일반 열처리 — 담금질·뜨임·풀림·불림의 가열 온도와 냉각 방법 | 기계공작법 3.3
기계공작법Chapter 03 열처리와 표면 처리 › Section 03
3.3 일반 열처리
강에 가장 널리 쓰이는 열처리는 담금질·뜨임·풀림·불림 넷이다. 셋은 데운 뒤 얼마나 빨리 식히느냐로 갈리고, 하나는 이미 담금질한 강을 다시 데우는 조작이다. 이 절은 네 조작의 가열 온도와 냉각 방법, 그리고 그 결과 남는 조직을 한 자리에 놓고 가른다.
01강의 기본 열처리 네 가지교재 43p
셋은 식히는 조작, 하나는 다시 데우는 조작. 네 이름을 먼저 갈라 둠.
- 앞 절에서 확인한 것 — 냉각 속도가 조직을 가름. 그 원리를 실제 공정으로 옮긴 것이 일반 열처리.
- 담금질·풀림·불림 — 오스테나이트 영역 부근까지 가열한 뒤 식히는 조작. 셋은 냉각 속도만 다름.
- 뜨임 — 이미 담금질한 강을 A₁ 아래에서 다시 가열하는 조작. 혼자 성격이 다름.
1담금질 (quenching)
- 급랭 — 단단하게.
2뜨임 (tempering)
- 재가열 — 질기게.
3풀림 (annealing)
- 노냉 — 무르게.
4불림 (normalizing)
- 공랭 — 고르게.
02담금질 — 단단하게 만드는 조작교재 43p
- 담금질(quenching) — 강을 임계 온도 이상으로 가열한 뒤 물이나 기름 등에 넣어 급랭시키는 열처리.
- 주된 목적 — 철강재를 매우 단단하게 만들어 높은 경도를 얻는 것.
- 가열 온도는 조성에 따라 갈림.
- 아공석강 — A₃ 변태점 위. 완전한 오스테나이트 상태로 올림.
- 과공석강 — A₁ 변태점 위까지만. 오스테나이트와 시멘타이트가 함께 있는 영역.
과공석강을 Acm 위까지 올리지 않는 까닭
- Acm 위 — 시멘타이트가 모두 녹아 조대한 오스테나이트가 됨.
- 그 상태로 급랭하면 균열이 생김. 그래서 A₁ 위까지만 올림.교재 43p
교재 그림 3.8은 탄소량에 따른 열처리 온도 범위를 한 그림에 모은 것. 가로축이 탄소량, 세로축이 온도.
| 열처리 | 아공석강 | 과공석강 |
|---|---|---|
| 담금질 | A₃ + 30 ~ 50 ℃ | A₁ + 30 ~ 50 ℃ (수평) |
| 완전 풀림 | A₃ + 30 ~ 50 ℃ | A₁ + 30 ~ 50 ℃ (수평) |
| 불림 | A₃ + 30 ~ 50 ℃ | Acm + 30 ~ 50 ℃ (탄소가 늘면 함께 올라감) |
| 구상화 풀림 | A₁ 바로 아래 — 넷 가운데 혼자 기준선 아래 | |
- 공통점 — 담금질·완전 풀림·불림 셋은 기준선보다 30 ~ 50 ℃ 높게 잡음.
- 갈리는 점 — 과공석강 구간에서 불림만 Acm 선을 따라 올라감. 탄소가 많아질수록 불림의 가열 온도만 높아짐.
03마르텐사이트 변태와 두 번 담금질교재 44p
- 오스테나이트 상태의 강을 급랭시키면 탄소가 철 원자 사이에서 빠져나갈 시간이 없음.
- 그 결과 생기는 것이 바늘 모양의 마르텐사이트(martensite) 조직.
- 이 변태 — 탄소의 확산이 아니라 매우 짧은 순간의 격자 변화로 일어남.
- 따라서 담금질로 얻는 조직 가운데 경도가 가장 높음.교재 44p
저탄소강은 담금질을 두 번 하기도 함. 목적이 서로 다름.
11차 담금질
- 조대해진 중심부의 결정립을 미세하게 만들어 인성을 줌.
22차 담금질
- 탄소가 침투한 표면층을 마르텐사이트로 변태시켜 단단하게 만듦.
- 두 번이나 하는 까닭 — 표면 경화를 위해 침탄한 저탄소강은 고온에서 오래 가열되어 결정립이 이미 거칠어져 있기 때문. 한 번으로는 속과 겉을 함께 잡을 수 없음.
04급랭이 남기는 세 가지 흠교재 44p
빨리 식힌 값을 치러야 함. 결함의 이름과 대책을 짝지어 외울 것.
| 결함 | 생기는 까닭 | 대책 |
|---|---|---|
| 담금질 균열 | 겉과 속의 냉각 속도 차이에서 오는 열응력에, 마르텐사이트가 생길 때의 부피 팽창이 겹쳐 금속이 깨짐. | 형상을 개선하거나 마퀜칭 같은 계단식 냉각을 적용. |
| 담금질 변형 | 냉각이 고르지 않아 재료가 휘거나 비틀림. | 고르게 식도록 넣는 방향과 자세를 잡음. |
| 담금질 연점 | 표면에 수증기가 붙거나 냉각액이 고르게 닿지 않아 국부적으로 담금질이 되지 않고 연해짐. | 물 대신 염수를 쓰거나 분사 담금질로 냉각 능력을 높임. |
- 셋 모두 급랭이 남기는 흠. 그 가운데 균열만 조직 팽창까지 겹친 것.
