열처리 1

제4장 냉각속도에 따른 열처리 조직과 열처리 방법

열처리란 가열·냉각 등의 조작을 적당한 속도로 조절하여 그 재료의 특성을 개량하는 것으로 온도에 의해서 존재하는 상의 종류나 배합이 변하는 재료에 이용되는 방법을 말하며 대표적인 열처리 방법에는 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing), 불림(Normalizing)이 있습니다.

1. 냉각속도에 따른 열처리 조직

(1) 개요

탄소강을 가열 또는 냉각하면 성질이나 상태가 변화하며 소재의 조직은 냉각 속도에 따라 오스테나이트, 마텐자이트, 트루스타이트, 소르바이트, 펄라이트 등 여러 열처리 조직으로 변화함.

(2) 열처리 조직

1) 오스테나이트(Austenite)

 (가) 정의

탄소를 고용한 γ-Fe이며 강을 A1선(727℃) 이상으로 가열하였을 때 얻어지는 조직임.

(나) 특징

비자성체이며 전기저항이 큼.

강도가 낮고 인장강도에 비해 연신율이 큼.

점성과 내식성이 큼.

절삭성이 나쁨.

2) 마텐자이트(Martensite)

(가) 정의

고온의 탄소강을 급냉하면 오스테나이트에 고용된 탄소는 석출이 되나 철과 화합하여 시멘타이트를 만들 시간적 여유가 없어 페라이트에 과포화 상태로 고용된 조직임.

(나) 특징

침상 조직으로 내식성이 강하고 경도와 강도가 큼.

전연성이 매우 작고 취약함.

강자성체이고 변태될 때 팽창함.

열처리 조직 중 가장 경도가 높으며 취성이 있으므로 뜨임 처리 후 사용해야 함.

C 함유량이 증가하면 마텐자이트의 경도가 증가함.

마텐자이트 변태는 응력의 영향을 받지 않음.

3) 트루스타이트(Troostite)

(가) 정의

마텐자이트 조직보다 냉각속도를 조금 느리게 했을 때 나타나는 조직임.

마텐자이트로 된 탄소강을 약 400℃로 가열한 다음 유냉하면 페라이트에 과포화 상태로 고용되었던 탄소가 철과 화합하여 시멘타이트가 되고 이때 시멘타이트가 작은 입자로 석출되어 이루는 조직임.

(나) 특징

마텐자이트보다 경도와 내식성이 작으나 인성이 큼.

일반적으로 담금질 후 유냉하면 얻을 수 있음.

산업적으로 유용한 조직이며 탄성한도가 큼.

 4) 소르바이트(Sorbite)

(가) 정의

트루스타이트보다 냉각속도를 느리게 했을 때 시멘타이트가 큰 입자로 석출된 조직이며 큰 강재는 유냉 시, 작은 강재는 공냉 시 나타나는 조직임.

(나) 특성

트루스타이트보다는 경도와 강도가 작으나 펄라이트보다는 단단함.

가공경화가 가장 적은 조직임.

100% 소르바이트로 석출했을 때 탄성계수가 큼.

열처리 조직의 기계적 성질

2. 열처리 방법

(1) 담금질

1) 개요

강을 오스테나이트 구역 이상 온도로 가열한 후 물이나 기름으로 급냉하여 적당한 기계적 성질을 개선하는 열처리로서 주로 경화를 목적으로 하며 경화되는 정도는 탄소 함유량, 담금질 온도 및 냉각속도에 따라 달라짐.

2) 담금질 온도 및 시간

(가) 담금질 온도

담금질을 할 온도가 높으면 미용해 탄화물이 없어 담금질이 잘됨.

반면에 담금질을 할 온도가 지나치게 높으면 다음과 같은 문제가 발생함.

– 결정 입자가 크고 거칠어짐.

– 담금질을 할 때 균열과 변형의 원인이 됨.

– 산화에 의한 스케일이 발생함.

– 탈탄에 의해 담금질 효과가 저하됨.

(나) 가열시간

가열시간이 너무 길면 재료의 산화에 의한 손실이 발생함.

가열시간이 너무 짧으면 불균일한 온도에 의한 내부응력이 발생함.

산화 방지를 위해 가열온도를 알맞게 하고 가열로 속에 아르곤 가스, 질소 등을 넣어 무산화 가열을 실시해야 함.

합금 원소가 많이 함유될수록 열전도율이 작고 확산 속도가 느려 가열시간을 길게 소요 함.

가열시간을 정의하면,

탄소강의 담금질 가열시간

3) 방법

(가) 2단 담금질

① 개요

– 열처리할 재료의 형상이 복잡하거나 크기 및 두께가 두꺼운 경우 내외부 조직에 가열 및 냉각의 차이에 의해 담금질의 효과가 달라질 수 있으므로 담금질 온도에서 냉각액 속에 일정 시간 유지한 후 꺼내서 서냉시키는 열처리 방법.

