항온 열처리 | 기계공작법 3.4
기계공작법Chapter 03 열처리와 표면 처리 › Section 04
3.4 항온 열처리
일반 담금질은 쉬지 않고 끝까지 식힌다. 항온 열처리는 그 도중에 염욕으로 온도를 한 번 붙잡아 둔다. 이 절은 어디에서 얼마나 멈추느냐가 오스템퍼링·마퀜칭·마템퍼링을 가르는 과정과, 담금질이 부품 속까지 미치는지를 좌우하는 질량 효과를 다룬다.
01도중에 온도를 한 번 붙잡음교재 47p
끝까지 식히지 않고 중간에 멈추는 것. 그 멈춤이 이 절의 모든 이름을 만들어 냄.
- 항온 열처리(isothermal heat treatment) — 오스테나이트화 한 강을 염욕이나 열욕에 급랭시킨 뒤, 그 온도를 일정하게 유지하였다가 식히는 열처리를 통틀어 이르는 말.
- 염욕·열욕 — 녹인 소금이나 기름을 일정한 온도로 데워 둔 조.
- 공기보다 열을 훨씬 빨리 주고받음.
- 목표 온도까지 빠르게 식히면서 그 온도를 정확히 붙들어 둘 수 있음.
- 이름에 든 항온 — 도중에 한 온도를 일정하게 지킨다는 뜻.
유지하는 목적이 둘로 갈림
- 오스템퍼링·마템퍼링 — 그 온도에서 변태를 진행시키려고 유지.
- 마퀜칭 — 변태를 시키지 않고 부품의 겉과 속 온도를 고르게 하려고 유지.
- 같은 항온 열처리라도 멈춰 있는 동안 하는 일이 전혀 다름 — 세 이름을 가르는 첫 기준.
- 물이나 기름에 끝까지 급랭하는 일반 담금질과 견준 이점.
- 부품의 겉과 속 온도 차이가 줄어듦.
- 그 결과 담금질 균열과 변형을 크게 줄일 수 있음.교재 47p
02세 경로를 TTT 곡선 위에서 가름교재 47p
3.2절에서 경로로만 지나갔던 셋. 유지 온도와 그 뒤의 냉각이 서로 다름.
- 세 경로 모두 오스테나이트 상태에서 출발함.
- TTT 곡선 — 가로축이 시간, 세로축이 온도. 시간은 대수 눈금이라 한 칸이 열 배.
- 굽은 곡선 둘 — 먼저 만나는 것이 변태 시작 곡선, 나중에 만나는 것이 변태 완료 곡선.
| 방법 | 유지 온도 | 유지 중 일어나는 일 | 얻는 조직 |
|---|---|---|---|
| 오스템퍼링 | 코보다 낮고 Ms보다 높은 온도 | 변태 완료 곡선을 지날 때까지 유지. 베이나이트 변태가 끝남. | 베이나이트 |
| 마퀜칭 | Ms 선 바로 위 | 변태 시작 곡선에 닿지 않음. 잠깐 멈췄다가 다시 내려감. | 마르텐사이트 |
| 마템퍼링 | Ms 점과 Mf 점 사이 | 오래 머무는 동안 남은 오스테나이트 일부가 베이나이트로 변태. | 마르텐사이트 + 베이나이트 |
- 가름의 핵심 — 어디에서 얼마나 멈추느냐. 온도가 어디인지, 머무는 시간이 얼마인지 두 가지뿐.
- 가장 오래 유지하는 쪽이 오스템퍼링.
03오스템퍼링 — 베이나이트를 얻음교재 48p
Ms보다 조금 높은 염욕에서 변태가 끝날 때까지 기다리는 처리.
1오스테나이트화
- 강을 오스테나이트 상태로 가열.
2염욕에 급랭
- 마르텐사이트 변태 개시점 Ms보다 조금 높은 온도의 염욕으로.
- 코 아래이면서 Ms 위인 구간 — 3.2절에서 본 베이나이트가 생기는 자리.
3변태가 끝날 때까지
- 그 온도에서 베이나이트 변태를 완료.
4공랭
- 대기 중에서 식힘.
- 얻는 조직 — 베이나이트.
- 마르텐사이트처럼 경도가 높음.
- 그러면서도 인성이 매우 뛰어남.
- 따라서 강인성이 필요한 부품에 알맞음.교재 48p
04오스템퍼링이 일반 담금질과 다른 점교재 48p
한 번의 처리로 두 가지를 함께 얻음.
1치수 변형과 균열을 막음
- 마르텐사이트 변태에 따르는 급격한 부피 팽창을 피할 수 있기 때문.
