 수 있으므로, 모재 강의 경화능이 제한적인 경우에도 얇은 농축층이 담금질 중 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 또한 질소는 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태 온도를 변화시키며, 탄소와 질소의 총량이 과도하면 잔류 오스테나이트를 증가시킬 수 있다. 크롬, 몰리브덴, 망가니즈 및 니켈과 같은 합금 원소는 경화능과 탄화물 또는 질화물의 안정성에 추가적인 영향을 미친다.

따라서 실제 공정 순서는 일반적으로 다음과 같다. 탄소와 질소를 함유한 분위기에서 오스테나이트화하고, 지정된 경화층이 형성될 때까지 충분히 유지한 다음, 제어된 속도로 담금질한다. 담금질 응력을 줄이고 경도를 조정하기 위해 이후 뜨임을 실시할 수 있다. 침탄질화는 비교적 저탄소강에 흔히 적용되며, 얕은 경화층과 인성이 높은 내부가 필요한 소형 부품, 체결부품, 기어, 부시 및 기타 부품용으로 선정된 강종이 여기에 포함된다. 강종 표시만으로 결과가 결정되는 것은 아니다. AISI 1018, AISI 1020, SAE 8620 및 EN 20MnCr5는 탄소 함량, 합금 함량, 결정립 크기, 경화능 및 이전 열처리가 서로 다르므로 서로 다른 반응을 보인다.

표면에는 잔류 오스테나이트를 포함한 마르텐사이트가 존재할 수 있으며, 화학 조성과 공정 조건에 따라 합금 탄화물 또는 탄질화물이 형성될 수 있다. 코어는 마르텐사이트, 베이나이트 또는 페라이트와 펄라이트를 포함하는 혼합 조직으로 변태할 수 있다. 이러한 차이는 중요하다. 연하고 약한 코어 위에 단단한 경화층이 형성되면 표면 경도 측정이 만족스럽더라도 변형, 압궤 또는 굽힘으로 파손될 수 있다.

침탄질화는 질화침탄과 동일하지 않다. 침탄질화에서는 임계온도 이상에서 탄소와 질소가 오스테나이트로 확산되고, 일반적으로 담금질에 의해 마르텐사이트 경화층이 형성된다. 질화침탄에서는 임계온도 이하의 페라이트로 탄소와 질소가 확산된다. 질화침탄 부품에는 일반적으로 질소를 함유한 확산층 위에 얇은 철-탄소-질소 화합물층이 형성되는 반면, 침탄질화 부품은 주로 변태된 경화층을 기준으로 규정된다. 두 처리를 혼동하면 상 구성, 치수 변화, 경도 시험 및 마모 또는 부식 거동에 대해 잘못된 기대를 갖게 될 수 있다.

침탄과의 비교

침탄은 탄소를 오스테나이트에 도입하여 저탄소 내부 위에 고탄소 표면을 형성한다. 침탄질화도 큰 틀에서는 동일한 열처리 원리를 따르지만, 동시에 질소를 첨가한다. 이 차이는 중요하다. 질소는 경화능, 변태 거동, 잔류 오스테나이트 및 농축층의 담금질 시 거동을 변화시킨다.

침탄 경화층은 침탄질화 경화층보다 더 깊게 형성되는 경우가 많지만, 어느 공정에도 고정된 경화 깊이가 있는 것은 아니다. 침탄질화는 비교적 얕은 경화층으로 충분하고 질소에 의한 경화능 증가를 통해 표면의 불충분한 경화 위험을 줄일 수 있을 때 흔히 선택된다. 침탄질화와 관련하여 자주 언급되는 짧은 처리 사이클은 방법 자체의 정의가 아니라 지정된 깊이와 공정 온도의 결과이다. 긴 저온 사이클과 짧은 고온 사이클은 서로 다른 농도 구배, 변형, 결정립 성장 및 잔류 오스테나이트 함량을 초래할 수 있다.

침탄은 일반적으로 표면 탄소 농도를 설정하기 위해 탄소 포텐셜에 의존한다. 침탄질화에서는 탄소 포텐셜과 질소 포텐셜을 모두 제어해야 한다. 암모니아 첨가량을 늘린다고 해서 경화층이 단순히 더 단단해지는 것은 아니다. 과도한 질소는 잔류 오스테나이트를 증가시키고, 부적절한 조건에서는 기공이나 불균일한 표면 화학 조성을 촉진하며, 치수 변화 양상을 바꿀 수 있다. 과도한 탄소는 담금질 후 취성인 고탄소 표면을 형성하거나 과도한 잔류 오스테나이트를 생성할 수 있다. 따라서 로 제어와 분위기 측정은 야금학적 규격의 일부이다.

강 자체도 비교 결과를 바꾼다. 저탄소 보통탄소강은 침탄질화에 의해 유용한 얕은 마르텐사이트 경화층을 얻을 수 있는 반면, SAE 8620과 같은 저합금 침탄용 강은 일반적으로 더 깊은 경화층과 높은 코어 경화능이 필요한 경우에 선택된다. 침탄 처리한 SAE 8620 부품과 침탄질화 처리한 AISI 1018 부품은 표면 경도만으로 비교할 수 없다. 두 부품은 탄소 농도 구배, 질소 함량, 코어 변태, 변형 및 하중 지지 능력이 서로 다르다.

두 공정 모두 담금질 후 표면 부근에 압축 잔류응력을 형성할 수 있으며, 이는 일부 접촉 피로 또는 굽힘 피로에 대한 저항성을 높이는 데 기여할 수 있다. 그러나 어느 공정도 유익한 응력 상태를 보장하지는 않는다. 실제 결과는 담금질 강도, 단면 크기, 형상, 초기 미세조직 및 뜨임에 의해 결정된다. 마모, 마찰 및 마찰부식 성능 역시 상대재의 재질, 윤활, 접촉 압력, 표면 마무리 및 환경에 좌우된다. 처리 명칭만으로 성능을 예측할 수는 없다.

마르텐사이트 경화층과 공정 변수

경화된 오스테나이트가 충분한 속도로 변태 온도 범위를 통과하며 냉각될 때에만 마르텐사이트 경화층이 형성된다. 오일, 고분자, 염욕 또는 가스 담금질은 서로 다른 열 추출 이력을 만든다. 가혹한 담금질은 마르텐사이트 형성을 증가시킬 수 있지만 변형과 균열 위험도 높인다. 완만한 담금질은 완전 경화를 의도한 영역에 베이나이트 또는 펄라이트를 남길 수 있다. 중단 담금질 또는 단계 담금질은 변형을 줄일 수 있지만 변태 경로를 변화시키므로 부품 형상에 맞게 적합성 검증을 해야 한다.

온도는 확산과 오스테나이트 결정립 성장을 제어한다. 시간은 탄소와 질소가 침투하는 깊이를 제어한다. 분위기 조성은 표면으로의 공급을 제어한다. 담금질 조건은 최종 상을 제어한다. 강 조성은 경화능과 석출을 제어한다. 이러한 변수들은 서로 상호작용하므로, 시간, 분위기, 강종 및 담금질 정보 없이 제시된 침탄질화 온도만으로는 재현 가능한 처리 규격이 될 수 없다.

검증에서는 최대 표면 경도 이상의 항목을 측정해야 한다. 표면에서 코어 방향으로 경도 분포를 측정하면 유효 경화 깊이를 정할 수 있으며, 금속조직 검사를 통해 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 베이나이트, 탄화물, 질화물, 탈탄 및 입계 산화를 확인할 수 있다. 정밀 부품에는 치수 검사와 잔류응력 평가가 필요할 수 있다.

ISO 18203:2026은 침탄질화, 침탄, 질화, 화염 경화, 유도 경화, 전자빔 경화 및 레이저 경화로 생성된 표면경화층을 다룬다. ISO 2639:2002는 침탄 및 경화층 깊이의 결정과 검증을 다루며, 그 적용 기준은 경화층 깊이의 3배 위치에서 450 HV 1 미만의 경도 조건을 사용한다. 이 기준을 모든 침탄질화 규격에 무비판적으로 적용해서는 안 된다. 도면 또는 공정 표준에는 측정 방법, 경도 척도, 측정 위치, 최소 깊이 또는 유효 깊이, 표면 상태 및 합격 한계를 명시해야 한다. 표면경화는 단 하나의 밝고 단단한 표면 경도 측정값이 아니라, 요구된 미세조직과 깊이 분포로 입증된다.

질화 처리: 기존 침탄이 없는 질소 확산

질화 처리는 질소 기반의 열화학적 처리로, 질소가 강철 표면으로 유입되어 철 및 일부 합금 원소와 반응하는 공정이다. 따라서 질화 처리는 침탄의 저탄소 버전이 아니다. 침탄은 탄소가 풍부한 층을 형성한 뒤 일반적으로 오스테나이트화 및 담금질하여 고탄소 마르텐사이트를 형성한다. 반면 질화 처리는 보통 임계 변태 온도 범위보다 낮은 온도에서 이미 열처리된 강을 대상으로 하므로, 경화된 표면은 담금질 마르텐사이트 경화층보다는 질소로 강화된 페라이트와 합금 질화물로 주로 구성된다.

ASM International은 표면층, 즉 경화층이 중심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 철계 재료를 처리하는 것을 표면경화로 정의한다. 질화는 이 정의를 충족하지만, 경도에 도달하는 경로는 다르다. 미국 국가표준국은 탄소, 질소 또는 두 원소가 표면에 첨가되는지에 따라 침탄, 질화 및 탄질화를 분류한다. 모든 표면경화 공정을 하나의 온도 사이클로 간주하는 것보다 이러한 분류가 더 유용하다.

질소 확산 및 질화물 형성

처리 표면에는 해리된 암모니아 분위기, 플라즈마 또는 그 밖의 제어된 질소 함유 매체를 통해 질소가 공급된다. 질소 원자는 강철 표면에 용해된 후 내부로 확산한다. 일부는 격자간 고용체로 남고, 다른 일부는 철 또는 합금 원소와 결합하여 질화물을 형성한다. 그 결과 형성되는 경도 분포는 질소 포텐셜, 온도, 시간, 강의 조성, 선행 열처리 및 표면에서 일어나는 반응에 따라 달라진다.

질화용 강은 부분적으로 질화물 형성 원소를 기준으로 선정한다. 알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 티타늄 및 경우에 따라 니오븀이 미세하게 분산된 합금 질화물을 형성할 수 있다. 이러한 입자는 전위의 이동을 방해하여 확산층의 경도를 높인다. 그러나 각 원소의 효과는 서로 대체할 수 없다. 원소마다 용해도, 질화물 안정성, 석출 거동, 인성 및 치수 변화에 미치는 영향이 다르기 때문이다. 성분 분석 증명서에 특정 원소가 포함되어 있다는 사실만으로 특정 질화 깊이나 경도가 보장되는 것은 아니다. 이러한 결과를 얻으려면 규정된 공정과 검증 방법이 필요하다.

일반적인 공학적 선택에는 EN 10085에 따라 질화용으로 지정된 강과, 요구되는 질화 반응성, 중심부 열처리 및 사용 조건이 확립된 경우의 AISI 4140과 같은 합금강이 포함된다. 정확한 화학 조성, 선행 뜨임 상태, 표면 마감 및 로 사이클을 관리하지 않고 어떤 강종에도 일반적인 질화 결과를 부여해서는 안 된다.

질소의 이동은 표면 반응의 영향을 크게 받는다. 가스 질화에서는 암모니아의 해리와 그에 따른 질화 포텐셜이 피가공물에서의 질소 활성을 결정한다. 플라즈마 질화에서는 이온 충돌이 표면을 세정하고 활성화할 수 있으며, 전기적 변수는 가열과 반응종의 이동에 영향을 준다. 이러한 공정은 서로 관련되어 있지만, 화합물층, 거칠기, 기공률 또는 국부적 균일성이 동일하게 형성되는 것은 아니다.

외부 표면에는 화합물층이 형성될 수 있다. 이 층은 주로 철 질화물로 구성되며, 일반적으로 엡실론 철 질화물 ε-Fe₂–₃N 및 감마 프라임 철 질화물 γ′-Fe₄N으로 설명된다. 질소 포텐셜과 사이클 제어에 따라 이 층은 한 상이 주로 차지할 수도 있고, 여러 상의 혼합물일 수도 있으며, 연속성이 제한될 정도로 얇을 수도 있다. 그 아래에는 질소가 기지에 용해되어 있고 합금 질화물의 석출이 일어날 수 있는 확산층이 존재한다. 화합물층은 접착 마모와 일부 부식 환경에 대한 저항성을 향상할 수 있지만, 조성과 두께가 적절하지 않으면 취성, 다공성 또는 접착 불량이 나타날 수도 있다. 두꺼운 백색층이 형성되었다고 해서 그 자체로 성공적인 처리를 의미하는 것은 아니다.

확산층은 침탄으로 생성되는 변태 마르텐사이트 영역과 동등하지 않다. 이 층에는 질소 농도가 감소하고 깊이에 따라 석출물 밀도가 변하면서 형성되는 경도 구배가 존재할 수 있다. 중심부에는 선행 경화 및 뜨임 공정으로 형성된 미세조직이 유지된다. 이러한 이유로 질화는 중심부 특성이 이미 확립된 강에서 시작하는 경우가 많다. 질화 사이클은 중심부 열처리를 대체하기 위한 공정이 아니다.

질화층 관련 용어

“질화 경화층”이라는 표현은 산업계에서 사용되지만, 서로 다른 두 구조를 하나로 뭉뚱그릴 수 있다. 보고서에는 이 표현이 질화층 전체 두께, 화합물층 두께, 확산층 깊이 또는 경도를 기준으로 규정된 유효 깊이 중 무엇을 의미하는지 명시해야 한다. “백색층”은 에칭 후 화합물층을 가리키는 금속조직학적 용어이며, 질화 영역 전체를 설명하는 완전한 표현은 아니다.

이 구분은 검사 과정에서 중요하다. 단면에서는 훨씬 두꺼운 확산층 위에 얇고 연속적인 화합물층이 나타날 수 있다. 반대로 화합물층을 의도적으로 최소화하고 확산층이 주요 하중 지지 경도를 제공하도록 할 수도 있다. 미끄럼, 충격, 구름 접촉 또는 부식성 매체에 노출되는 부품은 이들 영역 사이에 서로 다른 균형이 필요할 수 있다. 마찰 및 마모 거동은 단일 표면 경도값만으로 예측할 수 없다. 거칠기, 기공률, 질화물 형상, 상대재의 재질, 윤활 및 잔류응력도 접촉에 영향을 주기 때문이다.

질화 깊이는 그 측정 기준과 함께 보고해야 한다. 금속조직학적 경계, 미소경도 프로파일 및 질소 농도 프로파일은 반드시 동일한 값을 제공하지 않는다. ISO 18203:2026은 질화 및 침탄으로 형성된 표면경화층뿐 아니라 탄질화, 화염경화, 고주파 경화, 전자빔 경화 및 레이저 경화로 형성된 층도 다룬다. 이 표준에 여러 공정이 포함되어 있다고 해서 각 공정의 경화 깊이 기준이 동일해지는 것은 아니다. 관련 정의와 측정 절차는 처리 공정에 맞아야 한다.

ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 경화층 깊이의 결정과 검증을 다룬다. 이 표준의 적용 범위에는 경화층 깊이의 3배 위치에서 450 HV 1 미만의 경도 조건이 포함된다. 이 기준을 질화층에 무비판적으로 적용해서는 안 된다. 질화는 점진적인 경도 저하, 별도의 기능을 갖는 화합물층 및 이미 비교적 높은 경도를 가질 수 있는 중심부를 형성하는 경우가 많다. 질화 규격에는 시험 하중, 프로파일 측정 간격, 화합물층의 제거 또는 포함 여부 및 선택한 종점 기준을 명시해야 한다.

치수 안정성과 공정상의 한계

질화는 침탄에 수반되는 오스테나이트화 및 담금질 단계를 일반적으로 피할 수 있기 때문에 변형을 제한해야 할 때 선택되는 경우가 많다. 그러나 이러한 장점은 절대적인 것은 아니다. 피가공물은 여전히 여러 시간 동안 가열되며, 질소 흡수, 질화물 석출, 가공 응력의 완화 및 화합물층의 성장이 치수를 변화시킬 수 있다. 얇은 단면, 날카로운 모서리, 압입 맞춤부 및 이전에 냉간가공된 표면은 특히 민감하다. 따라서 지그와 가공 여유 계획은 여전히 필요하다.

초기 미세조직은 결정적인 요소이다. 담금질 및 뜨임된 중심부는 질화층이 의존하는 강도와 안정성을 제공하는 반면, 과도한 잔류응력이나 부적절한 뜨임 온도는 처리 중 치수 변화를 일으킬 수 있다. 또한 질화 온도는 선행 뜨임 상태와 양립해야 한다. 부품이 뜨임에 사용된 온도보다 높은 온도에 노출되면 표면 경도가 높아지더라도 중심부 경도는 저하될 수 있다.

표면 상태는 질소의 유입을 좌우한다. 산화 피막, 오일 잔류물, 탈탄, 연삭 손상, 문질러져 변형된 금속 및 불균일한 거칠기는 국부적으로 불균일한 화합물층이나 일관되지 않은 확산 깊이를 초래할 수 있다. 따라서 세정, 활성화, 마스킹 및 제어된 선행 가공은 외관을 위한 절차가 아니라 공정상의 필수 요건이다. 모서리와 구멍은 넓고 평평한 면과 다른 질소 플럭스를 받을 수 있으며, 플라즈마 처리에서는 형상과 전기적 차폐로 인한 국부적 영향이 나타날 수 있다.

온도, 시간 및 질소 포텐셜에도 한계가 있다. 일반적으로 온도가 높아지면 확산과 석출이 빨라지지만, 치수 변화를 증가시키거나 선행 뜨임 상태를 변화시키거나 과도한 화합물층을 형성할 수 있다. 처리 시간이 길어지면 확산 속도론에 따라 깊이가 증가할 뿐이며, 유용한 하중 지지 깊이가 그에 비례하여 증가한다고 보장할 수는 없다. 과도한 질소는 취성 또는 다공성 표면 구조를 촉진할 수 있다. 따라서 공정 제어에서는 단순히 로 온도와 처리 시간만이 아니라 목표로 하는 화합물층의 상태도 규정해야 한다.

질화는 하중을 지지하는 확산층의 경도, 마찰, 마모, 부식, 피로, 치수 공차 및 중심부 강도라는 실제 사용 기능을 기준으로 평가해야 한다. 침탄 기준만 적용하면 담금질된 탄소 경화층이 아닌 질소 확산 구조를 잘못 해석하게 된다. 이로 인해 표면 경도 측정값은 겉보기에는 규격을 충족하더라도, 실제 파손을 좌우하는 층을 놓칠 수 있다.

페라이트계 질화침탄 및 질화침탄층

페라이트계 질화침탄(ferritic nitrocarburizing, FNC)은 흔히 페라이트계 질화침탄 처리라고도 하며, 강이 임계 변태 온도 이하에 유지되는 동안 탄소와 질소가 동시에 페라이트 내부로 확산되는 열화학적 표면경화 공정이다. 탄질화와의 구별은 금속학적으로 중요하다. 탄질화에서는 탄소와 질소를 오스테나이트에 도입하며, 일반적으로 담금질 후 마르텐사이트 경화층이 형성될 만큼 높은 온도에서 처리한다. 질화침탄은 통상적으로 이러한 오스테나이트화-담금질 사이클을 따르지 않는다. 대신 침입형 확산과 화합물 형성을 통해 기존의 페라이트 표면을 개질한다.

질화침탄이라는 용어는 공정군을 나타낼 수 있으며, 페라이트계 질화침탄은 임계 온도 이하에서 수행되는 공정을 특정한다. 가스, 염욕 및 플라즈마 공정은 질소와 탄소를 함유한 활성종을 공급할 수 있지만, 각각의 가스 화학, 반응 제어 및 표면 상태는 서로 다르다. 미국 국가표준국(U.S. National Bureau of Standards)은 표면에 탄소, 질소 또는 양자를 첨가하는지에 따라 침탄, 질화 및 탄질화를 분류한다. FNC는 이와 동일한 열화학적 분류에 속하지만, 페라이트 영역의 처리 온도와 그에 따른 미세조직은 별도로 다루어야 한다.

임계 온도 이하 처리

공작물은 하부 임계 온도인 Ac1 이하로 가열되므로, 기지는 오스테나이트로 변태하지 않고 페라이트 상태로 유지된다. 질소와 탄소는 처리 분위기 또는 염에서 표면으로 유입되어 내부로 확산된다. 담금질에 앞선 의도적인 벌크 상변태가 없기 때문에, 치수 변화와 변형은 침탄 또는 탄질화보다 대체로 작다. 그러나 완전히 없어지는 것은 아니다. 열 구배, 기존 잔류응력, 가공 흔적, 부품 형상 및 화합물층의 성장으로 인해 치수와 형상이 변할 수 있다.

처리 반응은 강의 조성에 크게 좌우된다. 순철에서도 철 탄질화물과 철 질화물이 형성될 수 있지만, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 및 알루미늄과 같은 합금 원소는 확산 영역에서 안정한 합금 질화물을 형성한다. 이러한 석출물은 전위의 이동을 방해하여 표면 아래의 경도를 높인다. 따라서 저탄소강 및 저합금강은 침탄강에서 나타나는 깊은 담금질 마르텐사이트 경화층을 형성하지 않고도 경질 표면을 얻을 수 있다. 실제 표준 지정과 선행 열처리가 관리되는 EN 41B 또는 AISI 4140과 같은 강종을 포함한 질화용 강은, 합금 원소가 질소 확산, 석출 및 경도에 영향을 미치므로 일반 탄소강과 다르게 반응한다.

온도, 시간, 질화 포텐셜 및 냉각 방식은 서로 연계하여 관리해야 한다. 높은 질화 포텐셜은 두껍고 취성인 화합물층을 형성할 수 있으며, 포텐셜이 부족하면 연속적인 층이 거의 또는 전혀 형성되지 않을 수 있다. 탄소 활성도 역시 상의 균형을 변화시키고 기공도에 영향을 줄 수 있다. 따라서 동일한 강 부품을 처리하더라도 노 내 사이클을 침탄 레시피와 서로 바꾸어 사용할 수는 없다.

화합물층과 확산 영역

질화침탄 표면은 일반적으로 서로 인접한 두 영역으로 설명된다. 외측 화합물층은 금속조직학적 에칭 후 백색층이라고도 하며, 주로 철 탄질화물로 구성된다. 이 층에는 대략 Fe₂–₃(N,C)로 나타내는 엡실론상과 대략 Fe₄(N,C)로 나타내는 감마 프라임상이 포함될 수 있다. 각 상의 비율은 온도, 가스 또는 염의 화학 조성 및 처리 시간에 의해 결정된다. 이 층은 단순히 “경질 질소”가 아니다. 이는 화학적으로 구별되는 세라믹 유사 반응 영역이며, 접촉 상태에서의 거동은 상의 구성, 두께, 연속성 및 기공도에 의해 결정된다.

그 아래에는 확산 영역이 존재한다. 질소와 탄소의 농도는 깊이에 따라 감소하며, 합금 질화물 석출물과 국부적인 격자 변형으로 인해 경도 구배가 형성될 수 있다. 확산 영역은 일반적으로 뚜렷한 금속학적 경계에서 끝나는 것이 아니라, 영향을 받지 않은 코어로 점진적으로 전이된다. 따라서 유효 깊이는 연마 단면에서 보이는 시각적 경계가 아니라 측정 기준으로 정의해야 한다.

연속성이 중요하다. 얇고 연속적인 화합물층은 미끄럼 표면을 보호할 수 있지만, 불연속적인 층은 더 연한 영역을 노출시켜 불균일한 접촉을 유발할 수 있다. 과도한 두께는 취성을 증가시키고 충격 또는 높은 접촉 응력하에서 균열이나 박리를 촉진할 수 있다. 기공도 역시 중요한 영향을 미친다. 제어된 표면 근처의 기공은 일부 적용 분야에서 윤활제를 보유할 수 있지만, 서로 연결된 기공은 부식성 전해질의 침투를 허용하고 균열 발생 부위를 제공할 수 있다. 조성이 중요한 이유는 엡실론층과 감마 프라임층이 경도, 취성, 화학적 안정성 및 마찰 거동에서 동일하지 않기 때문이다.

기판은 하중 지지 시스템의 일부로 계속 기능한다. 연한 코어가 지지하는 경질 화합물층은 표면 경도 시험에서 높은 값이 나오더라도 무너지거나 균열이 발생할 수 있다. 선행 담금질 및 뜨임, 코어 경도, 잔류응력, 개재물 및 표면 형상은 모두 지지 능력에 영향을 준다. 연삭, 연마, 텀블링, 쇼트 피닝 또는 최외층 제거는 거칠기를 변화시키고 기공을 열거나 닫으며, 처리층의 측정 두께와 기능적 두께를 바꿀 수 있다.

검증에서는 화합물층 두께와 확산 영역 깊이를 구분하고 측정 방법을 보고해야 한다. 단면 금속조직학은 상의 형태와 기공도를 식별할 수 있으며, 미세경도 측정은 경도 구배를 설정할 수 있다. 주사전자현미경과 X선 회절은 형태와 상의 구성을 평가하는 데 도움을 줄 수 있다. ISO 18203:2026은 탄질화, 침탄 및 질화를 포함한 열화학적 방법과 국부 열처리 방법으로 형성된 표면경화층을 다룬다. 이 표준의 적용 범위는 층 두께 측정을 위한 공통 틀을 제공하지만, 보고 기준에는 해당 값이 화합물층, 확산 영역 또는 특정 경도 한계 중 무엇을 의미하는지 명시해야 한다.

ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 유효 경화 깊이를 대상으로 하며, 모든 질화침탄층에 자동으로 적용되는 것은 아니다. 이 표준은 경화 깊이의 3배 지점에서 경도가 450 HV 1 미만이라는 조건으로 적용 범위를 정의한다. 처리 유형을 확인하지 않고 이 규칙을 적용하면 FNC 프로파일을 잘못 나타낼 수 있다. 특히 얇은 화합물층 아래에 얕은 확산 영역이 있고 코어 경도가 이미 높은 경우에는 더욱 그렇다.

마모, 마찰 및 부식 고려사항

질화침탄은 여러 메커니즘을 동시에 통해 마찰공학적 거동을 변화시킬 수 있다. 화합물층은 표면 경도를 높이고, 확산 영역은 외측 층을 지지하며, 최종 표면 거칠기는 실제 접촉 면적과 윤활제 보유를 좌우한다. 그렇다고 해서 결과가 항상 개선되는 것은 아니다. 미끄럼 속도, 하중, 상대재의 재질, 윤활, 온도, 마모 입자 및 접촉 형상에 따라 두 처리 사이의 성능 우열이 달라질 수 있다.

마찰공학 및 마찰부식 관련 문헌 검토에서는 붕화, 크로마이징, 침탄, 질화, 질화침탄 및 탄질화를 마모, 마찰 및 부식 성능과 관련된 처리로 분류하였다. 이러한 분류는 공학적 목적을 나타낼 뿐, 결과를 보장하는 것은 아니다. 연속적인 탄질화물층은 응착 마모를 줄일 수 있지만, 다공성 또는 균열이 있는 층은 연삭 마모를 가속하거나 기판을 노출시킬 수 있다. 처리 후 표면이 거칠면 경도가 증가했더라도 마찰이 커질 수 있다. 반대로 연마는 마찰을 줄일 수 있지만 화합물층의 일부를 제거하거나 기공 구조를 변화시킬 수 있다.

부식에 대해서도 동일한 주의가 필요하다. 일부 질화침탄 표면은 화합물층이 강으로의 접근을 제한하기 때문에 특정 환경에서 내식성이 향상된다. 그러나 다른 표면에서는 기공, 균열, 모서리 손상 또는 상 간의 갈바닉 차이를 통해 국부 부식이 발생할 수 있다. 염수분무, 침지, 전기화학 시험 및 마찰부식 시험은 서로 다른 파괴 과정을 측정하므로, 어느 것도 경도값으로 대체해서는 안 된다.

규격서에는 강종과 선행 열처리, 공정 경로, 처리 온도와 시간, 화합물층의 상 또는 두께, 기공도와 연속성, 확산 영역 깊이, 경도 프로파일, 거칠기 및 마무리 가공을 포함한 정보를 기록하는 것이 중요하다. 이러한 정보가 있어야 부품이 단순히 “표면경화”되었다는 모호한 주장과 제어된 페라이트계 질화침탄층을 구별할 수 있다.

기타 표면경화 방법: 청화법, 붕소화법 및 크롬화법

ASM International의 정의는 의도적으로 광범위하다. 표면경화란 철계 재료의 표면층, 즉 케이스가 심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 처리하는 것을 말한다. 이 정의에는 침탄보다 더 많은 방법이 포함된다. 미국 국가표준국(U.S. National Bureau of Standards) 역시 강철에 첨가되는 원소에 따라 표면처리를 탄소, 질소 또는 탄소와 질소를 함께 첨가하는 처리로 분류한다. 붕소화법과 크롬화법은 이 원리를 각각 붕소와 크롬으로 확장한 것이며, 청화법은 청화물이 함유된 환경에서 탄소와 질소를 동시에 도입한다.

이러한 처리는 표면경도만으로 평가해서는 안 된다. 확산 원소, 반응 생성물, 처리 온도, 변태 경로, 층 두께, 접착력, 잔류응력 및 심부 상태가 모두 미끄럼 마모, 연삭 마모, 피로, 마찰 또는 마찰부식 조건에서 처리 부품이 양호하게 작동하는지를 결정한다. Tribology and Tribocorrosion of Case-Hardened Steels에서는 붕소화법, 크롬화법, 침탄, 질화, 니트로침탄 및 탄질화법을 서로 관련된 처리로 분류하지만, 이들이 서로 대체 가능한 표면을 형성하는 것은 아니다.

역사적·기술적 맥락에서 본 청화법

청화법은 용융 청화물 염욕에서 탄소와 질소를 강철 표면으로 침투시키는 열화학적 처리이다. 역사적으로는 탄산염 및 염화물 성분과 함께 시안화나트륨 또는 시안화칼륨을 사용하는 경우가 많았다. 공작물이 오스테나이트 영역에 유지되는 동안 염욕은 두 가지 침입형 원소를 모두 공급한다. 염욕에서 꺼낸 뒤에는 일반적으로 부품을 담금질하므로, 농축된 오스테나이트는 대부분 마르텐사이트로 변태한다. 따라서 생성된 케이스는 임계 온도 이하에서 형성된 질화 케이스보다는 얇은 탄질화 케이스에 야금학적으로 더 가깝다.

