기본열처리 - 담금질 (Quenching)

<구분>

• 기본 열처리
  • 담금질  (Quenching) ★
  • 뜨임 (Tempering)
  • 풀림, 소둔 (Annealing)
    • 완전소둔 (Full Annealing)
    • 구상화 소둔 (Sphericidizing Annealing)
    • 재결정 소둔 (Recrystallization Annealing)
    • 응력제거 소둔 (Stress Relief Annealing)
    • 균질화 소둔 (Homogenizing Annealing)
  • 불림 (Normalizing)

1. 개요

 

1) 담금질 정의 (Quenching)

 탄소강의 경도를 크게 하기 위해서(경화) 적당한 온도까지 가열 후 급랭시키는 방법 
기본적으로 탄소강에서는 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 행한다 

파란 부분이 퀜칭. 위 이미지는 QT열처리의 기본 프로세스.뿌리산업백

 

2) 담금질 공정 

• 아공석강 : A3변태점 이상까지 가열 
• 과공석강 : A1변태점 이상까지 가열 
• 냉각 : 기름에서 유냉 (물 대비 냉각효과는 떨어지지만 합금강의 담금질에 적당함. 물은 냉각효과가 뛰어나지만 강 표면의 기포막에 의해 냉각을 방해받아 불균일한 균열이 생길 수 있음) 

 

[열처리|금속재료, 2023] Fe-C계 평형상태도에서 공석반응(eutectoid reaction)과 공정반응(eutectic reaction)

 

3) 원리

• 최소 Ar1점 이상의 온도까지 가열하여 유지 후 냉각하지 않으면 경화되지 않음 
• 근데, 강을 Ac1점 이상으로 가열 후 급격히 냉각하면 변태에 요하는 시간이 주어지지 않고 1단 변화 진행 중 강의 온도가 현저히 저하되어 변화를 마칠 무렵 온도 저하로 2단 변화가 발생하지 못하고 불안정한 상태로 남게 됨 
• 냉각속도가 빠르면 잔류오스테나이트 + 마르텐사이트 조직이 얻어짐
• 냉각속도가 완만하면 2단변화가 다소 진행된 트루스타이트 조직히 형성됨 
• 탄소량이 적으면 마르텐사이트 생성량도 적으므로 경도도 낮음 

TTT선도. Ms로 들어가 Mf로 나와야 마르텐사이트가 형성된다(유냉)

 

※ Ar변태 정리 

- 철 원자의 격자가 r철의 배열(면심입방격자)로부터 a철의 배열(체심입방격자)로 변화
- 탄소가 시멘타이트로서 철 원자가 격자로부터 유리됨 

즉, 탄소를 고용한 r철(오스테나이트) → 탄소를 고용한 a철 (마르텐사이트) → a철과 시멘타이트 혼합물(펄라이트)

 

 

2. 담금질에 대한 고찰 

 

1) 담금질 경도 

강의 담금질 경도는 강 중의 C% (탄소 함량)에 따라 변화함
0.6%까지는 경도가 증가하나, 0.6% 이상부터는 경도가 오르지 않음 

탄소 함량에 따른 경도 추이

 

2) 냉각속도에 따른 변태점 변화

냉각속도 : 수냉 > 유냉 > 공냉 > 서냉 > 노냉 

냉각속도에 따른 변태점 변화

3) 질량 효과

담금질시 큰 소재에서 표면은 냉각속도가 크지만 소재 내부는 냉각속도가 작음 
표면은 담금질이 잘 되나 내부는 담금질이 적게 된다 
동질의 재료일때, 직경이 큰 것보다 작은 것이 담금질이 더 잘되고 경화됨

이와 같이 질량이 다르면 경화층 깊이가 다른 형상을 질량효과라 하고, 내부까지 담금질이 제대로 되지 않은 것을 질량 효과가 크다고 표현함 (보통강은 질량효과가 크지만 고합금강같은 특수강은 질량 효과가 작다) 

 

 

4) 담금질 균열 

강재는 급냉할때 체적이 급격히 팽창하여, 특히 마르텐사이트로 변태할때 발생한 팽창은 균열을 수반함 
담금질시 발생하는 균열을 담금질 균열

 

(1) 주요 원인

• 내외부 팽창온도 차이에 따른 내부응력 과다 
• 담금질 후 2~3분 경과시 균열 : 오스테나이트가 마르텐사이트로 변하면서 체적팽창에 의한 균열
• 담금질 직후 균열 : 외부는 급속한 냉각으로 수축, 내부는 냉각속도가 느려 펄라이트 조직으로 변하여 팽창되고 이때의 내부응력이 균열의 원인이 됨  (내외부 냉각속도의 차) 
• 그 외 슬래그 등의 불순물 존재시
• 결정립 조대
• 담금질이 불균일할때
• 설계가 부적당할때 발생

(2) 대책

• 담금질성이 좋은 강재 선택
• 담금질 후 상온까지 냉각시키지 않고 200도 정도의 온도에서 적당한 시간 유지
• 유중에서 서냉

 

5) 강의 담금질 조직 

① 마르텐사이트 조직 (BCT 구조)

마르텐사이트 조직은 강의 열처리 조직 중 가장 경화된 침상조직 (여림). 조직의 변태는 300도 부근에서 발생

오스테나이트를 급냉하게 되면 내부에 안정적으로 자리하던 탄소원자가 확산하지 못하고 대부분 a철 내에 고용상태로 남아있게 되고, BBC 격자(a철) 구조에 탄소가 억지로 고용(끼어있는)상태가 되어 BCT구조가 됨 

이때 격자는 팽창될 수밖에 없음 (마르텐사이트가 약 4%  부피가 큼) → 담금질 균열이 발생하는 이유

격자 팽창으로 인한 응력, 억지로 고용되어있는 탄소가 전위의 이동을 방해하고 경화된 상태가 유지됨 

② 투르스타이트 조직

투르스타이트는 350 ~ 450도에서 변태가 일어나고 유냉으로 얻을 수 있음

마르텐사이트보다 경도는 적으나 인성이 크고 탄성한도가 크다

③ 소르바이트 조직 

투르스타이트보다 냉각속도가 느릴때 발생, 500 ~ 600도에서 나타남

경도 및 강도는 투르스타이트보다 떨어지지만 인성이나 탄성이 커서 스프링, 와이어 및 로프 재질로 적합