강철의 경화성

많은 유형의 강철은 담금질로 알려진 열처리 방법에 유리한 반응을 보입니다. 피삭재 선택 과정에서 가장 중요한 기준 중 하나는 경화성입니다. 경화성은 고온에서 담금질할 때 금속이 얼마나 깊이 경화될 수 있는지를 나타내며, 경화 깊이라고도 합니다.

미시적 규모의 강철:

미시적 수준에서 철강을 분류하는 첫 번째 수준은 결정 구조, 즉 원자가 공간에 배열되는 방식입니다. BCC(Body-Centered Cubic) 및 FCC(Face Centered Cubic) 구성은 금속 결정 구조의 예입니다. BCC 및 FCC 결정 구조의 예는 아래 그림 1에서 볼 수 있습니다. 그림 1의 이미지는 원자 위치를 표시하기 위한 것이며 원자 사이의 거리가 과장되었음을 명심하십시오.

분류의 다음 수준은 단계입니다. 단계 동일한 물리적 및 화학적 특성을 갖는 재료의 균일한 부분입니다. 강철에는 3가지 단계가 있습니다.

1. 오스테나이트:면심입방철; 또한 FCC 결정 구조를 갖는 철 및 강철 합금.
2. 페라이트:BCC 결정 구조를 갖는 체심 입방 철 및 강철 합금.
3. 시멘타이트:탄화철(Fe₃ 다)

이 기사에서 논의된 분류의 최종 수준은 미세 구조입니다. 위에서 본 세 단계는 강철의 다른 미세 구조를 형성하기 위해 결합될 수 있습니다. 이러한 미세 구조의 예와 일반적인 기계적 특성은 다음과 같습니다.

• 마르텐사이트:가장 단단하고 가장 강한 미세구조이지만 가장 부서지기 쉽습니다.
• 펄라이트:단단하고 강하며 연성이지만 특별히 거칠지는 않음
• 베이나이트:바람직한 강도-연성 조합을 가지며 펄라이트보다 단단하지만 마르텐사이트만큼 단단하지 않음

미시적 규모의 경화:

강의 경화성은 재료의 탄소 함량, 기타 합금 원소 및 오스테나이트의 입자 크기의 함수입니다. 오스테나이트는 감마상 철이며 고온에서 원자 구조가 BCC 구성에서 FCC 구성으로 전환됩니다.

높은 경화성은 담금질 시 재료 전체에 걸쳐 높은 마르텐사이트 비율을 생성하는 합금의 능력을 나타냅니다. 경화강은 재료를 고온에서 급속 담금질하여 생성됩니다. 여기에는 100% 오스테나이트 상태에서 높은 비율의 마르텐사이트 상태로의 빠른 전환이 포함됩니다. 강철이 0.15% 이상의 탄소를 함유하면 마르텐사이트는 고도로 변형된 체심 입방체 형태가 되고 탄소로 과포화됩니다. 탄소는 미세구조 내의 대부분의 슬립면을 효과적으로 차단하여 매우 단단하고 부서지기 쉬운 재료를 생성합니다. 담금질 속도가 충분히 빠르지 않으면 탄소가 오스테나이트 상 밖으로 확산됩니다. 그런 다음 강철은 펄라이트, 베이나이트 또는 충분히 오래 가열되면 페라이트가 됩니다. 방금 언급한 미세 구조 중 어느 것도 템퍼링 후 마르텐사이트와 동일한 강도를 갖지 않으며 일반적으로 대부분의 응용 분야에 적합하지 않은 것으로 보입니다.

강철의 성공적인 열처리는 세 가지 요소에 따라 달라집니다.

1. 표본의 크기와 모양
2. 강의 구성
3. 담금질 방법

1. 표본의 크기 및 모양

담금질 과정에서 열이 담금질 매체로 발산되기 전에 시편 표면으로 열이 전달되어야 합니다. 결과적으로, 시편 내부가 냉각되는 속도는 표면적 대 부피 비율에 따라 달라집니다. 비율이 클수록 시편이 더 빨리 냉각되므로 경화 효과가 더 깊어집니다. 예를 들어, 1인치 직경의 3인치 원통형 바는 1.5인치 직경의 3인치 바보다 더 높은 경화성을 갖습니다. 이 효과로 인해 모서리와 모서리가 더 많은 부품은 일반 및 둥근 모양보다 담금질하여 경화에 수정하기 쉽습니다. 그림 2는 오일 담금질 95mm 바의 냉각 곡선에 대한 샘플 시간-온도 변환(TTT) 다이어그램입니다. 표면은 100% 마르텐사이트로 변형되는 반면 코어에는 베이나이트가 포함되어 경도가 낮아집니다.

