강의 열처리

출처 : 준우아빠 블로그

안녕하세요 댕댕이 입니다. 강의 열처리에 대해서 자세히 설명히 잘된 자료가 있어서 인용하여 포스팅 합니다.! 기계재료 대학교재에도 같은 내용일것 같습니다.

제 1 장 열처리 개요

 1-1 열처리란 어떤 작업인가?

  열처리란 금속 또는 합금에 요구되는 성질, 즉 강도, 경도, 내마모성, 내충격성, 가공성, 자성 등의 제반 성능을 부여하기 위한 목적으로 가열과 냉각의 조작을 여러 가지로 조합시키는 기술이다. 이러한 열처리는 금속 또는 합금의 재결정, 원자의 확산, 상변태(相變態)를 이용하는 것이다.

  열처리는 기계 부품 제조 공정 중 필수적인 공정으로, 부품에 요구되는 여러 가지 기계적 성질을 향상시켜 기계의 기능 향상 및 수명을 연장시킬 수 있다. 특히 공구강, 고속도강, 금형용강 등의 합금강은 원료 자체가 고가(高價)이고 제품 설계와 가공에 있어서 기술적인 어려움이 많아 부품 제조에 소요되는 생산 원가가 비싼데, 이런 부품의 열처리는 그 결과가 매우 중요하다. 만일 열처리에 의해 불량품이 발생하면 그 손실은 크다. 한 예로서 금형과 같은 고도의 정밀도를 요구하는 경우는 수준 높은 열처리 기술이 필요하다. 또한 열처리는 값싼 소재의 성능을 향상시켜 값비싼 고급 재료에 상응하는 기능을 발휘시킬 수 있으므로 제품의 원가 절감에도 기여한다.

  열처리 기술은 취급하는 종류와 형태가 다양하므로 각 금속에 대한 성질과 부품의 기계적 특성에 관한 전문 지식이 요구된다.  열처리 분야가 타 산업과의 관련 및 파급 효과를 보면, 제조, 성형, 가공 등의 공정을 거쳐 생산된 제품의 성능 향상을 위해 처리하는 기술이 열처리이므로 이들이 아무리 훌륭히 이루어졌다고 하여도 열처리가 따라주지 못하면 완제품으로서의 제 성능을 발휘할 수 없다. 열처리 기술의 발전이 없이는 다른 산업의 발전이 이루어질 수 없는 상호 밀접한 관계가 있다. 따라서 열처리 효과는 모든 소재 및 가공 분야에 미치므로, 열처리 관련 산업이란 금속 소재가 쓰이는 산업 분야 모두를 포함한다고 할 수 있다.  열처리가 가장 많이 이용되는 산업 분야는 자동차, 산업 기계, 철도 차량, 금형, 섬유 기계, 전기, 전자, 광산 기계, 건설 중장비, 농기계, 선박·항공기 부품 및 일용품 등이 있다.

 1-2 열처리의 목적

    열처리의 목적에는 다음과 같이 여러 가지가 있다.
    ① 경도 또는 인장력을 증가시키기 위한 목적(담금질, 담금질 후 보통 취약해지는 것을 막기 위해 템퍼링 처리)
    ② 조직을 연한 것으로 변화시키거나 또는 기계 가공에 적당한 상태로 하기 위한 목적(어닐링, 탄화물의 구상화 처리)
    ③ 조직을 미세화하고 방향성을 적게 하며, 편석을 적게 하고 균일한 상태로 만들기 위한 목적(노멀라이징)
    ④ 냉간 가공의 영향을 제거할 목적(중간 어닐링, 변태점 이하의 온도로 가열함으로써 연화 처리)
    ⑤ 마크로적 응력을 제거하고 미리 기계 가공에 의한 제품의 비틀림의 발생 또는 사용중의 파손이 발생하는 것을 방지할 목적 (응력제거 어닐링)

