◆  퀜칭 (quenching)

     일반적으로 사용하는 "열처리"란 말은 주로 이 「퀜칭」을 의미한다고 해도 과언이 아닐 정도로 퀜칭은 열처리의 대명사처럼 여겨져 왔다. 즉 강을 軟한 상태로부터 가장 硬한 상태로 급격하게 변화시킴으로써 열처리효과를 가장 실감나게 해주는 방법이다.

(1) 퀜칭의 목적

     강의 퀜칭(quenching)은 오스테나이트화 온도로부터 급랭하여 마르텐사이트 조직으로 변태시켜서 강을 경화하는 열처리방법을 말하는데, 그 목적은 강의 종류에 의해 2가지로 대별된다.
     그 하나는 공구강의 경우인데, 이것은 다른 금속재료를 절삭가공하기 위해 되도록 단단하거나 내마모성이 커야 하므로 고탄소 마르텐사이트의 특징인 큰 경도를 그대로 이용한다. 따라서 많은 공구강에서는 템퍼링온도를 150∼200℃의 비교적 낮은 온도로 하거나, 고합금강에서처럼 500∼600℃로 템퍼링을 하더라도 퀜징상태와 거의 같든지 혹은 그 이상의 경도가 얻어지도록 하여야 한다.
     다른 하나의 경우는 구조용강으로서, 여기에는 강도도 요구되지만 오히려 강한 인성이 요구되는 용도로 제공하기 위해 일단 퀜칭해서 마르텐사이트 조직으로 하고, 500∼700℃의 상당히 높은 온도로 템퍼링을 해서 퀜칭상태에 비해 훨씬 낮은 경도 강도의 상태로 만드는 것이다. 예를 들면 기계구조용 탄소강에서 퀜칭상태의 인장강도는 170kg/mm² 이상이고, 브리넬경도도 500 이상이지만 실제로 사용될 때에는 충분한 템퍼링을 해서 인장강도 100kg/mm² 이하, 브리넬경도 300 이하로 한다. 그렇게 볼 때 무리하게 퀜칭할 필요없이 노멀라이징 정도면 되지 않겠는가 하는 의문이 생기나, 사실은 이와 같이 퀜칭과 템퍼링을 한 강은 노멀라이징 처리한 강에 비해 강도와 인성의 면에서 현저하게 우수하다.

그림 4.11. 기계구조용 탄소강의 노멀라이징재와 퀜칭, 템퍼링재의 기계적성질의 비교

     그림 4.11은 기계구조용 탄소강 SM 30C, SM 40C 및 SM 50C를 노멀라이징 처리만 한 것과 퀜칭 템퍼링처리한 것의 강도와 인성을 비교한 것으로서, 퀜칭 템퍼링재의 노멀라이징재에 비해 충격치가 인장강도 60kg/mm² 급에서 약 2배 크고, 80kg/mm² 급에서는 약 4배를 나타내어 강인성에서 훨씬 우수하다는 것을 알게 된다.
     또한 표 4.1에 나타낸 것처럼 Ni-Cr-Mo강의 퀜칭방법을 변화시켜서 마르텐사이트, 마르텐사이트와 베이나이트, 마르텐사이트와 펄라이트의 3종류의 조직으로 해서 인장강도가 약 89kg/mm²의 일정값이 되도록 각기 적당한 온도를 골라서 템퍼링처리를 했을 때의 충격값과 시험온도의 관계를 그림 4.12에 나타냈다. 그림에서 알 수 있듯이 완전 마르텐사이트조직을 템퍼링한 경우에 비해 베이나이트나 펄라이트를 갖는 불완전 퀜칭조직을 템퍼링한 것은 천이온도가 상승하여 상온이하에서의 충격값의 감소가 특히 심하다.

표 4.1  불완전 퀜칭에 의한 인성의 저하

그림 4.12. 열처리 조직에 의한 충격값의 천이곡선의 변화

(2) 오스테나이트화

     강을 퀜칭해서 마르텐사이트 조직으로 변태시키기 위해서는 우선 그 강을 오스테나이트 상태로 가열하여야 한다. 이 처리를 오스테나이트화라고 하며, 일반적으로 열처리시 냉각도중에 일어나는 모든 변태는 오스테나이트로부터 시작된다. 따라서 오스테나이트를 모상(母相, parent phase)이라고도 불리어진다.