2. 강철의 구성

강철의 다른 합금은 다른 원소 조성을 포함한다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 강철 내 철의 양에 대한 이러한 요소의 비율은 다양한 기계적 특성을 생성합니다. 탄소 함량을 높이면 강철이 더 단단하고 강해 지지만 연성이 있습니다. 크롬에 있는 스테인리스강의 주된 합금 원소로 금속에 부식에 대한 강한 저항력을 부여합니다. 인간은 천년 이상 강철의 구성을 만지작거렸기 때문에 조합의 수는 무궁무진합니다.

다양한 기계적 특성을 생성하는 조합이 너무 많기 때문에 표준화된 테스트는 다양한 유형의 강철을 분류하는 데 사용됩니다. 경화성에 대한 일반적인 테스트는 아래 그림 3에 표시된 Jominy 테스트입니다. 이 테스트 동안 재료의 표준 블록은 100% 오스테나이트가 될 때까지 가열됩니다. 그런 다음 블록은 물을 담금질하는 장치로 빠르게 이동됩니다. 표면 또는 물과 접촉하는 영역은 즉시 냉각되고 냉각 속도는 표면으로부터의 거리의 함수로 떨어집니다. 그런 다음 샘플의 길이를 따라 블록 위에 플랫을 연마합니다. 이 평면을 따라 다양한 지점의 경도가 측정됩니다. 그런 다음 이 데이터는 경도가 y축이고 거리가 x축인 경화성 차트에 표시됩니다.

경화성 곡선은 Jominy 테스트의 결과로 구성됩니다. 몇 가지 강철 합금 곡선의 예가 그림 4에 나와 있습니다. 냉각 속도가 감소하면(단거리에서 경도가 급격히 떨어짐) 탄소 확산과 더 많은 비율의 부드러운 펄라이트 형성에 더 많은 시간이 허용됩니다. 이것은 마르텐사이트가 적고 경화성이 낮다는 것을 의미합니다. 상대적으로 긴 거리에서 더 높은 경도 값을 유지하는 재료는 경화 가능성이 높은 것으로 간주됩니다. 또한 양단의 경도차이가 클수록 경화성은 낮아진다. 담금질 끝에서 멀어질수록 냉각 속도가 감소하는 것은 경화성 곡선의 전형입니다. 1040 강철은 처음에는 4140 및 4340과 동일한 경도를 갖지만 샘플 길이에 걸쳐 매우 빠르게 냉각됩니다. 4140 및 4340 강철은 더 점진적인 속도로 냉각되므로 더 높은 경화성을 갖습니다. 4340은 4140에 비해 덜 극단적인 냉각 속도를 가지므로 트리오 중에서 가장 높은 경화성을 갖습니다.

경화성 곡선은 탄소 함량에 따라 다릅니다. 강철에 존재하는 탄소의 비율이 높을수록 경도가 높아집니다. 그림 4의 세 가지 합금은 모두 같은 양의 탄소(0.40% C)를 함유하고 있습니다. 탄소는 경화성에 영향을 줄 수 있는 유일한 합금 원소가 아닙니다. 이 세 가지 강 사이의 경화성 거동의 차이는 합금 원소의 관점에서 설명할 수 있습니다. 하기 표 1은 각 강재의 합금 함량을 비교한 것이다. 1040은 일반 탄소강이므로 탄소 원자가 매트릭스에서 빠져 나가는 것을 차단하는 철 외에 다른 요소가 없기 때문에 가장 낮은 경화성을 갖습니다. 4340에 추가된 니켈은 4140에 비해 약간 더 많은 양의 마르텐사이트가 형성되도록 하여 이 세 가지 합금 중 가장 높은 경화성을 제공합니다. 대부분의 금속 합금 원소는 펄라이트, 페라이트 및 베이나이트의 형성을 늦추므로 강철의 경화성을 증가시킵니다.

표 1:4340, 4140 및 1040steel의 합금 함량을 보여줍니다.

