기계공작법

7 편 열 처 리 와 표 면 처 리
3 장 강의 열처리(교과서 p.561) [1] 담금질(燒入; quenching) 아공석강(亞共析鋼)의 경우에 A_c3 변태점, 과공석강(過共析鋼)의 경우에 A_c1 변태점 이상으로 가열하여 austenite나 그와 혼합된 조직을 얻은 다음 서랭(冷)하면 austenite에서 martensite를 거쳐 troostite, sorbite, pearlite의 순으로 조직이 변한다. 그러나 냉각속도를 크게하면 그 중간 조직인 martensite, troostite, sorbite 등에서 멈추게 할 수 있다. 냉각속도의 차에 따른 변화는 다음과 같다. 단, A_c는 가열 온도곡선상의 변태점, A_r는 냉각 온도곡선상의 변태점 austenite(A) → martensite(M) → troostite(T) → sorbite(S) → pearlite(P) 이고, 경도의 크기는 A < M > T > S > P 가 된다. (1) 온도: 담금질의 목적은 큰 경도를 얻는 데 있으며, 담금질 효과는 탄소량과 온도에 따라 다르므로 소정의 경도를 얻기 위해서는 그림과 같이 탄소량에 따라 적당한 온도를 정해야 한다. 온도가 너무 낮으면 담금질 효과가 적고, 너무 높으면 재질이 변하며, 보통 A_c321 변태점보다 20 ~ 30℃ 더 높은 온도에서 담금질한다. 탄소 함유량과 담금질 온도 (2) 냉각속도: 담금질 효과는 냉각액(冷却液; coolant)에 따라 크게 다르다. 즉 냉각액의 비열, 열전도도, 점성, 휘발성과 그 온도에 따라 냉각속도가 다르다. 일반적으로 물이나 기름이 많이 사용되며, 물은 기름에 비하여 냉각속도는 크나 물의 온도가 30℃ 이상만 되면 냉긱효과가 현저히 저하된다.기름은 120℃ 정도에서도 담금질 효과에 변화가 적다. 냉각능력이 적은 액체에는 유류(油類), 비눗물 등이 있고, 큰 것에는 염수, NaOH 용액, 황산 등이 있다. 냉각 작업에 있어 가열물을 액 중에서 흔들어 주어 물체에서 전도성이 불량한 증기를 털어 주는 것이 담금질 효과를 크게 한다. 냉각액의 냉각속도 (3) 질량효과(質量效果; mass effect): 동일 조건하에서 담금질하여도 물체의 크기에 따라 냉각속도에 차가 있어 담금질 효과가 다르다. 그림은 C가 0.45%인 강의 경화능을 표시한 것으로서, 지름이 큰 것은 작은 것에 비하여 냉각 효과가 적으며, 동일물체 내부의 냉각 효과는 외부에 비하여 낮고, 내외부의 차는 지름이 작을수록 줄어든다. 이와 같이 담금질 효과가 질량의 영향을 받는 것을 질량효과라 한다. 경화능 (4) 담금질 균열(quenching crack): 담금질 균열에는 냉각액에 넣은 직후에 생기는 것과 담금질 후 얼마되지 않아 상온에서 발생하는 경우가 있는데, 전자에서는 외부의 급격한 냉각수축과 내부의 느린 냉각에 의한 pearlite의 팽창에 의하고, 후자의 경우에는 외부가 martensite로 변하여 팽창하기 때문이며, 원인이 전자와는 반대이다. 이러한 균열을 방지하기 위해서는 물체의 단면적, 두께의 변화가 있는 부분과 물체의 구멍이 있는 부분은 지나친 급랭(急冷)을 피하는 것이 좋다. [2] 뜨임((燒戾; tempering) 담금질된 강은 경도가 큰 데 반하여 취성(脆性; brittleness)을 수반하므로 사용 목적에 따라서는 부적당할 수가 있다. 즉 줄(file), 면도날 등은 담금질한 상태로 사용할 수 있으나, 인성(靭性)이 필요한 기계부품 등은 그대로 사용할 수 없어 경도를 다소 희생시키면서 인성을 부여할 필요가 있다. 이러한 목적으로 담금질한 물체를 A₁변태점 이하의 온도로 가열하여 적당한 속도로 냉각하는 열처리를 뜨임이라 한다. 담금질한 조직은 급랭에 의하여 변태가 저지된 것으로 기회만 있으면 안정된 상태로 돌아가려고 하기 때문에 가열하여 구속을 풀어 주면 그 정도에 따라 austenite, martensite, troostite, sorbite, pearlite 중 어느 조직으로 변한다. γ 철의 원자배열에서 α 철의 원자배열로 변하는 중간배열을 α martensite라 하고, α 철의 원자배열에서 cementite로 변하는 중간배열을 β martensite라 하며, 가열온도에 따라 강의 조직이 다음과 같이 변하므로 적당한 온도에서 적당한 냉각속도로 냉각한다. α martensite(100 ~ 150℃) → β martensite(250 ~ 350℃) → troostite(550 ~ 650℃) → sorbite(700℃) → pearlite 뜨임은 연성과 인성을 얻는 것이 목적이나 경우에 따라서는 인성이 연성과 같이 증가하지 않고 인성이 저하하는데 이를 뜨임취성이라 한다. 뜨임온도 200℃ 부근까지는 인성이 증가하나 300~350℃에서는 저온뜨임취성이 있으며, 이런 현상은 C: 0.2~0.4%인 강에서 흔히 볼 수 있다. 500℃ 부근에서 뜨임할 때 인성이 시간의 경과에 따라 저하하는 뜨임 시효취성(時效脆性)이 있고, 550~650℃에서 서랭한 것의 취성이 물 및 기름에서 냉각한 것보다 크게 나타나는 뜨임 서랭취성이 있는데, 이것은 martensite에 용해된 탄화물이 가열하면 결정입자 사이에서 석출하기 때문이므로 급랭하면 이변화는 생기지 않는다. 뜨임작업에서 물체의 전부분을 뜨임하기 위해서는 유욕로(油浴爐; oil bath), 염욕로(鹽浴爐; salt bath) 및 연욕로(鉛浴爐; lead bath)를 사용하여 가열하는 것이 좋다. 공구날과 같이 국부적으로 뜨임을 필요로 할 때에는 경화를 요하는 부분만 급랭을 하고 꺼내면 나머지 부분의 열의 전도로 공구날이 뜨임된다. 실제에서는 산화막의 색에 의한 뜨임색으로 온도를 구별하는 경우가 많으며 다음표는 뜨임색, 온도 및 적용 물체의 관계를 보인다.