① 가열온도
     전술한 바와 같이 마르텐사이트로 변태시키기 위해서는 우선 오스테나이트 상태로 가열해야만 하는데, 그때의 가열조건, 특히 가열온도는 강의 성질에 중대한 영향을 미치므로 가열온도의 선정은 무엇보다도 중요하다.
     여기서 우선 정확히 규정해야 할 것은 용어문제로서, 상황에 따라서 가열온도, 퀜칭온도 및 오스테나이트화 온도를 구분해서 사용하기도 하지만 본절에서는 이 3가지 용어를 동일한 의미로써 사용한다.
     퀜칭을 위한 가열온도는 수냉하는 경우, 아공석강에서는 Ac3 변태점 이상 30∼50℃ 정도, 과공석강에서는 Ac1 변태점 이상 30∼50℃ 범위로 하는 것이 보통이며, 유냉의 경우는 이것보다 다소 높은 온도를 사용한다. 가열온도가 이 온도범위보다 높아짐에 따라서 오스테나이트의 결정립은 점차 크게 성장하여 조대화되기 쉬워진다.
     그런데 과공석강에서는 오스테나이트화 온도에서 오스테나이트와 미용해 탄화물이 공존하는데, 이 탄화물이 오스테나이트 결정립계의 이동, 즉 결정립성장을 방해하는 효과가 있다. 미용해 탄화물이 조대하거나 그 수가 적으면 그만큼 결정립은 조대해진다.
     한편 아공석강에서는 오스테나이트화시 모든 탄화물이 고용되므로 결정립성장은 매우 빠른 속도로 진행된다.
이와 같이 결정립이 조대해지면 마르텐사이트변태가 용이하여 열처리가 다소 쉽게 되기는 하지만 열처리후의 인성은 현저하게 감소된다. 표 4.2는 베어링강 2종(STB 2 : 1%C, 1.3%Cr)의 직경 8mm의 환봉을 유냉했을 때와 마르템퍼링(후술)했을 때 인성에 미치는 오스테나이트화 온도의 영향을 나타낸 것으로, 어떤 경우도 오스테나이트화 온도가 상승함에 따라 인성이 감소됨을 알 수 있다.

표 4.2  베어링강을 유냉 및 마르템퍼링 처리시 오스테나이트화 온도에 따른 인성변화

    그러나 공구강의 경우는 오스테나이트화시에 탄화물을 적당히 고용시켜서 마르텐사이트를 충분히 단단하게 하는 동시에, 잔류오스테나이트량을 줄이는 것이 동시에 중요하다. 탄소공구강에서는 상기와 같은 온도범위를 선택하면 별다른 문제는 없지만, 과공석강의 경우 온도가 지나치게 높으면 오스테나이트중의 탄소량이 많아져서 MS점이 저하하고, 상온으로 냉각시 잔류오스테나이트가 많아져 충분한 경화가 안될 뿐 아니라 열균열도 일어나기 쉽게 된다.
한편 고속도공구강 등과 같이 W이나 Cr 등 탄화물을 만들기 쉬운 합금원소를 다량 함유한 강에서는 이들의 원소 때문에 공석변태점이 상승하는 동시에 오스테나이트중의 탄소고용도가 감소한다. 예를 들면 18%W-4%Cr-1%V형의 고속도강(SKH2)에서는 공석점이 850℃ 정도까지 상승되므로 900℃ 부근으로 가열해도 오스테나이트의 탄소농도는 0.20∼0.25% 정도이므로 경도가 겨우 HRC 50정도밖에 되지 않는다. 가열온도를 높이면 점점 탄화물의 고용량이 증가하여 1300℃ 부근에서는 약 0.55% 정도의 탄소가 고용해서 퀜칭경도는 HRC 66∼67로 충분히 높아진다. 또한 고용된 W, Cr과 같은 합금원소때문에 현저하게 열처리하기 쉽고, 또 고속절삭으로 날끝온도가 상승해도 쉽게 경도가 저하되지 않는 우수한 템퍼링연화저항성이 얻어지는 것이다.
     그러나 이 경우도 지나치게 온도가 높아지면 역시 결정립의 조대화로 인해 취화된다. 이와 같이 강의 성질이 손상될 만큼의 고온까지 가열시키는 것을 과열(過熱, overheat)이라 한다. 더우기 그 정도가 더욱 심하여 입계가 일부 용융하기 시작한다든지 입계를 따라 내부까지 산화가 진행되어 나머지 열처리나 기계가공 등의 작업에서도 정상적인 성질을 회복할 수 없다든지 하는 경우를 버닝(burning)이라고 한다.

