심냉처리(Sub Zero 열처리) 에 대해서 설명하시오.

 

 

 

오늘은 금속 재료 기사/산업기사/기능장/기술사 시험에 단골 문제인 심냉처리에 대해서 알아볼까 합니다.

물론, 저도 공부하고 여러분도 정보를 얻고..일석이조 아닐까 싶네요.

 

사실 제가 근무하고 있는 공장에서는 어닐링, 노말라이징, QT처리, 소결 열처리 등 다양한 열처리를

수행하기는 하지만 심냉 처리는 하지 않은데요. 그렇다 보니 다른 열처리에 비해서 저한테는 조금 생소한 열처리 방법 입니다. 게다가 우리회사에서도 게이지와 베어링 등 정밀 측정부품을 생산하지 않기 때문에 딱히 볼일도 없지요. 

 

공장에서 근무하다 보면, 사실 이론에서 보던거를 눈으로 볼 수 있다는게 참 큰 장점인데 그러지 못하니 참 아쉬울 따름입니다.

 

 

먼저, 대략적인 열처리 사이클은 이렇게 생겼군요. 열처리 할 때 제품을 저 파란색에 위치한 곳까지 온도 조정을 하는게 

관건이네요. 

 

아마 제 생각인데 작은 실험실 규모나 연구실에서는 해당 열처리를  수행할 수 있을 것으로 생각되나 일반적으로 작은 

규모의 열처리 업체 혹은 공장에서는 해당 열처리를 잘 취급하지는 않을 듯 합니다. 딱 봐도 손이 많이 가게 생긴열처리 사이클이죠?

 

일단. 하나 하나 자료를 찾아서 정리를 해볼까요?

 

1. 심냉 처리란 무엇일까?

0℃ 이하의 낮은 온도에서 열처리 하는 것을 심냉처리라 한다. 이 처리의 주 목적은 경화 된 강 중의 잔류 오스테 나이트를 마르텐 사이트화 시키는 것으로 공구강의 경도 증가 및 성능향상을 기할 수 있다. 또한 게이지와 베어링 등 정밀 기계 부품의 조직을 안정화 시키고 시효에 의한 형성과 치수 변화를 방지할 수 있으며, 특수 침탄용강의 침탄 부분을 완전히 마르텐 자이트로 변화시켜 표면을 경화 시키고, Stainless steel에는 우수한 기계적 성질을 부여 한다. 

 

아하. 0도 이하 Sub-Zero 말그데로네요. 0도 밑...열처리..생각해보니까 작명도 직관적으로 정말 쉽게 만들었네요. 

Austenzing 온도 이상으로 소재를 가열 했다가 담금질을 하게 되면, 잔류 오스테나이트가 남게 되는데 이게 시간이 지나면서 시효변형의 원인이 되니. 애초에 잔류 오스테나이트가 생기지 않도록 열처리를 하면 제품 전반적으로 안정적인 물성도 얻을 수 있고 시효변형에 의한 치수 변화도 방지할 수 있을 것으로 보입니다. 

 

2. 심랭 처리의 방법

가. 냉매 : 드라이아이스와 알코올(-78℃), 액체 질소(-196℃)를 준비 한다. 

나. 처리 시기 : 담금질 직후(뜨임 전)

다. 처리 온도 : 60~80℃

라. 유지 시간 : 25mm 당 30분 비율

마. 승온 : 서브제로 온도로 부터 실온까지의 승온은 끌어올려서 공중 방치해도 되나, 수중 또는 탕중 투입 등의 서브제로 급열을 하면 잔류 응력이 해소되어 서브 제로 균열의 방지도 된다. 

 

심냉처리 방법을 보시면 아시겠지만, Auestenizing 직후에 냉매에 넣어야 하는데요. 사실 자동화 라인 과 작은 제품이 아니면 작업이 힘들수 밖에 없겠네요. 일반적으로 열처리만을 수행하는 업체에서는 오스테나이징 된 다음에 사람이 직접 제품을 빼서 냉매를 담은 통에 직접 넣어야 할 텐데.. 이 작업을 사람이 수행하면 담금질 까지의 시간이 매번 달라질 수 밖에 없기 때문에 동일한 작업결과에는 차이가 있을 수 밖에 없을 것으로 보이네요. 

 

그리고 예전 기억을 떠올려보면, 냉매를 담아놓는 전용 탱크가 있어야 하는데 액화 질소나 산소 같은 경우 전용 통에

GAS를 넣고 관리 하는 과정이 시간도 오래 걸리고 한 여름에는 GAS 소모량도 상당 하더라구요. 당시에 저는 야외에서 액화 산소를 다루었었는데, 상당히 짜증이 났던 기억이 납니다. 

