본문내용
1. 탄소강의 열처리 및 상변태
1.1. 열처리 기본 원리
1.1.1. 열처리의 개요
열처리는 재료의 가열과 냉각의 조작을 통하여 재료의 성질을 원하는 상태로 변화시키는 것이다. 열처리를 통해 재료의 잔류응력을 감소시키거나 내부 조직을 변화시켜 필요한 기계적 성질을 얻을 수 있다. 또한 모든 상업기계, 구조물, 소성가공 등에 적용하여 그 성질에 적합하도록 변화시킬 수 있다.
열처리는 단순히 가열과 냉각의 과정만이 아니라 재료의 화학적 성분, 열처리 온도 및 시간, 냉각 속도 등 다양한 요인에 의해 미세 조직과 기계적 성질이 변화하게 된다. 따라서 열처리에는 이러한 요인들을 고려하여 재료의 성질을 최적화하는 것이 중요하다.
1.1.2. 열처리의 목적
열처리의 목적은 재료의 가열과 냉각을 통해 우리가 원하는 성질로 변화시키는 것이다. 즉, 재료의 잔류응력을 감소시키거나 내부 조직을 변화시켜 필요한 기계적인 성질을 얻는 것을 목적으로 한다. 이를 통해 경도나 항장력을 확대하며 조직 연화 및 기계가동에 적합한 재료를 제작할 수 있다. 또한 조직 미세화로 방향성을 작게 하고 편석이 균일한 상태로 변환할 수 있으며 중간 풀림 열처리를 통하여 냉간가공의 영향을 제거할 수 있다. 그 이외에도 변형방지 및 응력제거, 조직의 안정화, 내식성의 개선, 자성 향상, 표면경화 등의 목적으로 열처리를 실시한다.""
1.2. 탄소강의 열처리 방법
1.2.1. 담금질(퀜칭)
담금질(퀜칭)은 열처리 이후 유냉, 수냉 등을 통해 급냉 시키는 방법이다. 이를 통해 탄소강의 미세조직이 페라이트와 시멘타이트로 이루어진 FCC(Face Centered Cubic) 구조에서 마르텐사이트로 변태된다.
마르텐사이트는 BCT(Body Centered Tetragonal) 결정구조를 가지는데, 이는 오스테나이트 상에서 고용되어 있던 탄소 원자가 급랭 과정에서 확산되지 못하고 격자 틈새에 고용된 상태로 존재하기 때문이다. 이로 인해 1) 탄소의 고용강화, 2) 전위 밀도의 증가, 3) 미세한 쌍정 형성 등이 일어나 전위의 이동이 방해되어 재료의 강도가 높아지는 효과가 발생한다.
열처리 온도가 감소할수록 더욱 미세한 침상 구조의 마르텐사이트가 형성되며, 탄소의 농도에 따라 달리 나타난다. 탄소 함량이 0.8wt% 이상일 때는 lenticular martensite가, 0.8wt% 이하에서는 상대적으로 더 미세한 마르텐사이트가 형성된다.
담금질 전, 재료는 A1 온도(738°C) 이상의 온도에서 오스테나이트와 시멘타이트 상으로 존재하다가 냉각됨에 따라 초정 시멘타이트가 점차 조대해진다. 이후 A1 온도 이하로 감소하면 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트의 펄라이트 상으로 변태된다. 이때 탄소 함량이 0.76wt% 미만인 경우 과공석(Hypo eutectoid) 조직이, 그 이상인 경우 공석(Eutectoid) 조직이 형성된다.
1.2.2. 불림(템퍼링)
불림(템퍼링)은 담금질(퀜칭)로 얻어진 경도가 매우 높은 강철을 좀 더 연삭이나 가공이 쉽도록 일부 연화시키는 열처리 공정이다. 담금질로 얻어진 경도가 너무 높으면 극도로 경화되어 취성이 크게 증가하기 때문에 내구성과 충격에 약하게 된다. 이를 보완하기 위해 마르텐사이트 조직을 조절하는 것이 불림 열처리의 목적이다.
불림 열처리는 마르텐사이트 조직의 일부를 분해하여 경도를 낮추고, 치수안정성, 인성 등을 향상시키는 것이다. 불림 온도를 높일수록 마르텐사이트가 더 많이 분해되어 경도가 낮아지고, 인성과 연성이 증가한다. 그러나 너무 높은 온도에서 오래 유지하면 강도가 급격히 저하되므로 적절한 온도와 시간을 선택해야 한다.
일반적으로 담금질 후 300~700°C 사이의 온도에서 1~2시간 동안 가열 후 공냉하는 방식으로 불림 열처리를 진행한다. 이때 300°C 이하에서는 마르텐사이트 변태가 거의 일어나지 않고, 550°C 이상에서는 상당량의 마르텐사이트가 분해되어 강도가 크게 저하된다. 따라서 대부분의 공구강과 기계구조용 탄소강은 400~600°C 사이의 온도에서 불림 처리한다.
불림 열처리로 인해 생성되는 미세조직은 마르텐사이트와 트루스타이트(tempered martensite)로 구성된다. 트루스타이트는 마르텐사이트가 분해되어 생성된 미세한 펄라이트...
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