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담금질

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목차

1. 개요

담금질은 금속 재료, 특히 강철의 경도와 강도를 높이는 열처리 공정이다. 기본 원리는 금속을 특정 온도까지 가열한 후 급격히 냉각시켜, 재료의 결정 구조를 변화시키는 것이다. 철-탄소계 평형상태도를 통해 강의 상변화를 이해하며, 탄소 함량에 따라 아공석강, 공석강, 과공석강으로 분류된다. 담금질 방법에는 가열, 온도 유지, 냉각의 세 단계가 있으며, 냉각 속도와 냉각제의 종류가 중요한 역할을 한다. 냉각제로는 물, 기름, 수용액, 염욕, 가압 가스, 공기 등이 사용된다.

담금질은 마르텐사이트, 마르템퍼, 오스템퍼, 오스포밍, 표면경화 등 여러 종류로 나뉘며, 각기 다른 목적과 특징을 가진다. 담금질 후에는 균열, 변형, 경도 부족 등의 결함이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위한 다양한 기술이 사용된다. 담금질은 자동차 부품, 공구, 베어링 등 다양한 제품에 적용되며, 재료의 강도와 내마모성을 향상시키는 데 기여한다.

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담금질
개요
명칭담금질
영문 명칭Quenching
일본어 명칭焼入れ (야키이레)
설명재료를 급격히 냉각시키는 과정
목적
목적특정 재료의 성질을 얻기 위해
경도 증가
강도 증가
내마모성 증가
방법
냉각 매체물
기름
공기
소금물
기타
냉각 속도 조절냉각 매체 종류, 온도, 교반 속도 등으로 조절
사용 재료
사용 재료강철
기타 금속 합금
공정
공정 단계1. 재료 가열: 재료를 특정 온도까지 가열
2. 유지: 가열된 온도에서 일정 시간 유지
3. 담금질: 급격한 냉각
고려 사항
고려 사항재료의 열처리 이력
재료의 화학 성분
재료의 크기 및 모양
요구되는 최종 특성
효과
효과마르텐사이트 형성 (강철)
오스테나이트 잔류 가능
취성 증가 가능
잔류 응력 발생 가능
후속 처리
후속 처리템퍼링: 취성 감소 및 인성 증가
표면 처리: 필요에 따라 추가적인 표면 처리
주의사항
주의사항과도한 냉각 속도는 균열 발생 위험 증가
재료에 따라 적절한 냉각 매체 선택 중요
기타
관련 용어템퍼링
풀림
노멀라이징
열처리

2. 기본 원리

물질은 조성, 온도, 압력 조건에 따라 액체나 고체 등 상(相)이라 불리는 형태가 변한다.[1] 조성, 온도, 압력 등을 변화시켜 어떤 상이 존재하는지 나타낸 그림을 상태도, 평형상태도 또는 상도라고 부른다.[2] 합금의 경우는 일반적으로 압력을 일정하게 하고 온도 변화와 조성 변화로 상태도를 나타낸다.[2] 또한 합금의 경우 고체로 존재하는 동안에도 여러 가지 상으로 변하는 것이 특징이다.[3] 이러한 상의 변화를 변태라고 한다.[4]

하나의 금속 원소에 다른 원소를 첨가한 것을 이원합금이라고 부른다.[5] 철과 탄소로 이루어진 이원합금에 대해 가로축에 탄소의 질량 퍼센트 농도, 세로축에 온도를 취하여 상의 변화를 나타낸 그림을 철-탄소계 이원합금 평형상태도 또는 철-탄소계 평형상태도라고 부른다.[6][7] 여기서 "평형"이란 매우 천천히 냉각·가열했을 때의 변화를 나타낸다.[6] 철-탄소계 이원합금 평형상태도는 순철과 순탄소만을 원료로 한 합금을 기준으로 하지만, 일반적인 강은 불순물로서 또는 성질 개선을 위해 탄소 이외의 성분도 포함하고 있으며, 이러한 다른 성분에 의해 상태도가 다소 변하므로 주의가 필요하다.[7][8] 합금강의 경우 가로축: 탄소 농도, 세로축: 온도의 상태도로 비교하면, 합금 원소의 총량이 5% 이하인 저합금강은 철-탄소 이원합금과 거의 같은 형태이지만, 총량이 10% 이상인 고합금강이 되면 크게 달라진다.[8]

철-탄소계 이원합금 평형상태도(철-세멘타이트계)
질량 퍼센트 농도 2%까지


탄소 질량 퍼센트 농도가 0.022% 이하인 영역을 제외하고 순철이라고 불리는 영역을 제외하고 철-탄소계 이원합금 평형상태도를 살펴본다. 상온에서는 강의 상은 페라이트상과 시멘타이트로 구성된다.[9] 탄소 농도 0.77% 미만에서는 페라이트 + 펄라이트, 0.77% 에서는 펄라이트만, 0.77% 초과에서는 펄라이트 + 시멘타이트로 구성된다.[10] 이 0.77%의 점을 공석점이라고 부르며, 공석점 미만의 탄소 농도의 강을 아공석강, 공석점은 공석강, 공석점 초과를 과공석강이라고 부른다.[11] 경도에 주목하면, 페라이트는 부드럽고 점성이 있는 조직이고, 펄라이트도 비교적 부드러운 조직이며, 시멘타이트는 매우 단단하지만 취성이 있는 조직이다.[12]

고온 영역을 살펴보면, A₁선이라고 불리는 727℃의 온도를 초과한 영역에서는 아공석강은 페라이트 + 오스테나이트가 되고, 공석강은 오스테나이트만이 되고, 과공석강은 오스테나이트 + 시멘타이트가 된다. 이 온도에서는 아공석강에는 아직 페라이트가 존재하지만, 온도를 더 올려 A₃선이라고 불리는 온도를 초과하면 아공석강도 오스테나이트만의 상이 된다.[13] 오스테나이트도 페라이트와 비슷하게 부드럽고 점성이 있는 조직이지만, 탄소 고용 영역이 큰 특징을 가진다.[12]

오스테나이트 또는 오스테나이트 + 세멘타이트의 고온 상태에서 냉각한다고 가정한다. 천천히 평형적으로 냉각하면 위에서 설명한 순서를 거꾸로 따라 변태가 일어날 뿐이지만, 냉각 속도를 높여 냉각하면 펄라이트나 페라이트로 변태할 시간이 부족하여 평형상태도에는 나타나지 않는 마르텐사이트라고 불리는 상이 나타난다.[14] 이 변태를 마르텐사이트 변태라고 부른다. 마르텐사이트 조직은 α철이 과잉으로 탄소를 강제 고용한 조직으로 매우 단단한 성질을 가진다.[12] 이와 같이 급냉에 의한 마르텐사이트 변태를 일으켜 강을 단단하게 하는 조작이 일반적인 강의 담금질이다.[15][16]

일본도의 담금질 등, 담금질은 고대부터 경험적인 대장장이의 기술로 존재했지만,[14] 1888년 러시아의 야금학자 드미트리 콘스탄티노비치 체르노프(Dmitry Chernov)에 의해 담금질이 일어나는 구체적인 가열·냉각 조건이 발표되었고, 이것이 강의 담금질 및 열처리의 이론적인 시초로 여겨진다.[15][17]

2. 1. 철-탄소계 평형상태도

철-탄소계 이원합금 평형상태도를 이용하여 강의 상변화를 설명할 수 있다. 탄소강은 탄소 함량에 따라 아공석강, 공석강, 과공석강으로 나뉜다.

  • 아공석강: 0.025% ~ 0.77%의 탄소를 함유한 강으로, 페라이트와 펄라이트로 구성된다.
  • 공석강: 0.77%의 탄소를 함유한 강으로, 펄라이트로만 구성된다.
  • 과공석강: 0.77% ~ 2.14%의 탄소를 함유한 강으로, 펄라이트와 시멘타이트로 구성된다.


철-탄소계 합금은 다양한 상을 가지는데, 주요 상은 다음과 같다.

  • 오스테나이트(Austenite): 감마철(γ-Fe)에 최대 2.0%까지 탄소를 고용한 고용체이다. 비자성체이며 전기저항이 크고, 인장강도에 비해 연신율이 크다. 경도(HB)는 155 정도이다.
  • 페라이트(Ferrite): 알파철(α-Fe)에 0.025% 이하의 탄소를 고용한 고용체이다. 강자성체이며 전성과 연성이 크다. 경도는 HB90 정도이다.
  • 펄라이트(Pearlite): 페라이트와 시멘타이트의 공석정으로, 경도는 HB225 정도이다.
  • 시멘타이트(Cementite): Fe3C-6.68%C와 Fe 간의 화합물이며, 경도는 HB820 정도로 매우 높다.


마르텐사이트는 열처리 후 가장 높은 경도를 갖는 상이다.

2. 2. 마르텐사이트 변태

담금질 전, 주철과 주강은 균일하고 박층(또는 층상) 펄라이트 조직을 갖는다. 펄라이트는 강 또는 주철을 제조하고 서서히 냉각할 때 형성되는 페라이트와 시멘타이트의 혼합물로, 상당히 무르다. 펄라이트를 공석변태 온도인 727 °C 이상으로 가열한 다음 급속히 냉각하면, 재료의 결정 구조 일부가 마텐자이트라고 알려진 훨씬 더 단단한 구조로 변환될 수 있다.

급속 냉각에 의해, 어느 정도까지 냉각이 진행되면 마르텐사이트 변태가 시작된다. 냉각 중의 마르텐사이트 변태 개시 온도를 '''Ms점'''(Ms point), 마르텐사이트 변태 종료 온도를 '''Mf점'''(Mf point)이라고 부른다. Ms점과 Mf점 사이에서는 시간에 관계없이 순간적으로 마르텐사이트 변태가 발생하지만, 냉각이 진행되는 것이 마르텐사이트 변태가 진행되는 조건이 된다. 즉, Ms점을 통과해도 냉각을 일단 정지시키면 변태의 진행도 정지한다.

Ms점은 강의 화학 성분과 오스테나이트화 온도에 따라 결정된다. 화학 성분량으로부터 강의 Ms점을 예측하는 실험식은 많이 제안되어 있다. 예를 들어

  • ''Ms'' = 538 − 317 × ''C'' − 33 × ''Mn'' − 28 × ''Cr'' − 17 × ''Ni'' − 11 × ''Mo'' − 11 × ''W'' − 11 × ''Si''
  • ''Ms'' = 550 − 350 × ''C'' − 40 × ''Mn'' − 20 × ''Cr'' − 17 × ''Ni'' − 10 × ''Mo'' − 5 × ''W'' − 10 × ''Cu'' − 35 × ''V'' + 15 × ''Co'' + 30 × ''Al''
  • ''Ms'' = 521 − 353 × ''C'' − 24 × ''Mn'' − 18 × ''Cr'' − 17 × ''Ni'' − 26 × ''Mo'' − 22 × ''Si'' − 8 × ''Cu''


여기서 각 기호는, ''Ms''는 Ms점 온도(℃)이고, ''C'', ''Mn'', ''V'', ''Cr'', ''Ni'', ''Cu'', ''Mo'', ''W'', ''Co'', ''Al'', ''Si''는 각 원소의 질량 퍼센트 농도(%)이다. 공석강의 경우, Ms점은 약 260℃ 정도가 된다.

