열처리 : 항온변태 & 연속냉각변태(continuous cooling transformation)

그림 3.1. 공석강의 항온변태곡선	항온변태    - 항온변태곡선 공석강을 A1 변태온도 이상으로 가열한 후 어느정도의 시간을 유지하게 되면 단상의 오스테나이트가 되는데, 이와같이 오스테나이트화한 후에 A1 변태온도 이하의 어느 온도로 급랭시켜서 이 온도에서 시간이 지남에 따라 오스테나이트의 변태를 나타낸 곡선을 항온변태곡선(恒溫變態曲線, isothermal transformation curve)이라 하고, 다른 용어로는 TTT곡선(time-temperature-transformation curve), C곡선, 또는 S곡선이라고 불리어진다.
그림 3.1은 공석강(0.8%C강)의 전형적인 항온변태곡선을 나타낸 것이다. 여기서 보면 항온변태곡선은 2개의 C자 형상을 가진 곡선으로 구성되어 있는데, 왼쪽 곡선은 변태개시선을, 오른쪽 곡선은 변태종료선을 나타내는 것이다. 또한 550℃ 부근의 온도에서 곡선이 왼쪽으로 돌출되어 있는데, 이것은 변태가 이 온도에서 가장 먼저 시작된다는 것을 의미하는 것으로서 이 곡선의 nose라고 부른다. 이와 같이 항온변태곡선의 중요한 특징은 변태가 시작되는 시간과 종료되는 시간을 나타낸다는 것으로서, 일반적으로 nose온도 위에서 항온변태시키면 펄라이트(pearlite)가 형성되고, nose 아래의 온도에서 항온변태시키면 베이나이트(bainite)가 형성된다. 펄라이트와 베이나이트 두 조직 모두 페라이트와 시멘타이트로 이루어져 있으나, 펄라이트는 두 상이 교대로 반복되어지는 층상조직을 나타내고 있고 베이나이트는 침상에 가까운 형태를 나타낸다. 또한 펄라이트 형성온도범위중 비교적 높은 온도에서 형성된 펄라이트는 조대하고, 비교적 낮은 온도에서 형성된 펄라이트는 미세하다. 베이나이트 역시 형성온도에 따라 조직의 차이를 보이는데, 350∼550℃범위의 온도에서 형성된 상부베이나이트(upper bainite)는 페라이트 주위에 시멘타이트가 석출되는 반면에, 250∼350℃ 온도범위에서 형성된 하부베이나이트(lower bainite)에서는 페라이트 내에 시멘타이트가 석출되어 있다.
그림 3.2 Fe-C 상태도(a)와 공석강의 항온변태곡선(b) 및 0.5%탄소강의 항온변태곡선과(c)의 관계 한편 그림 3.2는 공석강과 아공석강의 항온변태곡선을 Fe-C 상태도와 관련시켜서 나타낸 것이다. 그림 3.2의 (b)에서 보면 펄라이트가 형성되기 시작하는 시간과 종료되는 시간은 nose 부근에서 가장 짧고, A1선으로 온도가 올라갈수록 시간이 오래 걸린다. 또 그림 3.2의 (c)에서 보면 아공석강인 0.5%C강에서는 또다른 곡선이 하나 존재하는데, 이것은 초석페라이트가 형성되기 시작하는 시간을 나타내는 곡선이다. 이와 비슷하게 과공석강에서도 초석시멘타이트가 형성되기 시작하는 곡선이 존재한다. 공석강과 아공석강의 항온변태곡선에서 나타나는 또 하나의 차이점은 마르텐사이트(martensite)가 형성되기 시작하는 온도인 Ms 온도가 다르다는 것이다. 일반적으로 탄소함량이 적을수록 Ms 온도는 올라간다.
