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 열처리 방법

 

 ■ 열처리방법

     열처리방법을 크게 구분하면 주조나 단조후의 편석 및 잔류응력 등을 제거하여 균질화시키거나 또는 軟化를 목적으로 행하는 풀림(annealing), 결정립을 미세화하여 기계적성질이나 피삭성을 향상시키기 위한 노멀라이징(normalizing), 경화를 위하여 행하는 퀜칭(quenching), 그리고 강인화를 위한 템퍼링(tempering) 처리 등으로 나눌 수 있다.
     또 표면은 내마모성이 크고, 중심부는 내충격성이 큰 이중조직을 나타내게 하는 표면경화(表面硬化, surface hardening)방법도 있다.

● 평형상태도와 열처리

     앞장에서 나타낸 그림 2.1은 Fe-Fe3C 상태도로서, 강을 매우 서서히 가열 및 냉각할 때의 조직변화, 즉 다시 말하면 풀림처리시의 조직변화를 나타낸 것이다.
     그런데 열처리하기 위해서는 기본적으로 어느 온도범위로 가열할 필요가 있다. 여기서 우리는 강의 종류에 따라서, 또 열처리방법에 따라서 과연 가열온도는 어떻게 결정할 것인가 하는 의문을 제기할 수 있다.
     KS규격에 탄소공구강으로 규정된 STC 5강(0.8%C)을 퀜칭하고자 할 때에는 760∼820℃의 온도범위로 가열 후 수냉, 또 기계구조용 탄소강인 SM 45C(0.45%C)는 820∼870℃의 온도범위로 가열한 후에 수냉하는 것으로 규정되어 있다. 이들 온도는 그림 4.1에서와 같이 철-탄소계 평형상태도에 기초하여 A3 또는 A1 변태점 이상의 일정온도범위로 정해지는 것이다. 또 노멀라이징 온도범위도 A3 또는 Acm변태점으로부터 그림 4.2와 같이 결정되는 것이다.
이와 같이 철-탄소계 평형상태도는 강을 열처리할 때 가열온도를 결정하는 중요한 근거가 된다.
한편 탄소강의 풀림(노냉)과 같은 실제열처리시에는 물론이고, 노멀라이징(공랭)과 같은 실제열처리시의 조직변화도 Fe-Fe3C 상태도로부터 어느정도 예측이 가능하지만, 퀜칭열처리(수냉)시에는 냉각속도가 빠르기 때문에 평형상태도로부터 조직변화를 알 수 없다. 즉 냉각속도가 빠를 때에는 비평형상태로 되기 때문이다. 이 때에는 3장에서 나타낸 연속냉각변태도로부터 조직변화를 예측할 수밖에 없다.

그림 4.1. 탄소강의 퀜칭온도 범위

그림 4.2. 탄소강의 노멀라이징 온도범위 

● 열처리방법

◆ 풀림

     기본적으로 軟化를 목적으로 행하는 열처리로서, 일반적으로 적당한 온도까지 가열한 다음 그 온도에서 유지한 후 서냉하는 조작을 말한다. 그밖의 처리목적으로는 내부응력의 제거, 절삭성 향상, 냉간가공성 향상 등을 통하여 기계적성질을 개선하기 위한 것이다.
     풀림에는 완전풀림, 항온풀림, 구상화풀림, 응력제거풀림, 연화풀림, 확산풀림, 저온풀림 및 중간풀림 등의 여러 종류가 있다. 그림 4.3.은 여러가지 풀림처리시 처리온도범위를 나타낸 것이다.

그림 4.3 각종 풀림 온도 범위

 

(1) 완전풀림(full annealing)
     완전풀림은 아공석강에서는 Ac3점 이상, 과공석강에서는 Ac1점 이상의 온도로 가열하고, 그 온도에서 충분한 시간동안 유지하여 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트와 탄화물의 공존조직으로 한 다음, 아주 서서히 냉각시켜서 연화시키는 조작방법으로서 일반적으로 풀림이라고 하면 완전풀림을 의미한다. 따라서 이 경우의 조직은 아공석강에서는 페라이트와 펄라이트, 과공석강에서는 망상 시멘타이트와 조대한 펄라이트로 된다.
     일반적으로 열간압연 또는 단조작업을 행한 강재는 조직이 불균일하다든지, 잔류응력이 존재한다든지 또는 연화가 불충분하여 절삭가공이나 소성가공이 곤란할 때가 많다. 이 경우 금속재료를 연화시켜서 절삭가공을 쉽게하기 위해서는 완전풀림을 한다.
     이와 같은 처리는 탄소량이 약 0.6% 이하인 기계구조용강에 적용되며, 탄소량이 이것보다 많은 공구강에서는 구상화풀림이 적합하다.
     완전풀림의 가열온도는 아공석강에서는 Ac3점 이상 30∼50℃, 과공석강에서는 Ac1점 이상 약 50℃ 높은 온도가 적당하며, 너무 높은 온도에서 가열하면 결정립이 조대화되므로 주의하여야 한다.
     그림 4.4는 고속도공구강의 완전풀림방법을 나타낸 것으로서, 특히 한번 퀜칭후 다시 퀜칭을 반복할 때에는 필히 중간에 풀림처리를 해야만 한다. 이 공정을 생략하면 결정립이 조대해져서 극히 취약해지기 때문이다.

그림 4.4. 고속도강의 풀림곡선

(2) 항온풀림(isothermal annealing)
     완전풀림의 일종으로서 단지 항온변태를 이용한다는 차이만 있을 뿐이다. 즉 완전풀림은 강을 오스테나이트화한 다음 서서히 연속적으로 냉각해서 강을 연화시키는 것인데 비하여, 항온풀림은 강을 오스테나이트화 한 후 TTT곡선의 nose온도에 해당되는 600∼650℃의 로속에 넣어 이 온도에서 5∼6시간 동안 유지한 다음 꺼내어 공랭하는 것이다. 그림 4.5는 일반적인 항온풀림과 완전풀림의 처리곡선을 비교하여 나타낸 것이다.

그림 4.5. 항온풀림과 완전풀림의 비교

     고속도강과 같은 합금강은 아주 서냉하지 않으면 페라이트 변태가 끝나지 않으며, 잔류오스테나이트는 베이나이트나 마르텐사이트로 변태하므로 충분히 연화시킬 수 없게 된다. 그러나 이와 같은 합금강도 어느 일정한 온도에서 유지시켜 항온 변태를 시키면 단시간 내에 변태가 끝나므로 쉽게 연화된다.
     항온풀림은 자동차부품용의 기계구조용 저합금강 뿐만 아니라 합금공구강 및 고속도공구강과 같이 합금원소를 많이 함유하는 공구강에서 풀림시간을 단축시키기 위해서 현장에서 흔히 이용된다.

(3) 확산풀림(diffusion annealing)
     일반적으로 응고된 주조조직에서 주형에 접한 부분은 합금원소나 불순물이 극히 적고, 주형 벽에 수직한 방향으로 응고가 진행됨에 따라 합금원소와 불순물이 많아지며, 최후로 응고한 부분에 합금원소가 가장 많이 잔존하게 된다. 이와 같은 현상을 편석(遍析, segregation)이라 한다. 강괴의 경우, 편석은 1300℃정도에서 수시간 동안 가열하는 균질화 처리와, 그 다음의 열간가공에 의해서 어느 정도 균질화되지만 완전히 해소되지는 못한다.
     따라서 이러한 상태의 주괴를 단조나 압연을 하면 편석된 것들이 가공방향으로 늘어나 섬유상 편석이 나타난다.인(P), 몰리브덴(Mo) 등이 많이 함유된 강에서는 그 경향이 더욱 두드러지게 나타난다.
     이와 같은 주괴 편석이나 섬유상 편석을 없애고 강을 균질화시키기 위해서는 고온에서 장시간 가열하여 확산시킬 필요가 있다. 이와 같은 열처리를 확산풀림 또는 균질화풀림이라고 한다.
     가열온도는 합금의 종류나 편석 정도에 따라서 다르며, 주괴편석 제거를 위해서는 1200∼1300℃, 고탄소강에서는 1100∼1200℃, 단조나 압연재의 섬유상 편석을 제거하기 위해서는 900∼1200℃ 범위에서 열처리하는 것이 적당하다. 확산풀림을 할 때 풀림온도가 높을수록 균질화는 빠르게 일어나지만 결정립이 조대화되므로 주의하여야 한다.

(4) 구상화풀림(spheroidizing annealing)
     펄라이트를 구성하는 층상시멘타이트나 또는 망상(網狀)으로 나타나는 초석시멘타이트가 그대로 존재하면 기계가공성이 나빠지고, 특히 퀜칭열처리시 균열이나 변형발생을 초래하기 쉬워진다. 즉 소성가공이나 절삭가공을 쉽게 하기 위해서, 기계적성질을 개선하기 위해서, 또는 퀜칭시 균열이나 변형발생을 방지할 목적으로 탄화물을 구상화시키는 열처리를 구상화풀림이라고 한다.
     이 구상화처리는 보통 제강회사에서 실시하는 것이 일반적이다. 이 처리는 특히 공구강에서는 매우 중요한 처리로서, 퀜칭의 전처리로서 탄화물을 필히 구상화시킬 필요가 있다.
     시멘타이트가 구상화되면 단단한 시멘타이트에 의하여 차단된 연한  페라이트 조직이 상호 연속적으로 연결되고, 특히 가열시간이 길어짐에 따라 구상 시멘타이트는 서로 응집하여 입자수가 적어지므로 페라이트의 연속성은 더욱 좋아진다. 따라서 경도는 저하되고 소성가공이나 절삭가공이 용이해진다. 즉, 구상화 풀림에 의해 과공석강은 절삭성이 향상되고, 아공석강에서는 냉간단조성 등의 소성가공성이 좋아지게 되는 것이다. 그림 4.8은 열처리조직에 따른 피삭성의 차이를 나타낸 것이다.

그림 4.6. 열처리 조직에 따른 피삭성

     또한 전술한 바와 같이 공구강 등에서는 탄화물을 구상화시킴으로써 퀜칭경화 후 인성을 증가시키며, 퀜칭균열 방지효과도 있다.
     구상화풀림 방법에는 그림 4.7과 같은 4가지가 주를 이루고 있다.

그림 4.7. 탄화물의 구상화처리방법

1) 구상화방법

     ① Ac1점 직상으로 가열한 후 Ar1점 이하까지 극히 서서히 냉각하든지 또는 Ar1점 이상의 어느 일정온도에서 유지한 후 냉각하는 방법.
     탄소공구강은 처리가 간단하고 구상화속도도 비교적 빠르므로 이 방법으로 구상화시킨다. 그림 4.8은 탄소공구강의 구상화풀림곡선을 나타낸 것이다. 이 두방법중 일반적으로 사용되는 것은 서냉법(徐冷法)이고, 이 방법의 변화된 형태로서 항온유지법(恒溫維持法)이 이용되고 있다. 서냉법에서의 냉각속도는 보통 30℃/h 이하로 되어 있지만 각각 강종에 따라서 어느 임계냉각속도가 있어서 이 속도보다 빠르게 냉각하면 층상조직이 나타나게 된다.

그림 4.8. 탄소공구강의 구상화풀림

 

     ② Ac1점 직하(650∼720℃)에서 장시간 가열유지하는 방법.
     주로 퀜칭 또는 냉간가공된 강에 적용된다. 아공석강에서도 냉간가공을 30% 이상 행한 경우는 이 방법으로 구상화시킨다. 이 방법으로는 조대한 망상 시멘타이트는 구상화되지 않는다.