탄소 함유량과 Ms점, Mf점의 관계의 예


Ms점이 높아지면 Mf점도 높아지고, 낮아지는 경우도 마찬가지로 낮아지는 경향을 갖는다. 탄소강의 경우, Ms점에서 Mf점까지는 200~300℃ 정도의 온도 폭이다. 탄소 농도가 높아지면 Ms점은 낮아지므로, 고탄소강의 경우 Mf점은 상온보다 낮아진다. 따라서, 상온까지 냉각이 완료되어도 오스테나이트가 변태되지 못하고, 담금질 후 조직 중에 잔류 오스테나이트로 남게 된다. 잔류 오스테나이트는 방치해 두면, 상온에서도 시간이 경과함에 따라 자연스럽게 마르텐사이트 변태를 일으킨다. 이 마르텐사이트 변태에 의한 체적 팽창으로, 최종 제품의 치수 변화가 발생하게 된다.

Ms점 이하가 되면 마르텐사이트가 발생하기 시작하지만, 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변태하면 큰 체적 팽창이 일어난다. Ms점 이하가 될 때, 온도가 불균일하면, 상기 팽창 발생과 냉각에 의한 체적 수축의 부분적 불균일로 인해 내부 응력이 발생하고, 내부 응력이 인장 강도를 초과하면 균열이 발생한다. 따라서 Ms점 이하의 온도 영역을 '''위험 영역'''이라고 부르고, 천천히 균일하게 냉각하는 것이 좋다고 여겨진다.

3. 담금질 방법

담금질 공정은 시료 가열, 온도 유지, 냉각의 단계를 거친다.
가열담금질은 먼저 가공물을 가열하는 것에서 시작한다. 대부분의 재료는 815℃에서 900℃ 사이의 온도로 가열되며, 이때 가공물 전체의 온도를 균일하게 유지하는 것이 중요하다.[16] 불균일한 가열과 과열을 최소화해야 원하는 재료 특성을 얻을 수 있다.[16]

강의 조직이 오스테나이트가 될 때까지 가공물을 로(爐) 등으로 가열한다. 열처리용 로에는 전기로, 중유로, 가스로, 염욕로 등이 있다. 가열 전 가공품에 오염이나 녹(錆)이 있으면 세척이나 샷 블라스팅으로 제거해야 한다. 이는 담금질 불량의 원인이 될 수 있기 때문이다.

가열은 일반적으로 아공석강에서는 A₃선에서 30~50℃ 높은 온도, 공석강·과공석강에서는 A₁선에서 30~50℃ 높은 온도까지 가열한 후 온도를 유지한다. A₃선·A₁선을 넘으면 오스테나이트화되지만, 30~50℃ 높게 설정하는 이유는 균일한 오스테나이트를 얻기 위해서다. 이 담금질을 위한 최고 가열 온도를 '''담금질 온도''' 또는 '''오스테나이트화 온도'''라고 한다.

아공석강의 경우, 담금질 온도가 A₃선보다 낮으면 A₃선 이하에서 페라이트가 이미 석출(析出)되어 담금질 후 조직에도 페라이트가 포함되어 충분한 경도를 얻을 수 없다. 이렇게 마르텐사이트만의 조직을 얻을 수 없는 담금질을 '''불완전 담금질''' 또는 '''물렁 담금질(甘焼き)'''이라고 한다. 100% 마르텐사이트 조직을 얻는 담금질을 '''완전 담금질'''이라고 하지만, 현실적으로 100% 마르텐사이트를 얻기는 어렵기 때문에 약 90% 정도에서 실용상 완전 담금질로 간주한다. 반대로 담금질 온도가 너무 높으면 결정립이 조대화되어 담금질 후의 기계적 성질이 저하된다. 또한, 균열이나 변형의 원인이 되기도 한다.

과공석강의 경우, A₁선을 넘어 Acm선 이상까지 가열하면 모든 조직이 오스테나이트화되지만, 이 온도에서 담금질하면 균열이나 잔류 오스테나이트 증가 등이 발생하여 제대로 담금질할 수 없다. 이는 철 중 탄소의 고용 농도가 너무 커지기 때문이며, 따라서 담금질 온도를 A₁선 바로 위에 설정하는 것이 일반적이다. 단, 고합금강 사용의 경우에는 Acm선 이상으로 담금질 온도를 설정하기도 한다.

982℃까지 가열된 로 내부 모습


강의 가열 온도와 가열색의 기준

온도 유지담금질 공정에서 시료는 대부분 815°C에서 900°C 사이의 온도로 가열되며, 가공물 전체의 온도를 균일하게 유지하는 것이 중요하다. 불균일한 가열과 과열을 최소화하는 것은 원하는 재료 특성을 부여하는 데 중요하다.

시멘타이트를 오스테나이트에 고용시키는 조작을 고용화 열처리 또는 오스테나이트화 처리라고 한다. 가열 속도에 따라 가공품 표면에 비해 내부 및 중심은 가열이 늦어지므로, 표면 온도가 담금질 온도에 도달한 후 내부 및 중심 온도는 늦게 담금질 온도에 도달한다. 따라서 가공품 표면이 담금질 온도에 도달한 후 냉각할 때까지의 시간을 유지 시간이라 하고, 가공품 전체가 담금질 온도에 도달한 후 냉각할 때까지의 시간을 유효 유지 시간이라고 구분한다. 필요한 유지 시간은 승온 속도, 가공품의 크기, 화학 성분 및 가열 전의 조직 상태에 따라 달라진다.

승온 속도의 영향으로, A₃선 또는 A₁선을 초과하면 승온이 느리더라도 오스테나이트 변태가 진행되므로, 서서히 가열한 경우에는 유지 시간이 짧아도 되고, 급속히 가열한 경우에는 길게 할 필요가 있다.

내부 및 중심 온도는 늦게 승온되므로, 가공품의 형상이 커질수록 전체가 균일 온도가 되는 데 시간이 걸린다. 표면 온도가 담금질 온도에 도달한 후 중심부 온도가 0.25% 이내로 표면 온도와 균일해지는 시간의 대략적인 공식으로, 가공품이 원형 봉 형상·저탄소강인 경우 다음 식이 있다.

: t = d²/200

여기서, t는 균일하게 하는 데 필요한 시간(h)이고, d는 직경(inch)이다. 고합금강의 경우 열전도율이 나빠지므로 균일하게 하는 데 필요한 시간은 위 식보다 길어진다.

재질의 영향으로는, 담금질 전의 조직의 결정립이 미세화될수록 균질한 오스테나이트화에 걸리는 시간이 짧아지고 유지 시간도 짧아도 된다. 또한, 조성의 영향도 크며, 고탄소 크롬 베어링강, 고속도강, 다이스강 등에서는 같은 조건에서 비교했을 때, 기계 구조용 탄소강 등보다 약 20분 정도 유지 시간을 길게 할 필요가 있다.
냉각
CCT선도(연속냉각변태곡선)(저공석강의 경우)
Ps：펄라이트 변태 개시선
Pf：100% 펄라이트 변태 완료선
Ms：마르텐사이트 변태 개시선
Mf：마르텐사이트 변태 종료선
(2)의 냉각곡선이 상부 임계냉각속도, (3)의 냉각곡선이 하부 임계냉각속도


가공품을 가열·유지한 후에는 냉각을 실시한다. 담금질에 필요한 냉각 속도는 대략 160℃/초 이상으로 여겨진다. 냉각 속도를 낮추면 마르텐사이트 변태 전에 펄라이트 변태, 베이나이트 변태, 페라이트 변태가 발생하기 시작하여 냉각 후 조직에 마르텐사이트 이외의 조직이 혼입되기 시작한다. 다른 조직이 발생하기 시작하는 한계의 냉각 속도를 '''상부 임계냉각속도''' 또는 간단히 '''임계냉각속도'''라고 부르며, 완전 담금질이 되는 한계 속도이기도 하다. 상부 임계냉각속도에서 냉각 속도를 더 낮추면 다른 변태가 많아지고 마르텐사이트 변태의 비율이 낮아져 결국 마르텐사이트 변태가 발생하지 않게 된다. 이 한계의 냉각 속도를 '''하부 임계냉각속도'''라고 부르며, 불완전 담금질이 되는 하한 속도가 된다. 더 냉각 속도를 늦추면(저공석강의 경우) 풀림에, 더 늦추면 완전 풀림에 해당하는 열처리 조작이 된다.

이러한 냉각 속도와 변태의 관계를 저공석강을 예로 들어 CCT선도(연속냉각변태곡선)에서 살펴보면, 상부 임계냉각속도에서 펄라이트 변태 개시선에 걸리기 시작한다. 상부 임계냉각속도와 하부 임계냉각속도 사이에서는 100% 펄라이트 변태하기 전에 펄라이트 변태 영역을 지나 나머지는 마르텐사이트 변태 영역에 들어간다. 하부 임계냉각속도에서 100% 펄라이트 변태선에 걸리기 시작하고, 이 이상이 되면 모두 펄라이트 변태가 된다.

TTT선도(등온변태곡선)
V1의 냉각곡선이 펄라이트 변태를 면하고 있다


또한, 강하 중 담금질 온도에서 약 550℃까지의 범위를 '''임계 영역'''이라고 부른다. 이것은 TTT선도(등온 변태 곡선)에서 보면, 오스테나이트에서 펄라이트 또는 베이나이트로의 변태 개시 곡선의 왼쪽으로 튀어나온 코와 같은 부분이 이 약 550℃에 해당한다. 이 코 부분을 지날 때 펄라이트 또는 베이나이트로의 변태가 일어나기 쉽다. 급냉시켜 코 부분을 피할 정도까지 강하시키면 변태 개시 곡선은 C자형이므로 베이나이트로의 변태 개시점은 장시간 쪽으로 이동하여 냉각 속도를 늦출 여유가 생긴다. 즉, 임계 영역을 지나는 온도까지 가능한 한 빨리 냉각하는 것이 완전 담금질을 하기 위해 중요하다.

일반적으로 이상적인 냉각 방법은 담금질 온도에서 임계 영역을 지난 후 후술하는 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점) 직전까지 가능한 한 빨리 균일하게 냉각하고, Ms점 이하의 위험 영역은 천천히 냉각하는 것으로 여겨진다. 담금질 온도에서 Ms점까지의 급냉은 위에서 설명한 것과 같이 마르텐사이트 변태 이외가 발생하는 불완전 담금질을 피하기 위한 것이고, Ms점에 도달한 후에는 급냉의 필요가 없어지며, 후술하는 균열이나 변형 등의 결함을 피하기 위해 냉각 속도를 천천히 한다.
2단 냉각 및 등온 냉각이상적인 냉각 방법을 실현하기 위해, 냉각제와 가공품의 온도가 평형에 이를 때까지 방치하지 않고, 강하 냉각 도중 Ms점 직전에 수냉과 같은 급냉에서 공냉과 같은 느린 냉각으로 전환하는 방법이 취해진다. 이러한 냉각을 '''2단 냉각'''이라고 부르며, 담금질을 '''2단 담금질''', 또는 '''인상 담금질''', '''중단 담금질''', '''계단 담금질''' 등으로 부른다. 또한, 2단 담금질을 물이나 기름과 같은 냉각제에 담근 순간부터 시간을 재서 꺼내는 방법으로 실현하는 것을 '''시간 담금질'''이라고 부른다. 시간 담금질의 경우, 수냉은 두께 3mm당 1초, 유냉은 같은 두께당 3초로 꺼내는 것이 좋다고 여겨진다. 시간에 의존하지 않는 경우의 기준으로는 가공품의 진동이나 물소리가 멈췄을 때 꺼내는 것이 좋다고 여겨진다. 그러나 냉각 시간을 잘못 맞추면, 지나치게 짧으면 담금질이 전혀 되지 않고, 짧으면 표면은 담금질이 되지만 중심부와의 온도 차이로 중간 부분이 변태 팽창하여 후술하는 균열이 발생하고, 너무 길면 위험 영역을 통과하여 마찬가지로 균열이 발생하는 등의 어려움이 있다.

