강철 열처리 기초

강철에서 열처리가 의미하는 것

열처리란 강철의 내부 구조와 그에 따른 특성이 제어된 방식으로 변하도록 가열, 유지, 냉각 작업을 계획된 순서에 따라 실시하는 것을 의미합니다. 로의 온도는 그 순서 중 한 요소일 뿐입니다. 완전한 열처리에는 재료의 초기 상태, 목표 온도에 도달하는 속도, 해당 온도에서 유지되는 시간, 주변 분위기, 단면 내부로 열이 이동하는 방식, 그리고 강철이 냉각되는 경로가 모두 포함됩니다.

이러한 구분을 통해 야금학적 열처리와 단순히 강철을 가열한 뒤 냉각시키는 작업을 구별할 수 있습니다. 열처리는 상의 조성, 상의 형태, 결함 구조, 경도, 강도, 인성, 연성, 절삭성, 치수 안정성 또는 표면 특성을 변화시키도록 설계될 수 있습니다. 또한 잔류응력을 완화하거나, 결정립을 미세화하거나, 절삭을 위해 강철을 준비하거나, 더 인성이 높은 내부 위에 단단하고 내마모성이 높은 표면을 형성할 수도 있습니다.[1][1] Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes. ASM International. ASM Handbook Volume 4A, 2024.

ASM Handbook Volume 4A, Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes는 오스테나이트화, 담금질, 풀림, 뜨임, 오스템퍼링, 마템퍼링, 표면 경화, 경도, 경화능, 변형 및 관련 공정을 다룹니다(ASM International, 2024). 이러한 주제들은 하나의 원리로 연결됩니다. 즉, 강철의 반응은 강철의 조성과 열 이력에 함께 좌우된다는 것입니다.

열 사이클과 야금학적 변화[2][2] Steel Metallurgy & Heat Treatment course outline. ASTM International. ASTM International course outline, 2024.

강철에는 온도와 조성에 따라 안정성이 변하는 상들이 존재합니다. 페라이트는 탄소의 고용도가 제한된 비교적 연한 체심입방정 철 상입니다. 오스테나이트는 면심입방정이며 훨씬 많은 탄소를 용해할 수 있습니다. 시멘타이트, 즉 철 탄화물은 단단하고 취성입니다. 탄소 함량, 냉각 속도 및 합금 원소의 첨가량에 따라 이러한 구성 성분은 펄라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트를 형성할 수 있습니다. ASTM International Steel Metallurgy & Heat Treatment 과정 개요에서는 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트, 펄라이트, 마르텐사이트 및 베이나이트를 강철 가공에서 핵심적인 상과 조직으로 규정합니다(ASTM International, 2024).

오스테나이트화 과정에서는 강철을 원래의 페라이트, 펄라이트 또는 시멘타이트 중 일부 또는 전부가 오스테나이트로 변태하는 온도 범위까지 가열합니다. 유지 과정에서는 탄소가 용해되고 온도 차이가 줄어들지만, 과도하게 유지하면 오스테나이트 결정립이 조대화되고 산화가 증가하며, 이후의 인성이나 변형 특성이 악화될 수 있습니다. 필요한 온도와 시간은 강종, 이전의 미세조직, 단면 두께, 로 내부의 순환 상태 및 원하는 변태에 따라 달라집니다.

이후 오스테나이트가 무엇으로 변하는지는 냉각 과정이 결정합니다. 느린 냉각에서는 확산에 의해 제어되는 페라이트와 펄라이트의 형성이 진행될 수 있습니다. 중간 정도의 냉각에서는 베이나이트가 생성될 수 있습니다. 빠른 냉각은 확산이 일어날 시간을 억제하여 오스테나이트가 과포화되고 변형률이 매우 높은 조직인 마르텐사이트로 변태하게 할 수 있습니다. 마르텐사이트는 높은 경도를 제공하지만, 뜨임하지 않은 마르텐사이트에는 상당한 잔류응력이 존재할 수 있으며 사용 조건에서 지나치게 취성일 수 있습니다. 뜨임은 담금질한 강철을 오스테나이트 변태 범위보다 낮은 온도로 다시 가열하여 탄소를 제어된 방식으로 재분배하고 응력을 줄이는 동시에 경도와 인성을 변화시키는 공정입니다.

따라서 주요 열처리는 서로 대체 가능한 조리법이라기보다 서로 다른 열적 경로를 나타냅니다. 풀림은 일반적으로 느린 냉각을 통해 강철을 연화하고, 연성을 향상시키며, 잔류응력을 줄이거나 절삭성을 개선합니다. 불림은 오스테나이트 영역에서 공랭하는 공정으로, 완전 풀림보다 더 미세하고 강한 조직을 생성하는 경우가 많습니다. 담금질 후 뜨임은 강도, 경도 및 인성 사이에서 원하는 균형을 얻기 위한 공정입니다. 오스템퍼링은 중간 온도에서 변태시켜 베이나이트를 형성하며, 마템퍼링은 마르텐사이트가 형성되기 전에 표면과 중심부 사이의 온도 차이를 줄여 변형 위험을 낮추지만 뜨임의 필요성을 없애지는 않습니다.

화염 경화와 고주파 경화는 표면층만 빠르게 가열한 다음 담금질합니다. 그 결과 비교적 인성이 높은 내부를 가진 마르텐사이트 경화층이 형성될 수 있지만, 경화 깊이, 탄소 함량, 형상, 투입 전력 및 담금질 시점을 모두 제어해야 합니다. ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 고주파 경화 또는 경우에 따라 불림 상태를 목적으로 하는 비합금강의 인도 조건을 규정합니다. 이 표준은 하나의 사이클이 모든 강종이나 부품에 적합하다고 규정하지 않습니다.

특성과 미세조직

강의 특성은 노 온도만이 아니라 미세조직과 열 이력에 좌우된다. Strong evidence

기계적 특성은 로의 온도에서 직접적으로 비롯되는 것이 아니라 조직의 결과로 나타납니다. 동일한 공칭 온도에 있는 두 강철도 탄소 함량, 합금 원소, 결정립 크기, 석출물, 개재물의 분포 또는 잔류응력이 서로 다르기 때문에 경도나 인성이 다를 수 있습니다. 동일한 강종이라도 단조 봉재, 냉간가공 판재 및 이전에 담금질과 뜨임을 거친 부품은 동일한 야금학적 상태에서 열처리를 시작하지 않습니다.

경화능경화능 지정된 오스테나이트화 및 냉각 조건에서 강재 단면이 깊이 방향으로 경화 조직을 형성할 수 있는 능력이며, 도달 가능한 최대 경도와는 구별된다.

탄소는 마르텐사이트의 양과 경도에 큰 영향을 미치는 반면, 크롬, 몰리브데넘, 망가니즈, 니켈 및 기타 합금 원소는 변태 온도를 변화시키고 확산에 의해 제어되는 반응을 지연시킵니다. 적절히 제어된 붕소는 적합한 강철에서 경화능을 높일 수 있습니다. 경화능은 최대 경도와 같은 개념이 아닙니다. 최대 경도는 대체로 탄소 함량에 의해 좌우되며, 경화능은 특정 냉각 조건에서 강철이 얼마나 깊은 곳까지 경화 조직을 형성할 수 있는지를 나타냅니다.

미세조직은 또한 경도만으로 성공적인 열처리를 정의할 수 없는 이유를 설명해 줍니다. 높은 경도값은 마르텐사이트를 나타낼 수 있지만, 부품에 담금질 균열, 과도한 잔류 오스테나이트, 조대한 이전 오스테나이트 결정립 또는 유해한 인장응력이 존재하는지는 알려 주지 않습니다. 충격 인성, 피로 저항성, 절삭성 또는 치수 안정성이 더 중요한 경우에는 낮은 경도가 의도된 결과일 수 있습니다.

철–철 탄화물 상태도는 평형 또는 준평형 상태에서의 상 관계를 설명합니다. 이 상태도는 변태 범위와 탄소 용해도를 파악하는 데 도움이 되지만, 실제 담금질의 전체 결과를 예측하지는 못합니다. 등온 변태도는 일정한 온도에서 유지하는 동안의 변태를 설명하며, 연속 가열 변태도와 연속 냉각 변태도는 로와 생산 설비에서 사용되는 경로에 더 가까운 변태를 설명합니다. ASM의 2024년 열처리 장에서는 이러한 도표들을 구별하고 변형 및 잔류응력 제어를 다룹니다. 이 차이는 중요합니다. 변태에는 시간이 필요하며 산업 현장의 냉각은 순간적으로 일어나거나 완전히 균일한 경우가 거의 없기 때문입니다.

온도만으로는 충분하지 않은 이유

850 °C와 같이 표시된 온도는 부품의 완전한 열적 상태가 아니라 로의 설정값을 나타냅니다. 얇은 10 mm 판재는 해당 온도에 빠르고 균일하게 도달할 수 있습니다. 그러나 큰 기어 이, 두꺼운 축 또는 용접 보수부는 사이클의 상당한 시간 동안 표면은 뜨겁고 중심부는 더 차가운 상태로 남을 수 있습니다. 표면이 내부보다 먼저 변태하거나 팽창하면 응력이 발생합니다. 이후 담금질이 열수축과 변태 변형을 추가하면 로 온도가 정확했더라도 변형이나 균열이 발생할 수 있습니다.

가열 속도 역시 반응을 변화시킵니다. 빠른 가열은 단면 내부에 열적 불균일을 남길 수 있으며, 느린 가열 중에 일어날 변태를 건너뛸 수도 있습니다. 또한 열응력을 증가시킬 수 있습니다. 느린 가열은 원치 않는 결정립 성장을 촉진하거나 목표 온도에 도달하기 전에 표면 반응이 일어나도록 할 수 있습니다. 유지 시간은 단순히 로의 표시창에 설정값이 나타날 때까지가 아니라, 가장 차가운 영역이 요구되는 상태에 도달할 때까지 충분해야 합니다.

분위기도 또 하나의 제어 변수입니다. 산소는 스케일과 탈탄을 일으킬 수 있으며, 탄소를 포함한 분위기는 표면 탄소 포텐셜을 변화시킬 수 있습니다. 어느 경우든 중심부가 의도한 사이클을 거쳤더라도 표면 경도와 치수가 달라집니다. 따라서 염욕, 진공로, 보호 가스 및 대기로는 서로 다른 표면 결과를 만들어 냅니다.

냉각 강도, 교반, 담금질액 온도, 부품의 배치 방향 및 형상이 실제 냉각 곡선을 결정합니다. 날카로운 모서리는 넓은 면과 다르게 냉각되며, 구멍이나 얇은 웹은 국부적인 온도 구배를 만들 수 있습니다. 이전의 냉간가공, 편석, 용접 열영향부 및 이전 뜨임 처리 역시 핵생성 위치와 변태 속도론을 변화시킵니다.[3][3] Fundamentals of the Heat Treating of Steel. ASM International. ASM technical monograph, 2024.[4][4] ISO 17663:2023. International Organization for Standardization. International standard, 2023.

ISO 17663:2023은 용접 및 관련 공정과 연계된 열처리를 작업장 또는 현장에서 수행되는 작업을 포괄하는 품질 요구사항 체계 안에 포함하며, 주로 페라이트계 강철과 관련 용접 부품 또는 성형 부품을 대상으로 합니다. 이러한 맥락은 중요합니다. 특히 응력 제거, 수소 제어, 층간 가열 또는 국부적인 용접 후 처리가 사용 성능에 영향을 미치는 경우 열 사이클을 규정하고, 모니터링하며, 검증해야 합니다. 따라서 열처리는 로 제어기에 표시되는 단일 숫자가 아니라 부품 전체의 이력을 제어하는 작업입니다.

강의 조성과 철–탄소계

순철과 탄소 용해도

강의 열처리는 탄소를 함유한 철이라는 겉보기에는 단순한 계에서 시작된다. 그러나 온도, 조성, 냉각 속도를 함께 고려하면 그 단순성은 사라진다. 순철은 온도가 상승함에 따라 결정 구조가 변한다. 912 °C 이하에서는 주로 페라이트, 즉 α-철이며, 체심입방(BCC) 격자를 갖는다. 912~1394 °C에서는 오스테나이트, 즉 γ-철이 되며, 면심입방(FCC) 격자를 갖는다. 1394 °C부터 약 1538 °C인 용융점까지는 또 다른 BCC 형태인 δ-페라이트이다.

탄소 용해도

탄소는 이러한 격자의 침입형 위치를 차지하지만, 이용 가능한 공간은 크게 다르다. 페라이트에는 극소량의 탄소만 용해된다. 평형 용해도의 최대값은 727 °C에서 약 0.022 wt% C이며, 실온에서의 용해도는 약 0.008 wt% C에 가깝다. 오스테나이트에는 훨씬 더 많은 탄소가 들어갈 수 있으며, 준안정 철–탄화철계에서는 1147 °C에서 약 2.14 wt% C에 이른다. 이러한 차이는 경화의 핵심이다. 오스테나이트화 과정에서 탄소는 FCC 격자에 들어가며, 시멘타이트에서도 용해될 수 있다. 이후 오스테나이트가 충분히 빠르게 냉각되면 탄소는 통상적인 방식으로 확산되어 빠져나갈 수 없다. 격자는 BCC 형태로 변하려 하지만, 갇힌 탄소로 인해 과포화되고 고도로 변형된 상인 마르텐사이트가 형성된다.

따라서 탄소는 단순한 고용 원소로서 경도를 높이는 것 이상을 한다. 탄소는 어떤 상이 안정한지, 변태가 시작되는 온도, 형성될 수 있는 탄화물의 양, 냉각에 대한 반응을 변화시킨다. 낮은 농도에서는 느린 냉각 중 페라이트와 펄라이트가 쉽게 형성될 수 있다. 농도가 높아지면 펄라이트 또는 시멘타이트 함량이 더 많은 쪽으로 균형이 이동한다. 급속 냉각에서는 동일한 탄소가 대신 마르텐사이트에 잔류할 수 있다.

명목 강종의 탄소 함량만으로는 전체 열 이력을 설명할 수 없다. 단면 두께, 초기 결정립 크기, 가열 속도, 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 담금질 매체, 표면 상태, 온도 균일성이 최종 미세조직을 변화시킬 수 있다. 이러한 이유로 ASM International의 2024년 강 기초 내용에서는 철–탄소계를 오스테나이트화, 변태도, 경도, 경화능, 담금질, 뜨임 및 잔류응력 제어와 함께 다룬다. 조성은 가능한 결과를 제공하고, 열 사이클이 그중 하나를 선택하기 때문이다.

철–탄화철 상태도

일반적으로 철–탄소 상태도라고 부르는 도표는 더 정확하게는 준안정 철–탄화철, 즉 Fe–Fe₃C 상태도이다. 시멘타이트 Fe₃C는 6.67 wt%의 탄소를 함유한다. 모든 조건에서 탄소의 최종 평형 상태인 것은 아니다. 일부 조건, 특히 특정 주철과 규소 함유 조성에서는 흑연이 열역학적으로 시멘타이트보다 안정하다. 그럼에도 Fe–Fe₃C 상태도는 많은 강의 변태를 유용한 정확도로 설명한다. 시멘타이트가 쉽게 형성되고 실용적인 시간 동안 잔류할 수 있기 때문이다.

일반 탄소강에서 중요한 주요 불변 반응은 약 727 °C에서 일어나는 공석 변태이다.

오스테나이트 → 페라이트 + 시멘타이트

공석 변태공석 변태 준안정 철–탄화철계에서 약 727 °C 부근에서 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 변태하는 고상 반응

약 0.76 wt% C인 공석 조성에서는 이 반응으로 페라이트와 시멘타이트가 층상으로 혼합된 펄라이트가 생성된다. 이 계에서 약 0.76 wt% C 미만인 강은 아공석강이라고 한다. 느리게 냉각하면 잔류 오스테나이트가 펄라이트가 되기 전에 초석 페라이트가 형성된다. 공석 조성보다 높고 주철 범위보다 낮은 강은 과공석강이다. 잔류 오스테나이트가 펄라이트로 변태하기 전에 초석 시멘타이트가 형성된다. 경계값은 참고문헌에 따라 약간 달라질 수 있는 상태도상의 관례이지만, 중요한 점은 변태의 순서이다.

상태도는 또한 약 4.3 wt% C 및 1147 °C에서 일어나는 공정 반응을 보여 준다. 이 준안정계에서는 액상이 오스테나이트와 시멘타이트로 변태한다. 일반적인 강은 이 탄소 수준보다 훨씬 낮은 영역에 있으며, 주철은 흔히 이 수준에 접근하거나 이를 초과한다. 액상선, 고상선, 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트 및 2상 영역은 특정 조성과 온도에서 평형 상태로 공존할 수 있는 구성상을 보여 준다.

그러나 이러한 도표만으로는 산업적 담금질 후 부품에 무엇이 포함될지 기술자에게 알려 줄 수 없다. 평형 상태도는 확산에 충분한 시간이 있다고 가정하며 시간의 경과를 포함하지 않는다. 따라서 마르텐사이트의 시작, 베이나이트의 형성, 펄라이트 층 간격 또는 단면이 경화되는 깊이를 예측할 수 없다. 이러한 문제를 해결하려면 등온 조건에 대한 시간–온도–변태(TTT)도가 필요하며, 온도가 변하는 조건에는 연속 가열 변태도 또는 연속 냉각 변태(CCT)도가 필요하다. ASM의 2024년 기초 열처리 원리 장에서는 이러한 도표를 철–탄소 상태도와 별도로 다루며, 변형과 잔류응력도 함께 다룬다.

냉각 속도는 강의 탄소 함량을 바꾸지 않고도 최종 조직을 변화시킬 수 있다. Strong evidence

느리게 냉각된 강은 평형 또는 준안정 상태도에 나타난 상 관계에 가까워질 수 있다. 변태 곡선의 노즈를 통과하도록 냉각된 강은 펄라이트 또는 베이나이트를 형성할 수 있다. 더 빠르게 냉각하면 확산 변태가 일어나기 전에 마르텐사이트 시작 온도에 도달할 수 있다. 따라서 탄소 함량이 변하지 않더라도 최종 조직은 페라이트–펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 또는 이들의 혼합물이 될 수 있다.

탄소 분류와 합금 원소의 영향

탄소에 따른 분류는 일차적인 설명일 뿐, 완전한 열처리 사양은 아니다. 저탄소강은 흔히 약 0.25 wt% C 미만, 중탄소강은 대략 0.25~0.60 wt% C, 고탄소강은 약 0.60~1.00 wt% C 이상을 함유하는 강으로 설명된다. 이러한 범위는 실용적인 분류이며, 보편적으로 적용되는 표준 경계는 아니다. AISI 1045와 같은 명칭은 명목상 중탄소강임을 나타내는 반면, ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화, 그리고 경우에 따라 정상화 상태를 목적으로 하는 비합금강을 다룬다. 명칭만으로 지정된 화학적 한계와 열처리 요구사항을 대신할 수는 없다.

일반적으로 탄소가 증가하면 담금질 직후 얻을 수 있는 경도가 높아진다. 마르텐사이트에 갇히는 탄소가 많아지기 때문이다. 또한 마르텐사이트 시작 온도를 낮추고, 잔류 오스테나이트의 위험을 높이며, 담금질 균열과 변형을 증가시킬 수 있다. 탄소가 풍부한 강은 과도한 용해 또는 결정립 성장이 인성을 저하시킬 수 있으므로 오스테나이트화 온도를 더욱 엄격하게 제어해야 할 수 있다. 탄소 함량이 낮은 경우에는 합금 원소와 냉각 조건이 추가적인 강화 효과를 제공하지 않으면 마르텐사이트가 비교적 연할 수 있다.

합금 원소는 상태도와 변태 속도를 변화시킨다. 망가니즈와 니켈은 일반적으로 오스테나이트를 안정화하고 변태 온도를 낮춘다. 망가니즈는 페라이트와 펄라이트의 형성도 지연시켜 경화능을 높인다. 크로뮴, 몰리브데넘 및 텅스텐은 확산 변태를 지연시키며 두꺼운 단면에서 더 깊은 경화를 촉진할 수 있다. 크로뮴, 몰리브데넘, 바나듐 및 나이오븀은 안정한 합금 탄화물을 형성할 수 있고, 티타늄은 특히 안정한 탄질화티타늄을 형성한다. 이러한 입자는 오스테나이트 결정립의 성장을 억제할 수 있지만, 부분적인 용해를 위해 더 높은 오스테나이트화 온도나 더 긴 유지 시간이 필요할 수도 있다.

