꿀잼 기계항공공학

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!

강의 열처리편도 이제 슬슬 마무리하려고 합니다. 정말 길었네요 허허허..

이제 풀림끝내고 나머지 한 편 마무리하고 열처리는 끝내려고 합니다. 이제 그 마지막! 풀림에 대한 이야기입니다. 

풀림(Annealing, 소둔)?

 풀림은 간단히 말하면 노 내에서 천천히 냉각하는 것입니다. 간단히 한 문장으로 더 비유하자면 1 시간에 1도 냉각한다 그렇게 이해하시면 될 것 같네요. 냉각이란 것은 같지만 불림과는 달리 노 내에서 아주 천천히 냉각하는 것입니다. 아주 천천히...

 이렇게 하면 냉간가공(재결정 온도 이하에서 변형 가공)을 한 소재의 가공성 개선, 절삭성 개선, 내부 응력 제거가 가능합니다. 이렇게 되는 이유는 풀림하는 동안 금속 조직 내에서 재결정화되기 때문입니다. 풀림도 여러가지가 있습니다. 

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1. 완전 풀림 (Full anneal)

 보통 풀림이라고 하면 완전 풀림을 말합니다. 이 풀림은 탄소량을 기준으로 가열 온도가 결정됩니다. 탄소량이 0.76% (공석점 탄소량)이상인 경우(과공석강) 가열은 A3선 이상, 아그 이하(아공석강)면 A1선 이상의 온도로 가열 후 5~30˚C/h 의 속도로 냉각시키는 풀림방법입니다. 이 풀림방법은 보통 냉간가공 혹은 담금질 영향을 없에기 위해서 하며 잔류응력 제거가 가능합니다. 아..

과공석강인 경우 층상펄라이트와 초입 시멘타이트 조직이, 아공석강에서는 페라이트와 층상펄라이트조직이 나옵니다. 

2. 항온 풀림 (Isothermal anneal)

 이 방법은 완전 풀림과 약간 다릅니다. 완전풀림은 가열 후 냉각을 진행하지요? 하지만 항온 풀림은 가열 후 냉각을 하지만.. 중간에 600~650˚C에서 일정 시간동안 이 온도를 유지한 후 다시 냉각을 진행하는 방법입니다. 이렇게 하는 이유는 빠른 연화를 통해 공정시간을 단축가능하기 때문입니다. 이 방법은 공구강이나 특수강을 풀림하는데 주로 사용됩니다. 

3. 공정 풀림 (Process anneal)

 이 풀림은 냉간 압연된 제품 (강판, 형강 등) 혹은 드로잉된 제품에 생긴 내부 응력을 제거하고 소성변형으로 높아진 경도를 줄이기 위해 하는 풀림입니다.  온도 범위는 그림1. 참조 바랍니다. 그림1은 완전 풀림 설명란에 있습니다. 

4. 구상화 풀림 (Spheroidizing anneal)

 이 풀림은 강 중의 탄소를 구상형태로 바꾸기 위해 시도하는 작업입니다. 강 내에 시멘타이트(Fe_3C)를 석출하여 강의 내피로, 내충격성, 담금질 효과를 키우고 가공성을 개선하기 위한 작업으로 보시면 됩니다. 

5. 응력 제거 풀림 (Stress-relief anneal)

 용접을 하면 금속 재료가 뒤틀리거나, 잔류응력이 남아 파손이 될 수 있습니다. 용접 뿐만 아니라 소성 가공에서도 발생할 수 있는 잔류응력을 제거해야할 경우가 생기는데 이 경우 풀림을 이용해 잔류 응력을 제거할 수 있습니다.  그림 1에서는 응력 제거 풀림 온도 범위가 표기되지 않아서 다른 그림 하나 더 올립니다. 

이 풀림은 다른 풀림들과 달리 재결정 온도 미만의 온도에서 열처리를 시행합니다. 

그럼 이 열처리는 주로 용접을 하였을 때 시행하게 될 텐데 왜 용접을 하면 열처리를 해줘야하는지도 궁금할 수 있습니다. 

용접은 엄청난 열을 가해 재료를 붙이는 과정입니다. 이 열로 인하여 금속은 눈에 보이지 않는.. 결정과 조직이 변하게 됩니다. 강 또한 마찬가지며 변형이 일어나기 때문에 약해지는 부분이 생기고 이는 곧 용접부가 파괴됨을 말합니다. 이런 파괴를 막기 위해서 열처리를 하는 것이죠. 

마무리..

 길고 길었던 열처리 분야가 드디어 마무리되었네요.  강에 대해 배우고, 열처리에 대해 배우면서 느낀 것은 기계 재료에도 어마어마한 지식들이 녹아 있다는 점이었습니다. 내가 기계를 설계하면서 이런 사항들을 모르고 넘어간다면 좋은 설계자가 될 수 있을까 하는 생각이 우선 들었습니다. 그리고 공장에서 면발뽑듯 나오는 재료들도 사실은 다양한 규격과 다양한 열처리 방법에 의해 만들어지고 완성됨을 알 수 있었습니다. 

이제 어떤걸 할까...좀 더 고민도 하고 마무리 못한 이전 포스팅들도 있으면 그것들도 슬슬 마무리해야겠네요. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!

다들 잘 지내고 계신가요? 저는 지금도 열심히 공부중입니다...

이번 포스팅은 강의 열처리 중 불림(Normalizing, 소준) 이라는 과정에 대해서 알아보도록 합시다.

불림은 그렇게 어려운 열처리가 아니니까 간단하게 마무리하도록 하겠습니다. 

불림(Normalizing, 소준) 열처리

불림 열처리는 A3선 또는 Acm선 온도보다 약 30~60도 (온도는 서적이나 영상등 기록에 따라 다 다르나 보통 저 범위내에 들어갑니다.) 더 가열한 후 공기 중에 냉각시키는 열처리 방법입니다.  즉, 오스테나이트 조직을 공냉시켜 서서히 냉각시킨 후 초석 펄라이트와 페라이트 조직 또는 초석 시멘타이트와 펄라이트 혼합 조직으로 바꿔버리는 것이죠. 이렇게 공냉을 시키면 어떤 좋은 점이 발생할까요?

 위 사진과 같이 강의 결정 조직이 작아지게 됩니다. 커졌던 조직이 작아지면 어떤 좋은 점이 발생할까요?

 결정 조직의 크기가 작아진다면 기계적 성질 (강도, 인성,  연성)이 개선되고 동시에 잔류응력을 제거할 수 있습니다.  다만 중탄소강 및 합금강에서 많이 사용하며 이들 강재의 담금 및 뜨임 (QT)열처리 대용으로도 활용할 수 있지요. 

 보기좋게 이 내용을 정리한다면 다음 5가지로 요약 가능합니다. 

(1)  열간 가공 시 커져버린 강의 결정을 미세화시키고 내부 응력을 제거할 수 있음.

(2) 저탄소강을 불림하면 절삭성을 개선시킬 수 있음. 

(3) 탄소가 0.77% 이상인 경우 결정립 경계에서 그물망 모양으로 석출되는 탄화물을 제거해 결정립 내의 펄라이트 층 간격을 작게하고 구상화처리하여 균일한 탄화물을 생성하기 쉽게 하도록 함.

(4) 고주파 가열 및 화염 가열 같은 표면 열처리 시 급속 가열되는 표면이 오스테나이트화가 쉽게 되도록 표면의 결정립을 미세하고 균일하게 함. 이렇게하면 표면의 경도가 높아지기도 함과 동시에 균일하게 높아질 수 있음. 