청화법의 역사적 중요성은 신속한 원소 전달과 비교적 얕은 표면 농축이 결합된 데 있다. 소형 기어, 핀, 부시 및 기타 저탄소강 부품은 더 깊은 침탄에 필요한 긴 노 내 처리 사이클 없이도 단단한 마르텐사이트 표면층을 얻을 수 있었다. 또한 이 처리는 “표면경화”를 침탄의 동의어로 사용할 수 없는 이유를 보여 준다. 청화법은 탄소뿐 아니라 질소도 공급하며, 질소는 오스테나이트 안정성, 경화능, 잔류 오스테나이트 거동 및 담금질에 대한 반응을 변화시키기 때문이다.

이 공정에는 상당한 제약이 따른다. 청화물 염욕은 화학적으로 위험하므로 관리된 설비 운용이 필요하며, 염 조성과 온도를 정밀하게 제어해야 한다. 이러한 취급 요건은 부수적인 세부사항이 아니라 공정 사양의 일부이다. 또한 청화법은 매우 깊은 케이스가 필요한 부품에는 적합하지 않다. 실질적인 강점이 비교적 얕은 농축층을 신속하게 형성하는 데 있기 때문이다. 담금질은 변형을 유발할 수 있으며, 인장 또는 압축 잔류응력의 분포는 형상, 강철 조성, 교반 및 뜨임 조건에 따라 달라진다.

검증에서는 높은 외부 경도값을 확인하는 것 이상이 필요하다. 연마한 단면은 마르텐사이트 케이스에서 저탄소 심부로 이어지는 변화를 보여 줄 수 있으며, 미소경도 분포 측정은 유효 경화 깊이를 확인한다. ISO 18203:2026은 침탄, 탄질화 및 질화를 포함한 열화학적 방법으로 형성된 표면경화층을 측정하기 위한 체계를 제공한다. 청화 처리된 재료에도 육안으로 추정한 층과 실제 측정된 경도 분포를 동일시하지 않는 이러한 구분이 적용된다. ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 케이스 깊이를 구체적으로 다루므로, 모든 청화 조직에 자동으로 적용된다고 가정해서는 안 된다. 이 표준에 명시된 경도 조건은 케이스 깊이의 3배 위치에서 450 HV 1 미만이다.

붕소화법과 경질 붕화물층

붕소화법이라고도 하는 보로나이징은 붕소를 강철 표면에 도입하여, 페라이트 또는 오스테나이트에 침입형 용질을 단순히 농축시키는 대신 철 붕화물을 형성하는 방법이다. 일반적인 공정 경로로는 팩 붕소화, 페이스트 또는 분말 처리, 용융염 처리, 기체 처리 및 플라스마 보조법이 있다. 선택한 공정 경로는 붕소 활성도, 온도, 시간, 표면 청정도 및 반응 전면의 형상을 제어한다.

일반 탄소강과 저합금강에서는 주된 상이 대체로 Fe₂B이며, 붕소 활성도가 더 높거나 노출 시간이 더 긴 경우에는 Fe₂B 위에 외측 FeB층이 형성될 수 있다. 이들의 형태는 흔히 톱니 모양이며, 붕화물의 돌기가 모재 안으로 침투한다. 이러한 형상은 기계적 맞물림을 향상시킬 수 있지만, 단면 위치와 시편 준비에 따라 층 특성 분석 결과가 더 크게 달라질 수 있다. 일반적으로 Fe₂B는 FeB보다 취성이 낮다. 과도하거나 연속적인 FeB층은 충격, 굽힘 및 열적 불일치에 대한 허용성을 감소시킬 수 있다. 따라서 붕소화 표면은 단순히 침탄 표면을 더 단단하게 만든 것이 아니다.

붕화물층은 금속 모재에 부착된 세라믹과 유사한 금속간 화합물 반응 영역이다. 접착력은 모재 조성, 붕화물 상의 균형, 기공도, 계면 형상 및 공정 제어에 좌우된다. 크롬, 니켈, 몰리브덴 및 탄소는 붕화물의 성장과 상 구성을 변화시킬 수 있으므로, 동일한 명목상의 처리를 모든 강종에 그대로 적용할 수는 없다. 높은 표면경도는 연삭 마모 저항에 기여할 수 있지만, 층이 지나치게 두껍거나 취성이 크거나 지지가 불충분하거나 충격 하중을 받는 경우에는 파괴 또는 박리가 지배적일 수 있다.

잔류응력은 붕소 흡수 중 발생하는 화학적 팽창과 열 사이클 모두에서 발생한다. 이러한 응력은 연삭 손상, 심부 강도 및 사용 하중과 상호작용한다. 따라서 단면 경도 분포 측정은 FeB, Fe₂B, 기공, 균열 및 확산 영향 모재로의 전이를 확인하는 금속조직 분석과 함께 수행해야 한다. X선 회절은 상과 잔류응력을 식별하는 데 도움이 될 수 있으며, 마모 시험에서는 상대재와 하중 조건을 실제 사용 환경에 맞게 재현해야 한다. 붕화물의 성능은 경도만으로 추론할 수 없다.

크롬화법과 원소 농축 표면

크롬화법은 고온 확산 공정을 통해 표면에 크롬을 도입하는 방법이다. 팩 시멘테이션, 용융염, 기상 및 플라스마 보조법을 사용할 수 있지만, 반응 화학과 설비는 서로 다르다. 크롬은 크롬 농축 고용체로 남을 수도 있고, 탄소와 반응하여 크롬이 풍부한 탄화물을 형성할 수도 있으며, 확산층과 반응층이 혼합된 층을 만들 수도 있다. 결과는 탄소 함량, 합금 원소, 온도, 시간 및 크롬의 화학 퍼텐셜에 크게 좌우된다.

이러한 차이는 크롬화법을 크롬 도금과 구별한다. 크롬화법은 열화학적 확산 처리로서, 단순히 증착된 막을 받는 것이 아니라 원래 계면 아래까지 표면 조성이 변화한다. 탄소를 함유한 강철에서는 표면 부근에 크롬이 풍부한 탄화물이 형성될 수 있으며, 다른 조성에서는 페라이트 또는 오스테나이트 내부로 크롬이 농축되고 확산되는 현상이 지배적일 수 있다. 상 구성은 경도, 인성, 마찰, 산화 거동 및 부식 반응에 영향을 준다.

크롬화법은 특정한 마모, 산화 또는 부식 환경에 대한 저항성을 갖는 크롬 농축 표면이 필요한 경우 매력적일 수 있다. 그러나 질화나 침탄을 보편적으로 대체하는 방법은 아니다. 고온 노출은 심부 미세조직을 변화시키고, 결정립 성장을 일으키며, 치수를 변화시키거나 냉각 중 잔류응력을 유발할 수 있다. 탄화물이 풍부한 층은 취성이 클 수 있으며, 접착력은 크롬 함량 자체보다 조성이 점진적으로 변화하는 건전한 모재에 좌우된다.

따라서 검증에서는 확산층 또는 반응층의 금속조직학적 측정과 함께 에너지 분산형 분광법, 글로 방전 분석 또는 기타 검증된 방법과 같은 조성 민감형 분석을 병행해야 한다. 경도 분포는 기계적 반응을 보여 주지만, 크롬 탄화물을 식별하거나 이를 크롬 농축 고용체와 구별할 수는 없다. ISO 18203:2026은 열화학적으로 경화된 층에 적용되는 일반적인 측정 원리를 제공하는 데 유용하지만, 보고서에는 크롬화층 두께를 정의하는 방법과 이를 뒷받침하는 상 분석 결과를 명시해야 한다. 세 가지 처리 모두에서 올바른 질문은 “표면이 얼마나 단단한가?”가 아니다. 어떤 원소가 침투했는지, 어떤 상이 형성되었는지, 그 층이 어떻게 지지되는지, 그리고 그 구조가 부품의 실제 파손 형태와 부합하는지가 핵심이다.

국부 열경화: 화염, 유도, 전자빔 및 레이저

ISO 18203:2026은 화염 경화, 유도 경화, 전자빔 경화 및 레이저 경화를 침탄, 탄소질화 및 질화와 함께 표면 경화층을 생성하는 방법으로 분류한다. 이러한 분류는 중요하다. 표면 경화는 하나의 열 사이클을 의미하는 것이 아니며, 침탄의 동의어도 아니다. ASM International은 표면층, 즉 경화층이 중심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 철계 재료를 처리하는 것으로 이를 정의한다. 국부 열처리법은 일반적으로 표면의 탄소 함량이나 합금 화학 조성을 변화시키지 않는다. 대신 기존 강재를 오스테나이트 영역까지 신속하게 가열한 다음, 자기 냉각 또는 적용된 담금질을 통해 해당 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킨다.

결과는 출발 강종에 크게 좌우된다. AISI 1045와 같은 중탄소강은 단단한 마르텐사이트 표면을 형성할 수 있지만, 경화 깊이는 탄소 함량과 경화능에 의해 제한된다. AISI 4140 또는 EN 42CrMo4와 같은 크롬-몰리브덴강은 합금 원소가 냉각 중 펄라이트와 베이나이트의 형성을 지연시키므로 가열된 표면에서 더 깊은 곳까지 경화될 수 있다. 따라서 열처리 공정에서는 출력이나 노출 시간을 단순히 늘린다고 해서 모든 강재에 동일한 경화 깊이를 얻을 수 없다. 내부가 너무 느리게 냉각되면 가열 영역 하부에 완전히 경화된 마르텐사이트 대신 베이나이트, 펄라이트 또는 뜨임 마르텐사이트가 포함될 수 있다.

표면 오스테나이트화와 자기 냉각

화염 경화, 유도 경화, 전자빔 경화 및 레이저 경화는 모두 국부적인 오스테나이트화 공정으로 시작된다. 표면은 관련 임계 온도 이상, 일반적으로 아공석강의 경우 Ac3 이상으로 가열되는 반면, 부피 대부분은 해당 온도보다 낮은 상태로 유지된다. 이후 가열층은 마르텐사이트 시작 및 마르텐사이트 종료 온도 범위를 통과하며 냉각된다. 많은 적용 사례에서는 차가운 중심부가 충분히 빠르게 열을 제거하여 자기 냉각이 이루어진다. 냉각 속도를 높이고 제어하기 위해 물, 폴리머, 오일 또는 가스를 분사할 수도 있다.

자기 냉각이 균일한 경도를 자동으로 보장하는 것은 아니다. 대형 축은 얇은 플랜지보다 열을 흡수하여 방출하는 능력이 크며, 날카로운 모서리는 여러 방향으로 열을 잃는다. 또한 선행 가공 공정은 표면 상태와 열 흐름을 변화시킬 수 있다. 표면은 마르텐사이트로 변태되더라도 전이 영역에는 혼합 조직이 존재할 수 있다. 과도한 오스테나이트화 온도 또는 유지 시간은 오스테나이트를 조대화하고, 유용한 탄화물을 용해하며, 잔류 오스테나이트를 증가시키고, 열영향 영역을 확대할 수 있다. 가열이 불충분하면 미용해 페라이트가 남거나, 의도한 형상 대신 가열장의 분포를 따르는 경도 패턴이 형성될 수 있다.

열 사이클은 잔류응력도 발생시킨다. 마르텐사이트는 모상인 오스테나이트보다 더 큰 부피를 차지하며, 표면과 중심부는 서로 다른 시점에 냉각되고 변태한다. 표면의 압축 잔류응력은 균열 발생 및 접촉 피로에 대한 저항성을 향상시킬 수 있지만, 인장응력 또는 급격한 응력 구배는 변형과 균열을 촉진할 수 있다. 응력의 부호와 크기는 경도만으로 추론할 수 없다. 형상, 구속 조건, 담금질 강도, 합금 조성 및 뜨임이 모두 영향을 미친다.

화염 경화에서는 산소-연료 화염을 부품 위로 이동시키고, 이어서 자기 냉각 또는 별도의 분사를 실시한다. 이 방법은 대형 표면과 보수가 가능한 생산 패턴에 적합하지만, 화염 위치, 가스 유량, 이동 속도 및 작업자나 장비의 제어 상태가 재현성에 영향을 미친다. 유도 가열은 코일에서 생성되는 교류 전자기장을 이용한다. 주파수와 출력은 전기적 가열 분포를 결정하고, 코일 형상은 축, 치형, 궤도 또는 특정 면 가운데 어느 부분이 가열되는지를 결정한다. 따라서 유도 가열은 짧은 사이클과 제한된 전체 노 가열 노출 시간으로 반복적인 패턴을 형성할 수 있다.

침탄 및 질화와 비교한 유도 경화

유도 경화는 강재의 원래 표면 조성을 유지한다. 탄소 함량이 0.40%인 강재는 표면에서도 대략 동일한 탄소 수준을 유지하며, 변화하는 것은 상과 경도뿐이다. 침탄은 이와 다르다. 탄소가 저탄소강 내부로 확산되어 저탄소 중심부 위에 고탄소 표면을 형성한다. 오스테나이트화와 담금질 후에는 이러한 구배에 의해 더 인성이 높은 저탄소 중심부와 함께 단단한 마르텐사이트 경화층이 형성된다. 침탄층은 일반적인 유도 경화층보다 상당히 깊어질 수 있지만, 정확한 깊이는 온도, 시간, 분위기, 강종 및 담금질 조건에 따라 달라진다.

탄소질화는 오스테나이트에 탄소와 질소를 모두 첨가하며, 일반적으로 마르텐사이트 경화층을 형성한다. 침탄질화는 단순히 더 짧은 탄소질화 사이클이 아니다. 탄소와 질소가 임계 온도 이하에서 페라이트로 확산되며, 일반적으로 질소가 풍부한 확산 영역 위에 철-탄소-질소 화합물층이 형성된다. 질화 역시 변태 온도 범위 이하에서 진행되며, 적합한 강재에 합금 질화물을 형성한다. 이러한 열화학적 방법은 조성을 변화시키지만, 유도 경화는 일반적으로 조성을 변화시키지 않는다.

이러한 차이는 재료 선정의 기준이 된다. 유도 경화에는 원하는 마르텐사이트 경도를 얻기 위한 충분한 탄소와 지정된 깊이까지 경화하기 위한 충분한 경화능이 필요하다. 침탄은 표면에 탄소가 공급되므로 침탄용 강종과 같은 저탄소 중심부용 강재를 사용할 수 있다. 질화는 특히 알루미늄, 크롬, 몰리브덴 또는 바나듐과 같은 질화물 형성 원소에 의존하며, 동일한 오스테나이트화 및 담금질 사이클을 필요로 하지 않는다. 유도 경화에 대한 반응이 약한 저합금강도 유용한 질화층을 형성할 수 있지만, 질화물 형성 원소가 없는 조성은 의도한 질화 반응을 나타내지 않을 수 있다.

유도 경화는 일반적으로 장시간의 침탄 사이클보다 위치 제어성이 우수하고 전체 변형이 작다. 선택된 영역만 가열되고 부품이 고온에 노출되는 시간이 더 짧기 때문이다. 그러나 변형이 전혀 발생하지 않는 것은 아니다. 불균일한 코일 결합, 비대칭 단면 두께, 담금질 지연 및 변태 응력은 축을 휘게 하거나 치형 형상을 변화시킬 수 있다. 침탄은 더 넓은 조성 및 변태 구배를 형성하고 치수 증가, 잔류 오스테나이트 및 담금질 변형을 유발할 수 있지만, 하중을 지지하는 깊은 경화층을 제공할 수 있다. 질화 및 페라이트계 침질화는 부피 전체의 오스테나이트화와 담금질을 피하므로 치수 변화가 더 작은 경우가 많다. 그러나 화합물층과 확산 영역은 의도한 마모, 마찰 또는 마찰부식 환경에 맞게 제어해야 한다.