- 3.3절에서 담금질 균열의 원인으로 든 열응력과 부피 팽창 둘 중 하나가 사라지는 셈.
2공정이 단순해짐
- 일반 담금질 — 뒤에 반드시 뜨임이 따라야 함.
- 오스템퍼링 — 이 처리 하나로 담금질과 뜨임을 함께 한 것과 같은 효과.
- 뜨임을 따로 하지 않아도 되므로 공정 수가 줄고 관리가 쉬워짐.
담금질 + 뜨임과 견주기
- 담금질 뒤 뜨임 — 마르텐사이트를 먼저 얻고, 다시 데워 인성을 되찾는 두 걸음.
- 오스템퍼링 — 처음부터 경도와 인성을 함께 갖춘 베이나이트를 얻는 한 걸음.
- 도달하는 자리는 비슷하되 밟는 길이 다름 — 두 처리를 견주어 묻는 대목.
05마퀜칭과 마템퍼링 — 계단식 담금질법교재 48p
두 방법 모두 Ms 부근의 염욕에 급랭시킴. 밟는 순서는 같고 멈추는 온도만 갈림.
- 계단식 담금질법 — 곧장 내려가지 않고 중간에 한 계단을 두는 담금질. 공통 순서는 셋.
- ㉠ Ms 부근의 염욕으로 급랭.
- ㉡ 부품의 표면과 중심부 온도가 같아질 때까지 유지.
- ㉢ 천천히 냉각 — 겉과 속이 거의 동시에 마르텐사이트로 변태.
- 겉과 속이 함께 변태하므로 열응력과 변태 응력이 작음.
- 복잡한 형상이나 정밀 부품의 담금질 균열과 변형을 효과적으로 막음.
- 둘의 차이 — 염욕의 온도, 그리고 그 결과 얻는 조직 둘뿐.
| 구분 | 마퀜칭 | 마템퍼링 |
|---|---|---|
| 염욕 온도 | Ms 점 바로 위 | Ms 점과 Mf 점 사이 |
| 유지 중 | 변태가 일어나지 않음. 온도만 고르게 함. | 남아 있던 오스테나이트의 일부가 베이나이트로 변태. |
| 유지 뒤 | 공랭하면서 마르텐사이트로 변태. | 그대로 냉각. |
| 얻는 조직 | 마르텐사이트 | 마르텐사이트 + 베이나이트 |
| 뜨임 | 반드시 해야 함. | 없이 쓸 수 있는 경우가 있음. |
인성에서 마템퍼링이 앞서는 까닭
- 마템퍼링 — 남은 오스테나이트까지 베이나이트로 바꿈.
- 베이나이트가 섞인 만큼 인성이 마퀜칭보다 우수함.
- 그래서 뜨임 없이도 쓸 수 있는 경우가 생김.교재 48p
06잔류 오스테나이트와 심랭 처리교재 49p
Mf가 0 ℃보다 낮으면 상온까지 식혀도 변태가 끝나지 못함.
- 마르텐사이트 변태 — Ms에서 시작해 Mf에서 끝남.
- 탄소가 많은 고탄소강이나 합금강 — Mf 점이 0 ℃보다 낮은 경우가 있음.
- 이런 강을 상온까지만 담금질하면 Mf에 이르지 못해 변태가 끝나지 못함.
- 잔류 오스테나이트 — 마르텐사이트로 변태하지 못하고 조직 안에 그대로 남은 오스테나이트.
그대로 두면 생기는 일
- 잔류 오스테나이트 — 상온에서 불안정함.
- 시간이 지나면서 서서히 마르텐사이트로 변태함.
- 이때 부피가 늘어나 부품의 치수가 달라지거나 경도가 고르지 않게 됨.
- 치수가 중요한 부품에서는 두고 볼 수 없는 결함.
- 심랭 처리(sub-zero treatment) — 담금질하여 상온에 이른 강을 지체 없이 0 ℃ 이하로 냉각하는 조작.
- 쓰는 것 — 드라이아이스와 알코올의 혼합액, 또는 액체 질소.
- 목적 — 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 마저 변태시킴. 경도와 내마모성을 높이고 시간이 지나도 치수가 변하지 않게 만드는 것.
- 쓰는 곳 — 게이지·베어링·정밀 공구처럼 치수 안정성이 중요한 부품.