② 가열시간
     또한 오스테나이트화시에는 가열시간도 중요하다. KS 규격에서도, 여러 회사의 카탈로그에서도 퀜칭온도(오스테나이트화 온도)는 규정되어 있지만 가열시간, 특히 오스테나이트화 온도에서 유지하는 시간에 대한 규정은 찾아볼 수 없다. 그러나 열처리란 가열온도, 가열시간 및 냉각의 조합이므로 필수적으로 가열시간이 필요하다.
     작업능률이나 원가 등의 입장에서는 가열시간은 가능한한 짧을수록 바람직하지만, 실제로는 가열방법이나 재료의 크기에 따라 그 중심부까지 필요한 온도로 상승시키기 위한 시간과 확산에 의해 탄화물이 고용되어 균일한 오스테나이트로 형성되는데에 필요한 시간을 생각해야 한다. 합금원소가 많이 함유될수록 일반적으로 열전도율은 적고 또 확산속도도 늦으므로 장시간의 가열이 필요하다.

그림 4. 13. 가열시간의 정의

     한편 오스테나이트화 처리시의 가열시간은 승온시간(昇溫時間), 균열시간(均熱時間) 및 유지시간(維持時間)으로 이루어져 있다. 승온시간이란 부품의 표면이 소정의 오스테나이트화 온도로 도달되는데 필요한 시간을 말하고, 균열시간이란 부품의 표면과 중심의 온도가 일치하기까지의 시간을 말하며, 유지시간이란 부품 전체가 그 온도에서 유지되는 시간을 말하는 것이다. 따라서 " 승온시간 + 균열시간 + 유지시간 = 가열시간" 이란 관계가 성립된다.
     여기서 우리가 주의해야 할 사항은 그림 4.13에서도 알 수 있듯이 로내온도의 승온속도와 부품의 승온속도가 다르다는 것이다. 따라서 여기서 사용되는 「온도」라는 말은 부품의 실제온도를 의미하는 것으로, 로내분위기 온도 즉 온도계로 지시되는 온도가 아니다. 승온시간은 부품의 크기에 따라서 달라지지만 유지시간은 부품의 크기에는 별 영향이 없고, 강종에 따라서 달라진다. 즉

          승온시간 = f (부품의 크기)
          유지시간 = f (강종) ---- 아공석강인가 과공석강인가에 따라 다르다.
          승온시간 + 유지시간 = 가열시간(soaking time)

     여기서 가열시간에는 표면과 중심부의 승온시간의 차이, 즉 균열시간도 포함되어야 하지만 그 시간의 차이는 의외로 작다. 다시 말해서 표면이 퀜칭온도에 도달하면 중심부도 거의 동시에 그 온도에 도달된다고 보아도 좋다는 것이다. 그림 4.14는기계구조용강의 실측결과로서, 표면과 중심의 승온시간의 차이는 직경 100㎜의 환봉에서는 보통가열시 2분, 급속가열시 5분이다. 따라서 종전에 25㎜당 30분이라고 하는 것은 유지시간을 의미하는 것이 아니라 승온시간을 포함하는 말이다. 따라서 아공석강이나 공석강에서는 A3 변태온도 이상 50℃로 가열되는 동안에 거의 완전히 오스테나이트로 변태되므로 유지시간이 필요없으나, 과공석의 탄소공구강이나 합금공구강 또는 고속도강 등과 같은 고탄소 고합금강에서는 오스테나이트 중에 어느 정도의 탄화물을 고용시킬 필요가 있으므로 10∼30분 정도의 유지시간이 필요하다.