전자빔 및 레이저 경화층

전자빔 경화와 레이저 경화는 화염 또는 일반적인 유도 가열보다 에너지를 더욱 정밀하게 집중시킨다. 전자빔은 진공에서 에너지를 전달하며, 폭이 좁고 위치를 정확하게 제어할 수 있는 오스테나이트화 트랙을 형성할 수 있다. 레이저 경화는 흡수된 광학 빔을 이용하며, 일반적으로 출력, 스폿 크기 및 이동 속도를 조정하면서 표면을 주사하여 제어된 열 프로파일을 유지한다. 두 방법 모두 복잡한 경로를 따라 처리하고, 선택된 치형이나 미끄럼 궤도를 경화하며, 인접 재료를 원래 상태에 가깝게 유지할 수 있다. 이들 방법의 경화층은 일반적으로 깊은 침탄 경화층보다 얕지만, 실제 깊이는 빔 크기, 에너지 밀도, 주사 속도, 강종 및 열 추출 조건에 의해 결정된다.

빔 가공은 급격한 열 구배를 형성할 수 있다. 냉각이 빠르면 미세한 마르텐사이트와 좁은 전이 영역이 형성될 수 있으며, 사이클이 올바르게 제어되면 결정립 성장의 기회도 적다. 그러나 에너지 투입량이 재료에 적절히 맞지 않으면 국부적인 인장 잔류응력, 표면 용융, 가열 부족 또는 연화된 중첩 띠가 발생할 수도 있다. 레이저 경화는 일반적으로 용융점 이하에서 진행하는 것을 목표로 한다. 레이저 표면 용융 또는 합금화는 별도의 공정이며, 이를 일반적인 레이저 경화로 보고해서는 안 된다. 전자빔 가공에서도 진공, 빔 초점, 이동 속도 및 부품 형상을 제어해야 한다.

검증에서는 단일 표면 경도값 이상을 측정해야 한다. ISO 18203:2026은 이러한 열처리법과 침탄, 탄소질화 및 질화로 형성된 표면 경화층의 두께를 다룬다. 표면에서 중심부 방향으로 실시하는 경도 분포 측정은 전이 위치를 파악하는 데 도움이 되며, 금속조직 검사를 통해 마르텐사이트, 페라이트, 베이나이트, 잔류 오스테나이트, 화합물층, 탄화물 및 질화물을 구별할 수 있다. ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 경화 깊이를 결정하고 검증하는 데 특정하게 적용되며, 경화 깊이의 3배 위치에서 450 HV 1 미만이라는 조건을 사용한다. 이 기준을 모든 레이저 또는 유도 경화 프로파일에 무비판적으로 적용해서는 안 된다. 지정된 경도 시험 방법과 하중, 단면 방향, 패턴 형상, 잔류응력, 변형 및 실제 접촉 조건은 모두 평가 대상 처리와 일치해야 한다.

강재 선택과 표면경화층 및 심부의 관계

ASM International의 정의에 따르면, 표면경화는 철계 재료의 표면층, 즉 표면경화층이 심부보다 현저히 더 단단해지도록 처리하는 것이다. 이 정의는 특정한 하나의 노(爐) 사이클이나 합금 계열이 아니라 물성의 차이를 설명한다. 강재 선택에 따라 어떤 경도 차이를 만들 수 있는지, 그 차이가 얼마나 깊이까지 형성되는지, 그리고 표면이 경화된 후에도 심부가 인성을 유지할 수 있는지가 결정된다.

초기 상태는 명목상 강종만큼이나 중요하다. 단조 압하량, 압연 방향, 풀림, 노멀라이징, 이전의 담금질 및 뜨임, 결정립 크기, 편석, 가공 여유는 모두 처리 반응에 영향을 미친다. 미세한 결정립의 노멀라이징 소재에 적용한 침탄 사이클은 조대한 결정립을 가진 심한 냉간가공 부품에 동일한 사이클을 적용한 경우와 정확히 같은 변형이나 심부 조직을 만들지 않는다. 따라서 열처리 사양에는 강종 지정, 단면 크기, 이전 가공 이력, 목표 표면경화 깊이, 심부 경도 또는 강도, 허용 변형량을 함께 명시해야 한다.

침탄 표면경화층에 사용되는 저탄소강

침탄은 담금질 후 유용한 마르텐사이트 심부를 형성할 수 있을 만큼의 탄소를 함유하면서도 부품 전체가 지나치게 단단하거나 취성화되지 않을 정도의 탄소 함량을 가진 강재에 적합하다. 이 공정은 고온에서 오스테나이트 상태의 표면에 탄소를 침투시켜, 저탄소 심부 위에 고탄소 표면경화층을 형성한다. 침탄 후에는 오스테나이트화와 담금질로 부품을 경화하며, 이후 저온 뜨임을 실시하는 경우가 많다. 그 결과 표면에는 고탄소 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 및 탄화물이 존재할 수 있고, 심부에는 강재의 경화능과 단면 크기에 따라 저탄소 마르텐사이트, 베이나이트 또는 혼합 조직이 형성된다.

일반적인 침탄용 강재로는 SAE 1020, SAE 8620, SAE 4320, AISI 9310, EN 10084 16MnCr5 및 EN 10084 20MnCr5가 있다. 그러나 이러한 강종 명칭이 나열된 모든 강재가 동일한 표면경화층을 형성한다는 의미는 아니다. SAE 1020은 합금 원소 함량이 비교적 낮고 심부 경화능이 제한적이므로, 두꺼운 단면에서는 담금질 후 표면경화층 아래에 페라이트와 펄라이트 또는 베이나이트가 남을 수 있다. SAE 8620과 4320은 크롬, 니켈 및 몰리브덴을 조합하여 함유하므로 경화능이 높아지고, 더 큰 단면에서도 강한 심부를 형성할 수 있다. 니켈, 크롬 및 몰리브덴을 함유한 AISI 9310은 깊은 표면경화층과 높은 심부 강도가 요구되는 경우 사용되지만, 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임을 여전히 엄격하게 관리해야 한다.

탄소 포텐셜과 침탄 온도는 강재의 합금 원소 함량 및 요구되는 표면 탄소 함량을 고려하여 선정해야 한다. 표면 탄소가 과도하면 더 우수한 작동 표면이 형성되는 대신 탄화물 망상 조직, 과도한 잔류 오스테나이트 및 치수 불안정이 발생할 수 있다. 탄소 농도 구배도 중요하다. 급격한 전이는 응력을 집중시킬 수 있지만, 적절히 구배가 형성된 표면경화층은 하중을 심부로 보다 점진적으로 전달한다. 유효 표면경화 깊이는 표면 경도만으로 추정할 수 없다.

침탄 부품은 유효 표면경화 깊이와 심부 특성을 함께 기준으로 규정하는 경우가 많다. ISO 2639:2002는 침탄 및 경화 표면경화층 깊이의 결정과 검증을 다루며, 표면경화 깊이의 세 배 지점에서 경도 기준이 450 HV 1 미만이 되는 것을 적용성 판단 기준으로 사용한다. 따라서 표면에서 중심부 방향으로 측정한 경도 트래버스가 표면에서 단 한 번 측정한 로크웰 또는 비커스 경도값보다 더 많은 정보를 제공한다. 산화, 탄화물 석출, 잔류 오스테나이트, 탈탄 및 불리한 전이 영역을 확인하기 위해 금속조직학적 검사도 필요할 수 있다.

질화 및 유도 경화에서의 합금 원소 영향

질화와 페라이트계 니트로카버라이징은 침탄과 동일한 강재 화학 조성이나 상(相) 변태 사이클을 필요로 하지 않는다. 질화에서는 임계 온도 이하에서 질소가 페라이트 내부로 확산되고, 페라이트계 니트로카버라이징에서는 탄소와 질소가 페라이트 내부로 확산된다. 그 결과 표면에는 철 질화물로 이루어진 화합물층이 형성될 수 있으며, 이 층은 일반적으로 ε-Fe₂–₃N 및 γ′-Fe₄N과 같은 상으로 설명된다. 화합물층 아래에는 합금 질화물을 포함하는 확산층이 존재한다. 이 처리에 의해 심부가 고탄소 마르텐사이트로 변태하는 것은 아니다. 심부는 이미 요구되는 강도와 인성을 제공할 수 있는 초기 상태여야 한다.

알루미늄, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐은 중요한 질화물 형성 원소이다. 이 원소들은 미세하고 분산된 합금 질화물을 형성하여 확산층의 경도를 높이고 소성 변형에 대한 저항성을 향상시킨다. EN 10085 31CrMoV9 및 EN 10085 34CrAlNi7-10과 같은 강재가 질화용으로 사용되는 이유는 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 그리고 후자의 강종에서는 알루미늄이 질화물 형성을 돕기 때문이다. 일반 탄소강도 질소를 흡수할 수 있지만, 일반적으로 이와 동일하게 안정적인 합금 질화물 강화 반응을 나타내지는 않는다. 표면 경도에 지나치게 초점을 맞추면 마찰, 마모, 부식 및 소착에서 화합물층이 수행하는 역할이 가려질 수도 있다. 화합물층의 두께와 상 구성비는 접촉 조건에 부합해야 한다.

질화는 일반적으로 담금질 및 뜨임 처리된 강재에 실시한다. 뜨임 온도는 예정된 질화 온도보다 높아야 하며, 그렇지 않으면 처리 중 심부가 연화될 수 있다. 이 요건은 강종을 공정 순서와 독립적으로 선택할 수 없는 이유를 보여준다. 질화 전 인장 강도가 적절했던 강재라도 뜨임 상태가 적합하지 않으면 그 강도의 일부를 잃을 수 있다.

유도 경화는 다시 다른 원리를 따른다. 유도 경화에서는 상당한 양의 탄소나 질소를 첨가하지 않는다. 대신 국부적인 전자기 가열로 기존 표면 조성에서 오스테나이트를 형성한 뒤, 자기 냉각 또는 외부 냉각을 통해 마르텐사이트를 생성한다. ISO 18203:2026은 화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화로 형성된 표면경화층뿐 아니라 침탄, 탄질화 및 질화로 형성된 층도 다룬다. 유도 경화에서는 탄소 함량, 기존 펄라이트 또는 페라이트의 분포, 결정립 크기, 전기적 특성, 주파수, 전력 밀도, 스캔 속도 및 냉각 지연 시간이 모두 경화 프로파일에 영향을 미친다.

AISI 1045는 적절한 단면에서 유용한 유도 경화층을 형성할 수 있는 경우가 많으며, AISI 4140은 크롬과 몰리브덴으로 인해 더 높은 심부 경화능을 제공한다. 오스테나이트화 깊이, 냉각 강도 및 균열 민감도를 확인하지 않고 동일한 가열 조건을 두 강종 사이에 그대로 적용해서는 안 된다. 표면이 마르텐사이트 경도에 도달하더라도 전이가 지나치게 급격하거나 처리되지 않은 심부의 강도가 부족하면 부품은 여전히 파손될 수 있다.

심부 경화능, 인성 및 단면 크기

경화능경화능 냉각 중 강이 특정 깊이까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력으로, 형성된 마르텐사이트의 경도와는 구별된다.

경화능은 담금질 중 주어진 단면 전체에 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력이며, 경도와 같은 개념이 아니다. 탄소는 마르텐사이트의 경도를 주로 결정하는 반면, 망간, 크롬, 니켈 및 몰리브덴과 같은 합금 원소는 일반적으로 펄라이트 및 베이나이트 변태를 지연시켜 경화능을 높인다. 조미니 단단끝 시험 결과와 계산 또는 측정된 냉각 곡선은 강종 및 단면 크기와 최종 심부 조직의 관계를 파악하는 데 도움이 될 수 있다.

SAE 8620으로 제작한 얇은 기어는 대부분 마르텐사이트로 이루어진 심부를 형성할 수 있지만, 동일 용강으로 제작한 두꺼운 축은 중심부에 더 낮은 경도의 베이나이트 또는 페라이트를 포함할 수 있다. 이러한 차이는 피로 강도, 충격 거동, 치수 변화, 그리고 구름 또는 미끄럼 접촉에서 표면경화층을 지지하는 능력에 영향을 미친다. 심부가 약한 상태에서 표면경화층만 지나치게 단단하면 표면 경도 성적서가 만족스러워 보여도 심부가 붕괴하거나 균열이 발생하거나 표면 아래 피로가 발생할 수 있다.

인성 역시 한계를 부과한다. 탄소 및 합금 원소 함량을 높이면 심부 경도는 증가할 수 있지만, 노치, 연삭 손상 및 담금질 응력에 대한 허용성이 감소할 수 있다. 니켈은 대체로 인성 유지에 기여하지만, 과도한 탄화물 형성이나 조대한 오스테나이트 결정립은 인성을 저하시킬 수 있다. 요구되는 절충점은 하중 형태에 따라 달라진다. 침탄 기어 이, 질화 크랭크축 저널 및 유도 경화 레일 부품은 동일한 요구 조건을 부과하지 않는다.

단면 크기는 냉각 속도를 좌우하며, 따라서 심부 변태를 결정한다. 담금질 강도, 부품 방향, 오일 또는 폴리머 냉각제의 선택, 교반, 중단 담금질 또는 프레스 담금질은 변형과 잔류 응력에 영향을 미친다. 사전 가공과 국부 형상도 중요하다. 날카로운 어깨부, 키홈 및 얇은 기어 이는 허브나 축과 다르게 가열되고 냉각된다. 변형에 민감한 부품에서는 더 낮은 경화능의 강재를 선택하여 처리 깊이를 얕게 하거나, 더 높은 경화능의 강종에 더 완만한 담금질을 적용할 수 있다. 그러나 시험 없이 어느 방법도 안전하다고 할 수 없다.

검증은 규정된 표면경화층을 부품의 실제 기능과 연계해야 한다. 경도 트래버스, 심부 경도, 금속조직 검사, 잔류 오스테나이트 측정, 치수 검사 및 균열 검사가 모두 필요할 수 있다. ISO 18203:2026은 열처리 및 열화학적 방법으로 형성된 표면경화층의 두께 측정을 위한 체계를 제공하며, ISO 2639:2002는 침탄 및 경화 표면경화층 깊이와 직접적으로 관련된다. 지배 원리는 간단하다. 표면경화 깊이, 표면경화층 조직, 잔류 응력 및 심부 상태는 하나의 설계 문제이다. 부적합한 심부를 단단한 표면경화층이 보완할 수는 없다.

표면경화 깊이, 경도 프로파일 및 ISO 검증

표면 경도값은 표면경화 깊이의 측정값이 아니다. ASM International의 정의에 따르면, 표면경화는 철계 재료의 표면층, 즉 표면경화층이 심부보다 현저히 더 단단해지도록 처리하는 것이다. 이 정의에서 경도 구배가 핵심이 된다. 중요한 것은 표면이 단순히 얼마나 단단한지가 아니라, 표면으로부터의 거리에 따라 경도가 어떻게 변하는지, 그리고 경화층이 어디에서 끝나는지이다.

