질화 열처리란? 원리부터 방식, 적용 사례까지 총정리

 

 

금속 표면에 높은 경도와 내마모성, 내산화성을 부여하는 질화 열처리(Nitriding)는 현대 산업에서 매우 중요한 열처리 기술입니다. 침탄 열처리와 유사하지만, 질화는 더 낮은 온도에서 공정이 진행되며 산화 및 변형이 적다는 특징이 있습니다.

질화 열처리의 정의

질화 열처리는 금속의 표면에 질소(Nitrogen)를 확산시켜 질화물(Nitride)층을 형성함으로써, 높은 표면 경도와 내마모성을 얻는 표면 강화 열처리 공정입니다. 주로 합금강, 공구강, 주강, 스테인리스강에 적용됩니다.

질화 열처리의 목적

• 고경도 표면 형성: 1000~1200 HV 이상의 경도 달성
• 내마모성 향상: 기계 부품의 마모 저항력 증가
• 내산화성 확보: 고온 환경에서 산화에 대한 저항력 향상
• 변형 최소화: 낮은 온도에서 처리되어 열 변형 적음
• 피로 수명 향상: 표면 잔류 압축 응력으로 인해 균열 방지

질화 열처리의 원리

질화는 주로 480~580℃의 온도에서 진행되며, 질소를 공급하는 기체(암모니아 등) 또는 플라즈마 상태의 질소 이온을 활용하여 금속 표면에 질소를 침투시킵니다. 질소는 금속 내의 Cr, Al, Mo, Ti 등의 원소와 반응하여 질화물을 형성합니다.

질화층의 구조

• 복합층(Compound Layer): 철질화물(Fe₂–₃N, Fe₄N)로 구성된 표면층
• 확산층(Diffusion Layer): 질소가 확산된 내부층, 경도와 내마모성의 핵심

질화 열처리의 종류

1. 가스 질화 (Gas Nitriding)

• 암모니아(NH₃) 가스를 사용하여 고온에서 질소 공급
• 처리 온도: 500~550℃
• 가장 널리 사용되는 방식, 경제성 우수

2. 플라즈마 질화 (Plasma Nitriding)

• 진공 상태에서 전기장을 이용해 질소 이온화
• 정밀 제어 가능, 복잡한 형상에도 균일 처리
• 산화층 없이 깨끗한 표면 처리 가능

3. 액상 질화 (Salt Bath Nitriding)

• 질화염(NaCN 등)을 녹인 용액에 금속 침지
• 열전달이 빠르고 공정이 짧음
• 환경 오염 문제가 있음

질화 열처리 적용 대상 소재

• Cr, Al, Mo, V, Ti이 함유된 합금강
• 공구강(SKD11, H13 등)
• 주강 및 다이캐스트 금형
• 스테인리스강 및 마르텐사이트강

질화 열처리의 장단점

장점

• 높은 표면 경도 확보 (1000~1200 HV)
• 열 변형이 적고, 후가공 불필요
• 우수한 내산화성 및 내식성
• 공정 후 피로강도 향상

단점

• 공정 시간이 길며, 표면 처리 깊이는 비교적 얕음
• 질화 전 정밀 연마 및 전처리 필요
• 설비 비용이 높을 수 있음 (특히 플라즈마 방식)

질화 열처리의 주요 적용 사례

• 엔진 부품: 캠축, 크랭크축, 피스톤 핀
• 금형 및 다이 부품: 사출 금형, 열간 단조 금형
• 기어 및 샤프트: 고속 회전 및 충격 부하를 받는 부품
• 항공 및 방산 분야: 고내식성 요구 부품

질화 열처리 vs 침탄 열처리 비교

항목	질화 열처리	침탄 열처리
처리 온도	480~580℃	900~950℃
표면 경도	1000~1200 HV	600~800 HV
처리 시간	8~60시간	4~24시간
열변형	매우 적음	다소 있음
적용 분야	금형, 고속 부품	기어, 베어링

마무리

질화 열처리는 낮은 온도에서 금속의 표면에 높은 경도와 내마모성을 부여하면서도 변형이 적은 열처리 공정입니다. 플라즈마 질화, 가스 질화, 액상 질화 등 다양한 방식이 있으며, 금형이나 고속 회전체 부품처럼 정밀성과 강도가 모두 요구되는 분야에서 매우 유용하게 사용됩니다.

다음 포스팅에서는 열처리 기술 전반을 정리하며 침탄, 질화 외에도 풀림, 소입, 소려 등의 열처리 방식들을 비교해보겠습니다.