담금질의 정의와 목적
강철을 임계점 Ac3(아공석강) 또는 Ac1(과공석강) 이상의 온도로 가열하고, 일정 시간 동안 유지하여 완전 또는 부분적으로 오스테나이트화시킨 다음, 임계 담금질 속도보다 빠른 속도로 냉각합니다. 과냉각된 오스테나이트를 마르텐사이트 또는 하부 베이나이트로 변환시키는 이 열처리 공정을 담금질이라고 합니다.
담금질의 목적은 과냉각된 오스테나이트를 마르텐사이트 또는 베이나이트로 변태시켜 마르텐사이트 또는 하부 베이나이트 구조를 얻는 것입니다. 이 구조는 다양한 온도에서의 템퍼링과 결합되어 강철의 강도, 경도, 내마모성, 피로 강도 및 인성 등을 크게 향상시켜 다양한 기계 부품 및 공구의 사용 요구 사항을 충족합니다. 또한 담금질은 자성 및 내식성과 같은 특정 특수강의 특수한 물리적 및 화학적 특성을 구현하는 데에도 사용될 수 있습니다.
물리적 상태 변화가 있는 담금질 매체에서 강철 부품을 냉각할 때, 냉각 과정은 일반적으로 증기막 단계, 비등 단계 및 대류 단계의 세 단계로 나뉩니다.
강철의 경화성
경화성 및 경화도는 강철이 담금질을 견딜 수 있는 능력을 나타내는 두 가지 성능 지표입니다. 또한 재료 선택 및 사용에 있어 중요한 기준이 됩니다.
1. 경화성 및 경화 가능성의 개념
경화성은 강철이 이상적인 조건에서 담금질 및 경화 과정을 거쳐 얻을 수 있는 최대 경도를 나타내는 능력입니다. 강철의 경화성을 결정하는 주요 요인은 탄소 함량입니다. 더 정확히 말하면, 담금질 및 가열 과정에서 오스테나이트에 용해되는 탄소 함량입니다. 탄소 함량이 높을수록 강철의 경화성이 높아집니다. 강철에 포함된 합금 원소는 경화성 자체에는 큰 영향을 미치지 않지만, 강철의 경화성에는 상당한 영향을 미칩니다.
경화성은 특정 조건에서 강철의 경화 깊이와 경도 분포를 결정하는 특성을 말합니다. 즉, 강철을 담금질했을 때 경화층의 깊이를 얻는 능력을 의미합니다. 이는 강철 고유의 성질입니다. 경화성은 실제로 강철이 담금질될 때 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되는 용이성을 반영합니다. 주로 강철의 과냉각 오스테나이트의 안정성 또는 강철의 임계 담금질 냉각 속도와 관련이 있습니다.
또한, 강철의 경화능과 특정 담금질 조건에서의 강철 부품의 유효 경화 깊이를 구분해야 한다는 점을 지적해야 합니다. 강철의 경화능은 강철 자체의 고유한 특성으로, 내부 요인에만 의존하며 외부 요인과는 무관합니다. 반면, 강철의 유효 경화 깊이는 강철의 경화능뿐만 아니라 사용된 재료에도 영향을 받으며, 냉각 매체, 가공물의 크기 등의 외부 요인과도 관련이 있습니다. 예를 들어, 동일한 오스테나이트화 조건에서 동일한 강철의 경화능이 같다고 하더라도, 수냉의 유효 경화 깊이가 유냉보다 크고, 작은 부품일수록 큰 부품의 유효 경화 깊이가 더 크다고 할 수 있습니다. 그렇다고 해서 수냉의 경화능이 유냉보다 높다고 하거나, 작은 부품의 경화능이 큰 부품보다 높다고 할 수는 없습니다. 강철의 경화성을 평가하기 위해서는 공작물의 형상, 크기, 냉각 매체 등과 같은 외부 요인의 영향을 제거해야 한다는 것을 알 수 있다.