     ③ Ac1점 상하 20∼30℃ 사이에서 반복적으로 가열 및 냉각하는 방법.
     아공석강에 가장 적합한 방법으로서, 가장 빨리 구상화시킬 수 있다. 탄화물을 A1점 이상의 온도에서 고용시키면 탄화물의 부분적인 고용이 진행되고, 이에 따라 층상탄화물이 분단된다. 그리고 고용된 부분은 냉각시 재차 잔류탄화물의 표면에 석출하여 더욱 구상화가 촉진된다.
     아공석강에서는 가열온도가 높아지면탄화물의 석출핵이 소실되어 구상화가 어려워진다. 냉각속도는 느린 편이 좋은데, 저탄소강에서는 1℃/min가 바람직하지만 탄소량이 많아지면 비교적 빠른 냉각으로도 구상화된다. 반복횟수는 아공석강 및 공석강에서는 3회, 과공석강에서는 2회 정도면 균일한 탄화물조직으로 된다.

     ④ Acm선 이상으로 가열하여 시멘타이트를 완전히 고용시킨 후 급랭하여 망상시멘타이트의 석출을 억제시키고 재차 가열하여 ② 또는 ③의 방법으로 구상화하는 방법.
     망상 탄화물이 존재하는 과공석강의 구상화방법이다. 미세하고 균일한 구상화조직을 얻는데에는 효과적이지만 구상화속도가 느리다. 급랭으로는 주로 공랭을 이용하지만 마르텐사이트 조직이 가장 구상화되기 쉬우므로 유냉하는 경우도 있다.

2) 강종에 따른 구상화풀림

① 냉간단조소재 : 냉간단조를 행한 아공석강에서는 구상화풀림이 매우 널리 이용되고 있다. 탄화물의 분포를 균일하게 하기 위해서는 전처리로서 노멀라이징을 행하여 초석페라이트와 펄라이트의 혼합조직으로 미세하게 해 놓는 것이 일반적이다.

② 탄소공구강과 합금공구강 : 절삭용, 내충격용 및 냉간금형용 공구강은 탄소공구강과 동일하지만 가열유지시간은 좀더 길고, 냉각은 좀더 신중하게 행한다.

③ 열간다이스강, 고속도강 : 공정탄화물이 있는 경우는 단조와 압연을 조합하여 행하고 있지만 이것은 통상 제강회사에서 행하여 공급하고 있다.

④ 베어링강 : 구상화조직은 베어링의 성능에 직접적으로 영향을 주므로 구상화풀림조건은 매우 엄격하게 되어 있다. 즉 1차 탄화물이 잔류하지 말아야 하고 탄화물분포가 균일해야 하며 그 입자크기도 0.4∼0.5㎛의 범위로 조절하고 있다. 구상화풀림 전에는 일반적으로 노멀라이징을 행하고, 풀림온도는 상한온도를 절대로 넘어서면 안된다.

(5) 응력제거풀림(stress relief annealing)
     단조, 주조, 기계가공 및 용접 등에 의해서 생긴 잔류응력을 제거시키기 위해서 A1점 이하의 적당한 온도에서 가열하는 열처리를 응력제거풀림이라고 한다.
     잔류응력이 남아 있는 금속 부품을 그대로 사용하면 시간이 경과함에 따라 차차 그 응력이 완화되어 치수나 모양이 변화될 경우가 있다.
     또 기계가공으로 어느 한 부분을 제거하면 물체 내부의 응력이 평형을 유지할 수 없게 되어 새로운 응력 평형 상태로 변화되므로 변형이 나타나게 될 경우가 많다. 이와 같은 변형을 방지하기 위해서는 재료를 적당한 온도로 가열하여 잔류응력을 충분히 제거해 줄 필요가 있다.
     통상 재결정온도(450℃) 이상 A1 변태점 이하에서 행한다. 이 온도에서 두께 25㎜당 1시간 유지하고, 두께 25㎜당 200℃/h로 서냉시킨다.
     일반적으로 가열온도가 높아질수록 재료는 연해지고, 잔류응력에 의해 소성변형이 일어나므로 응력이 완화제거된다. 일반적으로 탄소량이 많은 강일수록 잔류응력이 많고, 또 제거하기가 어렵다.
잔류응력제거와 함께 결정립의 미세화나 조직의 조절도 동시에 하고자 할 경우에는 완전풀림이나 노멀라이징을 한다.

(6) 연화풀림(softening annealing)
     대부분의 금속 및 합금은 냉간가공을 하면 가공경화에 의하여 강도가 증가되고 취약해져서 이 때문에 어느 가공도 이상으로 가공할 수 없게 된다.
     특히 강에서는 탄소량이 많을수록 가공경화도가 커진다. 이렇게 경화된 것을 절삭가공을 한다든지, 또는 더 많은 냉간가공을 하고자 할 때에는 강을 일단 연화시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 적당한 온도로 가열하여 가공조직을 완전히 회복시키거나 재결정 및 결정립 성장을 시켜야 한다.

그림 4.9. 냉간가공재의 가열에 의한 성질변화

     냉간가공재를 가열할 경우의 조직과 성질의 변화를 그림 4.9에 나타내었다. 그림 4.9에서 보는 바와 같이, 연화과정은 3단계로 이루어진다. 즉 가열온도의 상승과 함께 회복, 재결정 및 결정립성장의 과정으로 변화된다.
첫단계인 회복은 가공에 의해서 증가된 전위밀도 감소와 전위의 재배열로 인한 연화이고, 재결정은 변형된 입자 속에서 변형되지 않은 새로운 결정입자로 대체하는 과정이며, 온도가 더욱 높아지면 미세한 입자가 응집, 조대화되는 결정립성장 단계로 된다.
     이러한 변화는 내부에너지를 감소시킴으로써 보다 안정한 상태로 가고자 하는 현상 때문이며, 이러한 내부응력의 감소에 의해서 연화되는 것이다.
     이와 같이 재결정에 의해서 경도를 균일하게 저하시킴으로써 소성가공 또는 절삭가공을 쉽게 하기 위한 풀림을 연화풀림이라고 하는데, A1점 위 또는 아래의 온도에서 가열한다.
 

◆  노멀라이징(normalizing)

(1) 목적
노멀라이징의 일반적인 목적은 다음과 같다.
① 결정립을 미세화시켜서 어느 정도의 강도증가를 꾀하고, 퀜칭이나 완전풀림을 위한 재가열시에 균일한 오스테나이트 상태로 만들어주기 위한 것이다.
② 주조품이나 단조품에 존재하는 편석을 제거시켜서 균일한 조직을 만들기 위함이다.

1) 단강품
     단강품은 대부분 저탄소 또는 중탄소강으로서 열간가공온도나 살두께가 불균일하기 때문에 결정립의 크기가 불균일하고, 성장하여 조대해질 경우가 많다. 이러한 경우에 재차 오스테나이트화 한 다음 공랭하면 가공 등에 의한 잔류응력이 제거될 뿐만 아니라 결정립이 미세화된다. 이로써 강도와 인성이 증가된다.
     단강품은 일반적으로 반드시 노멀라이징 또는 풀림을 하고 사용하여야 하며, 강도를 필요로 할 경우에 노멀라이징만으로도 상당한 효과를 얻을 수 있다. 단, 가열온도가 너무 높으면 결정립은 재차 성장하고 강도와 인성도 저하되므로 주의해야 한다.
  
2) 주강품
     주강품에서는 응고시의 편석이나 서냉에 의한 결정립 조대화를 피할 수 없으며, 단면치수가 큰 것일수록 그 경향이 현저하다.
     특히 편석이 심할 경우에는 노멀라이징 온도를 높이고 유지시간도 길게 하여 우선 확산, 균질화시킨 다음 공랭시키고, 재차 A3 변태점 직상으로 가열하여 새로운 미세한 오스테나이트를 형성시킨 다음 공랭하면 미세한 펄라이트가 생성된다.

(2) 방법
     강을 A3 또는 Acm점보다 30∼50℃ 정도 높은 온도로 가열하여 균일한 오스테나이트 조직으로 만든 다음 대기중에서 냉각하는 열처리이다. 가열시간은 25㎜당 30분이다. 이러한 통상적인 노멀라이징 방법 외에 다음과 같은 2가지 방법이 있다.

① 2단 노멀라이징 : 대형부품(두께 75㎜ 이상)이나 고탄소강(0.6∼1.0C)의 백점이나 내부균열을 방지하기 위하여 사용된다.
② 항온 노멀라이징 : 기계구조용 탄소강이나 저탄소 합금강의 피삭성을 향상시키기 위하여 사용된다.
그림 4.14는 3가지 노멀라이징 처리곡선을 나타낸 것이다.

그림 4.10. 노멀라이징의 3가지 방법 

◆  퀜칭

     일반적으로 사용하는 "열처리"란 말은 주로 이 「퀜칭」을 의미한다고 해도 과언이 아닐 정도로 퀜칭은 열처리의 대명사처럼 여겨져 왔다. 즉 강을 軟한 상태로부터 가장 硬한 상태로 급격하게 변화시킴으로써 열처리효과를 가장 실감나게 해주는 방법이다.

(1) 퀜칭의 목적

     강의 퀜칭(quenching)은 오스테나이트화 온도로부터 급랭하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜서 강을 경화하는 열처리방법을 말하는데, 그 목적은 강의 종류에 의해 2가지로 대별된다.
     그 하나는 공구강의 경우인데, 이것은 다른 금속재료를 절삭가공하기 위해 되도록 단단하거나 내마모성이 커야 하므로 고탄소 마르텐사이트의 특징인 큰 경도를 그대로 이용한다. 따라서 많은 공구강에서는 템퍼링온도를 150∼200℃의 비교적 낮은 온도로 하거나, 고합금강에서처럼 500∼600℃로 템퍼링을 하더라도 퀜징상태와 거의 같든지 혹은 그 이상의 경도가 얻어지도록 하여야 한다.
     다른 하나의 경우는 구조용강으로서, 여기에는 강도도 요구되지만 오히려 강한 인성이 요구되는 용도로 제공하기 위해 일단 퀜칭해서 마르텐사이트 조직으로 하고, 500∼700℃의 상당히 높은 온도로 템퍼링을 해서 퀜칭상태에 비해 훨씬 낮은 경도 강도의 상태로 만드는 것이다. 예를 들면 기계구조용 탄소강에서 퀜칭상태의 인장강도는 170kg/mm2 이상이고, 브리넬경도도 500 이상이지만 실제로 사용될 때에는 충분한 템퍼링을 해서 인장강도 100kg/mm2 이하, 브리넬경도 300 이하로 한다. 그렇게 볼 때 무리하게 퀜칭할 필요없이 노멀라이징 정도면 되지 않겠는가 하는 의문이 생기나, 사실은 이와 같이 퀜칭과 템퍼링을 한 강은 노멀라이징 처리한 강에 비해 강도와 인성의 면에서 현저하게 우수하다.

그림 4.11. 기계구조용 탄소강의 노멀라이징재와 퀜칭, 템퍼링재의 기계적성질의 비교

     그림 4.11은 기계구조용 탄소강 SM 30C, SM 40C 및 SM 50C를 노멀라이징 처리만 한 것과 퀜칭 템퍼링처리한 것의 강도와 인성을 비교한 것으로서, 퀜칭 템퍼링재의 노멀라이징재에 비해 충격치가 인장강도 60kg/mm2 급에서 약 2배 크고, 80kg/mm2 급에서는 약 4배를 나타내어 강인성에서 훨씬 우수하다는 것을 알게 된다.
     또한 표 4.1에 나타낸 것처럼 Ni-Cr-Mo강의 퀜칭방법을 변화시켜서 마르텐사이트, 마르텐사이트와 베이나이트, 마르텐사이트와 펄라이트의 3종류의 조직으로 해서 인장강도가 약 89kg/mm2의 일정값이 되도록 각기 적당한 온도를 골라서 템퍼링처리를 했을 때의 충격값과 시험온도의 관계를 그림 4.12에 나타냈다. 그림에서 알 수 있듯이 완전 마르텐사이트조직을 템퍼링한 경우에 비해 베이나이트나 펄라이트를 갖는 불완전 퀜칭조직을 템퍼링한 것은 천이온도가 상승하여 상온이하에서의 충격값의 감소가 특히 심하다.