    ⑥ 산세 또는 전기 도금에 의해 외부에서 강중으로 확산하여 용해된 수소를 제거하여 수소에 의한 취화를 적게 하기 위한 목적 (150∼300℃로 가열)

    ⑦ 조직을 안정화시킬 목적(어닐링, 템퍼링, 심냉 처리 후 템퍼링)
    ⑧ 내식성을 개선할 목적(스테인리스 강의 웅칭)
    ⑨ 자성을 향상시키기 위한 목적(규소강판의 어닐링)
    ⑩ 표면을 경화시키기 위한 목적(고주파 경화, 화염 경화)
    ⑪ 강을 점성과 인성을 부여하기 위한 목적(고 Mn강의 웅칭)
    이상과 같은 열처리는 강의 화학 조성과 용도에 따라 처리 방법이 결정된다.

 제2장 철과 강

   2-1 철과 강의 분류

    철과 강은 철광석으로부터 여러 가지 제조방법에 의해서 생산되지만 여기에는 각종 원소들이 들어 있다. 이중 대표적인 원소는 C, Si, Mn, P, S이며 이것을 5대 주요 원소라고 하며 철 또는 강 중에 함유되어 여러 가지 성질에 많은 영향을 준다. 특히 공급적으로 좌우되는 성질을 나타내는 것은 탄소이며, 또한 철과 강의 구별에도 기준이 된다.

    다음은 철과 강을 분류할 때 흔히 적용되는 기준이다.
    (1) 제조방법
    (2) 화학성분 및 함유량
    (3) 열처리성
    (4) 가공성 및 용접성
    (5) 기계적 성질(때로는 물리적 화학적 성질)

   2-2 금속 조직학상 분류

    1) 철(Iron) : 순철은 탄소 0.022% 이하

    2) 강(Steel) : 탄소 2.14% 이하
         ① 아공석강(Hypo Eutectoid Steel) : 0.022%탄소 ∼ 0.765%C
         ② 공석강(Eutectoid Steel) : 0.765%C
         ③ 과공석강(Hyper Eutectoid Steel) : 0.765% ∼ 2.14%C

    3) 주철(Cast Iron) : 탄소 2.14% 이상
         ① 아공정주철(Hypo Eutectic Cast Iron) : 2.14%C ∼ 4.32%C
         ② 공정주철(Eutectic Cast Iron) : 4.32%C
         ③ 과공정주철(Hyper Eutectic Cast Iron) : 4.32%C ∼ 6.68%C

   2-3 용도에 의한 분류법

    1) 일반 기계 구조용 강

      기계 또는 구조물용 강으로써 성형, 가공이 쉽고, 전연성이 큰 저탄소강 재료

    2) 특수 목적용 강

      공구용 강과 같이 특수한 목적을 위해서 사용하는 고탄소강을 말한다.

 제4장 가열, 냉각 변태와 조직

    열처리를 하는 본래의 목적은 그 강을 예로 들면 절삭을 쉽게 한다든지 경하게 한다든지 하여 기계적 성질을 목적에 맞도록 바꾸는 일이다. 그러나 열처리에 의해 직접 바꾸는 것은 조직이며 결국 조직의 변화에 따라 기계적 성질을 조절하게 된다. 그림 3-1의 평형상태도를 보면 확실히 실용범위의 탄소강 실온조직은 모두 α+Fe₃C의 2상으로 이루어진 평형조직이다. 공석강이나 과공석강에서도 이 점에 대해서는 변함없다. 열처리에서 변할 수 있는 것은 이 α와 Fe₃C의 혼합방법이며, 그것에 따라 조직에 이름이 붙여진 것이다.

      본 장의 처음에 금속의 다결정체 구조에 대해 서술하였다. 변태점을 변화시키는 열처리에서는 결정립의 크기가 변화하고, 이에 따라 기계적 성질이 영향받는 것도 잊어서는 안 된다. 결정립도의 영향은 특히 충격, 인성에서 현저히 나타나므로 결정립의 조대화를 초래하는 열처리 방법은 적극 피해야 한다.

