심냉처리, 심랭처리, 서브제로처리 (Sub - Zero Treatment)

 

<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)
• 가공열처리 (thermomechanical treatment)
  • 오스포밍 (Ausforming)
  • 아이소포밍 (isoforming)
  • 가공퀜칭
  • 열간가공(제어압연)
  • 오스템퍼링 (Austempering)
• 시효경화열처리
• 심냉처리 ★

<기출>

• 기계 22-4-6 특수 열처리인 서브제로처리(Sub-zero treatment)의 기능에 대하여 설명하시오.
• 기계 16-1-9 게이지 부품의 경우 담금질 직 후 실시하는 심냉처리에 대해 설명하시오.
• 금속 22-1-9 심냉처리 (sub zero treatment)를 설명하시오
• 금속 15-2-6 STDll 강종의 금형을 열처리하였더니 잔류오스테나이트가 형성되었다. 가) 이 금형 이 잔류오스테나이트와 관련되어 발생할 수 있는 문제점을 쓰시오. 나) 잔류오스테나이트는 어떻게 형성되는지 설 명하시오- 다) 잔류오스테나이트 제거를 위한 심냉처리 (sub -zero-treatment) 방법을 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 심랭처리, 서브제로처리 (Sub-Zero Treatment) 정의

 0도 이하의 온도, 즉 심랭 (sub-zero)온도에서 냉각시키는 조작을 심랭처리라 함 

 

2) 목적

• 경화된 강 중의 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트화시키는 것 
• 공구강의 경도증가 및 성능향상을 얻을 수 있음 (마르텐사이트화) 
• 게이지와 베어링 등 정밀 기계 부품의 조직을 안정시킴 (잔류 오스테나이트는 잔류응력과 치수 변화를 야기한다) 
• 시효에 의한 형성과 치수 변화를 방지 (시효에 따른 잔류오스테나이트의 변태 방지)
• 특수 침탄용강의 침탄 부분을 완전히 마르텐사이트로 변화시켜 표면 경화 
• 스테인리스강에는 우수한 기계적 성질 부여 

 

3) 담금질시 잔류오스테나이트가 생기는 이유

• 상온으로 퀜칭시, 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도인 Mf가 상온보다 위에 위치한다
• 따라서, 상온으로 급냉하면 마르텐사이트 변태가 전부 끝나지 못하고 잔류 오스테나이트가 형성되게 된다 

상온 퀜칭시 잔류오스테나이트가 생기는 이유

 

4) 심랭처리의 효과

• 절삭용 강에서는 기계장치가 우수해야함
  (특히 내부응력이 적은 상태로 전 오스테나이트가 마르텐사이트화되어있는게 가장 좋음)
• 고속도강에 심랭처리를 적용시 1회의 저온냉각으로 상당량의 오스테나이트가 잔류하기 때문에 마르텐사이트화하고 내부 응력을 감소시키기 위해서도 적당한 템퍼링과 조합이 필요함 
• 공구의 수명을 크게 증가시킬 수 있음 : 공랭시편은 400도 부근에서 경도 상승이 나타나도 560도에서 최고 경도에 도달하지만 심랭처리한 강은 담금질상태에서 Hrc가 1만큼 놓으나 2차 경화의 극대치는 오히려 낮고 저온쪽으로 이동 (고온취성 / 뜨임취성 방지)
• 비심랭처리 대비 내마모성(경도)이 우수해진다 

좌측은 공랭 대비 심랭처리의 경도 추이, 500도 부근에서 취성이 생기지 않는다 / 우측은 오일 퀜칭 대비 심랭처리의 경도 / 내마모성 우수성, HRD

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

 

 

2. 심랭처리의 방법 및 특징

 

1) 심랭처리 공정 

일반적으로 템퍼링 이후 바로 실시한 뒤 템퍼링처리로 마무리한다

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

• 유지시간 : 25mm 두께 당 30분 
• 냉매 : 드라이아이스와 알코올 (-78도), 액체질소 (-196도)
• 처리시기 : 담금질 직후 / 뜨임 전 

서브제로처리, HRD

2) 심랭처리 특징

• 담금질한 강을 상온에 오랫동안 방치하거나, 잔류응력 제거를 위해 템퍼링 후 심랭처리를 하면 효과가 감소함 
  (반드시 퀜칭과 템퍼링 사이에 심랭처리를 한다) 
• 일반적으로 마르텐사이트 변태의 온도구간 내에서 냉각을 중단하고 그 온도에서 장시간 유지하거나 100 ~ 200도로 가열하면 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트화는 대부분 거의 진행되지 않음 
  (다시 변태를 일으키기 위해 냉각을 시작해도 수십도 온도가 내려간 후가 아니면 마르텐사이트화되지 않음)
• 이와 같이 잔류오스테나이트는 시효 혹은 템퍼링에 의해 마르텐사이트화가 되기 어려워지며 이를 잔류오스테나이트의 안정화라고 함 (재냉각으로 마르텐사이트화가 재개되려면 어느정도 이하로 온도가 강하해야함)

 

3. 고찰

 

1) 심랭 처리시 생기는 결함 및 대책 

(1) 결함 : 서브제로균열

• 담금질 이후 상온에 방치시 잔류오스테나이트 안정화로 심랭처리가 어려워서, 담금질 직후에 심랭처리를 실시하면 담금질 스트레스와 잔류오스테나이트의 마르텐사이트화로 응력이 중복되어 서브제로 균열이 발생되기 쉽다 
• 살이 두꺼운 제품에는 반드시 생기기 쉬움 

(2) 대책 

• 서브제로균열을 방지하기 위해서는 담금질 직후 심랭처리하지 말고 100도의 끓는 물에서 1시간정도 물속에서 뜨임하는 것이 좋음 
  (저온뜨임으로 담금질 응력이 25% 감소, 200도의 뜨임처리로는 50% 응력이 감소되는 효과)
• 업-힐(up-hill) 담금질 : 심랭온도에서 물 또는 탕속에 투입하는 방법 
• 탈탄층을 제거하고 심랭처리 
• 경도측정 미실시 (압흔의 잔류응력에서 서브제로 균열 시작)