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1. 담금질(quenching)
정 의 : 급랭으로 강철 재료를 경화하는 작업.
목 적 : 큰 경도를 얻음
◎ 마르텐사이트의 담금질 시 생기는 금속 내부의 변화
① 철의 원자는 Ac1 이상의 온도에서는 원자격자가 감마(면심입방격자)이고,
Ac1에서 알파(체심입방격자)로 변함
② 탄소가 시멘타이트(Fe3C) 상태로서 철원자에서 유리된다. 일반적으로 감마 고용체는 탄소를 고용하나 알파 고용체는 탄소를 고용하지 않음. a)의 변화가 급격히 생기면 탄소를 고용한 알파 고용체는 과도적으로 생김. b)의 변화가 연속적으로 생기게 되어 2단계의 변화가 됨.
탄소를 고용한 г-Fe(Ⅰ) → 탄소를 고용한 а-Fe(Ⅱ) → а-Fe와 а-Fe3Cdml 혼합물(Ⅲ)
|------------- a)변화 ----------||---------- b)변화 -----------|
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조 직 |
생 성 물 |
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조직(Ⅰ) |
오오스테나이트 |
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조직(Ⅱ) |
마르텐사이트, 트루우스타이트, 소르바이트 등 |
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조직(Ⅲ) |
조직은 서냉 상태에서 퍼얼라이트가 됨 |
◎ Ar1 변태 조직 변화
오오스테나이트(A) → 마르텐사이트(M) → 트루우스타이트(T) → 소르바이트(S) → 퍼얼라이트(P)
◎ 각 조직의 경도 (F는 페라이트)
A < M > T > S > P > F
◉ 담금질 온도(quenching temperature)
; 탄소 함유량에 따라 적당한 담금질 온도를 선택해야함
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담금질의 온도가 너무 낮을 때 |
담금질 온도가 높을 때 |
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균일한 오오스테나이트를 얻기 어려움
담금질하여도 경도가 높아지지 않음 |
과열로 인하여 재질이 변화하게 되어 담금질 효과가 떨어짐 |
→ 담금질 온도는 Ac321 변태점보다 20~30℃ 높은 온도에서 하는 것이 좋음
→ 담금질 온도는 열처리할 물건의 크기와 관계가 있으므로 큰 물건은 냉각속도가 느리게 되어 다소 높은 온도로 가열하는 것이 좋음
◉ 냉각속도(cooling rate)
; 담금질 효과는 냉각 속도에 영향을 받으며, 냉각액과 밀접한 관계가 있음.
◎ 냉각액의 종류
; 보통 물과 기름이 사용되며, 기타 소금물, 비눗물 및 용융염 등이 사용됨
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냉각액 |
소재 종류 |
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물 |
탄소강, 텅스텐강, Mn 강철 |
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기 름 |
기타 특수강 |
◉ 담금질 균열 (quenching crack)
; 담금질 할 때 작업 중 또는 직후 얼마되지 않아 균열이 생기는 경우.
․ 담금질 직후에 생기는 담금질 균열 : 외부는 급격한 냉각으로 인하여 수축이 생기나 내부는 냉각이 느려서 내부가 나중에 퍼얼라이트로 변하여 팽창되는 결과로 생김
․ 담금질 후 2,3분 후에 생기는 담금질 균열 : 외부가 마르텐사이트로 변하여 팽창 하므로 1)과는 반대로 되는 작용으로 균열이 생김
◎ 균열 방지
소재의 단면적, 두게 등이 급격히 변화하는 곳, 구멍이 뚫린 곳, 기타 형상이 복잡한 곳에는 너무 급격한 냉각속도를 피하고, 250℃부근에서 냉각 속도를 감소시킴
2. 뜨임(tempering)
정의 : 담금질한 강철을 적당한 온도로 A1 변태점 이하에서 가열하여 인성을 증가 시키는 조작
목적 : 열처리할 때 생긴 내부 응력이 감소/제거, 불안정한 조직이 온도에 따라 비교적 균일하고 안정된 조직으로 변함
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열처리 조직명 |
온도범위 |
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오오스테나이트 → 마르텐사이트
마르텐사이트 → 트루우스타이트
트루우스타이트 → 소르바이트
소르바이트 → 퍼얼라이트 |
100～300℃
200～400℃
400～600℃
600～700℃ |
; 담금질한 강철은 강도가 크나 취성(brittleness)이 있다. 경도만 크면 어느 정도 취성이 있어도 지장이 없는 줄(file), 면도날 등은 그대로 사용된다. 그러나 다소 경도가 희생되더라도 인성이 필요한 기계부분에는 담금질한 강철을 다시 가열하여 인성을 증가시킨다.