4-1 가열변태에서 결정립이 조대화된다.
  아공석강의 가열에 즈음하여 온도가 Ac₁점을 넘으면 우선 펄라이트 부분이 γ로 이어서 α도 차츰 γ화 해가며 Ac₃점을 넘으면 γ단상이 된다. γ입은 주로 입계에서 핵이 발행하여 성장하며 서로 충돌한다. 이러한 새로운 결정립은 입계에너지의 상호관계에 의해 인접 결정입자를 잠식하여 급속히 성장, 조대화한다. 과공석강은 Ac₁점을 넘으면 펄라이트 부분이 γ화하여 γ+Fe₃C가 된다. 이 Fe₃C를 미용해 탄화물이라고 하는 경우도 있다. 미용해 탄화물은 결정립 조대화를 저지하는 효과가 있다. 따라서 A_cm선 이상으로 가열하면 급격한 조대화가 일어나게 된다.

4-2 고용화 열처리는 시간과 온도가 필요
  A₃점(아공석강의 경우) 또는 A₁점(공석강의 경우) 이상의 어느 설정온도까지 가열한 뒤 그 온도에서 유지하는 것은 고용화 열처리 혹은 오스테나이트화 처리라 부른다. 고용화란 Fe₃C를 γ중에 고용시킨다는 의미이다. C의 확산에 시간이 필요하므로 고용화 열처리의 온도와 시간에 따라 C농도에 불균일한 부분이 남는다든지 한다. 그림 4-1은 이 모양을 나타낸 것이다. 고용화 열처리에서 항상 균일한 오스테나이트화를 꾀할 수는 없다. 구상 시멘타이트 조직(구상 펄라이트 조직이라고도 한다)을 얻기 위해서는 불균일한 오스테나트 상태에서 서냉할 필요가 있다.

4-3 냉각할 때에 조직이 만들어진다.
  냉각속도가 조직 형성에 큰 영향을 미치는 것은 이미 서술한 바이다. 간단하게 우선 공석강에 대해 설명하겠다. 그림 4-2는 공석가의 열팽창곡선을 나타낸 것이며, 냉각속도를 크게 변화시켜 변태의 차이를 조사한 것이다. 곡선 (1)은 서냉, (2)는 공냉, (3)는 유냉, (4)는 수냉한 경우의 것이다

(1) 펄라이트 조직
  그림 4-2의 곡선 (1)에서는 가장 표준적인 펄라이트 조직을 만든다. 곡선 (2)에서는 Ar₁이 상당히 저온에서 발생하여 고배율의 광학현미경이 아니면 층상조직이 확실히 보이지 않는다. 곡선 (3)의 경우 변태온도는 600℃ 이하에서 나타난다. 더구나 아무리 고배율로 보더라도 층상조직은 확인되지 않으며 이런 까닭으로 Ar₁과는 차이가 난다고 생각되어 Ar'이란 기호가 쓰여졌다. 더욱이 그 하부에 나타나는 변태점에는 Ar"의 기호가 붙여졌다. 이 조직은 후에 설명할 마르텐사이트 중에 극히 부식하기 쉬운 강의 영역이 분산된 것이다. 이전에는 이 조직을 결절상 트루스타이트라 불렀으나 그 후 전자현미경으로서 이 부분을 관찰한 결과 명확한 층상조직을 갖고 있음이 확인되었다. 따라서 현재는 조직 중의 이 부분을 미세 펄라이트라 부르게 되었다. 이상의 설명에서 분명하듯이 펄라이트의 층상조직은 생성온도가 저하할수록 미세해짐을 알 수 있다.

