강의 열처리와 조직의 변화

[3] 강의 열처리와 조직의 변화

(1) 강의 노멀라이징(불림)

 

주로 강의 조직을 표준화 시키기 위하여 Ac3점 또는 Acm점 보다 40～60℃의 온도에서 일정한 시간 가열하여 미세한 조직으로 만든 후 공기 중에서 서서히 냉각시키는 조작. 이 열처리의 목적은 주로 결정조직을 미세화하고 냉간 가공, 단조 등에 의한 내부응력을 제거하며 결정조직 기계적 성질, 물리적 성질 등을 표준화 시키는데 있다.

(2) 강의 풀림(Annealing)

 

주조 또는 가공에 의하여 재료 내부에 생긴 변형이나 거칠어지는 것 가공경화 담금질효과 등을 제거하기 위하여 재료를 Ac3 점 또는 Ac1점 이상 20～50℃ 높은 온도로 가열하여 서서히 노중 냉각시키는 조작으로 가공 후에 변형이나 가공 중의 균열이나 부러지는 것을 방지할 때 이용된다.

(3) 강의 담금질(Quenching)

 

변태점 이상으로 가열한 오스테나이트 상태의 강을 물이나 기름 속에서 급랭시키는 조작, 경도와 강도를 증가시켜 준다.

① 마르텐사이트(Martensite) : 723℃에서 천천히 냉각하면 펄라이트로 변하는 도중에 오스테나이트와 마르텐사이트를 거친다. 이 때 급냉시키면 펄라이트의 변화를 일으키지 못하고 300℃ 정도에서 마르텐사이트 조직으로 된다. 내식성이 강하고, 경도와 인장 강도가 크다. 여리고 전성이 작고 강자성체이다.

 

② 오스테나이트(Austenite) : 고온에서 오스테나이트 조직으로 된 것을 냉각 중에 변태를 일으키지 못하도록 급히 냉각하여 상온으로 만든 조직이다.

③ 트루스타이트(troostite) : 마르텐사이트보다 냉각 속도가 느린 경우에 생긴다. 유중이나 온탕에서 급냉할 때 재료 중앙에 나타나는 조직이며, 트루스타이트(troostite) 조직은 약 400℃로 뜨임했을 때 나타나는 조직이다. 산에 의하여 부식되기 쉽고 경도가 크다.

 

④ 소르바이트(sorbite) : 트루스타이트보다 냉각 속도가 느린 경우 생긴다. 강인성과 경도가 큰 조직이다.

 

(4) 강의 뜨임

담금질한 강을 A1점 이하의 온도에서 재가열하여 조직을 연화하는 작업을 말한다. 경도는 떨어지나 점성은 커진다. 100～200℃의 뜨임에서는 담금질에 의하여 생긴 체심입방격자의 마르텐사이트로 변한다. 240℃ 이상일 경우에 잔류오스테나이트가 파괴되어 마르텐사이트로 변한다.

① 저온 뜨임 : 담금질에 의하여 생긴 재료 내부의 잔류 응력을 제거하고 주로 경도를 필요로 할 경우에 약 150℃부근에서 뜨임하는 것.

② 고온 뜨임 : 담금질한 강을 500～600℃ 부근에서 뜨임하는 것으로 강인한 재질을 만들기 위한 조직.

 

(5) 탄소강의 성질

① 성분 : 0.218～2.11%C의 철. 탄소합금으로 Si, Mn, P, S가 함유한다.

② 표준 조직 : 표준 상태에서 펄라이트와 시멘타이트의 혼합조직이다.

③ 물리적 성질

탄소함유량의 증가와 더불어 비중, 팽창률, 열전도율이 감소되며 비열과 전기저항이 증가된다.

㉮ 비중 : 7.871～7.830

㉯ 용융점 : 1539～1425℃

㉰ 비열(50～100℃) : 0.115～0.117

㉱ 전기저항(20℃) : 13.0～19.6μΩcm

㉲ 선팽창률(×10－6 0～100℃) : 12.6～10.6

㉳ 열전도율 : 0.146～0.108cal/cm, scc℃

㉴ 보자력(Oe) : 0.7～7.0

④ 화학적 성질

강은 알칼리에는 거의 부식이 안되나 산에 대해서는 약하다. 0.2%C 이상의 탄소 함유량에서는 탄소가 많을수록 부식이 쉽다. 담금질이 된 것은 풀림 또는 노멀라이징(Normalizing)상태의 강보다 부식에 잘 견딘다.

대기 중에서의 부식은 0.15～0.25% 구리를 가함으로써 개선된다.

⑤ 탄소강의 기계적 성질

일반적으로 기계적 성질은 탄소 함유량, 열처리, 가공 등의 영향을 받아 광범위하게 변화한다.

(ㄱ) 탄소 함유량과 기계적 성질의 관계 : 경도, 인장 강도는 탄소가 1.0% 부근까지는 거의 탄소의 양에 비례하여 증가하고, 1.0%를 넘을 때에는 인장 강도는 급격히 감소하지만 경도는 증가한다. 연신율과 충격값은 직선적으로 감소하여 0.1 %를 넘을 때에는 충격값은 거의 0에 가깝게 되고, 연신율도 수 %로 되어 메지게 된다.

(ㄴ) 온도와 기계적 성질과의 관계 : 인장 강도는 200∼300℃ 부근까지는 온도가 올라감에 따라 증가하여 상온보다 강해지며, 최대값을 나타낸 다음 그 이상의 온도에서는 급히 감소한다. 경도도 인장 강도와 비슷하게 변화한다.

 

(6) 강의 기계적 성질에 미치는 여러 원소의 영향

① 인(P)

㉮결정 입자를 거칠게 한다.

㉯기포가 없는 주물을 얻을 수 있다.

㉰경도와 인장 강도를 증가시킨다.

㉱연신율 및 충격치를 감소시킨다.

㉲ 적당한 양은 용선의 유동성을 개선한다.

㉳ 가공시 균열을 일으키며, 상온 취성의 원인이 된다.

② 황(S)

㉮ 강의 유동성을 해치고, 기포가 발생한다.

㉯ 망간과 화합하여 절삭성을 개선한다.

㉰ 강도, 연신율, 충격치 등을 감소시킨다.(취성이 생긴다.)

㉱ 단조, 압연 등의 작업에서 균열을 일으킨다.(고온 취성을 발생)

③ 망간(Mn)

㉮ 경화능을 현저하게 증가시킨다.

㉯ 강에 경도, 강도, 점성을 증가시킨다.

㉰ 탈산 작용을 하여 강의 유동성을 좋게 한다.

㉱ 황이 주는 해를 제거시키고 절삭성을 개선한다.

㉲ 고온에서 결정의 성장을 제거시켜 조직을 치밀하게 한다.

㉳ 1% 이상이면 주물에 수축이 생긴다.

④ 규소(Si)

㉮ 강의 유동성을 개선한다.

㉯ 연신율과 충격치 등을 감소시킨다.

㉰ 단조 및 냉간 가공성을 저하시킨다.

㉱ 탄성한도, 강도, 경도 등을 증가시킨다.

㉲ 강 중에 2.7% 이상 함유하면 질을 연하게 한다.

㉳ 결정립의 크기를 증가시키고, 소성을 감소시킨다.

⑤ 구리(Cu)

㉮ 0.2% Cu 이상으로 되면 결정입간에 구리가 석출하여 강도를 높이고 경도가 커진다.

㉯ 0.4% Cu 이상이면 메짐이 증가하여 단접성을 해친다.

 

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