강철 경화능 이해: 경화 깊이 및 열처리 효과

많은 종류의 강철이 퀜칭(quenching)으로 알려진 열처리 방법에 유리하게 반응합니다. 공작물 소재 선정 과정에서 가장 중요한 기준 중 하나는 경화능(hardenability)입니다. 경화능은 고온에서 퀜칭 시 금속이 얼마나 깊게 경화될 수 있는지를 설명하며, 경화 깊이(depth of hardening)라고도 합니다.

미시적 규모의 강철:

미시적 수준에서 강철의 첫 번째 분류 수준은 원자가 공간에서 배열된 방식인 결정 구조입니다. 체심입방정(BCC)과 면심입방정(FCC) 구조가 금속 결정 구조의 예입니다. BCC와 FCC 결정 구조의 예는 아래 그림 1에서 볼 수 있습니다. 그림 1의 이미지는 원자 위치를 표시하기 위한 것이며 원자 간 거리는 과장되어 있음을 유의하십시오.

다음 분류 수준은 상(phase)입니다. 상은 동일한 물리적 및 화학적 특성을 가진 물질의 균일한 부분입니다. 강철에는 3가지 다른 상이 있습니다:

1. 오스테나이트(Austenite): 면심입방정 철; 또한 FCC 결정 구조를 가진 철 및 강철 합금.
2. 페라이트(Ferrite): 체심입방정 철 및 BCC 결정 구조를 가진 강철 합금.
3. 시멘타이트(Cementite): 탄화철(Fe₃C)

본 문서에서 논의되는 마지막 분류 수준은 미세조직(microstructure)입니다. 위에서 본 세 가지 상이 결합되어 강철의 다양한 미세조직을 형성합니다. 이러한 미세조직 예와 일반적인 기계적 특성은 아래와 같습니다:

• 마르텐사이트(Martensite): 가장 단단하고 강한 미세조직이지만 가장 취성적
• 펄라이트(Pearlite): 단단하고 강하며 연성이 있지만 특별히 질기지는 않음
• 베이나이트(Bainite): 바람직한 강도-연성 조합, 펄라이트보다 단단하지만 마르텐사이트만큼 단단하지는 않음

미시적 규모에서의 경화:

강철의 경화능은 소재의 탄소 함량, 기타 합금 원소, 오스테나이트의 결정립 크기의 함수입니다. 오스테나이트는 감마상 철로 고온에서 원자 구조가 BCC 구성에서 FCC 구성으로 전이됩니다.

높은 경화능은 퀜칭 시 합금이 소재 전체에 높은 마르텐사이트 비율을 생성하는 능력을 의미합니다. 경화 강철은 고온에서 소재를 급속 퀜칭하여 만듭니다. 이는 100% 오스테나이트 상태에서 높은 비율의 마르텐사이트 상태로 급속 전이하는 것을 포함합니다. 강철이 0.15% 이상의 탄소를 함유하면 마르텐사이트는 고도로 변형된 체심입방 형태가 되어 탄소로 과포화됩니다. 탄소는 미세조직 내 대부분의 전위 면(slip planes)을 효과적으로 차단하여 매우 단단하고 취성 있는 소재를 만듭니다. 퀜칭 속도가 충분히 빠르지 않으면 탄소가 오스테나이트 상에서 확산되어 나갑니다. 그러면 강철은 펄라이트, 베이나이트가 되거나, 충분히 오래 뜨거우면 페라이트가 됩니다. 방금 언급한 미세조직 중 어느 것도 템퍼링 후 마르텐사이트와 같은 강도를 가지지 않으며 일반적으로 대부분의 용도에서 바람직하지 않은 것으로 간주됩니다.

강철의 성공적인 열처리는 세 가지 요소에 달려 있습니다:

1. 시험편의 크기와 형상
2. 강철의 조성
3. 퀜칭 방법

1. 시험편의 크기와 형상

퀜칭 과정에서 열은 시험편 표면으로 전달된 후 퀜칭 매체로 방출되어야 합니다. 결과적으로 시험편 내부의 냉각 속도는 표면적 대 부피 비율에 의존합니다. 비율이 클수록 시험편이 더 빠르게 냉각되어 경화 효과가 더 깊게 나타납니다. 예를 들어 지름 1인치, 길이 3인치 원통형 봉이 지름 1.5인치, 길이 3인치 봉보다 더 높은 경화능을 가집니다. 이 효과 때문에 모서리와 가장자리가 많은 부품이 규칙적이고 둥근 형상보다 퀜칭에 의한 경화에 더 유리합니다. 그림 2는 오일 퀜칭된 95mm 봉의 냉각 곡선을 보여주는 샘플 시간-온도-변환(TTT) 다이어그램입니다. 표면은 100% 마르텐사이트로 변환되지만 심부에는 일부 베이나이트가 포함되어 경도가 낮아집니다.

