탄소강 표면경화법

왜 배우는가: 탄소강 표면경화법은 부품 표면의 내마모성과 피로강도를 높이면서 중심부 인성은 유지하는 방법으로, 기어·축·공구 설계와 열처리 공정 선택에서 매일 쓰인다. 기술사 시험에서는 화학적·물리적 분류를 묻는 용어형과 표면경화법 전체를 설명하는 논술형으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제124회 3교시 1번, 제108회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

표면경화법은 강 표면만 단단하게 하여 내마모성을 높이고 중심부의 인성은 유지하는 열처리법이다.

핵심 키워드

• 표면경화: 표층만 경도를 높이고 내부는 원래 성질을 유지하는 처리
• 화학적 표면경화법: 표면의 화학 성분을 바꾸어 경화하는 방법(침탄, 질화, 침탄질화, 청화 등)
• 물리적 표면경화법: 화학 성분은 바꾸지 않고 가열과 담금질로 경화하는 방법(화염경화, 고주파경화 등)
• 내마모성: 마찰과 마모에 견디는 성질
• 마텐자이트: 급랭으로 얻는 경도가 큰 강의 조직
• 중심부 인성: 충격에 견디는 내부의 연성과 인성
• 경화층 깊이: 표면에서 일정 경도 이상이 유지되는 깊이
• 이중 조직: 표층 마텐자이트와 중심부 저탄소 조직이 공존하는 구조

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 부품 겉면은 단단해서 긁히지 않고 속은 질겨서 부러지지 않게 만드는 것이다. 기어 이빨 표면은 맞물리며 마모되므로 단단해야 하고, 이빨 뿌리는 큰 충격을 받으므로 질겨야 한다. 표면경화법은 이 두 요구를 한 부품에서 함께 맞춘다.

정식 정의는 다음과 같다. 표면경화법(case hardening)은 강의 표면층에 탄소, 질소 등을 침투시키거나 표면만 급열·급랭하여 표층 경도를 높이는 열처리법이다. 목적은 내마모성, 피로강도, 내식성, 내소착성의 향상이다.

표면경화법은 두 갈래로 나뉜다. 화학적 표면경화법은 Chemical surface hardening 으로, 표면의 화학 성분을 바꾸어 경화한다. 침탄법, 질화법, 침탄질화법, 청화법이 여기에 속한다. 침탄은 탄소를, 질화는 질소를 표면에 확산시켜 고경도 화합물층을 만든다.

물리적 표면경화법은 Physical surface hardening 으로, 화학 성분을 바꾸지 않고 가열과 담금질만으로 경화한다. 화염경화와 고주파 유도경화가 대표적이다. 이 방법은 탄소 함량이 충분한 강에서만 효과가 있으며, 국부적으로 빠르게 가열하고 냉각하는 것이 핵심이다.

두 방법의 차이는 표층의 성분 변화 여부다. 화학적 방법은 침투 깊이가 확산 시간과 온도에 따라 결정되고, 물리적 방법은 가열 깊이가 주파수와 가열 시간에 따라 결정된다.

탄소 0.1~0.3% 강은 침탄 대상이고, 탄소 0.3~0.6% 강은 화염·고주파 경화 대상이다.

3. 등장 배경과 필요성

기계 부품은 표면에서 마모와 피로 파괴가 먼저 일어나는 경우가 많다. 전체를 고합금강으로 만들면 비용이 커지므로, 값싼 탄소강을 쓰고 표면만 경화하는 방법이 개발되었다. 이것이 표면경화법이 필요한 배경이다.

초기의 표면경화는 목탄을 부품 주위에 채워 가열하는 고체 침탄에서 시작했다. 이때 이 처리를 케이스 하드닝(case hardening)이라 불렀다. 이후 가스, 액체, 진공 등 제어가 쉬운 방법으로 발전했다.

현대 산업에서는 자동차 기어, 크랭크축, 베어링면, 금형, 공구의 내구성과 경량화가 요구된다. 중심부를 가볍고 질긴 재료로 두면서 표면만 강하게 만드는 설계가 필요하기 때문에 표면경화법의 중요성이 커졌다.

