열처리에서 임계 온도는 단일 지점이 아니라 강철과 같은 철 합금의 내부 결정 구조에서 근본적인 변화가 발생하는 특정 온도 또는 범위입니다. 이 변태, 가장 일반적으로 오스테나이트라고 불리는 구조의 형성은 경화, 어닐링 및 노멀라이징과 같은 공정을 가능하게 하는 기초적인 단계입니다. 이 온도에 도달하지 않으면 기계적 특성의 원하는 변화는 불가능합니다.
핵심 개념은 강철을 임계 온도 이상으로 가열하면 단단한 미세 구성 요소가 새로운 균일한 고용체(오스테나이트)로 용해된다는 것입니다. 강철의 최종 특성은 이 변태된 상태에서 냉각되는 방식에 따라 전적으로 결정됩니다.
기초: 변태란 무엇인가요?
이 온도의 "임계" 특성은 철 원자가 가열될 때 재배열되는 독특한 방식에 뿌리를 두고 있습니다. 이 상변태는 강철 열처리의 전체 기반입니다.
상온에서 오스테나이트까지
상온에서 강철의 구조는 일반적으로 페라이트(순수하고 부드러운 철)와 시멘타이트(매우 단단한 탄화철 화합물)의 혼합입니다. 이 조합은 종종 펄라이트라고 불리는 층상 구조로 존재합니다.
강철을 하부 임계 온도(Ac1) 이상으로 가열하면 이 구조가 용해되기 시작하고 오스테나이트라고 알려진 새로운 결정 구조로 변태합니다.
오스테나이트의 독특한 힘
오스테나이트는 상당한 양의 탄소를 고용체로 용해시킬 수 있는 다른 원자 배열(면심 입방, 또는 FCC)을 가지고 있습니다.
소금을 물에 녹이는 것과 같다고 생각해보세요. 상온(페라이트)에서는 탄소의 용해도가 매우 낮습니다. 그러나 고온의 오스테나이트 상태에서는 탄소가 완전히 용해되어 균일하고 탄소가 풍부한 구조를 만듭니다. 이것이 대부분의 열처리의 필수적인 시작점입니다.
탄소의 결정적인 역할
"잠금 해제"되어 오스테나이트에 용해된 탄소는 경화의 핵심 요소입니다.
강철이 오스테나이트 상태에서 급속 냉각(담금질)될 때 탄소 원자는 갇히게 됩니다. 이것은 마르텐사이트라고 불리는 새롭고 고도로 변형되고 극도로 단단한 결정 구조를 만듭니다. 오스테나이트를 먼저 형성하지 않으면 마르텐사이트를 형성할 수 없습니다.
"임계" 온도 해독하기
강철의 탄소 함량과 가열 또는 냉각 여부에 따라 임계 온도에 대한 여러 용어를 접하게 될 것입니다.
Ac1: 하부 임계 온도
이것은 가열 중에 오스테나이트가 형성되기 시작하는 온도입니다. 모든 일반 탄소강의 경우 이 온도는 727°C (1340°F)로 일정합니다.
Ac3: 상부 임계 온도
이것은 가열 시 오스테나이트로의 변태가 완료되는 온도입니다. 이 지점 위에서는 전체 구조가 100% 오스테나이트입니다.
Ac1과 달리 Ac3 온도는 탄소 함량에 따라 크게 달라집니다. 탄소 함량이 0.77%까지 증가함에 따라 감소합니다.
Ar1 및 Ar3: 냉각 시 변태
Ar1 및 Ar3도 참조될 수 있습니다. "r"은 refroidissement (냉각)을 의미합니다.
이것들은 냉각 시 오스테나이트가 페라이트와 펄라이트로 다시 변태하는 온도입니다. 열 이력 현상이라고 불리는 현상 때문에 항상 가열 시 온도(Ac1 및 Ac3)보다 약간 낮습니다.
흔한 함정과 오해
임계 온도를 이해하는 것은 필수적이지만, 그 적용을 잘못 해석하면 처리 실패로 이어질 수 있습니다.
단일 숫자가 아닙니다
가장 흔한 실수는 모든 강철에 대해 하나의 "임계 온도"가 있다고 가정하는 것입니다. 올바른 온도, 특히 상부 임계 온도(Ac3)는 특정 합금의 화학적 조성, 주로 탄소 함량에 전적으로 의존합니다. 항상 특정 강철 등급에 대한 상 다이어그램 또는 열처리 가이드를 참조하십시오.
"과열"의 위험
강철을 상부 임계 온도(Ac3)보다 너무 많이 가열해도 공정이 개선되지 않습니다. 대신, 오스테나이트 내의 결정립이 과도하게 성장합니다.
큰 결정립은 담금질 후 더 약하고 부서지기 쉬운 재료를 초래하여 강철의 인성과 충격 저항을 손상시킵니다.
"미달"의 문제
상부 임계 온도(Ac3)에 도달하지 못하면 오스테나이트로의 변태가 불완전합니다. 원래의 더 부드러운 페라이트 구조의 일부가 남아 있을 것입니다.
담금질될 때, 이것은 "연한 부분"이 있는 불균일한 미세 구조로 이어져 필요한 경도 또는 강도 사양을 충족하지 못하는 부품이 됩니다.
목표에 맞는 올바른 선택
열처리 공정의 목표 온도는 특정 결과를 달성하기 위해 항상 이러한 임계점과 관련하여 선택됩니다.
- 최대 경도(경화)가 주된 목표인 경우: 담금질 전에 완전히 오스테나이트 구조를 보장하기 위해 상부 임계 온도(Ac3) 보다 약 30-50°C (50-90°F) 높게 가열합니다.
- 결정립 구조 미세화(노멀라이징)가 주된 목표인 경우: 경화와 유사한 온도(Ac3 이상)로 가열하지만, 더 균일하고 미세한 미세 구조를 위해 정지된 공기 중에서 재료를 냉각합니다.
- 최종 연성(완전 어닐링)이 주된 목표인 경우: Ac3 이상으로 가열한 다음, 일반적으로 냉각될 때 노 내부에 그대로 두어 가능한 한 천천히 재료를 냉각합니다.
- 경도를 변경하지 않고 응력 완화가 주된 목표인 경우: 하부 임계 온도(Ac1) 보다 훨씬 낮은 온도를 사용합니다. 응력 완화로 알려진 이 공정은 오스테나이트 형성을 포함하지 않습니다.
강철의 특성을 마스터하는 것은 이러한 임계 변태 지점에 대한 근본적인 이해에서 시작됩니다.
요약 표:
| 임계 온도 | 기호 | 설명 | 강철의 일반적인 값 |
|---|---|---|---|
| 하부 임계 온도 | Ac1 | 가열 중에 오스테나이트가 형성되기 시작함 | 727°C (1340°F) |
| 상부 임계 온도 | Ac3 | 가열 중에 오스테나이트 변태가 완료됨 | 탄소 함량에 따라 다름 |
| 냉각 시 변태 | Ar1, Ar3 | 냉각 시 오스테나이트가 다시 변태함 | Ac1/Ac3보다 약간 낮음 |
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