표 4.1  불완전 퀜칭에 의한 인성의 저하

그림 4.12. 열처리 조직에 의한 충격값의 천이곡선의 변화


(2) 오스테나이트화

     강을 퀜칭해서 마르텐사이트 조직으로 변태시키기 위해서는 우선 그 강을 오스테나이트 상태로 가열하여야 한다. 이 처리를 오스테나이트화라고 하며, 일반적으로 열처리시 냉각도중에 일어나는 모든 변태는 오스테나이트로부터 시작된다. 따라서 오스테나이트를 모상(母相, parent phase)이라고도 불리어진다.

① 가열온도
     전술한 바와 같이 마르텐사이트로 변태시키기 위해서는 우선 오스테나이트 상태로 가열해야만 하는데, 그때의 가열조건, 특히 가열온도는 강의 성질에 중대한 영향을 미치므로 가열온도의 선정은 무엇보다도 중요하다.
     여기서 우선 정확히 규정해야 할 것은 용어문제로서, 상황에 따라서 가열온도, 퀜칭온도 및 오스테나이트화 온도를 구분해서 사용하기도 하지만 본절에서는 이 3가지 용어를 동일한 의미로써 사용한다.
     퀜칭을 위한 가열온도는 수냉하는 경우, 아공석강에서는 Ac3 변태점 이상 30∼50℃ 정도, 과공석강에서는 Ac1 변태점 이상 30∼50℃ 범위로 하는 것이 보통이며, 유냉의 경우는 이것보다 다소 높은 온도를 사용한다. 가열온도가 이 온도범위보다 높아짐에 따라서 오스테나이트의 결정립은 점차 크게 성장하여 조대화되기 쉬워진다.
     그런데 과공석강에서는 오스테나이트화 온도에서 오스테나이트와 미용해 탄화물이 공존하는데, 이 탄화물이 오스테나이트 결정립계의 이동, 즉 결정립성장을 방해하는 효과가 있다. 미용해 탄화물이 조대하거나 그 수가 적으면 그만큼 결정립은 조대해진다.
     한편 아공석강에서는 오스테나이트화시 모든 탄화물이 고용되므로 결정립성장은 매우 빠른 속도로 진행된다.
이와 같이 결정립이 조대해지면 마르텐사이트변태가 용이하여 열처리가 다소 쉽게 되기는 하지만 열처리후의 인성은 현저하게 감소된다. 표 4.2는 베어링강 2종(STB 2 : 1%C, 1.3%Cr)의 직경 8mm의 환봉을 유냉했을 때와 마르템퍼링(후술)했을 때 인성에 미치는 오스테나이트화 온도의 영향을 나타낸 것으로, 어떤 경우도 오스테나이트화 온도가 상승함에 따라 인성이 감소됨을 알 수 있다.

표 4.2  베어링강을 유냉 및 마르템퍼링 처리시 오스테나이트화 온도에 따른 인성변화

 

    그러나 공구강의 경우는 오스테나이트화시에 탄화물을 적당히 고용시켜서 마르텐사이트를 충분히 단단하게 하는 동시에, 잔류오스테나이트량을 줄이는 것이 동시에 중요하다. 탄소공구강에서는 상기와 같은 온도범위를 선택하면 별다른 문제는 없지만, 과공석강의 경우 온도가 지나치게 높으면 오스테나이트중의 탄소량이 많아져서 MS점이 저하하고, 상온으로 냉각시 잔류오스테나이트가 많아져 충분한 경화가 안될 뿐 아니라 열균열도 일어나기 쉽게 된다.
한편 고속도공구강 등과 같이 W이나 Cr 등 탄화물을 만들기 쉬운 합금원소를 다량 함유한 강에서는 이들의 원소 때문에 공석변태점이 상승하는 동시에 오스테나이트중의 탄소고용도가 감소한다. 예를 들면 18%W-4%Cr-1%V형의 고속도강(SKH2)에서는 공석점이 850℃ 정도까지 상승되므로 900℃ 부근으로 가열해도 오스테나이트의 탄소농도는 0.20∼0.25% 정도이므로 경도가 겨우 HRC 50정도밖에 되지 않는다. 가열온도를 높이면 점점 탄화물의 고용량이 증가하여 1300℃ 부근에서는 약 0.55% 정도의 탄소가 고용해서 퀜칭경도는 HRC 66∼67로 충분히 높아진다. 또한 고용된 W, Cr과 같은 합금원소때문에 현저하게 열처리하기 쉽고, 또 고속절삭으로 날끝온도가 상승해도 쉽게 경도가 저하되지 않는 우수한 템퍼링연화저항성이 얻어지는 것이다.
     그러나 이 경우도 지나치게 온도가 높아지면 역시 결정립의 조대화로 인해 취화된다. 이와 같이 강의 성질이 손상될 만큼의 고온까지 가열시키는 것을 과열(過熱, overheat)이라 한다. 더우기 그 정도가 더욱 심하여 입계가 일부 용융하기 시작한다든지 입계를 따라 내부까지 산화가 진행되어 나머지 열처리나 기계가공 등의 작업에서도 정상적인 성질을 회복할 수 없다든지 하는 경우를 버닝(burning)이라고 한다.

② 가열시간
     또한 오스테나이트화시에는 가열시간도 중요하다. KS 규격에서도, 여러 회사의 카탈로그에서도 퀜칭온도(오스테나이트화 온도)는 규정되어 있지만 가열시간, 특히 오스테나이트화 온도에서 유지하는 시간에 대한 규정은 찾아볼 수 없다. 그러나 열처리란 가열온도, 가열시간 및 냉각의 조합이므로 필수적으로 가열시간이 필요하다.
     작업능률이나 원가 등의 입장에서는 가열시간은 가능한한 짧을수록 바람직하지만, 실제로는 가열방법이나 재료의 크기에 따라 그 중심부까지 필요한 온도로 상승시키기 위한 시간과 확산에 의해 탄화물이 고용되어 균일한 오스테나이트로 형성되는데에 필요한 시간을 생각해야 한다. 합금원소가 많이 함유될수록 일반적으로 열전도율은 적고 또 확산속도도 늦으므로 장시간의 가열이 필요하다.

그림 4. 13. 가열시간의 정의

 

     한편 오스테나이트화 처리시의 가열시간은 승온시간(昇溫時間), 균열시간(均熱時間) 및 유지시간(維持時間)으로 이루어져 있다. 승온시간이란 부품의 표면이 소정의 오스테나이트화 온도로 도달되는데 필요한 시간을 말하고, 균열시간이란 부품의 표면과 중심의 온도가 일치하기까지의 시간을 말하며, 유지시간이란 부품 전체가 그 온도에서 유지되는 시간을 말하는 것이다. 따라서 " 승온시간 + 균열시간 + 유지시간 = 가열시간" 이란 관계가 성립된다.
     여기서 우리가 주의해야 할 사항은 그림 4.13에서도 알 수 있듯이 로내온도의 승온속도와 부품의 승온속도가 다르다는 것이다. 따라서 여기서 사용되는 「온도」라는 말은 부품의 실제온도를 의미하는 것으로, 로내분위기 온도 즉 온도계로 지시되는 온도가 아니다. 승온시간은 부품의 크기에 따라서 달라지지만 유지시간은 부품의 크기에는 별 영향이 없고, 강종에 따라서 달라진다. 즉

          승온시간 = f (부품의 크기)
          유지시간 = f (강종) ---- 아공석강인가 과공석강인가에 따라 다르다.
          승온시간 + 유지시간 = 가열시간(soaking time)

     여기서 가열시간에는 표면과 중심부의 승온시간의 차이, 즉 균열시간도 포함되어야 하지만 그 시간의 차이는 의외로 작다. 다시 말해서 표면이 퀜칭온도에 도달하면 중심부도 거의 동시에 그 온도에 도달된다고 보아도 좋다는 것이다. 그림 4.14는기계구조용강의 실측결과로서, 표면과 중심의 승온시간의 차이는 직경 100㎜의 환봉에서는 보통가열시 2분, 급속가열시 5분이다. 따라서 종전에 25㎜당 30분이라고 하는 것은 유지시간을 의미하는 것이 아니라 승온시간을 포함하는 말이다. 따라서 아공석강이나 공석강에서는 A3 변태온도 이상 50℃로 가열되는 동안에 거의 완전히 오스테나이트로 변태되므로 유지시간이 필요없으나, 과공석의 탄소공구강이나 합금공구강 또는 고속도강 등과 같은 고탄소 고합금강에서는 오스테나이트 중에 어느 정도의 탄화물을 고용시킬 필요가 있으므로 10∼30분 정도의 유지시간이 필요하다.

 
그림 4. 14. 강재의 표면온도 도달 후 중심부에 도달하기까지의 시간

 
그림 4.15. 퀜칭, 템퍼링에 의한 미세구상 시멘타이트 조직과 구상화처리에 의한 조대구상 시멘타이트 조직의
                    오스테나이트화 곡선의 비교(1%C의 탄소강, 750℃오스테나이트화)

     한편 탄화물이 오스테나이트에 고용되는 고용속도는 강종에 따라 틀려지는데, 특히 텅스텐이나 바나듐과 같은 강력한 탄화물 생성원소를 함유한 강은 현저하게 늦어지지만, 동일강종이라도 퀜칭전의 조직, 주로 탄화물의 크기나 분산상태에 따라서 큰 영향을 받는다. 그림 4.15는 1%C의 탄소강을 750℃에서 오스테나이트화한 경우로서, 구상화처리를 한 조대한 구상시멘타이트를 함유한 강이 그 고용속도가 늦으므로 오스테나이트화도 늦다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 탄화물이 조대한 구상 혹은 망상을 나타낼 때는 고용속도가 늦으므로 퀜칭전에 탄화물이 미세하고 균일하게 분산된 상태가 되도록 구상화풀림이나 노멀라이징 등의 예비처리를 할 필요가 있다.

    그림 4.16. 오스테나이트화 온도에 따른 시멘타이트의 고용상황의 비교

     고탄소저크롬 베어링강에서 탄화물이 고용에 필요한 시간은 900℃의 경우, 미세펄라이트조직에서 약 2분, 펄라이트조직에서 약 3분, 구상화조직에서 1시간 이상이 필요하다고 한다. 그림 4.16은 구상화처리한 베어링강을 여러가지 온도로 오스테나이트화 했을 때의 유지시간과 미고용 탄화물량의 관계를 나타낸 것으로, 탄화물량이 일정값으로 안정화될 때까지 약 30∼50분간이 소요되고 있지만, 탄화물이 완전히 고용되면 퀜칭했을 때의 잔류오스테나이트도 많아지고, 경도도 저하되며, 결정립의 조대화, 열균열, 시효변형등의 여러가지 문제가 발생될 수 있으므로 실제로는 반드시 평형상태까지 탄화물을 고용시킬 필요는 없다.
     그리고 전술한 중심부와 표면의 승온시간의 차이도 고려해서 각 강종의 오스테나이트화 온도로의 적당한 가열시간을 선정해야 하는데, 탄소강이나 특수공구강(STS)에서 살두께 25mm당 약 30분, 다이스강(STD)에서 그 1.5배 정도, 또 스테인리스강 등은 2배인 60분 전후를 유지한다. 고속도공구강은 1200∼1350℃에서 퀜칭하지만, 그로 인한 가열에는 염화바륨(BaCl2) 용융염욕을 사용하는 경우가 많고, 차가운 강재를 직접 고온염욕 중에 넣으면 균열이 생길 위험이 있으므로 1회 또는 2회의 예열을 해주는 것이 좋다.
 