답변은 처리 방법에 따라 달라집니다. 침탄은 상대적으로 탄소 함량이 낮은 내부에 탄소를 첨가하며, 일반적으로 이어지는 오스테나이트화와 담금질을 통해 농축된 표면이 주로 마르텐사이트로 변태하도록 합니다. 탄질화는 오스테나이트에 탄소와 질소를 첨가하며, 일반적으로 마르텐사이트 경화층을 형성합니다. 질화와 페라이트계 연질화는 임계 변태 온도보다 낮은 온도에서 진행되므로, 질소 또는 질소와 탄소가 페라이트 내부로 확산될 수 있습니다. 이들의 확산 영역, 화합물층, 석출물 및 경도 구배는 침탄된 마르텐사이트인 것처럼 해석할 수 없습니다.

화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화는 표면 화학 조성의 필수적인 변화를 일으키지 않습니다. 이 방법들은 기존 조성을 국부적으로 가열하고, 오스테나이트 형성 후 자체 담금질 또는 별도의 담금질을 이용합니다. 그 결과 형성되는 마르텐사이트층은 모재와 뚜렷한 경계를 가질 수 있지만, 침탄층은 일반적으로 탄소에 따른 구배를 가지며 잔류 오스테나이트, 탄화물 또는 기타 변태 생성물을 포함할 수 있습니다. 붕소화와 크로마이징은 또 다른 유형의 표면층을 형성합니다. 이 경우 표면층은 일반적인 탄소 농축 마르텐사이트 경화층보다는 경질 붕화물 또는 크롬화물을 함유한 반응 영역이 지배적인 경우가 많습니다.

따라서 “경화층 깊이”는 명시된 정의, 측정 하중, 방향 및 합격 기준과 연계되어야 합니다. 로 또는 유도 가열 사양에 기록된 공정 깊이는 완성 부품에서 측정된 깊이를 입증하지 않습니다.

ISO 18203:2026과 표면 경화층 두께

ISO 18203:2026은 열처리 및 열화학적 처리로 생성된 표면 경화층의 두께를 결정하기 위한 폭넓은 체계를 제공합니다. 이 표준의 명시된 적용 범위에는 화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화와 함께 탄질화, 침탄 및 질화가 포함됩니다. 이러한 적용 범위가 중요한 이유는 경화 처리가 침탄만을 의미한다는 일반적인 가정을 배제하기 때문입니다.

국부 열처리에서는 온도 사이클과 상변태를 통해 경화층이 형성됩니다. 측정은 일반적으로 표면에서 미변질 재료 방향으로 수행하는 경도 트래버스를 따릅니다. 그런 다음 해당 절차에서 적용되는 경도 변화 또는 기타 지정된 경계를 기준으로 깊이를 정합니다. 열화학적 처리의 경우 측정층은 처리 방법과 검사 목적에 따라 경도, 금속조직, 화학 조성 또는 이들의 조합으로 정의할 수 있습니다.

따라서 ISO 18203:2026은 모든 강종과 처리에 동일한 수치 기준 하나가 적용된다는 주장이 아니라, 측정 체계로 이해해야 합니다. 질화층은 확산 영역 위에 얇은 화합물층을 포함할 수 있습니다. 화합물층은 그 아래의 확산 영역보다 경도가 높을 수 있지만, 자동으로 전체 질화 깊이와 동일시할 수는 없습니다. 페라이트계 연질화에서는 백색층과 확산 영역을 별도로 보고해야 할 수 있습니다. 반면 침탄 및 담금질된 경화층은 높은 표면 경도에서 모재 방향으로 점진적으로 감소하는 경도 프로파일을 통해 평가할 수 있습니다.

금속조직 검사는 화합물층과 확산 영역 사이의 계면, 변태 경계 또는 에칭 반응의 변화와 같은 가시적 경계를 확인할 수 있습니다. 경도로 정의된 경계는 이와 다릅니다. 이는 압입 트래버스와 지정된 한계 경도로부터 계산된 위치입니다. 두 경계는 일치하지 않을 수 있습니다. 가시적인 변화가 화학적 또는 구조적으로 중요하더라도 경도 변화는 작을 수 있으며, 반대로 에칭 단면에서 뚜렷하게 보이는 경계를 넘어 경도 저하가 이어질 수도 있습니다.

이러한 구분은 유도, 화염, 전자빔 또는 레이저 경화 후 특히 중요합니다. 마르텐사이트와 원래 모재 사이의 금속조직학적 경계는 온도 구배, 초기 금속조직 및 담금질 조건 때문에 불규칙할 수 있습니다. 경도 트래버스는 기능적 변태 경계를 이와 다른 거리로 설정할 수 있습니다. 측정 방향도 중요합니다. 단면 두께가 변하거나 곡률이 있거나 가열 영역이 서로 겹치는 부품에서는 경화층 두께가 일정하지 않을 수 있습니다.

따라서 ISO 18203:2026은 사용한 방법, 트래버스 또는 단면의 위치, 경도 척도와 하중, 그리고 두께에 사용한 정의를 명시하는 보고를 뒷받침합니다. “경화층 깊이: 1.2 mm”라는 표기는 보고서에 이것이 경도 기준 깊이인지, 금속조직학적 깊이인지, 전체 층 두께인지 또는 공정에서 지정한 목표인지 명시하지 않는 한 불완전합니다.

ISO 2639:2002와 침탄 경화층 깊이

ISO 2639:2002은 침탄 및 경화된 경화층의 깊이를 결정하고 검증하는 데 특화된 표준입니다. 이는 질화층, 연질화층, 붕소화층 또는 레이저 경화층에 보편적으로 적용되는 방법이 아닙니다. 이 표준에서 잘 알려진 유효 경화층 깊이 접근법은 경도 트래버스에 기반하며, 유효 깊이는 일반적으로 경도가 550 HV 1로 떨어지는 지점까지로 정합니다. 또한 표준의 적용 조건도 명시해야 합니다. 즉, 경화층 깊이의 3배 위치에서 경도가 450 HV 1 미만이어야 합니다.

HV 1HV 1 공칭 1 kgf의 시험력을 사용하여 실시하는 비커스 경도 측정으로, 약 9.807 N에 해당한다.

이 조건은 모재가 지나치게 높은 경도를 유지하거나 경도 프로파일이 경화층과 모재 사이에 예상되는 분리를 제공하지 않는 경우, 별도의 적합성 검토 없이 해당 방법을 적용하지 못하도록 합니다. HV 1 표기는 약 9.807 N에 해당하는 1 kgf 시험력을 사용하여 측정한 비커스 경도를 의미합니다. 하중은 장식적인 세부 사항이 아닙니다. 시험력을 변경하면 압흔 크기, 국부 상에 대한 민감도 및 때로는 보고값이 달라집니다. 특히 표면, 탄화물, 기공 또는 뚜렷한 금속조직 경계 부근에서 그러합니다.

ISO 2639:2002은 침탄이 일반적으로 탄소 농도 및 이후의 담금질 변태와 관련된 경도 구배를 형성하기 때문에 침탄강에 적합합니다. 저탄소 모재는 한계 경도 미만으로 남는 반면, 탄소가 풍부한 표면은 고탄소 마르텐사이트를 형성할 수 있습니다. 그러면 트래버스에서 표면에서 모재 방향으로 감소하는 프로파일을 확인할 수 있으며, 개별 압흔 간격보다 보간을 통해 지정된 경도 경계를 더 정밀하게 위치시킬 수 있습니다.

그 결과는 측정된 유효 경화층 깊이이며, 침탄 사이클에서 의도한 깊이와 반드시 일치하는 것은 아닙니다. 로 온도, 탄소 포텐셜, 시간, 강의 조성, 초기 결정립 조직, 담금질 강도, 뜨임 및 표면 상태가 모두 최종 프로파일에 영향을 미칩니다. 부품이 확산 시간으로 계산한 공정 깊이를 충족하더라도, 담금질로 과도한 베이나이트가 형성되었거나 뜨임으로 표면 경도가 낮아졌다면 경도 요구 조건을 충족하지 못할 수 있습니다. 반대로 높은 표면 경도만으로 그 아래에 충분한 경화 재료가 존재한다고 판단할 수는 없습니다.

탄질화 경화층에는 주의가 필요합니다. ISO 2639:2002은 침탄 및 경화된 경화층을 다루지만, 탄질화는 탄소와 질소를 모두 도입하여 경화능, 잔류 오스테나이트, 석출물 및 경도 프로파일의 형상을 변화시킬 수 있습니다. 탄질화 제품에 이 표준을 적용하는 경우 도면, 사양서 또는 검사 계획에서 그 적용 가능성을 명확히 해야 합니다. 또한 탄질화와 침탄이 동일한 금속조직을 생성한 것처럼 결과를 제시해서는 안 됩니다.

“전체 경화층 깊이”와 “유효 경화층 깊이”도 서로 다른 용어입니다. 전체 경화층 깊이는 유효 한계보다 경도가 낮은 영역을 포함하여 화학적 또는 금속조직학적으로 변화된 완전한 층을 의미할 수 있습니다. 유효 경화층 깊이는 침탄 및 경화된 경화층에 대한 550 HV 1과 같은 경도 기준에 연계된 관례입니다. 어느 용어도 탄소 확산 거리와 자동으로 동일하지 않습니다. 화학 분석으로 측정한 탄소 프로파일은 경도 요구 조건을 충족하는 깊이보다 더 멀리까지 이어질 수 있습니다. 특히 모재의 경화능이 낮거나 담금질로 혼합 변태 생성물이 형성된 경우에 그러합니다.

HV 1, 경도 트래버스 및 450 HV 1 기준

비커스 경도 트래버스는 처리된 표면에서 모재 방향으로 일련의 압흔을 배치합니다. 압흔 간격은 구배를 확인할 수 있을 만큼 작아야 하며, 동시에 인접 압흔이나 표면 가장자리가 서로에게 영향을 주지 않을 만큼 충분히 커야 합니다. 일반적으로 첫 번째 압흔을 가장자리에 바로 배치하지 않습니다. 가장자리 효과, 탈탄, 산화, 거칠기 및 곡률이 측정값을 왜곡할 수 있기 때문입니다.

보고서에는 단면 방향, 표면 준비 상태, 각 압흔의 표면으로부터의 거리, HV 1 결과 및 경계를 계산하는 데 사용한 방법을 기록해야 합니다. 단일 표면 측정값만으로는 프로파일이 점진적으로 감소하는지, 연한 표면 아래에 경화된 돌출부가 존재하는지, 또는 화합물층으로 인해 평탄부에 도달하는지를 알 수 없습니다. 기어 이, 축 또는 불규칙한 단면에서는 여러 트래버스가 필요할 수 있습니다. 복잡한 형상에서는 가열, 침탄 및 담금질이 거의 균일하게 이루어지지 않기 때문입니다.

ISO 2639:2002에 따라 평가하는 침탄 경화층에서는 550 HV 1 유효 깊이 기준과 경화층 깊이의 3배 위치에서 적용되는 450 HV 1 미만 조건을 혼동해서는 안 됩니다. 550 HV 1 값은 지정된 유효 경계를 위치시키며, 450 HV 1 조건은 경도 프로파일이 해당 방법의 적용에 적합한지를 판단합니다. 후자는 경화층 깊이에 대한 보편적 정의가 아니며, 모든 경화층이 450 HV 1에서 끝나야 한다는 의미도 아닙니다.

질화는 이러한 구분이 중요한 이유를 보여 줍니다. 질화물 석출은 높은 표면 경도를 형성한 뒤 긴 확산 영역을 따라 경도가 감소하게 할 수 있으며, 모재는 비교적 높은 경도를 유지할 수 있습니다. 450 HV 1 또는 550 HV 1 경계는 기능적 질화층을 설명하는 데 적합하지 않을 수 있습니다. 금속조직 검사, 질소 프로파일 분석, 미세조직 식별 또는 공정별 경도 기준이 필요할 수 있습니다. 동일한 주의가 페라이트계 연질화에도 적용됩니다. 화합물층 두께와 확산 영역 깊이가 모두 사용 중 거동에 영향을 미치는 경우에는 이를 별도로 보고해야 합니다.

따라서 검증은 처리 방식 및 주장된 특성에 부합해야 합니다. 경도 트래버스는 변태 경화된 층에 강력한 방법이지만, 관련 경계가 조성 또는 상에 의해 결정되는 경우에는 금속조직학적 검사나 화학적 프로파일링을 대신할 수 없습니다. ISO 18203:2026은 보다 광범위한 체계를 제공하고, ISO 2639:2002는 규정된 침탄 경화층 방법을 제공합니다. 어느 표준도 “경화층 깊이”를 그 자체로 설명이 필요 없는 수치로 만들어 주지는 않습니다.

금속조직학: 경화층의 판독

경도 트래버스는 프로파일을 제공할 뿐, 미세조직에 대한 설명은 제공하지 않습니다. 금속조직학적 검사는 해당 프로파일이 왜 그러한 형태를 갖는지를 보여 줍니다. 즉, 경화층에 고탄소 마르텐사이트, 베이나이트, 탄화물, 질화물 또는 잔류 오스테나이트가 포함되어 있는지, 경화층에서 심부로의 전이가 점진적인지 급격한지, 그리고 결함이 경화층을 단절시켰는지를 확인할 수 있습니다. ASM International의 금속조직학 지침은 현미경 검사를 단순히 경도를 장식적으로 확인하는 수단이 아니라, 가공, 상 구성 및 결함을 사용 중 거동과 연관시키는 수단으로 다룹니다.

이러한 구별이 중요한 이유는 ASM이 표면층, 즉 경화층이 심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 철계 재료를 처리하는 것을 표면경화로 정의하기 때문입니다. 표면은 탄소, 질소 또는 양쪽 모두로 농축될 수 있으며, 기존 조성이 국부 가열에 의해 변태될 수도 있습니다. 그 결과 생성되는 미세조직은 처리 온도, 냉각 속도, 합금 함량 및 후속 뜨임에 따라 달라집니다.

절단, 마운팅, 연마 및 에칭

시험편은 실제 작동 표면과 그 방향을 대표해야 합니다. 일반적으로 처리된 표면에 수직으로 단면을 절단하며, 경화층 뒤쪽에 심부가 포함될 수 있도록 충분한 재료를 남겨야 합니다. 절단 과정에서는 가열과 기계적 변형을 최소화해야 합니다. 탄 흔적이 있거나 번진 가장자리는 처리 결함처럼 보일 수 있으며 실제 계면을 가릴 수 있습니다. 기어 이, 축 또는 베어링 레이스의 경우 곡률, 단면 두께 및 국부 냉각 조건이 경화층에 영향을 미치므로 단면 위치도 중요합니다.

작은 시험편은 열압축 수지 또는 냉간 경화 시스템을 사용하여 수지에 마운팅합니다. 마운팅 재료는 얇은 가장자리를 지지해야 하며, 균열을 메우거나 취성 화합물층을 인장하여 탈락시키지 않아야 합니다. 연삭은 점차 더 미세한 연마재를 사용하여 진행한 뒤, 다이아몬드 현탁액 또는 콜로이드 실리카로 연마합니다. 과도한 압력은 표면을 평탄화하거나 연질 잔류 오스테나이트를 끌어 움직이게 하거나, 질화물과 탄화물을 단면 전체에 번지게 할 수 있습니다. 따라서 최종 연마는 단순히 사진 촬영을 위한 준비가 아니라 금속조직학적 단계입니다.

