열처리 후 강의 미세조직

열처리 후 강의 미세조직에 기록되는 것

열 이력의 기록으로서의 미세조직

열처리는 별도의 품질 특성으로서 경도를 부여하는 것이 아니라, 주로 미세조직을 변화시켜 강의 특성을 바꾼다. NPTEL은 2024년 강의에서 강의 열처리에 관한 이러한 공정-특성 관계를 직접적으로 설명한다. 가열, 유지, 냉각은 어떤 상이 형성되는지, 탄소가 얼마나 이동할 수 있는지, 합금 원소가 어디에 농축되는지를 변화시킨다. 따라서 최종 조직에는 가열 전 강의 상태, 오스테나이트화 처리, 확산에 허용된 시간, 냉각 경로, 그리고 이후의 뜨임 또는 풀림을 포함한 열 이력이 기록된다.

오스테나이트는 이러한 기록에서 중심적인 모상 상태이다. 가열 중에는 페라이트와 시멘타이트가 오스테나이트로 변태할 수 있으며, 오스테나이트는 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 용해할 수 있는 철의 상이다. 그렇다고 해서 모든 원자가 즉시 균일하게 분포한다는 뜻은 아니다. 탄소는 확산해야 하고, 필요한 정도까지 시멘타이트가 용해되어야 하며, 합금 원소는 이러한 과정을 지연시키거나 다른 방향으로 이끌 수 있다. 이후 생성된 오스테나이트는 둘 이상의 경로를 통해 분해될 수 있다.

어떤 경로가 지배적인지는 냉각 이력이 결정한다. 2011년 케임브리지 대학교 상변태 연구 그룹에 따르면, 아공석강의 연속 냉각에서는 일반적으로 초정질 페라이트와 펄라이트가 형성된다. 냉각 경로가 달라지거나 경화능이 증가하면 조직은 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 쪽으로 변화할 수 있다. 이들은 단순히 냉각 속도에 따른 위치를 의미하는 것이 아니다. 조성, 이전 오스테나이트 결정립 조직, 탄소 활성도, 단면 크기, 합금 원소의 영향이 모두 변태에 영향을 미친다.

느린 변태에서는 탄소가 철이 풍부한 페라이트와 철 탄화물 사이에 분배될 시간이 충분하다. 빠른 경로에서는 이러한 확산의 상당 부분이 억제되고, 전단형 변태에 의해 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 중간 정도의 경로에서는 페라이트 변태와 탄소 재분배 및 탄화물 형성이 함께 일어나는 베이나이트가 생성될 수 있다. 따라서 담금질만으로 경질 강을 완전히 설명할 수는 없다. 담금질은 오스테나이트가 마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트, 페라이트 또는 잔류 오스테나이트를 포함하는 혼합 조직 중 무엇으로 변하는지를 결정하는 일련의 과정 가운데 한 부분이다.

상, 조직 구성물, 형태 및 분포

상은 정해진 결정 구조와 화학적 상태를 갖는 영역인 반면, 조직 구성물은 둘 이상의 상을 포함할 수 있는 식별 가능한 구조적 조합이다. 페라이트와 시멘타이트는 상이다. 펄라이트는 일반적으로 페라이트와 시멘타이트가 교대로 배열된 층상 구조로 이루어진 조직 구성물이다. 베이나이트 역시 조직 구성물이다. ScienceDirect는 이를 비층상 페라이트–Fe3C 구조로 설명한다. 마르텐사이트는 과포화된 변태 철상으로, 탄소 함량과 형태는 마르텐사이트가 형성된 오스테나이트를 반영한다. 잔류 오스테나이트는 냉각 후 변태하지 않고 남아 있는 오스테나이트이다.

명칭만으로는 눈에 보이는 배열을 설명할 수 없다. 페라이트는 이전 오스테나이트 결정립계에 형성되는 초정질 결정립으로 나타날 수도 있고, 오스테나이트 내부로 뻗어 들어가는 비드만스테텐 판으로 나타날 수도 있다. 펄라이트는 시멘타이트 라멜라 간격이 넓은 조대 펄라이트일 수도 있고, 간격이 훨씬 좁은 미세 펄라이트일 수도 있다. ScienceDirect는 더 높은 변태 온도에서 형성된 조대 펄라이트가 상대적으로 연한 반면, 미세 펄라이트는 더 강하다고 설명한다. 이 구별은 조성뿐 아니라 형태에 의해서도 이루어진다.

베이나이트 역시 하나의 형태만 갖는 것은 아니다. 상부 베이나이트는 베이나이트 변태 온도 범위의 높은 부분에서 일어나는 변태와 관련된 배열로 페라이트와 탄화물을 포함한다. 하부 베이나이트는 페라이트 내부 또는 페라이트와 밀접하게 결합된 위치에 더 미세하게 분포된 탄화물을 갖는다. ScienceDirect는 하부 베이나이트가 상부 베이나이트보다 경하다고 설명한다. 이러한 차이는 “베이나이트”라는 명칭만으로는 알 수 없다.

열처리는 모든 상을 대체하지 않고도 형태를 변화시킬 수 있다. 케임브리지 대학교 상변태 연구 그룹이 2008년에 보고한 바에 따르면, 구상화 처리 중에는 펄라이트의 시멘타이트 라멜라가 입자로 변한다. 강은 여전히 페라이트와 시멘타이트를 포함하지만, 입자의 배열이 변형 저항, 절삭 거동, 그리고 이후 변태에 이용 가능한 경로를 변화시킨다. 분포가 중요하다. 결정립계에 존재하는 탄화물은 페라이트 내부에 미세하게 분산된 탄화물과 동일한 구조적 영향을 주지 않는다.

ASM International의 2024년 참고자료는 이러한 조직을 해석하는 데 필요한 기본 주제로 오스테나이트, 페라이트, 탄소 확산, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트, 펄라이트 및 상변태를 제시한다. 또한 2024년 설명에서는 열처리된 강의 미세조직을 철, 탄소 및 기타 합금 원소가 결합하여 형성한 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트 및 펄라이트의 조합으로 정의한다. 따라서 유용한 설명은 “어떤 상과 조직 구성물이 존재하는가, 그 비율은 어떠한가, 그리고 형태와 분포는 어떠한가”이다.

경도만으로는 불충분한 이유

서로 다른 상 조합과 형태를 지닌 강에서도 유사한 경도값이 나타날 수 있으므로, 경도만으로는 변태 생성물을 식별할 수 없다 Limited evidence

경도는 복잡한 조직을 하나의 측정 반응으로 압축한 값이다. 경도는 압입에 대한 저항을 나타낼 수 있지만, 그러한 반응을 만들어 낸 변태 생성물을 식별하지는 못한다. 두 강이 유사한 경도를 나타내면서도 미세 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트를 서로 다르게 조합하여 포함할 수 있다. 이 경우 인성, 연성, 치수 안정성, 피로 거동 및 뜨임에 대한 반응은 여전히 다를 수 있다.

마르텐사이트는 탄소가 변형된 결정 구조 안에 갇히기 때문에 경도를 높이는 경우가 많지만, 그 결과는 탄소 함량, 합금 원소, 변태량 및 이후의 뜨임에 따라 달라진다. 뜨임하지 않은 마르텐사이트와 뜨임 마르텐사이트는 동일한 미세조직이 아니다. 또한 변태 경로가 불균일했거나 조성으로 인해 변태가 지연된 경우, 담금질한 강에도 베이나이트 또는 잔류 오스테나이트가 포함될 수 있다.

더 연한 조직에도 같은 주의가 적용된다. 일부 조건에서는 조대 펄라이트와 구상화된 시멘타이트가 비슷한 경도를 나타낼 수 있지만, 탄화물의 형태와 변형 기구는 서로 다르다. 경도만으로는 시멘타이트가 층상인지, 입자상인지, 결정립계와 관련되어 있는지, 또는 미세하게 분산되어 있는지를 알 수 없다. 이 기록을 재구성하려면 현미경 관찰, 회절 분석, 화학 분석 및 열처리 일정에 대한 지식이 필요하다.

열처리 후 올바른 질문은 단순히 “강의 경도는 얼마인가?”가 아니다. 오히려 다음을 물어야 한다. 어떤 오스테나이트가 존재했는가, 탄소와 합금 원소는 어떻게 이동했는가, 어떤 변태가 일어났는가, 그리고 어떤 배열이 남아 있는가? 경도는 증거이다. 미세조직은 그에 대한 설명이다.

오스테나이트, 페라이트 및 시멘타이트: 기초 구성 constituent

[1][1] Introduction to Steel Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook, 2024.

강의 미세조직은 단순한 연질-경질 척도상의 점이 아니라, 상과 구성 constituent의 배열로 해석해야 한다. ASM International은 열처리된 강의 미세조직이 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트 및 펄라이트를 비롯하여 철, 탄소 및 기타 합금 원소의 결합에 의해 형성된 상으로 구성된다고 설명한다(ASM International, 2024). 강의 열처리에 관한 설명에서도 오스테나이트, 페라이트, 탄소 확산, 시멘타이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 상변태를 동일한 기본 틀 안에서 다룬다. 이러한 순서는 중요하다. 열처리 후 존재하는 조직은 오스테나이트로부터 무엇이 형성되었는지, 탄소가 어떻게 이동했는지, 그리고 어떤 변태가 진행되도록 허용되었는지에 따라 달라지기 때문이다.

고온 모상으로서의 오스테나이트

오스테나이트는 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 고용할 수 있는 철의 면심입방 구조 형태이다. 일반적인 열처리 관점에서 오스테나이트는 여러 후속 조직이 발달하는 모상이다. 적절한 강을 오스테나이트 영역까지 가열한다고 해서 마르텐사이트, 펄라이트 또는 베이나이트가 직접 생성되는 것은 아니다. 이는 화학적·구조적으로 서로 다른 출발 조건을 마련하는 과정이다. 이 단계에서 탄소와 합금 원소가 재분포할 수 있으며, 기존의 페라이트와 시멘타이트는 조성, 시간, 온도 및 이전 상태에 따라 정해지는 정도로 용해된다.

“모상”이라는 표현은 변태 관계를 설명하는 것이며, 부품의 모든 부분이 동일한 오스테나이트에 도달한다는 보장을 의미하지 않는다. 용해되지 않은 탄화물, 화학적 편석, 결정립 크기 및 가열 방식으로 인해 국부적인 차이가 남을 수 있다. 따라서 특정 조성에 정확한 열처리 조건을 지정하기 전에 해당 조성에 적용되는 상태도와 변태 온도를 명시해야 한다. 오스테나이트에 대한 일반적인 설명을 특정 강종의 온도에 관한 주장으로 오해해서는 안 된다.