2단 담금질에 대해, Ms점을 통과하여 상온까지 냉각하는 방법을 '''연속 냉각'''이라고 부르며, 담금질을 '''통상 담금질'''이라고 부른다. 또한, 냉각 도중 일정 시간 등온으로 유지한 후 다시 냉각하는 방법을 '''등온 냉각'''이라고 부르며, 담금질을 '''등온 담금질''', '''항온 담금질''' 등이라고 부르며, 후술하는 마르템퍼와 오스텐퍼 등에서 이용된다.
가공품 형상의 영향균열이나 변형을 피하기 위해서는 가공품 전체가 균일하게 냉각되는 것이 이상적이다. 그러기 위해서는 냉각 속도를 늦추는 것이 한 가지 방법이지만, 그 외에도 냉각을 불균일하게 만드는 요인으로는 가공품 형상과 크기의 영향이 크다.

일반적으로 표면이 가장 빨리 냉각되고, 내부로 갈수록 냉각이 느려진다. 따라서 표면은 100% 마르텐사이트가 얻어지는 냉각이라도, 중심부에서는 펄라이트만 얻어지는 냉각 속도까지 저하될 수 있다.[17] 이와 같이 내부로 갈수록 담금질이 잘 되지 않으므로 가공품의 크기가 커질수록 담금질이 되지 않는 영역이 커진다.[17] 또한, 내부의 냉각이 느려지는 것에 기인하여 내부뿐만 아니라 표면 쪽도 냉각 속도가 저하되어 담금질이 불충분해지는 경우도 있다.[17] 이러한 가공품의 크기(＝질량)가 커질수록 담금질이 되기 어려워지는 현상을 '''질량 효과'''라고 한다. 담금질성이 좋은 재료는 내부까지 담금질이 잘 되므로 질량 효과를 작게 할 수 있다.

크기 외에도 가공품의 형상(모양)에 따라 냉각 속도가 다르다. 같은 조건으로 냉각하더라도, 형상이 구형, 원형봉, 평판재의 차이에 의한 냉각 속도 비는 대략 다음과 같이 다르다.

:구형:원형봉:평판재 = 4:3:2

이것을 '''형상 효과'''라고 한다.

국소 형상에 의한 냉각 속도 비의 기준(구석 효과)
3면각: 7
2면각: 3
평면: 1
오목면각: 1/3


또한, 같은 가공품 내에서도 국소적인 형상의 차이에 따라 냉각 속도가 다르다. 특히, 볼록 부분이 냉각이 빠르고, 오목 부분이 냉각이 느리다. 이것을 '''구석 효과'''라고 한다. 각 냉각 속도 비는 대략 다음과 같다.

:3면각:2면각:평면:오목면각 = 7:3:1:1/3
기타 영향열은 다음 세 단계로 제거된다.

'''단계 A: 금속 표면에 증기 기포가 형성되고 냉각이 시작됨'''

이 단계에서 라이덴프로스트 효과로 인해 물체는 증기로 완전히 둘러싸여 나머지 액체로부터 단열된다.

'''단계 B: 증기 수송 냉각'''

온도가 충분히 낮아지면 증기층이 불안정해지고 액체가 물체에 완전히 접촉하여 열이 훨씬 빠르게 제거된다.

'''단계 C: 액체 냉각'''

이 단계는 물체의 온도가 액체의 비점보다 낮을 때 발생한다.

그 외에도 균일한 냉각을 실현하기 위해,

  • 냉각 중에는 냉각재를 적절히 교반한다.
  • 가공품의 박육부에 받침대를 대는 등의 방법으로 냉각한다.
  • 산화 스케일 등의 이물질이 표면에 부착되지 않도록 냉각한다.

등의 방법과 주의 사항이 있다.

3. 1. 가열

담금질 공정은 가공물을 가열하는 것부터 시작한다. 대부분의 재료는 815℃에서 900℃ 사이의 온도로 가열되며, 가공물 전체의 온도를 균일하게 유지하는 것이 중요하다.[16] 불균일한 가열과 과열을 최소화하는 것은 원하는 재료 특성을 부여하는 데 중요하다.[16]

강의 조직이 오스테나이트가 될 때까지 가공물을 로(爐) 등으로 가열한다. 열처리용 로의 종류에는 열원의 종류에 따라 전기로, 중유로, 가스로, 염욕로 등이 있다. 가열 전 전처리로서, 가공품에 오염이나 녹(錆)이 있는 경우에는 세척이나 샷 블라스팅으로 제거해야 하는데, 이는 담금질 불량의 원인이 될 수 있기 때문이다.

가열은 일반적으로 아공석강에서는 A₃선에서 30~50℃ 높은 온도까지, 공석강·과공석강에서는 A₁선에서 30~50℃ 높은 온도까지 승온시켜 온도를 유지한다. A₃선·A₁선을 초과하면 오스테나이트화되지만, 그보다 30~50℃ 높게 설정하는 이유는 충분히 균일한 오스테나이트를 얻기 위함이다. 이와 같은 담금질을 위한 최고 가열 온도를 '''담금질 온도''' 또는 '''오스테나이트화 온도'''라고 부른다.

아공석강의 경우, 담금질 온도가 A₃선보다 낮으면 A₃선 이하에서는 페라이트가 이미 석출(析出)되어 있으므로 담금질 후 조직에도 페라이트가 포함되어 충분한 경도를 얻을 수 없다. 이와 같이 어떤 원인에 의해 마르텐사이트만의 조직을 얻을 수 없었던 담금질을 '''불완전 담금질''' 또는 '''물렁 담금질(甘焼き)'''이라고 부른다. 100% 마르텐사이트 조직을 얻은 담금질을 '''완전 담금질'''이라고 하지만, 현실적으로 100%의 마르텐사이트를 얻는 것은 어렵기 때문에 약 90% 정도에서 실용상 완전 담금질로 간주된다. 반대로 담금질 온도가 너무 높으면 결정립이 조대화되어 담금질 후의 기계적 성질이 저하된다. 또한, 균열이나 변형의 원인이 되기도 한다.

과공석강의 경우, A₁선을 초과하여 Acm선 이상까지 가열하면 모든 조직이 오스테나이트화되지만, 이 온도에서 담금질하면 균열이나 잔류 오스테나이트의 증가 등이 발생하여 제대로 담금질할 수 없다. 이것은 철 중의 탄소의 고용 농도가 너무 커지는 것이 원인이며, 따라서 담금질 온도를 A₁선 직상에 설정하는 것이 일반적이다. 단, 고합금강 사용의 경우에는 Acm선 이상으로 담금질 온도를 설정하는 경우도 있다.

3. 2. 온도 유지

담금질 공정에서 시료는 대부분 815°C에서 900°C 사이의 온도로 가열되며, 가공물 전체의 온도를 균일하게 유지하는 것이 중요하다. 불균일한 가열과 과열을 최소화하는 것은 원하는 재료 특성을 부여하는 데 중요하다.

시멘타이트를 오스테나이트에 고용시키는 조작을 고용화 열처리 또는 오스테나이트화 처리라고 한다. 가열 속도에 따라 가공품 표면에 비해 내부 및 중심은 가열이 늦어지므로, 표면 온도가 담금질 온도에 도달한 후 내부 및 중심 온도는 늦게 담금질 온도에 도달한다. 따라서 가공품 표면이 담금질 온도에 도달한 후 냉각할 때까지의 시간을 유지 시간이라 하고, 가공품 전체가 담금질 온도에 도달한 후 냉각할 때까지의 시간을 유효 유지 시간이라고 구분한다. 필요한 유지 시간은 승온 속도, 가공품의 크기, 화학 성분 및 가열 전의 조직 상태에 따라 달라진다.

승온 속도의 영향으로, A₃선 또는 A₁선을 초과하면 승온이 느리더라도 오스테나이트 변태가 진행되므로, 서서히 가열한 경우에는 유지 시간이 짧아도 되고, 급속히 가열한 경우에는 길게 할 필요가 있다.

내부 및 중심 온도는 늦게 승온되므로, 가공품의 형상이 커질수록 전체가 균일 온도가 되는 데 시간이 걸린다. 표면 온도가 담금질 온도에 도달한 후 중심부 온도가 0.25% 이내로 표면 온도와 균일해지는 시간의 대략적인 공식으로, 가공품이 원형 봉 형상·저탄소강인 경우 다음 식이 있다.

: t = d²/200

여기서, t는 균일하게 하는 데 필요한 시간(h)이고, d는 직경(inch)이다. 고합금강의 경우 열전도율이 나빠지므로 균일하게 하는 데 필요한 시간은 위 식보다 길어진다.

재질의 영향으로는, 담금질 전의 조직의 결정립이 미세화될수록 균질한 오스테나이트화에 걸리는 시간이 짧아지고 유지 시간도 짧아도 된다. 또한, 조성의 영향도 크며, 고탄소 크롬 베어링강, 고속도강, 다이스강 등에서는 같은 조건에서 비교했을 때, 기계 구조용 탄소강 등보다 약 20분 정도 유지 시간을 길게 할 필요가 있다.

3. 3. 냉각



가공품의 가열·유지 후 냉각을 실시한다. 담금질에 필요한 냉각 속도는 대략 160℃/초 이상으로 여겨진다. 냉각 속도를 낮추면 마르텐사이트 변태 전에 펄라이트 변태, 베이나이트 변태, 페라이트 변태가 발생하기 시작하여 냉각 후 조직에 마르텐사이트 이외의 조직이 혼입되기 시작한다. 다른 조직이 발생하기 시작하는 한계의 냉각 속도를 '''상부 임계냉각속도''' 또는 간단히 '''임계냉각속도'''라고 부르며, 완전 담금질이 되는 한계 속도이기도 하다. 상부 임계냉각속도에서 냉각 속도를 더 낮추면 다른 변태가 많아지고 마르텐사이트 변태의 비율이 낮아져 결국 마르텐사이트 변태가 발생하지 않게 된다. 이 한계의 냉각 속도를 '''하부 임계냉각속도'''라고 부르며, 불완전 담금질이 되는 하한 속도가 된다. 더 냉각 속도를 늦추면(저공석강의 경우) 풀림에, 더 늦추면 완전 풀림에 해당하는 열처리 조작이 된다.

이러한 냉각 속도와 변태의 관계를 저공석강을 예로 들어 CCT선도(연속냉각변태곡선)에서 살펴보면, 상부 임계냉각속도에서 펄라이트 변태 개시선에 걸리기 시작한다. 상부 임계냉각속도와 하부 임계냉각속도 사이에서는 100% 펄라이트 변태하기 전에 펄라이트 변태 영역을 지나 나머지는 마르텐사이트 변태 영역에 들어간다. 하부 임계냉각속도에서 100% 펄라이트 변태선에 걸리기 시작하고, 이 이상이 되면 모두 펄라이트 변태가 된다.

또한, 강하 중 담금질 온도에서 약 550℃까지의 범위를 '''임계 영역'''이라고 부른다. 이것은 TTT선도(등온 변태 곡선)에서 보면, 오스테나이트에서 펄라이트 또는 베이나이트로의 변태 개시 곡선의 왼쪽으로 튀어나온 코와 같은 부분이 이 약 550℃에 해당한다. 이 코 부분을 지날 때 펄라이트 또는 베이나이트로의 변태가 일어나기 쉽다. 급냉시켜 코 부분을 피할 정도까지 강하시키면 변태 개시 곡선은 C자형이므로 베이나이트로의 변태 개시점은 장시간 쪽으로 이동하여 냉각 속도를 늦출 여유가 생긴다. 즉, 임계 영역을 지나는 온도까지 가능한 한 빨리 냉각하는 것이 완전 담금질을 하기 위해 중요하다.