② 방법

– 담금질을 시행 시 Ar′ 변태점(약 580℃)에서 급냉하고 Ar″ 변태점(약 250℃)에서 서냉함.

– 냉각속도의 변화를 냉각시간으로 제어해야 함.

(나) 1단 담금질

– 가열된 강재를 급냉할 때 냉각을 불안전하게 시행한 후 내부에 열을 보유토록 하고 그 열을 이용하여 외부에 과도하게 경화된 담금질의 조직을 완화시키는 열처리 방법.

(다) 프레스 담금질

– 변형이우려되는 부품에 금형을 이용하여 가압한 상태로 유중 담금질하는 방법으로 톱날 등의 얇은 제품 제작에 적합함.

(라) 제트 담금질(Jet Quenching)

– 담금질 경화 부분에 냉각액을 분사하여 급냉시키는 방법으로 균열 방지를 위해 시행함.

(마) 슬래그 담금질(Slag Quenching)

– 담금질 온도로 가열 유지 후 절삭유, 연삭유 등의 수용액에 담금질하여 미세 펄라이트를 얻는 방법.

4) 냉각

(가) 냉각제

– 냉각제로 물 또는 기름이 많이 사용되고 염수나 NaOH 용액은 물보다 냉각 능력이 큼.

– 냉각속도는 냉각제의 온도, 첨가물에 따라 다르지만 교반 할수록 빨라짐.

– 기름은 식물성이 좋으나 산화가 발생할 수 있으며 광물성은 오래 사용할 수 있으나 냉각속도가 느림.

(나)냉각단계

① 제 1 단계(증기막 단계)

– 가열된 강재의 표면에 증기막이 생겨 열전도도가 작아 냉각이 느림.

② 제 2 단계(비등 단계)

– 강재의 표면에서 심한 비등에 의해 증기막이 파괴되어 기포로 없어지므로 강재의 표면은 직접 물과 접촉해도 전도와 대류에 의해 열이 방출되어 급속히 냉각이 됨.

③ 제 3 단계(대류 단계)

– 온도가 저하되면 기포가 발생하지 않아 강재의 온도와 물의 온도의 차가 적어지므로 냉각속도가 다시 느려짐.

(다) 냉각 원칙

긴 일감은 장축을 액면에 수직으로 담글 것.

두께가 불균일한 일감은 두꺼운 부분부터 냉각시킬 것.

냉각액 속에서 넣은 방향으로 교환할 것.

오목한 곳, 구멍이 막힌 곳이 위로 오도록 할 것.

얇은 일감은 액면에 수직으로 담그고 수직 방향으로 흔들어 굽힘과 변형을 방지할 것.

5) 질량효과(Mass Effect)

담금질을 할 때 질량(크기)이 작은 강재는 내외부의 온도 차가 없으나 질량이 큰 강재는 열전도 시간이 길어 내외부에 온도 차가 발생함.

이로 인하여 내부 온도의 냉각 지연으로 담금질 효과를 얻기 곤란한 현상을 질량 효과라고 함.

질량이 큰 재료일수록 질량효과가 크며 담금질 효과가 감소됨.

6) 담금질 균열

(가) 개요

강재는 급냉으로 체적이 급격히 팽창하며 특히 오스테나이트로 변태할 때 가장 큰 팽창을 나타내며 균열을 수반함.

이와 같이 담금질을 할 때 발생되는 균열을 담금질 균열이라고 함.

담금질 균열은 내외부의 팽창 정도의 차이에 의해 내부응력이 과대해져서 발생됨.

(나) 발생 원인

ⓛ 담금질을 한 직후에 나타나는 균열

– 담금질할 때 강재의 표면은 급속하게 냉각되어 수축이 발생하는 반면 내부는 냉각속도가 느려 펄라이트 조직으로 변하여 팽창이 되고 이때의 내부응력이 균열의 원인이 됨.

② 담금질을 한 후 2~3분 경과 시 나타나는 균열

– 담금질이 끝난 후 발생하는 균열로서 냉각에 따라 오스테나이트가 마텐자이트 조직으로 변할 때 체적 팽창에 의해 발생되고 변화가 동시에 일어나지 않고 내부와 외부가 시간적인 차이를 두고 일어남.

(다) 방지 대책

급냉을 피하고 250℃ 부근(Ar″ 변태점)에서 서냉하여 마텐자이트 변태를 서서히 진행시킬 것.

담금질을 한 후 즉시 뜨임 처리를 할 것.

부분적인 온도 차를 적게 하고 부분 단면을 일정하게 할 것.

구멍이 있는 부분은 점토, 석면으로 메울 것.

가능한 수냉보다는 유냉을 선택할 것.

재료의 흑피를 제거하여 냉각액과의 접촉이 잘되게 할 것.

열처리 방법 중 뜨임, 풀림, 불림에 대한 포스트를 이어서 할 예정입니다.