침탄 열처리란? 원리부터 공정, 종류까지 완벽 정리

 

 

금속 부품의 표면에 높은 경도를 부여하면서도 내부는 연성을 유지해야 하는 경우, 가장 많이 사용되는 열처리 기술 중 하나가 바로 침탄 열처리(Carburizing)입니다. 특히 자동차 부품, 기어, 베어링 등 내마모성이 필요한 부품에 널리 적용되며, 내구성과 수명을 크게 향상시킵니다.

침탄 열처리의 정의

침탄 열처리는 저탄소강 또는 저합금강의 표면에 탄소를 침투시켜 고온에서 확산시키고, 이후 급냉하여 표면을 경화시키는 표면 열처리 공정입니다. 표면은 마르텐사이트 조직으로 변환되어 고경도가 되며, 내부는 연성을 유지해 충격에 견디는 성능을 확보합니다.

침탄 열처리의 필요성

• 고경도 표면 확보: 마모에 강한 표면을 만들어 내구성 향상
• 내충격성 확보: 내부는 부드럽고 인성이 좋아 충격에 강함
• 수명 연장: 기계적 피로와 마모에 대한 저항 증가
• 정밀 기계 부품에 필수: 기어, 샤프트, 캠축 등 기계 요소 부품에 적합

침탄 열처리의 원리

침탄은 주로 900~950℃의 고온에서 금속 표면에 탄소원(CO, CH₄ 등)을 접촉시켜 탄소를 확산 침투시키는 방식입니다. 이렇게 침탄된 부품은 급속 냉각(소입)을 통해 표면은 마르텐사이트로 변하며 경도가 증가합니다.

조직 변화

침탄 전에는 페라이트와 펄라이트 조직이 존재하지만, 침탄 후에는 오스테나이트 조직으로 변화한 후 급냉에 의해 마르텐사이트로 변합니다. 이로 인해 표면 경도는 HRC 60 이상에 도달할 수 있습니다.

침탄 열처리의 주요 방식

1. 가스 침탄 (Gas Carburizing)

• CH₄ 또는 CO와 같은 탄화수소 가스를 사용
• 가열로 내에서 연속적으로 처리 가능
• 대량 생산에 유리하며, 가장 일반적인 방법

2. 액침탄 (Liquid Carburizing)

• 시안염(Cyanide salt) 등 액상 탄소원 사용
• 고르게 침탄되며 열전달 속도가 빠름
• 환경오염 문제로 최근에는 사용이 줄어듦

3. 고체 침탄 (Pack Carburizing)

• 탄소 분말(활성탄 등)에 부품을 넣고 고온 가열
• 과거에는 많이 사용되었으나, 현재는 비효율적

4. 진공 침탄 (Vacuum Carburizing)

• 고정밀 부품 및 고가 부품에 사용
• 열팽창, 산화 문제를 줄이고 표면 품질 우수
• 고가의 설비가 필요

침탄 깊이와 시간의 관계

침탄 깊이는 처리 시간과 온도에 따라 결정되며 일반적으로 다음과 같은 공식이 적용됩니다.

침탄 깊이 ≈ k × √t (k: 확산 계수, t: 시간)

• 0.3mm 침탄: 약 2~3시간
• 0.8mm 침탄: 약 8시간 이상
• 1.5mm 이상: 24시간 이상 필요

제품 요구사항에 따라 침탄 깊이를 조절하여 강도와 내마모성을 최적화할 수 있습니다.

침탄 후 열처리

침탄 후에는 급속 냉각(소입)을 통해 표면을 마르텐사이트화 하며 경화를 완료합니다. 이후 소려(Tempering)를 통해 내부 응력을 제거하고, 인성과 균형을 확보합니다.

적용 분야

• 자동차 부품: 기어, 캠축, 크랭크축, 샤프트 등
• 기계 산업: 베어링, 스플라인, 커플링
• 항공/방산: 고강도 경량 구조물
• 중장비 부품: 트랙터, 건설 장비 기어

침탄 열처리의 장단점

장점

• 표면 경도와 내부 연성의 이상적인 조합
• 마모 저항성이 탁월하여 부품 수명 향상
• 다양한 재료와 복잡한 형상에도 적용 가능

단점

• 침탄 깊이에 따라 처리 시간이 길어질 수 있음
• 열처리 후 변형 가능성이 있으므로 후가공 필요
• 설비 및 공정 관리가 어려움 (온도, 분위기 등)

마무리

침탄 열처리는 표면의 내마모성을 극대화하면서 내부의 인성을 유지할 수 있는 매우 효율적인 열처리 방법입니다. 특히 기계 부품의 성능 향상과 제품 수명 연장을 위해 폭넓게 사용되며, 현대 제조 산업에서 없어서는 안 될 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다.

다음 편에서는 고경도와 내산화성이 뛰어난 질화 열처리에 대해 자세히 알아보겠습니다.