냉각 과정에서 오스테나이트는 서로 다른 경로를 따를 수 있다. 탄소가 충분한 시간 동안 확산하고 원자가 재배열되면 페라이트와 시멘타이트가 형성될 수 있으며, 일반적으로 이 둘의 조직적인 혼합물인 펄라이트가 생성된다. 다른 열적 경로에서는 베이나이트가 발달할 수 있다. 확산에 의존하는 반응을 우회하면 오스테나이트 격자가 변위형 메커니즘에 의해 마르텐사이트로 변태할 수 있으며, 일부 오스테나이트는 잔류 오스테나이트로 남을 수 있다. Cambridge’s Phase Transformations Group은 괴상 페라이트, Widmanstätten 페라이트, 펄라이트, 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 마르텐사이트 및 시멘타이트를 서로 구별되는 조직적 설명으로 분류한다. 따라서 모상인 오스테나이트가 출발 영역을 설정하지만, 어떤 생성물이 나타나는지와 그 형태가 어떠한지는 냉각 이력이 결정한다.

탄소 용해도와 페라이트의 역할

페라이트는 체심입방 결정 구조를 갖는 철이 풍부한 상이다. 강의 변태에서 페라이트의 가장 중요한 특징은 오스테나이트에 비해 탄소의 평형 용해도가 낮다는 점이다. 오스테나이트로부터 페라이트가 형성될 때 탄소는 동일한 농도로 균일하게 용해된 상태를 유지할 수 없다. 탄소는 성장하는 페라이트에서 확산해 나가거나, 더 많은 탄소를 수용할 수 있는 인접 영역에 모여야 하며, 이는 흔히 시멘타이트 형성에 기여한다.

탄소 확산탄소 확산 철 격자의 간극 위치를 통한 탄소 원자의 이동으로, 페라이트와 시멘타이트의 형성 및 펄라이트 형성과 같은 조성 변화와 확산 변태를 가능하게 한다

탄소 확산은 이러한 확산 변태를 가능하게 하는 메커니즘이다. 탄소 원자는 철 격자의 침입형 위치를 통해 이동하는 반면, 철이 풍부한 기지는 결정 구조와 조성을 변화시킨다. 이러한 이동은 온도와 시간에 의존하지만, 정확한 확산 속도와 변태 온도는 조성에 따라 달라지므로 적용 가능한 상태도 또는 동역학 자료에서 확인해야 한다. 합금 원소는 확산, 계면 이동, 탄화물 안정성 및 경화능에 영향을 줄 수 있다. 따라서 겉보기에 유사한 냉각 일정을 거친 두 강이라도 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트의 비율이나 형태가 서로 다르게 형성될 수 있다.

페라이트의 형태는 그것이 어떻게 형성되었는지에 관한 정보를 제공한다. 괴상 페라이트는 일반적으로 prior-austenite 결정립계에서 발달하는 반면, Widmanstätten 페라이트는 오스테나이트 결정립 내부로 판상 또는 래스 형태로 성장한다. 연속 냉각된 아공석강에서 Cambridge는 일반적인 결과를 괴상 페라이트와 펄라이트의 조합으로 설명한다. 냉각 속도가 빨라지거나 경화능이 증가하면 변태 순서는 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트 쪽으로 이동할 수 있다. 이들은 단순히 페라이트가 점차 더 단단해진 형태가 아니다. 각각 서로 다른 탄소 분포, 계면, 결정 배열 및 변태 메커니즘을 나타낸다.

페라이트 기지에는 앞선 열적·화학적 이력에 의해 생성된 입자, 밴드 또는 영역이 포함될 수도 있다. 따라서 미세사진을 판독하려면 밝게 보이는 페라이트를 식별하는 것 이상의 분석이 필요하다. 분석자는 페라이트가 어디에서 형성되었는지, 배출된 탄소가 어떻게 되었는지, 그리고 주변 구성 constituent가 펄라이트인지, 베이나이트인지 또는 탄화물을 포함하는 영역인지를 확인해야 한다.

변태 조직 내 시멘타이트와 Fe₃C

시멘타이트는 철 탄화물 Fe₃C로서, 하나의 탄소 원자와 화학량론적으로 결합한 세 개의 철 원자가 독특한 화합물 구조를 이루는 물질이다. 시멘타이트는 단순히 페라이트에 탄소가 용해된 것이 아니다. 강의 탄소가 용해도가 낮은 페라이트 기지에 계속 존재할 수 없고, 국부적인 화학적·열적 조건이 탄화물의 석출 또는 성장을 허용할 때 시멘타이트가 형성된다.[2][2] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

펄라이트는 일반적으로 페라이트와 시멘타이트가 협동적으로 형성한 층상 구성 constituent로 설명된다. 교대로 배열된 라멜라는 두 상 사이에 넓은 계면적을 제공한다. 변태 온도는 그 간격에 영향을 미친다. ScienceDirect는 더 높은 변태 온도에서 형성된 조대 펄라이트가 상대적으로 연질인 반면, 더 미세한 펄라이트는 강도가 높다고 설명한다. 이러한 차이는 시멘타이트의 존재 여부만이 아니라 형태와 규모에 따른 것이다.

시멘타이트는 펄라이트가 아닌 조직에도 존재한다. ScienceDirect는 베이나이트를 비층상 페라이트–Fe₃C 조직으로 설명하며, 하부 베이나이트가 상부 베이나이트보다 경도가 높다고 기술한다. 상부 베이나이트에서는 탄화물 배열이 하부 베이나이트와 다르며, 하부 베이나이트에서는 탄화물이 페라이트 판 내부 또는 그와 밀접하게 연관된 위치에서 석출된다. 정확한 외관은 조성과 변태 조건에 따라 달라진다.

열처리는 시멘타이트의 화학적 정체성을 바꾸지 않고 그 형태를 변화시킬 수 있다. Cambridge는 구상화가 펄라이트의 시멘타이트 라멜라를 입자로 변환한다고 기록한다(University of Cambridge Phase Transformations Group, 2008). 이 과정은 펄라이트의 연속적인 층상 기하 구조를 감소시키고, 탄화물이 페라이트 기지를 분할하는 방식을 변화시킨다. 따라서 풀림, 뜨임 및 기타 열처리는 입자 크기, 간격 및 분포를 변경함으로써 특성을 변화시킬 수 있다. NPTEL은 열처리가 주로 미세조직을 변화시킴으로써 기계적 특성을 변화시킨다고 설명한다(NPTEL, 2024). 시멘타이트의 양, 연속성 및 형태는 이 설명의 일부이며, 단순한 담금질만으로 설명되는 것은 아니다.

펄라이트: 층상 구조와 냉각 의존적 스케일

펄라이트는 단일 상이 아니다. 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트가 결합한 2상 조직으로, 일반적으로 페라이트–Fe₃C로 표기되며, 확산이 지배하는 변태를 통해 오스테나이트가 분해될 때 생성된다. 페라이트는 상대적으로 탄소 함량이 낮은 체심입방정계 철 상이며, 시멘타이트는 성장하는 페라이트에서 배출된 탄소를 수용하는 철 탄화물 상이다. 그 결과는 균일한 고용체가 아니라 복합 미세조직이 된다.

이러한 구분이 중요한 이유는 담금질된 강이 단지 빠른 냉각을 겪었다는 이유만으로 경질화되는 것은 아니기 때문이다. 경도와 강도는 어떤 변태가 일어났는지, 얼마나 많은 탄소가 확산할 수 있었는지, 어떤 합금 원소가 존재하는지, 그리고 생성물의 형태가 어떠한지에 따라 달라진다. ASM International은 열처리된 강의 미세조직이 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트, 펄라이트를 비롯하여 철, 탄소 및 기타 합금 원소의 결합으로 형성된 상들로 구성된다고 설명한다(2024). 따라서 펄라이트는 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트도 포함하는 변태 생성물의 연속 과정에 속하며, 담금질 정도만으로 결정되는 단순한 연질에서 경질로의 도표에 포함되는 것이 아니다.

페라이트와 시멘타이트 층상 조직의 형성

오스테나이트가 펄라이트로 변태할 때 탄소 확산을 통해 페라이트와 시멘타이트가 함께 형성된다. 페라이트는 오스테나이트에 비해 탄소를 거의 함유하지 않으므로, 성장하는 페라이트에서 탄소가 이동하여 인접한 시멘타이트에 모여야 한다. 두 구성상은 협동적으로 성장한다. 즉, 페라이트 판상 또는 층상 조직이 시멘타이트 판상 또는 층상 조직과 나란히 전진하면서 반복적인 층상 배열을 형성한다.

펄라이트 콜로니에는 일반적으로 공통된 방위를 갖는 층상 조직이 포함되지만, 서로 다른 콜로니는 서로 다른 방위를 가질 수 있다. 현미경으로 관찰할 때 겉보기 간격은 절단 방향에 따라 달라질 수 있으므로, 측정된 거리가 항상 실제 3차원 간격을 나타내는 것은 아니다. 그럼에도 층상 조직의 스케일은 변태 이력에 관한 유용한 정보를 제공한다. 간격이 좁은 층상 조직은 단위 거리당 탄소 재분배를 위한 페라이트–시멘타이트 계면을 더 많이 제공하며, 간격이 넓은 층상 조직은 더 긴 확산 길이를 허용하는 조건에서 성장했음을 나타낸다.

아공석강에서 연속 냉각은 일반적으로 괴상 페라이트와 펄라이트를 생성한다 Strong evidence

아공석강에서는 펄라이트가 일반적으로 단독으로 형성되지 않는다. 연속 냉각 중에는 선행 오스테나이트 결정립계에서 초정질 페라이트가 먼저 형성될 수 있으며, 이어서 남아 있는 오스테나이트에서 펄라이트가 형성된다. University of Cambridge Phase Transformations Group은 아공석강의 연속 냉각에서 “초정질 페라이트와 펄라이트”가 일반적인 생성물이라고 설명한다(2011). 냉각이 빨라지거나 조성으로 인해 경화능이 증가하면 변태 순서는 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트 쪽으로 이동할 수 있다. 따라서 최종 조직은 완전히 펄라이트로 이루어진 영역이 아니라 초정질 페라이트와 나란히 존재하는 펄라이트를 포함할 수 있다.

변태 온도는 핵생성, 성장 및 탄소 확산 사이의 균형을 좌우하므로 스케일을 결정한다. 비교적 높은 변태 온도에서는 확산이 상대적으로 용이하다. 더 적은 수의 펄라이트 콜로니가 핵생성할 수 있지만, 각 콜로니는 더 넓은 층상 간격을 유지하면서 성장할 수 있다. 더 낮은 변태 온도에서는 확산이 제한되고 변태 구동력이 커진다. 이에 따라 많은 콜로니가 형성될 수 있으며, 페라이트와 시멘타이트 층의 간격은 더 좁아진다. 냉각 속도는 변태 온도를 변화시키는 실용적인 방법이지만, 냉각 속도만으로 현상을 완전히 설명할 수는 없다. 합금 원소는 변태를 지연시키고, 탄소 활도를 변화시키며, 펄라이트가 형성되는 온도와 시간 범위를 바꿀 수 있다.

