경화능
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1. 개요
경화능은 강철의 담금질성을 나타내는 지표로, 담금질 시 표면에서 얼마나 깊이 경화된 조직을 얻을 수 있는지를 의미한다. 경화능은 강철의 탄소 함량, 합금 원소, 오스테나이트 결정립 크기, 냉각 속도에 영향을 받으며, 특히 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈 등의 합금 원소 첨가는 경화능을 향상시킨다. 경화능을 평가하기 위해 조미니 시험이 사용되며, 조미니 시험은 규격화된 원통형 샘플의 한쪽 끝을 급랭하여 경도 변화를 측정하는 방식으로 진행된다. 조미니 시험 결과는 조미니 곡선으로 나타내며, 이를 통해 재료의 경화능을 비교 분석할 수 있다.
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| 경화능 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 금속이 열처리 후 경화되는 깊이 |
| 관련 | 담금질 뜨임 |
| 영향 요인 | 합금 성분 오스테나이트 결정립 크기 담금질 매질 |
| 측정 방법 | |
| Jominy 시험 | 조미니 단말 담금질 시험을 통해 측정 |
| 영향 | |
| 설계 | 원하는 강도와 경도를 얻기 위한 합금 선택 및 열처리 공정 설계에 중요 |
| 제조 | 부품의 수명과 성능에 영향 |
| 참고 문헌 | |
| 도서 | Kalpakjian, Serope, Manufacturing Engineering and Technology |
2. 경화능에 영향을 미치는 요인
뜨거운 강철 공작물을 담금질하면 물과 접촉하는 부위가 즉시 냉각되고 온도가 담금질 매체와 평형을 이룬다. 그러나 재료 내부 깊숙한 곳은 그렇게 빨리 냉각되지 않으며, 공작물이 큰 경우 냉각 속도가 느려져 오스테나이트가 마르텐사이트 또는 베이나이트가 아닌 다른 구조로 완전히 변태될 수 있다. 이로 인해 전체 깊이에 걸쳐 동일한 결정 구조를 갖지 않는 공작물이 생성되며, 더 부드러운 코어와 더 단단한 "쉘"을 갖게 된다.[2] 더 부드러운 코어는 페라이트와 시멘타이트의 조합으로, 예를 들어 펄라이트가 있다.
철강 합금, 즉 강철의 경화성은 탄소 함량과 기타 합금 원소, 오스테나이트의 결정립 크기에 따라 달라진다.[1] 다양한 합금 원소의 상대적인 중요성은 재료의 탄소 당량을 구하여 계산한다. 일반적으로 소량의 합금 원소 첨가로 담금질성이 좋아진다. 특히 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈의 첨가가 담금질성을 향상시킨다。
재료를 담금질하는 데 사용되는 유체는 다양한 열전도율과 비열로 인해 냉각 속도에 영향을 미친다. 소금물과 물은 기름이나 공기보다 강철을 훨씬 더 빠르게 냉각시킨다. 유체를 교반하면 냉각이 훨씬 더 빠르게 일어난다. 부품의 기하학적 구조 또한 냉각 속도에 영향을 미친다. 부피가 같은 두 개의 샘플 중 표면적이 더 큰 샘플이 더 빨리 냉각된다.[3] 강의 담금질성은 탄소량, 또는 합금 원소의 양, 오스테나이트의 결정립 크기, 냉각 속도에 따라 변화한다. 담금질성을 좋게 하기 위해서는 마르텐사이트 생성 비율을 높이거나, 생성되는 마르텐사이트가 단단해야 하는 등의 점이 중요하다.
