근본적으로 강철이 열처리로 경화될 수 있는 능력은 탄소 함량에 의해 결정됩니다. 탄소 함량이 불충분하거나 다른 합금 원소에 의해 결정 구조가 안정화된 강철은 일반적인 담금질 및 템퍼링 공정을 통해 의미 있게 경화될 수 없습니다. 경화 불가능한 강철의 주요 범주는 저탄소강, 오스테나이트계 스테인리스강 및 페라이트계 스테인리스강입니다.
강철이 경화될 수 있는 능력은 모든 강철의 고유한 특성이 아닙니다. 이는 급속 냉각 시 마르텐사이트라고 하는 단단하고 부서지기 쉬운 미세 구조를 형성하기에 충분한 탄소를 가지고 있기 때문에 발생하는 직접적인 결과입니다. 충분한 탄소가 없으면 이러한 변형은 불가능합니다.
원리: 탄소가 경화성을 지배하는 이유
일부 강철이 열처리될 수 없는 이유를 이해하려면 먼저 경화가 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다. 강철을 경화시키는 것은 열 자체가 아니라 열이 가능하게 하는 구조적 변형입니다.
마르텐사이트 형성의 역할
기존의 경화 공정은 강철을 결정 구조가 오스테나이트라고 하는 상으로 변할 때까지 가열하는 것을 포함합니다. 이 상태에서 탄소 원자는 철 격자에 용해됩니다.
강철이 급속 냉각(담금질)되면 탄소 원자가 갇히게 됩니다. 이로 인해 철 격자는 새로운, 고도로 변형되고 매우 단단한 구조인 마르텐사이트로 강제 변형됩니다.
최소 탄소 임계값
이러한 마르텐사이트로의 변형은 임계량의 탄소 없이는 단순히 발생할 수 없습니다. 일반적으로 강철은 상당한 경화를 나타내기 위해 최소 0.30%의 탄소를 함유해야 합니다.
이 임계값 미만의 강철은 상당한 양의 마르텐사이트를 형성하는 데 필요한 내부 변형을 생성하기에 충분한 용해된 탄소를 가지고 있지 않습니다.
경화 불가능한 강철의 범주
이 원리를 바탕으로 기존 경화에 적합하지 않은 몇 가지 주요 강철 등급을 식별할 수 있습니다.
저탄소(연강) 강철
이것이 가장 일반적인 범주입니다. 저탄소강은 종종 연강이라고 불리며, 일반적으로 0.30% 미만의 낮은 탄소 함량으로 정의됩니다.
A36 구조용 강철, 1018, 1020 강철과 같은 예는 연성, 용접성 및 저렴한 비용으로 높이 평가되지만, 완전 경화에 필요한 탄소가 부족합니다. 이들을 담금질해도 경도에는 미미한 영향만 미칩니다.
오스테나이트계 스테인리스강
매우 일반적인 304 및 316 등급을 포함하는 이 그룹은 경화 불가능한 다른 이유를 가지고 있습니다. 니켈과 크롬 함량이 높은 화학적 조성으로 인해 극저온에서 녹는점까지 모든 온도에서 오스테나이트계 결정 구조를 가집니다.
오스테나이트 상을 벗어나지 않으므로 담금질로 마르텐사이트로의 변형을 유발할 수 없습니다. 이 강철은 비자성이며 열처리가 아닌 기계적 수단(가공 경화)을 통해 경화됩니다.
페라이트계 스테인리스강
오스테나이트계 등급과 유사하게, 430 등급과 같은 페라이트계 스테인리스강은 안정적인 결정 구조를 가집니다. 이들의 구조는 페라이트라고 불리며, 이는 순철이 실온에서 존재하는 것과 동일한 상입니다.
이 강철은 탄소 함량이 매우 낮고 가열 시 필요한 상 변태를 겪지 않으므로 열처리로 경화될 수 없습니다.
미묘한 차이와 예외 이해하기
"열처리할 수 없다"는 진술에는 중요한 주의 사항이 따릅니다. 이러한 강철은 담금질로 완전 경화될 수 없지만, 다른 열 공정으로 특성을 변경할 수 있습니다.
표면 경화: 표면 변경, 코어는 변경하지 않음
저탄소강도 단단하고 내마모성 있는 표면을 가질 수 있습니다. 침탄 또는 질화와 같은 공정은 탄소 또는 질소 원자를 강철 표면으로 확산시키는 열화학 처리입니다.
이것은 부품에 얇고 고탄소(또는 고질소) "케이스"를 생성합니다. 이 케이스는 담금질되어 마르텐사이트를 형성할 수 있으며, 그 결과 단단한 외피를 가지면서 연성인 저탄소 코어는 부드럽고 강인하게 유지됩니다.
가공 경화: 기계적 대안
오스테나이트계 스테인리스강에서 언급했듯이, 가공 경화(또는 변형 경화)는 경화 불가능한 합금의 경도와 강도를 증가시키는 주요 방법입니다.
낮은 온도에서 금속을 구부리거나, 압연하거나, 인발하면 결정 구조에 전위가 발생하여 추가 변형에 대한 저항력이 증가합니다. 이것이 부드러운 스테인리스강 시트가 강한 스프링이나 내구성이 뛰어난 싱크대가 되는 방식입니다.
석출 경화: 다른 열 공정
17-4 PH와 같은 일부 특수 스테인리스강은 완전히 다른 메커니즘으로 경화됩니다. 이것은 2단계 열처리입니다. 먼저, 용액 처리가 합금 원소를 용해시키고, 그 다음 낮은 온도의 "시효" 처리가 금속 매트릭스 내에 미세하고 단단한 입자를 석출시킵니다.
이것은 열처리의 한 형태이지만, 탄소강 및 합금강의 경화를 논할 때 일반적으로 언급되는 마르텐사이트 변태와는 다릅니다.
목표에 맞는 올바른 선택하기
올바른 재료를 선택하려면 이러한 차이점을 이해하고 강철의 특성을 응용 분야의 요구 사항과 일치시켜야 합니다.
- 주요 초점이 저비용의 가공성과 용접성이라면: 저탄소강이 기본 선택이지만, 보조 표면 처리가 없으면 날카로움을 유지하거나 마모에 저항하지 못한다는 점을 이해해야 합니다.
- 주요 초점이 내식성과 성형성이라면: 오스테나이트계 스테인리스강이 이상적이지만, 최종 경도는 열 경화가 아닌 기계적 작업에 의해 결정된다는 것을 알아야 합니다.
- 주요 초점이 고강도 및 내마모성이라면: 담금질 및 템퍼링을 통한 경화를 위해 특별히 설계된 중탄소강 또는 고탄소강 또는 공구강을 선택해야 합니다.
탄소, 결정 구조 및 열처리 간의 관계를 이해하면 응용 분야에 필요한 정확한 재료를 선택할 수 있습니다.
요약 표:
| 강철 범주 | 예시 | 경화 불가능의 주요 이유 |
|---|---|---|
| 저탄소(연강) 강철 | A36, 1018, 1020 | 탄소 함량이 ~0.30% 미만으로 마르텐사이트 형성에 불충분함 |
| 오스테나이트계 스테인리스강 | 304, 316 | 모든 온도에서 안정적인 오스테나이트계 결정 구조 |
| 페라이트계 스테인리스강 | 430 | 안정적인 페라이트계 결정 구조, 매우 낮은 탄소 함량 |
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