항온 변태 곡선과 연속 냉각 변태 곡선 | 기계공작법 3.2
기계공작법Chapter 03 열처리와 표면 처리 › Section 02
3.2 항온 변태 곡선과 연속 냉각 변태 곡선
평형 상태도는 아주 천천히 식혔을 때의 결과만 알려 준다. 그러나 실제 열처리는 빠른 냉각을 이용한다. 이 절은 상태도에 없던 시간 축을 들여와, 얼마나 빨리 식히느냐가 조직을 가르는 과정을 두 개의 곡선으로 읽는다.
01평형 상태도가 답하지 못하는 것교재 41p
상태도에는 시간이 없음. 그런데 열처리의 승부는 시간에서 갈림.
- 평형 상태도 — 아주 천천히 냉각하여 평형에 이른 상태를 나타낸 선도.
- 실제 열처리 — 평형이 아니라 빠른 냉각을 이용하는 조작.
- 같은 강이라도 식히는 속도가 달라지면 전혀 다른 조직이 나옴.
- 서랭 — 펄라이트.
- 급랭 — 마르텐사이트.
- 같은 오스테나이트에서 출발했는데도 결과가 갈리는 이 대목 — 상태도가 답해 주지 못하는 자리.
- 그래서 냉각 속도와 조직의 관계를 따로 나타낸 선도가 필요함.
- 항온 변태 곡선(TTT 곡선).
- 연속 냉각 변태 곡선(CCT 곡선).
축이 갈아 끼워짐
- 평형 상태도 — 가로축이 조성, 세로축이 온도. 시간을 담을 자리가 없음.교재 36p
- 두 변태 곡선 — 가로축이 시간, 세로축이 온도. 조성은 하나의 강종으로 고정해 둠.
- 곧 한 가지 강을 정해 놓고 시간과 온도만 다루는 그림.
- 가로축은 보통 로그 눈금 — 한 칸이 열 배. 잠복기가 초 단위에서 시간 단위까지 걸쳐 있기 때문.
02항온 변태와 그 곡선의 세 이름교재 41p
- 항온 변태(isothermal transformation) — 오스테나이트화된 강을 임계 온도 이하의 특정 온도까지 급랭시킨 다음, 그 온도를 그대로 붙들어 둘 때 일어나는 조직 변화.
- 항온 변태 곡선 — 그 변태가 시작되고 완료되는 지점을 온도와 시간의 관계로 나타낸 곡선.
- 이름이 셋이지만 가리키는 것은 하나뿐.
1S 곡선
- 곡선의 모양이 알파벳 S 자와 비슷하기 때문.
2C 곡선
- 보기에 따라 알파벳 C 자로도 보이기 때문.
3TTT 곡선
- 온도(temperature)·시간(time)·변태(transformation)의 첫 글자를 땀.
03곡선은 한 번의 실험으로 그려지지 않음교재 41p
여러 온도에서 항온 유지 실험을 되풀이해 얻은 점을 모아 만듦.
1675 ℃로 급랭
- 오스테나이트화한 강을 675 ℃까지 급랭시킨 뒤 그 온도를 그대로 유지함.
2잠복기
- 도달한 즉시 변태가 일어나지 않음.
- 일정한 잠복기가 지난 뒤에야 변태가 시작됨.
3펄라이트 생성
- 잠복기가 끝나면 펄라이트가 생기기 시작함.
- 시간이 더 흐르면 100 % 펄라이트로 바뀜.
4점을 옮겨 찍음
- 변태 시작점 · 50 % 완료점 · 변태 종료점 셋을 찾음.
- 온도–시간 그래프의 675 ℃ 자리에 옮겨 찍음.
- 같은 실험을 600 ℃, 500 ℃ 등 여러 온도에서 되풀이해 점을 모음.
- 시작점을 이은 선 — 변태 시작 곡선.
- 종료점을 이은 선 — 변태 완료 곡선.
- 두 곡선을 가려내는 기준 — 같은 온도에서 시간이 짧은 쪽이 시작 곡선, 긴 쪽이 완료 곡선.
이 그래프가 알려 주는 한 가지
- 조직 변화 — 특정 온도 아래로 내려갔다고 순식간에 일어나는 것이 아님.
- 일정한 시간이 흘러야 비로소 시작되고 완성됨.
- 따라서 몇 도까지 내렸는가만으로는 부족. 그 온도에 얼마나 머물렀는가가 함께 필요함.
04코와 임계 냉각 속도교재 41p
이 절에서 가장 자주 물어보는 두 낱말.
