표면경화법 (기술고시, 변리사, 기계기술사 기출 해설>

<2014 행정고시 기술직 기계공작법 기출>

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1. 표면경화법의 정의와 목적

 1) 정의

  - 표면경화법은 일반적 열처리 공정처럼 재료의 전체적 성질을 변화시키는 것이 아닌 표면의 성질만을 개선하는 방식이다.

 2) 목적

 - 표면의 내피로성, 내마모성, 표면경도 향상

 - 내부의 인성 유지

2. 표면 경화법의 종류 (이하 설명)

I. 기계표면처리

A. 숏피닝 

관련기출: <2004 변리사 기계공작법 기출- 1. 숏피닝(shot peening)의 방법에 대하여 설명하시오. 2. 숏피닝으로 금속을 표면처리하는 이유에 대하여 설명하시오. >

1. 개요

 구형의 재료(주철볼, 유리볼, 또는 세라믹 볼)가 고속으로 공작물 표면에 반복적인 충격을 가하여 중첩된 눌림자국을 만드는 표면 냉간 소성 공정

2. 숏피닝의 목적

 공작물에 적용된 인장잔류응력에 의한 균열이나 피로에 대항하여 부품의 저항성을 개선

3. 숏피닝의 원리 및 효과

관련기출: <기계기술사- 피닝 작업을 하면 어떤 효과를 얻을 수 있는지 설명하시오>

숏피닝의 충격을 부품 표면에 소성 흐름을 일으키고 압축잔류응력을 남긴다. 이 압축잔류응력이 인장잔류응력에 대항하여 균열의 초기 발생을 막고 균열 확산을 감소시킨다.

cf. 샌드블라스팅

관련 기출: <기계기술사- 샌드블라스팅에 대하여 설명하고, 이 작업에 의한 표면처리면의 등급을 설명하시오.>

샌드 블라스트는 알루미나나 기타 미세 연삭재를 노즐에서 고속으로 분사하여 표면을 다듬거나 절삭하는 공정이다.

숏피닝과는 달리 그 목적이 표면의 녹이나 오염 제거, 돌출부 제거, 접착 및 도금의 전처리에 있다.

표면처리등급은 30um정도 이다.

B. 버니싱

관련기출: <기계기술사- 버니싱 가공의 개요와 특징에 대하여 설명하시오.>

 1. 개요

 고도로 폴리싱된 롤이나 볼의 작용에 의해 부품의 표면을 냉간가공하는 표면처리법

 2. 공정 및 특징

  1) 롤러 버니싱은 흠집, 공구자국, 피트의 제거를 통해 표면 마감을 좋게 하며 바람직한 압축잔류응력을 발생시킨다.

  2) 볼라이징(볼 버니싱)은 내부 원통면에 대하여 내경보다 약간 큰 부드러운 볼이 가공될 홀 깊이 방향으로 가압하면서 내부 표면이 가공된다.

  3) 버니싱은 공작물의 기계적 성질과 표면조도 둘 다 향상시키는 특징이 있다.

II 확산침투에 의한 표면경화

관련기출: <기계기술사- 금속표면의 내식성 향상을 위한 각종 침투법의 종류를 4개 이상 들고 설명하시오>

A. 침탄경화법

 1. 개요

 탄소함유량이 2% 미만인 저탄소강이나 저탄소합금강을 침탄제 속에 파묻거나 침탄 분위기에서 오스테나이트 범위인 870 ~950도로 가열아여 그 표면에 탄소를 침투, 확산시킨 후 담금질하여 표면을 고탄소 마르텐사이트 조직으로 경화시키는 열처리법

 2. 특징

  1) 표면은 단단한 반면 내부는 저탄소강의 인성을 갖는다.

  2) 담금질하면서 열변형이나 뒤틀림이 생길 수 있다. 따라서 추가적인 템퍼링이 필요하다.

B. 침탄질화법

 1. 개요

 가스침탄법과 유사하지만 질소공급원인 암모니아가 추가된다. 질소는 탄소와 함께 금속 표면에 확산되고 흡수된다.

 2. 특징

  1) 700 ~ 800도로 가열되고 침탄법보다 짧은 시간이 소요된다.

  2) 침탄법보다 담금질에 의한 뒤틀림이 적다.

C. 청화법

관련기출: <기계기술사- 강의 표면처리에서 청화법과 질화법을 설명하시오.>

 1. 개요

 저탄소강을 청화소다의 용융염욕에 입욕시켜 871 ~ 954도로 가열한 후 담금질하여 비교적 얇은 표면을 경화시키는 표면경화법이다.

 2. 특징

  1) 20 ~ 30 분 정도로 공정이 짧아서 뒤틀림이 적고 저렴하다.

  2) 청화염의 독성이 단점이다.

D. 질화법

관련기출: <기계기술사- 강의 표면경화법 중 질화법에 대하여 설명하시오.>

 1. 개요

  암모니아 환경에서 500 ~ 600도로 가열하여 금속 내부 원소와 질화물을 형성시켜 표면을 경화시키는 열처리법이다. 금속 내부의 Al, Cr, Mo 등과 질화물을 형성하므로 이들이 표함된 탄소강이나 합금강, 스테인레스강이 질화법이 가능하다.

