담금질은 강의 강도와 경도를 증가시킬 수 있으므로 열처리에서 중요한 역할을 합니다. 담금질과 템퍼링을 서로 다른 온도에서 병행하면 다양한 용도에 맞게 강도, 가소성, 인성의 조합을 얻을 수 있습니다.
담금질 개요
담금질은 열처리 강을 임계점 Ac3(아공석강의 경우) 또는 Ac1(과공석강의 경우) 이상의 온도로 가열하고 일정 시간 동안 유지하여 완전 또는 부분 오스테나이트화를 달성하는 공정입니다. 이후, 과냉각된 오스테나이트를 마르텐사이트 또는 저베이나이트 미세조직으로 변태시키기 위해 임계 담금질 속도 이상의 속도로 냉각합니다.
담금질의 목적은 과냉각된 오스테나이트를 마르텐사이트 또는 베이나이트로 변태시켜 특정 미세조직을 얻는 것입니다. 템퍼링 다양한 온도에서 이러한 열처리는 강철의 강도, 경도, 내마모성, 피로 강도 및 인성을 향상시켜 기계 부품의 작동 요건을 충족합니다. 담금질은 특정 강철의 강자성 또는 내식성과 같은 특정 물리적 또는 화학적 요건을 충족하는 데에도 사용될 수 있습니다.
담금질의 원리
담금질 공정의 기본 원리는 금속 소재를 특정 온도까지 빠르게 가열하고, 내부 조직을 오스테나이트로 변태시킨 후, 담금질 매체에 빠르게 담그는 것입니다. 이러한 급속 냉각은 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 경화된 상을 생성하여 금속의 경도, 강도 및 내마모성을 향상시킵니다.
1. 오스테나이트화
온도 조건
강은 아공정강 또는 과공정강의 임계점 이상의 온도로 가열됩니다. 이 온도 범위에서 결정 구조가 변하여 상온에서 존재하는 페라이트와 시멘타이트가 점차 오스테나이트로 변태합니다. 오스테나이트는 γ-Fe에 탄소가 침입형으로 고용된 면심 입방 구조를 가진 고용체로, 높은 탄소 용해도, 낮은 강도, 높은 소성을 특징으로 합니다.
열 보존
온도를 유지하는 목적은 가공물의 내부 온도를 균일하게 유지하여 전체 구성품이 완전히 오스테나이트화되어 이후의 급속 냉각 및 구조적 변형에 대비할 수 있도록 하는 것입니다.
2. 냉각 및 미세구조 변형
냉각 속도
냉각은 임계 냉각 속도보다 훨씬 빠른 속도로 진행됩니다. 임계 냉각 속도는 담금질 중 강이 마르텐사이트 조직을 얻는 데 필요한 최소 냉각 속도로 정의됩니다. 냉각 속도가 이 임계 속도보다 낮으면 강이 냉각 과정에서 펄라이트 또는 베이나이트를 형성하여 의도한 경도와 강도를 달성하지 못할 수 있습니다.
변환 과정
급속 냉각 시 오스테나이트 조직은 불안정해지고 상변화를 일으킵니다. 과냉각된 오스테나이트는 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 경화된 상으로 변태합니다. 마르텐사이트는 알파-Fe에 탄소가 과포화되어 고용된 체심 정방정계 조직으로, 매우 높은 경도와 강도를 특징으로 합니다.
성능 향상
담금질을 통해 얻은 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직은 금속 가공물의 경도, 강도 및 내마모성을 크게 향상시킵니다. 예를 들어, 담금질된 강철 부품 표면 경도가 크게 증가하여 마모와 변형에 대한 저항성이 우수합니다.
담금질 매체
시간-온도-변태(TTT) 곡선에서 알 수 있듯이, 담금질 속도에 따라 결과가 달라집니다. 금속마다 균열 없이 견딜 수 있는 담금질 속도가 다릅니다. 금속마다 특정 접근 방식이 필요하지만, 담금질은 주로 냉각 속도에 따라 결정됩니다.
일반적으로 냉각 속도를 제어하는 주요 방법은 담금질 매체의 선택입니다. 매체의 온도는 이론적으로 조절 가능하지만, 비열과 비등점은 냉각 속도를 결정하는 결정적인 요소입니다. 가장 일반적인 담금질 매체로는 물, 소금물(소금물), 오일, 액체 질소, 공기 등이 있으며, 각각 장단점이 있습니다.
물
물은 가용성과 빠른 담금질(quenching)을 유도하는 능력 때문에 가장 널리 사용되는 매체 중 하나입니다. 물은 불연성이며 높은 비열과 증발 잠열을 가지고 있습니다. 그러나 끓는 과정에서 열전도도를 감소시키는 기포(라이덴프로스트 효과)가 발생하여 결국 담금질 속도가 느려집니다.
소금물
소금물은 물에 소금을 첨가한 것입니다. 소금은 물의 끓는점을 높여 끓는 동안 기포 발생을 줄이고 담금질 속도를 높입니다. 단점은 소금이 특정 합금을 부식시키거나 화학 반응을 일으킬 수 있다는 것입니다.
피에 칼을 담금질한다는 전설에 대해 말씀드리자면, 피에는 용해된 전해질(소금)이 포함되어 있기 때문에 담금질의 관점에서 보면 약한 소금물과 유사한 기능을 합니다. 또한 피에는 응고되어 칼날에 달라붙어 라이덴프로스트 효과를 약화시킬 수 있는 유기 화합물이 포함되어 있습니다. 또한 혈액 속의 탄소 분자가 반응하여 표면에 미세한 탄화물을 형성할 수도 있습니다.
기름
오일은 균열 완화에 효과적인 중속 담금질제입니다. 하지만 오일 표면으로 인한 화재 위험이 큰 단점이 있어 공정 중 극도의 주의가 필요합니다.
액체 질소
액체 질소는 물보다 초기에는 더디게 급냉되는데, 이는 질소가 즉시 기화되어 열전도도가 낮은 층을 형성하고, 열용량과 기화열이 더 낮기 때문입니다. 그러나 액체 질소는 궁극적으로 재료를 훨씬 낮은 최종 온도로 냉각시키는데, 이는 특정 합금(예: 특정 스테인리스강)의 마르텐사이트 석출에 필수적입니다.
비행기
공기 급냉은 일반적으로 시료 위로 차가운 공기를 빠르게 불어넣어 이루어집니다. 비용이 저렴하고 공기 속도를 조절하여 제품의 각 부분에 대한 냉각 속도를 제어할 수 있기 때문에 산업 현장에서 흔히 사용됩니다. 일반적으로 가장 느린 매체이지만, 일부 합금은 정지된 공기 중에서 냉각하더라도 급냉된 미세조직을 얻을 수 있습니다.
담금질 단계
합금은 임계 온도보다 30~50°C 높은 온도로 가열됩니다. 입자 성장을 방지하기 위해 이 온도에서 장시간 노출은 피해야 합니다.
산화에 민감한 합금의 경우, 가열은 진공 상태에서 수행해야 합니다. 또는 합금을 진공 상태이거나 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워진 석영 관에 밀봉할 수 있습니다.
합금은 급속 냉각이 필요한데, 이는 주로 담금질 매체에 의해 제어됩니다. 일반적으로 소금물은 실용적인 매체 중 가장 빠른 반면, 액체 질소는 냉각 속도 측면에서 상대적으로 느립니다.
합금이 너무 빨리 냉각되면 균열이 발생할 수 있고, 너무 느리게 냉각되면 준안정상이 형성되지 않을 수 있습니다. 최적의 담금질 속도는 시간-온도-변태(TTT) 도표를 사용하여 결정해야 합니다.