- 코(nose) — 변태 시작 곡선에서 변태가 가장 빨리 시작되는 부분. 곧 곡선이 가장 짧은 시간 쪽으로 튀어나온 자리.
- 이 코에 닿지 않고 얼마나 빠르게 급랭시키느냐에 따라 최종 조직이 완전히 달라짐.
- 임계 냉각 속도(critical cooling rate) — 코에 닿지 않고 마르텐사이트 변태 개시점(Ms)까지 내려가는 데 필요한 최소한의 냉각 속도.
- 이보다 빠르면 코를 빗겨 마르텐사이트를 얻음.
- 이보다 느리면 내려가는 도중에 변태 시작 곡선에 걸림 — 코 부근에서 걸리면 마르텐사이트 대신 펄라이트가 먼저 생겨 버림.
- 결국 코에 닿느냐 빗겨 가느냐, 그 갈림길을 정하는 값이 임계 냉각 속도.교재 41p
코의 온도는 숫자로 외우지 않음
- 코가 놓이는 온도 — 강의 탄소량과 합금 원소에 따라 달라지는 값.
- 같은 교재 안에서도 도해마다 작도가 조금씩 어긋남 — 숫자를 외워 봐야 소용이 없음.
- 외울 것은 자리 관계 셋뿐.
- 코는 A₁ 선보다 아래.
- 코는 Ms 선보다 위.
- 코는 변태 시작 곡선 쪽에 있고, 완료 곡선은 그보다 늘 시간이 긴 쪽.
05어느 높이에서 멈추느냐가 조직을 가름교재 42p
항온 유지 온도를 셋으로 나누면 나오는 조직도 셋.
| 항온 유지 구간 | 생기는 조직 | 내용 |
|---|---|---|
| A₁(727 ℃) 아래이면서 코보다 높은 온도 |
펄라이트 | 온도가 높은 쪽 — 거친 펄라이트. 비교적 낮은 쪽 — 미세한 펄라이트. |
| 코 아래 ~ Ms 선 위 |
베이나이트 | 치수 변형이 적고 경도가 높으면서도 인성이 커 기계적 성질이 매우 우수. 생성 온도가 높으면 깃털 모양의 상부 베이나이트, 낮으면 바늘 모양의 하부 베이나이트. |
| Ms 선 이하 | 마르텐사이트 | Ms에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하기 시작. 변태 완료점인 Mf 아래로 내려가면 변태가 완전히 끝남. |
- 앞 절에서 「항온 변태 구역에서 생김」이라고만 적어 둔 베이나이트 — 그 구역이 바로 코 아래에서 Ms 선 위까지.교재 39p
- 세 구간을 가르는 경계 셋 — A₁ 선 · 코 · Ms 선.
06냉각 경로가 열처리의 이름을 가름교재 42p
같은 곡선 위에 경로를 넷 그리면 열처리 이름 넷이 나옴.
1담금질
- 멈추지 않음. 코를 빗겨 곧장 마르텐사이트 구역까지 내려감.
2마퀜칭
- Ms 선 바로 위에서 한 번 멈춰 안팎의 온도를 고르게 한 뒤 다시 내려감.
- 멈춘 동안 변태 시작 곡선에는 닿지 않음.
3마템퍼링
- Ms와 Mf 사이에서 한동안 머무름.
4오스템퍼링
- 코 아래이면서 Ms 위인 자리에서 유지함.
- 변태 시작 곡선과 완료 곡선을 모두 지날 때까지 붙들어 둠.
- 이름을 가르는 물음 셋.
- 멈추지 않고 곧장 내려가는지.
- 멈춘다면 그 높이가 Ms 선의 위인지 아래인지.
- 유지하는 동안 변태 곡선을 지나는지.
- 각 열처리의 자세한 내용 — 담금질은 3.3절, 마퀜칭·마템퍼링·오스템퍼링은 3.4절.교재 43p · 47p
07연속 냉각 변태 곡선교재 42p
- TTT 곡선이 딛고 선 가정 — 목표 온도까지 순간적으로 급랭한 뒤 그 온도를 그대로 유지함.
- 실제 담금질 — 물이나 기름에 담가 온도가 계속 내려가는 연속 냉각.
- 연속 냉각 변태 곡선(continuous cooling transformation, CCT) — 연속 냉각 조건에서 변태가 시작되고 끝나는 지점을 나타낸 곡선.
