담금질(퀜칭, Quenching) 열처리

안녕하십니까,

오늘은 열처리 방법 중 하나인 담금질(퀜칭, Quenching)에 관하여 알아보겠습니다.

 

열처리란 재료에 가열과 냉각을 통해 그 성질을 변화시키는 공정으로, 금속의 물리적 및 기계적 성질을 조절하기 위한 과정입니다. 열처리 방법에는 담금질(Quenching), 불림(Normalizing), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing) 등이 있습니다. 이 중 담금질은 재료를 고온으로 가열한 후 급격하게 냉각시키는 공정으로 강도와 경도를 향상을 목적으로 합니다.

 

이제 담금질 방법, 조직의 변화 등 담금질에 대해 자세히 알아보겠습니다. 담금질 과정 설명을 위해 언급되는 Fe-C상태도와 TTT곡선에 대한 설명은 아래 링크에서 참고해 주시기 바랍니다.

2024.09.30 - [재료공학] - 탄소강(Fe-C 평형상태도, TTT곡선, 탄소강 조직)

탄소강(Fe-C 평형상태도, TTT곡선, 탄소강 조직)

 

 

1. 담금질 방법

Fe-C상태도, TTT곡선

 

탄소강의 담금질 온도 범위는 아공석강은 A3선 이상 30~50℃, 과공석강은 A1선 이상 30~50℃입니다. 담금질 방법은 임계구역(Ar'변태)에서 급랭, 위험구역(Ar"변태)에서 서랭해야합니다. 임계구역에서 급랭하는 이유는 천천히 냉각하게 되면 펄라이트 변태가 시작되기 때문입니다. 위험구역에서 서랭하는 이유는 급격한 냉각으로 인해 내부에 잔류응력이 축척되면서 금속에 균열이 일어나 변형이 생길 가능성이 있기 때문입니다. 서랭하게되면 이러한 응력을 완화하고 균열을 방지합니다. 서랭을 하더라도 담금질 후에는 여전히 내부에 잔류응력이 많이 쌓여 있기 때문에, 이를 완화하기 위해 템퍼링(Tempering) 열처리를 추가로 진행합니다.

 

 

*Ar' 변태: TTT 곡선에서 nose 부분, 오스테나이트가 펄라이트로 변태 되기 전에 급랭해야 하는 구간. 이 구간에서 빠르게 냉각하지 않으면 펄라이트 변태가 시작됨.

*Ar" 변태: TTT 곡선에서 마르텐사이트 변태가 시작되는 구간, 급랭을 멈추고 서랭 하여 내부 응력 축적을 방지해야 하는 구간.

*상부임계냉각속도 : 오스테나이트화 상태에서 펄라이트 조직으로 형성되기 전에 마르텐사이트로 변태 되기 위해 필요한 최소한의 냉각속도. TTT곡선에서 nose에 닿기 전 속도.

*하부임계냉각속도 : 처음으로 마르텐사이트가 나타나기 시작하는 냉각 속도.

 

 

• 조직변화

 

A1 변태점까지 가열하여 오스테나이트화 된 상태에서, Ms점까지 급냉을 하게 되면 오스테나이트 조직이 마르텐사이트로 변태 됩니다.

 

2. 담금질 조직

 1) 마르텐사이트(Martensite)

• TTT곡선의 nose를 통과하지 않고 급랭
• 무확산 변태, BCT구조
• 탄소강 조직 중 가장 강도가 큼
• 내부응력 증가와 변태시 부피 증가로 강도는 크지만 연성이 적어 주로 템퍼링 후 사용

 

 2) 투르스타이트(Troostite)

• 페라이트 + 초미세 시멘타이트 혼합조직
• 담금질 트루스타이트 : 담금질 시 550~600 ℃에서 변태가 일어나게 했을 때 얻어지는 조직
• 하부임계냉각속도(Ar"변태 시작)에서 형성되기 시작(트루스타이트와 마르텐사이트상 나타남)
• 템퍼링 트루스타이트 : 마르텐사이트를 약 400℃에서 템퍼링 시 형성
• 탄소강 중 마르텐사이트 다음으로 높은 경도가지며 탄성한계가 높음

 