◆ 펄라이트의 형성 공석강을 850℃로부터 750℃까지 냉각해서 이 온도에서 항온유지시키면 어떠한 변태도 일으키지 않는다. 그러나 650℃까지 냉각시켜서 항온유지하면 1초후에 펄라이트 변태가 시작되고 10초 이내에 변태가 완료된다(그림 3.3(a)의 곡선 II). 펄라이트 형성온도가 낮아짐에 따라 층상펄라이트는 점점 미세해지고 조직은 더욱 경화된다. 그림 3.3 (a) 0.80%C (b) 0.45%C (c) 1.0%C를 함유한 강에 대한 여러 가지 냉각프로그램으로부터얻어지는 조직상의 상태 ; A=오스테나이트, B=베이나이트 C=시멘타이트, F=페라이트 P=펄라이트 M=마르텐사이트 Ms= 마르텐사이트 생성 개시온도 펄라이트 형성과정을 시멘타이트의 형성으로부터 시작된다고 가정하면, 오스테나이트에서 시멘타이트가 형성되기 위해서는 탄소원자가 확산이동해 와야만 하고, 동시에 시멘타이트의 인접한 지역은 탄소가 고갈되므로 페라이트가 형성되어, 시멘타이트와 페라이트층이 나란히 성장해간다. 공석강을 860℃에서 오스테나이트화 한 후 705℃에서 항온변태시킬 때 유지시간에 따른 조직의 변화를 보면, 소정의 잠복기(潛伏期, incubation period)가 지난 후에 생성된 펄라이트 콜로니(colony)의 핵이 이웃한 핵에서 성장하는 콜로니와 만날 때까지 계속 성장해간다. A1 변태온도 직하에서 핵생성속도는 작고 핵성장속도는 비교적 크기 때문에 단지 소수의 핵만이 형성되어 성장하게 된다. 그리고 이 온도에서 형성된 펄라이트의 층상간격(層狀間隔, interlamellar spacing)은 비교적 큰 편이다. 그림 3.3(b)에 있는 아공석강의 경우, 750℃에서 변태를 일으키면 페라이트만이 형성되어 페라이트와 오스테나이트의 2상 평형상태가 된다(곡선 I). 변태를 650℃에서 일어나게 하면 페라이트가 우선적으로 형성되고, 잠시후에 펄라이트가 형성된다. 그림 3.3(c)에 나타낸 과공석강의 경우에도 유사한 방법으로 시멘타이트가 우선적으로 형성되고, 그 다음에 펄라이트가 형성된다. ◆ 베이나이트의 형성 공석강을 약 550℃이하의 온도에서 항온변태시키면 베이나이트가 형성되기 시작한다. 베이나이트의 형성은 오스테나이트 결정립계에서 페라이트 핵의 형성으로부터 시작된다고 가정하고 있다. 페라이트 핵이 형성되면 주위의 오스테나이트 탄소농도는 증가해서 시멘타이트가 형성되어, 페라이트와 시멘타이트가 나란히 성장해간다. 베이나이트는 형성온도에 따라 상부베이나이트와 하부베이나이트로 분류되는데, 공석강을 860℃에서 오스테나이트화 한 후 500℃에서 0.5초간 항온변태시킨 상부베이나이트조직을 보면 깃털모양의 상부베이나이트 조직과 일부 펄라이트가 나타나는 것을 알 수 있다. 일반적으로 상부베이나이트는 비교적 취약한 반면, 하부베이나이트는 비교적 인성을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 한편 비교적 낮은 온도인 300℃에서 형성된 하부베이나이트조직은 상부베이나이트와는 다른 형태를 나타낸다. 공석강을 860℃에서 오스테나이트화 한후 300℃에서 항온유지시간에 따른 조직의 변화를 보면 형태는 깃털모양이라기 보다는 침상의 형태를 보이고 있다. 공석강에서 상부베이나이트에서 하부베이나이트로의 천이는 350℃ 정도에서 일어나지만 그 경계를 명확히 구분하기는 어렵다. 그러나 상부베이나이트의 경도는 변태온도에 따라 약간 변화되는데 비하여 하부베이나이트의 경도는 변태온도가 저하함에 따라 급격히 증가된다. 또한 상부베이나이트는 동일경도로 퀜칭 템퍼링한 조직보다 인성이 그다지 높지 않지만, 하부베이나이트는 동일경도의 퀜칭 템퍼링한 조직보다 현저하게 큰 인성을 나타낸다.
그림3.4. S-곡선과 연속냉각곡선과의 관계	연속냉각변태(continuous cooling transformation) ◆ 공석강의 연속냉각변태 대부분의 실제 열처리작업에서는 항온변태에 의해서 강을 열처리하기도 하지만 오스테나이트 온도영역에서 상온까지 연속적으로 냉각변태시켜서 열처리하고 있는 경우도 많다. 따라서 항온변태곡선을 연속냉각변태곡선으로 전환시키지 않으면 안된다. 이를 위해서는 항온변태곡선 위에 연속냉각곡선을 그려서 구할 수가 있다.
세로축은 온도, 가로축은 시간(log 눈금)으로 정하여 항온변태곡선 위에 여러가지 냉각속도로 냉각시켰을 때의 연속냉각곡선을 그림 3.4에 나타냈는데, 여기서는 간단히 하기 위해서 냉각곡선을 직선으로 표시하였다. 前章에서 공석강, 아공석강 및 과공석강을 연속적으로 서냉시켰을 때의 조직변화에 대하여 자세히 알아보았는데, 이때에는 거의 평형냉각을 가정했기 때문에 그림 3.4의 도움없이도 Fe-Fe3C 상태도를 통하여 상변화를 예측할 수 있었다. 그러나 실제적인 열처리작업에서는 아무리 느린 냉각인 노냉(爐冷, furnace cooling)을 시킨다 해도 평형냉각보다는 매우 빠른 냉각이고, 더욱 빠른 냉각인 유냉(油冷, oil quenching)이나 수냉(水冷, water quenching)은 비평형냉각조건이 되기 때문에 Fe-Fe3C 상태도로부터 상변화를 예측할 수 없다. 따라서 그림 3.4를 통하여 연속냉각속도에 따른 변태조직의 변화에 대하여 기본적인 안목을 기르는 것이 특수강을 포함한 실제 열처리작업에 직접적으로 연결되기 때문에 후술하는 내용의 중요성은 재언을 요하지 않는다.
강의 변태에 미치는 합금원소의 영향 앞에서는 강에서 일어나는 펄라이트변태나 마르텐사이트변태 등에 대한 기본적인 사항을 설명하였다. 본절에서는 탄소강에 합금원소가 첨가되었을 때에 이러한 변태상황이 어떻게 달라지는지를 설명하고자 한다. 즉, 탄소강에 Ni 이나 Cr 등의 합금원소가 첨가되면 S곡선이 우측으로 이동하여 펄라이트 변태가 일어나기 어려워짐으로 두께가 큰 강재를 퀜칭할 때에 냉각속도가 작아도 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있고, 또한 18Cr-8Ni 스테인리스강에서처럼 ＭS점이 현저하게 저하됨으로써 상온에서도 완전한 오스테나이트 조직상태로 존재하게 된다. 퀜칭-템퍼링 처리를 행하여 사용하는 기계구조용강이나 공구강에서 합금원소를 첨가하는 목적은 여러가지가 있지만 그중에서도 중요한 사항은 전술한 바와 같이 펄라이트 변태를 억제시켜서 퀜칭에 의한 마르텐사이트 조직을 얻기 쉽도록 하기 위한 것이다. 즉 경화능을 향상시키기 위한 것이다. 경화능에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 하고, 본절에서는 우선 경화능에 대한 예비지식으로서 펄라이트 변태와 마르텐사이트 변태에 대한 합금원소의 영향에 대해서 설명하기로 한다. ◆ 펄라이트 변태에 미치는 영향 (1) Ａ1, Ａ3 및 Ａcm 선의 변화 강을 퀜칭하거나 풀림처리할 경우에 우선 오스테나이트 상태의 온도로 가열할 필요가 있다. 탄소강에서는 Ａ3 또는 Ａcm선 이상으로 가열하면 오스테나이트 단상으로 되지만, 합금원소가 첨가되면 이 Ａ3 및Ａcm선의 온도가 달라지므로 합금강에서는 오스테나이트 조직으로 하기 위한 가열온도의 선정에 주의할 필요가 있다.