05뜨임 — 인성을 되찾는 조작교재 45p
- 담금질한 강 — 경도는 크지만 취성을 갖게 됨. 그대로는 부품으로 쓸 수 없음.
- 뜨임(tempering) — 다소 경도가 떨어지더라도 A₁ 변태점 이하의 알맞은 온도로 다시 가열해 인성을 주는 조작.
| 구분 | 온도 | 얻는 것 · 주의 |
|---|---|---|
| 저온 뜨임 | 150 ~ 200 ℃ | 높은 경도를 크게 희생하지 않으면서 내부 응력만 제거. 내마모성을 높이고 치수의 경년 변화와 연마 균열을 막음. |
| 고온 뜨임 | 400 ~ 650 ℃ | 구조용 합금강처럼 높은 강인성이 필요한 부품에 적용. 담금질 뒤 이어서 실시하면 조질(調質). |
| 뜨임 취성 | 약 300 ℃ 부근 | 인성이 회복되기는커녕 오히려 더 여려지고 잘 부서짐. 이 구간의 뜨임은 반드시 피할 것. |
- 담금질과 뜨임은 짝을 이루는 조작 — 담금질만으로 끝낸 강은 부품으로 쓸 수 없음.교재 45p
06뜨임 온도가 가르는 조직교재 45p
뜨임 온도를 올릴수록 마르텐사이트 속의 탄소가 퍼져 나가면서 점차 안정된 조직으로 변함.
| 조직 | 온도 구간 | 성질 |
|---|---|---|
| 트루스타이트 | 약 350 ~ 500 ℃ | 미세한 혼합 조직. 마르텐사이트보다 경도는 조금 낮아지지만 끈기가 생기고 연성이 좋아짐. |
| 소르바이트 | 약 550 ~ 650 ℃ | 강인성과 탄성이 함께 필요한 태엽이나 스프링의 주된 조직. 기계 구조용 조질재에서 가장 널리 쓰임. |
| 구상 시멘타이트 | 약 650 ℃ 위, A₁ 아래 | 페라이트 기지 속 탄화물이 조대화·구상화되며 경도가 낮아짐. |
- 차례 — 마르텐사이트 → 트루스타이트 → 소르바이트 → 구상 시멘타이트 순으로 안정된 조직이 됨.
- 약 650 ℃ 위, A₁ 아래의 조직 — 상의 조합은 페라이트와 시멘타이트로 펄라이트와 같음. 다만 층상 펄라이트로 되돌아간다고 표현하지 않음.
경도와 인성이 엇갈리는 그래프
- 교재 그림 3.9 — 가로축이 뜨임 온도, 세로축이 경도와 인성.
- 뜨임 온도를 올릴수록 경도는 내려가고 인성은 올라감.
- 어긋나는 자리는 한 곳 — 약 300 ℃ 부근에서 인성 곡선이 한 번 주저앉았다가 다시 올라감. 이것이 저온 뜨임 취성.
07풀림 — 노냉으로 무르게교재 46p
- 풀림(annealing) — 가공을 거쳐 거칠어지고 단단해진 금속을 알맞은 온도로 가열해 일정 시간 유지한 뒤, 가열로 안에서 아주 천천히 식히는 조작. 곧 노냉.
- 목적은 셋.
- 잔류 응력을 없애는 것.
- 거칠어진 결정 조직을 미세하게 만드는 것.
- 재질을 연하게 만들어 뒤에 이어질 절삭이나 소성 가공을 쉽게 하는 것.
냉간 가공재를 가열할 때의 세 단계
- 회복(recovery) — 잔류 응력이 줄어듦.
- 재결정(recrystallization) — 내부 응력이 없는 새로운 결정립이 생김.
- 결정립 성장(grain growth) — 계속 가열하면 결정립의 크기가 커짐.
- 이 세 단계가 냉간 가공으로 경화된 재료를 연화시키는 풀림의 원리.