2. 강철의 조성

서로 다른 강철 합금은 서로 다른 원소 조성을 가진다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이 원소들이 강철 내 철의 양에 대한 비율은 다양한 기계적 특성을 산출합니다. 탄소 함량 증가는 강철을 더 단단하고 강하게 하지만 연성을 떨어뜨립니다. 스테인리스강의 주요 합금 원소는 크롬으로, 금속에 강한 내식성을 부여합니다. 인간이 천년 넘게 강철 조성을 연구해 왔기 때문에 조합의 수는 무한합니다.

이렇게 많은 조합이 다양한 기계적 특성을 내기 때문에 표준화된 시험이 다양한 강철 유형을 분류하는 데 사용됩니다. 경화능 시험으로 흔한 조미니 시험(Jominy Test)이 그림 3 아래에 나와 있습니다. 이 시험에서 표준 블록 소재를 100% 오스테나이트가 될 때까지 가열합니다. 블록을 빠르게 장치로 이동하여 수냉 퀜칭합니다. 표면(물과 접촉하는 영역)은 즉시 냉각되고 냉각 속도는 표면으로부터의 거리에 따라 감소합니다. 그런 다음 시료 길이를 따라 평면을 연마합니다. 이 평면을 따라 다양한 지점의 경도를 측정합니다. 이 데이터는 경도를 y축, 거리를 x축으로 하는 경화능 차트에 플로팅됩니다.

경화능 곡선은 조미니 시험 결과로부터 구성됩니다. 몇 가지 강철 합금 곡선 예가 그림 4에 나와 있습니다. 냉각 속도 감소(짧은 거리에서 경도의 급격한 하락)로 탄소 확산 시간이 더 허용되고 더 많은 양의 부드러운 펄라이트가 형성됩니다. 이는 마르텐사이트 감소와 낮은 경화능을 의미합니다. 상대적으로 긴 거리에 걸쳐 더 높은 경도 값을 유지하는 소재는 높은 경화능을 가진 것으로 간주됩니다. 또한 양끝 경도 차이가 클수록 경화능은 낮습니다. 퀜칭된 끝에서 거리가 증가함에 따라 냉각 속도가 감소하는 것이 경화능 곡선의 전형적 특징입니다. 1040강은 4140과 4340과 초기 경도가 같지만 시료 길이에 걸쳐 극도로 빠르게 냉각됩니다. 4140과 4340강은 더 점진적으로 냉각되어 더 높은 경화능을 가집니다. 4340은 4140에 비해 덜 극단적인 냉각 속도를 보여 이 세 합금 중 가장 높은 경화능을 가집니다.

경화능 곡선은 탄소 함량에 의존합니다. 강철에 존재하는 탄소 비율이 높을수록 경도가 증가합니다. 그림 4의 세 합금 모두 동일한 탄소량(0.40% C)을 포함하고 있음을 유의해야 합니다. 탄소만이 경화능에 영향을 미치는 유일한 합금 원소는 아닙니다. 이 세 강철 간 경화능 행동의 차이는 합금 원소 측면에서 설명될 수 있습니다. 아래 표 1은 각 강철의 합금 함량 비교를 보여줍니다. 1040은 일반 탄소강이므로 철 이외의 원소가 없어 탄소 원자가 매트릭스에서 빠져나가는 것을 막아주지 못해 가장 낮은 경화능을 가집니다. 4340에 첨가된 니켈은 4140에 비해 약간 더 많은 마르텐사이트 형성을 허용하여 이 세 합금 중 가장 높은 경화능을 부여합니다. 대부분의 금속 합금 원소는 펄라이트, 페라이트, 베이나이트 형성을 늦추므로 강철의 경화능을 증가시킵니다.