에칭은 서로 다른 영역을 선택적으로 공격하여 상의 경계와 조성 구배를 드러냅니다. 2% 나이탈 용액은 탄소강과 저합금강에 일반적으로 사용되며, 뜨임 마르텐사이트, 베이나이트 및 탄화물 사이의 대비를 높이는 데는 피크랄 또는 다른 시약이 더 적합할 수 있습니다. 나이탈은 산화 피막, 탈탄층 또는 약하게 공격된 잔류 오스테나이트 영역을 실제보다 특징이 없는 영역처럼 보이게 할 수 있습니다. 질화 및 니트로침탄 표면은 화합물층이 얇고 단단하며 쉽게 파괴되거나 탈락하므로, 세심한 연마와 적절한 시약이 필요한 경우가 많습니다.

연마 후 에칭하지 않은 상태도 검사해야 합니다. 이 상태에서는 기공, 균열, 개재물, 산화 피막, 화합물층의 박리 및 연마 중 인출된 흔적을 확인할 수 있으며, 이러한 특징은 에칭 이미지에서 가려질 수 있습니다. 광학현미경은 일반적으로 경화층 프로파일과 주요 변태 생성물을 확인하는 데 충분합니다. 그러나 광학적으로 상을 식별하거나 질소 분포를 분해하여 확인할 수 없는 경우에는 주사전자현미경, 전자 후방산란 회절, 마이크로프로브 분석 또는 X선 회절이 필요할 수 있습니다.

마르텐사이트, 베이나이트, 탄화물, 질화물 및 잔류 오스테나이트

침탄 경화층은 일반적으로 오스테나이트화 및 담금질 후 고탄소 마르텐사이트를 나타내며, 잔류 오스테나이트와 탄화물 입자를 일부 포함하는 경우가 많습니다. 탄소 포텐셜, 온도 또는 유지 시간이 적절히 제어되지 않으면 표면이 표면 아래 영역보다 더 조대하거나 합금 원소가 더 많이 농축될 수 있습니다. 탄소 함량이 더 낮은 내부는 강종과 담금질 강도에 따라 저경도의 마르텐사이트, 베이나이트 또는 뜨임 조직으로 변태합니다. 경화층에서 심부로의 전이는 단순한 경계선이 아니라 변화하는 조직으로 판독해야 합니다.

침탄질화는 오스테나이트에 탄소와 질소를 도입하며, 일반적으로 담금질 후 마르텐사이트 경화층을 형성합니다. 질소는 표면 부근의 경화능을 향상시킬 수 있지만, 과도한 농축은 잔류 오스테나이트를 증가시키거나 냉각 후 질화물을 생성할 수 있습니다. 침탄강과 침탄질화강 모두에서 용해되지 않은 합금 탄화물, 탄화물 망상 조직, 조대한 구오스테나이트 결정립 및 국부적으로 연질인 변태 생성물은 공정 또는 합금 제어상의 문제를 나타냅니다.

베이나이트는 냉각 속도가 더 느리거나 단면이 두꺼운 경우, 또는 중단 담금질 후 마르텐사이트 경화층 아래에 나타날 수 있습니다. 베이나이트의 존재 자체가 자동으로 불량을 의미하지는 않습니다. 그 중요성은 함량, 형태, 경도 및 위치에 따라 결정됩니다. 어둡게 에칭된 띠만으로는 신뢰성 있는 상 식별을 할 수 없습니다.

질화는 침탄 및 침탄질화와 근본적으로 다릅니다. 질소는 임계 온도 이하에서 페라이트로 확산하므로, 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 담금질 변태가 필수적으로 발생하지 않습니다. 확산층에는 크롬, 몰리브덴, 바나듐 또는 알루미늄을 함유한 강에서 합금 질화물 석출물이 존재할 수 있습니다. 한편 표면에는 일반적으로 ε-Fe₂–₃N 및 γ′-Fe₄N으로 구성되는 철 질화물 화합물층이 형성될 수 있습니다. 페라이트계 니트로침탄 역시 임계 온도 이하에서 탄소와 질소를 도입하며, 일반적으로 침탄 마르텐사이트 경화층보다는 질소 및 탄소 확산층 위에 화합물층이 형성됩니다.

잔류 오스테나이트는 침탄층과 침탄질화층에서 특히 중요합니다. 에칭 후 밝게 보일 수 있지만, 광학적 대비만으로는 확정할 수 없습니다. 과도한 잔류 오스테나이트는 사용 중 또는 연삭 중에 변태하여 치수와 잔류응력을 변화시킬 수 있습니다. 금속조직학적 검사는 X선 회절, 자기적 방법 또는 정밀하게 보정된 정량 현미경 분석으로 보완할 수 있습니다.

화합물층, 균열, 기공 및 계면

니트로침탄 화합물층은 두께, 연속성, 상 구성, 기공률 및 접착성을 기준으로 평가해야 합니다. 얇고 연속적인 층은 두 표면의 미소경도가 유사하더라도 다공성 또는 균열이 있는 층과 크게 다를 수 있습니다. 외부 표면 부근의 기공, 과도한 ε상, 취성 연속 망상 조직 및 화합물층과 확산층 계면의 박리는 마찰, 마모 및 마찰부식에 영향을 줄 수 있습니다. 그 아래의 확산층에는 예상되는 석출물이 나타나야 하며, 심부를 향해 점진적인 변화가 보여야 합니다.

침탄 및 침탄질화 단면에서는 탈탄, 산화 및 입계 산화를 확인해야 합니다. 탈탄은 표면에 저탄소 페라이트 또는 마르텐사이트 함량이 낮은 띠로 나타나며, 하중 지지 능력을 감소시킬 수 있습니다. 입계 산화는 탄소 농축이 완료되기 전에 산화성 로 분위기가 침투할 때 표면 부근의 구오스테나이트 결정립계를 따라 형성됩니다. 깊이는 얕을 수 있지만, 산화된 결정립계가 균열 발생 경로를 제공하기 때문에 유해할 수 있습니다. 산화 피막, 스케일 및 비금속 개재물을 합금상으로 오인해서는 안 됩니다.

담금질 균열은 일반적으로 표면 또는 응력 집중부에서 시작하여 뻗어 나가는 날카롭고 불규칙한 균열이며, 담금질 중 형성된 경우 산화물이 없는 새로운 파면을 보이는 경우가 많습니다. 금속조직학적 검사는 이를 준비 균열과 구별할 수 있습니다. 준비 균열은 흔히 연마된 표면에서 끝나거나 마운팅 및 연삭 손상을 따라 진행됩니다. 연삭 번은 뚜렷하게 열린 균열을 만들지 않고도 재뜨임 또는 재경화 띠, 변화된 에칭 반응 및 인장 잔류응력을 유발할 수 있습니다.

변형 관련 결함은 형상과 조직을 함께 검사해야 합니다. 부품이 허용 가능한 경화층 미세조직을 나타내더라도 불균일한 변태 변형, 열 구배 또는 잔류응력으로 인해 굽힘, 타원도 또는 치형 변화가 발생하여 치수 한계를 벗어날 수 있습니다. 금속조직학만으로는 변형을 측정할 수 없으므로, 치수 검사와 병행해야 하며 필요한 경우 잔류응력 측정도 실시해야 합니다.

금속조직학적 경화층 깊이와 경도에 의한 경화층 깊이는 서로 관련되어 있지만 서로 바꾸어 사용할 수는 없습니다. ISO 2639:2002는 경도 트래버스로 침탄 및 경화된 경화층 깊이를 결정하며, 경화층 깊이의 3배 지점에서 450 HV 1 미만이라는 규정된 기준을 사용합니다. ISO 18203:2026은 화염, 고주파, 전자빔 및 레이저 경화로 형성된 표면경화층뿐 아니라 침탄질화, 침탄 및 질화를 다룹니다. 현미경 사진은 가시적인 변태 경계, 확산층 또는 화합물층을 식별할 수 있는 반면, 경도 방법은 규정된 기계적 임계값의 위치를 정합니다. 두 기술에 의한 설명은 모두 유용하지만, 어느 한쪽의 결과를 다른 쪽의 결과로 보고해서는 안 됩니다.

표면경화강의 마찰학 및 마찰부식

표면경화는 하나의 마찰학적 조건을 의미하지 않는다. ASM International은 표면층, 즉 경화층이 심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 철계 재료를 처리하는 것으로 표면경화를 정의한다. 이 경화층은 접촉 상태를 변화시키지만, 그 효과는 접촉에 가해지는 하중과 표면의 제조 방식에 따라 달라진다. 윤활된 구름–미끄럼 접촉을 받는 경화 기어 이빨은 경계윤활 상태의 질화 밸브 부품이나 전해질에 노출된 질화침탄 축과 동일한 과정으로 파손되지 않는다.

이러한 구별이 중요한 이유는 표면경화 처리가 서로 다른 종류의 원소, 상, 깊이 및 잔류응력을 도입하기 때문이다. 침탄은 저탄소 내부 위에 고탄소 표면층을 형성하며, 일반적으로 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임을 거쳐 깊은 마르텐사이트 경화층을 만든다. 침탄질화는 오스테나이트에 탄소와 질소를 첨가하며, 일반적으로 마르텐사이트 형성에 의존한다. 질화는 페라이트에 질소를 도입하는 반면, 페라이트계 질화침탄은 임계온도 이하에서 탄소와 질소를 모두 도입한다. 후자의 처리에서는 질소 확산층이 형성될 수 있으며, 공정 조건이 허용하는 경우 철–탄소–질소 화합물층도 형성될 수 있다. 이들 모두를 표면경화강이라고 부른다는 이유만으로, 이들의 마찰 및 부식 거동을 침탄강으로부터 추론할 수는 없다.

마모 메커니즘과 접촉 피로

깊은 마르텐사이트 경화층은 주로 하중을 지지하는 구조이다. 경화층의 높은 경도는 접촉 표면 부근의 연삭성 쟁기질, 접착 접합부의 성장 및 소성변형에 저항하며, 인성이 높은 심부는 충격과 반복 굽힘 하에서 경화층을 지지한다. 이러한 조합은 기어, 캠 및 고하중 구름–미끄럼 접촉에서 중요하다. 그러나 높은 표면경도가 미세 피팅, 피팅, 스커핑 또는 경화층 균열을 방지하는 것은 아니다. 접촉응력, 미끄럼비, 정렬 상태, 표면 마무리, 개재물, 잔류 오스테나이트, 탄화물 분포, 경화층 깊이, 그리고 압축 또는 인장 잔류응력이 모두 결과에 영향을 미친다.

구름–미끄럼 접촉에서는 반복적인 표면 아래 전단으로 인해 명목상 표면 아래에서 균열이 시작될 수 있다. 유효 경화 깊이가 작용 응력장에 비해 지나치게 작으면 균열이 더 연한 전이 영역에 도달하여 박리(spalling)를 가속할 수 있다. 또한 거칠기 돌기, 이물질 또는 모서리 하중으로 국부 인장응력이 발생하면, 매우 단단하지만 취성인 표면에서 파편이 떨어져 나갈 수 있다. 잔류 오스테나이트는 사용 중 변태하여 치수와 잔류응력을 변화시킬 수 있으며, 이러한 변화는 열적·기계적 이력에 따라 손상을 줄이거나 증가시킬 수 있다.

질화는 하중 지지 특성이 다르게 나타난다. 질소는 침입형 강화와 합금 질화물 형성을 통해 확산층을 강화하며, 그 반응은 강의 조성과 공정 전위에 의해 좌우된다. 경화 영역은 침탄 경화층보다 얕은 경우가 많지만, 그 경사 구조와 압축 잔류응력은 피로 저항에 기여할 수 있다. 지나치게 두껍거나 연속적인 화합물층은 심한 충격 또는 높은 헤르츠 접촉응력에서 균열이 발생하거나 박리될 수 있다. 얇고 제어된 화합물층은 접착 마모를 줄일 수 있지만, 그 성능은 여전히 거칠기, 상대재의 재료 및 윤활에 좌우된다.

페라이트계 질화침탄에서는 일반적으로 확산층 위에 화합물층이 형성된다. 화합물층은 미끄럼 중 희생적이고 화학적으로 안정한 표면으로 작용할 수 있으며, 확산층은 이를 기계적으로 지지한다. 층에 기공이 있거나 결합력이 낮거나 접촉 조건에 비해 지나치게 취약하면, 마모 입자가 연삭성 제3체가 된다. 따라서 층 두께만으로 합격 여부를 판단하는 것은 불충분한 기준이다.

마모 시험은 실제 사용 조건을 재현해야 한다. 하나의 하중과 속도에서 얻은 핀-온-디스크 데이터만으로는 구름 접촉, 왕복 운동 또는 윤활 기어 맞물림에 대한 처리 방법의 성능 순위를 정할 수 없다. ISO 18203:2026은 화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화뿐 아니라 침탄질화, 침탄 및 질화로 형성된 표면경화층을 다룬다. 이 표준은 층 두께 검증을 지원하는 것이지, 보편적인 마모 예측을 제공하는 것은 아니다.

마찰과 표면 화학

마찰은 돌기의 전단, 흡착막, 반응막, 윤활제 첨가제 및 마모 입자의 전단에 의해 좌우된다. 경도는 중요하지만 여러 변수 중 하나일 뿐이다. 거칠기는 실제 접촉 면적과 돌기 용착 가능성을 변화시킨다. 잔류응력은 표면 근처의 변형과 균열 성장을 변화시킨다. 하중과 미끄럼 속도는 접촉이 경계윤활, 혼합윤활 또는 유체윤활 상태 중 어느 상태를 유지하는지를 결정한다.

침탄된 마르텐사이트 표면은 연마되고 뜨임된 조직이 효과적인 윤활막으로 보호될 때 우수한 성능을 나타낼 수 있다. 그러나 막이 파괴되면 높은 경도만으로 접착성 재료 이동이나 스커핑을 제거할 수 없다. 탄화물, 잔류 오스테나이트, 산화막 및 뜨임 생성물은 첨가제가 계면에서 반응하는 방식을 변화시킬 수 있다.

질화 및 질화침탄 표면은 기계적·화학적 작용 모두를 통해 마찰을 변화시키는 경우가 많다. 화합물층의 철 질화물과 탄질화물은 뜨임 마르텐사이트와 다른 방식으로 전단될 수 있으며, 확산층은 그 층 아래에서 발생하는 소성 지지 파괴를 제한한다. 기공은 윤활제를 보유할 수 있지만, 부식성 용액을 가두거나 입자를 방출할 수도 있다. 윤활제의 화학적 조성은 결정적이다. 황, 인 및 아연을 함유한 첨가제는 보호성 마찰화학막을 형성하거나, 합금 원소와 반응하거나, 물이 존재할 때 부식성 마모를 가속할 수 있다.

따라서 상대재를 명확히 규정해야 한다. 경화강, 주철, 세라믹, 고분자 및 코팅 합금 표면은 서로 다른 접착, 연삭, 열적 및 화학적 조건을 부과한다. 한 상대재에 대한 마찰을 줄이는 처리가 다른 상대재에 대해서는 재료 이동이나 제3체 연삭을 증가시킬 수 있다.

부식, 마찰부식 및 상대재의 영향

부식과 마모는 서로 독립적인 손실로 작용하는 것이 아니라 상호작용한다. 미끄럼은 산화막이나 반응막을 제거하고 신선한 금속을 노출시키며 전기화학적 면적을 증가시킨다. 부식은 표면을 연화하거나 거칠게 만들고, 입자를 생성하며, 후속 연삭을 더 빠르게 만들 수 있다. 이러한 결합 과정이 마찰부식이다.