2. 1. 화학 조성
뜨거운 강철 공작물을 담금질하면 물과 접촉하는 부위는 즉시 냉각되어 온도가 담금질 매체와 평형을 이룬다. 그러나 재료 내부 깊숙한 곳은 냉각 속도가 느려져 오스테나이트가 마르텐사이트 또는 베이나이트가 아닌 다른 구조로 완전히 변태될 수 있다. 이로 인해 전체 깊이에 걸쳐 동일한 결정 구조를 갖지 않는 공작물이 생성되며, 더 부드러운 코어와 더 단단한 "쉘"을 갖게 된다.[2] 더 부드러운 코어는 페라이트와 시멘타이트의 조합으로, 예를 들어 펄라이트가 있다.철강 합금, 즉 강철의 경화성은 탄소 함량과 기타 합금 원소, 오스테나이트의 결정립 크기에 따라 달라진다.[1] 다양한 합금 원소의 상대적인 중요성은 재료의 탄소 당량을 구하여 계산한다. 일반적으로 소량의 합금 원소 첨가로 담금질성이 좋아진다. 특히 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈의 첨가가 담금질성을 향상시킨다。
재료를 담금질하는 데 사용되는 유체는 다양한 열전도율과 비열로 인해 냉각 속도에 영향을 미친다. 소금물과 물은 기름이나 공기보다 강철을 훨씬 더 빠르게 냉각시킨다. 유체를 교반하면 냉각이 훨씬 더 빠르게 일어난다. 부품의 기하학적 구조 또한 냉각 속도에 영향을 미친다. 부피가 같은 두 개의 샘플 중 표면적이 더 큰 샘플이 더 빨리 냉각된다.[3]
2. 2. 오스테나이트 결정립 크기
뜨거운 강철 공작물을 담금질하면 물과 접촉하는 부위는 즉시 냉각되지만, 재료 내부 깊숙한 곳은 냉각 속도가 느려져 오스테나이트가 마르텐사이트나 베이나이트가 아닌 다른 구조로 변태될 수 있다.[2] 이로 인해 전체 깊이에 걸쳐 동일한 결정 구조를 갖지 않는 공작물이 생성되며, 더 부드러운 코어와 더 단단한 "쉘"을 갖게 된다. 더 부드러운 코어는 페라이트와 시멘타이트의 조합인 펄라이트 등이 있다.[2]철강 합금의 경화성은 탄소 함량, 기타 합금 원소, 오스테나이트의 결정립 크기에 따라 달라진다.[1] 합금 원소의 상대적인 중요성은 재료의 등가 탄소 함량을 계산하여 구한다. 소량의 합금 원소 첨가로도 담금질성이 좋아지는데, 특히 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈 첨가가 담금질성을 향상시킨다.
재료를 담금질하는 데 사용되는 유체는 열전도율과 비열에 따라 냉각 속도에 영향을 미친다. 소금물과 물은 기름이나 공기보다 강철을 훨씬 더 빠르게 냉각시키며, 유체를 교반하면 냉각이 더 빨라진다. 부품의 기하학적 구조 또한 냉각 속도에 영향을 주는데, 부피가 같은 두 샘플 중 표면적이 더 큰 샘플이 더 빨리 냉각된다.[3]
2. 3. 냉각 속도
뜨거운 강철 공작물을 담금질하면 물과 접촉하는 부위는 즉시 냉각되지만, 재료 내부 깊숙한 곳은 냉각 속도가 느려져 오스테나이트가 마르텐사이트나 베이나이트가 아닌 다른 구조로 변태될 수 있다.[2] 이로 인해 전체 깊이에 걸쳐 동일한 결정 구조를 갖지 않는 공작물이 생성되며, 더 부드러운 코어(페라이트와 시멘타이트의 조합, 예를 들어 펄라이트)와 더 단단한 "쉘"을 갖게 된다.[2]철강 합금의 경화성은 탄소 함량과 기타 합금 원소, 오스테나이트의 결정립 크기에 따라 달라진다.[1] 다양한 합금 원소의 상대적인 중요성은 재료의 등가 탄소 함량을 구하여 계산한다. 일반적으로 소량의 합금 원소 첨가로 담금질성이 좋아진다. 특히 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈의 첨가가 담금질성을 향상시킨다。
재료를 담금질하는 데 사용되는 유체는 다양한 열전도율과 비열로 인해 냉각 속도에 영향을 미친다. 소금물과 물은 기름이나 공기보다 강철을 훨씬 더 빠르게 냉각시킨다. 유체를 교반하면 냉각이 훨씬 더 빠르게 일어난다. 부품의 기하학적 구조 또한 냉각 속도에 영향을 미친다. 부피가 같은 두 개의 샘플 중 표면적이 더 큰 샘플이 더 빨리 냉각된다.[3]
3. 경화능 시험
강의 담금질성을 평가하는 방법 중 하나로 '''조미니식 일단 담금질법'''이 사용된다 (단순히 '''조미니 시험'''이라고도 부른다). 재료의 담금질성은 "담금질했을 때 표면에서 얼마나 깊게 경화된 조직을 얻을 수 있는가"로 평가되지만, 담금질 시 깊이 위치가 변함에 따라 변화하는 것은 냉각 속도가 된다。 따라서 담금질성 평가에는 담금질의 냉각 속도가 느린 것부터 빠른 것까지의 결과를 준비하여 평가할 필요가 있는데, 이를 하나의 시험편으로 수행하는 것이 조미니 시험이다.