일반적으로 이상적인 냉각 방법은 담금질 온도에서 임계 영역을 지난 후 후술하는 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점) 직전까지 가능한 한 빨리 균일하게 냉각하고, Ms점 이하의 위험 영역은 천천히 냉각하는 것으로 여겨진다. 담금질 온도에서 Ms점까지의 급냉은 위에서 설명한 것과 같이 마르텐사이트 변태 이외가 발생하는 불완전 담금질을 피하기 위한 것이고, Ms점에 도달한 후에는 급냉의 필요가 없어지며, 후술하는 균열이나 변형 등의 결함을 피하기 위해 냉각 속도를 천천히 한다.

3. 3. 1. 2단 냉각 및 등온 냉각

이상적인 냉각 방법을 실현하기 위해, 냉각제와 가공품의 온도가 평형에 이를 때까지 방치하지 않고, 강하 냉각 도중 Ms점 직전에 수냉과 같은 급냉에서 공냉과 같은 느린 냉각으로 전환하는 방법이 취해진다. 이러한 냉각을 '''2단 냉각'''이라고 부르며, 담금질을 '''2단 담금질''', 또는 '''인상 담금질''', '''중단 담금질''', '''계단 담금질''' 등으로 부른다. 또한, 2단 담금질을 물이나 기름과 같은 냉각제에 담근 순간부터 시간을 재서 꺼내는 방법으로 실현하는 것을 '''시간 담금질'''이라고 부른다. 시간 담금질의 경우, 수냉은 두께 3mm당 1초, 유냉은 같은 두께당 3초로 꺼내는 것이 좋다고 여겨진다. 시간에 의존하지 않는 경우의 기준으로는 가공품의 진동이나 물소리가 멈췄을 때 꺼내는 것이 좋다고 여겨진다. 그러나 냉각 시간을 잘못 맞추면, 지나치게 짧으면 담금질이 전혀 되지 않고, 짧으면 표면은 담금질이 되지만 중심부와의 온도 차이로 중간 부분이 변태 팽창하여 후술하는 균열이 발생하고, 너무 길면 위험 영역을 통과하여 마찬가지로 균열이 발생하는 등의 어려움이 있다.

2단 담금질에 대해, Ms점을 통과하여 상온까지 냉각하는 방법을 '''연속 냉각'''이라고 부르며, 담금질을 '''통상 담금질'''이라고 부른다. 또한, 냉각 도중 일정 시간 등온으로 유지한 후 다시 냉각하는 방법을 '''등온 냉각'''이라고 부르며, 담금질을 '''등온 담금질''', '''항온 담금질''' 등이라고 부르며, 후술하는 마르템퍼와 오스텐퍼 등에서 이용된다.

3. 3. 2. 가공품 형상의 영향

균열이나 변형을 피하기 위해서는 가공품 전체가 균일하게 냉각되는 것이 이상적이다. 그러기 위해서는 냉각 속도를 늦추는 것이 한 가지 방법이지만, 그 외에도 냉각을 불균일하게 만드는 요인으로는 가공품 형상과 크기의 영향이 크다.

일반적으로 표면이 가장 빨리 냉각되고, 내부로 갈수록 냉각이 느려진다. 따라서 표면은 100% 마르텐사이트가 얻어지는 냉각이라도, 중심부에서는 펄라이트만 얻어지는 냉각 속도까지 저하될 수 있다.[17] 이와 같이 내부로 갈수록 담금질이 잘 되지 않으므로 가공품의 크기가 커질수록 담금질이 되지 않는 영역이 커진다.[17] 또한, 내부의 냉각이 느려지는 것에 기인하여 내부뿐만 아니라 표면 쪽도 냉각 속도가 저하되어 담금질이 불충분해지는 경우도 있다.[17] 이러한 가공품의 크기(＝질량)가 커질수록 담금질이 되기 어려워지는 현상을 '''질량 효과'''라고 한다. 담금질성이 좋은 재료는 내부까지 담금질이 잘 되므로 질량 효과를 작게 할 수 있다.

크기 외에도 가공품의 형상(모양)에 따라 냉각 속도가 다르다. 같은 조건으로 냉각하더라도, 형상이 구형, 원형봉, 평판재의 차이에 의한 냉각 속도 비는 대략 다음과 같이 다르다.

:구형:원형봉:평판재 = 4:3:2

이것을 '''형상 효과'''라고 한다.

또한, 같은 가공품 내에서도 국소적인 형상의 차이에 따라 냉각 속도가 다르다. 특히, 볼록 부분이 냉각이 빠르고, 오목 부분이 냉각이 느리다. 이것을 '''구석 효과'''라고 한다. 각 냉각 속도 비는 대략 다음과 같다.

:3면각:2면각:평면:오목면각 = 7:3:1:1/3

3. 3. 3. 기타 영향

열은 다음 세 단계로 제거된다.

'''단계 A: 금속 표면에 증기 기포가 형성되고 냉각이 시작됨'''

이 단계에서 라이덴프로스트 효과로 인해 물체는 증기로 완전히 둘러싸여 나머지 액체로부터 단열된다.

'''단계 B: 증기 수송 냉각'''

온도가 충분히 낮아지면 증기층이 불안정해지고 액체가 물체에 완전히 접촉하여 열이 훨씬 빠르게 제거된다.

'''단계 C: 액체 냉각'''

이 단계는 물체의 온도가 액체의 비점보다 낮을 때 발생한다.

그 외에도 균일한 냉각을 실현하기 위해,

  • 냉각 중에는 냉각재를 적절히 교반한다.
  • 가공품의 박육부에 받침대를 대는 등의 방법으로 냉각한다.
  • 산화 스케일 등의 이물질이 표면에 부착되지 않도록 냉각한다.

등의 방법과 주의 사항이 있다. 냉각제에 대한 자세한 내용은 후술을 참조한다.

4. 냉각제

가열 유지 후 냉각을 위해서는 '''냉각제'''가 필요하다。담금질에 사용되는 냉각제로는 다음과 같은 것들이 있다。



관례적으로 사용하는 냉각제의 이름을 붙여 ○○담금질이라고 부른다. 예를 들어 물에서 냉각하는 담금질은 '''물담금질''', 기름에서 냉각하는 담금질은 '''기름담금질'''이라고 부른다。또한, 냉각액에 담가서 담금질하는 방법을 '''전담금질''', 냉각액을 분사하여 담금질하는 방법을 '''분무담금질''', '''분사담금질''', 안개 상태의 냉각액에서 담금질하는 것을 '''분무담금질'''이라고 부른다。

냉각제의 종류 외에도, 유체의 경우 교반 정도가 냉각 강도에 큰 영향을 미친다。이는, 가공품을 물이나 기름의 냉각액에 담그면, 가공품 표면에 즉시 증기막이 발생하여 덮이고, 냉각이 느려지기 때문이다。일반적으로, 실제로 냉각제를 사용하는 데 필요한 관리 항목으로는 온도, 교반, 이물질 혼입 방지, 냉각제의 품질 및 수명이 있다。

냉각제의 냉각 강도를 나타내는 지표를 '''냉각능'''이라고 하며, 다음 식으로 나타내는 H값이 사용된다。

: H = \frac{\alpha}{2 \lambda}

여기서, ''α''는 가공품에서 냉각제로의 열전달률, ''λ''는 열전도율이다. ''H''는 (m−1)의 단위를 갖는다.

각종 냉각재의 냉각능 ''H''(cm−1)의 예
교반공기기름물식염수염욕 (204℃)
정지0.0080.098 - 0.1180.354 - 0.3940.790.197 - 0.315
약간 교반-0.118 - 0.1380.394 - 0.4330.79 - 0.87-
완만하게 교반-0.138 - 0.1570.472 - 0.512--
중간 정도 교반-0.157 - 0.1970.551 - 0.591--
강하게 교반0.0200.197 - 0.3150.630 - 0.787--
매우 강하게 교반-0.315 - 0.4331.581.97-
조미니 시험--2.17--



== 물 ==

물을 이용한 냉각은 냉각제 중에서 냉각 속도가 크고, 비용이 저렴하며 어디서든 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, Ms점을 넘는 위험 온도 영역에서도 급냉각시키므로, 균열이나 변형의 불량 가능성이 높다.

물 온도가 30℃를 넘으면 냉각능력이 크게 저하되므로, 30℃ 이하로 유지하여 사용하는 것이 권장된다. 너무 차가워도 냉각 효과가 나빠지므로, 담금질을 시작할 때의 물 온도는 15℃ 정도가 적당하다고 여겨진다. 약 60℃ 정도에서는 기름과 거의 같은 냉각 속도가 되므로, 유냉법(油焼入れ)의 대용으로 사용되는 경우도 있다.

== 기름 ==

기름을 이용한 냉각은 균일하게 냉각할 수 있으며, 위험 구역에서도 냉각 속도가 느려 균열이나 변형의 위험이 적다. 반면 냉각 속도가 물의 약 1/3 정도로 느리고, 임계 구역에서의 냉각이 느리며, 화재 및 환경 오염에 주의해야 한다. 담금질에 사용하도록 조정된 기름은 담금질유라고 하며, 광유가 널리 사용된다.

기름은 온도를 높이면 점도가 낮아져 냉각 속도가 빨라진다. 따라서 기름의 냉각능은 60~80℃에서 가장 크다. 가공품에 따라 냉각유 자체의 온도 상승도 고려하여, 담금질을 시작할 때의 기름 온도는 50~70℃ 정도가 적당하다고 여겨진다. 더욱 온도를 높여 마르텐퍼 등에도 사용된다.

== 수용액 ==

수용성 물질을 물에 녹여 냉각제로 사용하는 것을 말한다. 수산화나트륨, 탄산나트륨, 염화나트륨 등은 증기막 발생 시간을 단축시킬 수 있으므로 물의 냉각 능력을 높일 수 있다.

최근에는 폴리머를 이용한 폴리머 담금질액이 실용화되고 있다. 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산나트륨, 폴리알킬렌글리콜 등을 이용한 것이 있다.[18] 액체 농도에 따라 냉각 능력이 달라지며, 고농도일 경우 기름에 가깝고, 저농도일 경우 물에 가까워진다. 기름처럼 위험 구역에서의 냉각 속도를 늦출 수 있고, 물처럼 화재의 위험이 없다는 장점이 있다.

== 염욕 ==

'''염욕''' 또는 '''솔트 배스'''는 염류를 용기에 채우고 가열하여 액체로 만든 것이다. 열처리 염욕제를 통틀어 솔트라고 한다. 150~500℃로 가열하여 사용한다.[19] 마르텐퍼, 오스텐퍼에 사용된다. 150℃ 정도의 염욕은 50℃ 정도의 유(油)와 동등한 냉각능을 가진다.

염류로는 염화칼륨, 식염, 질산나트륨, 아질산나트륨 등이 사용된다. 균일한 냉각이 가능하고, 굽는 자국이나 굽어서 갈라지는 현상이 적다는 등의 장점이 있는 반면, 염욕의 비용이 든다는 등의 단점도 있다.[20]

== 가압가스 ==

수소, 질소, 헬륨 등의 기체를 가압하여 분사하는 방식으로 담금질 시 냉각제로 사용한다.[21] 진공 열처리로와 병용하면 표면 산화 없이 광택 담금질이 가능하다.

일반적으로 0.1~0.6 MPa 정도의 가압 기체는 담금질성이 좋은 고합금강에 사용되며, 0.5~4 MPa까지 가압하여 저합금강에 적용하는 경우도 있다. 대한민국에서는 1 MPa 이상일 경우 고압가스 안전관리법에 의해 규제되어 채택이 어렵기 때문에, 기체를 고속 순환시켜 냉각 속도를 높이는 방법 등이 개발되고 있다.[21] 기체 담금질은 설비 비용이 많이 드는 단점이 있다.