조대 펄라이트와 미세 펄라이트

조대 펄라이트는 상대적으로 넓은 페라이트–시멘타이트 간격을 갖는다. 이는 탄소가 성장 중 더 긴 거리를 확산할 수 있는 높은 온도에서 오스테나이트가 변태할 때 형성된다. ScienceDirect의 강 열처리 참고 문헌(2024)에 설명된 바와 같이, 이 조직은 더 미세한 펄라이트에 비해 상대적으로 연질이다. 이러한 비교는 상대적인 의미이며 보편적으로 적용되는 경도값을 뜻하지 않는다. 조성, 콜로니 크기, 선행 오스테나이트 결정립 구조, 단면 크기 및 후속 처리가 모두 측정 결과에 영향을 미친다.

미세 펄라이트는 더 좁은 층상 간격을 갖는다. 일반적으로 탄소 확산이 제한되고 페라이트와 시멘타이트가 더 미세한 배열을 이루는 낮은 변태 온도에서 형성된다. ScienceDirect는 미세 펄라이트가 조대 펄라이트보다 강하다고 설명한다. 그 이유는 형태학적 특성에 있다. 간격이 좁은 시멘타이트 층상 조직은 더 짧은 거리마다 페라이트의 연속성을 끊고 전위 운동에 더 많은 계면을 제공한다. 따라서 이 조직은 소성 변형에 더 효과적으로 저항할 수 있지만, 그 거동은 여전히 탄소 함량과 합금 첨가 원소에 좌우된다.

“미세”와 “조대”는 서로 다른 화학적 상이 아니라 스케일을 설명하는 용어다. 두 조직 모두 페라이트와 시멘타이트를 포함하며, 실제 열처리 부품에서는 두 조직 모두 다른 생성물과 공존할 수 있다. 하나의 냉각 곡선이 둘 이상의 변태 범위를 통과하면, 한 영역에서는 페라이트와 펄라이트가, 다른 영역에서는 베이나이트가 형성될 수 있으며, 오스테나이트가 마르텐사이트 시작 온도 범위까지 남아 있는 곳에서는 마르텐사이트가 형성될 수 있다. NPTEL은 열처리가 주로 미세조직을 변화시킴으로써 기계적 특성을 변화시킨다고 설명한다(2024). 펄라이트는 이 원리를 명확하게 보여준다. 변태 경로를 바꾸면 페라이트와 시멘타이트라는 기본적인 정체성을 바꾸지 않고도 층상 간격과 형태를 변화시킬 수 있다.

장시간 처리 후 구상화된 시멘타이트[3][3] Steel Microstructure. University of Cambridge Phase Transformations Group. Phase Transformations Group reference material, 2008.

펄라이트는 층상 형태를 잃을 수도 있다. 공석 변태 범위 아래에서 장시간 가열하거나 적절한 어닐링 사이클을 적용하면 시멘타이트 층상 조직이 점차 분해되어 구형 입자로 변하고, 페라이트 기지 전체에 분산된다. University of Cambridge Phase Transformations Group은 “구상화는 펄라이트 시멘타이트 층상 조직을 입자로 변환한다”고 직접 설명한다(2008).

이 변화는 펄라이트의 특징인 날카롭고 연속적인 시멘타이트 계면을 감소시킨다. 계면 면적을 줄이면 계의 계면 에너지가 낮아지므로, 처리가 계속되면 입자는 조대화되는 경향이 있다. 입자 크기와 간격은 초기 펄라이트, 온도, 시간 및 합금 원소에 따라 달라진다. 따라서 장시간 처리를 하더라도 모든 강에서 하나의 고정된 형태가 생성되는 것은 아니다.

구상화된 시멘타이트는 여전히 시멘타이트이며 주변 기지도 여전히 페라이트이지만, 형상은 교대로 배열된 판상 조직에서 분산된 입자로 변한다. 이러한 형상은 일반적으로 층상 펄라이트보다 변형을 쉽게 하며, 특히 성형이나 기계가공에서 그러하다. 그러나 “구상화”라는 표현만으로 특정한 하나의 경도값이 정해지는 것은 아니다. 올바른 해석을 위해서는 페라이트 조성, 시멘타이트 체적 분율, 입자 크기, 입자 간격, 잔류 펄라이트, 그리고 이전 공정에서 남은 마르텐사이트나 잔류 오스테나이트를 포함한 전체 미세조직을 고려해야 한다.

연속 냉각 중 아공석강

아공석강은 공석 조성보다 탄소 함량이 낮으므로, 오스테나이트가 한 번에 펄라이트로 변태하지 않는다. 냉각 중 최초로 생성되는 조직은 일반적으로 페라이트이며, 이어서 잔류 오스테나이트가 펄라이트로, 또는 냉각 속도가 더 빠른 경우 다른 생성물로 변태한다. 따라서 최종 조직에는 다음과 같은 과정이 기록된다. 성장하는 페라이트에서 탄소가 빠져나가고, 잔류 오스테나이트는 탄소가 농축되며, 이렇게 조성이 변한 오스테나이트가 이후 주어진 온도와 시간 조건에 따라 변태한다.

이러한 과정은 경도를 단순히 담금질이라는 행위에 직접 연관시킬 수 없는 이유를 설명한다. NPTEL은 열처리가 주로 미세조직을 변화시킴으로써 기계적 성질을 변화시킨다고 설명하며, ASM International은 열처리된 강을 해석하기 위해 필요한 기본 주제로 오스테나이트, 페라이트, 탄소 확산, 시멘타이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 상변태를 제시한다. 냉각 경로는 이들 조직 중 어떤 구성상이 생성되는지, 각각이 어느 정도의 비율로 형성되는지, 그리고 어떤 형태를 갖는지를 결정한다.

펄라이트 형성 전의 알로트리오모픽 페라이트

오스테나이트 영역에서 냉각할 때 아공석강은 일반적으로 prior 오스테나이트 결정립계에서 알로트리오모픽 페라이트의 형성을 시작한다. “알로트리오모픽”은 페라이트 자체의 결정학적 형태보다는 주변 오스테나이트에 의해 외형이 결정되는 페라이트를 의미한다. 이 조직은 이전 오스테나이트 결정립계를 따라 막, 층 또는 불규칙한 결정립 형태로 나타나는 경우가 많다.

페라이트는 오스테나이트에 비해 탄소를 거의 포함하지 않는다. 페라이트가 성장하면서 탄소는 인접한 오스테나이트로 배출된다. 이러한 확산은 변태의 핵심이다. 페라이트의 형성으로 인해 변태하지 않은 오스테나이트는 점차 탄소가 풍부해지고, 그 조성은 공석 조성에 가까워진다. 따라서 페라이트는 조직의 나머지 부분과 무관하게 독립적으로 나타나는 단순한 저탄소 영역이 아니다. 페라이트의 성장은 잔류 오스테나이트의 화학 조성을 변화시킨다.

케임브리지 대학교 상변태 그룹은 이를 연속 냉각되는 아공석강에서 나타나는 가장 명확한 전형적 과정으로 설명한다. 먼저 알로트리오모픽 페라이트가 형성되고, 이후 잔류 오스테나이트가 펄라이트로 변태한다. 변태가 충분히 느리게 진행되면 페라이트가 거의 연속적인 결정립계 네트워크를 형성할 수 있지만, 정확한 외관은 조성, prior 오스테나이트 결정립 크기 및 냉각 조건에 따라 달라진다.

알로트리오모픽 페라이트와 비드만스테텐 페라이트의 구별도 중요하다. 더 빠른 변태 조건에서는 알로트리오모픽 페라이트와 같은 결정립계 지배 형태가 아니라, 오스테나이트 내부로 성장하는 페라이트 판상 또는 측면판이 생성될 수 있다. 따라서 현미경 사진에서 페라이트가 관찰된다는 사실만으로는 냉각 이력을 확인할 수 없다. 페라이트의 형태와 위치도 함께 조사해야 한다.

페라이트-펄라이트 미세조직

공석 전 페라이트가 형성된 후, 탄소가 농축된 잔류 오스테나이트는 일반적으로 펄라이트로 변태한다. 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트 Fe₃C가 서로 협동적으로 형성된 혼합 조직으로, 이들이 교대로 배열된 영역 또는 라멜라를 이룬다. 그 결과 페라이트-펄라이트 미세조직이 형성된다. 상대적으로 탄소가 적은 페라이트는 공석 전 영역을 차지하고, 펄라이트에는 잔류 오스테나이트에 집중되어 있던 탄소가 포함된다.

펄라이트의 외관은 하나의 고정된 형태가 아니다. 비교적 높은 변태 온도에서 형성된 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트 사이의 간격이 넓으며, ScienceDirect는 이를 조대 펄라이트라고 설명한다. 조대 펄라이트는 더 미세한 펄라이트에 비해 상대적으로 연하다. 더 낮은 변태 온도에서는 확산 거리가 짧아지고 라멜라 간격이 더 미세해진다. 미세 펄라이트는 간격이 좁은 시멘타이트 장벽이 전위의 이동을 더 효과적으로 제한하기 때문에 강도가 높다. 다만 그 성질은 전체 조성과 형태에도 영향을 받는다.

케임브리지 자료는 아공석강을 연속 냉각할 때 알로트리오모픽 페라이트와 펄라이트가 흔히 생성된다고 설명한다. 그러나 이는 하나의 변태 경로를 설명하는 것이며, 모든 강종이나 모든 냉각 작업에서 동일한 미세조직이 형성된다는 뜻은 아니다. 탄소 함량, 망가니즈 및 기타 합금 원소, 오스테나이트 결정립 크기, 부품의 단면 두께, 그리고 실제 온도-시간 이력은 각 변태의 시작과 종료에 영향을 미친다.

펄라이트는 구상화된 시멘타이트와도 구별해야 한다. 구상화 과정에서 케임브리지 대학교 상변태 그룹은 펄라이트 내 시멘타이트 라멜라가 입자로 변한다고 설명한다. 따라서 둥근 시멘타이트 입자가 분산된 페라이트 기지는 일반적인 라멜라 펄라이트의 조대한 형태에 불과한 것이 아니다. 이는 다른 열처리와 다른 시멘타이트 형태를 나타낸다.

냉각 속도 증가와 경화능의 영향

냉각 속도가 빨라지면 강은 탄소가 확산하고 페라이트와 펄라이트가 성장할 수 있는 온도 범위에 머무는 시간이 줄어든다. 변태가 여전히 페라이트와 펄라이트를 생성할 수 있지만, 펄라이트는 더 미세해지고 결정립계 페라이트의 분율도 변할 수 있다. 냉각 경로가 충분히 달라지면 오스테나이트는 페라이트-펄라이트 영역의 일부 또는 전부를 거치지 않고 지나갈 수 있다.

케임브리지의 연속 냉각 사례에서는 이러한 진행 과정에 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 포함된다. 베이나이트는 펄라이트의 교대 라멜라가 아니라 페라이트와 Fe₃C의 비라멜라 혼합 조직으로 형성된다. 상부 베이나이트와 하부 베이나이트는 페라이트와 시멘타이트의 배열이 서로 다르다. ScienceDirect는 하부 베이나이트가 상부 베이나이트보다 더 높은 경도를 갖는다고 설명하며, 이는 더 미세한 스케일과 서로 다른 탄화물 분포를 반영한다.