 2. 특징

관련기출: <기계기술사- 가스 질화처리의 장점을 쓰시오.>

  1) 질화법은 다른 표면경화법과는 다르게 담금질을 하지 않아서 열변형이 매우 적다.

  2) 침탄, 침탄질화, 청화법보다 낮은 온도에서 경화할 수 있다.

III. 화염경화, 유도경화

 A. 화염경화/유도경화법

 강의 표면을 산소-가스 화염으로 직접 가열하거나 유도전류로 가열한 후 담금질하여 표면에 마르텐사이트 조직을 얻어 표면을 경화시키는 열처리법이다. 마르텐사이트 조직을 얻기 위해서 탄소함유량이  0.3 ~ 0.6%인 강에 적합하다.

IV. 기타 표면경화법

A. 살붙임용접

관련기출: <기계기술사- 탄소강 모재 위에 오스테나이트계 스테인레스강을 살붙임 용접하는 경우에 요구되는 주의사항>

 - 스테인레스강이 내식성을 갖기 위해서는 최소 12%의 크롬이 존재하여아 한다. 그러나 425 ~ 870도 온도 영역에서 장시간 노출되면 탄소와 크롬이 화합하여 탄화물이 입계를 따라 석출하게 된다. 그 결과 탄화물 인접부위는 크롬이 12% 이하로 떨어져서 내식성을 잃게 되고 부식 분위기 하에서는 집중적으로 부식이 입계를 따라 진행되게 된다. 따라서 탄소강 위에 오스테나이트계 스테인레스강을 살붙임 용접할 경우 Ti, Cb, Nb 를 첨가하여 크롬 탄화물의 석출을 억제한다.

B. 용사법

관련기출: <기계기술사- 금속의 용사법에 대하여 설명하시오.>

 - 용사는 각종 금속, 합금, 탄화물, 세라믹, 폴리머의 코팅을 산소염료화염, 전기 아크 및 플라즈마 아크에 의해 가열된 스트림으로 스프레이건에 의해 금속 표면에 조사하는 일련의 처리공정이다.

C. 물리증착법

관련기출: <기계기술사- 물리증착법의 종류를 들고, 그 원리와 특징을 설명하시오.>

 1. 개요

 - 진공 용기 안에서 피복물질이 증기상으로 변환되고, 공작물 표면에 물리적으로 이행하여 박막의 현태로 모재 표면에 응축되는 공정

 2. 종류

 1) 진공기화법 (진공증착법)

  ㄱ. 코팅 재료를 고진공 상태에서 증기압까지 가열하여 금속재료에 기상증착시킨다.

  ㄴ. 가열원보다 높은 증기압을 가진 코팅재료만이 오염없이 증착될 수 있다.

  ㄷ. 생성된 기체입자는 오직 직선운동을 하므로 기판을 놓는 위치가 중요하다.

  ㄹ. 가열원이 유일한 에너지원이므로 불순물과 충돌하지 않도록 고진공이 필요하다.

 2) 스퍼터링 증착

  ㄱ. 스퍼터링이랑 이온화된 원자가 가속되어 물질에 충돌할 때 물질 표면의 결합에너지보다 충돌로 전달되는 에너지가 더 클 경우 표면으로부터 원자가 튀어나오는 현상을 말한다.

  ㄴ. 스퍼터링 증착은 이 원리를 이용하여 진공상태에서 이온화된 입자를 금속원에 충돌시켜 튀어나온 원자를 기판에 증착하는 방법이다.

 3) 이온도금

  ㄱ. 고진공에서 생성된 즈착원자를 이온화시키고 전기장에서 가속하여 기판 표면에 바로 증착시키는 공정이다.

  ㄴ. 입자들이 고속으로 충돌하기 때문에 코팅의 접착력과 강도가 우수하다.

D. 전주가공

관련기출: <기계기술사- 전주가공의 원리를 설명하고 장점과 단점을 열거하시오.>

 1. 원리

 전주가공은 전기도금의 변형된 형태로, 도금 금속이 맨드릴 위에 전기증착되며 맨드릴은 적절한 용매로 제거된다. 이에 코팅부분만 남게 되며 이것이 성형부품이 된다.

 2. 장점

  1) 매우 얇은 벽 두께와 매우 복잡한 형상을 제조할 수 있다.

  2) 세밀한 재료를 만들 수 있다.

  3) 재료는 매우 순도가 높다.

 3. 단점

  1) 맨드릴 하나로 하나의 제품을 만들기 때문에 생산량이 매우 적다.

E. 인산염피막

관련기출: <기계기술사- 인산염 피막처리에 대하여 간단히 설명하시오.>

 강의 컨버젼 코팅의 일종으로, 강을 묽은 인산과 화학적으로 반응시켜 표면을 난용성의 결정질 인산염으로 코팅하는 공정이다.

F. 전해경화법

관련기출: <기계기술사- 강의 전해경화법의 원리를 설명하고 그 특징을 쓰시오.>

 강을 전해액에 담가서 강에 음극을, 전해액에 양극을 접속시키고 발열된 강이 전해액에 냉각되면서 표면이 마르텐사이트 조직으로 변태되는 표면처리법