== 공기 ==

일반적으로 공랭은 풀림에 사용된다. 냉각 속도가 느리기 때문에 보통은 담금질에는 사용하지 않지만, 내냉간가공성이 큰 저탄소공구강은 변형을 막기 위해 공랭으로 담금질하는 경우도 있다.

4. 1. 물

물을 이용한 냉각은 냉각제 중에서 냉각 속도가 크고, 비용이 저렴하며 어디서든 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, Ms점을 넘는 위험 온도 영역에서도 급냉각시키므로, 균열이나 변형의 불량 가능성이 높다.

물 온도가 30℃를 넘으면 냉각능력이 크게 저하되므로, 30℃ 이하로 유지하여 사용하는 것이 권장된다. 너무 차가워도 냉각 효과가 나빠지므로, 담금질을 시작할 때의 물 온도는 15℃ 정도가 적당하다고 여겨진다. 약 60℃ 정도에서는 기름과 거의 같은 냉각 속도가 되므로, 유냉법(油焼入れ)의 대용으로 사용되는 경우도 있다.

4. 2. 기름

기름을 이용한 냉각은 균일하게 냉각할 수 있으며, 위험 구역에서도 냉각 속도가 느려 균열이나 변형의 위험이 적다. 반면 냉각 속도가 물의 약 1/3 정도로 느리고, 임계 구역에서의 냉각이 느리며, 화재 및 환경 오염에 주의해야 한다. 담금질에 사용하도록 조정된 기름은 담금질유라고 하며, 광유가 널리 사용된다.

기름은 온도를 높이면 점도가 낮아져 냉각 속도가 빨라진다. 따라서 기름의 냉각능은 60~80℃에서 가장 크다. 가공품에 따라 냉각유 자체의 온도 상승도 고려하여, 담금질을 시작할 때의 기름 온도는 50~70℃ 정도가 적당하다고 여겨진다. 더욱 온도를 높여 마르텐퍼 등에도 사용된다.

4. 3. 수용액

수용성 물질을 물에 녹여 냉각제로 사용하는 것을 말한다. 수산화나트륨, 탄산나트륨, 염화나트륨 등은 증기막 발생 시간을 단축시킬 수 있으므로 물의 냉각 능력을 높일 수 있다.

최근에는 폴리머를 이용한 폴리머 담금질액이 실용화되고 있다. 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글리콜, 폴리아크릴산나트륨, 폴리알킬렌글리콜 등을 이용한 것이 있다.[18] 액체 농도에 따라 냉각 능력이 달라지며, 고농도일 경우 기름에 가깝고, 저농도일 경우 물에 가까워진다. 기름처럼 위험 구역에서의 냉각 속도를 늦출 수 있고, 물처럼 화재의 위험이 없다는 장점이 있다.

4. 4. 염욕

'''염욕''' 또는 '''솔트 배스'''는 염류를 용기에 채우고 가열하여 액체로 만든 것이다. 열처리 염욕제를 통틀어 솔트라고 한다. 150~500℃로 가열하여 사용한다.[19] 마르텐퍼, 오스텐퍼에 사용된다. 150℃ 정도의 염욕은 50℃ 정도의 유(油)와 동등한 냉각능을 가진다.

염류로는 염화칼륨, 식염, 질산나트륨, 아질산나트륨 등이 사용된다. 균일한 냉각이 가능하고, 굽는 자국이나 굽어서 갈라지는 현상이 적다는 등의 장점이 있는 반면, 염욕의 비용이 든다는 등의 단점도 있다.[20]

4. 5. 가압가스

수소, 질소, 헬륨 등의 기체를 가압하여 분사하는 방식으로 담금질 시 냉각제로 사용한다.[21] 진공 열처리로와 병용하면 표면 산화 없이 광택 담금질이 가능하다.

일반적으로 0.1~0.6 MPa 정도의 가압 기체는 담금질성이 좋은 고합금강에 사용되며, 0.5~4 MPa까지 가압하여 저합금강에 적용하는 경우도 있다. 대한민국에서는 1 MPa 이상일 경우 고압가스 안전관리법에 의해 규제되어 채택이 어렵기 때문에, 기체를 고속 순환시켜 냉각 속도를 높이는 방법 등이 개발되고 있다.[21] 기체 담금질은 설비 비용이 많이 드는 단점이 있다.

4. 6. 공기

일반적으로 공랭은 풀림에 사용된다. 냉각 속도가 느리기 때문에 보통은 담금질에는 사용하지 않지만, 내냉간가공성이 큰 저탄소공구강은 변형을 막기 위해 공랭으로 담금질하는 경우도 있다.

5. 담금질 종류

'''마르퀜칭'''(marquench)은 TTT 선도를 이용한 등온 담금질의 한 종류이다. 담금질 온도에서 급랭 중 Ms점 바로 위인 200~300℃에서 멈춘 후, 가공품 전체의 온도가 균일해질 때까지 일정 시간 온도를 유지한다. 그 후 공냉과 같이 느린 냉각으로 전환하여 담금질을 완료한다. Ms점 이하의 위험 구역을 천천히 균일하게 냉각시켜 균열과 변형을 방지하는 것이 목적이다. 마르퀜칭 후에는 일반적인 담금질과 마찬가지로 템퍼링이 필요하다.

TTT 선도에 겹쳐 그린 등온 담금질
(1)：마르 quench
(2)：마르템퍼
(3)：오스텐템퍼
Ps：펄라이트 변태 개시선
Pf：펄라이트 변태 종료선
Bs：베이나이트 변태 개시선
Bf：베이나이트 변태 종료선
Ms：마르텐사이트 변태 개시선
Mf：마르텐사이트 변태 종료선


담금질 온도에서의 초기 냉각제로는, 멈추고자 하는 온도로 가열된 염욕 또는 유욕을 사용한다. 이러한 욕조를 '''열욕'''이라고 부른다. 중간 냉각 정지 시간이 너무 길면 등온 변태가 시작되어 마르텐사이트를 얻을 수 없게 되는 점에 유의해야 한다.

마르템퍼와 특별히 구분하지 않는 경우가 많다.

'''마르템퍼'''(martemper)는 등온 담금질의 한 종류로, 담금질 온도에서 급냉하는 도중 Ms점·Mf점 사이의 100~200℃ 온도에서 멈추고, 등온 변태가 완료될 때까지 온도를 유지한 후, 다시 공랭 등 느린 냉각으로 전환하여 담금질을 완료하는 방법이다. 얻어지는 조직은 템퍼링 마르텐사이트로, 단단하고 인성이 있다. 마르텐사이트에 비해 변형, 균열의 위험이 작아진다.

한편, 등온 변태가 완료될 때까지 시간이 너무 오래 걸리는 단점이 있다. 시간(h) 단위로 걸리는 경우도 있다. 따라서 등온 변태가 완료되기 전에 재냉각을 시작하는 방법도 있다. 마르텐사이트와 마찬가지로 열욕을 이용하여 수행되지만, 정지 온도가 낮기 때문에 유욕을 사용하기 쉽다.

마르텐사이트와 특별히 구분하지 않는 경우가 많다. 또는, 위에서 설명한 등온 변태가 완료되기 전에 재냉각을 시작하는 방법을 마르템퍼라고 부르는 경우도 있다.

'''오스템퍼'''(austemper)는 등온 담금질의 일종으로, 담금질 온도에서 급냉하는 도중에 300~500℃의 온도에서 멈추고, 등온 변태가 완료되면 다시 공냉 등의 느린 냉각으로 전환하여 담금질을 완료하는 방법이다. 담금질 후 얻어지는 조직은 베이나이트이므로 '''베이나이트 담금질'''이라고도 한다.

베이나이트는 경도와 인성이 높은 조직으로, 오스템퍼 후에는 반드시 템퍼링(풀림)이 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한 고온 영역에서 변태가 점진적으로 진행되므로, 마르템퍼, 마르텐퍼보다 변형, 균열의 위험이 작아진다. 같은 베이나이트라도 고온에서 등온 변태시키면 인성이 높은 상부 베이나이트가 되고, 저온에서 등온 변태시키면 경도가 높은 하부 베이나이트가 된다. 경계 온도는 약 350℃이다. 경도 조정을 위해 오스텐퍼 후에도 템퍼링(풀림)을 하는 경우도 있다.

가공품이 대형품이면 내부에서 펄라이트 변태가 발생하는 경우가 있으며, 가공품의 크기에 제한이 있다. 1차 냉각에 사용하는 열욕으로는, 염욕 외에 금속욕을 사용하는 경우도 있다.

'''오스포밍'''(ausforming)은 소성가공과 열처리를 결합한 '''열기계적 처리'''(thermo-mechanical treatment: TMT)의 한 종류이다. 소둔 온도에서 급냉하는 도중에 강의 재결정 온도 이하, Ms점 이상의 온도에서 멈추고, 준안정 오스테나이트 영역에서 압연, 단조, 압출 등의 소성가공을 가한 후 재냉각하여 담금질을 완료하는 방법이다. 일반적으로 오스포밍 후에는 템퍼링(焼戻し)도 필요하다. 오스포밍 후의 기계적 성질은 강도 향상이 크고, 인성은 거의 저하되지 않는다는 장점을 가진다.

'''표면경화'''는 표면만을 경화시키고 내부는 부드러운 상태로 유지하는 경화 방법이다. 사용하는 열원에 따라 고주파 경화, 화염 경화, 레이저 경화, 전자빔 경화 등이 있다. 강 표면의 화학 성분을 변화시키는 침탄 경화, 침탄 질화 경화 등과는 구별된다.

가공품 전체가 아닌 표면의 경화를 목표로 하는 열처리를 '''표면 경화 처리'''(surface hardening treatment)라고 한다. 표면 경화 처리에는 강 표면의 화학 성분을 변화시키는 '''화학적 표면 경화법'''과 화학 성분을 특별히 변화시키지 않고 수행하는 '''물리적 표면 경화법'''이 있다. 침탄 경화, 침탄 질화 경화가 화학적 표면 경화법에 해당하고, 표면 경화는 물리적 표면 경화법에 해당한다.

5. 1. 마르퀜칭 (Marquenching)

'''마르퀜칭'''(marquench)은 TTT 선도를 이용한 등온 담금질의 한 종류이다. 담금질 온도에서 급랭 중 Ms점 바로 위인 200~300℃에서 멈춘 후, 가공품 전체의 온도가 균일해질 때까지 일정 시간 온도를 유지한다. 그 후 공냉과 같이 느린 냉각으로 전환하여 담금질을 완료한다. Ms점 이하의 위험 구역을 천천히 균일하게 냉각시켜 균열과 변형을 방지하는 것이 목적이다. 마르퀜칭 후에는 일반적인 담금질과 마찬가지로 템퍼링이 필요하다.

담금질 온도에서의 초기 냉각제로는, 멈추고자 하는 온도로 가열된 염욕 또는 유욕을 사용한다. 이러한 욕조를 '''열욕'''이라고 부른다. 중간 냉각 정지 시간이 너무 길면 등온 변태가 시작되어 마르텐사이트를 얻을 수 없게 되는 점에 유의해야 한다.

마르템퍼와 특별히 구분하지 않는 경우가 많다.

5. 2. 마르템퍼 (Martempering)

'''마르템퍼'''(martemper)는 등온 담금질의 한 종류로, 담금질 온도에서 급냉하는 도중 Ms점·Mf점 사이의 100~200℃ 온도에서 멈추고, 등온 변태가 완료될 때까지 온도를 유지한 후, 다시 공랭 등 느린 냉각으로 전환하여 담금질을 완료하는 방법이다. 얻어지는 조직은 템퍼링 마르텐사이트로, 단단하고 인성이 있다. 마르텐사이트에 비해 변형, 균열의 위험이 작아진다.