또한, 경화성 및 경화 용이성은 서로 다른 개념이므로, 담금질 후 경도가 높은 강이 반드시 경화 용이성이 높은 것은 아니며, 경도가 낮은 강도 경화 용이성이 높을 수 있습니다.
2. 경화성에 영향을 미치는 요인
강철의 경화성은 오스테나이트의 안정성에 달려 있습니다. 과냉각된 오스테나이트의 안정성을 향상시키고, C 곡선을 오른쪽으로 이동시켜 임계 냉각 속도를 낮추는 모든 요소는 고강도 강철의 경화성을 향상시킬 수 있습니다. 오스테나이트의 안정성은 주로 화학 조성, 결정립 크기 및 조성 균일성에 따라 달라지는데, 이는 강철의 화학 조성 및 가열 조건과 관련이 있습니다.
3. 경화능 측정 방법
강철의 경화성을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 방법은 임계 직경 측정법과 끝단 경화성 시험법입니다.
(1)임계 직경 측정 방법
특정 매체에서 강철을 담금질했을 때, 중심부가 완전히 마르텐사이트 구조 또는 50% 마르텐사이트 구조를 갖게 되는 최대 직경을 임계 직경(Dc)이라고 합니다. 임계 직경 측정 방법은 직경이 서로 다른 원형 봉을 여러 개 제작하고 담금질 후, 각 봉의 단면에서 직경을 따라 분포된 경도 U 곡선을 측정하여 중심부에 반마르텐사이트 구조를 갖는 봉을 찾는 것입니다. 이 원형 봉의 직경이 바로 임계 직경입니다. 임계 직경이 클수록 강철의 경화성이 높아집니다.
(2) 최종 담금질 시험 방법
단부 담금질 시험법은 표준 크기의 단부 담금질 시편(Ф25mm×100mm)을 사용합니다. 오스테나이트화 후, 특수 장비를 이용하여 시편의 한쪽 끝에 물을 분사하여 냉각시킵니다. 냉각 후, 수냉된 끝단에서부터 축 방향을 따라 경도를 측정합니다. 이 시험법은 거리 관계 곡선을 얻는 데 사용됩니다. 단부 경화 시험법은 강의 경화능을 측정하는 방법 중 하나이며, 조작이 간단하고 적용 범위가 넓다는 장점이 있습니다.
4. 담금질 응력, 변형 및 균열
(1) 담금질 중 공작물의 내부 응력
공작물을 담금질 매체에서 급속 냉각할 때, 공작물의 크기와 열전도율 계수가 일정한 값을 가지므로 냉각 과정 중 공작물 내부를 따라 일정한 온도 구배가 발생합니다. 표면 온도는 낮고 중심부 온도는 높으며, 표면과 중심부 사이에는 온도 차이가 존재합니다. 공작물의 냉각 과정에서는 두 가지 물리적 현상이 발생합니다. 하나는 열팽창으로, 온도가 낮아짐에 따라 공작물의 단면 길이가 줄어듭니다. 다른 하나는 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 현상으로, 온도가 마르텐사이트 변태점에 도달하면 비체적이 증가합니다. 냉각 과정 중 온도 차이로 인해 공작물 단면의 각 부분에서 열팽창량이 달라지고, 공작물 곳곳에 내부 응력이 발생합니다. 또한 공작물 내부에 온도 차이가 존재하기 때문에 마르텐사이트 변태가 일어나는 지점보다 온도가 더 빠르게 떨어지는 부분이 있을 수 있습니다. 상변태가 일어나면서 부피가 팽창하고, 고온에 노출된 부분은 여전히 오스테나이트 상태를 유지합니다. 이러한 각 부분의 부피 변화 차이로 인해 내부 응력이 발생하게 됩니다. 따라서 담금질 및 냉각 과정에서 열 응력과 조직 응력, 두 가지 종류의 내부 응력이 발생할 수 있습니다.