질화 및 질화침탄은 질소 함유 표면층과 화합물층이 전기화학적 반응을 변화시킬 수 있기 때문에 부식 성능이 중요한 경우에 선택되는 경우가 많다. 그러나 이들이 자동으로 내식성을 보장하는 것은 아니다. 핀홀, 기공, 불연속부, 연삭 손상 및 서로 다른 재료로 된 상대재와의 갈바닉 접촉은 국부 부식의 경로를 제공할 수 있다. 화합물층이 한 영역을 보호하는 동안 손상된 영역에서는 부식이 빠르게 진행될 수 있다. 침탄 마르텐사이트 역시 합금 화학 조성, 뜨임, 표면 마무리, 윤활제 오염 및 노출 조건에 크게 좌우된다. 탄소가 풍부한 경화층만으로 내식성이 보장되는 것은 아니다.

상대재의 재료와 환경에 따라 실험실에서의 성능 순위가 뒤바뀔 수 있다. 건조한 공기 중 강 상대재에서는 산화성 마모가 발생할 수 있지만, 식염수에서는 막 제거, 공식 및 가속된 재료 손실이 발생할 수 있다. 전기적 전위, 용존 산소, 염화물 농도, 온도, 접촉압력 및 미끄럼 빈도가 모두 결과에 영향을 미친다. 시험에서는 이러한 조건을 기록하고 접촉쌍을 이루는 두 구성원 모두를 검사해야 한다. 재료 이동과 갈바닉 효과로 인해 명목상 처리되지 않은 상대재가 파손 메커니즘의 일부가 될 수 있기 때문이다.

검증에는 경도 프로파일과 함께 금속조직 분석, 화합물층 또는 확산층 측정, 거칠기 측정, 잔류응력 평가, 마모 흔적 및 부식 생성물 검사를 함께 실시해야 한다. 침탄 및 경화 경화층의 경우, ISO 2639:2002는 경화층 깊이의 3배 지점에서 경도가 450 HV 1 미만인 조건을 적용하여 경화층 깊이를 정의한다. 이 경도 기준은 경화층 깊이를 설정하는 데 도움이 되지만, 마찰, 접촉 피로 수명 또는 마찰부식 저항을 측정하는 것은 아니다. 이러한 특성을 평가하려면 실제 하중, 윤활, 상대재 및 환경에 부합하는 시험이 필요하다.

변형, 잔류 응력 및 공정 제어

침탄 경화 부품의 최종 상태는 도면에 기재된 처리 명칭이 아니라 전체 열적·화학적 사이클에 따라 결정된다. “침탄”, “질화” 또는 “고주파 경화”라는 표현은 공정군을 설명할 뿐, 가열 속도, 표면 화학 조성, 상의 상태, 담금질 강도, 냉각 균일성, 뜨임 또는 그 결과로 형성되는 응력 상태를 구체적으로 규정하지 않는다. ASM International은 표면층 또는 경화층이 심부보다 현저히 높은 경도를 갖도록 철계 재료를 처리하는 것을 표면 경화로 정의한다. 경도는 해당 처리의 결과 중 하나일 뿐이다.

담금질 변형 및 치수 변화

침탄 및 탄질화에서는 일반적으로 오스테나이트화된 경화층이 형성된 후 담금질되어 마르텐사이트가 생성된다. 고탄소 표면과 저탄소 심부는 동일한 온도에서 또는 동시에 변태하지 않는다. 마르텐사이트 형성은 강을 팽창시키는 반면, 오스테나이트화 온도에서 냉각되면 열수축이 발생한다. 이러한 변화가 서로 경쟁하면서 직경, 평탄도, 동심도, 치 간격 및 직진도가 달라질 수 있다.

예를 들어 침탄 기어에서는 림이 경화되는 동안 심부가 계속 냉각되고 수축할 수 있다. 한쪽이 다른 쪽보다 더 빠르게 냉각되면 그 결과 발생하는 열구배로 인해 굽힘 또는 타원도가 생긴다. 두께가 급격히 변하는 부위, 막힌 구멍, 키홈, 날카로운 모서리 및 단속 표면은 서로 다른 속도로 냉각된다. 이러한 형상은 변태 변형과 응력을 모두 집중시킨다. 따라서 로 온도와 담금질 온도가 지정값을 충족하는 것처럼 보여도 변형이 발생할 수 있다.

담금질 방법은 강종, 단면 크기, 요구되는 경화층 구조 및 허용 가능한 치수 변화에 맞아야 한다. 오일, 가압 가스, 고분자 용액, 물 및 염수는 서로 다른 열 추출 속도와 증기막 형성, 불균일 냉각 또는 균열의 위험을 유발한다. 더 완만한 담금질은 변형을 줄일 수 있지만, 과도한 잔류 오스테나이트가 남거나 심부 변태가 불충분해질 수 있다. 더 가혹한 담금질은 마르텐사이트 형성을 증가시킬 수 있지만 열응력과 변태응력도 높인다. 교반, 장입 밀도, 부품 방향 및 냉각제 온도는 공칭 냉각제 종류만큼 중요하다.

질화 및 페라이트계 니트로카버라이징은 일반적으로 임계 온도보다 낮은 온도에서 진행되며, 침탄과 같은 오스테나이트화 및 담금질 사이클을 필요로 하지 않는다. 이들의 치수 변화는 대체로 더 작지만, 전혀 없는 것은 아니다. 화합물층의 성장, 확산층의 변형, 이전 가공으로 인한 응력, 가열 또는 냉각 구배로 인해 주요 치수가 여전히 변할 수 있다. 국부 화염 경화, 고주파 경화, 전자빔 경화 및 레이저 경화 역시 주사 속도, 출력 밀도, 중첩률 및 비가열 재료로의 열 흐름에 민감하다. ISO 18203:2026은 이러한 열처리 방법과 탄질화, 침탄 및 질화로 형성된 표면 경화층을 다루므로, 경화층을 형성한 방법은 측정된 층과 함께 보고해야 한다.

사전 가공은 나중에 추측에 의존하여 변형을 제거하려는 것이 아니라 예측 가능한 마무리 가공을 위한 여유를 남기는 작업이다. 기준면, 보어 및 기어 치에는 서로 다른 가공 여유가 필요할 수 있다. 가열 또는 담금질 중 자유로운 움직임을 허용할 수 없는 부품에는 맨드릴, 지지 링 또는 프레스 담금질이 필요할 수 있다. 치구는 가스 흐름을 방해하거나 큰 방열체를 형성하지 않으면서 부품을 지지해야 한다. 변태를 구속하는 치구는 한 방향의 움직임을 줄일 수 있지만, 연삭 중 방출되는 응력을 저장할 수 있다.

잔류 응력 및 균열

잔류 응력은 외부 하중과 온도 구배가 사라진 후에도 남아 있는 내부 응력이다. 표면 경화는 표면에 유익한 압축응력을 형성할 수 있으며, 특히 경질 마르텐사이트 경화층이 변태가 덜 진행된 심부를 밀어내며 팽창하는 경우에 그러하다. 표면 압축응력은 접촉 하중이나 반복 굽힘으로 발생하는 인장응력에 대항할 수 있다. 그러나 그 크기, 깊이 및 균일성이 관리되는 경우에만 유익하다.

관리되지 않은 응력은 이와 다르다. 연삭 표면, 침탄된 모서리, 탈탄된 영역 또는 날카로운 형상의 부위에 인장 잔류 응력이 존재하면 균열 발생을 촉진할 수 있다. 연삭 번, 과도한 가공 여유 제거, 뜨임되지 않은 마르텐사이트, 과도한 화합물층 두께 및 담금질 불균일성은 각각 국부적인 인장응력을 형성할 수 있다. 평균 경화층 경도가 도면 요구사항을 충족하더라도 응력 집중부에서 균열이 시작될 수 있다.

뜨임은 담금질 직후 마르텐사이트의 취성을 줄이고 일부 변태응력이 완화되도록 한다. 뜨임은 지정된 시간 내에 담금질 후 실시해야 하며, 강종과 요구 특성에 적합한 온도에서 진행해야 한다. 뜨임을 지연하는 것은 무해한 일정 조정이 아니라 공정 관리의 미흡이다. 질화 및 니트로카버라이징 부품에서는 후산화 또는 기타 마무리 공정이 표면 화학 조성과 마찰 거동을 변화시킬 수 있으며, 연삭은 확산층의 일부를 제거하거나 응력 분포를 변화시킬 수 있다.

검증에는 표면의 경도값만 포함되어서는 안 된다. 경화층 깊이, 심부 경도, 잔류 오스테나이트, 탄화물 또는 질화물 분포, 화합물층 두께, 변형 및 응력은 모두 사용 중 거동에 영향을 줄 수 있다. ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 경화층 깊이를 다루며, 적용 범위를 정의하기 위해 경화층 깊이의 3배 위치에서 450 HV 1 미만이라는 조건을 사용한다. ISO 18203:2026은 열처리 및 열화학적 방법으로 형성된 층을 측정하기 위한 보다 광범위한 체계를 제공한다. 금속조직 시편, 경도 분포 측정, 좌표 측정 및 규정된 경우의 X선 잔류응력 측정은 기능 표면 및 주요 방향과 연계하여 해석해야 한다.

분위기, 온도, 시간 및 치구

분위기 제어는 강에 무엇이 유입되고 무엇이 강에서 제거될 수 있는지를 결정한다. 침탄에서는 탄소 포텐셜이 표면에서의 화학적 구동력을 좌우한다. 탄소 포텐셜이 너무 낮으면 탄소 농축이 불충분해지고, 너무 높으면 과도한 탄화물, 그을음 또는 바람직하지 않은 탄소 구배가 형성될 수 있다. 로 온도와 탄소 포텐셜은 단 하나의 제어 열전대 위치에서뿐 아니라 장입물 전체에서 균일하게 유지되어야 한다. 프로브 교정, 가스 유량, 장입 배열 및 도어 누설은 실제 경화층을 모두 변화시킬 수 있다.

질화 및 니트로카버라이징에서는 암모니아 해리, 질소 포텐셜, 탄소 함유 가스의 첨가량, 수소 함량 및 로 내부 순환을 제어해야 한다. 탄질화는 오스테나이트에 탄소와 질소를 첨가하며, 일반적으로 마르텐사이트 경화를 위해 담금질에 의존한다. 니트로카버라이징은 임계 온도 이하의 페라이트에 탄소와 질소를 도입하여 확산층과 함께 철-탄소-질소 화합물층을 형성하는 경우가 많다. 이러한 사이클을 침탄과 상호 교환 가능한 것으로 취급하면 서로 다른 변태응력과 치수 효과를 간과하게 된다.

가열 균일성도 그만큼 중요하다. 두꺼운 허브와 얇은 플랜지는 설정 온도에 서로 다른 시간에 도달할 수 있으며, 함께 배치한다고 해서 열 이력이 동일해지는 것은 아니다. 온도 유지 시간은 확산, 결정립 성장, 화합물층 발달 및 변태 정도를 좌우한다. 과도한 시간은 부적절한 분위기 조건을 해결하지 못한 채 변형 또는 원치 않는 상 분율을 증가시킬 수 있다. 열전대, 장입물 조사, 로 균일성 조사 및 기록된 사이클 데이터는 부품이 실제로 겪은 조건에 대한 증거를 제공한다.

마스킹은 연질 상태, 가공 가능 상태 또는 치수 안정성을 유지해야 하는 표면을 보호한다. 구리 도금, 차단용 화합물, 기계적 차폐물 및 선택적 치구를 사용하면 화학적 노출을 제한할 수 있지만, 마스킹 경계에서 급격한 경화층 전이와 국부 응력 집중이 발생할 수 있다. 이러한 전이부는 검사가 필요하다.

따라서 관리된 순서가 필수적이다. 적절한 가공 여유를 두고 부품을 가공하고, 필요한 경우 유해한 사전 응력을 제거한 후, 부품을 세척하고 일관되게 치구에 장착한다. 그런 다음 분위기와 온도를 확인하고, 강종과 형상에 맞는 담금질을 선택하며, 신속하게 뜨임을 실시한 뒤, 경화층을 과열하지 않도록 최종 연삭 또는 호닝을 수행해야 한다. 최종 치수 검사는 경화층 깊이 및 미세조직 검증과 함께 실시해야 한다. 처리 명칭은 라벨일 뿐이며, 실제 공정은 측정된 열적·화학적·기하학적 이력과 응력 이력으로 규정된다.

표면경화 처리 요구사항을 지정하는 방법

“표면경화됨”은 측정 가능한 요구사항이 아니다. ASM International은 표면경화를 철계 재료의 표면층, 즉 경화층이 심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 하는 처리로 정의한다. 이 정의에는 화학적 조성, 변태 메커니즘, 미세조직, 잔류응력 및 검증 방법이 서로 다른 여러 공정이 포함된다. 따라서 실제로 사용할 수 있는 규격은 강종, 초기 상태, 처리 공정 및 입증해야 할 결과를 정의해야 한다.

강종 및 초기 상태

강재는 거래 명칭이나 “표면경화용 강”과 같은 비공식 표현이 아니라 완전한 표준 지정으로 명시한다. 규격에는 적용 표준과 강종을 식별해야 한다. 예를 들어 공급되는 재료에 해당 지정이 적용되는 경우 EN 10084 16MnCr5, EN 10084 20MnCr5, EN 10084 18CrNiMo7-6 또는 ASTM A-29/A-29M grade 8620과 같이 기재한다. 부품 도면에서 다른 국가 지정명을 사용하는 경우에는 유사한 숫자가 동일한 화학 조성을 의미한다고 가정하지 말고 동등성을 명시한다.

초기 열처리 상태도 요구사항에 포함해야 한다. 부품이 압연 상태, 정규화 상태, 풀림 상태, 구상화 풀림 상태, 담금질 및 뜨임 상태 또는 기타 지정된 상태로 공급되는지를 명시한다. 가공성, 처리 반응성 또는 심부 특성에 영향을 미치는 경우에는 초기 경도 범위도 포함한다. 풀림 상태의 16MnCr5에 적용하는 침탄 사이클은 담금질 및 뜨임 상태의 42CrMo4에 적용하는 유도경화와 동일한 방식으로 지정할 수 없다.

공정에는 확산되는 원소와 변태 경로를 명시해야 한다. 침탄은 저탄소 심부에 탄소를 도입하여 고탄소 표면층을 형성하며, 이 표면층은 일반적으로 오스테나이트화 및 담금질에 의해 경화된다. 침탄질화는 오스테나이트에 탄소와 질소를 모두 도입하며, 일반적으로 마르텐사이트 경화층을 형성한다. 질화와 페라이트계 질화침탄은 임계 온도 이하에서 이루어지며, 이때 질소 또는 질소와 탄소가 침탄 방식의 오스테나이트화 및 담금질 사이클 없이 페라이트 내부로 확산된다. 붕소화와 크로마이징은 일반적인 침탄 마르텐사이트 경화층이 아니라 붕화물 또는 탄화물/크롬 농화 표면 영역을 형성한다.

국부 열처리는 별도로 설명해야 한다. ISO 18203:2026은 화염경화, 유도경화, 전자빔 경화 및 레이저 경화로 형성된 표면경화층뿐만 아니라 침탄질화, 침탄 및 질화에 대해서도 다룬다. 열처리 공정의 경우 가열 방법, 해당되는 경우 주파수 또는 에너지 입력, 오스테나이트화 온도 또는 표면 온도, 가열 시간 또는 주사 속도, 담금질 매체 및 뜨임 조건을 명시한다. 열처리 공정은 기존 표면의 조성을 경화하는 것이며, 반드시 탄소나 질소를 추가하는 것은 아니다.