냉각에 의해 확산 변태가 억제되어 마르텐사이트 변태 온도 범위에 도달하면, 오스테나이트는 무확산 전단 기구에 의해 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 성장 과정에서 탄소가 페라이트와 시멘타이트로 분배되는 대신, 변형된 철 격자 안에 갇힌 상태로 남는다. 마르텐사이트로 변태하지 않은 오스테나이트는 잔류 오스테나이트로 남을 수 있다. 그 양은 단순히 담금질을 실시했는지 여부가 아니라 조성과 냉각 경로에 따라 결정된다.

경화능경화능 특정 냉각 조건에서 강이 단면 전체에 걸쳐 더 단단한 변태 생성물을 형성하는 능력으로, 한 지점에서 측정한 경도와는 구별된다

경화능은 실제 부품 내부에서 강이 이러한 고속 냉각 경로를 얼마나 깊은 위치까지 따를 수 있는지를 변화시킨다. 합금 원소는 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 변태를 지연시킬 수 있으며, 그 결과 경화능이 낮은 강이라면 페라이트와 펄라이트로 변태했을 위치에서도 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 따라서 두꺼운 부품은 전체가 동일한 열처리를 받더라도 표면에서 중심부까지 서로 다른 조직을 가질 수 있다.

실질적인 결론은 명확하다. 아공석강은 하나의 단일한 전환에 의해 “연한” 상태에서 “단단한” 상태로 바뀌지 않는다. 연속 냉각에서는 알로트리오모픽 페라이트와 펄라이트, 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 또는 이들 생성물의 혼합물이 형성될 수 있다. 결정적인 증거는 변태의 순서와 그 결과로 나타난 형태이다.

베이나이트: 상부, 하부 및 비층상 변태 생성물

페라이트–Fe₃C 구조로서의 베이나이트

베이나이트는 단일 상이 아니며, 단순한 경도 척도상의 한 지점으로 취급해서는 안 된다. 베이나이트는 주로 페라이트와 철 탄화물인 Fe₃C로 이루어진 변태 생성물이며, 그 특성은 이러한 구성 성분의 배열, 크기 및 분포에 의해 좌우된다. ScienceDirect의 2024년 강 열처리 개요에서는 베이나이트를 “비층상 페라이트–Fe₃C 구조”로 정의한다. 이 정의는 형태학적 수준에서 베이나이트와 펄라이트를 구분한다. 두 구조 모두 페라이트와 시멘타이트를 포함하지만, 페라이트–시멘타이트의 배열 방식은 서로 다르다.

베이나이트의 페라이트는 오스테나이트로부터 형성되며, 성장하는 페라이트에서 배출된 탄소는 주변 오스테나이트에서 탄화물의 형성 또는 재분배에 기여한다. 따라서 이 변태에는 페라이트 영역의 형성과 탄소의 이동이 모두 관여한다. 합금 원소는 탄소 활성도, 탄화물 석출, 페라이트 성장 및 베이나이트가 형성되는 온도 범위에 영향을 줄 수 있다. 결과적으로 최종 구조는 강이 담금질되었거나 빠르게 냉각되었다는 사실이 아니라 변태 경로에 의해 결정된다.

이러한 구분은 ASM International이 2024년에 설명한 열처리 강의 미세조직과도 부합한다. 열처리 강의 미세조직은 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트 및 펄라이트를 형성하는 철, 탄소 및 기타 합금 원소의 결합 조직이다. 오스테나이트는 이러한 여러 생성물이 형성되는 모상이다. 냉각은 탄소 확산과 상변태의 조건을 변화시키며, 변태가 일정한 온도 범위에 걸쳐 진행되면 결과 생성물은 둘 이상의 구성 성분을 포함할 수 있다.

“비층상”이라는 용어는 베이나이트에 반복적인 내부 배열이 없다는 뜻이 아니다. 베이나이트 페라이트는 일반적으로 판상, 래스상 또는 다발상으로 나타나며, 탄화물은 변태 생성물에 따라 페라이트 단위 사이 또는 그 내부에 존재한다. 페라이트와 이전 오스테나이트 사이의 계면 및 결정학적 관계는 강도, 인성 및 균열 전파에 영향을 준다. 따라서 현미경 사진에서는 펄라이트와 관련된 규칙적인 교대 판상 배열이 보이지 않더라도 조직적인 구조가 관찰될 수 있다.

변태 기구 역시 순수하게 장거리 확산에 의해 제어되는 재배열과는 다르다. 페라이트는 오스테나이트 격자와 관련된 형상 변화를 수반하며 형성되고, 이후 탄소가 확산에 의해 재분배된다. 탄화물 석출은 국부적인 탄소 농도와 변태 조건에 따라 진행된다. 페라이트 형성, 격자 변위, 탄소 분배 및 탄화물 석출이 결합된 이 과정은 베이나이트가 펄라이트계 생성물과 마르텐사이트계 생성물 사이에서 독특한 위치를 차지하는 이유를 설명한다. 베이나이트는 단순히 더 미세해진 펄라이트도 아니며, 이름만 달리 붙인 마르텐사이트도 아니다.

상부 베이나이트와 하부 베이나이트

University of Cambridge Phase Transformations Group은 “상부 베이나이트”와 “하부 베이나이트”를 서로 다른 강의 미세조직으로 구분한다. 이 구분은 주로 탄화물의 위치와 형태를 기준으로 한다. 상부 베이나이트에서는 일반적으로 페라이트가 래스 또는 판상으로 형성되며, 시멘타이트는 인접한 페라이트 단위 사이에 우선적으로 나타난다. 탄화물이 풍부한 영역은 페라이트 집합체의 일부 윤곽을 형성한다. 하부 베이나이트에서는 탄화물 입자 또는 얇은 탄화물 석출물이 페라이트 판 내부뿐 아니라 관련 영역에도 형성된다. 내부 석출 패턴은 더 미세하며 페라이트 자체와 더욱 밀접하게 연관된다.

이러한 설명은 형태학적인 것이지만, 페라이트 형성과 탄소 확산 사이의 서로 다른 균형을 반영한다. 상부 베이나이트와 관련된 조건에서는 탄소가 충분히 재분배될 수 있으므로 탄화물은 주로 페라이트 래스 사이에 형성된다. 하부 베이나이트 조건에서는 페라이트 내부에 탄소 과포화가 상당히 유지되는 상태에서 페라이트가 형성되므로, 탄화물이 페라이트 단위 내부에 석출될 수 있다. 구체적인 형태는 강의 조성, 이전 오스테나이트 결정립 구조, 변태 이력 및 합금 원소의 영향에 따라 달라진다.

2024년 ScienceDirect의 강 열처리 개요에 따르면 하부 베이나이트는 상부 베이나이트보다 단단하다. 이러한 차이를 “더 많이 담금질했기 때문”이라는 불가사의한 결과로 설명해서는 안 된다. 더 미세한 페라이트 단위, 내부 탄화물 석출 및 그에 따른 전위 이동의 장벽이 하부 베이나이트와 관련된 높은 경도에 기여한다. 상부 베이나이트는 탄화물 배열이 다르며, 일반적으로 강도와 인성의 균형도 다르게 나타난다. 두 명칭 중 어느 하나만으로는 완전한 기계적 특성 예측이 불가능하다. 혼합 생성물과 조직 크기의 변화가 흔히 나타나기 때문이다.

연속 냉각된 아공석강은 하나의 균일한 구성 성분으로만 변태하지 않을 수 있다. Cambridge가 2011년에 혼합 미세조직에 대해 설명한 바에 따르면, 연속 냉각에서는 일반적으로 다형상 페라이트와 펄라이트가 생성되며, 냉각 속도가 점차 빨라지거나 경화능이 증가하면 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 생성될 수 있다. 따라서 하나의 시험편 안에서도 서로 다른 영역에 초석 페라이트, 펄라이트, 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 마르텐사이트 또는 잔류 오스테나이트가 존재할 수 있다. 변태 순서는 명목상의 열처리 명칭만큼이나 중요하다.

베이나이트를 미세한 펄라이트로 설명해서는 안 되는 이유

베이나이트를 “미세한 펄라이트”라고 부르는 것은 조성과 구조를 혼동하는 것이므로 잘못된 표현이다. 두 생성물 모두 페라이트와 Fe₃C를 포함할 수 있지만, 펄라이트는 공석 변태 중 생성되는 페라이트와 시멘타이트의 교대 판상 배열, 즉 층상 배열로 정의된다. 베이나이트는 페라이트와 시멘타이트의 비층상 배열로 정의된다. 펄라이트를 미세화하면 층상 간격이 줄어들 뿐이며, 그 층상이 베이나이트 페라이트 판과 탄화물 분포로 바뀌는 것은 아니다.

ScienceDirect의 2024년 개요는 이러한 대비를 직접적으로 제시한다. 더 높은 변태 온도에서 형성된 조대 펄라이트는 비교적 연하고, 더 미세한 펄라이트는 더 강하며, 베이나이트는 비층상 페라이트–Fe₃C 구조이고, 하부 베이나이트는 상부 베이나이트보다 단단하다. 앞의 두 진술은 하나의 형태에서 조직 크기가 달라지는 현상을 설명한다. 뒤의 진술은 서로 다른 형태를 식별한 다음, 베이나이트의 두 형태를 구분한다. 두 경우 모두 경도는 변하지만, 그 구조적 이유는 동일하지 않다.

이러한 구분은 이후의 열처리 후에도 유지된다. Cambridge는 2008년에 구상화가 펄라이트의 시멘타이트 층상을 입자로 변환한다고 보고했다. 이 처리는 펄라이트의 탄화물 형태를 변화시키지만, 생성물은 베이나이트가 아니라 구상화된 펄라이트 조직으로 남는다. 반대로 마르텐사이트 조직을 뜨임하면 페라이트 기지 내에 탄화물이 석출되지만, 그렇다고 해서 그 조직이 소급하여 베이나이트가 되는 것은 아니다. 명칭은 단지 존재하는 원소만이 아니라 변태 이력과 형태를 설명한다.

NPTEL은 2024년에 열처리가 주로 미세조직을 변화시킴으로써 기계적 특성을 변화시킨다고 밝혔다. 베이나이트는 이 원리가 중요한 이유를 보여준다. 베이나이트의 경도는 생성물이 상부 베이나이트인지 하부 베이나이트인지, 페라이트 단위의 크기, 탄화물의 위치와 크기, 합금 원소, 그리고 인접한 마르텐사이트·펄라이트·페라이트 또는 잔류 오스테나이트의 존재 여부에 따라 달라진다. 담금질은 전체 이력의 일부에 불과하다. 결정적인 근거는 상변태와 탄소 재분배에 의해 남겨진 구조이다.

급속 냉각 후의 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트

급속 냉각 생성물로서의 마르텐사이트

오스테나이트가 충분히 빠르게 냉각되어야 마르텐사이트가 형성된다. 즉, 페라이트, 시멘타이트, 펄라이트 또는 베이나이트를 생성하는 확산 반응이 먼저 오스테나이트 전체를 변태시키지 못할 정도로 빠르게 냉각되어야 한다. 따라서 탄소는 시멘타이트로 완전히 분배되거나 외부로 확산되지 않고, 변태 중인 철 격자와 결합된 상태로 남는다. 그 결과 과포화 변태 생성물이 형성되며, 그 구조와 형태는 탄소 함량, 합금 원소, 변태 전 오스테나이트의 결정립 구조, 그리고 열적 경로에 따라 달라진다.

