첫째, 담금질 변형은 치수 변화와 형상 변화를 일으킵니다.
담금질 변형(변형)에는 치수 변화와 형상 변화(변형) 두 가지 유형이 있습니다. 치수 변화는 담금질 과정에서 상변화로 인한 팽창 또는 수축으로 발생하는 치수 변화를 말하며, 주로 연신, 단축, 두꺼워짐, 얇아짐과 같은 동형 변형을 의미합니다. 변형은 주로 부품의 자중으로 인한 처짐과 응력으로 인한 형상 변형, 즉 뒤틀림, 굽힘, 비틀림과 같은 비동형 변형을 말합니다. 물론 크기가 변하면 형상도 변하기 때문에 치수 변화와 변형을 구분하기 어렵고, 이 둘은 종종 중첩됩니다. 이러한 현상을 담금질 변형이라는 용어로 표현하는 것이 가장 적절합니다. 야금학에서 담금질 변형이란 열처리 후 부품에 발생하는 응력의 합이 0에 가까워지는 상태를 말합니다.
담금질 변형의 발생은 세 단계를 거칩니다.
① 가열(내부 스트레스 해소에 기반함)
② 단열재(자체 무게로 인한 처짐, 즉 처짐 굽힘);
③ 냉각(불균일 냉각 및 상변화에 기반함). 이 세 단계는 중첩되어 결국 부품에 담금질 변형을 유발합니다.
둘째, 차원 변화에 관한 6가지 질문
1. 치수 변화의 원인은 무엇인가? 치수 변화는 일반적으로 조직 변화, 즉 상변화에 의한 팽창 및 수축 때문에 발생합니다. 담금질 시 마르텐사이트가 생성되면 팽창하고, 잔류 오스테나이트가 생성되면 수축하며, 수축량은 잔류 오스테나이트의 양에 비례합니다. 템퍼링 시에는 일반적으로 수축이 발생하며, 여러 번 템퍼링 및 경화 처리를 거친 합금강은 팽창합니다. 또한, 냉간 처리 시 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트가 팽창하여 치수 변화를 일으킵니다. 이러한 조직의 비체적은 탄소 함량이 증가함에 따라 증가하며, 탄소 함량이 높을수록 치수 변화가 커집니다.
2. 재질 및 치수 변화: 담금질로 인한 치수 변화(담금질 변형)는 강재의 재질에 따라 다릅니다. P, Mo, Cr, C, Mn은 치수 변화에 큰 영향을 미치는 반면, Si와 Ni는 영향이 적습니다. 게이지강 및 절삭 공구강인 SKS3 및 SKS31(W-Cr-Mn 공구강)은 담금질 변형이 작은 강으로, 담금질 변형이 거의 발생하지 않는 강으로 알려져 있습니다. 둘째, 강재의 소성 유동선은 담금질 시 치수 변화에 큰 영향을 미칩니다. 소성 유동선 방향, 즉 길이 방향으로는 치수 변화가 크고, 길이 방향에 수직인 방향, 즉 횡방향으로는 치수 변화가 작습니다. 따라서 재료를 선택할 때는 소성 유동선 방향의 일관성에 주의해야 합니다. 또한, 탄화물의 선형 편석도 치수 변화에 영향을 미칩니다.
3. 담금질 및 치수 변화
(1) 조직 변화에 의한 치수 변화: 강재를 담금질하면 다양한 조직 변화가 발생합니다. 이러한 조직 변화는 치수 변화를 일으킵니다. 오스테나이트 구조가 마르텐사이트 구조로 변태될 때(완전 담금질) 부품의 치수 변화(팽창)가 가장 크고, 오스테나이트 구조가 베이나이트 구조로 변태될 때는 위의 1/3 정도이며, 펄라이트 구조로 변태될 때(어닐링)는 위의 1/4 정도입니다. 또한, 마르텐사이트에 의한 팽창은 강재의 탄소 함량이 증가함에 따라 증가합니다.
