열처리 기술에 따라서 심각한 하자가 생기기도 합니다.
이를 전문가로서 부분적으로 논해보고자 합니다.
수많은 열처리 관련 기술이 있으나 여기에서는 일부의 내용을 논해보고자 합니다.
불림 (NORMALIZING : 노말라이징)은 철강의 전가공에서의 영향을 제거하고 결정립을 미세화하여 기계적 성질을 개선하기 위해서 AC3 점 혹은 ACM점 (대개 약 820도∼850도 이상 온도점)이상의 적당한 온도로 가열한 후 보통 공기중에서 냉각하는 것을 말합니다.
풀림(ANNEALING : 아닐링)은 적당한 온도로 가열하고 그 온도를 유지한 후 서냉하는 조작으로서 내부응력의 제거, 경도저하, 결정조직의 조정, 기타 성질을 얻은 것이고 온도는 불림과 같이 AC3 혹은 ACM점 이상에서 하는 것도 있고 그 이하에서 하는 것도 있습니다.
완전풀림은 AC1이상으로 올리고, 연화풀림은 AC1이상 혹은 이하에서 가열하여 풀림을 하고, 응력제거 풀림은 STRESS RELEEVING (=SRA : STRESS RELEIVING ANNEALING)으로 철강을 변태점 이후의 적당한 온도로 가열하여 유지하고 단조, 주조, 기계가공, 용접 등으로 인해서 생긴 잔류응력을 제거하는 풀림을 말합니다.
반복 뜨임 (Repeated Tempering)은 고합금강 등과 같이 1회의 뜨임으로 효과가 충분히 오리지 않을 때에 2-3회 반복을 하는 뜨임을 말합니다.
시효 (Ageing)
시효는 급냉 또는 냉간 가공후 시간의 경과에 따라 강의 성질이 변화하는 현상을 말하며, 시효조작에 사용할 때가 있습니다. 담금질 시효, 왜곡시효 등이 있으며, 담금질 시효는 고온에서 급냉한 철강을 실온 또는 그것보다 조금 높은 온도로 유지했을 때 생기는 시효를 말하며, 왜곡 시효는 냉간가공한 재료에(시간이 흘러)생기는 시효를 말합니다.
담금질 응력 (Quenching stress)는 담금질에서 생기는 잔류응력을 말하며, 내외부의 온도차에 기인하는 열응력과 변태에 따른 변태응력 (마르텐사이트로 변화할 때의 체적팽창 등)이 있고 대체로 2가지가 조합되어서 일어납니다(강의 열처리 689쪽)
담금질균열(퀜칭 크랙)은 담금질시에 담금질 응력에 의해서 생기는 균열을 말합니다.
시이즌 균열 (SEASON CRACKING)은 담금질 또는 담금질 뜨임한 철강이 방치중에 생기는 균열을 말하며 자연균열이라고 합니다 (강의 열처리 689쪽)
잔류 오스테나이트 (RETAINED AUSTENITE)는 담금질된 철강중에서 오스테나이트의 일부가 변태하지 않고 남은 것입니다.(=불완전 오스테나이트)
마르텐사이트 (MARTENSITE)는 오스테나이트를 급냉한 경우에 Ms (마르텐사이트 변태 개시온도)점 이하의 온도에서 변태하여 생기는 침상조직으로 원래의 오스테나이트와 같은 화학조성을 갖는 체심정방정 또는 체심입방정의 고용체를 말합니다. 마르텐사이트는 오스테나이트의 소성변형에 의해 생기는 일도 있습니다.
그밖에도 기법에 따라 저온풀림, 확산 풀림, 구상화 풀림 (스페로다이징 열처리), 등온풀림, 중간풀림, 상형플림, 가연화 풀림, 흑연화 풀림, 제1단 풀림, 제2단 풀림, 탈탄풀림이 있습니다.
