본문내용
1. 탄소강 열처리의 이해
1.1. 열처리의 개요
열처리란 재료의 가열과 냉각의 조작을 통하여 원하는 성질로 변화시키는 것이다. 즉, 금속의 잔류응력을 감소하거나 내부 조직을 변화 시켜서 필요한 기계적인 성질을 얻는 것을 말한다. 열처리를 통하여 모든 상업기계, 구조물, 모든 소성가공,형상물 등에 적용하여 그 성질에 적합하도록 변화시킬 수 있게 된다.
열처리의 주요 목적은 경도나 항장력을 확대하며 조직 연화 및 기계가동에 적합한 재료를 제작할 수 있다는 것이다. 또한 조직 미세화로 방향성을 작게 하고 편석이 균일한 상태로 변환할 수 있으며 중간 풀림 열처리를 통하여 냉간가공의 영향을 제거할 수 있게된다. 그 이외에도 변형방지 및 응력제거, 조직의 안정화, 내식성의 개선 자성 향상, 표면경화 등의 목적이 있다.
열처리의 일반적인 방법으로는 서냉(로냉), 공냉, 수냉(급랭) 등이 있다. 서냉은 일반적으로 열처리 공정에서 고온에서부터 천천히 냉각시키는 경우 또는 어느 온도까지 가열하여 천천히 냉각시키는 조작이다. 공냉은 일정 시간 가열 후 공기 중에서 냉각하는 열처리 방법이며, 수냉은 오스테나이트화 온도로부터 급랭하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜서 강을 경화하는 열처리 방법이다.
1.2. 탄소강의 다양한 상변태
탄소강은 철과 탄소의 합금으로 다양한 상변태를 겪는다. 먼저 탄소강의 주요 상은 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트 등이 있다.
페라이트는 체심입방정(BCC) 결정구조를 가지며, 최대 0.02wt%의 탄소를 고용할 수 있다. 오스테나이트는 면심입방정(FCC) 결정구조로 최대 2.12wt%의 탄소를 고용할 수 있다. 시멘타이트는 Fe3C의 화학식을 가지는 철 탄화물이며 매우 단단하고 취성이 크다. 마르텐사이트는 오스테나이트가 급냉되어 무확산 변태로 형성되는 상으로, 과포화 고용된 탄소 때문에 체심정방정(BCT) 결정구조를 갖는다.
이들 상들의 변태는 Fe-Fe3C 상태도를 통해 이해할 수 있다. 오스테나이트 영역에서 점진적으로 냉각되면 공석반응에 의해 펄라이트가 형성된다. 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트의 층상구조이다. 냉각 속도가 더욱 빨라지면 마르텐사이트 변태가 일어나게 된다. 마르텐사이트는 오스테나이트 내 탄소 원자들이 확산되지 못한 채 무확산 변태로 생성되는 상이다.
이처럼 탄소강은 열처리 공정에 따라 다양한 미세조직 변화를 겪는데, 이는 곧 기계적 성질의 변화로 이어진다. 따라서 열처리 공정 최적화를 통해 요구되는 기계적 성질을 달성할 수 있다.
1.3. 냉각 속도에 따른 미세조직 변화
금속의 냉각 속도는 그 미세조직 변화에 큰 영향을 미친다. 금속의 냉각 속도가 느리면 확산에 의한 상변태가 일어나 조대한 결정립이 형성되지만, 냉각 속도가 빠르면 무확산 상변태가 일어나 미세한 조직이 형성된다.
철-탄소 합금계의 경우, 냉각 속도에 따라 페라이트, 펄라이트, 마르텐사이트와 같은 서로 다른 미세조직이 나타난다. 느린 냉각 속도에서는 탄소의 확산이 원활하여 페라이트와 시멘타이트가 층상구조를 이루는 펄라이트가 형성된다. 반면 급냉의 경우, 탄소 원자의 확산이 억제되어 오스테나이트 상이 변태되지 않고 마르텐사이트가 생성된다.
구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저 노냉(로냉)의 경우 오스테나이트가 천천히 냉각되면서 탄소 원자의 확산이 원활하게 일어나 페라이트와 시멘타이트가 층상구조의 펄라이트를 생성한다. 이때 결정립이 조대하게 성장한다.
공냉의 경우 오스테나이트가 공기 중에서 냉각되므로 노냉보다는 빠른 속도로 냉각된다. 이에 따라 초석 페라이트가 먼저 생성되고 이후 펄라이트가 형성된다. 노냉에 비해 결정립 크기가 작다.
수냉의 경우 오스테나이트가 물 속에서 급격하게 냉각되므로 탄소 원자의 확산이 충분히 일어나지 못한다. 이에 ...
1
2
3
4
5
6
7
8