내부 응력의 존재 시간 특성에 따라 순간 응력과 잔류 응력으로 나눌 수 있다. 냉각 과정 중 특정 순간에 공작물에 발생하는 내부 응력을 순간 응력이라고 하고, 공작물이 냉각된 후 공작물 내부에 남아 있는 응력을 잔류 응력이라고 한다.
열응력은 가공물이 가열(또는 냉각)될 때 가공물의 각 부분 간 온도 차이로 인해 발생하는 불균일한 열팽창(또는 냉간 수축)으로 인한 응력을 말합니다.
이제 냉각 과정 중 내부 응력의 발생 및 변화 규칙을 설명하기 위해 고체 원통을 예로 들어보겠습니다. 여기서는 축 방향 응력만 고려합니다. 냉각 초기에는 표면이 빠르게 냉각되어 온도가 낮고 수축이 큰 반면, 중심부는 냉각되면서 온도가 높고 수축이 작습니다. 결과적으로 표면과 내부는 서로 구속되어 표면에는 인장 응력이, 중심부에는 압축 응력이 발생합니다. 냉각이 진행됨에 따라 내외부의 온도 차이가 커지고 내부 응력도 그에 따라 증가합니다. 응력이 해당 온도에서의 항복 강도를 초과하면 소성 변형이 발생합니다. 중심부는 표면보다 두께가 두껍기 때문에 항상 축 방향으로 먼저 수축합니다. 소성 변형이 일어나면 내부 응력은 더 이상 증가하지 않습니다. 일정 시간 동안 냉각이 진행되면 표면 온도의 감소 속도가 점차 느려지고 수축량도 점차 감소합니다. 이 시점에서 중심부는 여전히 수축하고 있으므로 표면의 인장 응력과 중심부의 압축 응력은 점차 감소하여 사라집니다. 그러나 냉각이 계속됨에 따라 표면 습도가 점점 낮아지고 수축량은 점점 줄어들거나 심지어 수축이 멈추게 됩니다. 중심부의 온도가 여전히 높기 때문에 수축은 계속되어 결국 공작물의 표면에는 압축 응력이 발생하고 중심부에는 인장 응력이 발생합니다. 하지만 온도가 낮기 때문에 소성 변형이 쉽게 발생하지 않아 이 응력은 냉각이 진행됨에 따라 증가합니다. 계속해서 증가하다가 결국 공작물 내부에 잔류 응력으로 남게 됩니다.
냉각 과정 중 발생하는 열응력은 초기에는 표면층을 늘리고 중심부를 압축시키며, 잔류 응력은 표면층이 압축되고 중심부가 늘어나는 상태를 유지함을 알 수 있다.
요약하자면, 담금질 냉각 과정에서 발생하는 열응력은 냉각 과정 중 단면 온도 차이에 의해 발생합니다. 냉각 속도가 빠를수록, 그리고 단면 온도 차이가 클수록 발생하는 열응력도 커집니다. 동일한 냉각 매체 조건에서, 공작물의 가열 온도가 높을수록, 크기가 클수록, 강재의 열전도율이 작을수록, 공작물 내부의 온도 차이가 커지고 열응력도 커집니다. 고온에서 공작물이 불균일하게 냉각되면 변형이 발생할 수 있습니다. 공작물의 냉각 과정 중 발생하는 순간 인장응력이 재료의 인장강도보다 크면 담금질 균열이 발생합니다.
상변환 응력은 열처리 과정에서 가공물의 각 부분에서 상변환이 일어나는 시점이 서로 달라서 발생하는 응력을 말하며, 조직 응력이라고도 합니다.