7 편 열 처 리 와 표 면 처 리

3 장 강의 열처리(교과서 p.561)

[1] 담금질(燒入; quenching)

아공석강(亞共析鋼)의 경우에 A_c3 변태점, 과공석강(過共析鋼)의 경우에 A_c1 변태점 이상으로 가열하여 austenite나 그와 혼합된 조직을 얻은 다음 서랭(冷)하면 austenite에서 martensite를 거쳐 troostite, sorbite, pearlite의 순으로 조직이 변한다. 그러나 냉각속도를 크게하면 그 중간 조직인 martensite, troostite, sorbite 등에서 멈추게 할 수 있다. 냉각속도의 차에 따른 변화는 다음과 같다.

단, A_c는 가열 온도곡선상의 변태점, A_r는 냉각 온도곡선상의 변태점

austenite(A) → martensite(M) → troostite(T) → sorbite(S) → pearlite(P) 이고, 경도의 크기는

A < M > T > S > P

가 된다.

(1) 온도:

담금질의 목적은 큰 경도를 얻는 데 있으며, 담금질 효과는 탄소량과 온도에 따라 다르므로 소정의 경도를 얻기 위해서는 그림과 같이 탄소량에 따라 적당한 온도를 정해야 한다. 온도가 너무 낮으면 담금질 효과가 적고, 너무 높으면 재질이 변하며, 보통 A_c321 변태점보다 20 ~ 30℃ 더 높은 온도에서 담금질한다.

탄소 함유량과 담금질 온도

(2) 냉각속도:

담금질 효과는 냉각액(冷却液; coolant)에 따라 크게 다르다. 즉 냉각액의 비열, 열전도도, 점성, 휘발성과 그 온도에 따라 냉각속도가 다르다. 일반적으로 물이나 기름이 많이 사용되며, 물은 기름에 비하여 냉각속도는 크나 물의 온도가 30℃ 이상만 되면 냉긱효과가 현저히 저하된다.기름은 120℃ 정도에서도 담금질 효과에 변화가 적다. 냉각능력이 적은 액체에는 유류(油類), 비눗물 등이 있고, 큰 것에는 염수, NaOH 용액, 황산 등이 있다. 냉각 작업에 있어 가열물을 액 중에서 흔들어 주어 물체에서 전도성이 불량한 증기를 털어 주는 것이 담금질 효과를 크게 한다.

