담금질 후 물성에 영향을 미치는 요인들이 여러 가지가 있다. 일반적으로 경화능, 질량(및 형상) 효과 그리고 냉매의 성능이다. 오늘은 먼저 이 중 경화능에 대해서 한번 이야기해보기로 하자.
제품 열처리 공정설계를 하다보면...우리는 경화능을 고려해야 한다. 제품을 설계하는 입장에서 보았을 때 재료에 대한 이해가 부족한 상태로 제품을 공정 설계를 하는 경우가 왕왕 있다. (신입 때 나도 그랬다.ㅎ)
그러므로, 재료공학 혹은 신소재를 전공한 입장에서 , Spec에 있는 열처리 조건을 현장에서 어떻게 잘 구현해야 하는가에 대한 고민을 항상 생각하고 접근을 해야 한다.
공장에서 일하다보면, 기계 전공자와 재료 전공자와 일정 부분 차이가 이런 디테일에서 발생한다. 갓 입사한 기계 친구들은 완성 제품을 기준으로 물성을 고려하는 측면이 있기 때문에, 열처리 제품의 두께와 형상 이러한 부분을 간혹 놓치는 경우가 있다.
그렇다면.. 경화능이란 무엇일까?
일반적으로 재료의 내재적 성질로 마르텐 사이트를 얼마나 잘 형성하는가에 대한 능력을 의미한다.
경화능이 높은 소재는 담금질 시 보다 낮은 냉각 속도에서도 마르텐사이트를 잘 형성한다.
즉, 재료 전면에 균일한 물성과 품질이 요구될 경우 경화능이 좋은 소재를 써야 한다.(특별하게 균일한 물성이 요구될 경우 H강,
즉 경화능 보증 강재를 사용하는 경우도 있다.)
경화능에 영향을 미치는 인자?
첫번째, 오스테나이트 입자의 크기
오스테나이트 결정립은 펄라이트 핵으로 작용하기 때문에, 결정립이 작을수록 펄라이트 가 쉽게 생성됩니다. 그렇기 때문에 오스테나이트 입자의 크기를 크게 하면 경화능은 높아지지만 반대로 조대한 결정립으로 인하여 얻은 마르텐사이트는 취약하고 변형과 균열을 일으키기 쉬우므로 좋은 방법은 아닙니다. 그래서 일반적으로 오스테나이트 입도 크기를 조대화 시키는 방식으로 경화능을 향사 용하지 않습니다.
두 번째 탄소 함유량
경화능은 일반적으로 일정 부분이 있어야 마르텐사이트 경화가 일어나므로 일반적으로 이상 임계 직경과 비례하는 경향이 있다. 일반적으로 중탄소강 이상부터 담금질 효과가 있다고 볼 수 있다.
세 번째 합금원소의 영향
경화능은 탄소를 포함한 합금원소의 비율이 높을수록 증가한다. 합금원소들은 확산에 더 많은 시간이 소요되므로 CCT와 TTT를 구축으로 이동시키고, 느린 냉각 속도에도 쉽게 마르텐 사이트 화가 된다.
합금강(Alloy Steels) / 4140, 4340, 5140, 8640
▶ Ni, Cr, Mo 합금 원소 함유(0.2 to 2 wt%)
▶ 합금 원소들이 TTT 곡선의 nose 부분을 오른쪽으로 이동시킴
▶ 마르텐사이트 형성이 쉬워짐(경화능이 좋아짐)
그렇다면 경화능은 어떻게 확인 할까?
조미니 테스트 결과로 확인할 수 있다.
우리가 강재를 구매할 때 원소재 업체로부터 Mill Sheet라는 성적서를 받게 되는데, 최초 소재를 구입할 때 열처리에 의한 물성이 중요하다고 판단이 될 경우 조미니 테스트를 요청할 수 있다. Mill Sheet를 확인해보면 위치별로 경도 값이 표시되고 경화 효과가 어느 선까지 유효한지 확인할 수 있다.
아래 그림은 조미니 테스트 시험에 관한 사항이다.
보는 바와 같이 강재를 오스테나이징 한 이후에 아래에서 뿜어져 나오는 물에 의해 급랭을 수행하게 된다. 그러면 아래에서부터
냉각이 진행이 되고 냉각 속도에 따라 경도차이기 발생하게 된다. 이 데이터를 보고 우리가 열처리 시 제품의 두께를 확인하고 그 두께에서 확보 가능한 물성에 대한 데이터를 어느 정도 예측할 수 있다.
* 참고 사항
조미니 TEST 시험 방법
1) 시편의 규격: Ф25 * 100mm(노말라이징 처리된 강봉 사용)
2) 물 분사 높이: 65±10mm, 12.5 노즐 사용
3) 가열 유지시간: 30분, 냉각시간: 10분
4) 냉각제를 물로 사용할 경우: 5~30℃
5) 가열로에서 꺼내어 물분사까지 허용시간: 5초 이내
6) 수랭단12mm 거리, 경도 HRC 35 : J 12mm = HRC35
7) 경도 HRC45, 퀜칭단거리6mm : HRC45=6m
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