강의 뜨임 반응과 2차 경화

뜨임이 강에 변화를 일으키는 방식

하부 임계 온도 이하에서의 정의

ASM International은 뜨임을 “경화 또는 정규화된 강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다(ASM Handbook Volume 4A, 2024). 이 정의는 뜨임을 강을 더 연하게 만들기 위해 재가열하는 것이라고 설명하는 일반적인 표현보다 정확하다. 뜨임은 경화 처리 후에 실시되며, 정규화 후에 실시될 수도 있다. 강은 다시 가열된 후 선택된 시간 동안 유지되고, 하부 임계 온도를 의도적으로 넘거나 새로운 벌크 오스테나이트 조직을 형성하지 않도록 제어된 조건에서 냉각된다.

하부 임계 온도는 일반적으로 공석 변태 범위와 관련되지만, 그 정확한 위치는 조성과 가열 조건에 따라 달라진다. 이 온도 이하에 머무르는 것이 중요한 이유는 뜨임이 완전한 재오스테나이트화를 통해 기존 조직을 대체하는 것이 아니라, 경화에 의해 생성된 조직을 변화시키기 때문이다. 따라서 뜨임 사이클은 정규화, 풀림 또는 두 번째 경화 작업과는 다른 야금학적 목적을 갖는다.

주요 변수는 뜨임 온도, 유지 시간, 탄소 함량, 합금 원소 함량 및 잔류 원소이다. 초기 미세조직도 중요하다. 오스테나이트화 온도, 이전의 정규화 또는 단조 이력, 퀜칭의 가혹도, 단면 크기 및 가열 속도 역시 영향을 준다. 따라서 명목상 유사한 강으로 제작된 두 부품도 열 이력이 다르면 서로 다른 반응을 나타낼 수 있다.

온도는 일반적으로 시간만으로 진행시키는 것보다 반응을 더 강하게 촉진하지만, 반응이 어느 정도까지 진행되는지는 여전히 시간이 좌우한다. 탄소 함량은 퀜칭 직후 마르텐사이트에 포획된 탄소의 양과 과포화도에 영향을 준다. 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐 및 기타 합금 원소는 탄화물의 안정성, 확산 속도 및 석출 거동을 변화시킨다. 잔류 원소는 의도적으로 첨가된 원소가 아니더라도 변태 속도론과 뜨임 저항성을 변화시킬 수 있다. 뜨임은 하나의 경도 설정값이 아니라 열 이력에 의존하는 처리이다.

퀜칭 직후의 마르텐사이트에서 뜨임된 미세조직으로

퀜칭 직후의 마르텐사이트퀜칭 직후의 마르텐사이트 오스테나이트를 급속 냉각하여 형성되는 탄소 과포화 경질상으로, 전위 밀도가 높고 저장된 내부 에너지가 크다.

퀜칭 직후의 마르텐사이트는 과포화되고 변형된 상이다. 높은 전위 밀도와 탄소 과포화는 높은 경도의 상당 부분을 설명하지만, 동시에 탄성 에너지와 화학적 에너지도 저장한다. 뜨임을 실시하면 여러 반응이 서로 겹쳐 진행되면서 조직이 이러한 에너지를 낮출 수 있다. 미국 에너지부는 탄소 확산, 탄화물 형성, 오스테나이트 분해 및 회복을 이 과정의 핵심 요소로 설명한다(2010).

비교적 낮은 뜨임 온도에서는 탄소가 짧은 거리를 이동하며 결함 부위로 편석되거나 천이 탄화물을 형성할 수 있다. 내부 응력이 감소하고, 탄소가 마르텐사이트 격자에서 빠져나가면서 마르텐사이트의 정방성이 줄어든다. 강은 일부 경도를 잃을 수 있지만 치수 안정성과 지연 균열에 대한 저항성은 향상될 수 있다. 잔류 오스테나이트가 존재하는 경우, 이후의 뜨임 단계에서 분해될 수도 있으며, 이때 새롭게 생성되는 변태 생성물이 치수와 기계적 특성 모두에 영향을 준다.

더 높은 온도 또는 더 긴 유지 시간에서는 탄화물 입자가 조대화되거나 더 안정한 화합물로 변하는 한편, 페라이트 기지는 회복되어 전위 강화의 일부를 잃는다. 이러한 변화는 일반적으로 경도와 항복 강도를 낮추지만 인성과 연성을 높인다. 그 결과 생성되는 뜨임 마르텐사이트는 탄화물 입자가 분포된 페라이트 기지로 이루어진다. 이 입자 분포는 온도만이 아니라 조성과 처리 이력에 의해 결정된다.

고합금 공구강은 뜨임 중 미세 합금 탄화물의 석출을 통해 2차 경화를 일으킬 수 있다. Strong evidence

2차 경화2차 경화 초기 연화 반응 이후 미세 합금 탄화물이 석출되어 뜨임 중 경도가 상승하는 현상.

고합금 공구강은 단순한 연화에 대한 중요한 예외를 제공한다. ASM International은 몰리브덴, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물을 포함한 미세 합금 탄화물의 석출에 의해 2차 경화가 발생한다고 설명한다(2024). 뜨임 중에 이러한 입자는 기지를 충분히 강화하여, 앞서 경도가 감소한 후 다시 경도가 증가하도록 만들 수 있다. 이러한 효과를 2차 경화라고 하며, 일반적으로 석출이 강할수록 뜨임 저항성도 커진다.

미국 국립표준기술연구소는 1930년에 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가할수록 커진다”고 보고했다. 이 발견은 피크가 뜨임 온도뿐 아니라 이전의 경화 사이클과도 관련됨을 보여 준다. 오스테나이트화 정도가 높을수록 퀜칭 전에 더 많은 합금 원소와 탄소를 오스테나이트에 용해시킬 수 있으며, 이에 따라 이후 석출에 이용 가능한 조성이 달라진다. 따라서 동일한 명목상의 뜨임 스케줄도 서로 다른 오스테나이트화 처리 후에는 서로 다른 경도 곡선을 만들 수 있다.

H13 공구강은 가열 이력을 포함해야 하는 이유를 보여 준다. 동료 심사를 거친 한 연구에서는 2차 경화 거동을 포함하여 등온, 저속 가열 및 고속 가열 스케줄에서 H13의 뜨임 응답을 예측하는 방법을 제시했다(University of Arizona publication record, 2013). 석출 범위를 연속적으로 통과하며 가열된 부품은 해당 온도에서 등온 유지된 부품과 반드시 동일한 반응을 겪는 것은 아니다. 최종 명목 온도가 동일하더라도 계산된 경도 응답은 달라질 수 있다.

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe는 1945년에 퀜칭된 강의 뜨임 시간, 온도 및 조성 사이의 관계를 정식화하여 시간-온도 문제를 다루었다. Hollomon-Jaffe 식은 일반적으로 다음과 같이 표시된다.

T(log t + c)

여기서 T는 절대 온도, t는 뜨임 시간, c는 조성과 조건에 따라 달라지는 상수이다. 이 식은 노출 조건을 비교하고 마르텐사이트 뜨임 정도를 정량화하기 위한 뜨임 매개변수를 제공한다. 온도와 시간을 하나의 지수로 결합할 수 있다는 점에서 유용하지만, 등가 매개변수라고 해서 가열 속도, 이전 미세조직, 오스테나이트화, 단면 크기 또는 합금의 반응 차이가 사라지는 것은 아니다.

ASM Handbook Volume 4C는 유도 경화강을 평가할 때 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식이 등가 시간-온도 조건을 나타낼 수 있다고 설명한다(ASM International, 2024). 이러한 일치는 상관관계에 관한 것이며, 모든 열 이력이 동일한 미세조직을 만든다는 증거는 아니다. 이 구분은 표면 경화 부품에서 중요하다. 표면 경화 부품에서는 급격한 온도 구배와 단면 온도의 변화로 인해 실제 뜨임 이력이 균일하지 않을 수 있다.

경도가 유일한 반응 변수가 아닌 이유

경도는 측정하기 편리하지만 뜨임의 결과 중 하나일 뿐이다. 마르텐사이트 변형과 전위 밀도가 감소하면 강도가 낮아질 수 있지만, 미세 합금 탄화물이 석출되면 국부적으로 다시 증가할 수 있다. 내부 응력이 완화되기 때문에 인성이 향상될 수 있지만, 특정 강에서는 잔류 오스테나이트의 분해, 탄화물 형상 또는 취성을 유발하는 온도 범위로 인해 인성이 낮아질 수 있다. 응력 완화로 치수 안정성이 향상될 수 있는 반면, 잔류 오스테나이트의 변태는 측정 가능한 팽창을 일으킬 수 있다.

미세조직은 이러한 상반된 경향의 원인을 설명한다. 탄소 확산, 회복, 탄화물 석출, 잔류 오스테나이트 분해 및 입자 조대화는 순차적으로 진행될 수도 있고 서로 겹쳐 진행될 수도 있다. 최종 조직은 경도 시험에서 얻는 압입 수치뿐 아니라 피로 거동, 내마모성, 파괴 저항성 및 추가 열 노출에 대한 저항성을 결정한다.

2013년에 수행된 열간 및 온간 단조 금형강 연구에서는 뜨임 매개변수(또한 Hollomon-Jaffe 매개변수 또는 Larson-Miller 매개변수라고도 함)를 사용하여 시간-온도 노출과 경도 변화를 상관시켰다. 이러한 상관관계는 특정 강종과 처리 범위를 설명하는 데 실용적이다. 그러나 이는 보편적인 경도 법칙이 아니다. 강종, 초기 상태 및 처리 이력이 여전히 결정적이므로, 뜨임은 단순히 “연화”라고 표현하기보다 열 이력과 그 결과로 형성된 미세조직으로 규정해야 한다.

뜨임 응답을 좌우하는 변수

뜨임은 노의 설정 온도만으로 정의되지 않는다. ASM International은 ASM Handbook Volume 4A (2024)에서 다음과 같이 기술한다. “뜨임은 경화된 강 또는 정상화된 강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것이다.” 이 정의는 하나의 단일 작업이 아니라 변태 경로를 규정한다. 온도, 시간, 탄소 함량, 합금 원소 함량 및 잔류 원소는 모두 최종 미세조직과 특성에 영향을 미친다. 가열 속도, 강 자체가 도달한 온도, 선행 오스테나이트화 처리 및 담금질 역시 중요하다.

온도와 유지 시간

뜨임 중에는 과포화 마르텐사이트에서 탄소가 확산하고, 탄화물이 형성되거나 조성이 변하며, 잔류 오스테나이트가 분해될 수 있고, 마르텐사이트 조직에서는 회복이 진행된다. U.S. Department of Energy는 이 과정을 단순한 열유도 연화가 아니라, 서로 연계된 확산, 석출, 분해 및 회복 반응으로 설명한다. 비교적 낮은 온도에서는 탄소 편석과 전이 탄화물의 석출이 상당한 경도를 유지하면서 내부 응력을 감소시킬 수 있다. 온도 또는 유지 시간이 증가하면 일반적으로 탄화물 조대화, 페라이트 회복 및 추가 변태로 경도와 강도가 감소한다.

여기서 “일반적으로”라는 표현이 중요하다. 고합금 공구강에서는 초기 감소 후 경도가 상승할 수 있다. ASM International은 2024년에 몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물을 포함하여 미세 합금 탄화물이 석출되면서 2차 경화가 발생한다고 보고했다. 강은 먼저 충분한 양의 고용 합금 원소와 탄소를 함유해야 하며, 선행 오스테나이트화 처리는 해당 원소들이 석출될 수 있는 상태에 놓이도록 해야 한다. 석출이 강할수록 뜨임에 대한 저항성이 커지지만, 최고점과 그 크기는 강종 및 열처리 이력에 따라 달라진다. 보편적인 2차 경화 온도는 존재하지 않는다.

명목 온도가 동일하더라도 유지 시간에 따라 결과가 달라진다. 짧은 노출에서는 석출 또는 회복이 불완전할 수 있지만, 더 긴 유지 시간에서는 확산이 지배하는 반응이 더 진행된다. 반복 뜨임은 열처리 이력에 또 다른 요소를 추가한다. 첫 번째 뜨임에서 잔류 오스테나이트가 변태하거나 핵생성 자리의 분포가 변할 수 있으므로, 두 번째 뜨임은 원래의 마르텐사이트에 작용하지 않는다.