(3) 예열

     퀜칭의 첫번째 단계는 예열(豫熱, preheating)로부터 시작된다. 즉 오스테나이트화의 전단계이다. 예열하는 목적은 부품의 전단면을 가능한한 균일하게 승온시켜서 열처리변형을 경감시키기 위한 것이다. 특히 염욕가열과 같이 급속가열되는 경우에는 예열이 필수적이다.
     아공석강이나 저탄소강에서는 그렇게 예열이 필요하지는 않지만, 고탄소고합금공구강(STD 11)이나 고속도공구강 등에서는 열전도도가 작고, 탄화물이 많이 존재하기 때문에 예열이 필요하다. 예열은 보통 1단예열만으로 충분하지만, 형상이 복잡한 금형에서와 같이 특별히 신중을 기하고자 할 때에는 2단예열을 채용하는 것이 좋다.
     1단예열은 변태점 직하, 즉 650∼700℃의 온도범위를 선택하는 것이 좋다. 왜냐하면 변태점에서 펄라이트가 오스테나이트로 변태할 때에 체적이 수축하므로 변태전에 부품 전단면을 균일한 온도로 하여 변형을 방지하기 위해서이다. 2단예열온도는 강이 탄성체에서 소성체로 변하는 온도, 즉 450∼500℃의 온도범위를 선택하는 것이 좋다. 이것은 강이 소성체일 때에 변형이 일어나기 쉽기 때문이다.
     한편 예열을 위한 가열시간은 25㎜당 약 40분 정도가 좋다. 이정도의 시간이면 부품의 중심부까지 예열온도에 도달된다. 그리고 유지시간은 필요치 않다.

(4) 냉각매체

     강을 퀜칭할 때 복잡한 형상의 고합금강에서는 간혹 공랭이라고 하여 단순히 공기중 방랭(放冷)만으로 마르텐사이트조직을 얻을 수 있는 경우도 있지만, 그 외의 경우는 물 또는 기름 속에 투입해서 급랭하는 것이 보통이다. 잘 알려진 것처럼 기름보다 물에서의 냉각속도가 빠르지만 기름이나 물도 그 온도에 따라, 혹은 첨가물에 따라, 혹은 교반하는 정도에 따라서도 그 냉각능력은 변화된다. 일정한 조건으로 수냉한 경우에도 강재가 냉각되는 과정이 단순하지만은 않고 냉각도중에 냉각속도는 커지거나 작아지게 되어 미묘하게 변화한다. 그림 4.17은 직경 12.7㎜(0.5 in.)의 강봉을 수냉했을 때의 냉각곡선을 표시한 것으로 냉각상황은 대략 3단계로 구분된다.

그림 4.17. 수냉시의 냉각단계

 

① 제 1 단계 : 가열된 강재의 표면에 증기막이 생겨서 열전도도가 작아지므로 강의 냉각은 비교적 늦다. 이 단계를 증기막단계라고 한다.
② 제 2 단계 :  강표면에서 심한 비등이 일어나고, 증기막은 곳곳에서 파괴되어 기포로 되어 없어지므로 강표면은 직접 물과 접촉해서 전도와 대류에 의해 열이 방출되어 급속히 냉각된다. 이 단계를 비등단계라고 한다.
③ 제 3 단계 : 수증기의 발생은 없고, 강의 온도와 물의 온도의 차가 적어지므로 다시 냉각속도는 늦어진다. 이 단계를 대류단계라고 한다.

     강의 퀜칭시에는 펄라이트변태가 일어나기 쉬운 A1∼550℃간의 온도범위를 충분히 급랭시켜야 한다. 그렇게 하기 위해서는 특히 제 1단계가 나타나는 시간을 되도록 짧게 할 필요가 있는데, 그것은 수중에서 8자의 형태로 강재를 강하게 흔들어 준다거나 물을 심하게 교반시켜서 수증기막이 빠르게 파괴되도록 하면 된다. 또한 수온을 되도록 낮추거나 5∼10% 정도의 식염이나 염화칼슘을 물에 녹이면 제 1단계는 단축된다.
     그러나 Ar' 변태가 일어나는 온도범위를 충분히 빠른 속도로 냉각시키면 그 후의 냉각까지 반드시 빨리할 필요는 없다.

     오히려 300℃ 이하에서 냉각속도를 늦출 수만 있다면 부품내외의 온도차를 줄이고, 변태응력의 발생이 적어져 열균열이나 열변형의 위험도 없어질 것이다. 즉 약 550℃ 부근까지의 냉각속도는 크고, 300℃ 이하에서의 냉각속도는 반대로 작아지는 냉각매체가 이상적이라 할 수 있다.
Grossmann 등은 액의 냉각능력을 나타내는 일반적 수치로 퀜칭액과 강의 계면의 열전달계수 α와 강의 열전도도 λ의 비(H=α/λ)는 퀜칭액의 냉각능(冷却能, severity of quench)이라는 값을 쓰고 있다. 정지한 물의 냉각능을 1.0으로 하면 공기, 기름, 물 및 식염수의 H 값은 대략 표 4.3에 나타낸 바와 같은 값으로 된다. 이 표에서 보면 물이나 기름을 심하게 교반할 경우 정지된 상태에 비해서 4배 정도까지 냉각능력이 크게 되므로 퀜칭할 때 교반이 대단히 중요한 의미를 가지고 있다는 것을 알 수 있다.

표 4.3 퀜칭액의 냉각능 H의 값


(4) 냉각방법과 냉각효과
     열처리에서 냉각속도의 중요성에 대해서는 재언을 요하지 않는다. 냉각속도에 따라서 강의 성질이 軟해지기도 하고 硬해지기도 한다. 냉각매체를 냉각제라고도 하는데, 여기에는 공기, 기름 및 물 등 여러가지가 사용되고 있다.
     일반적으로 공기는 냉각속도가 느리고 기름, 물의 순서로 냉각속도가 빨라진다. 그러나 이러한 냉각매체에 따른 냉각효과는 절대적인 것은 아니고, 처리품의 크기에 따라서 변화된다. 즉 냉각제의 냉각속도는 냉각제 고유의 성질일 뿐이고, 그것에 따른 처리품의 냉각효과는 처리품의 크기에 따라서 달라지게 된다. 다시 말해서 냉각매체의 냉각속도와 처리품의 냉각효과는 항상 일치되지 않는다는 것이다.
     표 4.3에서도 알 수 있듯이 냉각방법이 동일해도 냉각효과는 다르게 된다. 실제로 열처리에서 중요한 것은 냉각방법이라기보다는 냉각효과라고 할 수 있다.
     노멀라이징은 대기중 방랭(放冷), 즉 공랭이라고 하는 냉각방법이 정의되어 있다. 그런데 소형부품을 방랭한 경우와 대형부품을 방랭한 경우에 냉각방법은 동일할지라도 처리품의 냉각효과는 달라진다. 따라서 대형부품에서는 방랭만으로는 냉각효과가 적으므로 선풍기 등으로 강제공랭(强制空冷)시켜야만 노멀라이징 효과가 얻어진다.
     퀜칭시에도 마찬가지이다. 동일하게 유냉했다 할지라도 처리품의 크기에 따라서 냉각효과가 다르므로 퀜칭경화 정도도 달라진다. 소형품에서는 유냉을 해도 수냉과 동일한 효과가 있을 수 있고, 대형품에서는 공랭 정도의 효과만이 있어서 경화되지 않을 수도 있다.
     KS 철강핸드북에 노멀라이징은 공랭, 풀림은 노냉, 그리고 탄소공구강(STC)의 퀜칭은 수냉, 고속도강(SKH)의 퀜칭은 유냉, STD 11과 같은 합금공구강의 퀜칭은 공랭 등으로 규정되어 있지만, 이것은 일본공업규격(JIS)에 따르면 표준시험편의 크기(15㎜φ×20㎜l)에 대한 것이므로 처리품의 크기에 따라서 적당히 냉각방법을 달리 하지 않으면 안된다.   
  
(5) 형상에 따른 냉각효과

     처리품의 형상 중에서 가장 빠르게 냉각되는 것은 구형(球形)이고, 가장 느리게 냉각되는 형상은 판상(板狀)이다.
한편 하나의 제품에서도 부위에 따라 냉각효과가 다르게 된다. 평면에서의 냉각속도를 1이라 하면 二面角에서는 3, 三面角에서는 7정도로 되어 냉각속도가 커지는 반면에 凹面角에서는 오히려 1/3정도로 되어 냉각이 느려진다. 따라서 형상이 복잡한 제품일 때는 위치에 따라 냉각속도의 차이가 현저하므로 이로 인한 열처리변형이나 균열을 발생시킬 수도 있다.

(6) 경화능
     강의 퀜칭경도는 그림 1.1에서 나타낸 바와 같이 그 강의 탄소함유량에 따라서 결정되며, 합금원소와는 거의 관계가 없다. 0.6%C까지는 탄소량에 따라서 퀜칭경도는 증가하지만 그이상 탄소량이 증가되어도 퀜칭경도는 그다지 증가되지 않는다.
     또한 동일한 탄소량일지라도 마르텐사이트 조직은 미세펄라이트나 구상화조직에 비해서 훨씬 경도가 높다. 이것이 퀜칭열처리를 통해서 마르텐사이트로 변태시키는 우선적인 이유이다. 그러나 퀜칭열처리는 0.3%C 이상의 탄소를 함유한 강에서만 주로 행하여지고, 0.3%C 이하의 탄소를 함유한 강에서는 페라이트-펄라이트 조직으로 만들어 사용하는 것이 보통이다. 이것은 0.3%C 이하에서는 퀜칭경도가 그다지 높지 않기 때문이다.
     한편 강에서 퀜칭되는 깊이는 C%가 많을수록, 합금원소량이 많을수록, 그리고 결정립이 조대할수록 커지게 되는데, 이중에서 가장 크게 영향을 미치는 인자는 합금원소이다.
     그러므로 퀜칭시에 경도를 향상시키는데에는 탄소량 증가가 효과적이고, 경화깊이를 크게 하는데에는 합금원소 첨가가 효과적이라는 사실을 기억해야만 한다.
  
1) 경화능의 정의
     동일한 크기의 제품일지라도 강종에 따라 퀜칭시 경화되는 깊이가 다르다. 이 경화깊이를 지배하는 강자체의 성능을 경화능(硬化能, hardenability)이라고 한다. 따라서 동일한 냉각매체로 퀜칭시 경화깊이가 큰 강은 경화능이 좋고, 반대로 경화깊이가 작은 강은 경화능이 나쁜 강이라고 불리어진다. 이러한 점으로 보아 경화깊이는 합금원소 첨가로서 커지므로 탄소강은 경화능이 나쁘고, 합금강은 경화능이 좋아지게 된다.
     경화능을 알기 위해서는 퀜칭된 강의 단면경도분포를 측정하면 된다. 큰 강재를 퀜칭하면 표면만 경화되고 중심부는 냉각속도가 느리므로 Ar'변태를 일으켜서 경화되지 않는다. 따라서 단면경도분포는 U자형을 나타낸다. 이것을 U곡선이라고 한다.된다.
     한편 동일한 강종일지라도 제품의 크기(질량)에 따라 경화깊이가 달라진다. 탄소강인 SAE 1045강과 합금강인 6140강에 대해서 고려해 보면 SAE 1045강에서 보면 환봉직경이 커짐에 따라 표면경도가 급격한 감소를 보이고 있고 중심부경도도 연속적인 감소를 나타내고 있다. 이와 같이 제품크기가 클수록 퀜칭경도가 감소하는 현상을 질량효과(質量效果, mass effect)라고 한다. 반면에 합금강인 6140강에서는 어떠한 환봉직경에서도 1045강보다 경도가 높다. 그럼에도 불구하고 강재표면으로부터 중심부까지의 경도의 편차는 여전히 존재하고 있으며 특히 직경이 클수록 이 차이는 심하다.
     이상에서 알 수 있듯이 일반적으로 탄소강은 질량효과가 크고, 합금강은 질량효과가 크다. 따라서 합금강은 제품의 크기가 클지라도 경화시키기가 용이하다.
     퀜칭할 때에는 강재의 경화능과 질량효과를 고려해서 냉각제의 선택 및 퀜칭방법의 검토가 필요하다.