한편, 등온 변태가 완료될 때까지 시간이 너무 오래 걸리는 단점이 있다. 시간(h) 단위로 걸리는 경우도 있다. 따라서 등온 변태가 완료되기 전에 재냉각을 시작하는 방법도 있다. 마르텐사이트와 마찬가지로 열욕을 이용하여 수행되지만, 정지 온도가 낮기 때문에 유욕을 사용하기 쉽다.

마르텐사이트와 특별히 구분하지 않는 경우가 많다. 또는, 위에서 설명한 등온 변태가 완료되기 전에 재냉각을 시작하는 방법을 마르템퍼라고 부르는 경우도 있다.

5. 3. 오스템퍼 (Austempering)

'''오스템퍼'''(austemper)는 등온 담금질의 일종으로, 담금질 온도에서 급냉하는 도중에 300~500℃의 온도에서 멈추고, 등온 변태가 완료되면 다시 공냉 등의 느린 냉각으로 전환하여 담금질을 완료하는 방법이다. 담금질 후 얻어지는 조직은 베이나이트이므로 '''베이나이트 담금질'''이라고도 한다.

베이나이트는 경도와 인성이 높은 조직으로, 오스템퍼 후에는 반드시 템퍼링(풀림)이 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한 고온 영역에서 변태가 점진적으로 진행되므로, 마르템퍼, 마르텐퍼보다 변형, 균열의 위험이 작아진다. 같은 베이나이트라도 고온에서 등온 변태시키면 인성이 높은 상부 베이나이트가 되고, 저온에서 등온 변태시키면 경도가 높은 하부 베이나이트가 된다. 경계 온도는 약 350℃이다. 경도 조정을 위해 오스텐퍼 후에도 템퍼링(풀림)을 하는 경우도 있다.

가공품이 대형품이면 내부에서 펄라이트 변태가 발생하는 경우가 있으며, 가공품의 크기에 제한이 있다. 1차 냉각에 사용하는 열욕으로는, 염욕 외에 금속욕을 사용하는 경우도 있다.

5. 4. 오스포밍 (Ausforming)

'''오스포밍'''(ausforming)은 소성가공과 열처리를 결합한 '''열기계적 처리'''(thermo-mechanical treatment: TMT)의 한 종류이다. 소둔 온도에서 급냉하는 도중에 강의 재결정 온도 이하, Ms점 이상의 온도에서 멈추고, 준안정 오스테나이트 영역에서 압연, 단조, 압출 등의 소성가공을 가한 후 재냉각하여 담금질을 완료하는 방법이다. 일반적으로 오스포밍 후에는 템퍼링(焼戻し)도 필요하다. 오스포밍 후의 기계적 성질은 강도 향상이 크고, 인성은 거의 저하되지 않는다는 장점을 가진다.

5. 5. 표면 담금질 (Surface Hardening)

'''표면경화'''는 표면만을 경화시키고 내부는 부드러운 상태로 유지하는 경화 방법이다. 사용하는 열원에 따라 고주파 경화, 화염 경화, 레이저 경화, 전자빔 경화 등이 있다. 강 표면의 화학 성분을 변화시키는 침탄 경화, 침탄 질화 경화 등과는 구별된다.

가공품 전체가 아닌 표면의 경화를 목표로 하는 열처리를 '''표면 경화 처리'''(surface hardening treatment)라고 한다. 표면 경화 처리에는 강 표면의 화학 성분을 변화시키는 '''화학적 표면 경화법'''과 화학 성분을 특별히 변화시키지 않고 수행하는 '''물리적 표면 경화법'''이 있다. 침탄 경화, 침탄 질화 경화가 화학적 표면 경화법에 해당하고, 표면 경화는 물리적 표면 경화법에 해당한다.

6. 담금질 후 재질

6. 1. 담금질 경도

담금질 후 최고 경도는 거의 탄소 함유량에 의해 결정되며, 다른 합금 원소의 영향은 적다. 어림식으로, 마르텐사이트 함유율에 따른 경도 계산식은 다음과 같다.

  • 90% 마르텐사이트 담금질 경도

: HRC = 30 + 50C

  • 50% 마르텐사이트 담금질 경도

: HRC = 20 + 50C

  • 미세 펄라이트 담금질 경도 (0% 마르텐사이트)

: HRC = 10 + 50C

여기서, ''HRC''는 록웰 경도, ''C''는 탄소 질량 퍼센트 농도(%)이다. 단, 탄소량이 어느 정도 이상이 되면 경도의 상승은 포화되어 변하지 않게 되고, 상기 어림식은 성립하지 않는다. 탄소량이 약 0.6%를 초과하면 담금질 경도가 거의 일정하게 된다.

최고 경도는 탄소 함유량에 따라 결정되지만, 가공품 내부의 어느 정도 깊이까지 경화되는가는 가공품 재료의 담금질성에 크게 영향을 받으며, 탄소 이외의 몰리브덴 등의 합금 원소의 영향도 있다.

6. 2. 기계적 성질

담금질에 의해 인장강도, 항복비(항복점/인장강도의 비)가 향상된다. 그러나 단단하지만 매우 취성이 높은 성질이 되며, 담금질 잔류응력에 의해 강도에 악영향을 미치는 잔류응력도 발생한다. 이 잔류응력은 내마모성에도 악영향을 미쳐 담금질만 한 것은 경도에 비해 마모에 약해진다.

저탄소 구조용강의 열처리 종류에 따른 기계적 성질 변화는 다음과 같다.

저탄소 구조용강의 기계적 성질 변화
열처리인장강도(MPa)신율(%)샤르피 충격치(J/cm2)
압연 상태53539.0254
850℃ 풀림53340.0303
900℃ 수중 담금질125215.189
900℃ 수중 담금질・300℃ 템퍼링124013.584
900℃ 수중 담금질・500℃ 템퍼링81321.3215
900℃ 수중 담금질・600℃ 템퍼링70025.0272


6. 3. 기타 성질

담금질에 의해 전기 저항은 증가하고, 열전도율은 저하하는 경향이 있다.화학적 성질로는, 마르텐사이트는 뜨임 후 조직의 트루스타이트와 비교하면 부식되기 어려운 성질을 가진다.

7. 담금질 결함

담금질 완료 후, 가공품에 균열이나 변형, 경도 부족 등의 불량이 발생하는 경우가 있다. 균열, 변형의 원인이 되는 담금질 응력과 함께 아래에 설명한다.

'''담금질 응력'''은 담금질에 의해 내부에 발생하는 응력의 총칭으로, 잔류응력의 일종이다. 불균일한 냉각에 기인하는 '''열응력'''과, 변태의 체적 변화에 기인하는 '''변태응력'''으로 나눌 수 있다. 담금질 균열 등의 원인이 되며, 인장의 잔류응력이 남는 경우 강도에도 악영향을 미친다.

물체는 그 온도에 따라 열팽창·열수축이 발생한다. 이 열팽창·열수축이 구속될 경우 물체 내부에 발생하는 응력을 '''열응력'''이라고 한다. 담금질 후에는 내부에 인장의 열응력, 표면 쪽에 압축의 열응력이 발생한다. 이것은 표면에서 냉각이 선행하는 데 기인한다.

마르텐사이트 변태에 의해 체적 변화가 발생하며, 이 마르텐사이트 변태가 가공품의 위치에 따라 시간차를 두고 발생하는 데 기인하는 응력을 '''변태응력'''이라고 한다. 경향으로는 담금질 후에는 내부에 압축의 변태응력, 표면 쪽에 인장의 변태응력이 발생한다. 이것도 표면에서 냉각이 선행하는 데 기인한다.

실제 현상에서는 이러한 열응력과 변태응력이 복잡하게 얽히어 담금질 응력이 커지거나 작아진다. 담금질 응력에 영향을 미치는 요인으로는 냉각 방법, 가공품 탄소량, 가열 온도, 가공품의 크기, 탈탄, 편석 등이 있다.

마르텐사이트 변태나 냉각의 불균일 등을 원인으로 하여, 담금질에 의해 균열이 발생한다. 담금질에 의해 발생하는 균열을 분류하면, 담금질균열, 변형균열, 연삭균열의 종류가 있다. 가공품에 균열이 발생하면 재생이 불가능하고 거의 대부분 사용 불가능하게 되므로, 치명적인 담금질 결함 중 하나이다.
열균열(焼割れ)은 담금질 과정에서 발생하는 균열로, 담금질 잔류응력을 주요 원인으로 한다. 담금질 잔류응력이 가공품의 인장강도를 초과하면 균열이 발생한다.

열균열 발생을 방지하기 위해서는,


  • 냉각을 전체적으로 균일하게 하도록 가공품의 형상을 고안한다. 구멍이 있는 가공품은 두께가 균일하도록 구멍 위치를 결정하고, 형상의 모서리 부분은 부드럽게 하는 등이다.
  • Ms점부터는 천천히 전체적으로 균일하게 냉각한다. 그러한 방법으로 상기의 2단 담금질이나 등온 담금질이 효과적이다.
  • 응력 집중부가 되는 표면 거칠기나 상처 등의 표면 결함이 없도록 한다.
  • 가공품의 재질과 냉각제의 조합을 최적화한다. 담금성이 높은 재료를 채택하여 천천히 냉각해도 담금질이 되도록 한다.
  • 단조품 등은 충분한 풀림을 사전에 실시한다.
  • 담금질 온도를 너무 높이지 않는다.


등의 대책이 있다.

열처리 완료된 가공품을 상온에 방치하는 동안 발생하는 균열을 '''놓임균열''', 또는 '''자연균열''', '''시효균열''' 등으로 부른다. 특히, 열처리 후 템퍼링(焼戻し)하지 않고 가공품을 방치하면 발생하기 쉽다. 열처리 후 조직에는 마르텐사이트 외에도 잔류 오스테나이트가 발생한다. 잔류 오스테나이트는 상온에서도 시간이 경과함에 따라 마르텐사이트로 변화하므로, 그때의 변태 응력 발생으로 가공품의 잔류 응력 균형이 무너져 균열로 이어진다. 이것이 놓임균열의 원인이다.

대책으로, 열처리 후 바로 템퍼링을 실시하여 재질을 안정화시키는 것이 바람직하다. 필요에 따라 서브제로 처리를 병행한다.

열처리(담금질)가 완료된 가공품을 연삭 가공할 때 발생하는 균열을 '''연삭균열''' 또는 '''연마균열'''이라고 한다. 연삭 시 가열이 연삭균열의 원인이며, 가공품 표면이 약 100℃까지 승온하여 발생하는 '''제1종 연삭균열'''과 약 300℃까지 승온하여 발생하는 '''제2종 연삭균열'''이 있다. 제1종 연삭균열은 연삭 방향에 수직으로 균열이 발생하고, 제2종 연삭균열은 연삭 방향에 수직 및 평행으로 균열이 발생하는 특징이 있다. 이는 재가열 시 100℃ 부근에서 ε탄화물이 석출되고, 300℃ 부근에서 시멘타이트가 석출되는 것이 원인이며, 조직 변화에 따라 체적 변화가 발생하여, 놓임균열과 마찬가지로 가공품의 잔류응력 균형이 무너져 균열로 이어진다. 연삭 중이 아닌, 연삭 종료 후에 발생하는 경향이 있다.

제1종 연삭균열에는 100~120℃의 템퍼링(되풀이 담금질)이, 제2종 연삭균열에는 300℃의 템퍼링이 효과적이다. 템퍼링을 하지 않는 경우에는, 가능한 한 잔류 오스테나이트를 적게 하고, 연삭에 의한 승온을 작게 한다.