구체적인 시험 방법으로는, 규정된 치수의 원통형 샘플을 사용하여 먼저 시료를 균일하게 가열하여 완전히 오스테나이트화시킨 후, 그 한쪽 끝에 실온의 물을 분사하여 담금질을 한다。 이로 인해 물을 분사하는 시험편 단부는 수냉 이상의 빠른 냉각 속도가 되며, 거기에서 길이 방향으로 멀어짐에 따라 시험편의 냉각 속도는 저하되고, 반대쪽 끝은 공냉의 느린 냉각 속도가 된다。
냉각된 시험편의 양 측면을 약간 연마하여 제거하고, 끝에서 길이 방향으로 수 mm마다 경도를 측정하여, 경도의 변화로부터 담금질성을 평가한다。 이러한 단부로부터의 거리에 따른 경도 변화의 측정 결과를 '''조미니 곡선'''이라고 부른다。 어떤 재료의 조미니 곡선이 다른 재료의 조미니 곡선을 전체적으로 상회하고 있다면, 담금질성이 향상되었다고 할 수 있다。
시험편 치수나 냉각 시간 등은 규격화되어 구체적인 수치가 정해져 있다. 조미니 시험법 규격의 예를 다음에 나타낸다.
- ASTM A 255
- JIS G 0561
- ISO 642
- DIN 50191
- BS 4437
3. 1. 조미니 시험 (Jominy Test)
강의 담금질성을 평가하는 방법 중 하나로 '''조미니식 일단 담금질법'''이 사용된다 (단순히 '''조미니 시험'''이라고도 부른다). 재료의 담금질성은 "담금질했을 때 표면에서 얼마나 깊게 경화된 조직을 얻을 수 있는가"로 평가되지만, 담금질 시 깊이 위치가 변함에 따라 변화하는 것은 냉각 속도가 된다。 따라서 담금질성 평가에는 담금질의 냉각 속도가 느린 것부터 빠른 것까지의 결과를 준비하여 평가할 필요가 있는데, 이를 하나의 시험편으로 수행하는 것이 조미니 시험이다.
구체적인 시험 방법으로는, 규정된 치수의 원통형 샘플을 사용하여 먼저 시료를 균일하게 가열하여 완전히 오스테나이트화시킨 후, 그 한쪽 끝에 실온의 물을 분사하여 담금질을 한다。 이로 인해 물을 분사하는 시험편 단부는 수냉 이상의 빠른 냉각 속도가 되며, 거기에서 길이 방향으로 멀어짐에 따라 시험편의 냉각 속도는 저하되고, 반대쪽 끝은 공냉의 느린 냉각 속도가 된다。
냉각된 시험편의 양 측면을 약간 연마하여 제거하고, 끝에서 길이 방향으로 수 mm마다 경도를 측정하여, 경도의 변화로부터 담금질성을 평가한다。 이러한 단부로부터의 거리에 따른 경도 변화의 측정 결과를 '''조미니 곡선'''이라고 부른다。 어떤 재료의 조미니 곡선이 다른 재료의 조미니 곡선을 전체적으로 상회하고 있다면, 담금질성이 향상되었다고 할 수 있다。
시험편 치수나 냉각 시간 등은 규격화되어 구체적인 수치가 정해져 있다. 조미니 시험법 규격의 예를 다음에 나타낸다.
- ASTM A 255
- JIS G 0561
- ISO 642
- DIN 50191
- BS 4437
3. 1. 1. 시험 절차
강의 담금질성을 평가하는 방법 중 하나로 '''조미니식 일단 담금질법'''이 사용된다 (단순히 '''조미니 시험'''이라고도 부른다). 재료의 담금질성은 "담금질했을 때 표면에서 얼마나 깊게 경화된 조직을 얻을 수 있는가"로 평가되지만, 담금질 시 깊이 위치가 변함에 따라 변화하는 것은 냉각 속도가 된다。 따라서 담금질성 평가에는 담금질의 냉각 속도가 느린 것부터 빠른 것까지의 결과를 준비하여 평가할 필요가 있는데, 이를 하나의 시험편으로 수행하는 것이 조미니 시험이다.
구체적인 시험 방법으로는, 규정된 치수의 원통형 샘플을 사용하여 먼저 시료를 균일하게 가열하여 완전히 오스테나이트화시킨 후, 그 한쪽 끝에 실온의 물을 분사하여 담금질을 한다。 이로 인해 물을 분사하는 시험편 단부는 수냉 이상의 빠른 냉각 속도가 되며, 거기에서 길이 방향으로 멀어짐에 따라 시험편의 냉각 속도는 저하되고, 반대쪽 끝은 공냉의 느린 냉각 속도가 된다。
냉각된 시험편의 양 측면을 약간 연마하여 제거하고, 끝에서 길이 방향으로 수 mm마다 경도를 측정하여, 경도의 변화로부터 담금질성을 평가한다。 이러한 단부로부터의 거리에 따른 경도 변화의 측정 결과를 '''조미니 곡선'''이라고 부른다。 어떤 재료의 조미니 곡선이 다른 재료의 조미니 곡선을 전체적으로 상회하고 있다면, 담금질성이 향상되었다고 할 수 있다。
시험편 치수나 냉각 시간 등은 규격화되어 구체적인 수치가 정해져 있다. 조미니 시험법 규격의 예를 다음에 나타낸다.
