기계공학 - 이론 및 실제/기계공작법과기계재료
강의 열처리 7편 - 담금
공돌이인생무상_티스토리
2023. 9. 16. 23:07
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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
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