- TTT 곡선과 견줄 대목이 셋.
| 견주는 대목 | CCT 곡선 | 그렇게 되는 까닭 |
|---|---|---|
| 곡선의 자리 | TTT 곡선보다 시간이 더 긴 쪽, 온도가 더 낮은 쪽으로 밀려남. | 연속 냉각에서는 높은 온도 구간을 지나는 동안 변태가 조금씩 진행되므로, 같은 조직을 얻는 데 걸리는 시간이 항온에서보다 길어지기 때문. |
| 임계 냉각 속도 | TTT 곡선에서 읽은 값보다 느려도 됨. | 곡선이 밀려난 만큼 코를 빗겨 갈 여유가 생기기 때문. |
| 베이나이트 | 보통의 탄소강에서는 연속 냉각만으로 얻기 어려움. | 강종과 냉각 조건에 따라 얻을 수 있는 경우도 있으나, 일반적으로는 오스템퍼링처럼 항온을 유지하는 열처리가 필요하기 때문. |
08두 곡선을 겹쳐 놓고 쓰임을 가름교재 43p
겹쳐 그리면 밀려난 정도와 임계 냉각 속도의 차이가 한눈에 들어옴.
- 겹쳐 그린 도해에서 항온 변태 곡선이 파선, 연속 냉각 변태 곡선이 실선.
- 견줄 자리 — 두 곡선의 코.
- 연속 냉각 쪽 코가 시간이 더 긴 쪽, 온도가 더 낮은 쪽에 놓임.
- 임계 냉각 속도를 두 곡선에서 각각 재면 연속 냉각 쪽에서 읽은 값이 더 완만함.
- 같은 마르텐사이트를 얻는 데 덜 급하게 식혀도 된다는 뜻.
| 구분 | 항온 변태 곡선(TTT) | 연속 냉각 변태 곡선(CCT) |
|---|---|---|
| 냉각 조건 | 목표 온도까지 급랭한 뒤 그 온도를 유지함. | 온도가 계속 내려감. |
| 곡선의 자리 | 기준이 되는 자리. | 시간과 온도 양쪽으로 밀려난 자리. |
| 임계 냉각 속도 | 더 빠른 값. | 더 느려도 되는 값. |
| 쓰는 자리 | 염욕에 담가 온도를 유지하는 항온 열처리를 설계할 때. | 물·기름·공기로 식히는 일반 열처리에서 나올 조직을 예측할 때. |
한 줄로 묶으면
- 평형 상태도 — 무엇이 얼마나 섞였을 때 어떤 상인지.
- 항온 변태 곡선 — 한 온도에 붙들어 두면 언제 무엇이 생기는지.
- 연속 냉각 변태 곡선 — 계속 식히면 실제로 무엇이 남는지.
- 세 그림을 이 순서로 쌓아 두면 다음 절의 네 가지 열처리가 한 갈래씩 읽힘.
이 절의 핵심 정리
- 평형 상태도는 아주 천천히 냉각한 평형 상태만 나타내므로, 같은 강이 냉각 속도에 따라 펄라이트가 되기도 마르텐사이트가 되기도 하는 까닭을 설명하지 못한다. 그 시간 축을 들여온 것이 항온 변태 곡선과 연속 냉각 변태 곡선이다.
- 항온 변태 곡선은 오스테나이트화한 강을 임계 온도 이하의 한 온도까지 급랭시킨 뒤 그 온도를 유지할 때 변태가 시작되고 완료되는 지점을 온도와 시간의 관계로 나타낸 곡선이다. S 곡선·C 곡선·TTT 곡선은 모두 같은 곡선을 가리키는 이름이다.
- 여러 온도에서 되풀이한 항온 유지 실험의 시작점과 종료점을 이어 변태 시작 곡선과 변태 완료 곡선을 얻는다. 같은 온도에서 시간이 짧은 쪽이 시작 곡선, 긴 쪽이 완료 곡선이다.
- 코는 변태가 가장 빨리 시작되는 자리이고, 코에 닿지 않고 Ms까지 내려가는 데 필요한 최소한의 냉각 속도가 임계 냉각 속도다. 항온 유지 온도가 코보다 높으면 펄라이트, 코 아래에서 Ms 위면 베이나이트, Ms 이하면 마르텐사이트가 된다.
- 연속 냉각 변태 곡선은 온도가 계속 내려가는 실제 담금질 조건의 곡선으로, 항온 변태 곡선보다 시간과 온도 양쪽으로 밀려나고 임계 냉각 속도도 더 느려도 된다. 항온 열처리 설계에는 항온 변태 곡선을, 일반 열처리의 조직 예측에는 연속 냉각 변태 곡선을 쓴다.
강의 자료3.2 항온 변태 곡선과 연속 냉각 변태 곡선
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