강철 유형:	니켈(중량%):	몰리브덴(중량%):	크롬(중량%):
4340	1.85%	0.25%	0.80%
4140	0.00%	0.20%	1.00%
1040	0.00%	0.00%	0.00%

하나의 재료 그룹 내에서 경화성에 변화가 있을 수 있습니다. 철강 산업 생산 중에 원소 조성과 평균 입자 크기에는 항상 피할 수 없는 약간의 변화가 있습니다. 대부분의 경우 재료의 경화성은 한계로 설정된 최대 및 최소 곡선으로 나타납니다.

경화성은 또한 오스테나이트 입자 크기가 증가함에 따라 증가합니다. 입자는 다결정 금속의 개별 결정입니다. 스테인드 글라스 창(아래에 표시된 것과 같은)을 생각하면 유색 유리가 입자가 되고 이를 모두 유지하는 납땜 재료가 입자 경계가 됩니다. Austenite, Ferrite 및 Cementite는 강철의 서로 다른 미세 구조를 구성하는 서로 다른 유형의 입자입니다. 펄라이트와 베이나이트가 형성되는 결정립계입니다. 이것은 마르텐사이트가 원하는 미세 구조이고 다른 유형이 성장을 방해하기 때문에 경화 과정에 해롭습니다. 마텐자이트는 오스테나이트 결정립의 급속 냉각과 그 변태 과정에서 형성되는 형태에 대해 아직 잘 알려져 있지 않습니다. 결정립 크기가 증가함에 따라 오스테나이트 결정립은 더 많고 결정립계는 더 적습니다. 따라서 펄라이트 및 베이나이트와 같은 미세 조직이 형성될 기회가 적고 마르텐사이트가 형성될 기회가 더 많습니다.

3. 담금질 방법

앞서 언급한 바와 같이 급랭 유형은 냉각 속도에 영향을 미칩니다. 오일, 물, 수성 폴리머 냉각제 또는 공기를 사용하면 공작물의 내부를 통해 다른 경도가 생성됩니다. 이것은 또한 경화성 곡선을 이동시킵니다. 물은 가장 심한 급랭을 생성하고 그 다음으로 기름, 공기가 뒤따릅니다. 수성 폴리머 냉각제는 물과 오일 사이의 냉각 속도를 제공하며 폴리머 농도와 온도를 변경하여 특정 용도에 맞게 조정할 수 있습니다. 교반 정도는 열 제거 속도에도 영향을 미칩니다. 담금질 매체가 시편을 가로질러 이동하는 속도가 빠를수록 담금질 효과가 커집니다. 오일 퀜칭은 일반적으로 물 퀜칭이 강철의 종류에 비해 너무 심할 때 사용됩니다. 처리 시 균열이 생길 수 있기 때문입니다.

경화강 가공

경화 후 공작물을 가공하기 위해 선택한 가공 도구에 대해 선택해야 하는 커터 유형은 몇 가지 다른 변수에 따라 다릅니다. 응용 분야에 특정한 기하학적 요구 사항을 제외하고 가장 중요한 두 가지 변수는 재료 경도와 경화성입니다. 일부 상대적으로 높은 응력 적용 분야에서는 공작물 내부 전체에 최소 80%의 마르텐사이트를 생성해야 합니다. 일반적으로 중간 응력을 받는 부품에는 공작물 전체에 약 50%의 마르텐사이트만 필요합니다. 경화성이 매우 낮은 담금질 금속을 가공할 때 표준 코팅된 솔리드 초경 공구는 문제 없이 작동할 수 있습니다. 가공물의 가장 단단한 부분이 표면에 국한되어 있기 때문입니다. 경화도가 높은 강을 가공할 때 특정 용도에 맞는 특수 형상의 커터를 사용하는 것이 좋습니다. 높은 경화성은 전체 볼륨에 걸쳐 단단한 공작물을 생성합니다. Harvey Tool은 드릴, 엔드밀, 키시트 커터 및 조각기를 포함하여 카탈로그 전체에 걸쳐 경화강을 위한 다양한 커터를 보유하고 있습니다.

Harvey Tool의 경화강용 엔드밀 재고 공급

경화강, 요약

경화성은 표면에서 코어까지 전체 부피에 걸쳐 마르텐사이트 형성에 의해 철 합금이 경화될 수 있는 깊이의 척도입니다. 이는 특정 용도에 대한 절삭 공구뿐만 아니라 강철을 선택할 때 고려해야 하는 중요한 재료 특성입니다. 강철의 경화는 부품의 크기와 모양, 강철의 분자 구성 및 사용된 담금질 방법의 유형에 따라 다릅니다.

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