   (2) 마르텐사이트

  수냉을 행한 곡선 (4)에는 Ar"만이 나타난다. 이것은 냉각이 빠르기 때문에 고온영역에서 생기기 쉬운 확산변태가 완전히 저지되고 조직 전체가 마르텐사이트가 됐다는 

것을 의미하고 있다. 완전한 마르텐사이트 조직이 얻어지는 냉각속도 중에서 가장 느린 것을 임계 냉각속도라 한다. 그림 4-2의 경우는 곡선 (3)과 (4)의 중간에 있다고 생각되지만 이 속도를 정확히 구하는 것은 그리 쉽지 않다. 그림 4-3은 1.1%C 강을 1030℃(A_cm선 이상의 온도이므로 표준적인 웅칭은 아니다)에서 웅칭했을 때의 조직이고, 검은 침상정의 부분이 마르텐사이트이다. 흰 부분은 변태하여 없어지지 않고 남은 동결상태의 오스테나이트로서 잔류 오스테나이트라 불리며, γ_R이라 표기한다. 이렇게 공석농도 이상의 C를 함유하면 γ은 급히 안정도가 증가하며 γ_R이 증가하기 쉬워진다.

    마르텐사이트로 변태하면 체적팽창이 크게 일어난다. 그림 3-1에서 예를 들면 1.0%강의 스테나이트(fcc)의 a축은 3.59Å, 또 마르텐사이트(bct)의 a축은 2.85Å, c축은 2.98Å라 읽을 수 있다. 따라서 단위격자의 체적을 각각 V_r, V_M으로 하면 V_r=46.286(Å)³, V_M=24.205(Å)³가 된다. 단위격자에 소속하는 원자수는 γ에서는 4개, 마르텐사이트에서는 24개이다. 따라서 원자 1개가 점유하는 체적을 기초로 하여 체적팽창률을 구하면 4.63%가 된다. 이렇게 큰팽창이 일어나므로 웅칭으로 인한 비틀림이나 웅칭균열 등의 결함이 생기기 쉽다. 확산변태에서 변태량은 시간과 함께 증가한다. 그러나 마르텐사이트는 무확산변태이므로 시간 의존성이 아니라 온도 의존성의 변태 거동을 나타낸다. 과냉 오스테나이트에서 마르텐사이트가 생기기 시작하는 온도를 Ms점이라 부르며, 변태가 종료하는 온도를 Mf점이라 부른다. Ms-Mf 사이의 온도에서는 그것에 상당하는 양의 마르텐사이트는 순간적으로 형성되지만 그 온도로 유지한 상태로는 변태가 진행되지 않는다. 혹 그대로 장시간 유지하면 미변태의 γ는 확산변태를 일으켜 후술할 베이나이트 조직을 만들 것이다.

 

    (3) 베이나이트 조직

      공석강을 약 500℃ 이하의 온도에서 항온 변태시키면 베이나이트가 형성되기 시작한다. 베이나이트의 형성은 오스테나이트 결정립계에서 페라이트 핵의 형성으로부터 시작된다고 가정하고 있다. 페라이트 핵이 형성되면 주위의 오스테나이트 탄소 농도는 증가해서 시멘타이트가 형성되어, 페라이트와 시멘타이트가 나란히 성장해 간다.

      비교적 낮은 온도인 300℃에서 형성된 하부 베이나이트 조직은 350℃ 이상의 온도에서 형성되는 상부 베이나이트와는 다른 형태를 나타낸다. 그림 4-5는 공석강을 860℃에서 오스테아니트화 한 후, 300℃에서 항온유지시가네 따른 조직의 변화를 나타낸 것으로서, 그 형태는 상부 베이나이트의 깃털(feathery) 모양이라기 보다는 針狀(needle-like)의 형태를 보이고 있다.

      공석강에서 상부 베이나이트에서 하부 베이나이트로의 천이는 약 350℃ 저온에서 일어나지만, 그 경계를 명확히 구분하기는 어렵다. 그러나 상부 베이나이트의 경도는 변태온도에 따라 약간 변화되는데 비하여 하부 베이나이트의 경도는, 변태 온도가 저하함에 따라 급격히 증가된다. 또한 상부 베이나이트는 동일 경도로 웅칭·템퍼링한 조직보다 인성이 그다지 높지 않지만, 하부 베이나이트는 동일 경도의 웅칭·템퍼링한 조직보다 현저하게 큰 인성을 나타낸다.

