강의 열처리 변형 및 잔류 응력

1. 열처리 변형과 잔류응력이 의미하는 것

열처리는 경도만 변화시키는 것이 아니다. 가열, 유지, 담금질 및 뜨임 과정에서 강 부품은 온도 구배, 상변태, 체적 변화, 탄성 변형, 소성 유동 및 강도 변화를 겪는다. 따라서 최종 치수와 내부 응력 상태는 단순한 온도 이력만으로 결정되는 것이 아니라, 열-기계적 과정과 야금학적 과정이 서로 결합된 결과로 나타난다.[1][1] Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review. Authors in the review. Journal of Materials Engineering and Performance, 2022.

얇은 모서리는 중심부보다 먼저 냉각되고 변태할 수 있다. 침탄층은 저탄소 내부와 다른 방식으로 수축할 수 있다. 주물은 로에 들어가기 전에 이미 응고 과정에서 발생한 응력을 포함하고 있을 수 있다. 퀜처의 유동, 욕조 온도, 부품의 방향, 단면 두께, 합금의 경화능, 심지어 가공 순서까지도 결과를 바꿀 수 있다. Journal of Materials Engineering and Performance에 실린 2022년 저자들의 고찰은 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 퀜처 선택 및 담금질 강도가 서로 독립적인 변수가 아니라 상호작용하는 지배 요인이라고 설명한다(2022년 고찰).

치수 변형과 내부 응력의 차이

변형은 부품의 형상이나 치수가 의도하지 않게 변하는 것을 의미한다. 여기에는 휨, 굽힘, 비틀림, 타원화, 테이퍼, 국부적인 팽창 또는 수축, 평탄도나 런아웃의 변화가 포함된다. 담금질한 축이 바나나처럼 휘었다면 변형된 것이다. 평균 직경이 거의 변하지 않더라도 베어링 링이 원형에서 타원형으로 바뀌었다면 변형된 것이다. 변형은 치수 검사, 좌표 측정, 게이지 또는 열처리 전 형상과의 비교를 통해 검출한다.

잔류응력은 이를 발생시킨 외부 하중, 온도 차이 또는 가공 과정이 끝난 뒤에도 물체 내부에 남아 있는 응력이다. 잔류응력은 자기 평형 상태를 이룬다. 즉, 외부 하중이 없어도 부품 전체의 힘과 모멘트 평형을 만족할 수 있도록 인장 영역과 압축 영역이 함께 존재한다. 표면이 압축 상태이고 표면 아래가 인장 상태일 수도 있으며, 그 반대일 수도 있다. 이러한 응력이 상당한 수준으로 남아 있어도 부품은 곧게 보일 수 있다.

ASM International의 “Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels” 장에서는 열적 잔류응력, 변태 잔류응력 및 경화 잔류응력을 구분한다. 열적 잔류응력은 냉각 중 서로 다른 영역이 서로 다른 크기로 수축할 때 발생한다. 변태 잔류응력은 오스테나이트가 서로 다른 시간과 위치에서 마르텐사이트, 베이나이트 또는 펄라이트와 같은 생성물로 변태할 때 발생한다. 경화 잔류응력은 이러한 효과들이 강의 변화하는 강도 및 소성과 상호작용한 결과를 반영한다. 실제 부품에서는 이러한 범주가 서로 겹치지만, 이 구분은 치수 문제의 원인을 파악하는 데 도움이 된다(ASM International).

부품은 치수 공차를 만족하면서도 이후 부품을 이동시키거나 손상시킬 수 있는 심각한 내부 응력장을 유지할 수 있다. Strong evidence

변형과 잔류응력은 흔히 함께 발생하지만 서로 같은 것은 아니다. 상당한 소성 완화가 일어난 뒤에도 부품에 눈에 보이는 뒤틀림이 남고 고정 잔류응력은 비교적 제한적일 수 있다. 반대로 치수 공차를 만족하면서도 심각한 내부 응력장을 가질 수 있다. 후자의 상태는 이후의 가공, 연삭, 용접, 사용 중 하중 또는 열 사이클에 의해 응력이 방출되거나 재분포될 수 있기 때문에 위험하다. National Institute of Standards and Technology의 재료 데이터 아카이브에 보존된 Metallurgy of Heat Treatment는 완화되지 않은 담금질 응력이 가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있는 원리를 설명한다. 즉, 재료를 제거하면 측정된 형상으로 부품을 유지하고 있던 평형이 변한다(NIST 재료 데이터 아카이브).

따라서 담금질 직후 실시한 최종 검사는 치수 안정성을 완전히 설명하지 못한다. 기어가 런아웃 검사를 통과한 뒤 정밀 연삭 중에 변할 수 있다. 판재는 한쪽 면을 밀링하기 전까지 평탄한 상태를 유지할 수 있다. 경화된 축은 지지된 상태에서는 변화가 거의 없어 보이지만, 고정 장치를 풀면 휘어질 수 있다. 한 단계에서 치수가 정확하다는 사실만으로 응력 상태가 무해하다고 판단할 수는 없다.

부품이 치수상 정확하면서도 높은 응력을 가질 수 있는 이유

부품은 내부 응력이 높더라도 열처리 중 발생한 변형이 부품의 형상, 구속 조건 및 재료의 거동과 양립한다면 치수상 정확한 상태를 유지할 수 있다. 길고 균일한 봉을 거의 대칭적으로 가열하고 냉각하는 경우를 생각해 보자. 표면과 중심부에는 서로 반대 방향의 응력이 발생할 수 있지만, 순 굽힘 모멘트는 0에 가깝게 유지될 수 있다. 단면 전체에서 인장응력과 압축응력이 균형을 이루므로 봉은 곧은 상태를 유지한다.

응력장이 축대칭인 링이나 디스크에서도 유사한 결과가 나타날 수 있다. 반경 방향 응력과 원주 방향 응력이 재료 내부에 고정되어 있더라도 부품이 충분히 균일하게 팽창하거나 수축하면 원형을 유지할 수 있다. 치수 측정은 외부에 나타난 결과를 기록할 뿐이며, 내부 응력 분포를 직접 보여 주지는 않는다.

반대의 경우도 가능하다. 한쪽 면이 더 빠르게 냉각되거나 얇은 플랜지가 두꺼운 허브보다 먼저 변태하면, 서로 양립할 수 없는 변형으로 인해 굽힘이나 비틀림이 발생한다. 응력의 일부는 소성 변형에 의해 완화되고 영구적인 형상 변화가 남는다. 따라서 최종 부품은 원래 응력의 상당 부분이 사라진 뒤에도 뚜렷한 변형을 보일 수 있다.

ASM의 Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel은 변형과 바람직하지 않은 잔류응력을 최소화하는 것을 열처리 설계의 주요 기준으로 제시한다. 이 표현은 중요하다. 치수 변화만 줄이는 것으로는 충분하지 않다. 심한 지그 구속으로 부품을 곧은 상태로 유지하는 공정은 높은 응력을 남길 수 있으며, 이 응력은 나중에 균열, 연삭 손상 또는 사용 중 불안정성으로 나타날 수 있다. 미국 에너지부 역시 강 주물의 열응력과 잔류응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하와 관련된다고 설명한다(DOE 보고서).

재료의 이력 또한 출발점을 변화시킨다. 이전의 단조, 주조, 용접, 냉간가공, 가공, 침탄, 질화 또는 응력 제거 처리는 결정립 구조, 경도, 잔류응력 및 변태 거동을 변화시킬 수 있다. University of Iowa의 강 주물 연구는 최종 치수와 잔류응력을 예측할 때 주조 이력을 포함해야 한다는 점을 강조한다. 따라서 응력이 없고 균일한 미세조직을 가정한 상태에서 시작하는 열처리 시뮬레이션은 실제 문제와는 다른 문제에 대해 정밀한 답을 내놓을 수 있다.

탄성 변형, 소성 변형 및 영구적인 형상 변화

탄성 변형률탄성 변형률 가해진 응력이 제거되었을 때 회복되는 변형. 단, 재료가 항복하지 않았을 경우에 한한다.

탄성 변형은 회복 가능한 변형이다. 응력이 제거되면 재료는 이전 형상으로 되돌아간다. 담금질 중에는 온도 차이와 변태 변형이 먼저 탄성응력을 발생시키지만, 국부 응력이 온도에 따라 변하는 항복강도보다 낮게 유지되는 동안에만 그러하다.

소성 변형은 국부 응력이 변화하는 항복강도를 초과할 때 발생하는 영구 변형이다. 고온의 강은 가열 중 쉽게 항복한다. 반면 냉각되고 변태하는 영역은 변형에 저항할 만큼 강해질 수 있으며, 인접한 영역은 계속 수축하거나 변태할 수 있다. 처리 중 항복강도, 열팽창계수 및 상 조성이 변하기 때문에 탄성 거동과 소성 거동 사이의 경계는 부품 전체에서 계속 이동한다.[2][2] Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II. Authors of the IJMPT discussions. International Journal of Materials and Product Technology, 2005.

소성 변형이 공간적으로 서로 양립하지 않을 때 영구 변형이 발생한다. 모든 영역이 동일하게 수축한다면 부품은 단순히 작아질 뿐이다. 한 영역이 다른 영역보다 더 많이 수축하고 그 차이를 탄성적으로 수용할 수 없다면 부품은 굽거나 비틀리거나 형상이 변한다. 상변태는 또 다른 변형의 원인이 된다. 예를 들어 마르텐사이트 형성에는 체적 증가가 수반되며, 다른 변태는 서로 다른 시점과 크기로 발생한다. 2005년 International Journal of Materials and Product Technology의 논의는 불균일한 열 구배를 담금질 변형의 주요 원인으로 제시하고, 잔류응력이 미세 규모의 소성 변형, 퀜처 조건, 표면 및 침탄 경화, 최종 연삭과 관련된다고 설명한다(제1부; 제2부).

Worcester Polytechnic Institute의 보고서도 열전달, 상변태, 응력, 변형 및 미세조직 변화가 서로 결합된 문제라는 점으로 같은 내용을 설명한다(WPI 보고서). 이것이 이 글의 나머지 부분에서 유용한 출발점이다. 열처리는 단순히 강에 온도 일정을 부과하는 과정이 아니다. 열적 변형과 야금학적 변형이 상호작용하며 계속 변화하는 장을 형성하고, 최종 치수는 그 이력의 가시적으로 남은 결과이다.

2. 열처리된 강에서 잔류 응력이 발생하는 세 가지 주요 원인

잔류 응력은 외부 하중과 온도 구배가 제거된 후에도 남아 있는 응력이다. 변형은 치수 변화로서, 휨, 타원화, 성장, 수축, 비틀림 또는 평탄도의 변화로 나타난다. 두 결과는 서로 연관되어 있지만 동일하지는 않다. 부품이 치수상 정확해 보이면서도 높은 잔류 응력을 유지할 수 있고, 또는 재료를 제거하면 이전에 균형을 이루고 있던 응력장이 해방되기 때문에 가공 후 변형이 발생할 수도 있다.

ASM International은 열처리 잔류 응력을 열응력, 변태 응력, 경화 잔류 응력이라는 세 가지 주요 원인으로 구분한다. 실제 강 부품에서는 이 메커니즘들이 동시에 작용하지만 서로 다르므로, 이러한 분류는 유용하다. 따라서 “퀜칭 응력”이라는 표현은 실제 사건의 순서를 가려 버린다. 특정 위치에서 어떤 메커니즘이 지배적인지는 열전달, 상변태, 단면 두께, 형상, 합금의 경화능, 냉각제의 선택, 그리고 이전 소재 이력에 의해 결정된다.

열 잔류 응력

열 잔류 응력은 불균일한 가열 또는 냉각에서 시작된다. 강은 가열되면 팽창하고 냉각되면 수축하지만, 부품 전체가 동일한 속도로 온도가 변하는 것은 아니다. 표면이 먼저 반응하고 중심부는 뒤따른다. 얇은 가장자리, 두꺼운 허브, 날카로운 모서리, 천공된 구멍은 각각 서로 다른 온도 이력을 갖게 된다.

냉각 중에는 뜨거운 내부가 팽창된 상태를 유지하려는 반면 차가운 표면은 수축하려 한다. 표면은 더 뜨거운 중심부에 의해 구속되므로 압축 상태에 들어갈 수 있고, 중심부에는 인장 응력이 발생한다. 중심부가 이미 냉각된 후 표면이 냉각되고 수축하면 응력 분포가 반전될 수 있다. 최종 응력의 부호는 “퀜칭”이라는 단어만으로 정해지지 않는다. 그 부호는 시간적 순서, 국부 형상, 열전도도, 냉각 강도, 그리고 과도 상태에서 항복이 발생했는지 여부에 좌우된다.

가열은 반대의 순서를 만들 수 있다. 빠르게 가열된 표면은 더 차가운 내부를 상대로 팽창하려 하며 압축 상태에서 항복할 수 있다. 이후 냉각될 때, 소성 변형된 표면에는 인장 잔류 응력이 남을 수 있다. 퀜칭이 시작되기 전의 온도장에는 노의 균일성, 장입 배열, 부품의 방향, 그리고 치구와의 접촉 상태가 모두 영향을 미친다.

ASM의 강 열처리를 위한 기본 원리 및 설계 지침은 변형과 바람직하지 않은 잔류 응력을 최소화하는 것을 열처리 설계의 주요 기준으로 제시한다. 여기서 중요한 점은 실용적인 측면에 있다. 열 구배는 단순히 온도 제어의 문제가 아니다. 열 구배는 서로 양립할 수 없는 변형률을 만들어 내며, 국부 응력이 온도에 따라 달라지는 항복 강도를 초과하면 이러한 변형률이 영구적으로 남을 수 있다.

국제 재료 및 제품 기술 저널은 퀜칭 중 불균일한 열 구배를 퀜칭 변형의 주요 원인으로 규정한다. 길고 가는 축은 한쪽이 다른 쪽보다 빠르게 냉각되기 때문에 휘어질 수 있다. 링은 외부 표면과 내부 표면이 서로 다른 속도로 열을 교환하기 때문에 타원형이 될 수 있다. 판은 양쪽 면의 냉각이 서로 다르면 접시 모양으로 변할 수 있다. 잔류 응력은 불과 수 밀리미터 사이에서도 인장 응력에서 압축 응력으로 달라질 수 있으므로, 단일 평균값만으로는 균열 위험이나 이후 가공 중 변위에 대해 많은 것을 알 수 없다.

변태 잔류 응력

변태 잔류 응력은 강이 결정 구조를 변화시키면서 부피와 기계적 거동이 변할 때 발생한다. 오스테나이트에서 냉각될 때 각 영역은 서로 다른 온도에서 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 마르텐사이트 변태는 상당한 변태 변형률을 발생시키며, 치수 변화의 크기와 방향은 탄소 함량, 합금 원소, 잔류 오스테나이트 및 각 구성상의 분율에도 좌우된다.

퀜칭된 부품의 표면은 중심부보다 먼저 냉각되고 변태하는 경우가 많다. 표면에 마르텐사이트가 형성되는 동안 내부가 여전히 오스테나이트 상태라면, 표면은 팽창하는 반면 중심부는 여전히 뜨겁고 상대적으로 쉽게 변형될 수 있는 상태에 있다. 이후 중심부가 변태하면서 팽창하지만, 이미 경화된 표면은 이러한 움직임에 저항한다. 그 결과 퀜칭 과정에서 응력 상태가 변할 수 있다. 처음에는 인장 상태였던 표면이 변태 시점과 구속 조건에 따라 최종적으로 압축 상태가 될 수도 있고, 그 반대가 될 수도 있다.

따라서 변태 응력을 균일한 “마르텐사이트 팽창” 보정값으로 취급해서는 안 된다. 변태 변형률은 국부적이며, 주변 소재는 서로 다른 온도, 상분율 및 항복 강도를 가질 수 있다. 연한 중심부 위에 경화층이 형성된 부품은 전체가 경화된 단면과 다르게 거동한다. 침탄, 질화 및 고주파 경화 부품 역시 급격한 미세조직 구배와 변형률 구배를 형성한다. 잔류 오스테나이트는 뜨임, 사용 중, 연삭 또는 보관 중에 나중에 변태할 수 있으며, 이로 인해 추가적인 치수 변화와 응력 완화가 발생한다.

변태는 변태 소성을 통해서도 응력에 영향을 미친다. 외부에서 가해진 응력이나 내부적으로 발생한 응력이 작용할 때, 변태 중인 영역은 일반적인 항복 강도보다 낮은 응력에서도 소성 변형할 수 있다. 이 변태는 가해진 변형률의 일부를 수용하지만, 반드시 원래 형상을 유지하는 방식으로 이루어지는 것은 아니다. 국부적인 변태 소성은 휨, 타원화 및 직진도 변화에 기여할 수 있다.

재료공학 및 성능 저널에 게재된 2022년 문헌 검토 논문 「강의 퀜칭 경화 중 잔류 응력과 변형: 검토」는 잔류 응력과 변형을 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제의 선택 및 냉각 강도가 상호작용한 결과로 설명한다. 이러한 상호작용이 핵심이다. 더 빠른 냉각제는 열 구배를 증가시키고 변태 순서를 바꾸며 동시에 더 단단한 표면을 형성할 수 있으므로, 사후에 이러한 효과를 분리하기는 어렵다.

경화 및 소성 변형 응력

세 번째 원인은 국부적인 항복, 가공경화 또는 양립 가능한 변형을 방해하는 구속에 의해 생성되는 응력이다. 강은 열처리 전체 과정에서 동일한 강도를 유지하지 않는다. 항복 강도는 온도와 미세조직에 따라 크게 변한다. 퀜칭 온도의 오스테나이트는 쉽게 변형될 수 있지만, 새로 형성된 마르텐사이트는 훨씬 강하고 연성이 낮다. 따라서 단면의 한 영역은 항복하는 반면 다른 영역은 탄성 상태를 유지할 수 있다.

표면층이 냉각 중 수축하려 하지만 더 뜨거운 중심부에 의해 구속된다고 가정해 보자. 표면의 응력이 순간적인 항복 강도를 초과하면 표면에는 영구적인 소성 변형률이 발생한다. 이후 온도장이 더욱 균일해지더라도 탄성 회복만으로는 이 소성 변형률을 제거할 수 없다. 남은 탄성 변형의 불일치가 잔류 응력이 된다. 부품의 한쪽이 다른 쪽보다 더 많이 항복하면 이러한 불일치는 응력뿐 아니라 변형으로도 나타난다.

경화는 국부적인 차이를 고정함으로써 이 효과를 증대시킨다. 마르텐사이트 경화층은 덜 경화된 중심부의 수축에 저항할 수 있고, 연한 중심부는 일부 변형을 수용할 수 있지만, 냉각과 변태가 계속되면 응력 분포가 반전될 수 있다. 퀜칭의 균일성, 교반, 냉각제 온도 및 부품 배치는 명목상 동일한 단면이 동일한 방식으로 경화되는지를 결정한다. 최종 연삭은 국부적인 가열과 기계적 변형을 통해 표면 근처에 또 다른 응력층을 추가할 수 있다.

국제 재료 및 제품 기술 저널은 퀜칭된 강의 잔류 응력을 미세 규모의 소성 변형과 연관시키며, 냉각제 조건, 표면 및 침탄 경화, 최종 연삭의 영향을 논의한다. 이 메커니즘은 표면에서 측정한 응력이 중심부를 대표한다고 가정할 수 없는 이유를 설명한다. 또한 뜨임, 열처리 또는 제어된 기계적 방법을 통한 응력 제거를 선택할 때 소재 상태와 요구 치수를 고려해야 하는 이유도 설명한다.

이 세 가지 원인은 지속적으로 서로 중첩된다. 열응력은 변태 경로를 변화시키고, 변태 변형률은 열적·기계적 구속을 변화시키며, 국부적인 항복은 이 두 요소를 모두 재분배한다. 주조 이력, 단조 변형, 편석, 가공, 그리고 이전의 불림 또는 풀림 처리는 초기 상태를 변화시킨다. 아이오와 대학교와 미국 에너지부의 보고서는 이러한 잔류 응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하와 연관된다고 설명한다. 또한 NIST 소재 데이터 아카이브는 완화되지 않은 퀜칭 응력이 재료 제거로 원래의 균형이 깨질 때 가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 지적한다.

따라서 타당한 평가는 응력이 인장인지 압축인지, 그 크기가 단면을 따라 어떻게 변하는지, 그리고 한 형상 요소에서 다른 형상 요소로 이동할 때 어떻게 달라지는지를 물어야 한다. 표면, 경화층과 중심부의 경계, 두께 중앙, 보어, 필릿 및 단부면에서는 답이 서로 다를 수 있다. “퀜칭 응력”은 공정 명칭이지 메커니즘이 아니다.

3. 가열: 변형 위험이 시작되는 첫 단계

변형은 강철 부품이 퀜칭액에 들어갈 때 시작되는 것이 아니다. 부품의 서로 다른 영역이 서로 다른 온도에 도달하고 각기 다른 정도로 팽창하려는 순간부터 시작된다. 그 결과 발생하는 응력은 탄성 상태로 남을 수도 있고, 국부 항복 강도를 초과하여 영구 변형률을 발생시킬 수도 있다. 어느 경우든 가열 사이클은 이후의 변태 및 퀜칭과 상호작용하는 기계적 상태를 형성한다.

잔류 응력과 변형은 서로 관련되어 있지만 동일한 것은 아니다. 잔류 응력은 외부 하중과 온도 차이가 사라진 후에도 부품 내부에 남아 스스로 균형을 이루는 응력이다. 변형은 치수 또는 형상의 변화이다. 부품은 뚜렷한 휨 없이도 상당한 잔류 응력을 유지할 수 있는 반면, 소량의 국부 소성 변형만으로도 측정 가능한 굽힘이나 진원도 저하가 발생할 수 있다. ASM International은 퀜칭 및 뜨임된 강에서 열 잔류 응력, 변태 잔류 응력, 경화 잔류 응력을 서로 구별되는 기여 요인으로 규정하며, 변형과 바람직하지 않은 잔류 응력을 최소화하는 것을 열처리 설계의 주요 기준으로 다룬다.

노 가열 중의 온도 구배

노는 안정적인 설정 온도를 유지할 수 있지만, 작업물 전체의 온도가 균일해지기까지는 상당한 시간이 걸릴 수 있다. 표면이 먼저 열을 흡수하고, 단면을 통해 열이 전도되어야 하므로 중심부는 나중에 반응한다. 얇은 모서리, 치형, 리브 또는 보스는 노 온도에 가까워질 수 있지만, 두꺼운 허브나 판재 중심부는 여전히 상대적으로 차가울 수 있다. 뜨거운 영역은 팽창하려 하지만 차가운 내부가 이를 구속한다. 이로 인해 가열 과정에서 압축 응력과 인장 응력이 변화하는 양상이 나타난다.

