질화 열처리란? 원리부터 종류, 적용 부품까지 완벽 정리

 

질화 열처리란? 원리부터 종류, 적용 부품까지 완벽 정리

질화 열처리(Nitriding)는 금속, 주로 철강 재료 표면에 질소를 확산시켜 표면 경도를 높이는 표면 경화 열처리 기술입니다. 낮은 온도에서 처리되어 변형이 적고, 높은 경도와 내마모성을 확보할 수 있어 정밀 부품이나 고급 부품에 주로 적용됩니다.

1. 질화 열처리란?

질화 열처리는 500~600℃의 비교적 낮은 온도에서 금속 표면에 질소를 확산시켜 질화물(Nitrides)을 형성하는 공정입니다. 탄소를 사용하는 침탄 열처리와는 달리, 질소를 이용해 더 얇지만 더 높은 경도의 표면을 얻을 수 있습니다.

 

2. 질화 열처리의 원리

강에 포함된 합금 원소(알루미늄, 크롬, 몰리브덴 등)와 질소가 반응하여 표면에 질화물(예: AlN, CrN, MoN)을 형성합니다. 이 질화물 층은 매우 단단하고 마모에 강해, 기어, 밸브, 금형 등 마찰이 많은 부품에 적합합니다.

3. 질화 열처리의 특징 및 장점

• 고경도 유지: 경도는 약 HV 1000 이상까지 형성 가능
• 낮은 온도: 500~600℃에서 처리되어 변형이 적음
• 마모 저항성 향상: 내마모성과 피로 강도 우수
• 기계적 가공 후 열처리 가능: 후가공이 불필요한 경우도 많음
• 침탄보다 얇지만 단단한 층: 정밀 부품에 최적

4. 질화 열처리의 단점

• 처리 시간이 매우 길다 (10~70시간)
• 비용이 높고, 공정 제어가 어렵다
• 모든 재질에 적용되지 않는다 (특정 합금 원소 필요)
• 열처리 후 표면 연삭이 어려움

5. 질화 열처리의 종류

① 가스 질화 (Gas Nitriding)

가장 널리 사용되는 방식으로, 암모니아(NH₃)를 가열하여 발생한 질소를 금속에 확산시키는 방법입니다. 일정한 환경에서 처리 가능하며, 대량 생산에 적합합니다.

② 플라즈마 질화 (Plasma Nitriding, 이온 질화)

진공 상태에서 고전압을 이용해 질소 플라즈마를 발생시키고, 이를 금속 표면에 이온 형태로 침투시키는 방식입니다. 정밀 제어가 가능하며, 얇고 균일한 질화층을 형성할 수 있습니다.

③ 액체 질화 (Liquid Nitriding)

시안염(NaCN) 등의 염욕에 담가서 질화시키는 방식입니다. 질화 속도가 빠르지만, 환경 문제로 최근에는 제한적으로 사용됩니다.

6. 질화 열처리 vs 침탄 열처리

항목	질화 열처리	침탄 열처리
사용 원소	질소	탄소
처리 온도	500~600℃	850~950℃
변형	거의 없음	변형 우려 있음
경도	높음 (HV 1000 이상)	중간~높음
처리 시간	10~70시간	2~8시간
적용 대상	정밀 기계, 금형, 밸브	기어, 캠샤프트, 롤러

7. 질화 열처리 공정 흐름

1. 소재 준비 (합금강, 질화강 등)
2. 기계 가공
3. 표면 세정
4. 질화 처리 (가스/플라즈마/액체 방식)
5. 냉각 및 검사

8. 질화 열처리에 적합한 강종

• Cr-Mo-Al계 합금강 (예: SCM435, Nitralloy 계열)
• Cr-Mo-V계 합금강
• Cr-Al-Mo계 스테인리스강
• 초경합금 및 공구강 일부

※ 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 합금 원소가 질화물 형성에 기여

9. 질화 열처리의 적용 분야

산업	부품
자동차	밸브, 캠샤프트, 피스톤 링
기계	압축기 부품, 금형, 펌프 샤프트
항공우주	터빈 부품, 엔진 부품
금형	정밀 금형, 사출 금형

10. 마무리: 질화 열처리의 핵심 요약

질화 열처리는 낮은 온도에서 매우 단단한 표면층을 형성할 수 있는 고급 열처리 기술입니다. 내마모성, 내식성, 피로강도 등 모든 면에서 우수한 성능을 발휘하며, 특히 정밀한 치수가 중요한 기계 부품에 적합합니다.

다만 처리 시간과 비용이 높기 때문에, 정확한 부품 용도와 요구 성능에 따라 침탄, 고주파, 질화 등 열처리 방법을 선택하는 것이 중요합니다.

질화 열처리에 대해 궁금한 점이나 적용 문의는 댓글로 남겨주세요. 앞으로도 다양한 열처리 기술에 대해 소개할 예정이니 많은 관심 부탁드립니다!