- 심랭 처리 뒤 — 새로 생긴 마르텐사이트에 인성을 주기 위해 곧바로 뜨임을 실시.교재 49p
07질량 효과 — 두꺼우면 속까지 단단해지지 않음교재 49p
같은 강을 같은 조건으로 담금질해도 굵기에 따라 결과가 달라짐.
| 자리 | 식는 사정 | TTT 곡선 위의 경로 | 남는 조직 |
|---|---|---|---|
| 표면 | 냉각액과 직접 닿아 순식간에 식음. | 냉각 곡선이 코를 빗겨 감. | 마르텐사이트 |
| 중심부 | 겉이 다 식은 뒤에야 열이 빠져나감. 냉각 속도가 임계 냉각 속도에 미치지 못함. | 냉각 곡선이 코를 지나감. | 펄라이트나 트루스타이트가 섞인 조직 |
- 임계 냉각 속도 — 코에 닿지 않고 Ms까지 내려가는 데 필요한 최소 속도. 3.2절에서 정한 기준.
- 질량 효과(mass effect) — 부품의 굵기와 질량에 따라 담금질 효과가 달라지는 현상.
- 지름이 작은 봉 — 단면 전체가 마르텐사이트.
- 지름이 큰 봉 — 단면이 세 겹으로 갈림.
- 바깥 테두리 — 마르텐사이트.
- 그 안쪽 — 트루스타이트와 소르바이트.
- 가장 안쪽 — 펄라이트.
- 안쪽으로 갈수록 식는 속도가 느려지기 때문. 3.3절에서 본 냉각 속도의 차례가 봉 하나의 단면 안에 그대로 나타난 셈.
08담금질성과 임계 지름교재 49p
속까지 담금질되는 굵기에도 한계가 있음. 그 한계를 재는 두 용어.
- 담금질성(hardenability) — 질량 효과가 작은 강일수록 속까지 잘 담금질되는 성질.
- 임계 지름 — 중심부까지 규정한 만큼 경화되는 최대 지름.
- 두 용어의 관계 — 담금질성이 좋으면 임계 지름이 커짐. 같은 조건에서 더 굵은 부품까지 속을 단단하게 할 수 있음.
합금 원소가 담금질성을 높이는 차례
- ㉠ 크롬·몰리브덴·망간 같은 합금 원소를 넣음.
- ㉡ TTT 곡선의 코가 더 긴 시간 쪽으로 밀림.
- ㉢ 코가 밀린 만큼 천천히 식혀도 코를 빗겨 갈 수 있음.
- ㉣ 임계 냉각 속도가 느려지므로 담금질성이 좋아짐.
- 탄소강보다 합금강의 임계 지름이 큰 것이 이 때문.교재 49p
이 절의 핵심 정리
- 항온 열처리는 오스테나이트화 한 강을 염욕이나 열욕에 급랭시킨 뒤 그 온도를 일정하게 유지하였다가 식히는 열처리다. 오스템퍼링과 마템퍼링은 변태를 진행시키려고, 마퀜칭은 겉과 속의 온도를 고르게 하려고 유지한다. 도중에 온도를 붙잡아 두므로 담금질 균열과 변형이 크게 줄어든다.
- 오스템퍼링은 Ms보다 조금 높은 염욕에서 변태가 끝날 때까지 유지한 뒤 공랭하여 베이나이트를 얻는다. 경도가 높으면서 인성도 뛰어나고, 부피 팽창이 없어 변형과 균열이 적으며, 뜨임을 따로 하지 않아도 되어 공정이 단순해진다.
- 마퀜칭과 마템퍼링은 Ms 부근의 염욕에 급랭시켜 겉과 속의 온도를 고르게 한 뒤 천천히 식히는 계단식 담금질법이다. 마퀜칭은 Ms 바로 위에서 멈춰 마르텐사이트를 얻으므로 뜨임이 반드시 따라야 하고, 마템퍼링은 Ms와 Mf 사이에서 오래 유지해 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직을 얻어 인성이 더 우수하다.
- Mf 점이 0 ℃보다 낮은 강은 상온까지만 담금질하면 잔류 오스테나이트가 남아 시간이 지나면서 치수가 변한다. 심랭 처리는 상온에 이른 강을 지체 없이 0 ℃ 이하로 냉각해 이를 마저 변태시키며, 처리 뒤에는 곧바로 뜨임을 실시한다.
- 질량 효과는 부품의 굵기와 질량에 따라 담금질 효과가 달라지는 현상이다. 중심부는 냉각 속도가 임계 냉각 속도에 미치지 못해 코를 지나간다. 질량 효과가 작을수록 담금질성이 좋고, 중심부까지 경화되는 최대 지름이 임계 지름이다. 합금 원소를 넣으면 TTT 곡선의 코가 밀려 담금질성이 좋아진다.
강의 자료3.4 항온 열처리
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