- ASTM A 255
- JIS G 0561
- ISO 642
- DIN 50191
- BS 4437
3. 1. 2. 조미니 곡선
'''조미니식 일단 담금질법'''(또는 '''조미니 시험''')은 강의 담금질성을 평가하는 방법 중 하나이다. 재료의 담금질성은 "담금질했을 때 표면에서 얼마나 깊게 경화된 조직을 얻을 수 있는가"로 평가되지만, 담금질 시 깊이 위치가 변함에 따라 변화하는 것은 냉각 속도가 된다. 따라서 담금질성 평가에는 담금질의 냉각 속도가 느린 것부터 빠른 것까지의 결과를 준비하여 평가할 필요가 있는데, 이를 하나의 시험편으로 수행하는 것이 조미니 시험이다.규정된 치수의 원통형 샘플을 균일하게 가열하여 완전히 오스테나이트화시킨 후, 한쪽 끝에 실온의 물을 분사하여 담금질을 한다. 물을 분사하는 시험편 단부는 수냉 이상의 빠른 냉각 속도가 되며, 거기에서 길이 방향으로 멀어짐에 따라 시험편의 냉각 속도는 저하되고, 반대쪽 끝은 공냉의 느린 냉각 속도가 된다.
냉각된 시험편의 양 측면을 약간 연마하여 제거하고, 끝에서 길이 방향으로 수 mm마다 경도를 측정하여, 경도의 변화로부터 담금질성을 평가한다. 이러한 단부로부터의 거리에 따른 경도 변화의 측정 결과를 '''조미니 곡선'''이라고 부른다. 어떤 재료의 조미니 곡선이 다른 재료의 조미니 곡선을 전체적으로 상회하고 있다면, 담금질성이 향상되었다고 할 수 있다.
시험편 치수나 냉각 시간 등은 규격화되어 있으며, 조미니 시험법 규격의 예는 다음과 같다.
- ASTM A 255
- JIS G 0561
- ISO 642
- DIN 50191
- BS 4437
이 시험은 1937년 제너럴 모터스 연구소의 야금학자인 월터 E. 조미니와 A.L. 보게홀드에 의해 발명되었다. 조미니는 열처리 분야의 선구적인 업적으로 1944년 미국 금속 학회(ASM International)로부터 알베르트 소뵈르 업적상을 받았다.
3. 1. 3. 관련 규격
강철 합금의 경화능은 조미니 시험으로 측정된다. 표준 크기의 둥근 금속 막대를 열처리하여 100% 오스테나이트로 변환한 후, 상온 물로 한쪽 끝을 급랭한다. 냉각 속도는 급랭되는 끝에서 가장 높고, 끝에서 멀어질수록 감소한다. 냉각 후, 시험편에 평평한 표면을 연마하고, 막대 길이를 따라 경도를 측정하여 경화능을 찾는다. 경도가 급랭된 끝에서 멀리까지 연장될수록 경화능이 더 높다. 이 정보는 경화능 그래프에 플롯된다.조미니 종단 급랭 시험은 1937년 제너럴 모터스 연구소의 야금학자인 월터 E. 조미니/Walter E. Jominy영어(1893-1976)와 A.L. 보게홀드에 의해 발명되었다. 조미니는 열처리 분야의 선구적인 업적으로 1944년 미국 금속 학회(ASM International)로부터 알베르트 소뵈르 업적상을 받았다. 조미니는 1951년 ASM 회장을 역임했다.
4. 경화능과 한국 철강 산업
4. 1. 자동차 산업
4. 2. 조선 산업
4. 3. 건설 산업
5. 결론
참조
[1]
서적
Manufacturing Engineering and Technology
Pearson Education
[2]
서적
Materials and Technology. Part 3: Metals and ores
Longman Group, London
[3]
서적
Modern materials and manufacturing processes
Pearson Education
[4]
간행물
ISO 642: Steel. Hardenability test by end quenching (Jominy test)
ISO
[5]
웹사이트
Hardenability (DoITPoMS)
http://www.doitpoms.[...]
2011-12-09
[6]
기타
ASTM A255-10
http://www.astm.org/[...]
ASTM International
[7]
논문
A Hardenability Test for Carburizing Steel
[8]
서적
Manufacturing Engineering and Technology
Pearson Education
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