강의 오스템퍼링 및 마템퍼링

오스템퍼링과 마템퍼링: 구분하여 사용해야 하는 용어

두 열처리 모두 직접 담금질을 중단하지만, 동일한 미세조직을 생성하지는 않는다. 오스템퍼링은 베이나이트 변태 열처리이다. 즉, 오스테나이트화된 강을 베이나이트가 형성될 수 있는 온도까지 신속히 냉각한 후, 필요한 분율의 오스테나이트가 변태할 때까지 유지한다. 마템퍼링은 마르텐사이트 형성 전에 온도를 균일화하는 단계이다. 강을 마르텐사이트 시작 온도 바로 위까지 담금질하고, 단면 전체가 균일한 온도에 가까워질 때까지만 유지한 다음 마르텐사이트 변태 온도 범위를 통과하여 냉각한다. 마템퍼링된 강은 일반적으로 사용 전에 뜨임이 필요하다.

이러한 구분은 담금질욕의 명칭보다 중요하다. 염욕, 유욕 또는 기타 제어된 매체를 사용했다는 사실만으로 공정을 규정할 수는 없다. 합금 조성은 변태 곡선의 위치와 형상을 결정하며, 마르텐사이트 시작 온도, 단면 크기, 경화능, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도가 실제 열 이력을 결정한다. 300 °C의 욕은 한 강종에서는 유지 중 베이나이트가 형성될 경우 오스템퍼링을 가능하게 할 수 있지만, 다른 강종에서는 베이나이트 변태가 일어나기 전에 가공물을 꺼낸 후 마르텐사이트가 형성되도록 냉각한다면 마템퍼링 공정으로 기능할 수 있다.

명칭이 자주 혼동되는 이유

이러한 혼동은 장비와 취급 방식이 실제로 유사하기 때문에 발생한다. 두 열처리 모두 가공물을 오스테나이트화한 후 제어된 온도의 매체로 신속히 옮기며, 오스테나이트화 온도에서 실온까지 제어되지 않은 직접 담금질이 일어나지 않도록 한다. 두 열처리 일정 모두 일반적인 담금질에 비해 열 구배를 줄일 수 있으며, 비공식적으로 “중단 담금질”이라고 설명되기도 한다. 그러나 이러한 공통점만으로 동일한 변태 생성물이 형성된다고 볼 수는 없다.

욕의 명칭은 문제를 더욱 복잡하게 만든다. 염욕 담금질, 고온 담금질, 등온 담금질, 오스베이 담금질, 중단 담금질과 같은 용어는 서로 겹치는 의미로 사용되는 경우가 많지만, 이 용어들은 하나의 최종 상이 아니라 장비, 온도 제어 또는 열처리 일정을 설명한다. SAE AMS-H-6875C: 강 원소재의 열처리는 네 가지 강종을 다루며, 규정된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마템퍼링을 허용한다. 따라서 이 규격의 표현은 중요한 원칙을 뒷받침한다. 열처리 명칭은 소금을 사용했다는 사실에서 추론할 것이 아니라, 요구되는 절차와 결과에 연결하여 규정해야 한다.

형상 역시 해석을 바꾼다. 얇은 부품은 마르텐사이트 시작 온도보다 높은 온도에서 짧게 유지하는 동안 두께 방향으로 온도가 균일해질 수 있다. 두꺼운 부품은 더 긴 유지 시간이 필요할 수 있으며, 온도가 베이나이트 변태 범위 안에 있다면 이 추가 시간이 베이나이트의 생성 또는 진행을 허용할 수 있다. 반대로 베이나이트 형성이 지연되는 강은 다른 강종이라면 변태할 유지 시간 동안에도 대부분 오스테나이트 상태로 남을 수 있다. 따라서 동일한 공칭 욕 온도라도 AISI 52100, AISI 8620 및 고경화능 합금에서는 서로 다른 조직이 형성될 수 있다.

[1][1] ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels. ASM International. ASM Handbook, 2013.

ASM International의 2013년 ASM Handbook Volume 4A는 마템퍼링의 제어 변수로 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 제시한다. 이러한 변수는 부수적인 세부 사항이 아니라 공정 데이터이다. 도면이나 절차서에 “300 °C에서 염욕 담금질”이라고만 적혀 있다면, 강종, 이송 시간, 온도 균일화 기준, 유지 시간의 상한, 후속 냉각 및 뜨임 작업도 함께 규정하지 않는 한 불완전하다.

변태 생성물이 공정을 규정한다

오스템퍼링은 등온 유지 중 의도적인 베이나이트 변태에 의해 정의된다. Strong evidence

오스템퍼링은 베이나이트를 의도적으로 형성하는 공정으로 정의된다. 오스테나이트화 후 강을 오스테나이트가 등온적으로 베이나이트로 변태할 수 있는 온도 범위로 유지되는 매체에 담금질하고, 베이나이트가 형성될 때까지 유지한다. AISI 52100을 대상으로 한 2013년 연구는 오스템퍼링을 약 200~400 °C로 유지되는 매체에 담금질한 후 베이나이트가 형성될 때까지 유지하는 공정으로 설명한다. 유효한 정확한 온도 범위는 강종에 따라 달라진다. 합금 원소는 변태 속도를 변화시키며, 상부 베이나이트와 하부 베이나이트는 동일한 특성을 나타내지 않을 수 있다.

따라서 유지 시간은 단순히 온도 차이를 줄이기 위한 방법이 아니라 야금학적 요구 사항이다. 의도한 베이나이트 반응이 일어나기 전에 가공물을 꺼낸다면, 완전한 오스템퍼링 조직은 형성되지 않는다. 열처리 일정에 따라 최종 재료에는 베이나이트와 함께 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 또는 미변태 영역이 포함될 수 있다. 중탄소 저합금강의 단시간 저온 오스템퍼링을 다룬 2020년 연구에서는 나노 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 보고되었으며, 그 마모 계수는 담금질된 마르텐사이트강보다 최대 50% 낮았다. 이러한 결과는 해당 연구에서 사용한 강종과 열처리 일정에 관한 것이며, 모든 오스템퍼링 강종에 적용되는 것은 아니다.

마르텐사이트 시작 온도(Ms)마르텐사이트 시작 온도(Ms) 정해진 조성과 열 이력에서 냉각 중 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도.

마템퍼링의 목적은 다르다. 욕은 강의 마르텐사이트 시작 온도 바로 위로 선정하며, 일반적으로 $M_s$로 표기한다. 가공물은 표면과 중심부의 온도가 충분히 가까워질 때까지만 그 온도에 둔다. 그런 다음 보통 공기 중에서 또는 다른 제어된 냉각 조건하에서 마르텐사이트 형성 온도 범위를 통과하여 냉각한다. 마르텐사이트는 욕에서 유지되는 동안이 아니라 이후의 냉각 단계에서 형성된다. ASM의 2020년 Heat Treating Subject Guide는 이 순서를 설명하며, 강은 이후 사용 전에 뜨임해야 한다고 명시한다.

목적은 마르텐사이트 변태 변형이 발생하기 전에 표면과 내부의 온도 차이를 줄이는 것이다. 그러면 열수축과 변태 팽창이 서로 어긋나는 정도가 줄어든 상태에서 진행되므로 직접 담금질에 비해 변형과 균열을 줄일 수 있다. 마템퍼링이 담금질 응력을 제거하는 것은 아니며, 뜨임을 대신할 수도 없다. 뜨임하지 않은 마르텐사이트는 높은 경도를 가질 수 있지만 인성이 낮고 잔류 응력이 과도할 수 있다.

이 구분은 추측이 아니라 검증할 수 있다. 금속 조직 검사를 통해 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트를 식별할 수 있으며, 경도 시험, 치수 검사 및 필요한 경우 잔류 오스테나이트 측정을 통해 규정된 결과가 달성되었는지 확인할 수 있다. 열처리 일정은 해당 강종의 연속 냉각 변태 및 등온 변태 데이터와 대조하여 검토해야 한다. 욕 온도만으로는 충분한 근거가 되지 않는다.

공정 목적의 간결한 비교

오스템퍼링은 오스테나이트가 베이나이트로 변태할 수 있도록 강을 베이나이트 변태 온도에서 충분히 오래 유지한다. 오스템퍼링을 규정하는 핵심 사건은 등온 유지 중에 발생한다. 강종과 형상에 따라 그 결과 조직은 경도, 인성, 피로 거동 및 치수 안정성 사이에서 유용한 균형을 제공할 수 있다. 2013년에 발표된 SAE 연구에서는 침탄한 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320에 대해 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용했으며, 침탄 후 담금질 및 뜨임한 시험편보다 변형이 현저히 적다고 보고했다. 이 결과는 시험된 조건에서 공정 선택을 뒷받침하지만, 열처리의 보편적인 우열을 의미하지는 않는다.

느린 냉각 전에 마르텐사이트 영역 바로 위에서 강의 온도를 균일화하면 경도를 거의 희생하지 않고 균열을 줄일 수 있다. Strong evidence

마템퍼링은 온도를 균일화할 수 있도록 강을 $M_s$보다 높은 온도에서 충분히 유지한 다음, 냉각 중 제어된 마르텐사이트 변태가 일어나도록 한다. 마템퍼링을 규정하는 핵심 사건은 마르텐사이트 형성 전에 온도를 균일화하고, 그 후 뜨임하는 것이다. 마르텐사이트 형성 온도 범위에 관한 1946년 연구는 이러한 원리를 직접 설명했다. 즉, 마르텐사이트 형성 범위 바로 위까지 담금질한 후 더 느리게 냉각하면 경도 손실은 거의 없이 균열을 줄일 수 있다.

오스템퍼링은 “이 강이 주어진 시간과 온도 범위 안에서 요구되는 베이나이트 조직으로 변태할 수 있는가?”를 묻는다. 마템퍼링은 “이 단면이 마르텐사이트로 변태하기 전에 $M_s$보다 높은 온도에서 온도를 균일화할 수 있는가?”를 묻는다. 강의 경화능, 단면 크기, 이송 지연 시간, 욕 제어 및 유지 시간이 이러한 질문에 대한 답을 결정한다. 두 공정을 모두 “고온 담금질”이라고 부르면 이러한 차이가 가려져 잘못된 규격, 잘못된 미세조직 또는 누락된 뜨임 작업으로 이어질 수 있다.

금속학적 출발점: 오스테나이트, TTT 선도 및 Ms

오스템퍼링과 마템퍼링은 동일한 금속학적 상태인 오스테나이트에서 시작한다. 두 공정의 차이는 이후, 오스테나이트화된 강이 서로 다른 온도–시간 경로를 따를 때 나타난다. 오스테나이트는 면심입방 결정구조를 가지며 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 고용할 수 있다. 따라서 오스테나이트 영역까지 가열하면 냉각 중 제어된 변태가 일어나도록 탄소와 합금 원소를 준비할 수 있다. 강이 완전하게 또는 적절하게 오스테나이트화되지 않으면 어느 처리도 의도한 변태 일정을 따르지 않는다.

오스테나이트화와 선행 상의 용해

오스테나이트화는 단순히 로의 설정 온도에 도달하는 것 이상을 의미한다. 소재는 관련 임계 온도보다 충분히 높은 온도까지 가열되어야 하고, 단면 전체의 온도가 균일해질 만큼 충분히 유지되어야 하며, 과도한 오스테나이트 결정립 성장을 일으키지 않으면서 필요한 선행 상을 용해시키는 온도에서 처리되어야 한다. 적절한 온도는 조성, 단면 크기, 초기 미세조직 및 요구되는 최종 특성에 따라 달라진다.

아공석강에서는 상부 임계 온도 이상으로 가열하면 페라이트와 펄라이트가 오스테나이트로 변태한다. 과공석강에서는 일반적으로 펄라이트와 적절한 비율의 초석 시멘타이트를 용해시키도록 처리 온도를 정하지만, 탄화물을 완전히 용해하는 것이 바람직하지 않을 수도 있다. 합금 탄화물은 또 다른 문제를 일으킨다. 크롬, 몰리브덴, 바나듐 및 그 밖의 탄화물 형성 원소는 일반적인 오스테나이트화 온도에서 천천히 용해되거나 일부가 용해되지 않은 상태로 남을 수 있다. 이들의 용해는 오스테나이트의 탄소 및 합금 원소 함량을 변화시키며, 이에 따라 경화능, 변태 속도론 및 마르텐사이트 시작 온도가 달라진다.

AISI 52100은 강종별 해석이 중요한 이유를 잘 보여준다. 크롬이 풍부한 탄화물 분포와 높은 탄소 함량 때문에 오스테나이트화 일정은 일반 탄소강의 경우와 다르다. AISI 52100에서 적절한 오스테나이트를 형성하는 처리를 AISI 8620 또는 AISI 4320에 자동으로 적용할 수는 없다. 또한 AISI 8620, 8822 또는 4320의 침탄 표면에는 탄소 농도 구배가 존재하므로 표면과 중심부가 동일한 변태 온도나 마르텐사이트 분율을 갖는다고 볼 수 없다.

유지 시간에는 서로 반대되는 두 가지 효과가 있다. 시간이 너무 짧으면 용해되지 않은 펄라이트, 페라이트 또는 탄화물이 남고 오스테나이트 조성이 불균일해질 수 있다. 반대로 시간이 지나치게 길면 결정립 조대화, 산화, 탈탄 및 더 큰 치수 변화가 촉진된다. 이전 오스테나이트 결정립 크기는 확산 변태에 이용 가능한 핵생성 자리의 수에 영향을 주며 경화능을 변화시킬 수 있다. 조대한 오스테나이트 결정립은 냉각 중 펄라이트 또는 베이나이트의 생성을 지연시킬 수 있는 반면, 미세한 결정립 조직은 일반적으로 확산에 의한 변태가 더 쉽게 일어난다. 결정립 크기는 Ms를 포함한 측정 변태 온도도 변화시킬 수 있지만, 그 영향은 대개 탄소 함량과 합금 화학 조성의 영향보다 작다.

오스테나이트화는 또한 시간–온도 선도에서 출발 조건을 설정한다. 특정 오스테나이트화 온도, 유지 시간 및 결정립 크기에서 작성된 TTT 곡선이 다른 일정으로 오스테나이트화된 강을 반드시 설명하는 것은 아니다. 담금질이 시작되기 전부터 열 이력이 중요하다.

펄라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트 변태 영역

시간–온도–변태 선도는 오스테나이트를 선택된 온도로 빠르게 이동시킨 뒤 그 온도에서 유지할 때 형성되는 생성물을 나타낸다. 익숙한 “C” 곡선은 확산 변태의 시작과 종료를 보여주지만, 이러한 곡선은 특정 강종과 특정 오스테나이트화 조건에 해당한다. 일반적인 철–탄소 선도는 개념을 설명할 수는 있지만, 모든 공업용 강종의 일정을 지정할 수는 없다.

더 높은 변태 온도에서는 오스테나이트가 펄라이트를 형성할 수 있다. 탄소가 비교적 먼 거리를 확산하면서 페라이트와 시멘타이트가 교대로 배열된다. 더 낮은 온도에서는 확산이 느려지고 생성되는 펄라이트는 더 미세해진다. 이 변태에는 여전히 시간이 필요하다. 냉각이 펄라이트 영역을 너무 느리게 통과하면 강이 베이나이트 또는 마르텐사이트 영역에 도달하기 전에 오스테나이트의 일부 또는 전부가 변태할 수 있다.

베이나이트는 펄라이트 영역보다 낮고 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도보다 높은 온도에서 형성되지만, 정확한 영역의 범위와 중첩 양상은 합금에 따라 다르다. 베이나이트 형성에는 탄소 재분포와 변위성 성분이 관여하며, 온도와 강의 화학 조성에 따라 탄화물 석출 또는 잔류 양상이 달라지는 페라이트계 베이나이트가 생성된다. 상부 베이나이트와 하부 베이나이트는 서로 대체 가능한 조직이 아니다. 유지 온도, 탄소 활성도, 합금 원소 및 변태 완료 시간은 이들의 형태와 특성에 영향을 준다.

오스템퍼링은 의도적으로 오스테나이트화된 강을 베이나이트 변태 영역으로 보내고, 필요한 비율의 오스테나이트가 변태할 때까지 그곳에서 유지하는 공정이다. AISI 52100을 대상으로 한 2013년 연구에서는 오스템퍼링을 약 200~400 °C로 유지된 냉각 매체에 담금질한 후 베이나이트가 형성될 때까지 유지하는 처리로 설명했다. 이 온도 범위는 해당 실험에서 보고된 조건을 설명하는 유용한 기준이지, 모든 강종에 적용되는 보편적인 범위는 아니다. 2024년에 발표된 ACS Omega 연구는 공정상의 차이를 직접적으로 설명한다. 오스템퍼링은 오스테나이트화된 강을 베이나이트 변태 온도에서 유지하는 반면, 마템퍼링은 Ms 바로 위에서 짧게 유지한 뒤 공랭한다.

마르텐사이트는 다르다. 마르텐사이트는 냉각 중 오스테나이트가 Ms 이하로 내려갈 때 주로 무확산 전단 변태에 의해 형성된다. 탄소는 과포화 체심정방정 마르텐사이트 격자에 갇히며, 이 변태는 빠른 체적 변화를 일으킨다. 냉각이 마르텐사이트 생성 영역을 계속 통과함에 따라 마르텐사이트의 양은 증가하며, 이때 흔히 마르텐사이트 종료 온도인 Mf를 사용해 설명한다. Mf가 실온보다 낮거나 합금 원소가 변태 영역을 낮추는 경우에는 일부 오스테나이트가 변태하지 않은 채 남을 수 있다.

따라서 냉각 곡선은 냉각 매체의 명칭만이 아니라 변태 속도론과 비교해야 한다. 연속 냉각 변태 선도는 실제 냉각 속도가 펄라이트 및 베이나이트의 노즈를 피하는지를 보여준다. TTT 선도는 등온 거동을 나타내며 유지 처리를 이해하는 데 유용하지만, 큰 부품이 오일, 염욕, 폴리머 또는 공기를 통과할 때 따르는 온도 경로를 직접 재현하지는 않는다. 단면의 중심부와 표면도 서로 다른 곡선을 따를 수 있다. 따라서 경도와 상 분포는 공칭 냉각 매체 온도뿐 아니라 국부 냉각 속도에도 좌우된다.

마르텐사이트 시작 온도와 변태 범위

Ms는 정해진 조건에서 냉각할 때 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도이다. 이는 “강”이라는 재료 전체에 대해 적용되는 보편적인 상수가 아니다. 탄소는 일반적으로 Ms를 낮추는데, 탄소가 오스테나이트를 안정화하기 때문이다. 망간, 니켈, 크롬 및 몰리브덴과 같은 합금 원소도 오스테나이트의 안정성에 영향을 주어 변태 범위를 이동시킬 수 있다. 침탄층과 저탄소 중심부 사이에는 탄소 농도 차이가 있을 수 있으므로 두 영역은 서로 다른 Ms 값을 가질 수 있다.