이 응력 양상은 고정되어 있지 않다. 가열 초기에는 일반적으로 더 뜨거운 표면이 차가운 중심부에 의해 압축 상태가 되고, 중심부는 인장 상태가 된다. 온도 전선이 안쪽으로 이동함에 따라 응력 분포가 변하며, 온도 차이가 충분히 크면 국부 항복이 발생할 수 있다. 이후 부품 전체의 온도가 균일해지더라도 앞서 발생한 소성 변형은 사라지지 않는다. 이는 퀜칭이 시작될 때의 초기 조건의 일부가 된다.

따라서 최종 오스테나이트화 온도가 동일하더라도 가열 속도는 중요하다. 급속 승온은 표면과 중심부 사이의 온도 차이를 증가시킬 수 있는 반면, 단계적 가열이나 예열 유지 공정은 이를 줄일 수 있다. 그렇다고 느린 가열이 모든 문제를 해결하는 것은 아니다. 장시간 노출은 결정립 크기, 탈탄, 탄화물 용해 또는 산화에 영향을 줄 수 있으며, 치구는 사이클 전체에 걸쳐 부품을 계속 구속할 수 있다. 적절한 가열 일정은 강종, 단면 두께, 노 분위기 및 허용되는 치수 변화에 따라 결정된다.

Journal of Materials Engineering and Performance에 게재된 2022년 연구자들의 리뷰는 변형을 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선정 및 퀜칭 강도 사이의 상호작용으로 설명한다. 가열은 그 연쇄 과정의 첫 부분이다. 노 출구에서 온도장이 균일하지 않으면 퀜칭은 불균일한 열적·기계적 초기 조건에서 시작된다.

열팽창 구속과 부품 형상

자유롭고 균일한 봉은 큰 내부 응력을 발생시키지 않고 팽창할 수 있다. 그러나 실제 부품은 자유롭거나 균일한 경우가 드물다. 치구가 플랜지를 고정하거나, 축을 두 지점에서 지지하거나, 링이 반경 방향으로 움직이는 것을 막을 수 있다. 접촉 마찰은 한 영역을 제자리에 붙잡아 두는 동안 다른 영역이 팽창하도록 만들 수 있다. 외부 치구가 없더라도 인접한 형상 요소가 내부 구속으로 작용할 수 있다.

형상은 이러한 효과를 집중시킨다. 얇은 웹에 연결된 두꺼운 보스는 천천히 가열되며 다른 일정에 따라 팽창한다. 리브는 한 방향으로 판재를 구속하여 단순한 선형 팽창이 아니라 굽힘을 일으킬 수 있다. 구멍은 자유 표면을 만들고 국부 강성을 낮추며, 여러 개의 구멍이 한쪽 면과 다른 쪽 면의 가열 및 팽창을 서로 다르게 만들 수 있다. 키홈, 슬롯, 치형, 날카로운 모서리 및 급격한 단면 변화는 국부적인 열 구배와 응력 집중을 발생시킨다. 질량 분포가 비대칭이거나 지지점이 대칭적으로 배치되지 않은 경우, 외형상 대칭적인 부품도 변형될 수 있다.

길고 가는 부품은 서로 마주 보는 면을 따라 발생하는 작은 팽창 차이에도 특히 민감하다. 한쪽 면이 약간 더 뜨거워지는 것만으로도 상변태가 발생하기 전에 곡률이 생길 수 있다. 링과 디스크는 테두리와 중심부가 서로 다른 온도 이력을 따를 때 직경이 변하거나 평탄도를 잃을 수 있다. 대형 주물과 중량 단조품 역시 얇은 돌출부가 이미 오스테나이트화 온도 범위에 도달한 동안에도 충분히 느리게 반응하여 차가운 상태로 남는 영역을 포함할 수 있다.

치구는 움직임을 줄이지만 부품에 하중을 전달하기도 한다. 강성 고정은 눈에 보이는 한 가지 변형 형태를 억제하는 대신, 탈거 또는 퀜칭 중에 방출되는 저장 응력을 증가시킬 수 있다. 따라서 치구는 단순히 치수를 유지하는 장치가 아니라 열적·기계적 시스템의 일부로 고려해야 한다. 2022년 리뷰가 형상과 단면 두께를 강조한 내용은 강 자체뿐 아니라 치구 설계에도 적용된다.

기존 응력, 주조 이력 및 이전 공정

노에 들어가는 부품에는 이미 공정 이력이 존재한다. 용접은 열수축 응력을 남기며, 모재와 미세조직 및 강도가 다른 열영향부를 형성할 수 있다. 단조는 방향성 있는 유동, 불균일한 냉각, 그리고 심하게 가공된 영역과 가공이 적은 영역 사이의 잔류 응력을 초래할 수 있다. 주조는 불균일한 결정립 조직, 편석, 기공, 열간 찢김 손상, 응고 및 냉각으로 인한 잔류 응력을 남길 수 있다. 냉간 가공은 전위 밀도를 높이고 에너지를 저장하며, 기계가공은 응력이 집중된 표면층을 제거하여 단면 전체의 힘의 균형을 변화시킬 수 있다.

아이오와 대학교의 강 주물 관련 기술 연구는 최종 치수와 잔류 응력을 예측할 때 주조 이력을 포함해야 한다고 강조한다. 이 점은 주물을 넘어 다른 부품에도 적용된다. 응력이 없고 균질한 소재에서 시작한다고 가정하는 열처리 모델은 실제 부품이 휘는 원인을 놓칠 수 있다. 미국 에너지부 역시 강 주물의 열응력 및 잔류 응력이 변형, 균열, 용접 보수, 재작업, 치수 오차 및 사용 성능 저하와 관련된다고 설명한다.

이전 기계가공에는 특히 주의가 필요하다. 국립표준기술연구소의 재료 데이터 아카이브에 보존된 Metallurgy of Heat Treatment는 완화되지 않은 퀜칭 응력이 잔류 응력의 균형을 깨뜨리는 재료 제거로 인해 기계가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 보고한다. 같은 원리는 가열 중에도 작용할 수 있다. 압축 또는 인장 상태에 있는 표면은 내부와 다르게 반응할 수 있으며, 노 사이클은 이러한 불균형을 드러낼 수 있다.

응력 제거, 노멀라이징, 제어된 예열 또는 중간 기계가공 공정은 위험을 줄일 수 있지만, 이러한 방법이 재료의 이력을 자동으로 없애 주는 것은 아니다. 가열은 회복 또는 소성 유동을 통해 기존 응력의 일부를 완화하는 동시에 새로운 열응력을 발생시킬 수 있다. 퀜칭이 시작될 무렵 부품에는 이미 불균일한 온도장, 변화된 미세조직 및 고르지 않은 응력 상태가 존재할 수 있다. 이러한 조건은 이후의 변태가 무해한 치수 변화로 끝날지, 눈에 보이는 뒤틀림을 일으킬지, 또는 균열을 발생시킬지를 결정하는 데 영향을 준다.

4. 오스테나이트화와 담금질 전의 금속학적 상태

담금질은 오일, 폴리머, 물 또는 가스에 침지하는 순간 시작되지 않는다. 담금질은 가열 과정에서 형성된 금속학적 상태에서 시작된다. 오스테나이트 결정립 크기, 탄소 분포, 고용된 합금 원소, 기존 미세조직, 표면 화학, 온도 균일성 및 단면 온도는 모두 변태가 시작되는 시점과 부품이 수용할 수 있는 변형량을 결정한다. 따라서 담금질 직전의 상태는 변태 과정과 부품이 냉각되는 동안 발생하는 응력을 모두 좌우한다.

ASM International은 강의 열처리 잔류 응력에 기여하는 세 가지 요소로 열응력, 변태 응력 및 경화 응력을 제시한다(ASM Handbook, “Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels”). 실제로 이 범주들은 서로 겹친다. 열 구배는 불균일한 수축을 일으키고, 변태 구배는 국부적인 체적 변화를 더하며, 그 결과 발생하는 불일치는 소성 변형을 유발할 수 있다. 부품은 치수상 허용 가능한 상태로 담금질을 마칠 수 있지만, 내부 힘의 균형이 재료 제거에 의해 변하기 때문에 가공 중 휨이 발생할 만큼 완화되지 않은 응력을 여전히 포함할 수 있다. 이는 National Institute of Standards and Technology의 재료 데이터 아카이브에 수록된 Metallurgy of Heat Treatment에서 설명된 내용이다.

오스테나이트 형성과 균질화

아공석강의 경우, 관련 상부 임계 온도 이상으로 가열하면 페라이트와 펄라이트가 오스테나이트로 변태할 수 있다. 공석강과 과공석강에서는 출발 구성상과 필요한 온도가 다르지만, 동일한 실무적 문제가 남는다. 즉, 오스테나이트는 제어된 탄소 분포를 갖고 과도한 결정립 성장을 일으키지 않는 상태로 형성되어야 한다. 오스테나이트화는 단순히 로 설정 온도에 도달하는 문제가 아니다. 특히 두꺼운 단면이나 두께가 급격히 변하는 부품에서는 표면이 목표 온도에 도달했을 때에도 중심부가 여전히 더 낮은 온도에 있을 수 있다.

이후의 변태에 이용 가능한 오스테나이트 조성을 형성하려면 시멘타이트 및 기타 탄화물에서 탄소가 고용되어야 한다. 가열이 불충분하거나 유지 시간이 너무 짧으면 미용해 탄화물과 국부적인 탄소 편차가 남는다. 가열이 과도하거나 지나치게 오래 지속되면 오스테나이트 결정립이 조대화될 수 있다. 두 조건 모두 변태 시점과 담금질 중 기계적 거동을 변화시킨다. 조대한 오스테나이트에서는 미세한 오스테나이트와 다른 조건에서 변태 생성물이 형성되는 경우가 많으며, 국부적인 조성 차이로 인해 서로 인접한 영역이 동시에 변태를 시작하거나 완료하지 않을 수 있다.

균질화는 화학 조성뿐 아니라 온도에도 관련된다. 동일한 로 장입물에서도 플랜지, 치근, 보어 및 얇은 림은 서로 다른 열 이력을 가질 수 있다. 담금질 시 얇은 영역은 일반적으로 열을 더 빠르게 잃는 반면, 무거운 단면의 내부는 뜨거운 상태로 남아 더 늦게 계속 수축한다. Journal of Materials Engineering and Performance에 실린 Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels의 저자들이 2022년에 발표한 리뷰는 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 담금질 강도가 서로 상호작용한다는 점을 강조한다. 담금질을 하나의 냉각 속도 값으로 취급하면 변형을 발생시키는 구배가 가려진다.

오스테나이트에는 부품의 재료 이력도 반영된다. 주조 시의 편석, 단조 유동, 용접 열 사이클, 밴드 조직, 이전의 노멀라이징 또는 경화 처리는 결정립 크기나 탄화물 분포가 서로 다른 영역을 형성할 수 있다. University of Iowa와 U.S. Department of Energy가 강 주조품에 관해 발표한 보고서는 치수 예측에 생산 이력이 포함되어야 하는 이유를 보여 준다. 즉, 가열과 냉각으로 인한 열응력 및 잔류 응력은 변형, 균열, 재작업, 용접 보수 및 사용 성능 저하에 기여할 수 있다.

합금 화학 조성과 경화능

경화능경화능 주어진 냉각 조건에서 강재 단면이 지정된 깊이까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력.

탄소는 마르텐사이트가 달성할 수 있는 경도뿐 아니라 변태 온도와 변태 속도에도 영향을 준다. 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘 및 니켈과 같은 합금 원소는 일반적으로 변태 거동을 변화시키고 경화능을 높일 수 있다. 경화능이 높다는 것은 경화능이 낮은 강보다 지정된 냉각 조건에서 더 큰 단면이 마르텐사이트를 형성할 수 있다는 뜻이다. 경화능은 경도와 동일하지 않다. 강종이 높은 경화능을 갖더라도 특정 경도에 도달하려면 일정한 탄소 수준과 담금질 조건이 필요할 수 있다.

이러한 구분은 응력 측면에서 중요하다. 전체 경화 처리에서는 표면이 먼저 냉각되어 중심부가 오스테나이트 상태로 남아 있는 동안 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 이때 표면은 마르텐사이트 변태 중 팽창하려는 경향을 보이는 반면, 중심부는 여전히 열적으로 수축하고 있을 수 있다. 이후 중심부에서 일어나는 변태는 앞서 형성된 응력 상태를 반전시키거나 강화할 수 있다. 최종 잔류 응력은 경도만으로 결정되는 것이 아니라 변태 순서, 구속, 소성 유동 및 변태 변형률에 따라 결정된다.

합금 화학 조성은 변태 시작 온도, 변태 속도, 탄화물 안정성 및 확산형 생성물을 억제하는 데 필요한 냉각 속도에 영향을 주어 이러한 순서를 변화시킨다. 따라서 단면 내에서 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 잔류 오스테나이트가 형성되는 위치가 달라질 수 있다. 형상 역시 중요하다. 동일한 강종과 명목상 동일한 열처리라도 얇은 링, 어깨부가 있는 축 및 대형 주조품에서는 열 추출과 기계적 구속 조건이 서로 다르므로 응력 분포가 달라질 수 있다.

더 강한 담금질이 변형을 줄이는 보편적으로 최선의 방법은 아니다. Limited evidence

ASM의 Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel은 변형과 바람직하지 않은 잔류 응력을 최소화하는 것을 열처리 설계의 주요 기준으로 제시한다. 이러한 설계 결정은 강의 경화능과 부품의 단면 두께를 함께 고려하여 내려야 한다. 담금질 강도를 높이면 더 깊은 경화를 촉진할 수 있지만, 열 구배와 소성 변형률도 증가시킬 수 있다. 더 느리거나 더 균일한 담금질은 변형을 줄일 수 있지만, 지정된 미세조직 목표와는 다른 중심부 변태를 남길 수 있다. 따라서 보편적으로 적용되는 “더 강한 담금질” 해법은 없다.

침탄, 질화 및 침탄층 깊이 구배

표면 처리와 침탄층 처리는 재료를 의도적으로 불균일하게 만든다는 점에서 전체 경화와 다른 문제를 야기한다. 침탄에서는 고온에서 탄소가 표면으로 유입되어 침탄층에서 중심부 방향으로 탄소 농도 구배가 형성된다. 오스테나이트화와 담금질 후에는 침탄층과 중심부의 변태 온도, 경화능 거동, 마르텐사이트의 탄소 함량, 잔류 오스테나이트 분율 및 변태 변형률이 서로 다를 수 있다. 따라서 침탄층 깊이는 단순한 경도 프로파일이 아니라 변형률 및 응력 프로파일이기도 하다.

중심부는 고탄소 침탄층보다 늦게 변태할 수 있으며, 두 영역은 수축하고 변태하는 동안 서로를 구속한다. 부품 형상에 따라 이러한 상호작용은 유용한 표면 압축 응력, 다른 영역의 바람직하지 않은 인장 응력, 굽힘, 타원도 또는 국부 균열을 유발할 수 있다. 최종 연삭은 이러한 응력을 드러내거나 재분포시킬 수 있다. International Journal of Materials and Product Technology는 담금질 강의 잔류 응력에 영향을 미치는 요인으로 미세 규모 소성 변형, 냉각제 조건, 표면 및 침탄층 경화, 최종 연삭을 제시한다(Part II).

질화는 비교적 낮은 온도의 페라이트 공정에서 질소를 도입하여, 동일한 침탄 및 담금질 침탄층 형성 기구에 의존하지 않고 질소 함유 상과 합금 질화물을 형성한다는 점에서 다르다. 질화에 따른 치수 변화는 가혹한 침탄-담금질 사이클보다 작을 수 있지만, 그렇다고 치수상 중립적인 것은 아니다. 화합물층 두께, 확산 깊이, 기존 중심부 상태, 잔류 응력 및 국부 형상은 별도로 평가해야 한다.[3][3] Distortion and Residual Stress. Worcester Polytechnic Institute report authors. Worcester Polytechnic Institute report, 2021.

진공 열처리 역시 별도의 변형 분석이 필요하다. 진공은 표면 반응, 탈탄 위험, 로의 열전달, 가스 담금질 압력 및 유량의 선택을 변화시키지만, 열 구배나 변태 변형률을 제거하지는 않는다. Worcester Polytechnic Institute의 보고서는 담금질 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 진화를 포함하는 연성 결합 문제로 설명한다. 이러한 설명은 전체 경화, 침탄, 질화 및 진공 처리 부품 모두에 적용된다. 냉각 전의 금속학적 상태가 초기 조건을 설정하고, 담금질은 그러한 조건이 형상 및 구속 조건과 어떻게 상호작용하는지를 드러낼 뿐이다.

5. 담금질: 결합된 열전달 및 변태 문제

담금질은 흔히 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환하는 급속 냉각 단계로 설명된다. 그러나 이러한 설명만으로는 불충분하다. 강 부품은 전체가 동일한 속도로 냉각되지 않으며, 모든 위치가 동일한 온도나 시간에 변태하는 것도 아니다. 최종 치수와 잔류응력 분포는 열전달, 상변태, 탄성 구속, 소성 유동, 형상, 단면 두께, 재료 이력 및 국부적인 담금질 냉각제 조건이 상호작용한 결과로 형성된다.

Journal of Materials Engineering and Performance에 게재된 2022년 리뷰 “Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels”는 이러한 변수를 서로 독립적인 공정 설정이 아니라 상호작용하는 시스템으로 다룬다. Worcester Polytechnic Institute의 보고서 Distortion and Residual Stress에서도 같은 결론을 제시한다. 즉, 담금질 변형은 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 발달이 서로 결합된 현상이다. 이는 한 변수를 변경하면 공정의 한 부분은 개선되는 동시에 다른 부분은 악화될 수 있기 때문에 중요하다.

표면과 중심부의 냉각 차이

고온의 강 부품이 담금질 냉각제에 들어가면 표면이 먼저 열을 잃는다. 이후 더 뜨거운 중심부에서 더 차가운 표면으로 열이 흐르므로, 단면 전체의 온도장은 지속적으로 변한다. 얇은 모서리는 냉각제 온도에 가까워질 수 있지만, 두꺼운 기어, 축, 금형 또는 주물의 중심부는 여전히 오스테나이트 상태로 남아 있을 수 있다. 단면 두께가 클수록 이러한 분리는 더 오래 지속된다.

표면과 중심부의 온도 차이는 열변형률을 발생시킨다. 차가운 표면은 수축하려 하지만 더 뜨거운 내부는 그 수축을 억제한다. 고온에서는 강의 항복강도가 비교적 낮으므로 이러한 불일치의 일부가 소성변형으로 완화될 수 있다. 온도가 내려가면 재료의 유동 능력이 감소하고, 응력이 부품 내부에 고착될 수 있다. 그 결과 휨, 타원도, 비틀림 또는 구멍 직경의 변화가 나타날 수 있으며, 측정된 치수가 허용 범위에 있더라도 잔류응력이 남아 있을 수 있다.

변태는 두 번째 시간 의존적 변형률을 추가한다. 일반 탄소강이나 저합금강에서는 중심부가 아직 고온의 오스테나이트 상태인 동안 표면이 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 마르텐사이트 변태는 일반적으로 팽창을 일으키는 반면, 변태하지 않은 오스테나이트의 냉각은 열수축을 일으킨다. 먼저 팽창하는 표면은 중심부에 의해 구속된다. 이후 중심부가 변태할 때에는 이미 변태가 완료되어 더 차가워진 외부 영역에 의해 그 팽창이 구속된다. 강종, 냉각 경로 및 각 영역이 변태하는 온도에 따라 담금질 중 응력 상태는 부호가 바뀔 수 있다.

일부 영역이 너무 느리게 냉각되거나 강의 경화능이 충분하지 않으면 마르텐사이트 대신 베이나이트 또는 펄라이트가 형성될 수 있다. 이들의 변태 변형률과 기계적 성질은 마르텐사이트와 다르다. 잔류 오스테나이트는 이후 냉각, 뜨임, 사용 또는 연삭 과정에서 추가적인 치수 변화를 일으킬 수 있다. 따라서 최종 경도가 동일한 두 위치라도 서로 다른 열적·변태 경로를 거쳤다면 잔류응력은 서로 다를 수 있다.

International Journal of Materials and Product Technology의 리뷰는 불균일한 열구배를 담금질 변형의 주요 원인으로 규정한다. 이 설명을 단순히 “표면이 더 빨리 냉각된다”로 축약해서는 안 된다. 중요한 것은 시간에 따라 변화하는 구배와 그에 수반되는 기계적 구속이다. 형상은 이 두 요소를 모두 좌우한다. 날카로운 모서리는 중앙 웹보다 단위 체적당 표면적이 크며, 막힌 구멍, 키홈, 얇은 플랜지 또는 불연속 표면은 국부적인 유체 접근성과 열 흐름을 변화시킨다. SAE 8620 부품과 같은 저탄소강의 침탄층 역시 저탄소 중심부와는 다르게 변태한다. 관통경화된 AISI 4140 단면은 이러한 표면경화 부품과는 다른 열적·변태 문제를 나타낸다.

담금질 강도와 담금질 균일성

담금질 강도는 냉각 시스템이 강에서 열을 제거하는 능력을 나타낸다. Grossmann 해석에서는 매개변수 H를 사용하여 냉각 강도를 나타내지만, H는 보편적인 재료 상수가 아니다. 이는 냉각제, 온도, 교반, 표면 상태, 부품의 방향 및 유체와 부품 표면 사이의 관계에 따라 달라진다. 물 담금질, 고분자 용액, 오일, 가스 또는 용융염 공정은 서로 매우 다른 냉각 곡선을 만들 수 있으며, 동일한 명목상의 냉각제라도 서로 다른 탱크에서는 다르게 거동할 수 있다.

담금질 강도가 증가하면 냉각 속도가 빨라지고 경화 가능한 단면의 중심부에서 마르텐사이트 형성이 촉진될 수 있다. 그러나 유체 접근이 불균일한 경우에는 표면과 중심부의 온도 차이도 커질 수 있다. 이는 열응력과 변형을 증가시킬 수 있다. 그렇다고 느린 담금질이 자동으로 더 안전한 것은 아니다. 느린 냉각은 일부 영역에서 펄라이트 또는 베이나이트 형성을 허용하고, 온도 차이가 존재하는 기간을 연장하며, 인접한 단면 사이에 변태 불일치를 일으킬 수 있다. 더 강한 담금질이 항상 변형을 증가시키거나 항상 감소시킨다는 보편적인 규칙은 없다.