그림 4. 14. 강재의 표면온도 도달 후 중심부에 도달하기까지의 시간

그림 4.15. 퀜칭, 템퍼링에 의한 미세구상 시멘타이트 조직과 구상화처리에 의한 조대구상 시멘타이트 조직의

                    오스테나이트화 곡선의 비교(1%C의 탄소강, 750℃오스테나이트화)

 

     한편 탄화물이 오스테나이트에 고용되는 고용속도는 강종에 따라 틀려지는데, 특히 텅스텐이나 바나듐과 같은 강력한 탄화물 생성원소를 함유한 강은 현저하게 늦어지지만, 동일강종이라도 퀜칭전의 조직, 주로 탄화물의 크기나 분산상태에 따라서 큰 영향을 받는다. 그림 4.15는 1%C의 탄소강을 750℃에서 오스테나이트화한 경우로서, 구상화처리를 한 조대한 구상시멘타이트를 함유한 강이 그 고용속도가 늦으므로 오스테나이트화도 늦다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 탄화물이 조대한 구상 혹은 망상을 나타낼 때는 고용속도가 늦으므로 퀜칭전에 탄화물이 미세하고 균일하게 분산된 상태가 되도록 구상화풀림이나 노멀라이징 등의 예비처리를 할 필요가 있다.

그림 4.16. 오스테나이트화 온도에 따른 시멘타이트의 고용상황의 비교

     고탄소저크롬 베어링강에서 탄화물이 고용에 필요한 시간은 900℃의 경우, 미세펄라이트조직에서 약 2분, 펄라이트조직에서 약 3분, 구상화조직에서 1시간 이상이 필요하다고 한다. 그림 4.16은 구상화처리한 베어링강을 여러가지 온도로 오스테나이트화 했을 때의 유지시간과 미고용 탄화물량의 관계를 나타낸 것으로, 탄화물량이 일정값으로 안정화될 때까지 약 30∼50분간이 소요되고 있지만, 탄화물이 완전히 고용되면 퀜칭했을 때의 잔류오스테나이트도 많아지고, 경도도 저하되며, 결정립의 조대화, 열균열, 시효변형등의 여러가지 문제가 발생될 수 있으므로 실제로는 반드시 평형상태까지 탄화물을 고용시킬 필요는 없다.
     그리고 전술한 중심부와 표면의 승온시간의 차이도 고려해서 각 강종의 오스테나이트화 온도로의 적당한 가열시간을 선정해야 하는데, 탄소강이나 특수공구강(STS)에서 살두께 25mm당 약 30분, 다이스강(STD)에서 그 1.5배 정도, 또 스테인리스강 등은 2배인 60분 전후를 유지한다. 고속도공구강은 1200∼1350℃에서 퀜칭하지만, 그로 인한 가열에는 염화바륨(BaCl₂) 용융염욕을 사용하는 경우가 많고, 차가운 강재를 직접 고온염욕 중에 넣으면 균열이 생길 위험이 있으므로 1회 또는 2회의 예열을 해주는 것이 좋다.
 
(3) 예열

     퀜칭의 첫번째 단계는 예열(豫熱, preheating)로부터 시작된다. 즉 오스테나이트화의 전단계이다. 예열하는 목적은 부품의 전단면을 가능한한 균일하게 승온시켜서 열처리변형을 경감시키기 위한 것이다. 특히 염욕가열과 같이 급속가열되는 경우에는 예열이 필수적이다.
     아공석강이나 저탄소강에서는 그렇게 예열이 필요하지는 않지만, 고탄소고합금공구강(STD 11)이나 고속도공구강 등에서는 열전도도가 작고, 탄화물이 많이 존재하기 때문에 예열이 필요하다. 예열은 보통 1단예열만으로 충분하지만, 형상이 복잡한 금형에서와 같이 특별히 신중을 기하고자 할 때에는 2단예열을 채용하는 것이 좋다.
     1단예열은 변태점 직하, 즉 650∼700℃의 온도범위를 선택하는 것이 좋다. 왜냐하면 변태점에서 펄라이트가 오스테나이트로 변태할 때에 체적이 수축하므로 변태전에 부품 전단면을 균일한 온도로 하여 변형을 방지하기 위해서이다. 2단예열온도는 강이 탄성체에서 소성체로 변하는 온도, 즉 450∼500℃의 온도범위를 선택하는 것이 좋다. 이것은 강이 소성체일 때에 변형이 일어나기 쉽기 때문이다.
     한편 예열을 위한 가열시간은 25㎜당 약 40분 정도가 좋다. 이정도의 시간이면 부품의 중심부까지 예열온도에 도달된다. 그리고 유지시간은 필요치 않다.