담금질 및 급속 냉각 과정에서 표면층이 Ms점까지 냉각되면 마르텐사이트 변태가 일어나 부피 팽창이 발생합니다. 그러나 아직 변태가 일어나지 않은 중심부가 존재하기 때문에 표면층에는 압축 응력이 발생하고 중심부에는 인장 응력이 발생합니다. 이러한 응력이 충분히 커지면 변형이 일어납니다. 중심부 또한 Ms점까지 냉각되면 마르텐사이트 변태가 일어나 부피 팽창이 발생합니다. 하지만 변태된 표면층은 낮은 소성과 높은 강도를 가지고 있어 최종 잔류 응력은 표면 장력 형태로 나타나고, 중심부에는 인장 응력이 작용합니다. 따라서 상변태 응력의 변화 양상과 최종 상태는 열 응력과 정확히 반대임을 알 수 있습니다. 더욱이 상변태 응력은 낮은 온도에서 낮은 소성으로 인해 발생하므로 이때 변형이 어려워 가공물에 균열을 일으킬 가능성이 더 높습니다.
상변환 응력의 크기에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있습니다. 마르텐사이트 변태 온도 범위에서 강철의 냉각 속도가 빠를수록, 강철 시편의 크기가 클수록, 강철의 열전도율이 나쁠수록, 마르텐사이트의 비체적이 클수록, 상변환 응력은 더욱 커집니다. 또한, 상변환 응력은 강철의 조성 및 경화성과도 관련이 있습니다. 예를 들어, 고탄소 고합금강은 높은 탄소 함량으로 인해 마르텐사이트의 비체적이 증가하므로 상변환 응력이 증가해야 합니다. 그러나 탄소 함량이 증가함에 따라 Ms점이 낮아지고, 담금질 후 잔류 오스테나이트의 양이 많아지면서 부피 팽창이 감소하고 잔류 응력이 낮아집니다.
(2) 담금질 중 공작물의 변형
담금질 과정에서 공작물에는 크게 두 가지 유형의 변형이 발생합니다. 하나는 담금질 응력으로 인해 발생하는 공작물의 기하학적 형상 변화, 즉 크기와 모양의 변화(흔히 뒤틀림 변형이라고 함)이고, 다른 하나는 체적 변형으로, 상변화 과정에서 비체적 변화에 의해 발생하는 공작물의 부피가 비례적으로 팽창하거나 수축하는 현상입니다.
뒤틀림 변형에는 형상 변형과 비틀림 변형이 포함됩니다. 비틀림 변형은 주로 가열 중 용광로 내 공작물의 부적절한 위치, 담금질 전 변형 보정 후 형상 처리 부족, 또는 냉각 시 공작물의 각 부위의 불균일한 냉각으로 인해 발생합니다. 이러한 변형은 특정 상황에 따라 분석 및 해결이 가능합니다. 이하에서는 주로 부피 변형과 형상 변형에 대해 논의합니다.
1) 담금질 변형의 원인 및 변화 양상
구조 변형으로 인한 부피 변형 담금질 전 공작물의 구조는 일반적으로 페라이트와 시멘타이트가 혼합된 펄라이트 구조이며, 담금질 후에는 마르텐사이트 구조가 됩니다. 이러한 조직들의 비체적 차이로 인해 담금질 전후에 부피 변화가 발생하고, 결과적으로 변형이 일어납니다. 그러나 이러한 변형은 공작물이 비례적으로 팽창 및 수축하는 현상만 유발하므로 공작물의 형상 자체를 변화시키지는 않습니다.
또한, 열처리 후 구조 내 마르텐사이트의 양이 많을수록, 또는 마르텐사이트 내 탄소 함량이 높을수록 부피 팽창이 커지고, 잔류 오스테나이트의 양이 많을수록 부피 팽창이 작아집니다. 따라서 열처리 과정에서 마르텐사이트와 잔류 마르텐사이트의 상대적인 함량을 조절함으로써 부피 변화를 제어할 수 있습니다. 적절히 조절하면 부피 팽창이나 수축이 발생하지 않습니다.
열응력에 의한 형상 변형은 강재 부품의 항복강도가 낮고 소성이 높으며 표면 냉각이 빠르고 가공물의 내외부 온도차가 가장 큰 고온 영역에서 발생합니다. 이때 순간적인 열응력은 표면 인장응력과 내부 압축응력으로 나타납니다. 내부 온도가 높기 때문에 항복강도가 표면보다 훨씬 낮아 다방향 압축응력 작용으로 인한 변형이 발생하는데, 즉 정육면체가 구형으로 변형되는 현상이 나타납니다. 결과적으로 큰 부분은 수축하고 작은 부분은 팽창합니다. 예를 들어 긴 원통은 길이 방향으로 줄어들고 지름 방향으로 늘어납니다.