표 1: 4340, 4140, 1040 강철의 합금 함량

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

하나의 소재 그룹 내에서도 경화능 변이가 있을 수 있습니다. 강철 산업 생산 과정에서 원소 조성과 평균 결정립 크기에서 한 배치에서 다른 배치로 약간의 불가피한 변동이 항상 있습니다. 대부분의 경우 소재의 경화능은 상한과 하한 곡선으로 한계가 설정되어 표현됩니다.

경화능은 오스테나이트 결정립 크기 증가와 함께 증가합니다. 결정립은 다결정 금속의 개별 결정입니다. 스테인드글라스 창문(아래 그림 참조)을 생각하면, 색유리가 결정립이고 이를 모두 고정하는 납땜 재료가 결정립계입니다. 오스테나이트, 페라이트, 시멘타이트는 강철의 다양한 미세조직을 구성하는 서로 다른 유형의 결정립입니다. 펄라이트와 베이나이트는 결정립계에서 형성됩니다. 이는 마르텐사이트가 원하는 미세조직이고 다른 유형이 그 성장을 방해하므로 경화 과정에 해롭습니다. 마르텐사이트는 오스테나이트 결정립의 급속 냉각과 변환으로 형성되며 그 변환 과정은 아직 잘 이해되지 않았습니다. 결정립 크기가 증가하면 오스테나이트 결정립이 더 많아지고 결정립계는 더 적어집니다. 따라서 펄라이트와 베이나이트 같은 미세조직이 형성될 기회가 적고 마르텐사이트가 형성될 기회가 더 많아집니다.

3. 퀜칭 방법

앞서 언급했듯이 퀜칭 유형은 냉각 속도에 영향을 미칩니다. 오일, 물, 수용성 폴리머 퀜천트, 공기 사용 시 공작물 내부를 통한 경도가 달라집니다. 이는 경화능 곡선도 이동시킵니다. 물이 가장 심한 퀜칭을 생성하고 그다음 오일, 공기 순입니다. 수용성 폴리머 퀜천트는 물과 오일 사이의 퀜칭 속도를 제공하며 폴리머 농도와 온도 변경으로 특정 용도에 맞게 조정할 수 있습니다. 교반 정도도 열 제거 속도에 영향을 미칩니다. 퀜칭 매체가 시편을 더 빠르게 통과할수록 퀜칭 효과가 더 큽니다. 오일 퀜칭은 일반적으로 수냉 퀜칭이 특정 강철 유형에 너무 심해 처리 시 균열이나 변형이 발생할 때 사용됩니다.

경화 강철 가공

경화 후 공작물 가공용 공구 유형 선택은 몇 가지 변수에 따라 달라집니다. 응용 분야별 기하학적 요구사항을 제외하고, 가장 중요한 두 가지 변수는 소재 경도와 경화능입니다. 일부 상대적으로 고응력 응용 분야에서는 공작물 내부 전체에 최소 80% 마르텐사이트 생성을 요구합니다. 보통 중간 응력 부품은 공작물 전체에 약 50% 마르텐사이트만 필요합니다. 매우 낮은 경화능의 퀜칭 금속을 가공할 때는 표준 코팅 초경 공구로 문제없이 작업할 수 있습니다. 이는 공작물의 가장 단단한 부분이 표면으로 제한되기 때문입니다. 높은 경화능의 강철을 가공할 때는 해당 특정 용도를 위한 특수 형상의 커터 사용이 권장됩니다. 높은 경화능은 공작물 전체 부피에 걸쳐 경화된 결과를 낳습니다. 하비 툴은 카탈로그 전반에 걸쳐 드릴, 엔드밀, 키시트 커터, 인그레이버 등 경화 강철용 다양한 커터를 보유하고 있습니다.

하비 툴의 완비된 경화 강철용 엔드밀 제품군 보기

경화 강철 요약

경화능은 페로스 합금이 표면부터 심부까지 전체 부피에 걸쳐 마르텐사이트 형성으로 경화될 수 있는 깊이를 측정합니다. 강철 선택뿐만 아니라 특정 응용 분야의 절삭 공구 선택 시 고려해야 할 중요한 소재 특성입니다. 모든 강철의 경화는 부품의 크기와 형상, 강철의 분자 조성, 사용된 퀜칭 방법 유형에 달려 있습니다.