또한 노의 온도가 반드시 부품의 온도와 일치하는 것은 아니다. 작은 시험편은 설정 온도에 빠르게 도달할 수 있지만, 대형 금형, 축 또는 판재에서는 단면 전체에 걸쳐 열 구배가 형성된다. 급속 가열 사이클에서는 중심부가 해당 온도에 도달하기 전에 표면이 명목 뜨임 온도에 노출될 수 있다. 반대로 느린 승온은 모든 중간 온도에서 반응이 연속적으로 시작되도록 한다. 따라서 “540 °C에서 2시간”이라는 표현은 부품이 어떻게 가열되었는지, 언제 유지 시간이 시작되었는지, 그리고 표시된 온도가 노에서 측정된 것인지 강에서 측정된 것인지가 명시되지 않는 한 불완전하다.

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe는 1945년 Metals Technology 논문에서 뜨임 시간, 온도 및 조성을 담금질된 강의 조직과 특성에 연계하여 이 문제를 다루었다. Hollomon-Jaffe 식은 일반적으로 다음과 같이 쓴다.

$$P=T(\log t+c)$$

여기서 $T$는 절대 온도, $t$는 시간, $c$는 조성과 재료에 따라 달라지는 상수이다. U.S. Department of Energy는 이 매개변수를 마르텐사이트 뜨임 정도를 정량화하는 방법으로 설명한다. 이 매개변수는 노출 조건을 비교하는 데 유용하지만, 동일한 매개변수라고 해서 가열 속도, 선행 미세조직, 오스테나이트화, 단면 크기 또는 합금의 반응 차이가 사라지는 것은 아니다. 두 사이클은 계산된 $P$ 값이 같더라도 서로 다른 경도 분포를 나타낼 수 있다.

탄소, 합금 원소 및 잔류 원소

탄소는 담금질 중 형성되는 마르텐사이트의 양과 과포화도를 좌우하므로, 공칭 탄소 함량은 초기 경도와 뜨임 반응에 이용 가능한 탄소의 양에 큰 영향을 미친다. 탄소가 많으면 더 높은 경도의 마르텐사이트와 더 많은 탄화물 형성 가능량을 뒷받침할 수 있지만, 최종 반응은 오스테나이트의 안정성과 담금질 전에 오스테나이트에 고용된 탄소의 양에도 좌우된다. 미용해 탄화물에 결합된 탄소는 오스테나이트에 고용된 탄소와 동일하지 않다.

크로뮴, 몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐은 탄화물의 안정성, 확산 및 석출 속도론을 변화시킨다. 크로뮴은 경화능을 높이고 안정한 탄화물 형성에 기여할 수 있으며, 몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐은 2차 경화 중 미세 합금 탄화물의 석출을 촉진할 수 있다. 이러한 원소들은 높은 뜨임 온도에서 연화를 지연시킬 수 있지만, 그 효과는 오스테나이트화 중의 용해 정도와 기존 탄화물의 크기 및 분포에 따라 달라진다. 과도한 오스테나이트화는 더 많은 탄화물을 용해하고 오스테나이트를 합금 원소로 농축할 수 있는 반면, 불충분한 오스테나이트화는 합금 원소를 이후 석출에 이용할 수 없는 상태로 남길 수 있다.

미국 국립표준기술연구소가 연구한 고속도강에서는 오스테나이트화 정도가 증가할수록 2차 경화 피크의 강도가 증가했다. Strong evidence

1930년에 발표된 고속도강에 관한 NIST 연구는 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 커진다”고 밝혔다. 이 결과는 공칭 강종 하나에 하나의 고정된 뜨임 곡선을 부여하는 것이 부적절하다는 점을 직접적으로 경고한다. 오스테나이트화가 증가하면 고용 상태의 탄소 및 합금 원소 함량, 잔류 오스테나이트의 양, 마르텐사이트 조성 및 석출 가능성이 변할 수 있다. 또한 이전 오스테나이트 결정립을 조대화하여 변태 거동과 인성에 영향을 미칠 수 있다.

잔류 원소와 제조 이력은 상대적으로 작지만 때로는 중요한 변수들을 추가한다. 규소, 망가니즈, 니켈, 구리, 인, 황, 질소, 산소 및 미량 첨가 원소는 탄화물 반응, 잔류 오스테나이트, 편석 및 뜨임 취성에 영향을 미칠 수 있다. 잔류 응력과 선행 변형은 핵생성 자리와 회복 속도를 변화시킨다. 따라서 동일한 공칭 강종으로 인증된 두 시험편도 열처리가 시작되기 전부터 용강의 제조 단위, 탄화물 분포 또는 단조 압하율의 차이로 인해 서로 다른 특성을 보일 수 있다.

고합금 공구강은 이 점을 뚜렷하게 보여 준다. 뜨임되지 않은 마르텐사이트에서는 탄소가 과포화 자리를 빠져나가고 회복이 진행되면서 일반적인 뜨임에 의해 연화가 일어난다. 그러나 2차 경화에서는 일정한 열처리 구간에서 경도 경향이 반전된다. 미세 합금 탄화물이 석출 강화 효과를 제공하고 회복을 제한하기 때문이다. 이후에 나타나는 피크는 뜨임이 중단되었다는 증거가 아니다. 이는 경쟁하는 반응의 상대적 영향이 변하여 경도를 지배하는 반응이 달라졌다는 증거이다.

초기 상태, 담금질 강도 및 단면 크기

담금질된 조직이 뜨임의 출발 상태이다. 오스테나이트 결정립 크기, 고용 탄소, 미용해 탄화물, 잔류 오스테나이트, 마르텐사이트 형태 및 담금질 응력은 모두 이후의 반응에 영향을 미친다. 대부분이 마르텐사이트가 되기에 충분히 빠른 속도로 담금질된 시험편은 베이나이트 또는 펄라이트를 함유한 시험편과 같은 방식으로 뜨임되지 않는다. 또한 두꺼운 단면의 중심부가 표면과 반드시 동일한 반응을 보이는 것도 아니다.

담금질 강도는 냉각 속도를 결정하고, 그 결과 생성되는 변태 생성물도 결정한다. 물, 폴리머, 오일 및 가스 담금질은 서로 다른 냉각 이력을 만들며, 하나의 담금질제라도 교반, 온도 및 장입량이 변하면 결과가 달라질 수 있다. 대형 단면은 중심부가 느리게 냉각되므로, 작은 시험편에서 마르텐사이트가 형성되는 조건에서도 베이나이트, 펄라이트 또는 잔류 오스테나이트가 형성될 수 있다. 뜨임 중에는 이들 영역이 서로 다른 반응을 거치므로 최종 경도도 서로 다를 수 있다.

단면 크기는 오스테나이트화 지연과 뜨임 지연에도 영향을 미친다. 중심부가 여전히 가열되는 동안 표면이 목표 온도를 초과할 수 있어 반경 방향의 뜨임 구배가 형성된다. 제어기가 노가 설정 온도에 도달한 시점에 유지 시간을 시작하면, 중심부가 해당 온도에서 받는 시간은 공정 일정이 암시하는 시간보다 짧아진다. 열전대가 표면에 설치되어 있다면 기록된 이력은 내부가 받은 열 노출을 실제보다 크게 나타낼 수 있다.

H13 공구강은 등온, 느린 가열 및 빠른 가열 뜨임 일정에서 서로 다른 예측 경도 반응을 나타낼 수 있으며, 여기에는 2차 경화 거동도 포함된다. Limited evidence

2013년에 발표된 H13 공구강에 관한 동료 심사 연구는 등온, 저속 가열 및 급속 가열 뜨임 일정을 모델링하고 2차 경화 거동을 포함하여 서로 다른 경도 반응을 예측했다. 이 결과는 뜨임을 연속적인 열 이력으로 다루어야 한다는 점을 뒷받침한다. ASM Handbook Volume 4C (2024) 역시 유도 경화강에 대해 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식을 비교하면서, 이를 실제 공정을 측정하는 대체 수단이 아니라 등가 시간-온도 조건을 나타내는 방법으로 제시한다.

2013년 Journal of Materials Processing Technology에 발표된 열간 및 온간 단조 금형강 연구는 뜨임 매개변수, 즉 Hollomon-Jaffe 매개변수 또는 Larson-Miller 매개변수라고도 하는 값을 사용하여 시간-온도 노출과 경도 변화를 상관시켰다. 이러한 상관식은 공정을 비교하는 데 유용하지만, 특정 강종과 초기 상태를 대상으로 한 경험적 설명이라는 한계를 갖는다. 가열 속도, 단면 크기, 오스테나이트화, 담금질 또는 선행 뜨임이 달라지면 동일한 공칭 온도 표기도 서로 다른 야금학적 처리를 의미할 수 있다.

뜨임 메커니즘: 확산, 분해 및 회복

ASM International은 뜨임을 “경화되었거나 정상화된 강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다(ASM Handbook Volume 4A, 2024). 이 정의는 단일 반응이 아니라 처리 온도 범위를 규정한다. 그 결과로 형성되는 미세조직과 특성은 뜨임 온도와 시간, 탄소 함량, 합금 원소 함량, 잔류 원소, 이전 오스테나이트화, 담금질 조건 및 가열 이력에 따라 달라진다. 따라서 담금질된 강은 과포화 마르텐사이트 기지가 변화함에 따라 연화될 수도 있고, 경도의 상당 부분을 유지할 수도 있으며, 이후 경도가 증가할 수도 있다.

미국 에너지부는 뜨임을 탄소 확산, 탄화물 형성, 잔류 오스테나이트 분해 및 회복이 연속적으로 일어나는 과정으로 설명한다. 이러한 현상은 서로 완전히 분리된 네 단계로 진행되기보다는 서로 중첩되어 일어난다. 각 현상의 속도와 상대적 중요성은 조성과 열적 경로에 따라 달라진다. “저온 뜨임”, “중온 뜨임” 및 “고온 뜨임”은 유용한 공정 설명이지만, 보편적으로 동일한 반응 집합을 의미하지는 않는다. 고합금 공구강과 일반 탄소 마르텐사이트강은 동일한 명목 온도에서 매우 다르게 반응할 수 있다.

탄소 확산과 초기 단계 뜨임

갓 형성된 마르텐사이트는 과포화되고 변형된 상이다. 탄소는 체심 정방정계 마르텐사이트 격자와 평형을 이루지 않는 침입형 자리를 차지하며, 담금질 과정에서는 상당한 전위 밀도와 잔류 응력이 생성된다. 뜨임 초기에는 탄소가 짧은 거리를 이동하여 전위, 래스 경계, 자기 뜨임 영역 및 초기 철 탄화물 입자와 같은 보다 유리한 자리로 이동한다. 이러한 재분포는 격자의 정방정성을 감소시키고, 담금질 직후 상태와 관련된 탄성 응력 및 변형 응력을 낮춘다.

초기 반응은 단순히 “경도를 제거하는” 과정이 아니다. 탄소 편석은 식별 가능한 탄화물 집단이 형성되기 전에 국부적인 원자 배열을 안정화할 수 있으며, 응력 완화 정도는 온도, 시간 및 가열 속도에 좌우된다. 서서히 가열되는 부품은 중심부와 표면의 온도가 여전히 서로 다른 상태에서 변화가 시작된다. 빠르게 가열되는 부품은 확산에 의해 동일한 탄소 분포가 형성되기 전에 동일한 명목 온도 범위를 통과할 수 있다. 단면 크기가 중요한 이유도 이와 같다.

일반 탄소 및 저합금 마르텐사이트에서는 더 안정한 시멘타이트가 형성되기 전에 천이 탄화물이 형성될 수 있다. 정확한 순서는 탄소 수준, 합금 첨가 원소 및 초기 마르텐사이트 형태에 따라 달라진다. 일부 저탄소 마르텐사이트는 과포화 탄소가 적어 초기 반응이 약하게 나타날 수 있으며, 고탄소 마르텐사이트는 정방정성이 더 크고 초기 응력 완화도 더 크게 나타날 수 있다. 이러한 차이 때문에 온도 표지만으로는 메커니즘에 기반한 설명을 대신할 수 없다.

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe가 1945년에 정립한 Hollomon-Jaffe 방법은 뜨임 시간, 온도 및 조성을 담금질된 강에서 형성되는 조직과 특성에 연관시킨다. 익숙한 형태인 $T(\log t+c)$는 마르텐사이트 뜨임 정도를 정량화하는 데 사용되며, 여기서 $T$는 절대 온도, $t$는 시간, $c$는 조성과 관련된 상수이다. 이는 비교를 위한 유용한 도구이지만, 야금학적 이력을 상쇄하는 방법은 아니다. 가열 속도, 이전 미세조직, 오스테나이트화, 단면 크기 또는 합금의 반응이 서로 다르면 동일한 매개변수가 동일한 결과를 보장하지 않는다.