이전 오스테나이트 결정립 크기, 오스테나이트화 온도, 용해된 탄화물, 잔류 응력, 그리고 앞선 가열 및 냉각 이력도 측정되는 시작 온도와 종료 온도에 영향을 줄 수 있다. 잔류 오스테나이트, 편석 및 국부적인 화학 조성 변화는 실제 측정을 더욱 복잡하게 만든다. 따라서 선도에 표시된 Ms는 단순히 강종명에 결부되는 것이 아니라 특정 조성과 열 이력에 결부된다.

마템퍼링은 이러한 온도 의존성을 제어된 방식으로 활용한다. ASM Handbook Volume 4A (2013)는 이를 오일 또는 염욕을 사용하는 중단 담금질로 정의하며, 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 제어 변수로 제시한다. 부품 내부의 온도가 균일해진 후 마르텐사이트가 시작되도록 욕 온도는 Ms 바로 위로 설정한다. 그 다음 일반적으로 공기 중에서 마르텐사이트 변태 영역을 통과하도록 냉각하며, 사용 전에 반드시 뜨임해야 한다. 짧은 균열화 유지의 목적은 표면과 중심부 사이의 온도 차이를 줄이는 것이며, 이는 베이나이트 유지가 아니다.

오스템퍼링은 반대되는 변태 목적을 취한다. Ms 이상에서 단순히 온도를 균일하게 만드는 것이 아니라, 오스테나이트가 베이나이트로 변태하도록 베이나이트 영역에서 충분히 오래 유지한다. 2020년에 발표된 저온 오스템퍼링 연구에서는 나노 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 보고되었으며, 명시된 시험 조건에서 마모 계수는 담금질 마르텐사이트강보다 최대 50% 낮았다. 이러한 결과를 모든 강종, 형상 또는 처리 일정에 적용할 수는 없다. 그러나 실제 강종에 대해 변태 영역과 유지 시간을 검증해야 하는 이유를 잘 보여준다.

SAE AMS-H-6875C (2020)는 네 종류의 강에 대한 열처리 요구 사항을 다루며, 명시된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마템퍼링을 허용한다. 이러한 허용이 공정들을 서로 대체 가능하게 만드는 것은 아니다. 해당 규격, 강종별 선도, 단면 크기 및 측정된 온도 이력이 의도한 생성물이 베이나이트인지, 마템퍼링 후의 마르텐사이트인지, 아니면 원치 않는 혼합 조직인지를 결정한다.

오스템퍼링의 작동 원리: 급냉, 유지 및 베이나이트 변태

오스템퍼링은 오스테나이트를 베이나이트로 변태시키기 위해 설계된 등온 열처리 공정이다. 이는 단순히 마템퍼링을 다르게 부르는 명칭이 아니다. 두 공정의 차이는 유지 단계에서 일어나는 현상에 따라 결정된다. 오스템퍼링은 계획된 베이나이트 변태가 일어날 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 강을 유지하는 반면, 마템퍼링은 온도가 거의 균일해질 때까지만 유지한 뒤 마르텐사이트 시작 온도, 즉 $M_s$를 통과하도록 냉각하여 마르텐사이트를 형성한다.

사이클은 소재를 임계 변태 범위보다 높은 온도로 가열하는 것에서 시작한다. 이를 통해 조직의 필요한 부분을 오스테나이트로 변태시킨다. 오스테나이트화 온도와 시간은 강종, 단면 크기, 초기 미세조직 및 요구되는 탄소 분포에 따라 달라진다. 과도한 가열은 오스테나이트 결정립을 조대화하거나 잔류하도록 의도한 탄화물을 용해할 수 있다. 반대로 가열이 불충분하면 페라이트 또는 용해되지 않은 구성상이 남아 최종 변태 거동을 변화시킬 수 있다.

베이나이트 변태 범위로의 급냉

오스테나이트화 후 강은 베이나이트 변태 범위 내에서 유지되는 염욕으로 신속하게 이동된다. 많은 강종에서 이 범위는 대략 200~400 °C이지만, 실제 사용 가능한 온도 범위는 고정된 값이 아니라 강종에 따라 달라진다. AISI 52100을 대상으로 한 한 연구는 오스템퍼링을 다음과 같이 정의한다. 즉, 오스테나이트화 온도에서 약 200~400 °C로 유지되는 매체 속으로 급냉한 다음, 베이나이트가 형성될 때까지 유지하는 공정이다.

이동 과정은 펄라이트 영역을 통과하는 동안 상당량의 오스테나이트가 변태하지 않도록 충분히 빨라야 한다. 이는 시간과 온도의 문제이다. 강은 펄라이트의 잠복시간에 도달하기 전에 시간-온도-변태도에서 펄라이트의 “노즈”를 통과해야 한다. 경화능, 단면 두께, 장입물 배열, 욕조 교반 및 소재와 욕조 사이의 온도 차이는 이러한 조건의 충족 여부에 영향을 미친다. 작은 핀은 베이나이트 범위에 빠르게 도달할 수 있지만, 무거운 기어 이 또는 두꺼운 판재는 불균일하게 냉각될 수 있다. 이 경우 표면이 의도한 사이클을 따르더라도 내부에서 펄라이트 또는 페라이트가 형성될 수 있다.

욕조에는 지정된 온도에 적합한 용융염, 오일 또는 기타 제어된 열전달 매체가 사용될 수 있다. 욕조의 명칭이 공정을 규정하는 것은 아니다. 염욕은 온도와 유지 시간이 어떻게 설정되는지에 따라 오스템퍼링 또는 마템퍼링 사이클에 모두 사용할 수 있다. 2024년에 발표된 ACS Omega 연구는 Ca(NO₃)₂–KNO₃ 용융염 혼합물에 대해 이 차이를 직접 설명한다. 오스템퍼링은 오스테나이트화된 강을 베이나이트 변태 온도에서 유지하여 오스테나이트를 베이나이트로 변태시키는 공정인 반면, 마템퍼링은 $M_s$ 바로 위에서 소재를 짧게 유지한 뒤 공랭하는 공정이다.

온도 제어에서는 변태 중 방출되거나 흡수되는 열과 욕조에 투입되는 장입물의 영향을 함께 고려해야 한다. 교반은 국부적인 열 구배를 줄이고, 더 차갑거나 더 뜨거운 경계층이 실제 사이클을 변화시키는 것을 방지하는 데 도움을 준다. 코어, 표면 및 장입물 내 여러 위치가 실제로 의도한 경로를 따르는지 확인하려면 열전대, 욕조 보정 및 대표 장입물을 이용한 시험이 필요한 경우가 많다. 욕조가 중심부가 동일한 온도에 도달하기 전에 표면 온도를 먼저 균일화할 수 있으므로, 이 공정은 단면 크기에 민감하다.

통상적인 베이나이트가 최종 생성물인 경우, 오스템퍼링 욕조는 일반적으로 강의 유효 $M_s$ 온도보다 높은 온도로 선정된다. 이 온도에서는 오스테나이트가 즉시 마르텐사이트를 생성하지 않고, 확산이 보조하는 전단 지배 메커니즘에 의해 변태할 수 있다. 계획된 베이나이트 변태가 완료되기 전에 $M_s$ 이하로 냉각하면 결과가 달라진다. 변태하지 않은 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하여 혼합 조직을 생성할 수 있기 때문이다.

필요한 오스테나이트 변태가 일어날 때까지의 유지

소재가 욕조 온도에 도달하면 등온 상태로 유지한다. 이 단계에서 베이나이트는 오스테나이트 결정립계 또는 그 밖의 유리한 위치에서 핵생성하고, 주변 오스테나이트 내부로 성장한다. 탄소는 베이나이트 페라이트에서 잔류 오스테나이트로 배출되며, 이에 따라 두 영역의 안정성과 조성이 변한다. 변태 속도는 온도, 합금 화학 조성, 이전 오스테나이트 결정립 크기 및 이미 형성된 베이나이트의 양에 따라 달라진다.

유지 시간은 “1인치당 1시간”과 같은 보편적인 규칙으로 정하지 않는다. 유지 시간은 변태 데이터, 검증된 공정 시험 또는 적절한 시간-온도-변태도에 근거해야 한다. 짧은 유지 시간으로 오스테나이트의 일부를 의도적으로 미변태 상태로 남길 수 있다. 이후 강을 $M_s$ 이하로 냉각하면 이러한 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 더 오래 유지하면 변태 가능한 오스테나이트의 대부분 또는 거의 전부가 베이나이트로 변태하여, 이후 형성되는 마르텐사이트의 분율을 줄일 수 있다. 두 사이클 모두 올바를 수 있지만, 경도, 인성, 치수 변화 거동 및 잔류 오스테나이트 수준은 서로 다르게 나타난다.

불완전 변태불완전 변태 변태 가능한 오스테나이트가 모두 변환되기 전에 베이나이트 반응이 종료되어, 잔류 오스테나이트 또는 이후 형성되는 마르텐사이트가 남을 수 있는 상태.

탄소 농축으로 잔류 오스테나이트가 안정화되기 때문에 오스테나이트의 마지막 부분까지 모두 베이나이트로 변태하기 전에 변태가 멈출 수도 있다. 이러한 상태를 흔히 불완전 변태 또는 불완전 반응이라고 한다. 일부 합금강에서는 농축된 잔류 오스테나이트가 변형을 수용하고 인성을 향상할 수 있어 바람직하다. 반면 다른 용도에서는 과도한 잔류 오스테나이트가 사용 중 또는 이후 냉각 중 치수 변화를 일으킬 수 있다. 따라서 사양에는 욕조 온도뿐 아니라 허용되는 상 구성과 검증 방법도 규정되어야 한다.

오스템퍼링 온도(°C)

오스템퍼링은 강이 마르텐사이트로 직접 급냉될 때 발생하는 급격하고 불균일한 체적 변화에 노출되지 않으므로 변형을 줄일 수 있다. 침탄된 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320을 대상으로 한 2013년 SAE 연구에서는 침탄 후 오스템퍼링한 시험편이 침탄 후 담금질 및 뜨임한 시험편보다 변형이 현저히 적은 것으로 보고되었다. 보고된 오스템퍼링 온도는 260, 288 및 304 °C였다. 이러한 결과는 시험에 사용된 화학 조성, 형상 및 사이클 조건에 적용되는 것이며, 모든 침탄 부품에 동일한 변형 감소가 나타난다는 것을 의미하지는 않는다.

유지 종료 시점은 필요한 최소 베이나이트 분율, 경도 범위, 치수 한계 또는 금속조직학적 요구사항에 따라 결정할 수 있다. 오스템퍼링된 베이나이트강에 마르텐사이트와 동일한 뜨임 공정이 자동으로 필요한 것은 아니다. 반면 마템퍼링된 강은 마르텐사이트를 형성하기 위해 $M_s$를 통과하도록 냉각되므로, 사용 전에 반드시 뜨임해야 한다. 오스템퍼링 부품에 저온 응력 제거 처리를 지정할 수는 있지만, 이는 별도의 요구사항이며 변태를 규정하는 단계는 아니다.

상부 베이나이트, 하부 베이나이트 및 혼합 생성물

욕조 온도는 베이나이트의 형태에 큰 영향을 미친다. 상부 베이나이트는 일반적으로 베이나이트 범위의 높은 온도 영역에서 형성된다. 상부 베이나이트는 베이나이트 페라이트의 다발 또는 래스와 그 사이의 탄소 농축 영역으로 구성되며, 이 영역에서 탄화물이 석출될 수 있다. 상부 베이나이트의 형태와 탄화물 분포는 더 낮은 온도에서 형성되는 하부 베이나이트와 다르다.

하부 베이나이트는 $M_s$에 가까운 온도에서 형성된다. 탄소가 주변 오스테나이트로 분배될 수 있는 시간과 이동성이 더 제한되며, 탄화물이 베이나이트 페라이트 판상 또는 래스 내부에서 석출될 수 있다. 이 미세한 조직은 상부 베이나이트와 다른 경도, 강도 및 인성의 균형을 제공할 수 있다. 상부 베이나이트와 하부 베이나이트 사이의 전이는 하나의 보편적인 온도로 정할 수 없다. 합금 원소가 변태 범위를 이동시키고 탄화물 석출에 영향을 미치기 때문이다.

보고된 연구에서 단시간 저온 오스템퍼링은 담금질 마르텐사이트강보다 마모 계수를 최대 50% 낮췄다. Limited evidence

매우 낮은 온도에서의 오스템퍼링은 완전히 변태된 하나의 베이나이트 생성물로 충분히 설명할 수 없는 조직을 형성할 수 있다. 중탄소 저합금강의 단시간 저온 오스템퍼링을 연구한 2020년 연구에서는 나노베이나이트와 함께 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 형성되는 것으로 보고되었다. 보고된 마모 계수는 해당 연구의 시험 조건에서 담금질 마르텐사이트강보다 최대 50% 낮았다. 이 수치는 시험된 강과 마모 시험 방법에 대한 근거이며, 일반적인 성능을 보장하는 수치는 아니다.

혼합 생성물은 베이나이트 반응이 완료되기 전에 의도적으로 유지를 종료했을 때, 선정된 온도가 변태 하한에 가까울 때 또는 단면이 균일하게 냉각되지 못할 때 형성된다. 이후 냉각 과정에서 미변태 오스테나이트는 마르텐사이트가 될 수 있다. 탄소 농축으로 유효 $M_s$가 낮아지면 일부는 잔류 오스테나이트로 남을 수도 있다. 따라서 최종 조직에는 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트가 함께 존재할 수 있으며, 이동이 지나치게 느렸다면 펄라이트도 포함될 수 있다.

공정 인증에서는 관련성이 있는 경우 경도, 치수 변화, 금속조직학적 상 분율 및 잔류 오스테나이트를 검사해야 한다. X선 회절, 현미경 관찰, 딜라토미터 분석 및 절단 장입물 검사를 통해 실제 생성물이 의도한 사이클과 일치하는지 확인할 수 있다. 2020년에 발행된 SAE AMS-H-6875C는 네 가지 강종 등급에 대한 열처리 요구사항을 다루며, 사양에 명시된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마템퍼링을 허용한다. 이러한 허용은 강종별 사이클 개발을 대신하지 않는다. 강종 지정, 경화능, 단면 크기, 욕조 용량 및 합격 기준에 따라 선택한 오스템퍼링 사이클이 금속학적으로 성공적인지 여부가 결정된다.

마르템퍼링의 작동 원리: Ms 이상에서 온도 균일화 후 마르텐사이트 형성

마르템퍼링은 마르텐사이트가 언제, 어디에서 형성되는지를 제어하기 위해 중단 냉각을 적용하는 열처리이다. 이는 다른 이름으로 부르는 오스템퍼링이 아니다. 오스템퍼링에서는 오스테나이트의 상당 부분 또는 의도한 부분이 베이나이트로 변태할 때까지 오스테나이트를 베이나이트 변태 범위 내에서 유지한다. 마르템퍼링에서는 마르텐사이트 시작 온도, 즉 Ms 바로 위에서 유지하며, 원치 않는 확산 변태를 방지할 수 있을 만큼 짧은 시간 동안만 유지한다. 강 전체에서 온도가 균일해진 후 소재를 마르텐사이트 변태 범위까지 냉각한다. 따라서 최종 조직은 베이나이트가 아니라 마르텐사이트이며, 별도의 뜨임 작업을 실시하기 전까지 뜨임되지 않은 상태로 남는다.

마르텐사이트 시작 온도 이상에서의 중단 냉각

ASM Handbook Volume 4A에서는 마르템퍼링을 오일 또는 염욕을 사용하는 중단 냉각으로 설명한다. 먼저 강을 지정된 오스테나이트화 온도까지 가열하여 목표 오스테나이트 조직과 탄소 분포를 형성한다. 그런 다음 Ms 바로 위의 온도로 유지되는 욕에 신속하게 옮긴다. 욕은 펄라이트 또는 기타 고온 변태 생성물을 방지할 수 있을 만큼 빠르게 열을 제거해야 하지만, 중단 냉각을 통해 마르텐사이트 형성이 시작되기 전에 표면이 중심부보다 훨씬 더 차가워지는 것을 방지한다.

Ms는 모든 강에 공통으로 적용되는 온도가 아니다. Ms는 탄소 함량, 합금 원소, 오스테나이트 결정립 상태, 이전 열 이력, 그리고 경우에 따라 냉각 후 예상되는 잔류 오스테나이트의 양에 따라 달라진다. 따라서 탄소강과 침탄 저합금강은 서로 다른 마르템퍼링 욕 온도를 필요로 할 수 있다. 욕 온도는 모든 강종에 하나의 고정 온도를 적용하는 것이 아니라, 해당 Ms보다 충분한 여유를 두고 선정한다.

유지 시간은 중단 냉각을 규정하는 핵심 요소이다. 유지 시간은 표면과 중심부 사이의 온도 차이가 감소할 만큼 충분히 길어야 하지만, 베이나이트, 펄라이트 또는 기타 확산 변태 생성물이 형성되지 않을 만큼 짧아야 한다. 이 요건이 욕의 이름보다 더 확실하게 마르템퍼링과 오스템퍼링을 구분한다. 용융 염욕은 두 공정 모두에 사용할 수 있으며, 어떤 공정이 수행되는지는 변태 경로와 유지 일정에 따라 결정된다.

ASM International의 2013년 ASM Handbook Volume 4A에서는 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 제어 변수로 규정한다. 이러한 변수들은 서로 영향을 미친다. 과도한 교반은 표면에서의 열 추출을 증가시킬 수 있으며, 교반이 불충분하면 욕 내부에 국부적인 온도 차이가 발생할 수 있다. 명목상 Ms보다 높은 온도라도 제어가 불량한 욕은 대형 장입물 전체에 걸쳐 불균일한 변태 일정을 초래할 수 있다.

유지 중에는 마르텐사이트 변태를 억제할 수 있을 만큼 온도가 높게 유지되어야 한다. 소재가 욕 안에서 Ms에 도달하면 단면 전체의 온도가 균일해지기 전에 마르텐사이트가 형성되기 시작할 수 있다. 유지 시간이 지나치게 길거나 온도가 너무 낮으면 베이나이트가 형성될 수 있다. 사양이 마르텐사이트를 요구하는 경우 이는 공정 실패에 해당한다.