이는 “담금질이 직접적인 물리적 효과로 경도를 생성한다”고 말하는 것과는 다르다. 담금질은 원자가 이동하고 경쟁적인 상이 형성될 수 있는 시간을 변화시킨다. 그 결과 형성된 마르텐사이트는 탄소를 함유한 구조가 소성 변형에 저항하기 때문에 경도를 높일 수 있지만, 최종 특성은 형성된 마르텐사이트의 양, 잔류하는 다른 구성 성분, 그리고 이후 뜨임이 실시되었는지 여부에 따라 달라진다. 담금질된 부품에는 마르텐사이트와 함께 베이나이트, 펄라이트, 페라이트 또는 잔류 오스테나이트가 존재할 수 있다.

케임브리지 대학교 상변태 그룹은 연속 냉각된 아공석강에서 얻어지는 생성물의 진행 과정 속에 마르텐사이트를 포함시킨다. 냉각 속도가 비교적 느리거나 경화능이 낮을 때, 조직은 일반적으로 타형 페라이트와 펄라이트로 시작한다. 더 빠른 냉각 또는 더 높은 경화능에서는 생성물이 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트 쪽으로 이동한다. 이러한 진행 과정은 서로 경쟁하는 변태 경로를 설명하는 것이지, 단면의 모든 부분이 자동으로 하나의 구성 성분으로 변환되는 스위치를 의미하지 않는다.

합금 원소는 확산 변태의 속도론을 변화시키고 강의 경화능을 조절함으로써 이러한 경쟁에 영향을 준다. 단면 두께도 같은 이유로 중요하다. 표면과 중심부가 서로 다른 냉각 경로를 따를 수 있기 때문이다. 표면은 마르텐사이트가 형성될 수 있는 조건에 도달하는 반면, 내부는 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트가 형성되는 온도 범위에서 충분한 시간을 보낼 수 있다. 하나의 변태 전 오스테나이트 결정립 내부에서도 국부적인 조성과 열 이력이 변태 순서에 영향을 줄 수 있다.

NPTEL의 열처리 체계는 이러한 순서를 공학적 특성과 연결한다. “열처리는 주로 미세조직을 변화시킴으로써 기계적 특성을 변화시킨다”(NPTEL, 2024). 담금질은 마르텐사이트를 포함하는 조직을 촉진하기 때문에 경화 처리로 설명되며, 이후 뜨임은 그 조직과 탄소 분포를 변화시킨다. 따라서 생성된 상을 함께 고려하지 않으면 공정 명칭만으로는 충분하지 않다. “담금질된”이라는 표현은 열처리를 나타낼 뿐, 미세조직에 대한 확정적인 진단을 의미하지 않는다.

연속 냉각된 강에서의 잔류 오스테나이트

잔류 오스테나이트는 냉각 후 마르텐사이트나 다른 생성물로 변태하지 않고 남아 있는 오스테나이트의 일부이다. 이는 단순히 담금질이 끝나기를 기다리는 미변태 물질이 아니다. 잔류 오스테나이트의 존속은 강의 조성, 변태 전 오스테나이트의 상태, 냉각 경로, 그리고 다른 변태가 오스테나이트를 어느 정도 소모하거나 변화시켰는지에 따라 결정된다.

탄소 농축은 잔류 오스테나이트를 안정화하는 중요한 경로 중 하나이다. 페라이트, 베이나이트 또는 다른 생성물이 형성될 때 탄소가 남아 있는 오스테나이트 쪽으로 배출될 수 있다. 합금 원소 역시 변태 속도론과 오스테나이트의 안정성을 변화시킬 수 있다. 따라서 연속 냉각된 강에는 오스테나이트의 한 부분에서 형성된 마르텐사이트와 함께, 다른 부분이 잔류 오스테나이트로 남아 있을 수 있다.

케임브리지의 참고 자료는 더 빠르게 냉각되거나 경화능이 더 높은 아공석강에서 가능한 생성물 가운데 잔류 오스테나이트를 명시적으로 포함한다. 이는 강이 급속 냉각의 영향을 크게 받더라도 완전히 마르텐사이트화되는 것은 아니라는 점에서 중요하다. 현미경 사진에서는 소량의 잔류 오스테나이트를 포함한 주로 마르텐사이트인 기지가 관찰될 수 있으며, 또는 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트가 혼합된 조직에서 잔류 오스테나이트가 변태 영역 사이에 집중되어 있을 수도 있다.

잔류 오스테나이트의 존재는 “경도”라는 말만으로 조직을 요약하는 것이 부적절하다는 점도 보여 준다. 오스테나이트는 일반적으로 마르텐사이트보다 더 쉽게 변형되지만, 그 존재가 조성과 형태에 관계없이 하나의 고정된 경도값을 만들어 내는 것은 아니다. 잔류 오스테나이트는 이후의 기계적 하중, 냉각 또는 뜨임 중에 변태하여 치수와 내부 응력을 변화시킬 수 있다. 따라서 그 명칭만큼이나 양과 분포가 중요하다. 베이나이트 또는 마르텐사이트 영역 사이에 존재하는 얇은 막과 더 큰 섬 형태의 영역은 구조적 효과가 동일하지 않다.

따라서 올바른 해석은 상을 기준으로 이루어져야 한다. 오스테나이트가 어느 정도 변태했는지, 어떤 생성물이 먼저 형성되었는지, 탄소가 어디로 이동했는지, 그리고 냉각 후 어떤 구성 성분이 남아 있는지를 확인해야 한다. ASM International의 2024년 자료는 열처리된 강의 미세조직을 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트 및 펄라이트를 형성하는 철, 탄소 및 기타 합금 원소의 결합체로 설명한다. 오스테나이트, 탄소 확산 및 상변태는 잔류 오스테나이트가 나타나는 이유를 이해하기 위한 체계를 제공한다.

담금질이 단일상 조직을 보장하지 않는 이유

담금질은 특정한 냉각 강도와 열 이력을 갖는 냉각 작업이지, 단일상이 형성된다는 보장이 아니다. 필요한 냉각 경로는 강의 조성과 단면 형상에 따라 달라진다. 어느 영역이든 마르텐사이트가 형성되기 전에 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트가 형성될 만큼 느리게 냉각되면, 이러한 생성물은 담금질 후에도 남는다. 또한 이용 가능한 냉각 경로 동안 일부 오스테나이트가 변태하지 않으면 잔류 오스테나이트로 남는다.

이 때문에 담금질된 아공석강에는 타형 페라이트와 마르텐사이트, 베이나이트와 마르텐사이트, 또는 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트가 함께 존재할 수 있다. 특히 더 느리게 냉각되는 중심부 쪽의 다른 위치에서는 펄라이트가 베이나이트 및 페라이트와 공존할 수 있다. 최종 조직은 가열로 공정의 명칭이 아니라 변태 영역을 통과한 경로를 기록한다.

냉각 속도만으로는 모든 결과를 설명할 수도 없다. 탄소와 합금 원소는 확산, 상의 안정성 및 경화능을 변화시킨다. 변태 전 오스테나이트 결정립 크기, 오스테나이트화 조건, 표면 상태 및 단면 두께는 이용 가능한 변태 경로에 영향을 준다. 담금질은 일부 확산 반응을 억제할 수 있지만, 모든 확산 반응을 억제하는 것은 아니다. 그 결과 혼합 구성 성분 조직이 형성되는 경우가 많다.

ScienceDirect의 2024년 강 열처리 개요는 이러한 구분이 중요한 이유를 보여 준다. 더 높은 변태 온도에서 형성된 조대한 펄라이트는 비교적 연하고, 더 미세한 펄라이트는 강도가 높으며, 베이나이트는 비층상 페라이트–Fe3C 조직이고, 하부 베이나이트는 상부 베이나이트보다 단단하다. 마르텐사이트는 이 계열에 속하는 하나의 구성원일 뿐이다. 최종적인 기계적 응답은 냉각이라는 명칭 자체가 아니라 생성물의 결합 상태, 크기 및 분포에 따라 결정된다.

따라서 적절한 미세조직 설명은 실제로 존재하는 구성 성분을 명시해야 한다. “담금질된 강”은 유용한 공정 이력일 수 있지만, 상에 대한 설명으로는 충분하지 않다. 마르텐사이트를 언급할 때에는 잔류 오스테나이트와 기타 변태 생성물이 존재할 가능성도 함께 제시해야 한다. 이러한 구분은 급속 냉각을 단일상 경화 메커니즘으로 간주하는 흔한 오류를 방지한다.

열처리 경로가 미세조직을 재배열하는 방식

NPTEL은 주요 강 열처리 경로를 의도된 효과에 따라 분류한다. 담금질과 침탄은 경화 처리이고, 뜨임, 풀림, 응력 제거는 연화 처리이다. 이러한 구분은 유용하지만, “경화”와 “연화”는 결과를 간접적으로만 설명한다. 결정적인 사건은 상과 탄소의 재배열이다. NPTEL은 2024년에 열처리가 주로 미세조직을 변화시킴으로써 기계적 특성을 변화시킨다고 밝혔다. ASM International은 이 틀을 더욱 구체화하여, 열처리된 강에는 철, 탄소 및 합금 원소의 결합으로 형성된 상이 포함되며, 여기에는 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트, 펄라이트가 해당한다고 설명한다.

따라서 열처리는 독립적인 특성으로서 경도를 만들어 내는 것이 아니다. 열처리는 오스테나이트를 선택된 변태 생성물의 혼합물로 변화시키거나, 이미 존재하는 상의 형태, 간격 및 분포를 변화시킨다. 냉각 속도, 탄소 함량, 합금 원소의 첨가량, 부재의 단면 크기는 강이 더 낮은 온도 상태에 도달하기 전에 어떤 변태가 진행될 수 있는지를 결정한다.

경화 처리로서의 담금질과 침탄

담금질의 목적은 오스테나이트가 냉각되는 동안 확산 변태를 억제하는 것이다. 더 느리게 냉각하면 탄소가 철 격자를 따라 이동할 수 있으므로 페라이트와 시멘타이트가 펄라이트로 형성되거나, 베이나이트 페라이트와 시멘타이트가 발달할 수 있다. 충분히 빠른 담금질은 이러한 재분배의 상당 부분을 중단시킨다. 그러면 오스테나이트는 무확산 전단 기구에 의해 마르텐사이트로 변태하며, 이때 탄소가 과포화된 격자는 높은 변형 상태에 놓인다.