중요한 것은 전체 냉각 곡선이 강과 부품에 어떻게 작용하는가이다. 경화능이 높은 합금은 중간 정도의 담금질만으로 필요한 중심부 변태에 도달할 수 있지만, 경화능이 낮은 강종은 더 빠른 냉각이 필요할 수 있다. 강한 담금질은 차등 냉각에 허용되는 시간을 줄여 특정 형상에서 변형을 감소시킬 수 있지만, 다른 형상에서는 더 큰 순간적 구배를 부과하거나 불균일한 비등을 유발하여 변형을 증가시킬 수 있다. 2022년 Journal of Materials Engineering and Performance 리뷰는 변형과 잔류응력을 냉각제 선정, 담금질 강도, 형상, 단면 두께, 열전달 및 상변태의 상호작용과 구체적으로 연관시킨다.

따라서 명목상의 담금질 강도만큼이나 균일성이 중요하다. 판의 한쪽 면에는 강한 유체 흐름이 작용하고 반대쪽 면은 정체 영역에 놓이면, 양쪽 면은 서로 다른 시점에 변태할 수 있다. 긴 축은 탱크 내 유동, 고정구, 단부 효과 또는 노출 면적의 변화로 인해 길이 방향으로 서로 다른 냉각 속도를 보일 수 있다. 부품을 지나치게 밀착하여 배치하면 서로의 냉각을 방해할 수 있다. 바스켓, 랙, 마스크 및 접촉 지점은 경도와 형상을 변화시킬 만큼 큰 국부 열전달 차이를 만들 수 있다.[4][4] Metallurgy of Heat Treatment. Authors of Metallurgy of Heat Treatment. National Institute of Standards and Technology materials-data archive.

잔류응력은 변형과 동의어가 아니다. 부품은 즉각적인 치수 변화가 거의 없더라도 상당한 자기평형 응력을 유지할 수 있으며, 반대로 더 작은 응력 불균형이 소성 유동을 일으켜 눈에 띄게 변형될 수도 있다. 이러한 구분은 가공 중에 중요해진다. National Institute of Standards and Technology가 보관하는 Metallurgy of Heat Treatment는 완화되지 않은 담금질 응력이 기존 응력 균형을 깨뜨릴 때 재료 제거 과정에서 휨을 일으킬 수 있다고 설명한다. 담금질 후 직선인 부품이 반드시 응력이 없는 것은 아니다.

냉각제 온도, 유동 및 비등 거동

냉각제는 여러 단계를 거쳐 열을 제거하며, 이러한 단계는 유체의 온도와 유동에 크게 영향을 받는다. 물이나 오일 속에서 고온의 강 표면은 처음에 증기막을 형성할 수 있다. 이 막비등 단계에서는 표면이 단열되어 예상보다 냉각 효과가 낮아질 수 있다. 증기층이 붕괴하면 핵비등이 훨씬 빠르게 열을 제거할 수 있다. 표면 온도가 더 낮아지면 비등이 감소하고 대류가 주된 냉각 메커니즘이 된다.

실제 부품 주위에서 증기막은 거의 균일하지 않다. 위쪽을 향한 표면에서는 증기막이 지속될 수 있고, 모서리 부근에서는 붕괴하거나, 코너 주변에서는 불규칙하게 끊길 수 있다. 이러한 국부적 차이는 불균일한 냉각을 일으킨다. 교반이 평균적인 냉각 강도를 높이는 경우가 많음에도 변형을 줄일 수 있는 이유 중 하나가 여기에 있다. 유동은 증기막을 분해하고 균일성을 향상시킨다. 그러나 과도하거나 부적절한 방향의 유동은 서로 다른 국부 유동장을 만들 수 있으며, 한 면의 냉각을 다른 면보다 더 크게 강화할 수 있다.

냉각제 온도는 점도, 비등 거동, 열용량 및 증기막의 안정성을 변화시킨다. 차가운 물은 빠른 열 추출을 제공할 수 있지만, 급격한 구배와 큰 열충격을 일으킬 수도 있다. 더 따뜻한 오일은 일반적으로 더 느리게 냉각하며, 고분자 농도는 냉각 속도와 비등에서 대류로 전환되는 과정 모두를 변화시킨다. 가스 담금질은 강도가 낮지만 진공 열처리에서 제어된 방향성 유동을 제공할 수 있다. 올바른 비교는 냉각제의 명칭만이 아니라 관련 위치에서 측정한 냉각 곡선을 기준으로 이루어져야 한다.

탱크 설계와 부품의 이동도 중요하다. 회전은 원통형 부품의 원주 방향 냉각을 균일하게 만들 수 있지만, 적절하지 않은 회전 속도는 축 방향 차이를 바로잡지 못한 채 증기 제거 방식만 변화시킬 수 있다. 탱크 안으로 내려 넣는 부품은 한 번에 침지되는 부품과 다른 열 이력을 겪을 수 있다. 구멍, 치형, 홈 및 접촉 고정구 주변의 국부적인 유체 접근성도 고려해야 한다.

ASM International은 담금질 및 뜨임 처리된 강에서 열적 잔류응력, 변태 잔류응력 및 경화 잔류응력을 서로 구별되는 기여 요인으로 제시하며, 열처리 설계 지침에서는 변형과 바람직하지 않은 잔류응력의 최소화를 주요 설계 기준으로 명시한다. 이러한 기준을 충족하려면 전체 담금질 순서를 제어해야 한다. 즉, 표면과 중심부의 온도장, 변태의 시점과 범위, 응력 및 소성변형률의 응답, 그리고 열 제거의 공간적 균일성을 모두 관리해야 한다. 담금질은 하나의 냉각 속도가 아니다. 이는 구속된 채 변화하는 고체에 가해지는, 이동하는 열적·야금학적 경계 조건이다.

6. 상변태와 상변태 유발 변형률

강은 균일한 탄성 고체로서 냉각되지 않는다. 담금질 중에는 표면이 상변태 온도 범위를 통과하는 동안 중심부가 오스테나이트 상태로 남아 있을 수 있으며, 이후 중심부는 서로 다른 응력 상태와 냉각 속도에서 상변태한다. 따라서 각 영역은 고유한 열적·야금학적 경로를 따른다. 최종 치수는 열수축, 상변태 변형률, 탄성 응력, 소성 유동, 형상 및 구속 조건이 복합적으로 작용한 결과로 결정된다.

ASM International은 열처리 잔류응력을 열적 기여, 상변태 기여 및 경화 기여로 구분한다. 이러한 범주는 메커니즘을 설명하는 데 도움이 되지만, 실제 부품에서는 서로 독립적이지 않다. 온도 구배는 응력을 발생시키고, 그 응력은 상변태에 수반되는 변형률을 변화시킨다. 상변태한 영역은 체적과 강성이 변하며, 그 결과 인접한 재료로 응력이 재분배된다. 따라서 Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review의 저자들이 Journal of Materials Engineering and Performance에 2022년에 발표한 검토 논문은 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선정 및 담금질 강도를 서로 독립적인 보정 계수가 아니라 상호작용하는 변수로 다룬다.

단면 전체에서의 상변태 시작과 종료

냉각 중 오스테나이트가 상변태할 때 중요한 온도는 부품 전체에 대해 하나의 값으로 정해지지 않는다. 이는 국부적으로 발생하는 현상이다. 펄라이트는 국부 펄라이트 변태 시작 온도에서 생성되기 시작하고 더 낮은 온도에서 변태가 완료된다. 베이나이트는 일반적으로 $B_s$로 표시되는 베이나이트 변태 시작 온도에서 생성되기 시작하며, $B_f$ 부근에서 종료된다. 마르텐사이트는 $M_s$에서 생성되기 시작하고, 온도가 마르텐사이트 변태 종료 온도인 $M_f$를 향해 낮아짐에 따라 계속 생성된다. 합금 조성, 오스테나이트 결정립 크기, 탄소 함량, 이전 가공 이력 및 냉각 속도는 이러한 온도를 변화시키고 생성되는 상의 분율을 바꾼다.

얇은 단면의 표면은 $M_s$에 도달할 수 있지만, 두꺼운 단면의 중심부는 여전히 베이나이트 또는 펄라이트 영역보다 높은 온도에 있을 수 있다. 예를 들어 담금질된 AISI 4140 부품에서는 외부 층이 먼저 마르텐사이트로 변태하여 변태 변형률을 얻는 동안, 고온의 중심부는 여전히 열수축하고 상대적으로 큰 변형성을 유지할 수 있다. 이후 중심부가 상변태할 때에는 이미 경화된 외피에 의해 구속된다. 따라서 동일한 공칭 강종이라도 표면에는 마르텐사이트가, 더 느리게 냉각된 내부에는 베이나이트 또는 펄라이트가 존재할 수 있으며, 상변태 경계에 걸쳐 잔류응력도 서로 다르게 분포할 수 있다.

상변태 선도는 이러한 경쟁 과정을 단순히 온도만이 아니라 시간과 온도의 관계로 나타낸다. 냉각이 충분히 빠르면 연속 냉각 변태 경로가 펄라이트와 베이나이트 영역을 우회할 수 있지만, 그러한 조건이 모든 위치에 적용되는지는 단면 두께와 열 추출 조건에 의해 결정된다. 교반, 냉각제 온도, 증기막 형성, 부품 방향 및 국부 형상은 냉각 경로를 변화시킨다. 날카로운 모서리, 구멍, 얇은 리브 및 두꺼운 보스는 서로 같은 속도로 냉각되지 않는다.

“상변태 시작”은 현미경으로 관찰되는 변화가 시작된다는 의미만이 아니라 변형률을 발생시키는 과정의 시작을 뜻하기도 한다. 상변태 전에는 오스테나이트 영역이 열응력을 탄성 및 소성 방식으로 지지할 수 있다. 페라이트, 시멘타이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트가 생성되기 시작하면 국부 탄성계수, 항복강도, 밀도 및 열팽창 거동이 변한다. 상변태 종료가 모든 치수 변화나 응력 변화가 끝났음을 의미하는 것은 아니다. 온도는 계속 변할 수 있고, 일부 생성물에서는 탄소 재분배가 계속될 수 있으며, 변태하지 않은 오스테나이트가 남아 있을 수도 있다.

체적 변화와 상변태 소성

생성상들의 밀도는 오스테나이트의 밀도와 다르므로 상변태에 따라 체적이 변한다. 변화의 방향과 크기는 조성과 생성상에 따라 달라진다. 마르텐사이트는 일반적으로 모상인 오스테나이트보다 비체적이 크며, 특히 탄소 함량이 증가할수록 그 차이가 커진다. 반면 냉각 중 발생하는 열수축은 반대 방향으로 작용한다. 베이나이트와 펄라이트 역시 상변태 변형률을 발생시키지만, 그 형태, 탄소 분배 및 상변태 온도는 마르텐사이트와 다르다.

중요한 치수 결과는 하나의 자유 팽창값으로 설명되지 않는다. 균일하게 상변태하는 작은 시험편은 휨 없이 크기만 변할 수 있다. 그러나 실제 부품에서는 단면을 따라 상변태가 점진적으로 진행되므로 한 층이 다른 층을 구속한다. 국부 상변태 변형률이 탄성적으로 수용될 수 있는 범위를 초과하면 소성 변형이 발생한다. 그 결과 부품은 실온으로 돌아온 뒤에도 변형을 유지할 수 있으며, 최종 평균 체적 변화가 크지 않게 보이는 경우에도 그러하다.

변태 소성변태 소성 가해진 응력 또는 내부에서 발생한 응력 하에서 상변태의 도움으로 일어나는 소성 변형.

상변태 소성이란 재료가 외부 응력 또는 내부 응력을 받는 상태에서 상변태가 일어날 때 추가로 발생하는 소성 변형률이다. 변태하지 않은 오스테나이트에서 일반적인 소성 유동을 일으킬 만큼 응력이 높을 필요는 없다. 상변태는 재료의 변형 거동을 변화시키고, 응력은 그 결과 발생하는 변형률의 방향이나 크기에 편향을 준다. 따라서 링, 판 또는 기어 이빨은 상변태 전선이 통과하는 동안 휘거나 비틀리거나 직경이 변할 수 있다.

이 메커니즘은 잔류응력과 변형이 서로 연관되어 있지만 동일하지는 않은 이유를 설명한다. 잔류응력은 냉각 및 하중 제거 후 남는 자기평형 응력장이고, 변형은 형상 또는 치수의 영구적인 변화이다. 형상과 서로 반대되는 영역이 응력을 균형 있게 분담하면 눈에 띄는 변형이 거의 없이 응력이 존재할 수 있다. 반대로 상변태 소성은 불균일한 내부 응력장을 뒤틀림으로 전환할 수 있다. Worcester Polytechnic Institute 보고서는 담금질 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 변화가 서로 연계된 문제로 설명한다. 이는 변형을 단순히 담금질 매체의 문제로만 다루는 것보다 정확한 설명이다.

마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트 및 잔류 오스테나이트

마르텐사이트는 경화된 강에서 담금질 변형의 가장 큰 단일 원인인 경우가 많다. 마르텐사이트는 확산이 없는 전단 변태로 형성되므로, 탄소가 페라이트와 시멘타이트 사이에서 서서히 분배되지 않고 과포화 체심정방정 구조에 갇힌다. 그 형성은 빠른 체적 증가와 형상 변형을 일으킨다. 마르텐사이트는 한순간에 형성되는 것이 아니라 일정한 온도 범위에 걸쳐 형성되므로, 부품의 서로 다른 부분은 서로 다른 구속 조건에서 상변태할 수 있다. 더 연한 중심부를 둘러싼 단단한 마르텐사이트 표면층은 특히 응력 재분배가 발생하기 쉽다.

베이나이트는 펄라이트 영역보다 낮고 마르텐사이트 변태 시작 영역보다 높은 온도에서 형성되지만, 정확한 온도 범위는 합금 화학 조성과 냉각 이력에 따라 달라진다. 상부 베이나이트와 하부 베이나이트는 형태와 변형 거동이 서로 다르다. 베이나이트 변태는 특히 두껍거나 복잡한 단면에서 불균일하게 발생할 경우 상당한 치수 변화를 일으킬 수 있다. 베이나이트 변태는 마르텐사이트 분율을 줄이고 최종 응력 분포를 변화시킬 수 있지만, 상변태 변형을 없애지는 못한다.

펄라이트는 비교적 높은 상변태 온도에서 페라이트와 시멘타이트가 협동적으로 성장하면서 형성된다. 펄라이트 변태의 변형률은 일반적으로 마르텐사이트 형성보다 더 긴 시간에 걸쳐 수용되므로 열적 및 소성 완화가 더 많이 일어날 수 있다. 그렇다고 펄라이트가 치수 측면에서 중요하지 않은 것은 아니다. 표면은 이미 경화된 상태에서 서서히 냉각된 중심부가 펄라이트를 형성하면 외피에 구속을 가할 수 있으며, 그 결과 발생한 응력은 이후 가공 중에 해소될 수 있다.

잔류 오스테나이트잔류 오스테나이트 냉각 후 변태하지 않은 채 남아 있으며, 이후 뜨임, 사용, 연삭 또는 보관 중에 변태할 수 있는 오스테나이트.

잔류 오스테나이트는 국부 $M_f$ 온도에 도달하지 못하거나 탄소 및 합금 원소가 오스테나이트를 안정화하기 때문에 실온 이하에서도 남아 있는 오스테나이트이다. 고탄소강, 침탄 표면층 및 강한 합금 원소를 포함하는 강종은 상당량의 잔류 오스테나이트를 보유할 수 있다. 잔류 오스테나이트의 존재는 초기 치수와 이후의 치수 안정성 모두를 변화시킨다. 사용 중, 뜨임, 영하 처리, 연삭 또는 후속 하중 작용 과정에서 잔류 오스테나이트는 마르텐사이트나 다른 생성상으로 변태할 수 있다. 이러한 후속 상변태는 공칭 열처리가 완료된 후에도 체적을 증가시키고 형상을 변화시킬 수 있다.

이러한 지연된 변화 때문에 치수 검사를 항상 노에서 꺼낸 직후에만 실시할 수는 없다. 부품이 초기 측정을 통과한 뒤에도 뜨임이나 정삭 연삭 중에 치수가 변할 수 있다. NIST의 Metallurgy of Heat Treatment은 완화되지 않은 담금질 응력이 재료 제거로 잔류응력의 균형이 깨질 때 가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 설명한다. 따라서 ASM 열처리 설계 지침은 변형과 바람직하지 않은 잔류응력을 최소화하는 것을 주요 설계 기준으로 제시한다. 상의 분율, 상변태 온도 및 잔류 오스테나이트는 단면 두께와 담금질 균일성을 고려한 뒤 사후 보정 사항으로 추가할 것이 아니라, 이들과 함께 종합적으로 고려해야 한다.

7. 형상, 단면 두께 및 부품 설계

형상은 열이 강 부품으로 얼마나 빠르게 유입되고 빠져나가는지, 변태가 어디에서 시작되는지, 그리고 각 영역이 구속 없이 얼마나 팽창하거나 수축할 수 있는지를 결정합니다. AISI 4140 축과 리브, 보스 및 막힌 구멍이 있는 AISI 4140 판재에 동일한 담금질을 적용하더라도 동일한 응력 패턴이 형성되지는 않습니다. 강종, 경화능, 초기 미세조직, 가열 속도, 오스테나이트화 조건 및 냉각제는 여전히 중요하지만, 이러한 변수들이 부품 전체에 어떻게 분포하는지는 단면 형상이 결정합니다.

ASM International은 담금질 및 뜨임된 강에서 열 잔류응력, 변태 잔류응력 및 경화 잔류응력을 서로 구분되는 기여 요인으로 설명합니다. 그러나 실제 부품에서는 이들이 서로 분리된 상태로 남아 있지 않습니다. 온도 차이는 열변형을 만들고, 변태 차이는 변태 변형을 추가하며, 주변 재료는 두 변형을 모두 구속하여 탄성응력을 발생시킵니다. 국부 응력이 유동강도를 초과하면 소성변형도 발생합니다. 따라서 Journal of Materials Engineering and Performance에 게재된 2022년 리뷰는 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 담금질 강도를 서로 독립적인 입력값이 아니라 상호작용하는 요인으로 다룹니다.

두꺼운 부분에서 얇은 부분으로의 전이와 열용량

두꺼운 영역은 단위 표면적당 열용량이 얇은 영역보다 큽니다. 가열 중에는 얇은 단면이 먼저 오스테나이트화 온도에 도달할 수 있지만, 두꺼운 단면은 중심부가 더 낮은 온도에 머무를 수 있습니다. 담금질 중에는 순서가 다른 방식으로 역전됩니다. 얇은 영역은 빠르게 열을 잃는 반면, 두꺼운 영역은 열을 보유하여 얇은 영역이 이미 경화된 후에도 계속 변태할 수 있습니다. 그 결과 두 영역의 온도 이력, 변태 시간, 마르텐사이트 분율 및 국부 체적 변화가 서로 달라질 수 있습니다.

40 mm 보스와 10 mm 웹 사이의 급격한 단차는 전형적인 구속 영역입니다. 보스가 여전히 뜨겁고 치수상 팽창된 상태에서 웹이 수축할 수 있습니다. 이후 보스가 수축하면서 웹을 다른 형상으로 끌어당길 수 있습니다. 두꺼운 영역이 더 늦게 변태하면, 그 팽창 또는 수축이 냉각의 첫 단계에서 형성된 응력 상태를 변화시킬 수 있습니다. 그 결과 국부 항복, 잔류응력 집중 또는 균일한 담금질 수축에 대한 단순한 여유량으로는 예측할 수 없는 치수 변화가 발생할 수 있습니다.

설계에서는 완만한 전이를 우선해야 합니다. 여기에는 충분한 크기의 필릿, 테이퍼형 웹, 매끄럽게 연결된 보스 및 보다 균일한 벽 두께가 포함됩니다. 완만한 변화가 열 구배를 제거하는 것은 아니지만, 열 구배를 더 넓은 거리에 분산시키고 한 단면 경계에 가해지는 급격한 구속을 줄입니다. 무거운 단면을 피할 수 없는 경우에는 도면에서 해당 전이부를 단순한 가공 세부사항이 아니라 열처리상의 주요 요소로 명시해야 합니다. 그러면 가열 및 담금질 시뮬레이션에서 부품을 균일한 블록으로 취급하는 대신 국부적인 온도 이력과 상변태 이력을 검토할 수 있습니다.

동일한 원리는 침탄, 질화 및 고주파 경화 부품에도 적용됩니다. 연질이거나 천천히 냉각되는 중심부 위에 경화된 표면층이 형성되면 또 다른 두께 관련 불일치가 발생합니다. International Journal of Materials and Product Technology 연구의 제I부와 제II부에서 논의한 것처럼, 표면경화 및 케이스 경화는 잔류응력의 위치와 크기를 변화시킵니다. 최종 연삭은 이러한 응력을 해방시키거나 재분포시킬 수도 있습니다. National Institute of Standards and Technology의 재료 데이터 아카이브는 Metallurgy of Heat Treatment에서, 제거되는 재료가 잔류응력 균형을 변화시키기 때문에 완화되지 않은 담금질 응력이 가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 설명합니다.

따라서 설계자는 구속을 고려하여 가공 여유를 남기고, 가능한 경우 열처리 중 얇은 영역을 지지하며, 공정 순서상 필요한 경우 중간 응력 제거 또는 뜨임을 지정해야 합니다. 가공 여유는 변형을 방지한다는 보장이 아닙니다. 이는 주요 응력 발생 공정이 끝난 후 제어된 보정을 가능하게 할 뿐입니다.

대칭, 불균형 및 뒤틀림 형태

기하학적으로 대칭인 부품은 열변형과 변태 변형이 보다 균형 있게 형성되는 경향이 있습니다. 대칭이라고 해서 변형이 0이 되는 것은 아닙니다. 담금질 유동, 고정 장치, 장입 상태 및 재료 이력이 균형을 무너뜨릴 수 있기 때문입니다. 그러나 대칭은 불균등한 구속의 주요 원인 하나를 제거합니다. 비대칭 부품은 서로 반대쪽에서 서로 다른 속도로 냉각되며, 한쪽이 먼저 변태하거나 다른 쪽과 다른 마르텐사이트, 베이나이트 또는 잔류 오스테나이트 상태에 도달할 수 있습니다. 이러한 불균등한 변형은 굽힘 또는 비틀림을 일으킵니다.

