기어 열처리에서 왜곡에 영향을 미치는 12가지 요인
열처리 과정에서 기어의 모양을 뒤틀리게 하는 요인은 무엇일까요? 이러한 요인을 이해하는 것은 기어 품질을 개선하는 데 매우 중요합니다. 이 기사에서는 재료 구성부터 뒤틀림에 영향을 미치는 12가지 주요 요소를 살펴봅니다...
냉각 속도는 강철의 미세 구조에 어떤 영향을 미칠까요? 열처리의 C-커브는 냉각 중 탄소강 미세 구조의 흥미로운 변화를 보여줍니다. 이 글에서는 등온 냉각 방식과 연속 냉각 방식의 차이점을 살펴보고, 다양한 냉각 속도가 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 구조의 형성으로 이어지는 과정을 설명합니다. C-커브를 이해하면 원하는 경도와 강도를 위해 강철의 특성을 제어하는 방법을 파악할 수 있습니다. 강철의 변형 뒤에 숨겨진 과학을 알아보고 열처리 공정을 최적화하는 방법을 알아보세요.
열처리는 금속 제조에서 재료의 물리적, 때로는 화학적 특성을 변화시키는 중요한 공정입니다. 이 제어된 가열 및 냉각 절차를 통해 금속의 모양을 변경하지 않고도 강도, 경도, 연성 및 기타 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 열처리의 원리는 재료의 미세 구조를 조작하는 데 있습니다.
이 프로세스에는 일반적으로 세 가지 주요 단계가 포함됩니다:
어닐링, 노멀라이징, 담금질, 템퍼링과 같은 다양한 열처리 공정은 특정 결과를 얻기 위해 이러한 단계를 다양하게 활용합니다. 예를 들어 담금질은 경도를 높이기 위해 급속 냉각을 사용하는 반면, 어닐링은 연성을 개선하고 내부 응력을 줄이기 위해 느린 냉각을 사용합니다.
열처리의 효과는 금속의 화학적 조성, 초기 미세 구조, 가열 온도, 유지 시간, 냉각 속도 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 최신 열처리 공정에서는 정밀한 온도 제어, 보호 분위기, 컴퓨터 제어 냉각 시스템을 사용하여 일관되고 최적의 결과를 보장하는 경우가 많습니다.
강철은 열을 받으면 미세 구조와 특성을 크게 변화시키는 몇 가지 중요한 상 변형을 겪습니다. 이러한 변형은 열처리 공정의 기본이며 강철의 최종 특성에 큰 영향을 미칩니다.
상온에서 탄소강은 일반적으로 페라이트-펄라이트 구조로 존재합니다. 온도가 상승하면 다음과 같은 변형이 발생합니다:
어닐링, 노멀라이징, 담금질, 템퍼링과 같은 열처리 공정을 최적화하려면 이러한 변형을 이해하는 것이 중요합니다. 가열 속도, 최고 온도, 유지 시간은 모두 강철의 최종 미세 구조와 특성을 제어하는 데 중요한 역할을 합니다.
최신 열처리는 정밀한 온도 제어와 유도 가열기 또는 제어 분위기로와 같은 특수 장비를 사용하여 탈탄이나 과도한 입자 성장과 같은 유해한 영향을 최소화하면서 원하는 변형을 달성하는 경우가 많습니다.
시간-온도-변형(TTT) 다이어그램이라고도 하는 C-곡선은 오스테나이트화 후 냉각 중 탄소강의 미세 구조 변화를 분석하는 데 사용되는 야금학에서 중요한 도구입니다. 이 곡선은 상 변환의 동역학에 대한 귀중한 통찰력을 제공하며 엔지니어가 열처리 공정을 최적화하여 원하는 기계적 특성을 달성하는 데 도움이 됩니다.
열처리 공정에서 강철을 냉각하는 데는 크게 두 가지 방법이 있습니다:
실제 산업 생산에서 연속 냉각은 단순성과 효율성으로 인해 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다. 그러나 종합적인 철강 열처리 설계 및 최적화를 위해서는 두 가지 변형 공정을 모두 이해하는 것이 중요합니다.
C-커브는 탄소 및 저합금강에서 특정 기계적 특성을 달성하기 위해 미세 구조 변화를 예측하고 열처리 사이클을 설계하는 기본 도구로 사용됩니다. 이를 통해 야금학자와 엔지니어는 강철 부품의 강도, 경도 및 연성의 원하는 조합을 얻기 위해 냉각 공정을 맞춤화할 수 있습니다.