조직 응력에 의한 형상 변형은 조직 응력이 최대가 되는 초기 순간에도 발생합니다. 이때 단면 온도차가 크고, 중심부 온도가 높으며, 오스테나이트 상태를 유지하고 있어 소성이 좋고 항복 강도가 낮습니다. 순간적인 조직 응력은 표면 압축 응력과 중심부 인장 응력으로 구성됩니다. 따라서 변형은 다방향 인장 응력 작용 하에서 중심부의 신장으로 나타납니다. 결과적으로 조직 응력 작용 하에서 가공물의 큰 쪽은 늘어나고 작은 쪽은 줄어듭니다. 예를 들어, 긴 원통형 형상에서 조직 응력에 의한 변형은 길이의 신장과 직경의 감소로 나타납니다.
표 5.3은 다양한 대표적인 강재 부품의 담금질 변형 규칙을 보여줍니다.
2) 담금질 변형에 영향을 미치는 요인
담금질 변형에 영향을 미치는 주요 요인은 강철의 화학적 조성, 원래 구조, 부품의 형상 및 열처리 공정입니다.
3) 담금질 균열
부품에 발생하는 균열은 주로 담금질 및 냉각 후기 단계, 즉 마르텐사이트 변태가 거의 완료된 후 또는 완전 냉각 후에 발생하며, 이때 부품의 인장 응력이 강재의 파괴 강도를 초과하여 취성 파괴가 일어납니다. 균열은 일반적으로 최대 인장 변형 방향에 수직으로 발생하므로, 부품 내 균열의 형태는 주로 응력 분포 상태에 따라 달라집니다.
담금질 균열의 일반적인 유형: 종방향(축방향) 균열은 주로 접선 방향 인장 응력이 재료의 파괴 강도를 초과할 때 발생합니다. 횡방향 균열은 부품 내면에 발생하는 큰 축방향 인장 응력이 재료의 파괴 강도를 초과할 때 형성됩니다. 망상 균열은 표면에 작용하는 2차원 인장 응력에 의해 형성됩니다. 박리 균열은 매우 얇은 경화층에서 발생하며, 응력 변화가 급격하고 과도한 인장 응력이 방사 방향으로 작용할 때 발생할 수 있습니다.
세로 방향 균열은 축 방향 균열이라고도 합니다. 이러한 균열은 부품 표면 근처의 최대 인장 응력 지점에서 발생하며, 중심부를 향해 일정 깊이로 진행됩니다. 균열의 방향은 일반적으로 축과 평행하지만, 부품 내부에 응력 집중이 발생하거나 내부 구조적 결함이 있는 경우에는 방향이 바뀔 수도 있습니다.
가공물이 완전히 담금질된 후에는 세로 방향 균열이 발생하기 쉽습니다. 이는 담금질된 가공물 표면에 큰 접선 방향 인장 응력이 존재하기 때문입니다. 강재의 탄소 함량이 증가할수록 세로 방향 균열 발생 경향이 커집니다. 저탄소강은 마르텐사이트의 비체적이 작고 열응력이 강합니다. 표면에 큰 잔류 압축 응력이 존재하기 때문에 담금질이 쉽지 않습니다. 탄소 함량이 증가함에 따라 표면 압축 응력은 감소하고 구조적 응력은 증가합니다. 동시에 최대 인장 응력이 표면층으로 이동합니다. 따라서 고탄소강은 과열 시 세로 방향 담금질 균열이 발생하기 쉽습니다.