2) 경화능의 표시방법
     임계냉각속도가 큰 강은 단면치수가 약간 커져서 중심부의 냉각속도가 작아지면 경화되지 않는다. 즉 경화능이 나쁘다. 반대로 임계냉각속도가 작은 강은 어느 정도의 두께에서는 중심부까지도 경화될 수 있다. 즉 경화능이 좋다. 따라서 경화능이 좋고 나쁜 것은 임계냉각속도가 작고 큰 것과 직접적으로 관계되므로 임계냉각속도는 경화능의 표시방법으로서 이용된다. 그러나 임계냉각속도가 몇 ℃/초일 때 몇 mm의 깊이까지 완전히 경화되는지, 또 어느 정도의 크기일 때 어떤 냉각을 하면 표면으로부터 몇mm까지 경화되는지에 대한 실용적인 수치를 곧바로 얻기는 곤란하다. 오히려 『중심부까지 경화되는 임계직경』,또는 수냉면으로부터 어느 경도이상되는 깊이가 몇mm인지를 구하는 편이 경화능을 나타내는데 보다 실용적이다.
     여기서 후자는 『一端퀜칭방법』에 의한 경화능시험으로서 KS규격에도 규정되어 있고, 또 전자의 『임계직경에 의한 방법』은 전술한 냉각제의 냉각능 H와 함께 잘 연구되어 화학조성으로부터 강의 경화능을 예상하는 방법까지 거의 확립되어 있다.

① 임계직경에 의한 경화능 표시방법
    경화능은 보통 퀜칭경화층의 깊이로서 결정한다. 이 때 경화층의 깊이를 결정하기 위해서 일반적으로 50%마르텐사이트조직의 경도인 HRC 50(HV=513)을 임계경도(臨界硬度, critical hardness)라고 하며, 중심부의 경도가 임계경도인 HRC 50을 나타내는 강재직경을 임계직경(臨界直徑, critical diameter)이라고 한다. 또한 강재표면으로부터 50%마르텐사이트 부분까지의 깊이를 퀜칭경화층깊이, 그리고 중심부의 조직이 50%마르텐사이트로 되는 강재직경을 이상임계직경(理想臨界直徑, ideal diameter)라고 한다. 50%마르텐사이트를 임계직경의 기준으로 선정하는 이유는 퀜칭된 환봉의 단면을 나이탈(nital)로 부식시키면 50%마르텐사이트-50%펄라이트 지역에서 경화부와 비경화부 사이의 부식濃淡의 차이가 매우 현저하고, 또 50%마르텐사이트 지역이 임계경도인 HRC 50에 거의 해당하기 때문이다.
     Ni-Cr강인 KS SNC 236강(JIS SNC 1강, AISI 3140강)을 수냉 및 유냉하였을 때 강봉 직경에 따른 중심부경도의 변화를 살펴보면 강재 직경에 따른 중심부경도의 급격한 변화는 임계경도인 HRC 50과 거의 근사하다는 사실을 알 수 있고, 또 이 임계직경은 냉각제의 종류에 따라 다른데 유냉시에는 1.25", 수냉시에는 1.83"로 수냉시가 크다는 것을 알 수 있다. 이 임계직경은 강의 화학조성과 결정립도에 따라서 결정되는 강 고유의 성질이며 경화능의 비교기준으로서 이용되고 있다.

② 일단(一端)퀜칭방법에 의한 경화능
     일단퀜칭방법에 의한 경화능시험(end-quench test)은 Jominy와 Boegehold에 의해 처음 시작되었다. 죠미니시험(Jominy test)이라고도 하며 기계구조용 탄소강 및 저합금강의 경화능시험에 많이 이용되고 있다.
     시험편은 직경 25mm, 길이 100mm의 원주상으로 되어 있고, 一端에 직경 28mm의 플랜지를 달고 있다. 시험장치는 일정한 유량 및 유속으로 물을 분출시켜 시험편 밑의 단면에만 분출된 물이 충돌해 그 일단만이 냉각되도록 되어 있다.
     분출되는 물의 강도를 일정하게 하기 위해서는 시험편을 올려놓지 않을 때의 자유높이를 65±10mm로 규정하여 이 자유높이가 일정하게 유지되도록 넘쳐 흐르는 장치를 이용하여 낙차를 일정하게 한 물탱크나 또는 물펌프를 사용한다. 시험편은 로중에서 정해진 온도로 가열을 한 후 꺼내어 5초 이내에 이 시험장치에서 분출되는 물에 의한 퀜칭이 되도록 한다. 시험편의 측면에서의 공기나 복사에 의한 냉각은 분수에 의한 하단부로부터의 냉각에 비해 무시할 수 있을 만큼 적으므로 시험편은 하단으로부터 위로 갈수록 점차 냉각속도가 작아진다. 즉 1개의 시험편에서 여러가지 냉각속도를 얻을 수가 있게 된다. 이렇게 해서 퀜칭이 끝난 시험편의 원주면을 축방향에 따라 깊이 약 0.4mm씩 연삭해서 평행한 2면을 만들고, 이 면을 퀜칭단으로부터 1.5mm씩 일정한 간격으로 경도를 측정하여, 퀜칭단으로부터의 거리에 따른 경도변화를 그래프에 나타낸다. 이 곡선을 경화능곡선(硬化能曲線, hardenability curve, H-curve), 또는 죠미니곡선이라 한다.
     한편 경화능을 나타내는데에는 경화능곡선 이외에도 경화능지수를 사용할 수 있는데, 이것은 퀜칭단으로부터 일정거리에서의 경도 또는 일정경도에 대한 퀜칭단으로부터의 거리이다.
     경도시험에서 특정경도를 지정하는 경우 보통은 마르텐사이트와 미세펄라이트가 50%씩인 위치의 경도를 택할 때가 많다. 그것은 조직이 100% 마르텐사이트 부분으로부터 미세펄라이트로 변화되는 도중 50% 마르텐사이트 부근이 가장 급격하게 조직이 변화되는 부분이며, 이에 따라 경도변화도 현저하므로 경도곡선이나 조직관찰로부터 50% 마르텐사이트가 존재하는 위치를 결정하는 것이 쉽고 오차도 적기 때문이다. 그러나 미세펄라이트가 혼합되어 있으면 기계적성질은 좋지 않으므로 큰 힘이 가해지는 부분은 적어도 90% 이상의 마르텐사이트조직이 되도록 퀜칭하는 것이 바람직하다.
     더우기 일단퀜칭시험에서는 일정한 치수의 시험편을 일정한 방법으로 퀜칭하므로 그 특정부분의 냉각속도는 항상 같고, 그 값은 각 부분에 대하여 측정되어 있다. 따라서 여러가지 직경의 환봉에 대하여 물이나 기름에 퀜칭했을 때의 냉각속도를 측정해두면 일단퀜칭시험편의 각 부분의 냉각속도와 대응시킴으로 일단퀜칭시험의 결과로부터 환봉의 퀜칭경화층 깊이를 예측할 수 있다.
 

◆ 심랭처리

⑴ 목적
     前章에서 나타낸 바와 같이 탄소량이 증가함에 따라 MS와 Mf점이 저하되는데, Mf점이 상온이하인 경우에는 퀜칭시 잔류오스테나이트(γR)가 존재하게 되며, 그 양은 고탄소강일수록 즉 MS점이 저하될수록 증가된다. 같은 이유로 과공석강에서는 오스테나이트화 온도가 높을수록 탄화물의 고용량이 증가되므로 잔류오스테나이트량이 증가된다.
한편 퀜칭시의 냉각속도도 잔류오스테나이트량에 영향을 미치는데, 동일한 강일지라도 유냉하는 편이 수냉하는 것보다 γR량이 많아진다.
     이와 같이 잔류오스테나이트가 존재하면 퀜칭경도의 저하, 치수불안정 및 연마균열 등의 문제점이 따르므로 퀜칭한 강을 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 γR을 마르텐사이트화 하는 처리를 심랭처리(深冷處理, subzero treatment)라고 한다. 이 처리에 의해서 잔류오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하므로 퀜칭경도가 증가되고, 경도를 균일화시켜서 내마모성을 향상시키며, 또한 치수안정성을 제고시키는 등 매우 중요한 효과를 얻을 수 있다.
공구강(STC, STS, STD)이나 고속도강 및 침탄처리품 등에는 필요한 처리이다.

(2) 방법
     일반적으로 퀜칭후 곧바로 심랭처리하는 것이 보통이다. 제품두께가 크다거나 예리한 모서리가 존재할 경우에는 심랭처리시 균열을 발생시키기 쉬우므로, 심랭처리하기 전에 100℃의 물속에서 1시간 정도 템퍼링하여 균열발생을 방지하는 것이 좋다.
     심랭처리시 처리온도에서의 유지시간이 꼭 필요하지는 않지만 일반적으로 25mm당 30min 유지하고 있다. 심랭처리온도로부터 상온으로 가열하는데에는 공기중에서 방치하는 自然解凍方法도 있지만 작업성이나 잔류응력해소라는 면에서는 水中에 투입하여 急速解凍(up-hill quenching)시키는 것이 좋다. 심랭처리에 사용되는 냉매로는 다음의 2가지가 있다.
① 드라이아이스
단열재가 내장된 스테인리스강제 통속에 드라이아이스와 알콜을 넣어서 -78℃로 유지하여 제품을 침적시킨다. 이 냉매로는 -100℃ 이하에서만 처리할 수 있기 때문에 보통심랭처리(普通深冷處理)라고 부른다.
② 액체질소
액체질소를 그대로 사용하는 액체법과 분사시켜서 사용하는 가스법이 있다. 이 냉매로는 -196℃에서 처리가 가능하므로 초심랭처리(超深冷處理)라고 부른다. 超深冷處理는 Cryo-treatment라고도 불리어지며, Cryo-tec, Cryotough, Ellenite, Perm-O-Bond 등의 상표명으로 공업화되어 있다.

(3) 초심랭처리의 장점
1) 강
     퀜칭한 강에는 잔류오스테나이트(γR)와 잔류응력(σR)이 존재한다. 일반적으로 γR은 약 300℃ 이상에서 템퍼링하면 소멸하고, σR은 약 450℃ 이상으로 가열하면 해소될 수가 있다. 따라서 구조용강은 600∼650℃에서 템퍼링하므로 심랭처리가 필요치 않지만, 내마모용으로 사용되는 침탄부품, 고주파경화부품, 베어링강 및 탄소공구강 등은 200℃ 정도의 저온템퍼링이 적용되므로 심랭처리가 필요하게 된다. 또한 STD 11강이나 고속도강과 같이 500∼600℃에서 2차 내지 3차템퍼링까지 하는 강종들도 심랭처리하면 1차템퍼링만으로 족하므로 심랭처리의 필요성이 크다.
R.F.Barron의 연구결과17)에 의하면 초심랭처리에 의해서 다음과 같은 결과가 얻어진다.
① 잔류오스테나이트가 거의 전부 마르텐사이트로 변태된다.
② 보통열처리품이나 보통심랭처리품보다도 내마모성이 현저히 향상된다.
③ 조직의 미세화와 미세탄화물의 석출이 이루어진다.
④ 보통심랭처리품에 비해서 경도의 변화는 거의 없다.                      

     일반적으로 초심랭처리에 의한 경도증가는 보통심랭처리에 비해서 거의 차이가 없으나, 내마모성은 초심랭처리한 경우가 보통심랭처리한 경우보다 약 2∼3배(非심랭처리품에 비해서는 2∼6.6배)정도로 현저하게 향상된다. 
     현재 내마모성의 평가가 주로 경도비교로써 이루어지고 있는 현실을 감안할 때 위의 사실은 이러한 내마모성에 대한 고정관념에 위배되는 것이다. 따라서 경도비교만으로 내마모성을 평가해서는 안된다는 사실에 유의해야만 한다. 일본 日立製作所 勝田工場의 연구결과를 보면 STD 11강으로 만든 강판 냉간압연용 롤은 초심랭처리에 의해서 내마모성이 2∼3배 향상되었다고 보고하고 있다.
     한편 초심랭처리는 오스테나이트계 스테인리스강에도 효과적인 것으로 알려지고 있다. Al-Tech Speciality Steel Corp., N.Y.의 보고에 따르면 STS 302의 스프링에 초심랭처리를 행하면 인장강도 200 kg/mm2, 비틀림 항복점 100kg/mm2(초심랭처리후 425℃×30분 응력제거처리)로 되어 미처리품보다도 30% 강도증가효과가 있고, 중량은 60%정도 가벼워진다.
     또한 초심랭처리는 비철합금에도 매우 효과적인데, 스포트 용접기용 Cu전극(5%Cr동)에 초심랭처리를 행하면 전극단면의 마모나 소성변형이 작아져서 수명이 3∼5배 증가되고, Al합금에서도 시효촉진과 기계적성질의 개선효과가 있으며, 초경합금이나 기타 소결부품에서도 내마모성의 현저한 향상이 얻어진다.

◆ 템퍼링

(1) 목적

     강재는 퀜칭상태 그대로 사용하는 일은 거의 없고, 보통 반드시 템퍼링을 한다. 그 이유로서는 다음과 같은 것을 들 수 있다.

① 퀜칭시에 형성되는 내부응력(內部應力, internal stress) 때문에, 연삭 등의 다듬질 가공을 하면 응력의 균형이 달라져 변형이나 균열을 발생시킬 수 있고, 또 그대로 사용하면 시간이 경과함에 따라 응력이 완화되는 동시에 변형이 나타나게 된다.
② 마르텐사이트조직은 일반적으로 매우 단단하기 때문에 취약한 성질을 갖고 있다. 또한 높은 경도에 비해 인장강도가 반드시 높다고 할 수는 없으며, 항복점이나 탄성한계도 낮다. 이들의 경향은 탄소량이 많은 강일수록 심하다. 따라서 용도에 따라 적당한 인성을 유지하기 위해서 템퍼링을 해야만 한다. 특히 기계부품으로서 사용하기 위해서는 충분한 인성이 필요하기 때문에 500∼650℃ 정도의 고온에서 템퍼링을 한다. 이것은 템퍼링 마르텐사이트조직이 강도와 인성의 겸비라는 점에서 미세펄라이트보다 우수하기 때문이다.
③ 마르텐사이트는 조직은 불안정하여 과포화로 고용해 있는 탄소가 탄화물로서 석출하려는 경향이 강하고 여기에 수반해서 체적의 수축이 일어난다. 또 잔류오스테나이트가 함유되어 있는 경우에는 이것이 사용중에 마르텐사이트로 변태하여 체적의 팽창을 일으킨다. 이와 같이 마르텐사이트도 잔류오스테나이트와 같이 상온에서는 불안정하여 시간에 따라 상변화를 일으켜 부품의 형상이나 치수에 오차를 일으키므로 정밀한 공구나 기계부품 등에서는 주의해야만 한다. 150∼200℃에서의 템퍼링으로 경도를 크게 저하시키지 않고도 이와 같은 조직의 불안정성을 다소 제거할 수 있다.
이상과 같은 이유로부터 템퍼링을 한마디로 정의하면 퀜칭에 의해 형성된 불안정한 조직을 안정한 조직으로 변태시킴과 동시에 잔류응력을 감소시키고, 특히 인성을 개선시키기 위하여 A1점 이하의 적당한 온도로 가열유지 및 냉각하는 조작이라고 말할 수 있다.

(2) 방법

① 저온템퍼링
공구강 등과 같이 높은 경도와 내마모성을 필요로 하는 경우에는 주로 150∼200℃의 저온템퍼링을 해서 마르텐사이트 특유의 경도를 떨어뜨리지 않고 치수안정성과 다소의 인성을 개선시키고 있다. 템퍼링시간은 25mm 두께당 30분 유지하는 것이 일반화되어 있고, 템퍼링온도로부터의 냉각은 공랭을 한다.
② 고온템퍼링
기계구조용강 등과 같이 높은 인성을 필요로 하는 경우에는 400∼650℃의 온도범위에서 고온템퍼링을 실시하고 있다. 이와 같이 퀜칭.템퍼링에 의해서 인성을 향상시키는 열처리를 조질(調質)이라고도 부르고 있다.
템퍼링온도로부터의 냉각은 급랭(수냉이나 유냉)을 해야만 한다. 서냉을 하는 경우에는 후술하는 템퍼링취성(temper embrittlement)이 나타나기 때문이다.

(3) 템퍼링에 의한 조직과 성질의 변화
     퀜칭상태의 마르텐사이트조직은 매우 불안정하고, 필라이트나 페라이트에 비해 현저하게 硬하다는 것은 이미 여러번 기술한 바 있다. 따라서 템퍼링의 목적은 전술한 바와 같이 퀜칭상태의 불안정한 마르텐사이트조직을 안정한 조직인 페라이트와 시멘타이트로 변화시키는 동시에 인성을 향상시키기 위한 것이다. 각 온도에서 탄화물이 석출되면 처음에는 경도가 약간 저하되지만 궁극적으로 커다란 감소를 가져온다. 잔류오스테나이트의 변태로써 어느 정도 경도에 기여하지만 이것은 기껏해야 탄화물석출에 의한 경도감소를 약간 지연시키는 효과밖에 없다. 따라서 템퍼링온도가 상승함에 따라 경도는 급격히 감소하게 된다.

(4) 템퍼링취성
     템퍼링온도가 높아짐에 따라 보통 경도와 인장강도는 감소하고, 연신율과 단면수축율 등은 증가되는 것이 일반적인 경향이다. 그러나 이와 함께 인성도 증가한다고 단언할 수는 없다.
     실제로 어떤 특정한 온도범위에서 템퍼링하면 그 이하의 온도에서 템퍼링할 때보다 현저하게 취화되므로써 취성파괴(脆性破壞, brittle fracture)를 일으키는 일이 있다. 또 템퍼링온도로부터 서냉할 때에도 이와 같은 현상이 일어날 수도 있다. 이와 같이 퀜칭한 강을 어떤 온도에서 템퍼링을 했을 때 그 이하의 온도에서 템퍼링했을 때보다 오히려 취약하게 되는 현상을 템퍼링취성(temper brittleness)이라 한다.
     따라서 실용강의 열처리시에는 이 점에 충분히 주의할 필요가 있고, 취화가 일어나지 않도록 적당한 템퍼링조건을 선택하여야 하며, 또 이것을 피할 수 없는 경우에는 그 위험성이 적은 다른 강종으로 변경하는 것이 바람직하다.
템퍼링취성은 300℃ 전후의 온도로 템퍼링한 경우에 나타나는 것과 보다 고온의 500℃ 혹은 그 이상의 온도로 템퍼링했을 때 나타나는 것의 2종류가 있는데, 전자는 저온템퍼링취성, 후자는 고온템퍼링취성이라 이름하고 있다.

① 저온템퍼링취성

     일반적인 탄소강에 대하여 템퍼링온도에 따른 경도와 충격값의 변화를 살펴보면 경도는 템퍼링온도의 상승과 같이 단순하게 저하되어 가지만 충격값은 200℃까지의 템퍼링시에 일단은 증가하다가 200∼400℃에서는 오히려 현저하게 감소되고 있다. 이 온도범위에서는 경도나 인장시험결과에 이 취화와 대응하는 특별한 변화가 나타나지 않는다. 이 현상은 인(P)이나 질소(N)를 많이 함유한 강에 확실히 나타나고, 반대로 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 붕소(B) 등을 첨가하면 취화가 적어진다.
     이 취성이 나타나는 온도범위가 마치 템퍼링 제 2 단계의 온도범위와 일치하기 때문에 잔류오스테나이트의 분해가 취화원인이라고 생각되는 경우도 있다. 따라서 이 현상을 A취성이라 할 때도 있다. 그러나 0.15%C의 저탄소강에서 오히려 충격값의 저하가 현저하게 나타난다는 것, 또 심랭처리로 잔류오스테나이트량을 감소시켜도 동일하게 취화를 나타낸다는 점으로 미루어 보아 오늘날에는 잔류오스테나이트의 분해에 의하여 취화가 일어난다는 설은 옳지 않다고 여겨지고 있다.
     그리고 현재도 역시 취성의 원인은 확실치 않지만 마르텐사이트의 템퍼링에 따라서 석출되는 매우 미세한 박판상 시멘타이트가 중요한 관계를 가지고 있다고 생각된다. 시멘타이트는 템퍼링 초기의 ε상으로부터 변해서 250℃ 부근에서 나타나기 시작하고 이것이 충분히 성장하면 인성은 증가하지만, 극히 미세한 간격을 가지는 어떤 특정한 크기가 되었을 때 강 전체를 취약하게 한다고 볼 수 있다.
     그 원인이야 어쨋든간에 이러한 취화현상을 피하기 위해서는 200∼400℃의 온도범위에서는 템퍼링을 하지 않는 것이 보통이며, 많은 공구강이나 베어링강 등의 템퍼링온도를 150∼180℃로 선정하는 것도 이러한 이유 때문이다.
단 Si를 강에 첨가하면 이 취성이 나타나는 온도가 상승하여 300℃ 정도의 템퍼링에서도 특히 취화가 나타나지 않으므로 스프링강나 초강인강 등에서는 규소를 함유한 강을 이 부근의 온도에서 템퍼링하여 강도와 탄성을 향상시키고 있다.

② 고온템퍼링취성

     고온템퍼링취성이라는 말은 보통 375∼575℃의 온도범위에서 템퍼링하거나 이 온도범위를 서냉한 시험편을 노치충격시험할 때에 노치인성의 감소, 즉 연성-취성 천이온도가 증가되는 현상을 말한다.
     Ni-Cr강을 400℃ 이상에서 템퍼링한 후 수냉시킨 경우와 서냉(노냉)시킨 경우의 충격값을 템퍼링온도에 대하여 살펴보면 450℃ 부근까지는 수냉 및 서냉시료 모두 급속히 인성이 증가하지만, 500∼550℃의 온도범위에서는 현저한 취화를 나타낸다. 또한 550℃ 이상에서는 수냉된 시료의 인성은 급속히 증가되지만 서냉시료는 수냉시료에 비해 대단히 취약하다는 것을 알 수 있다.
     이 현상을 고온템퍼링취성이라 하는 것으로, 보통 간단히 템퍼링취성이라 하면 이 현상을 말하는 것이다. 또 500∼550℃에서의 템퍼링으로 생기는 취성을 1차 템퍼링취성, 다시 높은 온도의 텀퍼링후 서냉시에 나타내는 취성을 2차 템퍼링취성이라 구별할 때가 있다. 그러나 이 양자는 본질적으로 완전히 같은 현상으로 생각해도 된다. 요컨대 500∼550℃의 온도범위는 취화를 일으키는 온도범위이기 때문에, 이 범위에서 템퍼링하든지 혹은 이 범위를 통해서 서냉하는 경우에는 현저하게 취화를 일으킨다고 해석해야 한다.
     이러한 취화는 0.6% 이상의 Mn(특히 1.5% 이상의 경우)을 함유한 망간강, 혹은 Cr 또는 Ni을 함유한 구조용 특수강에서 많이 나타나는 현상으로서, 저온템퍼링취성과 같이 인장시험결과나 그밖에 여러가지 물리적성질 등에는 거의 여기에 대응하는 변화는 확인되지 않고 오로지 충격시험의 경우에만 나타난다. 그러므로 충격적인 하중을 받는 기계부품에서는 이 취성에 특별히 주의해야 한다.
     또한 이 취화현상은 단순히 상온에서의 충격값의 감소를 야기시킬 뿐만 아니라 사실은 충격천이온도를 상승시키기 때문에 더욱 문제시 되는 것이다.
      Cr강(SCr 440)을 620℃에서 2시간 템퍼링한 다음 급랭한 경우와 노냉한 경우로 천이온도곡선을 살펴보면 템퍼링온도로부터의 냉각속도가 느린 노냉시편의 천이온도는 70∼80℃ 상승하는 것을 알 수 있다.
     이 고온템퍼링취성의 원인은 현재로서는 아직 확실하게 밝혀지지는 않았다. 그러나 조직시험이나 성분분석 등의 결과로부터 이 현상은 어떤 특정한 원소가 舊오스테나이트 결정립계(prior austenite grain boundary)에 편석됨으로써 일어난다는 것을 알 수 있었는데, 이들 원소중 가장 현저한 영향을 미치는 것은 Sb, Sn, P, As 등이다. 이러한 원소들은 매우 소량만 함유되어 있어도 템퍼링취성을 야기시킬 수 있게 된다. 특히 공업용강의 P함유량을 아무리 감소시켜도 템퍼링취성을 일으키기에 충분한 양이 된다.
     전에는 이러한 예민화원소들의 舊오스테나이트 결정립계 편석을 확인하지 못했으나 근래에 템퍼링취성을 일으킨 강의 파면에 대하여 Auger분석을 행하므로써 구체적으로 확인되었다. 실제로 템퍼링취성을 일으키는 조건으로 열처리된 강의 舊오스테나이트 결정립계에는 결정립내보다 200배 정도로 P의 농도가 크다는 것이 밝혀졌다. 더구나 이 고농도의 P가 약 10Å 두께내에만 존재한다는 것이다. 그러나 여러가지 분석방법을 사용해 보아도 결정립계에는 어떠한 취약한 상도 형성되어 있지 않다는 사실을 확인하였다.
     Ni-Cr강(SNC 236)을 860℃에서 오스테나이트화 처리후 유냉하고, 625℃에서 1시간 템퍼링처리후 서냉 및 수냉한 시편을 관찰해 보면 서냉한 조직에는 舊오스테나이트 결정립계를 따라 성분원소의 편석이 보여지지만 수냉한 조직에서는 그러한 흔적을 볼 수 없다.
     이러한 원인들을 분석해 봄으로써 고온템퍼링취성에 대한 방지책을 수립할 수 있다. 600℃ 이상의 온도에서 템퍼링하는 것, 그리고 템퍼링처리후 그 온도로부터 급냉시키는 것이 바람직하다.
     강도 문제 때문에 600℃이하의 템퍼링이 요구되는 경우도 있지만 이 경우에도 템퍼링에 의한 취화를 피하기 위해 좀더 높은 온도를 사용하도록 하고 그대신 템퍼링시간을 단축시키면 되는 것이다.
     단 치수나 두께가 큰 강재부품은 템퍼링후 급랭해도 중심부의 냉각속도가 느리기 때문에 취화를 피할 수 없는 경우도 있다. 그러나 이 때에는 Mo을 첨가하면 템퍼링취성을 방지할 수가 있다.
 

◆ 강종에 따른 퀜칭 및 템퍼링방법

(1) 기계구조용 탄소강
     탄소강은 질량효과가 크기 때문에 SM 50C에서도 경화되는 유효최대직경은 40mm 정도이므로 대형기계부품용으로는 적당치 않다.
     오스테나이트화 온도는 풀림온도보다 약간 높게 하고, 냉각은 수냉으로 한다. 탄소강에서는 증기막 단계의 下限온도가 펄라이트변태 온도범위와 중첩되므로 靜水에서는 불완전 퀜칭되기 쉽다. 따라서 강하게 교반하여 증기막을 파괴시킬 필요가 있고, 水溫도 25℃ 이하로 유지하는 것이 좋다.
     퀜칭경화깊이는 C나 Mn의 영향이 가장 크지만 Ni, Cr 및 B 등도 영향을 미치므로 scrap으로부터 혼입된 이들 불순물의 영향도 간과해서는 안된다.
     템퍼링온도범위는 550∼600℃ 정도를 선택하여 소르바이트조직으로 만드는 調質처리가 행하여지고 있다. 침탄용강은 내마모성을 위하여 150∼200℃의 저온템퍼링을 행한다.

(2) 기계구조용 합금강
     기계구조용합금강의 탄화물은 M3C형의 複合탄화물이므로 오스테나이트에 고용하기 쉽다. 여기서 M은 금속원소를 나타내는 것으로, Fe의 일부가 다른 금속원소와 치환된 형태이다. 한예로 (Fe.Cr.Mo)3C와 같은 것이 있다. 기계구조용합금강의 퀜칭은 SMn계나 SCr계의 일부를 제외하고는 유냉이 원칙이다. 따라서 충분히 교반할 필요가 있고, 油溫도 60∼80℃ 정도로 유지하는 것이 좋다.
     기계구조용 합금강의 템퍼링은 원칙적으로 550∼650℃의 고온템퍼링, 즉 조질처리가 행하여지고 있다. 그러나 SCr계와 같이 템퍼링연화저항성이 작은 강종은 약간 낮은 온도에서 템퍼링한다. 침탄용강은 역시 150∼200℃의 저온템퍼링을 행한다.
     한편 전술한 바와 같이 일반적으로 저온템퍼링과 고온템퍼링의 중간온도에서는 템퍼링취성이 나타나서 충격인성이 현저하게 떨어지므로 이 온도범위에서의 템퍼링은 피하는 것이 좋다. 또 고온템퍼링후 서냉할 때에도 템퍼링취성이 나타나므로 KS규격에서도 템퍼링후에는 급랭하도록 규정하고 있다. 따라서 대형부품에서는 강제적인 냉각이 필요하게 되지만 일반적인 경우는 공랭정도면 충분히 템퍼링취성을 피할 수 있다. 물론 템퍼링취성의 방지 측면에서 볼 때에는 수냉이 가장 바람직하지만 수냉하면 변형과 녹 문제가 수반되므로 가능하면 피하는 것이 좋다.

(3) 탄소공구강
     고탄소강은 경화능이 나쁘므로 수냉으로 경화시킨다. 오스테나이트화 온도는 760∼820℃의 범위로, 온도는 정확히 조절하여 미용해 탄화물이 과잉으로 용해되지 않도록 한다. 온도가 너무 높으면 잔류오스테나이트량이 증가되어 퀜칭경도는 저하되고, 또한 퀜칭균열이나 변형이 발생되기 쉽다.
     한편 고탄소강은 극히 탈탄되기 쉬우므로 가열시에 충분히 주의해야 하고, 필요에 따라서는 분위기 가열도 행한다. 탄소공구강은 STC 1∼STC 7까지 7종이 KS규격에 규정되어 있는데, 템퍼링은 모두 170℃ 전후에서 하도록 규정되어 있다. 일반적으로 템퍼링 오일에 의한 oil bath가 사용되고 있다. 이 강종은 템퍼링연화저항성이 없으므로 온도관리에 세심한 주의를 요한다. 템퍼링경도는 탄소량에 따라 HRC 54∼65 정도로 된다.

(4) 합금공구강
     합금공구강은 대부분 열전도도가 작으므로 800℃ 전후에서 예열을 행한다. 예열에 의해서 가열시의 변형을 방지하고, 오스테나이트화 온도에서의 유지시간을 단축시킬 수 있으며, 퀜칭경도의 균일화 등에 효과적이다.
     오스테나이트화 온도는 강종에 따라서 매우 큰 차이를 보인다. 유지시간은 두께 25mm당 보통 15∼30분 정도로 한다. 냉각방법도 일정치 않고 강종에 따라 수냉, 유냉 및 공랭으로 규정되어 있다.


     한편 템퍼링도 경도와 내마모성을 주로 요구하는 절삭용이나 냉간금형용 공구강은 저온템퍼링을 행하고, 충격인성이 요구된다거나 또는 열간금형용 공구강과 같이 고온에서 사용하는 강에서는 고온템퍼링을 행한다.
     내충격용 공구강은 저온템퍼링하고 있지만 이 경우는 탄소량을 낮추거나 V을 첨가해서 인성을 확보하고 있다.
STD 11과 같은 냉간금형용 합금공구강의 템퍼링온도가 150∼200℃로 규정되어 있는데, 실제로 금형을 열처리할 때에는 500℃ 부근에서 1차 템퍼링하고, 150∼200℃ 범위에서 2차 템퍼링하는 것이 좋다.

(5) 고속도강
     고속도공구강은 합금원소량이 많으므로 2段 豫熱을 충분히 행하여야 한다. 오스테나이트화 온도에서의 유지시간은 3∼5분 정도면 된다. 오스테나이트화 온도는 탄화물을 충분히 고용시킬 필요가 있기 때문에 W계에서는 1300℃ 이상으로 매우 높지만, Mo계에서는 1250℃이하로서 충분하다. 그러나 두 경우 모두 통상적인 퀜칭에 비해서는 고온이므로 오스테나이트화 온도조절과 탈탄에 특별한 주의를 기울여야 한다. 일반적으로 가열은 염욕가열이 사용되고 있다.
     한편 경화능이 좋으므로 공랭으로도 경화되지만 산화피막의 형성을 억제하기 위해서는 유냉으로 300℃ 정도까지 냉각시킨 후 꺼내서 공랭하는 것이 좋다. 고속도강에서 템퍼링온도에 따른 경도변화는 200∼400℃에서는 퀜칭에 의한 내부응력의 제거와 마르텐사이트의 분해 등에 기인하여 경도는 약간 저하되지만, 560∼600℃에서 템퍼링하면 재차 경도가 높아진다. 이것이 전술한 2차경화현상이다. 고속도강에서 나타나는 2차경화현상은

(ⅰ) 마르텐사이트로부터의 탄화물 석출
(ⅱ) 잔류오스테나이트로부터의 탄화물 석출
(ⅲ) 템퍼링온도로부터 냉각도중 일어나는 잔류오스테나이트의 마르텐사이트화 등 3가지 현상이 합성된 경화이다.

     고속도강에서도 절삭내구력을 향상시키기 위해서는 2∼3회의 템퍼링이 필요하다. 즉 고합금공구강이나 고속도강에서의 잔류오스테나이트는 500℃부근의 템퍼링온도에서 냉각할 때 마르텐사이트로 변태한다. 따라서 이러한 강은 새롭게 생성된 2차 마르텐사이트에 인성을 주는 재템퍼링을 실시해야 된다. 만약 필요한 경도가 1차 템퍼링후 이미 도달되었다면 2차 템퍼링은 강의 경도가 감소되지 않도록 보다 낮은 온도에서 실시해야 한다. 실제로 이러한 2차 템퍼링은 1차 템퍼링보다 10∼30℃정도 낮은 온도에서 실시한다. 이렇게 함으로써 금형과 절삭공구의 인성과 내구성이 매우 향상된다.

(6) 스프링강 및 베어링강
     스프링강은 기계구조용강에, 베어링강은 합금공구강에 준해서 열처리하는 것이 보통이다. 스프링강은 탈탄, 표면흠 등에 의해서 피로한계를 뚜렷하게 저하시키므로 탈탄에 주의해야 하고, 특히 가열온도가 높으면 오스테나이트 결정립이 조대화되어 인성을 해치고, 표면상태가 나빠지며, 탈탄되기 쉬워지므로 조심해야 한다. 퀜칭시 300℃ 정도로 냉각되면 냉각유에서 꺼내어 연속적으로 템퍼링로에 장입한다. 템퍼링온도는 450∼540℃의 범위를 선택함으로써 탄성한계를 향상시키고 있다. 베어링강의 템퍼링온도는 강종과 형상에 따라 120∼200℃범위로 한다. 또 정밀한 것을 요구할 때에는 심랭처리와 템퍼링을 조합하여 數回 반복한다.
 

◆  특수 열처리

(1) 가공열처리
     가공열처리(加工熱處理, thermo-mechanical treatment)란 소성가공(plastic working)과 열처리를 결합시킨 처리방법으로서, 이 방법은 보통의 열처리나 또는 소성가공을 독립적으로 사용했을 때 얻어질 수 없는 조직과 기계적성질을 얻고자 할 때 사용된다.
     통상의 열간가공은 비교적 고온의 오스테나이트 영역에서 행하여지지만 최근 강의 강도와 인성을 향상시키기 위해 저온의 오스테나이트 영역에서, 또는 변태중이나 변태완료후에 가공을 행하므로써 바람직한 미세조직을 얻는 여러가지 처리법이 개발되어 주목을 끌고 있다.
     이와 같은 가공열처리 방법은 고장력구조용강의 강도와 인성을 향상시키는 매우 중요한 방법으로서, 그중에서도 고장력저합금강(高張力低合金鋼, high strength low alloy steel : HSLA)의 제어압연(制御壓延, controlled rolling)은 널리 실용화되고 있다.

1) 안정한 오스테나이트 영역에서의 가공열처리
     이 방법은 통상적인 열간가공에 가깝지만, 열간단조나 열간압연후 즉시 퀜칭을 행하므로써 경화능을 향상시켜서 강도와 인성의 개선을 꾀하는 처리이다.  제어압연에서도 안정한 오스테나이트 영역에서 가공을 행하지만 이것에 대해서는 후술하기로 한다.

2) 오스포밍에 의한 강화
     대표적인 가공열처리 방법의 하나로서, 과냉(준안정)오스테나이트를 500℃ 부근에서 가공한 후 급랭함으로써 연성과 인성을 그다지 해치지 않고 강도를 대폭적으로 향상시킬 수 있다.  오스포밍에 의한 강화는 준안정 오스테나이트의 가공에 의한 마르텐사이트와 셀구조(cell structure)의 미세화에 기인하므로 탄소량이 적은 강에서는 강화를 기대할 수 없다.

3) 마르에이징강의 가공열처리
     C를 함유하지 않은 마르에이징형 강력강에서는 오스테나이트의 가공에 의한 미세화로 강도의 상승을 기대할 수 없지만 연성과 인성이 향상된다. 특히 Co, Mo 및 Ti 등을 다량 함유한 인장강도 280kg/mm2 이상의 초강력 마르에이징강에서는 가공열처리에 의한 오스테나이트 결정립의 미세화가 파괴인성을 개선하는데에 매우 효과적이다.

4) 마르텐사이트 변태중의 가공
     오스테나이트계 스테인리스강이나 고Mn강에서는 Ms점 이상의 온도에서 가공할 때에도 마르텐사이트를 형성시키지 않고 변형되어 현저하게 강화된다.

5) 페라이트 펄라이트 변태중의 가공
     경화능이 그다지 크지 않은 저합금강을 변태점 영역에서 가공하는 조작을 아이소포밍(isoforming)이라고 부르는데, 이때 미세한 페라이트 결정립과 구상탄화물의 분산석출된 조직이 얻어지므로 강도와 인성이 향상된다. 근래의 제어압연강도 이 강화법을 이용하고 있다.

6) 펄라이트의 가공에 의한 강화
     공석강에 가까운 0.7∼0.9%C강을 70∼90%로 냉간가공하면 300kg/mm2 이상의 높은 인장강도가 얻어진다. 이것이 피아노선으로서, 높은 강도와 우수한 피로특성을 이용하여 와이어 로프, 스프링, 프리스트레스트 콘크리트용 강선 등에 사용되고 있다. 이것은 심한 냉간가공을 행하여야 하므로 전처리로서 오스테나이트화처리후 500℃정도에서 항온변태시키는 파텐팅(patenting)처리가 필요하다. 이 열욕담금질법에 의해 미세균일한 펄라이트(소르바이트)조직이 얻어져서 연성이 커지므로 냉간가공성이 향상된다.
     피아노선을 스프링으로서 사용하기 위해서는 냉간가공후 블루잉(bluing)이라고 부르는 350℃정도의 저온가열을 행한다. 이 처리로서 국부적인 변형의 제거, 시효경화현상에 의한 탄성한계의 상승, 또한 피로특성이 현저하게 개선된다.

7) 제어압연-제어냉각에 의한 강화.
     Nb, V 및 Ti 등을 미량첨가한 저탄소의 비조질 고장력강에서 열간압연과 냉각과정을 정밀하게 제어하면 압연상태에서 높은 강도와 인성을 얻을 수 있게 된다.  이 방법을 사용하면 공정단축에 의한 원가절감효과가 있으므로 크게 주목을 받고 있다. 제어압연-제어냉각에 의한 강인화기구는 다음과 같다.

① 압연전 slab의 가열온도를 가능한한 낮추어 압연전의 오스테나이트 결정립을 미세화시킨다.
② 오스테나이트 영역중 저온영역에서 충분한 가공을 행하여 재결정 오스테나이트 결정립의 미세화를 꾀한다. Nb, Ti 등의 합금원소를 미량 첨가하면 오스테나이트 결정립의 재결정성장을 억제해서 결정립미세화를 용이하게 한다.
③ 특히 Ar3 변태점 직상의 未재결정영역에서 가공을 행하면 오스테나이트 결정립은 길게 연신되고 동시에 결정립내에 변형대(變形帶)를 형성한다. 연신된 결정립계 및 결정립내의 변형대 경계는 페라이트 핵생성장소로 제공되므로 극히 미세한 페라이트 결정립이 얻어진다.
④ Ar3 변태점 이하의 2상영역까지 가공을 계속하면 미변태 오스테나이트 결정립은 보다 더 연신되고, 도입된 변형대의 밀도도 높아진다. 한편 변태가 완료된 페라이트 결정립내에는 가공에 의해 전위밀도가 높은 아결정립(亞結晶粒, sub-grain)이 형성되어 미립화가 더욱 진행된다.
⑤ 제어압연 종료후 적당한 속도로 가속냉각(수냉)하거나 급랭하는 도중에 공랭하는 등의 제어냉각을 행하므로써 강도의 대폭적인 향상이 이루어진다. 이것은 페라이트 결정립 자체의 강화, 미세화 및 펄라이트(베이나이트)분율의 증가에 기인하는 것이다.

     인장강도 50kg/mm2급의 고장력강의 경우, 기본성분은 0.07∼0.15%C, 0.8∼1.5%Mn으로서 철강회사에 따라 큰 차이는 없지만 Nb, V, Ti, REM(희토류원소)의 미량첨가, Cu, Ni, Cr, Mo 등의 소량첨가 및 전술한 ①항에서 ⑤항까지의 각 공정의 온도, 가공도, 냉각속도 등의 선택은 회사에 따라 다르다.
     이러한 강재를 TMCP(thermo-mechanical control process)강이라고 부르고 있는데, 이 TMCP강의 최종압연온도와 강도, 인성의 관계를 보면 가공온도의 저하에 따라 강도는 향상되지만, 인성치에는 최대치가 존재하여 Ar3점 이하 40℃의 온도영역(2상공존영역)에서 가공할 때가 가장 우수한 인성을 나타낸다. 또 Nb강은 Nb를 함유하지 않은 Si-Mn강에 비해 저탄소임에도 불구하고 높은 강도가 얻어지며, 특히 Ar3점 직하에서 가공시에 현저한 강도증가가 일어난다.
     단 Ar3점 이하의 가공에서는 판두께 방향으로 항복점 이상의 큰 힘이 작용하는 경우 가공온도의 저하, 가공도의 증가와 함께 판두께 방향으로 박리되는 "separation" 이라 불리우는 결함이 발생하기 쉬우므로 이런 경우에는 가공온도를 낮게 할 수 없다.

(2) 오스템퍼링
     오스테나이트 상태로부터 Ms 이상의 어느 온도로 유지되어 있는 열욕(熱浴, hot bath)으로 퀜칭하여 과냉  오스테나이트가 베이나이트로 변태완료하기까지 항온유지한 후, 공기중으로 냉각하는 과정을 오스템퍼링(austempering)이라고 한다. 따라서 이 열처리에서는 템퍼링처리를 별도로 할 필요가 없다. 또한 그림에서 보는 바와 같이 베이나이트로 변태하기 전에 강재 중심부와 표면의 온도가 동일해지므로써 강재내에 열구배가 없기 때문에 처리도중에 내부응력을 최소화 할 수 있다.
     따라서 이 방법에 의하면 퀜칭변형과 균열을 방지할 수 있게 되고, 또한 이 처리에 의해서 형성된 베이나이트 조직은 퀜칭.템퍼링된 강재의 조직보다 인성이 매우 우수해진다.
     일반적으로 오스템퍼링처리가 퀜칭.템퍼링처리보다 인성과 연성을 향상시키는데 크게 기여하는 것을 알 수 있다. 물론 이 강의 P함유량이 비교적 많고(0.044%), 템퍼링온도도 315℃이므로 전술한 템퍼링취성에 의해서 어느정도 인성이 저하되었다는 사실을 간과해서는 안된다.  

(3) 마르퀜칭
     오스테나이트 상태로부터 Ms 직상의 열욕으로 퀜칭하여 강의 내외가 동일한 온도가 되도록 항온유지한 후, 과냉 오스테나이트가 항온변태를 일으키기 전에 공랭시켜서 마르텐사이트 변태가 천천히 진행되도록 하는 처리방법을 마르퀜칭(marquenching)이라 한다.
     마르퀜칭의 경우 강재의 표면과 중심부의 온도는 Ms온도 직상의 유지온도까지는 서로 다른 속도로 냉각되지만 공랭시 마르텐사이트로 변태하는 도중에는 내외부의 온도차이가 없다. 따라서 이 방법에 의하면 수냉한 마르텐사이트보다는 경도가 다소 저하되지만, 변태후 내부응력이 최소화되므로 열처리 균열이나 변형의 가능성이 매우 적다는 것이 큰 장점이다.
     이 처리시 Ms점 이하의 열욕을 사용하는 경우나 열욕으로부터 꺼내어 서냉하는 경우에 비교적 높은 온도에서 변태된 마르텐사이트는 부분적으로 템퍼링되어 있지만 대부분의 마르텐사이트는 템퍼링되어 있지 않으므로 이 처리후에는 필히 템퍼링을 실시해야만 한다.
     고탄소강, 게이지강, 베어링강 등과 같이 수냉 또는 유냉하면 균열이나 변형을 일으키기 쉬운 강종에 이 방법이 적합하다.

 

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