단면 전체의 온도 균일화

일반적인 담금질은 급격한 열 구배를 만든다. 표면이 먼저 냉각되는 동안 내부는 더 뜨거운 상태로 남아 열팽창을 계속한다. 표면이 Ms를 통과하면 오스테나이트가 결정 구조를 변화시키면서 마르텐사이트로 변태하기 시작하고, 이에 따라 팽창한다. 중심부는 여전히 오스테나이트 상태이며 다른 온도에 있을 수 있다. 이후 중심부가 변태할 때는 이미 변태한 외부 재료에 의해 그 팽창이 제한된다. 이러한 상호 작용하는 변형으로 인해 내부 응력과 변형이 발생하며, 때로는 담금질 균열도 발생한다.

마르템퍼링은 이 변태 시점을 바꾼다. 고온의 소재를 욕에 담금질하지만, 외부에서 중심부 방향으로 온도가 보다 균일해질 때까지 Ms 이상에서 유지한다. 그런 다음 표면과 중심부의 온도가 크게 다른 상태에서 마르텐사이트가 형성되는 것이 아니라, 후속 냉각 단계에서 마르텐사이트 형성을 시작한다. 변태가 일어나는 순간의 온도 구배를 줄이면 열수축과 변태 변형의 불일치가 감소한다.

이 공정의 이점은 변형과 균열의 위험을 낮추는 것이지, 어느 하나를 완전히 제거하는 것은 아니다. 얇은 판, 기어 이빨, 대형 축은 동일한 속도로 온도가 균일해지지 않는다. 단면 두께, 형상, 구멍, 단면의 급격한 변화 및 부품 간 접촉은 모두 열 흐름에 영향을 미친다. 강의 경화능도 중요하다. 주로 마르텐사이트 조직이 요구되는 경우, 중심부는 펄라이트 또는 베이나이트를 방지할 수 있을 만큼 빠르게 변태 범위를 통과하여 냉각되어야 한다.

경화능이 높은 강종은 온도 균일화 후 더 느린 냉각 속도를 허용할 수 있지만, 경화능이 낮은 강종은 더 짧은 중단 시간과 더 빠른 냉각을 필요로 할 수 있다. 탄소 및 합금 원소 함량은 Ms와 변태 속도론도 변화시킨다. 따라서 욕 온도와 유지 시간은 일반 표에서 그대로 옮겨 사용하기보다 강종, 단면 크기, 장입 배치 및 측정된 열적 응답을 바탕으로 설정해야 한다.[2][2] The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided

마르텐사이트 형성 온도 범위에 관한 1946년 연구에서는 기본 원리를 마르텐사이트 형성 범위 바로 위까지 담금질한 다음 더 느리게 냉각하는 것으로 설명했다. 원치 않는 확산 변태가 발생하지 않는다면, 이 방법은 경도를 거의 희생하지 않으면서 균열을 줄일 수 있다. 여기서 “더 느리게”라는 말은 임의로 느리게 냉각한다는 뜻이 아니다. 열충격을 줄이면서도 강에 적합한 속도로 변태 범위를 통과한다는 의미이다.

공랭과 필수적인 뜨임 단계

온도가 균일해진 후 소재를 오일 또는 염욕에서 꺼내 마르텐사이트 변태 범위를 통과하도록 냉각하며, 일반적으로 공랭을 실시한다. ASM의 2020년 Heat Treating Subject Guide에서는 이 순서를 Ms 바로 위에서 강을 유지하여 온도를 균일하게 만든 다음 공랭하여 마르텐사이트를 형성하는 과정으로 설명한다. 이 단계에서 오스테나이트는 직접 담금질과 관련된 심각한 표면-중심부 온도 차이 없이 변태한다.

생성된 마르텐사이트는 뜨임되지 않은 상태이다. 이 점은 필수적으로 이해해야 한다. 부품을 단계적으로 냉각했다는 이유만으로 마르템퍼링에 뜨임이 포함되는 것은 아니다. 공랭 중 형성된 마르텐사이트는 경도가 높고 내부 응력이 크며, 강종과 냉각 경로에 따라 잔류 오스테나이트를 포함할 수도 있다. 사용 전에 부품은 별도의 뜨임 처리를 거쳐야 한다. 뜨임은 응력과 취성을 줄이고, 사양에 맞도록 경도, 강도, 인성 및 치수 안정성을 조정한다.

뜨임 온도와 시간은 강종 및 요구 특성에 따라 달라진다. AISI 52100과 같은 고탄소 베어링강에 AISI 8620과 같은 침탄용 강종과 동일한 뜨임 일정을 적용할 수는 없다. 또한 침탄층과 저탄소 중심부는 서로 다르게 반응하므로, 해당되는 경우 두 영역 모두에서 요구 특성을 확인해야 한다.

SAE AMS-H-6875C: Heat Treatment of Steel Raw Materials는 네 가지 강종 등급을 다루며, 사양에 명시된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마르템퍼링을 허용한다. 공정 명칭만으로 합격 여부가 결정되는 것은 아니다. 생산 관리에서는 오스테나이트화 온도와 욕 온도, 이송 시간, 중단 시간, 교반 조건, 뜨임 기록, 경도 시험, 금속 조직 검사 및 치수 측정 결과를 기록하도록 요구할 수 있다.

검증에서는 해당 일정이 방지하도록 설계된 고장 형태도 확인해야 한다. 경도 분포 시험은 경화능 부족 또는 과도한 중단으로 인해 중심부가 연화되었는지를 보여줄 수 있다. 금속 조직 검사를 통해 마르텐사이트와 베이나이트를 구별하고, 펄라이트 또는 과도한 잔류 오스테나이트를 식별할 수 있다. 열처리 전후의 치수 검사는 변태 응력 감소가 실제 형상에서 예상한 개선 효과를 냈는지를 보여준다.

따라서 이 공정은 정확한 순서를 따른다. 즉, 오스테나이트화하고, Ms 바로 위로 유지되는 오일 또는 염욕에 신속하게 담금질하며, 확산 변태 없이 단면 전체의 온도가 균일해질 때까지만 유지한 다음, 마르텐사이트 변태 범위를 통과하도록 냉각하고 뜨임한다. 유지 과정을 베이나이트 변태 처리로 바꾸면 공정은 오스템퍼링으로 변경된다. 담금질 후 뜨임 단계를 변경하는 것은 선택 사항이 아니다. 뜨임을 실시하지 않으면 마르템퍼링된 강은 형성 경로만 제어된, 뜨임되지 않은 마르텐사이트강에 불과하다.

미세구조와 특성: 베이나이트와 뜨임 마르텐사이트의 비교

오스템퍼링과 마템퍼링은 퀜칭 응력을 줄일 수 있지만, 최종 구조가 동일하게 형성되는 것은 아니다. 오스템퍼링에서는 오스테나이트화한 강을 베이나이트가 형성될 수 있는 온도까지 신속하게 냉각한 다음, 의도한 변태가 일어날 때까지 그 온도에서 유지한다. 생성물은 상부 베이나이트, 하부 베이나이트 또는 변태하지 않은 오스테나이트를 여전히 포함하고 최종 냉각 후에는 마르텐사이트도 포함하는 혼합조직일 수 있다. AISI 52100을 대상으로 한 2013년 연구에서는 오스템퍼링 온도 범위를 약 200–400 °C로 설명하고 있으며, 베이나이트가 형성될 때까지 유지를 계속했다.

마템퍼링은 다른 경로를 따른다. 소재를 마르텐사이트 시작 온도보다 약간 높은 온도의 오일 또는 염욕에서 짧은 시간 유지하여 단면 전체가 보다 균일한 온도에 도달하도록 한 뒤, 마르텐사이트 변태 범위를 통과하여 냉각한다. 이렇게 생성된 마르텐사이트는 그대로 사용 가능한 상태가 아니므로 이후 반드시 뜨임해야 한다. ASM International의 Heat Treating Subject Guide (2020)는 이 순서를 직접적으로 명시한다. ASM Handbook Volume 4A (2013)는 오스테나이트화 온도, 욕조 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 제어 변수로 제시한다.

이 구분이 중요한 이유는 베이나이트와 뜨임 마르텐사이트가 페라이트, 탄소 및 탄화물의 서로 다른 배열을 통해 강도를 얻기 때문이다. 두 조직의 경도는 겹칠 수 있지만, 경도가 겹친다고 해서 기계적 거동까지 서로 대체 가능한 것은 아니다.

강도, 경도, 인성 및 연성

베이나이트는 변위형 변태에 의해 형성된 페라이트 영역으로 이루어지며, 변태 온도와 합금 화학 조성에 따라 탄소는 오스테나이트로 배출되거나 탄화물로 석출된다. 일반적으로 상부 베이나이트는 페라이트 래스 또는 판 사이에 탄화물이 존재하는 구조를 갖는다. 하부 베이나이트는 더 낮은 온도에서 형성되며, 더 미세한 탄화물이 페라이트 판 내부 또는 그와 밀접하게 연관된 위치에 형성된다. 정확한 형태는 탄소 함량, 합금 원소 첨가, 냉각 속도 및 유지 시간에 따라 달라진다.

뜨임 마르텐사이트는 과포화되고 변형이 매우 큰 체심정방정계 상으로 시작된다. 뜨임 중에는 탄소가 마르텐사이트에서 빠져나오고, 전이 탄화물에 이어 더 안정한 탄화물이 형성되며, 기지는 정방정성과 내부 응력의 상당 부분을 잃는다. 뜨임 온도와 시간에 따라 이 과정이 어느 정도까지 진행되는지가 결정된다. 낮은 뜨임 온도에서는 높은 경도를 유지하면서도 상당한 잔류 응력이 남을 수 있다. 반면 더 높은 뜨임 온도에서는 일반적으로 경도가 낮아지지만 인성과 치수 안정성이 향상된다. 크롬, 몰리브덴 또는 바나듐과 같은 원소를 포함하는 강에서는 장시간 노출로 추가적인 연화 또는 2차 경화가 발생할 수 있다.

베이나이트와 뜨임 마르텐사이트 어느 쪽에도 보편적인 경도 우위는 없다. 미세한 하부 베이나이트는 매우 높은 경도를 나타낼 수 있지만, 상부 베이나이트는 더 부드럽고 연성이 클 수 있다. 저온에서 뜨임한 마르텐사이트 조직은 특정 베이나이트 조직보다 높은 경도를 나타낼 수 있지만, 더 높은 온도에서 뜨임하면 마르텐사이트계 강의 경도가 낮아지는 대신 파괴 저항성이 커질 수 있다. 비교에 의미를 부여하려면 탄소 함량, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 합금의 경화능, 변태 온도 및 각 구성상의 양을 명시해야 한다.

인성에도 동일한 원칙이 적용된다. 베이나이트 페라이트의 판이 미세하고 탄화물 막이 제어되어 있으면, 균열 발생에 대한 저항성과 강도가 유리하게 조합될 수 있다. 조대한 베이나이트, 변태하지 않은 오스테나이트 또는 최종 냉각 중 형성된 신생 고탄소 마르텐사이트는 이러한 이점을 감소시킬 수 있다. 뜨임 마르텐사이트는 뜨임으로 응력이 완화되고 탄화물 분포가 미세화되면 높은 인성을 제공할 수 있지만, 뜨임이 불충분하면 취성 조직이 남는다. 과도한 뜨임은 강도를 희생시킬 수 있다.

연성은 단순히 한 공정을 선택한 결과로 결정되지 않는다. 연성은 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 탄화물, 개재물 및 탄소가 풍부한 영역의 체적 분율과 형태에 좌우된다. 혼합조직은 취성인 국부 구성상을 포함하면서도 유용한 연신율을 나타낼 수 있다. 따라서 인장 강도, 항복 강도, 충격 에너지, 파괴 인성, 피로 성능 및 내마모성은 경도만으로 추정하지 말고 각각 별도로 측정해야 한다.

변형도 서로 다를 수 있다. 침탄한 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320을 대상으로 한 연구에서는 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용했으며, 침탄 후 퀜칭 및 뜨임한 시험편보다 변형이 현저히 적다고 보고했다. 이 결과는 시험에 사용된 침탄 형상과 공정 조건을 반영한 것이며, 일반적인 보장은 아니다. 마르텐사이트가 형성되기 전에 마템퍼링으로 열 구배를 줄일 수 있으므로 직접 퀜칭에 비해 균열과 변형을 줄일 수도 있다. 그러나 마르텐사이트 변태 자체는 여전히 체적 변화를 일으킨다.

잔류 오스테나이트와 변태 혼합조직

오스템퍼링은 흔히 베이나이트를 생성하는 공정으로 설명되지만, “베이나이트계”라는 표현이 반드시 100% 베이나이트를 의미하는 것은 아니다. 오스테나이트가 모두 변태하기 전에 유지가 종료되면 남은 오스테나이트는 잔류 오스테나이트로 남거나 후속 냉각 중 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 남은 오스테나이트의 탄소 농축은 그 일부를 실온에서 안정화할 수 있다. 그 결과는 베이나이트와 잔류 오스테나이트, 베이나이트와 마르텐사이트 또는 베이나이트와 두 상을 모두 포함하는 조직일 수 있다.

이러한 혼합조직은 특성에 큰 영향을 미친다. 잔류 오스테나이트는 겉보기 연성을 향상시키고 변태 변형을 흡수할 수 있지만, 하중을 받을 때, 연삭 중 또는 사용 중에 변태할 수도 있다. 이러한 변태는 치수 변화, 국부 경화 또는 잔류 응력을 일으킬 수 있다. 오스템퍼링 유지 후 변태하지 않은 오스테나이트에서 형성된 마르텐사이트는 욕조에서 형성된 베이나이트보다 더 단단하고 취성일 수 있다. X선 회절, 금속조직학, 딜라토미터 분석 및 경도 매핑은 이러한 구성상을 식별하는 데 도움이 될 수 있지만, 단일 벌크 경도값만으로는 식별할 수 없다.[3][3] Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel. Metal and Materials International, 2020.

중탄소 저합금강을 대상으로 한 단시간 저온 오스템퍼링의 2020년 연구는 이러한 한계를 보여 준다. 보고된 조직은 단일 상이 아니라 나노 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트를 포함했다. 시험 조건에서 이 조직의 마모 계수는 퀜칭한 마르텐사이트계 강보다 최대 50% 낮았다. 이는 범위가 한정된 비교이다. 즉, 연구에 사용된 강, 시험편 준비, 오스템퍼링 조건, 상대재, 하중 및 마모 시험에 적용되는 결과이다. 모든 오스템퍼링 강의 마모율이 모든 퀜칭 및 뜨임 강의 절반이 된다는 것을 의미하지는 않는다.

마템퍼링도 변태 혼합조직을 생성할 수 있지만, 의도한 순서는 다르다. 마르텐사이트 시작 온도보다 높은 온도에서 실시하는 균열화 유지 시간은 베이나이트가 상당량 형성되지 않도록 짧아야 한다. 마르텐사이트 범위를 통과하여 공랭한 후 강은 마르텐사이트를 포함하며, 흔히 일부 잔류 오스테나이트와 용해되지 않은 탄화물도 포함할 수 있다. 이후 뜨임을 통해 마르텐사이트 기지와 탄화물 상태가 변화한다. 오스테나이트화 처리에서 탄소가 과도하게 용해되었거나 강의 경화능이 높고 최종 냉각 경로가 적절하지 않으면 잔류 오스테나이트가 상당량 남을 수 있다.

개량 마템퍼링에 관한 SAE 논문은 베이나이트 형성을 방지하기 위해 퀜칭 욕조를 마르텐사이트 시작 온도보다 낮게 설정함으로써 이 공정을 구별한다. 이 세부 사항은 욕조 온도만으로는 충분한 공정 명칭이 될 수 없는 이유를 보여 준다. 실제로 형성되는 상은 욕조 온도와 마르텐사이트 시작 온도의 관계, 유지 시간 및 냉각 경로에 의해 결정된다.

재질 등급별로 특성 주장을 구분해야 하는 이유

강종은 변태 속도론을 결정한다. AISI 52100 베어링강, AISI 8620 침탄강, AISI 8822, AISI 4320 및 중탄소 저합금강은 탄소 수준, 합금 함량, 경화능, 마르텐사이트 시작 온도, 탄화물 안정성 또는 뜨임 반응이 서로 동일하지 않다. 동일한 강종 표기 안에서도 단면 크기와 오스테나이트화 조건에 따라 중심부 냉각 속도가 충분히 달라져 서로 다른 조직이 형성될 수 있다.

규격은 허용되는 공정과 합격 기준도 정한다. SAE AMS-H-6875C: Heat Treatment of Steel Raw Materials는 네 가지 강종 등급을 다루며, 규정된 경우 오스템퍼링, 오스베이 퀜칭 및 마템퍼링을 허용한다. 이러한 허용이 모든 강종에 하나의 경도, 인성 또는 잔류 오스테나이트 한계를 부여하는 것은 아니다. 해당 재료 규격, 도면, 열처리 절차 및 검사 방법에서 그러한 한계를 제시해야 한다.

따라서 타당한 비교에서는 강종 또는 강의 화학 조성, 오스테나이트화 온도, 이송 시간, 욕조 온도, 유지 시간, 냉각 방법, 뜨임 온도와 시간, 단면 크기 및 시험 방법을 명시해야 한다. 경도는 금속조직 검사와 함께 평가해야 하며, 필요한 경우 잔류 오스테나이트 측정 및 치수 검사도 병행해야 한다. 이러한 세부 정보가 없으면 “오스템퍼링이 더 인성이 높다” 또는 “마템퍼링이 더 경도가 높다”와 같은 주장은 기술적으로 신뢰하기에는 지나치게 포괄적이다.

변형, 균열 및 잔류응력 제어

직접 담금질이 열응력과 변태응력을 발생시키는 이유

직접 담금질은 오스테나이트화된 강에 큰 온도 구배를 발생시킵니다. 표면은 냉각제와 먼저 접촉하여 수축하는 반면, 중심부는 여전히 뜨겁고 팽창된 상태로 남으므로 더 뜨거운 내부에 의해 구속됩니다. 초기 냉각 단계에서 표면은 압축응력 상태가 될 수 있고, 중심부는 인장응력을 받습니다. 냉각이 계속되면 중심부가 수축하면서 응력 분포가 반전될 수 있습니다. 얇은 단면, 날카로운 모서리, 구멍 및 단면 두께의 변화는 서로 다른 속도로 냉각되기 때문에 이러한 차이를 더욱 증폭시킵니다.

열수축에 이어 두 번째 현상이 발생합니다. 바로 오스테나이트의 변태입니다. 일반 탄소강과 저합금강에서 마르텐사이트는 모상인 오스테나이트보다 비체적이 큽니다. 이 변태가 시작되는 온도를 마르텐사이트 시작 온도, 즉 $M_s$라고 합니다. 표면층이 $M_s$에 도달할 때 중심부가 아직 오스테나이트 상태라면, 표면은 마르텐사이트 변태로 팽창하는 반면 중심부는 열적으로 계속 수축합니다. 변태 팽창은 단면 전체에 균일하게 발생하지 않으므로 기존 열응력을 대체하는 것이 아니라 그 응력에 더해집니다.