열처리 왜곡 :
열처리 가열시의 지지방법이 부적당하여 자중에 의해서 생기는 왜곡이나 각종 전가공에 의한 잔류응력이 열처리가열로 제거되어 생기는 왜곡을 변형 (warpage)라고 하고, 균일하게 담금질을 할때에 피할 수 없는 왜곡으로 가열 스케일의 두께와 같은 정도의 것이 생기는 것은 distortion(왜곡)이라고 합니다.
담금질 왜곡
담금질에 의한 왜곡은 조직변화에 따른 치수변화와 급냉시의 열응력, 변태응력에 의한 형상변화로 됩니다.
원주를 급냉했을 때에 열응력은 표면은 인장, 내부는 압축이 일어나고, 고온내부는 열왜곡에 의해서 길이방향은 감소, 직경방향은 증가로 통형의 변형 상태가 됩니다.
강의 열처리 그림과 같이, 담금질을 거듭하면, 길이는 감소하고 직경방향으로는 증가하는 통형의 상태가 되며, 반복 물담금질을 했을 때의 왜곡의 방향을 똑똑히 볼 수 있습니다
마르텐 사이트화 되는 과정은 체적이 매우 크게 팽창하게 되므로, 매우 균질한 퀜칭에 의한 마르텐 사이트화가 되어야 하나, QT 열처리의 퀜칭시에 소재 전체를 A3 변태점 이상의 고온으로 가열을 하고, 급속하게 냉각하여 경질을 얻는 것이고, 이후 템퍼링 (뜨임)을 하므로 퀜칭 (담금질)자체가 균질하게 되지 않으면, 트위스트 변형이 생길 수 있습니다.
내부 팽창이 심화되면 크랙(CRACK)이 생기는 것이므로 1개에서 크랙이 생겼다고 하면, 나머지도 같은 공정으로 진행되는 것이므로 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트 화의 과정에서 체적 팽창에 의한 균열이 발생할 잠재적인 요인을 갖고 있는 것이라고 볼 수 있습니다.
열처리로 인해서 주된 문제는 불균일 냉각으로 인해서 열적팽창의 문제가 아니라, 잔류 오스테나이트로 인한 체적팽창으로 인한 시즈닝 크랙이 생기는 것입니다.
퀜칭의 급냉관리문제는 실제로는 마르텐사이트 개시온도 Ms 전에 담금질을 하다가 들어올려서 서냉을 해야 잔류 오스테나이트가 많이 생기지 않을 것이며, 그렇지 안은 경우에는 잔류 오스테나이트가 천천히 마르텐사이트로 변화하면서 매우 큰 체적팽창을 하게 되어 크랙으로 번지게 됩니다.
마르텐 사이트화 되는 과정은 체적이 팽창하게 되므로, 경도를 높이기 위해서 급냉시에 매우 균질한 퀜칭에 의한 마르텐 사이트화가 되어야 하나, 노말라이징 열처리 자체가 소재 전체를 A3 변태점 이상의 고온으로 가열을 하고, 이를 강제공랭하여 자경화 소재의 퀜칭을 할 때에 균질하게 프레스 롤에서 처리되지 않으면 에 의한 트위스트 변형이 생기는 것이고, 그것이 심화되는 경우 크랙(CRACK)이 생기는 것이므로 1개에서 크랙이 생겼다고 하면, 나머지 제품도 같은 생산공정으로 열처리가 진행되는 것이므로 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트화 과정에서 체적 팽창에 의한 균열이 발생할 잠재적인 요인을 갖고 있는 것이라고 볼 수 있습니다.
강의 냉각조건과 담금질 조성은 일반적인 1.07% 과공석강 (탄소강)을 790℃에서 53℃물에 넣으면 잔류 오스테나이트는 14.1%가 나오고 마르텐사이트는 83.3%가 나오며, 같은 것을 20℃의 물에 담금질 하면 잔류 오스테나이트는 9.0%가 나오고 마르텐 사이트는 88.5%가 나오며, 같은 제품을 20℃물에 담금질을 하고 다시 (–)196℃의 서브제로 처리를 하면 잔류 오스테나이트는 2.9%가 나오고, 마르텐 사이트는 94.5%가 나옵니다.
