야금학자에게 물어보세요:강화 강철이란 무엇입니까?

기능강에 템퍼링이 얼마나 중요한지.

금속 합금은 레시피의 재료와 같은 요소의 정확한 조합으로 만들어집니다. 다른 요리 기술이 음식의 풍미를 변화시키는 것처럼, 이러한 요소들이 열에 결합되는 방식은 합금의 특성을 변화시킵니다.

강화 강철은 금속의 기계적 특성을 변경하여 더 강하고 저항력이 있게 만듭니다. 이것은 도구, 스프링, 구조용 강철, 심지어 칼에도 좋은 재료가 됩니다.

강화 강철의 기본 사항을 살펴보고… 성질이 있는 강철이 성질이 없는 강철보다 더 유연하고 베푸는 방법을 살펴보겠습니다.

야금 101

야금술은 (금속 생산에 적용되는) 과학이자 금속 기술입니다. 금속의 화학적 구성과 물리적, 기계적 속성과 관련이 있습니다.

다음은 야금 및 템퍼링 강철을 둘러싼 몇 가지 일반적인 용어입니다.

• 강도 :강철이 영구 변형이나 찢어짐에 얼마나 잘 견디는지
• 인성 :강철이 파괴에 얼마나 잘 견디는지(종종 강도가 증가함에 따라 인성도 증가함)
• 경도 :금속이 강철에 긁히거나 움푹 들어간 정도
• 충격 저항 :강철이 최소한의 변형으로 충격 하중을 얼마나 잘 견디는지(종종 고강도 인성이라고도 함)
• 내마모성 :강철이 부식, 제거, 박리 및 골링(종종 경도라고도 함)을 얼마나 잘 견딜 수 있는지
• 구조적 무결성 :강철이 파손 없이 하중을 얼마나 잘 견딜 수 있는지

강철은 건축용으로 널리 사용되는 재료입니다. 강철의 두 가지 필수 요소는 철과 탄소이며 합금에는 종종 소량의 다른 금속도 포함됩니다. 강철에는 2.14% 미만의 탄소가 포함되어 있습니다. 고급 탄소 합금은 일반적으로 주철의 한 형태입니다. 합금에는 종종 망간과 미량의 실리콘, 인, 황 및 산소가 포함될 수 있습니다. 강철은 내구성이 뛰어나고 강해서 수십 년 이상 사용할 수 있으며 그 특성을 잃지 않고 계속해서 재활용할 수 있습니다. 신규 철강 생산의 대부분에는 상당량의 재활용 철강이 포함됩니다.

강의 미세구조

강철의 특성을 변경하는 방법을 배우기 전에 먼저 강철의 미세 구조를 이해해야 합니다. 강철의 정확한 가열 및 냉각은 강철의 미세 구조를 변경합니다.

페라이트 - 체심 입방체(BCC) 결정 구조

이것은 실온에서 순수한 철입니다. 탄소수가 매우 적은 강철을 설명할 수도 있습니다.

각 모서리에 하나의 분자가 있고 정육면체의 중앙에 하나의 분자가 있는 정육면체를 상상해 보십시오. 분자는 느슨하게 포장되어 있으며 각 입방체 내에 더 적은 수의 분자를 포함합니다. 실온에서 구조에 탄소를 0.006%만 추가할 수 있습니다.

오스테나이트 - 면심 입방체(FCC) 결정 구조

이 형태는 철계 합금이 1500F와 1800F 사이에서 가열될 때 발생합니다.

큐브의 각 모서리에 분자가 있고 큐브의 각 측면 중앙에 분자가 있다고 상상해보십시오. 이 분자는 페라이트보다 더 촘촘하게 채워져 있으며 최대 2%의 탄소를 함유할 수 있습니다.

시멘타이트

탄소강을 오스테나이트 범위로 가열한 다음 합금 없이 냉각하면 다시 페라이트 형태로 변합니다. Cementite는 탄소 함량이 0.006%보다 크고 탄소 원자가 철과 결합하여 철 탄화물(Fe3C)을 형성할 때 형성됩니다. 일부 재료가 페라이트 형태로 남아 있기 때문에 순수한 시멘타이트 금속 조각을 얻을 수 없습니다.