탄화물 형성 및 성장

탄소가 과포화 마르텐사이트를 빠져나오면서 탄화물 석출은 뜨임 반응의 핵심 요소가 된다. 많은 강에서 생성물은 미세한 천이 탄화물에서 더 안정한 시멘타이트로 변화하지만, 합금 원소는 이러한 순서를 지연시키거나 변경하거나 대체할 수 있다. 탄화물의 핵생성은 탄소를 소비하고 기지의 조성을 변화시키며, 탄화물의 성장과 조대화는 전위에 이용 가능한 장애물을 감소시킨다. 기지가 과포화 상태를 잃고 석출물이 커지거나 간격이 넓어지면 일반적으로 뜨임 연화가 발생한다.

고합금 공구강에서는 이러한 경향이 반대로 나타날 수 있다. ASM International은 “고합금 공구강에서 2차 경화는 미세한 합금 탄화물의 석출에 의해 발생한다”고 설명하며, 여기에는 몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물이 포함된다(2024). 미세하고 정합 또는 반정합 관계를 갖는 합금 탄화물은 조대한 시멘타이트보다 전위 이동을 더 효과적으로 방해할 수 있으며, 그 결과 이후 뜨임 구간에서 경도가 증가한다. 일반적으로 석출이 강할수록 뜨임 저항성도 커지지만, 결과는 고용 상태의 합금 원소량, 뜨임 일정 및 기지의 안정성에 따라 달라진다.

오스테나이트화는 어떤 탄화물이 용해되고 담금질 전에 얼마나 많은 합금 원소와 탄소가 오스테나이트에 들어가는지를 결정하므로 이러한 반응을 좌우한다. 1930년에 National Institute of Standards and Technology가 고속도강을 대상으로 수행한 연구는 “2차 경화 피크의 강도가 오스테나이트화 정도에 따라 증가한다”고 보고했다. 이러한 관찰 결과가 모든 고속도강에 대해 하나의 고정된 피크 온도나 경도를 정립하는 것은 아니다. 이는 출발 상태가 석출 가능성을 좌우한다는 점을 보여준다.

2013년에 발표된 H13 공구강에 관한 동료 심사 연구도 같은 이유로 유용하다. 이 연구의 방법은 등온, 서서히 가열 및 빠르게 가열하는 뜨임 일정 이후의 경도를 예측하며, 2차 경화 거동도 포함한다. 이러한 일정은 명목상 노출 범위가 서로 겹치더라도 서로 다른 예측 경도 반응을 나타낼 수 있다. 연속 가열 중에는 온도가 상승하는 동안 석출과 회복이 진행되며, 등온 처리는 선택된 하나의 온도에서 반응이 더 오랜 시간 진행되도록 한다. 두 일정이 계산된 뜨임 매개변수를 공유한다는 이유만으로 동일하다고 취급하면 이러한 차이가 가려질 수 있다.

잔류 오스테나이트의 분해 및 기지의 회복

담금질 과정에서는 잔류 오스테나이트가 남을 수 있으며, 특히 합금 원소의 첨가로 변태 온도가 낮아지거나 오스테나이트화 조건에 의해 상당한 양의 탄소와 합금 원소가 용해되는 경우에 그러하다. 뜨임 중 잔류 오스테나이트는 탄소를 배출하고 페라이트계 생성물과 탄화물로 변태할 수 있으며, 냉각 중 변태하기 전에 안정성이 낮아질 수도 있다. 잔류 오스테나이트의 분해는 치수 안정성, 경도 및 잔류 응력을 변화시킬 수 있다. 그 시점은 강종에 따라 다르며, 잔류 오스테나이트가 모든 강에서 동일한 경로를 따르는 것은 아니다.

기지의 회복은 이러한 반응들과 함께 일어난다. 전위는 재배열되거나 소멸하고, 래스 및 플레이트에 존재하는 응력은 감소하며, 국부 변형장은 완화된다. 회복은 일반적으로 강도와 경도를 감소시키지만, 2차 경화가 나타나는 강종에서는 석출이 이러한 손실을 상쇄하거나 그보다 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 최종 특성은 기지 연화, 응력 완화, 잔류 오스테나이트 변태, 탄화물 석출 및 탄화물 조대화 사이의 균형으로 결정된다.

ASM Handbook Volume 4C는 고주파 경화강을 평가할 때 등가 시간-온도 조건을 나타내는 방법으로 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식을 비교한다. 이러한 상관식은 데이터를 체계화하는 실용적인 방법이지, 두 열 이력이 동일한 미세조직을 형성한다는 증거는 아니다. 2013년에 Journal of Materials Processing Technology에 발표된 열간 또는 온간 단조 금형강 연구 역시 뜨임 매개변수—Hollomon-Jaffe 매개변수 또는 Larson-Miller 매개변수라고도 함—를 사용하여 시간-온도 노출과 경도 변화를 상관시켰다. 이러한 도구는 정의된 재료 및 처리 범위 내에서 경향을 설명한다. 강종, 초기 상태, 오스테나이트화, 가열 경로 및 냉각 이력이 여전히 뜨임 메커니즘의 일부이므로, 보편적인 경도 값이나 보장된 특성 변화를 제시하지는 않는다.

고합금 공구강에서의 2차 경화

템퍼링 중 경도가 상승할 수 있는 이유

템퍼링은 단순히 연화하는 과정으로 정의되지 않는다. ASM International은 ASM Handbook Volume 4A (2024)에서 다음과 같이 설명한다. “템퍼링은 경화 또는 노멀라이징된 강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것이다.” 그 결과 형성되는 조직과 특성은 템퍼링 온도와 시간, 탄소 함량, 합금 함량, 잔류 원소, 그리고 경화 또는 노멀라이징으로 형성된 상태에 따라 달라진다. 이러한 변수에 따라 어떤 반응이 일어나고 그 반응이 어느 정도까지 진행되는지가 결정된다.

탄소강 및 많은 저합금강에서는 일반적으로 경도가 감소한다. 담금질된 마르텐사이트에는 과포화 탄소, 높은 전위 밀도, 상당한 내부 응력이 존재한다. 템퍼링 중에는 탄소가 마르텐사이트에서 확산하고, 전이 탄화물 또는 시멘타이트가 형성되며, 잔류 오스테나이트가 분해될 수 있고, 마르텐사이트 조직이 회복된다. U.S. Department of Energy가 2010년에 제시한 템퍼링에 대한 설명은 이러한 연계 과정을 탄소 확산, 탄화물 형성, 오스테나이트 분해 및 회복으로 기술한다. 각각의 과정은 일반적으로 저장된 변형 에너지와 소성 변형에 대한 저항을 감소시킨다.

고합금 공구강은 이와 다른 경로를 따를 수 있다. 온도가 상승하면 담금질 중 고용 상태로 남아 있던 합금 원소가 단거리 확산을 거쳐 매우 미세한 합금 탄화물의 조밀한 집단을 형성할 수 있다. 이러한 입자는 전위의 이동을 방해한다. 이들의 강화 효과가 마르텐사이트 회복으로 인한 연화 효과를 초과하면, 템퍼링 중 측정 경도가 상승한다. 이것이 2차 경화이다.

ASM International은 “고합금 공구강에서의 2차 경화는 미세한 합금 탄화물의 석출에 의해 발생한다”고 설명하며, 여기에는 몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물이 포함된다. 여기서 미세한이라는 표현이 중요하다. 조대한 탄화물 집단은 입자 사이의 거리가 더 멀고 이동하는 전위에 제공하는 저항이 작기 때문에 기지를 효과적으로 강화하지 못한다. 템퍼링된 마르텐사이트 전체에 분포한 매우 미세한 석출물은 기지가 여전히 회복되는 동안 석출 강화를 일으킨다.

따라서 이러한 거동은 연화와 강화 사이의 경쟁으로 볼 수 있다. 초기 템퍼링에서는 탄소가 마르텐사이트를 빠져나가면서 경도가 감소할 수 있다. 더 높은 온도에서는 합금 탄화물의 석출이 이러한 경향을 반전시킬 수 있다. 더 높은 온도에 계속 노출되면 석출물이 조대화되고, 기지는 마르텐사이트 강도를 더 많이 잃으며, 경도는 다시 감소한다. 모든 강종에서 큰 경도 증가가 나타나는 것은 아니며, 경도 곡선에는 하나의 명확한 피크가 아니라 서로 중첩된 여러 반응이 나타날 수 있다.

몰리브데넘·바나듐·텅스텐 관련 탄화물

몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐은 강한 탄화물 형성 경향을 가지며 적절한 템퍼링 처리 중 강 기지에서 석출물로 확산하기 때문에 2차 경화에서 핵심적인 역할을 한다. 구체적인 상은 조성과 열 이력에 따라 달라진다. 탄화물은 MC, M₂C, M₆C 또는 M₂₃C₆와 같은 결정 구조 또는 조성 표기로 설명할 수 있으며, 여기서 M은 하나 이상의 금속 원소를 의미한다. 이러한 표기가 모든 강에서 열거된 상이 모두 형성된다는 뜻은 아니다.

바나듐은 일반적으로 매우 안정한 바나듐-풍부 MC 탄화물의 형성에 기여한다. 이러한 탄화물은 용해에 대한 저항성이 크므로, 안정성이 낮은 입자라면 조대화되거나 용해될 온도에서도 효과를 유지할 수 있다. 몰리브데넘은 미세한 M₂C형 석출과 혼합 합금 탄화물 집단의 형성에 관여할 수 있다. 텅스텐은 강의 조성과 템퍼링 일정에 따라 M₆C형 탄화물 또는 다른 혼합 탄화물에 포함될 수 있다. 텅스텐, 몰리브데넘, 바나듐, 크롬 및 탄소가 상당한 수준으로 함께 존재하는 고속도강에서는 여러 탄화물 계열이 순차적으로 또는 동시에 형성될 수 있다.

템퍼링 전의 기지 화학 조성은 매우 중요하다. 오스테나이트화 과정에서는 일부 탄화물이 용해되어 오스테나이트가 탄소와 합금 원소가 풍부한 상태가 되는 한편, 용해되지 않은 탄화물은 다른 원소를 기지 외부에 보유한다. 이후 담금질하면 마르텐사이트와 함께 대개 잔류 오스테나이트가 형성된다. 오스테나이트화 온도가 높거나 유지 시간이 길면 더 많은 탄화물이 용해될 수 있지만, 과도한 오스테나이트화는 결정립 성장 및 기타 손상을 일으킬 수 있다. 따라서 이후 석출에 이용 가능한 용해 합금 원소의 함량은 2차 경화 거동을 변화시킬 수 있다.

National Institute of Standards and Technology가 1930년에 발표한 고속도강 연구는 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 증가한다”고 보고했다. 그러나 이러한 관찰을 보편적인 온도나 경도 증가량으로 해석해서는 안 된다. 오스테나이트화가 더 많이 진행되면 석출에 이용 가능한 합금 원소의 공급량이 증가할 수 있지만, 결정립 크기, 잔류 오스테나이트, 탄소 활성도 및 용해되지 않은 탄화물의 양도 함께 변한다. 최종 곡선은 이러한 모든 변화가 반영된 결과이다.

템퍼링 저항성과 2차 경화 피크

템퍼링 저항성이란 특정한 열 노출 조건에서 경도, 강도 또는 치수 안정성을 유지하는 능력을 의미한다. 미세한 합금 탄화물의 석출은 전위의 이동을 방해하고 마르텐사이트 강도의 손실을 지연시키므로 템퍼링 저항성을 높인다. 2차 경화가 강한 강은 탄소강이라면 경도가 빠르게 감소할 온도 범위에서도 연화가 거의 나타나지 않을 수 있다. 그렇다고 해서 템퍼링에 영향을 받지 않는다는 뜻은 아니다. 열에 계속 노출되면 결국 회복, 탄화물 조대화, 잔류 오스테나이트 변태 및 기타 연화 반응이 진행된다.

피크의 위치와 크기는 강종과 열 이력에 따라 달라진다. 강종, 초기 경도, 오스테나이트화 처리, 담금질, 템퍼링 시간, 가열 속도, 냉각 방법 및 경도 시험 방법을 명시하지 않고 고정된 값으로 제시하는 것은 타당하지 않다. 예를 들어 AISI H13은 합금 균형과 탄화물 집단이 다르기 때문에 텅스텐이 풍부한 고속도강과 다른 거동을 나타낼 수 있다. 동일한 H13 시편 두 개라도 서로 다른 오스테나이트화 또는 담금질 처리를 거치면 다른 곡선을 나타낼 수 있다.