부품의 크기는 잔류 응력의 크기와 분포에 직접적인 영향을 미치며, 담금질 균열 발생 경향에도 차이를 보입니다. 특히 위험한 단면적 범위 내에서 담금질할 경우 종방향 균열이 쉽게 발생합니다. 또한, 강재 원료의 막힘 현상도 종방향 균열의 주요 원인입니다. 대부분의 강재는 압연으로 제작되기 때문에 강재 내 비금속 개재물, 탄화물 등이 변형 방향을 따라 분포하여 강재의 이방성을 유발합니다. 예를 들어, 공구강이 띠 모양의 구조를 가질 경우, 담금질 후 횡방향 파괴 강도는 종방향 파괴 강도보다 30~50% 정도 작습니다. 강재 내 비금속 개재물과 같은 응력 집중 요인이 존재할 경우, 접선 방향 응력이 축 방향 응력보다 크더라도 낮은 응력 조건에서 종방향 균열이 쉽게 발생할 수 있습니다. 따라서 강재 내 비금속 개재물 및 당류 함량을 엄격하게 관리하는 것은 담금질 균열 방지에 매우 중요합니다.
횡균열 및 호형균열의 내부 응력 분포 특성은 다음과 같습니다. 표면은 압축 응력을 받습니다. 표면에서 일정 거리 떨어진 지점에서 압축 응력은 큰 인장 응력으로 변합니다. 균열은 인장 응력 영역에서 발생하며, 내부 응력이 재분배되거나 강재의 취성이 더욱 증가하는 경우에만 부품 표면으로 확산됩니다.
롤러, 터빈 로터 또는 기타 축 부품과 같은 대형 축 부품에서는 횡균열이 흔히 발생합니다. 이러한 균열의 특징은 축 방향에 수직이며 내부에서 외부로 진행한다는 것입니다. 횡균열은 경화 전에 발생하는 경우가 많으며 열응력에 의해 발생합니다. 대형 단조품에는 기공, 개재물, 단조 균열, 백점과 같은 야금학적 결함이 흔히 존재합니다. 이러한 결함은 파괴의 시작점이 되어 축 방향 인장 응력의 작용으로 파손을 일으킵니다. 아크 균열은 열응력에 의해 발생하며, 일반적으로 부품의 형상이 변하는 부분에서 아크 형태로 분포합니다. 주로 공작물 내부 또는 날카로운 모서리, 홈, 구멍 근처에서 발생하며 아크 형태를 띕니다. 직경이나 두께가 80~100mm 이상인 고탄소강 부품을 담금질하지 않으면 표면에는 압축 응력이, 중심부에는 인장 응력이 발생합니다. 응력, 특히 최대 인장 응력은 경화층과 비경화층의 전이 영역에서 발생하며, 이러한 영역에서 아크 균열이 발생하기 쉽습니다. 또한, 날카로운 모서리나 모서리 부분은 냉각 속도가 빠르고 모두 급랭됩니다. 반면, 완만한 부분, 즉 비경화 영역으로 이어지는 부분에서 최대 인장 응력 영역이 나타나므로 아크 균열이 발생하기 쉽습니다. 공작물의 핀홀, 홈 또는 중심 구멍 부근은 냉각 속도가 느리고 해당 경화층이 얇아 경화 전이 영역 부근의 인장 응력으로 인해 아크 균열이 쉽게 발생할 수 있습니다.
망상 균열(표면 균열)은 표면에 발생하는 균열의 일종입니다. 균열 깊이는 일반적으로 0.01~1.5mm 정도로 얕습니다. 이러한 균열의 주요 특징은 균열의 방향이 부품의 형상과 무관하게 임의적으로 발생한다는 것입니다. 많은 균열이 서로 연결되어 망상 구조를 형성하고 넓게 분포합니다. 균열 깊이가 1mm 이상으로 커지면 망상 구조는 사라지고 불규칙적인 방향이나 길이 방향으로 분포하는 균열이 됩니다. 망상 균열은 표면의 2차원 인장 응력 상태와 관련이 있습니다.