이 때문에 담금질을 단순히 “강을 단단하게 만들기 위해 냉각하는 것”이라고 설명하는 것은 정확하지 않다. 생성된 조직에는 마르텐사이트가 포함될 수 있지만, 변태하지 않은 잔류 오스테나이트가 포함될 수도 있으며, 냉각 또는 경화능이 충분하지 않은 경우에는 베이나이트나 펄라이트가 포함될 수도 있다. 합금 원소는 변태 동역학을 변화시켜 경화능을 바꾸며, 단독으로 경도를 더하는 것은 아니다. Cambridge 대학교 Phase Transformations Group이 2011년에 보고한 바와 같이, 아공석강을 연속적으로 냉각하면 초정질 페라이트와 펄라이트가 생성될 수 있다. 냉각 속도가 더 빠르거나 경화능이 더 높으면 변태 순서는 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트 쪽으로 이동한다.

침탄은 최종 경화 단계에 앞서 탄소 분포를 변화시킨다. 탄소는 저탄소강의 표면으로 확산하여 탄소가 농축된 침탄층과 상대적으로 탄소 함량이 낮은 내부를 만든다. 이어지는 담금질은 침탄층을 고탄소 마르텐사이트 쪽으로 변태시키는 반면, 심부는 원래의 조성과 적용된 냉각 경로가 허용하는 변태 거동을 따른다. 중요한 미세조직상의 특징은 탄소 구배이다. 침탄층과 심부는 동일한 오스테나이트 화학 조성에서 출발하지 않으므로 동일한 생성물을 형성할 필요가 없다.

따라서 침탄은 확산이 가능한 사전 처리에 이어 급속한 변태 억제가 이루어지는 공정이다. 탄소 확산은 농축 과정에서 핵심적인 역할을 하지만, 담금질 중에는 제한된다. 이 처리는 탄소가 전체적으로 풍부한 재료를 담금질하는 것과 같지 않으며, 최종 조직은 표면 경도값만으로 추론하지 말고 단면 전체에 걸쳐 조사해야 한다.

경화 조직 이후의 뜨임

뜨임은 담금질 직후 마르텐사이트와 관련된 극심한 변형과 취성을 줄이기 때문에 NPTEL의 연화 처리 그룹에 속한다. 그러나 뜨임은 경화 조직을 단순히 지워 버리는 처리가 아니다. 대신 과포화된 마르텐사이트 격자에서 탄소가 재분배되고, 조직이 뜨임 마르텐사이트 쪽으로 이동함에 따라 탄화물 상이 형성되거나 더욱 안정해진다.

구체적인 생성물은 강의 탄소 및 합금 원소 함량과 뜨임 조건에 따라 달라지므로, 모든 경우에 적용되는 단일한 뜨임 미세조직은 존재하지 않는다. 일반적으로 뜨임은 격자 왜곡을 줄이고, 탄화물의 형태와 분포를 변화시키며, 일부 강에서는 잔류 오스테나이트가 분해되거나 변태하도록 한다. 그 결과는 일반적으로 담금질에 의해 직접 생성된 탄소 과포화 마르텐사이트가 아니라, 미세하게 분산된 탄화물을 포함하는 페라이트 기지이다.

이러한 변화는 뜨임이 담금질 직후의 경도를 낮추면서도 균열과 충격 손상에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는 이유를 설명한다. 여기서 중요한 대비는 갇힌 탄소와 재분배된 탄소 사이의 차이이다. 담금질은 변형된 마르텐사이트 배열 속에 탄소를 남긴다. 뜨임은 탄소가 탄화물 형성과 화학적 분배를 향해 이동할 수 있는 경로를 제공한다. 따라서 담금질 후 뜨임한 강은 “경도가 낮아진 담금질 강”이 아니라, 기지와 탄화물 상이 서로 다르게 결합된 강이다.

잔류 오스테나이트도 중요하다. 잔류 오스테나이트가 담금질 후에도 남아 있다면, 이후의 뜨임은 그 안정성을 변화시킬 수 있으며, 잔류 오스테나이트의 변태는 치수 일관성과 최종 상 혼합물에 영향을 줄 수 있다. 따라서 결과는 뜨임 처리 자체만이 아니라 오스테나이트화, 담금질, 잔류 오스테나이트 및 뜨임으로 이어지는 전체 공정 순서를 바탕으로 해석해야 한다.

풀림과 응력 제거

풀림은 확산과 제어된 냉각을 이용하여 강을 더 낮은 에너지 상태이자 화학적으로 더 많이 재분배된 조직으로 이동시킨다. 담금질과 비교하면 탄소가 페라이트와 시멘타이트 사이에서 분배될 수 있는 시간이 더 길다. 조성과 이전 상태에 따라 생성물에는 조대한 펄라이트를 포함하는 페라이트, 더 미세한 펄라이트 또는 페라이트 기지 내 구상화된 시멘타이트 입자가 포함될 수 있다.

변태 온도는 형태에 영향을 준다. ScienceDirect의 2024년 강 열처리 개요는 상대적으로 높은 변태 온도에서 형성되는 비교적 연한 조대 펄라이트와 더 강한 미세 펄라이트를 구별한다. 또한 베이나이트를 비층상 페라이트–Fe3C 조직으로 규정하고, 하부 베이나이트가 상부 베이나이트보다 더 단단하다고 설명한다. 이러한 구별은 “풀림 처리됨”이라는 표현만으로는 미세조직을 완전히 설명할 수 없는 이유를 보여 준다. 시멘타이트의 간격, 페라이트 결정립 조직, 그리고 남아 있는 베이나이트나 마르텐사이트 역시 중요하다.

구상화는 확산에 의해 제어되는 변화가 특히 뚜렷하게 나타나는 사례이다. Cambridge 대학교 Phase Transformations Group은 2008년에 구상화가 펄라이트 시멘타이트의 라멜라를 입자로 변환한다고 밝혔다. 연속적인 시멘타이트 판상은 둥근 입자로 변하며, 페라이트와 시멘타이트 사이의 계면 형상을 변화시킨다. 그 결과 강은 변형하기 쉬워질 수 있지만, 핵심적인 사건은 설명되지 않은 경도 손실이 아니라 형태의 조대화와 재분배이다.

응력 제거는 보다 제한적인 위치를 차지한다. 응력 제거의 주된 목적은 용접, 절삭 가공, 성형 또는 불균일한 냉각으로 발생한 잔류 응력을 줄이는 것이며, 주요 상의 구성을 의도적으로 대체하는 것은 아니다. 원자 확산은 국부 응력이 완화되도록 하지만, 처리는 주요 변태가 일어나도록 의도된 범위보다 낮은 온도 범위에서 유지된다. 그러나 조건이 과도하면 회복, 뜨임, 석출 또는 상변태가 발생할 수 있다. 따라서 응력 제거가 상에 영향을 주지 않는다는 보장은 없다. 그 미세조직상의 효과는 강의 종류와 열 노출 조건에 따라 달라진다.

세 가지 경로 전체에서 지배적인 대비는 명확하다. 담금질은 확산을 제한하고 변형된 변태 생성물을 보존하는 반면, 뜨임, 풀림 및 응력 제거는 탄소 재분배, 탄화물 재배열, 회복 또는 조대화가 일어날 수 있도록 서로 다른 정도의 시간을 제공한다.

금속조직학에서 혼합 미세조직 읽기

열처리된 강의 단면에는 하나의 완전히 균일한 구성 constituent만 존재하는 경우가 드물다. 오스테나이트에서 연속 냉각된 아공석강은 구 오스테나이트 입계에 타형 페라이트가 나타나고, 나머지 영역에는 펄라이트가 형성되며, 국부적인 냉각 조건이 달랐던 곳에는 더 작은 베이나이트 또는 마르텐사이트 영역이 나타날 수 있다. 올바른 해석은 경도 명칭이 아니라 변태 이력에서 시작해야 한다. NPTEL은 열처리가 주로 미세조직을 변화시킴으로써 기계적 성질을 변화시킨다고 설명한다. 따라서 경도는 눈으로 확인하는 상의 명칭이라기보다 조직, 조성 및 형태의 결과이다.

페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트를 함께 식별하기

낮은 배율에서 시작한다. 개별 구성 constituent을 지정하기 전에 영역의 분포를 기록한다. 연속적인 기지, 입계 장식, 콜로니, 패킷, 침상 조직, 래스 및 고립 입자를 관찰한다. 그런 다음 배율을 높여 각 영역의 내부 구조를 조사한다.

페라이트는 일반적으로 통상적인 방법으로 준비한 탄소강 시편에서 가장 약하게 부식되는 구성 constituent이다. 타형 페라이트는 아공석강에서 대개 구 오스테나이트 입계를 따라 가장 먼저 형성되며, 비교적 매끄러운 다각형 또는 불규칙한 입계 막을 만든다. 더 큰 등축 영역으로 나타나기도 한다. 비드만스테텐 페라이트는 외관이 다르다. 이는 오스테나이트 입계에서 오스테나이트 입자 내부를 향해 판 또는 측판 형태로 성장한다. 그러나 판상 외관만으로 해당 구성 constituent이 비드만스테텐 페라이트라고 단정할 수는 없다.

펄라이트는 페라이트와 시멘타이트가 교대로 배열된 콜로니로 식별된다. 낮은 배율에서는 콜로니가 어두운 섬처럼 보일 수 있으며, 높은 배율에서는 적절한 방향으로 놓인 라멜라를 분해하여 관찰할 수 있다. 다른 콜로니는 라멜라가 관찰 방향과 거의 평행하게 놓여 있거나 부식 대비가 약하기 때문에 계속 어둡게 보일 수 있다. 일반적으로 조대 펄라이트는 미세 펄라이트보다 높은 온도에서의 변태를 나타낸다. ScienceDirect는 조대 펄라이트가 비교적 연하고 미세 펄라이트가 더 강하다고 설명하지만, 관찰되는 대비는 연마, 부식, 단면 방향 및 합금 화학 조성에도 영향을 받는다.

베이나이트는 페라이트와 시멘타이트의 배열이 펄라이트에서와 같은 의미의 라멜라 구조가 아니기 때문에 해석상 중간적인 위치를 차지한다. 상부 베이나이트는 일반적으로 페라이트 래스 또는 판의 집단 사이에 시멘타이트가 존재하는 형태로 나타나는 반면, 하부 베이나이트는 페라이트 판 내부 또는 그 주변에 더 미세한 탄화물 배열을 포함한다. ScienceDirect의 강 열처리 참고자료에 따르면 하부 베이나이트는 상부 베이나이트보다 경도가 높다. 모든 어두운 침상 영역을 베이나이트라고 부르지 않도록 주의해야 한다. 템퍼링되지 않은 마르텐사이트, 하부 베이나이트 및 과도하게 부식된 펄라이트는 외관이 서로 겹칠 수 있다.

마르텐사이트는 많은 저탄소강 및 중탄소강에서 일반적으로 래스 형태이며, 일부 고탄소강 또는 합금강에서는 판상으로 나타난다. 래스 패킷과 각진 영역이 보일 수 있지만, 광학현미경만으로는 이 구분을 확실히 확립하기 어려운 경우가 많다. 특히 경화능, 단면 크기 또는 냉각이 균일하지 않을 때 마르텐사이트는 페라이트, 베이나이트, 탄화물 및 잔류 오스테나이트와 혼재할 수 있다. 구 오스테나이트 입계에 있는 어두운 구성 constituent이 반드시 마르텐사이트인 것은 아니다. 입계 페라이트와 탄화물 막도 유사한 대비를 만들 수 있다.