한쪽에 무거운 리브가 있는 평판은 양쪽에서 서로 다른 수축 이력을 겪기 때문에 리브 쪽으로 또는 리브 반대쪽으로 휘어질 수 있습니다. 편심 키홈이 있는 축은 키홈 쪽의 재료 질량이 더 적고 냉각 표면적도 다르기 때문에 굽힘 또는 비틀림이 발생할 수 있습니다. 벽 두께가 불균일한 링은 원형을 유지하지 못하고 타원형이 될 수 있습니다. 열적 차이와 변태 차이가 길이 방향으로 변하면 링이나 축에 테이퍼도 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 전형적인 변형 형태이지만 항상 동일한 결과를 의미하는 것은 아닙니다. 방향과 크기는 강종, 경화능, 단면 치수, 담금질 강도, 교반, 방향 및 구속 조건에 따라 달라집니다.

일반적인 치수 변화는 각각 다음과 같은 기하학적 형태로 나타납니다.

• 휨은 판, 봉 또는 축의 축 방향을 따라 발생하는 곡률로, 서로 마주 보는 면 사이의 불균등한 변형과 관련되는 경우가 많습니다.
• 비틀림은 길이 방향을 따른 각도 회전으로, 비대칭 리브, 키, 슬롯 또는 불균일한 담금질 접근 조건에 의해 흔히 촉진됩니다.
• 진원도 상실은 원주 방향의 냉각 또는 변태가 불균일할 때 링과 원통형 부품에서 원형도가 감소하는 현상입니다.
• 테이퍼는 단면, 열 흐름 또는 변태 이력이 변화함에 따라 길이 방향으로 치수가 점진적으로 변하는 현상입니다.
• 성장은 변태 또는 잔류 오스테나이트 거동과 함께 발생할 수 있으며, 수축은 열수축, 변태 변형 및 가공에 따른 응력 해방으로 인해 발생할 수 있습니다.

이러한 형태는 서로 결합될 수 있습니다. 담금질된 기어는 한 측정 방향으로 성장하고 약간 타원형이 되며 축 방향 런아웃이 발생할 수 있습니다. 부품을 단순히 “담금질 변형”이 있다고 표현하는 것보다는 측정된 변형 형태를 식별하고, 이를 불균등한 구속을 만든 형상과 연관시키는 것이 더 유용합니다.

ASM의 Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel은 변형과 바람직하지 않은 잔류응력을 최소화하는 것을 열처리의 주요 설계 기준으로 제시합니다. 이 원칙은 균형 잡힌 단면, 중심에 배치된 형상, 균일한 지지 및 부품 주위에서 유사한 담금질 접근 조건을 선호합니다. 또한 모든 치수가 동일한 양만큼 움직일 것이라고 가정하기보다는 예상되는 변형 형태를 기준으로 기준면과 검사 지점을 설계하는 것을 뒷받침합니다.

구멍, 모서리, 코너 및 급격한 단면 변화

열전달의 관점에서 구멍은 단순히 비어 있는 세부 형상이 아닙니다. 구멍의 내면은 외면과 다른 방향에서 냉각될 수 있으며, 작은 구멍 주변의 재료는 열용량이 작을 수 있습니다. 관통 구멍은 냉각제가 유입되도록 하여 국부적인 유동 차이를 만들 수도 있습니다. 막힌 구멍은 끝부분이 열을 보유하고 유체 이동을 제한할 수 있기 때문에 다르게 거동합니다. 서로 가까이 배치된 구멍은 빠르게 냉각되고 변태하는 얇은 연결부를 남기는 반면, 주변 랜드는 더 뜨겁고 더 큰 구속을 받는 상태로 남습니다.

따라서 열처리 설계 시에는 구멍의 크기, 간격, 깊이 및 방향을 고려해야 합니다. 치수 정밀도가 중요한 경우, 그에 따른 국부 응력과 변형을 평가하지 않은 상태에서 작은 구멍을 무거운 보스나 날카로운 내부 단차 옆에 배치하지 않아야 합니다. 구멍 패턴은 기능상 허용되는 범위에서 최대한 대칭적으로 배치해야 합니다. 침탄 또는 질화 부품에서는 지정된 경화층 깊이와 변태하지 않은 중심부가 형상과 잔류응력 사이에 또 다른 상호작용을 추가합니다.

모서리와 코너는 표면적 대 체적 비가 높기 때문에 넓은 면보다 먼저 냉각되는 경우가 많습니다. 날카로운 외부 코너에서는 모서리에서 내부로 이어지는 급격한 온도 구배가 발생할 수 있습니다. 내부 코너는 열을 보유하고 담금질 유동을 제한하며 동시에 응력을 집중시킬 수 있습니다. 따라서 코너는 인접한 어느 한 면과도 다른 시점에 변태할 수 있습니다. 날카로운 모서리는 변형을 분산시킬 수 있는 재료가 더 적기 때문에 가혹한 담금질에서 국부 소성변형과 균열이 발생하기 쉽습니다.

충분한 크기의 곡률 반경과 모따기는 열적 불연속과 기계적 응력 집중을 모두 줄입니다. 이러한 치수는 가공, 피로, 코팅 및 경화 요구사항을 고려하여 정해야 합니다. 가공에는 충분한 반경이라도 가혹한 담금질에는 여전히 너무 작을 수 있습니다. International Journal of Materials and Product Technology는 불균일한 열 구배를 담금질 변형의 주요 원인으로 식별하며, Worcester Polytechnic Institute는 이 현상을 열전달, 상변태, 응력, 변형 및 미세조직 변화가 결합된 현상으로 설명합니다. 부품 설계에서는 이러한 사건들을 서로 분리할 수 없습니다. 다만 그 상호작용이 지나치게 심해지지 않도록 할 수는 있습니다. U.S. Department of Energy와 University of Iowa 역시 강 주물에서 열응력과 잔류응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하와 연관된다고 설명합니다. 최종 치수와 잔류응력을 예측할 때에는 이전의 열 사이클과 국부 응고 조건을 포함한 주조 이력을 고려해야 합니다.

8. 담금질 후 잔류 응력 프로파일

담금질은 강 부품에 하나의 잔류 응력값만 남기는 공정이 아니다. 담금질 후에는 표면에서 중심부까지, 모서리 주변에서, 단면 두께가 변하는 부위와 구멍, 키홈, 필릿 및 불연속 표면 부근에서 달라지는 3차원 응력장이 남는다. 최종 프로파일은 열수축, 상변태 변형, 탄성 구속 및 국부 소성 유동이 서로 경쟁한 결과이다. ASM International은 이러한 기여를 열적 잔류 응력, 변태 잔류 응력 및 경화 잔류 응력으로 구분하지만, 동일한 가열 및 냉각 주기 동안 이들 메커니즘은 서로 상호작용한다 (ASM International).

잔류 응력과 변형은 서로 관련되어 있지만 동일한 것은 아니다. 서로 반대되는 변형이 균형을 이루기 때문에 부품이 상당한 응력을 유지하면서도 치수 변화는 거의 나타내지 않을 수 있다. 반대로, 가공, 연삭 또는 사용 중 하중에 의해 원래 형상을 안정적으로 유지하던 구속이 제거되면 비교적 작은 응력장도 눈에 띄는 휨 변형을 일으킬 수 있다.

표면 및 중심부의 응력 패턴

담금질된 강의 표면은 압축 응력 상태이고 중심부는 인장 응력 상태라는 익숙한 패턴이 흔히 나타나지만, 이것이 보편적인 규칙은 아니다. 담금질 초기에는 표면이 냉각 및 수축하는 동안 더 뜨거운 내부가 이러한 수축을 구속한다. 따라서 표면에는 인장 응력이 발생할 수 있으며, 경우에 따라 항복강도를 초과할 수도 있다. 이때 중심부에는 압축 응력이 형성된다. 냉각이 진행되면 중심부가 수축하고, 표면이 이미 상당히 냉각된 후에 변태할 수 있다. 그러면 응력 패턴이 반전되어 압축 응력을 받는 표면과 인장 응력을 받는 내부가 남을 수 있다.

마르텐사이트 변태는 이 과정을 더욱 복잡하게 만든다. 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태하면서 팽창하며, 팽창량은 탄소 함량, 합금 조성, 변태 온도 및 변태된 분율에 따라 달라진다. 표면이 먼저 변태하면 표면의 팽창은 그 아래에 있는 더 차갑거나 아직 오스테나이트 상태인 재료에 의해 구속된다. 중심부가 나중에 변태하면, 중심부의 팽창이 표면에 이미 형성된 응력 상태를 변화시킬 수 있다. 베이나이트, 펄라이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트는 각각 서로 다른 변태 변형을 유발한다. 따라서 마르텐사이트가 형성될 만큼 빠르게 냉각된 표면은 베이나이트 또는 혼합 조직이 형성된 중심부와 다른 응력 프로파일을 가질 수 있다.

인장 응력이 위치하는 곳은 중요하다. 표면 인장 응력은 균열 발생과 밀접한 관련이 있는 반면, 표면 압축 응력은 피로 균열의 개방을 지연시킬 수 있기 때문이다. 그러나 압축 표면층 아래에 인장 영역이 존재할 수 있으며, 표면 측정만으로는 이를 확인할 수 없다. X선 회절은 일반적으로 표면 가까이의 얕은 체적만을 분석하므로, 그 결과는 부품 전체가 아니라 해당 층을 설명한다. 중성자 회절, 싱크로트론 방법, 절단법, 구멍 뚫기법 및 모델링된 프로파일은 더 깊은 위치에 대한 정보를 제공할 수 있지만, 각 방법에는 고유한 분해능과 전제가 있다.

형상은 응력 패턴을 변화시킨다. 얇은 웹은 두께 전체에 걸쳐 거의 동시에 냉각 및 변태할 수 있는 반면, 두꺼운 허브, 치근 또는 플랜지는 더 오랫동안 뜨거운 내부를 유지한다. 모서리와 가장자리는 둘 이상의 표면을 통해 열을 방출하므로 인접한 재료보다 먼저 변태할 수 있다. 따라서 단면 두께가 급격히 변하는 부위에는 열 구배와 변태 불일치가 모두 집중될 수 있다. 2005년 International Journal of Materials and Product Technology의 논의는 불균일한 열 구배를 담금질 변형의 주요 원인으로 제시한다 (Part I).

담금질액의 온도, 교반, 점도, 젖음성 및 국부 유동은 각 표면에서 열이 얼마나 빠르게 방출되는지를 결정한다. 오일, 물, 고분자 용액, 용융염 및 가스는 서로 다른 열전달 이력을 만든다. 동일한 탱크 안에서도 유동이 방해받는 표면은 노출된 표면보다 더 느리게 냉각될 수 있다. 따라서 Journal of Materials Engineering and Performance에 게재된 2022년 리뷰는 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 담금질액 선택 및 담금질 강도를 서로 독립적인 제어 인자가 아니라 상호작용하는 변수로 다룬다 (2022 review).

자기평형과 응력 재분배

자유 상태의 부품은 냉각 후 순 불평형 힘이나 모멘트를 유지할 수 없다. 잔류 응력은 부품 전체에서 자기평형을 만족해야 한다. 즉, 인장 영역과 압축 영역은 힘의 측면에서 균형을 이루며, 그 분포는 굽힘 모멘트 측면에서도 균형을 이루어야 한다. 이것은 모든 국부 응력이 작다는 뜻이 아니다. 높은 인장 응력층이 존재하려면 다른 위치에 이를 보상하는 압축 응력이 존재해야 하거나, 완전한 3차원 응력장에 다른 방향의 평형 응력이 포함되어야 한다는 뜻이다.

재료를 제거하면 이러한 균형이 변한다. National Institute of Standards and Technology가 보관한 Metallurgy of Heat Treatment 자료는 완화되지 않은 담금질 응력이 잔류 응력의 평형을 깨뜨리기 때문에 가공 중 휨 변형을 일으킬 수 있다고 설명한다 (NIST materials-data archive). 보링 후 링이 벌어질 수 있고, 한쪽 면을 밀링한 후 판이 휘어질 수 있으며, 경화된 기어가 최종 연삭 중 움직일 수 있다. 이는 기계가 단독으로 새로운 응력을 만든 결과가 아니다. 기존 응력장을 해방한 결과가 눈에 보이는 형태로 나타난 것이다.

미세 규모의 소성 변형은 이러한 재분배에서 핵심적인 역할을 한다. 모든 결정립과 패킷이 동일한 시점에 동일한 방식으로 변태하는 것은 아니다. 결정학적 방위, 국부 탄소 농도, 선행 오스테나이트 결정립 조직 및 인접 상의 구속 차이는 작은 소성 변형을 유발한다. International Journal of Materials and Product Technology의 Part II 논문은 담금질된 강의 잔류 응력이 이러한 미세 규모의 소성 변형에 부분적으로 기인한다고 설명하며, 그 결과를 담금질액 조건, 표면 및 침탄 경화, 최종 연삭과 연계한다 (Part II). 뜨임은 회복과 제한적인 조직 조정을 가능하게 하여 응력을 줄일 수 있지만, 응력이 전혀 없는 부품을 보장하지는 않는다.

전체 경화와 표면 및 침탄 경화의 비교

단면이 충분히 작고 강이 충분한 경화능을 갖는 경우, 전체 경화는 단면의 대부분 또는 전체에 걸쳐 응력장을 형성하는 경향이 있다. AISI 1045와 같은 저합금강은 두꺼운 단면에서 표면 부근에 마르텐사이트를 형성하면서 중심부 쪽에는 더 연한 변태 생성물을 유지할 수 있다. AISI 4140과 같이 경화능이 더 높은 강종은 동일한 공칭 담금질 조건에서 더 깊은 곳까지 변태하여 경도 프로파일과 변태 변형 분포를 모두 변화시킬 수 있다. 결과적인 잔류 응력 프로파일은 강종 표시만으로 결정되는 것이 아니라 실제 단면, 오스테나이트화 처리, 초기 미세조직 및 담금질 강도에 따라 달라진다.

표면 경화에서는 재료 간 대비가 더 뚜렷해진다. 고주파 경화는 표면층을 빠르게 가열하는 반면, 침탄은 담금질 전에 표면 가까이의 오스테나이트에 탄소를 침투시킨다. 질화는 침탄과 동일한 벌크 변태 경로를 거치지 않고 경질 화합물층 또는 확산층을 형성한다. 침탄강에서는 고탄소 침탄층이 더 낮은 온도에서 변태하고 일부 오스테나이트를 잔류시킬 수 있는 반면, 저탄소 중심부는 다른 방식으로 변태한다. 침탄층의 팽창, 중심부의 구속, 잔류 오스테나이트 및 국부 소성은 시기와 공정 조건에 따라 침탄층에 압축 응력, 인장 응력 또는 혼합 프로파일을 남길 수 있다. 따라서 응력의 관점에서 표면 경화를 단순히 “바깥은 단단하고 안쪽은 부드러운” 공정으로 볼 수는 없다.

담금질의 균일성은 침탄 경화된 기어, 축 및 베어링 부품에서 특히 중요하다. 원주를 따라 냉각이 불균일하면 침탄층 깊이가 명목상 일정하더라도 비대칭적인 변태 변형과 굽힘이 발생할 수 있다. 최종 연삭은 열적 작용과 기계적 작용을 통해 표면 응력 상태를 추가로 변화시킬 수 있다. 과도한 연삭은 인장 응력을 도입하거나 담금질 중 형성된 압축 응력의 균형을 해방할 수 있다.

ASM의 Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel은 변형과 바람직하지 않은 잔류 응력을 최소화하는 것을 열처리 설계의 주요 기준으로 제시한다 (ASM International). 이 기준을 적용하려면 프로파일을 기반으로 사고해야 한다. U.S. Department of Energy는 강 주물에서 열응력과 잔류 응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하와 관련된다고 설명한다 (DOE report). University of Iowa의 연구에서 강조하듯이 주조 이력은 시작 조직과 응력장에도 영향을 줄 수 있다. 따라서 Worcester Polytechnic Institute 보고서는 담금질 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형 및 미세조직 진화를 포함하는 연성 문제로 다룬다 (WPI report). 표면에서 얻은 측정값은 하나의 관찰 결과일 뿐이다. 부품의 거동은 전체 프로파일에 의해 결정된다.

9. 뜨임, 응력 완화 및 후속 열처리

뜨임으로 변화하는 것과 보장할 수 없는 것

뜨임은 경화 처리 후, 일반적으로 하부 임계 온도 $A_{c}1$ 이하에서 실시하는 제어 재가열 처리이다. 뜨임의 직접적인 목적은 담금질 직후의 마르텐사이트를 변화시키는 것이다. 즉, 탄소가 재분포하고 전이 탄화물 또는 시멘타이트가 형성되며, 과포화 마르텐사이트 격자는 정방정계 왜곡의 일부를 잃는다. 뜨임 온도와 시간이 증가하면 일반적으로 경도는 감소하는 반면 인성과 치수 안정성은 향상된다. 이러한 반응은 합금 조성, 이전의 오스테나이트화 조건, 단면 크기, 냉각 속도 및 잔류 오스테나이트의 분율에 따라 달라진다.

따라서 뜨임은 기계적 특성과 잔류응력을 모두 변화시키지만, 변형을 보편적으로 제거하는 수단은 아니다. 담금질 후 휘거나 비틀리거나 타원형이 된 부품은 뜨임 후에도 그러한 상태로 남을 수 있다. 뜨임은 일부 탄성응력을 완화하고 제한적인 소성 변형을 허용할 수 있지만, 불균일한 냉각, 변태 변형 또는 국부적인 항복으로 이미 발생한 모든 형상 변화를 되돌릴 수는 없다. 표면과 중심부의 마르텐사이트 분율이 서로 다른 축은 뜨임 중에도 치수가 계속 변할 수 있다. 침탄 부품은 침탄층과 중심부에서 서로 다르게 반응할 수 있으며, 잔류 오스테나이트는 뜨임 중 또는 이후 사용 중에 변태하여 추가적인 체적 변화를 일으킬 수 있다.

이러한 구분은 ASM 핸드북의 담금질 및 뜨임 강에서의 잔류응력과 변형 장의 내용과 일치한다. 이 장에서는 열적 잔류응력, 변태 잔류응력 및 경화 잔류응력을 구분하면서도, 이들이 서로 함께 작용한다는 점을 보여 준다. 또한 강의 담금질 경화 중 잔류응력과 변형: 고찰의 저자들이 2022년에 재료공학 및 성능 저널에 발표한 검토 논문 역시 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 냉각 강도를 서로 상호작용하는 변수로 다룬다. 뜨임은 부적절한 담금질 패턴, 적합하지 않은 고정구 또는 급격한 단면 전이를 보상할 수 없다.

후속 열 노출은 새로운 치수 변화를 일으킬 수 있다. 두 번째 뜨임, 응력 제거 사이클, 질화, 침탄, 유도 경화, 브레이징, 용접 또는 최종 연삭은 온도장의 분포와 상의 균형을 변화시킬 수 있다. 마르텐사이트가 추가로 뜨임될 수 있고, 잔류 오스테나이트가 변태할 수 있으며, 탄화물 석출이 국부적인 체적과 항복강도를 변화시킬 수 있다. 따라서 최종 치수는 단순히 담금질 후 측정한 치수가 아니라 공정 이력의 결과이다.

열적 응력 완화

열적 응력 완화는 부품 전체를 의도적으로 오스테나이트화하지 않으면서 국부적인 소성 유동과 시간 의존적 이완이 일어날 수 있는 온도까지 강을 가열하여 잔류응력을 줄이는 방법이다. 선택한 온도는 요구되는 경도, 인성, 침탄층 깊이, 치수 공차 및 야금학적 상태와 양립할 수 있어야 한다. 풀림 처리한 저탄소강에 지정된 응력 제거 사이클을 담금질 및 뜨임 처리된 공구, 침탄 기어 또는 질화 부품에 변경 없이 적용할 수는 없다.

국립표준기술연구소의 재료 데이터 아카이브에 보존된 열처리 야금학은 열처리를 잔류응력을 줄이는 방법 중 하나로 제시하며, 제거되지 않은 담금질 응력이 가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 경고한다. 그 메커니즘은 명확하다. 가열하면 항복강도가 낮아져 구속된 응력이 작은 소성 변형과 크리프와 유사한 유동을 통해 완화될 수 있다. 이후에는 냉각을 제어해야 한다. 부품이 불균일하게 가열되거나, 유지 시간이 지나치게 짧거나, 새로운 표면과 중심부 사이의 온도차를 가진 상태에서 냉각되면, 이 처리는 하나의 응력 패턴을 다른 응력 패턴으로 바꿀 수 있다.

응력 완화 역시 변형이 전혀 발생하지 않는다는 것을 보장하지 않는다. 응력이 큰 링은 응력장이 완화되는 과정에서 원형도가 변할 수 있으며, 설령 이후 변형을 유발하는 구동력이 감소하더라도 그러하다. 주조품은 응고 이력, 단면 두께, 압탕 위치 및 이전의 용접 보수 이력에 따라 반응할 수 있다. 미국 에너지부의 강 주조품에 관한 보고서는 가열 및 담금질 응력을 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하와 연관시킨다. 아이오와대학교의 연구 역시 최종 치수와 잔류응력을 예측할 때 주조 이력을 고려해야 한다고 강조한다.

따라서 열적 응력 완화는 전체 공정 순서를 중심으로 계획해야 한다. 응력 완화 전에 황삭 가공을 하면 응력이 있는 재료가 제거되어 변형이 드러날 수 있다. 응력 완화를 황삭 가공 전에 실시하면 이러한 위험을 줄일 수 있지만, 재가열 사이클 자체가 치수 변화를 일으킬 수 있다. 요구 공차가 엄격한 경우 정삭 가공과 연삭은 최종 야금학적 처리 후에 실시해야 한다. 표면 경화 및 침탄 경화 부품은 특히 주의가 필요하다. 침탄층, 천이 영역 및 중심부는 조성, 변태 온도 및 구속 조건이 서로 다르기 때문이다.

기계적 응력 완화 및 교정

기계적 응력 완화는 주로 온도에 의존하지 않고 힘을 가하여 형상 또는 응력 분포를 변화시키는 방법이다. 프레스 교정, 롤 교정, 쇼트 피닝, 사이징, 코이닝 및 제어된 냉간 변형은 측정 가능한 굽힘이나 런아웃을 보정할 수 있다. 이러한 방법은 선택된 영역을 탄성 한계 이상으로 밀어 넣어, 탄성 회복과 소성 변형이 부품을 요구되는 형상에 더 가깝게 만들도록 한다.

