침탄 열처리(Carburizing)

1. 침탄 열처리란?

침탄(Carburizing) 열처리는
강(steel) 부품의 표면에 탄소를 침투시켜 단단하게 만드는 열처리 방법이다.

표면은 경화되어 마모에 강한 층(Carburized layer)이 형성되고,
내부는 비교적 인성(Toughness)을 유지하여 충격과 휨에도 버틸 수 있게 만든다.

쉽게 말하면, 겉은 딱딱하고 속은 부드러운 “겉단속연” 구조를 만드는 과정이다.

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2. 침탄이 필요한 이유

기계 부품은 표면 마모와 피로파괴에 지속적으로 노출된다.
특히 아래 부품들은 반복 하중과 접촉압력에 시달린다.

• 기어, 캠, 샤프트, 슬리브, 롤러, 부시, 핀, 체인 부품

이 때 전면 경화(Quenching only)를 하면 내부까지 딱딱해져서
충격에 깨지기 쉬운 ‘유리 같은 강’이 되어버린다.

그래서 해결책으로

• 표면만 탄소 농도↑ → 고경도층 형성
• 내부는 원래의 인성 유지

→ 침탄 열처리가 사용된다.

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3. 침탄의 기본 원리

침탄은 3단계로 진행된다

저탄소 합금강에 탄소(C)를 침투, 확산 시켜 금속 표면의 탄소 농도를 높이는 공법이 침탄열처리다.

오스테나이트 상태의 연강 표면에 탄소를 침투시켜 마르텐사이트로 변화시켜 목적에 맞는 경도와 인성을 갖게 함.

① 침탄(Carburizing)

• 고온(A1변태점 723℃ 이상)에서 탄소 첨가

② 담금질(Quenching)

• 침탄 완료 후 급속 냉각 → 마르텐사이트 조직 형성 → 고경도 확보

③ 템퍼링(Tempering) 

• 조직 안정화 및 취성 방지

④  후처리

• Shot peenig : 피로강도 향상 및 내식성 개선, 파손 방지 및 지연
• Sanding : 외관 개선

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4. 침탄 열처리의 종류

가스 침탄	CO, CH₄ 등 가스 사용	대량 생산, 균일한 품질	장비 고가
액체 침탄	시안염(NaCN) 등 액상 침탄제 사용	빠른 침투, 변형 적음	환경 유해, 폐기 어려움
고체 침탄	침탄제가 담긴 박스에 부품 매립	저비용, 간단	깊이 조절 어려움, 품질 불균일,작업 시간이 길다.
진공 침탄	진공로 + 정밀 침탄	정밀부품, 복잡 형상에 적합	장비 고가, 변형 위험

 

실무에서는 가스 침탄이 가장 일반적이다.

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5. 침탄 가능 재료

침탄은 기본적으로 저탄소강(탄소 0.15% 이하)에 적용된다.
→ 침탄을 통해 표면 탄소를 0.6~0.9%로 올리는 구조

S20C, S15C	◎	가장 보편적인 침탄용 탄소강
SCM415, SCM420	◎	합금 원소 포함 → 담금질성 우수
SNC420, SNC815, SNCM439	◎	고강도용 정밀부품에 사용
S45C, SCM440	△	탄소량 높아 침탄은 비효율, 대신 고주파 열처리 적합

 

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6. 침탄 깊이와 경도

침탄 깊이	0.3 ~ 1.5 mm (보통 0.8mm 전후)
표면 경도	HRC 58~62
내부 경도	HRC 30~40 수준 유지 가능 (인성 확보)

 

※ 침탄 시간, 온도, 재질에 따라 조정 가능

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7. 침탄 vs 고주파 열처리 비교

경화 방법	표면 탄소 농도 ↑ 후 담금질	표면만 유도 가열 후 담금질
경화층 깊이	비교적 깊음 (0.5~1.5mm)	얕음 (0.3~0.8mm)
대상 재료	저탄소강	중/고탄소강
균일성	고름	형상 복잡한 경우 한계
사용 부품	기어, 샤프트, 슬리브	롤러, 핀, 일부 축류

 

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8. 실무 적용 예시: SCM415 기어 침탄 열처리

• 재질: SCM415 (Cr-Mo 저합금강)
• 침탄 조건: 930℃ 가스침탄, 5시간
• 침탄 깊이: 약 1.0mm
• 표면 경도: HRC 60
• 내부 경도: HRC 35

→ 사용처: 고속 회전 감속기용 입력축 기어

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마무리

침탄 열처리는 겉은 단단하고 속은 부드러운 완벽한 균형의 기술이다.
기어, 샤프트처럼 반복 접촉과 하중을 받는 부품에서
내마모성과 피로수명을 동시에 확보할 수 있는 최고의 열처리 방식이다.

설계자라면 반드시 알고 있어야 하고,
가공자라면 그 조건을 정확히 읽고 가공할 수 있어야 한다.