저냉각의 등온 변환 곡선 오스테나이트 유텍토이드 스틸
그리고 오스테나이트 를 A1~550°C 범위의 온도로 냉각하면 등온 변환 과정을 통해 펄라이트 구조가 만들어집니다. 오스테나이트가 펄라이트로 변하는 것은 그림 3-7에 표시된 것처럼 페라이트와 시멘타이트가 교대로 핵을 형성하고 성장하는 과정의 결과입니다.
첫째, 시멘타이트 결정의 핵은 오스테나이트의 입자 경계에 형성됩니다.
그리고 탄소 함량 가 오스테나이트보다 높기 때문에 주변 오스테나이트에서 탄소 원자를 흡수하게 됩니다.
결과적으로 근처의 오스테나이트의 탄소 함량이 감소하여 페라이트가 형성되고 오스테나이트의 이 부분이 페라이트로 전환되는 조건이 만들어집니다.
페라이트의 낮은 탄소 용해도는 페라이트가 성장함에 따라 과도한 탄소가 인접 오스테나이트로 이동하여 인접 오스테나이트 영역의 탄소 함량이 증가하고 새로운 시멘타이트가 형성될 수 있는 조건을 만들어야 함을 의미합니다.
이 과정을 통해 오스테나이트는 결국 페라이트와 시멘타이트가 번갈아 가며 층을 이루는 펄라이트 구조로 완전히 변형됩니다.
펄라이트의 형성에는 탄소 원자의 이동이 필요하며, 이동 거리에 따라 펄라이트 라멜라의 폭이 결정됩니다. 고온에서는 탄소 원자의 이동이 더 광범위하여 펄라이트 라멜라가 더 넓어집니다.
반대로 저온에서는 탄소 원자가 이동하기 어렵기 때문에 펄라이트 라멜라가 더 조밀해집니다. 727°C에서 650°C로 변형된 미세 구조가 펄라이트입니다.
650°C에서 600°C 사이의 변형을 통해 얻은 구조는 소르바이트(sorbite)로 알려져 있으며, 미세 펄라이트라고도 불립니다. 600°C에서 550°C 사이의 변형은 매우 미세한 펄라이트라고도 하는 트루스타이트의 형성을 초래합니다.
이 세 가지 유형의 펄라이트 구조는 라멜라 간격으로만 구분되며 근본적인 차이점은 없습니다.
저온 냉각에서 550°C~240°C의 온도 범위까지 유텍토이드 강에서 오스테나이트의 등온 변환 생성물은 베이나이트 구조에 속합니다. 이 온도 범위의 상부에는 상부 베이나이트가 형성되고 하부에는 하부 베이나이트가 형성됩니다. 하부 베이나이트는 경도와 강도가 향상될 뿐만 아니라 가소성과 인성이 더 좋습니다. 그러나 상부 베이나이트는 실용적인 용도가 없습니다.
오스테나이트의 탄소 원자가 240°C 이하로 이동하는 것은 매우 어려운 일입니다.
오스테나이트는 얼굴 중심의 입방정(y-철) 구조에서 몸체 중심의 입방정(α-철) 구조로 바뀌는 동형 변환만 거칩니다.
원래 오스테나이트 내의 모든 탄소 원자는 몸체 중심의 입방 격자에 머무르며 과포화 α-철을 생성합니다.
이 α-철의 과포화 탄소 고체 용액을 마르텐사이트라고 합니다.
유텍토이드 강철의 오스테나이트가 240°C(MS)로 냉각되면 마르텐사이트로 변하기 시작합니다.
온도가 계속 낮아지면 마르텐사이트의 양은 증가하고 저냉각된 오스테나이트는 감소합니다.
온도가 -50°C(MF)에 도달하면 저온 냉각된 오스테나이트는 마르텐사이트로 완전히 변합니다.
따라서 MS와 MF 사이의 구조는 마르텐사이트와 유지된 오스테나이트.
탄소 함량의 차이로 인해 마르텐사이트는 두 가지 형태가 있습니다.
탄소 함량이 높은 마르텐사이트는 바늘 모양을 띠는데, 이를 바늘형 마르텐사이트라고 합니다.
반면 탄소 함량이 낮은 마르텐사이트는 판 모양이며 판형 마르텐사이트라고 합니다.
| 조직 | 탄소 함량(%) | 기계적 특성 | |||
| HRC | (Mpa) | ak J/cm2 | Ψ(%) | ||
| 저탄소 | 0.2 | 40~45 | 1500 | 60 | 20~30 |
| 높은 탄소 | 1.2 | 60~65 | 500 | 5 | 2~4 |
표 4-5 저탄소 마르텐사이트 15MnVB강과 저탄소 마르텐사이트 15MnVB강의 특성 비교 담금질 및 템퍼링 40Cr 강철
| 강철 등급 | 15MnVB40Cr |
| 상태 | 저탄소 마르텐사이트의 담금질 및 템퍼링 상태 |
| HRC | 4338 |
| σo.2/MPa | 1133800 |
| σb/MPa | 13531000 |
| δ5（%） | 12.69 |
| φ(%) | 5145 |
| ak/Jcm-2 | 9560 |
| ak（-50℃）/J.cm-2 | 70≤40 |
그림 3-9 유텍토이드 강의 냉각 변형 곡선
a. 퍼니스로 냉각하기
냉각 곡선이 펄라이트 변환의 시작선과 교차하면 오스테나이트에서 펄라이트로의 변환이 시작됩니다.