(2) 잔류 오스테나이트의 영향: 담금질 효과로 인해 소량의 오스테나이트가 남아 있더라도 팽창으로 인한 치수 변화가 그에 따라 감소됩니다. 따라서 소량의 잔류 오스테나이트가 존재하면 치수 변화가 감소합니다. 그러나 잔류 오스테나이트가 존재하면 담금질 경도가 감소하고 상온에 두면 시효 변형이 발생합니다.
(3) 미용해 탄화물의 영향: 담금질 가열 중 오스테나이트에 용해되는 탄화물이 적을수록, 즉 잔류 탄화물이 많을수록 치수 변화가 작아집니다. 잔류 탄화물 자체의 형태와 종류의 변화는 부피 변화를 일으키지 않으므로 치수 변화와는 무관합니다.
(4) 냉간처리 효과: 냉간처리를 하면 잔류 오스테나이트의 양이 감소하고 마르텐사이트의 양이 증가하여 팽창 치수 변화가 발생합니다.
4. 담금질 및 치수 변화
(1) 마르텐사이트 분해: 템퍼링에 의한 마르텐사이트 분해는 수축 치수 변화의 원인이다. 치수 변화량은 마르텐사이트의 탄소 함량에 따라 달라진다. 마르텐사이트의 탄소 함량이 높을수록 치수 변화가 커진다. 그러나 담금질 전 상태를 기준으로 삼으면 담금질 및 템퍼링 후의 종합적인 치수 변화는 결국 팽창하는 것으로 나타난다.
(2) 미용해 탄화물의 영향: 미용해 탄화물이 있는 경우 오스테나이트의 탄소 함량이 감소하고 탄화물 자체는 치수 변화에 영향을 미치지 않으므로 템퍼링 초기 단계(200 미만 템퍼링)의 치수 변화는 수축입니다.
(3) 잔류 오스테나이트의 영향: 잔류 오스테나이트가 있는 경우, 템퍼링에 의한 치수 변화가 작습니다. 템퍼링 온도가 200℃ 이상이면 잔류 오스테나이트가 베이나이트로 변태되어 팽창에 의한 치수 변화를 일으킵니다. 따라서 템퍼링 초기 단계(200℃ 미만)에서는 잔류 오스테나이트로 인해 크기가 줄어듭니다. 이 온도 이상에서는 템퍼링 온도가 상승하고, 잔류 오스테나이트의 분해로 인해 팽창에 의한 치수 변화가 발생합니다.
5. 합금강의 크기 변화
합금강의 탄화물은 종종 특정 원소를 용해시키지만, 그 비체적은 거의 변하지 않는다고 할 수 있습니다. 따라서 합금강의 처리 방법은 앞서 설명한 방법과 동일합니다. 다만, 잔류 오스테나이트의 양은 합금 원소의 종류와 양에 따라 달라지며, 탄화물의 양도 달라지므로 크기 변화를 고려해야 합니다.
6. 크기 변화를 줄이는 방법
크기 변화는 담금질 또는 템퍼링 후 구조 변화로 인해 발생합니다. 따라서 크기 변화를 완전히 제거하는 것은 불가능하며, 열처리 방법을 통해 줄일 수 있을 뿐입니다.
(1) 팽창은 마르텐사이트에 의해 발생하고, 수축은 잔류 오스테나이트에 의해 발생하므로 마르텐사이트의 양과 마르텐사이트에 용해된 탄소 함량을 줄이고 잔류 오스테나이트의 양을 늘려야 한다. 그러나 잔류 오스테나이트의 증가는 시효 변형을 유발한다는 점에 유의해야 한다.
(2) 미용해 탄화물(잔류 탄화물)의 양을 증가시킨다. (3) 마르텐사이트 이외의 다른 구조를 이용하여 강을 경화시키는데, 베이나이트가 가장 좋다. 베이나이트 50%와 마르텐사이트 50%로 이루어진 강은 경도가 높고 치수 변화가 작아 크기 제어가 용이하다.
(4) 템퍼링을 실시해야 합니다.
게시 시간: 2024년 11월 5일