이 때문에 Cambridge Phase Transformations Group은 아공석강의 연속 냉각에서 일반적으로 타형 페라이트와 펄라이트가 형성되며, 냉각 속도가 빨라지거나 경화능이 증가함에 따라 미세 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 점진적으로 서로 다른 비율로 혼합된다고 설명한다. 이러한 순서는 유용한 해석의 틀이지만, 실제 검사를 대신할 수는 없다.

형태와 상 식별의 차이

형태는 모양과 배열을 설명한다. 상 식별은 해당 영역이 무엇인지 확정하는 과정이다. 두 작업은 서로 관련되지만, 서로 바꾸어 사용할 수는 없다.

형태를 이용하여 가설을 세운다. 입계 막은 타형 페라이트를 시사하고, 평행한 판은 비드만스테텐 페라이트를 시사하며, 콜로니는 펄라이트를, 래스 집단은 베이나이트 또는 마르텐사이트를 시사한다. 다음으로 그 가설을 화학 조성 및 결정학적 근거와 대조하여 검증한다. 선택적 부식, 적절한 경우의 편광, 주사전자현미경, 전자 후방산란 회절, 투과전자현미경 또는 X선 회절을 사용하면 광학적 외관만으로는 얻을 수 없는 증거를 확보할 수 있다.

시편 준비는 겉보기 결론을 바꿀 수 있다. 과도한 부식은 입계를 넓히고 미세한 구성 constituent을 어둡게 만든다. 불량한 연마는 시멘타이트를 탈락시키거나 마르텐사이트와 유사한 변형 흔적을 남길 수 있다. 단면 방향에 따라 펄라이트 라멜라가 가려질 수 있으며, 3차원 래스 구조를 2차원으로 절단하면 베이나이트가 입상으로 보일 수 있다. 배율도 중요하다. 200배에서 균질해 보이는 영역이 5,000배에서는 페라이트와 시멘타이트로 분해되어 보일 수 있다.

따라서 체계적인 보고서에서는 관찰과 해석을 분리해야 한다. “부분적으로 분해되어 보이는 라멜라를 포함한 어두운 콜로니”는 관찰이고, “펄라이트”는 그 관찰에 의해 뒷받침되는 해석이며, 필요한 경우 더 높은 해상도 또는 분석적 증거로 추가 확인되어야 한다. ASM International의 2024년 자료는 오스테나이트, 페라이트, 탄소 확산, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트, 펄라이트 및 상변태를 동일한 해석 체계 안에서 다룬다. 이는 하나의 시각적 특징만으로 전체 진단을 내릴 수 없다는 점을 상기시킨다.

잔류 오스테나이트와 시멘타이트의 형태

잔류 오스테나이트는 냉각 후 완전히 변태하지 않고 남아 있는 오스테나이트이다. 마르텐사이트 조직에서는 래스 사이의 얇은 막, 패킷 사이의 각진 섬 또는 탄소가 농축된 영역 주변의 불규칙한 영역으로 나타날 수 있다. 대비는 부식액과 관찰 방식에 따라 크게 달라지므로, 마르텐사이트 래스 사이의 밝은 영역을 외관만으로 잔류 오스테나이트라고 식별해서는 안 된다. X선 회절, EBSD 또는 신중하게 검증된 금속조직학적 방법이 필요할 수 있다.

시멘타이트(Fe₃C) 역시 중요하다. 시멘타이트의 형태는 탄소가 어떻게 재분배되었는지를 기록하기 때문이다. 펄라이트에서는 페라이트와 함께 라멜라를 형성한다. 베이나이트에서는 페라이트 판과 관련된 독립 입자 또는 막 형태로 존재하지만, 그 배열은 상부 베이나이트와 하부 베이나이트 사이에서 서로 다르다. 구상화된 강에서는 펄라이트의 시멘타이트 라멜라가 둥근 입자로 변한다. Cambridge Phase Transformations Group은 2008년에 구상화가 펄라이트 시멘타이트 라멜라를 입자로 변환한다고 명시하였다.

마지막으로 관찰된 모든 구성 constituent을 열적 경로와 연관 지어야 한다. 여기에는 오스테나이트화 조건, 탄소 확산, 냉각의 연속성, 변태 중단, 그리고 이후의 템퍼링 또는 어닐링이 포함된다. 혼합 조직 사진이 정의상 열처리 실패를 의미하는 것은 아니다. 이는 변태가 어디에서 시작되고 중단되었는지, 또는 서로 다른 속도로 진행되었는지를 기록한 것이다.

미세구조에서 기계적 특성까지

강도, 경도 및 변태 조직 형태

기계적 특성은 단순히 퀜칭이라는 단어에서 비롯되는 것이 아니라, 변태 과정에서 형성된 조직에 의해 결정된다. NPTEL은 2024년에 “열처리는 주로 미세구조를 변화시킴으로써 기계적 특성을 변화시킨다”고 밝혔다. 퀜칭은 오스테나이트로부터 진행되는 열적 경로를 변화시키지만, 최종 경도는 어떤 변태가 일어나는지, 각 구성상의 형성량이 어느 정도인지, 그리고 그러한 구성상들이 어떻게 배열되는지에 따라 달라진다.

ASM International은 열처리된 강의 미세구조를 철, 탄소 및 합금 원소가 결합하여 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트 및 펄라이트를 형성한 조직으로 설명한다. 오스테나이트는 여러 열처리에서 모상으로 작용하며, 탄소 확산과 변태 기구 사이의 경쟁이 오스테나이트를 대체하여 형성되는 생성물을 결정한다. 서냉 또는 중간 정도의 냉각을 거친 아공석강은 다형태 페라이트와 펄라이트를 포함할 수 있다. 더 빠른 열적 경로에서는 조성과 경화능에 따라 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 잔류 오스테나이트가 형성될 수 있다. 케임브리지대학교 상변태 연구 그룹은 2011년에 연속 냉각된 아공석강에서 이러한 진행 과정을 설명했다.

형태는 상의 명칭만큼이나 중요하다. 페라이트 결정립, 시멘타이트 입자, 펄라이트 콜로니, 베이나이트 페라이트 판상 조직, 마르텐사이트 패킷 및 잔류 오스테나이트 영역은 변형에 저항하는 방식과 응력을 분산시키는 방식이 서로 다르다. 페라이트 기지에 소량의 마르텐사이트가 포함된 강은 고립된 페라이트를 제외하고 대부분이 마르텐사이트인 강과 기계적으로 동일하지 않다. 두 재료 모두 “마르텐사이트강”으로 표현될 수 있지만, 강도, 경도, 연성 및 파괴 거동은 상당히 다를 수 있다.

마르텐사이트는 무확산 오스테나이트-마르텐사이트 변태 중에 탄소가 과포화되고 뒤틀린 철 격자에 갇히기 때문에 일반적으로 경도를 증가시킨다. 그러나 이러한 설명만으로는 보편적인 경도값을 제시할 수 없다. 탄소 함량, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 합금 원소, 퀜칭 강도, 단면 크기, 뜨임 및 잔류 오스테나이트가 모두 결과에 영향을 미친다. 이후 뜨임은 탄소의 재분배와 탄화물 형성을 가능하게 하여 마르텐사이트 조직을 변화시키며, 일반적으로 퀜칭 직후의 경도를 낮추는 대신 치수 안정성과 인성을 향상시킨다.

잔류 오스테나이트는 단순한 경도 순위를 더욱 복잡하게 만든다. 많은 경화강에서 잔류 오스테나이트는 뜨임하지 않은 마르텐사이트보다 부드럽지만, 사용 중이나 시험 중에 변태하여 치수와 국부 응력을 변화시킬 수 있다. 시멘타이트의 형태 역시 중요하다. 케임브리지의 2008년 참고 자료는 구상화 과정에서 펄라이트의 시멘타이트 층상 조직이 입자로 변환된다고 설명한다. 그 결과 형성되는 페라이트-시멘타이트 배열은 일반적으로 층상 펄라이트와 다른 방식으로 변형되므로, “펄라이트”라는 명칭만으로는 기계적 상태를 충분히 설명할 수 없다.

펄라이트 층상 간격과 베이나이트 종류의 역할

펄라이트는 페라이트와 시멘타이트가 함께 형성된 조직으로, 일반적으로 서로 교대로 배열된 층상 조직을 이룬다. 펄라이트의 강도는 펄라이트 층상 간격, 즉 해당 층상 조직의 간격과 미세도 및 펄라이트 콜로니의 크기에 크게 영향을 받는다. ScienceDirect의 2024년 강 열처리 개요는 더 높은 변태 온도에서 형성된 조대한 펄라이트가 비교적 부드럽고, 더 미세한 펄라이트가 더 강하다고 설명한다. 간격이 좁은 시멘타이트 층상은 간격이 넓은 층상보다 전위의 이동을 효과적으로 방해하며, 미세한 콜로니는 변형이 집중될 수 있는 거리도 줄인다.

그렇다고 해서 모든 미세 펄라이트강의 강도가 동일하다는 뜻은 아니다. 페라이트의 화학 조성, 탄소 함량, 콜로니 크기, 펄라이트 분율 및 함께 존재하는 초석 페라이트도 여전히 중요하다. 두 조직이 모두 “미세 펄라이트”를 포함하더라도, 페라이트가 풍부하고 미세 펄라이트를 포함하는 아공석 조직은 더 높은 탄소 함량과 더 큰 펄라이트 분율을 가진 조직보다 약할 수 있다. 결정적인 것은 분포이다. 연속적인 페라이트 영역, 밴드 형태의 구성상 및 고립된 콜로니는 서로 다른 변형 경로를 만든다.[4][4] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

베이나이트 역시 동일한 주의가 필요하다. ScienceDirect는 베이나이트를 비층상 페라이트-Fe3C 조직으로 설명하며, 하부 베이나이트가 상부 베이나이트보다 경도가 높다고 기술한다. 상부 베이나이트는 일반적으로 다발 형태로 배열된 페라이트와 페라이트 영역 사이의 시멘타이트로 구성된다. 반면 하부 베이나이트는 더 낮은 변태 온도 범위에서 형성되며, 미세한 탄화물이 페라이트 판상 내부에 존재하거나 그와 밀접하게 결합되어 있다. 이러한 더 미세한 탄화물 분포는 하부 베이나이트가 전위 이동에 더 큰 저항을 나타내도록 한다.

따라서 “베이나이트계”라는 명칭만으로는 중요한 정보가 빠져 있다. 상부 베이나이트와 하부 베이나이트의 구분, 탄화물의 크기와 위치, 페라이트의 형태, 구성상의 분율, 그리고 마르텐사이트 또는 잔류 오스테나이트의 존재 여부가 모두 측정 특성에 영향을 미친다. 연속 냉각 후에는 혼합 조직이 흔히 형성되며, 특히 단면의 서로 다른 부분이 서로 다른 열적 이력을 따를 때 그러하다. 표면에는 마르텐사이트가 존재하는 반면 내부에는 베이나이트, 펄라이트 또는 페라이트가 존재할 수 있다. 이 경우 경도는 부품 전체에 대해 하나의 값을 갖는 것이 아니라 깊이에 따라 달라진다.