(5)중탄소강 (보통 0.3~0.5% 탄소 함유량을 가진 강) 및 저합금강은 담금과 뜨임 열처리 대용으로 활용

 그리고 불림을 하였을 경우 물성치가 변한다고 했잖아요?

물성치 중 인장강도, 항복강도, 연신율이 변하기는 합니다. 보여드리려고 하는 자료를 보시면 안하는 것 보다 하는게 더 나을 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 

 이 자료는 불림  열처리를 한 것과 안한 샘플의 인장강도 차이를 보여주는 자료입니다.

이 자료는 불림 열처리를  하면 항복강도와 연신율이 얼마나 향상되는지 보여주는 자료입니다. 

소재로 쓰인 강재는 AISI 441로 탄소 함량이 적은 저탄소강입니다. (C 0.022%)

불림 열처리 방법

1. 보통 불림 방법

 이 방법은 대기중에 공냉하는 방법입니다. 주의할 것은 바람 부는 곳이나 양지 바른 곳 등 장소에 따라, 그리고 여름이냐 겨울이냐와 같이 바깥 기온에 따라 냉각속도가 달라지게 되며 냉각속도가 달라지면 불림 열처리 효과에 영향을 미치게 되므로 주의가 필요합니다. 

2. 2단 불림

 이 방법은 550도 까지 공냉 후 그 이후에는 다른 곳에서 서서히 냉각시키는 방법입니다. 이렇게 하면 구조용 강 (중탄소강, 0.3~0.5%)은 초석 페라이트가 펄라이트 조직으로 변하면서 강인성이 향상되는 것을 기대할 수 있습니다 

3. 등온  불림

 이 방법은 위에서 이야기했던 가열온도 (A3 또는 Acm 선보다 30~60도 더 가열한 상태의 온도)에서 등온 변태 곡선 코의 온도 부근인 550도 부근에서 등온 변태 시킨 후 상온까지 공냉하는 방법입니다. 그러니까, 550도까지 냉각후 여기서 온도를 유지한다는 거죠.  550도를 유지하는 이유는 이 온도로 5~7분 등온 상태 유지 후 베이나이트라고 하는 조직을 얻기 위해서 인것 같습니다.  베이나이트 조직이 되면 마텐사이트 조직과 달리 경도가 낮아지긴 하지만 그 만큼 인성이 늘어나고 강도도 적당해지기 때문이죠. 또한 저탄소 합금강의 경우 절삭성이 향상되기도 합니다. 

4. 2중 불림

 930도 온도까지 가열 후 공냉을 시킨 후 820도 온도로 한 번 더 가열 후 공냉시키는 방법입니다.  이 방법으로는 미세화된 펄라이트 조직을 얻을 수 있으며 차축재와 저온용 저탄소강 강인화에 주로 이 방법을 활용합니다. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다! 다들 겨울 준비는 잘 하고 계신가요? 저도 겨울에 일하면서 동시에 돈을 한푼한푼 차곡차곡 모으기 위해 글을 쓰고 있습니다. 이번 편은 강재의 기본 열처리 방법 중 하나인 뜨임에 대해 논해보려고 합니다. 뜨임.. 이것도 어려운 게 아니니까 같이 즐겁게 알아보도록 해볼까요!\

뜨임이란? (Tempering?)

 제가 강의 열처리 7편에서 담금에 대해 이야기했습니다. 뜨임은 보통 담금과 같이 진행이 됩니다. 담금과 뜨임을 현장에서는 QT 열처리라고 하거나 아니면 조질 처리했다고도 합니다. 그렇다면 뜨임이란 무엇일까요?

 강의 열처리 7편에서 담금을 하면 경도가 상승한다고 이야기했지요.  그렇지만 경도만 상승하면 과연 좋은 일일까요? 경도가 상승하면 겉은 단단해질지라도 충격에 굉장히 약해집니다.  구조물에 쓰이는 강은 충격에도 어느 정도 버틸 수 있어야 하기 때문에 조그마한 충격에도 쉽게 부서진다면 그것은 구조물로 쓰기 적합하지 않은 재료가 되지요. 그렇기 때문에 경도를 조금 희생하지만 대신 내충격성 (충격을 버티는 물성, 인성이라고도 함)을 향상시키는 작업이 필요한데 이를 뜨임이라고 합니다.  그럼 뜨임은 어떻게 진행되는걸까요?

뜨임의 방식

위의 그림은 뜨임(소려)를 간단하게 소개할 수 있는 그래프입니다.  간단히 말하면 물이나 기름으로 식힌 강재를 다시 한 번 더 구운 다음 식힌다는 내용입니다. 

 뜨임은  크게 두 가지 방법이 있습니다. 고온 뜨임이라는 방법이 있고 저온 뜨임이라는 방법이 있죠. 우선 고온 뜨임부터 설명드리도록 하겠습니다.

 고온 뜨임은 담금질 후 550℃~650℃ 까지 가열하는 것을 말합니다. 이렇게 했을 경우 마텐사이트 조직이 소르바이트 조직으로 변하게됩니다. 이렇게 높은 온도로 가열하는데는 몇 가지 목적이 있습니다. 

    - 잔류 응력 제거

    - 치수 및 형상 안정화

    - 경도와 인성을 조정함

  잔류 응력이라는 건 재료 내부에 남은 응력을 말합니다. 왜 재료 내부에 응력이 남느냐면 담금질을 할 때 무슨 효과가 생긴다고 했죠? 담금질을 하면 표면과 내부의 온도 차이 때문에 경도가 달라지는 질량 효과가 생깁니다. 내부와 표면의 온도가 다르다는 것은 수축되는 정도가 다르다는 것이고 이는 재료 내부에 응력을 발생시킬 수 있게 됩니다.  이 응력을 잔류응력이라고 하며 잔류응력이 남아있을 경우 재료가 인장이나 압축하중을 받을 경우 재료가 갈라지거나 피로 강도가 낮아질 수 있습니다. 이런 건 빨리 제거해야되겠죠? 

 그리고 담금질 된 강은 불안정한 상태기 때문에 담금질만 해놓고 오랬동안 방치해놓으면 마르텐사이트로 변하지 못한 오스테나이트들이 서서히 마르텐사이트로 변하게 되면서 재료가 팽창하게 됩니다. 이 때 조직이 변하면서 팽창하면 재료의 형상과 치수가 변하게 될 수 있는데 이를 방지하고자 뜨임을 하여 잔류 오스테나이트들을 최대한 많이 제거하는 것입니다. 

다만 이렇게 할 경우 고온 뜨임 취성이라는 현상이 발생하게 됩니다. 뜨임 중 500℃ 부근에서 강의 충격저항값이 떨어지는 현상이며 이 현상은 뜨임 후 급냉시키거나 몰리브덴, 텅스텐 등을 첨가하면 방지할 수 있습니다. 

 저온 뜨임은 담금질 후 150℃~200℃로 가열하여 냉각하는 방법입니다.  보통 침탄 처리 후 고탄소강 및 냉간공구강을 뜨임처리하는데 사용합니다. 인성보다 경도와 내마모성이 더 필요할 경우에는 이 온도에서 뜨임을 합니다. 이  온도 범위에서 나오는 마르텐사이트는 일반적으로 나오는 마르텐사이트에 비해서 내식성이 떨어지는 조직입니다.  

  저온 뜨임 시에도 취성이 발생하는데 이 경우 내충격성이 굉장히 많이 감소하게 되는 현상입니다. 

200℃~400℃ 범위에서 발생하는 취성이며 이 취성의 원인은 다양한데 크게 세 가지로 나뉘어집니다. 

