템퍼링은 다양한 강철 부품의 성능을 보장하기 위한 열처리 공정입니다. 템퍼링 공정은 자동차 엔진 부품과 대형 건설 기계의 구조 부품에 적용됩니다. 예를 들어, 자동차 변속기 기어는 정확한 동력 전달이 가능하여 담금질 및 템퍼링 후 기어박스의 원활한 작동을 보장합니다. 이 글에서는 템퍼링의 기본 원리에 대해 설명합니다.
회사 개요 of 템퍼링
템퍼링은 경화된 공작물을 Ac1점 이하의 특정 온도로 가열하고 일정 시간 동안 유지한 다음 실온으로 냉각하는 열처리 공정입니다. 템퍼링을 통해 공작물은 필요한 사용 특성을 얻게 됩니다.
강은 담금질 직후에는 거의 사용되지 않습니다. 그 이유는 담금질된 미세조직이 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트로 구성되고, 상당한 내부 응력을 동반하기 때문입니다. 마르텐사이트는 강도와 경도가 높지만, 소성이 낮고 취성이 높아 내부 응력 하에서 변형과 균열이 발생하기 쉽습니다. 또한, 담금질된 조직은 불안정하여 실온에서 서서히 분해되어 부피 변화와 소재 변형을 유발할 수 있습니다. 따라서 담금질된 부품은 사용 전에 템퍼링해야 합니다.
템퍼링의 기능
템퍼링의 목적은 다음과 같습니다.
내부 스트레스 감소
담금질된 금속 재료는 상당한 내부 응력을 가지며, 이는 부품 변형이나 균열로 이어질 수 있습니다. 템퍼링은 이러한 내부 응력을 완화하고 균형을 맞추는 효과적인 방법입니다.
예를 들어, 대형 다이와 몰드에서 담금질 후 내부 응력을 신속하게 해소하지 않으면 사용 중 금형이 심하게 변형되어 제품의 정밀도와 품질이 저하될 수 있습니다. 템퍼링은 금형 내부의 응력 분포를 더욱 균일하게 하여 구조적 안정성을 보장합니다.
경도 조절
담금질된 금속 재료는 높은 경도를 갖지만, 종종 과도하게 취성적이어서 여러 실제 응용 분야에 적합하지 않습니다. 템퍼링을 통해 응용 분야의 요구 사항에 따라 경도를 적절한 범위로 정밀하게 조정할 수 있습니다.
해머헤드나 굴삭기 버킷처럼 충격 하중을 받는 기계 부품의 경우, 템퍼링을 통해 경도를 적당히 낮추는 동시에 인성을 향상시킬 수 있습니다. 이렇게 향상된 인성 덕분에 부품은 작동 중 충격에 쉽게 파손되지 않고 더 잘 견딜 수 있습니다.
미세구조 안정화
담금질된 금속 재료의 미세조직은 준안정 상태입니다. 템퍼링은 미세조직을 더욱 안정된 형태로 변형시킵니다.
강철을 예로 들어보면, 담금질된 마르텐사이트 조직은 템퍼링 과정에서 분해되어 템퍼링 마르텐사이트, 템퍼링 트루스토이트, 템퍼링 소르바이트와 같은 더욱 안정적인 조직을 형성합니다. 이러한 조직은 우수한 종합적인 기계적 성질을 나타내어 장기간 사용 시 재료 성능의 장기적인 안정성을 보장합니다. 예를 들어, 자동차 엔진 크랭크샤프트 제조 시, 템퍼링을 통해 확보된 안정적인 조직은 고온, 고속, 고하중 조건에서 크랭크샤프트의 장기적이고 안정적인 작동을 보장하여 미세조직 불안정성으로 인한 성능 저하나 파손을 방지합니다.
강인성 향상
금속 재료의 인성은 충격이나 심한 소성 변형을 받았을 때 파괴에 대한 저항성을 측정하는 기준입니다. 템퍼링은 금속 재료의 인성을 크게 향상시킵니다.
얇은 벽으로 된 부품이나 복잡한 형상의 부품은 담금질 후 인성이 부족하면 사용 중 파손이 발생하기 쉽습니다. 템퍼링은 이러한 부품의 인성을 향상시켜 다양한 복잡한 작업 조건에 더 잘 적응할 수 있도록 합니다. 예를 들어 항공우주 분야의 핵심 부품은 비행 안전을 보장하기 위해 매우 높은 인성이 요구되므로 템퍼링 공정은 제조 과정에서 필수적인 단계입니다.