무엇을 풀어 주려는가에 따라 온도와 냉각이 갈림. 교재는 다섯 가지를 듦.
| 종류 | 온도 · 냉각 | 쓰임 |
|---|---|---|
| 완전 풀림 | A₃ 또는 A₁ + 30 ~ 50 ℃ · 노냉 | 가장 일반적인 풀림. 주조나 단조 뒤 거칠어진 결정 입자를 무너뜨려 재료를 연화. |
| 응력 제거 풀림 | 약 500 ~ 600 ℃ · 서랭 | 주조·단조·압연 같은 가공이나 용접 뒤에 생긴 열응력과 기계적 내부 응력을 없앰. |
| 구상화 풀림 | A₁ 바로 아래 부근 · 서랭 | 뾰족하게 뻗어 있던 시멘타이트가 표면 장력으로 둥글게 뭉침. 절삭성이 좋아지고 뒤에 담금질할 때 균열도 막아 줌. |
| 연화 풀림 | 가공 도중에 실시 | 가공 경화로 더 가공하기 어려워진 재료를 다시 부드럽게 만듦. 중간 풀림이라고도 함. |
| 항온 풀림 | A₁ 바로 아래 염욕 · 공랭 | A₁ 위까지 가열한 뒤 염욕에서 변태를 끝내고 공랭. 오스풀림이라고도 하며 열처리 시간을 크게 줄임. |
08불림, 그리고 네 가지의 비교교재 47p
- 강을 열간 가공하거나 주조하면 결정 조직이 거칠어지고 내부에 응력이 남음.
- 불림(normalizing) — 아공석강은 A₃보다, 과공석강은 Acm 선보다 30 ~ 50 ℃ 높게 가열해 균일한 오스테나이트로 만든 다음 대기 중에서 식히는 공랭 조작.
- 목적 — 조직을 미세하고 고르게 만들면서 잔류 응력을 없애고, 성질을 표준화해 다음 열처리를 준비하는 것.
- 불림을 거친 강의 조직은 탄소량에 따라 갈림.
- 아공석강(0.77 %C 미만) — 페라이트 + 펄라이트.
- 공석강(0.77 %C 부근) — 100 % 펄라이트.
- 과공석강(0.77 ~ 2.11 %C) — 초석 시멘타이트 + 펄라이트.
- 과공석강의 불림 — Acm 선 위에서 시멘타이트를 녹인 뒤 공랭. 그래서 노냉하는 완전 풀림과 달리 초석 시멘타이트가 결정립계를 따라 그물처럼 이어지는 것을 억제.교재 47p
| 열처리 | 가열 온도 | 냉각 방법 | 주된 목적과 얻는 조직 |
|---|---|---|---|
| 담금질 | A₃ 또는 A₁ + 30 ~ 50 ℃ | 수랭 · 유랭 (급랭) | 경도를 높임. 마르텐사이트를 얻음. |
| 뜨임 | A₁ 이하 (150 ~ 650 ℃) | 공랭 또는 서랭 | 인성을 줌. 트루스타이트 · 소르바이트를 얻음. |
| 풀림 | 완전 풀림 A₃ 또는 A₁ + 30 ~ 50 ℃ | 노냉 (가장 느림) | 연화시키고 내부 응력을 없앰. 조대한 펄라이트. |
| 불림 | A₃ 또는 Acm + 30 ~ 50 ℃ | 공랭 | 조직을 미세화하고 표준화함. 미세한 펄라이트. |
냉각 속도의 차례
- 노냉 → 공랭 → 유랭 → 수랭 순으로 빨라짐.
- 빠를수록 단단하고 취성이 큰 조직이 나옴.
- 가열 온도가 혼자 A₁ 아래인 것은 뜨임 하나뿐 — 네 조작을 가르는 가장 간단한 기준.
이 절의 핵심 정리
- 강의 기본 열처리는 담금질·뜨임·풀림·불림 넷이다. 담금질·풀림·불림은 오스테나이트 영역 부근까지 가열한 뒤 식히는 조작이고 냉각 속도만 다르며, 뜨임만 담금질한 강을 A₁ 아래에서 다시 가열하는 조작이다.
- 담금질은 급랭으로 마르텐사이트를 얻어 경도를 높인다. 아공석강은 A₃ 위, 과공석강은 A₁ 위까지만 가열하는데, Acm 위까지 올리면 조대한 오스테나이트가 되어 균열이 생기기 때문이다. 급랭의 흠은 균열·변형·연점 셋이다.
- 뜨임은 A₁ 이하에서 다시 가열해 인성을 준다. 저온 뜨임은 150~200 ℃, 고온 뜨임은 400~650 ℃이며 담금질 뒤 고온 뜨임을 이어서 하면 조질이라 한다. 약 300 ℃ 부근은 뜨임 취성 구간이므로 반드시 피한다.
- 뜨임 온도를 올릴수록 트루스타이트(약 350~500 ℃) → 소르바이트(약 550~650 ℃) → 구상 시멘타이트(약 650 ℃ 위, A₁ 아래)로 안정된 조직이 된다. 경도는 내려가고 인성은 올라가되 300 ℃ 부근에서 한 번 주저앉는다.
- 풀림은 노냉으로 무르게 만들며 회복·재결정·결정립 성장의 세 단계를 거친다. 완전 풀림·응력 제거 풀림·구상화 풀림·연화 풀림·항온 풀림 다섯 가지가 있다.
- 불림은 공랭으로 조직을 미세하고 고르게 만들어 성질을 표준화한다. 냉각 속도는 노냉·공랭·유랭·수랭 순으로 빨라지고, 빠를수록 단단하고 취성이 큰 조직이 나온다.
강의 자료3.3 일반 열처리
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