표면에 탈탄층이 있는 고탄소강 또는 침탄강 부품은 담금질 시 망상 균열이 발생하기 쉽습니다. 이는 표면층의 탄소 함량이 낮고 마르텐사이트 내부층보다 비체적이 작기 때문입니다. 담금질 과정에서 표면의 탄화물층은 인장 응력을 받게 됩니다. 기계 가공 중 탈인층이 완전히 제거되지 않은 부품 또한 고주파 또는 화염 표면 담금질 시 망상 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 균열을 방지하기 위해서는 부품의 표면 품질을 엄격하게 관리하고 열처리 중 산화 용접을 방지해야 합니다. 또한, 단조 금형을 일정 기간 사용한 후 금형 내부에서 발생하는 띠 모양 또는 망상 형태의 열피로 균열과 담금질된 부품을 연삭 가공할 때 발생하는 균열도 모두 이러한 형태의 균열에 해당합니다.
박리 균열은 표면층의 매우 좁은 영역에서 발생합니다. 압축 응력은 축 방향과 접선 방향으로 작용하고, 인장 응력은 반경 방향으로 작용합니다. 균열은 부품 표면에 평행하게 발생합니다. 표면 담금질 및 침탄 처리된 부품이 냉각된 후 경화층이 박리되는 현상이 이러한 박리 균열에 해당합니다. 이러한 현상은 경화층 내부의 불균일한 구조와 관련이 있습니다. 예를 들어, 합금 침탄강을 특정 속도로 냉각했을 때, 침탄층의 구조는 외층은 극미세 펄라이트 + 탄화물, 하층은 마르텐사이트 + 잔류 오스테나이트, 내층은 미세 펄라이트 또는 극미세 펄라이트 구조로 이루어져 있습니다. 하층 마르텐사이트의 형성 비체적이 가장 크기 때문에, 부피 팽창의 결과로 표면층에는 축 방향 및 접선 방향으로 압축 응력이 작용하고, 반경 방향으로는 인장 응력이 발생합니다. 또한, 응력 변이가 내부로 진행되어 압축 응력 상태로 전이되고, 응력 변이가 급격한 매우 얇은 영역에서 박리 균열이 발생합니다. 일반적으로 균열은 표면에 평행하게 내부에서 발생하며, 심한 경우 표면 박리를 유발할 수 있습니다. 침탄 부품의 냉각 속도를 가속하거나 감속하면 침탄층에 균일한 마르텐사이트 구조 또는 초미세 펄라이트 구조를 얻을 수 있어 이러한 균열 발생을 방지할 수 있습니다. 또한, 고주파 또는 화염 표면 담금질 시 표면이 과열되는 경우가 많고, 경화층을 따라 구조적 불균일성이 발생하여 표면 균열이 쉽게 형성될 수 있습니다.
미세균열은 앞서 언급한 네 가지 유형의 균열과 달리 미세응력에 의해 발생한다는 점에서 차이가 있다. 고탄소 공구강이나 침탄 처리된 가공물을 담금질, 과열, 연삭 처리한 후 발생하는 입계 균열과 담금질된 부품을 적시에 템퍼링하지 않아 발생하는 균열은 모두 강재 내 미세균열의 존재 및 그 확장에 기인한다.
미세균열은 현미경으로 관찰해야 합니다. 미세균열은 대개 원래의 오스테나이트 결정립 경계 또는 마르텐사이트 판의 접합부에서 발생합니다. 일부 균열은 마르텐사이트 판을 관통하기도 합니다. 연구에 따르면 미세균열은 박편형 쌍정 마르텐사이트에서 더 흔하게 발생합니다. 이는 박편형 마르텐사이트가 고속으로 성장하면서 서로 충돌하여 높은 응력을 발생시키기 때문입니다. 그러나 쌍정 마르텐사이트 자체는 취성이 강하여 소성 변형을 통해 응력을 완화할 수 없으므로 미세균열이 쉽게 발생합니다. 오스테나이트 결정립이 클수록 미세균열 발생 가능성이 높아집니다. 강재에 미세균열이 존재하면 담금질된 부품의 강도와 소성이 크게 저하되어 조기 손상(파괴)으로 이어집니다.
