침탄(Carburizing)은 강철 부품 표면층에 탄소를 고온에서 확산시켜 강철 결정립 구조를 변화시키는 표면 경화(Case Hardening) 공정입니다. 이 구조 변화로 강철이 탄소를 흡수할 수 있게 되며, 내마모성 표면층이 형성되어 강하고 안전한 금속 생산에 이상적입니다.
침탄은 철이나 강철을 탄소 함유 물질(숯, 일산화탄소 등) 존재 하에서 가열해 탄소를 흡수시키는 열처리 공정입니다. 목적은 금속을 더 단단하게 만드는 것입니다.
시간과 온도에 따라 영향을 받는 영역의 탄소 함량이 달라집니다. 일반적으로 침탄 시간 연장과 고온 처리는 탄소 확산 깊이를 증가시킵니다.
급랭(Quenching) 냉각 시 표면의 높은 탄소 함량으로 오스테나이트→마르텐사이트 변태가 일어나 표면이 경화되는 반면, 심부는 페라이트/펄라이트 미세조직으로 부드럽고 인성 있게 남습니다.
이 제조 공정의 핵심 특징:
경우에 따라 앞서 제조 공정에서 발생한 원치 않는 탈탄(Decarburization) 보완책으로 쓰이기도 합니다.
강철 침탄은 탄소 공급원을 이용한 금속 표면 열처리입니다. 저탄소강 표면 경도 향상에 쓰입니다. 초기엔 숯을 시료 주변에 직접 포장했으나, 현대엔 탄소 함유 가스나 플라즈마를 사용합니다.
공정은 주변 가스 조성과 로 온도에 주로 의존하며, 열이 잔여부 미세조직에도 영향을 줄 수 있어 정밀 제어가 필요합니다. 가스 조성 정밀 제어가 필요하면 진공 챔버에서 극저압으로 실시하기도 합니다.
플라즈마 침탄은 스테인리스강 등 다양한 금속 표면 특성 개선에 점점 더 많이 쓰입니다. 친환경적이고 복잡 형상 부품도 균일 처리 가능해 유연성이 높습니다.
침탄은 탄소 원자가 금속 표면층으로 확산되어 작동합니다. 금속은 금속 결정 격자로 단단히 결합된 원자들로 구성되며, 탄소 원자가 결정 구조로 확산되어 고용체 상태로 남거나 모재 원소와 반응해 탄화물을 형성합니다.
탄소가 고용체 상태로 남으면 후속 열처리로 경화합니다. 두 메커니즘 모두 표면을 강화하는데, 전자는 펄라이트/마르텐사이트 형성으로, 후자는 탄화물 형성으로 경화됩니다. 둘 다 단단하고 내마모성입니다.
가스 침탄은 보통 900~950°C 범위에서 수행됩니다.
산소-아세틸렌 용접에서 산소 부족의 침탄 화염은 그을음 나고 저온 화염으로, 금속 연화·유연화용 어닐링에 쓰입니다.
과거 탄소 공급원에 따라 고체 침탄, 액체 침탄, 가스 침탄 3종류로 나뉘었습니다. 숯, 용융염, 천연가스·프로판 등 탄소 함유 가스를 각각 사용합니다.
흔히 쓰이는 3가지 침탄법:
세 공정 모두 담금질 시 오스테나이트→마르텐사이트 변태 기반입니다. 표면 탄소 증가량이 충분해 충분한 경도(보통 700 HV)의 마르텐사이트층이 형성되어 내마모 표면이 확보되어야 합니다.
확산 후 표면 필요 탄소 함량은 보통 0.8~1.0% C. 이 공정들은 질량 기준 탄소 0.4% 이하(보통 0.25% 미만)인 다양한 탄소강, 합금강, 주철에 적용 가능. 부적절한 열처리는 산화나 탈탄을 유발할 수 있습니다.
비교적 느린 공정이지만 연속 공정으로 운용 가능해 대량 표면 경화에 적합합니다.