조성과 경화능이 여전히 중요한 이유

조성은 생성 가능한 변태 생성물뿐 아니라 그러한 생성물이 형성되는 온도와 시간도 결정한다. 탄소는 오스테나이트의 안정성, 형성될 수 있는 시멘타이트의 양 및 마르텐사이트의 경도 잠재력에 영향을 미친다. 합금 원소는 변태 속도론, 탄화물 형성, 확산 및 경화능을 변화시킨다. 경화능은 경도와 동일한 개념이 아니다. 경화능은 특정 냉각 조건에서 강의 단면 전체에 걸쳐 더 단단한 변태 생성물을 형성할 수 있는 능력을 의미한다.

단면 크기는 이러한 차이를 실제적인 문제로 만든다. 작은 단면은 전체가 빠르게 냉각될 수 있지만, 큰 단면은 내부에서 더 느린 냉각 경로를 갖게 된다. 따라서 동일한 조성과 노 냉각 일정이라도 표면 가까이에는 마르텐사이트가 형성되고 중심부에는 펄라이트 또는 베이나이트가 형성될 수 있다. 퀜칭 매체, 교반, 오스테나이트화 처리, 이송 시간 및 뜨임 일정은 추가적인 변동 요인이 된다.

따라서 조성, 단면 크기, 처리 일정 및 시험 방법을 명시하지 않고는 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 특정 열처리에 보편적인 특성값을 부여할 수 없다. 비커스, 브리넬 또는 로크웰 방법으로 측정한 경도는 주의 없이 서로 바꾸어 비교할 수 없으며, 경도 결과만으로 인성, 연성, 피로 성능 또는 파괴 거동을 완전히 예측할 수도 없다. 타당한 해석은 구성상의 분율, 형태, 층상 간격과 같은 스케일, 분포 및 변태 이력을 포함하는 완전한 미세구조에서 출발한다. 퀜칭은 그 과정에서 일어나는 하나의 사건에 불과하다.

철강 열처리 분석을 위한 실용적 참조 순서

강의 조성과 초기 상태부터 확인하기

측정된 경도가 아니라 소재의 정체성부터 확인한다. 제공된 그대로의 강종 표기, 적용 표준, 그리고 가능한 경우 열처리 또는 제품 형태를 정확히 기록한다. “AISI/SAE 1045, 노멀라이즈드”라는 표현은 “중간 정도로 단단한 강”이라는 표현보다 더 많은 정보를 전달한다. “ASTM A36”이라는 표현은 특정 규격을 나타내지만, 그 자체만으로 이전의 열 이력이나 최종 미세조직을 확정할 수는 없다. 화학 분석에는 탄소, 망가니즈, 규소, 크로뮴, 몰리브데넘, 니켈, 바나듐 및 기타 의도적으로 첨가된 원소를 포함해야 하며, 변태에 영향을 줄 수 있는 잔류 원소도 함께 기록해야 한다.

탄소 함량은 일반 탄소강이 공석 조성에 대해 아공석강인지, 공석강인지, 과공석강인지를 결정한다. 아공석강의 경우 오스테나이트에서 냉각하면 남아 있는 오스테나이트가 펄라이트로 변태하기 전에 초석 페라이트가 형성되는 것이 일반적이다. 이 구분은 중요하다. 두 시편이 비슷한 경도값을 나타내더라도 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직은 펄라이트만으로 이루어진 조직과 동일하지 않다.

초기 상태도 반드시 기록해야 한다. 입고 상태, 열간 압연 상태, 노멀라이즈드 상태, 풀림 상태, 담금질 및 뜨임 상태, 침탄 상태, 냉간 가공 상태는 서로 다른 결정립 크기, 탄화물 분포, 잔류 응력 및 이전 오스테나이트의 이력을 가진다. 구상화된 강은 특히 중요한 사례이다. University of Cambridge Phase Transformations Group은 2008년에 구상화가 펄라이트의 시멘타이트 층상 조직을 입자로 변환한다고 밝혔다. 명목상 구성 상은 여전히 페라이트와 시멘타이트이지만, 그 형상은 이후 가열, 변형 및 경화에 대한 반응을 변화시킨다.

결정립 크기와 편석도 기록에 포함해야 한다. 조대한 이전 오스테나이트 결정립 조직은 미세한 조직과 다른 변태 형태를 촉진할 수 있으며, 밴딩은 방향에 따라 페라이트, 펄라이트 또는 마르텐사이트 분포를 다르게 만들 수 있다. 따라서 “페라이트”라는 관찰만으로는 불충분하며, 그 위치와 형상도 함께 기술해야 한다.

가열 및 냉각 경로 재구성하기

다음으로는 열처리 명칭을 부여하기보다 열적 경로를 하나의 순서로 재구성한다. 시작 온도, 가능한 경우의 가열 속도, 오스테나이트화 온도와 유지 시간, 노 또는 분위기 조건, 이송 시간, 담금질 매체, 교반, 냉각 중단, 그리고 재가열 또는 뜨임 단계를 기록한다. “담금질됨”이라는 표현은 작업을 설명할 뿐이며, 단면 전체가 마르텐사이트로 변태했다는 것을 입증하지는 않는다.

먼저 가열 중 어떤 상이 존재했는지 확인한다. 풀림 또는 노멀라이징 과정에서는 일부 시멘타이트가 용해되어 오스테나이트가 형성될 수 있지만, 임계 구간 열처리에서는 페라이트가 용해되지 않은 채 남을 수 있다. 침탄은 탄소 프로파일을 변화시키므로 냉각 중 표면과 중심부가 서로 다른 변태 경로를 따른다. 탈탄은 반대 방향의 구배를 만들 수 있다. 하나의 경도값만으로는 이 두 상태를 구분하지 못할 수 있다.

그다음에는 가능한 변태 온도 범위를 파악한다. 탄소 확산은 확산 변태 중 페라이트와 시멘타이트의 재분포를 가능하게 한다. 일반적으로 더 높은 변태 온도에서는 펄라이트 간격이 더 조대해진다. ScienceDirect의 2024년 강 열처리 개요는 조대한 펄라이트를 상대적으로 연한 조직으로, 미세한 펄라이트를 더 높은 강도를 갖는 조직으로 설명한다. 같은 자료는 베이나이트를 비층상 페라이트–Fe3C 조직으로 정의하며, 하부 베이나이트가 상부 베이나이트보다 단단하다고 기술한다. 이러한 구분은 단순히 경도 눈금상의 차이가 아니라 형태학적 및 변태학적 차이이다.

냉각 속도, 단면 두께, 합금 원소 및 이전 오스테나이트 결정립 크기는 강이 더 낮은 온도에 도달하기 전에 어떤 변태가 일어날 수 있는지를 결정한다. 크로뮴, 몰리브데넘, 망가니즈 및 니켈은 확산, 변태 시점 및 경화능에 영향을 줄 수 있다. 냉각 속도가 빠르면 확산성 페라이트와 펄라이트의 형성이 억제되고 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성될 수 있지만, 부품 전체에서 냉각이 거의 동일하지 않기 때문에 결과 조직은 혼합 조직으로 남을 수 있다. 변태가 불완전한 경우 잔류 오스테나이트가 남을 수 있다.

Cambridge Phase Transformations Group은 2011년에 연속 냉각 시 아공석강에서 일반적으로 타형 페라이트와 펄라이트가 형성된다고 보고했다. 냉각 속도가 더 빠르거나 경화능이 더 높으면 변태 순서는 더 미세한 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트 쪽으로 이동할 수 있다. 이 순서는 실제 열 기록이나 현미경 관찰을 대신하는 것이 아니라, 해석을 위한 유용한 체계이다.

구성 상과 형태를 정확하게 보고하기

구성 상의 명칭과 형태를 구분하여 기술한다. 근거가 충분한 경우에는 “초석 타형 페라이트”, “층간 간격이 미세한 펄라이트 콜로니”, “상부 베이나이트”, “하부 베이나이트”, “래스 마르텐사이트”, “판상 마르텐사이트”, “잔류 오스테나이트” 또는 “구상화된 시멘타이트 입자”라고 보고한다. 에칭 시 어둡게 보이는 모든 영역을 “펄라이트”로 뭉뚱그리지 말고, 침상으로 보이는 모든 영역을 “마르텐사이트”라고 명명해서도 안 된다.

페라이트는 이전 오스테나이트 결정립계에 형성된 타형 결정립으로 나타날 수도 있고, Widmanstätten 판으로 나타날 수도 있다. 시멘타이트는 펄라이트 층상 조직, 베이나이트 입자, 구상화된 입자 또는 용해되지 않은 탄화물의 형태로 존재할 수 있다. 마르텐사이트는 래스형 또는 판상으로 나타날 수 있으며, 그 외관은 뜨임에 의해 변화할 수 있다. 베이나이트는 형상만으로 판단하지 말고, 페라이트–탄화물 배열과 변태 조건을 근거로 식별해야 한다.

질문에 적합한 현미경 관찰 방법을 사용한다. 광학 현미경은 구성 상의 분포와 펄라이트 콜로니 구조를 보여줄 수 있으며, 주사전자현미경은 더 미세한 탄화물 배열을 분해하여 관찰할 수 있다. 경도 시험과 회절 분석은 금속조직학적 식별을 뒷받침할 수 있지만, 이를 대신할 수는 없다. 잔류 오스테나이트가 의심되는 경우에는 어떤 방법으로 평가했는지를 명시한다. 현미경 사진에 변태 혼합 조직이 나타나는데도 단일 상이라고 주장하지 않는다.

반복 가능한 작업 순서는 다음과 같다. 조성을 확인하고, 관련되는 경우 강이 아공석강인지 확인한다. 초기 상태를 기록한다. 가열, 오스테나이트화, 냉각, 담금질 및 뜨임 과정을 재구성한다. 확산, 합금 원소의 영향, 단면 크기 및 냉각 속도를 고려한다. 생성된 구성 상을 식별한 다음, 명목상의 상 명칭과 형태를 구분하여 보고한다. ASM International이 2024년에 제시한 설명은 경도 우선 사고방식에 대한 올바른 수정이다. 열처리된 강의 미세조직은 페라이트, 베이나이트, 시멘타이트, 마르텐사이트 및 펄라이트를 형성하는 철, 탄소 및 합금 원소의 결합 조직이다. 열처리 후의 강은 일반적으로 하나의 경도 범주가 아니라, 혼합 미세조직에 기록된 변태 이력이다.

참고 문헌

1. [1]ASM International. Introduction to Steel Heat Treatment. ASM Handbook, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278662/Introduction-to-Steel-Heat-Treatment-1
2. [2]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment
3. [3]University of Cambridge Phase Transformations Group. Steel Microstructure. Phase Transformations Group reference material, 2008. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2008/Steel_Microstructure/SM.html
4. [4]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment