본질적으로 템퍼링은 주로 특정 철 기반 합금에 적용되는 열처리 공정입니다. 템퍼링할 수 있는 금속은 먼저 경화될 수 있는 금속이며, 이 범주에는 대다수의 강철과 특정 유형의 주철이 포함됩니다. 이러한 능력은 금속이 가열된 후 급속 냉각될 때 중요한 구조적 변화를 겪을 수 있는 충분한 탄소 함량을 가지고 있는지에 달려 있습니다.
금속이 템퍼링될 수 있는 능력은 독립적인 속성이 아니라 경화될 수 있는 능력의 직접적인 결과입니다. 따라서 템퍼링은 거의 전적으로 담금질 시 마르텐사이트라고 불리는 단단하고 부서지기 쉬운 구조를 형성할 만큼 충분한 탄소를 함유한 철금속(예: 강철 및 주철)에 적용됩니다.
기본 요구 사항: 경화 능력
템퍼링은 결코 독립적인 공정이 아닙니다. 이는 기계적 특성의 정확한 균형을 달성하도록 설계된 2단계 열처리 중 두 번째 단계입니다.
탄소와 철의 중요한 역할
전체 공정은 강철 내 철과 탄소 원자 사이의 독특한 관계에 달려 있습니다. 강철이 고온으로 가열되면 결정 구조가 변하고 탄소 원자가 철에 용해될 수 있습니다.
마르텐사이트 생성: 경화 단계
뜨거운 강철이 급속 냉각(담금질이라고 하는 공정)되면 탄소 원자가 철의 결정 구조 내에 갇히게 됩니다. 이는 마르텐사이트라고 알려진 새롭고 매우 변형되고 매우 단단한 미세 구조를 생성합니다. 이 경화된 상태는 템퍼링에 필요한 전제 조건입니다.
대부분의 비철금속을 템퍼링할 수 없는 이유
알루미늄, 구리, 황동 또는 티타늄과 같은 금속은 이러한 특정 철-탄소 관계를 가지고 있지 않습니다. 이들의 결정 구조는 담금질을 통해 마르텐사이트를 형성하지 않습니다. 이들은 "시효 경화" 또는 "가공 경화"와 같은 다른 방법으로 강화될 수 있지만, 전통적인 의미에서 템퍼링될 수는 없습니다.
어떤 강철과 철을 템퍼링할 수 있나요?
경화될 수 있는 거의 모든 강철 또는 철 합금은 그 후에 템퍼링될 수 있습니다. 특정 합금은 원하는 최종 특성에 따라 선택됩니다.
탄소강 및 합금강
이것은 가장 크고 가장 일반적인 범주입니다. 여기에는 파일 및 블레이드에 사용되는 간단한 고탄소강부터 크롬, 몰리브덴, 바나듐과 같은 원소를 포함하는 복잡한 합금강까지 모든 것이 포함됩니다. 이러한 합금 원소는 강철의 깊고 균일한 경화 능력을 향상시킵니다.
공구강
이름에서 알 수 있듯이, 이들은 공구, 다이 및 절삭 날을 위해 설계된 특수 합금입니다. 이들은 정밀한 경화 및 템퍼링 사이클을 통해 탁월한 경도와 내마모성을 달성하도록 제조됩니다. 예로는 열간 가공 및 냉간 가공 공구강이 있습니다.
스프링강 및 베어링강
이러한 합금은 경도와 인성 및 피로 저항성의 균형을 맞추도록 설계되었습니다. 스프링강은 필요한 유연성을 얻기 위해 더 높은 온도에서 템퍼링되는 반면, 내마모 베어링강은 극한의 경도와 치수 안정성을 위해 템퍼링됩니다.
마르텐사이트계 스테인리스강
대부분의 일반적인 스테인리스강(주방 싱크대에 사용되는 것과 같은)은 오스테나이트계이며 열처리로 경화될 수 없습니다. 그러나 마르텐사이트계 스테인리스강은 경화 및 템퍼링이 가능한 다른 조성을 가지고 있어 칼붙이, 수술 도구 및 고강도 부품에 적합합니다.
트레이드오프 이해: 경도 대 인성
템퍼링의 전체 목적은 소량의 경도를 전략적으로 희생하여 상당한 인성 이득을 얻는 것입니다.
완전히 경화된 강철의 취성
100% 마르텐사이트를 형성하도록 담금질된 강철은 최대 경도를 가집니다. 그러나 유리처럼 극도로 부서지기 쉽습니다. 날카로운 충격은 강철을 산산조각 낼 수 있어 대부분의 응용 분야에 쓸모없게 만듭니다.
템퍼링이 인성을 위해 경도를 희생하는 방법
템퍼링은 경화된 강철을 정밀한 온도(초기 경화 온도보다 훨씬 낮은)로 재가열하고 그 상태를 유지하는 것을 포함합니다. 이 제어된 가열은 갇힌 탄소 원자 중 일부가 이동하도록 허용하여 마르텐사이트 구조 내의 강한 내부 응력을 완화합니다.
템퍼링 스펙트럼
최종 특성은 템퍼링 온도에 따라 결정됩니다. 저온(예: 200°C / 400°F)은 취성을 줄이면서 대부분의 경도를 유지하기에 충분한 응력만 완화합니다. 고온(예: 600°C / 1100°F)은 경도의 훨씬 더 큰 손실을 초래하지만 인성과 연성의 엄청난 이득을 가져옵니다.
목표에 맞는 올바른 선택
템퍼링 가능한 금속과 해당 열처리를 선택하는 것은 최종 응용 분야에 가장 중요한 속성을 정의하는 것입니다.
- 최대 경도 및 내마모성에 중점을 둔다면: 고탄소 공구강 또는 베어링강을 매우 낮은 템퍼링 온도로 사용합니다.
- 인성 및 충격 저항성에 중점을 둔다면: 중탄소 합금강을 선택하고 더 높은 템퍼링 온도를 사용하여 차축, 구조용 볼트 또는 스프링과 같은 부품을 만듭니다.
- 내식성 및 강도에 중점을 둔다면: 이 경화 및 템퍼링 공정을 거칠 수 있는 유일한 스테인리스강 등급인 마르텐사이트계 스테인리스강을 지정해야 합니다.
궁극적으로 템퍼링 가능한 금속을 선택하는 것은 경도와 인성 사이의 근본적인 트레이드오프를 정밀하게 조절할 수 있는 특성을 가진 재료를 선택하는 것입니다.
요약표:
| 금속 유형 | 주요 특성 | 일반적인 응용 분야 |
|---|---|---|
| 탄소강 및 합금강 | 경화 및 템퍼링 가능; 탄소 함량에 따라 특성 변화. | 블레이드, 공구, 구조 부품. |
| 공구강 | 정밀 열처리 후 높은 경도 및 내마모성. | 다이, 절삭 공구, 금형. |
| 마르텐사이트계 스테인리스강 | 템퍼링을 통한 내식성 및 고강도 결합. | 칼붙이, 수술 도구. |
| 주철 | 특정 유형은 경화 및 템퍼링 가능. | 엔진 부품, 중장비 부품. |
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