탄소강을 오스테나이트화 온도에서 탄소 풍부 분위기 중 가열합니다. 통상 엔도가스(Endothermic gas) 같은 캐리어 가스에 탄화수소(천연가스, 프로판)를 농축해 사용합니다.
부품을 메탄/프로판 분위기와 중성 캐리어 가스(N₂, CO, CO₂, H₂, CH₄ 혼합)가 있는 로에 넣습니다. 침탄 온도에서 메탄(또는 프로판)이 부품 표면에서 분해돼 원자 상태 탄소와 수소로 되고, 탄소가 표면으로 확산됩니다.
온도 통상 925°C, 침탄 시간은 1mm 심도면 2시간, 4mm 심도면 최대 36시간. 담금질 매질은 보통 오일이나 물, 염수, 가성소다, 폴리머도 사용.
저압 무산소 분위기에서 수행. 메탄 등 기체 탄화수소 사용. 산소 없으므로 산화 걱정 없이 침탄 온도 상승 가능. 온도 높을수록 탄소 고용도·확산 속도 증가해 소요 시간 단축.
강철이나 철 부품 표면 경화 공정. Ac₁ 온도 이상에서 용융염 욕조에 담가 탄소와 질소, 또는 탄소만 금속에 도입. 대부분 시안화물 함유로 탄소·질소 동시 도입.
시안화물염(청화염) 욕조에서 845~955°C 처리. 염은 보통 시안화물-염화물-탄산염 혼합물로 독성 강함. 시안화염이 소량 질소도 표면에 도입해 경도 추가 향상. 가장 빠른 침탄법이나 소량 배치만 적합.
고체 화합물에서 유래한 일산화탄소가 금속 표면에서 신생 탄소와 이산화탄소로 분해되는 공정. 침탄 용기는 탄소강, 알루미늄 코팅 탄소강, Ni-Cr 내열합금으로 만듭니다.
부품을 침탄 매질로 둘러싸 밀폐 상자에 넣습니다. 매질은 보통 코크스나 숯에 탄산바륨 혼합. 실제론 CO가 CO₂와 탄소로 해리돼 부품 표면으로 확산되는 가스 침탄 메커니즘입니다.
온도 790~845°C, 시간 2~36시간. 가장 원시적 공정이라 여전히 널리 쓰입니다.
비슷한 강재 단면에 적용하나 질량 기준 탄소 0.4~0.5%도 가능. 경화된 심부가 필요한 기어, 샤프트 등 부품 표면 경화에 특히 적합.
가스 침탄에 암모니아를 메탄/프로판에 첨가해 질소 공급원으로 삼는 변형 공정입니다.
강철 부품 표면층에 탄소가 확산되어 강철 결정립 구조를 바꾸는 표면 경화 공정. 이 변화로 강철이 탄소 흡수 가능.
저탄소강 표면에 탄소를 확산시켜 탄소 함량을 높여 열처리 반응 가능하게 하고 단단하고 내마모성인 층을 만드는 열화학 공정. 가스/액체/고체 침탄 3종류.
역사적으로 탄소 공급원에 따라 고체 침탄, 액체 침탄, 가스 침탄. 숯, 용융염, 천연가스·프로판 등 탄소 함유 가스 사용.
금속을 더 단단하고 가공하기 쉽게 만드는 것. 저탄소강 경도를 탄소 첨가와 열처리로 향상. 성공 시 강철 표면 경도 개선.
표면에 탄소 확산으로 경화층(Case) 형성해 강도·내마모성 향상, 심부는 낮은 경도 유지. 가공 후 저탄소강 부품, 고합금강 베어링, 기어 등 적용.
표면 경화 양대 열처리. 질화는 질소 원자 확산, 침탄은 탄소 확산.
표면 경화는 부품 표면만 경화하는 공정으로 침탄이라고도 함. 저탄소 부품을 정밀 제어된 탄소 분위기 로에 넣음.
침탄로 가스/전기 가열. 침탄 온도 870~940°C, 분위기 가스는 프로판, 부탄, 메탄 등 액체/기체 탄화수소에서 생성.
