제7장 고압장치 (기본열처리/항온열처리) (3)

 안녕하세요. 여러분, 미루고 미뤄왔던 가스기사에 대한 포스팅을 시작하려고 합니다. 이제 긴 호흡으로 주욱 달려볼 텐데요. 가스기사를 공부하며 수험서만 가지고는 부족함을 느꼈습니다. 그래서 수험서에  고법, 도법, 액법의 3가지 법령과 특히, KGS Code를 곁들이는 방법을 추천드립니다.

 먼저, 가스기사 필기 5과목 중 '가스설비'  과목을 알아보겠는데요.  '가스설비'는 실기시험에서도 그 출제 비중이 높아 60점만 넘는다는 생각은 지양하고, 가능한 최고 득점을 목표로 공부하는 것을 추천드립니다.

 아울러 가스기사 시험 자체가 암기량이 아주 많은 시험이라 자주 보고 또 보고 해야하는데, 대중교통을 이용할 때 등 잠깐 잠깐 시간이 되실 때 가볍게 활용하기 좋은 포스팅으로 생각해주시면 감사하겠습니다. 꼭 암기해야 하는 부분과 제가 만든 암기법이나 재야에 떠돌고 있는 필살 암기법을 종종 넣을 예정이니, 합격하시는데 조금이나마 보탬이 되었으면 좋겠습니다. 자! 시작하겠습니다.

 

(5) 열처리

앞에서 가열된 강을 천천히 냉각하여 펄라이트가 만들어지는 과정을 다뤘는데
냉각 속도를 다르게 하면 어떻게 될까요?

• 정의: 금속재료의 기계적 성질을 향상시키기 위한 목적으로 가열과 냉각을 적당한 속도로 조절하여 그 재료의 특성을 개량하는 조작을 열처리라 한다.
• 종류: 크게 기본열처리, 항온 열처리, 표면경화 열처리 3가지로 나뉘며, 다시 ① 기본 열처리는 담금질(Quenchig), 뜨임(Temperring), 풀림(Annealing), 불림(Nomalizing),으로, ② 항온 열처리는 오스포밍(Ausforming), 오스템퍼링(Austempering), 마템퍼링(Matempering), 마퀜칭(Marquenching), ③ 표면경화열처리는 고주파 열처리(Induction Hardening), 침탄 열처리(Carburizing), 질화 열처리(Nitriding)으로 세분화된다.

(5-1) 기본열처리_담금질(Quenching, 소입)

• 정의: 탄소강의 경도를 크게 하기 위해서 적당한 온도까지 가열한 후 급랭시키는 방법이로 기본적으로 탄소강에서는 마르텐자이트 조직을 얻기 위해 행한다.
• 방법
  • 탄소강이 아공석강(탄소함유량이 0.02% ~ 0.77%)인 경우 A3점보다 30~50℃, 공석강과 과공석강(탄소함유량 0.77~2.11%)인 경우 A1점(723℃)보다 30~50℃ 온도 이상으로 가열한 다음 물이나 기름 속에서 급냉하는 열처리이다.
  • 담금질 온도가 너무 낮으면 균일한 오스테나이트 조직을 얻기 힘들고, 담금질 하여도 잘 경화되지 않는다.
  • 온도가 너무 높으면 오스테나이트 결정립이 성장하여 조대한 마르텐자이트 조직이 생겨 기계적 성질이 저하된다.

