질화 열처리(Nitriding)

1. 질화처리(Nitriding)의 개요

질화처리는 금속의 표면에 질소(N) 를 침투시켜 단단한 질화물(Nitride) 층을 형성하는 열처리 방법.
주로 강철 재료에 적용되며, 기계 부품의 내마모성, 피로강도, 내식성을 높이기 위한 목적에서 사용.

보통 A1 변태점(723℃) 이하의 온도에서 처리되기 때문에, 침탄에 비하여 변형이 적은 장점이 있음. 

쉽게 말해, 금속에 보이지 않는 단단한 보호막을 입혀주는 표면 경화 열처리 공정.

2. 질화처리의 원리와 과정

질화처리는 약 500~600℃의 비교적 낮은 온도로 가열된 금속에 암모니아(NH₃)나 플라즈마 등 을 금속 표면에 공급하면

철 표면의 촉매장용에 의해 열분해되어 발생된 질소 원자가 철표면에 흡착, 내부로 확산

이렇게 결합된 질화철과 합금원소(Al, Cr, Mo, W, V 등)의 원자와 질소원자가 결합하여 미세하고 견고한 질화물층이  기지에 석출 되어 격자간 비틀림을 일으키게 됨

이 질화물 층(FeN, CrN, AlN 등)은 매우 단단하여, 급냉하지 않아도 금속의 표면 경도를 높이는 핵심 역할

3. 질화처리의 장점

• ✅ 내마모성 향상(다공성)
• ✅ 치수 변화가 거의 없음
• ✅ 내식성 향상
• ✅ 내열성 향상
• ✅ 내소착성 향상
• ✅ 피로강도 향상(확산층 생성)
• ✅ 내부 인성 유지 가능
• ✅ 담금질(소입,Quenching) 생략 가능

4. 소입/소려와의 차이점

항목	질화	소입/소려
처리 온도	500~600℃	800~900℃
냉각 방식	서냉	급랭 (수냉/유냉) 후 서냉
치수 변화	거의 없음	있음 (변형 위험)
경화 위치	표면	전면 또는 심부

5. 질화처리가 사용되는 부품 예시

• 기어, 캠축, 크랭크축, 스핀들 샤프트
• 금형 부품, 나사, 고속 회전체 베어링
• 고정밀 기계요소, 자동화 장비 부품 등

6. 질화법의 분류

확산(침투)원소	질화(Nitriding)	질소(N)
	연질화(Nitrocaburizing)	질소(N), 탄소(C)
	침유질화(Sulfur Nitriding)	질소(N), 유황(S)
	산질화(Oxynitriding)	질소(N), 산소(O)
방법	가스질화	암모니아가스(NH₃)중에서 500~550℃ 정도로 오랜시간 가열 매우 경도가 높으며 처리시간이 길다. 질화층을 깊이 요구하는 제품에 사용 Al, Cr, Mo가 첨가되어야 하므로 강종에 제한
	액체 질화	염욕질화용 염으로 NaCN(55~65%), KCN(35~45%)의 혼합염을 사용 질화 시간은 가스질화보다 짧으나 얕은 질화층
	염욕 연질화(터프라이드)	피로수명이 길고 내식성이 상당히 큼 570°C로 10~30분 동안 가열한 후 수중에서 급랭 강종제한이 없으나 공기를 불어 넣기 위한 장치 필요 표면 박리현상이 없고 내식성, 방청성 향상 내피로성이 높고 내융착성, 내마모성 향상 표면에 높은 압축 잔류 응력을 주게 됨
	가스 연질화(Cont)	혼합가스를 이용한 가스연질화
	이온 질화	N2, H2 등을 함유한 혼합희박 가스 분위기에서 글로우 방전에 의한 이온충격으로 표면경화 질화층의 선택조직생성과 저온처리로 변형방지, 빠른 처리시간 등이 장점

7. 주요 강종별 질화처리 특성 정리

강종	주요 원소	질화 적성	특징 및 목적	대표 적용 예
SCM420 / SCM440 (Cr-Mo강)	Cr, Mo	★★★★☆	- 가장 대표적인 질화용 합금강 - Mo가 질화층의 부착성을 높임	기어, 크랭크축, 스핀들
SNCM220 / 420 / 439 (Cr-Ni-Mo강)	Cr, Ni, Mo	★★★★★	- 질화층 경도 매우 우수 - 고강도 + 고경도 동시 확보	항공기 부품, 고속 회전체
SACM645 (Al-Cr-Mo강)	Al, Cr, Mo	★★★★★	- Al이 질화반응 우수 - 깊고 단단한 질화층 형성	고정밀 베어링, 고하중 슬라이드
S45C / S50C (탄소강)	C	★★☆☆☆	- 질화성은 낮음 - 얕은 질화층만 가능 (0.1mm 내외)	간단한 회전 부품, 경하중 샤프트
SKD11 / SKD61 (Cr계 공구강)	Cr, V, Mo	★★★☆☆	- 공구강 특성상 질화 후 변형 적음 - 경도는 높으나 충격에는 주의	펀치, 금형, 트리밍 블록
STS304 / STS316 (오스테나이트계 스텐레스)	Cr, Ni	★☆☆☆☆	- 질화가 매우 어렵고 깊이 얕음 - 표면 반응성이 낮음	외관품, 내식 부품 (비추천)
STS420J2 (마르텐사이트계 스텐레스)	Cr	★★☆☆☆	- 조건에 따라 제한적 질화 가능 - 질화층 불균일 우려	절단 칼날, 밸브 시트
구리합금 / 알루미늄합금	Cu, Al	☆☆☆☆☆	- 질화처리 불가능 - 대신 산화막 또는 아노다이징 활용	비철재 가공품, 커버류

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✅ 질화 적성 판단 기준

• 좋음 (★★★★★): 깊이 + 경도 + 안정성 확보 (질화층 0.3~0.5mm 이상 가능)
• 보통 (★★★☆☆): 조건 조절 시 실용 가능 (얕은 층, 제한적 활용)
• 낮음 (★☆☆☆☆): 질화층 형성 거의 불가, 다른 표면처리 필요

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📎 설계 시 참고 팁

• 질화처리 전 소재 선택 시, Al / Cr / Mo / V 함량 있는 합금강이 유리함
• 기계 구조용 탄소강(S45C 등)은 기본 질화층 형성은 가능하나, 내구성은 제한적
• 스테인리스의 경우, 질화는 제한적이며 고온 산화, 부식 위험 존재
• 질화 목적이 명확할 경우, SNCM계 / SACM계 강종 우선 고려

8. 주의사항 및 한계

• 질화는 표면만 경화되므로, 충격 강도는 소입강보다 낮을 수 있음
• 질화처리를 하려면 질화용 특수강(예: SCM440, SNCM220 등)이 적합함
• 도금·산화피막 등 표면막이 있으면 효과가 떨어지므로 사전처리(질화 전 가스로 탈지 후 표면 산화물 분말로 연마 등) 필요함

9. 마무리

질화처리는 복잡한 열처리 기술처럼 보이지만, 그 목적은 단순 명료.
‘닳지 않게, 변형되지 않게, 오래 버티게’ 만드는 것.