요약하자면, 담금질로 성공적으로 경화시킬 수 있는 강철은 충분한 탄소 함량을 가진 강철입니다. 여기에는 대부분의 중탄소강, 고탄소강, 합금강, 공구강 및 특정 등급의 스테인리스강이 포함됩니다. 경화 능력은 강철의 이름으로 결정되는 것이 아니라, 급랭에 어떻게 반응하는지를 결정하는 화학 성분으로 결정됩니다.
강철을 담금질할 수 있는지 결정하는 중요한 요소는 탄소 함량입니다. 합금 원소는 얼마나 빨리 담금질해야 하는지(즉, '경화성')를 결정하지만, 냉각 시 단단하고 취성이 있는 미세 조직인 마르텐사이트를 형성하려면 강철에 충분한 탄소(일반적으로 0.30% 이상)가 포함되어 있어야 합니다.
담금질의 기본 요구 사항: 탄소
담금질은 특정 원자 구조를 고정하기 위해 설계된 열처리 공정입니다. 이 공정의 성공은 거의 전적으로 한 가지 원소, 즉 탄소에 달려 있습니다.
탄소가 필수적인 이유
강철을 고온으로 가열할 때(오스테나이트화라고 함), 철 원자는 오스테나이트라는 구조로 재배열됩니다. 이 구조는 격자 내에 상당량의 탄소 원자를 용해시킬 수 있는 고유한 능력을 가지고 있습니다.
마르텐사이트로의 변태
이 오스테나이트를 매우 빠르게 냉각시키면(담금질), 탄소 원자가 갇히게 됩니다. 철 격자는 강하고 단단하며 취성이 있는 마르텐사이트라는 구조로 변형되도록 강제됩니다. 이 변태가 강철 경화의 기초입니다.
최소 탄소 임계값
충분한 용해된 탄소가 없으면 마르텐사이트 변태가 효과적으로 일어나지 않습니다. 탄소 함량이 매우 낮은 강철은 아무리 빨리 냉각해도 더 부드럽고 연성이 높은 구조만 형성됩니다.
일반적인 규칙은 강철이 담금질을 통해 상당한 경화를 달성하려면 최소한 0.30%에서 0.35%의 탄소가 필요하다는 것입니다.
담금질 가능한 강철의 일반적인 범주
탄소 원리에 따라 우리는 일반적으로 담금질되는 몇 가지 주요 강철군을 식별할 수 있습니다.
중탄소강 및 고탄소강
이들은 가장 직접적인 예입니다. 중탄소강(예: AISI 1045) 및 고탄소강(예: AISI 1095)은 단단한 마르텐사이트를 형성하기에 충분한 탄소를 가지고 있어 도구, 스프링 및 내마모 부품에 이상적입니다.
합금강
크롬-몰리브덴(예: 4140) 또는 베어링강(예: 52100)과 같은 합금강에는 탄소와 크롬, 니켈 또는 망간과 같은 다른 원소가 포함되어 있습니다. 이러한 합금 원소는 최대 경도를 증가시키지는 않지만 필수적으로 필요한 냉각 속도를 늦춥니다.
고합금강 및 공구강
이 범주에는 고속도강(HSS), 금형강 및 기타 복합 합금이 포함됩니다. 높은 합금 원소 농도는 극도의 경화성을 제공하여 오일 또는 심지어 정지 공기 중에서 훨씬 더 느린 담금질로도 경화될 수 있게 하여 균열 및 변형 위험을 줄입니다.
마르텐사이트계 스테인리스강
많은 스테인리스강(예: 일반적인 304 등급)은 오스테나이트성이며 담금질로 경화될 수 없지만, 특정 계열은 경화될 수 있습니다. 마르텐사이트계 스테인리스강(예: 410, 420, 440C)은 열처리에 반응할 수 있는 충분한 탄소로 배합되어 내식성과 높은 강도 및 경도를 결합합니다.