이때의 응력 상태는 변태 시점에 따라 달라집니다. 예를 들어 침탄 경화된 기어에서는 탄소가 농축된 침탄층이 먼저 변태하는 반면, 탄소 함량이 더 낮은 중심부는 나중에 변태하거나 일부가 오스테나이트 상태로 남을 수 있습니다. 그 결과 단단하지만 상대적으로 취성인 마르텐사이트 침탄층에 인장 잔류응력이 발생할 수 있으며, 특히 형상 불연속부 주변에서 그러합니다. 이러한 조합은 담금질 균열을 촉진합니다. 균열이 발생하지 않더라도 보어 주변 또는 치폭 방향의 불균일한 수축으로 인해 타원도, 런아웃, 굽힘 또는 치 간격의 변화가 발생할 수 있습니다.

냉각 강도는 문제의 한 요소일 뿐입니다. 오스테나이트화 온도는 결정립 크기와 오스테나이트에 고용되는 탄소 및 합금 원소의 양을 제어하고, 교반은 열전달계수를 변화시키며, 경화능은 중심부가 마르텐사이트로 변태할지 또는 베이나이트나 펄라이트와 같은 더 연한 생성물로 변태할지를 결정합니다. ASM Handbook, Volume 4A (2013)는 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 마템퍼링의 중요한 변수로 제시합니다. 이러한 변수는 형상, 장입 패턴, 지그 및 침탄층의 상태와 함께 직접 담금질 변형에도 영향을 미칩니다.

중단 담금질이 응력 이력을 변화시키는 방식

마템퍼링은 단순히 다른 냉각욕을 선택하는 것이 아니라 현상의 진행 순서를 바꿉니다. 고온에서 오스테나이트화된 소재를 $M_s$ 온도보다 약간 높은 온도로 유지되는 오일 또는 용융염에 빠르게 담급니다. 표면과 중심부가 보다 균일한 온도에 가까워질 수 있을 만큼 유지하되, 베이나이트나 펄라이트가 형성될 정도로 오래 유지하지는 않습니다. 그런 다음 소재를 일반적으로 공기 중에서 또는 다른 제어된 저강도 냉각 조건에서 마르텐사이트 형성 온도 범위까지 냉각하고, 사용 전에 뜨임합니다.

이러한 온도 균일화는 마르텐사이트가 형성되기 시작할 때 존재하는 열적 차이를 줄입니다. 표면과 중심부가 정확히 같은 순간에 변태하지는 않고 마르텐사이트 변태에 따른 팽창도 여전히 발생하지만, 온도 구배와 이에 따른 구속은 더 작아집니다. 따라서 마템퍼링은 변형과 담금질 균열 가능성을 줄이지만, 어느 쪽도 완전히 제거하지는 않습니다. 단면별 냉각 시간이 서로 다르거나, 욕의 제어가 불량하거나, 경화능으로 인해 변태 양상이 불균일해지면 복잡한 부품은 여전히 휘어질 수 있습니다.

2020 ASM Heat Treating Subject Guide는 이 공정을 직접적으로 설명합니다. 강을 $M_s$보다 약간 높은 온도에서 온도가 균일해질 때까지 유지한 다음 공랭하여 마르텐사이트를 형성시키고, 이어서 뜨임을 실시합니다. 일반적인 사용 조건에서 뜨임은 선택 사항이 아닙니다. 담금질 직후의 마르텐사이트는 내부응력이 높고 파괴 저항성이 제한적이기 때문입니다. 최종 온도와 유지 시간은 강종, 치수, 요구 경도 및 잔류 오스테나이트 상태에 맞추어야 합니다.

오스템퍼링은 목적이 다릅니다. 오스테나이트화된 강을 베이나이트 변태 범위 내의 온도, 즉 AISI 52100에 대해 제시된 정의에서는 약 200~400 °C로 유지되는 욕에 담그고, 필요한 비율의 오스테나이트가 베이나이트로 변태할 때까지 유지합니다. 이후 냉각하면 베이나이트 조직이 형성되며, 유지가 불완전할 경우 잔류 오스테나이트 또는 마르텐사이트가 남을 수 있습니다. 2024년에 발표된 ACS Omega 연구는 이 공정을 마템퍼링과 구별합니다. 오스템퍼링은 오스테나이트가 베이나이트로 변태할 때까지 유지하는 반면, 마템퍼링은 $M_s$보다 높은 온도에서 잠시 온도를 균일화한 후 냉각 중에 마르텐사이트가 형성되도록 합니다.

베이나이트는 소재가 비교적 균일한 욕 온도에 도달한 뒤 등온적으로 형성되므로, 오스템퍼링은 직접 담금질에서 발생하는 심한 표면-중심부 열적 진행 과정을 피할 수 있습니다. 또한 베이나이트 변태에서는 변형이 유지 시간 동안 분산되므로, 이동하는 온도 구배를 가로질러 마르텐사이트 팽창이 집중되는 현상도 줄어듭니다. 따라서 변형과 잔류응력이 더 낮아질 수 있지만, 이는 강의 경화능, 단면 크기 및 변태 속도론에 의해 단면 전체가 욕 온도에 도달하고 펄라이트 또는 원치 않는 마르텐사이트가 형성되기 전에 의도한 반응을 완료할 수 있을 때에만 가능합니다.

따라서 마템퍼링과 오스템퍼링은 변형을 줄이는 담금질을 서로 다르게 부르는 명칭이 아닙니다. 마템퍼링은 여전히 마르텐사이트를 생성하며 후속 뜨임이 필요합니다. 오스템퍼링은 베이나이트 형성을 목표로 하며, 이를 얻을 수 있을 만큼 충분히 긴 등온 유지를 실시합니다. 규격에 따라 두 공정이 모두 허용될 수 있습니다. 네 종류의 강에 대한 열처리를 다루는 SAE AMS-H-6875C (2020)는 해당 요구사항에 명시된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마템퍼링을 열거하고 있습니다. 공정 기록에는 부품을 단순히 “염욕 담금질”했다고 기재할 것이 아니라 실제 온도-시간 경로를 명시해야 합니다.

침탄 저합금강에 대한 근거

시험된 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320 시편에서 오스템퍼링은 침탄 후 재래식 담금질 및 뜨임을 실시한 경우보다 변형이 적었다. Limited evidence

SAE 논문 “Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels”, SAE 2013-01-0949는 침탄 처리한 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320을 조사했습니다. 비교 대상은 침탄 후 오스템퍼링한 시험편과 침탄, 통상적인 담금질 및 뜨임을 실시한 시험편이었습니다. 오스템퍼링 처리에서는 260, 288 및 304 °C의 욕 온도를 사용했습니다. 보고된 결과에 따르면 침탄 후 오스템퍼링한 시험편의 변형이 상당히 작았습니다.

이 결과는 응력 발생 메커니즘과 일치합니다. 침탄은 탄소 구배를 형성합니다. 침탄층은 중심부보다 탄소 함량과 경화능이 높고 $M_s$ 온도도 다릅니다. 따라서 직접 담금질 중 침탄층과 중심부는 서로 다른 일정에 따라 냉각되고 변태합니다. 오스템퍼링은 이러한 빠르고 공간적으로 불균일한 마르텐사이트 변태 과정을, 부품이 욕 온도에 가까워진 후 실시하는 제어된 베이나이트 유지로 대체합니다. 변형 감소는 신뢰할 수 있고 금속학적으로도 일관된 결과이지만, 모든 기어, 축 또는 베어링 레이스에 적용되는 보편적인 보정 계수는 아닙니다.

다른 부품에 이 결과를 적용할 때는 무엇보다 형상에 좌우됩니다. 얇은 링은 빠르게 온도가 균일해질 수 있지만, 두꺼운 기어 허브는 침탄층이 욕 온도에 도달한 후에도 뜨거운 중심부를 유지할 수 있습니다. 또한 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320은 합금 원소 함량과 경화능이 서로 다르므로 동일한 욕 온도에서 동일한 상분율이 보장되지는 않습니다. 침탄층 깊이, 표면 탄소 함량, 잔류 오스테나이트, 탄화물 상태, 이전 오스테나이트 결정립 크기 및 침탄 균일도는 변태 변형과 균열 민감도 모두에 영향을 미칩니다.

지그와 장입 상태도 중요합니다. 냉각 중 구속된 부품은 자유로운 이동이 줄어들 수 있지만 잔류응력은 더 높아질 수 있습니다. 반대로 느슨하게 지지된 부품은 더 크게 변형되면서 응력의 일부를 완화할 수 있습니다. 욕 조성, 순환, 장입 간격, 이송 시간 및 온도 균일성을 검증해야 합니다. 열처리 전후의 치수 검사, 침탄층에서 중심부까지의 경도 분포 측정, 금속조직 검사 및 필요한 경우 잔류응력 측정을 실시하는 것이, 특정 공정명이 결과를 보장한다고 가정하는 것보다 더 유용합니다.

욕조, 열전달 및 공정 제어

욕조의 선택만으로 공정이 결정되는 것은 아니다. 오스템퍼링과 마템퍼링은 모두 염욕이나 오일을 사용할 수 있지만, 온도 경로와 변태 목표는 서로 다르다. 오스템퍼링은 오스테나이트화된 강을 베이나이트 변태 온도로 유지되는 욕조로 옮긴다. G. A. H. D. et al. (2013)의 AISI 52100 설명에서는 이 온도가 약 200~400 °C이며, 베이나이트가 형성될 때까지 유지한다. 마템퍼링에서는 강을 마르텐사이트 시작 온도 바로 위의 욕조로 옮겨 단면 전체의 온도를 균일하게 만든 다음, 공기 중에서 냉각하여 마르텐사이트가 보다 균일하게 형성되도록 한다. 이후에는 템퍼링이 필요하다.

ASM Handbook Volume 4A (2013)는 마템퍼링을 위한 유용한 제어 체계를 제시한다. 여기에는 오스테나이트화 온도, 욕조 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도가 포함된다. 이러한 변수는 외관상 유사한 노 사이클을 사용하더라도 욕조 공정에서 서로 다른 결과가 발생할 수 있는 이유를 보여 준다. 강종, 단면 두께, 경화능, 장입 질량, 이송 지연 시간 및 욕조 상태에 따라 규정된 열 경로에 실제로 도달하는지가 결정된다.

오일, 질산염-아질산염 염 및 용융염 혼합물

오일은 익숙하고 실용적이지만, 담금질 중 열전달 거동이 변한다. 고온의 강이 오일에 들어가면 표면에 증기막이 형성될 수 있다. 이 막 단계에서는 열이 비교적 느리고 불균일하게 전달된다. 막이 붕괴하면 핵비등에 의해 열이 훨씬 빠르게 제거되고, 그 후에는 대류 냉각이 더 느리게 진행된다. 교반은 증기막을 분산시키고 더 차가운 오일을 소재 쪽으로 이동시킨다. 오일 온도, 점도, 산화, 수분 오염, 슬러지, 그리고 장입 질량과 욕조 용적의 비율이 모두 이 순서를 변화시킨다.

따라서 동일한 명목상의 오일을 담은 두 탱크라도 서로 다른 냉각 곡선을 만들 수 있다. 노화된 오일은 점도가 높아지거나 젖음성이 변할 수 있다. 수분 오염은 국부 비등을 일으킬 수 있으며, 심한 경우 화재 또는 증기 관련 분출 위험을 초래한다. 바스켓에 소재를 과도하게 채우면 표면이 순환 유동으로부터 가려지고, 고온의 대형 장입물은 오일 온도를 상승시켜 이후 담금질 구간의 냉각을 늦춘다. 중요한 변수는 단순히 “오일 담금질”이라는 명칭이 아니라, 실제 장입량과 교반 조건에서 측정된 냉각 응답이다.

질산염-아질산염 염욕은 일반적으로 열을 빠르게 전달한다. 액체가 강과 직접 접촉하여 젖게 하며, 오일 담금질과 같은 지속적인 증기막에 의존하지 않기 때문이다. 용융염 내부의 대류는 욕조를 비교적 균일하게 유지할 수 있고, 강 표면은 욕조 온도에 빠르게 접근할 수 있다. 이러한 빠른 열전달은 마템퍼링 부품이 펄라이트 또는 베이나이트 영역을 통과할 때 표면과 중심 사이에 과도한 온도 차이가 발생하지 않도록 하는 데 유용하다. 또한 변태가 불균일하게 진행되기 전에 오스템퍼링 부품이 선택된 베이나이트 온도에 도달하도록 돕는다.

염욕은 유지관리가 필요하다. 염 조성, 산화, 수분, 드래그아웃, 슬러지 및 오염은 용융 거동, 점도, 전기전도도 및 열전달에 영향을 준다. 질산염-아질산염 혼합물은 분해와 오염이 욕조 상태를 변화시키고 안전상의 위험을 만들 수 있으므로 운전 온도와 화학적 상태도 관리해야 한다. 소재는 침지 전에 건조되어 있어야 한다. 용융염에 유입된 물은 격렬하게 기화할 수 있다.

Sun et al. (2024)의 ACS Omega 연구는 Ca(NO3)2–KNO3 용융염 혼합물을 조사했으며, 열전달 측정을 핵심 과제로 다루었다. 공정 엔지니어링 측면에서 이 연구의 가치는 특정한 칼슘 질산염/칼륨 질산염 비율을 보편적인 오스템퍼링 레시피로 선언한 데 있지 않다. 염 조성이 서로 다르면 액상선 온도, 열적 특성, 점도 및 사용 가능한 온도 범위도 달라진다. 이 연구의 측정 결과는 욕조 조성 및 온도와 열전달 거동의 관계를 파악하는 데 도움을 주지만, 실제 생산 사이클에는 검증된 냉각 곡선, 강종별 변태 데이터 및 실제 욕조 상태에 대한 관리가 여전히 필요하다.

욕조 온도, 교반 및 장입 효과

욕조 온도는 단순한 노 설정값이 아니라 변태 변수이다. 오스템퍼링에서는 선택한 강이 허용 가능한 속도로 베이나이트로 변태할 수 있는 범위 안에 욕조 온도가 유지되어야 한다. 시간-온도-변태 데이터 또는 금속조직학적 검증으로 확립된 바에 따라, 필요한 오스테나이트-베이나이트 반응이 일어날 때까지 유지한다. 마템퍼링에서는 일반적으로 마르텐사이트 시작 온도 바로 위, 흔히 $M_s$로 표기되는 온도에서 유지하며, 표면과 중심 사이의 온도 차이가 허용 가능한 수준으로 감소할 때까지 충분히 기다린다. 지나치게 오래 유지하거나 너무 낮은 온도에서 유지하면 베이나이트가 형성되어 의도한 마르텐사이트 공정을 무효화할 수 있다.

교반은 “순환이 양호하다”와 같이 모호하게 표현하기보다 방법과 강도로 규정해야 한다. 펌프 유량, 임펠러 위치, 소재의 이동 및 바스켓 설계에 따라 모든 표면이 비슷한 유체 흐름을 받는지가 결정된다. 과도한 이동은 취약한 부품을 손상시키거나 공기를 유입할 수 있으며, 이동이 부족하면 정체 영역이 남아 국부적인 냉각 차이가 커진다. 염욕은 오일보다 직접 접촉에 의한 열전달이 빠르지만, 장입물에서 열을 제거하고 욕조 온도의 균일성을 회복하기 위해 일반적으로 순환이 필요하다.

장입 효과는 흔히 과소평가된다. 작고 단일한 시험편은 거의 일정한 욕조 온도를 경험할 수 있지만, 생산용 바스켓은 투입 시 욕조 온도를 낮추고 회복 기간을 만들 수 있다. 빽빽하게 포장된 장입물의 외부 부품은 간격이 유체 접근을 제한하기 때문에 내부 부품과 다르게 냉각될 수 있다. 욕조와 접촉하고 유체가 순환할 수 있도록 부품 사이에 충분한 간격을 두어야 하며, 지그는 부품의 포개짐, 접촉 자국 및 염의 잔류를 방지하도록 설계해야 한다. 적격성 평가에 사용한 장입 패턴은 생산에 사용하는 패턴과 일치해야 한다.

온도 측정도 편차를 만든다. 노 열전대는 노 분위기 또는 인접한 지그의 온도를 측정할 뿐, 반드시 강의 중심 온도를 측정하는 것은 아니다. 욕조 제어기는 히터 가까이의 지점을 측정할 수 있지만, 가장 차가운 영역은 다른 곳에 있을 수 있다. 작업 영역을 독립 센서로 조사해야 하며, 대표 부품에 부착한 열전대로 실제 열 지연을 확인할 수 있다. 두꺼운 단면에서는 표면 열전대가 욕조 진입을 나타내는 동안 중심부는 상당히 더 뜨거운 상태로 남아 있을 수 있다. 이 차이를 줄이는 것이 마르텐사이트가 형성되기 전에 마템퍼링이 달성하려는 목적이다.

담금질 강도 및 이송 시간

담금질 강도는 강에서 열이 얼마나 빠르게 제거되는지를 나타내지만, 유용한 측정값은 임계 변태 범위를 통과하는 전체 냉각 곡선이다. 오일 교반, 염욕 순환, 욕조 온도, 부품 형상 및 강의 경화능이 모두 이에 기여한다. 경화능이 높은 강은 큰 단면 전체에서 마르텐사이트를 형성할 수 있지만, 경화능이 낮은 강종은 일부가 베이나이트 또는 펄라이트로 남을 수 있다. 단면의 모서리는 빠르게 냉각되고, 두꺼운 중심부는 느리게 냉각된다. 동일한 욕조가 얇은 핀과 두꺼운 기어에서 동일한 조직을 보장할 수는 없다.

이송 지연은 부품이 오스테나이트화 노를 빠져나오는 순간부터 작업 표면이 침지되는 순간까지 발생한다. 이 시간 동안 중심부가 오스테나이트화 온도 부근에 남아 있어도 표면은 공기 중에서 냉각될 수 있다. 지연은 변태에 민감한 강종에서 원치 않는 변태를 유발할 수 있으며, 한 배치에서 첫 번째 부품과 마지막 부품의 열적 상태를 다르게 만들기도 한다. 짧고 재현성 있는 이송 경로, 덮개가 있는 이송 지그 및 동기화된 취급은 이러한 편차 원인을 줄인다.

침지 후에는 욕조가 회복된다. 유입된 장입물은 욕조에서 열을 빼앗고, 빽빽한 바스켓 주변에는 국부적인 저온 영역이 형성될 수 있다. 제어기에 설정값이 표시되더라도 작업 영역은 여전히 회복 중일 수 있다. 다음 장입물을 투입할 시점은 장입 위치에서 측정한 욕조 온도를 기준으로 정한 회복 한계가 결정해야 한다. 이러한 한계가 없으면 명목상 레시피가 동일하더라도 연속된 배치가 서로 다른 냉각 속도를 경험할 수 있다.