또한 표면경화는 부품 전체를 담금질할 때 생기는 변형과 균열을 줄이는 이점이 있다. 탄소강은 두꺼운 단면을 전체 경화하기 어렵기 때문에, 표면만 경화하는 방법이 실무에서 더 적합한 경우가 많다.

4. 구성요소·원리·절차

탄소강 표면경화법은 강 표면의 화학 성분을 바꾸는 방식과 화학 성분을 바꾸지 않고 표면 조직만 바꾸는 방식으로 구성된다. 두 방식의 구성요소와 원리가 다르므로 표로 나눠 정리한다.

화학적 표면경화는 탄소 또는 질소가 강 표면으로 확산하는 확산 제어 공정이다. 확산 깊이는 시간과 온도에 비례하여 커진다. 확산 후 침탄은 담금질이 필요하고, 질화는 담금질 없이 경화층이 형성된다. 물리적 표면경화는 표면을 급속 가열한 뒤 급랭하는 방식이다. 가열 깊이는 오스테나이트로 변한 깊이로 정해지므로 가열 조건으로 경화층 깊이를 조절한다. 화학 성분은 변하지 않는다.

원리 요점은 다음과 같다. 표층은 고탄소 마텐자이트로 경도가 높고 내마모성이 크다. 중심부는 저탄소 조직 그대로 남아 인성을 유지한다. 이 이중 조직이 표면경화의 핵심이다.

침탄 공정의 절차는 다음과 같다.

• 저탄소강 부품을 세정하고 침탄 부위와 비침탄 부위를 구분한다(비침탄부는 구리 도금 등으로 보호한다).
• 침탄제(고체·액체·가스)에 넣고 고온에서 일정 시간 가열하여 탄소를 확산시킨다.
• 표면 탄소량이 목표값에 도달하면 담금질하여 표층을 마텐자이트로 만든다.
• 필요 시 저온 뜨임으로 잔류 오스테나이트와 내부 응력을 줄인다.
• 경도 시험과 경화층 깊이 검사로 품질을 확인한다.

고주파 경화의 절차는 다음과 같다.

• 탄소 함량이 적정한 강재(탄소 0.4% 전후)를 준비한다.
• 유도 코일에 고주파 전류를 흘려 표면을 짧은 시간에 오스테나이트화 온도까지 가열한다.
• 즉시 물 또는 기름으로 급랭하여 표층을 마텐자이트로 만든다.
• 저온 뜨임으로 취성을 줄인다.

경화 깊이는 코일 주파수와 가열 시간으로 조절한다. 주파수가 높을수록 얕은 경화층이 생긴다.

5. 관련 법령·기준·표준

탄소강 표면경화에 직접 적용되는 법령은 없다. 열처리 품질은 산업표준(KS)의 경도 시험·경화층 깊이 측정 기준을 따른다. 기준값은 공정별로 아래 표와 같다.

각 기준은 공정 조건과 함께 적용해야 한다. 침탄은 탄소 확산, 고주파 경화는 가열 깊이가 기준이다. 질화는 가열 온도가 낮아 변형이 적다.

질화와 침탄질화는 강재와 처리 온도에 따라 적용 범위가 다르다. 두 공정 모두 화학 성분을 변화시키는 화학적 표면경화에 속한다.

화학적 표면경화는 성분 변화, 물리적 표면경화는 성분 불변이라는 점이 분류의 기준이다.

6. 유형과 비교

표면경화법은 강의 표면 화학성분을 바꾸는지 여부로 크게 나뉜다. 화학적 표면경화법은 침탄법, 질화법, 청화법(시안화법), 침탄질화법 등 표면에 탄소·질소를 확산시켜 조성을 바꾼다. 물리적 표면경화법은 화염 경화법과 고주파 경화법 등 조성은 그대로 두고 표면만 가열·급랭해 마텐자이트 층을 만든다.

표에서 보듯 화학적 방법은 확산 시간과 분위기로 경화층을 조절하고, 물리적 방법은 가열 속도와 급랭 매질로 경화층을 조절한다. 화염 경화와 고주파 경화는 설비가 간단하고 국부 경화에 강하지만, 별도의 성분 확산 공정이 없어 깊이 조절 범위가 좁다.