그림 3.5. 오스테나이트 영역에 미치는 r과 C의 효과. 점선은 탄소강과 오스테나이트 영역을 나타낸다. 즉, 공석점은 철과 탄소만을 함유한 합금에서는 이동되지 않음을 나타낸다. 그림 3.6. 공석온도와 공석탄소량에 미치는 첨가합금원소의 영향 그림 3.7. Austenite안정제 Ni에 의한 변태곡선의 이동.	그림 3.5는 Cr 첨가에 따라 Ａ3선과 Ａcm선이 변화되는 상태 즉 오스테나이트 상영역이 변화되는 상태를 나타낸 것으로서, Cr량이 증가함에 따라 723℃, 0.8%C에 해당되는 Ａ1변태점이 저탄소쪽으로 그리고 고온측으로 이동함으로 오스테나이트 단상영역은 Cr량이 증가함에 따라 점점 좁아지게 된다. 따라서 오스테나이트화 하기 위해서는 보다 높은 온도로 가열해야만 한다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 탄소와의 친화력이 강한 원소 즉 탄화물 형성원소에서 공통적으로 볼 수 있는 현상으로서, 예를 들면 0.8%C-18%W-4%Cr-1%V을 함유한 고속도공구강에서는 900℃ 정도로 가열시 오스테나이트 중에 고용되는 탄소량은 불과 0.25% 정도이므로 이것을 퀜칭하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜도 그다지 경화되지 못하지만, 1270∼1300℃로 가열하면 0.55% 정도의 탄소가 오스테나이트 중으로 고용됨으로 이것을 퀜칭하면 HRC 65∼67 정도의 경도를 얻을 수 있다. 여러가지 합금원소 첨가에 의한 Ａ1 변태점과 공석탄소량의 변화를 그림 3.6에 나타냈는데, Ti, Mo, Si 및 W 등은 모두 Ａ1 변태점을 상승시키고, 반대로 Ni과 Mn은 저하시킨다. 그림에 나타내지는 않았지만 질소도 Ａ1 변태점을 저하시키므로 침탄질화에 의해서 질소가 鋼中에 들어가 있는 경우는 퀜칭온도를 다소 낮출 수 있다. 그림 ⒝는 공석탄소량의 변화를 나타낸 것으로서 여기에 나타낸 모든 원소가 공석탄소량을 낮춘다. 즉 Fe-Fe3C계에서 아공석(亞共析)의 탄소량에서도 이들 합금원소가 들어가면 공석(共析)이나 과공석(過共析)으로 되므로 전술한 바와 같이 탄화물을 완전히 고용시키는데에 보다 높은 온도가 필요하게 된다. (2) 펄라이트 변태속도의 변화 평형상태도상에서 Ａ1 및 Ａ3선이 합금원소 첨가에 의해서 변화되는 양상은 전술한 바와 같으나 실제로 오스테나이트 상태로부터 어느 냉각속도로 냉각시킬 때에 Ａr3변태나 Ａr1변태가 어떻게 나타나는가 하는 것은 냉각속도와 합금원소에 의해서 현저하게 달라진다. 펄라이트 변태속도는 핵생성속도(N)과 핵성장속도(G)에 의해서 결정되지만 합금원소중에서 Co와 Al만은 이 N과 G를 증가시켜서 펄라이트 변태를 촉진시키는 반면에 그 이외의 원소들은 펄라이트변태를 지연시키는 효과를 갖고 있다. 특히 Mo, Ni 및 Mn 등은 그 작용이 현저한데, 예를 들면 Mn은 0.2%에서 0.8%로 함유량이 증가하면 G를 1/5로 감소시키고, 또 Mo은 불과 0.5%첨가로서 G를 1/100로, N을 1/1000로 감소시킨다고 알려져 있다.
그림 3.7은 펄라이트 변태속도에 미치는 Ni의 첨가영향을 나타낸 것으로서, 오스테나이트 안정화원소(austenite stabilizer)인 Ni은 펄라이트변태를 지연시키기 때문에 펄라이트 변태개시선이 오른쪽으로 이동되어 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 펄라이트 변태가 완료되는데에 걸리는 시간이 훨씬 길어지게 된다. 또한 Ni첨가에 의해서 A1 변태온도도 낮아짐을 알 수 있다. 이와같이 펄라이트변태를 지연시키는 합금원소를 첨가하면 두께가 큰 강재를 퀜칭하는 경우에 중심부의 냉각속도가 다소 늦더라도 펄라이트변태가 일어나기 어려우므로 완전한 마르텐사이트 조직으로 경화된다는 사실을 알 수 있다.
그림 3.8. 강의 Ms점에 대한 Cr의 영향 그림 3.9. 강의 Ms점에 대한Mn의 영향	◆ 마르텐사이트변태에 미치는 영향 (1) ＭS점과 합금원소 이미 서술한 바와 같이 마르텐사이트변태는 오스테나이트 상태로부터 급랭할 때 Ｍs온도에서 변태가 시작되고 일반적으로 그 이하로 온도강하량에 따라 변태량이 증가하다가 Ｍｆ온도에 도달하면 변태가 종료된다. Ｍs와 Ｍｆ사이의 온도구간은 보통 200∼300℃이다. 그러나 오스테나이트중의 탄소나 Ni함유량이 증가하면 ＭS점은 강하하므로 이들 원소량이 어느만큼 이상이 되면 상온에서 100% 마르텐사이트 조직을 얻을 수가 없다. 마르텐사이트 조직으로 변태시키는 것을 목적으로 하는 보통의 퀜칭에서는 우선 강종에 따라서 Ｍs점이 어떻게 다른가, 또 Ｍs점 이하로 온도가 내려감에 따라서 어떻게 마르텐사이트가 증가하는가를 알 필요가 있다. 강의 화학성분 중에서 Ｍs점에 가장 큰 영향을 주는 것은 탄소량이다. 이미 전술한 바와 같이 보통의 탄소강의 경우 탄소량 0.1% 증가에 따라 약 35℃정도 Ｍs점이 강하한다. 또한 Ｍｆ점은 탄소량에 따라 Ｍs점 이상으로 현저하게 강하되어 0.6% 이상의 탄소를 함유하는 강에서는 상온에서 오스테나이트의 일부가 잔류하게 된다.
탄소 이외의 합금원소로서는 Co와 Al만이 Ｍs점을 상승시키고 그밖의 실용원소는 거의 모두 Ｍs점을 강하시키는 작용을 하고 있다. 그림 3.8과 3.9는 여러가지 탄소량의 강에 Cr과 Mn을 첨가한 경우 Ｍs점의 변화를 나타낸 것으로서, Cr은 1% 첨가당 20℃정도, Mn은 탄소량에 따라 다소 차이나지만 1% 첨가당 약 40℃정도 Ｍs점을 강하시킨다. 이와같이 여러가지 합금원소가 강의 Ｍs점에 미치는 영향을 조사한 연구결과를 기초로 하여 강의 Ｍs점을 화학조성으로부터 계산할 수 있게 한 실험식이 몇가지 제안되고 있다.
그림 3.10. 4종류의 1.1%C를 함유한 강에서 Ms점에 미치는 오스테나이트화 온도의 영향	그 一例는 다음과 같다. Ms(℃) = 550-350×C%-40×Mn%-35×V%-20×Cr%-17×Ni%-10×Cu%-10×Mo%-10×W%-10×Si%+15×Co% 위의 식에서 알 수 있듯이 탄소 다음으로 Mn, Cr, Ni순으로 Ms점의 강하효과가 약해지고, Si, W, Mo 등은 거의 같은 정도의 효과를 나타냄을 알 수 있으며, Co는 반대로 Ms점을 상승시킨다. 식 중에 포함되어 있지는 않지만 Al도 역시 Ms점을 상승시키지만 그 효과는 Co보다는 약하다. 또 Cu는 Ms점을 약간 저하시킨다고 알려져 있다. 그러나 위의 계산식은 함유원소가 전부 오스테나이트 중에 고용된 상태에서 퀜칭한 경우에만 적용되는 것이며, 탄화물 등의 고용이 완전치 못해서 일부분 잔류할 경우에는 오스테나이트 중의 고용원소량이 적어지므로 실제 ＭS점은 위의 식에서 계산된 Ms점보다 높아진다는데에 주의하여야 한다.
