강철의 템퍼링
템퍼링은 담금질된 공작물을 A1 이하의 온도로 재가열하고 특정 시간 동안 유지한 후 상온으로 냉각시키는 열처리 공정입니다. 담금질된 강철을 직접 사용해서는 안 됩니다. 강철의 미세 구조와 특성을 결정하고 중요한 열처리 단계인 템퍼링을 거쳐야 합니다.
템퍼링의 목적
원하는 기계적 특성을 달성하려면
담금질 후 공작물의 경도는 높지만 연성과 인성은 낮습니다. 다양한 부품에 대한 다양한 성능 요구 사항을 충족하기 위해 템퍼링을 사용하여 담금질된 미세 구조를 수정하고, 경도를 조정하고, 취성을 줄여 공작물의 원하는 기계적 특성을 얻습니다.
가공물 치수를 안정화하려면
담금질 중에 형성된 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트는 시간이 지남에 따라 분해되어 치수 및 형상 변화를 일으킬 수 있는 불안정한 구조입니다. 템퍼링은 담금질된 미세 구조를 안정적인 구조로 변환하여 사용 중에 가공물의 치수와 모양을 유지합니다.
담금질로 인한 내부 응력을 줄이거나 제거하려면
담금질은 상당한 내부 응력을 유발합니다. 템퍼링을 통해 즉시 완화되지 않으면 이러한 응력으로 인해 가공물이 변형되거나 균열이 발생할 수 있습니다.
담금질 강철의 템퍼링 중 변형
담금질된 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트는 상온에서 A1 이하로 단련될 때 페라이트와 탄화물로 분해되는 준안정상입니다. 구체적인 변형은 템퍼링 온도에 따라 다릅니다.
마르텐사이트 분해(200도 이하)
80도 이하로 단련되면 마르텐사이트의 탄소 원자 클러스터링을 제외하고는 심각한 미세 구조 변화가 발생하지 않습니다. 80도에서 200도 사이에서 마르텐사이트는 분해되기 시작하고 탄소 원자는 ε-탄화물(Fe2.4C)로 석출되어 마르텐사이트의 탄소 과포화를 줄이고 정방정계를 감소시킵니다. 템퍼링 온도가 낮기 때문에 과잉 탄소의 일부만 석출되어 마르텐사이트가 -Fe에 탄소의 과포화 고용체로 남습니다. 미세한 ε- 탄화물은 과포화 - 고용체의 경계면을 따라 분산되어 일관성 있는 관계를 유지합니다(상 경계의 원자가 두 개의 결정 격자에 의해 공유됨). 덜 과포화된 -고용체와 ε-탄화물로 구성된 이 미세 구조를 템퍼링 마르텐사이트라고 합니다. ε-탄화물의 미세하고 고도로 분산된 특성으로 인해 200도 이하로 단련해도 강철의 경도는 크게 감소하지 않습니다. 그러나 ε-탄화물의 석출은 격자 변형을 감소시켜 담금질 응력을 낮추고 강의 가소성과 인성을 약간 증가시킵니다.
잔류 오스테나이트 분해(200도~300도)
잔류 오스테나이트는 과냉각 오스테나이트와 유사하므로 유사한 온도 조건에서 템퍼링 변태 생성물은 과냉각 오스테나이트와 동일하며 온도에 따라 마르텐사이트, 베이나이트 또는 펄라이트를 형성합니다.
강철을 200도에서 300도 사이에서 담금질하면 마르텐사이트는 계속 분해되고, 잔류 오스테나이트는 하부 베이나이트로 변태하기 시작합니다(200도~300도가 하부 베이나이트 변태 범위). 이 온도 범위에서는 담금질 응력이 더 감소하지만 경도는 크게 떨어지지 않습니다.
탄화물의 변형(250도 –450도)
250도 이상으로 단련되면 탄소 원자의 확산 능력이 증가하여 ε{1}}탄화물이 점차 안정된 시멘타이트로 변하게 됩니다. 450도까지 모든 ε-탄화물은 고도로 분산된 시멘타이트로 변환됩니다. 탄소가 지속적으로 침전되면 고용체의 탄소 함량이 -평형 수준으로 낮아지고, 모양은 바늘-상태로 유지되지만 페라이트로 변합니다. 침상- 모양의 페라이트와 고도로 분산된 시멘타이트로 구성된 이 조직을 템퍼링된 트루스타이트라고 합니다. 45강의 템퍼링된 트루스테이트 구조가 아래 그림에 나와 있습니다. 이 시점에서 강철의 경도는 감소하고 인성과 가소성은 더욱 증가하여 담금질 응력이 거의 제거됩니다.