국부적인 표면 경화를 위한 저주파/고주파에 의한 담금질이 아닌 전체적인 담금질을 하는 QT공정에서는 담금질로 심부까지 잔류오스테나이트가 생성될 수 있습니다.
:잔류 오스테나이트 상태에서는 –2.43%의 체적 수축 상태였다가 마르텐사이트로 분해되면 탄소량에 따라 다르지만 4.75-0.53%C = 약 4.2%의 매우 심한 체적팽창이 발생할 것입니다 (63페이지 표 2.8따라서 불안정한 잔류 오스테나이트는 가만히 두어도 마르텐사이트로 점진적 변화하면서 체적팽창을 일으켜 자연균열을 발생하기 때문에 템퍼링으로 이를 해결해주어야 함. 템퍼링이 제대로 되지 않은 경우 잔류 오스테나이트가 점진적으로 시간흐름에 따라 마르텐사이트로 변화되면서 왜곡과 균열을 일으킬 것임.)
심부까지 퀜칭이 되면서 전체적으로 내부까지 잔류 오스테나이트가 많이 생성되고 이것으로 내부가 수축되고, 2차 QT에 해당하는 저주파 열처리 및 서브제로 과정에서도 그 온도 이상에서 들어올리지 않은 경우에 표면 경화부위의 경계까지는 잔류 오스테나이트가 많이 생성되어 수축되어 있다가, 서브제로 처리과정에서 잔류오스테나이트의 마르텐사이트화로 4.75-0.53 = 4.2%의 체적팽창이 내부에서 급속히 일어나게 되어 파단을 일으키게 될 수도 있습니다.
강종에 따라서 120∼250℃ 사이에서 마르텐사이트 개시온도가 나타나므로 이를 반드시 처음부터 밀시트를 통해서 계산하여 고온의 담금질용 강이 냉각되면서 그 온도에 이르기 전에 반드시 인양으로 끌어올려서 서냉을 해야 함이 열처리의 핵심이라고 할 수 있는데, 이를 지키지 않을 때에 강에서 잔류오스테나이트 증가로 인한 문제가 생긴 것임이 판단되기도 합니다.
고주파 담금질 :
고주파 담금질에서 급열때의 열응력은 표면 압축, 내부 인장이 나타나고, 고온의 표면부가 압축의 소성변형을 일으키므로 냉각후 표면 인장, 내부 압축의 잔류응력이 생기게 됩니다.
고주파 담금질에 의한 잔류응력도 보통 경화층 압축, 심부 인장이며, 경화층의 압축은 보통 작고, 심부 인장은 경계가까이에서 극대를 나타냅니다 (강의 열처리 141쪽)
경화깊이가 커지면 경화층에 압축은 감소하고, 심부의 인장은 증가합니다.
즉, 고주파, 저주파 열처리로 인해서는 경화층의 압축은 (팽창되더라도) 보통 작으므로 표면의 크랙 발생 원인은 아니라고 판단할 수 있고, 심부를 포함하는 내측의 잔류오스테나이트의 제거가 1차 QT시에 템퍼링(뜨임)으로 제대로 제거되지 않아 시간이 흐르면서 내부의 체적팽창으로 시즈닝 크랙이 생길 수 있습니다.
또한 경화깊이가 너무 커도 변태 응력의 영향이 나타나 표면이 인장(접선방향응력)이 되어 열처리 균열을 일으킵니다.
이는 경화깊이가 깊은 저주파의 경우 열처리 균열이 일어날 수도 있는 것이라는 의미이고 이런 경우는 저주파 열처리후 즉시 균열여부가 확인되는 것입니다.
이런 점에 있어서 전문가적인 검토 분석 보고서와 소견은 매우 중요한 자료가 됩니다.
궁금하거나 상담이 필요한 경우는 연락을 주시기 바랍니다.
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