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe가 1945년에 제시한 방법은 템퍼링 시간, 온도 및 조성을 담금질된 강에서 형성되는 조직과 특성에 연계한다. 이 방법의 널리 알려진 형태가 템퍼링 파라미터이다.

$$P=T(\log t+c)$$

여기서 T는 절대 온도, t는 시간, c는 조성과 반응에 따라 달라지는 상수이다. U.S. Department of Energy는 이 식이 마르텐사이트 템퍼링 정도를 정량화한다고 설명한다. 이 식은 열 노출 조건을 비교하고 경도 데이터를 적합시키는 데 유용하지만, 동일한 파라미터가 가열 속도, 초기 미세조직, 오스테나이트화, 단면 크기 또는 합금의 거동 차이를 없애 주는 것은 아니다.

이러한 한계는 비등온 공정에서 특히 중요하다. 2013년에 동료평가를 거친 H13 공구강 연구에서는 등온, 저속 가열 및 고속 가열 템퍼링 일정을 조사하고, 2차 경화 거동을 포함하여 서로 다른 경도 반응을 예측하는 방법을 개발했다. 빠르게 가열된 단면은 확산과 탄화물 성장이 등온 가정을 따르는 수준에 도달하기 전에 석출 온도 범위를 통과할 수 있다. 또한 온도 구배로 인해 표면과 중심부가 서로 다른 열 이력을 겪게 된다.

ASM Handbook Volume 4C (2024)는 유도 경화강에 대해 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식을 비교하며, 이들을 템퍼링 거동을 평가하기 위한 등가 시간-온도 조건을 나타내는 방법으로 다룬다. 여기서 “등가”란 시험된 상관식과 재료 범위 내에서 등가라는 뜻이지, 미세조직의 이력이 동일하다는 뜻은 아니다.

2013년 Journal of Materials Processing Technology에 발표된 열간 및 온간 단조 금형강 연구에서도 템퍼링 파라미터(또는 Hollomon-Jaffe 파라미터나 Larson-Miller 파라미터)를 사용하여 시간-온도 노출과 경도 변화를 상관시켰다. 이러한 상관식은 공정 도구로서 가치가 있지만, 특정 강종과 처리 조건에서 측정된 거동을 설명하는 것이다. 이는 보편적인 2차 경화 피크를 확립하지 않는다. 고합금 공구강에서 템퍼링은 여전히 확산, 석출, 변태 및 회복 반응이 서로 경쟁하는 일련의 과정이다.

2차 경화를 유발하는 오스테나이트화

오스테나이트화는 담금질 전에 수행하는 단순한 예비 가열 단계가 아니다. 오스테나이트화는 마르텐사이트가 형성되는 화학적·구조적 상태를 결정하며, 이 상태가 뜨임 중 강의 반응을 좌우한다. ASM Handbook Volume 4A는 뜨임을 “경화된 강 또는 정상화된 강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다. 그 결과 형성되는 미세조직은 뜨임 온도와 시간, 탄소 함량, 합금 함량 및 잔류 원소에 따라 달라진다. 이러한 변수들은 오스테나이트화, 용해, 결정립 성장 및 담금질에 의해 먼저 형성된 상태에 작용한다.

담금질 전 합금 원소의 용해

오스테나이트화 중 일부 탄화물은 오스테나이트에 용해되는 반면, 다른 탄화물은 용해되지 않은 상태로 남는다. 온도, 유지 시간, 가열 속도 및 초기 탄화물 분포가 이러한 균형을 결정한다. 크롬, 몰리브데넘, 텅스텐 및 바나듐과 같은 탄소와 치환형 합금 원소는 동일한 속도로 고용되지 않으므로, 두 열처리가 동일한 공칭 강종을 사용하더라도 오스테나이트는 매우 다른 용질 함량을 가진 채 가열로를 빠져나올 수 있다.

용해된 물질은 담금질 후 중요한 역할을 한다. 오스테나이트에 더 많은 탄소와 합금 원소가 들어 있으면 과포화도가 더 높은 마르텐사이트 기지가 형성될 수 있다. 뜨임 중에는 탄소 확산, 탄화물 형성, 잔류 오스테나이트의 분해 및 회복이 진행되면서 해당 구조에 저장된 에너지와 화학적 불안정성이 점차 감소한다. 미국 에너지부는 이러한 과정을 뜨임의 핵심 부분으로 설명하지만, 모든 강종에서 또는 모든 오스테나이트화 조건에서 동일한 속도로 진행되는 것은 아니다.

고합금 공구강에서는 또 다른 경로인 2차 경화가 나타난다. ASM International은 2024년 설명에서 “고합금 공구강의 2차 경화는 미세 합금 탄화물의 석출에 의해 발생한다”고 밝히며, 여기에는 몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물이 포함된다. 담금질된 기지에 충분한 양의 합금 원소가 용해되어 있으면, 뜨임 중에 미세하고 안정성이 높은 탄화물이 조밀하게 분산될 수 있다. 이러한 탄화물의 석출은 마르텐사이트 뜨임으로 인한 연화를 상쇄하거나 일시적으로 초과할 수 있다. 따라서 뜨임 온도가 상승한다고 해서 경도가 반드시 단조롭게 감소하는 것은 아니다.

오스테나이트화는 기지 외부에 무엇이 남는지도 제어한다. 용해되지 않은 1차 탄화물은 오스테나이트 결정립 성장을 억제할 수 있으며, 그렇지 않았다면 2차 석출에 기여했을 합금 원소를 보유할 수 있다. 오스테나이트에 더 많은 탄소와 합금 원소가 용해되면 마르텐사이트 시작 온도가 낮아지므로 잔류 오스테나이트의 양이 증가할 수 있다. 이후 뜨임 중에는 이러한 잔류 오스테나이트가 분해 또는 변태할 수 있으며, 이에 따라 석출 및 회복 반응과는 별개의 경도 변화가 추가로 발생한다.

고속도강에서의 NIST 연구 결과

1930년에 발표된 National Institute of Standards and Technology 논문은 고속도강에서 오스테나이트화와 2차 경화 사이의 직접적인 연관성을 제시한다. 이 논문은 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 커진다”고 결론 내렸다. 여기서 오스테나이트화 정도란 단순히 규격표에 기재된 가열로 온도를 의미하는 것이 아니라, 가열 처리에 의해 탄화물 구성 성분이 어느 정도까지 용해되고 담금질 전에 오스테나이트가 얼마나 농축되었는지를 의미한다.

금속학적 논리는 명확하다. 보다 완전한 용해가 이루어지면 더 많은 탄화물 형성 원소가 과포화 마르텐사이트에 들어갈 수 있다. 뜨임 시 이러한 기지는 몰리브데넘, 텅스텐 또는 바나듐이 풍부한 미세 탄화물을 석출시킬 가능성이 더 커진다. 그 결과 발생한 석출은 기지를 강화하고 뜨임 연화에 대한 저항을 높인다. 따라서 NIST의 관찰 결과는 2차 경화 반응의 높이가 담금질된 강의 초기 용질 상태와 연관된다는 점을 보여 준다.

그러나 이 결과가 오스테나이트화 온도를 높이라는 보편적인 지침을 제시하는 것은 아니다. 과도한 가열은 이전 오스테나이트 결정립을 조대화하고, 잔류 오스테나이트를 증가시키며, 탈탄 또는 과열을 촉진하고, 담금질 균열 민감도를 변화시킬 수 있다. 또한 결정립 제어에 필요했던 미용해 탄화물을 용해시킬 수도 있다. 최종 경도가 허용 가능한 수준으로 나타나더라도, 더 큰 결정립 크기는 경화능과 파괴 거동을 변화시킬 수 있다. 따라서 공칭 합금 원소 용해량이 증가하더라도 그 반응의 유용성은 오히려 감소할 수 있다.

불충분한 오스테나이트화는 반대의 문제를 일으킨다. 용해되지 않은 합금 탄화물이 너무 많이 남으면, 목표로 하는 마르텐사이트 경도나 2차 석출 반응에 필요한 탄소와 합금 원소가 오스테나이트에 충분히 들어가지 못할 수 있다. 불완전한 고용은 기지 영역과 탄화물 농축 영역 사이에 화학적 편석을 일으킬 수도 있다. 그러면 담금질 후 구조가 더욱 불균일해지며, 뜨임만으로는 이러한 초기 상태를 완전히 교정할 수 없다.

오스테나이트화와 최종 반응 사이의 절충

최종 반응은 단일 온도의 효과가 아니라 공정 이력의 결과이다. J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe가 1945년에 제시한 방법은 일반적으로 T(log t + c)로 표기되는 뜨임 파라미터를 통해 뜨임 시간, 온도 및 조성을 연관시키며, 마르텐사이트 뜨임 정도를 정량화하는 데 사용된다. 이 파라미터는 열처리 노출 조건을 비교하는 데 유용하지만, 동일한 값이라고 해서 가열 속도, 기존 미세조직, 오스테나이트화, 부품 단면 크기, 잔류 오스테나이트 또는 합금별 석출의 차이가 사라지는 것은 아니다.

2013년에 발표된 H13 공구강의 동료 심사 연구는 등온, 느린 가열 및 빠른 가열 스케줄을 각각 다룸으로써 이러한 한계를 입증했다. 예측된 경도 반응은 서로 달랐으며, 계산에는 2차 경화 거동도 포함되었다. 빠르게 가열된 부품은 등온 뜨임된 부품과 동일한 시간 동안 변태 및 석출 온도 범위를 통과하지 않는다. 따라서 공칭 최고 온도와 유지 시간에 대한 설명이 동일하더라도 서로 다른 반응이 숨겨질 수 있다.[1][1] Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM International. ASM Handbook Volume 4C, 2024.

ASM Handbook Volume 4C 역시 유도 경화강에 대해 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식을 비교한다. 두 상관식 모두 뜨임 반응을 평가하기 위한 등가 시간-온도 조건을 나타내지만, 그 유용성은 상관식을 설정하는 데 사용된 열 사이클과 재료 상태에 좌우된다. 2013년 Journal of Materials Processing Technology에 발표된 열간 및 온간 단조 금형강 연구는 뜨임 파라미터—Hollomon-Jaffe 또는 Larson-Miller 파라미터라고도 함—를 사용하여 시간-온도 노출과 경도 변화를 상관시켰다. 이러한 상관식은 데이터를 체계화하지만, 강종 전반에 적용되는 고정된 경도값이나 보장된 물성 변화를 제공하지는 않는다.

따라서 오스테나이트화는 용해, 결정립 제어, 잔류 오스테나이트 관리, 담금질 반응 및 목표로 하는 석출 순서 사이의 균형을 고려하여 선정해야 한다. NIST의 결과는 연구 대상 고속도강에서 오스테나이트화 정도가 증가할수록 더 강한 2차 경화 피크가 나타난다는 점을 뒷받침한다. 그러나 이것이 최대 용해를 일반적인 목표로 삼아야 한다는 의미는 아니다. 유용한 목표는 완전한 담금질 및 뜨임 이력 이후 요구되는 최종 반응을 제공하는 초기 구조이다.

시간-온도 등가와 Hollomon-Jaffe 매개변수

Hollomon과 Jaffe의 1945년 정식화

뜨임은 단순히 “담금질 후 연화되는 것”으로 정의되지 않는다. ASM Handbook Volume 4A는 뜨임을 “경화되었거나 불림 처리된 강을 하부 임계온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다(ASM International, 2024). 이 처리 중에는 과포화 마르텐사이트에서 탄소가 확산하고, 전이 탄화물과 시멘타이트가 형성될 수 있으며, 잔류 오스테나이트가 분해될 수 있고, 마르텐사이트 조직에서는 회복이 진행된다. 최종 경도와 인성은 온도와 시간뿐 아니라 탄소 함량, 합금 원소 첨가, 잔류 원소, 사전 오스테나이트화 처리, 그리고 담금질로 형성된 조직에도 좌우된다.[2][2] Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Metals Technology, 1945.

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe는 1945년에 Metals Technology에 발표한 논문 “Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel”에서 뜨임 처리를 비교할 필요성을 다루었다. 이들의 방법은 뜨임 시간, 온도 및 조성을 담금질된 강에서 형성되는 조직과 특성에 연관시켰다. 실무적인 문제는 명확했다. 고온에서 짧은 시간 뜨임한 강은 저온에서 훨씬 오랫동안 유지한 강과 유사한 상태에 도달할 수 있다. 하나의 뜨임 온도만으로는 이 두 처리를 모두 설명할 수 없었다.

이들의 경험적 관계식은 일반적으로 다음과 같이 나타낸다.

$$P=T({\log }_{10}t+C)$$

여기서 $P$는 Hollomon-Jaffe 뜨임 매개변수, $T$는 켈빈 단위의 절대온도, $t$는 뜨임 시간, $C$는 조성과 반응에 따라 달라지는 상수이다. 많은 공학 계산에서는 $C$에 20에 가까운 값을 부여하지만, 이 수치는 모든 강종과 모든 반응에 공통되는 재료 상수가 아니라 관례적인 값이다. 시간 단위도 명시해야 한다. 시간을 시간 단위에서 초 단위로 바꾸면 로그 항이 달라지고, 따라서 매개변수의 수치도 달라지기 때문이다.

이 관계식은 경험식이다. Hollomon과 Jaffe는 모든 뜨임 처리를 서로 치환 가능하게 만드는 보편적인 열역학 법칙을 확립한 것이 아니다. 이들은 동일한 강, 동일한 초기 상태 및 동일한 지배적 뜨임 메커니즘을 비교하는 데이터 세트에 유용한 상관관계를 제시했다. 이 매개변수는 두 변수를 하나의 지수로 압축하므로, 경도, 인장강도 또는 그 밖의 측정 특성을 공통된 열처리 노출량에 대해 도시할 수 있게 한다.

$T(\log t+c)$의 의미

온도 항은 이 매개변수가 열적 노출에 강하게 민감하도록 만든다. 이 관계식은 확산 지배 반응의 온도 의존성을 반영하도록 고안되었으므로, 온도는 일반적으로 켈빈과 같은 절대온도 척도로 표시해야 한다. 시간의 로그는 유지 시간을 늘릴 때 효과가 점차 감소함을 나타낸다. 즉, 처리를 1시간에서 10시간으로 늘리면 ${\log }_{10}t$가 1단위 변하지만, 100시간에서 110시간으로 늘릴 때의 변화는 작다.

흔히 $C$로 표기되는 상수 $c$는 해당 강과 맞추고자 하는 뜨임 반응에 맞게 관계식을 조정한다. 탄소와 합금 원소의 함량이 확산, 탄화물 안정성, 석출 속도론 및 회복 저항성에 영향을 주기 때문에 이 상수는 때때로 조성 관련 상수로 설명된다. 그러나 실제로는 선택된 특성 범위, 시간 단위, 데이터가 나타내는 반응 메커니즘을 비롯한 실험적 관례도 피팅된 값에 반영될 수 있다. $C=20$을 보편적인 법칙으로 취급하면 정밀도를 과도하게 확신하게 될 수 있다.

일반 탄소강과 저합금강의 경우, 제한된 온도 및 시간 범위에서 이 매개변수는 점진적인 뜨임 연화와 상당히 양호한 상관관계를 보이는 경우가 많다. 물리적 과정에는 탄소 재분포, 철 탄화물 형성, 잔류 오스테나이트 분해, 전위 조직의 회복 등이 포함될 수 있다. 미국 에너지부는 $T(\log t+c)$를 마르텐사이트 뜨임 정도를 나타내는 척도로 설명하지만, 그렇다고 해서 모든 미세조직적 사건이 동일한 속도로 진행된다는 뜻은 아니다.

동일한 매개변수는 경도 증가도 나타낼 수 있다. 고합금 공구강에서는 뜨임으로 인해 지속적인 연화가 아니라 2차 경화가 발생할 수 있다. ASM International은 2차 경화가 몰리브데넘, 바나듐, 텅스텐과 관련된 탄화물을 포함한 미세 합금 탄화물의 석출에 기인한다고 설명한다. 더욱 강한 석출은 뜨임에 대한 저항성을 높일 수 있다. 미국 국립표준기술연구소는 고속도강에 대해 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 증가한다”고 보고했다. 이 관찰이 중요한 이유는 오스테나이트화가 담금질 전에 오스테나이트에 고용되는 합금 원소와 탄소의 양을 변화시키기 때문이다. 따라서 동일한 공칭 강종의 두 시편이라도 오스테나이트화 처리가 다르면 서로 다른 2차 경화 피크에 도달할 수 있다.

주어진 Hollomon-Jaffe 매개변수에서 경도 값이 상승한다고 해서 그것이 정의상 오류인 것은 아니다. 이는 석출 경화를 나타낼 수 있으며, 반대로 경도 값의 하락은 마르텐사이트의 뜨임과 회복을 나타낼 수 있다. 이 매개변수는 계산된 열처리 노출량을 기록할 뿐, 측정된 특성을 야기한 반응을 식별하지는 않는다.

등가 뜨임 매개변수로 예측할 수 있는 것과 예측할 수 없는 것

등가 매개변수는 동일한 강종, 단면 크기, 담금질 조직, 오스테나이트화 일정, 분위기 및 특성 측정 방법으로 구성된 관리된 조건군 내에서 처리를 비교할 때 가장 유용하다. 이러한 범위 내에서는 온도와 유지 시간의 조합을 변경하더라도 유사한 경도 변화를 나타낼지 추정하는 데 도움이 될 수 있다. ASM Handbook Volume 4C는 유도가열 경화강의 뜨임 반응을 평가하기 위한 등가 시간-온도 방법으로 Hollomon-Jaffe 및 Grange-Baughman 상관식을 제시한다. 이러한 상관식은 결과를 체계화하기 위한 공학적 도구이지, 열 이력이 물리적으로 동일하다는 증거는 아니다.

가열 속도는 중요한 제한 요소이다. 시편을 뜨임 온도까지 빠르게 올리면 저온 영역에 머무는 시간이 짧다. 반면 천천히 가열한 시편은 설정된 유지 온도에 도달하기 전에 탄소 재분포, 탄화물 형성 또는 잔류 오스테나이트 분해가 시작될 수 있다. H13 공구강을 대상으로 한 2013년 동료심사 연구는 등온, 서가열 및 급가열 일정에 대한 예측을 개발하고 2차 경화 거동도 포함했다. 이 연구의 의의는 공칭 매개변수 값이 비슷한 일정이라도 가열 경로가 달라지면 예측된 경도 반응이 달라질 수 있음을 보여준 데 있다.

중단 뜨임은 또 다른 문제를 일으킨다. 두 뜨임 단계 사이에서 냉각하면 석출, 잔류 오스테나이트 분해 및 전이 탄화물의 분포가 변할 수 있다. 재가열한다고 해서 동일한 반응이 반드시 동일한 속도로 재개되는 것은 아니다. 단면 크기도 중요하다. 대형 금형의 표면과 중심부는 노 온도가 하나의 값으로 기록되더라도 서로 다른 가열 및 냉각 이력을 겪을 수 있다.

이전 미세조직도 똑같이 중요하다. 오스테나이트 결정립 크기, 마르텐사이트의 탄소 함량, 잔류 오스테나이트, 편석 및 미용해 탄화물은 모두 후속 반응에 영향을 준다. 오스테나이트화는 고속도강과 열간가공 공구강에서 특히 큰 영향을 미치는데, 2차 탄화물 석출에 이용 가능한 고용 원소의 양을 결정하기 때문이다. 공칭상 등가인 매개변수만으로는 이러한 초기 상태를 재구성할 수 없다.

변태 또는 석출 피크 부근에서는 이러한 한계가 더욱 분명해진다. 미세한 몰리브데넘, 바나듐 또는 텅스텐이 풍부한 탄화물이 석출되면서 먼저 연화되었다가 경화되고, 과시효 후 다시 연화되는 강을 하나의 단조로운 연화 곡선으로 나타낼 수는 없다. 2013년에 Journal of Materials Processing Technology에 발표된 열간 및 온간 단조용 금형강 연구는 뜨임 매개변수—Hollomon-Jaffe 매개변수 또는 Larson-Miller 매개변수라고도 한다—를 사용하여 시간-온도 노출량과 경도 변화를 상관시켰다. 이러한 접근법은 금형강의 거동을 맵핑하는 데 유용하지만, 피팅된 관계식은 여전히 조사된 강종과 처리 범위에 종속된다.

따라서 $T(\log t+c)$는 비교 지수이지, 열 이력이나 미세조직 증거를 대신하는 수단이 아니다. 이 매개변수는 뜨임 데이터를 체계화하고 시험한 조건 사이의 보간을 지원할 수 있다. 그러나 가열 속도, 중단, 오스테나이트화, 초기 조직 또는 합금 원소의 반응이 다를 때 동일한 경도, 동일한 인성, 동일한 탄화물 분포 또는 동일한 잔류 오스테나이트 함량을 보장할 수는 없다.

비등온 뜨임과 실제 가열 일정

뜨임은 로의 설정 온도만으로 정의되지 않는다. ASM International은 ASM Handbook Volume 4A (2024)에서 “뜨임은 경화강 또는 정상화강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것이다”라고 설명한다. 그 결과 상태는 뜨임 온도와 시간뿐 아니라 탄소 함량, 합금 원소, 잔류 원소, 선행 오스테나이트화, 그리고 유지 온도에 도달하기 위해 사용한 열적 경로에도 좌우된다.

이러한 구분이 중요한 이유는 산업 부품이 모든 위치에서 거의 동일한 속도로 가열되는 경우가 드물기 때문이다. 다이, 인서트 또는 대형 축은 표면이 뜨거워지는 동안에도 중심부가 의도한 뜨임 범위보다 낮은 상태일 수 있다. 그 시간 동안 서로 다른 영역에서는 서로 다른 반응이 진행된다.

등온 유지와 연속 가열의 비교

등온 뜨임 시험에서는 시험편을 선택한 온도까지 가열한 다음 그 온도에서 유지한다. 이 방법은 유지 시간의 영향을 분리하여 파악하는 데 유용하지만, 실제 부품이 겪는 전체 이력을 재현하지는 못한다. 연속 가열에서는 강이 연속적인 온도 범위에 노출되며, 각 온도에서는 탄소 확산, 탄화물 형성, 오스테나이트 분해 및 회복이 서로 다른 조합으로 진행될 수 있다.

미국 에너지부는 뜨임을 탄소 확산과 이에 수반되는 탄화물 형성, 잔류 오스테나이트의 분해, 그리고 마르텐사이트 조직의 회복이라는 관점에서 설명한다. 이러한 반응은 모두 동일한 속도로 시작되거나 진행되거나 완료되는 것이 아니다. 느리게 가열된 시험편은 공칭 뜨임 온도에 도달하기 전에 탄소가 재분포되고 전이 탄화물이 형성되는 저온 영역에서 상당한 시간을 보낼 수 있다. 빠르게 가열된 시험편은 해당 영역에 머무는 시간이 짧으므로, 석출과 회복은 서로 다른 조건의 순서 아래에서 시작된다.

이 차이는 단순히 특정 온도 이상에서 보낸 시간을 더하는 문제로 설명되지 않는다. 확산은 온도에 민감하며, 석출은 용질의 이용 가능성뿐 아니라 입자의 핵생성 및 성장 이력에도 좌우된다. 느린 가열 중 시작된 반응은 기지 조직을 변화시킬 수 있고, 그에 따라 최종 유지 단계에서 일어나는 현상도 달라질 수 있다. 반대로 빠른 가열에서는 동일한 중간 반응이 비슷한 정도까지 진행되기 전에 강이 더 높은 온도 영역으로 들어갈 수 있다.

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe가 1945년에 정식화한 Hollomon-Jaffe 방법은 담금질강의 시간-온도-조성 관계를 나타낸다. 일반적으로 제시되는 식은 다음과 같다.

$$P=T(\log t+c)$$

여기서 $T$는 절대 온도, $t$는 뜨임 시간, $c$는 조성과 반응에 따라 달라지는 상수이다. 미국 에너지부는 이 식을 마르텐사이트 뜨임 정도를 정량화하는 방법으로 설명한다. 이는 유용한 비교 매개변수이지만, 물리적 이력을 지워 주는 수단은 아니다. 계산된 값이 동일한 두 일정이라도 가열 속도, 선행 미세조직, 오스테나이트화, 단면 크기, 합금별 석출 반응에 따라 서로 다른 결과를 낼 수 있다.

