침탄 열처리란? 원리부터 종류, 적용 분야까지 완벽 정리

침탄 열처리(Carburizing Heat Treatment)는 금속, 특히 저탄소강 표면에 탄소를 확산시켜 경도를 향상시키는 표면 열처리 기술입니다. 침탄 처리는 내마모성이 중요한 기계 부품에 필수적으로 사용되며, 자동차 산업에서 매우 광범위하게 활용됩니다.

1. 침탄 열처리의 정의

침탄 열처리는 주로 저탄소강을 고온(약 850~950℃)으로 가열하고, 탄소 함량이 높은 환경에 노출시켜 금속 표면에 탄소를 침투시키는 열처리 공정입니다. 이후 급냉(퀜칭)을 통해 표면은 매우 단단해지고, 내부는 연성을 유지하여 강인한 구조를 얻을 수 있습니다.

2. 침탄 열처리의 원리

철강을 고온에서 유지하면 결정격자가 확장되어 탄소 원자가 금속 표면에 쉽게 침투할 수 있습니다. 이때 탄소가 금속 표면을 따라 확산되며 침탄층을 형성합니다. 이후 급냉하여 마르텐사이트 구조를 형성하면 표면 경도가 매우 높아집니다.

침탄 열처리 공정 흐름도

3. 침탄 열처리의 장점

내마모성 향상: 경화층이 형성되어 마모에 강함
인성 유지: 중심부는 저탄소 상태 유지로 인성이 높음
피로강도 증가: 반복 하중에 대한 저항력 증가
기어, 캠, 롤러 등에 적합: 고하중 마찰 부품에 필수

4. 침탄 열처리의 단점

침탄 및 냉각 시간 소요로 공정 시간이 김
침탄 깊이 조절이 어려운 경우도 있음
왜곡 및 변형 가능성 존재
열처리 후 추가 가공 필요할 수 있음

5. 침탄 열처리의 종류

① 가스 침탄 (Gas Carburizing)

가장 일반적인 방식으로, 메탄가스(CH₄) 또는 프로판 등의 탄화수소가스를 고온에서 사용하여 금속에 탄소를 확산시킵니다.

② 고체 침탄 (Pack Carburizing)

금속을 탄소 분말과 함께 밀폐 용기에 넣고 가열하는 전통적인 방식입니다. 균일한 침탄이 어려우며 현재는 많이 사용되지 않습니다.

③ 액체 침탄 (Liquid Carburizing)

시안화염 등의 용융염 속에서 침탄을 수행합니다. 침탄 속도가 빠르지만, 환경 및 독성 문제로 제한적입니다.

④ 진공 침탄 (Vacuum Carburizing)

진공 분위기에서 탄소를 확산시키는 최신 방식으로, 정밀 제어가 가능하고 왜곡이 적어 고급 부품에 사용됩니다.

6. 침탄 깊이와 시간의 관계

침탄층의 깊이는 침탄 시간과 온도에 따라 결정되며, 일반적으로 다음과 같은 경향이 있습니다.

0.3mm 침탄 → 약 2시간
0.5mm 침탄 → 약 4시간
1.0mm 침탄 → 약 8시간 이상

※ 정밀한 제어를 위해 열처리 후 연삭 등의 추가 공정이 이루어지기도 합니다.

7. 침탄 열처리 공정 흐름

강재 준비 (주로 0.15% 이하의 저탄소강)
가열 및 침탄 환경 노출 (850~950℃)
침탄 시간 유지 (목표 깊이에 도달할 때까지)
급냉(Quenching)을 통한 마르텐사이트화
템퍼링(Tempering)으로 잔류응력 제거

8. 침탄 열처리 적용 사례

산업 분야	적용 부품
자동차 산업	기어, 캠샤프트, 드라이브샤프트, 슬리브
기계 산업	롤러, 체인 링크, 스프로킷
항공 산업	고하중 부품, 연결 피팅
중장비 산업	베어링 하우징, 기계 샤프트

9. 침탄 열처리와 고주파 열처리 비교

항목	침탄 열처리	고주파 열처리
열처리 방식	탄소 확산	유도 가열
처리 깊이	0.3~2mm 이상	0.5~3mm 이하
공정 시간	수 시간 이상	수 초 ~ 수 분
적용 부품	기어, 캠, 롤러	기어, 샤프트

10. 마무리: 침탄 열처리의 핵심 요약

침탄 열처리는 저탄소강의 표면을 단단하게 만들고 내부는 연성을 유지할 수 있는 매우 효과적인 열처리 기술입니다. 고하중, 고마찰 부품에 최적화되어 있으며, 정확한 제어를 통해 높은 품질을 얻을 수 있습니다. 고급 제품에는 진공 침탄, 대량 생산에는 가스 침탄이 많이 활용되며, 점점 더 친환경적이고 정밀한 방향으로 발전하고 있습니다.

열처리 방법을 선택할 때는 제품의 용도, 강종, 비용, 변형률 등을 종합적으로 고려하여 침탄과 고주파 등의 기술을 비교 적용해야 합니다.