규소는 페라이트를 강화하고 시멘타이트 형성을 억제하는 경향이 있으며, 이는 베이나이트 변태와 뜨임 반응에 영향을 준다. 붕소는 극미량의 제어된 양으로 존재하고 산소 및 질소와 결합하지 않도록 보호되면, 이전 오스테나이트 결정립계에서 페라이트의 핵생성을 지연시켜 경화능을 크게 높일 수 있다. 니켈은 일반적으로 인성을 향상시키며, 크로뮴이나 몰리브데넘과 같은 방식으로 탄화물을 형성하지 않는다.

합금 원소는 뜨임 반응도 변화시킨다. 몰리브데넘은 뜨임 취성을 줄이고 2차 경화를 뒷받침할 수 있다. 크로뮴, 바나듐 및 텅스텐은 고온 뜨임 중 2차 탄화물 석출을 유발할 수 있다. 따라서 담금질 및 뜨임한 합금강은 동일한 탄소 함량과 명목상 동일한 뜨임 온도에서도 일반 탄소강과 매우 다르게 반응할 수 있다. 1984년 참고문헌 Steel and Its Heat Treatment는 탄소강, 합금강, 붕소강, 미세합금강 및 2상강을 탄소 함량만이 아니라 TTT도, 경화능, 뜨임 취성 및 열처리 반응을 기준으로 다룬다.

조성은 상의 안정성을 결정한다. 시간과 온도는 가능한 변태가 실제로 일어날 수 있는지를 결정한다. 단면 형상과 잔류응력 관리는 최종 부품이 공정을 견딜 수 있는지를 결정한다. 탄소 수치 자체가 아니라 이러한 상호작용이 열처리 사이클을 선택하는 토대이다.

주요 상과 미세구성 성분

강의 열처리는 어떤 상이 형성되는지, 각 상이 얼마나 존재하는지, 그리고 그러한 영역이 어떻게 배열되는지를 변화시켜 특성을 바꾼다. ASTM International의 교육 과정 개요는 강 야금학의 주요 구성 성분으로 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트, 펄라이트, 마르텐사이트 및 베이나이트를 제시한다. ASM International은 동일한 주제를 평형 관계, 변태 속도, 경화능, 담금질, 뜨임 및 응력 제어로 구분한다. 이러한 구분은 중요하다. 철–탄화철 상태도는 특정 조성과 온도에서 어떤 상이 안정 또는 준안정한지를 나타내는 반면, TTT도와 CCT도는 실제 열 사이클에서 그러한 상 또는 변태 생성물이 형성될 만큼 충분한 시간이 제공되는지를 나타내기 때문이다.

하나의 상은 고유한 결정 구조와 화학 조성 범위를 갖는다. 미세구성요소는 특징적인 배열로 둘 이상의 상을 포함할 수 있다. 기술 문헌에서는 이러한 구분이 항상 유지되지는 않는다. 공학 문헌에서는 펄라이트와 베이나이트가 변태 미세구성요소로 설명되는 것이 더 적절함에도 불구하고 “펄라이트 상”과 “베이나이트 상”이라는 표현이 자주 등장한다. 이러한 느슨한 표현은 각 조직이 식별 가능한 변태 범위, 형태 및 물성 응답을 갖기 때문에 이해할 수 있다.

페라이트, 오스테나이트 및 시멘타이트

페라이트는 철의 체심입방(BCC) 형태이며, 일반 탄소강에서는 일반적으로 A1 변태 온도 이하에서 α-페라이트로 표시된다. 페라이트의 탄소 고용도는 매우 낮다. 철–탄화철 상태도에서 일반적으로 사용되는 공석 온도인 727 °C에서 페라이트가 용해할 수 있는 탄소는 약 0.022 wt%에 불과하며, 더 낮은 온도에서는 평형 고용도가 더욱 감소한다. 합금 원소는 이 값을 변화시키고 페라이트의 안정성에도 영향을 줄 수 있지만, 페라이트는 일반적으로 마르텐사이트 또는 탄화물이 풍부한 조직에 비해 상대적으로 연하고 연성이 높은 구성요소로 남는다.

그렇다고 해서 페라이트가 기계적으로 중요하지 않은 것은 아니다. 페라이트 기지는 소성 변형을 흡수하고 취성 균열에 저항할 수 있으므로, 결정립 크기와 개재물 함량 및 주변 구성요소가 제어될 경우 연성과 인성을 뒷받침한다. 페라이트의 낮은 경도는 일반적으로 연마 마모 저항을 제한하지만, 미세 결정립 페라이트 조직은 접촉 하중이나 반복 하중 조건에서 조대한 조직보다 더 우수한 성능을 보일 수 있다. 또한 페라이트는 열팽창, 탄성계수 및 변태 이력에 의해 치수 변화 거동에 기여한다. 단면 전체에서 페라이트 형성이 불균일하면 국부적인 강도 차이와 잔류응력이 발생할 수 있다.

오스테나이트는 철의 면심입방(FCC) 형태이며 γ-철로 표시된다. 오스테나이트의 탄소 고용도는 페라이트보다 훨씬 높다. 철–탄화철 상태도에서는 약 1147 °C에서 최대 고용도가 약 2.14 wt% 탄소인 것으로 나타난다. 따라서 오스테나이트는 여러 강 열처리에서 핵심적인 모상이다. 오스테나이트화 중에는 조성, 온도, 시간 및 초기 미세조직에 따라 페라이트와 시멘타이트가 일정 정도 용해된다. 완전한 용해가 항상 의도되는 것은 아니다. 합금강에서는 결정립 크기 제어나 내마모 성능을 위해 용해되지 않은 합금 탄화물이 필요할 수 있다.

오스테나이트화 온도에서 오스테나이트는 일반적으로 냉각 중 형성되는 생성물보다 연성이 높지만, 실온에서의 거동은 오스테나이트의 안정 여부에 따라 달라진다. 탄소, 망가니즈, 니켈, 크로뮴 및 기타 합금 원소는 변태 온도를 낮추거나 분해를 지연시킬 수 있다. 이후 단면 크기와 냉각 속도에 따라 오스테나이트가 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이들의 혼합 조직으로 변태할지가 결정된다. 과도한 가열 중 오스테나이트 결정립이 성장하면 최종 경도가 허용 가능한 수준으로 나타나더라도 냉각 후 인성이 감소할 수 있다.

시멘타이트는 철 탄화물인 Fe₃C이다. 준안정 철–탄화철계에서 6.67 wt% 탄소를 포함하는 단단하고 비교적 취성인 화합물이다. 시멘타이트는 일반적으로 펄라이트 내부의 판상 또는 입자 형태로 존재하거나, 베이나이트 페라이트와 결합된 입자로 존재하거나, 풀림 조직에서 구상화된 입자로 존재한다. 시멘타이트의 경도는 연마와 압입에 대한 저항을 향상시킬 수 있지만, 연속적이거나 조대한 시멘타이트 네트워크는 연성과 파괴인성을 감소시킬 수 있다. 탄화물의 양만큼이나 형태도 중요하다. 일반적으로 둥근 입자는 얇은 막 형태의 탄화물이나 서로 연결된 입계 탄화물보다 균열 경로를 덜 심하게 방해한다.

여기서 “평형”이라는 단어는 주의해서 사용해야 한다. 시멘타이트는 흑연에 비해 준안정하지만, 대부분의 탄소강 및 저합금강 상태도와 열처리 계산에서는 실용적인 탄화물 기준으로 사용된다. 합금 첨가 원소는 크로뮴이 풍부한 탄화물과 같은 다른 탄화물을 안정화할 수 있으므로, Fe₃C만으로 모든 공구강이나 고합금강을 설명할 수는 없다.

펄라이트와 베이나이트

펄라이트는 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 협동적으로 분해될 때 형성된다. 일반적인 조대 펄라이트 콜로니에서는 두 상이 라멜라 형태로 나타나며, 더 낮은 변태 온도에서는 층간 간격이 더 미세해진다. 따라서 펄라이트는 단일 결정학적 상이 아니라 2상 미세구성요소이다. 라멜라 간격이 감소하면 미세한 시멘타이트 장벽이 전위 이동을 제한하기 때문에 펄라이트의 경도는 증가한다. 조대 펄라이트는 일반적으로 미세 펄라이트보다 연성과 절삭성이 우수하며, 미세 펄라이트는 강도, 내마모성 및 중간 수준의 인성을 유용하게 조합할 수 있다.

펄라이트 형성은 확산에 의해 제어된다. 페라이트로 변하는 영역에서 탄소가 시멘타이트로 재분배되어야 하므로, 변태에는 적절한 온도에서의 시간이 필요하다. 느린 노냉은 비교적 조대한 펄라이트를 촉진하는 반면, 불림은 더 빠른 공랭과 더 미세한 이전 오스테나이트 결정립 조직을 통해 미세한 펄라이트를 생성한다. 그러나 이러한 결과가 항상 동일하게 나타나는 것은 아니다. 실제 콜로니 크기와 분율은 합금 함량, 탄소 수준, 단면 두께 및 냉각 조건에 의해 결정된다. 또한 오스테나이트에서의 변태는 비체적 변화를 수반하고 불균일한 냉각은 잔류응력을 남길 수 있으므로, 펄라이트는 치수 변화에도 기여할 수 있다.

베이나이트는 펄라이트 범위보다 낮고 마르텐사이트가 형성되기 시작하는 온도보다 높은 온도에서 오스테나이트로부터 형성되지만, 그 경계는 모든 강에서 고정된 상수가 아니다. 베이나이트는 주로 탄소가 농축된 영역과 탄화물 입자를 포함하는 페라이트 영역으로 구성된다. 상부 베이나이트는 일반적으로 더 높은 변태 온도에서 형성되며, 페라이트 래스 또는 판 사이에 탄화물이 존재한다. 하부 베이나이트는 더 낮은 온도에서 형성되며, 페라이트 내부 또는 페라이트와 밀접하게 결합된 위치에 더 미세한 탄화물이 존재한다. 정확한 형태는 탄소 함량, 합금 원소, 변태 온도 및 냉각 경로에 따라 달라진다.

베이나이트 역시 단일 상이 아니라 미세구성요소이다. 베이나이트의 경도는 일반적으로 조대 펄라이트보다 높으며 뜨임 마르텐사이트의 낮은 경도 범위에 접근하거나 겹칠 수 있지만, 조성과 상태를 명시하지 않고 하나의 경도를 부여해서는 안 된다. 베이나이트 조직은 뜨임하지 않은 마르텐사이트보다 더 높은 인성을 유지하면서 유용한 강도와 내마모성을 제공할 수 있다. 오스템퍼링은 제어된 베이나이트 조직을 형성하도록 설계되지만, 불완전한 변태로 인해 잔류 오스테나이트가 남을 수 있다. 일부 형상에서는 변태가 더 균일하게 일어나 직접 담금질보다 변형이 작을 수 있지만, 열 구배와 변태 응력은 여전히 중요하다.

마르텐사이트와 잔류 오스테나이트

마르텐사이트는 오스테나이트가 펄라이트와 베이나이트의 확산 제어형 형성을 억제할 만큼 빠르게 냉각될 때 형성된다. 마르텐사이트는 무확산 변위형 변태 생성물이다. 즉, 변태 중 탄소가 평형 시멘타이트로 분배될 시간이 없으므로 과포화 철 격자에 갇힌 상태로 남는다. 탄소강에서 생성된 조직은 일반적으로 체심정방정(BCT)으로 설명되지만, 정방성은 탄소 함량에 크게 의존하며 저탄소 마르텐사이트에서는 작을 수 있다. 마르텐사이트는 저탄소강과 중탄소강에서는 래스 형태로, 고탄소강에서는 판상으로 나타날 수 있다.

갓 형성된 뜨임하지 않은 마르텐사이트가 단단한 이유는 과포화, 격자 변형, 높은 전위 밀도 및 변태 하부구조가 소성 변형을 방해하기 때문이다. 이러한 경도는 압입과 연마 마모에 대한 저항을 향상시킬 수 있지만, 뜨임하지 않은 마르텐사이트는 일반적으로 인성이 제한되며 균열에 취약할 수 있다. 특히 탄소 함량, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 담금질 가혹도 및 잔류응력이 높을 때 그러하다. 뜨임은 제어된 탄화물 석출과 응력 완화를 가능하게 하여, 연성과 파괴 저항이 향상되는 대신 경도를 감소시킨다. 선택한 뜨임 조건은 최대 경도만을 목표로 하기보다 사용 조건에 맞아야 한다.

담금질 중 모든 오스테나이트가 반드시 변태하는 것은 아니다. 마르텐사이트 종료 온도 이하에서도 남아 있는 오스테나이트를 잔류 오스테나이트라고 한다. 잔류 오스테나이트의 양은 탄소 및 합금 원소 함량, 오스테나이트화 조건, 냉각 속도와 Ms 및 Mf 온도에 따라 달라진다. 잔류 오스테나이트는 세심하게 제어된 일부 조직에서 인성을 향상시킬 수 있지만, 치수상 불안정하기도 하다. 사용 중, 영하 처리, 연삭, 충격 또는 뜨임 과정에서 마르텐사이트로 변태하여 지연 팽창, 경도 변화 또는 변형을 일으킬 수 있다. 주변의 마르텐사이트가 체적 변화를 구속할 경우, 이러한 변태는 국부 응력을 발생시키고 균열을 시작하게 할 수도 있다.

이러한 이유로 경도 측정만으로는 담금질된 강이 의도한 미세조직을 갖는지 확인할 수 없다. 규격에서는 경도뿐 아니라 잔류 오스테나이트, 결정립 크기, 탈탄 또는 변형의 제어를 요구할 수 있다. ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화 및 특정 불림 조건을 목적으로 하는 비합금강을 다룬다. ISO 17663:2023은 주로 페라이트계 강에 대해 용접 및 성형 부품과 관련된 열처리를 품질 요구사항 체계 안에서 다룬다. 두 규격은 실무적인 핵심 사항을 반영한다. 즉, 상의 선택과 변태 제어는 조성, 형상, 열 이력 및 요구되는 기계적·치수적 응답과 연계되어야 한다.

오스테나이트화: 많은 열처리의 출발점

오스테나이트화는 강을 오스테나이트가 형성되는 온도 범위까지 제어하여 가열한 다음, 필요한 변태와 화학적 재분배가 일어날 수 있도록 해당 온도에서 충분히 유지하는 공정이다. 이는 여러 담금질 및 뜨임, 마템퍼링, 오스템퍼링, 화염경화, 고주파 경화 사이클의 시작 단계이다. 오스테나이트가 없으면 이후의 냉각 단계에서 의도한 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직을 생성할 수 없다.

목적은 단순히 강을 뜨겁게 만드는 데 있지 않다. 목적은 냉각으로 변태 경로가 바뀌기 전에 적절한 탄소 함량, 합금원소 분포, 결정립 크기 및 공간적 균일성을 갖춘 오스테나이트를 생성하는 것이다. ASTM International의 2024년 철강 금속학 교육과정 개요에서는 오스테나이트를 페라이트, 시멘타이트, 펄라이트, 마르텐사이트 및 베이나이트와 함께 상 및 공정 체계의 핵심 요소로 다룬다. ASM International 역시 오스테나이트화를 변태 선도, 경화능, 담금질, 변형 및 잔류응력 제어를 포함하는 더 큰 시스템의 한 요소로 취급한다.

오스테나이트 영역으로의 가열

탄소강에서 오스테나이트화는 하부 임계온도 이상에서 시작되며, 이 온도에서 페라이트와 펄라이트가 오스테나이트로 변태하기 시작한다. 정확한 온도는 탄소 함량, 초기 미세조직, 가열 속도 및 합금 첨가량에 따라 달라진다. 일반적인 중탄소강과 같은 아공석강은 페라이트가 용해되고 조직이 주로 오스테나이트가 되도록 보통 상부 임계온도 이상까지 가열해야 한다. 과공석강은 용해되지 않은 시멘타이트를 일부 의도적으로 잔류시키는 경우가 많으므로, 하부 임계온도와 시멘타이트 고용선 사이에서 가열한다.

철–탄화철 상태도는 평형 상태에서의 상 안정성을 설명하지만, 노에서 이루어지는 사이클은 평형 실험이 아니다. 가열 속도에 따라 관찰되는 변태 온도가 달라지며, 합금원소는 오스테나이트 형성 또는 탄화물 용해를 지연시킬 수 있다. 크로뮴, 몰리브데넘, 바나듐, 텅스텐 및 티타늄은 안정한 탄화물을 형성할 수 있으므로, 이를 용해하려면 더 높은 온도 또는 더 긴 유지 시간이 필요하다. 니켈과 망가니즈는 변태 온도와 경화능을 변화시키지만, 동일한 방식의 탄화물 형성 원소로 작용하지는 않는다. 탄소는 특히 중요하다. 탄소는 제어된 양으로 오스테나이트에 들어가야 하며, 그 농도는 마르텐사이트 시작 온도, 경도, 잔류 오스테나이트 및 치수 변화에 영향을 미친다.

따라서 오스테나이트화는 담금질에 앞서 이루어진다. 담금질은 냉각이 시작되는 순간 존재하는 오스테나이트를 변태시키기 때문이다. 페라이트, 펄라이트 또는 용해되지 않은 탄화물이 규정량을 초과하여 잔류하면 최종 조직에 연질 영역이 생기거나, 설계상 가정한 것과 다른 탄소 분포가 나타날 수 있다. 그러나 강을 지나치게 높은 온도로 가열한다고 해서 반드시 더 높은 경도를 얻는 것은 아니다. 과도한 온도는 오스테나이트 결정립을 조대화하고, 산화와 탈탄을 증가시키며, 변형을 촉진하고, 결정립 성장을 억제하거나 내마모성을 제공하도록 의도된 탄화물을 용해할 수 있다.

동일한 원리는 표면 처리에도 적용된다. 고주파 경화 또는 화염경화에서는 표면에 가까운 층만 오스테나이트 영역에 도달할 수 있다. 가열 깊이, 최고 온도 및 임계 온도 범위 이상에서의 유지 시간에 따라 경화층이 결정된다. 짧고 강한 사이클은 미세한 결정립 크기를 유지할 수 있지만, 급격한 열구배를 형성하므로 출력, 이동 속도, 결합 상태 및 냉각을 정밀하게 제어해야 한다.

용해, 결정립 성장 및 균질화

페라이트와 펄라이트가 변태할 때 시멘타이트가 용해되고 탄소가 새로운 오스테나이트로 확산된다. 이 과정은 순간적으로 일어나지 않는다. 특히 부품의 단면이 두껍거나 장입물이 조밀하거나 노의 순환이 불량한 경우, 노의 온도는 정확하더라도 부품 중심부는 여전히 변태 온도 범위보다 낮을 수 있다. 따라서 유지 시간은 노의 표시 온도가 설정값에 도달한 순간이 아니라 부품에서 중요한 최저 온도 영역이 목표 온도에 도달하는 데 필요한 시간을 기준으로 정해야 한다.

용해에는 서로 상반되는 효과가 있다. 냉각 중 오스테나이트가 의도한 대로 변태할 수 있도록 불필요한 펄라이트 또는 페라이트를 제거하고 탄소를 분포시키려면 충분한 시간과 온도가 필요하다. 합금강에서는 오스테나이트에 탄소와 합금원소를 공급하기 위해 일부 탄화물이 부분적으로 용해되어야 할 수 있다. 완전한 용해는 바람직하지 않을 수 있다. 잔류 합금 탄화물은 오스테나이트 결정립 성장을 제한하고, 내마모성에 기여하며, 모재의 탄소 수준을 제어할 수 있다.

오스테나이트를 불필요하게 높은 온도에서 유지하면 결정립 성장이 빨라진다. 조대한 초기 오스테나이트 결정립은 공칭 목표 경도를 충족하더라도 인성을 저하시키고 담금질 균열 또는 파괴 민감도를 높일 수 있다. 또한 변태 속도론을 변화시켜 경화 깊이와 경화의 균일성에 영향을 줄 수 있다. 미세한 오스테나이트 결정립은 하나의 보편적인 유지 시간으로 만들어지는 것이 아니다. 온도, 가열 속도, 초기 상태, 합금 조성 및 단면 크기를 서로 맞춘 결과로 형성된다.