1946년에 수행된 마르텐사이트 형성 온도 범위에 관한 연구는 마템퍼링의 목적을 설명한다. 즉, 마르텐사이트 형성 범위 바로 위까지 담금질하고, 온도가 균일해지도록 한 다음, 더 느리게 냉각하는 것이다. 이렇게 하면 열응력과 변태응력이 감소하여 균열 및 변형 위험이 낮아지며, 강종과 단면이 적합한 경우 경도 손실은 거의 없다. 오스템퍼링은 다른 요건을 따른다. 베이나이트 유지 시간 전체에 걸쳐 욕조가 안정적으로 유지되어야 한다. 2020년의 단시간 저온 오스템퍼링 연구에서는 나노베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 보고되었고, 담금질 마르텐사이트강보다 마모 계수가 최대 50% 낮았다. 그러나 이 결과를 다른 강종이나 공정 사이클에 자동으로 적용할 수는 없다.[4][4] Heat Treatment of Steel Raw Materials. SAE International. SAE AMS-H-6875C, 2020.

SAE AMS-H-6875C (2020)는 네 가지 강 등급을 다루며, 규정된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마템퍼링을 허용한다. 따라서 적합성은 욕조의 명칭만이 아니라 규정된 강종, 공정 사이클, 장비 및 검증에 따라 결정된다. 의도한 변태가 실제로 일어났음을 입증하려면 온도 기록, 이송 시간 기록, 장입 구성, 욕조 조사, 경도, 치수 검사 및 금속조직학적 검사가 필요하다.

변형 마템퍼링과 오스템퍼링의 경계

표준 마템퍼링과 변형 마템퍼링

마템퍼링과 오스템퍼링은 모두 오스테나이트화 온도에서 실온으로 직접 급강하하는 과정을 중단하지만, 중단하는 야금학적 이유는 서로 다르다. 오스템퍼링은 베이나이트를 생성하도록 설계된다. 마템퍼링은 마르텐사이트가 형성되기 전에 온도 차이를 줄여 변형과 퀜칭 균열을 제한하도록 설계된다.

표준 마템퍼링에서는 오스테나이트화한 강을 강의 마르텐사이트 시작 온도, 즉 Ms보다 약간 높은 온도로 유지되는 기름 또는 용융 염욕에 담근다. 공작물은 표면과 중심부가 유사한 온도에 접근하는 데 필요한 시간만큼 그 욕에 머문다. 이후 일반적으로 공랭을 통해 마르텐사이트 변태 온도 범위를 통과하며 냉각된다. 마르텐사이트는 이 최종 냉각 단계에서 형성되므로, 사용 전에 반드시 뜨임 처리를 실시해야 한다. ASM International의 열처리 주제 안내서 (2020)는 이 순서를 Ms 바로 위에서 유지, 온도 균일화, 마르텐사이트 형성을 위한 공랭, 후속 뜨임으로 설명한다.

온도는 보편적인 표에서 선택하는 것이 아니다. Ms는 탄소 함량, 합금 원소, 이전 오스테나이트 결정립 크기 및 오스테나이트의 상태에 따라 달라진다. 예를 들어 침탄된 표면은 저탄소인 중심부보다 Ms가 상당히 낮을 수 있다. 단면 두께도 중요하다. 표면의 열이 중심부보다 빠르게 빠져나가기 때문이다. 따라서 욕은 단순히 공칭 강종에 맞추는 것이 아니라, 해당 강과 부품에 대한 변태 데이터를 기준으로 선정해야 한다.

ASM Handbook Volume 4A (2013)는 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 마템퍼링의 제어 변수로 제시한다. 이러한 변수에 따라 부품이 안전하게 온도 균일화되는지, 베이나이트 형성이 시작되는지, 욕 안에서 일부가 마르텐사이트로 변태하는지, 또는 과도한 열응력과 변태응력이 발생하는지가 결정된다. 짧고 정밀하게 제어된 유지가 표준 공정의 핵심이다.

변형 마템퍼링은 중단 지점을 변경한다. SAE의 변형 마템퍼링 설명에서는 급냉 욕의 온도가 Ms보다 낮은 반면, 표준 마템퍼링에서는 욕 온도가 Ms보다 높다. 이 차이는 동일한 공정에 대한 사소한 조정이 아니다. 마르텐사이트가 형성되기 시작하는 시점과 공작물이 겪는 열적·변태 경로를 모두 바꾼다.

Ms보다 낮은 욕에서는 강이 아직 침지된 상태에서 마르텐사이트 형성이 시작될 수 있다. 공작물은 단순히 더 낮은 균일화 온도까지 냉각된 후 나중에 변태하는 것이 아니다. 오스테나이트의 일부는 욕 유지 중에 변태할 수 있으며, 나머지는 이후 냉각 중에 변태할 수 있다. 그 비율은 강의 경화능, 실제 욕 온도, 욕 내 유지 시간 및 단면 전체의 온도 분포에 따라 달라진다.

SAE AMS-H-6875C (2020)의 강 원소재 열처리는 네 가지 강종 등급을 다루며, 명시된 경우 오스템퍼링, 오스베이 퀜칭 및 마템퍼링을 허용한다. 이러한 허용이 각 공정을 서로 대체할 수 있다는 의미는 아니다. 공정 사양서, 도면 또는 구매자 요구사항에는 여전히 의도한 공정 조건과 검사 기준을 명시해야 한다. 변형 마템퍼링을 의도하는 경우에는 “마템퍼링 처리”라는 표현만으로는 불충분할 수 있다.

Ms보다 낮은 욕이 변태 경로를 바꾸는 이유

Ms는 냉각 중 확산이 없는 오스테나이트-마르텐사이트 변태가 대략 시작되는 온도를 나타낸다. 이는 모든 오스테나이트가 하나의 고정된 온도에서 순간적으로 마르텐사이트가 된다는 뜻이 아니다. 변태는 일정한 온도 범위에 걸쳐 진행되며, 형성되는 양은 주로 강이 Ms보다 얼마나 더 낮은 온도까지 냉각되는지에 따라 달라진다. 유지 시간도 간접적으로 영향을 미칠 수 있다. 유지하는 동안 부품이 열적으로 균일화되고, 변태는 국부 온도에 따라 진행되기 때문이다.

따라서 욕을 Ms보다 낮게 설정하면 공작물은 온도가 완전히 균일화되기 전에 마르텐사이트 영역에 들어가게 된다. 이는 후속 단계에서 표면과 중심부의 온도 차이를 줄일 수 있지만, 변태 변형이 발생하는 동안 이루어진다. 표준 마템퍼링은 균일화가 끝난 후 대부분의 마르텐사이트 형성이 일어나도록 지연한다. 반면 변형 마템퍼링은 더 이른 변태 시작을 허용하여 열구배, 변태응력 및 잔류 오스테나이트 사이에서 다른 균형을 얻는다.

오스템퍼링과의 경계는 유지 중에 의도하는 상변태로 규정된다. 오스템퍼링은 오스테나이트화한 강을 베이나이트가 형성될 수 있는 온도 범위로 급냉한 뒤, 필요한 양의 오스테나이트가 변태할 때까지 유지한다. AISI 52100을 대상으로 한 2013년 연구는 오스템퍼링을 약 200~400 °C로 유지되는 매체에 급냉하고 베이나이트가 형성될 때까지 유지하는 공정으로 설명한다. 2024년에 발표된 ACS Omega 연구 역시 베이나이트 변태 온도에서 유지하는 오스템퍼링과, 공랭하여 마르텐사이트를 형성하기 전에 Ms 바로 위에서 짧게 유지하는 마템퍼링을 구별한다.

일부 강종에서는 온도 범위가 겹칠 수 있으므로, 욕 온도만으로 공정명을 정할 수 없다. 300 °C의 욕이라도 한 강종에서는 베이나이트를 생성하고, 다른 강종에서는 마르텐사이트를 생성할 수 있으며, 유지 시간이 너무 짧거나 변태 곡선이 겹치면 혼합 조직이 형성될 수 있다. 판단에 필요한 근거는 해당 강의 시간-온도-변태 거동 또는 연속 냉각 변태 거동과 금속조직학적 검증에서 얻어진다.

중탄소 저합금강을 대상으로 한 2020년 단시간 저온 오스템퍼링 연구에서는 나노 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 보고되었다. 해당 연구에서 마모 계수는 퀜칭한 마르텐사이트강보다 최대 50% 낮았지만, 그 결과는 시험에 사용된 조성, 형상 및 공정 조건에 해당한다. 이를 마템퍼링한 부품에 자동으로 적용할 수는 없다.

오스템퍼링은 베이나이트가 제어되지 않은 온도 구배 중에 형성되는 것이 아니라 비교적 일정한 온도에서 형성되므로 변형을 줄일 수 있다. 2013년에 발표된 SAE 연구에서 침탄된 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320을 조사한 결과, 침탄 후 오스템퍼링한 시험편은 침탄, 퀜칭 및 뜨임 처리한 시험편보다 변형이 유의하게 적었다. 보고된 오스템퍼링 온도는 260, 288 및 304 °C였다. 이는 특정 침탄강 그룹에 대한 근거이며, 모든 오스템퍼링 부품의 변형이 반드시 감소한다는 증거는 아니다.

우발적인 베이나이트 형성 방지

변형 마템퍼링은 중단 과정에서 공작물이 베이나이트 형성 영역을 벗어나 있도록 하기 위해 선택되기도 한다. 욕은 Ms보다 낮아야 하지만, 유지 중에 베이나이트가 발생할 충분한 시간이 주어지지 않도록 설정되어야 한다. 욕이 강의 베이나이트 변태 속도가 상당한 온도 범위에 있거나 이송 및 유지가 느리면, 해당 작업을 마템퍼링이라고 불렀더라도 조직에 베이나이트가 포함될 수 있다.

따라서 “변형”은 단순히 “더 차가운 욕을 사용한다”는 뜻이 아니다. 공정 조건에는 오스테나이트화 조건, 이송 시간, 욕 온도, 교반, 허용 유지 시간, 냉각 방법 및 뜨임 처리를 명시해야 한다. 욕 온도는 노 또는 염욕조 설정값으로 추정해서는 안 되며, 공작물이 위치한 지점에서 측정해야 한다. 장입량과 염의 순환은 변태 경로를 바꿀 만큼 큰 국부적 편차를 만들 수 있다.

작업자는 강의 경화능과 단면 크기 한계도 알고 있어야 한다. 경화능이 낮은 강은 부품이 의도한 마르텐사이트 경로에 도달하기 전에 중심부에서 펄라이트 또는 베이나이트를 형성할 수 있다. 경화능이 높은 강은 냉각 후 상당량의 오스테나이트를 잔류시킬 수 있으며, 특히 탄소 농축 또는 침탄으로 Ms가 낮아진 부위에서 그러하다. 뜨임은 마르텐사이트의 취성을 줄이고 변태응력을 완화하지만, 부적절한 유지 중에 형성된 베이나이트를 제거하지는 못한다.

검증에는 경도 분포 측정과 함께 금속조직 검사, 치수 검사 및 필요한 경우 잔류 오스테나이트 측정을 포함해야 한다. 표면 경도값만으로는 모든 부품에서 완전한 마르텐사이트 조직과 마르텐사이트-베이나이트 혼합 조직을 구별할 수 없다. 따라서 실무적인 경계는 욕의 명칭이 아니라 규정된 열처리 조건과 실제로 생성된 상에 의해 설정된다.

강종, 경화능 및 단면 크기

강종은 제안된 오스템퍼링 또는 마템퍼링 일정이 부품 전체에 걸쳐 의도한 조직을 형성할 수 있는지를 결정합니다. 탄소 함량은 형성될 수 있는 마르텐사이트의 양을 좌우하며, 크롬, 망간, 니켈, 몰리브덴 및 기타 합금 원소는 변태 곡선을 이동시키고 경화능을 높입니다. 이어서 단면 크기는 작업물의 중심부가 욕조 온도를 얼마나 밀접하게 따라가는지를 결정합니다. 작은 시험편에서 유효했던 공정 일정이라도 더 큰 부품에서는 필요한 변태가 완료되기 전에 중심부에 펄라이트, 페라이트 또는 상부 베이나이트가 형성되도록 할 수 있습니다.

두 처리의 차이는 여전히 본질적입니다. 오스템퍼링은 오스테나이트화된 강을 베이나이트 변태 범위에서 유지하여, 지정된 비율의 오스테나이트가 베이나이트로 변태할 때까지 처리합니다. 마템퍼링은 마르텐사이트 시작 온도 바로 위에서 냉각을 중단하고, 단면 전체가 열적으로 균일해지도록 한 다음 마르텐사이트가 형성되는 온도 범위를 통과하여 냉각합니다. 이후 마르텐사이트 조직은 사용 전에 반드시 뜨임 처리해야 합니다. 욕조 온도만으로는 공정을 판별할 수 없으며, 변태 경로와 그 결과 생성된 상이 공정을 결정합니다.

AISI 52100 및 베어링강 관련 고려사항

AISI 52100은 일반적으로 UNS G52986으로 지정되는 고탄소 크롬 베어링강입니다. 공칭 조성은 약 1.00 wt% 탄소와 1.5 wt% 크롬이지만, 허용 범위와 청정도 요건은 해당 재료 규격에 따라 결정됩니다. 이러한 조성으로 인해 52100은 경화 후 높은 도달 가능 경도와 우수한 내마모성을 나타내지만, 잔류 오스테나이트, 탄화물 용해, 퀜칭 응력 및 치수 변화가 중요한 문제로 부각됩니다.

AISI 52100에 관한 한 연구에서는 오스템퍼링을 약 200~400 °C로 유지되는 매체에 오스테나이트화 온도에서 퀜칭한 후 베이나이트가 형성될 때까지 유지하는 처리로 설명합니다. 이 범위는 해당 오스템퍼링 실험에서 조사된 처리의 정의이지, 모든 베어링 단면이나 모든 목표 베이나이트 형태에 적용되는 보편적인 온도 범위는 아닙니다. 이 범위의 낮은 온도에서는 변태가 느리고 생성 조직이 더 미세할 수 있으며, 높은 온도에서는 변태가 더 빠르게 진행될 수 있지만 더 조대한 베이나이트가 생성될 수 있습니다. 선택 온도는 강의 시간-온도-변태 거동, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 탄화물 상태 및 단면 두께도 고려하여 결정해야 합니다.

베어링 용도에서는 공칭 경도 이상의 요건이 요구됩니다. 구름 접촉 피로는 비금속 개재물, 탄화물 분포, 잔류 오스테나이트, 잔류 응력, 표면 마무리 및 국부적인 변태 차이의 영향을 받습니다. 표면이 목표 베이나이트 조직에 도달했더라도 중심부에 펄라이트가 존재한다면 성공적인 오스템퍼링 베어링 부품이라고 할 수 없습니다. 마찬가지로 마템퍼링한 52100 부품은 직접 유냉한 부품보다 변형이 감소할 수 있지만, 냉각 직후에는 여전히 뜨임되지 않은 마르텐사이트를 포함하므로 뜨임 처리가 필요합니다. 뜨임은 취성을 줄이고 치수를 안정화하지만, 선택한 온도는 요구되는 경도와 접촉 피로 성능을 유지해야 합니다.

작은 52100 링은 염욕에서 빠르게 열적 균일화가 이루어질 수 있으므로, 상당한 변태가 진행되기 전에 전체 단면이 베이나이트 변태 영역에 들어갈 수 있습니다. 더 큰 링, 롤러 또는 베어링 레이스는 중심부의 반응이 훨씬 느릴 수 있습니다. 표면에서 변태가 시작되는 동안 중심부는 여전히 다른 온도 범위를 통과하며 냉각될 수 있습니다. 따라서 유지 시간은 직경만으로 정할 수 없으며, 가장 느린 관련 위치를 기준으로 설정하고 경도 시험, 금속조직 검사, 치수 측정 및 필요한 경우 잔류 오스테나이트 분석으로 검증해야 합니다.

침탄 AISI 8620, 8822 및 4320

침탄 저합금강은 두 영역의 문제를 나타냅니다. 침탄은 표면의 탄소 함량을 높이는 반면 중심부의 탄소 함량은 더 낮은 수준으로 유지합니다. 따라서 침탄층은 중심부보다 높은 경화능과 더 큰 마르텐사이트 형성 잠재력을 갖지만, 두 영역 모두 서로 양립 가능한 열 사이클을 따라야 합니다. 탄소 구배는 마르텐사이트 시작 온도도 변화시킵니다. 일반적으로 고탄소 침탄층은 저탄소 중심부보다 더 낮은 온도에서 마르텐사이트 변태를 시작합니다. 단면 전체에서 변태가 동시에 일어나는 것은 아닙니다.

침탄한 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320에 대해 보고된 연구에서는 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용했습니다. 해당 실험에서 침탄 후 오스템퍼링한 시험편은 침탄 후 퀜칭 및 뜨임 처리한 시험편보다 변형이 현저히 적었습니다. 이 결과는 포괄적인 일반론이라기보다 하나의 메커니즘을 뒷받침합니다. 오스템퍼링은 직접 퀜칭에서 발생하는 급격하고 불균일한 열적 충격 및 변태 충격을 제어된 등온 변태로 대체하여, 침탄층과 중심부 사이의 팽창 및 수축 차이를 줄입니다. 그러나 변형을 완전히 제거하지는 않으며, 보고된 결과를 다른 기어 형상, 침탄층 깊이, 침탄 포텐셜 또는 강재 로트에 자동으로 적용할 수는 없습니다.

AISI 8620은 UNS G86200으로 지정되며, 침탄 후 중심부 경화능을 뒷받침하는 양의 니켈, 크롬 및 몰리브덴을 함유합니다. AISI 8822는 UNS G88220으로 지정되며, 8620보다 니켈 함량을 높인 합금 설계를 적용하여 침탄층과 중심부의 반응에 대해 다른 균형을 얻도록 선택됩니다. AISI 4320은 UNS G43200으로 지정되는 니켈-크롬-몰리브덴계 침탄강이기도 합니다. 탄소, 망간, 니켈, 크롬 및 몰리브덴의 작은 조성 차이도 변태 시작 및 종료 시간을 이동시킬 수 있으므로, 정확한 화학 조성은 적용되는 규격에서 확인해야 합니다.

침탄층과 중심부의 관계가 결정적입니다. 중심부의 경화능이 충분하지 않으면 침탄층에서 베이나이트 또는 이후 마르텐사이트가 발달하는 동안에도 이송 또는 유지 과정에서 중심부에 펄라이트나 페라이트가 형성될 수 있습니다. 중심부에 충분한 오스템퍼링 유지 시간이 침탄층의 선택된 상태에는 과도하게 길다면, 침탄층에 원치 않는 조직 형태나 과도한 잔류 오스테나이트가 형성될 수 있습니다. 마템퍼링의 경우 균일화가 진행되는 동안 욕조는 관련 마르텐사이트 시작 온도 범위보다 높은 상태를 유지해야 합니다. 공랭 후에는 침탄층과 중심부가 서로 다른 온도 범위에서 변태하므로 두 영역 모두 뜨임 처리해야 합니다.

두께, 탄소 구배 및 합금 반응

실제 부품의 냉각은 하나의 단일 곡선으로 나타나지 않습니다. 얇은 치형, 작은 핀 또는 폭이 좁은 베어링 링은 욕조 온도에 빠르게 접근할 수 있지만, 두꺼운 기어 소재나 축의 중심부는 상당히 더 높은 온도를 유지할 수 있습니다. 교반, 장입 배열, 욕조 순환, 표면 상태 및 고정구와의 접촉도 열전달 속도를 변화시킵니다. ASM Handbook Volume 4A는 마템퍼링의 제어 변수로 오스테나이트화 온도, 욕조 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 제시합니다. 이러한 변수는 단순히 실험실 재현성을 위한 것이 아니라 공정 제어에 적용됩니다.

경화능경화능 지정된 냉각 조건에서 강이 특정 깊이까지 마르텐사이트 조직을 형성하고 유지하는 능력이며, 경도와는 동일하지 않다.

경화능은 냉각 중 중심부가 원치 않는 변태 생성물을 피할 수 있는지를 결정합니다. 경화능은 경도와 다릅니다. 경도는 특정 위치에서 측정되는 저항을 나타내는 반면, 경화능은 주어진 냉각 조건에서 강이 마르텐사이트 조직을 형성할 수 있는 깊이 또는 단면 범위를 나타냅니다. 망간, 크롬, 니켈 및 몰리브덴과 같은 합금 원소는 일반적으로 펄라이트 및 베이나이트 반응을 지연시켜 중심부가 목표 변태 영역에 도달할 시간을 늘립니다. 그러나 오스테나이트 결정립 크기, 이전 가공 이력 및 탄소 구배도 반응 속도에 영향을 미치므로, 이들 원소만으로 균일한 결과가 보장되지는 않습니다.

오스템퍼링에서는 가장 느리게 냉각되는 영역이 냉각 곡선상 펄라이트 노즈를 먼저 통과하지 않고 베이나이트 범위에 도달해야 합니다. 그런 다음 욕조는 원치 않는 변태를 억제할 수 있을 만큼 빠르게 열을 제거해야 하지만, 부품 내부에 큰 온도 차이가 발생하지 않도록 충분히 제어되어야 합니다. 마템퍼링에서는 작업물을 마르텐사이트 변태 범위로 냉각하기 전에 전체 단면이 마르텐사이트 시작 온도 바로 위의 온도에 접근해야 합니다. 균일화되지 않은 두꺼운 단면은 표면에서 변태를 시작하는 동안 중심부가 여전히 열적으로 수축할 수 있으며, 이로 인해 내부 응력과 변형이 증가합니다.

규격이 이러한 분석을 대신할 수는 없습니다. SAE AMS-H-6875C, Heat Treatment of Steel Raw Materials는 네 가지 강종 등급을 다루며, 지정된 경우 오스템퍼링, 오스베이 퀜칭 및 마템퍼링을 허용합니다. 따라서 규격, 도면, 강종, 단면 크기 및 승인된 공정 절차를 함께 검토해야 합니다. 검증에는 침탄 부품의 침탄층 깊이 측정, 중심부 및 표면 경도 측정, 여러 위치에서의 미세조직 검사, 치수 검사, 그리고 용도상 필요한 경우 잔류 오스테나이트 또는 퀜칭 균열 검사가 포함되어야 합니다. 욕조의 라벨만으로는 중심부가 요구된 변태 일정을 따랐음을 입증할 수 없습니다.

사양 체계: AMS-H-6875C 및 공정 문서화

SAE AMS-H-6875C, 강 원자재의 열처리,는 네 가지 강종 등급에 대한 열처리 요구사항을 규정한다. 이 문서의 중요성은 절차적 성격에 있다. 즉, 해당 재료 또는 부품 사양에서 특정 열처리 스케줄을 요구하는 경우 오스템퍼링, 오스베이 퀜칭 및 마템퍼링을 허용한다. 그러나 이러한 허용이 모든 염욕 온도, 이송 지연 시간, 유지 시간 또는 냉각 방식을 승인하는 것은 아니다. 구매자, 설계 권한자 또는 적용 재료 사양은 여전히 요구되는 사이클과 합격 기준을 명시해야 한다.

이 구별이 중요한 이유는 이러한 공정들이 동일한 변태 생성물을 만들지 않기 때문이다. 오스템퍼링은 오스테나이트화된 강을 베이나이트가 형성될 수 있는 온도 범위로 신속하게 이동시킨 다음, 요구되는 오스테나이트-베이나이트 변태가 실질적으로 완료될 때까지 유지한다. AISI 52100에 관한 2013년 연구에서는 오스템퍼링 매체를 약 200~400 °C에서 베이나이트가 형성될 때까지 유지했다. 정확한 범위는 강의 화학 조성, 단면 크기, 경화능 및 원하는 베이나이트 형태에 따라 달라진다.

마템퍼링은 목적이 다르다. 소재는 일반적으로 $M_s$로 표기되는 마르텐사이트 시작 온도보다 약간 높은 온도로 유지되는 오일 또는 용융염 속에서 퀜칭되며, 단면 전체의 온도가 균일해지는 데 필요한 시간 동안만 그 상태로 유지된다. 이후 마르텐사이트 변태 온도 범위를 통과하도록 냉각하며, 흔히 공기 중에서 냉각한다. 마르텐사이트는 균열화 유지 중이 아니라 그 이후의 냉각 과정에서 형성된다. 퀜칭 직후의 마르텐사이트는 잔류응력이 높고 과도하게 취성일 수 있으므로 사용 전에 반드시 뜨임을 실시해야 한다. ASM International의 2013년 ASM Handbook Volume 4A는 오스테나이트화 온도, 욕조 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 마템퍼링의 제어 변수로 제시한다.

오스베이 퀜칭 역시 규정된 중단 퀜칭 방식이지만, 이를 오스템퍼링의 동의어로 취급해서는 안 된다. 이 명칭은 퀜칭 경로와 욕조 배열을 설명할 뿐이며, 생성되는 상은 강의 변태 속도론과 실제 시간-온도 이력에 따라 달라진다. 따라서 공정 문서에는 의도하는 조직이 베이나이트인지, 열적 균열화 후 형성되는 마르텐사이트인지, 또는 적용 사양에서 허용하는 다른 결과인지 명시해야 한다.

AMS-H-6875C의 적용 범위

AMS-H-6875C는 모든 강종과 형상에 적용되는 보편적인 조리법이 아니라, 강 원자재의 열처리를 위한 일반적인 체계를 제공한다. 이 문서는 가열, 오스테나이트화, 퀜칭, 냉각, 뜨임 및 검사와 같은 작업에 관련된 요구사항을 다룬다. 또한 네 가지 강종 등급을 대상으로 하며, 지배적인 공학 사양 또는 재료 요구사항에서 지정하는 경우 오스템퍼링, 오스베이 퀜칭 및 마템퍼링이라는 세 가지 대체 스케줄을 허용한다.

이 문구는 중요하다. 표준이 특정 공정을 인정한다고 해서 그 공정이 개별 부품에 허용된다는 의미는 아니다. 예를 들어 저합금 침탄강은 특정 단면 두께에서 베이나이트 코어를 형성하기에 충분한 경화능을 가질 수 있지만, 다른 강종의 더 큰 단면은 동일한 욕조 유지 시간 동안 완전히 변태하지 않을 수 있다. SAE 2013-01-0949 연구에서 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320 침탄 시험편은 일반적인 침탄, 퀜칭 및 뜨임 이후보다 오스템퍼링 이후에 현저히 적은 변형을 나타냈다. 이 실험에서는 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용했다. 이러한 결과는 시험 조건에서의 공정 선택을 뒷받침하지만, 모든 부품에 해당 온도를 설정하는 근거가 되지는 않는다.

따라서 AMS-H-6875C를 인용하는 사양은 재료 표시와 상태, 허용되는 열처리 경로 및 추가 요구사항을 명시해야 한다. 강종의 화학 조성은 베이나이트 변태의 시작 및 종료, $M_s$ 온도, 경화능, 잔류 오스테나이트 거동 및 뜨임 반응을 제어한다. 단면 두께와 형상은 온도 구배 및 코어가 표면을 따라 욕조 온도에 도달하는 데 필요한 시간을 결정한다.

오스템퍼링, 오스베이 퀜칭 또는 마템퍼링이 허용되는 경우

오스템퍼링은 적용 사양에서 명시적으로 선택하거나 대체 경로로 인정하는 경우에만 허용된다. 유지 시간은 적격성 평가 또는 검증된 시간-온도 절차를 통해 설정된 요구 베이나이트 변태가 이루어질 만큼 충분해야 한다. 너무 일찍 중단하면 베이나이트와 함께 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 남을 수 있다. 중탄소 저합금강을 대상으로 한 2020년의 단시간 저온 오스템퍼링 연구에서는 나노 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 함께 존재하는 것으로 보고되었다. 해당 연구의 시험 조건에서 마모 계수는 퀜칭한 마르텐사이트강보다 최대 50% 낮았다. 이러한 혼합 조직은 단순히 “오스템퍼링됨”이라고 표시하는 것만으로는 충분한 합격 판정 문구가 될 수 없는 이유를 보여준다.

마템퍼링은 열적 응력과 변태 응력을 줄이기 위한 중단 퀜칭을 지배 요구사항에서 규정하는 경우 허용된다. 균열화 단계 동안 욕조는 $M_s$보다 높은 온도를 유지해야 하며, 해당 조직이 허용되지 않는 한 의도하지 않은 베이나이트 변태 범위까지 유지 시간이 연장되어서는 안 된다. 마르텐사이트 형성 온도 범위에 관한 1946년 연구는 기본 목적을 다음과 같이 설명했다. 마르텐사이트 형성 범위보다 약간 높은 온도까지 냉각하고, 온도를 균일화한 다음, 그 범위를 통과하도록 더 느리게 냉각하는 것이다. 균열과 변형은 줄일 수 있지만, 경도는 완전한 마르텐사이트 변태, 강의 경화능 및 후속 뜨임에 여전히 좌우된다.

오스베이 퀜칭 역시 명시된 사양 및 관리된 욕조 조건과 연계되어야 한다. 공정 명칭만으로는 상 구성(phase constitution)이 정의되지 않는다. 예를 들어 $M_s$보다 낮은 욕조는 침지 중 마르텐사이트 형성을 시작할 수 있는 반면, $M_s$보다 높은 욕조는 일반적인 마템퍼링과 관련된 온도 균일화 원리를 뒷받침한다. 사양은 이러한 차이를 명확히 규정해야 한다.

공정 사양에서 정의해야 하는 사항

사용 가능한 공정 사양은 정확한 강종과 표준 표시에서 시작해야 하며, 관련되는 경우 제품 형태, 이전 상태 및 침탄 또는 탈탄 상태를 포함해야 한다. 그런 다음 선택된 경로인 오스템퍼링, 오스베이 퀜칭, 마템퍼링 또는 일반적인 퀜칭 및 뜨임을 명시해야 한다.

오스테나이트화 지침에는 관리가 필요한 경우 로의 형식 또는 분위기, 목표 온도, 허용 범위, 가열 방법 및 가열 유지 또는 온도 균일화 시간을 기재해야 한다. “오스테나이트화되도록 가열”이라는 표현은 생산 공정 관리에 부적절하다. 시간 측정이 로의 회복 이후부터인지, 장입물의 온도 균일화 이후부터인지, 또는 장입 시점부터인지도 문서에 명시해야 한다.

욕조 요구사항도 동일한 수준의 정밀성이 필요하다. 욕조는 오일, 질산염/아질산염 염, 수계 폴리머 또는 기타 승인된 매체 중 어떤 것인지 식별해야 하며, 운전 온도, 허용 변동, 필요한 경우 욕조 용량 또는 장입 비율, 교반 방향과 강도 및 모니터링 빈도도 규정해야 한다. Ca(NO₃)₂–KNO₃ 용융염 혼합물을 사용한 2024년 ACS Omega 연구는 베이나이트 유지와 $M_s$보다 높은 온도에서의 짧은 유지가 서로 다른 변태 경로를 만든다는 점을 강조했다. 따라서 염의 화학 조성은 단순한 용기 세부사항이 아니라 공정 변수이다.

로에서 욕조까지의 이송 시간에는 최대값이 있어야 하며, 측정 지점을 정의해야 한다. 사양에는 침지 방향, 진입 중 교반, 욕조 유지 시간 및 유지 종료 기준도 명시해야 한다. 오스템퍼링의 경우 이는 요구되는 베이나이트 분율을 달성하기에 충분한 것으로 적격성이 확인된 시간일 수 있다. 마템퍼링의 경우에는 일반적으로 허용할 수 없는 베이나이트 형성을 방지하면서 온도를 균일화하는 데 필요한 시간이다.

유지 이후의 냉각 방식도 정의해야 한다. 여기에는 공기 냉각, 정지 공기 냉각, 강제 공기 냉각 또는 기타 승인된 방법과 함께 부품이 욕조를 빠져나오는 온도가 포함된다. 뜨임 요구사항에는 퀜칭 후 최소 지연 시간, 뜨임 온도, 해당 온도에서의 시간, 사이클 횟수, 로의 온도 균일성 및 냉각 방법을 명시해야 한다. 마템퍼링된 강은 규정된 뜨임을 실시하지 않은 상태로 사용되어서는 안 된다.

마지막으로 합격 여부는 측정 가능해야 한다. 문서에는 경도 측정 위치와 한계, 허용 경도 편차, 요구 조직 및 금지 조직, 해당되는 경우 잔류 오스테나이트 한계, 표면 상태 및 치수 합격 기준을 정의해야 한다. 변형 측정에는 기준면, 측정 기기, 샘플링 빈도 및 허용되는 최대 변화를 명시해야 한다. 적격성 평가 기록은 로 차트, 욕조 온도 기록, 이송 시간 로그, 경도 결과, 금속조직 검사 및 치수 보고서를 해당 로트와 정확한 강종에 연결해야 한다. 이러한 기록이 없으면 명목상 허용된 스케줄도 적합성을 입증하는 근거가 아니라 관리되지 않은 공정에 머물게 된다.

변태 데이터에서 작업장 공정 변수까지: 사이클 설계

신뢰할 수 있는 사이클은 익숙한 욕 온도에서 시작하는 것이 아니라 강종과 부품에서 시작한다. 강종, 화학 조성, 이전 열처리, 단면 두께, 형상, 표면 상태 및 요구 특성을 기록해야 한다. AISI 52100 베어링강, 침탄된 AISI 8620 및 중탄소 저합금강은 부품이 동일한 염욕 탱크에 들어가더라도 동일한 변태 동역학을 보이지 않는다. 이전 상태도 중요하다. 조대한 이전 오스테나이트 결정립, 미용해 탄화물, 침탄층 깊이 및 편석은 경화능, 변태 시간 및 치수 변화 양상을 바꿀 수 있다.

요구되는 상 생성물이 공정의 방향을 결정한다. 오스템퍼링은 강을 베이나이트가 형성되는 온도 범위에 놓은 다음, 선택한 양의 오스테나이트가 변태할 때까지 유지해야 한다. 반면 마템퍼링은 마르텐사이트 시작 온도 바로 위에서 냉각을 일시 중단하여 단면 전체의 온도를 균일하게 만든 후, 제어 냉각 중에 마르텐사이트가 형성되도록 한다. 후자의 경우 사용 전에 뜨임이 필요하다. 욕의 명칭만으로는 공정을 특정할 수 없다.

변태 데이터는 마르텐사이트 시작 온도, 마르텐사이트 종료 범위, 베이나이트 시작 온도 및 펄라이트나 페라이트의 형성을 피하는 데 필요한 시간을 제시해야 한다. 연속 냉각 변태도와 시간-온도-변태도는 최초 추정치를 제공하지만, 실제 강종과 상태에서 시험하는 것을 대신할 수는 없다. 탄소 함량, 합금 원소, 오스테나이트 결정립 크기 및 침탄층의 화학 조성은 모두 곡선을 이동시킨다. 이후 공정 설계자는 변태 구간을 욕, 장입물, 이송 시간 및 부품 형상에 맞춘다.

ASM Handbook Volume 4A (2013)는 마템퍼링의 제어 변수로 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 제시한다. 이러한 변수들은 서로 상호작용한다. 소형 시험편에는 적합한 욕 온도라도 대형 장입물이 들어오면 문제가 생길 수 있다. 장입물이 욕 가열기가 열을 회복하는 속도보다 더 빠르게 열을 빼앗기 때문이다. 따라서 공정 일정은 노와 욕의 설정값만이 아니라 측정된 부품 온도와 회복 한계로 구성되어야 한다.

오스테나이트화 조건의 선정

강종 규격, 상평형 정보 및 목표 미세조직을 바탕으로 오스테나이트화 온도를 선정한다. 요구되는 경화능을 확보할 수 있을 만큼 탄소와 합금 원소를 용해해야 하지만, 과도한 온도나 시간은 이전 오스테나이트 결정립을 조대화하고, 잔류 오스테나이트를 증가시키며, 산화를 촉진하고, 변형을 악화시킬 수 있다. 침탄 부품에서는 심부와 침탄층을 별도로 고려해야 한다. 침탄층은 심부보다 탄소를 상당히 많이 포함할 수 있으므로 마르텐사이트 시작 온도와 잔류 오스테나이트 거동이 크게 다를 수 있다.

오스테나이트화 시간은 단면 크기와 노의 승온 거동을 기준으로 정해야 하며, 유지 시간은 노의 표시 온도가 아니라 관련 위치 중 가장 차가운 곳이 지정 온도에 도달한 시점부터 시작해야 한다. 노 설정값은 한 위치에서의 공기 또는 제어 센서 온도이다. 장입 중 강재 온도는 노 설정값을 따라가지 못하며, 온도 회복 중에는 설정값을 초과하거나 미달할 수 있다. 복사, 치구와의 접촉, 부품 간격 및 노 내부 순환은 추가적인 온도 차이를 만든다. 대표 부품에 부착한 열전대는 일반적으로 지연된 상승을 나타내며, 이송 후 일시적인 과승 또는 과냉이 뒤따를 수 있다.

이전 상태에 따라 필요한 시간이 달라진다. 구상화 처리된 AISI 52100, 노멀라이징된 저합금강 및 침탄된 AISI 8620은 동일한 공칭 온도에서도 서로 다른 용해 시간을 필요로 할 수 있다. 과도한 유지는 잔류하도록 의도한 탄화물까지 용해할 수 있고, 유지가 부족하면 단면 전체에 화학 조성의 편차가 남는다. 오스테나이트화한 시편의 금속조직 분석을 통해 생산 사이클을 확정하기 전에 탄화물 용해와 결정립 크기를 확인할 수 있다.

마템퍼링의 경우, 오스테나이트화 조건은 변태와 뜨임 후 지정 경도를 확보할 수 있을 만큼 충분한 오스테나이트를 형성해야 한다. 오스템퍼링의 경우에는 베이나이트 시작 온도 또는 잠복 시간이 욕의 운전 범위를 벗어나도록 만드는 오스테나이트의 화학 조성 및 결정립 크기도 피해야 한다. 선정은 절충이지만, 일반적인 “가열 온도” 값이 아니라 변태 증거를 바탕으로 이루어져야 한다.

욕 온도와 유지 시간의 선정

강종에 대해 확인된 베이나이트 변태 범위 안에서 오스템퍼링 욕 온도를 선정한다. 연구에서는 AISI 52100을 약 200~400 °C로 유지한 매체에서 오스템퍼링하고, 베이나이트가 형성될 때까지 유지한 사례가 있다. 그러나 이 범위는 폭넓은 참고 범위일 뿐, 모든 생산 공정에 적용되는 보편적인 운전 범위는 아니다. 2024년 ACS Omega 연구 역시 오스템퍼링을 오스테나이트화한 강을 베이나이트 변태 온도에서 유지하여 오스테나이트를 베이나이트로 변환하는 공정으로 설명한다. 필요한 유지 시간은 등온 변태도에서 읽어낼 수 있지만, 도표에 사용된 시험편의 크기와 이전 상태가 실제 부품과 다를 수 있으므로 경도와 금속조직 분석으로 확인해야 한다.

오스템퍼링 온도는 변태 속도, 베이나이트 형태, 경도 및 잔류 오스테나이트 사이의 균형을 변화시킨다. 일반적으로 낮은 온도에서는 잠복 시간과 변태 시간이 길어지고 더 미세한 베이나이트 조직이 형성될 수 있다. 높은 온도에서는 사이클이 짧아지지만 더 조대한 베이나이트와 다른 경도 거동이 나타날 수 있다. 2020년 단시간 저온 오스템퍼링 연구에서는 나노 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 보고되었으며, 마모 계수가 담금질 마르텐사이트강보다 최대 50% 낮았다. 그러나 이 결과는 해당 연구에서 사용한 강종과 사이클에 관한 것이며, 모든 강종에 그대로 적용할 수는 없다.

마템퍼링 욕 온도는 마르텐사이트 시작 온도보다 약간 높게 설정하되, 온도 균일화 중 조기 마르텐사이트 형성을 방지할 수 있는 충분한 여유를 둔다. 공작물은 단면 전체의 온도가 서로 가까워질 때까지만 욕에 둔다. 이후 꺼내 마르텐사이트 변태 범위를 통과하도록 공랭하고, 이어서 뜨임한다. 이 온도에서 지나치게 오래 유지하면 강종에 따라 베이나이트 또는 다른 변태가 일어날 수 있다. 변형 마템퍼링은 의도적으로 욕을 마르텐사이트 시작 온도보다 낮게 설정하는 별도의 공정이므로, 이러한 구분을 문서화된 공정 규격에 명시해야 한다.

욕의 용량은 탱크 부피만을 의미하지 않는다. 온도 균일성, 교반, 순환, 열 회복 및 허용 가능한 장입물 대 욕 질량비를 측정해야 한다. Ca(NO₃)₂–KNO₃ 기반 염욕, 오일 또는 기타 매체는 점도, 열전도도, 유동 및 운전 온도에 따라 열을 전달한다. 크거나 조밀하게 적재된 장입물이 들어오면 욕 온도가 떨어지고 회복이 느려질 수 있다. 욕이 온도를 회복하기 전에 강이 펄라이트 시작 영역을 통과하면 의도한 상 균형이 사라진다. 장입 후 욕의 최저 온도와 제어 범위로 복귀하는 데 필요한 시간을 기록해야 한다.

유지 시간의 측정은 랙이 욕에 들어간 시점이 아니라 부품이 목표 온도에 도달한 시점부터 시작해야 한다. 두꺼운 단면에서는 심부 열전대 또는 검증된 시간 관계가 필요하다. 얇은 가장자리는 심부가 아직 가열되는 동안 이미 변태를 시작할 수 있으므로, 단면 크기 제한과 이송 시간을 절차에 포함해야 한다.

열전대, 시험편 및 중단 시험의 활용

변태를 지배하는 위치에 열전대를 설치한다. 즉, 가장 두꺼운 단면의 중심, 얇은 가장자리, 욕에 노출되는 표면 및 침탄 부품의 경우 가능한 범위에서 침탄층과 심부 양쪽에 설치한다. 노와 욕을 견딜 수 있는 전선과 부착 방법을 사용하고, 운전 범위 전체에서 교정을 확인해야 한다. 기록된 온도 곡선에는 노 가열, 오스테나이트화, 이송, 욕 진입, 온도 균일화, 인출, 공랭 및 뜨임이 나타나야 한다. 사이클을 확인하는 것은 노 설정값이 아니라 부품의 온도 곡선이다.

시험편은 생산 재료, 이전 상태, 단면 두께 및 표면 화학 조성을 재현해야 한다. 단순한 얇은 시험편은 너무 빠르게 반응하여 욕 용량이 충분하다고 잘못 판단하게 만들 수 있다. 계단형 시험편 또는 생산품 형상의 확인용 시험편은 표면과 심부 사이의 열 지연을 드러낼 수 있다. 적격성 평가 중에는 시험편을 가장 차갑고, 가장 혼잡하며, 가장 대표적인 장입 위치에 배치해야 한다.

중단 시험은 변태에 관한 증거를 제공한다. 여러 유지 시간 후 시편을 꺼내 정해진 방법으로 담금질 또는 냉각하고, 연마 단면에서 베이나이트, 마르텐사이트, 펄라이트, 탄화물 및 잔류 오스테나이트를 관찰한다. 표면에서 중심까지, 그리고 서로 다른 방향에 걸쳐 경도를 측정한다. 경도 분포도는 단일 로크웰 측정으로는 놓칠 수 있는 연한 심부, 과도하게 변태한 가장자리 또는 침탄층 깊이의 변화를 밝혀낼 수 있다.

치수 측정은 이러한 시험과 함께 실시해야 하지만, 시험 자체를 대신할 수는 없다. 열처리 전후에 관리된 온도에서 직경, 평탄도, 런아웃, 길이 및 변형을 기록한다. 2013년 SAE 연구에서 AISI 8620, 8822 및 4320 침탄 시편은 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용했을 때, 침탄 후 통상적인 담금질과 뜨임을 실시한 경우보다 오스템퍼링 후 변형이 유의하게 적었다. 이 결과는 공정 논리를 뒷받침하지만, 모든 형상에 대한 포괄적인 보증은 아니다.

마지막으로 금속조직 분석, 경도 분포도, 필요한 경우의 잔류 오스테나이트 측정 및 치수 데이터를 적용 규격과 비교한다. SAE AMS-H-6875C (2020)는 네 가지 강종 등급을 다루며, 규정된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마템퍼링을 허용한다. 승인된 사이클에는 강종과 상태, 오스테나이트화 범위, 이송 한계, 욕 온도와 회복 요건, 균일화 또는 변태 기준, 냉각 방법, 뜨임 처리 및 검사 증거를 명시해야 한다. 이러한 수준으로 정의해야 변태 데이터를 반복 가능한 작업장 공정 변수로 전환할 수 있다.

결함 양상 및 진단 금속조직학

결함이 있는 열처리 부품은 염욕의 명칭만으로 판단하지 말고, 변태 경로를 바탕으로 진단해야 한다. 오스템퍼링은 오스테나이트화한 강을 베이나이트 변태 온도에서 베이나이트가 형성될 때까지 유지하는 공정이다. 마템퍼링은 이와 다르다. 부품을 마르텐사이트 시작 온도 바로 위까지 급랭하고, 단면 전체가 거의 균일한 온도에 도달할 만큼만 유지한 다음 냉각하여 마르텐사이트가 형성되도록 한 후 뜨임을 실시한다. 예상과 다른 위치나 양으로 나타난 상은 대개 공정 일정, 열전달 또는 경화능 문제를 나타낸다.

의도하지 않은 단계에서 형성된 펄라이트 또는 베이나이트

오스템퍼링한 부품에서 펄라이트가 나타나는 것은 일반적으로 일부 오스테나이트가 계획된 베이나이트 유지 단계에 도달하기 전에 펄라이트 변태 영역에 들어갔음을 의미한다. 가장 흔한 원인은 오스테나이트화로에서 염욕 또는 유욕으로 이송되는 속도가 충분하지 않은 것이다. 공기 중에서 이송하는 시간이 길거나, 장입물이 과도하게 밀집되어 있거나, 부품을 욕에 넣는 과정에서 지연이 발생하면 표면에서 변태가 일어날 수 있다. 로 온도가 정확하더라도 부품 표면이 이미 펄라이트 시작 곡선을 통과했기 때문에 부품이 불량해질 수 있다.

욕조 제어가 불충분해도 같은 결과가 발생한다. 순환이 불량한 염욕, 과도한 장입량 또는 잘못 교정된 열전대는 지정 온도보다 낮은 국부 영역을 만들 수 있다. 차가운 영역에 먼저 들어간 부품은 의도한 오스템퍼링 온도에 도달하기 전에 펄라이트를 형성할 수 있다. 2013년 AISI 52100 연구는 약 200~400 °C에서 오스템퍼링을 실시하고 베이나이트가 형성될 때까지 부품을 유지했다고 기술한다. 그러나 이 온도 범위 안에 있다는 이유만으로 강의 변태 속도론을 확인하지 않고 임의의 온도를 선택해서는 안 된다. 탄소 함량, 합금 원소 첨가, 오스테나이트 결정립 크기 및 단면 두께는 펄라이트가 시작되기 전까지 허용되는 시간을 변화시킨다.

금속조직학적으로 펄라이트는 페라이트와 시멘타이트의 콜로니로 나타나며, 적절한 배율에서는 흔히 층상 조직으로 관찰된다. 표면 부근의 조대 펄라이트는 느린 투입 또는 표면 냉각을 시사하는 반면, 단면을 가로지르는 띠 모양 영역이나 고립된 영역은 불균일한 욕 온도 또는 치구와의 접촉을 시사한다. 경도 분포를 작성하면 그 결과를 확인할 수 있다. 펄라이트 영역은 완전한 베이나이트 또는 마르텐사이트 영역보다 상당히 낮은 경도를 보인다. 표면에서 중심까지 이어지는 횡단면을 검사하고, 연마면 한 곳에 의존하지 말고 부품 둘레의 여러 위치를 비교해야 한다.

마르텐사이트 형성을 의도한 공정에서도 베이나이트가 나타날 수 있다. 표준 마템퍼링에서 마르텐사이트 시작 온도, 즉 Ms보다 높은 온도에서 유지하는 시간은 온도 균일화를 위한 것이며, 베이나이트 변태를 위한 유지 시간이 아니다. 유지 시간이 지나치게 길거나, 욕 온도가 베이나이트 범위에 있거나, 해당 범위를 통과하는 냉각이 느리면 마르텐사이트가 형성되기 전에 베이나이트가 생성될 수 있다. 그 결과 인접한 영역에 상부 베이나이트, 하부 베이나이트 및 마르텐사이트가 함께 나타날 수 있다. 2024년 ACS Omega 연구는 이러한 공정상의 차이를 명확히 설명한다. 오스템퍼링은 오스테나이트가 변태할 때까지 강을 베이나이트 변태 온도에서 유지하는 반면, 마템퍼링은 Ms 바로 위에서 짧게 유지한 후 공랭한다.

강의 화학 조성을 탓하기 전에 욕 운전 기록을 확인해야 한다. ASM Handbook Volume 4A는 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 마템퍼링의 제어 변수로 제시한다. 이와 동일한 변수들이 오스템퍼링 처리가 의도한 상 영역에 도달하는지에도 영향을 준다. 고장 난 열전대, 과부하된 탱크 또는 약한 교반은 미세조직을 소폭의 화학 조성 차이보다 더 직접적으로 설명할 수 있다.

불완전 변태 및 잔류 오스테나이트

잔류 오스테나이트는 냉각 또는 유지 중 오스테나이트가 의도한 변태를 완료하지 못할 때 발생한다. 마템퍼링한 부품에서는 이후의 제어 냉각 중 오스테나이트가 대부분 마르텐사이트로 변태해야 하지만, 변태량은 탄소 함량, 합금 원소, 냉각 속도 및 최종 온도에 좌우된다. 고탄소 표면층, 특히 침탄강의 경우 저탄소 심부보다 Ms와 Mf가 낮은 경우가 많다. 따라서 동일한 냉각 사이클을 거친 후에도 더 많은 오스테나이트가 잔류할 수 있다.

오스템퍼링에서는 다른 형태의 문제가 발생한다. 베이나이트 반응이 완료되기 전에 유지가 끝나면 미변태 오스테나이트가 남고, 이후 냉각, 사용 중 또는 연삭 중에 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 이 경우 계획된 베이나이트 중심 조직이 아니라 베이나이트–마르텐사이트–잔류 오스테나이트 혼합 조직이 형성된다. 중탄소 저합금강의 단시간 저온 오스템퍼링을 조사한 2020년 연구에서는 나노 베이나이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트가 함께 나타났다. 해당 연구에서 보고된 마모계수 감소율은 퀜칭한 마르텐사이트강 대비 최대 50%였지만, 이는 연구 대상 재료와 공정 일정에 적용되는 결과이며 모든 부분 변태 부품에 적용되는 것은 아니다.

잔류 오스테나이트는 경도만으로 신뢰성 있게 식별할 수 없다. 잔류 오스테나이트는 경도 측정값을 낮출 만큼 연할 수 있지만, 압입 중 변형 유기 변태가 일어나 겉보기 경도를 높일 수도 있다. 먼저 나이탈 부식 후 광학 금속조직 검사를 실시하고, 필요한 경우 X선 회절, 자성법 또는 정량 영상 분석으로 상당한 잔류량을 확인해야 한다. 잔류 오스테나이트는 신선하고 뜨임되지 않은 마르텐사이트로 변태할 수 있으므로, 치수 변화, 지연 균열 또는 사용 중 치수 증가도 관찰해야 한다.

침탄 부품은 표면층과 심부를 따로 검사해야 한다. 표면층에서 심부로 이어지는 경도 분포를 작성하고 이를 관찰된 상과 대조해야 한다. 잔류 오스테나이트를 포함하는 고경도 표면층과 더 연한 베이나이트 또는 펄라이트 심부가 함께 나타난다면, 이는 반드시 불량한 강재 열을 의미하는 것이 아니라 국부적인 변태 반응이 서로 다르다는 뜻이다. 반대로 두 영역 모두에서 마르텐사이트가 나타나지 않고 경도가 전체적으로 낮다면, 불충분한 오스테나이트화, 과도한 이송 지연, 불충분한 퀜칭 강도 또는 욕 온도 오류를 의심해야 한다.

균열, 연질 영역, 변형 및 혼합 미세조직

균열은 일반적으로 변태 응력, 열응력, 날카로운 형상, 잔류응력 및 과도한 경도가 복합적으로 작용하여 발생한다. 마템퍼링은 마르텐사이트가 형성되기 전에 표면과 심부의 온도 차이를 줄이므로 직접 퀜칭에 비해 균열과 변형을 줄일 수 있지만, 뜨임의 필요성을 없애지는 않는다. ASM의 2020 Heat Treating Subject Guide는 마템퍼링한 강을 사용 전에 뜨임해야 한다고 명시한다. 특히 침탄 표면층의 뜨임되지 않은 마르텐사이트는 연삭이나 외부 하중에 의해 여전히 균열이 발생하기 쉽다.

균열 표면과 연마 횡단면은 별도로 검사해야 한다. 퀜칭 균열은 흔히 이전 오스테나이트 결정립계를 따라 진행하거나 모서리, 키홈 및 급격한 단면 변화부에서 안쪽으로 뻗는다. 연삭 균열은 대체로 얕고 연삭 방향과 나란하다. 침투 탐상 검사는 표면으로 열린 균열의 위치를 찾는 데 유용하며, 금속조직 검사는 균열 내부에 산화물이나 탈탄이 존재하는지, 또는 균열 가장자리에 신선한 마르텐사이트가 있는지를 보여준다.

연질 영역은 불량한 교반, 치구에 의한 차폐, 불충분한 욕 순환, 탈탄 또는 단면 크기에 비해 부족한 경화능으로 인해 발생할 수 있다. 변형은 불균일한 가열, 비대칭적인 침탄, 불균일한 냉각 또는 얇은 영역과 두꺼운 영역 사이의 지연된 변태를 반영할 수 있다. 침탄한 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320을 대상으로 한 2013년 SAE 연구에서는 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용했으며, 침탄 후 퀜칭 및 뜨임한 시험편보다 변형이 크게 적었다. 그러나 이러한 결과가 형상이나 하중 조건에 따른 변형을 없애는 것은 아니다.

혼합 미세조직은 위치별로 진단해야 한다. 해당되는 경우 모서리, 중간 반경부, 중심부, 치근 및 치끝을 비교해야 한다. 각 미세조직 사진을 경도 분포 및 시간–온도 기록과 연계해야 한다. 이송 시간, 욕 온도, 교반, 장입, 오스테나이트화 및 뜨임이 확인된 후에야 비로소 화학 조성, 경화능 또는 재료 혼입이 주된 원인인지 판단해야 한다.

오스템퍼링, 마템퍼링 및 일반적인 퀜치-템퍼 비교

동일한 오스테나이트화 강으로 시작하더라도 이 세 공정은 최종적으로 상당히 다른 특성을 나타낼 수 있다. 이 명칭은 단순히 퀜칭에 사용되는 액체가 아니라 변태 일정을 설명한다. 오일, 질산염–아질산염 염욕 및 기타 매체는 둘 이상의 일정에서 사용될 수 있으며, 결정적인 변수는 온도 경로, 각 온도에서의 유지 시간, 그리고 허용되는 변태이다.

변태 경로와 최종 미세조직

일반적인 퀜치-템퍼에서는 오스테나이트화된 강을 펄라이트와 베이나이트의 생성을 대부분 피할 수 있을 만큼 빠르게 냉각한다. 오스테나이트는 마르텐사이트 시작 온도 $M_s$를 통과하고, 냉각이 계속됨에 따라 점진적으로 마르텐사이트로 변태한다. 생성된 마르텐사이트는 경도가 높지만 내부 응력이 매우 크므로, 사용 전에 템퍼링을 실시한다. 템퍼링은 탄소 함유 화합물을 석출시키고 내부 응력을 감소시키며, 경도·강도·인성·치수 안정성 사이의 균형을 변화시킨다.

마템퍼링은 이 과정의 주된 생성물을 바꾸기보다 진행 시점을 변경한다. 소재를 오스테나이트화 온도에서 $M_s$ 바로 위로 유지되는 오일 또는 용융염 욕으로 퀜칭한다. 표면과 중심부가 유사한 온도에 도달할 때까지만 그 안에 유지한다. 그런 다음 일반적으로 공기 중에서 마르텐사이트 형성 온도 범위를 통과하도록 냉각한다. 따라서 마르텐사이트는 단면에 급격한 표면-중심부 온도 구배가 아직 존재하는 동안이 아니라, 단면 대부분이 열적으로 균일해진 후에 형성된다. 마템퍼링을 하더라도 템퍼링이 불필요해지는 것은 아니다. ASM International의 Heat Treating Subject Guide (2020)는 마템퍼링된 강을 사용하기 전에 반드시 후속 템퍼링해야 한다고 명시한다.

오스템퍼링은 다른 변태 경로를 따른다. 오스테나이트화된 강을 베이나이트 변태 범위 내에서 유지되는 욕에 퀜칭하고, 필요한 비율의 오스테나이트가 베이나이트로 변태할 때까지 유지한다. AISI 52100을 대상으로 한 2013년 연구는 약 200~400 °C의 오스템퍼링 범위를 제시했으며, 베이나이트가 형성될 때까지 유지 시간을 계속하였다. 탄소 함량, 합금 원소, 온도 및 유지 시간에 따라 생성물은 상부 베이나이트, 하부 베이나이트 또는 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트를 포함하는 혼합 조직이 될 수 있다. 이 공정은 단순히 “더 오래 유지하는 마템퍼링”이 아니다. 2024년 ACS Omega 연구는 베이나이트 변태가 일어날 때까지 유지하는 오스템퍼링과, $M_s$ 이상에서 온도를 잠시 균일화한 후 공기 냉각하는 마템퍼링을 명확히 구분한다.

오스템퍼링된 강에도 후속 처리 또는 안정화 단계가 필요할 수 있지만, 완전한 마르텐사이트 조직을 갖는 퀜칭 강에 적용하는 것과 동일한 템퍼링 공정이 자동으로 적용되는 것은 아니다. 필요한 일정은 요구되는 미세조직과 사용 조건에 따라 달라진다. 단시간 저온 오스템퍼링은 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트와 함께 나노 베이나이트를 생성할 수 있다. 중탄소 저합금강을 대상으로 한 2020년 연구에서는 이러한 조직의 마모 계수가 퀜칭된 마르텐사이트강에서 측정된 값보다 최대 50% 낮았다. 이 결과는 해당 시험에서 공정 특유의 이점을 뒷받침하지만, 모든 조건에서 적용되는 보편적인 내마모성 순위를 확립하는 것은 아니다.

변형 및 균열 저감 목적

일반적인 퀜칭은 치수 변화의 두 가지 주요 원인인 열수축과 변태 변형을 소재에 가한다. 표면이 중심부보다 먼저 냉각 및 변태하므로, 단면은 두께 방향으로 온도와 상분율이 변하는 동안 변화하는 응력을 받는다. 복잡한 형상, 날카로운 모서리, 구멍, 얇은 부분에서 두꺼운 부분으로 이어지는 전이부 및 침탄층은 특히 민감하다. 응력이 고온 상태 또는 변태 중인 소재의 국부 강도를 초과하면 균열이 발생할 수 있다.

마템퍼링은 마르텐사이트가 형성되기 전에 $M_s$ 부근이지만 그보다 높은 온도에서 강을 유지함으로써 열 구배의 영향을 줄인다. 그러면 표면과 중심부가 보다 유사한 온도 범위에서 변태한다. 마르텐사이트 형성의 온도 범위를 다룬 1946년 논문은 이 원리를 마르텐사이트 변태 범위 바로 위까지 퀜칭한 후 천천히 냉각하는 것으로 설명했으며, 경도를 거의 희생하지 않으면서 균열을 줄일 수 있다고 밝혔다. 이 공정은 변형을 줄이지만 치수 제어를 보장하지는 않는다. 마르텐사이트 변태 자체가 체적 변화와 잔류 응력을 유발하기 때문이다.

오스템퍼링은 다른 이유로 변형을 줄일 수 있다. 변태의 상당 부분이 지속적으로 온도가 하강하는 동안 이동하는 마르텐사이트 전선에 의해 일어나는 것이 아니라, 베이나이트의 등온 변태로 일어난다. 베이나이트에도 고유한 변태 변형이 있으며, 잔류 오스테나이트는 가공 또는 사용 중에 나중에 변태할 수 있다. 따라서 오스템퍼링은 한 종류의 변형을 줄이는 동시에, 변태가 불완전하거나 제대로 제어되지 않을 경우 다른 치수 안정성 문제를 일으킬 수 있다.[5][5] Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels. SAE International. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013.

침탄 저합금강에 관한 연구 결과는 형상과 재료에 따른 차이를 보여 준다. SAE 논문 2013-01-0949는 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용하여 침탄된 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320을 조사했다. 해당 실험에서 침탄 후 오스템퍼링한 시험편은 침탄 후 퀜칭 및 템퍼링한 시험편보다 변형이 현저히 적었다. 이 결과를 모든 유효 침탄 깊이, 단면 크기 또는 로와 욕의 배치에 자동으로 적용할 수는 없다. 경화능은 펄라이트가 형성되기 전에 중심부가 의도한 변태 범위에 도달할 수 있는지를 결정하며, 교반, 욕 온도, 장입량 및 이송 시간은 실제 열 사이클에 영향을 미친다.

비교가 기술적으로 공정하지 않은 경우

오스템퍼링이 마템퍼링 또는 일반적인 퀜치-템퍼보다 더 높은 경도, 인성, 내마모성 또는 치수 안정성을 제공한다는 주장은 변태를 결정하는 변수를 통제하지 않는 한 불완전하다. 시험편에는 동일한 강종뿐 아니라 동일한 용해 및 화학적 상태의 강을 사용해야 하며, 형상과 단면 두께, 오스테나이트화 온도·유지 시간·분위기·초기 미세조직, 표면 상태·거칠기·탈탄 및 침탄층도 동일하거나 서로 비교 가능한 수준이어야 한다.

합격 기준도 의도된 기능에 부합해야 한다. 로크웰 경도만 비교하면 마르텐사이트 조직에 유리할 수 있으며, 균열 민감성, 잔류 오스테나이트의 불안정성, 충격 인성 또는 변형을 간과할 수 있다. 하나의 하중, 상대재 및 윤활 조건을 사용한 마모 시험만으로 모든 접촉 응용 분야에 대한 조직의 우열을 정할 수는 없다. 잔류 오스테나이트는 퀜칭, 오스템퍼링, 가공 또는 사용 후에도 변태할 수 있으므로, 치수 측정 시점도 명시해야 한다.

규격 역시 중요하다. SAE AMS-H-6875C (2020)는 네 가지 강 분류에 대한 열처리 요구 사항을 다루며, 절차가 규정된 경우 오스템퍼링, 오스베이 퀜칭 및 마템퍼링을 허용한다. 따라서 검증에는 요구되는 경도 분포, 미세조직, 해당되는 경우 유효 침탄 깊이, 변형 한계, 균열 및 허용할 수 없는 탈탄이 없다는 증거가 포함되어야 한다. ASM Handbook Volume 4A (2013)는 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 마템퍼링의 제어 변수로 규정한다. 이들 중 어느 하나라도 변경하면 공정 간 직접 비교의 타당성이 무효화될 수 있다.

실무 참고 체크리스트 및 용어집

사이클을 지정하기 전에 답해야 할 질문

욕의 명칭이 아니라 필요한 미세조직부터 정하십시오. 오스템퍼링과 마템퍼링은 모두 용융염 또는 오일을 사용할 수 있지만, 변태 경로와 생성 조직은 서로 다릅니다. 베이나이트가 목표 조직인 경우 오스템퍼링을 지정합니다. 부품을 일정 시간 유지하여 온도를 균일하게 만든 후 마르텐사이트를 형성하고, 이어서 뜨임을 실시해야 하는 경우에는 마템퍼링을 지정합니다.

제공된 강종 표기를 정확히 확인하십시오. 예를 들어 AISI 52100, AISI 8620, AISI 8822, AISI 4320 또는 해당 SAE, ASTM, EN, AMS 표기가 이에 해당합니다. 화학 조성은 경화능, 탄화물 용해, 베이나이트 변태 속도, 마르텐사이트 시작 온도 및 잔류 오스테나이트에 영향을 줍니다. AISI 52100에서 입증된 사이클을 침탄 AISI 8620에 자동으로 적용할 수는 없습니다.

두께 변화, 구멍, 키홈, 날카로운 모서리 및 장입물의 질량을 포함하여 단면 크기와 형상을 기록하십시오. 동일한 욕에 넣더라도 얇은 링과 두꺼운 기어 이빨은 같은 속도로 냉각되지 않습니다. 재료가 침탄 상태인지 비침탄 상태인지 확인하십시오. 침탄 부품의 경우 침탄층 깊이, 표면 탄소 목표값, 심부 조성, 그리고 목표로 하는 베이나이트 또는 마르텐사이트 조직이 침탄층, 심부 또는 양쪽 모두에 적용되는지를 명시하십시오.

오스테나이트화 온도는 강종과 상태에 맞게 선정해야 합니다. 과도한 결정립 성장, 원치 않는 탄화물 용해 또는 비정상적인 잔류 오스테나이트를 유발하지 않으면서 필요한 오스테나이트 형성이 이루어져야 합니다. 규격에는 또한 노 분위기, 변형이 중요한 경우의 가열 속도, 유지 시간, 장입 배열, 그리고 온도가 노 설정값, 부품 온도 또는 측정된 유효 온도 중 무엇을 의미하는지도 명시해야 합니다.

노에서 담금질 욕으로 이동하는 시간을 정의하십시오. 이동 시간이 길거나 일정하지 않으면 표면 냉각, 경화능이 낮은 강에서의 페라이트 또는 펄라이트 형성, 장입물 내부의 불균일한 열 조건이 발생할 수 있습니다. 단순히 “염욕 담금질”이라고 쓰지 말고 욕의 조성과 운전 온도를 명시하십시오. 질산염-아질산염 염, 오일 또는 다른 매체는 열전달 특성과 안전 운전 한계가 서로 다릅니다. 교반, 순환, 욕 장입량 및 온도 회복도 사이클에 포함해야 합니다.

오스템퍼링의 경우 베이나이트 변태 범위와 선택한 단면이 거의 균일한 온도에 도달하여 목표 변태를 완료하는 데 필요한 시간을 결정하십시오. 마템퍼링의 경우 마르텐사이트 시작 온도, 즉 Ms를 설정하고, 그보다 높은 온도에서 냉각을 중단하도록 하십시오. 이 유지 과정의 목적은 온도를 균일하게 만드는 것이며, 베이나이트를 생성하기 위한 것이 아닙니다. 이후 냉각 속도는 과도한 열구배 없이 마르텐사이트가 형성되도록 해야 합니다. 별도의 뜨임이 필수인지 확인하고, 뜨임 온도, 시간, 분위기 및 사이클 횟수를 명시하십시오.

마지막으로 가공을 시작하기 전에 합격 판정의 근거를 정의하십시오. 경도만으로는 오스템퍼링을 통해 베이나이트가 생성되었는지 또는 마템퍼링을 통해 의도한 마르텐사이트 조직이 생성되었는지를 입증할 수 없습니다. 강종, 탄소 수준, 침탄층 또는 사용 조건상 잔류 오스테나이트가 중요하다면 금속조직 검사, 치수 검사 및 잔류 오스테나이트 측정을 요구해야 합니다.

필수 용어: Ms, 베이나이트, 마르텐사이트, 오스템퍼링, 마템퍼링

Ms, 즉 마르텐사이트 시작 온도는 관련 조건에서 냉각 중 마르텐사이트가 형성되기 시작하는 온도입니다. 이는 “강”에 대해 보편적으로 적용되는 상수가 아닙니다. 합금 원소 함량, 오스테나이트 내 탄소, 이전 열처리 및 응력 상태가 Ms에 영향을 줍니다. 마템퍼링에서는 Ms 바로 위에서 냉각을 중단하여 마르텐사이트 변태가 시작되기 전에 부품 내부의 온도 차이를 줄입니다.

마르텐사이트는 확산 변태 생성물의 형성을 억제할 정도로 오스테나이트를 충분히 빠르게 냉각할 때 생성되는 무확산 변태 생성물입니다. 마르텐사이트의 래스 또는 판상 형태와 높은 경도는 전단성 변태 및 탄소 과포화에서 비롯됩니다. 담금질 직후의 응력, 취성 및 치수 불안정성이 사용 중 허용되지 않을 수 있으므로, 마르텐사이트에는 일반적으로 이어서 뜨임을 실시합니다.

베이나이트는 펄라이트 변태 범위보다 낮고 하부 마르텐사이트 변태 범위보다 높은 온도 구간에서 오스테나이트로부터 형성되지만, 정확한 변태 범위는 조성과 이전 오스테나이트 상태에 따라 달라집니다. 베이나이트는 탄화물 석출 또는 탄소 농축을 포함하는 페라이트 영역으로 구성되며, 그 형태는 변태 온도에 따라 달라집니다. 유지 시간이 너무 짧거나 욕 온도가 적절하지 않거나 변태 속도가 충분히 확립되지 않은 경우, 오스템퍼링된 부품에는 마르텐사이트 또는 잔류 오스테나이트가 함께 존재할 수 있습니다.

오스템퍼링은 오스테나이트화한 강을 베이나이트가 형성되는 온도로 담금질하고, 지정된 오스테나이트-베이나이트 변태가 달성될 때까지 유지한 다음 상온까지 냉각하는 공정입니다. AISI 52100에 관한 2013년 연구에서는 약 200~400 °C로 유지된 오스템퍼링 매체를 사용하고 베이나이트가 형성될 때까지 유지했습니다. 침탄 AISI 8620, AISI 8822 및 AISI 4320에서는 260, 288 및 304 °C의 오스템퍼링 온도를 사용한 실험이 수행되었으며, 해당 실험 조건에서 기존의 침탄, 담금질 및 뜨임보다 변형이 적은 것으로 보고되었습니다. 이러한 수치는 공정 데이터이며 보편적으로 적용되는 설정값은 아닙니다.

마템퍼링은 중단 담금질 공정입니다. ASM Handbook Volume 4A (2013)는 오스테나이트화 온도, 욕 온도, 유지 시간, 교반 및 냉각 속도를 제어 변수로 제시합니다. 공작물은 Ms 바로 위의 오일 또는 염욕에서 온도가 균일해질 때까지 짧게 유지한 다음 마르텐사이트 변태 범위를 통과하여 냉각합니다. 이 공정의 결과는 베이나이트가 아니라 마르텐사이트의 형성을 목표로 하며, 부품은 사용 전에 반드시 이어서 뜨임해야 합니다. 1946년에 수행된 마르텐사이트 형성 연구는 균열 감소의 원리를 확립했습니다. 즉, 변태 전에 온도 구배를 줄이면서 달성 가능한 경도의 손실은 최소화하는 것입니다.

따라서 이러한 명칭은 변태의 목적을 나타냅니다. 염욕을 사용한다고 해서 그 사이클이 오스템퍼링이 되는 것은 아니며, 짧게 유지한다고 해서 마템퍼링이 되는 것도 아닙니다. 의도한 공정이 수행되었는지는 실제 관찰된 미세조직으로 판단해야 합니다. SAE AMS-H-6875C (2020)는 네 종류의 강을 대상으로 하며, 규정된 경우 오스템퍼링, 오스베이 담금질 및 마템퍼링을 허용합니다. 그러나 해당 재료 및 제품 요구사항이 여전히 우선적으로 적용됩니다.

반복 가능한 열처리를 위한 최소 기록

반복 가능한 기록은 재료, 열 이력, 욕 상태 및 검사 결과를 서로 연결해야 합니다. 최소한 다음 사항을 기록하십시오.

• 강종 표기, 용해 또는 로트 번호, 단면 크기, 부품 형상, 장입물 질량 및 침탄 또는 비침탄 상태
• 침탄이 관련된 경우 침탄층 깊이와 표면 또는 심부 탄소 정보
• 오스테나이트화 온도, 노 분위기, 가열 및 유지 시간, 측정된 장입물 온도
• 노에서 욕까지의 이동 시간, 욕 조성, 욕 온도, 교반 또는 순환, 장입물 간격 및 욕 온도 회복
• 오스템퍼링의 경우 균열 시간, 변태 유지 온도와 지속 시간, 그리고 베이나이트 반응이 지정된 상태에 도달했다는 증거
• 마템퍼링의 경우 확립된 Ms 값, Ms보다 높은 욕 온도, 온도 균일화 유지, 최종 냉각 방법과 속도, 그리고 마르텐사이트 변태가 진행되도록 허용한 시점
• 뜨임 온도, 시간, 분위기, 냉각 방법 및 뜨임 사이클 횟수
• 경도 측정 위치, 시험 방법, 경도 스케일 및 결과, 금속조직 시편 준비와 대표 이미지, 관련된 경우 잔류 오스테나이트 측정 방법과 비율, 그리고 처리 전후의 치수 측정 결과

사이클 기록에는 공칭 설정값만이 아니라 계측기 교정 상태와 실제 온도 이력을 포함해야 합니다. 침탄층이 있는 경우 표면, 심부 및 전이 영역의 미세조직을 확인해야 합니다. 치수 검사는 외경, 보어, 치형, 평탄도, 런아웃 및 단면 변화에 따른 변형 등 변동 가능성이 가장 큰 부위를 포함해야 합니다.

빠른 참고: 강종 표기, 단면 크기, 침탄 또는 비침탄 상태, 오스테나이트화 온도, 이동 시간, 욕 조성과 온도, 교반, 온도 균일화 또는 변태 유지, 최종 냉각, 뜨임, 경도, 금속조직 검사, 필요한 경우 잔류 오스테나이트 평가 및 치수 검사를 명시하십시오. 그런 다음 조직을 확인하십시오. 베이나이트는 오스템퍼링 의도를 확인해 주며, 온도 균일화 후 형성되고 이어서 뜨임된 마르텐사이트는 마템퍼링 의도를 확인해 줍니다.

참고 문헌

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