• 담금질 질량효과
  • 질량효과(Mass Effect): 강재의 대소에 따라 담금질 효과가 변하는 것을 질량효과라 한다. 큰 소재의 표면은 냉각속도가 크지만, 내부는 냉각속도가 작다. 따라서 표면은 담금질이 잘 되나, 내부는 담금질이 적게 된다.
  • 내부까지 담금질이 제대로 되지 않는 것을 질량 효과가 크다고 표현하며, 탄소강은 질량효과가 크고, 합금강은 질량효과가 작다. 질량효과가 크면 담금질성이 나쁘다.
• 경화능(Hardenability)
  • 담금질하였을 때 경화되는 깊이를 말한다. 즉, 마르텐자이트 조직이 생기는 깊이를 말한다. 경화능의 좋고 나쁨은 마르텐자이트 조직의 깊이로 나타낸다. 경화능 시험으로는 조미니 시험(Jominy Test)이 널리 이용되며, 탄소강은 경화능이 나쁘고 합금강은 매우 좋다.
• 담금질 조직(냉각 속도에 따라): 오스테나이트를 급랭하게 되면 내부에 안정적으로 고용돼있던 탄소원자가 확산하지 못하고 대부분 a철 내에 고용상태로 남아있게 되고, BCC 구조에 탄소가 억지로 꽉! 끼어있는 상태(경도 증가)가 된다. 
  • 암기법: 냉각속도에 따라 담금질 조직이 바뀌는데, 마트의 소파를 연상, '마트소파 수기공노'
  • 마르텐자이트(Martensite): 수중냉각 water
  • 트루스타이트(Troostite): 기름냉각 oil
  • 소르바이트(Sorbite): 공기 중 냉각 air → 미세한 펄라이트 형성 노말라이징(Nomarizing)
  • 펄라이트(Pearite): 노중 냉각 furnace → 조대한 펄라이트 형성 어닐링(Annealing)

(5-2) 기본열처리_뜨임(Tempering, 소려)

• 목적: 담금질한 강은 매우 경하고 취성이 있어, 여기에 적당한 인성을 부여하기 위해 A1 변태 온도(723℃) 이하 온도에서 일정 시간 유지하였다가 공기 중에서 천천히 냉각하는 열처리이다.
  • 담금질로 인한 내부응력을 제거하고, 강도와 인성을 부여하기 위한 것이다.
  • 뜨임 온도가 높을수록 강도, 경도가 감소하며, 연율 단면 수축률이 증가한다.
  • 담금질 후에는 반드시 뜨임처리를 하여야 한다.

(5-3) 기본열처리_풀림(Annealing, 소둔)

• 불림(노멀라이징)과 비슷하지만 3가지 차이점이 있다. ① 가열온도가 과공석강에서 다르다는 것 ② 냉각방식이 노중 냉각인 점 마지막으로 ③ 목적이 다르다.
• 목적: 냉간 가공 시 재료가 가공 경화되면 더 이상 가공이 어렵게 되고, 주조, 단조, 용접 및 열처리 후 내부응력이 발생하게 되며, 또한 단조작업 시 고온에서 가열하여 작업하게 되면 조직이 불균일하고 억세게 된다. 풀림은 이와 같은 조직을 균일화 · 미세화하고, 냉간 가공에 의한 내부응력 제거를 목적으로 한다.

(5-4) 기본열처리_불림(Nomalizing, 소준)

• 목적: 높은 온도에서 실시되는 소성가공이나 주조로 거칠어지는 조직을 미세화, 균일화하고, 편석이나 잔류 응력 제거를 목적으로 하며, 불림 처리한 강의 성질은 결정 입자와 조직이 미세하게 되어 경도, 강도가 크게 증가하고 연신율과 인성이 다소 증가한다.
• 방법: A3, Acm선 보다 30~50℃ 높게 가열하여 공기 중에서 공냉시키면 미세하고 균일한 표준화된 조직이 얻어진다.

(5-5) 기본열처리_시효처리(Aging)

• 열간가공이나 열처리 또는 냉간가공 후 실온이나 실온 이상의 온도에서 기계적 성질의 변화가 일어나는 처리
• 석출경화, 변형시효가 시효처리에 속한다.

암기법: 담 뜨 풀 불  / 입 려 둔 준 / 퀜 템 어 노  

 

(6) 항온열처리

• 항온열처리는 변태점 이상으로 가열한 강을 보통의 열처리와 같이 연속적으로 냉각하지 않고, 염욕 중에 담금질하여 그 온도로 일정한 시간 동안 항온 유지하였다가 냉각하는 열처리를 말한다. 담금질과 뜨임을 동시에 하는 열처리로서 일반 열처리 보다 균열과 변형이 적어 담금질의 균열을 방지할 수 있어 인성이 좋아지는 특징이 있고, 특수강 및 공구강의 열처리로 사용된다.
• 공석강을 A1 변태온도(726℃) 이상의 A 상태로 가열한 후 어느정도의 시간을 유지하게 되면 단상의 A 조직이 된다. 이처럼 항온 변태 및 조직의 변화를 시간에 대하여 그림으로 나타낸 것을 항온변태곡선(T.T.T곡선(Time-Temperature-Transformation, 시간-온도-변태) 또는 S곡선, C곡선, Nose라고도 하며, 아래의 그림은 공석강(0.77%C)의 전형적인 TTT-곡선이며, 왼쪽 빨강색 곡선이 변태 개시선, 오른쪽 노랑 곡선이 변태 종료선을 나타낸다.