이전 공정도 중요하다. 노멀라이징, 어닐링, 단조, 냉간가공 및 용접을 거친 강은 서로 다른 탄화물 분포, 결정립 크기 및 잔류응력을 가진 상태로 노에 들어갈 수 있다. 동일한 공칭 강종이라도 단조된 42CrMo4 부품과 얇은 판재가 동일한 사이클에 똑같이 반응하지는 않는다. ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염경화, 고주파 경화 및 일부 경우의 노멀라이징 상태를 목적으로 하는 비합금강을 다룬다. 따라서 강종 지정과 규정된 납품 상태는 사이클을 결정하는 데 필수적인 입력 조건으로 남는다.

오스테나이트화는 국부적인 화학 조성을 균질화할 수도 있지만, 이는 실용적인 한계 내에서만 가능하다. 주조로 인한 편석, 압연으로 인한 밴드 조직, 용접금속의 조성 편차 및 표면 오염은 확산 거리가 큰 경우 남아 있을 수 있다. 더 긴 유지 시간은 일부 농도 구배를 줄일 수 있지만, 동시에 결정립 성장과 표면 손상을 유발한다. 열처리만으로 모든 이전 공정상의 결함을 제거할 수는 없다.

시간, 온도 및 분위기 제어

노의 설정값은 제어 변수 중 하나일 뿐이다. 실제 열 사이클에는 가열 속도, 장입 배치, 부품 온도, 온도 균일성, 유지 시간, 담금질까지의 이송 시간 및 강을 둘러싼 분위기가 포함된다. 이 모든 요소는 형상에 의해 좌우된다. 얇은 모서리는 빠르게 가열되어 두꺼운 허브가 목표 온도에 도달하기 전에 과열될 수 있으며, 구멍, 키홈, 나사산 및 급격한 단면 변화는 국부적인 열집중과 응력집중을 만든다. 지그는 복사열이 표면에 도달하는 것을 가리거나 순환을 제한할 수 있다.

노 벽 가까이에 설치된 열전대는 안정된 온도를 표시하더라도 부품 중심부는 더 차가운 상태일 수 있다. 따라서 생산 현장에서는 필요에 따라 검증된 노 성능 조사, 장입물 열전대, 대표 시험편 또는 검증된 열전달 모델을 사용한다. ISO 17663:2023은 작업장 또는 현장에서 공기 또는 제어 분위기 중 수행되는 열처리에 대한 품질 요구사항을 규정하며, 주로 페라이트계 강과 관련 용접 또는 성형 부품을 대상으로 한다. 이 표준의 적용 범위는 실무상의 문제를 반영한다. 즉, 재현 가능한 결과를 얻으려면 장비, 모니터링, 교정 및 합격 기준을 문서화해야 한다.

분위기 제어는 표면 화학 조성을 보호한다. 산화성 노 가스는 스케일을 생성하고, 탈탄 분위기는 표면에서 탄소를 제거한다. 탈탄층은 모재의 조성과 경도가 정확하더라도 담금질 후 표면 경도를 낮출 수 있다. 진공, 불활성 가스, 염욕 또는 제어된 흡열성 분위기를 사용하면 이러한 영향을 줄일 수 있지만, 각각 별도의 공정 제어와 안전 요구사항이 따른다. 적용 조건상 필요한 경우 경도 분포 측정, 금속조직 검사, 치수 검사 또는 화학적 깊이 측정을 통해 표면 상태를 확인해야 한다.

규정된 변태와 온도 균일화가 이루어질 만큼 충분히 높은 온도에서 유지하되, 그 이상으로 길게 유지해서는 안 된다. 지정된 오스테나이트 상태에 도달하면 즉시 냉각을 시작해야 한다. 이송 지연은 열 이력을 변화시킬 수 있으며, 특히 경화능이 높은 강이나 대형 부품에서 그 영향이 크다. 최종 결과는 노의 제어기에 적힌 하나의 수치가 아니라 전체 시간–온도 경로에 의해 결정된다. 이러한 차이를 이해하는 데서 재현 가능한 오스테나이트화가 시작된다.

변태 선도와 열처리 동역학

열처리 일정은 온도만으로 정할 수 없다. 먼저 강을 오스테나이트화한 다음, 오스테나이트가 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트로 변태하는지를 결정하는 특정 시간–온도 경로를 거치게 해야 한다. 탄소 함량, 합금 원소의 첨가, 초기 결정립 크기, 단면 두께, 가열 속도 및 출발 조직의 상태가 모두 그 경로에 영향을 미친다. 변태 선도는 이러한 변수들을 관찰 가능한 현상, 즉 변태의 시작, 변태 진행 속도 및 변태가 실질적으로 완료되는 시점과 연결하는 방법을 제공한다.

철–탄화철 상태도는 평형 또는 준평형 상태에서의 상 안정성을 설명한다. 이 상태도는 급속 퀜칭의 결과를 예측하지 못한다. TTT 및 CCT 선도는 변태가 온도뿐 아니라 시간에도 의존한다는 것을 보여 줌으로써 이러한 한계를 보완한다. ASM International의 2024년 강 기초 기술 자료에서는 이러한 선도를 오스테나이트화, 경화능, 퀜칭, 어닐링, 템퍼링 및 잔류 응력 제어와 함께 다룬다. 변태 동역학을 고려하지 않고서는 이러한 작업 중 어느 것도 신뢰성 있게 규정할 수 없기 때문이다.

시간–온도–변태 선도

시간–온도–변태 선도는 일반적으로 TTT 선도 또는 등온 변태 선도라고 하며, 시험편을 오스테나이트 영역까지 가열한 뒤 선택한 일정 온도로 신속하게 이동시키고, 그 온도에서 유지하면서 변태가 시작되고 끝나는 시점을 측정하여 작성한다. 시간은 가로축에 로그 눈금으로 표시하고, 온도는 세로축에 표시한다. 그 결과 얻어지는 시작 곡선과 종료 곡선은 펄라이트 및 베이나이트 반응에서 흔히 특징적인 C자 형상을 나타낸다.

시작 곡선은 검출 가능한 양의 오스테나이트가 변태하기 전에 필요한 대략적인 잠복기를 나타낸다. 종료 곡선은 시험 방법에 따라 선택된 변태가 실질적으로 완료되는 시점을 나타낸다. 두 곡선 사이에서는 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트가 점진적으로 형성되며, 선도는 시험편 전체가 한순간에 상변태한다는 뜻이 아니다. 따라서 특정 온도에서 수평선을 그으면, 잠복 시간 후 시작 곡선과 교차하고 더 긴 유지 시간이 지나면 종료 곡선에 도달한다.

공석 온도 범위 바로 아래의 온도에서는 오스테나이트가 조대 펄라이트를 형성할 수 있으며, 이때 페라이트와 시멘타이트의 간격은 비교적 넓다. 더 낮은 온도에서는 층간 간격이 감소하여 펄라이트가 더 미세해진다. 이보다 더 낮은 온도 범위에서는 베이나이트가 형성될 수 있으며, 베이나이트의 페라이트와 탄화물 배열은 펄라이트와 다르다. 정확한 경계는 강의 조성과 시험 조건에 따라 달라진다. 크로뮴, 몰리브데넘, 니켈 및 망가니즈와 같은 합금 원소는 일반적으로 상 안정성과 치환형 확산 속도를 변화시켜 확산 지배 반응을 지연시키지만, 그 영향이 모든 강종에서 동일한 것은 아니다.

TTT 선도는 오스템퍼링과 같은 등온 열처리를 이해하는 데 특히 유용하다. 오스테나이트를 선택한 베이나이트 온도까지 신속하게 냉각하고, 원하는 변태가 일어날 때까지 유지한 다음 실온까지 냉각한다. 이 선도는 냉각 경로가 펄라이트 형성 영역을 피하는지, 그리고 필요한 양의 오스테나이트가 변태하기에 유지 시간이 충분한지를 판단하는 데 도움을 준다. 또한 한 조성에는 충분해 보이는 유지 시간이 다른 조성에서는 왜 충분하지 않은지도 보여 줄 수 있다.

마르텐사이트 시작 온도는 $M_s$로 표시하며, 다른 방식으로 다룬다. 마르텐사이트는 무확산 변태이다. 격자가 오스테나이트에서 과포화 체심 정방정 구조로 변화하는 동안 탄소가 시멘타이트로 분배될 시간이 없기 때문이다. 강이 조성에 따라 결정되는 $M_s$ 이하로 냉각되면 마르텐사이트가 형성되기 시작하며, 일반적으로 마르텐사이트 종료 온도인 $M_f$를 향해 온도가 내려갈수록 형성량이 증가한다. 이 반응은 펄라이트 형성과 같은 방식의 잠복기에 의해 지배되지 않는다. 퀜칭이 $M_s$보다 높은 온도에서 중단되면 마르텐사이트는 형성되기 시작하지 않으며, $M_s$와 $M_f$ 사이에서 중단되면 일부 오스테나이트가 변태하지 않은 채 남을 수 있다.

연속 가열 및 연속 냉각 선도

산업용 가열로와 퀜칭 시스템은 TTT 선도를 작성할 때 사용하는 급격한 온도 변화를 거의 재현하지 않는다. 부품은 연속적으로 가열되고, 단면 전체에 온도 구배가 형성될 수 있으며, 이후 공기, 오일, 폴리머, 물, 염욕 또는 제어된 가스 속에서 연속적으로 냉각된다. 연속 가열 변태(CHT) 선도는 지정된 속도로 가열하는 동안의 변태를 설명하며, 연속 냉각 변태(CCT) 선도는 중단되지 않는 냉각 중의 변태를 설명한다.

확산 변태 경향마르텐사이트 변태 경향

CCT 선도에는 일반적으로 여러 냉각 곡선이 포함되며, 각 곡선은 서로 다른 냉각 속도를 나타낸다. 느린 곡선은 페라이트 및 펄라이트 시작 영역을 통과할 수 있으므로 베이나이트 또는 마르텐사이트 영역에 도달하기 전에 확산 변태 생성물을 형성한다. 더 빠른 곡선은 이러한 영역을 우회하여 마르텐사이트 영역으로 들어갈 수 있다. $M_s$에 도달하기 전에 변태를 피하는 데 필요한 냉각 속도는 해당 시험편과 오스테나이트화 조건에 대한 임계 냉각 속도이며, 특정 강 계열에 공통되는 보편적인 값이 아니다.

곡선과 변태 시작 및 변태 종료 경계의 교차점은 형성되는 생성물을 실용적으로 예측할 수 있게 한다. 예를 들어 AISI 1045 시험편의 냉각 경로는 페라이트–펄라이트 영역을 통과할 수 있지만, AISI 4140 시험편의 유사한 냉각 경로는 이를 피할 수 있다. 크로뮴, 몰리브데넘 및 망가니즈가 변태 반응을 더 긴 시간 쪽으로 이동시키기 때문이다. 따라서 두 강종이 모두 퀜칭 및 템퍼링된다고 하더라도 하나의 일반화된 CCT 선도를 공유할 수는 없다.

CCT 선도는 노멀라이징, 공랭, 직접 퀜칭 및 생산 가열로 사이클에 대해 일반적으로 TTT 선도보다 더 유용하다. 또한 두꺼운 부품의 표면과 중심부가 서로 다른 경로를 따를 것인지 나타낼 수 있다. 중심부는 열이 주변 재료를 통과해 이동해야 하므로 더 느리게 냉각된다. 따라서 표면이 마르텐사이트에 도달하는 동안 중심부에는 펄라이트 또는 베이나이트가 형성될 수 있다. 이것이 경화능의 근거이다. 경화능은 단순히 표면에서 얻을 수 있는 최대 경도가 아니라, 규정된 퀜칭 조건에서 지정된 조직 또는 경도를 형성할 수 있는 깊이를 의미한다.

어느 선도도 보편적인 지도가 아니다. 예를 들어 AISI 4140으로 식별된 선도는 명시된 탄소 범위, 오스테나이트화 온도, 유지 시간, 초기 결정립 크기, 시험편 형상 및 냉각 매체를 사용하여 작성되었을 수 있다. 이러한 조건 중 어느 하나라도 변경하면 변태 거동이 달라질 수 있다. 더 미세한 초기 오스테나이트 결정립은 더 많은 핵생성 장소를 제공하여 일부 확산 변태를 촉진할 수 있으며, 과도한 결정립 성장은 변태를 지연시킬 수 있다. 따라서 상업적 열처리 사이클은 실제 용해, 치수, 가열로의 온도 균일성 및 퀜칭 조건과 대조하여 확인해야 한다.

핵생성, 성장 및 변태 속도의 영향

확산 지배 변태에는 핵생성과 성장이 모두 필요하다. 핵생성은 새로운 상의 작은 영역을 만들고, 성장은 계면을 가로질러 원자를 이동시키면서 그러한 영역을 확대한다. 평형 변태 온도에 가까운 온도에서는 구동력이 너무 작아 핵생성이 빠르게 일어나지 않을 수 있다. 훨씬 낮은 온도에서는 확산이 느려진다. 변태는 중간 온도에서 가장 빠르게 일어나는 경우가 많으며, 이것이 C자형 시작 곡선의 코 부분을 설명한다.

잠복기는 변태가 검출될 만큼 안정한 핵이 충분히 형성되기 전의 기간이다. 이는 일반적인 공정의 의미에서 낭비되는 시간이 아니라, 열역학적 구동력, 계면 에너지 및 원자 이동성 사이의 경쟁을 반영한다. 따라서 TTT 선도의 코 부근에서 오스테나이트를 유지하면 펄라이트가 형성되기까지 걸리는 시간이 매우 짧을 수 있지만, 더 높은 온도에서 유지하면 훨씬 긴 잠복 시간이 필요할 수 있다.

성장 속도 역시 최종 조직을 좌우한다. 더 높은 변태 온도에서 빠르게 성장하면 조대한 펄라이트가 형성되는 경향이 있는 반면, 낮은 온도에서의 변태는 더 미세한 간격을 만들며 일반적으로 더 높은 강도를 부여한다. 베이나이트는 페라이트 성장과 탄소 재분배가 서로 다르게 결합하여 형성되며, 온도에 따라 그 형태가 변한다. 마르텐사이트는 일반적인 확산 지배 성장을 우회하지만, 높은 전위 밀도, 격자 변형 및 잔류 응력을 발생시킨다. 따라서 이러한 영향을 줄이고 경도와 인성을 조정하기 위해 일반적으로 템퍼링이 필요하다.

실험실 선도는 소형 시험편에서 변수를 분리하여 얻는다. 생산 부품은 그렇지 않다. 단조 샤프트는 편석, 스케일, 잔류 응력 및 불균일한 초기 조직을 가진 상태로 가열로에 들어갈 수 있다. 표면은 중심부보다 빠르게 가열되고 냉각될 수 있으며, 모서리, 구멍 및 급격한 형상 변화는 열 흐름을 변화시킨다. 따라서 ISO 17663:2023은 용접 및 관련 공정과 연계된 열처리를 작업장 또는 현장에서 수행되는 품질 관리 작업으로 다루며, 열 기록과 공정 조건에 대한 주의를 포함한다. 한편 ISO 683-1:2016은 주로 퀜칭 및 템퍼링, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화 및 일부 노멀라이징 상태를 목적으로 하는 비합금강의 납품 요구 사항을 규정한다.

변태 선도는 공정 경로를 안내하지만 측정을 대신하지는 않는다. 의도한 경로가 실제로 준수되었는지를 확인하려면 열전대, 경도 조사, 금속조직 검사 및 가열로와 퀜칭 조건에 관한 기록이 필요하다. 중요한 질문은 강이 “가열되고 냉각되었는가”가 아니라, 어떤 변태가 어디에서 발생했으며 그 변태의 시점이 최종적인 경도, 인성, 변형 및 잔류 응력의 균형을 어떻게 만들었는가이다.

풀림 및 노멀라이징 처리

풀림은 하나의 고정된 가열 및 냉각 절차가 아니다. 풀림은 경도, 연성, 가공성, 잔류응력, 결정립 구조 또는 이전 공정에서 남은 상태를 변화시키기 위해 선택되는 열 사이클의 한 계열이다. 필요한 사이클은 탄소 함량, 합금 원소 첨가량, 단면 크기, 이전 변형, 가열 속도, 유지 시간, 노 내 온도 균일도 및 의도한 냉각 경로에 따라 달라진다. 얇은 저탄소 강판을 연화시키는 처리는 두 재료 모두 “풀림 처리된” 것으로 설명되더라도 두꺼운 중탄소 단조품에는 적합하지 않을 수 있다.

이러한 처리의 배경이 되는 상변화는 일반적으로 철–철 탄화물 상태도로 설명되지만, 이 상태도는 변태에 필요한 시간이 아니라 평형 관계를 나타낸다. 가열 및 냉각 속도는 실제 반응을 변화시킨다. 연속 가열 및 연속 냉각 변태도와 시간–온도–변태도는 오스테나이트가 언제 형성되고 언제 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 기타 생성물로 분해되는지를 보여 준다. ASM International의 2024년 강 열처리 자료는 풀림, 오스테나이트화, 변태도, 경도 및 잔류응력 제어를 동일한 공정 체계 안에서 다루고 있다.

완전 풀림 및 관련 연화 사이클

완전 풀림은 일반적으로 강을 오스테나이트 영역까지 가열하고, 해당 단면이 적절한 상태에 도달할 만큼 충분히 유지한 다음, 노 안에서 서서히 냉각하는 방식으로 이루어진다. 아공석강의 경우 오스테나이트화 온도는 일반적으로 상부 임계 온도 Ac3보다 높게 설정하므로, 원래의 페라이트와 펄라이트가 충분히 용해되어 오스테나이트를 형성한다. 과공석강의 경우에는 보통 Ac1보다 높고 Acm보다 낮은 범위에서 사이클을 설정하여 모든 탄화물을 용해시키는 대신 일부 초석 시멘타이트를 남긴다. 구체적인 공정은 강종과 단면 크기에 따라 달라진다.

노 안에서 서서히 냉각하는 동안 오스테나이트는 평형에 비교적 가까운 상태에서 변태한다. 아공석 조성은 초석 페라이트가 먼저 생성된 후 펄라이트가 생성되고, 공석강은 주로 펄라이트로 변태하며, 과공석강은 펄라이트와 초석 시멘타이트를 형성한다. 그 결과 조직은 일반적으로 공랭으로 생성된 조직보다 더 연하고 더 조대하다. 조대한 펄라이트는 층간 간격이 더 크므로 절삭 및 변형에 대한 저항이 감소하지만 강도와 경도도 낮아진다.

목적은 흔히 기계가공 또는 냉간 성형 전에 연화하는 것이다. 완전 풀림은 절삭력을 줄이고 공구 마모를 완화하며, 대형 단조품이나 주조품 전체에서 경도를 더욱 균일하게 만들 수 있다. 또한 불균일한 주조 조직이나 과열로 인해 이전 공정에서 형성된 조직을 보다 예측 가능한 페라이트–펄라이트 조직으로 대체할 수 있다. 그러나 모든 결함이 자동으로 제거되는 것은 아니다. 온도와 유지 시간이 적절히 제어되지 않으면 편석, 과도한 결정립 성장, 탈탄 및 탄화물 망상 조직이 남아 있거나 더욱 뚜렷해질 수 있다.

두꺼운 단면에서는 결과가 더 복잡해진다. 표면은 중심부보다 노 온도를 더 빠르게 따라가지만, 중심부는 더 천천히 냉각되고 다른 온도에서 변태할 수 있다. 따라서 노 사이클이 정확히 기록되었더라도 외부에는 중심부보다 더 미세한 펄라이트가 형성되거나, 페라이트 형성 양상이 달라질 수 있다. 온도 측정은 단순히 노 분위기가 아니라 가공물 자체를 대표해야 한다.

구상화 풀림은 또 다른 연화 사이클로, 특히 경화 전에 기계가공해야 하는 고탄소강과 공구강에서 중요하다. Ac1 바로 아래에서 장시간 유지하거나, Ac1을 반복해서 통과하도록 가열한 뒤 서서히 냉각하면 페라이트 기지 안에서 시멘타이트가 둥근 입자로 형성되도록 촉진할 수 있다. 구상화된 탄화물은 일반적으로 고탄소강을 미세 층상 펄라이트 조직보다 쉽게 가공할 수 있게 하며, 이후 오스테나이트화를 위한 유용한 초기 상태를 제공한다. 시멘타이트가 확산에 의해 형상을 변화시켜야 하므로 이 사이클은 오래 걸릴 수 있다. 짧은 노 내 유지로는 동일한 결과를 얻을 수 없다.

등온 풀림은 일반적인 노 냉각보다 더 정밀한 제어를 제공한다. 강을 오스테나이트화 온도 범위에서 펄라이트 변태 온도 범위의 선택된 온도까지 냉각하고, 변태가 실질적으로 완료될 때까지 유지한 다음 실온까지 냉각한다. 이러한 유지는 더 균일한 조직을 형성하고 일부 강종에서 전체 사이클을 단축할 수 있지만, 제어 장비와 조성에 맞춘 변태 일정이 필요하다.

공정 풀림 및 응력 제거

공정 풀림은 일반적으로 냉간 가공 후 저탄소강 또는 저합금강에 적용하는 아임계 처리이다. 재료를 Ac1 이하, 흔히 오스테나이트가 형성되지 않으면서 재결정이 일어날 수 있도록 선정한 범위까지 가열한 다음 유지하고 제어된 속도로 냉각한다. 압연, 인발, 굽힘 또는 프레싱으로 형성된 길게 늘어나고 뒤틀린 결정립은 새롭고 비교적 변형이 없는 페라이트 결정립으로 대체된다. 경도는 낮아지고 연성은 회복되며, 강은 다시 성형 공정을 받을 수 있는 능력이 향상된다.

온도는 재결정이 일어날 만큼 높아야 하지만 원치 않는 결정립 성장이 발생할 정도로 높아서는 안 된다. 이전의 압下율도 중요하다. 심하게 냉간 가공된 강은 저장 에너지가 더 많으므로 가볍게 변형된 재료보다 쉽게 재결정될 수 있다. 탄소 함량과 합금 원소도 재결정 속도론에 영향을 준다. 저탄소 강판에 적합한 사이클을 고탄소강이나 합금강에 그대로 적용할 수는 없다.

응력 제거 풀림은 다른 문제를 대상으로 한다. 잔류응력은 용접, 기계가공, 불균일 냉각, 주조, 성형 또는 국부 가열로 발생한다. 아임계 온도에서 유지하면 제한적인 확산과 소성적 응력 완화가 일어나 기지를 의도적으로 변태시키지 않고 응력을 줄일 수 있다. 이 처리는 이후 기계가공 중 변형을 줄이고 균열 또는 치수 변동 위험을 낮출 수 있지만, 잔류응력을 균일하게 완전히 없애지는 못한다. 날카로운 형상, 용접 구속, 온도 구배 및 서로 다른 단면 두께는 여전히 영향을 준다.

용접 후 응력 제거에서는 용접 금속, 열영향부, 모재 및 부품의 구속 조건을 고려해야 한다. ISO 17663:2023은 주로 페라이트계 강과 관련 용접 또는 성형 부품에 대해 작업장이나 현장에서 공기 중 또는 제어 분위기에서 실시하는 열처리의 품질 요구사항을 제시한다. 이 표준의 실무적 중요성은 분명하다. 노의 교정, 열전대 배치, 가열 및 냉각 속도, 지지 조건과 기록이 공칭 온도만큼이나 결과에 영향을 줄 수 있다.

노멀라이징 및 결정립 미세화

노멀라이징은 일반적으로 강을 오스테나이트 영역까지 가열하고 변태가 진행될 수 있을 때까지 유지한 다음, 노 안이 아니라 정지 공기 중에서 냉각하는 것을 의미한다. 공랭은 노 냉각보다 빠르므로 많은 탄소강 및 저합금강에서 오스테나이트는 더 낮은 온도에서 변태하고 더 미세한 페라이트와 펄라이트를 형성한다. 노멀라이징 상태는 일반적으로 완전 풀림 상태보다 강도와 경도가 높으면서도 유용한 연성을 유지한다.

“미세화”라는 표현에는 조건이 필요하다. 노멀라이징은 단조, 주조, 용접 열사이클 또는 과도한 가열로 생성된 조대한 결정립을 미세화할 수 있지만, 모든 형태의 편석을 교정하거나 연속적인 탄화물 망상 조직을 제거할 수는 없다. 결정립 미세화는 가열 중 형성된 오스테나이트 결정립 크기에 좌우된다. 과도한 온도나 유지 시간은 공랭 전에 오스테나이트 결정립을 성장시켜 의도한 효과를 약화시킬 수 있다.

탄소 함량은 변태 온도와 최종 조직 비율을 모두 변화시킨다. 일반적으로 탄소 함량이 증가하면 공석 조성에 이를 때까지 펄라이트 분율이 증가하고 노멀라이징 후 경도가 높아진다. 저탄소 강종은 비교적 적은 양의 펄라이트를 포함한 주로 페라이트 조직으로 남을 수 있고, 중탄소 강종은 더 많은 펄라이트와 높은 강도를 나타내며, 과공석 강종은 펄라이트와 초석 시멘타이트를 형성할 수 있다. 합금 원소는 변태를 지연시키고 페라이트–펄라이트 균형을 변화시킬 수 있으므로, 단면이 얇거나 냉각 속도가 충분히 빠르면 일부 강은 공랭 중 베이나이트 또는 기타 생성물을 형성할 수 있다.

단면 크기는 이러한 상황을 반대로 만든다. 얇은 부품은 열을 빠르게 잃어 더 미세한 조직으로 노멀라이징될 수 있지만, 대형 단면의 중심부는 느리게 냉각되어 풀림 상태에 가까워질 수 있다. 형상, 치구와의 접촉, 노의 적재량 및 공기 흐름은 추가적인 편차를 만든다. 따라서 노멀라이징은 단순히 노 밖에서 냉각한 모든 강을 가리키는 명칭이 아니라, 규정된 냉각 방식이다. ISO 683-1:2016은 여러 열처리 상태로 공급되는 비합금강을 인정하며, 일부 경우에는 노멀라이징 상태도 포함한다. 그러나 허용되는 미세조직과 특성은 여전히 지정된 강종과 납품 상태에 의해 결정된다.

담금질, 경화, 경화능

[5][5] Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook chapter, 2024.

담금질은 가열 후 단순히 빠르게 냉각하는 공정이 아니다. 이는 오스테나이트화된 강을 펄라이트와 선공석 페라이트 같은 확산 변태가 억제될 만큼 충분히 빠르게 온도 범위를 통과시키면서, 마르텐사이트 또는 지정된 다른 경화 조직을 생성하려는 계획된 공정이다. 그 결과는 화학 조성, 오스테나이트 결정립 크기, 단면 형상, 온도 균일성, 냉각 곡선, 그리고 변태 중 발생하는 응력에 따라 달라진다. ASM Handbook Volume 4A에서는 오스테나이트화, 경도, 경화능, 담금질, 뜨임, 오스템퍼링, 마템퍼링 및 표면경화와 함께 이러한 변수들을 종합적으로 다룬다(ASM International, 2024).

담금질과 마르텐사이트 변태

담금질 전에 강은 오스테나이트가 형성되는 조건까지 가열된다. 아공석강의 경우 일반적으로 상부 임계 온도 이상으로 가열하여 페라이트와 펄라이트가 오스테나이트에 충분히 용해되도록 한다. 공석강에서는 펄라이트 혼합 조직이 오스테나이트로 변태해야 하며, 과공석강에서는 지정된 온도에 따라 일부 선공석 시멘타이트가 잔류할 수 있다. 유지 시간은 소재의 단면 전체가 적절하고 비교적 균일한 상태에 도달하도록 충분해야 하지만, 시간이나 온도가 지나치게 높으면 오스테나이트 결정립이 조대화되고 산화가 증가하며 변형이 악화될 수 있다.

오스테나이트는 페라이트보다 훨씬 많은 탄소를 용해할 수 있다. 느리거나 중간 정도의 속도로 냉각하면 탄소가 확산할 시간이 있으므로 페라이트, 시멘타이트 또는 펄라이트가 형성될 수 있다. 빠른 냉각은 이러한 시간을 없앤다. 시간-온도-변태 도표에서 냉각 경로가 펄라이트 및 베이나이트 변태 영역을 피하면, 오스테나이트는 마르텐사이트 시작 온도인 Ms에 도달한다. 이후 탄소가 과포화 체심 정방정 구조에 갇힌 상태에서 확산이 없는 전단 변태에 의해 마르텐사이트가 형성된다. 냉각이 계속되면 마르텐사이트 종료 온도인 Mf에 가까워질 때까지 추가적인 마르텐사이트가 생성된다.

마르텐사이트는 변형된 격자가 전위 이동을 방해하기 때문에 경도를 높인다. 탄소 함량은 이러한 거동에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 용해된 탄소 함량이 높을수록 담금질 직후 마르텐사이트의 경도가 증가하고 Ms와 Mf는 낮아진다. 따라서 실온까지 냉각한 후에도 일부 미변태 오스테나이트가 잔류할 수 있으며, 특히 탄소 및 합금 원소 함량이 높거나 단면이 충분히 낮은 온도까지 냉각되지 않은 경우에 그러하다. 잔류 오스테나이트는 사용 중, 가공 중, 영하 처리 중 또는 뜨임 중에 변태하여 치수와 응력을 변화시킬 수 있다.

대형 부품의 중심부는 표면보다 느리게 냉각된다. 이러한 차이로 인해 표면이 마르텐사이트로 변태하더라도 내부에서는 펄라이트나 베이나이트가 형성될 수 있다. 담금질은 열 구배도 발생시킨다. 표면이 먼저 수축하는 반면, 뜨거운 중심부는 이러한 수축을 억제한다. 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태에는 체적 증가가 수반되므로 변태 변형도 응력의 또 다른 원인이 된다. 균열은 그 극단적인 결과이지만, 변형, 잔류 응력 및 치수 변화가 더 흔하게 발생한다. 따라서 원하는 조직은 표면 경도 측정값만으로 판단하지 말고 단면 전체에 걸쳐 평가해야 한다.

일반적으로 담금질 후에는 뜨임을 실시한다. 뜨임은 담금질 응력을 줄이고, 제어된 석출 및 회복 반응을 통해 과포화 마르텐사이트를 뜨임 마르텐사이트로 변화시킨다. 선택한 뜨임 온도와 시간에 따라 경도, 강도, 인성 및 치수 안정성 사이의 균형이 결정된다. 담금질한 부품을 뜨임하지 않은 채 두면 높은 경도를 얻을 수 있지만 균열이나 충격에 대한 저항성이 낮아질 수 있다.

경도와 경화능의 차이

경도는 국부적인 변형에 대한 측정된 저항이다. 로크웰 C, 비커스 및 브리넬 시험은 정해진 하중, 압입자 및 절차에 따라 특정 시험 위치에서 어떤 현상이 나타나는지를 나타낸다. 표면 경도값만으로는 부품이 얼마나 깊이 경화되었는지, 중심부가 마르텐사이트 조직인지, 또는 그 결과가 담금질, 침탄, 고주파 경화나 다른 처리에서 비롯되었는지를 알 수 없다.

경화능은 이와 다르다. 경화능은 규정된 오스테나이트화 및 담금질 조건에서 강재 단면의 깊이 방향으로 경화 조직을 형성할 수 있는 능력이다. 이는 하나의 경도 수치가 아니라 변태 거동을 나타낸다. 완전히 마르텐사이트화된 경우 두 강종이 유사한 최대 표면 경도에 도달하더라도, 그 경도가 유지되는 깊이는 크게 다를 수 있다. 탄소는 마르텐사이트의 최대 경도를 대체로 결정하며, 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘 및 니켈과 같은 합금 원소는 일반적으로 확산 변태를 지연시켜 경화능을 높인다. 붕소는 오스테나이트 결정립계에서 유효한 상태로 유지될 때, 매우 소량을 정밀하게 첨가해도 큰 영향을 미칠 수 있다.

조미니 단말 담금질 시험조미니 단말 담금질 시험 오스테나이트화한 시험편의 한쪽 끝을 물로 담금질하고, 담금질한 끝에서부터 거리에 따른 경도를 측정하여 경화능을 특성화하는 표준화된 시험

죠미니 단부 담금질 시험은 표준 시험편을 따라 측정한 경도 분포로 경화능을 나타낸다. 한쪽 단부에 물을 분사하여 길이 방향으로 다양한 냉각 속도를 만든다. 일정한 거리에서 측정한 경도는 해당 시험 조건에서 강이 어느 깊이까지 마르텐사이트를 형성할 수 있는지를 보여준다. 그러나 이 곡선이 모든 부품에 직접 적용되는 것을 보장하지는 않는다. 동일한 용강으로 제조하더라도 두꺼운 기어, 얇은 판재 및 복잡한 주물은 서로 다른 열 이력을 갖는다.

단면 크기는 내부의 열이 냉각 표면까지 이동해야 하므로 결정적인 요소이다. 작은 직경의 부품은 전체가 빠르게 냉각될 수 있지만, 두꺼운 단면에서는 외부 부근에서만 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 형상은 상황을 더욱 복잡하게 만든다. 구멍, 예리한 모서리, 키홈, 얇은 리브 및 급격한 두께 변화는 열 흐름과 응력을 집중시킨다. 오스테나이트 결정립 크기도 경화능에 영향을 미친다. 조대한 결정립은 페라이트와 펄라이트의 핵생성 장소를 줄여 이러한 변태를 지연시키는 경우가 많지만, 과도한 결정립 성장은 인성을 저하시키고 변형 또는 균열을 증가시킬 수 있다.

경화능을 “어떤 담금질 후에도 얻어지는 경도”와 혼동해서는 안 된다. 고탄소강은 표면에서 매우 높은 경도를 나타낼 수 있지만 경화 깊이는 제한적일 수 있다. 반대로 중탄소 합금강은 최대 마르텐사이트 경도는 더 낮을 수 있지만 대형 단면의 더 깊은 곳까지 해당 조직을 형성할 수 있다. 처리 사양에는 강종, 오스테나이트화 온도, 유지 조건, 냉각제, 교반, 부품 형상 및 합격 판정 위치가 명시되어야 한다.

냉각 매체와 냉각 강도

물, 염수, 오일, 고분자 용액, 가스 및 중단 냉각은 서로 바꾸어 사용할 수 있는 조리법이 아니라 냉각 방식의 분류이다. 이들의 성능은 온도, 농도, 교반, 오염, 욕조 용량, 부품 장입량 및 표면 상태에 따라 달라진다. 동일한 명목상의 냉각제라도 장비가 다르면 서로 다른 냉각 곡선을 만들 수 있다.

물은 일반적으로 고온 영역에서 강한 냉각을 제공하지만, 증기막이 형성되면 일시적으로 뜨거운 표면을 단열할 수 있다. 증기막이 붕괴하면 냉각이 급격하고 불균일해질 수 있다. 염수는 증기막의 지속성을 낮추고 더 적극적으로 냉각할 수 있으므로 변형과 균열의 위험이 증가한다. 요구되는 조직을 덜 강한 담금질로 얻을 수 있는 경우, 이러한 매체는 복잡한 형상이나 경화능이 높은 강에는 적합하지 않을 수 있다.

오일은 일반적으로 물이나 염수보다 완만하게 냉각하여 열충격을 줄일 수 있지만, 오일의 종류, 온도, 교반, 산화 및 오염에 따라 거동이 달라진다. 고분자 용액은 넓은 범위의 냉각 특성을 제공한다. 농도와 순환을 조절하여 냉각 강도를 바꿀 수 있지만, 농도 변화가 공정에 영향을 미치므로 관리가 필요하다. 가압 불활성 가스를 포함한 가스 담금질은 더 깨끗하고 균일한 냉각을 제공할 수 있지만, 대형 단면이나 경화능이 낮은 강종에는 냉각 강도가 충분하지 않을 수 있다.

냉각 강도는 단순히 매체의 명칭이 아니라 냉각제와 부품 표면 사이의 관계와 관련된다. 교반은 증기막을 분쇄하고 표면의 차가운 유체를 갱신한다. 과도하거나 불균일한 교반은 경도 불균일과 변형을 일으킬 수 있다. 상태가 불량한 냉각제에는 물, 열화된 고분자, 슬러지 또는 과도한 산화 생성물이 포함될 수 있으며, 이 경우 냉각 곡선이 검증된 공정에서 벗어난다.

중단 냉각은 냉각 경로를 의도적으로 변경하는 방식이다. 마템퍼링에서는 부품을 Ms 이상 또는 Ms 부근의 온도까지 빠르게 냉각한 후, 상당한 베이나이트나 펄라이트의 형성은 허용하지 않으면서 온도가 균일해질 때까지 유지하고, 이후 마르텐사이트 변태 온도 범위를 통과하도록 냉각한다. 이를 통해 표면과 중심부의 온도 차이를 줄여 변형을 낮출 수 있지만 변태 응력까지 제거할 수는 없다. 반면 오스템퍼링에서는 오스테나이트화된 강을 욕조로 이동시켜 베이나이트가 등온적으로 형성되도록 함으로써, 일반적인 마르텐사이트 담금질 없이 지정된 경화 조직을 생성한다.

ASM이 2024년에 변태 도표와 잔류 응력 제어를 다룬 내용은 핵심 원칙을 분명히 보여준다. 즉, 담금질은 강의 연속 냉각 거동과 부품의 열 이력을 바탕으로 설계해야 한다. ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 고주파 경화 및 일부 정상화 조건에 사용되는 비합금강을 다룬다. 용접되거나 성형된 페라이트계 강 부품에 대해서는 ISO 17663:2023이 작업장이나 현장에서 수행될 수 있는 열처리를 품질 관리 공정의 일부로 규정한다. 어느 표준도 하나의 냉각 매체가 모든 경우에 보편적으로 적합하다고 규정하지 않는다. 올바른 선택은 요구되는 조직과 특성을 생성하면서 경도 편차, 변형, 잔류 응력 및 균열을 규정된 한계 이내로 유지하는 냉각 방식이다.

뜨임과 담금질 강의 제어

담금질 직후 마르텐사이트가 최종 상태가 되는 경우가 드문 이유

담금질은 마르텐사이트를 형성할 수 있지만, 마르텐사이트는 확산을 억제하여 만들어지는 상태일 뿐 대부분의 공학 부품에서 안정적인 최종 상태는 아니다. 담금질 중 오스테나이트는 과포화되고 변형된 체심 정방정 구조로 변태하며, 이 과정에서 탄소가 재분포할 시간은 매우 제한적이다. 그 결과 매우 높은 경도와 강도를 얻을 수 있지만, 상당한 잔류응력, 낮은 연성, 낮은 파괴 저항성, 치수 불안정성도 나타날 수 있다.

문제는 단순히 강이 “너무 단단하다”는 데 있지 않다. 부품의 각 영역은 서로 다른 냉각 속도로 냉각된다. 표면이 중심부보다 먼저 변태할 수 있고, 모서리와 구멍은 국부적인 구속을 유발한다. 열수축, 변태 변형, 잔류 오스테나이트, 그리고 마르텐사이트 형성에 따른 체적 변화가 결합하여 인장응력, 변형 또는 담금질 균열을 일으킬 수 있다. 또한 큰 단면에서는 하나의 균일한 조직이 아니라 마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트 및 잔류 오스테나이트가 혼합된 조직이 형성될 수 있다. 탄소 함량, 합금 원소 첨가량, 경화능, 단면 크기, 담금질 매체, 교반 및 형상은 모두 이러한 결과에 영향을 미친다.[6][6] Steel and Its Heat Treatment. Elsevier. Technical reference, 1984.

뜨임은 담금질한 강을 관련 변태 온도 범위보다 낮은 온도, 일반적으로 새로운 오스테나이트가 형성되는 온도보다 낮은 온도까지 제어하여 재가열하는 공정이다. 선택적인 확산 및 석출 반응이 일어날 수 있도록 충분한 시간 동안 유지한 뒤, 제어된 조건에서 냉각한다. 이 처리는 취성과 잔류응력을 줄이는 동시에 경도, 인장강도, 인성, 내마모성 및 치수 안정성을 조정한다.

ASM International은 2024년 열처리 자료에서 강의 뜨임을 오스테나이트화, 변태도, 경도와 경화능, 담금질, 변형 및 잔류응력 제어와 함께 고려해야 한다고 설명한다. 이러한 연계가 중요하다. 뜨임은 부적절한 오스테나이트화 공정이나 제어되지 않은 담금질을 복구할 수 없으며, 앞선 단계에서 형성된 조직을 변화시킬 뿐이다.

뜨임 반응과 특성의 균형

뜨임은 마르텐사이트에 갇힌 탄소의 재분포로 시작된다. 초기 단계에서는 탄소가 짧은 거리를 이동하고 전이 탄화물이 형성될 수 있으며, 동시에 마르텐사이트의 정방정 왜곡이 감소한다. 기지는 과포화도가 낮아지고, 담금질 직후 격자에 존재하던 응력의 일부가 완화된다. 이로 인해 경도는 다소 감소할 수 있지만 균열에 대한 저항성은 향상된다.

뜨임이 더 진행되면 전이 조직은 보다 안정적인 탄화물 배열로 전환된다. 탄소강에서는 마르텐사이트 조직이 극도의 과포화 상태에서 벗어나면서 페라이트 기지 내부에 시멘타이트가 주요 탄화물로 형성된다. 합금강에서는 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐 또는 기타 탄화물 형성 원소가 석출 반응을 변화시키고, 적절한 열 이력을 거치면 합금 탄화물이 형성될 수 있다. 이러한 반응은 순간적으로 일어나지 않는다. 온도는 어떤 반응이 가능한지와 그 진행 속도를 결정하며, 시간은 반응이 어느 정도까지 진행되는지를 결정한다.

따라서 특성의 균형은 정격 노 설정 온도만이 아니라 전체 시간–온도 이력에 좌우된다. 일반적으로 뜨임 온도가 높을수록 탄소 재분포와 탄화물 조대화가 빨라져 경도와 강도가 더 크게 감소하지만, 인성과 연성은 유용하게 증가하는 경우가 많다. 낮은 온도에서는 경도가 더 많이 유지되지만 응력 완화는 적고, 담금질 조직은 화학적·기계적으로 더 불안정한 상태로 남는다. 실제 반응은 탄소 수준, 합금 함량, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 마르텐사이트 형태, 잔류 오스테나이트 및 부품 크기에 따라 달라진다.

잔류 오스테나이트에는 특히 주의해야 한다. 잔류 오스테나이트는 뜨임 중 또는 이후 사용 중에 변태하여 정밀 부품에서 허용할 수 없는 치수 변화를 일으킬 수 있다. 이러한 위험을 줄이도록 뜨임 스케줄을 설계할 수 있지만, 결과는 강종과 잔류 오스테나이트의 양 및 안정성에 좌우된다. 일부 부품에는 한 번 이상의 뜨임 사이클이 필요하며, 각 사이클 사이에 냉각을 실시하여 새로 변태한 구성물이 후속 뜨임을 받도록 한다. 반복 사이클은 첫 번째 사이클에서 추가 변태가 드러나거나 유발되는 경우 치수 안정성을 향상시킬 수도 있다.

가열된 상태에서의 유지 시간은 단순히 노의 표시 온도가 설정값에 도달하는 데 필요한 시간이 아니라, 장입물 중 가장 차갑거나 가장 덜 가열된 영역에 필요한 시간을 기준으로 충분해야 한다. 두꺼운 단면, 조밀하게 적재된 장입물 및 질량 차이가 큰 부품에서는 온도 구배가 발생할 수 있다. 따라서 가열 균일성은 금속학적 변수이다. 표면이 목표 온도에 일찍 도달하면 중심부가 아직 목표 온도에 접근하는 동안 과뜨임될 수 있다. 노의 교정, 장입물 배열, 부품 간격, 분위기 제어 및 대표적인 위치에서의 모니터링은 특히 강도 또는 치수 공차가 규정된 경우 열처리의 일부를 이룬다.

여기에서도 평형 거동과 변태 거동의 구분은 유용하다. 철–탄화철 상태도는 평형상의 관계를 나타내지만, 뜨임은 유한한 열 사이클 동안 일어나는 속도론적 반응에 좌우된다. ASM의 2024년 강 열처리 논의는 이러한 평형 개념을 시간–온도–변태 거동 및 연속 가열 또는 연속 냉각 거동과 구분한다. 뜨임 역시 하나의 속도론적 공정이다. 동일한 정격 온도에 도달하는 두 스케줄이라도 가열 속도, 유지 시간, 냉각 속도 또는 이전 담금질 조건이 다르면 서로 다른 조직을 형성할 수 있다.

ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임을 목적으로 하는 비합금강의 여러 상태에 관한 기술적 납품 요구사항을 다룬다. 용접되거나 성형된 페라이트계 강 부품의 경우 ISO 17663:2023은 작업장 또는 현장에서, 공기 중 또는 제어 분위기에서 수행되는 작업을 포괄하는 품질관리 체계 안에 열처리를 포함한다. 어느 표준도 모든 강종이나 형상에 하나의 뜨임 사이클이 적합하다고 규정하지 않는다. 지정된 강종, 제품 형태, 단면 크기 및 요구 특성이 여전히 공정을 결정한다.

뜨임 취성과 온도 제어

뜨임 취성은 단순한 경도 저하가 아니라 인식된 파손 양상이다. 기술 참고문헌 Steel and Its Heat Treatment (Elsevier, 1984)은 강 열처리의 핵심 주제 중 하나로 뜨임 취성을 제시한다. 취약한 합금강에서는 특정한 뜨임 및 냉각 이력에 노출된 후, 특히 불순물 원소가 이전 오스테나이트 결정립계에 편석할 때 취성이 발생할 수 있다. 인, 주석, 안티몬 및 비소가 일반적으로 이 메커니즘과 관련되며, 합금 조성과 이전 공정도 민감도에 영향을 미친다.

위험성은 일반적인 인장 특성이 비례하여 변하지 않은 채 충격 인성이 감소한다는 데 있다. 부품은 겉보기에는 허용 가능한 경도를 유지하면서도 충격 하중이나 낮은 사용 온도에서 입계 파괴가 발생하기 쉬워질 수 있다. 온도 범위와 취성의 정도는 보편적인 고정값이 아니다. 이는 강의 화학 조성, 편석, 오스테나이트 결정립 조직, 유지 시간 및 냉각 방식에 따라 달라진다. 따라서 강종과 규격에서 분리된 처방은 오해를 일으킬 수 있다.

제어 방법으로는 취약성이 낮은 조성을 선택하고, 유해 잔류 원소를 제한하며, 부적절한 노출을 피하고, 뜨임 후 규정된 냉각 방식을 적용하는 것이 포함될 수 있다. 일부 합금강에서는 뜨임 후 취약 온도 영역을 빠르게 통과하여 냉각해야 하며, 다른 강종에서는 해당 규격이 다른 절차나 충격 인성 검증을 요구할 수 있다. 올바른 대응은 재료 표준, 부품의 기능 및 시험 요구사항에 따라 결정된다.

온도 측정은 노 분위기만이 아니라 강 자체를 대표해야 한다. 열전대의 배치, 노의 균일성 조사, 장입량 및 이송 시간은 실제 사이클에 모두 영향을 미친다. 기록된 설정값이 정확해 보이더라도 이송 지연이나 불균일한 냉각은 탄화물 석출과 취성 위험을 변화시킬 수 있다. 따라서 뜨임은 제어의 문제이다. 조성은 가능한 반응을 결정하고, 담금질은 출발 조직을 형성하며, 이후의 시간–온도 경로는 경도, 인성, 응력 완화 및 안정성 사이의 균형을 결정한다.

오스템퍼링과 마템퍼링

오스템퍼링과 마템퍼링은 직접 담금질 후 뜨임을 실시하는 방식에 대한 제어된 대안이다. 어느 것도 단순히 다른 냉각욕을 선택하는 공정은 아니다. 각 공정은 오스테나이트에 서로 다른 시간–온도 경로를 부여하며, 그 결과는 강이 펄라이트를 피하고, 필요한 변태 범위에 도달하며, 단면 전체에서 충분히 균일한 상태를 유지할 수 있는지에 따라 달라진다. 탄소 함량, 합금 원소의 첨가, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 형상, 냉각욕의 처리 능력이 모두 그 결과에 영향을 미친다.

두 공정의 차이는 핵심적이다. 오스템퍼링은 부품을 실온까지 냉각하기 전에 오스테나이트를 등온적으로 베이나이트로 변태시키는 것을 목표로 한다. 마템퍼링은 마르텐사이트 시작 온도 부근에서 담금질을 중단하여 마르텐사이트가 형성되기 전에 온도 차이가 감소하도록 한다. 이후 추가 냉각 중에 마르텐사이트 변태가 일어나며, 그 다음 뜨임을 실시한다. ASM International이 2024년에 발행한 ASM Handbook Volume 4A는 오스테나이트화, 경화능, 담금질, 뜨임 및 잔류 응력 제어에 관한 광범위한 연구의 일부로서 두 공정을 서로 구별되는 공정으로 다룬다.

등온 변태 경로

오스템퍼링에서는 먼저 강을 임계 온도 범위 이상으로 가열하여 오스테나이트를 생성한다. 그런 다음 마르텐사이트 시작 온도 $M_s$ 이상이면서 펄라이트 변태 범위 이하로 유지되는 냉각욕에 신속하게 옮긴다. 냉각욕 온도는 일반적으로 약 250~400 °C 범위에서 선정되지만, 실제로 유용한 범위는 강종과 요구되는 베이나이트 형태에 따라 크게 달라진다. 부품은 오스테나이트의 의도한 분율이 베이나이트로 변태할 때까지 해당 온도에서 유지한 후, 주변 온도까지 냉각한다.

이 경로는 펄라이트 영역을 직접 통과하지 않게 하며, 변태가 완료되면 최종 냉각 중 새로운 마르텐사이트가 형성되는 것도 방지한다. 베이나이트는 변태의 변위성 성분에 의해 형성된 페라이트 영역과, 온도·조성 및 구조에 적용되는 용어에 따라 탄소가 농축된 잔류 오스테나이트 또는 탄화물로 구성된다. 상부 베이나이트는 일반적으로 더 높은 오스템퍼링 온도에서 형성되고, 하부 베이나이트는 더 낮은 온도에서 형성되며 대체로 더 미세한 페라이트와 더욱 미세하게 분포된 탄화물을 포함한다.

TTT 선도는 이 공정을 간단하게 보이게 한다. 노즈를 우회하고, 베이나이트 영역에 진입하여 변태가 끝날 때까지 유지한 다음 냉각하면 되는 것처럼 보인다. 그러나 실제 생산에서는 그렇게 여유가 크지 않다. 필요한 이송 시간은 펄라이트가 시작되기 전에 허용되는 시간보다 짧아야 하며, 동시에 냉각욕은 단면 전체를 거의 균일한 온도로 충분히 빠르게 냉각해야 한다. 두꺼운 기어 이, 스프링 또는 베어링 부품은 표면에서 이미 변태가 진행되는 동안 중심부가 여전히 냉각욕 온도를 향해 냉각 중일 수 있다. 중심부가 동일한 경로를 완료하지 못하면 최종 조직은 혼합 조직이 된다.

따라서 오스템퍼링은 경화능과 단면 크기에 크게 좌우된다. 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘 및 니켈과 같은 합금 원소는 일반적으로 확산 변태를 지연시켜 펄라이트 및 베이나이트 반응이 더 긴 시간 영역에서 일어나게 한다. 그러나 이러한 원소들은 $M_s$, 베이나이트 변태 속도, 잔류 오스테나이트의 안정성 및 필요한 냉각욕 온도도 변화시킨다. 저탄소강은 고탄소 오스템퍼링 강종에서 기대되는 강도를 발휘하지 못할 수 있으며, 탄소 또는 합금 원소 함량이 지나치게 높으면 변태 시간이 길어지거나 냉각 후 잔류 오스테나이트가 남을 수 있다.

마템퍼링도 오스테나이트화로 시작하지만 목적은 다르다. 오스테나이트화된 부품을 $M_s$ 바로 위에서 유지되는 냉각욕에 담근다. 이 온도는 고정된 보편적 온도라기보다 해당 강종에 맞게 선정되는 경우가 많다. 표면과 중심부가 비슷한 온도에 도달할 수 있을 만큼 유지하되, 상당한 베이나이트 또는 펄라이트가 형성될 정도로 오래 유지하지는 않는다. 그런 다음 부품을 일반적으로 공기 또는 다른 제어된 매체 속에서 마르텐사이트 변태 범위를 통과하도록 냉각하고, 뜨임을 실시한다.

냉각욕은 온도를 균일화하지만, 일반적으로 등온 변태를 완료시키지는 않는다. 마르텐사이트는 이후 일정한 온도 범위에 걸쳐 형성되므로 마템퍼링은 여전히 마르텐사이트 경화 공정이다. 이어지는 뜨임 단계는 취성을 줄이고 경도, 인성 및 치수 안정성을 조정한다. 뜨임을 생략하면 높은 잔류 응력과 허용할 수 없는 균열 위험이 남을 수 있으며, 특히 고탄소강에서 그러한 위험이 크다.

변형 및 균열에 관한 고려 사항

직접 담금질은 두 가지 주요 응력 원인을 만든다. 표면이 내부보다 먼저 냉각되고 수축하기 때문에 열응력이 발생한다. 오스테나이트가 서로 다른 비체적을 갖는 생성물로 변태하기 때문에 변태 응력도 발생하며, 특히 단면 각 위치에서 서로 다른 시점에 마르텐사이트가 형성될 때 그러하다. 형상은 두 효과를 모두 증폭시킨다. 날카로운 모서리, 두꺼운 보스에 연결된 얇은 웹, 키홈, 구멍 및 급격한 두께 변화는 변형을 집중시킨다.

오스템퍼링은 베이나이트가 형성되기 전에 부품을 비교적 균일한 냉각욕 온도로 가져가기 때문에 이송 후 열 구배를 줄인다. 또한 베이나이트 변태는 표면부터 마르텐사이트로 진행되는 급격한 담금질보다 더 제한되고 제어된 범위에서 일어난다. 따라서 변형과 균열이 감소할 수 있지만 완전히 제거되지는 않는다. 불균일한 교반, 지연된 이송, 냉각욕 온도의 변동 또는 불완전한 변태는 영역별로 서로 다른 조직을 만들 수 있다. 베이나이트, 잔류 오스테나이트, 마르텐사이트 및 펄라이트가 함께 존재할 수 있으며, 각각 서로 다른 치수 변화 이력과 응력 이력을 갖는다.

마템퍼링은 급속 냉각과 마르텐사이트 변태를 분리하여 동일한 문제에 대응한다. $M_s$를 통과하기 전에 온도를 균일화하면 마르텐사이트의 큰 체적 변화가 시작될 때 표면과 중심부의 온도 차이가 줄어든다. 이 공정은 특히 복잡한 형상에서 직접 담금질에 비해 담금질 균열과 치수 변화를 줄일 수 있다. 그러나 마르텐사이트가 여전히 형성되고 그 변태가 완전히 균일하지 않기 때문에 모든 변형을 방지할 수는 없다. 선행 냉간가공, 불균일한 오스테나이트, 탈탄, 잔류 단조 응력 및 비대칭 형상은 여전히 변형을 일으키는 원인으로 작용한다.

공정 제어는 노 설정 온도 이상을 다루어야 한다. 오스테나이트화 온도와 유지 시간은 결정립 성장 및 탄소 분포를 좌우한다. 이송 시간은 펄라이트 또는 원치 않는 표면 변태가 시작되기 전에 부품이 의도한 냉각욕에 도달하는지를 결정한다. 냉각욕 온도, 순환, 오염, 장입 밀도 및 염욕이나 유조의 상태는 열 추출에 영향을 미친다. 온도 센서는 노나 냉각욕만이 아니라 가공물의 상태를 대표해야 한다. ISO 17663:2023은 공기 또는 제어 분위기에서 수행되는 열처리와 관련하여 품질 요구 사항을 규정하며, 페라이트계 강과 관련 용접 또는 성형 부품의 작업장 및 현장 작업을 포함한다. 잔류 응력과 치수 정확도가 중요한 경우, 절차 관리에 대한 이 표준의 강조점은 직접적인 관련성을 갖는다.

베이나이트 또는 중단 담금질 조직이 중요한 경우

오스템퍼링은 최대 담금질 직후 경도를 얻는 것보다 강도, 인성, 피로 성능, 내마모성 및 치수 제어의 특정 조합이 더 중요할 때 고려된다. 오스템퍼링 구상흑연주철은 별도의 재료 체계이지만, 강에서는 강종과 단면이 완전한 베이나이트 변태를 허용하는 경우 적합한 스프링, 기어, 핀, 클립 및 마모 부품에 이 경로를 적용할 수 있다. 목표 조직은 정확하게 명시해야 한다. 단순히 “베이나이트”라고 하는 것만으로는 상부 베이나이트인지 하부 베이나이트인지, 잔류 오스테나이트 함량, 탄화물 상태 또는 경도를 알 수 없다.

마템퍼링은 마르텐사이트 조직이 필요하지만 직접 담금질로 인해 허용할 수 없는 변형이나 균열이 발생할 때 더 적합하다. 이 공정은 단면 두께와 경화능에 특히 크게 의존한다. 대형 단면은 중심부가 너무 느리게 냉각되어 마르텐사이트 경로가 확립되기 전에 펄라이트 또는 베이나이트가 형성될 수 있다. 반대로 소형 단면은 너무 빠르게 냉각되어 온도 균일화의 이점이 제한될 수 있다. 또한 냉각욕은 장입 상태에서 온도를 유지할 수 있도록 충분한 처리 용량과 순환 능력을 갖추어야 한다.

어느 처리도 보편적으로 적합한 것은 아니다. 일반적인 철–탄소 선도가 아니라 해당 강종의 TTT 및 CCT 선도가 그 경로의 실행 가능성을 결정한다. ASTM International은 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트, 펄라이트, 마르텐사이트 및 베이나이트를 강 열처리의 핵심 상으로 규정하고 있으며, ASM의 2024년 논의는 이러한 상을 시간 및 냉각 속도와 연결하여 설명한다. ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화 및 특정 노멀라이징 상태를 목적으로 하는 비합금강을 명시적으로 포함한다. 그러나 해당 표준에 따른 강종 지정만으로 실제 부품에 대한 변태 속도, 설비 한계 및 검사 요구 사항을 확인해야 할 필요성이 없어지는 것은 아니다.

표면 경화 및 경화층 특성 설계

표면 경화는 단순히 강 부품의 외부를 “단단하게” 만드는 방법이 아니다. 이는 동일한 부품의 서로 다른 영역에 서로 다른 특성을 부여하는 방법이다. 표면은 고탄소 마르텐사이트 또는 다른 경질 조직으로 변태시킬 수 있는 반면, 심부는 더 높은 인성, 더 낮은 경도 또는 이미 뜨임된 상태를 유지할 수 있다. 따라서 설계 목표는 단일 경도값이 아니라 단면을 관통하는 특성 분포이다.

ASM Handbook Volume 4A는 화염 경화와 유도 경화를 더 넓은 범주의 강 표면 경화 공정에 포함하여 다룬다. ISO 683-1:2016 역시 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화, 그리고 일부 경우에는 정상화 상태를 목적으로 하는 강을 규정한다. 이러한 공정은 일반적인 경화와 동일한 야금학적 순서에 의존한다. 즉, 선택된 영역을 오스테나이트 범위까지 가열하고, 필요한 변태가 일어날 만큼 충분히 유지한 다음, 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트의 생성을 억제할 수 있을 만큼 빠르게 냉각한다. 그 결과는 조성, 초기 조직, 온도 이력 및 냉각 조건에 따라 달라진다.

화염 경화와 유도 경화

화염 경화는 연료 가스 화염을 사용하여 표면을 국부적으로 가열한 뒤, 물, 고분자 용액 또는 다른 제어된 냉각 매체로 담금질하는 공정이다. 화염은 평평한 면, 치형, 저널, 레일, 캠 또는 기타 형상 영역을 가로질러 이동할 수 있다. 가열 양상은 버너 설계, 화염과 표면 사이의 거리, 가스 유량, 이동 속도, 부품 형상 및 강의 열전도율에 의해 결정된다. 일반적으로 이동 속도가 느리거나 투입 열량이 많으면 오스테나이트화 깊이가 증가하지만, 열 투입이 과도하면 결정립 조대화, 용융, 탈탄 또는 과도한 변형이 발생할 수 있다.

유도 경화에서는 교류 전자기장을 통해 열을 발생시킨다. 표면 근처에서 유도된 전류가 가열을 일으키며, 그 분포는 주파수의 영향을 크게 받는다. 주파수가 높을수록 가열이 표면 가까이에 집중되고, 주파수가 낮을수록 전자기적 침투와 열확산이 더 깊은 곳까지 도달한다. 그러나 주파수만으로 경화층 깊이가 결정되는 것은 아니다. 출력, 코일과 부품 사이의 결합, 가열 시간, 이동 속도, 코일 형상, 전류 분포 및 담금질 지연 시간이 모두 온도장을 변화시킨다. 예를 들어 치형 부품은 치끝, 치저, 어깨부 및 얇은 단면이 서로 다른 속도로 열을 방출하기 때문에 불균일하게 가열될 수 있다.

가열 양상은 형상에 억지로 적용할 것이 아니라 형상을 중심으로 설계해야 한다. 날카로운 모서리는 열이 확산될 수 있는 체적이 더 작기 때문에 인접한 넓은 면보다 더 뜨거워질 수 있다. 보어는 비교적 낮은 온도를 유지하는 동안 외경은 오스테나이트화될 수 있다. 스캔의 중단, 유도 가열 패스의 중첩 또는 단면의 급격한 변화는 경도와 잔류응력이 서로 다른 띠를 만들 수 있다. 따라서 온도 측정은 어렵다. 광학 고온계는 가장 뜨거운 모서리를 대표하지 않는 표면 위치의 온도를 읽을 수 있으며, 열전대는 국부 가열 양상을 교란할 수 있다.

초기 미세조직은 오스테나이트화의 출발 조건을 결정한다. 미세 펄라이트, 뜨임 마르텐사이트, 페라이트-탄화물 혼합 조직 및 구상화 시멘타이트는 동일한 속도로 용해되지 않는다. 탄화물의 크기와 분포는 오스테나이트에 공급되는 탄소의 양에 영향을 미치며, 합금 원소는 변태 속도론과 경화능에 영향을 준다. C45 또는 SAE 1045와 같은 중탄소강에서는 얻을 수 있는 마르텐사이트 경화층이 주로 탄소 함량과 냉각 속도에 의해 결정된다. 42CrMo4와 같은 합금강은 해당 명칭이 적용되는 경우 ASTM A29 등급 4140에 대응하며, 합금 원소가 확산 변태를 지연시켜 더 깊은 냉각 영역에서도 마르텐사이트가 형성되도록 할 수 있다. 그러나 강종 지정만으로 실제 화학 조성과 단면의 경화 응답을 확인할 필요가 없어지는 것은 아니다.

표면과 심부의 특성

경화층은 공간적 분포로 규정해야 한다. 표면 경도는 최초 측정 위치의 경도를 나타낼 뿐, 경화 조직이 얼마나 깊이까지 연장되는지는 알려주지 않는다. 경화 깊이는 금속조직학적 경계, 임계 경도 또는 유효 경화 깊이와 같은 공학적 기준으로 정의할 수 있다. 이러한 정의는 서로 바꾸어 사용할 수 없다. 표면 경도가 60 HRC이더라도 경화층이 얕을 수 있고, 완만한 전이 또는 표면 바로 아래에서 급격한 경도 저하가 나타날 수 있다.

심부 상태도 똑같이 중요하다. 부품에는 인성이 높은 뜨임 마르텐사이트 심부, 정상화된 페라이트-펄라이트 심부 또는 균열 없이 변형을 흡수할 수 있는 더 연한 조직이 요구될 수 있다. 이미 고강도 심부가 존재하는 경우에는 국부 가열로 인해 인접 영역이 뜨임되거나 과열되지 않도록 해야 한다. 심부의 경화능이 낮으면 담금질 과정에서 상대적으로 연한 내부 위에 경질 껍질이 형성될 수 있다. 이는 접촉 피로에 대해서는 허용될 수 있지만, 굽힘 강도가 전체 단면에 의존하는 부품에는 적합하지 않을 수 있다.

전이 영역에는 특별한 주의가 필요하다. 이 영역에는 완전한 변태에 충분하지 않은 오스테나이트화 온도를 경험했거나, 완전한 마르텐사이트 조직을 형성하기에는 냉각 속도가 너무 느렸던 재료가 포함된다. 전이 영역의 경도 구배는 경화층과 심부 사이의 변형 적합성을 좌우한다. 급격한 구배는 응력을 집중시킬 수 있으며, 넓은 구배는 최대 응력을 줄일 수 있지만 깊은 위치에서 내마모성을 낮출 수 있다. 경화 후 뜨임은 취성을 줄이고 특성 분포를 안정화할 수 있지만, 동시에 경도를 낮춘다. 선정된 공정 사이클은 뜨임 응답, 잔류 오스테나이트, 탄화물 석출 및 치수 변화를 고려해야 한다.

따라서 표면 경도, 유효 경화 깊이, 전이 영역의 형상, 잔류응력 및 변형을 함께 평가해야 한다. 표면의 높은 압축 잔류응력은 굽힘 피로에 대한 저항성을 향상시킬 수 있지만, 인장응력은 균열 발생을 촉진할 수 있다. 응력의 부호와 크기는 마르텐사이트 변태 변형, 열수축, 단면 형상, 구속 조건 및 담금질 시점에 따라 달라진다. 경도 시험만으로는 이러한 응력 상태를 확인할 수 없다.

열 구배와 자기 담금질

국부 경화가 가능한 이유는 가열된 층과 더 차가운 내부가 서로 다른 열 이력을 따르기 때문이다. 가열 중에는 표면이 팽창하고 심부가 이를 구속한다. 냉각 중에는 표면이 먼저 수축하며, 심부가 여전히 뜨거운 상태에서 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 마르텐사이트 형성은 변태 팽창을 추가로 일으킨다. 이러한 열적 변형과 변태 변형의 상호작용은 잔류응력을 발생시키며, 굽힘, 타원도, 런아웃 또는 균열을 유발할 수 있다.

자기 담금질은 부품의 가열되지 않은 질량이 오스테나이트화된 층에서 열을 충분히 빠르게 빼앗아 별도의 외부 담금질 없이 마르텐사이트를 형성하게 하는 현상이다. 또는 내부의 열 흡수원이 표면 담금질을 상당히 보조하는 경우도 포함한다. 이는 차가운 심부와 높은 열전도율을 가진 두꺼운 단면에서 가장 효과적이다. 얇은 단면, 좁은 돌출부 및 이미 가열된 부품에서는 자기 담금질의 효과가 더 약하다. 자기 담금질만으로는 모든 위치에서 필요한 냉각 속도를 달성하지 못할 수 있으므로 외부 분무를 추가하는 경우가 많다.

관련 냉각 속도는 경화층 전체에서 균일하지 않다. 표면은 분무와의 접촉으로 빠르게 냉각될 수 있지만, 경화층과 심부의 경계는 전도를 통해 냉각되고 심부는 뜨거운 상태로 남는다. 강의 경화능은 각 위치가 연속 냉각 변태도에 표시된 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 영역을 피할 수 있는지를 결정한다. 탄소 함량은 마르텐사이트의 경도를 결정하고, 합금 원소는 변태 거동을 이동시키며, 형상은 열 흐름을 결정한다.

공정 인증에서는 시험편뿐 아니라 실제 부품을 대상으로 분포를 확인해야 한다. 금속조직 단면, 경도 분포 측정, 치수 검사 및 잔류응력 측정은 표면 경도 검사만으로는 발견할 수 없는 결함을 드러낼 수 있다. ISO 17663:2023은 주로 페라이트계 강과 관련 용접 또는 성형 부품을 대상으로, 작업장이나 현장에서 수행되는 열처리를 품질 요구사항 체계 안에 포함한다. 이 표준의 적용 범위는 실무적으로 중요한 점을 강조한다. 온도 기록, 장비 관리, 교정, 냉각 관행 및 검사는 열처리 사양에 포함되어야 한다. 경화층 특성 설계는 열 사이클, 미세조직, 응력 상태 및 치수 결과를 하나의 연계된 문제로 다룰 때 성공할 수 있다.

변형, 잔류 응력 및 균열

변형은 성공적인 열처리에 부수적으로 발생하는 사소한 치수상의 불편이 아니다. 변형은 예측하고 제어해야 하는 주요 결과 중 하나이다. ASM International의 2024년 장(章)인 「열처리의 기본 원리와 설계 지침」은 변형과 잔류 응력을 담금질의 사후 문제로 다루지 않고, 상변태와 함께 다룬다. 이러한 강조는 타당하다. 부품이 경도 요구사항을 충족하더라도 휘거나, 직경이 변하거나, 평탄도를 잃거나, 이후 균열을 시작하게 하는 인장 응력을 포함하면 파손될 수 있다.

서로 관련되어 있지만 구분해야 하는 세 가지 조건이 있다. 변형은 형상이나 치수가 눈에 보이거나 측정 가능한 정도로 변화하는 것이다. 잔류 응력은 외부 하중과 열 구배가 사라진 후에도 남아 있는 자기평형 응력장이다. 이는 눈에 보이는 형상 변화 없이도 존재할 수 있다. 담금질 균열은 실제 파괴로, 일반적으로 변태 응력과 열응력이 강철의 국부 강도 및 인성을 초과할 때 발생한다. 따라서 부품은 직선 상태이지만 높은 응력을 가질 수도 있고, 균열 없이 변형될 수도 있으며, 최종 치수 변화가 작아 보여도 균열이 발생할 수 있다.

열 구배와 변태 변형률

가열 중에는 일반적으로 강철 부품의 표면 온도가 중심부보다 먼저 변한다. 더 뜨거운 영역은 팽창하는 반면, 더 차가운 내부는 이러한 팽창을 구속한다. 표면이 먼저 오스테나이트화 온도 범위에 도달하면, 아직 페라이트 또는 펄라이트 상태인 중심부와는 탄성 및 소성 거동이 달라진다. 냉각 시에는 순서가 반전되지만 응력 분포가 단순히 상쇄되지는 않는다. 강도, 열팽창 및 상 안정성이 계속 변하기 때문이다.

변태 변형률은 치수 변화의 두 번째 원인이다. 오스테나이트는 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트와 결정 구조 및 비체적이 다르다. 오스테나이트가 변태할 때 부품은 변태 생성물과 탄소 함량에 따라 팽창하거나 수축할 수 있다. 일반적으로 마르텐사이트 형성은 체적 증가를 일으키지만, 그 증가량과 발생 시점은 고용 탄소, 합금 함량 및 국부 냉각 속도에 따라 달라진다. 중심부가 여전히 오스테나이트 상태로 남아 있는 동안 표면이 마르텐사이트 시작 온도에 도달하면, 표면은 열적으로 계속 수축 중인 중심부에 대항하여 팽창할 수 있다. 이후 중심부가 변태하면서 응력 균형이 다시 변한다.

그 결과 열수축, 변태 변형률 및 구속 사이에서 계속 변화하는 상호작용이 발생한다. 얇은 모서리는 빠르게 냉각 및 변태하여 내부가 변하기 전에 강도를 얻을 수 있다. 두꺼운 중심부는 뜨겁고 비교적 변형되기 쉬운 상태로 남아 있다가 나중에 변태하며, 이미 경화된 표면은 그 움직임을 억제한다. 표면의 인장 잔류 응력은 특히 위험하다. 균열은 일반적으로 표면의 예리한 모서리, 개재물, 탈탄 영역, 연삭 자국 또는 기타 응력 집중부에서 시작되기 때문이다.

철–탄소 상태도는 평형 상 관계를 설명하지만, 그 자체만으로 이러한 순서를 예측할 수는 없다. 변태도와 실제 연속 냉각 이력이 필요하다. ASM의 열처리 참고 자료는 열 이력과 상 형성의 관계를 파악하기 위한 도구로 시간–온도–변태도와 연속 가열/연속 냉각 변태도를 제시한다. 따라서 동일한 공칭 담금질이라도 C45와 같은 탄소강과 42CrMo4와 같은 합금강에서는 서로 다른 응력장이 형성될 수 있다. 경화능에 따라 마르텐사이트가 형성되는 위치와 시점이 달라지기 때문이다.

균열에는 높은 경도 수치만으로는 충분하지 않다. 균열 발생 여부는 국부 인장 응력, 온도에 따른 강철의 강도와 연성, 변태 시점, 단면 형상, 표면 상태 및 야금학적 결함에 좌우된다. 냉각 후 수소, 잔류 응력 및 고강도 마르텐사이트가 함께 작용하면 지연 균열이 발생할 수 있다. 뜨임은 담금질 직후 마르텐사이트와 관련된 일부 응력과 취성을 줄이지만, 균열로 분리된 재료를 복구할 수는 없다.

형상, 고정 및 담금질 접근성

형상은 열 흐름과 기계적 구속을 모두 제어한다. 길고 가느다란 축은 짧고 두꺼운 단면보다 쉽게 휜다. 링은 진원도가 변하거나 직경이 커질 수 있다. 두께가 균일하지 않은 판은 양면이 서로 다른 속도로 냉각되기 때문에 접시 모양으로 변형될 수 있다. 구멍, 키홈, 홈, 나사산, 급격한 단차 및 막힌 공동은 유체 흐름을 방해하고 국부적인 냉각 강도의 차이를 만든다. 예리한 오목 모서리는 열 변형률과 변태 변형률이 가장 빠르게 변하는 바로 그 위치에 응력을 집중시킨다.

단면 크기는 의도한 변태가 전체 두께를 통해 발생하는지 여부도 결정한다. 저합금강은 표면 근처에서 마르텐사이트를 형성할 수 있지만, 중심부가 너무 느리게 냉각되면 중심부 쪽에는 베이나이트 또는 펄라이트가 형성될 수 있다. 이러한 미세조직 차이는 체적, 경도, 강도 및 후속 뜨임 반응의 국부적 차이를 만든다. 따라서 치수 변화는 단순히 균일한 크기 변화가 아니라 형상 문제가 된다.

고정은 한 방향의 움직임을 억제하는 동시에 다른 방향의 움직임을 강제할 수 있다. 담금질 중 판을 평평하게 클램핑하면 작업 중 굽힘을 줄일 수 있지만, 해제된 탄성 에너지가 이후 스프링백이나 비틀림을 일으킬 수 있다. 맨드릴은 일시적으로 보어 형상을 유지할 수 있지만, 그 주위의 원주 방향 응력을 증가시킬 수 있다. 소수의 지점에서만 접촉하는 지지대는 지지되지 않은 영역이 자유롭게 뒤틀리도록 만들 수 있으며, 반대로 과도한 구속은 균열 위험을 높일 수 있다. 부품은 순환을 방해하거나 불필요한 기계적 구속을 받지 않으면서 지지되도록 하중을 배치해야 한다.

담금질 접근성은 단순히 담금질액을 선택하는 문제가 아니라 형상과 관련된 문제로 고려해야 한다. 서로 마주 보는 표면, 포개진 부품, 막힌 구멍 및 지나치게 빽빽하게 적재된 바스켓은 노출된 표면보다 유체의 이동을 덜 받을 수 있다. 증기막이나 갇힌 공기는 특정 위치의 냉각을 지연시킬 수 있다. 교반은 증기를 제거하고 예측 가능한 냉각 조건을 유지할 수 있을 정도로 충분해야 하지만, 과도하거나 불균일한 교반은 방향에 따른 냉각 차이를 확대할 수 있다. 욕조 온도, 유체 상태, 이송 시간 및 적재 패턴이 모두 중요하다.

로 설계를 선택하기 전에 설계를 변경하면 위험을 줄이는 경우가 많다. 예리한 모서리 대신 충분한 곡률 반경을 적용하고, 두께 변화를 완만하게 하며, 심한 국부 구속을 피하도록 구멍과 홈의 위치를 정하고, 열처리 후 변형을 제어하여 제거할 수 있도록 가공 여유를 둔다. 어떤 단일 형상 규칙도 모든 고장을 방지할 수는 없다. 유냉에 안전한 설계라도 물, 고분자 용액, 염욕 또는 가스에서는 다르게 거동할 수 있다.

치수 안정성을 위한 공정 제어

치수 제어는 장입물 전체에 걸쳐 재현성 있는 열 사이클에서 시작된다. 균일한 로 온도, 적절한 지지, 제어된 가열 속도 및 충분한 유지 시간은 표면과 중심부의 차이를 줄인다. 다만 지나치게 긴 유지는 결정립을 조대화하고, 산화를 증가시키거나, 불필요한 노출로 인해 변형을 악화시킬 수 있다. 분위기 제어는 스케일과 탈탄을 제한한다. 이를 제어하지 않으면 표면 경도와 치수 응답이 달라진다.

로에서 담금질조로의 이송은 지정된 열 이력을 유지할 수 있을 만큼 신속해야 하며, 장입물마다 일관되어야 한다. 장입 방향은 중요한 표면이 반복적으로 동일한 방식으로 노출되도록 해야 한다. 담금질 강도는 최대 냉각 속도만을 기준으로 선택하지 말고, 강철의 경화능과 요구되는 미세조직에 맞추어야 한다. 적절한 교반과 유체 순환은 필수적이지만, 공칭상 동일한 욕조라도 서로 다른 면을 서로 다른 속도로 냉각할 수 있으므로 그 세기와 방향을 모니터링해야 한다.

단계 냉각 또는 중단 냉각은 최종 변태 전에 표면과 중심부의 온도 차이를 줄일 수 있다. 예를 들어 마르템퍼링은 온도가 균일해질 때까지 강철을 마르텐사이트 시작 범위보다 높거나 그 부근의 온도에서 유지한 다음, 마르텐사이트가 보다 균일하게 형성되도록 한다. 오스템퍼링은 다른 변태 경로를 사용하여 강철을 베이나이트가 형성되는 온도에서 유지하며, 마르텐사이트 범위로 직접 냉각하지 않는다. 이러한 방법은 적합한 강종과 형상에서 변형을 줄일 수 있지만, 경화능, 단면 크기, 욕조 제어 및 변태 속도를 검증할 필요성을 없애지는 않는다.

뜨임은 지정된 공정 범위 내에서 담금질 후 실시해야 한다. 일부 부품에서는 황삭 가공 후 또는 이전 열처리 작업 후 별도의 응력 제거 처리를 실시하면 최종 가공 중 잔류 응력이 해방될 가능성을 줄일 수 있다. 응력 제거가 모든 문제를 해결하는 것은 아니다. 응력 제거는 경도를 변화시키거나 치수 공차에 영향을 줄 수 있으며, 심한 담금질로 고착된 응력을 제거하지 못할 수도 있다.

검사는 표면 경도 이상의 항목을 측정해야 한다. 부품에 따라 치수 검사는 열처리 전후의 길이, 진원도, 직진도, 평탄도, 보어 크기 및 런아웃을 포함할 수 있다. 경도 분포 측정, 금속조직 검사, 자분탐상검사 및 초음파검사는 서로 다른 종류의 문제를 드러낼 수 있다. ISO 17663:2023은 페라이트계 강철과 관련 용접 또는 성형 부품을 대상으로 공기 또는 제어 분위기에서 수행하는 열처리에 대한 품질 요구사항을 규정하며, 작업장에서 또는 현장에서 수행되는 작업을 포함한다. 이 표준의 품질 중심 접근법은 로 온도, 이송 시간, 욕조 상태, 장입물 식별 정보 및 검사 결과를 기록하는 것을 뒷받침한다.

따라서 치수 안정성은 설계와 공정의 결과이다. 균일한 가열이 도움이 되고, 제어된 이송이 도움이 되며, 적절한 교반이 도움이 되고, 응력 제거가 도움이 될 수 있지만, 어느 하나도 모든 경우에 충분하지 않다. 허용 가능한 사이클이란 요구되는 상과 특성을 생성하면서 열 변형률, 변태 변형률, 구속 및 잔류 응력을 부품이 허용할 수 있는 변형 및 파괴 한계 내에 유지하는 사이클이다.

용접 및 제작에서의 열처리

제작에서 열처리는 노 사이클을 지정하기 전에 시작된다. 용접, 화염 절단, 성형, 교정 및 국부 수리는 각각 강재에 열 이력을 부여하며, 이러한 열 이력은 부품의 일부에만 작용하는 경우가 많다. 용접 아크는 좁은 영역의 온도를 오스테나이트화 범위 이상으로 상승시키는 반면, 인접한 재료는 상대적으로 낮은 온도를 유지할 수 있다. 이후 열은 모재로 이동하여 가파른 온도 구배와 불균일한 수축을 일으킨다. 따라서 생성된 용착 금속, 용융 경계, 열영향부(HAZ) 및 영향을 받지 않은 모재는 서로 다른 미세조직, 경도 수준 및 잔류응력을 가질 수 있다.

결과는 조성, 단면 두께, 구속 조건, 이음부 형상, 입열량, 예열, 패스 간 온도, 냉각 조건 및 이후에 수행되는 처리에 따라 달라진다. 기계가공된 시험편에서 그대로 가져온 하나의 처방으로는 이러한 모든 변수를 반영할 수 없다.

예열, 용접 후 열처리 및 국부 열 사이클

예열은 용접 영역과 주변 강재 사이의 온도 차이를 줄인다. 일반적으로 예열은 용접 후 냉각을 지연시켜 확산성 수소가 빠져나갈 시간을 늘리고, 취약한 강재에서 수소 보조 균열이 발생할 가능성을 낮춘다. 또한 열 구배를 줄여 수축 관련 응력을 감소시킬 수 있다. 그러나 예열은 보편적인 안전장치가 아니다. 과도한 온도는 HAZ를 확대하고, 인성을 변화시키며, 변형을 증가시키거나, 지정된 용접 절차를 방해할 수 있다.

관련 온도는 토치, 유도가열 코일 또는 아크의 온도만을 의미하지 않는다. 이는 이음부 주변 영역과, 해당되는 경우 패스 간 영역을 포함하여 지정된 위치에서 측정한 가공물의 온도이다. 두께, 이음부 구속, 탄소 함량, 합금 첨가량 및 경화능은 냉각 속도에 영향을 준다. 탄소-망간강과 저합금 Cr-Mo강은 동일한 명목 예열 온도에 대해 매우 다르게 반응할 수 있다.

용접 중에는 임계 변태 범위를 초과하는 HAZ의 일부에서 오스테나이트가 형성될 수 있다. 냉각 과정에서 이 오스테나이트는 연속 냉각 경로에 따라 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 용융 경계 부근에서는 조대한 결정립이 형성될 수 있으며, 더 멀리 떨어진 곳에는 부분 변태 영역 또는 뜨임된 영역이 나타날 수 있다. 이러한 영역은 평형 철–탄화철 상태도만으로는 표시되지 않는다. 시간-온도-변태(TTT) 선도는 등온 거동을 설명하며, 연속 가열 변태 및 연속 냉각 변태(CCT) 선도는 실제 제작 사이클을 설명하는 데 더 유용한 경우가 많다.

용접 후 열처리(PWHT)는 경질 변태 생성물을 뜨임하고, 잔류응력을 감소시키며, 치수를 안정화하고, 사용 중 손상에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. 페라이트계 강재의 경우, 이 처리는 용접된 부품을 지정된 범위까지 가열하고, 관련 단면이 요구되는 상태에 도달할 수 있을 만큼 충분히 유지한 다음, 제어된 조건에서 냉각하는 방식으로 수행될 수 있다. 실제 사이클은 재료 규격, 설계 코드, 용접 절차 또는 자격이 부여된 기술 지침에 따라 정해야 한다. PWHT는 단순한 “응력 제거”가 아니다. 경도, 인성, 강도 및 미세조직을 변화시킬 수 있기 때문이다.

국부 PWHT는 형상에 특히 민감하다. 원주 용접부 주위에 가열 밴드를 형성하면 이동하는 열장이 만들어지며, 급격한 열 구배로 인해 새로운 응력이 발생하지 않도록 가열 밴드 바깥쪽의 온도를 제어해야 한다. 대형 용기, 배관 및 현장 수리에서는 여러 가열 구역, 단열, 제어 냉각 및 다수의 열전대가 필요할 수 있다. 노에서 처리하면 보다 균일한 환경을 제공할 수 있지만, 장입 상태, 노의 교정 상태, 지지 조건 및 부품에서 가장 차가운 부분 역시 여전히 중요하다. 노를 사용한다고 해서 가공물 온도가 균일해지는 것은 아니다.

동일한 원리는 관련 공정에도 적용된다. 화염 교정은 의도적으로 국부적인 팽창과 수축을 발생시키며, 유도가열은 표면을 경화시키는 동시에 그 아래에 가파른 천이 영역을 남길 수 있다. 열간 성형은 결정립 구조와 잔류응력을 변화시키며, 열 절단은 경화되거나 연화된 절단 가장자리를 남길 수 있다. 각 공정은 단순히 고립된 온도 판독값으로 보지 말고, 정의된 열 사이클로 다루어야 한다.

페라이트계 강재와 용접 또는 성형 부품

페라이트계 강재에는 다양한 탄소강, 탄소-망간강, 저합금강, 압력용기용 강재, 구조용 강재 및 배관용 강재가 포함된다. 이들의 거동은 탄소 및 합금 함량, 초기 결정립 크기, 단면 크기 및 냉각 속도에 의해 좌우된다. ASTM International의 Steel Metallurgy & Heat Treatment 과정에서 명칭이 사용되는 익숙한 상인 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트, 펄라이트, 마르텐사이트 및 베이나이트는 서로 바꾸어 사용할 수 있는 명칭이 아니다. 이들은 서로 다른 배열과 변태 생성물을 나타내며, 경도, 강도, 인성 및 균열 거동도 서로 다르다.

용접에서는 모재 전체가 페라이트-펄라이트 조직으로 유지되더라도, 빠르게 냉각되고 경화능이 있는 HAZ에서 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 뜨임은 이러한 경도를 낮출 수 있지만, 결과는 원래의 조성과 열 노출 조건에 따라 달라진다. 용접부를 재가열하면 앞서 용착된 패스에도 영향을 준다. 이후의 패스가 이전 패스에서 생성된 재료를 뜨임하거나, 결정립을 미세화하거나, 부분적으로 변태시킬 수 있기 때문이다. 두껍고 구속된 단면에서는 표면과 중심부가 서로 다른 냉각 경로를 따를 수 있으므로, 두께 방향으로 경도와 잔류응력이 달라질 수 있다.

성형 부품에도 동일한 주의가 필요하다. 굽힘, 프레싱 및 국부 교정은 형상을 변화시키며 가공경화, 박육화, 잔류응력 또는 결정립 흐름의 변화를 일으킬 수 있다. 성형된 페라이트계 강재 부품을 이후에 용접하는 경우, 기존 성형 이력은 용접 열 사이클과 결합된다. 어닐링, 노멀라이징, 퀜칭 및 뜨임 또는 지정된 응력 제거 처리가 어떤 설계에는 적합할 수 있지만, 다른 설계에는 손상을 줄 수 있다. ISO 683-1:2016은 주로 퀜칭 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화 및 일부 경우 노멀라이징 상태를 목적으로 하는 비합금강의 기술적 납품 요구사항을 다룬다. 그러나 이 규격이 하나의 처리를 제작 조립품에 대한 일반 지침으로 바꾸어 주는 것은 아니다.

ASM International의 2024년 ASM Handbook Volume 4A는 오스테나이트화, 어닐링, 뜨임, 퀜칭, 경화능, 표면 경화, 오스템퍼링, 마템퍼링, 경도 및 잔류응력 제어를 다룬다. 이러한 주제는 지정된 처리가 단순히 노 설정값이 아니라 강종과 부품에 연계되어야 하는 이유를 설명한다. 변형은 열팽창과 변태 변형이 모두 작용하여 발생한다. 구속 조건은 이러한 움직임 중 얼마만큼이 잔류응력으로 전환되는지를 결정한다.

ISO 17663:2023 품질 요구사항

ISO 17663:2023은 용접 및 관련 공정과 연계된 열처리에 대해 명시된 품질 요구사항 표준이다. 이 표준은 공기 중 또는 제어 분위기에서 수행되는 처리를 다루며, 작업장 또는 현장에서 수행되는 경우 모두에 적용된다. 주로 페라이트계 강재와 관련 용접 또는 성형 부품에 적용된다. 이 표준의 중요성은 절차 관리에 있다. 즉, 열 사이클을 책임, 장비, 측정, 기록 및 검사 항목이 정의된 관리된 제조 활동으로 전환한다.

적합한 품질 시스템은 일반적인 노 프로그램으로 충분하다고 가정하지 않는다. 적용 절차에는 재료, 부품, 처리 목적, 가열 방법, 온도 범위, 유지 조건, 냉각 방법 및 관련 측정 위치가 명시된다. 공정이 중요한 경우에는 절차 인증을 통해 제안된 사이클이 대표적인 재료와 형상에서 허용 가능한 특성과 치수 결과를 생성하는지 입증한다. 인증에서는 두께, 이음부 구성, 국부 가열 배치, 구속 조건 및 기록된 공기 온도와 실제 부품 온도 사이의 관계를 고려해야 할 수 있다.

따라서 온도 측정은 기록지에 장식처럼 표시하는 항목이 아니라 관리 기능이다. 열전대, 센서, 기록계 및 교정 상태는 공정에 적합해야 하며, 중요한 고온부와 저온부를 감지할 수 있는 위치에 배치되어야 한다. 노 또는 국부 가열 장비는 균일성, 단열, 지정된 경우의 분위기, 가열 속도, 냉각 속도 및 의도하지 않은 오염이나 산화에 대한 보호를 관리해야 한다. 국부 시스템에서는 구역 배치와 지지대, 부착물 및 자유 가장자리에서의 열 손실에 특히 주의를 기울여야 한다.

기록은 부품에 어떤 일이 일어났는지를 입증한다. 기록에는 재료 및 용접 식별, 절차 개정 번호, 장비 식별, 센서 위치, 온도-시간 차트, 작업자 또는 검사자 정보, 중단 사항, 수리 및 이탈 사항의 처분이 포함될 수 있다. 추적성은 이러한 기록을 용해 번호, 용접 번호, 조립체 또는 성형 부품과 연결한다. 이후 검사를 통해 완료된 작업을 적용 규격과 비교하며, 여기에는 외관 상태, 치수 검사, 경도, 비파괴검사 또는 지배적인 설계 및 제조 문서에서 요구하는 경우의 기계적 시험이 포함될 수 있다.

ISO 17663:2023은 재료 규격, 설계 코드 또는 용접 절차 시방서를 대체하지 않는다. 이 표준은 해당 문서에서 요구하는 처리를 관리하기 위한 품질 체계를 제공한다. 이러한 구분은 중요하다. 성공적인 제작은 관리되고 추적 가능한 열 이력과, 완성된 부품이 요구되는 조직, 특성 및 치수를 유지한다는 증거를 통해 입증되기 때문이다.

강종, 규격 및 표준 용어

강재의 명칭과 열처리 상태는 재료 기록에서 서로 다른 부분을 식별한다. 명칭은 “어떤 강종이 지정되었는가?”라는 질문에 답한다. 상태는 “해당 강재가 다음 제조 공정에 도달하기 전에 어떤 상태로 공급되거나 처리되었는가?”라는 질문에 답한다. 이 두 질문을 혼동하면 올바른 재료 지시가 잘못된 공정 가정으로 바뀔 수 있다.

강종 명칭은 일반적으로 표준에서 정한 조성 등급 또는 제품 범주를 나타낸다. 명칭 자체만으로 해당 강종으로 제작된 모든 부품이 담금질 및 뜨임 처리를 받았다는 뜻은 아니며, 처리 후 특정 경도를 보장하지도 않는다. 반면 납품 상태는 재료가 공급되는 상태를 설명한다. 예를 들어 미처리, 정규화, 담금질 및 뜨임, 또는 해당 제품 규격에 따라 그 밖의 공정을 거친 상태 등이 이에 해당한다. 허용되는 정확한 상태와 요구사항은 표준, 제품 형상 및 구매 규격에 따라 달라진다.

열처리는 세 번째 층위를 더한다. 열처리는 단순히 명명된 상태가 아니라 제어된 열 사이클이다. 가열 속도, 오스테나이트화 방법, 유지 시간, 냉각 강도, 분위기, 온도 균일도, 부품 형상 및 단면 크기는 모두 생성되는 조직에 영향을 미친다. 탄소와 합금 원소는 상 안정성과 변태 속도론에 영향을 주므로, 치수, 노 내 장입량 또는 냉각 배치가 달라지면 동일한 공칭 강종도 다르게 반응할 수 있다.

ASM International의 2024년 ASM Handbook Volume 4A는 물리야금, 경도와 담금질성, 담금질, 풀림, 뜨임, 오스템퍼링, 마템퍼링, 오스테나이트화 및 표면경화 공정을 다룬다. 이러한 주제는 강종 명칭이 공정 규격을 대신할 수 없는 이유를 설명한다. 페라이트, 오스테나이트, 시멘타이트, 펄라이트, 마르텐사이트 및 베이나이트는 서로 다른 열적·속도론적 조건에서 형성된다. 강재의 명칭은 출발 정보의 일부를 제공할 뿐이며, 처리 경로가 어떤 변태를 가능하게 하고 그 변태가 얼마나 균일하게 일어나는지를 결정한다.

담금질 및 뜨임용 비합금강

비합금강이라고 해서 하나의 보편적인 경화 사이클로 처리할 수 있는 강재를 의미하는 것은 아니다. 그 반응은 탄소 함량, 초기 미세조직, 단면 두께, 가열 방법 및 냉각 조건에 좌우된다. 냉각 속도가 충분한 곳에서는 담금질로 마르텐사이트가 생성될 수 있지만, 냉각이 느린 영역에서는 다른 생성물로 변태할 수 있다. 이후 뜨임은 담금질 직후의 조직을 변화시키고 응력을 완화하거나 재분배하지만, 최종 결과는 여전히 전체 열 이력에 좌우된다.

따라서 관련 공학적 질문은 단순히 어떤 강종이 “담금질 및 뜨임강”인지 여부가 아니다. 지정된 재료가 실제 단면과 형상에서 정해진 처리 경로를 통해 요구되는 조직과 특성을 달성할 수 있는지가 핵심이다. 담금질성은 중요하다. 경도만으로는 단면이 어느 깊이까지 변태했는지를 설명할 수 없기 때문이다. 변형과 잔류응력도 중요하다. 부품이 명목상의 경도 목표를 충족하더라도 치수 또는 사용 요구사항을 충족하지 못할 수 있기 때문이다.

평형 철–탄화철 상태도는 준평형 조건에서 상 안정성을 파악하는 데 도움이 되지만, 그 자체로 급속 담금질의 결과를 예측하지는 못한다. 시간–온도–변태도는 등온 변태를 설명하며, 연속 가열 변태도와 연속 냉각 변태도는 변화하는 온도 경로를 보다 직접적으로 다룬다. ASM의 2024년 강재 열처리 내용은 이러한 도표를 오스테나이트화, 변태 거동, 변형 및 잔류응력 제어와 구체적으로 연결한다. 이러한 연결은 경화를 목적으로 하는 비합금강에 필수적이다.

정규화 상태는 강종과 처리 경로의 차이를 보여 주는 사례다. 정규화는 압연 상태 또는 풀림 상태와 다른 초기 미세조직을 형성할 수 있으며, 이후의 오스테나이트화, 담금질 및 뜨임 거동에 영향을 준다. 정규화는 명칭에 자동으로 수반되는 특성이 아니라 지정된 가공 상태로 취급해야 한다.

명칭, 납품 상태 및 처리 경로

재료 지시에는 적어도 세 가지 질문을 구분해야 한다. 즉, 강재의 정체, 납품되는 상태 및 부품에 요구되는 처리이다. 첫 번째는 표준 명칭으로 나타낼 수 있다. 두 번째는 제품 표준 또는 주문 문서의 납품 상태로 표시될 수 있다. 세 번째는 부품을 어떻게 가열하고, 유지하고, 냉각하고, 검사하며, 합격 판정할지를 정하는 공정 규격에 포함되어야 한다.

이러한 기록은 노의 설정값뿐 아니라 부품 자체도 고려해야 한다. 얇은 모서리와 두꺼운 허브는 동일한 열 이력을 겪지 않는다. 구멍, 모서리, 단면 변화 및 치구와의 접촉은 열 흐름과 응력 발생을 변화시킨다. 노 분위기는 표면 화학 조성과 스케일 형성에 영향을 줄 수 있으며, 온도 균일도와 장입 배치는 모든 영역이 의도한 사이클을 받는지에 영향을 준다. 냉각 매체와 교반은 열 추출을 변화시키고, 이송 지연 또는 불균일한 침지는 온도 구배를 발생시킬 수 있다.

처리 명칭만으로는 여전히 불충분하다. “담금질 및 뜨임”은 하나의 순서를 나타내지만 완전한 절차를 나타내지는 않는다. 사용 가능한 공정 규격은 적용 강종과 상태, 설비 제어, 온도 측정, 가열 및 유지 규칙, 이송 요건, 냉각 방법, 뜨임 방법 및 검사 기준을 정해야 한다. 또한 경도 분포 측정, 치수 검사, 표면 상태 및 변형 보정에 관한 규정이 필요할 수도 있다.

표준은 요구사항과 적용 범위를 정하지만, 특정 부품에 관한 공학적 판단의 필요성을 없애지는 않는다. ISO 17663:2023은 용접 및 관련 공정과 연계된 열처리에 대해 별도의 품질 요구사항 맥락을 제공한다. 이 표준은 공장 또는 현장에서 수행되는 대기 중 열처리와 제어 분위기 열처리를 다루며, 주로 페라이트계 강재와 관련 용접 또는 성형 부품에 적용된다. 이 표준이 존재한다고 해서 모든 열처리 작업이 용접 절차가 되는 것은 아니지만, 품질 관리가 수행되는 작업에 맞춰 이루어져야 하는 이유를 보여 준다.

맥락에서 본 ISO 683-1:2016

정확한 제목은 ISO 683-1:2016, 열처리 가능 강, 합금강 및 쾌삭강 — 제1부: 담금질 및 뜨임용 비합금강이다. 이 제목은 비합금강을 더 광범위한 시리즈의 일부로 배치하는 동시에, 해당 문서가 다루는 구체적인 부를 명확히 한다.

ISO 683-1:2016은 명시된 적용 범위 내의 기술적 납품 요구사항을 규정하며, 보편적인 열처리 처방을 규정하는 것은 아니다. Strong evidence

International Organization for Standardization에 따르면, ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화 및 경우에 따라 정규화 상태를 목적으로 하는 비합금강의 기술적 납품 요구사항을 규정한다. 여기서 “기술적 납품 요구사항”이라는 표현이 표준 용어상의 중요한 경계이다. 이 문서는 적용 범위에 따라 공급되는 재료에 대한 요구사항을 정할 뿐이며, 해당 강재로 제작되는 모든 부품에 적용되는 보편적인 제조법은 아니다.

이러한 구분은 두 가지 흔한 오류를 방지한다. 첫째, ISO 683-1:2016의 적용 대상인 명칭이라고 해서 완성 부품이 요구된 처리를 받았다는 증거가 되는 것은 아니다. 둘째, 납품 상태를 선택했다고 해서 설계 목적을 달성하는 데 필요한 완전한 열 사이클이 정해지는 것은 아니다. 부품 규격은 여전히 형상, 단면 크기, 가열, 유지, 냉각, 분위기, 변형 제어, 잔류응력 및 검증을 다루어야 한다.

따라서 ISO 683-1:2016은 더 큰 관리 체계 안에서 재료 및 납품을 규정하는 참조 문서이다. ASM International, ASTM International, NPTEL 및 1984년 참고문헌 Steel and Its Heat Treatment는 모두 상변태와 시간–온도 이력을 통해 열처리를 설명한다. 이 표준은 계약상 재료의 틀을 제공하며, 실제 부품이 요구되는 상태에 도달하는지는 야금학적 분석과 제어된 공정 규격이 결정한다.

공정 관리, 검증 및 고장 분석

열처리는 경도만으로 판단하는 것이 아니라, 관리된 일련의 공정으로서 검증해야 한다. 로에 장입하기 전에 강종, 용강 또는 주조 번호, 제품 형태, 단면 치수 및 이전 상태를 확인해야 한다. 담금질 및 뜨임 처리된 합금강 봉재는 두 재료의 탄소 함량이 비슷하더라도, 노멀라이징된 탄소강 봉재와 서로 대체하여 사용할 수 없다. 초기 페라이트-펄라이트 조직, 이전 냉간가공, 결정립 크기, 편석 및 가공 상태는 오스테나이트화 반응, 변태 속도론, 변형 및 최종 경도에 영향을 미친다.

공정 기록은 해당 재료의 식별 정보와 전체 열 이력을 연결해야 한다. 여기에는 로 설정값과 측정 온도, 분위기 상태, 장입 배치, 필요한 경우 가열 속도, 균열 또는 유지 시간, 이송 시간, 담금질 매체와 교반, 냉각 경로, 뜨임 사이클 및 모든 후처리 작업이 포함된다. ASM Handbook Volume 4A (ASM International, 2024)는 경도, 경화능, 담금질, 변형 및 잔류응력 제어를 동일한 열처리 문제의 범주 안에서 다룬다. 이러한 연관성은 중요하다. 부품이 규정된 표면 경도에 도달했더라도 부적합한 심부, 과도한 인장응력 또는 조립을 불가능하게 하는 형상 변화를 포함할 수 있다.

ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화, 그리고 일부 경우 노멀라이징 상태를 목적으로 하는 비합금강의 기술적 납품 요구사항을 규정한다. ISO 17663:2023은 작업장 또는 현장에서 공기 중이나 제어 분위기에서 수행되는 열처리의 품질 요구사항을 다루며, 주로 페라이트계 강과 관련 용접 또는 성형 부품에 적용된다. 이러한 표준은 품질 체계를 제공하지만, 모든 강종, 형상 및 사용 조건에 하나의 보편적인 합격 기준을 적용하도록 하는 것은 아니다. 적용되는 도면, 재료 규격, 절차서 및 검사 계획에서 허용 기준을 정해야 한다.

로 분위기 및 온도 균일성

온도 제어는 제어기의 표시값이 아니라 측정에서 시작된다. 센서 위치, 복사열 구배, 손상된 단열재, 순환 방해 또는 작업 영역의 과부하 때문에 로에는 850 °C로 표시되더라도 장입물은 다른 온도를 경험할 수 있다. 온도 균일성 조사와 교정된 장입물 열전대는 이러한 차이를 밝혀낸다. 중요한 질문은 단순히 로가 설정값에 도달했는지가 아니라, 부품 전체가 장입물 내에서 요구 온도에 도달하여 의도한 시간 동안 그 온도를 유지했는지 여부이다.

장입 배치는 가열과 냉각에 영향을 미친다. 부품을 서로 빽빽하게 쌓으면 복사열을 서로 차단하고 가스 또는 담금질 유체의 흐름을 제한할 수 있다. 큰 단면은 표면보다 중심부가 더 느리게 가열되며, 얇게 돌출된 부분은 중심부가 아직 의도한 오스테나이트화 범위보다 낮은 온도에 있는 동안 과열될 수 있다. 따라서 로의 온도가 회복된 시점부터 측정한 유지 시간은 장입물이 균열화된 후부터 측정한 유지 시간과 금속학적으로 다를 수 있다.

분위기 제어에는 두 가지 목적이 있다. 즉, 표면의 화학적 변화를 제한하고 재현성 있는 열전달을 뒷받침하는 것이다. 과도한 산소 또는 수증기는 산화와 스케일을 촉진한다. 강의 평형 요구치보다 낮은 탄소 포텐셜은 탈탄을 일으켜 표면에서 탄소를 제거하고 얻을 수 있는 경도를 낮출 수 있다. 탄소 포텐셜이 과도하게 높으면 침탄이 발생하여 단단하고 취성인 표면 또는 비정상적인 탄소 구배가 형성될 수 있다. 흡열성 가스, 질소-메탄올 시스템, 진공, 염욕 및 공기는 각각 서로 다른 모니터링 요구사항을 부과한다. 공정에 따라 이슬점, 산소 포텐셜, 탄소 포텐셜, 가스 유량, 압력 및 경보 기록이 중요할 수 있다.

로에서 담금질조로 이송하는 과정도 또 하나의 관리 지점이다. 이송이 지연되면, 특히 연속 냉각 변태 곡선의 코 부근에서 부분적인 변태가 일어날 수 있으며, 마르텐사이트 형성이 완료되기 전에 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트가 생성될 수 있다. 이후 담금질 온도, 교반, 오염, 농도 및 부품의 방향이 냉각 강도를 결정한다. 한 위치에서 빠르게 냉각되는 담금질제가 다른 위치에서는 증기막, 정체된 유동 또는 변화된 유체 상태 때문에 느리게 냉각될 수 있다. 결과는 단일 냉각 속도 값이 아니라 하나의 공정 이력이다.

경도, 미세조직 및 치수 검사

검증에는 서로 연계된 여러 검사가 사용되어야 한다. 경도는 열처리 반응을 신속하게 선별하는 수단이지만, 그 의미는 측정 위치, 방법, 표면 상태 및 단면 치수에 좌우된다. 가장 편리한 표면만이 아니라 규정된 영역을 검사해야 한다. 단면 두께로 인해 구배가 예상되는 경우 표면과 심부를 비교하고, 검사 방법상 건전한 시험 표면이 필요한 경우 스케일 또는 탈탄된 재료를 제거해야 한다. 경도 분포 측정은 유도 경화 또는 화염 경화가 의도한 경화층 깊이를 형성했는지 보여줄 수 있지만, 단일 측정값은 급격한 변화를 숨길 수 있다.

미세조직 검사는 겉보기에는 모순되는 경도 결과를 설명해 준다. 담금질 후 조직에는 탄소 함량, 합금 원소 첨가, 냉각 속도 및 국부 형상에 따라 그 비율이 결정되는 마르텐사이트, 베이나이트, 페라이트, 펄라이트 및 잔류 오스테나이트가 포함될 수 있다. 뜨임은 마르텐사이트를 변화시키고 담금질 응력의 일부를 완화하지만, 이전 공정상의 모든 오류를 없애지는 않는다. 금속조직 시편은 대표적인 위치 또는 의심되는 위치에서 채취하고, 과열이나 문지름이 발생하지 않도록 준비해야 하며, 강종과 열처리 이력을 고려하여 해석해야 한다.

표면 검사는 산화, 스케일, 탈탄, 침탄, 담금질 균열, 연삭 균열, 겹침 결함 및 국부 과열을 식별할 수 있다. 탈탄은 일반적으로 표면 아래에 저탄소 페라이트층으로 나타난다. 산화가 심하면 스케일 또는 입계 침식이 발생한다. 과도한 잔류 오스테나이트는 높은 탄소 또는 합금 원소 함량, 불충분한 담금질 강도, 지나치게 높은 담금질 온도 또는 실온에서 변태가 완료되지 않을 만큼 낮은 마르텐사이트 시작 온도와 함께 나타날 수 있다. 잔류 오스테나이트는 이후 사용 중, 가공 중 또는 냉처리 중에 변태하여 치수 변화를 일으킬 수 있다.

치수는 정해진 기준면을 기준으로 열처리 전후에 측정해야 한다. 부품 도면에 따라 길이, 직경, 평탄도, 진원도, 흔들림, 구멍 치수 및 관련 윤곽 형상 특성을 기록해야 한다. 변형은 불균일한 가열, 변태에 따른 체적 변화, 열 구배, 비대칭 형상, 담금질 유동, 가공 잔류응력 및 구속에 의해 발생한다. 치수가 공차 내에 있더라도 잔류응력은 남아 있을 수 있으므로, 변형 제어와 응력 제어는 서로 관련되지만 동일한 작업은 아니다. 따라서 ASM의 2024년 변형 및 잔류응력에 관한 내용은 검사 계획 수립과 직접적으로 관련된다.

부적합 결과의 해석

부적합 결과는 분리 및 조사가 필요한 공정 또는 재료 상태의 증거이지, 원인 진단 없이 사이클을 반복하라는 신호가 아니다. 먼저 추적성을 보존해야 한다. 즉, 로 장입물, 재료 용강 번호, 검사 위치, 사용 기기, 교정 상태 및 정확한 결과를 식별해야 한다. 금속학적 원인을 탓하기 전에 시험 방법과 시편 위치를 확인해야 한다. 경도가 실제보다 낮게 측정되는 오류는 스케일, 탈탄, 거친 표면, 얕은 압흔 또는 가장자리에 너무 가까운 위치에서의 측정으로 인해 발생할 수 있다.

연질점은 일반적으로 불충분한 담금질 강도, 불량한 교반, 증기막 형성, 유체 흐름 차단, 과도한 이송 지연, 불충분한 오스테나이트화 또는 선택한 강종과 담금질 조건에 비해 지나치게 큰 단면에서 발생한다. 로 온도의 불균일 또는 부적절한 장입 배치도 동일한 현상을 만들 수 있다. 과도한 경도는 불충분한 뜨임, 잘못된 뜨임 온도, 과침탄된 표면 또는 뜨임되지 않은 마르텐사이트를 포함한 조직을 나타낼 수 있다. 또한 의도한 벌크 재료가 아니라 얇은 경화 영역에서 측정한 결과일 수도 있다.

탈탄은 분위기 제어, 과도한 노출, 스케일 제거 또는 이전 가열 공정과 관련될 가능성이 높다. 산화는 공기 누설, 부적합한 로 포텐셜, 높은 이슬점 또는 장시간 노출을 시사한다. 조대한 결정립은 일반적으로 과도한 오스테나이트화 온도, 지나치게 긴 유지 시간, 반복 가열 또는 국부 과열 이후에 발생하며, 인성을 낮추고 변형 민감도를 높일 수 있다. 균열은 과도한 담금질, 날카로운 모서리, 연삭 손상, 기존 결함, 수소 또는 표면 오염, 혹은 변태 응력과 결합한 잔류응력으로 인해 발생할 수 있다. 균열의 형태와 위치는 경도보다 더 많은 정보를 제공하는 경우가 많다.

예상하지 못한 잔류 오스테나이트가 발견되면 탄소 및 합금 원소 함량, 실제 오스테나이트화 온도, 냉각 속도, 담금질 중단 여부, 그리고 형상이나 단면 두께에 따른 안정화 효과를 검토해야 한다. 열처리 후 치수 증가가 이러한 진단을 뒷받침할 수는 있지만, 그것만으로 증명되는 것은 아니다. 시정 조치에는 재분류, 추가 뜨임, 응력 제거, 재검사 또는 불합격 처리가 포함될 수 있으며, 적절한 처분은 적용 규격과 공학적 평가에 따라 달라진다. 핵심 원칙은 식별된 공정 변수를 한 번에 하나씩만 변경하고, 그 결과로 나타나는 조직, 물성, 표면 상태 및 치수를 검증하는 것이다.

열처리 선정을 위한 통합 프레임워크

열처리는 익숙한 온도나 일반적인 강종 명칭이 아니라, 요구되는 특성 프로파일과 사용 조건을 바탕으로 선정해야 한다. 제어된 열 사이클은 상변태를 통해 강의 조직을 변화시키지만, 그 결과 형성되는 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 및 탄화물은 화학 조성, 단면 크기, 가열 속도, 냉각 경로, 소재의 초기 상태에 따라 달라진다. 따라서 동일한 명목상의 열처리라도 한 부품에서는 유용한 인성을 제공하는 반면, 다른 부품에서는 균열, 과도한 변형 또는 불충분한 중심부 경도를 초래할 수 있다.

ASM International의 ASM Handbook Volume 4A는 물리야금, 경도와 경화능, 담금질, 풀림, 뜨임, 오스템퍼링, 마템퍼링, 오스테나이트화 및 표면 경화를 서로 분리된 작업이 아니라 강 열처리의 연계된 구성 요소로 제시한다(ASM International, 2024). 이러한 연계성이 공정 선정의 근거가 된다.

요구 특성과 사용 조건에서 시작하기

열 사이클을 선택하기 전에 공학적 목표를 정의해야 한다. 요구 경도는 전체 단면, 마모 표면 또는 제한된 경화층 깊이에 관한 것일 수 있다. 인장강도와 항복강도도 중요하지만, 인성, 연성 또는 피로 저항성을 대신할 수는 없다. 경질 마르텐사이트 표면은 연삭 마모에 대한 저항성을 높일 수 있지만, 충격에 대한 허용성을 낮추거나 연삭 손상에 대한 민감성을 높일 수 있다. 더 낮은 경도의 베이나이트 또는 뜨임 마르텐사이트 조직은 반복 하중을 더 안정적으로 지지할 수 있다.

사용 조건은 어떤 절충이 허용되는지를 결정한다. 기어 이에는 접촉 응력, 미끄럼 마모, 굽힘 피로가 작용하며, 일반적으로 표면 경화층에서 중심부까지 경도 구배가 형성된다. 축은 인성이 높은 중심부, 경질 저널, 그리고 열처리 후 엄격한 흔들림 허용차가 필요할 수 있다. 압력을 유지하는 용접 부품에서는 최대 경도보다 잔류응력, 수소 제어, 인성 및 검사가 더 중요할 수 있다. 온도, 부식성 환경, 윤활, 충격 하중, 반복 응력 및 파괴 발생 시의 결과를 동일한 초기 평가에 포함해야 한다.

치수 공차는 기계적 특성과 함께 규정해야 한다. 수백분의 1밀리미터 수준의 공차를 유지해야 하는 부품은 변형을 나중에 보정하면 되는 것처럼 취급할 수 없다. 형상은 열장을 변화시킨다. 얇은 모서리는 빠르게 가열되고 냉각되며, 구멍은 국부 강성을 변화시키고, 날카로운 모서리는 응력을 집중시키며, 길고 비대칭적인 단면은 변태 변형이 발생함에 따라 휘어진다. 요구되는 표면/중심부 경도 구배도 명확히 규정해야 한다. 전체 경화, 선택적 경화 및 응력 제거 열처리는 서로 다른 열적·기계적 요구 조건을 부과한다.

초기 상태 역시 규격의 일부이다. 주조 조직, 이전 냉간가공, 정규화된 페라이트-펄라이트 조직, 구상화 탄화물, 이전에 뜨임된 마르텐사이트 및 용접 열영향부는 동일하게 반응하지 않는다. 용접 부품은 계획된 열처리를 시작하기 전부터 경도 구배와 인장 잔류응력을 포함할 수 있다. ISO 17663:2023은 공기 또는 제어 분위기에서, 작업장이나 현장에서 수행되는 열처리에 대한 품질 요구 사항을 다루며, 주로 페라이트계 강과 관련 용접 또는 성형 부품에 적용된다. 이 표준의 실질적인 의미는 공정 기록, 온도 측정, 분위기 제어 및 검사 계획이 부품의 이력과 위험도에 부합해야 한다는 데 있다.

강의 화학 조성을 변태 거동에 맞추기

탄소는 마르텐사이트에 이용 가능한 탄소의 양을 조절하며, 페라이트, 펄라이트 및 시멘타이트의 분율과 경도에도 영향을 미친다. 합금 원소는 변태 온도, 탄화물 안정성, 경화능, 뜨임 반응 및 산화 거동을 변화시킨다. AISI 1045와 AISI 4140은 모두 담금질 및 뜨임이 가능하다는 이유만으로 동일한 담금질 가정을 적용할 수 없다. AISI 4140의 크롬-몰리브덴 함량은 확산 변태를 지연시키며, 유사한 단면에서 일반 탄소강인 AISI 1045보다 일반적으로 더 높은 전체 경화를 가능하게 한다. AISI 52100은 높은 탄소 및 크롬 함량을 가지므로, 베어링 성능과 치수 안정성에서 탄화물 제어가 핵심이 된다.

철-철 탄화물 상태도는 평형상과 탄소 용해도를 파악하는 데 도움이 되지만, 실제 냉각 사이클에서 형성되는 조직을 예측하지는 못한다. 냉각이 적절한 시간-온도 영역과 교차하면 오스테나이트는 펄라이트 또는 베이나이트로 변태할 수 있으며, 확산이 충분히 억제되면 강의 조성에 의해 결정되는 온도에서 마르텐사이트로 변태할 수 있다. ASM의 2024년 자료는 변태 선도를 다루면서 평형 개념을 시간-온도-변태(TTT) 및 연속 냉각 변태(CCT) 거동과 구별한다. 이러한 구별은 상태도에서 오스테나이트화 온도를 선택한 뒤 그에 따라 냉각 결과까지 결정되었다고 가정하는 일반적인 오류를 방지한다.

등온 유지 조건을 판단할 때는 TTT 선도를 사용하고, 오스테나이트에서 실제로 냉각할 때의 거동을 판단할 때는 CCT 선도를 사용해야 한다. 단순히 담금질제가 “빠른가”가 핵심이 아니다. 실제 단면의 냉각 곡선이 필요한 경우 펄라이트 또는 베이나이트 변태의 노즈를 피한 다음, 열응력과 변태응력을 제한하는 속도로 마르텐사이트 영역을 통과하는지가 중요하다. 큰 직경의 중심부는 천천히 냉각되는 반면 얇은 모서리는 빠르게 냉각되어 하나의 부품 안에서도 서로 다른 조직이 형성될 수 있다. 예를 들어 조미니 단부 담금질 시험으로 평가하는 경화능은 규정된 냉각 조건에서 강이 경도를 발현할 수 있는 깊이를 나타내며, 모든 형상에서 특정 경도가 보장된다는 뜻은 아니다.

이러한 판단은 최대 담금질 강도를 추구하지 않는 방향으로 이어질 수 있다. 담금질 및 뜨임은 요구되는 강도를 제공할 수 있지만, 마템퍼링은 마르텐사이트 형성 중 온도 차이를 줄여 변형 위험을 낮출 수 있다. 강종과 단면 크기가 필요한 등온 변태를 허용한다면, 오스템퍼링은 유용한 인성을 지닌 베이나이트를 형성하면서 담금질 변형을 줄일 수 있다. 정규화는 불균일한 초기 조직을 미세화할 수 있으며, 경화 전에 풀림 또는 구상화 처리를 하면 절삭성을 개선할 수 있다. 화염 경화 및 유도 경화는 가열 패턴, 주파수, 스캔 속도 및 자기 냉각 능력을 제어하는 경우 인성이 더 높은 중심부를 유지하면서 표면에 높은 경도를 부여할 수 있다.

성능, 제조성 및 위험의 균형 맞추기

기술적으로 구현 가능한 미세조직이라도 제조 측면에서는 적절하지 않을 수 있다. 노의 용량, 장입 배치, 가열 균일성, 담금질 교반, 담금질제 오염, 분위기, 고정 장치, 가공 순서 및 대표 위치에서 온도를 측정할 수 있는 능력을 고려해야 한다. 분위기 선택은 형식적인 문제가 아니다. 산화, 탈탄, 침탄 및 스케일은 표면 경도와 치수를 변화시킬 수 있다. 경화능 계산 역시 단면 두께, 모서리 반경, 고정 장치와의 접촉 및 표면에서의 냉각 조건을 포함하지 않으면 불완전하다.

잔류응력과 변형은 설계 제약 조건으로 다루어야 한다. 열수축과 변태 팽창은 서로 다른 시간과 위치에서 발생하며, 중심부가 냉각되기 전에 마르텐사이트 형성이 응력을 고정할 수 있다. 높은 응력이 높은 경도, 날카로운 형상, 표면 손상, 수소 또는 부적절한 담금질과 결합하면 균열이 발생할 가능성이 커진다. 따라서 뜨임은 단순히 경도를 조정하는 공정이 아니다. 뜨임은 담금질 직후 조직의 안정성과 인성을 변화시키며 담금질 응력의 일부를 줄인다. 뜨임 온도, 시간 및 이송 지연 시간은 제어해야 한다.

용접 이력은 선정 결정을 완전히 바꿀 수 있다. 용접 후 열처리는 잔류응력을 줄이거나 경화된 영역을 뜨임할 수 있지만, 강에 적합하지 않은 사이클을 적용하면 강도, 치수 정확도 및 인성에도 영향을 줄 수 있다. ISO 683-1:2016은 주로 담금질 및 뜨임, 오스템퍼링, 화염 경화, 유도 경화 및 일부 경우 정규화 상태를 목적으로 하는 비합금강의 기술적 공급 요구 사항을 다룬다. 그러나 이 표준이 특정 부품에 대한 열처리 적합성 검증의 필요성을 없애는 것은 아니다.

검사 역량은 신뢰할 수 있는 공정 제어의 한계를 결정한다. 경도 조사가 규정된 구배를 확인해야 한다면 표면과 중심부를 모두 대상으로 해야 한다. 탈탄, 잔류 오스테나이트, 미뜨임 마르텐사이트, 베이나이트, 탄화물 망상 또는 비정상 결정립 크기를 검출하기 위해 금속조직 검사가 필요할 수 있다. 균열 또는 내부 결함이 중대한 결과를 초래할 수 있는 경우에는 치수 검사, 자분탐상 또는 침투탐상, 초음파 검사 및 잔류응력 평가가 적절할 수 있다.

따라서 다음 순서로 선정 결정을 내릴 수 있다. 사용 하중과 특성 한계를 정의하고, 표면/중심부 경도와 치수 공차를 규정하며, 강종, 초기 미세조직, 단면 형상 및 용접 이력을 확인한다. 그런 다음 TTT/CCT 변태 경로를 비교하고, 제어 가능한 가열, 분위기, 냉각 및 뜨임 방법을 선정한 뒤 경도, 조직, 치수 및 결함 검사를 통해 사이클을 검증한다. 하나의 경로로 강도, 인성, 변형 및 생산 한계를 모두 만족할 수 없다면 강, 형상, 가공 순서 또는 표면 처리 전략을 변경해야 한다. 열처리는 야금과 공정이 결합된 문제이다. 지배적인 선택은 하나의 온도 수치가 아니라, 강과 부품에 맞추어 검증된 열 이력이다.

참고 문헌

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