펄라이트

페라이트와 시멘타이트의 교대 층은 펄라이트라는 새로운 구조를 형성합니다. 이것은 강철이 천천히 냉각되어 공융 혼합물(두 개의 용융 물질이 동시에 결정화되는 것)을 형성할 때 발생합니다. 교대로 페라이트와 시멘타이트를 동시에 형성합니다.

마르텐사이트 - 체심 정방정계(BCT) 결정 구조

이 강철 미세구조는 강철을 매우 빠르게 냉각시켜 형성되며, 이로 인해 탄소 원자가 철 격자에 갇히게 됩니다. 그 결과 매우 단단하고 바늘 같은 철과 강철 구조가 만들어졌습니다.

이러한 미세 구조는 강철의 기계적 특성을 이해하는 데 중요합니다. 탄소 함량, 합금 농도 및 마무리 방법은 모두 강철의 미세 구조에 기여합니다. 이것만 알면 템퍼링 스틸과 같은 정밀 열처리를 통해 속성을 조작하는 방법을 배울 수 있습니다.

열 처리 개요

금속을 열처리하면 물리적 특성이 변경됩니다. 강도, 연성, 인성, 경도 및 내식성을 높일 수 있습니다.

3가지 일반적인 열처리가 있습니다.

• 어닐링 :금속을 가열하여 부드럽게 만든 후 천천히 식힙니다. 미세 구조의 느린 동결은 크고 둥근 금속 알갱이를 만듭니다. 이렇게 하면 금속이 내부 응력을 제거하고 부딪힐 때만 찌그러지거나 구부러질 가능성이 높아집니다.
• 냉각 :이 과정에서 금속은 빠르게 냉각됩니다(종종 수조 또는 오일 중탕). 이것은 분자를 빠르게 동결시킵니다. 급격한 온도 감소로 인해 표면에 작고 들쭉날쭉한 알갱이가 많이 생성됩니다. 곡물의 들쭉날쭉한 가장자리가 얽혀 있어 금속이 부딪힐 때 구부러질 가능성이 줄어듭니다. 표면이 더 단단해집니다.
• 템퍼링 :생산 또는 담금질을 통해 생성된 과도한 경도를 줄이기 위해 변경하려는 속성에 따라 특정 시간 동안 특정 온도로 금속을 가열하여 금속을 템퍼링할 수 있습니다.

강철을 템퍼링해야 하는 이유

강철은 적용에 적합한 재료 특성을 제공하도록 템퍼링됩니다. 다음과 같을 수 있습니다.

• 인성은 증가시키면서 경도 감소(강한 재료는 충격에 대한 치핑에 저항하고 단단한 재료는 압입에 저항하고 굽힘 전에 파손됨)
• 연성 증가(파손되지 않고 형태 변경 가능)
• 마모 저항 증가
• 강철을 추가로 가공해야 하는 경우 기계 가공성 향상

강화 처리

강철을 템퍼링하기 전에 먼저 강철을 담금질하여 경화시키는 경우가 많습니다. 그런 다음 템퍼링 온도는 금속에서 제거하는 경도를 결정합니다. 온도가 높을수록 더 많은 경도가 제거됩니다. 예를 들어, 단단한 도구는 낮은 온도에서 뜨임 처리되고 유연한 스프링은 더 높은 온도에서 뜨임됩니다.

강철은 산화를 방지하기 위해 진공 또는 불활성 가스로 가스, 전기 저항 또는 유도로에서 가열되는 경우가 많습니다. 강철이 지정된 온도까지 가열되면 강철의 종류와 달성하고자 하는 기계적 특성에 따라 설정된 시간 동안 온도를 유지합니다.

적절한 온도로 가열될 때를 알기 위해 온도계나 온도 총이 필요하지 않습니다. 강화강은 강화 온도에 따라 투명한 색으로 변합니다. 이 색상은 표면에 형성되는 산화막에 의해 형성됩니다. 더 높은 온도는 그 온도 영역에서 더 긴 시간 프레임을 사용하는 것처럼 더 두꺼운 산화철 층을 생성합니다. 이 층은 강철이 부식되는 것을 방지합니다.