중소형 부품용. 염욕에서 공작물로 확산될 탄소는 시안화나트륨(NaCN)과 염화바륨(BaCl₂) 혼합 용융염에서 공급.
저온 공정으로 심부 미세조직 변화 없음. 주로 저탄소강, 저합금강에 쓰이나 질화는 저탄소강, 합금강, 공구강, 스테인리스강 모두 적용. 질화강이 내마모성·경도 더 우수할 수 있음.
분위기 침탄은 여러 단계지만, 로 내 탄소 생성과 공작물 내 탄소 확산 2대 핵심 공정으로 요약 가능. 전자는 탄소 원자 공급, 후자는 탄소 농도 기울기 결정.
"침탄 공정은 기어·캠 표면 경화 목적"(Malau, V., 1999). 탄소 침투 가속 위해 BaCO₃, NaCO₃ 등 첨가 필요.
가스 침탄, 탄질화, 가스 질화에 암모니아 가스(NH₃) 사용. 비정질 질소 생성해 강철 표면층 진입, 경도 향상.
알루미늄, 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 텅스텐, 바나듐이 고온에서 질소와 쉽게 결합해 질화물 형성. 이들 원소 함유 저탄소 합금강이 질화 적합.
핵심 차이: 침탄은 탄소로 강철 표면 경화, 탄질화는 탄소+질소로 강철 표면 경화.
침탄 온도에서 바로 담금질하거나 적정 오스테나이트화 온도로 재가열 후 담금질. 직접 담금질이 시간·비용 절감되나 포장 침탄에선 불가능. 포장 침탄품은 재가열 담금질 필수.
치수 변화 없이 침탄 불가능에 가까움. 변화량은 소재 종류, 침탄 공정, 초기 크기/형상에 따라 다름.
최초 표면 경화법. 부품을 상자에 숯, 발굽, 가죽, 동물 지방, 뿔 등 탄소 공급재와 함께 넣고 침탄 온도로 가열.
침탄 공정에서 탄소 확산이 공작물 표면층의 탄소 농도 기울기와 경도 분포 결정. 복잡하지만 로 내 탄소 생성, 공작물 내 탄소 확산 2단계로 분해 가능.
열처리 치수 변화 효과는 소재 등급마다 다름. 예: D2 공구강 3.15인치 큐브 경화 시 한 차원 0.08% 성장, 나머지 두 차원 수축.
금속 외표면 경도 높이는 소재 가공법. 경화 공정은 성형성·가공성 저하시키므로 타 가공 완료 후 마지막에 실시.
금속
밀링(Milling)이란? 밀링은 회전 커터를 공작물에 전진시켜 재료를 제거하는 가공 공정. 소형 부품부터 대형 중량 그룹 밀링까지 폭넓은 작업·기계 포괄. 정밀 공차 맞춤 부품 제작에 가장 널리 쓰이는 공정 중 하나. 밀링은 1개 이상 축, 다양한 방향, 커터 헤드 속도·압력으로 수행. 다양한 공작기계 활용. 밀링 머신, 공작물, 지그, 밀링 커터 필요. 공작물은 지그에 고정되어 머신 내 플랫폼에 장착. 밀링 커터는 날카로운 이가 여러 개 달린 회전 절삭 공구. 공작물을 회전 커터에 이송해 작은 칩 형태로 재료 제거, 원하는 형상
선삭(Turning)이란? 선삭은 회전하는 공작물에 대해 (주로 비회전) 절삭 공구가 직선적으로 이동하며 나선형 공구 경로를 그리는 가공 공정입니다. 일반적으로 선삭은 이 절삭 작용으로 외부 면을 생성하는 경우를 말하며, 같은 절삭 작용을 내부 면에 적용하면 보링(boring)이라 부릅니다. 따라서 선삭과 보링은 선반 가공(lathing)이라 불리는 큰 공정군을 이룹니다. 공작물 단면 절삭(선삭/보링 공구 모두)은 페이싱(facing)이라 하며, 어느 범주에든 포함될 수 있습니다. 선삭은 수동(기존 선반, 작업자 지속 감독 필요)