상충 관계 이해: 경화성과 경도
최대 경도와 경화성을 구별하는 것이 중요합니다. 이 둘은 같지 않으며, 차이점을 이해하는 것이 공정 제어의 핵심입니다.
경도는 탄소로 결정됨
강철의 최대 달성 가능 경도는 거의 전적으로 탄소 함량의 함수입니다. 동일한 탄소 비율을 가진 1095 단순 탄소강과 복잡한 HSS 공구강은 대략 동일한 최고 경도에 도달할 것입니다.
경화성은 합금으로 결정됨
경화성은 강철이 특정 깊이까지 경화될 수 있는 능력을 나타냅니다. 합금 원소는 오스테나이트의 변태를 늦추어 연성 구조가 형성되기 전에 부품을 냉각시킬 수 있는 시간을 더 많이 제공합니다.
낮은 경화성 강철(1045와 같은)은 매우 빠르게 담금질해야 하므로 두꺼운 부품에서는 얇은 외부 "스킨"만 완전히 경화될 수 있습니다. 높은 경화성 강철(4140 또는 공기 경화성 공구강과 같은)은 더 느리게 냉각될 수 있어 두꺼운 부품의 전체 단면이 완전한 경도를 얻을 수 있도록 합니다.
효과적으로 담금질할 수 없는 강철
가장 일반적인 예는 저탄소강(예: AISI 1018, A36)입니다. 탄소 함량이 종종 0.20% 미만이므로 아무리 빨리 담금질해도 상당한 양의 마르텐사이트를 형성하는 데 필요한 원료가 부족합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
올바른 강철과 담금질 방법을 선택하는 것은 원하는 경도, 내구성 및 부품 성능을 달성하는 데 전적으로 달려 있습니다.
- 단순 부품의 높은 표면 경도 달성이 주요 목표인 경우: 매우 빠른 물 또는 염수 담금질을 사용하는 단순 중탄소 또는 고탄소강이 비용 효율적인 선택입니다.
- 복잡한 부품 또는 두꺼운 단면을 균일하게 경화하는 것이 주요 목표인 경우: 합금강(4140 또는 4340과 같은)이 필요하며, 더 높은 경화성으로 인해 덜 스트레스가 많은 오일 담금질이 가능합니다.
- 중요 부품의 변형 및 균열 최소화가 주요 목표인 경우: 공기 경화성 공구강(A2와 같은)은 가장 높은 경화성을 제공하여 가능한 가장 부드러운 담금질을 허용합니다.
- 경도와 내식성 균형 유지가 주요 목표인 경우: 마르텐사이트계 스테인리스강(440C와 같은)만이 실행 가능한 옵션입니다.
궁극적으로 성공적인 경화는 강철의 조성과 호환되는 냉각 속도를 일치시켜 마르텐사이트를 생성하는 것입니다.
요약표:
| 강철 범주 | 일반적인 탄소 함량 | 주요 특성 | 일반적인 용도 |
|---|---|---|---|
| 중탄소/고탄소강 (예: 1045, 1095) | 0.30% - 1.00% | 높은 경도, 빠른 담금질(물/염수) 필요 | 도구, 스프링, 내마모 부품 |
| 합금강 (예: 4140, 4340) | 0.30% - 0.50% | 우수한 경화성, 오일 담금질, 균일한 경화 | 기어, 샤프트, 구조 부품 |
| 공구강 (예: A2, D2, HSS) | 0.50% - 2.00% | 매우 높은 경화성, 공기/오일 담금질, 내마모성 | 절삭 공구, 다이, 금형 |
| 마르텐사이트계 스테인리스강 (예: 410, 440C) | 0.15% - 1.20% | 내식성과 경도 결합 | 식기류, 밸브, 수술 기구 |
| 저탄소강 (예: 1018, A36) | <0.30% | 담금질로 효과적으로 경화될 수 없음 | 구조 부품, 기계 프레임 |
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