냉각액의 냉각속도

(3) 질량효과(質量效果; mass effect):

동일 조건하에서 담금질하여도 물체의 크기에 따라 냉각속도에 차가 있어 담금질 효과가 다르다. 그림은 C가 0.45%인 강의 경화능을 표시한 것으로서, 지름이 큰 것은 작은 것에 비하여 냉각 효과가 적으며, 동일물체 내부의 냉각 효과는 외부에 비하여 낮고, 내외부의 차는 지름이 작을수록 줄어든다. 이와 같이 담금질 효과가 질량의 영향을 받는 것을 질량효과라 한다.

경화능

(4) 담금질 균열(quenching crack):: 담금질 균열에는 냉각액에 넣은 직후에 생기는 것과 담금질 후 얼마되지 않아 상온에서 발생하는 경우가 있는데, 전자에서는 외부의 급격한 냉각수축과 내부의 느린 냉각에 의한 pearlite의 팽창에 의하고, 후자의 경우에는 외부가 martensite로 변하여 팽창하기 때문이며, 원인이 전자와는 반대이다. 이러한 균열을 방지하기 위해서는 물체의 단면적, 두께의 변화가 있는 부분과 물체의 구멍이 있는 부분은 지나친 급랭(急冷)을 피하는 것이 좋다.

[2] 뜨임((燒戾; tempering)

담금질된 강은 경도가 큰 데 반하여 취성(脆性; brittleness)을 수반하므로 사용 목적에 따라서는 부적당할 수가 있다. 즉 줄(file), 면도날 등은 담금질한 상태로 사용할 수 있으나, 인성(靭性)이 필요한 기계부품 등은 그대로 사용할 수 없어 경도를 다소 희생시키면서 인성을 부여할 필요가 있다. 이러한 목적으로 담금질한 물체를 A₁변태점 이하의 온도로 가열하여 적당한 속도로 냉각하는 열처리를 뜨임이라 한다.
담금질한 조직은 급랭에 의하여 변태가 저지된 것으로 기회만 있으면 안정된 상태로 돌아가려고 하기 때문에 가열하여 구속을 풀어 주면 그 정도에 따라 austenite, martensite, troostite, sorbite, pearlite 중 어느 조직으로 변한다. γ 철의 원자배열에서 α 철의 원자배열로 변하는 중간배열을 α martensite라 하고, α 철의 원자배열에서 cementite로 변하는 중간배열을 β martensite라 하며, 가열온도에 따라 강의 조직이 다음과 같이 변하므로 적당한 온도에서 적당한 냉각속도로 냉각한다.

α martensite(100 ~ 150℃) → β martensite(250 ~ 350℃) → troostite(550 ~ 650℃) → sorbite(700℃) → pearlite

뜨임은 연성과 인성을 얻는 것이 목적이나 경우에 따라서는 인성이 연성과 같이 증가하지 않고 인성이 저하하는데 이를 뜨임취성이라 한다.
뜨임온도 200℃ 부근까지는 인성이 증가하나 300~350℃에서는 저온뜨임취성이 있으며, 이런 현상은 C: 0.2~0.4%인 강에서 흔히 볼 수 있다.
500℃ 부근에서 뜨임할 때 인성이 시간의 경과에 따라 저하하는 뜨임 시효취성(時效脆性)이 있고, 550~650℃에서 서랭한 것의 취성이 물 및 기름에서 냉각한 것보다 크게 나타나는 뜨임 서랭취성이 있는데, 이것은 martensite에 용해된 탄화물이 가열하면 결정입자 사이에서 석출하기 때문이므로 급랭하면 이변화는 생기지 않는다.
뜨임작업에서 물체의 전부분을 뜨임하기 위해서는 유욕로(油浴爐; oil bath), 염욕로(鹽浴爐; salt bath) 및 연욕로(鉛浴爐; lead bath)를 사용하여 가열하는 것이 좋다. 공구날과 같이 국부적으로 뜨임을 필요로 할 때에는 경화를 요하는 부분만 급랭을 하고 꺼내면 나머지 부분의 열의 전도로 공구날이 뜨임된다.
실제에서는 산화막의 색에 의한 뜨임색으로 온도를 구별하는 경우가 많으며 다음표는 뜨임색, 온도 및 적용 물체의 관계를 보인다.