그러나 이러한 보정은 응력이 없는 상태를 만들지는 않는다. 교정은 잔류응력을 재분배하며, 단면의 한쪽에는 인장응력을, 다른 쪽에는 압축응력을 유발하거나 지지부와 접촉점 부근에 국부적인 항복을 일으킬 수 있다. 경화강에서는 과도한 힘으로 균열이 발생할 수 있으며, 고강도 마르텐사이트 조직에서는 냉간 교정이 파괴 저항을 감소시킬 수 있다. 열간 교정은 필요한 힘을 줄이지만, 마르텐사이트를 뜨임하거나 잔류 오스테나이트를 변화시키거나 새로운 온도 구배를 생성하는 열 사이클을 추가한다. 따라서 허용 가능한 방법은 강종, 경도, 단면 형상 및 검사 요건에 따라 결정된다.

기계적 보정은 근본 원인을 해결하기보다 불안정한 부품을 일시적으로 숨길 수도 있다. 이후 가공에서 응력이 있는 표면층이 제거되면, 보정된 부품이 다시 튀어 오르거나 다른 방향으로 움직일 수 있다. 미국 국립표준기술연구소가 제공하는 열처리 야금학은 잔류응력 균형이 깨지면서 발생하는 가공 뒤틀림을 구체적으로 설명한다. 국제 재료 및 제품 기술 저널의 연구들은 담금질 강의 잔류응력을 미세 규모의 소성 변형뿐 아니라 냉각제 조건, 표면 또는 침탄 경화 및 최종 연삭과도 연관시킨다.

따라서 바람직한 순서는 오스테나이트화와 담금질 중 피할 수 있는 응력을 줄이고, 신속하게 뜨임한 다음, 필요한 경우 적합한 열적 응력 완화 처리를 실시하고, 이후 황삭 가공과 측정을 진행하는 것이다. 그 다음에는 제어된 절차의 범위 내에서만 교정을 실시하고, 최종 열 노출 후 정삭 가공 또는 연삭을 수행해야 한다. 우스터 폴리테크닉 연구소는 담금질 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 변화가 서로 결합된 문제로 설명한다. 교정과 응력 완화도 동일한 공정 순서 안에서 평가해야 한다. 이들을 제어된 방식으로 실시하면 위험을 줄일 수 있지만, 제어되지 않은 재가열, 힘의 적용 또는 재료 제거는 다음 치수 변화를 새롭게 일으킬 수 있다.

10. 가공, 연삭 및 숨은 응력의 방출

열처리가 강 부품의 최종 치수를 항상 고정된 상태로 남기는 것은 아닙니다. 담금질 및 뜨임을 거친 부품은 초기 검사를 통과한 후에도 선삭, 밀링, 드릴링 또는 연삭 과정에서 변형될 수 있습니다. 절삭 작업이 원래의 변형을 반드시 새로 만든 것은 아닙니다. 가열, 담금질, 변태 및 뜨임 이후 이미 존재하던 잔류 응력의 불균형이 드러난 것일 수 있습니다.

ASM International은 열처리 잔류 응력을 열적 기여, 변태 기여 및 경화 기여로 구분합니다(ASM Handbook, 담금질 및 뜨임 강의 잔류 응력과 변형). 이러한 응력은 열수축, 상변태 및 국부 소성 변형으로 인한 치수 변화와 함께 존재합니다. 2022년 Journal of Materials Engineering and Performance의 리뷰는 그 결과를 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 담금질 강도가 서로 연계된 반응으로 설명합니다(2022년 리뷰). 가공은 응력이 없는 소재에서 수행되는 것이 아니라, 이러한 이력이 발생한 후에 이루어집니다.

가공으로 열처리 변형이 드러날 수 있는 이유

가공된 표면이 기하학적으로 올바르게 보이더라도 부품 내부에는 서로 균형을 이루는 내부 응력이 남아 있을 수 있습니다. 한 영역에는 압축 응력이, 다른 영역에는 인장 응력이 작용하면서 서로 반대되는 힘과 모멘트가 부품 전체에서 균형을 이룰 수 있습니다. 절삭 공구가 이러한 영역 중 하나를 제거하기 전까지는 이 균형이 안정적으로 유지될 수 있습니다.

이는 열처리 야금학에서 설명하는 실제 메커니즘입니다. 즉, 완화되지 않은 담금질 응력은 가공 중 휨을 유발할 수 있는데, 이는 소재 제거로 잔류 응력의 균형이 깨지기 때문입니다(NIST 재료 데이터 아카이브). 한쪽 표면 가까이에 인장 응력이 있고 더 깊은 내부에 이를 보상하는 압축 응력이 있는 판은 응력이 걸린 표면을 제거한 후 휘어질 수 있습니다. 링은 타원형이 될 수 있습니다. 축은 편심된 층을 제거한 후 직진도가 변할 수 있습니다. 절삭 공구가 힘의 분포를 바꾸면 남은 금속은 새로운 평형에 도달할 때까지 변형됩니다.

변형량은 응력의 크기만으로 결정되지 않습니다. 부품의 길이, 벽 두께, 대칭성, 국부 강성, 단면 전이부 및 잔류 응력장의 방향이 모두 영향을 미칩니다. 두꺼운 플랜지는 얇은 웹에서 분명하게 나타날 움직임을 억제할 수 있습니다. 키홈이나 횡방향 구멍은 한쪽에서 소재를 제거하여 굽힘 모멘트를 발생시킬 수 있습니다. 침탄 또는 질화된 표면층은 코어와 응력 및 경도 분포가 다를 수 있으므로, 표면층을 절삭하면 기계적 균형과 국부 하중 전달 경로가 모두 변합니다.

열처리 이력도 중요합니다. 2022년 리뷰와 Worcester Polytechnic Institute 보고서는 담금질 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 변화가 서로 연계된 결과로 설명합니다(WPI 보고서). 따라서 공칭상 동일한 두 부품이라도 이전의 단조, 주조, 냉간가공, 결정립 구조, 가열 속도 또는 냉각 교반 조건이 달랐다면 서로 다르게 반응할 수 있습니다. 미국 에너지부는 강 주물의 열응력과 잔류 응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하를 일으키는 데 기여할 수 있다고 보고합니다(DOE 보고서). 주조 이력은 이후의 가공으로 사라지지 않습니다.

소재 제거와 응력 재분포

가공 여유는 이러한 불확실성에 대응할 여지를 제공하지만, 변형을 방지한다는 보장은 아닙니다. 가공 여유는 예상되는 응력 분포 및 표면이 노출되는 순서와 함께 고려해야 합니다. 열처리된 부품의 한쪽에서 많은 양의 소재를 제거하면 굽힘이나 비틀림이 방출될 수 있습니다. 서로 마주 보는 양쪽에서 비슷한 양을 제거하면 순 불균형을 줄일 수 있지만, 대칭성만으로 치수 안정성이 보장되는 것은 아닙니다.

이러한 이유로 단계적 소재 제거는 보편적인 작업법이라기보다 치수 제어의 개념으로 다루어지는 경우가 많습니다. 황삭에서는 가공 여유의 대부분을 제거하되, 부품이 반응할 수 있고 이후 공정에서 위치를 보정할 수 있을 만큼의 여유를 남길 수 있습니다. 그런 다음 중간 검사를 실시하여 최종 형상이 확정되기 전에 변위를 확인할 수 있습니다. 황삭에서 상당한 휨이나 런아웃이 나타났다면 완성 치수까지 곧바로 가공하는 것은 남은 보정 여유를 줄인 채 오차를 그대로 재현할 뿐입니다.

기준면 설정 전략은 부품의 기능적 형상과 변화하는 응력 상태에 따라야 합니다. 황삭 중 이동한 표면을 기준으로 모든 공정을 설정하면 변형이 이후 형상으로 전달될 수 있습니다. 반대로 기준면 사이의 관계를 제어하지 않은 채 기준면을 변경하면 누적 오차의 다른 형태가 발생할 수 있습니다. 축의 경우 선택한 축선, 베어링 시트 및 단면은 고정되어 있다고 가정하기보다 검사를 통해 서로의 관계를 확인해야 할 수 있습니다. 판의 경우 황삭 및 응력 완화 후 기준면을 재평가해야 할 수 있습니다.

따라서 황삭 후 검사는 단순한 최종 품질 검사가 아니라 공정 논리의 일부입니다. 직진도, 평면도, 진원도, 평행도, 런아웃 및 중요 형상의 위치는 황삭, 응력 제거 처리, 반정삭 및 정삭 사이에서 변할 수 있습니다. ASM은 “변형과 바람직하지 않은 잔류 응력의 최소화”를 강 열처리 설계의 주요 기준으로 제시합니다(강 열처리를 위한 ASM 기본 원리 및 설계 지침). 가공만으로는 부적절한 모든 열처리 조건을 보정할 수 없습니다.

응력 제거 공정은 변위를 줄일 수 있지만, 그 온도와 유지 시간은 강종, 요구 경도, 뜨임 상태 및 표면 처리와 양립해야 합니다. 기계적 응력 제거 역시 치수를 변화시킬 수 있습니다. 어느 방법도 모든 잔류 응력을 제거한다고 가정해서는 안 됩니다.

연삭 응력과 표면 건전성

벌크 잔류 응력벌크 잔류 응력 얕은 표면층에 국한되지 않고 부품의 상당한 깊이 또는 부피에 걸쳐 분포하는 잔류 응력.

연삭은 그 영향이 표면 가까이에 집중되기 때문에 별도의 문제를 제기합니다. 벌크 잔류 응력은 단면의 상당한 부분에 걸쳐 분포하며, 소재가 제거될 때 전반적인 굽힘, 비틀림 또는 형상 변화를 일으킬 수 있는 응력을 의미합니다. 연삭으로 유발되는 응력은 기계적 변형과 열에 의해 발생하는 얕은 표면 효과인 경우가 많습니다. 두 응력은 함께 존재할 수 있지만 서로 같은 것은 아닙니다.

International Journal of Materials and Product Technology의 리뷰는 담금질된 강의 잔류 응력을 미세 규모의 소성 변형에 기인한 것으로 설명하며, 냉각제 조건, 표면 및 표면층 경화, 최종 연삭의 영향을 논의합니다(제1부; 제2부). 연삭은 국부적인 가열 후 급속 냉각으로 인장 응력을 발생시킬 수 있으며, 심한 기계적 마찰과 소성 유동으로 압축 응력을 발생시킬 수도 있습니다. 응력의 부호와 깊이는 연삭숫돌 사양, 접촉 조건, 절삭유 공급, 제거량 및 강의 경도와 미세조직에 따라 달라집니다.

과도한 연삭열은 뜨임 상태를 손상시키고, 연삭 번을 발생시키며, 특정 영역을 연화하거나 재경화 및 미뜨임 마르텐사이트를 형성할 수 있습니다. 이러한 변화는 즉각적으로 뚜렷한 휨을 일으키지 않을 수 있지만 피로 성능을 저하시키거나 이후의 치수 변화를 유발할 수 있습니다. 인장 잔류 응력층이 반복 사용 하중과 결합하는 경우 표면 균열은 특히 위험합니다.

제2부에서 논의하는 최종 연삭은 치수 제어의 핵심입니다. 마지막 공정에서는 소재를 조금만 제거하지만 기능 표면을 결정하며 표면의 응력 상태를 여전히 변화시킬 수 있습니다. 따라서 최종 연삭은 이후 형상과 표면 건전성을 검사하는 관리된 마무리 공정으로 취급해야 합니다. 연삭 전에 치수를 만족한 부품이 반드시 최종 상태까지 만족한 것은 아닙니다. 최종 표면, 그 아래의 열처리된 조직 및 응력장은 함께 고려해야 합니다.

11. 균열, 재작업 및 운용상의 결과

열처리는 강철 부품에 치수 오차와 잔류 응력장을 동시에 남길 수 있다. 이 둘은 서로 관련되어 있지만 같은 것은 아니다. 변형은 형상이나 크기의 변화를 의미하고, 잔류 응력은 외부의 열적 또는 기계적 하중이 제거된 후에도 남아 있는 자기평형 응력을 의미한다. 어떤 부품은 겉보기에는 곧지만 손상을 일으킬 수 있는 인장 응력을 포함할 수 있으며, 다른 부품은 휘어져 있더라도 즉시 균열을 유발할 정도는 아닌 잔류 응력 분포를 가질 수 있다.

이러한 구분은 강철 주물에서 중요하다. 가열, 냉각, 응고 이력, 가공, 용접 및 사용 하중이 모두 최종 상태를 변화시키기 때문이다. ASM International은 담금질 및 뜨임 처리된 강에서 열적 잔류 응력, 변태 잔류 응력, 경화 잔류 응력을 서로 구별되는 기여 요인으로 제시한다. Journal of Materials Engineering and Performance에 Totten과 공동 연구자들이 2022년에 발표한 검토 논문 역시 변형이 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 담금질 강도의 상호작용으로 발생한다고 설명한다. 하나의 단순한 “담금질 응력”만으로 모든 파손을 설명할 수는 없다.

잔류 응력이 균열 구동력이 되는 경우

인장 응력이 결함이나 날카로운 형상 특징부에 집중되어 국부 응력확대계수 또는 에너지 방출률을 높일 때, 잔류 응력은 균열 구동력이 된다. 저장된 응력이 부품 전체에 걸쳐 클 필요는 없다. 주물 기공, 산화물 막, 수축 공동, 비금속 개재물, 융합 불량 영역, 가공 흔적, 키홈 또는 급격한 단면 변화는 국부 인장 응력장을 증폭시킬 수 있다. 여기에 외부 인장 하중이 더해진다. 검사와 열처리를 통과한 부품도 반복 하중, 진동, 압력 또는 열사이클이 나머지 균열 구동력을 제공하면 나중에 균열이 발생할 수 있다.

수소 보조 균열에도 동일한 상호작용이 적용된다. 수소는 응집 강도를 낮추고 국부 소성 변형을 촉진할 수 있으며, 잔류 인장 응력은 균열을 열거나 균열 성장을 지속시키는 데 기여한다. 따라서 고강도 마르텐사이트강, 경화 표면, 용접 영향부, 전기도금되었거나 화학적 환경에 노출된 부품은 잔류 응력만 단독으로 존재하는 경우가 아니라 이러한 복합 상태에 민감하다. 압축 표면층은 균열 개방을 지연시킬 수 있지만, 표면 아래의 인장 응력, 연삭 손상 또는 기존 결함이 여전히 파손을 지배할 수 있다.

온도는 이러한 균형을 변화시킨다. 높은 사용 온도에서는 응력 이완과 크리프가 일부 잔류 응력을 줄일 수 있지만, 열팽창 차이가 새로운 응력을 만들 수 있으며 산화 또는 미세조직 열화가 단면을 약화시킬 수 있다. 낮은 온도에서는 잔류 응력이 증가하지 않았더라도 인성 저하로 인해 결함이 더 위험해질 수 있다. 사용 중의 변태는 부피와 강성을 변화시킬 수도 있다. 미국 에너지부의 강철 주물 보고서는 가열과 담금질 중 발생하는 열응력 및 잔류 응력이 균열, 변형, 재작업, 용접 보수 및 사용 성능 저하와 연관된다고 설명한다. 여기서 얻을 수 있는 실질적인 시사점은 검사와 설계에서 응력-결함-사용 조건의 조합을 고려해야 한다는 것이다.

잔류 응력은 마무리 가공 중에도 위험해질 수 있다. 미국 국립표준기술연구소의 재료 데이터 아카이브를 통해 이용할 수 있는 열처리 야금학은 완화되지 않은 담금질 응력이 가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 설명한다. 재료를 제거하면 기존 응력의 균형이 깨지기 때문이다. 단면의 한쪽을 제거하면 인장 응력 또는 압축 응력이 불균일하게 방출될 수 있다. 그 결과 새로 노출된 결함에서 균열이 나타날 수 있지만, 가공 작업이 원래의 응력장을 반드시 생성한 것은 아니다.

변형, 용접 보수 및 재작업

변형은 파괴를 일으키기 전에 재작업을 유발하는 경우가 많다. 휘어진 주물은 치수 검사에서 불합격될 수 있고, 결합 부품과 정렬되지 않거나, 가공 여유를 초과하거나, 불균일한 밀봉면을 만들 수 있다. 이후 교정, 국부 가열, 추가 가공, 쇼트 피닝, 응력 완화 또는 용접 보수가 시행될 수 있다. 각각의 작업은 열적 및 기계적 이력을 다시 변화시킨다.

용접 보수는 중립적인 교정 작업이 아니다. 용접은 상대적으로 차가운 강철 옆에 작고 강렬한 열원을 가하므로 새로운 열구배, 열영향부, 냉각 시 수축 및 경도가 높고 취성인 미세조직을 만들 수 있다. 주물에 이미 담금질 응력이 존재한다면, 보수 용접은 기공, 개재물, 수축 결함 또는 기존 균열이 있는 영역에 인장 응력을 추가로 중첩시킬 수 있다. 따라서 수소 관리, 예열, 층간 온도, 용가재 선택, 용접 후 열처리 및 검사는 눈에 보이는 용접 형상만큼 중요하다.

미국 에너지부의 연구 결과와 아이오와 대학교의 강철 주물 연구는 최종 치수 정확도를 주물 이력과 연관시킨다는 점에서 중요하다. 응고 순서, 국부적인 단면 두께, 압탕 설계, 냉각 구속, 이전의 열사이클 및 후속 열처리는 초기 응력장과 이후 공정에 대한 반응 모두에 영향을 미친다. 최종 담금질만을 바탕으로 한 예측으로는 주조 과정에서 물려받은 응력을 설명할 수 없다. 아이오와 보고서는 최종 치수와 잔류 응력을 예측할 때 주물 이력을 포함해야 한다는 점을 특히 강조한다.

재작업은 또 다른 문제를 드러낼 수 있다. 부품이 도면 공차 안으로 들어오더라도 응력 상태가 불량한 채로 남아 있을 수 있다. 과도한 연삭은 압축 표면층을 제거하고 그 아래의 인장 응력 재료를 노출시킬 수 있다. 반복적인 국부 교정은 소성 변형을 일으켜 피로 여유도를 감소시킬 수 있다. 반대로 제어된 응력 완화는 변형 위험을 줄일 수 있지만, 과도하거나 부적절하게 제어된 가열은 경도, 뜨임 상태, 침탄 깊이, 질화층 또는 치수 적합성을 변화시킬 수 있다. 따라서 ASM의 강철 열처리를 위한 기본 원리 및 설계 지침은 변형과 바람직하지 않은 잔류 응력을 최소화하는 것을 최종 단계에서 수정해야 할 검사 문제가 아니라 주요 설계 기준으로 다룬다.

사용 중 치수 변화

부품은 기능을 상실하기 위해 반드시 균열이 발생할 필요는 없다. 치수 불안정성은 베어링 예압, 기어 백래시, 축 정렬, 밸브 간극, 씰 압축량 또는 접촉 압력을 변화시킬 수 있다. 정밀 조립체에서는 작은 움직임만으로도 마찰, 누설, 불균일한 하중 분담 또는 가속된 마모가 발생할 수 있다. 부품은 구조적으로 온전한 상태로 남아 있어도 사용 성능은 저하된다.

이러한 움직임을 일으키는 메커니즘은 여러 가지가 있다. 잔류 응력은 사용 중 이완되어 탄성 회복이나 소성 재분포를 일으킬 수 있다. 잔류 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태하여 팽창을 일으킬 수 있고, 뜨임은 마르텐사이트의 체적과 경도를 감소시킬 수 있으며, 열사이클은 표면 경화층과 중심부 사이의 차이를 반복적으로 드러낼 수 있다. 침탄, 질화, 유도 경화 및 전체 경화된 단면은 조성, 경도, 변태 온도 및 잔류 응력의 구배가 서로 다르므로 동일하게 거동하지 않는다.

열처리 후의 최종 연삭도 중요할 수 있다. International Journal of Materials and Product Technology에 게재된 연구들은 불균일한 담금질 구배를 변형의 주요 원인으로 규정하고, 잔류 응력을 미세 규모의 소성 변형, 냉각제 조건, 표면 및 표면층 경화, 최종 연삭과 연관시킨다. 우스터 공과대학교 보고서는 동일한 문제를 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 변화가 결합된 현상으로 제시한다. 따라서 사용 적합성 평가는 균열 발생뿐 아니라 치수 변동도 다루어야 한다. 출하 시 곧고 균열이 없는 부품이라고 해서 운용 중에도 반드시 안정적인 부품인 것은 아니다.

12. 변형 및 잔류 응력 측정

열처리 후 검사는 두 가지 서로 다른 기록을 결합해야 한다. 하나는 부품이 어떻게 이동했는지를 보여 주는 치수 맵이고, 다른 하나는 부품 내부에 어떤 탄성 또는 소성 불균형이 남아 있는지를 나타내는 응력 특성화 기록이다. 변형은 형상 또는 치수의 변화이다. 잔류 응력은 외부 하중과 온도 구배가 사라진 후에도 남아 있는 자기평형 응력장이다. 두 현상은 서로 연계되어 있지만 서로 대체할 수 있는 개념은 아니다. 부품이 치수 공차를 만족하면서도 이후 균열, 가공 중 변위 또는 피로 손상을 일으킬 수 있는 인장 응력을 유지할 수 있다. 반대로 눈에 띄게 휘어진 부품은 잔류 응력의 상당 부분이 완화된 후에도 상당한 변태 변형을 겪었을 수 있다.

ASM International은 담금질 및 뜨임 처리된 강에서 열적 잔류 응력, 변태 잔류 응력, 경화 잔류 응력을 서로 구별되는 기여 요인으로 규정한다. Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels의 저자들이 Journal of Materials Engineering and Performance에 2022년에 발표한 검토 논문은 그 결과를 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 담금질액의 선택 및 담금질 강도 사이의 상호작용으로 설명한다(doi:10.1007/s11665-022-06667-x). 따라서 측정에서는 국부적인 치수 결함과 공정 전반의 반응을 구별할 수 있도록 부품과 열 이력에 관한 충분한 정보를 보존해야 한다.

