침탄과 표면 경화: 기초

기본 개념

일부 부품에는 서로 모순되는 두 가지 특성이 필요하다. 마모와 접촉 피로에 견디는 표면, 그리고 균열 없이 충격을 흡수하는 심부가 그것이다. 침탄은 한 조각의 저탄소강으로 이 두 가지를 모두 제공한다. 부품을 탄소가 풍부한 분위기 속에서 대략 880–950 °C로 유지하면 탄소가 표면으로 확산해 들어가고, 이후의 담금질에서는 그렇게 농화된 층 — 케이스(case) — 만이 경화되며, 저탄소인 **심부(core)**는 상대적으로 연하고 인성이 높은 상태를 유지한다.

유효 경화 깊이

유효 경화 깊이는 경도가 정의된 수준까지 떨어지는 깊이로 지정되며, 유럽의 실무에서는 일반적으로 550 HV를 기준으로 한다(CHD, case hardening depth). 중요한 깊이는 두 가지이다.

• 유효 경화 깊이(550 HV까지): 기어와 샤프트에서는 일반적으로 약 0.3–2.5 mm이며, 기어의 접촉 응력과 모듈에 맞춘다.
• 전체 경화 깊이: 확산 영역 전체로, 항상 유효 깊이보다 깊다.

더 깊은 케이스를 얻으려면 불균형적으로 더 긴 노 가동 시간이 필요하다. 확산 깊이는 시간의 제곱근에 비례하여 증가하므로, 깊이를 두 배로 하려면 대략 네 배의 시간이 걸린다.

탄소 포텐셜

노 분위기는 탄소 포텐셜로 제어되며, 이는 해당 분위기가 온도 상태에서 순철에 만들어내는 표면 탄소 수준을 말한다. 부스트 단계에서는 일반적으로 공석점부터 포화점까지의 영역보다 다소 낮거나 그에 가까운 수준으로 운전되며, 표면에서는 종종 0.8–1.0% C 정도이다. 포텐셜이 너무 높으면 그을음, 탄화물 네트워크, 과도한 잔류 오스테나이트가 형성되고, 너무 낮으면 얕고 연한 케이스가 된다. 생산 사이클에서는 흔히 부스트–확산 패턴을 사용한다. 높은 포텐셜로 탄소를 빠르게 침투시킨 뒤, 낮은 포텐셜 단계에서 최종 표면 탄소량과 농도 구배를 맞추는 방식이다.

담금질 후의 심부와 케이스

침탄 후 부품은 담금질(직접 담금질하거나, 결정립 미세화를 위해 재가열한 뒤 담금질)하고, 대략 150–200 °C의 낮은 온도에서 템퍼링한다. 고탄소 케이스는 경질 마르텐사이트로 변태하며, 표면 경도는 일반적으로 약 58–62 HRC이다. 여전히 탄소 함량이 약 0.15–0.25%에 불과한 심부는 경화능이 허용하는 범위까지만 경화되어 훨씬 더 연한 상태를 유지하며, 부품 설계의 전제가 되는 인성을 제공한다.

침탄을 위해 설계된 강

표면 경화강은 심부 강도와 경화능을 위해 합금 첨가된, 설계상 저탄소 강이다.

• 8620(AISI): 북미의 범용 기어강으로, Ni-Cr-Mo 심부를 갖는다.
• 20CrMnTi(GB): 중국의 표준 기어강으로, 티타늄이 긴 침탄 사이클 동안 결정립을 고정하는 역할을 한다.
• 16MnCr5(EN 1.7131): 소형 및 중형 기어에 쓰이는 유럽의 주력 강종이다.
• 더 높은 부하용 변형 강종은 대형 단면에서 심부 강도가 중요한 경우 니켈을 첨가한다(예: 18CrNiMo7-6).

침탄 부품을 지정한다는 것은 유효 경화 깊이, 표면 경도, 심부 경도를 함께 지정한다는 뜻이다. 어느 하나만으로는 요구 사항이 불완전하다.

가스, 팩, 저압 방식의 변형

고체 탄소 화합물을 사용하는 전통적인 팩 침탄은 이제 대체로 역사 속으로 사라졌다. 현대 생산에서는 탄소 포텐셜을 지속적으로 측정하고 제어하는 분위기 노에서의 가스 침탄, 또는 진공 노에서 탄화수소 가스를 펄스 형태로 공급하여 복잡한 기어 형상에도 산화 없이 매우 균일한 케이스를 얻는 저압(진공) 침탄을 사용하며, 후자에는 일반적으로 고압 가스 담금질이 뒤따른다. 설계자가 지정하는 야금학적 내용은 세 방식 모두 동일하다. 달라지는 것은 균일성, 청정도, 사이클 경제성, 그리고 기어 마무리 가공이 흡수해야 하는 변형 거동이다.