그림 3.10은 1.1%C가 함유된 A강과 1.1%C에 1.5%Cr을 함유하는 B강, 2.8%Cr을 함유하는 C강 및 5.4%Ni을 함유하는 D강의 4강종에 대하여 오스테나이트화 온도에 따른 Ms점의 변화를 나타낸 것으로서, 탄소강과 Ni강에서는 850℃ 이상에서 이미 Fe3C가 완전히 고용되어 있으므로 Ms점의 변화는 적지만 Cr강에서는 퀜칭온도의 상승과 함께 시멘타이트나 Cr탄화물들이 오스테나이트 속에 고용되므로 Ms점은 현저히 저하된다. 이것으로부터 알 수 있듯이 공구강과 같이 탄화물이 잔류된 상태에서 퀜칭할 때에는 강전체의 화학성분을 알고 있더라도 Ms점을 계산할 수는 없다. 이 경우에 Ms점을 계산하기 위해서는 오스테나이트 자체의 화학조성을 알 필요가 있다. (2) 응력에 의한 잔류오스테나이트의 마르텐사이트화 오스테나이트는 외부로부터의 탄성적 혹은 소성적인 힘을 가함으로써 마르텐사이트변태를 일으킬 수가 있다. 18-8스텐레스강의 박판(薄板)이나 세선(細線)을 상온에서 압연하거나 인발하면 강한 자성을 나타내므로 마르텐사이트로 변태되었다는 것을 알 수 있다. 통상적인 퀜칭강에서도 오스테나이트가 잔류되어 있는 경우 여러가지 이유로 인하여 마르텐사이트로 변태된다. 해머로 쳐도 마르텐사이트로 변태할 때가 있고, 또 퀜칭한 충격시험편을 Charpy 충격시험기로 파단시키면 그 파단면으로부터 먼 부위에서는 잔류오스테나이트가 존재하지만 파단면 부근에서는 전부 마르텐사이트로 변태되어 있는 경우도 같은 현상으로 설명할 수 있다. 특히 퀜칭된 부품을 그라인더로 연삭하는 경우에 종종 발생되는 연삭균열은 부품의 일부가 연삭될 때 발생되는 열에 의해서 그 부품내부의 잔류응력분포가 변하고, 잔류오스테나이트가 국부적으로 마르텐사이트로 변태했기 때문인 것으로 생각된다. 이와 같이 잔류오스테나이트는 매우 불안정한 상이므로 상온에서 장시간 방치함에 의해서도 응력분포가 점차로 변화됨에 따라서 마르텐사이트로 변태하여 치수변화를 일으키거나 균열의 원인이 되기도 하므로 주의해야 한다.
참고문헌 1. G. Krauss and J. F. Libsch : Phase Diagrams in Ceramic, Glass and Metal Technology, A. M. Alper(Ed.), Academic Press, New York, 1970 2. 延倫模, 池武晟, 宋鍵, 洪英煥 : 金屬材料, 機電硏究社, 1994 3. 歌川 寬 : やさしい 金屬熱處理技術の基礎, 啓學出版, 1981 4. G. Krauss : Principles of Heat Treatment of Steels, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1980 5. C. R. Brooks : Heat Treatment of Ferrous Alloys, McGraw-Hill, New York, 1979 6. 日本熱處理技術協會 : 熱處理の基礎(Ⅰ), 日刊工業新聞社, 1970 7. C. R. Barrett, W. D. Nix, and A. S. Tetelman : The Principles of Engineering Materials, Prentice-Hall, New Jersey, 1973 8. L. E. Samuels : Optical Microscopy of Carbon Steels, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1980 9. 金屬熱處理技術便覽編輯委員會 : 金屬熱處理技術便覽, 日刊工業新聞社, 1961 10. P. M. Unterweiser, H. E. Boyer, and J. J. Kubbs : Heat Treater's Guide, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1982 11. 金文一 : 金屬組織學, 普文堂, 1993 12. Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams, American Society for Metals, Metals Park, Oh., 1977