치수 검사 및 기준점 선정

의미 있는 치수 검사는 가열 전에 시작된다. 미처리 부품은 측정하고, 표시하고, 촬영해야 하며, 재료 상태와 방향도 기록해야 한다. 유용한 기록에는 강종, 로트 또는 용강 번호, 이전 가공 상태, 표면 처리, 치구 방향, 로 사이클, 이송 시간, 담금질액의 온도와 교반, 뜨임 사이클, 처리 후 검사까지의 시간이 포함된다. Metallurgy of Heat Treatment에 수록된 미국 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 재료 데이터 아카이브는 제거되지 않은 담금질 응력이 가공 중 휨을 일으킬 수 있다고 경고한다. 재료를 제거하면 잔류 응력의 균형이 변하기 때문이다. 따라서 담금질 후 최종 연삭이나 황삭 가공이 이어지는 경우, 처리 전 기록은 선택 사항이 아니다.

기준점의 선정은 이후 모든 결과의 의미를 좌우한다. 기준점은 단순히 가장 편리한 모서리가 아니라 기능 표면 또는 안정적인 기하학적 특징에 연결해야 한다. 넓은 면 자체가 담금질 중 휘어질 수 있으므로, 이를 완전한 평면으로 사용하면 좌표계를 결함에 맞춰 설정함으로써 그 휨을 숨길 수 있다. 축의 경우 처리 전 회전축, 베어링 저널 및 지정된 단면이 기준 좌표계를 정의할 수 있다. 판재의 경우에는 제어된 평면과 서로 직교하는 두 모서리가 적절할 수 있지만, 이러한 특징들이 불균일하게 변태하지 않는다는 전제가 필요하다. 치구는 부품을 위치 결정하는 데 필요한 정도로만 구속해야 한다. 측정 중 과도한 클램핑은 휘어진 부품을 평평하게 만들어 자유 상태의 형상이 아니라 치구에 의해 구속된 상태를 보고하게 할 수 있다.

3차원 측정기는 구멍 위치, 윤곽 편차, 평행도, 직각도, 평탄도 및 축 위치의 변화를 맵으로 작성할 수 있다. 몇 개의 최대값만 제시하는 것보다 점군이 더 많은 정보를 제공한다. 점군을 사용하면 변형이 전체적인 굽힘인지, 국부적인 가장자리 들림인지, 타원화인지, 비틀림인지, 또는 두꺼운 부분과 얇은 부분이 만나는 전이부에 집중된 변화인지를 알 수 있다. 처리 전후에는 동일한 좌표계와 탐침 전략을 사용해야 한다. 온도 보정도 중요하다. 서로 다른 온도에서 측정한 강 부품은 열팽창만으로도 겉보기 치수 변화를 나타낼 수 있다.

원형 부품은 여러 축 방향 측정 위치에서 진원도와 원통도 검사를 실시해야 한다. 한 곳의 직경만 측정하면 엽상 변형이나 휘어진 축을 놓칠 수 있다. 진직도는 여러 모선 방향을 따라 검사해야 하며, 필요한 경우 중립축 또는 기능축을 따라 검사해야 한다. 링은 평균 직경을 유지하면서도 타원형이 될 수 있고, 기어는 한 반경에서 치간 간격을 유지하면서도 림에 런아웃이 발생할 수 있다. 복잡한 부품에는 단면 기반 비교가 유용하다. 얇은 벽, 허브, 리브, 필릿 및 두꺼운 부분을 관통하는 횡단면 프로파일을 비교한 다음, 처리 전후의 대응 단면을 비교한다. 이러한 패턴은 열 구배 또는 변태 불일치의 원인을 가리키는 경우가 많다.

검사에서는 자유 상태 변형과 이형, 절단 또는 클램핑으로 인해 발생한 변형을 구별해야 한다. 금속조직 검사나 응력 측정을 위해 부품을 절단하는 경우, 절단 전과 각 이완 단계 후에 치수를 기록해야 한다. 주조 이력도 중요할 수 있다. 미국 에너지부와 아이오와대학교의 보고서는 강 주물에서 가열 및 담금질 응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하와 관련된다는 점을 제시한다. 특히 아이오와대학교의 연구는 최종 치수와 응력을 예측할 때 주조 이력을 포함한다.

잔류 응력 측정 방법

X선 회절(XRD)은 회절 피크의 이동을 관찰하여 표면 근처의 격자 변형률을 측정한다. 적절한 탄성 상수와 적합한 회절면을 사용하면 이러한 변형률을 응력으로 변환할 수 있다. 이 방법은 일반적으로 표면 민감도가 높으므로 침탄층, 연삭 표면 및 담금질 표면층을 평가하는 데 유용하지만, 두꺼운 단면 중심부의 응력장을 단독으로 설명할 수는 없다. 표면 거칠기, 결정학적 집합조직, 잔류 오스테나이트, 탈탄 및 선택한 방사선은 결과에 영향을 줄 수 있다. 측정 위치는 치수 맵을 바탕으로 선정해야 한다. 여기에는 굽힘의 볼록면과 오목면, 필릿 주변, 얇은 부분과 두꺼운 부분, 그리고 두 주 방향이 포함된다.

구멍 뚫기법은 반파괴적 방법이다. 작은 구멍을 단계적으로 가공하면서 변형률 게이지 또는 광학 방법으로 국부적인 탄성 이완을 검출한다. 역산을 통해 깊이에 따른 원래의 응력을 추정한다. 일반적인 XRD보다 더 깊은 영역을 샘플링하지만 여전히 표면 근처를 대상으로 하는 방법이며, 계산에는 정의된 형상, 탄성 응답 및 충분히 알려진 응력 변화가 필요하다는 가정이 따른다. 모서리, 필릿, 용접 보수부 또는 급격한 경도 구배 근처에 뚫은 구멍은 이러한 가정을 위반할 수 있다. 또한 구멍 자체가 부품을 손상시키므로, 그 위치는 발생하는 손상이 허용될 수 있는 곳으로 선정해야 한다.

윤곽 측정, 절단 및 이와 관련된 파괴적 방법은 구속된 물체가 이완하도록 함으로써 응력을 드러낸다. 윤곽법에서는 부품을 한 평면을 따라 절단하고, 새로 노출된 표면을 측정한 다음, 탄성 모델을 사용하여 변위를 발생시킨 법선 응력을 재구성한다. 절단은 굽힘 및 개방 변위를 직접 드러낼 수 있지만, 절단으로 3차원 응력장이 이완되며 절단 변형, 소성 및 측정 잡음에 대한 보정이 필요할 수 있다. 이러한 방법은 두꺼운 단면과 용접부에 강력하지만, 비파괴적인 생산 검사에는 사용할 수 없다.

중성자 회절은 중성자가 많은 강을 XRD보다 더 깊이 투과하기 때문에 XRD보다 상당히 깊은 위치에서 격자 변형률을 측정할 수 있다. 접근성, 게이지 체적, 집합조직, 상 및 기준 격자에 관한 요구 사항을 충족한다면 부품을 절단하지 않고도 단면 내부의 응력을 맵으로 작성할 수 있다. 표면 측정과 가공 반응이 내부에 묻힌 응력 구배를 시사할 때 특히 유용하다. 중성자 회절, XRD 및 구멍 뚫기법의 결과는 이들이 샘플링하는 체적과 깊이가 비슷하지 않은 한 동일한 명목상 위치에서 일치할 것으로 기대해서는 안 된다.

공정 오차와 측정 오차의 분리

두 검사 결과가 일치하지 않는다고 해서 열처리 공정이 변경되었다는 뜻은 아니다. 측정 불확도는 공정 변동과 별도로 추정해야 한다. 부품을 이동시키지 않은 상태에서 동일한 측정을 반복한 다음, 부품을 분리하고 다시 장착하여 한 번 더 반복한다. 두 결과의 차이를 통해 기기의 반복성과 기준점 재설정, 작업자 또는 치구의 영향이 구분된다. 교정된 표준물, 추적 가능한 온도 측정, 탐침 적합성 검증 및 문서화된 정렬 절차를 통해 좌표계가 안정적인지 확인할 수 있다.

표면 상태는 잘못된 해석의 빈번한 원인이다. 스케일, 산화물, 탈탄 재료, 연삭 번, 쇼트 피닝층 및 거칠기는 치수 탐침 검사와 회절 모두에 영향을 줄 수 있다. 정해진 절차에 따라 세척 전후에 측정하고, 제거된 재료의 양을 기록해야 한다. 담금질 후 연삭이 이어지는 경우에는 연삭 전 표면과 각 주요 가공 단계 후의 표면을 검사해야 한다. 재료 제거 후 런아웃의 변화는 새로운 담금질 결함이 아니라 잔류 응력의 방출일 수 있으며, XRD 응력의 변화는 응력이 높은 표면층이 제거된 결과일 수 있다.

대칭성은 중요한 진단 수단이다. 명목상 대칭인 부품의 서로 반대쪽에 있는 대응 지점을 비교해야 하지만, 이를 무조건 평균내서는 안 된다. 대칭적인 공정은 대칭적인 결과를 내야 한다. 한쪽에서 지속적으로 차이가 나타난다면 불균일한 담금질액 흐름, 치구 접촉, 로 적재 또는 기존 가공 오차를 나타낼 수 있다. 응력 구배 때문에 단일 지점 측정값도 신뢰하기 어렵다. 여러 깊이, 방향 및 기하학적 영역을 맵으로 작성한 다음, 그 패턴을 경도, 미세조직, 잔류 오스테나이트 함량 및 기록된 열 사이클과 비교해야 한다. 우스터 공과대학교는 담금질 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 진화가 서로 연계된 문제로 설명한다. 검사 시스템 역시 이러한 영향과 측정 자체에서 유입된 오차를 분리하는 데 있어 동일한 수준의 엄격성을 갖추어야 한다.

13. 열처리 변형의 모델링 및 시뮬레이션

열처리 시뮬레이션은 변형 보정을 나중에 추가한 급냉 속도 계산기가 아니다. 신뢰할 수 있는 모델은 강이 가열되고, 유지되고, 급냉되고, 뜨임되고, 때로는 기계가공되는 동안 온도, 상 분율, 변형률, 응력 및 형상의 연계된 변화를 예측해야 한다. 변형은 형상 또는 치수의 변화이며, 잔류응력은 외부 하중과 온도 구배가 사라진 후에도 남아 있는 내부 응력이다. 이 둘은 동일한 공정 이력에서 비롯되는 서로 다른 결과이다. 부품에 눈에 띄는 변형은 거의 없지만 상당한 잔류응력이 존재할 수 있으며, 반대로 기계가공으로 응력이 해방된 후 뚜렷한 휨이 나타날 수도 있다.

ASM International은 급냉 및 뜨임된 강에서 열 잔류응력, 변태 잔류응력, 경화 잔류응력을 서로 구별되는 기여 요인으로 제시한다. 열응력은 구속된 팽창과 수축에서 발생한다. 변태응력은 영역마다 서로 다른 온도에서 변태하고 서로 다른 시점에 체적이 변할 때 발생한다. 경화응력은 항복강도와 소성 유동의 변화 등을 포함하여 변화하는 미세조직의 기계적 응답과 관련된다. 이러한 메커니즘 중 어느 하나라도 제외한 시뮬레이션은 매끄러운 온도 곡선을 산출할 수 있지만, 예측 치수는 잘못될 수 있다.

열적·금속학적·기계적 연성

열장은 출발점이지 전체 해답이 아니다. 해석기는 강 내부의 열전도, 노출 표면에서의 복사와 대류, 치구에서의 접촉 열전도, 그리고 급냉 유체로의 열 제거를 계산해야 한다. 표면 열전달은 일반적으로 온도 의존적 경계조건 또는 열전달계수로 표현된다. 이 계수는 비등, 핵비등, 천이비등, 액체 또는 증기 대류 과정에서 변한다. 또한 교반, 부품의 배향, 퀜칭제 온도, 유체의 화학적 조성, 국부 표면 상태에 따라서도 달라진다.

Journal of Materials Engineering and Performance에 게재된 2022년 리뷰 논문 “강의 급냉 경화 중 잔류응력과 변형”은 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 퀜칭제의 선택 및 급냉 강도가 서로 상호작용한다고 강조한다. 한쪽 면이 가려져 있거나, 보어에 증기가 갇히거나, 두꺼운 허브가 얇은 림보다 느리게 냉각되면 균일한 욕조 온도만으로는 균일한 냉각 이력이 형성되지 않는다. International Journal of Materials and Product Technology에 실린 제I부 및 제II부의 논문들 역시 불균일한 열 구배를 급냉 변형의 주요 원인으로 규정하고, 잔류응력을 퀜칭제 조건, 표면 및 침탄 경화, 최종 연삭과 연관시킨다.

금속학적 모델은 온도와 조성을 상의 변화 과정으로 변환한다. 오스테나이트는 국부 냉각 경로와 경화능에 따라 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 잔류 오스테나이트로 변태할 수 있다. 각 변태는 변태 변형률을 발생시킬 수 있으며, 여기에는 체적 성분과 일부 모델에서 고려하는 방위 의존 성분이 포함된다. 이후 구성 모델은 열변형률, 변태 변형률, 탄성 변형률 및 소성 변형률을 결합한다.

\[ \boldsymbol{\varepsilon}_{total} = \boldsymbol{\varepsilon}_{elastic} + \boldsymbol{\varepsilon}_{plastic} + \boldsymbol{\varepsilon}_{thermal} + \boldsymbol{\varepsilon}_{transformation}. \]

이 분해는 변형률들이 서로 독립적으로 발생한다는 주장이 아니라 모델링의 틀이다. 변형률들은 응력 상태와 온도 의존적 항복강도를 통해 상호작용한다. 주변의 오스테나이트가 여전히 고온이고 연한 상태인 동안 마르텐사이트 영역이 형성될 수 있으며, 이후 냉각이 진행되면 국부 응력 패턴이 반전될 수 있다. 응력이 변태를 촉진하거나 변태 변형률이 소성 유동을 촉진할 때에는 변태 유기 소성도 발생할 수 있다.

따라서 기계적 연성에는 온도 및 상에 따른 탄성계수, 항복응력, 가공경화 거동, 푸아송비, 변태 변형률, 그리고 필요한 경우 크리프 또는 점소성 응답이 포함되어야 한다. 치구, 프레스 금형, 코어 또는 인접 단면으로부터의 구속은 명시적으로 표현해야 한다. 동일한 강과 동일한 급냉 욕을 사용하더라도 자유 봉, 클램프로 고정된 링, 치구 위에 지지된 기어의 예측 변형은 서로 다르다.

재료 데이터와 변태 속도론

재료 데이터는 시뮬레이션이 특정 강종을 설명하는지 아니면 단지 일반적인 강을 설명하는지를 결정한다. 일반적으로 필요한 입력값에는 화학 조성, 밀도, 열전도도, 비열, 방사율, 상변태 온도, 잠열, 상 분율, 변태 속도론, 변태 변형률 및 각 관련 상의 기계적 특성이 포함된다. 조미니 곡선이나 보정된 연속냉각변태 거동과 같은 경화능 데이터는 단면이 마르텐사이트를 형성하는지 또는 베이나이트와 펄라이트의 혼합 조직을 형성하는지 판단하는 데 도움을 줄 수 있다.

속도론은 열 사이클과 일치해야 한다. 등온 변태 데이터만으로는 연속 냉각되는 단조품이나 주조품을 예측하지 못할 수 있다. 시간-온도-변태 선도, 연속냉각변태 선도, Koistinen–Marburger형 마르텐사이트 관계식 또는 보정된 상장 및 유한요소 루틴에 기반한 모델은 각각 핵생성, 잠복기, 조성 및 이전 오스테나이트 결정립 구조에 관한 가정을 포함한다. 침탄으로 인한 탄소 구배, 질화로 인한 질소 구배, 주조로 인한 편석을 다루려면 모든 요소에 하나의 조성을 지정하는 대신 공간적으로 변화하는 입력값이 필요하다.

National Institute of Standards and Technology의 재료 데이터 아카이브는 열처리 배경 정보를 얻을 수 있는 유용한 출처이지만, 아카이브 데이터는 실제 강종, 단면 크기, 표면 상태 및 장비와 대조하여 확인해야 한다. 공개된 값은 서로 다른 시험편 형상이나 냉각 속도로 측정되었을 수 있다. 유냉에 맞춰 보정된 모델을 고분자 용액, 물, 가스 또는 중단 급냉에 검증 없이 적용해서는 안 된다. 급냉 경계조건은 재료-공정 데이터 세트의 일부이다.

보정에서는 지정된 공정에서 예측된 온도, 상 분율, 경도, 치수 및 응력을 측정값과 비교해야 한다. 열전대, 가능한 경우의 적외선 측정, 딜라토미터, 경도 분포 측정, 금속조직학적 상 정량, 3차원 좌표측정기 스캔, X선 또는 중성자 회절을 통해 모델의 서로 다른 부분을 검증할 수 있다. 변형 보정에는 보어 직경, 면 평탄도, 런아웃, 길이 및 각도 변화와 같은 여러 형상 특성이 포함되어야 한다. 최종 치수 하나만 일치시키면 열전달과 변태 변형률에서 발생한 상쇄 오차를 감출 수 있다.

얇은 벽, 날카로운 필릿, 키홈, 구멍, 침탄 깊이 변화부 및 접촉 영역에서는 급격한 구배가 발생하므로 메시에 대한 민감도가 중요하다. 예측 최종 치수가 더 이상 크게 변하지 않을 때까지 메시를 세분화하는 것이, 한 번 시각적으로 조밀한 메시를 선택하는 것보다 의미가 있다. 경계 가정도 동일하게 면밀히 검토해야 한다. 완벽하게 대칭적인 냉각, 완벽하게 강체인 치구, 일정한 열전달계수 및 마찰이 없는 지지는 실제로는 존재하지 않는 질서정연한 결과를 산출할 수 있다. 민감도 연구에서는 메시 밀도, 표면 계수, 치구 강성, 마찰, 초기 온도 및 상변태 속도론 매개변수를 변화시켜 어떤 불확실성이 결과를 지배하는지 확인해야 한다.

주조 이력과 최종 치수 예측

주조 이력과 이전 공정은 예측된 최종 치수와 잔류 응력에 실질적인 영향을 미칠 수 있다. Limited evidence

주강의 경우 초기 조건 자체가 이미 열적·기계적 이력이다. 응고 과정에서 편석, 수지상정 구조, 기공, 잔류응력 및 불균일한 결정립 구조가 형성된다. 탈사, 압탕 제거, 황삭, 용접 보수 및 응력 제거 후의 냉각은 경화가 시작되기 전에 응력장을 변화시킬 수 있다. U.S. Department of Energy는 주강 내 열응력과 잔류응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하를 초래할 수 있다고 보고한다. 실온에서 응력이 없고 조성이 균일한 블록을 초기 상태로 설정하는 모델은 이후 거동의 상당 부분을 좌우하는 증거를 이미 버린 것이다.

University of Iowa 보고서도 최종 치수와 잔류응력을 추정할 때 주조 이력을 포함해야 한다는 점을 예측 측면에서 지적한다. 이를 위해서는 순차적 워크플로가 필요할 수 있다. 먼저 주조 시뮬레이션으로 응고, 냉각, 수축 및 잔류응력을 예측하고, 그 결과 얻어진 온도장, 상장, 조성장 및 응력장을 오스테나이트화와 급냉의 초기 상태로 사용한다. 다음으로 요소를 제거하거나 구속조건을 변경하여 황삭을 모델링한 뒤, 또 다른 평형 계산을 수행할 수 있다. 이러한 순서는 단일 열처리 단계로는 포착할 수 없는 응력 재분포를 반영한다.

따라서 최종 예측 형상은 공정에 따라 달라진다. 형상은 로의 장입 상태, 오스테나이트화 시간, 이송 지연, 급냉 유체의 이동, 치구 접촉, 뜨임, 공정 간 냉각 및 재료 이력에 좌우된다. 시뮬레이션은 이러한 조건과 무관하게 “강”이라는 재료에 속하는 추상적인 변형값을 산출하지 않는다. 시뮬레이션은 정의된 형상, 강종, 초기 상태, 장비 구성 및 공정 일정에 대한 응답을 예측한다.

이러한 구분은 시뮬레이션이 측정을 대체하기보다는 공정 시험을 지원해야 하는 이유도 설명한다. Worcester Polytechnic Institute 보고서는 급냉 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 변화가 서로 연계된 문제로 설명한다. 모델은 둘 이상의 부품 또는 조건에서 측정된 거동을 재현하고, 지배적인 민감도를 밝혀내며, 기계가공 중 잔류응력이 어디에서 해방될지를 보여줄 때 신뢰성을 갖는다. 따라서 ASM의 열처리 설계 지침은 변형과 바람직하지 않은 잔류응력의 최소화를 공정 후 보정 사항이 아니라 주요 설계 기준으로 취급한다.

14. 변형 제어를 위한 공정 및 설계 전략

변형 제어는 치수 변화가 전혀 없을 것이라고 약속하는 것이 아니라, 서로 양립하지 않는 변형률을 줄이는 것을 중심으로 구성해야 한다. 가열 및 급랭 과정에서는 부품의 서로 다른 영역이 서로 다른 시점에 팽창하고, 수축하며, 상변태하고, 항복한다. ASM International은 열 잔류응력, 변태 잔류응력, 경화 잔류응력을 각각 별도의 기여 요인으로 식별하지만, 실제 부품에서는 이들이 함께 발생한다. Journal of Materials Engineering and Performance에 게재된 2022년 리뷰 역시 급랭 변형을 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 급랭 강도 사이의 상호작용으로 설명한다.

따라서 적절한 공정은 인접 영역 간의 차이를 제한한다. 단순히 더 빠른 냉각제를 선택하거나 더 큰 가공 여유를 적용하는 것만으로는 충분하지 않다.

균일한 가열 및 냉각을 위한 설계

형상은 첫 번째 공정 변수이다. 얇은 웹에 연결된 두꺼운 허브, 급격한 단차, 날카로운 키홈, 막힌 구멍 및 서로 다른 벽 두께는 서로 다른 가열 및 냉각 속도를 만든다. 또한 국부적인 구속을 발생시킨다. 한 영역은 수축하려고 하는 반면 다른 영역은 뜨겁고 팽창된 상태로 남아 있기 때문이다. 그 결과 발생하는 응력은 마르텐사이트가 형성되기 전에 소성 변형을 일으킬 수 있으며, 잔류응력이 재분배될 때 나중에 해소될 수도 있다.