; 뜨임 온도가 너무 높든가 또는 온도 지속시간이 너무 길면 담금질 효과가 떨어지므로, 뜨임 지속시간은 탄소강에서는 약 30분 내외로 하고 기름 또는 공기 중에서 냉각한다
◎ 심랭처리(subzero treatment)
담금질된 강의 경도를 증가시키고, 시효변형을 방지하기 위한 목적으로 0℃이하의 온도에서 처리하는 것
3. 풀림(annealing)
정의 : 조직을 균일하게 하고, 가공할 때 생긴 내부응력을 제거하고 연화하는 열처리
목적 ① 단조, 주조, 기계가공에서 생긴 내부응력 제거
② 열처리로 인하여 경화된 재료의 연화
③ 가공 또는 공작에서 경화된 재료의 연화
④ 금속 결정입자의 조절
◎ 풀림 온도
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탄소 함유량 |
풀림온도 |
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0.12%<C
0.12～0.20%C
0.30～0.49%C
0.50～1.00%C
1.00～1.50%C |
875～925℃
840～870℃
815～840℃
790～815℃
800℃ |
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풀림 종류 |
조 작 |
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완전풀림
(fullannealing) |
A327 변태점 이상의 고온에 강철을 가열하여 천천히 노 속에서 냉각하는 조작 |
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저온풀림(lonnealing) |
A1 변태점 이하에서 가열하고, 서서히 냉각하는 것 |
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재결정 풀림(recrys-
tallization annealing) |
재결정 온도보다 다소 높은 온도에 가열하여, A327 보다 다소 낮은 온도에서 일정한 시간 유지하는 풀림 열처리 |
4. 경도(hardness)
정의 : 그 물체를 다른 물체로 눌렀을 때 그 물체의 변형에 대한 저항력의 크기
◎ 경도측정방법의 종류
① 브리넬 경도 : 재료의 시험면에 강구로 - 자국을 내는데 요하는 하중(kg)을 그 강구의 -자국의 표면적(mm2)로 나눈 값
② 로크웰 경도
⒜ 로크웰 B 경도 : 재료의 시험면을 1588mm의 강구로서 먼저 10kg 의 하중으로 되돌아 왔을 때 파인 깊이를 130에서 감한 수
⒝ 로크웰 C 경도 : 재료의 시험면을 꼭지각 120°, 선단 반지름 0.2mm 인 다이아몬드 원뿔체를 사용하여 먼저 10kg 의 하중으로 되돌아왔을 때의 파인 깊이
⒞ 쇼어 경도 : 재료의 시험면 위에 일정한 높이에서 낙하시킨 추의 반발높이에 비례한 수
5. 강도 (stiffness)
정의 : 재료가 변형되기 쉬운가 아닌가의 정도를 나타내는 것. 응력 변형의 대소로서 비교되는 성질
※ 인성 (toughness)
정의 : 점성이 강하고 충격에 잘 견디는 성질, 재료가 파단되는데 요하는 일의 양이 커서 탄성 한계를 넘어도 용이하게 파단하지 않는 성질을 말함.
※ 소재의 종류
◐ 주철(cast iron)
1.7～6.7% 탄소를 함유한 Fe-C 계의 합금이다. 여러 가지 기계부품을 만들어 쓴다. 취약해서 가단성은 없으나 주조가 쉽고 어떤 형이라도 만들 수 있고, 절삭가공도 쉬우며 가격도 싸므로 대형으로 형상이 복잡한 것을 만들 때 많이 쓰임.
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성분 |
성 질 |
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C% |
낮은 쪽이 강한 주물이 됨. 적으면 주조 곤란 |
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P |
많으면 취약하게 되지만 탕의 유동성이 좋게 되므로 엷은 주물로 힘을 요하지 않은 경우에 1%정도까지 함 |
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Si |
Fe3C를 분해해서 흑연을 만드는 힘이 있음. 지나치게 적으면 백주철 이 됨 |
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S |
철을 취약하게 하고, 주축을 많게하며, 주물 표면을 거칠게하므로 될 수 있으면 적게함 |
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Mn |
S의 해를 방지하는데 사용. |
◐ 텅스텐 강(tungsten steel)
텅스텐을 넣은 강으로 아주 오래된 형의 특수강. 강에 약간 첨가해도 인장강도는 현저히 증가되지만 동시에 다소 취약해지므로, 일반 구조용강에는 쓰지 않음.
․고온으로 가열해도 강도 및 경도의 감소가 적음
→ 공구로서 특별한 것임.
․텅스텐강은 용접 및 단접이 아주 곤란하지만 공기담금질이 가능하여 고속도강의 전신인 mushet steel 은 5-8% 텅스텐을 함유한 자경성강(어느 온도 이상으로 가열하여 공중에 꺼내 놓으면 자연히 담금질 됨)임.
◐고속도강(high speed steel)
① 표준고속도강---W(18%), Cr(4%), V(1%)를 함유하는 것
② 특수 고속도강--우수한 절삭 성능을 얻기 위하여 Co 및 V 등의 함유량을 많이 첨가
→ 열처리 온도는 그 성능에 매우 중요한 영향을 주게되므로, 재질에 적합한 온도 에서 열처리를 하지 않으면 충분한 경도를 얻을 수 없다.
→ 적당한 뜨임온도에서 뜨임함으로써 경도의 증가를 얻을 수 있으므로 보통 적당 한 담금질 및 뜨임을 하여 사용함
→ 고온가열로 인하여 일어나는 표면의 산화 및 탈탄을 방지하기 위해 솔트배드 (salt bath)를 사용함
→ 가격이 비싸므로 재료를 절약하기 위하여 탄소강을 자루로 사용하여, 팁 바이트 로써 경납땜 또는 용접으로 부인하여 사용
◐ 탄소강(carbon steel)
탄소 이외의 특별한 원소를 함유하지 않는 강.
(실제로는 0.35 Si, 0.75 Mn, 0.05 이하 P 또는 S 정도의 불순물을 함유)
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종 류 |
함유량 |
용 도 |
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연 강
경 강
공구강 |
0.3%이하
0.4～0.5%
0.6%이상 |
건축 구조, 기계 구조
〃
단조 및 절삭 공구 또는 스프링 |
◐ 청동(bronze)
구리 - 주석 합금. 주석 대용으로 알루미늄 또는 망간 등을 함유하여 주석을 전연 함유하지 않는 것도 있음.
◐ 황동(brass)
구리 - 아연 함금. 경도와 강도가 크고, 전연성이 풍부해서 얇은 박이 가는 철사 등을 만들 수 있음. 여러 가지 기구와 장식품, 선박 및 기계의 부분품에 많이 사용됨
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종 류 |
성 질 |
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7 - 3 황동 |
균일한 α고용체, 연하고 연성이 풍부함, 상온가공으로 공작가능, 탄피에 많이 사용 |
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4 - 6 황동 |
α+β고용체, 단단하므로 기계부품 또는 주물에 사용. |
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