간단히 말해, 탄소 함량이 매우 낮은 강철과 대부분의 오스테나이트계 스테인리스강은 기존의 열처리 및 담금질 방법으로는 경화될 수 없습니다. 강철이 경화될 수 있는 능력은 기본적으로 화학적 조성, 특히 내부 결정 구조의 중요한 변화를 가능하게 하는 탄소 함량과 관련이 있습니다.
핵심 원리는 다음과 같습니다. 열처리 경도는 강철의 결정 구조를 단단하고 부서지기 쉬운 상인 마르텐사이트로 변형시켜 얻어집니다. 강철에 충분한 탄소가 없거나 다른 원소에 의해 구조가 안정화되면 이러한 변형이 발생할 수 없습니다.
결정적인 요소: 탄소가 중요한 이유
탄소의 역할
탄소는 강철의 기존 경화에 가장 중요한 단일 원소입니다. 이는 높은 경도에 필요한 마르텐사이트 구조를 형성할 수 있도록 하는 주요 작용제입니다.
강철은 탄소 함량에 따라 분류됩니다. 저탄소강(종종 연강이라고도 함)은 일반적으로 탄소 함량이 0.3% 미만입니다. 이는 상당한 경화 효과를 얻기에 충분한 탄소가 아닙니다.
최소 탄소 임계값
열처리로 강철이 눈에 띄게 경화되려면 일반적으로 최소 0.30%에서 0.35%의 탄소 함량이 필요합니다. 공구강과 같이 높은 경도를 위해 설계된 강철은 종종 1.0% 이상의 탄소 수준을 가집니다.
경화 메커니즘: 두 가지 구조 이야기
오스테나이트 생성을 위한 가열
경화 가능한 강철을 임계 온도(일반적으로 1400°F 또는 760°C 이상) 이상으로 가열하면 결정 구조가 오스테나이트라는 상으로 변합니다. 이 상태에서 철 격자는 상당한 양의 탄소를 용해할 수 있습니다.
탄소를 가두기 위한 담금질
마법은 담금질—물, 기름 또는 공기에서 급속 냉각하는 동안 발생합니다. 이 갑작스러운 온도 강하는 탄소 원자가 느린 냉각 중에 일반적으로 발생하는 것처럼 결정 구조 밖으로 이동할 시간을 주지 않습니다.
탄소는 갇히게 되어 철 결정 격자를 새로운, 고도로 변형되고 매우 단단한 구조인 마르텐사이트로 왜곡시킵니다. 이것이 경화의 본질입니다.
경화에 저항하는 강철 (그리고 그 이유)
저탄소 (연강) 강철
앞서 언급했듯이, 탄소 함량이 0.3% 미만인 강철은 결정 구조를 마르텐사이트로 효과적으로 고정하는 데 필요한 탄소 원자가 부족합니다. 담금질하면 대부분 원래의 부드러운 상태로 돌아갑니다. 이 강철은 경도보다는 연성과 용접성으로 가치가 있습니다.
오스테나이트계 스테인리스강 (304, 316)
이것은 다른 주요 범주입니다. 일반적인 304 및 316 등급과 같은 오스테나이트계 스테인리스강은 높은 수준의 니켈로 특별히 설계되었습니다.
니켈은 "오스테나이트 안정화제"입니다. 이는 강철이 실온에서도 부드럽고 비자성인 오스테나이트 구조를 유지하도록 만듭니다. 강철이 이미 오스테나이트 상에 있고 냉각 시 변형되지 않으므로 마르텐사이트 반응이 유발될 수 없습니다.
이 강철은 경화될 수 있지만, 가공 경화(또는 변형 경화)라는 다른 메커니즘을 통해 경화된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 금속을 기계적으로 변형(예: 굽힘 또는 압연)함으로써 발생합니다.
페라이트계 스테인리스강 (예: 430)
이 스테인리스강 그룹은 탄소 함량이 매우 낮고, 가열 시 오스테나이트로 변형되지 않는 결정 구조(페라이트)를 가지고 있습니다. 시작할 오스테나이트가 없으므로 마르텐사이트 변형은 불가능합니다.
절충점 이해하기
경도 대 연성
야금학에는 "공짜 점심"이 없습니다. 놀라운 경도와 내마모성을 제공하는 마르텐사이트 구조는 강철을 매우 취성으로 만듭니다.
이것이 경화된 부품이 담금질 후 거의 항상 템퍼링되는 이유입니다. 템퍼링은 일부 경도를 감소시키지만 중요한 인성과 연성을 회복시켜 부품이 사용 중에 부서지는 것을 방지하는 저온 열처리입니다.
용접성 및 가공성
쉽게 경화되는 강철(즉, 탄소 및 합금 함량이 높은 강철)은 일반적으로 용접하기가 더 어렵습니다. 용접의 급속 가열 및 냉각 주기는 용접 근처에 취성 영역을 생성하여 균열로 이어질 수 있습니다.
마찬가지로, 고탄소강은 경화된 상태에서 가공하기가 훨씬 더 어렵습니다. 가공은 일반적으로 강철이 최종 열처리 전에 부드러운 어닐링 상태일 때 수행됩니다.
귀하의 응용 분야에 적합한 선택하기
올바른 강철을 선택하려면 주요 목표를 이해해야 합니다. 경도가 필요한 속성이 아니라면 재료를 경화할 수 없다는 것이 결함은 아닙니다.
- 최대 경도 및 내마모성이 주요 초점인 경우: 고탄소강 또는 열처리용으로 설계된 전용 공구강(예: A2 또는 D2)을 선택하십시오.
- 내식성 및 연성이 주요 초점인 경우: 오스테나이트계 스테인리스강(예: 304)을 선택하고, 경도가 열처리가 아닌 가공 경화에서 비롯된다는 점을 받아들이십시오.
- 비용 효율적인 제작 및 우수한 용접성이 주요 초점인 경우: 저탄소강(예: A36 또는 1018)을 선택하고, 크게 관통 경화될 수 없다는 점을 이해하십시오.
강철의 기본 속성을 이해하는 것이 성공적인 엔지니어링 및 설계의 첫 번째 단계입니다.
요약표:
| 강철 유형 | 탄소 함량 | 경화 메커니즘 | 주요 특성 |
|---|---|---|---|
| 저탄소 (연강) 강철 | < 0.3% | 경화될 수 없음 | 높은 연성, 우수한 용접성 |
| 오스테나이트계 스테인리스강 (304, 316) | 낮음 | 가공 경화만 가능 | 내식성, 비자성 |
| 페라이트계 스테인리스강 (예: 430) | 매우 낮음 | 경화될 수 없음 | 우수한 내식성, 자성 |
| 고탄소/공구강 | > 0.35% | 열처리 및 담금질 경화 | 높은 경도, 내마모성 |
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