기어 재료 및 열처리: 재료 선정과 침탄 실무
20CrMnTi, 42CrMo와 같은 기어 재료 등급, 경도 범위, 단조부터 최종 가공까지의 침탄 공정 경로를 다룹니다.
게시일: 2026-07-07 | 카테고리: 기어 재료 및 열처리 | 파트: 2
1. 작동 조건에 따른 재료 등급 매칭
기어 재료 선정은 적용 하중, 회전 속도, 사용 주기에 등급을 맞추는 것에서 시작합니다. 아래 분류는 PinyiGear가 가장 자주 취급하는 등급을 다룹니다.
| 재료 분류 | 등급 | 일반적 적용 | 경도 |
|---|---|---|---|
| 양질 탄소강 | 45#, 50# | 중저속, 경하중 | Q&T 220-280 HB |
| 합금 조질강 | 40Cr, 42CrMo, 35CrMo | 중하중, 중속 | Q&T 250-320 HB |
| 합금 침탄강 | 20CrMnTi, 20CrNi2Mo, 20CrMo | 고속, 중부하 (가장 널리 사용됨) | 침탄 58-62 HRC |
| 질화강 | 38CrMoAl, 40Cr (질화) | 내마모 정밀 기어 | 질화 850-1100 HV |
| 주강 | ZG310-570, ZG40Cr | 대형 기어 | 노멀라이징/조질 |
| 비금속 | MC 나일론, POM | 저소음, 경하중 | — |
2. 침탄 및 담금질: 중부하 기어의 주요 경로
현재 운용 중인 중부하 기어의 80% 이상이 침탄 처리되었습니다. 대표적인 공정 체인은 다음과 같습니다:
블랭킹 → 단조 → 노멀라이징 → 황삭 선반 → 반정삭 선반 →
호빙 → 침탄 → 담금질 + 저온 템퍼링 → 숏 피닝 → 정삭 연삭
침탄 깊이 결정
일반적으로 세 가지 초기 추정 규칙이 적용됩니다:
- 모듈 기반 추정: δ ≈ (0.15~0.25) × m (여기서 m은 모듈)
- 치근 응력 기준: 침탄 깊이 ≥ 굽힘 피로 임계 단면 깊이의 1.2배
- 표준 참조 값:
| 비고 | 모듈 m (mm) | 권장 유효 침탄 깊이 (mm) |
|---|---|---|
| 소형 모듈; 너무 얕으면 압괴 위험 | 2-3 | 0.4-0.8 |
| 중형 기어의 가장 흔한 범위 | 4-6 | 0.8-1.3 |
| 중부하는 엄격한 경도 구배 제어 필요 | 6-10 | 1.2-1.8 |
| 대형 모듈, 침탄 시간 20h+ | 10-16 | 1.5-2.5 |
| 초대형 기어, 깊은 침탄 | >16 | 2.0-3.5 |
잘못된 침탄 깊이의 결과
- 치면 접촉 피로 스폴링: 침탄 시간 연장으로 비용 두 배
- 치근 굽힘 강도 부족: 잔류 오스테나이트 증가
- 지지에 부적합한 심부 경도: 조대한 표면 탄화물, 취성 증가
- 단기 파손: 조대 결정립, 충격 인성 감소
심부 경도
심부는 경화된 침탄층을 지지해야 하므로, 그 경도는 표면만큼 주의를 기울일 가치가 있습니다.
- 권장 범위: 30-45 HRC (피니언은 상한, 기어는 하한)
- 25 HRC 미만: 치근 피로 파괴 위험 높음
- 48 HRC 초과: 인성 부족, 충격 치 파손
- 제어 방법: 담금질 온도, 냉각 속도 조정, 적절한 경화능을 가진 재료 선택
3. 생산 현장 관찰
20CrMnTi가 그렇게 널리 쓰이는 이유
중국 기어 산업 생산량의 60% 이상이 20CrMnTi에 의존하며, 그 이유는 분명합니다. 티타늄은 결정립을 미세화하고 침탄 중 결정립 성장을 억제하여, 냉각 후 직접 담금질이 가능하게 하고 두 번째 가열 사이클을 제거합니다. 적당한 경화능으로 심부 경도 30-42 HRC를 쉽게 달성할 수 있으며, 비용과 공급 모두 잘 확립되어 있습니다.
한 가지 주의점: 20CrMnTi는 고온 침탄을 조장하는 경향이 있으므로, 탄화물 형성을 제어하기 위해 카본 포텐셜을 ≤1.1%로 유지해야 합니다.
“더 깊을수록 안전하다"는 오해
침탄 깊이를 상한까지, 또는 그 이상으로 밀어붙이는 것은 빈번하고 비용이 많이 드는 습관입니다. 과도한 침탄층은 표면 압축 응력 분포를 저하시켜 피로 수명을 감소시킬 수 있습니다. 침탄 깊이 1mm 추가마다 930°C에서 약 6-8시간이 필요하며, 비용은 급격히 증가합니다. 올바른 방법은 치근 응력장 시뮬레이션으로 최소 안전 침탄 깊이를 결정하고 0.1-0.2mm의 여유만 남기는 것입니다.
숏 피닝
침탄 및 담금질 후 숏 피닝은 필수적입니다. 치근 표면에 300-800 MPa의 잔류 압축 응력을 생성하고 굽힘 피로 수명을 2-5배 증가시킬 수 있습니다. 중요한 파라미터는 알멘 강도 0.3-0.5A와 커버리지 ≥100%이며, 대형 모듈 기어는 더 큰 직경의 숏 미디어(S170-S230)가 필요합니다.
3단계 카본 포텐셜 제어
PinyiGear의 다목적 로 침탄은 일반적으로 3단계 카본 포텐셜 프로파일을 사용합니다:
- 부스트 단계 (카본 포텐셜 1.0~1.2%C): 빠른 탄소 흡수, 층 깊이 제어
- 확산 단계 (카본 포텐셜 0.8~1.0%C): 탄소가 내부로 확산, 표면 농도 감소
- 냉각 단계: 담금질 온도로 낮추고 보호 분위기 유지
4. 마무리 생각
재료 선정과 침탄 깊이는 기어 품질의 기초를 형성하며, 여기서의 실수는 이후의 모든 정밀 연삭 작업을 무효화합니다. 업계 데이터에 따르면, 조기 기어 고장의 80% 이상이 열처리 문제 — 불충분한 침탄 깊이 또는 과도한 변형 — 으로 추적될 수 있습니다.
PinyiGear의 경우, 표준화된 침탄 깊이 선정 표(위의 모듈-침탄 깊이 표와 같은)를 유지하고 이를 견적 및 생산 시스템에 통합하면 상당한 시행착오 노력을 제거할 수 있습니다.
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