요구되는 경화 깊이 및 경도 정의

요구사항이 전체 경화층 두께, 유효 경화 깊이 또는 기타 정의된 깊이에 관한 것인지 명시한다. 이러한 용어는 서로 바꾸어 사용할 수 없다. 침탄 및 담금질된 강의 경우 유효 경화 깊이는 일반적으로 경도 분포 측정으로 결정한다. 즉, 경도가 지정된 한계값까지 감소하는 깊이를 말하며, 흔히 550 HV를 사용한다. 그러나 적용 표준, 도면 또는 구매자 요구사항에 따라 그 한계값을 명시해야 한다. 반면 전체 경화 깊이는 특정 미세조직 경계까지의 깊이와 같이 금속조직학적으로 정의할 수도 있다. 질화 및 질화침탄 부품의 경우 화합물층과 확산층을 구분하고, 보고되는 깊이에 어느 영역이 포함되는지 명시한다.

ISO 2639:2002는 침탄 및 경화된 강의 유효 경화 깊이를 결정하고 검증하는 데 특별히 적용된다. 이 표준의 적용 범위는 경화 깊이의 3배 지점에서 경도가 450 HV 1 미만이라는 조건을 사용한다. 이 조건을 질화, 질화침탄, 붕소화 또는 열처리로 경화된 부품에 묵시적으로 적용해서는 안 된다. 공정이 해당 표준의 범위에 포함되는 경우 ISO 2639:2002를 인용하고, 경도 기준, 경도 척도, 시험 하중, 측정 방향 및 기준점 위치를 명시한다. “유효 경화 깊이: 0.8 mm”라는 기재는 불완전하다. 규격에는 예를 들어 “완성 표면에서 측정하여 550 HV 1까지”와 같이 함께 기재해야 한다.

ISO 18203:2026은 열처리 및 열화학적 방법으로 형성된 표면경화층의 두께에 관한 보다 포괄적인 체계를 제공한다. 요구사항이 유도경화, 화염경화, 전자빔 경화, 레이저 경화, 침탄, 침탄질화 또는 질화를 포함하는 경우 이 표준을 인용하고, 층 두께를 계산하는 데 사용한 방법을 식별한다. 지정된 깊이는 최종 기능 표면과 관련되어야 하며, 이후 연삭으로 제거될 처리 직후 표면만을 기준으로 해서는 안 된다. 재료 제거가 허용되는 경우에는 제거 허용량과 최종 가공 후 요구되는 깊이를 명시한다.

경도는 척도와 하중으로 정의해야 한다. 해당되는 경우 HV 1, HV 0.5, HRC 또는 기타 인정된 척도를 시험 하중과 함께 기재한다. “경도 60”은 기술적 의미가 없다. 피치 직경, 치면, 치근 반지름, 베어링 시트 또는 처리 표면에 수직으로 채취한 단면 등 측정 위치를 명시한다. 요구사항이 최소값인지, 범위인지 또는 최대값과 최소값을 포함하는 경도 분포인지 명시한다. 표면에서 한 번 측정한 값만으로는 경화 깊이, 심부 강도 또는 부품 전체의 균일성을 입증할 수 없다.

심부 요구사항은 경화층 요구사항과 별도로 규정해야 한다. 필요한 경우 심부 경도, 인장 특성 또는 항복 특성과 허용 미세조직을 명시한다. 침탄 기어에는 마르텐사이트 경화층, 관리된 잔류 오스테나이트, 제한된 탄화물 네트워크 및 뜨임 마르텐사이트 심부가 요구될 수 있다. 질화 부품에는 담금질 마르텐사이트 요구사항보다 화합물층의 두께와 연속성에 대한 한계가 요구될 수 있다. 이러한 구분을 통해 표면의 한 지점에서 측정한 경도값 하나만 충족했다는 이유로 공정 성적서가 수용되는 것을 방지할 수 있다.

합격 기준 및 보고

규격에는 시료 채취 계획, 검사 위치, 시험편 및 검사 시점을 명시해야 한다. 경도를 최종 연삭 전 또는 후에 측정하는지, 시험 표면을 어떻게 준비하는지, 제거된 재료를 어떻게 보정하는지를 기재한다. 경화 깊이 검증을 위해 표면에서 심부 방향으로 정의된 간격마다 측정한 경도 분포를 요구한다. 보고서에는 모든 측정값을 기록하거나 전체 분포를 제시해야 하며, 그로부터 계산된 깊이만 제시해서는 안 된다.

금속조직학적 요구사항에는 검사할 단면과 특징을 명시해야 한다. 처리 방법에 따라 경화층 및 심부 미세조직, 마르텐사이트 형태, 잔류 오스테나이트, 탄화물, 질화물, 화합물층, 확산층, 탈탄, 산화, 균열 및 과도한 결정립 성장을 보고한다. 나이탈 부식은 침탄된 마르텐사이트 경화층을 드러낼 수 있지만, 질화 및 질화침탄 층에는 화합물층과 확산층에 적합한 검사 방법이 필요한 경우가 많다. 합격 한계는 검사자의 개인적 해석에 맡기지 말고 명시해야 한다.

치수 및 표면 요구사항도 마찬가지로 필요하다. 런아웃, 진원도, 치형, 리드, 평탄도 또는 기타 기능 형상에 대한 변형 한계와 처리 후 가공 한계를 제시한다. 허용 가능한 연삭 번, 담금질 균열, 연질부, 스케일, 입계 산화 및 표면 거칠기를 명시한다. 잔류응력은 경도로 추정할 수 없다. 잔류응력이 피로, 마모, 마찰 또는 마찰부식에 영향을 미치는 경우에는 그 측정 방법과 위치를 규정한다.

마지막으로 로 또는 장비의 공정 사이클, 분위기 또는 가스 조성, 온도, 시간, 담금질 및 뜨임 조건, 로트 추적성, 경도 결과, 경화 깊이 측정 방법, 금속조직학적 결과 및 치수 검사를 식별하는 보고서를 요구해야 한다. 문서에는 적용 표준인 ISO 18203:2026, ISO 2639:2002 또는 기타 명시된 방법과 구매자가 정의한 모든 일탈 사항을 기재해야 한다. 이러한 세부사항이 없으면 “표면경화됨”은 합격 기준이 아니라 의도만을 설명하는 표현에 불과하다.

표면경화 방법의 비교 의사결정 체계

ASM International은 표면층, 즉 경화층이 중심부보다 실질적으로 더 단단해지도록 철계 재료를 처리하는 것을 표면경화로 정의한다. 이 정의는 하나의 노 사이클이 아니라 결과를 설명한다. 처리 방법의 선정은 요구되는 표면 및 중심부 특성, 강종과 사전 상태, 부품의 형상, 생산 공정, 그리고 결과 검증에 사용되는 측정 표준에 따라 이루어진다.

첫 번째 판단은 표면 조성을 변경해야 하는지 여부이다. 침탄, 탄질화, 질화, 연질화, 시안화, 붕소화 및 크로마이징은 표면에 탄소, 질소, 붕소 또는 크롬을 도입한다. 반면 화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화는 국부적인 가열과 냉각을 통해 기존 강의 조성을 변화시키지 않고 변태시킨다. ISO 18203:2026은 이러한 열적 방법과 침탄, 탄질화 및 질화에 의해 생성된 표면경화층을 모두 다룬다.

침탄 또는 탄질화가 개념적으로 적합한 경우

침탄은 질기고 저탄소인 내부 위에 단단하고 내마모성이 높은 마르텐사이트 표면이 필요한 부품에 개념적으로 적합하다. 이 공정은 저탄소 중심부 위에 고탄소 표면을 형성한다. 농화된 층은 일반적으로 오스테나이트화한 후 담금질하며, 그 결과 표면에는 고탄소 마르텐사이트가 형성되고 중심부에는 더 낮은 탄소 함량과 더 높은 인성을 갖는 변태 조직이 형성된다. 이후 뜨임을 통해 경도, 인성 및 치수 안정성을 조정한다.

이 방법은 표면의 접촉 응력과 부품 본체의 굽힘 또는 충격 응력이 함께 작용하는 부품에 적합하다. 기어, 축, 핀 및 유사 부품은 이러한 특성 구배를 필요로 하는 경우가 많지만, 부품 명칭만으로 판단해서는 안 된다. 침탄 경화층에는 잔류 오스테나이트, 탄화물 또는 탄소 구배가 존재할 수 있으며, 이는 균열, 치수 변화, 구름 접촉 거동 및 피로에 영향을 준다. 따라서 요구되는 경화층 깊이는 표면 경도 수치만으로 지정해서는 안 되며, 중심부 경도 및 중심부 미세조직과 함께 규정해야 한다.

탄질화는 오스테나이트에 탄소와 질소를 모두 도입하며, 일반적으로 담금질 후 마르텐사이트 경화층을 형성한다. 침탄과 비교할 때, 공정 범위와 경화층 구조를 상대적으로 얕은 농화층에 맞추어 선정할 수 있으며, 질소는 경화능과 표면 반응에 영향을 준다. 형상 또는 생산 공정상 더 얕은 열화학적 경화층이 유리하고 담금질 변형을 관리할 수 있는 경우에 개념적으로 유용하다. 시안화 역시 역사적으로 시안화물 함유 염 공정을 통해 탄소와 질소를 도입한다. 비교 대상에 포함할 필요는 있지만, 그 선택은 제어되는 화학 조성, 환경 안전 조치, 염욕 관리 및 요구되는 경화층 상태에 따라 결정되어야 하며, 현대의 탄질화와 서로 대체 가능한 것으로 취급해서는 안 된다.

침탄과 탄질화는 모두 변태 사이클을 수반한다. 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임이 경화층을 형성하지만, 동시에 변형과 잔류 응력의 주요 원인도 만든다. 얇은 단면, 날카로운 형상 전이부, 구멍 및 비대칭 형상은 담금질 강도와 지그 설계에 특별한 주의를 요구한다.

질화 또는 연질화가 개념적으로 적합한 경우

질화는 완전한 침탄 및 담금질 사이클 없이 질소를 함유한 경질 표면이 필요한 경우에 적합하다. 질소는 임계 온도 이하에서 페라이트 내부로 확산하여 합금 질화물과 확산층을 형성하며, 강의 화학 조성과 공정 제어에 따라 표면에 화합물층이 형성될 수 있다. 크롬, 몰리브덴, 알루미늄 또는 바나듐을 함유한 질화강은 안정적인 합금 질화물 형성을 통해 반응할 수 있지만, 일반 탄소강은 동일한 석출 반응을 나타내지 않는다.

처리가 임계 온도 이하에서 이루어지므로 중심부는 침탄과 관련된 오스테나이트 변태를 겪지 않는다. 이로 인해 담금질 관련 변형을 줄일 수 있지만, 성장, 기존 응력, 가공 이력, 그리고 취성 또는 과도한 화합물층의 형성은 여전히 치수 정확도와 사용 수명에 영향을 준다. 따라서 질화는 이미 담금질 및 뜨임 처리를 마쳤으며 중심부 특성을 유지하면서 경질 표면이 필요한 부품에 개념적으로 적합하다.

연질화 역시 임계 온도 이하에서 탄소와 질소를 페라이트 내부로 확산시킨다. 명칭이 유사하지만 탄질화와는 근본적으로 다르다. 탄질화는 오스테나이트를 농화하고 일반적으로 마르텐사이트 형성에 의존하는 반면, 연질화는 페라이트 확산층을 형성하며 철-탄소-질소 화합물층이 형성될 수 있다. 페라이트계 연질화는 마르텐사이트 심부 경화층보다 이러한 표면 구조에 의해 마모, 마찰, 스커핑 또는 마찰부식 거동이 좌우되는 경우에 선택한다. 화합물층은 조성, 두께, 기공률 및 연속성으로 규정해야 하며, 더 두꺼운 층이 자동으로 더 우수한 층을 의미하지는 않는다.

붕소화와 크로마이징은 다른 조성적 원리를 따른다. 붕소화는 경질 붕화물상을 형성하는 반면, 크로마이징은 표면에 크롬을 도입하여 크롬이 풍부한 상 또는 화합물을 형성할 수 있다. 두 방법 모두 마모, 마찰 및 부식 반응을 변화시킬 수 있지만, 중요한 문제는 생성된 상 구조, 밀착성, 깊이 및 잔류 응력이 사용 조건에 적합한지 여부이다. 명목상의 표면 경도만으로 보편적인 우열을 정할 수는 없다.

국부 열경화가 개념적으로 적합한 경우

국부 열경화는 강이 이미 필요한 탄소 함량을 갖고 있으며 선택된 표면만 경화해야 하는 경우에 적합하다. 화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화는 제어된 영역을 오스테나이트 범위까지 가열한 다음 자체 담금질 또는 별도의 담금질을 실시한다. 따라서 경화층은 화학적으로 농화된 경화층이 아니라 원래 강이 변태된 영역이다.

이 방법은 더 연하고 질긴 중심부를 유지하면서 접촉 또는 마모 하중을 받지 않는 표면의 처리를 피할 수 있다. 특히 형상에 민감하다. 스캔 방향, 모서리, 직경 변화, 벽 두께, 열 추출 및 가열원 접근성에 따라 경화 영역의 깊이와 연속성이 결정된다. 유도 경화는 프로그램된 코일 패턴을 따를 수 있고, 레이저 및 전자빔 방법은 에너지를 더 좁은 영역에 집중할 수 있으며, 화염 경화는 토치 이동과 열 균형의 영향을 크게 받는다. 이러한 차이는 잔류 응력, 중첩 흔적, 연질부 및 변형에 영향을 준다.

검증은 공정과 정의된 특성에 부합해야 한다. ISO 18203:2026은 열적 및 열화학적 처리로 생성된 표면경화층의 두께를 측정하기 위한 체계를 제공한다. 침탄 및 경화된 경화층의 경우 ISO 2639:2002은 경화층 깊이의 3배 지점에서 경도가 450 HV 1 미만이라는 기준을 사용하여 적용 가능성을 정의한다. 유효한 규격에는 경도 척도와 하중, 측정선 방향, 유효 또는 총 경화층 깊이의 정의, 시료 채취 위치 및 합격 한계를 명시해야 한다. 경도만으로는 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 탄화물, 질화물, 붕화물, 크롬이 풍부한 상 및 화합물층을 식별할 수 없으므로 금속조직학적 검사가 필요할 수 있다.

처리 선택은 해당 강과 사용 조건에 대해 형성 및 검증할 수 있도록 정의된 표면과 코어의 상태에 부합해야 한다. Strong evidence

중립적인 비교는 각 방법의 메커니즘에 따라 이루어진다. 침탄과 탄질화는 오스테나이트에 탄소 또는 탄소와 질소를 첨가하여 일반적으로 담금질된 마르텐사이트 경화층을 형성한다. 질화와 연질화는 임계 온도 이하에서 질소 또는 질소와 탄소를 첨가하여, 화합물층이 형성될 수 있는 확산층을 생성한다. 시안화는 염 공정을 통해 탄소와 질소를 함께 도입한다. 붕소화와 크로마이징은 화학적으로 구별되는 붕소 함유 또는 크롬 함유 표면 영역을 형성한다. 화염, 유도, 전자빔 및 레이저 경화는 기존 강을 국부적으로 변태시킨다. 따라서 각 방법의 온도 범위, 경화층 구조, 중심부 반응, 변형 위험, 형상상의 한계 및 검증 절차는 서로 다르다. 유효한 공학적 질문은 어느 방법이 “최선”인지가 아니라, 해당 강종과 사용 조건에 맞는 정의된 표면 및 중심부 상태를 어떤 방법으로 생성하고 검증할 수 있는지이다.