• 550℃ 근처에서 곡선이 왼쪽으로 툭 튀어나와있는데, 이것이 TTT 곡선의 코(Nose) 부분이 되는 것이고, 이 온도에서 항온변태가 가장 먼저 일어나게 된다.
• 베이나이트는 마르텐자이트와 트루스타이트의 중간 상태의 조직이다. 펄라이트와 베이나이트 두 조직 모두 페라이트와 시멘타이트로 이루어 졌다는 공통점이 있으며, 펄라이트는 두 상이 교대로 반복되는 층상 조직이라는 점과 베이나이트는 침상에 가까운 형태라는 차이점이 서로 상존한다.
• 베이나이트 조직은 형성 온도에 따라 구분가능한데, 350~550℃ 범위의 온도에서 형성된 상부 베이나이트의 경우 페라이트 주위에 시멘타이트가 석출되고, 250~350℃ 온도 범위에서 형성된 하부 베이나이트에서는 페라이트 내에 시멘타이트가 석출된다.  
• 상부 베이나이트는 현미경으로 들여다 보면 깃털모양을 가지고 있으며, 하부 베이나이트는 침상의 형태를 보이고 있다. 
• 공석강을 급랭하면 A가 100% M이 되는 것이 아니라 일부 A가 M으로 변태 되지 못하고 상온까지 내려오게 된다. 이와 같이 상온에서도 존재하는 A를 잔류 오스테나이트라고 한다.  예를 들어 아공석강은 Mf 온도가 상온 이하로 내려가기에 상온까지 급랭해도 M변태는 종료되지 않는다. 이것이 잔류 A를 형성하는 원인이 되며, 급랭한 강을 상온 이하의 온도로 냉각시키는 것을 심랭처리(Subzero Treatment)라고 한다.

(6-1) 항온열처리_오스포밍(Ausforming)

• 오스포밍(포밍=소성가공): 오스테나이트 강을 재결정 온도 이하와 Ms점 이상의 온도 범위에서  변태가 일어나기 전에 과냉 오스테나이트 상태에서 소성가공(ex. 단조, 압연)을 한 다음 냉각하여 마텐자이트화한 열처리, 고강인강을 얻을 수 있다.

(6-2) 항온열처리_오스템퍼링(Austempering)

• 오스템퍼링(=하부 베이나이트 담금질): 펄라이트 형성 온도(550℃)보다 낮고, Ms 온도 이상의 온도에서 베이나이트를 충분히 석출시킨 후 공랭하는 열처리. 즉, 오스테나이트로 베이나이트를 얻는 열처리이다.

(6-3) 항온열처리_마템퍼링(Matempering)

• 마템퍼링: 균열, 변형 및 잔류응력을 감소시키기 위해 강을 오스테나이트 영역에서 그 Ms와 Mf 사이에서 항온 변태 처리하는 방법이다. 잔류 오스테나이트의 베이나이트화로 인하여 경도는 떨어지지 않으면서 충격값이 큰 조직이다.(인성이 있다.), 마르텐자이트와 베이나이트 조직을 얻을 수 있다. 

(6-4) 항온열처리_마퀜칭(Marquenching)

• 마퀜칭: Ms점 직상으로 가열된 염욕에 담금질하고, 담금질 한 재료의 내외부가 동일 온도에 도달할 때까지 항온유지 한다. 꺼낸 후 공랭하여 마르텐자이트 변태를 진행시킨다. 이때 얻어진 조직은 마르텐자이트이며, 마퀜칭 이후 일반적인 담금질과 같이 뜨임(소려, Temperting)하여 사용하는 것이 일반적입니다.