꿀잼 기계항공공학

 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.