마르텐사이트 변태나 냉각 불균일 등을 원인으로 담금질 완료 후 가공품의 치수 및 형상 변화가 발생한다. 이러한 변화를 담금질 변형, 담금질 휨, 담금질 굽힘 등으로 부른다. 형상을 닮은꼴로 유지한 채 치수가 변화하는 것을 변치수, 굽힘 변형이나 비틀림 변형과 같은 형상의 변화를 변형이라고 구분한다. 특히, 가공품이 변형되어 휘어지는 것을 담금질 휨이라고 부른다.

변형의 원인은 담금질에 의한 조직 변화에 있으며, 마르텐사이트 변태에 의한 팽창과 잔류 오스테나이트 변태에 의한 수축의 합산 결과이다. 변형은 마르텐사이트의 생성량에 영향을 받지만, 담금질이 마르텐사이트 변태를 이용하는 방법인 이상 변형을 피할 수 없다. 탄소량이 많을수록 팽창량이 커진다. 탄소강의 담금질 및 템퍼링에 의한 각 조직 변화에 따라 발생하는 체적 변화율은 다음과 같다.

탄소강의 담금질 및 템퍼링에 의한 체적 변화의 예
조직 변화체적 변화율(%)
페라이트 + 시멘타이트 → 마르텐사이트1.69 x C(%)
페라이트 + 시멘타이트 → 오스테나이트-4.64 + 2.21 x C(%)
오스테나이트 → 마르텐사이트4.75 - 0.53 x C(%)
오스테나이트 → 베이나이트4.75 - 1.47 x C(%)



굽힘 등의 변형을 일으키는 주요 원인은 담금질 응력이다. 잔류 오스테나이트를 원인으로 한 경년 변화에 의한 변형은 시효 변형, 자연 변형 등으로 불린다.

변형 방지 대책은 균열, 자연 균열의 경우와 거의 같지만, 그 외에도 다음과 같은 방법이 있다.


  • 기계 가공 등에서 소성 변형으로 잔류 변형이 생긴 경우, 담금질 변형이 더해져 변형이 커지므로, 담금질 전에 응력 제거 풀림을 실시한다.
  • 가열로 내에서 가공품이 자중에 의해 변형되지 않도록 가공품 지지 방법을 고안한다.
  • 조직의 결정립이 크면 변형도 커지는 경향이 있으므로, 결정립이 조대화되어 있는 단조품 등은 담금질 전에 결정립을 미세화하는 소둔을 실시하여 담금질 후의 변형을 줄일 수 있다.


변형 발생 시 프레스 등으로 하중을 가하는 등의 방법으로 변형을 교정할 수 있으며, 이를 변형 제거라고 한다. 굽힘 교정은 굽힘 교정, 굽힘 재교정 등으로 불린다. 상온에서 프레스로 교정할 수 있지만, 사용 중 온도 상승에 따라 다시 굽힘이 발생하거나 잔류 응력이 발생하여 자연 변형의 원인이 되므로, 온간 교정이 바람직하다. 또는, 담금질이 되지 않을 정도로 국부 가열을 실시하고 변형과 반대 방향으로 열 변형을 주어 교정하는 방법도 있다.

열처리 후 가공품에서 부분적으로 연하고 경도가 불균일한 경우가 있는데, 이를 굽힘 불균일 또는 연점이라고 한다. 부분적으로 충분히 열처리가 되지 않은 것이 원인이며, 가열 불균일, 냉각 불균일, 스케일 부착, 탈탄층의 존재 등이 부분적인 불완전 열처리의 원인이다.

전체적으로 소정의 경도를 얻을 수 없는 것을 경도 부족이라고 한다. 원인은 굽힘 불균일과 거의 같으며, 애초의 재질의 열처리성이 냉각 방법에 대해 충분하지 않아 열처리가 되지 않는 경우도 원인이 될 수 있다.

7. 1. 담금질 응력

'''담금질 응력'''은 담금질에 의해 내부에 발생하는 응력의 총칭으로, 잔류응력의 일종이다. 불균일한 냉각에 기인하는 '''열응력'''과, 변태의 체적 변화에 기인하는 '''변태응력'''으로 나눌 수 있다. 담금질 균열 등의 원인이 되며, 인장의 잔류응력이 남는 경우 강도에도 악영향을 미친다.

물체는 그 온도에 따라 열팽창·열수축이 발생한다. 이 열팽창·열수축이 구속될 경우 물체 내부에 발생하는 응력을 '''열응력'''이라고 한다. 담금질 후에는 내부에 인장의 열응력, 표면 쪽에 압축의 열응력이 발생한다. 이것은 표면에서 냉각이 선행하는 데 기인한다.

마르텐사이트 변태에 의해 체적 변화가 발생하며, 이 마르텐사이트 변태가 가공품의 위치에 따라 시간차를 두고 발생하는 데 기인하는 응력을 '''변태응력'''이라고 한다. 경향으로는 담금질 후에는 내부에 압축의 변태응력, 표면 쪽에 인장의 변태응력이 발생한다. 이것도 표면에서 냉각이 선행하는 데 기인한다.

실제 현상에서는 이러한 열응력과 변태응력이 복잡하게 얽히어 담금질 응력이 커지거나 작아진다. 담금질 응력에 영향을 미치는 요인으로는 냉각 방법, 가공품 탄소량, 가열 온도, 가공품의 크기, 탈탄, 편석 등이 있다.

7. 2. 균열

마르텐사이트 변태나 냉각의 불균일 등을 원인으로 하여, 담금질에 의해 균열이 발생한다. 담금질에 의해 발생하는 균열을 분류하면, 담금질균열, 변형균열, 연삭균열의 종류가 있다. 가공품에 균열이 발생하면 재생이 불가능하고 거의 대부분 사용 불가능하게 되므로, 치명적인 담금질 결함 중 하나이다.
열균열(焼割れ)은 담금질 과정에서 발생하는 균열로, 담금질 잔류응력을 주요 원인으로 한다. 담금질 잔류응력이 가공품의 인장강도를 초과하면 균열이 발생한다.

열균열 발생을 방지하기 위해서는,

  • 냉각을 전체적으로 균일하게 하도록 가공품의 형상을 고안한다. 구멍이 있는 가공품은 두께가 균일하도록 구멍 위치를 결정하고, 형상의 모서리 부분은 부드럽게 하는 등이다.
  • Ms점부터는 천천히 전체적으로 균일하게 냉각한다. 그러한 방법으로 상기의 2단 담금질이나 등온 담금질이 효과적이다.
  • 응력 집중부가 되는 표면 거칠기나 상처 등의 표면 결함이 없도록 한다.
  • 가공품의 재질과 냉각제의 조합을 최적화한다. 담금성이 높은 재료를 채택하여 천천히 냉각해도 담금질이 되도록 한다.
  • 단조품 등은 충분한 풀림을 사전에 실시한다.
  • 담금질 온도를 너무 높이지 않는다.


등의 대책이 있다.

열처리 완료된 가공품을 상온에 방치하는 동안 발생하는 균열을 '''놓임균열''', 또는 '''자연균열''', '''시효균열''' 등으로 부른다. 특히, 열처리 후 템퍼링(焼戻し)하지 않고 가공품을 방치하면 발생하기 쉽다. 열처리 후 조직에는 마르텐사이트 외에도 잔류 오스테나이트가 발생한다. 잔류 오스테나이트는 상온에서도 시간이 경과함에 따라 마르텐사이트로 변화하므로, 그때의 변태 응력 발생으로 가공품의 잔류 응력 균형이 무너져 균열로 이어진다. 이것이 놓임균열의 원인이다.

대책으로, 열처리 후 바로 템퍼링을 실시하여 재질을 안정화시키는 것이 바람직하다. 필요에 따라 서브제로 처리를 병행한다.

열처리(담금질)가 완료된 가공품을 연삭 가공할 때 발생하는 균열을 '''연삭균열''' 또는 '''연마균열'''이라고 한다. 연삭 시 가열이 연삭균열의 원인이며, 가공품 표면이 약 100℃까지 승온하여 발생하는 '''제1종 연삭균열'''과 약 300℃까지 승온하여 발생하는 '''제2종 연삭균열'''이 있다. 제1종 연삭균열은 연삭 방향에 수직으로 균열이 발생하고, 제2종 연삭균열은 연삭 방향에 수직 및 평행으로 균열이 발생하는 특징이 있다. 이는 재가열 시 100℃ 부근에서 ε탄화물이 석출되고, 300℃ 부근에서 시멘타이트가 석출되는 것이 원인이며, 조직 변화에 따라 체적 변화가 발생하여, 놓임균열과 마찬가지로 가공품의 잔류응력 균형이 무너져 균열로 이어진다. 연삭 중이 아닌, 연삭 종료 후에 발생하는 경향이 있다.

제1종 연삭균열에는 100~120℃의 템퍼링(되풀이 담금질)이, 제2종 연삭균열에는 300℃의 템퍼링이 효과적이다. 템퍼링을 하지 않는 경우에는, 가능한 한 잔류 오스테나이트를 적게 하고, 연삭에 의한 승온을 작게 한다.

7. 3. 변형

마르텐사이트 변태나 냉각 불균일 등을 원인으로 담금질 완료 후 가공품의 치수 및 형상 변화가 발생한다. 이러한 변화를 담금질 변형, 담금질 휨, 담금질 굽힘 등으로 부른다. 형상을 닮은꼴로 유지한 채 치수가 변화하는 것을 변치수, 굽힘 변형이나 비틀림 변형과 같은 형상의 변화를 변형이라고 구분한다. 특히, 가공품이 변형되어 휘어지는 것을 담금질 휨이라고 부른다.

변형의 원인은 담금질에 의한 조직 변화에 있으며, 마르텐사이트 변태에 의한 팽창과 잔류 오스테나이트 변태에 의한 수축의 합산 결과이다. 변형은 마르텐사이트의 생성량에 영향을 받지만, 담금질이 마르텐사이트 변태를 이용하는 방법인 이상 변형을 피할 수 없다. 탄소량이 많을수록 팽창량이 커진다. 탄소강의 담금질 및 템퍼링에 의한 각 조직 변화에 따라 발생하는 체적 변화율은 다음과 같다.

탄소강의 담금질 및 템퍼링에 의한 체적 변화의 예
조직 변화체적 변화율(%)
페라이트 + 시멘타이트 → 마르텐사이트1.69 x C(%)
페라이트 + 시멘타이트 → 오스테나이트-4.64 + 2.21 x C(%)
오스테나이트 → 마르텐사이트4.75 - 0.53 x C(%)
오스테나이트 → 베이나이트4.75 - 1.47 x C(%)



굽힘 등의 변형을 일으키는 주요 원인은 담금질 응력이다. 잔류 오스테나이트를 원인으로 한 경년 변화에 의한 변형은 시효 변형, 자연 변형 등으로 불린다.

변형 방지 대책은 균열, 자연 균열의 경우와 거의 같지만, 그 외에도 다음과 같은 방법이 있다.


  • 기계 가공 등에서 소성 변형으로 잔류 변형이 생긴 경우, 담금질 변형이 더해져 변형이 커지므로, 담금질 전에 응력 제거 풀림을 실시한다.
  • 가열로 내에서 가공품이 자중에 의해 변형되지 않도록 가공품 지지 방법을 고안한다.
  • 조직의 결정립이 크면 변형도 커지는 경향이 있으므로, 결정립이 조대화되어 있는 단조품 등은 담금질 전에 결정립을 미세화하는 소둔을 실시하여 담금질 후의 변형을 줄일 수 있다.


변형 발생 시 프레스 등으로 하중을 가하는 등의 방법으로 변형을 교정할 수 있으며, 이를 변형 제거라고 한다. 굽힘 교정은 굽힘 교정, 굽힘 재교정 등으로 불린다. 상온에서 프레스로 교정할 수 있지만, 사용 중 온도 상승에 따라 다시 굽힘이 발생하거나 잔류 응력이 발생하여 자연 변형의 원인이 되므로, 온간 교정이 바람직하다. 또는, 담금질이 되지 않을 정도로 국부 가열을 실시하고 변형과 반대 방향으로 열 변형을 주어 교정하는 방법도 있다.