(4) 냉각매체

     강을 퀜칭할 때 복잡한 형상의 고합금강에서는 간혹 공랭이라고 하여 단순히 공기중 방랭(放冷)만으로 마르텐사이트조직을 얻을 수 있는 경우도 있지만, 그 외의 경우는 물 또는 기름 속에 투입해서 급랭하는 것이 보통이다. 잘 알려진 것처럼 기름보다 물에서의 냉각속도가 빠르지만 기름이나 물도 그 온도에 따라, 혹은 첨가물에 따라, 혹은 교반하는 정도에 따라서도 그 냉각능력은 변화된다. 일정한 조건으로 수냉한 경우에도 강재가 냉각되는 과정이 단순하지만은 않고 냉각도중에 냉각속도는 커지거나 작아지게 되어 미묘하게 변화한다. 그림 4.17은 직경 12.7㎜(0.5 in.)의 강봉을 수냉했을 때의 냉각곡선을 표시한 것으로 냉각상황은 대략 3단계로 구분된다.

그림 4.17. 수냉시의 냉각단계

① 제 1 단계 : 가열된 강재의 표면에 증기막이 생겨서 열전도도가 작아지므로 강의 냉각은 비교적 늦다. 이 단계를 증기막단계라고 한다.
② 제 2 단계 :  강표면에서 심한 비등이 일어나고, 증기막은 곳곳에서 파괴되어 기포로 되어 없어지므로 강표면은 직접 물과 접촉해서 전도와 대류에 의해 열이 방출되어 급속히 냉각된다. 이 단계를 비등단계라고 한다.
③ 제 3 단계 : 수증기의 발생은 없고, 강의 온도와 물의 온도의 차가 적어지므로 다시 냉각속도는 늦어진다. 이 단계를 대류단계라고 한다.

     강의 퀜칭시에는 펄라이트변태가 일어나기 쉬운 A1∼550℃간의 온도범위를 충분히 급랭시켜야 한다. 그렇게 하기 위해서는 특히 제 1단계가 나타나는 시간을 되도록 짧게 할 필요가 있는데, 그것은 수중에서 8자의 형태로 강재를 강하게 흔들어 준다거나 물을 심하게 교반시켜서 수증기막이 빠르게 파괴되도록 하면 된다. 또한 수온을 되도록 낮추거나 5∼10% 정도의 식염이나 염화칼슘을 물에 녹이면 제 1단계는 단축된다.
     그러나 Ar' 변태가 일어나는 온도범위를 충분히 빠른 속도로 냉각시키면 그 후의 냉각까지 반드시 빨리할 필요는 없다.

     오히려 300℃ 이하에서 냉각속도를 늦출 수만 있다면 부품내외의 온도차를 줄이고, 변태응력의 발생이 적어져 열균열이나 열변형의 위험도 없어질 것이다. 즉 약 550℃ 부근까지의 냉각속도는 크고, 300℃ 이하에서의 냉각속도는 반대로 작아지는 냉각매체가 이상적이라 할 수 있다.
Grossmann 등은 액의 냉각능력을 나타내는 일반적 수치로 퀜칭액과 강의 계면의 열전달계수 α와 강의 열전도도 λ의 비(H=α/λ)는 퀜칭액의 냉각능(冷却能, severity of quench)이라는 값을 쓰고 있다. 정지한 물의 냉각능을 1.0으로 하면 공기, 기름, 물 및 식염수의 H 값은 대략 표 4.3에 나타낸 바와 같은 값으로 된다. 이 표에서 보면 물이나 기름을 심하게 교반할 경우 정지된 상태에 비해서 4배 정도까지 냉각능력이 크게 되므로 퀜칭할 때 교반이 대단히 중요한 의미를 가지고 있다는 것을 알 수 있다.