 

제5장 퀜칭·템퍼링과 조직

   마르텐사이트는 오스테나이트의 C 농도를 그대로 계승하여 실온에서는 bct(체심정방정) 구조의 단상조직으로 되어 있다. 즉 상태도에서 지시되고 있는 α+Fe₃C의 2상 조직은 아니다. 다시 말하면 이 조직은 불안정하며 웅칭한 상태로 방치하면 자력으로 안정된 평형조직에 근접하려고 한다. 이 현상을 웅칭시효라 하며, 경도와 형상의 변화를 가져온다. 심할 때는 균열이 발생한다. 그 원인은 실온에서 C의 확산이 서서히 진행하는 데에 있다. 한편 가열에 의해 마르텐사이트의 분해를 가속하여 α+Fe₃C의 평형조직으로 바꾸는 조작을 템퍼링이라 한다. 이 경우 양자의 혼합형태는 연속냉각한 것과는 달리 그 특징에 따라 이름 붙여진 일련의 템퍼링 조직으로 존재한다.

 

5-1 템퍼드 마르텐사이트 조직은 과공석강에 사용된다.
  약 250℃까지의 저온 템퍼링에 의해 생기는 조직을 템퍼드 마르텐사이트라 부른다. 조직적으로는 마르텐사이트의 침상정의 특징이 그대로 남아 있으므로 이렇게 불린다. 석출탄화물은 Fe_2∼2.5C란 조성을 가지며, ε탄화물이라 불린다. 이 조성은 템퍼링 온도에 의해 변하며, 최종적으로는 시멘타이트로 변화한다. 이러한 탄화물을 총칭하여 천이탄화물이라 한다. ε탄화물은 지극히 미세하며 광학현미경으로는 보이지 않는다. 저온 템퍼링은 내마모성 등 경도를 중요시하는 부품에 적용되는 조작이며, 대상 강종은 과공석강이다. 따라서 이 경우 광학현미경 조작 중에는 다수의 시멘타이트 입자가 확인되지만 이것은 고용화 열처의 시점에서 이미 존재하고 있던 미용해 탄화물이며 ε탄화물은 아니다.

 

5-2 트루스타이트 조직은 스프링강에 이용된다.
  약 400℃의 템퍼링에서 생긴 극히 부식되기 쉬운 조직을 트루스타이트라 부른다. 저온측에서 발생한 ε탄화물은 일단 모상(母相) 속으로 용입되어 다른 새로운 곳에 미립의 시멘타이트를 석출한다. 그러나 이 단계에서도 광학현미경으로는 시멘타이트를 판별할 수 없다. 이 정도의 온도가 되면 Fe의 자기확산이 가능해지므로 조직에도 근본적인 변화가 나타난다. 즉 웅칭에 의해 무리하게 생긴 bct구조는 변형이 적은 bcc구조로 변화하고 그것에 수반하여 침상의 마르텐사이트 정(晶)은 붕괴되고 재결정에 의해 등축인 페라이트 조직으로 변화해간다.
  어떤 종류의 합금강에서는 트루스타이트가 생성되는 중간온도에서 템퍼링 취성이라 불리는 현상이 발생하므로 통상 이러한 조직이 이용되는 일은 적다. 그러나 탄소강은 템퍼링 취성의 영향을 받기 어려우므로 스프링강의 열처리 등에 종종 이용된다.

 

5-3 소르바이트 조직은 기계구조용강에 최적이다.