템퍼링의 종류
템퍼링 온도에 따라 3가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
저온 템퍼링(250°C 이하)
저온 템퍼링은 템퍼링된 마르텐사이트 미세조직을 생성합니다. 템퍼링의 목적은 담금질 응력과 취성을 줄이는 것입니다. 생성된 템퍼링된 마르텐사이트는 높은 경도(일반적으로 58~64 HRC), 고강도, 그리고 우수한 내마모성을 나타냅니다. 따라서 저온 템퍼링은 절삭 공구, 측정 장비, 구름 베어링, 침탄 부품, 고주파 경화 표면과 같이 높은 경도와 내마모성이 요구되는 부품에 특히 적합합니다.
중온 템퍼링(250°C – 500°C)
중온 템퍼링은 템퍼링된 트루스토타이트 미세조직을 생성합니다. 이로 인해 강은 높은 탄성 한계, 비교적 높은 강도와 경도(일반적으로 35~50 HRC), 그리고 우수한 가소성과 인성을 갖게 됩니다. 중온 템퍼링은 주로 다양한 탄성 부품과 열간 가공 금형에 사용됩니다.
고온 템퍼링(500°C – 650°C)
고온 템퍼링은 템퍼링된 소르바이트 미세조직을 생성합니다. 담금질과 고온 템퍼링을 결합한 열처리 공정을 담금질 및 템퍼링, 또는 "컨디셔닝"이라고 합니다. 컨디셔닝 후, 강은 우수한 전반적인 기계적 성질(일반적으로 220~230 HBS의 경도)을 갖습니다. 고온 템퍼링은 주로 크랭크샤프트, 커넥팅로드, 볼트, 자동차 차축, 공작기계 스핀들, 기어와 같이 중탄소 또는 저합금 구조강으로 제작된 주요 기계 부품에 적용됩니다.
성미 취성
일반적으로 담금질된 강을 템퍼링하면 강도와 경도는 감소하는 반면, 템퍼링 온도가 높아질수록 가소성과 인성은 증가합니다. 그러나 특정 온도 범위에서 템퍼링이 수행되면 강의 충격 인성이 크게 감소할 수 있습니다. 담금질된 강을 특정 온도 범위에서 템퍼링하거나 템퍼링 온도에서 이 온도 범위까지 서서히 냉각하는 이러한 취성 현상을 템퍼링 취성이라고 합니다. 템퍼링 취성은 1형과 2형으로 구분됩니다.
1형 기질 취약성
이 유형은 비가역적 템퍼 취성입니다. 담금질된 강을 약 300°C에서 템퍼링할 때 발생하는 취성으로, 1형 또는 비가역적 템퍼 취성이라고 합니다. 거의 모든 강이 이러한 유형의 취성을 나타냅니다. 이는 템퍼링 과정에서 마르텐사이트 래스 또는 플레이트 경계를 따라 불연속적인 얇은 껍질 형태의 탄화물이 석출되어 결정립계의 파괴 강도를 크게 감소시키기 때문입니다. 따라서 일반적으로 가공물은 250°C~350°C 범위에서 템퍼링 하지 않습니다 .
2형 기질 취약성
이 유형은 가역 템퍼링 취성입니다. 이 취성은 Cr, Mn, Ni와 같은 원소를 함유한 합금강에 영향을 미칩니다. 이러한 강을 400°C~550°C의 취성 온도 범위에서 템퍼링하거나, 더 높은 온도에서 템퍼링한 후 이 온도 범위에서 서냉할 때 발생합니다. 이 유형을 가역 템퍼링 취성이라고 하는 이유는 취성 온도 이상에서 재템퍼링하고 급냉하면 제거될 수 있기 때문입니다. 이후 강을 취성 온도 범위에서 재템퍼링하거나 이 온도 범위에서 서냉하면 취성이 다시 나타납니다.
그 원인은 일반적으로 Sb, Sn, P와 같은 불순물 원소가 오스테나이트 결정립계에 편석되기 때문입니다. Ni과 Cr과 같은 합금 원소는 이러한 불순물 편석을 촉진할 뿐만 아니라 결정립계 자체에도 편석되어 템퍼링 취성에 대한 취약성을 증가시킵니다.
예방 방법은 다음과 같습니다.
- 강철의 불순물 원소 함량을 최소화합니다.
- 결정립계 분리를 억제할 수 있는 몰리브덴(Mo)과 같은 원소를 첨가합니다.
- 소형에서 중형 크기의 작업물의 경우, 템퍼링 후 급속 냉각을 통해 이러한 유형의 템퍼 취성을 억제할 수 있습니다.
