항온열처리(Isothermal Heattreatment), 오스템퍼링, 마퀜칭, 마템퍼링, 항온뜨임, 항온불림, 항온풀림

 

<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)
• 항온열처리 ★
  • 오스템퍼링 (Austempering)
  • 마퀜칭 (Marquenching)
  • 마템퍼링 (Martempering)
  • 항온뜨임 (Isothermal Tempering)
  • 등온풀림 (Isothermal Annealing)
• 시효경화열처리 
• 심냉처리

<기출>

• 기계 16-1-1 항온열처리 중 오스템퍼 (Austempering)의 정의와 특징에 대하여 설명하시오 
• 금속 14-4-1 ADI (Austempered ductile iron) 제조 방법 및 특성에 대하여 설명하시오 

 

1. 개요

 

1) 항온열처리 정의

 담금질과 뜨임의 두 가지 열처리를 동시에 할 수 있는 열처리법 
변태점 이상으로 가열한 강을 보통의 열처리와 같이 연속적으로 냉각하지 않고 염욕 중에 퀜칭 (혹은 그 밖의 열처리)하여 그 온도로 일정한 시간 항온 유지 후 냉각하는 열처리 

 

 

2) 목적 (이점)

• 퀜칭과 템퍼링을 같이 할 수 있고 (별도의 템퍼링이 불필요하여 공정 수를 줄일 수 있음. ex 베이나이트 형성)
• 퀜칭 균열을 방지할 수 있음
• 경도와 인성이 동시에 요구되는 공구강, 합금강의 열처리에 사용됨 

 

3) 항온열처리 종류

• 오스템퍼링 (Austempering)
• 마퀜칭 (Marquenching)
• 마템퍼링 (Martempering)
• 항온뜨임 (Isothermal Tempering)
• 등온풀림 (Isothermal Annealing)

4) 강의 항온변태선도, TTT선도 (Time-Temperature-Transformation Diagram) 

• nose온도 위에서 항온변태시키면 펄라이트 (페라이트, 시멘타이트가 반복되는 층상의 형태) 
• nose온도 밑에서 항온변태시키면 베이나이트 (침상에 가까운 형태)

강의 항온변태선도, TTT선도

 

 

2. 항온열처리 구분 

 

1) 오스템퍼링 (Austempering)

Ms 상부과냉 오스테나이트에 변태가 완료될 때까지 항온 유지하여 베이나이트를 충분히 석출시킨 후 공랭하는 열처리 
베이나이트 담금질이라고도 함 
뜨임할 필요가 없고 오스템퍼링한 강은 Hrc 35 ~ 40으로서 인성이 크고 담금질 균열 및 변형이 잘 생기지 않음 

좌측이 오스템퍼링, 우측은 일반적인 담금질 후 템퍼링, HRD

(1) 오스템퍼링 특징

• 보통의 담금질과 템퍼링에 비해 연신율과 충격치 등이 우수 (베이나이트 특징) 
• 강인성이 풍부한 재료를 얻을 수 있음 
• 담금질 균열과 비틀림 등이 생기지 않음 
• 열욕 온도까지 100%의 오스테나이트 조직을 형성한 뒤 항온 유지하여 베이나이트 변태를 해야하므로, 제품의 크기가 작아야함 
• 아래 그래프를 보면, 급랭속도가 a같이 빠를때는 코를 지나쳐서 항온변태를 해서 오스테나이트를 모두 베이나이트로 변태시킬 수 있으나, 냉각속도가 b처럼 느려지면 일부분이 펄라이트 변태를 일으킴 (이때는 코 시간이 점선처럼 우측으로 가야 가능함)
• 즉, 제품의 크기가 일정하면 코 시간이 긴 강일수록 냉각속도가 느려도 베이나이트 조직으로 만들 수 있음 
• 오스템퍼링 이후 300~400도에서 1~10시간 가열하면 시효(aging)에 의해 강인성이 증가하게 되는데, 이것을 템퍼드 베이나이트(tempered bainite)라 함 

S곡선 코 위치와 냉각 속도와의 관계 , HRD

(2) 오스템퍼링에 사용되는 염욕(Salt Bath)제 종류

염욕 혹은 금속욕시 염욕제 종류 및 용융 온도, HRD

하부 베이나이트 조직, HRD

 

2) 마퀜칭 (Marquenching) 

일종의 중단 담금질, Ms보다 다소 높은 온도의 염욕까지 담금질 한 후 내부와 외부 온도가 균일하게 될때까지 항온유지 시킨다음 마르텐사이트 변태를 시켜 담금질 균열과 변형을 방지함 
합금강, 고탄소강, 침탄부 등의 담금질에 적합하여 복잡한 물건의 담금질에 사용함

2024.04.09 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 열처리 결함, 퀜칭균열, 산화, 탈탄현상

열처리 결함, 퀜칭균열, 산화, 탈탄현상

마퀜칭, 마르텐사이트 변태시 공랭(서랭)시킨다

(1) 마퀜칭 과정

1. Ms점 직상으로 가열된 염욕에 담금질 (thermoquenching)
2. 담금질 한 재료의 내외부가 동일 온도에 도달할 때까지 항온유지
3. 꺼낸 후 공랭하여 Ar''변태(마르텐사이트 변태)를 진행시킴 
   이때 얻어진 조직은 마르텐사이트이며, 마퀜칭 이후 템퍼링하여 사용하는것이 일반적임

(2) 마퀜칭 특징

• 내, 외부 온도가 동일할때까지 유지 후 퀜칭하여 강재 내 외부가 동시에 마르텐사이트 변태를 하기 때문에 균열과 비틀림 등이 생기지 않음 
• 해당 강재의 Ms점은 탄소, 망간, 바나듐, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴, 텅스텐, 규소, 코발트 함량을 기반으로 계산

