기어강 선택: 침탄 vs 전체 경화

두 가지 철학

기어 이빨에는 접촉 (공식) 강도를 위한 단단하고 내마모성이 있는 표면과 굽힘 강도를 위한 인성이 있는 심부가 필요합니다. 두 강종군이 이 균형을 서로 다른 방식으로 제공합니다.

침탄용 강

저탄소 합금강 — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — 은 연한 상태에서 가공한 뒤 침탄하고 담금질합니다. 결과: 약 30–45 HRC 수준의 심부 위에 약 58–62 HRC의 경화층이 형성됩니다.

• 일반적인 선택지 중 가장 높은 접촉 및 굽힘 피로 강도를 제공합니다.
• 경화층 깊이는 이빨 크기에 비례합니다: 널리 사용되는 경험칙에 따르면 유효 경화층 깊이는 모듈의 약 0.15–0.30 × 수준입니다 — 모듈 3 기어는 얕은 깊이만으로 충분하고, 모듈 10 기어는 비례적으로 더 깊어야 합니다.
• 비용: 침탄 사이클이 길고, 변형을 관리해야 하며 (종종 정삭 연삭 필요), 매우 큰 기어는 균일한 표면 경화가 비현실적이 됩니다.

전체 경화 강

42CrMo4 / 4140 및 유사한 중탄소 합금강은 균일한 ~28–36 HRC로 담금질-템퍼링한 뒤 절삭 또는 정삭 가공합니다. 표면 경도 — 따라서 공식 저항 — 는 더 낮지만:

• 경화층 깊이 제한이 없습니다; 대모듈, 대구경 기어 (풍력, 밀, 선박 보조기기)에 적합합니다.
• 이빨을 이후에 유도 경화 (측면에서 약 50–55 HRC) 하여 템퍼링된 심부를 유지하면서 표면 내구성을 회복할 수 있습니다.
• 질화용 강은 적당한 하중을 위한 세 번째 경로입니다: 변형이 거의 없이 매우 단단한 얇은 경화층을 제공하지만 경화층 깊이는 제한적입니다.

선택 논리

상황	일반적인 선택
소/중 모듈, 높은 토크 밀도, 자동차 및 기어박스 용도	침탄: 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
대모듈, 충격 하중, 단품 산업용 기어	전체 경화 42CrMo4, 선택적으로 유도 경화
변형을 교정할 수 없는 정밀 기어	질화용 강
저하중, 저비용, 교체 가능한 기어	1045 또는 주강, 미경화 또는 경미하게 경화

실무적인 경계는 크기와 응력입니다: 모듈이 커지고 경화층 깊이가 밀리미터 단위를 넘어서면 침탄 비용과 변형이 급격히 증가하고, 표면 처리를 병행한 전체 경화가 대개 유리해집니다.

열처리와 정삭의 현실

침탄은 수 시간에서 수 일 단위로 측정되는 배치 공정입니다: 기어는 연삭 여유를 두고 가공한 뒤 침탄, 담금질을 거쳐 이빨 정확도를 회복하기 위해 정삭 연삭 또는 하드 스카이빙을 합니다 — 이 정삭 단계는 처음부터 공정 계획과 공차 예산에 포함되어야 합니다. 전체 경화 기어는 더 단순합니다: 먼저 담금질-템퍼링한 뒤, 크기가 허용되면 경화된 블랭크에 이빨을 절삭하여 하드 절삭이 제공하는 측면 마감을 수용하거나, 연삭 절삭 후 다소 느슨한 정확도로 유도 경화합니다. 두 경로 모두에서 강의 경화능 밴드 (구매 표준의 H-band)가 이뿌리에서의 심부 경도를 보장합니다; 경화능 밴드 없이 강종만 지정하면 가장 중요한 기어 특성을 우연에 맡기는 셈입니다.