ASM Handbook Volume 4C (2024)도 유도가열 경화강에 대해 유사한 실무적 관점을 제시한다. Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식은 뜨임 반응을 평가하기 위한 등가 시간-온도 조건을 나타낼 수 있지만, 두 상관식의 일치성은 시험된 재료 및 공정 범위 안에서만 적용된다. 상관관계가 성립한다고 해서 모든 열적 경로가 동일한 미세조직을 만든다는 뜻은 아니다.

사례 연구로 보는 H13 공구강[3][3] Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. University of Arizona publication record. Peer-reviewed publication record, 2013.

애리조나대학교 출판물 데이터베이스에 등재된 동료 심사 연구 Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering (2013)은 특히 유용하다. 이 연구는 AISI H13에 대해 등온, 느린 가열 및 빠른 가열 일정에서 예측되는 반응을 비교하기 때문이다. 또한 경도가 반드시 단조롭게 감소해야 하는 양으로 취급하지 않고, 2차 경화 거동도 포함한다.

AISI H13은 크롬, 몰리브덴 및 바나듐을 함유하는 열간 작업용 공구강이다. ASM International은 고합금 공구강에서 2차 경화를 몰리브덴, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물을 포함한 미세 합금 탄화물의 석출로 설명한다. 뜨임 범위의 일부에서는 이러한 석출이 마르텐사이트 회복으로 인한 연화를 상쇄하거나 그 이상으로 보상할 수 있다. 정확한 반응은 강의 화학 조성과 초기 상태에 따라 달라지므로, H13 연구를 모든 H13 제품에 적용되는 하나의 보편적 경도값이나 고정된 2차 경화 온도를 제시하는 것으로 해석해서는 안 된다.

이 연구의 가열 일정 비교는 핵심적인 점을 보여 준다. 등온, 느린 가열 및 빠른 가열 처리는 2차 경화 피크가 나타나는 양상이 서로 다른 경우를 포함하여, 서로 다른 경도 이력을 예측하게 할 수 있다. 느린 가열에서는 재료가 공칭 목표 온도에 도달하기 전에 뜨임을 시작한다. 빠른 가열에서는 저온 확산과 초기 석출에 이용 가능한 시간이 줄어든다. 따라서 최종 경도는 유지 단계 자체뿐 아니라 유지 단계에 도달하기까지의 경로도 반영한다.

2차 경화는 오스테나이트화에도 크게 좌우된다. 미국 국립표준기술연구소의 연구(1930)는 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 커진다”고 보고했다. 오스테나이트화가 더 많이 진행되면 오스테나이트에 고용되는 합금 원소의 양과 담금질된 기지의 상태가 달라질 수 있으며, 이는 다시 뜨임 중 석출 반응을 변화시킨다. 이러한 사실은 한 열처리 이력에서 얻은 뜨임 차트를 검증 없이 다른 이력에 적용해서는 안 되는 또 하나의 이유이다.

실무적 결론은 분명하다. 가열 램프, 선행 오스테나이트화 처리, 시험편 크기 또는 냉각 이력이 달라지면 명목상 동일한 H13 뜨임 일정에서도 서로 다른 결과가 나올 수 있다. 예측은 유용하지만, 해당 강종과 공정에 맞추어 보정되어야 한다.

로의 온도 차트만으로 부품을 완전히 설명할 수 없는 이유

로의 온도 차트는 대개 공기 온도 또는 특정 위치 하나에 설치된 열전대가 측정한 온도를 기록한다. 이 값이 강재 표면의 온도와 자동으로 일치하는 것은 아니며, 두꺼운 다이의 중심부 온도에 대해서는 더 적은 정보만 제공한다. 로 적재 상태, 치구와의 접촉, 복사, 대류 및 부품 형상은 모두 열 구배에 영향을 준다.

대형 단조 다이를 생각해 보자. 외부에 노출된 모서리는 뜨임 범위에 도달하는 동안에도 오목한 부분은 더 낮은 온도에 머물 수 있다. 이 경우 표면은 높은 온도에서 더 긴 반응 시간을 축적하지만, 내부는 여전히 뜨임 구간의 낮은 부분을 통과하며 가열되고 있을 수 있다. 로의 온도 차트가 예정된 유지 시간에 도달했을 때 다이를 꺼낸다면, 표면과 중심부가 동등한 열 노출을 경험한 것이 아니다.

측정 위치는 과승과 지연을 감출 수도 있다. 제어용 열전대는 로 내부 공기의 변화에 빠르게 반응할 수 있지만, 부품 중심부 가까이에 매립된 열전대는 더 느린 온도 상승을 기록한다. 공정 인증에서는 두 위치가 모두 중요할 수 있다. 로 측정값은 설비의 거동을 확인하게 해 주는 반면, 부품 열전대는 변태와 석출을 좌우하는 실제 열 노출을 보여 준다.

Journal of Materials Processing Technology에 게재된 열간 및 온간 단조용 다이강 연구(2013)는 뜨임 매개변수, 즉 Hollomon-Jaffe 매개변수 또는 Larson-Miller 매개변수라고도 하는 값을 사용하여 시간-온도 노출과 경도 변화를 상관시킨다. 이러한 매개변수는 여러 일정에서 얻은 데이터를 체계적으로 정리하는 데 도움이 되지만, 여전히 적합된 관계식에 불과하다. 이를 검증하려면 강종별 쿠폰, 대표적인 단면 크기, 측정된 부품 온도, 그리고 경도 또는 미세조직 검사가 필요하다. 로의 온도 차트는 가열 환경을 기록한 자료이다. 그것만으로는 강재가 겪은 뜨임 이력을 완전히 설명할 수 없다.

유도가열 경화강의 뜨임

경화층과 저탄소 심부

ASM International은 뜨임을 “경화 또는 정규화된 강을 하부 임계온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다(ASM Handbook Volume 4A, 2024). 이 정의는 간단하지만, 유도경화된 단면은 그렇지 않다. 유도가열은 주로 표면 부근에서 오스테나이트를 생성한 후 급속 담금질을 실시한다. 그 결과 일반적으로 저탄소의 연한 심부 위에 고탄소 마르텐사이트 경화층이 형성된다. 심부는 초기 상태와 열 사이클이 도달한 깊이에 따라 페라이트-펄라이트 조직, 베이나이트 조직, 뜨임 조직으로 남거나 부분적으로 변태할 수 있다.

따라서 경화층과 심부는 동일한 미세조직에서 뜨임을 시작하지 않는다. 표면 부근의 탄소 함량은 모재 강종, 침탄 또는 탄소질화, 탈탄, 편석, 혹은 오스테나이트화 중 탄화물의 불완전한 용해를 반영할 수 있다. 더 깊은 영역에는 용해된 탄소가 더 적을 수 있으며, 오스테나이트화 온도 범위에 도달하지 않았을 수도 있다. 경화층 내부에서도 구오스테나이트 결정립 크기, 마르텐사이트의 탄소 함량, 잔류 오스테나이트, 합금 탄화물의 용해, 담금질 속도는 깊이에 따라 달라질 수 있다.

그 후 뜨임은 서로 중첩되는 여러 반응을 진행시킨다. 미국 에너지부는 탄소 확산, 탄화물 형성, 잔류 오스테나이트의 분해, 회복을 이 과정의 중요한 부분으로 설명한다. 이들 반응의 속도는 온도와 시간뿐 아니라 반응 가능한 국부 조직에도 좌우된다. 뜨임 온도까지 빠르게 가열되는 표면 영역은 전도에 의해 서서히 가열되는 심부와 동일한 반응 순서를 겪지 않는다. 유도 뜨임 중에는 표면이 목표 온도에 도달할 때에도 표면 아래 영역은 여전히 가열 중일 수 있다. 별도의 노 뜨임에서는 전체 부품이 보다 균일한 온도에 접근할 수 있지만, 단면 크기에 따라 필요한 시간은 여전히 달라진다.

일반적인 뜨임에서는 과포화 마르텐사이트에서 탄소가 빠져나와 천이 탄화물 또는 시멘타이트를 형성하므로 담금질 직후 마르텐사이트의 경도가 낮아지는 경우가 많다. 그러나 이러한 경향이 항상 나타나는 것은 아니다. ASM International은 고합금 공구강에서 2차 경화가 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐과 관련된 탄화물을 포함한 미세 합금 탄화물의 석출에 의해 발생한다고 설명한다. 더 강한 석출은 뜨임 연화에 대한 저항을 높이고, 초기 경도 저하 후 경도를 증가시킬 수 있다. National Institute of Standards and Technology는 1930년에 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 증가한다”고 보고했다. 오스테나이트화가 더 많이 진행되면 더 많은 합금 원소가 용해될 수 있지만, 잔류 오스테나이트가 증가하고 결정립 크기가 변할 수도 있다. 따라서 모든 강종이나 처리 조건에 대해 피크 온도를 하나의 고정된 값으로 정할 수는 없다.

Hollomon-Jaffe 및 Grange-Baughman 상관식의 적용

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe는 1945년에 담금질강을 대상으로 시간-온도-조성 관계식인 이 방법을 개발했다. 널리 알려진 형태는 다음과 같은 뜨임 파라미터이다.

$$P=T({\log }_{10}t+c),$$

여기서 $T$는 절대온도, $t$는 시간, $c$는 조성과 반응에 따라 달라지는 상수이다. $T(\log t+c)$라는 식은 서로 다른 시간-온도 노출 조건을 동등한 척도에 배치하여 마르텐사이트의 뜨임 정도를 나타낸다. 따라서 해당 상관식이 재료와 반응 범위에 적합하다면, 낮은 온도에서 장시간 처리한 조건을 높은 온도에서 단시간 처리한 조건과 비교할 수 있다.

ASM Handbook Volume 4C는 이러한 유형의 분석을 유도경화강에 적용하고, 동등한 시간-온도 조건을 나타내기 위한 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식을 비교한다. 이들 관계식은 측정 또는 계산된 열 사이클을 경도 변화와 연관시킬 수 있는 파라미터로 변환하는 데 유용하다. 그러나 금속조직 관찰이나 절단면 경도 측정을 대신할 수는 없다. 동등한 파라미터를 사용하더라도 가열 속도, 오스테나이트화, 초기 미세조직, 단면 크기, 잔류 오스테나이트 또는 합금의 반응 차이가 사라지는 것은 아니다.

이러한 한계는 2차 경화가 발생할 때 특히 중요하다. 단조로운 뜨임 연화를 기준으로 설정된 상관식은 합금 탄화물의 석출로 인한 경도 상승을 잘못 나타낼 수 있다. H13 공구강을 대상으로 한 2013년 동료심사를 거친 연구에서는 등온, 서서히 가열, 급속 가열 뜨임 스케줄에 대한 예측을 수행했으며, 2차 경화 거동도 포함했다. 명목상 열 노출 조건이 비슷해 보이더라도 각 스케줄은 서로 다른 예상 경도 응답을 나타낼 수 있었다. 상당량의 크롬, 몰리브덴, 바나듐을 함유하는 H13은 모든 유도경화 강종에 적용할 수 있는 대표 모델이 아니다.

깊이에 따른 응답과 공정 해석

유용한 해석은 하나의 노 설정값이 아니라 각 깊이에서의 온도-시간 이력으로부터 시작한다. 표면은 급속 오스테나이트화 사이클을 거친 뒤 마르텐사이트로 담금질되고, 이어서 짧은 뜨임을 받을 수 있다. 경화 경계에 가까운 깊이에서는 최고 온도가 완전한 오스테나이트화에는 미치지 못하지만, 기존 조직을 뜨임하기에는 충분히 높을 수 있다. 심부는 전도에 의한 가열만 경험하고, 원래의 정규화, 풀림 또는 이전 뜨임에 의해 결정된 특성을 대부분 유지할 수 있다.

따라서 경도 트래버스는 적절하게 준비된 단면에서 실시해야 하며, 측정 원점, 간격, 하중 및 표면 상태를 기록해야 한다. 경화층 경도, 유효 경화 깊이, 천이 영역의 거동 및 심부 경도는 각각 별도로 보고해야 한다. 금속조직 관찰, 잔류 오스테나이트 측정, 그리고 필요한 경우 탄화물 또는 조성 분석을 수행하면 계산된 프로파일에서 벗어나는 원인을 설명하는 데 도움이 된다.

2013년에 발표된 열간 및 온간 단조용 금형강 연구도 다른 상황에서 같은 점을 강조한다. 뜨임 파라미터는 Hollomon-Jaffe 파라미터 또는 Larson-Miller 파라미터라고도 하며, 시간-온도 노출과 경도 변화를 상관시킬 수 있다. 그러나 그 상관관계는 시험에 사용된 강종과 처리 범위에 종속된다. 유도경화 부품에서 Hollomon-Jaffe 값과 Grange-Baughman 값은 공정 비교 도구로 사용하는 것이 가장 적절하다. 검증을 위해서는 경화층과 저탄소 심부 모두에 대해 깊이별 열 기록과 절단면 측정이 여전히 필요하다.

금형강의 뜨임 매개변수와 공정 제어 활용

열간 및 온간 단조용 금형강

뜨임은 단순히 계획된 경도 저하 과정이 아니다. ASM International은 뜨임을 “담금질되었거나 노멀라이징된 강을 하한 임계온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다(ASM Handbook Volume 4A, 2024). 이 처리 과정에서 과포화 마르텐사이트로부터 탄소가 확산하고, 탄화물이 형성되거나 조대화되며, 잔류 오스테나이트가 분해될 수 있고, 기지에서는 회복이 진행된다. 미국 에너지부는 이러한 과정들을 하나의 연화 반응이 아니라 서로 연계된 변화로 설명한다.

이러한 구분은 열간 및 온간 단조용 금형강에서 중요하다. ASTM A681 H13과 같은 강종은 일반적으로 오스테나이트화 처리 후 담금질하고 뜨임하여 경도, 인성 및 열사이클 저항성 사이의 제어된 균형을 확립한다. H11과 H10을 비롯한 다른 열간 공구강은 각 강종의 탄소, 크롬, 몰리브덴 및 바나듐 함량, 이전의 결정립 상태와 담금질 이력에 따라 다르게 반응한다. H13에서 특정 경도를 형성하는 뜨임 스케줄은 명목상의 뜨임 온도가 유사하다는 이유만으로 다른 강종에 직접 적용할 수 없다.

고합금 공구강은 뜨임 중에 경화될 수 있다. ASM International은 2차 경화를 몰리브덴, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물을 포함한 미세 합금 탄화물의 석출에 기인하는 현상으로 설명한다. 석출 반응이 강할수록 뜨임 연화에 대한 저항성이 커질 수 있다. 미국 국립표준기술연구소는 1930년에 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 커진다”고 보고했다. 더 높은 오스테나이트화 온도에서는 더 많은 합금 탄화물이 용해되고 오스테나이트 내 합금 원소 함량이 증가할 수 있지만, 이전 오스테나이트 결정립이 조대화되고 잔류 오스테나이트 함량이 변할 수도 있다. 따라서 최종적인 경도 피크는 뜨임 온도만이 아니라 전체 열처리 이력에 의해 결정된다.

단조 금형의 경우 공정 관리 기록에는 강종, 히트 또는 로트, 초기 경도, 오스테나이트화 온도와 유지 시간, 이송 시간, 담금질 매체, 냉각 속도, 뜨임 온도, 가열 속도, 유지 시간 및 냉각 방법을 기록해야 한다. 로 내부의 온도 균일성도 중요하다. 특히 단면이 큰 금형에서는 금형 표면과 중심부가 서로 다른 열사이클을 겪을 수 있다.

뜨임 매개변수를 통한 경도 상관관계

J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe는 1945년에 담금질강을 대상으로 시간-온도-조성 관계식을 제안했다. 이 방법은 다음 식을 사용하여 마르텐사이트의 뜨임 정도를 나타낸다.

$$P=T(\log t+c)$$

여기서 $T$는 절대온도, $t$는 시간, $c$는 재료와 관련된 상수이다. 출처와 적용 분야에 따라 이 값은 Hollomon-Jaffe 매개변수 또는 Larson-Miller 매개변수라고 불린다. 시간은 상관관계를 설정할 때 사용한 단위로 표시해야 하며, 온도는 섭씨 온도가 아니라 절대온도여야 한다.

이 매개변수는 노출 시간과 온도를 하나의 비교값으로 결합한다는 점에서 유용하다. 공정 엔지니어는 측정된 경도를 $P$에 대해 도시한 다음, 생산 사이클이 시험 범위 내에 해당하는지 확인할 수 있다. 2013년에 Journal of Materials Processing Technology에 발표된 단조 금형강 연구는 이 뜨임 매개변수—Hollomon-Jaffe 매개변수 또는 Larson-Miller 매개변수라고도 함—를 사용하여 열간 및 온간 단조용 금형강에서 시간-온도 노출과 경도 변화의 상관관계를 분석했다.

상관관계가 곧 인과관계를 의미하는 것은 아니다. 한 사이클이 빠른 가열을 사용하고 다른 사이클이 긴 노 가열 램프를 사용한다면, 두 사이클의 $P$ 값이 같더라도 동일한 미세조직이 형성된다고 볼 수 없다. 초기 마르텐사이트 형태, 잔류 오스테나이트, 단면 크기, 오스테나이트화 처리, 담금질 강도 및 합금 탄화물 분포는 모두 반응을 변화시킬 수 있다. 또한 이 매개변수만으로 서로 관련이 없는 강종 사이의 경도를 직접 예측할 수는 없다. 상수 $c$, 적합 곡선 및 유효 범위는 평가 대상 강종과 상태에 대한 근거를 바탕으로 설정해야 한다.

동료 심사를 거친 H13 연구에서는 등온, 저속 가열 및 급속 가열 뜨임 스케줄에 대해 서로 다른 경도 예측 결과가 기록되었으며, 여기에는 2차 경화 거동도 포함되었다(애리조나대학교 출판물 기록, 2013). 이 결과는 비등온 생산 사이클에 단일 등가 매개변수를 적용하는 데 직접적인 한계가 있음을 보여준다. ASM Handbook Volume 4C 역시 유도가열로 경화된 강에 대해 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식을 비교하면서, 이들을 뜨임 반응을 평가하기 위한 등가 시간-온도 조건으로 설명할 뿐, 보편적인 물성 방정식으로 설명하지 않는다.

경도 및 미세조직에 의한 검증

검증은 재료를 정확히 식별하는 것에서 시작한다. 여기에는 강종, 적용 규격, 히트 번호, 납품 상태, 오스테나이트화 처리 및 담금질 상태가 포함된다. 그런 다음 검사자는 노 교정 상태, 가능한 경우 장입물 온도, 승온 속도, 유지 시간, 이송 지연 시간 및 여러 차례의 뜨임 사이 냉각을 포함한 전체 열처리 기록을 보존해야 한다. “550 °C에서 2회 뜨임”이라는 기록은 유지 시간과 가열 이력도 함께 알려져 있지 않으면 불완전하다.

경도 시험에서는 시험 방법을 명시해야 한다. 충분히 두꺼운 금형 단면에는 ASTM E18에 따른 로크웰 C 시험이 적절할 수 있으며, 보고서에는 표면 준비, 시험 위치, 압흔 수 및 장비 검증 결과를 포함해야 한다. ASTM E384에 따른 비커스 시험은 얇은 단면, 경도 구배, 탈탄층 또는 국부적인 조사에 더 적합하다. 단면 크기가 허용하는 경우 측정 위치는 작업 표면, 표면 직하부 및 중심부를 포함해야 한다. 위치와 방법이 명시되지 않은 경도값은 공정 증거로서 신뢰성이 낮다.

예상 밖의 연화, 비정상적으로 높은 경도 또는 뜨임 연화가 예상되는 범위에서 경도가 상승한 경우에는 금속조직학적 검사가 필요하다. 연마 후 적절히 부식한 시편에서는 뜨임 마르텐사이트, 탄화물 분포, 잔류 오스테나이트 생성물, 결정립 조대화 및 탈탄을 확인할 수 있다. 광학현미경은 전반적인 상태를 파악하는 데 사용할 수 있고, 주사전자현미경은 미세한 2차 탄화물을 관찰할 수 있으며, 경도 측정 프로파일은 열적 구배를 드러낼 수 있다. 치수 변화 또는 지연 변태가 의심되는 경우에는 X선 회절 또는 기타 잔류 오스테나이트 측정이 필요할 수 있다.

합격 여부는 경도와 조직을 모두 적격 기준 상태와 비교하여 결정해야 한다. Hollomon-Jaffe 값이 일치한다는 것은 유용한 증거이지만, 금형이 동일한 야금학적 처리를 받았다는 증거는 아니다. 2차 경화의 경우 측정된 경도 피크와 탄화물 상태가 검증된 강종별 공정 범위와 일치해야 한다.

뜨임 곡선을 잘못 해석하지 않고 읽는 방법

뜨임 곡선은 일반적으로 뜨임 온도, 뜨임 시간 또는 시간–온도 조합 매개변수에 따른 경도를 나타낸다. 이는 “열에 의해 경도가 감소하는 정도”를 보여 주는 보편적인 지도가 아니다. ASM Handbook Volume 4A에서는 뜨임을 “경화되었거나 정상화된 강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다. 생성되는 조직은 온도와 시간에 좌우되지만, 탄소 함량, 합금 함량, 잔류 원소, 오스테나이트화 처리, 퀜칭, 그리고 뜨임 전 강재의 상태에도 영향을 받는다.

곡선은 서로 경쟁하는 반응의 기록으로 읽어야 한다. 과포화 마르텐사이트에서 탄소가 확산하고, 천이 탄화물 또는 시멘타이트가 형성될 수 있으며, 잔류 오스테나이트가 분해되고, 합금 탄화물이 석출되며, 기지가 회복될 수 있다. 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)는 탄소 확산, 탄화물 형성, 오스테나이트 분해 및 회복을 뜨임의 핵심 과정으로 제시한다. 이러한 반응의 순서와 속도는 강종과 가열 일정에 따라 달라진다.

연화 영역과 2차 경화 피크

곡선의 처음 하강하는 부분은 일반적으로 통상적인 뜨임 연화를 반영한다. 퀜칭된 마르텐사이트가 과포화 탄소와 내부 응력을 잃으면 경도는 대체로 감소한다. 따라서 하강은 탄화물 형성과 기지 회복을 나타낼 수 있지만, 잔류 오스테나이트의 변태 또는 경질상의 체적 분율 변화가 함께 포함될 수도 있다. 거의 평탄한 구간이라고 해서 “아무 일도 일어나지 않는다”는 뜻은 아니다. 여러 반응이 진행되는 동안 측정 경도에 미치는 영향이 서로 일부 상쇄될 수 있다.

이후에 나타나는 상승은 뜨임을 지속적인 연화 과정으로 취급해서는 안 된다는 대표적인 경고 신호이다. 고합금 공구강에서는 몰리브데넘, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물을 비롯한 미세 합금 탄화물의 석출에 의해 2차 경화가 발생한다고 ASM International은 설명한다. 이러한 입자는 뜨임된 기지를 강화하며, 석출이 강할수록 추가적인 뜨임에 대한 저항도 일반적으로 증가한다. 이러한 상승은 고속도강과 열간 금형강에서 특히 중요할 수 있지만, 그 온도 범위와 크기는 강종마다 다르며 해당 강종 범주의 고정된 특성이 아니다.

1930년에 National Institute of Standards and Technology가 고속도강을 대상으로 수행한 연구에서는 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 증가한다”고 보고했다. 이 결과는 곡선 해석에 직접적인 의미를 갖는다. 명목상 동일한 강재라도 한 시험편이 더 강한 조건으로 오스테나이트화되었거나, 더 많은 합금 탄화물을 고용했거나, 다른 양의 오스테나이트를 잔류시켰다면 서로 다른 피크를 나타낼 수 있다. 처리 이력을 일치시키지 않은 채 AISI M2 고속도강의 피크를 다른 고속도강에 적용하거나, AISI H13의 피크를 다른 열간 금형강에 적용해서는 안 된다.

시간은 온도만큼 중요하다. J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe가 1945년에 제시한 방법은 뜨임 시간, 온도 및 조성을 퀜칭된 강에서 형성되는 조직과 특성에 연계한다. 일반적으로 표기되는 매개변수 T(log t + c)는 마르텐사이트 뜨임 정도를 정량화한다. 여기서 온도는 일반적으로 절대온도이고, 시간은 노출 시간이며, c는 조성 및 반응에 따라 달라지는 상수이다. 이 매개변수는 서로 다른 일정들을 명목상 동등한 뜨임 조건으로 나타낼 수 있지만, 가열 속도, 초기 미세조직, 오스테나이트화, 단면 크기 또는 합금의 반응 차이를 없애 주지는 않는다.

H13 공구강을 대상으로 한 2013년 동료심사 연구는 이러한 한계를 뒷받침한다. 해당 연구의 방법은 등온, 서가열 및 급가열 일정에서 2차 경화 거동을 포함하여 서로 다른 경도 반응을 예측했다. 석출 온도 범위를 통과하는 데 수 분이 걸리는 로 가열 일정은 최종 온도로 순간적으로 도약하는 경우와 반드시 동등하지 않다.