위의 이미지는 강철이 금속에 만드는 다양한 색상을 보여줍니다.

• 왼쪽부터 노멀라이즈드 스틸 . 이것은 임계 상한 온도 이상으로 가열되고 대기 중에서 냉각된 강철입니다.
• 왼쪽에서 두 번째는 Quenched Steel입니다. . 빨리 식힌 강철입니다.
• 다음 8개는 130F(176C) ~ 730F(388C)의 온도에 따른 강화 강철의 색상을 보여줍니다.

강철의 예(온도/색상별):

옅은 노란색	176C / 349F	조각사, 면도기, 스크레이퍼
밝은 노란색	205C / 401F	착암기, 리머, 금속 절단 톱
검은 짚	226C / 439F	스크라이버, 대패날
브라운	260C / 500F	테이프, 다이, 비트, 망치, 콜드 끌
보라색	282C / 540F	수술 도구, 펀치, 석재 조각 도구
다크 블루	310C / 590F	스크류드라이버, 렌치
하늘색	337C / 639F	스프링, 나무 절단 나사
회색 파란색	371C / 700F	구조용 강철

템퍼링과 경화의 차이점은 무엇입니까?

강화 강철과 경화 강철은 동일한 합금에 다른 능력을 부여합니다.

강철을 경화시키면 더 단단해지고 긁히거나 눌릴 가능성이 줄어듭니다. 그러나 이 단단한 표면은 더 부서지기 쉽습니다. 부딪히면 움푹 들어가지 않지만 충격력이 너무 강하면 부서지거나 부서집니다. 템퍼링을 사용하면 인성을 높이기 위해 약간의 경도가 손실됩니다. 인성은 파손이나 치핑을 견딜 수 있는 능력이지만 긁히거나 움푹 들어갈 가능성이 더 높습니다.

종종 강철을 먼저 경화시킨 다음 특정 경도 대 인성 비율에 도달한 후에 강철을 템퍼링합니다.

칼과 칼의 열처리

템퍼링은 칼날 제작의 중요한 부분입니다. 최고의 검 중 일부는 차등 템퍼링이라는 과정을 통해 만들어집니다. 미분 템퍼로 대장장이는 날 중앙에 더 부드럽고 탄력 있는 코어가 있는 매우 단단한 날을 만들 수 있습니다. 이것은 블레이드의 인성을 증가시키고 파손을 방지합니다.

일본에서 katanas는 담금질 및 템퍼 중 변화 속도를 제어하는 ​​​​데 도움이되는 점토를 사용하여 종종 다르게 경화되거나 템퍼링되었습니다. 점토의 두께가 다르면 변화율을 조절하는 데 도움이 될 수 있습니다.

다른 차등 템퍼링 공정에서 열은 블레이드의 일부(종종 스파인)에만 적용됩니다. 도검 제작자는 칼날이 날카로운 모서리로 발산함에 따라 칼날의 색이 변하는 것을 지켜보았을 것입니다. 가장자리의 밝은 밀짚 색상에 거의 도달하면 열을 제거합니다.

"현대적" 응용 분야의 열처리 및 강화 강철

강화 강철은 칼과 칼에만 사용되는 것이 아닙니다. 그것은 현대 생산에 실제 응용 프로그램이 있습니다. 공구는 종종 매우 단단하게 템퍼링됩니다. 담금질은 마모와 움푹 들어간 곳을 견디는 단단한 가공 모서리를 만들기 위한 공구강 공정의 일부입니다. 정밀 공구는 작업 허용 오차 내에서 유지하기 위해 이 단단한 모서리를 유지해야 하는 경우가 많습니다. 그러나 전체 도구의 무결성을 위해 이후에 템퍼링이 필요할 수 있으므로 덜 취성입니다. 특정 재료 특성이 필요한 스프링, 구조용 강철 및 기타 금속 조각도 열처리를 거쳐 애플리케이션의 재료 요구 사항에 따라 일관되거나 다른 템퍼를 생성할 수 있습니다.

가단성 미세 구조를 가진 결정인 금속은 재료 과학자에게 합금 선택과 열처리를 잘 조합하여 문제를 해결하는 데 접근할 수 있는 다양한 방법을 제공합니다.