시멘타이트의 응집 및 성장과 페라이트의 재결정화(450도~700도)
450도 이상에서는 고분산성 시멘타이트가 점차 미세한 입자로 구상화되고, 온도가 상승함에 따라 이러한 입자가 성장하게 됩니다. 동시에, 페라이트는 500도에서 600도 사이에서 재결정화되기 시작하여 라스 또는 바늘{4}}모양에서 다각형 입자로 변형됩니다.
다각형 페라이트 매트릭스에 분포된 입상 시멘타이트로 구성된 이 구조를 템퍼링된 소르바이트라고 합니다. 45강의 강화 소르바이트 구조가 아래 그림에 나와 있습니다. 온도가 650°A1까지 더 증가하면 입상 시멘타이트가 조대화되어 다각형 페라이트와 강화 펄라이트로 알려진 더 큰 입상 시멘타이트의 미세 구조를 형성합니다.
템퍼링 중 담금질된 강철의 변형은 다양한 온도 범위에서 발생합니다. 동일한 뜨임 온도에서도 여러 유형의 변형이 발생할 수 있습니다. 강화강의 특성은 이러한 미세 구조 변화에 따라 달라지며, 이는 결국 기계적 성능에 영향을 미칩니다. 일반적으로 뜨임 온도가 증가하면 강도와 경도는 감소하고 연성과 인성은 향상되며 이러한 변화는 온도가 높아질수록 더욱 두드러집니다.
템퍼링의 종류와 응용
강의 미세구조와 특성을 결정하는 주요 요인은 템퍼링 온도입니다. 템퍼링은 온도와 결과적인 미세 구조에 따라 세 가지 유형으로 분류됩니다.
저온-온도 템퍼링(150도~250도)
저온-템퍼링으로 템퍼링된 마르텐사이트가 생성됩니다. 목표는 담금질 강의 높은 경도와 내마모성을 유지하면서 내부 응력과 취성을 줄이고 연성 및 인성을 향상시키는 것입니다. 이 방법은 절삭 공구, 측정 공구, 냉간 스탬핑 다이, 롤링 베어링, 침탄 부품 및 표면{4}}냉각 부품의 고-탄소강 및 합금강에 주로 사용됩니다. 템퍼링 후 경도는 일반적으로 58-64 HRC 사이입니다.
중간-온도 템퍼링(350도 –500도)
이 방법으로 강화된 트로스타이트가 생성됩니다. 그 목적은 높은 항복 강도, 탄성 한계 및 상당한 인성을 달성하는 것입니다. 중{2}}온도 템퍼링은 다양한 탄성 부품 및 고온-가공 다이에 주로 사용됩니다. 템퍼링 후 경도는 일반적으로 35~50HRC입니다.
고온-템퍼링(500도~650도)
이 방법은 템퍼링된 소르비트를 생성합니다. 목표는 강도, 경도, 연성 및 인성의 균형을 달성하는 것입니다. 담금질과 고온{2}}템퍼링이 결합된 경우 이 공정을 일반적으로 "담금질 및 템퍼링"이라고 합니다. 이는 자동차, 트랙터 및 공작 기계 생산 시 중요한 구조 부품(예: 커넥팅 로드, 스터드, 기어 및 변속기 샤프트)에 널리 사용됩니다. 템퍼링 후 경도는 일반적으로 200-330 HBW 범위입니다.
정규화 및 담금질-템퍼링 후 강철의 경도 값은 매우 유사하지만, 생산 시 중요한 구조 부품은 일반적으로 정규화보다는 담금질{1}}템퍼링을 거칩니다. 이는 템퍼링된 소르바이트의 미세구조가 입상 시멘타이트를 갖는 반면, 노멀라이징에서 얻은 소르비트는 층상 시멘타이트를 갖기 때문입니다. 따라서 담금질 및 템퍼링된 강은 정규화된 상태에 비해 더 높은 강도를 나타낼 뿐만 아니라 더 나은 연성 및 인성을 갖습니다.
담금질 및 템퍼링은 최종 열처리 공정으로 사용되거나 표면 경화 및 화학적 열처리 전 예비 처리로 사용될 수 있습니다. 조질강은 경도가 높지 않기 때문에 가공이 용이하고 표면조도 값이 낮습니다.
이러한 세 가지 일반적인 템퍼링 방법 외에도 일부 고{0}}합금강은 구형화 어닐링의 대안으로 템퍼링된 펄라이트를 얻기 위해 A1보다 20~40도 낮은 온도에서 고온 연화 템퍼링을 거칩니다.
템퍼링 중 철저한 미세 구조 변형을 보장하려면 재료, 온도, 두께, 하중 및 가열 방법에 따라 가공물을 충분한 시간(보통 1~3시간) 동안 템퍼링 온도에서 유지해야 합니다. 템퍼링 후 냉각 방법은 탄소강의 성능에 거의 영향을 미치지 않지만 새로운 응력 발생을 피하기 위해 일반적으로 템퍼링 후 공작물을 공기 중에서 천천히 냉각시킵니다.
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