고탄소강 부품의 미세균열 발생을 방지하기 위해 담금질 가열 온도를 낮추거나, 미세한 마르텐사이트 구조를 얻거나, 마르텐사이트 내 탄소 함량을 줄이는 등의 조치를 취할 수 있습니다. 또한, 담금질 후 적절한 시기에 템퍼링을 실시하는 것은 내부 응력을 감소시키는 효과적인 방법입니다. 실험 결과, 200°C 이상의 온도에서 충분히 템퍼링하면 균열 부위에 석출된 탄화물이 균열을 "용접"하는 효과를 나타내어 미세균열 발생 위험을 크게 줄일 수 있음이 입증되었습니다.
위에서는 균열 분포 양상에 따른 균열 발생 원인 및 예방 방법에 대해 논의하였다. 실제 생산 과정에서는 강재의 품질, 부품 형상, 열간 및 냉간 가공 기술 등 여러 요인으로 인해 균열 분포가 다양하게 나타난다. 때로는 열처리 전에 이미 균열이 존재하여 담금질 과정에서 더욱 확대되기도 하고, 때로는 동일한 부품에 여러 형태의 균열이 동시에 발생하기도 한다. 이러한 경우, 균열의 형태적 특징, 파단면의 육안 분석, 금속조직 검사, 그리고 필요한 경우 화학 분석 등의 방법을 활용하여 재료의 품질, 조직 구조, 열처리 응력의 원인 등 모든 측면에서 균열 발생의 주요 원인을 종합적으로 분석하고 효과적인 예방 조치를 결정해야 한다.
균열의 파괴 분석은 균열 발생 원인을 분석하는 중요한 방법입니다. 모든 균열에는 시작점이 있습니다. 담금질 균열은 일반적으로 방사형 균열이 수렴하는 지점에서 시작됩니다.
균열의 시작점이 부품 표면에 있다면, 이는 표면에 과도한 인장 응력이 작용하여 균열이 발생했음을 의미합니다. 표면에 이물질과 같은 구조적 결함은 없더라도, 심한 칼자국, 산화막, 강재 부품의 날카로운 모서리, 구조적 변형 등과 같은 응력 집중 요인이 존재할 경우 균열이 발생할 수 있습니다.
균열의 원인이 부품 내부에 있다면 재료 결함이나 과도한 내부 잔류 인장 응력과 관련이 있습니다. 정상적인 담금질의 경우 파단면은 회색의 미세한 도자기질 표면을 나타냅니다. 파단면이 짙은 회색이고 거칠다면 과열이나 원조직이 두꺼운 것이 원인입니다.
일반적으로 담금질 균열의 유리 부분에는 산화색이 없어야 하며, 균열 주변에 탈탄 현상도 없어야 합니다. 균열 주변에 탈탄 현상이 있거나 균열 부분에 산화색이 나타나면 담금질 전에 이미 균열이 존재했으며, 열처리 응력의 영향으로 기존 균열이 확장되었음을 의미합니다. 균열 부근에서 편석된 탄화물이나 개재물이 관찰되면, 균열은 원재료의 탄화물 편석이 심하거나 개재물이 존재하기 때문에 발생한 것으로 볼 수 있습니다. 만약 위의 현상 없이 부품의 날카로운 모서리나 형상 변형 부분에만 균열이 발생한다면, 이는 부품의 구조 설계가 부적절하거나 균열 방지 조치가 미흡하거나, 또는 과도한 열처리 응력이 균열의 원인임을 의미합니다.
또한, 화학적 열처리 및 표면 담금질 처리된 부품의 균열은 대부분 경화층 근처에서 발생합니다. 경화층의 구조를 개선하고 열처리 응력을 줄이는 것은 표면 균열을 방지하는 중요한 방법입니다.
게시 시간: 2024년 5월 22일