 

3. 심냉처리의 효과

일반적으로 담금질한 강은 내부 응력 및 조직 변화 등에 의하여 시간의 경과에 따라 팽창과 수축을 일으키고 그 형상 및 치수가 제조시의 그것과 서로 상이하다. 게이지 혹은 베어링 등과 같이 치수의 정밀도가 요구 되고 시효에 의한 변형이 현저하게 작은 것이 요구 되는 경우에는 사용 중의 팽창과 수축을 방지하기 위하여 장시간의 시효가 필요하며, 또 짧은 시간에 그 목적을 달성하기 위하여 120℃에서 25Hr 이상 가열 하거나 또는 100~150℃의 온도와 -20~40℃ 온도 사이를 가열 및 냉각을 반복하여 주는 방법이 시행되어 왔으며, 시효로 인하여 변형된 성질은 다음과 같다.

가. 시효변형은 템퍼링 온도가 높을스록 적다.

나. 저온에서 장시간 템퍼링 하는 것이 고온에서 잠깐 템퍼링 한 것보다 시효 변형이 적다.

다. Cr, W, Mn 등을 첨가한 강은 시효 변형의 양이 적다.

라. 150℃ 이하의 템퍼링 온도에서 템퍼링 전에 심랭처리를 할 때에는 하지 않은 것보다 수축 속도가 크다.

마. 150℃에서 템퍼링 한 후 심랭처리르 한 것은 하지 않은 것보다 수축 속도가 크다. 

바. 상온에서 높은 온도의 담금제에서 급냉했을 때 고온 템퍼링을 하지 않으면 시효 변형이 크게 된다. 보통 시효변형이 적으면 경도가 낮아진다. 

사. 마퀜칭 후에는 심랭처리와 반복해서 테퍼링하면 경도는 높고 변형이 적어진다. 일반적으로 절삭용 공구강에서는 기계 장치가 우수해야 하는데, 특히 고속도강에서는 될 수 있는 데로 내부 응력이 적은 상태로 전 오스테나이트를 마텐자이트화 시키면 최고 성능을 유지 한다. 고속도강에 심랭처리를 적용하면 1회의 저온 냉각으로 상당량의 오스테나이트가 잔류하기 때문에 마텐자이트화 하고 내부 응력을 감소 시키기 위해서도 적당한 템퍼링과 조합할 필요가 있다. 

 

 

4. 심랭 처리시 생기는 결함과 대책

일반적으로 심랭 처리는 담금질 직후에 하는 것이 원칙이나 담금질 직 후 상온에 방치하면 잔류 오스테나이트가 안정화 되어서 잔류 오스테나이트의 마텐자이트화가 어렵게 된다. 그러나 담그질 직후에 심랭처리를 하면 담금질에 의한 스트레스와 잔류 오스테나이트의 마텐자이트화에 의한 응력이 중복되어 담금질 균열과 같은 서브 제로 균일 발생한다. 특히 소형 부품에서는 균열 발생이 적지만 살이 두꺼운 대형 부품에는 생기기 쉽다. 

 

담금질 직후에 상온에 방치 했다가 담금질 하면 심랭 처리 효과가 떨어지고.. 담금질 직후에 하면 서브 제로 균일 발생할 수도 있고, 대형 부품 보다는 작은 부품에 용이 하다는 소리네요.

 

 따라서 서브 제로 균열을 방지하려면 담금질 직 후에 심랭 처리를 하지 말고 100℃ 의 끊는 물에서 약 1시간 정도의 물속에서 뜨임 하는 것이 좋다. 이 저온 뜨임로 담금질 응력이 약 25% 감소 되며 200℃의 뜨임처리로는 약 50% 응력이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

 

또 심랭 처리 균열 방지책으로는 심랭온도에서 물 또는 탕속에 투입하는 업-힐 담금질 방법이 있다. 탈탄층이 있으면 탈탄층을 제거 하고 심랭처리 하는 것도 방지책이 될 수 있다. 

  그 외에 담금질 경도를 측정합 압흔에는 잔류응력이 존재 하므로 압흔을 시발점으로 서브제로 균일 생기는 경우도 있다. 그러므로 심랭 처리전의 경도 측정은 될 수 있는 한 피하고 어쩔 수 없이 측정해야 할 경우는 측정 후 100℃로 저온 뜨임시킨 후 심랭 처리 해야 한다.