형상을 단순화하면 이러한 비양립성을 줄일 수 있다. 기능 설계가 허용하는 범위에서 단면 변화를 점진적으로 하고, 충분한 크기의 필렛을 적용하며, 벽 두께를 가능한 한 균일하게 하라. 베어링 시트, 기어 이 또는 위치 결정면 부근에서는 단면의 급격한 변화를 피해야 한다. 도면상으로는 작은 변화라도 급랭 중에는 큰 영향을 미칠 수 있다. 얇은 영역이 마르텐사이트 시작 온도에 도달하는 동안 두꺼운 영역은 여전히 열수축을 진행하고 있을 수 있기 때문이다. International Journal of Materials and Product Technology는 급랭 중 불균일한 열 구배를 급랭 변형의 주요 원인으로 규정한다.

가열은 장입물 전체에 걸쳐서도 균일해야 한다. 부품을 서로 밀착시켜 빽빽하게 쌓기보다는 노 분위기가 부품 주변을 순환할 수 있도록 간격을 두어야 한다. 무거운 바스켓, 적층된 부품 및 차폐된 표면은 국부적인 가열을 지연시킬 수 있다. 표면과 중심부 사이에 큰 온도 차이가 발생할 가능성이 있는 경우, 특히 두껍거나 형상이 복잡하거나 고합금인 부품에는 예열이 유용하다. 단계별 사이클은 열충격을 줄일 수 있지만, 예열을 하더라도 오스테나이트화 온도와 유지 시간을 제어해야 한다. 과도한 노출은 오스테나이트 결정립을 조대화하고, 산화 또는 탈탄을 증가시키며, 최종 변태 거동을 변화시킬 수 있다.

냉각의 균일성은 노 내 가열의 균일성만큼 중요하다. 냉각제는 제어된 온도, 교반 및 청정도 조건에서 관련된 모든 표면에 유사한 속도로 도달해야 한다. 증기막, 정체된 포켓, 막힌 통로 및 불균일한 분사 패턴은 국부적으로 서로 다른 냉각 이력을 만든다. 그 결과, 경질의 마르텐사이트 표면 바로 옆에 베이나이트, 펄라이트 또는 잔류 오스테나이트를 포함하는 영역이 형성될 수 있으며, 서로 다른 체적 변화와 잔류응력 상태가 동반된다. 급랭 교반은 증기를 제거하고 반복 가능한 열전달을 제공해야 하지만, 유체력이나 취급 하중에 의해 얇은 형상이 휘어질 정도로 과도해서는 안 된다.

가공 여유도 이러한 거동을 반영해야 한다. 급랭 및 뜨임 후 마무리 가공을 할 수 있도록 주요 기준면에는 충분한 재료를 남겨 둘 수 있지만, 불필요한 여유를 무차별적으로 추가해서는 안 된다. 이는 열용량을 증가시키고 단면 간 차이를 키울 수 있기 때문이다. 최종 연삭 공정에도 주의를 기울여야 한다. IJMPT의 급랭 강재 연구는 잔류응력을 냉각제 조건, 표면 및 표면경화, 최종 연삭과 연관시킨다.

경화능 및 급랭 조건의 선택

강의 화학 조성은 확산 변태 생성물을 방지하고 필요한 미세조직을 얻기 위해 단면이 얼마나 빠르게 냉각되어야 하는지를 결정한다. 단순히 공칭 경도가 아니라 경화능을 기준으로 선택해야 한다. 예를 들어 AISI 4140은 일반적으로 탄소 함량이 비슷한 일반 탄소강보다 경화능이 높다. 크롬과 몰리브덴이 변태를 지연시키기 때문이다. AISI 52100은 고탄소 베어링 용도로 선택되지만, 탄화물 분포와 단면 크기가 변태 거동에 영향을 미치므로 오스테나이트화와 급랭을 정밀하게 제어해야 한다. 적절한 강종은 요구되는 경도 분포, 인성, 내마모성, 치수 및 사용 중 응력에 따라 결정된다.

충분한 경화능을 가진 강을 선택하면 급랭 강도가 낮은 공정을 사용할 수 있다. 이는 표면과 중심부 사이의 온도 차이를 줄이고 목표 조직을 형성하는 데 필요한 열응력을 낮춘다. 매우 강한 급랭은 높은 표면 경도를 만들 수 있지만, 필요한 중심부 특성을 향상시키지 못한 채 변형, 균열 위험 및 잔류응력을 증가시킬 수도 있다. 반대로 급랭 강도가 부족하면 연질 영역이 남거나 베이나이트와 펄라이트가 과도하게 형성될 수 있다. 이 결정은 오일, 물, 폴리머, 가스 또는 염욕 중 하나를 일반적으로 선호하는 문제가 아니라, 야금학적 절충의 문제이다.

냉각제 농도, 온도, 유동 및 유지관리는 공정 변수로 규정해야 한다. 폴리머 용액은 농도와 교반이 변함에 따라 냉각 거동이 달라질 수 있다. 오일의 점도와 온도는 순환 및 열전달에 영향을 미치며, 가스 급랭은 압력, 유속 및 부품 노출 상태에 좌우된다. 염욕 또는 단계별 급랭은 급격한 열 구배가 발생하는 온도 범위를 줄일 수 있지만, 사이클은 여전히 필요한 변태를 달성해야 한다. 2022년 JMEP 리뷰는 냉각제 선택과 급랭 강도를 형상 및 단면 두께와 분리해서 고려할 수 없다고 강조한다.

표면경화 및 침탄·질화와 같은 케이스 경화 공정에는 특히 주의가 필요하다. 침탄은 표면 근처의 탄소 함량을 변화시키므로 변태 온도, 경화능 및 체적 변화에도 영향을 준다. 질화는 침탄보다 벌크 변태가 훨씬 적은 경화 화합물층 또는 확산층을 형성하지만, 선행 가공 응력, 가열, 고정구 구속 및 후처리 연삭으로 인해 변형이 발생할 수 있다. 진공 열처리는 분위기 제어를 향상시킬 수 있지만, 장입물 배치나 가스 흐름이 불량하면 균일한 냉각을 자동으로 보장하지는 않는다.

뜨임은 규정된 공정 범위 내에서 급랭 후 실시해야 한다. 뜨임은 뜨임되지 않은 마르텐사이트와 급랭 응력이 이후 균열이나 뒤틀림을 일으킬 가능성을 줄인다. 잔류응력이 여전히 허용 수준을 초과하는 경우에는 기계적 또는 열적 응력 제거가 적절할 수 있다. 단, 해당 처리가 경도, 경화층 깊이, 치수 공차 또는 표면 상태를 저해하지 않아야 한다. ASM의 열처리 설계 지침은 변형과 바람직하지 않은 잔류응력을 최소화하는 것을 주요 설계 기준으로 규정한다.

고정구, 방향 및 공정 순서

고정구는 새로운 집중 하중 경로를 만들지 않으면서 움직임을 제한해야 한다. 수축하려는 부품을 강하게 클램핑하면 자유 변형이 높은 잔류응력, 국부 항복 또는 균열로 바뀔 수 있다. 가능한 경우 지지부는 강하고 기능에 직접 관여하지 않는 영역에 접촉시켜야 하며, 부품의 온도가 변하는 동안에도 접촉 압력이 일정하게 유지되어야 한다. 얇은 링, 판 및 축에는 맨드릴, 매달기용 고정구 또는 가이드 지지가 필요할 수 있지만, 고정구는 의도된 열수축을 완전히 차단하지 말고 허용해야 한다.

부품의 방향은 중력의 영향과 냉각제 접근성을 모두 제어한다. 긴 축은 처짐을 제한하기 위해 수직으로 매달 수 있으며, 평판은 증기 포켓을 방지하고 양면이 유사하게 냉각되도록 배치해야 할 수 있다. 공동, 기어 이, 슬롯 및 구멍은 증기가 갇히거나 유체가 정체되지 않도록 유동 방향을 고려하여 배치해야 한다. 인접 부품이 표면을 차폐하고 국부 냉각 속도를 변화시킬 수 있으므로, 장입 방향은 실제 바스켓에서 검증해야 한다.

공정 순서도 동일하게 중요하다. 열처리 전에 황삭 가공을 실시하고 제어된 마무리 가공 여유를 남긴 다음, 잔류응력 상태를 파악할 수 있는 급랭 및 뜨임 후에 마무리 가공 또는 연삭을 실시해야 한다. 대형 주물 또는 단조품의 경우 Iowa 기술 보고서의 경고가 중요하다. 주조 이력은 최종 치수와 잔류응력에 영향을 미치기 때문이다. 응고 조직, 이전의 열 이력, 용접 보수 및 불균일한 가공 여유는 열처리 과정까지 남아 예측된 거동을 변화시킬 수 있다.

경화 전에 응력 제거를 실시하면, 가공 및 제조 과정에서 발생한 응력이 급랭 응력과 결합하는 것을 줄일 수 있다. 급랭 후 응력 제거 공정은 적절한 강종에서 뒤틀림 위험을 줄일 수 있지만, 보편적인 해결책은 아니다. NIST의 Metallurgy of Heat Treatment 자료는 잔류응력의 균형이 재료 제거로 교란될 때 제거되지 않은 급랭 응력이 가공 중 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 기록한다. 따라서 공정 계획에서는 최종 검사 시점뿐 아니라 각 주요 공정 후에 주요 치수를 측정해야 한다.

형상, 강의 화학 조성, 경화능, 단면 크기, 요구되는 미세조직, 냉각제, 고정구, 방향 및 응력 제거 일정의 올바른 조합은 해당 부품과 설비에 맞추어 설정해야 한다. Worcester Polytechnic Institute가 설명한 것처럼 모델링은 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 변화를 연결하는 데 도움을 줄 수 있다. 그러나 실제 장입 배치와 재료 이력이 예측된 변형이 실제로 양립 가능한지를 결정하는 경우가 많으므로, 현장 시험과 치수 측정은 여전히 필요하다.

15. 강종, 표준 및 공정 사양에 관한 고려사항

강종 지정만으로 변형을 예측할 수 없는 이유

강종은 화학 조성을 규정하며, 일부 표준에서는 기계적 특성, 청정도, 공급 상태 또는 경화능에 대한 한계도 규정한다. 그러나 열처리 후 부품의 최종 형상을 규정하지는 않는다. 동일한 강종으로 제작된 두 부품이라도 형상, 단면 두께, 초기 미세조직 및 가공 순서가 서로 다르기 때문에 치수 변화가 다르게 발생할 수 있다.

길고 가는 축, 두꺼운 허브 및 얇은 판은 담금질 중 동일한 열 이력을 겪지 않는다. 표면은 중심부와 서로 다른 속도로 냉각되며, 모서리, 구멍, 키홈 및 급격한 단면 변화 부위에는 열변형률과 변태 변형률이 집중된다. 따라서 외관상 균일한 부품이라도 내부적으로 균형을 이루는 인장 및 압축 잔류 응력 영역을 포함할 수 있으며, 재료가 제거될 때 휨, 타원화 또는 국부적인 이동이 발생할 수 있다.

또한 재료 지정은 특정한 로와 담금질 사이클에서 강이 나타내는 실효 경화능을 명시하지 않는다. 합금 화학 조성은 시간-온도-변태 반응에 영향을 주지만, 오스테나이트 결정립 크기, 초기 페라이트-펄라이트 또는 베이나이트 상태, 편석, 탄화물 분포 및 이전 냉간가공도 영향을 미친다. 풀림 상태로 공급된 강종은 동일한 강종이 담금질 및 뜨임 상태로 공급된 경우와 정확히 동일하게 반응하지 않는다. 주조 이력은 기공, 편석 및 기존 응력을 추가할 수 있으며, University of Iowa의 강 주물에 관한 기술 연구는 최종 치수와 잔류 응력을 예측할 때 이러한 이력을 포함해야 한다고 강조한다.

2022년 Journal of Materials Engineering and Performance의 리뷰 논문 “Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review”는 그 결과를 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 담금질 강도 사이의 상호작용으로 설명한다. 이것이 올바른 공학적 관점이다. ASM International 역시 ASM Handbook의 담금질 및 뜨임 강에 관한 논의에서 열적 잔류 응력, 변태 잔류 응력 및 경화 잔류 응력을 구분한다. 이러한 응력은 변형과 연계되어 있다. 변태 변형률은 소성 유동을 유발할 수 있으며, 열 구배는 마르텐사이트, 베이나이트 또는 펄라이트가 형성되는 시점과 위치를 변화시킬 수 있다.

따라서 EN 10083-3에 따른 42CrMo4 또는 해당 ASTM이나 SAE 사양에 따른 AISI 4140과 같은 지정은 명시된 대로 정확히 기록해야 하지만, 변형을 보증하는 것으로 취급해서는 안 된다. 비공식 명칭과 상표명은 화학 조성 한계, 제품 형태, 공급 상태 및 요구되는 경화능의 차이를 가릴 수 있다. 표준도 중요하지만 실제 재료 성적서 역시 중요하다.

전체 경화 및 표면 경화 사양

전체 경화 요구사항은 단순히 “경화 및 뜨임”이라고만 규정해서는 안 된다. 오스테나이트화 온도 또는 허용 범위, 가열 방법, 유지 시간의 기준, 이송 시간, 냉각제, 교반, 냉각제 온도, 뜨임 온도, 뜨임 시간 및 지정된 위치에서 요구되는 경도 또는 미세조직을 명시해야 한다. 대형 단면의 중심부 가까이에서 측정한 경도 목표는 중심부에 대해 거의 알려 주지 않으므로, 요구사항에는 반드시 단면 크기가 함께 제시되어야 한다.

고탄소강 또는 합금강은 작은 단면 전체에 마르텐사이트를 형성할 수 있지만, 두꺼운 단면의 중심부에서는 혼합 조직만 형성할 수 있다. 이러한 차이는 체적 변화와 응력 발생 모두를 변화시킨다. 중심부 경도 목표를 충족할 만큼 가혹한 담금질은 표면과 중심부 사이의 온도 구배, 균열 위험 및 변형을 증가시킬 수 있다. 더 완만하거나 중단된 담금질은 온도 구배를 줄일 수 있지만, 지정된 변태 범위를 충족하지 못할 수 있다. 사양은 이러한 상충 관계를 다루어야 하며, 그 책임을 강종명에 돌려서는 안 된다.

표면 경화에는 추가적인 변수가 도입된다. 침탄, 탄질화, 질화 및 유도 경화는 서로 다른 중심부 조직 위에 경화층을 형성하므로, 경화 깊이, 표면의 탄소 또는 질소 상태, 잔류 오스테나이트 한계, 중심부 경도 및 천이 프로파일을 규정해야 한다. International Journal of Materials and Product Technology의 문헌에서는 냉각제 조건 및 최종 연삭과 더불어 표면 경화와 침탄 경화를 잔류 응력의 원인으로 제시한다. 침탄 기어는 전체 강종이 변하지 않더라도 표면층의 변태, 중심부 변태, 치형 및 침탄과 관련된 열 노출로 인해 변형될 수 있다.

유도 경화 또는 화염 경화에서는 주파수, 전력 밀도, 주사 속도, 중첩률, 분사 배치 및 시작 온도가 가열 영역과 변태 순서를 변화시킬 수 있다. 질화에서는 화합물층 요구사항과 확산층 경도가 마르텐사이트 표면층과는 다른 방식으로 치수 성장을 좌우할 수 있다. 잔류 오스테나이트도 중요하다. 사용 중, 뜨임 중, 연삭 중 또는 보관 중에 발생하는 후속 변태로 인해 최초 담금질 이후에도 치수가 변할 수 있다.

ASM의 열처리 설계 지침은 변형과 바람직하지 않은 잔류 응력을 최소화하는 것을 가공 후에만 다루어야 하는 검사 문제가 아니라 주요 설계 기준으로 규정한다. 2005년 IJMPT 논의에서는 불균일한 열 구배를 담금질 변형의 주요 원인으로 제시한다. 따라서 냉각 균일성에 영향을 미치는 경우 형상, 고정 방법, 장입 배치, 냉각제의 유동 및 부품 방향을 공정 사양에 포함해야 한다.

열처리 상태의 전체 기록

유용한 기록은 재료 사양을 실제 열적 및 기계적 이력과 연결한다. 최소한 표준 및 강종 지정, 제품 형태, 용강 또는 주조 번호, 공급 상태, 단면 크기 및 명시된 경화능 요구사항을 기록해야 한다. 이어서 로의 유형과 분위기, 장입 배치, 예열 단계, 오스테나이트화 온도, 해당 온도에서의 유지 시간, 이송 지연 시간, 냉각제의 종류와 농도, 욕조 온도, 교반 또는 유량, 중단 방법 및 뜨임 일정을 포함한 전체 사이클을 기록해야 한다.

또한 기록에는 성공의 기준을 정의해야 한다. 경도 측정 위치, 중심부 및 표면 미세조직, 경화 깊이, 잔류 오스테나이트 한계, 직진도, 진원도, 흔들림, 평탄도 및 허용 치수 변화는 명시된 기준에 따라 측정할 수 있어야 한다. 가능한 경우 열처리 전후 검사는 동일한 기준면을 사용해야 한다. 기준면을 변경하면 열처리로 인한 이동과 가공 오차가 혼동될 수 있기 때문이다.

가공 순서도 기록에 포함되어야 한다. National Institute of Standards and Technology가 보관하는 Metallurgy of Heat Treatment에서는 완화되지 않은 담금질 응력이 가공으로 재료가 제거되고 잔류 응력의 균형이 깨질 때 뒤틀림을 일으킬 수 있다고 설명한다. 따라서 경화 전 황삭, 공정 사이의 응력 제거, 연삭 여유 및 최종 연삭 방향은 강종이나 담금질 레시피가 전혀 변하지 않더라도 관찰되는 결과를 바꿀 수 있다.

U.S. Department of Energy는 강 주물에서 가열 및 담금질 응력이 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하에 기여할 수 있다고 보고한다. Worcester Polytechnic Institute의 보고서 역시 담금질 변형을 열전달, 변태, 응력, 변형률 및 미세조직 진화가 서로 연계된 문제로 다룬다. 공정 기록은 이러한 변수를 장입별로 비교할 수 있을 만큼 충분한 정보를 보존해야 한다. 강종 성적서만으로는 이를 수행할 수 없다.

16. 변형 불량을 진단하기 위한 프레임워크

변형 불량은 냉각제가 지나치게 가혹했다는 증거가 아니라, 공정 이력의 문제로 다루어야 한다. 부품의 최종 형상에는 가열, 열팽창, 상변태, 소성 변형, 담금질, 뜨임, 절삭, 그리고 때로는 연삭이라는 여러 사건이 동시에 기록된다. 잔류응력과 변형은 서로 연계되어 있지만 동일한 것은 아니다. 부품이 치수 한계를 만족하면서도 위험한 인장응력을 유지할 수 있으며, 절삭 작업으로 인해 그동안 드러나지 않았던 응력 균형이 해소되면 절삭 후 휘어질 수도 있다.

첫 번째 과제는 측정을 통해 결함을 정의하는 것이다. 휨의 양과 방향, 비틀림에 따른 각도 변화, 기준 형상 사이의 치수 변화, 그리고 균열이 존재할 경우 그 위치와 방향을 기록한다. “축이 휘었다”와 같은 직선자 기반의 서술만으로는 불충분하다. 여러 측정 위치에서 런아웃을 측정하고, 전체 표면에 걸쳐 평탄도를 도식화하며, 오차가 부품 중심선을 기준으로 대칭인지 확인한다. 기록이 존재한다면 담금질 직후, 뜨임 후, 황삭 후, 최종 연삭 후의 상태를 비교한다. 이러한 순서를 살펴보면 결함이 언제 발생했는지 파악할 수 있는 경우가 많다.

휨, 비틀림, 팽창 및 균열의 분류

휨은 곡률 오차이며, 일반적으로 판, 축, 톱니 또는 보의 한쪽 면이 반대쪽 면과 다른 열변형 또는 변태 변형을 겪을 때 발생한다. 직경과 두께의 큰 차이, 편심된 구멍 배열, 불균일한 경화층 깊이 또는 치구와의 접촉은 이러한 불균형에 방향성을 부여할 수 있다. 부품을 뒤집었을 때 방향이 반대로 바뀌는 휨은 측정 지지 상태나 중력의 영향을 반영할 수 있다. 반면 모든 방향에서 동일한 재료상의 특징을 따라 나타나는 휨은 금속학적 원인 또는 형상학적 원인일 가능성이 더 높다.

비틀림은 이와 다르다. 비틀림은 길이 방향 또는 원주 방향을 따라 변형이 달라짐을 의미한다. 축에서 발생하는 나선형 변형은 비대칭적인 담금질 유동, 치구와의 간헐적인 접촉, 불균일한 침탄 깊이 또는 변태 중 방출된 비틀림 응력에서 비롯될 수 있다. 키홈, 기어 이, 스플라인 또는 벽 두께가 균일하지 않은 부품은 질량 분포가 국부적인 냉각 속도를 변화시키기 때문에 특히 민감하다.

팽창 또는 수축은 열적 성분, 변태 성분 및 절삭 성분으로 분리하여 평가해야 한다. 오스테나이트 형성은 일반적으로 이후에 마르텐사이트, 베이나이트 또는 펄라이트가 형성되는 과정과 다른 방식으로 체적을 변화시키며, 순 치수 변화는 탄소 함량, 합금 화학 조성, 냉각 속도 및 잔류 오스테나이트에 따라 달라진다. 따라서 침탄된 SAE 8620 기어는 전체 경화된 AISI 4140 축과 동일한 치수 변화를 예상하여 평가할 수 없다. 중요한 결과는 단순히 “커졌다” 또는 “작아졌다”가 아니라, 각 관리 치수가 어떻게 변했는지와 그 변화가 미세조직과 어떤 관계를 갖는지이다.

균열은 별도의 불량 유형이지만, 휨을 유발하는 동일한 응력이 균열에도 기여할 수 있다. 담금질 균열은 응력 집중부, 날카로운 모서리, 키홈, 연삭 번 또는 높은 경도와 낮은 인성을 가진 영역을 따라 발생하는 경우가 많다. 입계 균열 또는 망상 균열은 담금질 가혹도만이 아니라 과열, 과도한 결정립 성장, 침탄 손상 또는 취화를 나타낼 수 있다. 균열의 발생 기점, 방향, 깊이, 그리고 탈탄, 잔류 오스테나이트, 탄화물 또는 연삭 손상과의 연관성을 기록한다. 자분탐상검사, 침투탐상검사, 금속조직 단면 검사 및 파면 검사는 이 문제의 서로 다른 측면에 답할 수 있어야 한다.

열 이력과 변태 이력의 추적

결함을 정의한 후에는 결함을 형상 및 질량 분포와 연계하여 도식화한다. 얇은 벽, 보스, 리브, 구멍, 이, 막힌 공동, 급격한 형상 전이부 및 두꺼운 부분을 표시한다. 이러한 형상은 열 흐름을 좌우하며 변태 시작 및 종료 시점에 국부적인 차이를 일으킬 수 있다. Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review의 저자들이 Journal of Materials Engineering and Performance에 2022년에 발표한 리뷰는 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 담금질 가혹도를 상호작용하는 변수로 설명한다. 이러한 상호작용을 조사 방향의 기준으로 삼아야 한다.

담금질 조건을 변경하기 전에 먼저 노의 기록을 검토한다. 장입 온도, 유지 시간, 분위기 포텐셜, 노의 온도 균일성, 열전대 위치, 장입 질량, 트레이 배열 및 부품 사이의 간격을 확인한다. 노가 빈 노실의 온도 균일성 요구사항을 충족하더라도, 조밀하게 적재된 장입물에서는 부품 간 및 표면과 중심부 사이에 상당한 온도 차이가 발생할 수 있다. 장입물의 상부, 중앙 및 가장자리에 위치한 부품을 비교한다. 특정 위치에서만 결함이 발생한다면, 그 증거는 보편적인 재료 반응보다는 적재 또는 유동 문제를 가리킨다.

그다음 담금질 과정을 재구성한다. 이송 시간, 욕조 또는 고분자 냉각제의 온도, 교반 또는 노즐 이동, 침지 방향, 부품 간 간격, 그리고 증기막이나 갇힌 기포층이 형성될 가능성이 있었는지를 기록한다. International Journal of Materials and Product Technology는 불균일한 열 구배를 담금질 변형의 주요 원인으로 규정하며, 관련 논의에서는 잔류응력을 냉각제 조건, 표면 및 경화층 경화, 최종 연삭과 연결한다. 냉각 곡선 또는 계측된 시험 부품을 이용하면 표면은 빠르게 냉각된 반면 중심부는 뜨거운 상태로 남았는지, 또는 한쪽 면이 더 효과적인 열전달을 받았는지를 확인할 수 있다.

금속학적으로 결과를 검증한다. 단면 크기가 허용하는 경우 경도 트래버스에는 표면, 표면 직하부 및 중심부가 포함되어야 한다. 이전 오스테나이트 결정립 크기, 마르텐사이트 또는 베이나이트 분포, 잔류 오스테나이트, 탄화물, 탈탄, 경화층 깊이 및 연질 밴드를 검사한다. 규격 내의 경도값만으로 변태가 균일하게 일어났다고 입증할 수는 없다. 예를 들어 침탄 기어의 경우 한 개의 단면에 의존하지 말고 여러 이와 원주 방향의 여러 위치에서 경화층 깊이를 측정한다.

치수 변화, 균열, 피로 성능 또는 반복적인 절삭 변위가 형상과 경도만으로 설명되지 않을 때에는 잔류응력 측정이 타당하다. X선 회절은 표면 근처의 응력을 분석할 수 있으며, 홀 드릴링법은 얕은 깊이의 응력 프로파일을 제공한다. 중성자 또는 싱크로트론 기법은 이용 가능한 경우 더 깊은 영역을 검사할 수 있다. 모든 결과는 측정 깊이와 방향을 함께 고려하여 해석한다. 표면에서 압축응력이 측정되었다고 해서 경화층 아래 또는 전이부에 인장응력이 존재하지 않는 것은 아니다.

한 가지 변수만 맹목적으로 변경하지 않는 시정 조치

눈에 띄는 단일 불량품 하나만이 아니라, 여러 개의 불량품과 양품을 비교한다. 각 부품을 노 내 위치, 용강 히트 번호, 이전 절삭 경로, 담금질 배치, 뜨임 사이클 및 검사 결과와 대조한다. 관련성이 있다면 제강 및 주조 이력도 검토한다. 편석, 기공, 이전 단조 압하량, 용접 보수 또는 불균일한 소재 제거는 열 흐름과 잔류응력장 모두에 영향을 줄 수 있다. U.S. Department of Energy와 University of Iowa의 강 주물 관련 보고서는 가열 및 담금질 응력을 변형, 균열, 재작업, 용접 보수 및 사용 성능과 연결하며, 주조 이력이 치수 예측에 포함되어야 한다고 강조한다.

시정 조치는 비교군을 유지하면서 관리 가능한 변수군을 변경해야 한다. 가능한 조치로는 장입 대칭성 개선, 변태를 구속하지 않는 지지대 추가, 부품 방향 변경, 오스테나이트화 공정 개선, 적절한 예열 적용, 교반 또는 냉각제 온도 변경, 중단 담금질 적용, 뜨임 스케줄 변경 등이 있다. 변형 데이터만으로 어떤 방안도 선택해서는 안 된다. 이후에는 경도, 미세조직, 균열 검사 및 잔류응력을 확인해야 한다.

냉각제 가혹도만 변경하면 휨이 균열로 바뀌거나, 한 가지 치수 오차는 줄어드는 대신 잔류 오스테나이트와 이후 팽창이 증가할 수 있다. 냉각을 느리게 하면 열 구배는 줄어들 수 있지만 더 연한 변태 생성물이 형성될 수 있으며, 냉각을 빠르게 하면 경화능에 따른 반응이 개선되는 대신 변태응력이 증가할 수 있다. Worcester Polytechnic Institute의 보고서가 설명하듯이, 담금질 변형은 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 진화를 서로 결합한다. 따라서 타당한 진단은 전체 연쇄 과정을 추적한 다음, 증거가 지배적인 불균형을 가리키는 지점에서 공정을 변경하는 것이다.

17. 주요 구분과 일반적인 오해

열처리 변형과 잔류 응력은 서로 관련되어 있지만, 동일한 상태를 가리키는 서로 바꿔 쓸 수 있는 표현은 아닙니다. 부품에 측정 가능한 형상 변화가 거의 나타나지 않으면서도 상당한 내부 응력이 남아 있을 수 있고, 반대로 최초의 응력이 표면에서 보이지 않았더라도 가공 후 변형이 발생할 수 있습니다. 올바른 평가는 변형의 원천, 즉 열 구배, 상변태, 소성 변형, 형상, 단면 두께, 소재 이력 및 담금질 공정을 바탕으로 이루어져야 합니다.

ASM International의 Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels는 열적 잔류 응력, 변태 잔류 응력 및 경화 잔류 응력을 서로 구별되는 기여 요인으로 규정합니다. 또한 Journal of Materials Engineering and Performance에 게재된 2022년 리뷰 논문 “Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels”는 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 냉각제 선택 및 담금질 강도를 서로 고립된 원인이 아니라 상호작용하는 변수로 다룹니다.

변형은 잔류 응력과 동의어가 아니다

변형은 부품의 치수 또는 형상이 변하는 것입니다. 예를 들어 축이 휘거나, 링이 타원형이 되거나, 판에 접시 모양의 뒤틀림이 생기거나, 구멍이 원래 위치에서 벗어나는 경우가 이에 해당합니다. 잔류 응력은 외부 하중과 온도 차이가 제거된 후에도 남아 있는 내부 응력장입니다. 잔류 응력은 한 영역에서는 인장 응력이고 다른 영역에서는 압축 응력일 수 있으며, 부품 전체의 치수에 뚜렷한 변화를 일으키지 않고도 부품 내부에서 평형을 이룰 수 있습니다.

잔류 응력이 소성 변형을 일으킬 때 두 상태는 서로 연결됩니다. 담금질 중에는 표면이 내부의 더 뜨거운 코어가 함께 수축하기 전에 냉각되고 수축합니다. 국부 응력이 온도에 따라 변하는 항복 강도를 초과하면 영구 변형이 남습니다. 이후 마르텐사이트는 모상인 오스테나이트보다 더 큰 부피를 차지하므로, 마르텐사이트 변태가 응력의 균형을 다시 변화시킵니다. 따라서 부품은 형상이 변한 상태와 자기평형을 이루는 응력장을 동시에 가진 채 담금질 공정을 빠져나올 수 있습니다.

경도 측정 결과만으로는 이러한 차이를 판별할 수 없습니다. 침탄된 AISI 8620 기어는 지정된 표면 경도를 만족하면서도 굽힘 오차, 잔류 오스테나이트 또는 유해한 표면 하부 응력 구배를 유지할 수 있습니다. AISI 4140 축도 유냉 및 뜨임 후 요구 경도에 도달했더라도 키홈이나 가공 여유를 제거하면 움직일 수 있습니다. National Institute of Standards and Technology의 소재 데이터 아카이브에 보존된 Metallurgy of Heat Treatment는 잔류 응력의 평형이 소재 제거로 깨질 때 가공 중 뒤틀림이 발생하는 현상을 구체적으로 설명합니다.

표면 X선 회절이나 천공법 측정에도 한계가 있습니다. 이러한 방법은 표면에 가까운 영역을 설명할 뿐, 코어 전체를 관통하는 응력 상태를 자동으로 나타내지는 않습니다. 두꺼운 단조품, 주조품 또는 침탄 부품에 급격한 응력 구배가 있는 경우에는 중성자 회절, 윤곽선법, 절단법 또는 검증된 공정 모델이 필요할 수 있습니다. 측정된 표면 응력값은 코어의 응력값과 부호가 반대일 수도 있습니다.

치수 변화의 원인은 담금질에만 있지 않다

담금질은 온도 변화가 빠르기 때문에 비난을 받는 경우가 많지만, 치수 변화는 부품이 냉각제에 들어가기 전부터 시작됩니다. 가열은 가공 응력을 완화하고, 탄화물 분포를 변화시키며, 불균일한 팽창을 일으킬 수 있습니다. 주조품에는 응고, 불균일한 냉각, 고온부, 압탕, 용접 보수 또는 거친 가공으로 인해 이미 잔류 응력이 존재할 수 있습니다. U.S. Department of Energy와 University of Iowa의 강 주조품 관련 보고서는 이러한 열적 응력 및 잔류 응력과 변형, 균열, 재작업, 용접 보수, 치수 오차 및 사용 성능 저하 사이의 연관성을 제시합니다. 따라서 최종 치수를 예측할 때에는 주조 이력을 반드시 고려해야 합니다.

변태 변형은 마르텐사이트에만 국한되지 않습니다. 펄라이트, 베이나이트, 페라이트 및 마르텐사이트는 서로 다른 온도 범위에서 형성되며 서로 다른 비체적을 가집니다. 상변태가 응력 하에서 진행될 때에는 변태 소성이 발생할 수 있으며, 이로 인해 일반적인 항복 강도보다 낮은 응력에서도 변형이 일어날 수 있습니다. 잔류 오스테나이트는 이후 뜨임, 냉동 처리, 사용 중 하중 또는 연삭열에 의해 변태하여 추가적인 팽창이나 국부적인 형상 변화를 일으킬 수 있습니다. AISI 52100 또는 AISI 8620과 같은 침탄강에서는 탄소 구배에 의해 표면에서 코어까지 담금질성, 변태 온도, 마르텐사이트 체적 분율 및 잔류 오스테나이트 함량이 달라집니다.

형상은 이러한 효과가 전개되는 방식을 좌우합니다. 얇은 웹은 빠르게 냉각되는 반면, 두꺼운 허브는 뜨거운 상태를 더 오래 유지합니다. 날카로운 모서리는 열 흐름과 응력을 집중시키며, 보어는 단면 주변의 냉각 면적과 구속 조건을 변화시킵니다. 담금질 강도와 균일성이 중요하지만, 냉각제 온도, 유동, 교반, 부품 방향, 장입 밀도 및 증기막의 거동도 중요합니다. 2022년 Journal of Materials Engineering and Performance 리뷰는 이러한 상호작용을 직접적으로 설명합니다. Worcester Polytechnic Institute 보고서는 담금질 변형을 열전달, 상변태, 응력, 변형률 및 미세조직 진화를 포함하는 연성 문제로 제시합니다.

가공과 연삭은 이후 단계에서 추가적인 치수 변화를 일으킬 수 있습니다. 불균일한 가공 여유 제거는 응력을 노출하거나 재분배하며, 열을 제어하지 않으면 연삭으로 인해 얕은 열영향층과 변태 관련 응력이 형성될 수 있습니다. International Journal of Materials and Product Technology의 Part I 및 Part II는 불균일한 열 구배를 담금질 변형의 주요 원인으로 규정하고, 냉각제 조건, 표면 경화 및 침탄 경화, 잔류 오스테나이트 및 최종 연삭을 논의합니다.

응력 완화가 치수 안정성을 보장하지는 않는다

뜨임은 일부 담금질 응력을 줄이고 마르텐사이트 조직을 변화시키지만, 모든 응력 성분을 제거하거나 치수가 계속 고정된 상태로 유지되도록 보장하지는 않습니다. 결과는 뜨임 온도, 시간, 가열 및 냉각의 균일성, 단면 두께, 합금 화학 조성, 이전의 상변태 및 잔류 오스테나이트의 양에 따라 달라집니다. 저온 뜨임은 상당한 응력을 남길 수 있으며, 고온 처리는 추가적인 회복, 탄화물 석출 또는 불안정한 오스테나이트의 변태를 유발할 수 있습니다.

기계적 응력 완화에도 유사한 한계가 있습니다. 진동 처리, 신장 또는 제어된 열 사이클링은 부적절한 형상, 불균일한 미세조직 또는 주조 결함을 교정하지 않은 채 응력을 재분배할 수 있습니다. 또한 응력 완화로 인해 이전에는 구속되어 있던 움직임이 드러날 수도 있습니다.

ASM International의 Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel은 변형과 바람직하지 않은 잔류 응력을 최소화하는 것을 경도가 충족되면 자동으로 따라오는 결과가 아니라, 주요 설계 기준으로 규정합니다. 치수 안정성을 확보하려면 공정 관리와 검증이 필요합니다. 열처리 전후에 치수를 측정하고, 중요 형상 요소를 검사하며, 가공 순서를 고려하고, 관련성이 있는 경우 잔류 오스테나이트를 조사하며, 부품의 깊이와 형상을 대표할 수 있는 응력 측정 방법을 선택해야 합니다. 경도 프로파일은 변태를 보여 주는 유용한 증거이지만, 전체 응력장이나 최종 형상이 허용 가능한 상태임을 입증하는 증거는 아닙니다.

18. 참고 표 및 실무 체크리스트

열처리 기록은 개별적인 가열로 및 담금질 값의 집합이 아니라, 원인들이 연결된 연쇄로 해석해야 합니다. ASM International은 열 잔류응력, 변태 잔류응력 및 경화 잔류응력을 구분하며, 2022년 Journal of Materials Engineering and Performance의 리뷰 논문은 열전달, 상변태, 형상, 단면 두께, 담금질제 선택 및 담금질 강도가 서로 상호작용하는 변수라고 설명합니다. 따라서 부품이 경도 목표를 충족하더라도 기계가공, 연삭 또는 사용 중에 변형될 수 있습니다.

메커니즘-증상 표

이 표는 진단을 돕기 위한 자료이며, 금속조직 분석이나 측정된 열 이력을 대신할 수 없습니다. 불균일한 냉각은 가장 직접적으로 뒤틀림을 시사하고, 변태 변형은 성장 또는 형상 변화를 시사하며, 잔류응력 재분포는 기계가공 중 움직임을 시사합니다. 과도한 열응력 또는 변태응력은 균열 위험을 높이지만, 균열 발생 여부는 결함, 형상, 표면 상태 및 강재의 파괴 민감도에도 좌우됩니다.

공정 기록 체크리스트

열처리 원인을 설명하기 전에 재료 상태를 기록하십시오. AISI 4140, ASTM A681 D2 또는 ASTM A295 52100과 같이 제공된 명칭을 정확히 식별하고, 적용 제품 규격, 히트 번호, 화학 분석, 열처리 전의 소둔 또는 정상화 상태, 결정립 크기, 편석, 개재물 및 이전 냉간가공을 기록하십시오. 서로 다른 공급업체 또는 규격의 결과를 비교할 때는 명목상의 강종만으로는 충분하지 않습니다.

형상과 관련해서는 도면 개정 정보를 보존하고, 전체 치수, 단면 두께, 길이-직경비, 벽 두께, 구멍, 키홈, 나사산, 필릿, 홈, 날카로운 모서리, 비대칭성, 기준면 체계 및 기계가공 여유를 측정하십시오. 열처리 전에 부품이 단조, 압연, 주조, 용접 또는 조립된 것인지 기록하십시오. University of Iowa의 강 주물 관련 기술 보고서는 최종 치수 및 잔류응력 평가에서 주조 이력을 반드시 포함해야 하는 이유를 보여 줍니다.

가열 기록에는 가열로 식별 정보, 교정 상태, 장입 질량, 적재 패턴, 지지점, 분위기 또는 진공도, 예열 단계, 승온 속도, 가열로 회복 시간 및 가능한 경우 부품 온도 측정값이 포함되어야 합니다. 오스테나이트화의 경우 목표 온도, 해당 온도에서의 유지 시간, 추정 또는 측정된 중심부 온도 균일화, 해당되는 경우 탄소 포텐셜, 분위기 조성, 표면 상태 및 담금질 전에 침탄, 탄질화, 질화 또는 진공 처리가 이루어졌는지를 기록하십시오.

담금질 기록에는 매체의 명칭만으로는 부족합니다. 오일, 물, 폴리머, 염수, 가스 또는 염욕의 조성, 담금질제 온도, 농도 또는 점도, 교반 속도와 방향, 유동 균일성, 이송 지연, 장입물 배열, 침지 방향 및 중단이나 지연 여부를 기록하십시오. International Journal of Materials and Product Technology에 게재된 논문들은 담금질제 상태, 담금질 강도, 표면 및 침탄 경화, 최종 연삭이 잔류응력과 관련된 요인임을 제시합니다.

뜨임에 대해서는 담금질 후 이송 시간, 뜨임 온도, 부품 온도에서의 유지 시간, 사이클 횟수, 가열로 균일성, 냉각 방법 및 극저온 처리나 안정화 처리를 기록하십시오. 경도는 단일 표면 측정값에만 의존하지 말고 위치별로 측정하십시오. 열처리 전, 담금질 후, 뜨임 후, 황삭 가공 후, 정삭 가공 후 및 연삭 후의 치수 측정값을 포함하십시오.

기계가공 기록에는 기준면 변경, 공정별 제거 재료량, 클램핑력, 고정구에 의한 변형, 공구 경로 및 황삭과 정삭 사이의 시간을 명시해야 합니다. 연삭 기록에는 연삭숫돌 종류, 드레싱 간격, 절입량, 이송 속도, 절삭유, 스파크아웃 및 표면 온도 또는 연소 흔적 검사 결과가 포함되어야 합니다. 검사는 경도 맵핑, 치수 기준면, 직진도, 진원도, 런아웃, 표면 균열, 자분탐상 또는 침투탐상 결과, 해당되는 경우 잔류 오스테나이트 및 위험 수준에 따라 필요한 잔류응력 측정을 포함해야 합니다.

시뮬레이션 입력값에는 강재의 화학 조성 또는 강종, 상변태 데이터, 온도 의존 물성, 잠열, 탄성-소성 구성 데이터, 변태 변형, 변태 속도론, 경화능, 초기 미세조직, 접촉 조건, 담금질제의 열전달 거동, 교반, 고정구 구속, 메쉬 민감도 및 실제 가열로와 장입물의 형상이 명시되어야 합니다. 변태 변형을 누락한 모델은 냉각은 예측할 수 있어도 형상 변화의 주요 원인을 놓칠 수 있습니다.

공개 자료 해석을 위한 질문

먼저 어떤 강재와 제품 상태가 시험되었는지 확인하십시오. “공구강”은 ASTM A681 D2, AISI H13 또는 경화능과 변태 거동이 서로 다른 다른 재료를 의미할 수 있습니다. 시험편은 얇은 쿠폰, 링, 기어, 주물 또는 단조 봉재 중 무엇이었습니까? 단면 두께와 형상은 온도 구배를 크게 변화시켜 담금질 설정의 겉보기 효과를 반대로 만들 수도 있습니다.

다음으로 보고된 온도가 가열로 온도, 표면 온도 또는 중심부 온도 중 무엇인지 확인하십시오. 담금질제의 교반은 측정된 것입니까, 아니면 단지 “중간 정도”라고 기술된 것입니까? 농도, 점도, 욕조 온도, 이송 시간 및 장입물 배열은 관리되었습니까? 이러한 세부 정보가 없으면 수치로 제시된 변형값을 다른 조건에 그대로 적용할 수 없습니다.

측정 방법과 기준면 체계를 확인하십시오. 보고된 길이 변화에는 탄성 스프링백, 고정구 해제, 잔류 오스테나이트 변태 또는 생산 도면과 다른 측정 기준이 포함될 수 있습니다. 결과가 담금질 후, 뜨임 후, 기계가공 후 또는 연삭 후에 측정된 것인지 확인하십시오.

마지막으로 근거와 권고를 구분하십시오. 2022년 리뷰 Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels의 결과는 공정 연계적 추론을 뒷받침하지만, 보편적인 담금질 강도나 허용 변형을 확립하는 것은 아닙니다. 강종, 규격, 형상, 설비 및 열처리 이력을 검증하지 않고 어떤 수치상의 변형 한계나 보편적인 공정 설정도 부품 간에 그대로 이전해서는 안 됩니다.

간략 참고: 불균일한 냉각 → 뒤틀림; 변태 변형 → 성장 또는 형상 변화; 잔류응력 재분포 → 기계가공 중 움직임; 과도한 열응력 또는 변태응력 → 균열 위험. 이러한 연관성은 ASM International, 2022년 Journal of Materials Engineering and Performance 리뷰, 열전달과 미세조직 변화의 연계에 관한 Worcester Polytechnic Institute 보고서, National Institute of Standards and Technology의 재료 데이터 아카이브 및 International Journal of Materials and Product Technology의 연구에 의해 뒷받침됩니다.

참고 문헌

1. [1]Authors in the review. Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review. Journal of Materials Engineering and Performance, 2022. https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x
2. [2]Authors of the IJMPT discussions. Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II. International Journal of Materials and Product Technology, 2005. https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941; https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942
3. [3]Worcester Polytechnic Institute report authors. Distortion and Residual Stress. Worcester Polytechnic Institute report, 2021. https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf
4. [4]Authors of Metallurgy of Heat Treatment. Metallurgy of Heat Treatment. National Institute of Standards and Technology materials-data archive. https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf