담금질 균열과 잔류응력
1. 담금질 균열
강의 경화나 마르텐사이트 변태는 금속의 기계적 성질을 결정짓는 중대한 문제이다. 열처리의 많은 문제들은 경화작업에 수반되는 부피변화의 결과로 발생된 응력과 관련이 깊다.
이러한 응력은 비틀림이나 균열을 야기시킨다. 부피의 변화는 열적팽창과 수축 그리고 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변태할 때 부피의 증가에 기인된다. 응력은 이러한 부피의 변화를 억제하거나 저항할 때 발생된다. 구속(Restraint)은 전형적으로 급냉된 부품의 바깥쪽이 내부보다 더 빨리 냉각될 때와 같이 부품이 불균일하게 변화될 때 주어진다.
변태응력은 마르텐사이트 변태를 통해 불균일하게 발생되지만 열응력은 불균일한 가열과 냉각에 의해서 생긴다. 변태응력은 형태와 부피변화를 야기시킬 수 있지만 열응력은 형태 변화를 왜곡시킨다는 것을 명심해야 한다.
담금질시 조직변화를 살펴보면 펄라이트가 가열시 오스테나이트로 바뀌고 냉각시 다시 마르텐사이트로 변화하면서 1.7%정도의 체적팽창이 동반되면서 치수변화와 큰 잔류 응력이 생성되게 되어 취약하게 된다.
강은 탄소량이 높을수록 더 큰 팽창으로 경화를 일으킬뿐아니라 균열발생 가능성도 높아진다. 탄소가 0.35%보다 적은 보통 탄소강에서의 열처리는 심한 담금질 조건에서도 균열발생 가능성이 적어 큰 문제가 되지 않지만 필요로 하는 적정 탄소량보다 더 많아서는 바람직하지 못하다. 구입한 상태의 강에서 열처리하는 동안 Overheating이 되지 않았는 데도 담금질 균열이 발생되는 경우가 있는데 이 때에는 다음과 간은 열처리 전 결함과 깊은 관련이 있다.
Pipe(강바 중심의 기공), 주름, 비금속 개재물, 편석, 단조겹침, 조대한 가공 흔적(Notch) 등이 포함될 수 있다. 표면에 이러한 결함들이 제거가 가능한 길이라면 열처리전에 기계가공에 의해서 제거되어야 한다.
이중 Pipe는 강의 잉곳이 조조후 서냉 할 때 형성된다. 이 Pipe는 잉곳 내에 액체금속 마지막 부분이 응고하는 도중에 수축에 의해 형성된 기공이다. 이런 기공은 압연이나 단조과정에서 그대로 남아 있을 수 있으며, 잉곳의 끝부분은 오므려지기 때문에 관찰되지 않을 수도 있다. 단조나 압연하는 동안에 있을 수 있는 잉곳 단계의 또 다른 결함은 편석이다. 편석은 강의 잉곳에서 성분의 선택적 응고의 결과이다. 편석은 어느 특정지역에 합금원소, 탄화물들이 몰리는 것이다. 편석된 구역은 대부분 취약하고 취성을 야기시킨다.
이것은 급냉하는 동안이나 급냉후 사용중에 파괴로 이끌 수 있다. 열처리하는 동안이나 열처리 후에, 또는 사용중 발생되는 파괴는 역시 비금속 개재물의 편석과 관련이 깊을 때가 많다. 이러한 불순물들은 열처리시 Notch로 작용하여 응력집중을 유발시켜 균열을 발생시키고 피로파괴의 원인이 되므로 청정도가 우수한 소재 사용이 요구된다.
2. 담금질 잔류응력
보통 담금질에 의한 잔류응력의 원인으로서 항상 나타나는 잔류응력은 열응력에 의한 것과 변태응력에 의한 것이 있다.
강의 원주를 급냉하면 표면부가 내부에 앞서 냉각되고 열수축은 표면부에서 먼저 일어나고 이것에 의해 표면-인장, 중심-압축의 열응력이 생긴다. 이같은 응력이 작용하면 주로 고온의 내부에 압축의 소성변형이 일어나기 때문에 냉각의 진행에 따라 내부의 온도가 내려가면 마침내 응력은 반전하고 완전히 냉각한 후에는 표면-압축, 중심-인장의 잔류 응력을 남기게 된다.
이것을 열응력형의 분포라 하며 표면부가 압축으로 피로강도의 개선에 유효한 점에서 저온 담금질을 한 축류나 스프링 판 등으로 실제로 이용되고 있다.
한편 급냉하면 변태팽창도 표면에서 먼저 일어나므로 그것에 의해 표면-압축, 중심-인장의 변태응력을 일으킨다. 이같은 응력이 작용되면 주로 비교적 고온의 내부에 인장의 소성변형이 일어나고 냉각의 진행에 따라 내부의 변태팽창이 일어나면 마침내 응력은 반전하고 변태완료후 표면-인장, 중심-압축의 잔류응력이 남게 되는데, 이것을 변태응력형의 분포라 한다. 열처리시 두가지 중 열응력은 (-), 변태응력은 (+)로 작용하며 표면에 인장잔류 응력이 발생한 경우 즉 변태응력이 열응력보다 크게 나타나는 경우 담금질 균열도 발생하게 된다.
이와 간은 응력은 축방향, 접선방향, 반경방향에 따라 달라지고 C%가 늘면 변태 팽창량의 증대 기타의 원인으로 열응력형의 분포는 약하게 되고 변태응력형의 분포는 강하게 된다 그러므로 표면의 압축은 감소하나 중심압축은 중가하고 인장의 최대값은 낮아져 표면에 접근하는 동시에 접선방향응력이 축방향 응력보다는 크다는 특징을 나타내 고탄소강이 특히 열처리균열(세로 균열)을 일으키기 쉬운 원인의 하나는 여기에 있다.
파손과 휭 등 경화공정 중 가장 심각하고 눈에 띄는 결함은 잔류 응력의 발생에 기인한 것이며, 외부응력 없이도 자연적으로 발생되므로 주의해야 한다