 3) 소르바이트

• 페라이트 + 미세 시멘타이트 혼합조직
• 담금질 소르바이트 : 담금질 시 60~650 ℃에서 변태가 일어나게 했을 때 얻어지는 조직
• 하부임계냉각속도 이하에서 형성
• 템퍼링 소르바이트 : 마르텐사이트 조직을 약 600℃에서 템퍼링 시 형성
• 강도와 경도가 트루스타이트보다 작지만 인성이 커 스프링, 와이어로프 등에 사용

 

3. 담금질 종류

 1) 시간 담금질

담금질 온도로 가열한 강재를 물속에 일정 시간 담갔다가 꺼내어 공중 방랭하는 조작으로 냉각속도의 변화를 냉각시간으로 조절하여 줍니다. 물속에 침적시키는 시간의 장단에 따라 담금질 균열 또는 담금질 변형을 방지하고 담금질 효과를 충분히 발휘시킬 수 있도록 하는 방법입니다.

 

 2) 분사 담금질

담금질하여 경화가 필요한 부분에 담금질액을 분사시켜급랭하는 방법으로 부분적인 냉각을 필요로 하는 것에 적합합니다.

 

 3) 프레스 담금질

냉각하는 동안 금속에 외부 압력을 가해 금속이 변형되는 것을 방지하면서 담금질하는 방법입니다.

 

4. Q-T열처리, 심냉처리(Sub-Zero 열처리)

 1) Q-T열처리

• 담금질(Quenching)과 뜨임(Tempering)을 결합한 열처리
• 담금질 후 150~650℃ 정도로 재가열, 가열 온도와 시간에 따라 뜨임 정도 달라짐
• 담금질 후 강도와 경도가 증가하지만 취약한 상태가 됨. 템퍼링을 통해 인성을 향상 시켜 줌
• 내부에 생긴 응력을 제거하여 균열이나 변형을 방지함

 

 2) 심냉처리(Sub-Zero 열처리)

• 담금질 후 영하의 온도로 추가로 냉각시켜 잔류 오스테나이트를 제거함
• 잔류 오스테나이트는 경도와 치수 안정성을 떨어뜨림

 

5. 냉각제

냉각 속도에 따라 강의 성질이 바뀌게 되는데, 여기서 사용되는 냉각 매체를 냉각제라고 합니다.

물	가격이 저럼하고 오염 위험도가 없음 뒤틀림 균열이 발생하기 쉬움
염수	물보다 냉각속도가 빠르고 뒤틀림이 적음 부식이 있어 이를 방지하기 위한 처리 필요
기름	물이나 염수보다 냉각속도 느리지만 서서히 냉각되어 균열이나 뒤틀림 위험 감소

 

6. 결함

 1) 담금 균열

• 열응력에 의한 균열 : 강재 내외부의 온도차에 의한 수축에 차이가 생겨 발생
• 조직의 불균일에 대한 균열 : 오스테나이트 조직에서 마르텐사이트 조직으로 변할 때 부피 팽창에 의해 발생

개선방법 - 일정한 냉각 속도를 유지하는 유냉을 이용, Ms점 이하에서는 서냉을 하거나 담금질 후 바로 뜨임 처리

 

 2) 질량효과

• 부품의 크기나 두께에 따라 냉각 속도와 열처리 결과가 달라지는 현상
• 재료 표면과 내부의 담금질된 정도가 다른 것
• 질량효과가 큰 것일수록 담금질 효과가 적은 것

개선방법 - Ni, Cr, Mo등과 같은 합금원소를 첨가, 적절한 냉각 매체 선택

 

7. 담금질성 시험(경화능 시험)

경화능은 열처리 후 금속이 얼마의 깊이까지 단단해지는지를 나타내는 지표로, 금속의 담금질성을 평가하는 기준입니다. 경화능 시험 방법으로는 임계 냉각속도를 사용하는 방법, 임계 지름에 의한 방법, 조미니 시험법 등이 있습니다. 그중 조미니 시험법에 대해 알아보겠습니다.

 

• 조미니 시험법

 

시험편을 담금질 온도까지 가열 후, 시험 장치에 수직으로 매달아 놓고 하단부의 분수에서 냉각수가 분사되어 담금질을 진행합니다. 시험편 제일 아래에서 가장 빠르게 냉각되고 상단으로 갈수록 느리게 냉각됩니다. 담금질 종료 후 시험편의 축을 따라 경도를 측정합니다. 측정된 경도값을 각 부위의 냉각 속도와 매칭시켜, 원하는 경도를 발생시키는데 필요한 냉각속도를 결정할 수 있습니다.