표 4.3 퀜칭액의 냉각능 H의 값

(5) 냉각방법과 냉각효과
     열처리에서 냉각속도의 중요성에 대해서는 재언을 요하지 않는다. 냉각속도에 따라서 강의 성질이 軟해지기도 하고 硬해지기도 한다. 냉각매체를 냉각제라고도 하는데, 여기에는 공기, 기름 및 물 등 여러가지가 사용되고 있다.
     일반적으로 공기는 냉각속도가 느리고 기름, 물의 순서로 냉각속도가 빨라진다. 그러나 이러한 냉각매체에 따른 냉각효과는 절대적인 것은 아니고, 처리품의 크기에 따라서 변화된다. 즉 냉각제의 냉각속도는 냉각제 고유의 성질일 뿐이고, 그것에 따른 처리품의 냉각효과는 처리품의 크기에 따라서 달라지게 된다. 다시 말해서 냉각매체의 냉각속도와 처리품의 냉각효과는 항상 일치되지 않는다는 것이다.
     표 4.3에서도 알 수 있듯이 냉각방법이 동일해도 냉각효과는 다르게 된다. 실제로 열처리에서 중요한 것은 냉각방법이라기보다는 냉각효과라고 할 수 있다.
     노멀라이징은 대기중 방랭(放冷), 즉 공랭이라고 하는 냉각방법이 정의되어 있다. 그런데 소형부품을 방랭한 경우와 대형부품을 방랭한 경우에 냉각방법은 동일할지라도 처리품의 냉각효과는 달라진다. 따라서 대형부품에서는 방랭만으로는 냉각효과가 적으므로 선풍기 등으로 강제공랭(强制空冷)시켜야만 노멀라이징 효과가 얻어진다.
     퀜칭시에도 마찬가지이다. 동일하게 유냉했다 할지라도 처리품의 크기에 따라서 냉각효과가 다르므로 퀜칭경화 정도도 달라진다. 소형품에서는 유냉을 해도 수냉과 동일한 효과가 있을 수 있고, 대형품에서는 공랭 정도의 효과만이 있어서 경화되지 않을 수도 있다.
     KS 철강핸드북에 노멀라이징은 공랭, 풀림은 노냉, 그리고 탄소공구강(STC)의 퀜칭은 수냉, 고속도강(SKH)의 퀜칭은 유냉, STD 11과 같은 합금공구강의 퀜칭은 공랭 등으로 규정되어 있지만, 이것은 일본공업규격(JIS)에 따르면 표준시험편의 크기(15㎜φ×20㎜l)에 대한 것이므로 처리품의 크기에 따라서 적당히 냉각방법을 달리 하지 않으면 안된다.   
  
(6) 형상에 따른 냉각효과

     처리품의 형상 중에서 가장 빠르게 냉각되는 것은 구형(球形)이고, 가장 느리게 냉각되는 형상은 판상(板狀)이다.
한편 하나의 제품에서도 부위에 따라 냉각효과가 다르게 된다. 평면에서의 냉각속도를 1이라 하면 二面角에서는 3, 三面角에서는 7정도로 되어 냉각속도가 커지는 반면에 凹面角에서는 오히려 1/3정도로 되어 냉각이 느려진다. 따라서 형상이 복잡한 제품일 때는 위치에 따라 냉각속도의 차이가 현저하므로 이로 인한 열처리변형이나 균열을 발생시킬 수도 있다.