최대 경도와 실제 사용에 유용한 특성의 차이

그래프에서 가장 높은 지점은 해당 시험 절차에서 측정된 경도가 가장 높다는 뜻일 뿐이다. 그것이 자동으로 최적의 뜨임 조건을 의미하지는 않는다. 최대 2차 경도는 인성 저하, 균열 민감도 증가, 잔류 응력 또는 잔류 오스테나이트 변태에 따른 치수 변화와 함께 나타날 수 있다. 한 접촉 조건에서는 내마모성이 향상되더라도 열피로 저항성이나 충격 성능은 저하될 수 있다.

금형강은 허용 가능한 인성과 치수 안정성을 확보하기 위해 2차 경화 최대점보다 낮은 경도가 필요할 수 있다. 반대로 고온에서 작동하는 공구는 실온 경도가 가능한 최대값이 아니더라도 연화에 대한 저항성이 높을 때 유리할 수 있다. 또한 경도만으로는 파괴인성, 인장 연성, 열피로, 변형 또는 사용 중 연화에 대해 많은 것을 알 수 없다. 따라서 곡선은 충격, 인장, 인성, 치수 및 용도별 데이터와 함께 해석해야 한다.

유도가열 경화강의 경우 ASM Handbook Volume 4C는 동등한 시간–온도 조건을 나타내는 방법으로 Hollomon–Jaffe 상관식과 Grange–Baughman 상관식을 비교한다. “동등하다”는 것은 시험한 재료와 모델의 적용 범위 안에서 동등하다는 뜻이지, 모든 강재나 모든 가열 경로에 서로 바꾸어 적용할 수 있다는 뜻은 아니다. 마찬가지로 2013년 Journal of Materials Processing Technology 연구는 뜨임 매개변수—Hollomon–Jaffe 매개변수 또는 Larson–Miller 매개변수라고도 함—를 사용하여 열간 및 온간 단조용 금형강에서 노출 시간과 경도 변화를 상관시켰다. 이러한 상관식은 데이터를 체계화할 뿐이며, 보증된 경도값이나 고정된 피크 온도를 제공하지는 않는다.

강종, 상태 및 시험 방법의 보고

유용한 곡선에는 AISI H13 또는 AISI M2와 같은 정확한 강재 지정 및 표준이 명시되어야 하며, 해당되는 경우 ASTM A681과 같은 적용 규격도 함께 제시해야 한다. 조성을 알고 있다면 탄소와 주요 탄화물 형성 원소를 포함한 화학 조성을 보고해야 한다. 시험 전에 재료가 풀림, 정상화, 퀜칭 및 뜨임 또는 그 밖의 공정을 거쳤는지도 명시해야 한다.

열처리 기록에는 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 분위기, 시험편 크기, 가열 속도, 퀜칭 매체 및 퀜칭 지연 시간을 제시해야 한다. 뜨임 온도, 해당 온도에서의 유지 시간, 가열 속도, 냉각 방법 및 뜨임 사이클 횟수도 기재해야 한다. 시험편의 위치—표면, 중심, 횡단면, 종단면 또는 기타 정의된 위치—를 명시해야 한다. 단면 크기와 열 구배가 결과를 변화시킬 수 있기 때문이다.

마지막으로 경도 시험 방법과 척도를 식별해야 한다. 예를 들어 HRC, HV 또는 HBW를 제시하고, 해당되는 경우 압자와 하중, 표면 준비, 시험 온도 및 측정값의 개수와 분산도 명시해야 한다. 이러한 세부 정보가 없으면 곡선이 실제 실험을 나타내더라도 비교에 사용하기에는 안전하지 않을 수 있다. 경도 피크는 모든 뜨임 처리에 적용되는 일반 법칙이 아니라, 특정 강재, 특정 상태 및 특정 측정 방법에 관한 증거이다.

방어 가능한 뜨임 사양을 위한 기준 체계

재료와 초기 상태를 정의한다

뜨임 사양은 강종을 정확히 식별하지 않으면 방어 가능한 사양이 될 수 없다. 해당되는 경우 강종, 제품 규격, 열처리 규격 및 지정 명칭을 정확히 기재해야 한다. 예를 들어 ASTM A681 H13, UNS T20813 또는 적용 규격에서 요구하는 다른 지정 명칭을 기재한다. 단순히 “공구강” 또는 “경화강”이라고만 작성해서는 안 된다. 화학 조성은 이용 가능한 탄소, 합금 탄화물 형성 원소 및 잔류 원소를 결정하며, 단면 크기와 이전 가공 이력은 뜨임에 반응할 조직에 영향을 준다.

초기 야금학적 상태도 기록해야 한다. 재료가 풀림 상태인지, 노멀라이징 상태인지, 담금질 후 미뜨임 상태인지 또는 이미 뜨임된 상태인지 명시하고, 알려진 경우 이전 경도도 포함한다. 경화 상태인 경우 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 노 분위기, 이송 시간 및 담금질 매체를 기록한다. 담금질 교반, 중단 및 냉각 강도는 잔류 오스테나이트, 마르텐사이트 형태, 잔류 응력 및 석출 가능성을 변화시킬 수 있다. 이미 뜨임된 강에 두 번째 뜨임을 적용하는 것은 노 온도와 유지 시간이 동일하더라도 첫 번째 뜨임과 동등하지 않다.

ASM Handbook Volume 4A는 뜨임을 “경화된 강 또는 노멀라이징된 강을 하부 임계 온도보다 낮은 온도로 가열하는 것”으로 정의한다. 이 정의는 공정의 경계를 설정할 뿐, 모든 경우에 적용되는 보편적인 처방을 제시하는 것은 아니다. 동일한 참고 문헌은 뜨임 온도, 시간, 탄소 함량, 합금 원소 함량 및 잔류 원소가 생성되는 미세조직과 특성을 좌우하는 변수라고 설명한다.

열 사이클을 명시한다

사이클은 단일 공칭 온도가 아니라 일련의 과정으로 작성해야 한다. 사양에는 목표 온도와 허용 범위, 가열 속도 또는 노의 승온 곡선, 장입물 온도를 측정하는 방법, 해당 온도에서의 유지 시간, 뜨임 사이클 횟수 및 냉각 방법을 명시해야 한다. “550 °C에서 2시간 뜨임”이라고만 하면 중요한 의문이 남는다. 공작물이 550 °C에 천천히 도달하는지, 열전대가 장입물 대신 노 내부 공기 온도를 측정하는지, 냉각이 정지 공기, 강제 공기 또는 다른 제어된 매체에서 이루어지는지 알 수 없기 때문이다.

뜨임은 상호 결합된 공정이다. U.S. Department of Energy는 탄소 확산, 탄화물 형성, 오스테나이트 분해 및 회복이 동시에 또는 순차적으로 반응의 일부로 진행된다고 설명한다. 일반적인 탄소강의 뜨임에서는 과포화 마르텐사이트가 분해되고 회복이 진행됨에 따라 경도가 감소하는 경우가 많다. 고합금 공구강은 다르게 거동할 수 있다. ASM International은 몰리브덴, 바나듐 및 텅스텐과 관련된 탄화물을 포함하여 미세한 합금 탄화물이 석출되면서 2차 경화가 발생한다고 설명한다. 석출이 더욱 강하게 일어나면 뜨임 연화에 대한 저항성이 증가하고 경도 피크가 나타날 수 있다.

이러한 피크는 비정상적인 시험 결과가 아니라 정상적인 야금학적 반응으로 취급해야 한다. National Institute of Standards and Technology가 1930년에 보고한 연구는 “2차 경화 피크의 강도는 오스테나이트화 정도가 증가함에 따라 증가한다”고 밝혔다. 그러나 이 결과가 모든 강종에 적용되는 단일 피크 온도를 정립하는 것은 아니다. 보다 광범위한 오스테나이트화는 합금 원소의 용해, 잔류 오스테나이트 및 이후 석출에 이용 가능한 고용 원소의 양을 변화시킬 수 있다.

시간-온도 파라미터는 사이클을 비교하는 데 도움이 되지만, 명시된 사이클을 대체하지는 못한다. J. H. Hollomon과 L. D. Jaffe가 1945년에 제시한 방법은 뜨임 시간, 온도 및 조성을 담금질된 강에서 형성되는 조직과 특성에 연관시킨다. 일반적으로 사용되는 형태에서 이 파라미터는 T(log t + c)로 표시되며, 절대 온도, 시간 및 조성과 관련된 상수를 사용하여 마르텐사이트 뜨임 정도를 정량화한다. 동등한 파라미터가 산출되더라도 가열 속도, 초기 미세조직, 오스테나이트화 방법, 단면 크기 또는 합금의 반응 차이가 사라지는 것은 아니다.

이러한 한계는 특히 비등온 가열에서 중요하다. H13 공구강을 대상으로 한 2013년 동료심사 연구는 등온, 저속 가열 및 고속 가열 일정을 비교했으며, 2차 경화 거동을 포함하여 서로 다른 경도 반응을 예측했다. ASM Handbook Volume 4C 역시 유도가열 경화강에 대해 Hollomon-Jaffe 상관식과 Grange-Baughman 상관식을 비교한다. 두 상관식 모두 동등한 시간-온도 조건을 나타낼 수 있지만, 상관관계가 성립한다는 사실만으로 두 물리적 사이클이 동일한 미세조직을 생성한다는 것이 입증되는 것은 아니다. 열간 및 온간 단조용 금형강을 대상으로 한 2013년 연구는 뜨임 파라미터—Hollomon-Jaffe 파라미터 또는 Larson-Miller 파라미터라고도 함—를 사용하여 노출 시간과 온도를 경도 변화와 연관시켰다. 이러한 파라미터는 비교 도구이지, 가열 이력의 기재를 생략해도 된다는 허가가 아니다.

의도한 특성 집합에 대해 결과를 검증한다

사양은 합격의 의미를 정의해야 한다. 요구되는 경도 스케일, 시험 방법, 하중, 측정 위치 및 허용 범위를 명시한다. 대형 부품 또는 경도 구배가 형성된 부품의 경우, 한 곳에서 편리하게 얻은 측정값 하나를 보고하는 대신 표면, 중심부 및 중간 위치를 지정해야 한다. 실제 뜨임 기록과 장입물 온도를 기록해야 한다. 노의 설정값만으로는 규정 준수를 입증할 수 없기 때문이다.

강종, 사용 위험 또는 2차 경화 반응에 따라 필요한 경우 경도 검증을 미세조직 검사와 함께 수행해야 한다. 검사에서는 뜨임 마르텐사이트, 합금 탄화물 석출, 잔류 오스테나이트, 베이나이트, 탈탄 및 담금질 균열을 평가할 수 있다. 금속조직학적 증거만으로는 모든 탄화물의 화학 조성을 광학현미경으로 식별할 수 없으므로, 성능을 좌우하는 경우 탄화물의 조성 또는 분포를 확인하기 위해 더 높은 분해능의 방법이 필요할 수 있다. 치수 변화, 인성 또는 잔류 응력 시험도 특성 집합에 포함될 수 있다. 경도만으로는 뜨임이 적합한지 확립할 수 없다.

따라서 간결한 검토 체계는 다음과 같다. 정확한 강종과 적용 가능한 지정 명칭을 식별하고, 초기 야금학적 상태를 명시하며, 오스테나이트화와 담금질을 기록한다. 그런 다음 뜨임 온도, 시간, 가열 속도, 사이클 횟수 및 냉각 방법을 정의하고, 명시된 합격 기준에 따라 경도와 필요한 경우 미세조직을 검증한다. 사양에는 확산, 석출, 분해 및 회복이 상호 작용한다는 점을 반영해야 한다. 지속적인 연화는 가능한 결과 중 하나일 뿐이며, 모든 강종에 적용되는 지배적 규칙은 아니다.

참고 문헌

1. [1]ASM International. Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM Handbook Volume 4C, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/11/chapter-abstract/127400/Tempering-of-Induction-Hardened-Steels
2. [2]J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. Metals Technology, 1945. https://onetunnel.org/documents/transformation-of-austenite-time-temperature-relations-in-tempering-steel-metals-technology-september-1945-with-discussion-
3. [3]University of Arizona publication record. Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. Peer-reviewed publication record, 2013. https://experts.arizona.edu/en/publications/hardness-of-h13-tool-steel-after-non-isothermal-tempering/