   - 인, 질소 등의 불순물이 오스테나이트 결정을 만듦

    - 이 온도 범위에서 석출되는 얇은 판상의 시멘타이트

 방지책으로는 해당 온도 범위에서 뜨임을 피하는 것과 규소를 첨가하여 취성 발생 영역을 400

℃ 이상의 영역으로 이동시키는 방법이 있겠습니다. 

기타 - 2차 경화

 뜨임을 하면 2차 경화라는 현상이 생깁니다. 이 현상은 600℃ 전후의 온도에서 재료가 다시 경화가되는 현상입니다. 탄소강에서는 일어나지 않으나 합금강에서는 일어나는 현상입니다. 간단히 말해 합금 원소 양이 많아질 경우 연화되는 듯 하다가 다시 경화되는 현상입니다. 

 이해하기 쉽게 이야기하면 재료가 부드러워지는듯 하다가 다시 단단해진다는 뜻입니다.  합금강 내에 있는 탄화물 생성 경향이 큰 원소들(Mo, V, Ti, W, Cr 등)이 탄소와 결합된 조직이 마르텐사이트 내에서 녹아서 생기는 현상입니다. 

 방지할 수 있는 방법은 다음과 같습니다. 

    - P, Sb, N 등 불순물 감소

    - 고온 뜨임 후 급냉 시킬 것

    - 담금질을 할 때 잔류 오스테나이트는 최대한 많이 제거해둘 것

    - 오스템퍼링을 통해 인성을 높인다.

다만 이 경화 현상은 고속도강과 같이 높은 온도에서도 경도를 유지해야하는 재료에는 특별히 나쁜 현상은 아니기 때문에 용도에 따라 2차경화를 활용하거나 아니면 최대한 피해야할 것 같네요. 

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다! 이번에는 담금질에서 다루지 못했던 내용 중 질량효과에 대한 이야기를 해보려고 합니다. 

질량 효과?

질량효과는  간단히 말해 크고 뜨거운 강재가 식을 때 표면과 중심부가 식는 속도가 달라서 일어나는 일을 말합니다. 질량효과가 크다면 담금성이 나쁘다고 말하는데 담금성이 나쁜 재질은 경도가 높은 부위가 표면 근처에서만 발생한다는 뜻이죠. 다르게 말하면 질량효과가 작아 담금성이 좋은 재질은 경도가 재질 속 부위에까지 잘 나온다는 뜻도 됩니다. 그 전에 용어 하나만 알고 가야할 것 같네요. 임계경도라는 용어인데요. 

이를 간단히 그림으로 표현하면 다음 그림과 같습니다. 

a, b, c는 화학 구성물이 다른 강재입니다.  a는 탄소가 많이 들어간 소재며 b는 탄소가 적게 들어가고 대신 Ni, Cr, Mo, Mn같은 금속이 첨가된 합금강이고, c는 탄소도 적고 금속도 적게 들어가는 강재입니다. 이 세 종류의 강재를 담금 열처리 했을 때 깊이에 따른 경도를 나타낸 것입니다. 

 이 그림들을 보면 확실히 알 수 있는 것은 다음과 같습니다.

1. 탄소가 많이 들어갈 수록 질량효과가 크다. (담금성이 나빠 임계경도가 깊게 나오지 못함)

2. Ni, Cr, Mo, Mn등이 포함될 경우 담금성이 좋아져 임계경도가 깊게 나옴.

그럼 이  담금성을 확인하는 방법은 무엇이 있을까요?

조미니 시험법 (Jominy Test)

 담금성 확인을 하는 방법으로는 조미니 시험법이란 방법이 있습니다.  이 방법은 아주 대표적인 방법이며 기계 재료에 대해서 공부하는 분들이라면 꼭 알아야하는 시험법입니다. 왜냐면 해당 시험 방법과 관련한 KS 규격까지 있을 정도니까요. 

KS D 0206 강의 한쪽 끝 퀜칭에 의한 경화능 시험 방법이라는 이름의 산업표준을 읽어보시면 시험 방법과 시편의 크기에 대한 내용이 있습니다.  시험편의 치수와 시험 방법, 경도 측정 위치, 시험 보고서에 포함되어야 할 내용이 있으니 자세히 알고 싶다면 이 규격을 읽어보시는 것이 도움이 될 것입니다. 

 빠르게 간략하게 아시고 싶다면 이렇게 요약하면 될 것 같습니다. 

1. 사용 시편  : 25mm, 길이 100mm 시험편

2.  시험편을 적절히 가열 한 후 물을 분사해 식힘. 

3. 시험편을 규격에 정해둔 측정점에서 경도 측정을 함

https://www.youtube.com/watch?v=JpuscwGnYqk

 그리고 이 영상을 통해 조미니 시험이 어떻게 진행되는지도 파악할 수 있습니다.  혹시 글로만 봤을 때 잘 이해가 안된다고 하시면 이 영상을 보시기 바랍니다. 

  안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다!  열처리편이 정말 길어지네요... 열처리에 대해 알면 알 수록 정말 많은 내용이 나옵니다.  저번 7편에 이어서 이번에는 담금 열처리의 일종인 심냉 열처리에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 

심냉 열처리란?

 심냉열처리의 심냉은 0도씨 온도 이하의 온도에서 냉각시킨다는 뜻입니다. 

 일반적으로 심냉 열처리는 담금질 후 바로 시행합니다. 다만 너무 빠르게 냉각시키지는 않습니다. 그랬다간 제품이나 소재에 균열이 발생할테니까요. 보통 그렇게 시행하며, 특수한 경우에는 담금질 후 어느 정도 시간동안 뜨임을 한 후에 심냉 열처리를 진행하는 경우도 있다고 합니다. 하지만 ! 일반적으론 담금질 직후 바로 시행하는 겁니다.  하지만 조금 특수한 경우라면 제품의 크기가 크고 두께가 두껍거나 두께가 불균일한 경우에는 심냉 열처리 이전에 100 ºC 끓는 물속에서 1시간 정도 뜨임을 하여야 합니다. 즉, 이걸 간단히 요약하면 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

  -  1.  일반적인 심냉 열처리는 담금질 후 곧바로 심냉 열처리 절차에 들어가야함. 다만 냉각속도는 빠르

          게 하지 못함.  균열을 방지하기 위함임.

 -  2.  제품의 크기가 크고 두께가 두껍거나 불균일한 제품은 심냉 열처리 이전에 100ºC 끓는 물속에서

         1시간 정도 뜨임 열처리 후 심냉 열처리 절차에 들어감. 

 이 열처리가 여기서 바로 끝...일 리가 없겠죠? 심냉 열처리 후 탈탄층이 생기면 제거해줘야하며 심냉 열처리 후에는 공기 중에 방치하는 방법보다 수중에 재료를 넣어 해동시키는 방법도 있습니다. 

 이 사진은 심냉 열처리 후 제품의 사진입니다. 약간 하얘졌는데... 공기중의 수분이 얼어서 저렇게 된 것 같네요. 

심냉 열처리 그 목적

 이 열처리의 목적은 단 하나의 오스테나이트 결정 구조를 제품에 남기지 않기 위해서입니다. 왜 오스테나이트가 잔류하면 안되느냐? 

 오스테나이트가 제품에 잔류해버릴 경우 경도 저하, 치수불안정, 균열등의 불량이 발생할 수 있습니다. 특히 베어링류 제품이나 게이지류 제품에서 그런 불량이 발생하면 절대로 안되기 때문에 0ºC 보다 낮은 온도로 냉각시켜 잔류오스테나이트를 확실하게 제거해버리겠다는 것이죠. 잔류오스테나이트가 제거되면 ...

 -  1.  제품의 경도 및 성능 향상

 -  2.  게이지 및 베어링류 제품의 조직 안정화

 -  3.  균열 및 변형 방지

 -  4.  스테인레스 강에 심냉 열처리 할 경우 기계적 성질 향상

심냉 열처리용 냉매

 냉매는 보통 드라이아이스와 액체 질소를 많이 사용합니다.  냉매의 종류에 따라 심냉 열처리의 온도도 달라진다고 보면 됩니다.

 -  1.  드라이아이스 사용 시 

          -75 ºC 혹은 -78 ºC 온도에서 심냉 열처리를 진행

-  2.  액체 질소 사용 시 

          --190 ºC  온도에서 심냉 열처리를 진행

참고 자료

1. Totten G.E , Steel Heat Treatment Metallurgy and Technologies-(CRC) (2006)

2. https://likekderi.tistory.com/7 - 심냉열처리에 대해 설명하시오

3. 에듀인컴, 기계기술사, 예문사(2022년 7월 30일, 4차 개정) 

  안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 강의 열처리 7편부터 본격적으로 열처리 기법에 대해서 논해보려고 합니다. 그 첫 번째로 담금질(Quenching)에 대해서 말씀드려보려고 합니다.  그럼 글을 시작해보도록 하겠습니다!

담금질이란...

 담금질이란 쉽게 말해서 뜨거운 쇳덩어리를 찬 물이나 기름에 넣어서 급랭시키는 방법입니다. 위의 사진처럼 급랭을 시키면 뭐가 좋으냐? 결론만 말씀드리면 표면이 단단해집니다. 쉽게 말해 강 표면에 단단하지만 잘 깨지는 조직이 생성되죠. 

 그럼 왜 이 조직이 나오는지 복습을 좀 해야겠네요.  이전에  TTT 선도를 이야기할 때 잠깐 마텐사이트가 나왔는데 이 TTT 선도를 이해하면 담금에 대한 내용이 바로 이해가 될 것입니다. 

 제 포스팅  강의 열처리 4편에 있는 자료를 갖고 왔습니다.  700~800 사이에 있는 오스테나이트 상태의 강을 급속 냉동시키면 마텐사이트라는 조직으로 변해버립니다. 이 때의 그림이 b(파란색 실선)에 표시되어 있습니다. 

그럼 왜 급속 냉각을 했을 때 마텐사이트라는 조직으로 변하면서 경도가 더 강해지는 것일까요? 우선 강은 액체 상태일 때는 체심 입방 격자 구조로 원자가 배열되어 있다가 일정 온도로 내려가면 다시 면심 입방 격자구조로, 그리고 더 내려가게 되면 다시 체심 입방 격자 구조로 변합니다.

 다시 제 블로그에 올려둔 Fe-C 상태도를 가지고 와서 설명해봐야겠네요. 철은 액체일 때 체심입방격자였다가 오스테나이트 상태일 때 면심입방격자, 그리고 다시 페라이트 상태일때 체심입방격자로 변합니다. 즉 원자 배열이 온도에 따라 변화된다는 것이죠. 이걸 더 쉽게 말씀드리면..

강이 액체 상태일 때(액체 혹은 δ철 상태) - 체심입방격자

강이 액체와 고체 중간 상태일 때(오스테나이트 상태) - 면심입방격자

강이 고체 상태일 때 (마텐사이트 혹은 페라이트 상태) - 체심입방격자

요렇게 상태가 정리될 수 있습니다. 이제 열처리에 대해서 다시 말씀드리자면...

온도가 천천히 내려갈 경우 원자가 확산되면서 천천히 격자 구조가 변하게 됩니다. 강 내부에 있는 철과 탄소 원자도 천천히 이동하게 되겠죠.  그렇지만, 급속 냉각을 하게 될 경우 격자구조는 먼저 변하지만 탄소가 동시에 이동되지 못하게 됩니다.  격자 구조만 변하고, 그 내부에 탄소 원자는 격자 구조가 변할 때 같이 이동하지 못하게 되죠. 

 위 그림에서 큰 동그라미사이 간격을 주목하시기 바랍니다. 급속 냉각을 하게 될 경우 입자간 거리는 줄어들지만, 그 사이에 있는 탄소 원자는 이동하지 못하여 탄소원자가 정육면체 중심에서 육면체 모서리로 튕겨져 나갑니다.

 이 때 육면체 높이가 커지면서 불완전고용체로 변하게 됩니다. 격자 자체가 불안정해지기 때문에 충격에 쉽게 깨지게 되지요. 참고로 이렇게 상태변화하면 부피가 "팽창"해버립니다. 즉, 마텐사이트로 변하게 되면 부피가 팽창하면서 균열이나 불량이 발생할 수 있다는 거죠. 

담금에서 고려할 사항

 우선 고려할 사항 그 첫 번째! 

질량 효과라는 것입니다. 뜨거운 강재를 급속 냉각하기 위해 물에 넣을 때, 가장 먼저 식는 부위는 물과 바로 맞닿는 표면일 것입니다. 그렇다면 굉장히 두껍고 큰 강재가 물에 들어가면 강재의 중심부도 표면과 같이 바로 식을까요?

그렇지 않습니다.  그림으로 간단히 표현했는데 표면은 바로 식어도 중심부는 표면으로 열 전달을 하는데 약간 시간이 걸리기 때문에 중심부는 바로 식지 못합니다. 그래서 강재를 담금질 할 때 표면과 중심부의 경도가 약간 다른데 이를 질량효과(Mass Effect)라고 합니다. 질량효과로 인해 표면과 중심부의 경도가 달라지는 것이죠.  질량효과에 대해서는 다음 포스팅에서 더 자세히 다루도록 하고...

 두 번째 고려할 사항은 바로 변형 및 불량입니다. 담금질을 하면 소재의 온도가 급격히 내려가게 되면서 강의 조직이 마르텐사이트로 변화하게 되면서 부피가 팽창, 부피 팽창으로 인해 균열이 발생하게 됩니다. 이 균열은 두 가지가 있습니다. 

  첫 번째는 담금질 직후에 나타나는 균열로 이 균열은 강의 표면과 중심부의 온도 차에 의해 발생합니다. 표면은 급속히 냉각되어 마르텐사이트로 변하지만 중심은 천천히 냉각되어 펄라이트 조직으로 변하기 때문에 내부에 응력이 발생하게 되고 그 응력이 균열의 원인이 되지요. 

 두 번째는 담금질 후 2~3분 경과 후 나타나는 균열로 오스테나이트가 마텐사이트로 변하면서 생기는 체적 팽창에 의해 일어나는 응력인데 이 경우는 표면과 내부의 팽창이 같은 시간에 일어나지 않기 때문에 균열이 발생하는 것입니다. 

  이런 균열과 변형을 방지하기 위해서 다음과 같은 방법을 활용합니다.

    - 1. 급랭하는 대신 250도 부근에서는 서랭하는 방식으로 마텐사이트 변태를 서서히 진행시킴.

          (마템퍼)

    - 2. 부분 온도차이를 작게 함

    - 3. 수냉 대신 유냉을 선택

    - 4. 표면의 흑피 제거 ( 냉각수 및 냉각유와 더 접촉이 잘되게 함)

    - 5. 구멍이 있을 경우 점토나 석면으로 메울 것

    - 6. 소재를 담금질 액 속에서 흔들 것

    - 7. 형상이 복잡하거나 두께가 다르다면 최대 단면 부분이 먼저 냉각액에 닿게 함.

    - 8. 담금질 후 바로 뜨임 처리를 할 것

 여기서 뜨임이란 용어가 등장하네요. 뜨임은 담금질과 같이 행하는.. 실과 바늘 같은 관계입니다. 대부분의 강 소재들은 담금질만 하지 않죠. 뜨임도 같이 함으로써 더 강하고 더 좋은 소재가 될 수 있습니다. 그리고 마템퍼 오스템퍼 같은 방법으로 더 좋은 강재를 얻기도 하죠. 

 이래서 철강산업이 기술력이 없으면 하기가 힘든 산업입니다. 그냥 철만 대충 녹여서 끝날 일이 아닌 것이죠. 다음 번 포스팅은 뜨임(Tempering)에 대해서 글을 작성해보도록 하겠습니다!

출처 : 담금질에 대해 쓰는데 다음 자료들의 도움을 받았습니다.

1. 마르텐사이트 변태과정 이해 - https://www.youtube.com/watch?v=IUDdSia-mdk

2. 마르텐사이트 담금질 - https://www.youtube.com/watch?v=amkTuzDqlrA

3. 이건이, 최영, 기계공학도를 위한 알기 쉬운 실용 기계재료, 시그마프레스

4. 전언찬, 조규재, 기계공작법, 2013.02.27, P695~732

5. 에듀인컴, 기계기술사, 2022.07.30, P226~237

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 

이번 포스팅에서는 강의 열처리를 공부할 때 꼭 나오는 조직의 이름을 다시 한 번 되짚어보고자 합니다. 

오스테나이트와 페라이트를 시작으로 강은 어떤 조직이  있는지 같이 알아보도록 하겠습니다.  다만 중요한 점은 깊게 말씀드릴 순 없을 것 같네요. 더 깊은 내용은 금속학 같은 학문의 영역이라... 저는 주로 기계 및 기계 가공을 위주로 말씀드리려고 하며 그렇기 때문에 주로 어떤 조직이며 물성치가 어떻게 되는지 위주로만 말씀드리려고 합니다. 

- 근본 조직 -

오스테나이트,  페라이트, 시멘타이트

 오스테나이트 ( γ - 철 ) 

선 요약

 - 일반적인 상황에서는 상온에서 석출되지 않지만 특수한 금속을 같이 첨가함으로써 석출 가능.

 - 비자성, 면심입방구조, 안정적인 조직, 작은 경도 및 인장강도 그러나 강도에 비해 연신율이 큼

  오스테나이트는 위 그림에서 노란색과 분홍색 영역에 나타나는 조직입니다. 온도를 보시면 아시다시피 공석 조성의 강에서는 상온에서 나올 수 없지만 Ni, Cr, Mn 을 첨가하면 얻어낼 수 있다고 합니다. 그런데 Ni, Cr, Mn을 넣는다는 말이 좀 신경쓰이네요. 실제로 이 원소를 넣어 만든 강 중에 하나가 바로....

스텐레스 강입니다. Cr을 위주로(12~20%) Ni, Mn도 같이 들어가는 강이지요. 

 오스테나이트의 다른 특징으로는 비자성이며 페라이트와 달리 면심입방구조의 안정된 조직이고 경도가 작으며 인장강도에 비해 큰 연신율이 특징인 조직입니다. 이 조직을 가장 먼저 언급한 것은 이 조직을 시작으로 어떻게 냉각하느냐에 따라 앞으로 말할 다른 조직들이 튀어나온다는 것입니다. 

페라이트 ( α - 철 ) 

선 요약

 -  탄소 함유량이 0.025~2.00% 일 경우 공석 반응을 통해 석출됨

 -  순철과 비슷한 상태며 강에서 나오는 조직들 중 물성치가 가장 낮음

 페라이트는 Fe - C 선도의 표기된 부분의 영역에서 발생하는 강의 조직입니다. 이 조직을 어디 배치할까 고민했는데 일단은 근본 조직으로 보는게 맞을 것 같아 여기서 언급하려합니다. 

 강의 열처리 4편과 강의 열처리 5편에서 언급했듯이 강이 오스테나이트 상태에서 점점 식으면서 페라이트와 시멘타이트로 구성된 공석 반응을 하면서 변해간다고 했습니다. 페라이트는 순철과 마찬가지인 상태라 앞으로 말할 조직들 중에서는 가장 기계적 물성치의 수치가 낮게 나옵니다. 

브리넬 경도는 30, 인장강도 30 Mpa에 상온으로부터 768도씨까지는 강자성체 상태를 유지합니다.

시멘타이트 (Fe3C)

선 요약

 -  탄소 함유량이 0.025~2.00% 일 경우 공석 반응을 통해 석출됨

 -  철과 탄소의 혼합로 기존 철의 경도보다 훨씬 더 강해진 상태. 

 탄소강이나 주철에 섞여 있는 조직이며 철과 탄소의 화합물입니다.   사진에서 보이는 검은색 줄이 시멘타이트라고 보시면 됩니다.  저번 강의 열처리 편에서도 말했듯 공석 반응에서도 검출되는 조직이죠. 

철(Fe)이 탄소(C)와 만나 시멘타이트가  되면 기존 철의 경도보다도 훨씬 향상되어집니다. HB 800까지 향상되지요.  다만 인장강도까지 쎈 조직은 아니랍니다. 

 이상이 기본적인 세 가지 강의 근본 조직이었습니다.  강의 물리적 성질은 이 세 개의 조직이  어떻게 조화를 이루고 어떻게 열처리 되느냐에 따라  달라진다고 할 수 있습니다.  그러면 이제부터는 어떤 다양한 조직들이 있는지 한 번 알아보도록 합시다. 

 - 서냉 조직 -

 펄라이트 (Pearlite)

선 요약

 -  페라이트와 시멘타이트가 층상으로 배치되어있는 조직. 

 -  공석 반응을 통해 발생하는 조직

 이제 첫 번째로 다뤄볼 조직은 펄라이트입니다.  펄라이트의 펄(Pearl)은 진주라는 뜻이지요. 이 조직이 저배율 현미경으로 볼 경우 진주처럼 보이기 때문에 그렇다는 뜻입니다.  본문의 내용을 가장 잘 설명해줄 수 있는 사진이 있습니다. 아래 사진을 보시면 바로 이해가 될 것 같네요. 

 진주 같은 표면을 고 배율로 보면 무늬같은 배열이 있습니다. 여기서 검은 배열은 시멘타이트 조직이고 하얀 부분은 페라이트 조직이지요.  펄라이트는 두 조직이 층상으로 배치되어있습니다. 간단히 보면  얼룩말 같은 배열이라 볼 수 있습니다. 

 펄라이트는 γ - 상에서 727도씨로 내려가게 될 경우 두 개의 상이 되는 공석 반응을 하면서 발생하게 됩니다. 쉽게 말하면 펄라이트는 시멘타이트에 대해 설명한 부분에 있는 사진에 보는 것 처럼  α - 철과 시멘타이트가 같이 있는 조직입니다. 

 - 급냉 조직 -

마텐사이트 (Martensite)

선 요약

 -  강을 물에 담금질(Quenching)했을 때 나오는 조직. 

 -  가장 높은 수치의 경도 (HB 720)

 마텐사이트는 탄소강을 물에 담궜을 때 나타나는 조직입니다. 구체적으로 말씀드리면 탄소강을 급냉(담금질, Quenching)시켰을 때 나타나는 침상 조직입니다.  마텐사이트는 강 조직 중에서도 경도가 가장 큰 조직입니다.  다만 조직의 경도가 강하다는 것은 그 만큼 인성 (내충격성)이  줄어든다는 것입니다.  

베이나이트 (Bainite)

.베이나이트는 보통 상부 베이나이트 조직과 하부 베이나이트 조직으로 나뉘어집니다.  상부 하부를 나누는 기준은 350˚C 이며 350기준으로 위에서 얻어지는 조직이 상부, 아래에서 얻어지는 조직이 하부 베이나이트입니다.  저는 350으로 했지만, 책에 따라서는 400˚C라고 하는 서적도 있고 그렇습니다... 

상부보다 하부 베이나이트가 더 검게 보이는 이유는 하부 베이나이트가 석출 될 때의 온도가 낮아서 탄소가 더 많이 나오기 때문입니다.  베이나이트 또한 아래 조직들과 마찬가지로 서냉 혹은 뜨임 처리를 했을 경우 나타나는 조직이기도 하며 그렇기 때문에 경도는 마르텐사이트보다는 낮지만 그 만큼 적절한 인성과 강도를 가지고 있는 조직이지요. 

트루스타이트 (Troostite)

 이 조직은 물이 아닌 기름에 담금질을 했을 때 혹은 마르텐사이트 상태에서 400˚C 온도로 뜨임처리를 해도  나타나는 조직입니다.  

이 조직도 펄라이트와 마찬가지로 α - 철과 시멘타이트가 같이 있는 조직이며 마르텐사이트 다음으로 경도가 좋지만!  녹이 잘 스는 단점이 있는 조직입니다. 

소르바이트 (Sorbite)

 소르바이트 조직은 트루스타이트보다 더 느린 속도로 냉각시켰을 때 나타나는 조직입니다.  더느리게 하거나 혹은 600˚C  이상의 온도에서 뜨임 처리를 하여도 나타나는 조직입니다. 이 조직 또한 펄라이트 처럼 α - 철과 시멘타이트가 같이 있는 조직입니다. 트루스타이트보다도 경도가 더 낮지만 그 만큼 내충격성이나 강인성, 탄성이 있어 스프링에 많이 사용되는 조직입니다. 

마무리

  책을 펴고 공부를하면 제가 모르는 것들이 또 끝없이 쏟아집니다. 그래서 현자는 아는 것이 많은 사람이 아니라 자신이 뭘 모르는지 알고 있는 사람이란 말이 나오는 것 같습니다. 강의 조직에 대해서는 이렇게 정리했지만... 사실 강의 조직만큼이나 더 중요한 사실들이 한참 많이 남아있지요.  합금강이나 비철 금속에 관한 지식 등등...

 이렇게 강에 대해서 조금 더 알고나니 어느 나라가 생각이 납니다. 중국에서 한 집당 하나의 용광로를 만들어 철제 농기구를 만들어 자급자족하자는 코메디가 있었지요. 물론 그 코메디는 나라를 뒤흔들 정도로 엄청난 여파를 만들었지만요... 원하는 경도, 강도의 강이 나오기 위해서는 적절한 열처리도 동시에 진행되어야함에도 정책의 입안자는 철광석을 용광로에 넣기만 하면 농기구고 기계고 다 나오는줄 알았던 모양입니다. 그런 집에서 만든 철은 아무 쓸모가 없는 잡철인 것이지요... 허허허....

강에 대해서 정리해보니 그 만큼 제철이란 것이 힘들고 어려운 기술임을 이제서야... 이해하게 되었습니다.  

 안녕하세요!  공돌이 인생무상입니다!  4편에서 이야기했던 TTT에 이어서 이번 포스팅에서는 CCT가 뭔지 그리고 이걸 왜 공부하는지 간략하게 알아볼 예정입니다.

TTT 와 CCT의 차이..

요약

● TTT와 CCT는 어떤 온도변화냐는 차이가 있음. 

    ▶  TTT는 어떤 특정한 온도에서 어느 정도시간이 지나면 강의 조직이 어떻게 변하느냐를 나타낸 것

    ▶  CCT는 냉각 시간에 따라 강의 조직이 어떻게 변하는지 표현

● CCT 에서 베이나이트가 없는 이유는 일반적인 열처리를 할 경우 베이나이트로 변하기 전에 강의 조직  이 모두 변하기 때문임

● CCT 를 잘 분석하면 강의 냉각시간을 어느정도로 해야 원하는 조직이 나올 지 대략 알 수있음

4편을 정독하고 오신 분들! 이 질문을 해봐야겠네요. TTT를 그릴 때 전제 조건이 무엇일까요? 

단순히 공석 반응 근처 지점의 강이어야할까요? 그것도 맞습니다. 그렇지만 TTT는 "특정 온도" 에서 시간이 얼마나 지나면 오스테나이트가 펄라이트로 변하는지 그 점을 연결한 그래프였지요. 즉, 연속적인 온도 변화가 아니라는 점이지요. 

 그래서 실제 강의 변태와 비슷한 그래프를 그려야할 필요가 있단 겁니다. 실제 강을 식힐 때는 연속적으로... 그러니까 시간이 지나면서 온도가 내려가면서 식으니까요. 

 실제 그래프도 한 번 볼까요?

 TTT 곡선과 CCT 곡선을 겹쳤을 때의 그림입니다. CCT 곡선은 TTT랑 비슷한데 실선으로 표기된 부분을 CCT로 보시면 됩니다. 

 그럼 연속 냉각이 되면 TTT 조건에서와 달리 어느 부분이 변할까요?

  첫 번째는 오스테나이트에서 펄라이트 변화까지만 진행이 된다는 것입니다.  철 - 탄소 공석 합금이 베이나이트로 되려면 충분한 시간이 있어야하는데 그 시간 전에 오스테나이트 상태의 철 - 공석 합금이 펄라이트로 모두 변하면서 변화가 끝나는 것이지요. 위의 그림은 그 내용을 표현한 것입니다. 오스테나이트에서 펄라이트로의 변화가 점선 AB 에서 종결이 된다는 뜻입니다.  그리고 오스테나이트에서 펄라이트로의 변화가 베이나이트로 변하는데 필요한 시간보다 빠른 시간 내에 끝나기 때문에 이렇게 될 경우 베이나이트 조직을 얻을 수가 없습니다. 

 추가로 그래프에 대해서 더 설명을 하면...

 청색 그래프 처럼 천천히.. 아주 천천히 강을 냉각시키면 (완전 풀림, Full Anneal) 펄라이트의 조직이 크게 변하고 공기 중에 강을 냉각시킬 경우 (불림, Normalizing) 펄라이트 조직이 미세하게 나온다는 것입니다.

 마지막으로 이 그림은 냉각속도를 어떻게 조정하느냐에 따라 강의 조직을 마텐자이트, 펄라이트, 아니면 둘이 섞인 조직으로 만들 수 있다는 것을 보여줍니다. 물론 냉각 속도를 어떻게 하느냐에 따라 다른 것이지만요. 

 쉽게 이야기해서 이 그림에서 주목할 부분은 빨간 점선과 파란 점선입니다. 

 내가 만약 펄라이트로만 이뤄진 강을 얻고 싶다면 냉각시키는 속도는 초당 35도씨를 넘어서는 안됩니다. 반대로 마르텐사이트로만 이뤄진 조직을 얻고 싶다면 냉각속도는 무조건 초당 140도씨를 넘어가야한다는 결론이 나오는 것입니다. 

안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다.  이제 강의 열처리도 4편이나 포스팅하고 있군요. 

그 만큼 강에 대해서 할 말이 많다는 뜻이지요 허허허....

그럼 이제 지체하지 않고 강의 TTT 곡선이 무엇이고 어떻게 보는지 알아보도록 합시다!

TTT?

TTT란 시간 - 온도 - 변태 곡선이라고 부르는 것입니다. Time - Temperature - Transformation 곡선이란 뜻이지요. 다른 말로는 등온 변태도 (Isothermal transformation diagram) 이라고도 합니다. 

강의 경우 이런 형태의 TTT가 생기게 되지요. 

 또 어려운 그림이 나오네요... 그치만 하나하나 자세히 파악한다면 어렵진 않을 것입니다.  그 전에 용어들부터 다시 한 번 차근차근 정리해보도록 합시다!

그림에 있는 알파벳 대문자에 대해 간략히 말씀드리면 이렇습니다.

A :  오스테나이트

B :  베이나이트

M :  마텐자이트

P :  펄라이트

여기에 새로 나오는 용어들

 여기서 언급할 내용의 대부분은 아마 강의 새로운 입자들에 대한 이야기가 될 것 같네요. 오스테나이트와 펄라이트에 대해서는 이미 언급을 하였기 때문에.... 새로 나오는 것들만 간단히 언급하도록 하겠습니다!

마텐자이트(Martensite) 

TTT 곡선에서 M으로 표기된 강의 입자의 한 형태입니다.  이 입자는 오스테나이트가 800도에서 200도 이하의 온도로 급냉되었을 때 생기는 입자입니다. 이 입자의 기계적 특징은 강 합금에서 가장 단단하고 강하지만 취성이 크고 연성이 거의 없습니다. 또한 오스테나이트에서 마텐자이트로 변이될 경우 부피가 커지므로 내부 응력이 발생해 균열이 생길 수 있습니다. 

베이나이트(Bainite) 

강이 냉각되면서 오스테나이트가 변이되는 도중 생기는 조직 중 침상이나 판상으로 형성되는 조직을 말합니다. 작고 미세한 조직을 갖기 때문에 펄라이트보다 강하고 적당한 강도와 연성을 갖고 있습니다. 

TTT 곡선의 분석

요약

● TTT 곡선이 맞아떨어지는 것은 공석 조성을 갖는 강인 경우에만 유용함.

● TTT 곡선은 특정 온도에서 오스테나이트가 어느 정도시간이 지나면 펄라이트로 변하는지 기록하고 (0, 50%, 100%) 그 후 다른 온도에서도 어떻게 변하는지 기록한 후 그래프로 만든 것

● 이 곡선은 강을 어떻게 냉각시키느냐에 따라 강의 기계적 성질이 달라질 수 있음을 보여준다. 

  TTT 곡선이 어떻게 생성되었는지부터 파악해보도록 합시다.  우선 TTT 곡선은 강이 공석 조성을 갖는 경우에만 맞아떨어집니다. 눈치 빠르신 분들은 아시겠지만 현재 그래프에서 다루는 범위도 공석 반응이 일어나는 부분에서만 다루고 있기 때문이죠.  탄소 함유량 0.76% 근방, 0.022%~2% 이하인 부분을 이야기하는 것입니다. 

 이 그림이 TTT 곡선이 어떻게 그려지는지 잘 설명한 것입니다. 그림을 간단하게 설명하면 이렇습니다. 

 오스테나이트는 723도, 공석 반응이 시작되는 온도 아래에서는 펄라이트 조직으로 변하기 시작합니다. 그림에서는 675도를 예로 들었는데요. 오스테나이트가 675도일 때 어느 정도의 시간이 소모되어야 오스테나이트 전부가 펄라이트로 변이되는지 표현한 겁니다. 온도 675도 한 곳에서 점을 찍은 거니까.... 600도 500도 400도 이렇게 온도를 바꿔가며 오스테나이트 조직이 어느 정도의 시간이 지나야 전부 펄라이트 조직으로 변하는지 체크해낸 결과가 바로 TTT 곡선인 것이지요. 

 이렇게 보면 알 수 있는 게 강은 어느 온도에서 냉각을 시작하고 어느 정도의 시간을 소비해서 냉각시키느냐에 따라 그 조직또한 달라질 수 있고 조직이 다르다는 말은 결국 강의 기계적 성질 또한 달라질 수 있다는 말과 같습니다.

예를 들면  700인 경우 오스테나이트가 펄라이트 조직으로 변하는데는 대략 1000초 정도 있어야 변화가 시작되지만, 520도 근처인 경우 1초 있으면 바로 변화가 시작된다는 뜻입니다. 그러니까, 조직 변화를 빠르게 하고 싶다면 냉각 시작 온도를 잘 잡는것도 중요하단 뜻이지요. 

 또한 냉각을 어떻게 하느냐에 따라 우리가 얻을 수 있는 조직이 다를 수 있다는 말도 됩니다. 이 말은 이 그림을 보면 이해가 가능할 것 같습니다. 

a 케이스 (그림의 붉은 색)은 350도까지 급냉시킨 후 그 온도를 1000 초간 유지하고 다시 상온으로 급냉시키는 경우입니다. 이 때는 350도 구간에서 1000 초가 되면 조직이 전부 베이나이트로 변해버리기 때문에 상온에서도 베이나이트가 추출되는...그러니까 베이나이트로 이뤄진 강이 나오는 것입니다. 

b 케이스 (그림의 푸른 색)은 250도까지 급냉시킨 후 그 온도를 100초 간 유지시키고 다시 상온으로 급냉하는 경우입니다. 250초에서 100초 유지된 경우 이떄는 아직 강 조직이 오스테나이트인 상태인데 100초에서 바로 급냉시켜버리면 이 오스테나이트들이 모두 마텐자이트로 변하게 됩니다. 

그러니까, 냉각 방식에 따라서 같은 강인데 나오는 조직이 달라졌지요? a 케이스는 베이나이트 조직으로 이뤄진 강이 나오고 b 케이스는 마텐자이트 조직으로 이뤄진 강이 나오게 되고 이 두 강은 결국 기계적 성질이 다른 강이 되어버리니 강을 만들 때 어떻게 냉각하느냐도 굉장히 중요한 변수가 되는 것입니다. 

마무리

 이것 외에도 연속 냉각변태도와 4가지 열처리 방법에 대한 세세한 것들이 많이 남아있습니다. 하... 강은 정말 방대합니다. 정말 방대해요...

 안녕하세요! 공돌이 인생무상입니다. 이번 편에서는 드디어 Fe - C 상태도를

제대로 분석해보도록 해봅시다! 

** 본 포스팅은 Fundamentals of materials science and engineering( William D Callister 외 1인 저) 책에서 이미지를 가져왔습니다. 

Fe - C 상태도란?

바로 이 그림이 Fe - C 상태도입니다. 뭔가 많이 복잡해보이죠? 허허..그렇죠.

고등학생 시절, 대학교 교양 과학에서도 안나온 형태의 그래프인데... 

하지만 내용을 알고나면 그렇게 어렵지 않다는 것! 

 표의 가장 기본이 되는 축 방향에 대해서 설명드리면, X 축은 철과 탄소

혼합물의 탄소 비율을 표시하는 축이고 y 축은 철과 탄소 혼합물의 온도를 

표시한 것입니다.  강은 탄소 함유량이 0.03 ~ 2% 까지인 영역이니까 고 부분만 보면 될 것입니다. 나머지는 주철 영역이므로 주철 영역에 대해선 따로 다시 공부해보도록 합시다! 

x, y  축에 대한 설명과 함께 용어도 같이 간략하게 설명하면 좋을 것 같네요. 

L : 액체 상태의 철과 탄소 혼합물

δ :  δ 철이라고 불리는 상태의 철. 순수한 철이며 고온에서만 발생하는 철

γ : γ 철, 오스테나이트라 불리는 조직. 

α : α 철, 페라이트라 불리는 조직. 

Fe3C :  시멘타이트라 불리는 조직

철 조직은 각각 이름이 다르게 불리는데, 그 각각의 성질이 다르기 때문입니다. 

 이 그림은 다음과 같이 두 가지 영역으로 쪼개보면 쉽게 이해가 될 겁니다. 

왜 넓은 범위 중 두 영역만 설명하느냐? 강은 탄소 함유량이 2%인 부분까지이니까 여기 까지만 알아두면 되는 것입니다. 

 위 그림처럼 표시된 두 영역을 가지고 설명하면 좋을 것 같네요. 우선 첫 번째 영역에 대한 설명을 하려고 합니다. 요약부터 먼저 말씀드리면...

 - ① 영역에 대한 요약 -

     x 축 ( 탄소 함량) : 0~ 0.03% 사이

    철의 녹는점에 다다르는 수준의 높은 온도의 영역   

    δ 철 영역은 공학적으로 크게 의미있는 영역은 아님. 

 그럼 이제 자세한 설명을 해봐야겠네요! 

우선 ① 영역을 확대하면 위 그림과 같고요. 녹색으로 표시된 영역은 δ 철 영역이라하며 공학적  관점에서는 큰 의미가 없는 영역입니다. 왜? 저 영역은 고온에서만 존재하는 영역입니다. 우리가 쓸 철 - 탄소 혼합물은 실온에서 쓰일거잖아요? 실온으로 가면서 저 영역.. 그러니까 δ 철은 이미 다른 물질로 변해버렸기 때문에.. 실온에 쓰이는 철 - 탄소 혼합물은 아니며, 그렇기 때문에 공학적으로 의미가 없는 것이지요. 

  그리고 이 영역의 철에 들어있는 탄소의 함량은 전체 중량의 0~0.03% 정도 섞여 있습니다. 온도가 높은 순수한 철이며 , 온도가 낮더라도 순수한 철은 공학 재료로 거의 쓰지 않습니다.

 δ 철 영역의 오른쪽 위쪽은 δ 철과 액체가 섞여있는 영역이고요. 오른쪽 아래는

δ 철과 γ 철이 섞여 있는 영역입니다. 

 δ 철에 대해 간략히 설명을 드렸으니, 이제부터 중요해질 γ 철 영역에 대해서 설명해보겠습니다. 이 부분은 굉장히 중요한 부분이니 꼭 여러번 읽어보시고 확실히 이해해주시길 바랍니다!

 - ② 영역에 대한 요약 -

     x 축 ( 탄소 함량) : 0.03~ 2.00% 사이

    이 영역은 탄소 함유량 0.76%가 가장 중요한 부분 (공석 반응 지점)

    0.76%, 0.022%~0.76%, 0.76%~2.00% 세 가지 경우의 공석 반응 결과가 있음

    냉각에 걸리는 시간을 아주 천천히 할 경우 경우에 따라 반응의 결과가 각각 다르므로        강을 냉각시키게 되면 강 재료를 이루는 결정의 비율이 정말 다양해짐을 추론 가능

 γ 철 영역에 대해 말씀드려보겠습니다. γ 철은 다른 말로 오스테나이트 (Austenite)라고도 부르니 둘을 연관지어 꼭 외우시길 바랍니다. 

이 파트에서 알아둬야할 내용

1. 강의 공석 반응 : γ 고용체 ↔ α 철 + Fe3C(시멘타이트)

    강의 공석 반응은 어떤 고체가 특정 온도에서 두 종류의 고체 결정으로 변함

 공석 반응이란 쉽게 말하면 고체입자가 두 종류의 고체입자로 변하는 화학반응이라고 보시면 됩니다. 

 가장 중요한 부분만 표기를 했는데요. 이 부분을 알아야 강의 열처리를 이해하는 데 한 걸음 앞으로 갈 수 있기 때문입니다. γ 철 영역은 727ºC 탄소함유량 0.76% 인 부분 근처가 중요한 부분입니다. 이 부분에서 아까 위에서 언급한 공석 반응이라는 특수한 화학 반응이 발생합니다. 하지만 이 공석 반응도 세 가지 경우로 나뉠 수 있는데요. 

 우선 첫 번째로 정확히 탄소 함유량이 0.76% 인 경우에 일어나는 공석 반응입니다. 아주 천천히 냉각을 한다고 가정하고 이야기를 해보죠. 점선 xx' 를 기준으로 보면 a 점에서는 전부 오스테나이트 상태로 있지만 b 점을 지나면서 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 변합니다. 페라이트와 시멘타이트가 같이 있는 경우를 또 펄라이트 (Pearlite) 조직이라고도 합니다. 727도씨를 기준으로 변했네요. 

 그럼 이제 두 번째 경우! 탄소 함유량이 0.76% 이하인 경우.. 더 정확히 말하면 0.022% ~ 0.76% 사이 인 경우 공석 반응은 어떻게 될까요? 이 경우에는 아공석 합금이란 것이 생깁니다. 아공석합금을 더 쉽게 말하면 아공석강이라고도 합니다. 

점선 yy' 위에 점 c, d, e, f 에서 어떻게 변하는지 봅시다. 일단 온도가 c 에서 e 까지 내려가게 되면 점점 페라이트 입자의 크기가 커짐을 말하고 있습니다. 그 상태에서 f 점으로 내려가게 되면 f 점에서의 그림이 조금 복잡하게 되어있지요? 그 부분을 한 번 깊게 바라봅시다. 

저 그림에서 T_e 온도, 그러니까 e 점에서 f 점으로 변하게 될 경우 오스테나이트는 공석 반응에 의해 펄라이트로 변하게 될 것입니다. 이것까지는 공석점(탄소 함유량 0.76%)인 경우와 같습니다. 다만 한 가지 차이는 초석 페라이트(proeutectoid ferrite)와 공석 페라이트(eutectoid ferrite)가 표기되어 있는데요. 이렇게 생각하면 됩니다. 탄소 함유량이 0.76%인 경우에는 오스테나이트가 다른 기타 상들이 없이 펄라이트로 다 변했다면....

지금 상태는 탄소 함유량이 0.76%에서 부족한 상태인 것입니다. 이 상태는 탄소가 부족한 상태이므로 순철쪽이 더 남아돌겠지요. 그래서 순철인 페라이트 입자가 추가로 발생하게 된 상태인 것입니다. 

 자 그럼 탄소 함유량이 0.76%~2.00%인 경우는 어떻게 될까요? 이런 경우에 생기는 공석강을 과공석합금이라고 합니다. 아공석합금과 마찬가지로 이런 경우를 또 과공석합금이라고도 합니다.  이번에는 아공석합금과 반대로 시멘타이트가 더 생깁니다. 아까 아공석강은 탄소가 부족한 쪽이라서 순철인 페라이트가 추가로 생기는 것이라고 했었습니다. 그렇다면 이 경우는 탄소 함유량이 0.76% 보다 많고, 그렇게해서 탄소를 많이 가진 시멘타이트가 공석보다 많은 상태이므로 추가로 시멘타이트가 더 생기는 것입니다. 다만 추가로 생기는 것은 하나인데요. 이걸 초석 시멘타이트 (Proeutectoid cementite)라고 합니다. 

 이 부분에서 알 수 있는 점은 강이 냉각되면서 강을 구성하는 결정에 여러 경우의 수가 존재함을 알 수 있습니다. 탄소가 얼마나 있느냐에 따라 오스테나이트 상태에서 냉각될 때 펄라이트만 있을지, 페라이트와 같이 있을지, 아니면 시멘타이트랑 같이 있을지... 여러 경우의 수가 있게 되는 것이죠. 이래서 목표로 하는 성능의 강 재료를 만드는 것이 어려운 것입니다. 

그리고 만약 강을 냉각시키는 시간이 달라진다면 이 복잡함은 더더욱 더 복잡하게 될 것입니다. 그러므로 다음 포스팅은 강을 냉각시키는 시간을 달리 했을 때 어떠한 조직이 또 석출될 수 있는지에 대해서 말씀드려보려합니다.