   약 600℃ 이상의 온도에서 템퍼링에 의해 생긴 조직을 소르바이트라 부르며, 잘 발달한 등축 페라이트 중에 미세한 구상 시멘타이트가 분산된 상태이다. 이 범위의 온도에서 행하는 템퍼링을 고온 템퍼링이라 한다. 소르바이트 조직은 적당한 강도와 뛰어난 충격인성을 갖고 있으며 기계구조용강에 요구되는 가혹한 사용조건에 견딜 수 있다. 그림5-1에 소르바이트 조직을 나타내었다.
   페라이트-펄라이트 조직과 소르바이트 조직의 충격 특성을 도식적으로 비교하면 그림 5-2와 같이 된다. 페라이트-펄라이트 조직은 연하므로 연성(延性)이 풍부하고,

실온부근에서의 흡수 에너지는 때로 30kgf-m을 넘는 경우가 있다. 그러나 파면 천이 온도는 -10∼-20/℃로 의외로 높고, 취성파괴를 일으키기 쉽다. 이 경향은 고온에서 변태가 완료하여 초석 페라이트가 poligonal상(6각형)으로 발달한 조직일수록 현저하다. 이것에 대해 소르바이트 조직은 비교적 강도나 경도가 높고, 연성영역에서의 흡수 에너지값은 조금 낮으나 파면 천이온도는 -100∼-120℃로 극히 낮다. 이것은 소르바이트가 마르텐사이트 중에 형성된 bundle이라 불리는 결정단위를 기반으로 발달하기 때문이 라고 생각되고 있다.

 

   따라서 뛰어난 기계적 성질이 요구되는 기계구조용강에서는 소르바이트 조직을 얻기 위해 웅칭, 템퍼링이 필수적인 열처리가 된다. 한편 다리나 건축물 등에 사용되는 일반구조물용강은 무엇보다도 용접성이 최우선 조건인데 용접성은 경화능과는 상반되는 성질이므로, C%는 낮게 선택하고 페라이트·펄라이트 조직을 갖게 한다.

 

제6장 강의 열처리성과 합금원소의 영향

      열처리성이란 말은 일반적인 용어는 아니지만 여기서는 어닐링, 노말라이징 혹은 웅칭에 대해 그 강이 나타내는 거동이라고 정의하기로 하겠다. 이 정의에 따르면 열처리성은 CCT도나 TTT도와 깊은 관계가 있으며, 합금원소는 그것들을 통해 열처리성에 영향을 준다. 이 경우 냉각의 실태를 반영한다는 점에선 CCT도 쪽이 뛰어나지만 이론적인 고찰로는 TTT도 쪽이 적합하다. 따라서 설명의 형편에 따라 양자를 나누어 사용, 분류하여 설명하겠다.

      열처리성을 발휘하기 위해서 그 출발점이 되는 고용화 열처리 혹은 평형상태도에 대해 생각할 필요가 있다. 즉 Fe-C계를 기준으로 하여 합금원소의 영향을 논할 경우에는 (1) 평형관계에 미치는 영향과 (2) 저온의 평형상태로 이동하는 확산과정에 미치는 영향 등으로 나누어 생각해야 한다.

 

6-1 Fe-C계 평형상태도에 미치는 합금원소의 영향

  3원계 이상의 상태도를 평면도로 나타낸다면 온도축을 분명히 밝히든가(등온단면 평형상태도) 제3원소량을 일정하게 한 Fe-C-X계로 하는 수밖에 없다. 그러나 저합금 등에서는 기본적으로 Fe-C계와 동형의 상태도로 생각되며 Ac₃점의 측정을 기본으로 하여 고용화 열처리 온도가 정해져 있다.
  고합금강이 되면 상태도의 형상은 상당히 변한다. 그림 6-1은 Fe-C계 상태도의 γ단상영역에 미치는 합금원소의 영향을 나타낸 것으로서, 점선은 Fe-C계를 나타내고 있다.

Ni이나 Mn은 γ영역을 확대시키는 효과가 있지만 Mo, Cr, Si 등은 반대로 감소시킨다.

      Cr, Mn 등의 합금원소는 Fe와 치환함에 따라 시멘타이트 중에 상당한 양이 고용하여 (Fe·Cr)₃C 등의 형으로 나타나며, M₃C라 쓴다. 여기서 M은 금속원소를 나타내고 있다. 그러나 합금량이 많아지면 M₂₃C₆ 또는 M₆C와 같은 다른 결정형을 가진 탄화물을 형성한다. 특히 Mo, W, V 등 C와 결합력이 강한 원소를 포함한 경우에는 융점이 높은 탄화물을 만듦으로 고용화 열처리는 그만큼 어려워진다.

      강한 탄화물 형성원소를 포함한 강은 공용화 열처리에 의해 탄화물이 용입된 것처럼 보여도 실제로는 C만이 확산할 뿐이며 Cr이나 Mo과 같은 치환형 원자는 거의 움직이지 않는 것이 많다. 따라서 웅칭, 템퍼링을 하면 다시 원래의 위치에 똑같은 형의 탄화물을 만들기 쉽다. 특히 고 Cr강 등 큰 공정탄화물을 함유한 경우는 이 경향이 강하고 일종의 유전성을 나타낸다. 이 현상은 열처리만으로 해결할 수 있는 문제는 아니고 간의 제조시 단조조직이나 단조방법 등과 깊은 관계가 있다.

 

   6-2 냉각변태에 미치는 합금원소의 영향

      강의 냉각변태는 3개의 온도영역에서 각각 독립된 변태형식을 가지며 3개의 C곡선이 합성된 것이라 생각된다. 즉 그림 6-2에 나타나듯이 (a) Ar₃ 직하의 고온측에 위치하는 페라이트 변태영역, (b) Ar₁ 부근의 중온측에 의존하는 펄라이트 변태영역, (c) 약 500℃이하의 저온측에 존재하는 베이나이트 변태영역이다. 단지 탄소강의 베이나이트 변태영역은 펄라이트 변태영역과 완전히 중복된 것이라 생각되고 있다.

합금원소는 이들 3개의 변태영역에 각각 독립된 영향을 주어 종합된 변태곡선은 그것에 따른 복잡한 변화를 나타낸다. 일반적인 합금원소의 영향은 변태영역을 저온·장시간쪽으로 이동시켜 경화능을 증가시키는 일이다. C, Ni, Mn, Si 등이 그 대표적인 예이다. Cr은 페라이트 변태를 조장하는 경향을 갖지만 베이나이트 변태는 현저히 억제되어 양 변태영역의 분리가 뚜렷해진다. Mo는 페라이트 변태를 곤란하게 하며 그 변태영역을 고온·장시간쪽으로 이동시키지만 베이나이트 영역으로의 영향은 적다. 따라서 Mo강에서는 베이나이트 조직을 만들기 쉽다. 합금원소를 복합 첨가하면 변태억제 효과는 상승적으로 일어난다. 따라서 많은 원소를 소량씩 첨가하는 편이 효과적이다. Cr-Mo강이나 Cr-Mn강의 뛰어난 경화능에 대해서는 잘 알려져 있으며 Ni-Cr-Mo강의 경화능은 최고이다.

      B는 원자반경비가 0.7 정도이며, 치환형으로서는 작지만 침입형으로서는 너무 크다. 그러한 이유로 고용 취치는 주로 입계나 상경계와 같이 격자결함이 많은 장소로 한정된다. 원자반경비가 큰 Mo도 유사한 효과를 가진다. 이들 입계에 편석된 원소는 입계 에너지를 작게하여 변태 핵의 발생을 어렵게 하고 γ+α 계면에 편석되면 α의 입내 성장을 강력히 저지할 것이라 생각된다. 이러한 효과는 미량의 B로서 충분히 얻을 수 있다. 다량 첨가하면 공정형인 붕화물(硼化物)등을 만들어 계면이 반대로 변태 핵의 발생을 감소시키므로 경화능은 오히려 저하한다.

 

6-3 어닐링, 노멀라이징과 합금원소

      CCT도에 미치는 합금원소의 영향을 생각하면 어닐링 및 노멀라이징과 합금원소의 관계에 대해서는 분명하다. 저합금강에서는 A₃점에 대한 배려 이외에는 기본적으로 탄소강과 같다. 고합금강이나 공구강에서는 탄화물의 고용에 주의해야 하며 일반적으로 고온·장시간의 고용화 열처리가 요구되지만 규격강에서는 각각의 규정에 따라 조작하면 좋다. 실제로 문제가 되는 점은 균열성장, 탈탄방지, 최적 냉각속도의 선정 등이다.

      노멀라이징에 대해서는 우선 그 목적을 명확히 파악할 필요가 있다. 저탄소강이나 일부 저탄소 Cr강에서 노멀라이징을 하는 것은 기계적 성질의 개선이 그 목적이다. 이런 강은 웅칭을 하여도 거의 웅칭되지 않으며 그 효과가 나타나기 어렵다. 따라서 노멀라이징은 이 경우 가장 저렴한 열처리법이 된다. 노멀라이징에 의한 기계적 성질의 개선은 냉각속도를 빨리함으로써 조대한 polygonal ferrite(다각형으로 성장하는 등축정의 ferrite)의 발생을 억제하고 조직을 미세화함으로써 가능해진다. 이 경우 공석변태는 0.765%C 이하의 불포화 γ중에서, 그리고 727℃ 이하의 저온에서 발생한다. 한편 변태점의 변화에 따른 결정립의 세립화와 균일화의 효과도 무시할 수 없다.

      일반적으로 노멀라이징에 의한 인장 성질의 개선이 그만큼 현저한 것은 아니지만 충격 특성에는 큰 개선효과가 있다. 단조품 등 온도차에 의해 탄화물의 조대화나 혼입(混粒)이 발생하기 쉬운 것은 단조상태시보다 노멀라이징 처리한 것이 제품의 신뢰성을 증가시킨다.

 

6-4 경화능과 그 표시법

      경화능은 그 강 본래의 성질이며 조성과 결정입도에 의해 결정되는 것이다. 경화능을 나타내는 방법에는 여러 가지가 있으며 (상부)임계냉각속도(웅칭시 A₁ 변태가 완전히 저지되어 마르텐사이트 조직만이 되는 냉각속도)와 비교하는 것도 하나의 방법이다. 그러나 이 방법은 변태개시 거동만이 강조되며 종료의 거동이 완전히 고려되지 않으며 실용강에서는 100% 마르텐사이트 조직일 필요성이 없다는 점에서 다른 표시법이 구해진다. 이 경우 실용적인 면에서 50% 마르텐사이트 조직까지를 경화조직으로 간주한다는 약속이 이루어지고 있다.

이 규정에 의하면 필연적으로 강의 변태종료 거동이 고려된다는 점에 주목해야 한다.

      경화능을 종합적으로 판정하기 위해서는 CCT도가 가장 뛰어나지만 품목마다 CCT도를 작성하는 일은 불가능하다. 거기서 가장 실용성이 높은 방법으로서 Jominy test가 사용되고 있다.

      그림 6-3(a)는 Jominy test 장치이다. Ø 25×100인 시험편을 규정한 웅칭온도로 중심부까지 균일하게 가열한 뒤 시험편을 가열로에서 꺼내어 즉시 지지대에 놓고 분수구를 통하여 시험편하단에 분수시켜 시험편 전체가 냉각되기까지 적어도 10분간 유지한다.

      냉각한 시험편은 반대쪽의 양 측면을 그림 (b)에서와 같이 0.4mm만 연마(硏磨)제거하고 그 경도를 그리 6-4와 같이 냉각끝에서 1.5-3-5-7-9-11-13-15mm 및 그 이후 5mm 간격으로 HRC(또는 HV)로 측정하고 시험편의 양 측면에서 얻어진 대응하는 첨의 경도 평균치를 구하고 축방향에 걸친 경도 추이를 정리한 것을 Jominy곡선이라 부르며, 그 형상에서 경화능의 정도를 알 수 있다.