담금질 마스터하기: 금속 경화를 위한 궁극의 가이드

담금질은 금속 공작물을 일정 온도로 가열하여 일정 시간 유지한 후 담금질 매질에 담가 급속 냉각하는 금속 열처리 공정입니다. 담금질은 금속 공작물의 경도와 내마모성을 향상시킬 수 있어 각종 공구, 금형, 측정 도구 및 표면 내마모성이 요구되는 부품에 널리 사용됩니다.

담금질이란?

담금질은 강철을 임계 온도 이상으로 가열하고 일정 시간 유지한 후 임계 냉각 속도보다 빠른 속도로 냉각하여 마르텐사이트(또는 요구에 따라 베이나이트 또는 단일 상 오스테나이트)를 주체로 하는 불평형 구조를 얻는 열처리 공정입니다. 담금질은 강철 열처리에서 가장 널리 사용되는 공정입니다.

강철 열처리에는 네 가지 기본 공정이 있습니다: 어닐링, 노말라이징, 담금질, 템퍼링.

담금질의 목적

과냉 오스테나이트가 마르텐사이트 또는 베이나이트 변태를 거쳐 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직을 얻고, 이어서 다른 온도에서 템퍼링하여 강철의 강성, 경도, 내마모성, 피로 강도 및 인성을 크게 향상시켜 다양한 기계 부품과 공구의 다양한 사용 요구를 충족시키는 것입니다. 또한 담금질을 통해 일부 특수 강의 강자성, 내식성 등 특수 물리화학적 특성을 얻을 수도 있습니다.

금속 열처리 공정은 금속 공작물을 일정 온도로 가열하여 일정 시간 유지한 후 담금질 매질에 담가 급속 냉각하는 것입니다. 일반적인 담금질 매질에는 염수, 물, 광유, 공기 등이 있습니다. 담금질은 금속 공작물의 경도와 내마모성을 향상시킬 수 있어 각종 공구, 금형, 측정 도구 및 표면 내마모성이 요구되는 부품(기어, 롤러, 침탄 부품 등)에 널리 사용됩니다. 담금질과 다른 온도에서의 템퍼링을 통해 금속의 강도, 인성 저하 및 피로 강도를 크게 향상시키고, 이러한 특성 간의 조화(종합 기계적 특성)를 얻어 다양한 사용 요구를 충족시킬 수 있습니다.

또한 담금질은 일부 강의 특수 특성으로 하여금 특정 물리화학적 특성을 얻게 할 수 있습니다. 예를 들어 영구 자석강의 강자성 강화, 스테인리스강의 내식성 향상 등. 담금질 공정은 주로 강철 부품에 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 강철을 임계 온도 이상으로 가열하면 실온의 원래 조직이 완전히 또는 대부분 오스테나이트로 변환됩니다. 그런 다음 강철을 물이나 기름에 담가 급속 냉각하면 오스테나이트가 마르텐사이트로 변환됩니다. 강철의 다른 조직과 비교할 때 마르텐사이트는 가장 높은 경도를 가집니다. 담금질 중 급속 냉각은 공작물에 내부 응력을 유발하며, 이것이 일정 정도에 도달하면 공작물이 변형되거나 심지어 균열될 수 있습니다. 따라서 적절한 냉각 방법을 선택해야 합니다. 냉각 방법에 따라 담금질 공정은 단액 담금질, 이중 매체 담금질, 마르텐사이트 단계 담금질, 베이나이트 등온 담금질로 나뉩니다.

담금질 방법

단일 매체 담금질

공작물을 한 매체에서 냉각하는 것으로, 수냉과 유냉 등이 있습니다. 장점은 조작이 간단하고 기계화하기 쉬우며 적용 범위가 넓습니다. 단점은 물에서 담금질 응력이 크고 공작물이 변형되고 균열되기 쉽습니다. 기름에서 담금질하면 냉각 속도가 느리고 담금질 직경이 작아 대형 공작물은 경화하기 어렵습니다.

이중 매체 담금질

공작물을 냉각 능력이 강한 매체에서 약 300℃까지 냉각한 후 냉각 능력이 약한 매체에서 냉각하는 것으로, 수냉 후 유냉 등이 있습니다. 이는 마르텐사이트 변태로 인한 내부 응력과 공작물 변형 및 균열 경향을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 복잡한 형상과 불균일한 단면의 공작물 담금질에 사용할 수 있습니다. 이중 액체 담금질의 단점은 두 액체 전환 시간을 제어하기 어렵다는 것입니다. 전환이 너무 이르면 경화되고, 너무 늦으면 균열되기 쉽습니다. 이 단점을 극복하기 위해 단계 담금질 방법이 개발되었습니다.

단계 담금질

공작물을 저온 염욕 또는 알칼리욕로에서 담금질합니다. 염욕 또는 알칼리욕 온도는 Ms점 근처입니다. 공작물은 이 온도에서 2~5분간 머문 후 꺼내어 공냉합니다. 이 냉각 방법을 단계 담금질이라고 합니다. 단계 냉각의 목적은 공작물 내외부 온도를 더 균일하게 하고 동시에 마르텐사이트 변태를 수행하여 담금질 응력을 크게 줄이고 변형과 균열을 방지하는 것입니다. 분류 온도는 이전에 Ms점보다 약간 높게 설정되었습니다. 공작물 내외부 온도가 균일해진 후 마르텐사이트 구역에 진입했습니다. Ms점보다 약간 낮은 온도에서 분류하는 것으로 개선되었습니다. 실무에 따르면 Ms점 아래에서 분류하는 효과가 더 좋습니다. 예를 들어 고탄소강 금형은 변형이 작은 160℃ 알칼리욕에서 담금질할 수 있어 널리 사용됩니다.

등온 담금질

공작물을 등온 염욕에서 담금질하며, 염욕 온도는 베이나이트 구역의 하부(MS보다 약간 높음)입니다. 공작물은 베이나이트 변태가 완료될 때까지 오랫동안 등온 유지한 후 꺼내어 공냉합니다. 등온 담금질은 중탄소 이상의 강철에 사용하여 하부 베이나이트를 얻어 강도, 경도, 인성 및 내마모성을 향상시키는 데 사용됩니다. 저탄소강은 일반적으로 등온 담금질을 채택하지 않습니다.