7. 4. 경도 부족

열처리 후 가공품에서 부분적으로 연하고 경도가 불균일한 경우가 있는데, 이를 굽힘 불균일 또는 연점이라고 한다. 부분적으로 충분히 열처리가 되지 않은 것이 원인이며, 가열 불균일, 냉각 불균일, 스케일 부착, 탈탄층의 존재 등이 부분적인 불완전 열처리의 원인이다.

전체적으로 소정의 경도를 얻을 수 없는 것을 경도 부족이라고 한다. 원인은 굽힘 불균일과 거의 같으며, 애초의 재질의 열처리성이 냉각 방법에 대해 충분하지 않아 열처리가 되지 않는 경우도 원인이 될 수 있다.

8. 담금질 적용

8. 1. 강종

철은 탄소 함유량에 따라 분류되며, 2% 이상인 것은 주철, 0.02~2%인 것은 강으로 분류된다. 열처리(담금질)는 주로 강에 적용되며, 일부 주철에도 적용된다. 강은 탄소를 포함하는 탄소강과 성질 개선을 위해 탄소 이외의 원소를 첨가한 합금강으로 나뉜다.

탄소강은 탄소 함유량에 따라 저탄소강(0.25% 이하), 중탄소강(0.25~0.6%), 고탄소강(0.6% 이상)으로 나뉜다. 담금질은 0.3% 이상의 중탄소강부터 적용하며, 저탄소강에는 침탄 담금질을 적용한다. 탄소강은 0.6% 이하인 것을 구조용강, 0.6% 이상인 것을 공구강으로 사용한다. 구조용강은 일반 구조용과 기계 구조용으로 나뉘며, 일본공업규격(JIS)의 일반 구조용 압연강재와 기계 구조용 탄소강강재가 해당한다. 일반 구조용 압연강재는 열처리 없이 사용하고, 기계 구조용 탄소강강재는 담금질을 포함한 열처리를 전제로 한다.

공구강은 탄소공구강(0.6~1.5%), 합금 원소를 첨가한 합금공구강, 더 많은 합금 원소를 첨가한 고속도강으로 분류된다. 공구강은 높은 경도를 위해 뜨임을 해도 마르텐사이트 상태로 사용하며, 변형이나 균열 방지를 위해 탄화물 구상화 상태에서 담금질한다. 따라서 담금질 전에 구상화 풀림이 이루어진다.

합금강은 합금 원소 총량에 따라 저합금강(5% 이하), 중합금강(5~10%), 고합금강(10% 이상)으로 나뉜다. 용도별로는 구조용 합금강, 합금 공구강, 특수 용도용 합금강으로 분류된다. 담금질성이 좋은 합금강은 담금질 깊이를 더 깊게 할 때 사용된다.

고합금강은 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등의 합금 원소를 오스테나이트에 충분히 고용시키기 위해 더 높은 담금질 온도를 설정한다. 고합금화된 오스테나이트의 담금질 뜨임으로 내열성이 높고 단단한 조직을 얻는다. 고속도강 등은 강의 용융 온도에 가까운 1200~1300℃를 담금질 온도로 한다.

주철은 열처리 없이 사용하거나 잔류응력 제거 풀림 후 사용하는 경우가 많다. 구상흑연주철 FCD450에 오스텐퍼 처리한 것은 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있으며, 오스텐퍼 구상흑연주철이라고 한다. JIS에서도 규정하고 있다. 일반 담금질이나 표면 담금질도 제한적으로 적용된다. 주강은 내부 응력 제거, 조직 미세화 등 전처리가 필요하지만, 기본적으로 일반 강재처럼 열처리되며, 합금강 주강 등은 템퍼링하여 사용된다.

8. 2. 제품 예시

담금질은 내마모성이 요구되는 베어링이나 공구, 강도와 인성의 양립이 요구되는 기계 구조용 부품이나 이송용 부품 등에 적용된다. 실제 제품의 예로는 다음과 같은 부품이나 제품에 담금질 처리가 시행되고 있다.

  • 자동차의 엔진, 파워 스티어링, 트랜스미션 부품
  • 오토바이의 체인링
  • 농업기계의 칼날
  • 스패너, 드라이버 등의 수공구
  • 엔드밀, 드릴, 바이트 등의 절삭공구
  • 나사절삭 다이스와 심압착 가공기의 펀치 등의 소성가공 공구


~~일본금속열처리공업회 통계에 따르면, 2013년 담금질과 템퍼링의 연간 가공 금액 총계는 약 280억 엔이며, 2010년부터 2013년까지의 금액 추이를 보면 약 250억 엔에서 약 280억 엔 사이에서 변동하고 있다.~~(한국 자료로 대체 필요)[25]

9. 역사

철기 시대 중반부터 대장장이들이 담금질 공정을 사용했다는 증거가 있지만, 초기 대장장이들이 사용한 기술과 절차의 발전과 관련된 자세한 정보는 거의 없다.[3] 초기 철기 작업자들은 냉각 과정이 철의 강도와 취성에 영향을 미칠 수 있다는 것을 빠르게 알아챘을 것이고, 기원전 2천년 후반부터 구세계에서 강의 열처리가 알려졌다.[4]

담금질된 강의 가장 초기의 예는 고대 메소포타미아에서 나올 수 있으며, 터키 알미나에서 발견된 기원전 4세기 담금질 경화된 끌이 비교적 확실한 예이다.[6] 호메로스의 ''오디세이'' 9권 389-94행은 담금질에 대한 초기 기록으로 널리 인용된다.[3][7] 하지만 이 구절이 의도적인 담금질 경화를 묘사하는지 확실하지 않다.[8] ''마하바라타''가 철제 화살촉의 유 담금질을 언급했을 가능성이 있지만, 증거는 문제가 있다.[9]

플리니우스는 담금액의 주제를 다루면서, 서로 다른 강의 물을 구분했다.[10] 12세기 테오필루스의 ''De diversis artis'' 18-21장은 담금질을 언급하면서, '도구는 일반적인 물보다 작고 붉은 머리 소년의 소변에서 더 단단한 담금질을 받는다'고 권장한다.[3] 담금질에 대한 초기 논의 중 하나는 1532년에 출판된 최초의 서구 금속학 인쇄물인 ''폰 슈타엘 운트 아이젠''이다.

담금질에 대한 현대 과학적 연구는 17세기부터 실질적인 추진력을 얻기 시작했으며, 주요 단계는 1558년 지암바티스타 델라 포르타가 그의 ''마기아 나투랄리스''에서 관찰에 기반한 논의를 한 것이다.[11]

아시아에서는 중국의 전국시대 중기부터 담금질 기술이 확인된다.[29]

10. 관련 용어

담금질로 강의 경도를 증가시킬 수 있지만, 인성이 저하되어 매우 취성이 강한 상태가 된다. 강인성을 얻기 위해 담금질 후에는 풀림(템퍼링)을 하는 것이 일반적이다. 담금질과 풀림의 일련의 열처리를 통틀어 '''담금질풀림'''이라고 부른다. 특히, 약 400℃ 이상의 고온 풀림으로 트루스타이트 또는 소르바이트 조직을 얻는 담금질풀림은 '''균질화'''라고 한다.

풀림에 의해 샤르피 충격값과 같은 인성이나 신율·단면 수축률과 같은 연성은 회복되지만, 경도와 인장강도는 어느 정도 저하된다. 불완전 담금질로 담금질 경도가 낮은 것도, 완전 담금질로 담금질 경도가 높은 것도, 풀림 조건을 조정하면 풀림 후의 경도 및 인장강도를 같게 할 수 있다. 그러나, 풀림 후 경도가 같았더라도, 항복점, 신율, 단면 수축률, 충격값, 피로한도 값은 완전 담금질된 것이 더 양호하다. 따라서, 완전 담금질을 목표로 하여, 소정의 경도로 풀림으로 조정하는 것이 이상적이라고 여겨진다.

열처리한 칼날을 “焼き刃(야키바)”라고 한다.[26] 이 “焼き刃(야키바)”에서 유래하여 “刃(야이바)”라고 부른다.[27] 속어로, 남에게 제재를 가하거나, 햇볕에 타다는 의미로 “焼きを入れる(야키오 이레루)”라고 한다.[28]

참조

[1] 웹사이트 Quenching and tempering of steel https://www.tec-scie[...] 2018-07-08
[2] 논문 Development of High-Speed Steels for Cast Metal-Cutting Tools https://www.scientif[...] 2006-04-05
[3] 논문 History of quenching 2008-06-01
[4] 서적 The Oxford companion to archaeology Oxford University Press 2012-10-12
[5] 서적 The sword and the crucible: a history of the metallurgy of European swords up to the 16th century Brill 2012-05-03
[6] 서적 Ancient mesopotamian materials and industries: the archaeological evidence https://archive.org/[...] Eisenbrauns 1999-01-01
[7] 서적 Studies in ancient technology E.J. Brill 1972-01-01
[8] 서적 Ancient Mesopotamian Materials and Industries: The Archaeological Evidence Eisenbrauns 1999-01-01
[9] 논문 Ferrous Arrowheads and Their Oil Quench Hardening: Some Early Indian Evidence 2008-05-01
[10] 서적 Steel Metallurgy for the Non-Metallurgist ASM International 2007-01-01
[11] 논문 HISTORY OF THE HARDENING OF STEEL: SCIENCE AND TECHNOLOGY https://hal.archives[...] 1982-01-01
[12] 웹사이트 やきいれ【焼（き）入れ】の意味 デジタル大辞泉 http://dictionary.go[...] NTTレゾナント 2014-10-04
[13] 웹사이트 オンライン学術用語集検索ページ http://dbr.nii.ac.jp[...] 文部科学省・国立情報学研究所 2014-09-21
[14] 서적 今昔メタリカ 金属技術の歴史と科学 工業調査会 2010-08-25
[15] Kotobank 2014-09-12
[16] 웹사이트 高級冷間ダイス鋼 SLD 5.熱処理要領 http://www.hitachi-m[...] 日立金属 2014-10-14
[17] 웹사이트 第一鋼業の熱処理解説：焼入れ性 http://www.daiichis.[...] 第一鋼業 2014-08-24
[18] 논문 水溶性ポリマー焼入れ液によるS55Cの焼入れ残留応力分布 https://doi.org/10.1[...] 日本機械学会
[19] 웹사이트 ソルトバス熱処理設備の概要 http://www.daiichis.[...] 第一鋼業 2014-08-11
[20] 웹사이트 ソルト焼入れ http://www.ht-soluti[...] 金属熱処理ソリューション 2014-08-11
[21] 웹사이트 品質・コスト・環境面で期待される 真空熱処理技術 http://www.nikkan.co[...] 日刊工業新聞社 2014-08-11
[22] 웹사이트 鋳鉄の熱処理（第2回） http://www.j-imono.c[...] 日本鋳造工学会関東支部 2014-08-24
[23] 간행물 JIS G 5503 オーステンパ球状黒鉛鋳鉄品
[24] 웹사이트 鋳鉄の熱処理（第8回） http://www.j-imono.c[...] 日本鋳造工学会関東支部 2014-08-24
[25] 웹사이트 統計 加工種別 焼入焼戻し http://www.netsushor[...] 日本金属熱処理工業会 2014-08-24
[26] Kotobank 2014-08-09
[27] Kotobank 2014-08-09
[28] 웹사이트 『焼きを入れる（やきをいれる）』の意味 http://zokugo-dict.c[...] ルックバイス 2014-08-09
[29] 서적 春秋戦国 洋泉社 2018-01-01


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