냉각 커브가 전환의 끝선과 교차하면 변환이 완료된 것입니다.
펄라이트 영역 내에서 발생하는 변형의 결과로 펄라이트 구조가 형성됩니다.
b. 공기 중 냉각
빠른 냉각 속도로 인해 소르바이트 영역에서 변형이 일어나고 변형 생성물인 페라이트가 생성됩니다.
C. 오일 냉각
냉각 커브는 펄라이트 변환의 시작선(트루스타이트 변환 영역)과만 교차하고 끝선과는 교차하지 않습니다.
그 결과 오스테나이트의 일부만 변형되어 변형 생성물인 트루스타이트가 형성됩니다. 오스테나이트의 나머지 부분은 MS 라인으로 냉각되면 마르텐사이트로 변형됩니다.
마지막으로, 혼합 마르텐사이트의 구조 를 입력하면 트루스타이트가 획득됩니다.
이것은 기름으로 냉각된 제품을 말합니다.
d. 수냉식.
냉각 속도가 빠르기 때문에 냉각 곡선이 펄라이트 변환의 시작점과 교차하지 않습니다.
오스테나이트는 마르텐사이트 변환의 시작선 아래로 냉각되면 마르텐사이트로 변환됩니다.
연속 냉각 곡선은 등온 C 곡선의 오른쪽 하단에 위치하며, P 변환 온도가 낮고 지속 시간이 더 깁니다.
유텍토이드 및 하이퍼유텍토이드 강은 P형 변형 종단선을 가지지만 연속 냉각 중에는 B형 변형이 없습니다.
저유전성 강철의 경우 연속 냉각 중 특정 온도 범위에서 과냉각하면 부분적으로 B로 변형될 수 있습니다.
연속 냉각 변환 곡선을 결정하는 것은 어려운 일이기 때문에 많은 강재에는 여전히 이 정보가 부족합니다.
실제 열처리에서 연속 냉각 변환 과정은 종종 C 곡선을 참조하여 추정합니다.
유텍토이드 탄소강의 TTT 곡선과 CCT 곡선 비교
저유전체 및 과유전체 강철의 TT 곡선
(1) 경화성의 개념
강철의 경도는 강철의 특성인 담금질 중에 강철이 경화될 수 있는 깊이를 나타냅니다.
담금질하는 동안 냉각 속도는 공작물의 섹션에 따라 달라집니다.
표면은 가장 빠른 속도로 냉각되어 임계 냉각 속도 가 마르텐사이트 형성을 위해 사용됩니다. 그 결과 마르텐사이트 구조 는 담금질 후 형성됩니다.
중앙으로 갈수록 냉각 속도가 감소함에 따라 표면에서 특정 깊이의 냉각 속도가 강철에 마르텐사이트를 형성하는 데 필요한 임계 냉각 속도 이하로 떨어지면 담금질 후 비마르텐사이트 구조가 존재하기 때문에 공작물이 완전히 경화되지 않습니다.
(2) 경화성이 기계적 특성에 미치는 영향
경화성이 좋은 강재의 기계적 특성은 전 구간에서 균일한 반면, 경화성이 좋지 않은 강재의 기계적 특성은 구간에 따라 달라집니다. 특히 인성과 같은 기계적 특성은 중앙에 가까워질수록 감소합니다.
그림 5-53 담금질 및 템퍼링 처리 후 경화성이 다른 강재의 기계적 특성 비교
a) 강화 샤프트
b) 경화되지 않은 샤프트
(3) 경화성의 결정 및 표현
경화성을 결정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. GB225에 명시된 대로 가장 널리 사용되는 방법은 구조용 강철에 대한 엔드 퀜칭 테스트입니다. 이 테스트는 경화 가능한 층의 두께를 측정합니다.
일반적으로 사용되는 경화성의 또 다른 척도는 임계 직경입니다. 이 값은 냉각 매체에서 담금질한 후 강철의 중심에서 얻을 수 있는 반마텐사이트 구조(50%)의 최대 직경을 나타냅니다. Do로 표시됩니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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