(3) 마퀜칭 유의사항

• 마퀜칭 열욕온도는 200도까지는 광물유, 그 이상 온도에서는 염욕 혹은 금속욕이 좋음 
• 열욕에 유지하는 시간은 소재 내 외부가 동일할때까지 진행하나, 너무 길어지면 항온변태가 발생하므로 좋지 않음 (S곡선 우측으로)
  : Ms점 직상은 잠복기간이 가장 긴 곳 (가장 오래 있어도 항온변태가 일어나지 않는 지점)
• Ms점 이하에서 서냉(공냉)하기 때문에 오스테나이트가 안정되어 잔류오스테나이트가 많아짐. (고탄소강일수록 수중 냉각 대비 경도가 약간 저하됨) : 마퀜칭 직후 소정의 온도로 템퍼링 or 퀜칭처리 필요

기본열처리 - 뜨임 (Tempering)

• 담금균열(quenching crack)이 생기지 않아 담금질에 인한 내부응력이 없으며, 치수 변형이 적으므로 형상이 복잡한 제품에 적합

3) 마템퍼링 (Martempering)

오스템퍼링보다 낮은 온도 (Ms온도 이하)인 100 ~ 200도에서 항온유지 후 공랭하는 열처리 
오스테나이트에서 마르텐사이트 + 베이나이트 혼합 조직으로 변태

마르템퍼링

(1) 마템퍼링 특징

• 경도가 상당히 큼
• 인성이 우수(충격치 우수) 
• 유지시간이 길어 대형의 제품에는 부적당함 
• 담금질 균열, 담금질 스트레인을 제외할 수 있으므로 복잡한 형상의 소형부품에는 마르템퍼 처리가 많이 사용됨 

 

4) 항온뜨임 ( Isothermal Tempering)

Ms온도 직하에서 열욕에 넣어 유지시킨 후 공랭하여 마르텐사이트와 베이나이트가 혼합된 조직을 확보 
마르텐사이트 내에 일부 베이나이트 조직을 얻기 때문에 베이나이트 템퍼링이라고도 함 
뜨임에 의해 2차 경화되는 고속도강이나 공구강 등에 효과적임 (고속도강의 뜨임에 응용)

담금질했던 고속도강을 뜨임할 경우 뜨임온도에서 300도 부근에 열욕조에 투입하여 등온 유지함으로써 베이나이트를 만드는 열처리방법, 베이나이트 뜨임이라고도 함 

템퍼링 온도로부터 항온유지시켜 2차 베이나이트가 생겨나지 않음 (고속도강의 특성 보완)

 

 

5) 항온풀림 (Isothermal Annealing)

풀림온도로 가열한 강재를 S곡선의 코(nose) 부근 온도인 600 ~ 650도에서 항온변태시킨 후 공랭 
펄라이트 변태가 비교적 빠른 속도로 진행됨
처리시간이 단축되고, 연속잡업에 의한 대량생산이 가능함
공구강, 합금강 등 자경성 (Self Hardening)이 있는 강에 적합함 

항온풀림

(1) 항온풀림 목적

• 펄라이트의 빠른 변태 
• 처리시간 단축
• 연속작업에 의한 대량생산 

6) 항온 불림 (Isothermal Normalizing) 

불림 온도에서 약 550도의 등온로에 넣어 등온변태시킨 후 공랭하는 방법 
불림온도로부터 등온도까지의 냉각시간은 5 ~ 7분이 적당, 열풍냉각법 적용 

 

항온풀림 및 항온불림

 

3. 고찰

 

1) ADI (Austempered ductile iron) 제조 방법 및 특성

"ADI(Austempered Ductile Irons) 기술개발 및 응용" 논문 참조
 
구상흑연주철에 오스템퍼링을 적용한 것 
ADI의 성능이 아주 우수하여 종래의 침탄 열처리된 단조 부품을 경제적으로 대체할 수 있음 (기어 재질로 사용) 

베이나이트와 탄소가 강화된 잔류 오스테나이트의 복합미세조직 

ADI 조직, 침상 페라이트와 잔류오스테나이트, 구상흑연이 혼재되어있음

(1) 제조 방법 : 오스템퍼링한다

• 오스테나이트화 온도의 범위는 815 ~ 925도 사이 
• 노내 온도 편차를 6도 이내로 제어 
• 오스테나이트 처리 시간은 0.5 ~ 4시간 사이가 통상적임 
• 오스템퍼링 온도는 통상 205도에서 400도 범위 내에서 선택 (온도 편차 6도 이내) :
• 해당 온도까지 급냉(담금질) 후 항온 유지한다 
• 고강도가 필요할 경우 낮은 온도를 선택하여 하부 베이나이트의 미세조직 확보
• 고연신율이 필요할 경우 높은 온도를 선택하여 상부 베이나이트의 미세조직을 확보 
• 이와 같이 온도를 임의로 선정하여 강도와 연신율을 효율적으로 조정 

(2) 특성

ADI는 금속결합성이 강한 잔류오스테나이트에 의해 인성이 향상되고, 공유결합성이 강한 베이나이트에 의해 강도가 높아짐

• 고강도 
• 고연성
• 고인성
• 파괴인성 우수 (fracture toughness) 
• 내피로성 우수 
• 내마모성 우수 (오스테나이트 가공경화) 

파괴인성값의 척도인 Kc값, 아주 높음

 

기본열처리 - 노말라이징 (Normalizing, 불림, 소준)

 

재결정 (recrystallization), 재결정온도, 냉간가공, 열간가공

 

구상흑연주철의 페딩 현상, 페이딩 현상 (Fading)