(7) 경화능
     강의 퀜칭경도는 그림 1.1에서 나타낸 바와 같이 그 강의 탄소함유량에 따라서 결정되며, 합금원소와는 거의 관계가 없다. 0.6%C까지는 탄소량에 따라서 퀜칭경도는 증가하지만 그이상 탄소량이 증가되어도 퀜칭경도는 그다지 증가되지 않는다.
     또한 동일한 탄소량일지라도 마르텐사이트 조직은 미세펄라이트나 구상화조직에 비해서 훨씬 경도가 높다. 이것이 퀜칭열처리를 통해서 마르텐사이트로 변태시키는 우선적인 이유이다. 그러나 퀜칭열처리는 0.3%C 이상의 탄소를 함유한 강에서만 주로 행하여지고, 0.3%C 이하의 탄소를 함유한 강에서는 페라이트-펄라이트 조직으로 만들어 사용하는 것이 보통이다. 이것은 0.3%C 이하에서는 퀜칭경도가 그다지 높지 않기 때문이다.
     한편 강에서 퀜칭되는 깊이는 C%가 많을수록, 합금원소량이 많을수록, 그리고 결정립이 조대할수록 커지게 되는데, 이중에서 가장 크게 영향을 미치는 인자는 합금원소이다.
     그러므로 퀜칭시에 경도를 향상시키는데에는 탄소량 증가가 효과적이고, 경화깊이를 크게 하는데에는 합금원소 첨가가 효과적이라는 사실을 기억해야만 한다.
  
1) 경화능의 정의
     동일한 크기의 제품일지라도 강종에 따라 퀜칭시 경화되는 깊이가 다르다. 이 경화깊이를 지배하는 강자체의 성능을 경화능(硬化能, hardenability)이라고 한다. 따라서 동일한 냉각매체로 퀜칭시 경화깊이가 큰 강은 경화능이 좋고, 반대로 경화깊이가 작은 강은 경화능이 나쁜 강이라고 불리어진다. 이러한 점으로 보아 경화깊이는 합금원소 첨가로서 커지므로 탄소강은 경화능이 나쁘고, 합금강은 경화능이 좋아지게 된다.
     경화능을 알기 위해서는 퀜칭된 강의 단면경도분포를 측정하면 된다. 큰 강재를 퀜칭하면 표면만 경화되고 중심부는 냉각속도가 느리므로 Ar'변태를 일으켜서 경화되지 않는다. 따라서 단면경도분포는 U자형을 나타낸다. 이것을 U곡선이라고 한다.된다.
     한편 동일한 강종일지라도 제품의 크기(질량)에 따라 경화깊이가 달라진다. 탄소강인 SAE 1045강과 합금강인 6140강에 대해서 고려해 보면 SAE 1045강에서 보면 환봉직경이 커짐에 따라 표면경도가 급격한 감소를 보이고 있고 중심부경도도 연속적인 감소를 나타내고 있다. 이와 같이 제품크기가 클수록 퀜칭경도가 감소하는 현상을 질량효과(質量效果, mass effect)라고 한다. 반면에 합금강인 6140강에서는 어떠한 환봉직경에서도 1045강보다 경도가 높다. 그럼에도 불구하고 강재표면으로부터 중심부까지의 경도의 편차는 여전히 존재하고 있으며 특히 직경이 클수록 이 차이는 심하다.
     이상에서 알 수 있듯이 일반적으로 탄소강은 질량효과가 크고, 합금강은 질량효과가 크다. 따라서 합금강은 제품의 크기가 클지라도 경화시키기가 용이하다.
     퀜칭할 때에는 강재의 경화능과 질량효과를 고려해서 냉각제의 선택 및 퀜칭방법의 검토가 필요하다.

2) 경화능의 표시방법
     임계냉각속도가 큰 강은 단면치수가 약간 커져서 중심부의 냉각속도가 작아지면 경화되지 않는다. 즉 경화능이 나쁘다. 반대로 임계냉각속도가 작은 강은 어느 정도의 두께에서는 중심부까지도 경화될 수 있다. 즉 경화능이 좋다. 따라서 경화능이 좋고 나쁜 것은 임계냉각속도가 작고 큰 것과 직접적으로 관계되므로 임계냉각속도는 경화능의 표시방법으로서 이용된다. 그러나 임계냉각속도가 몇 ℃/초일 때 몇 mm의 깊이까지 완전히 경화되는지, 또 어느 정도의 크기일 때 어떤 냉각을 하면 표면으로부터 몇mm까지 경화되는지에 대한 실용적인 수치를 곧바로 얻기는 곤란하다. 오히려 『중심부까지 경화되는 임계직경』,또는 수냉면으로부터 어느 경도이상되는 깊이가 몇mm인지를 구하는 편이 경화능을 나타내는데 보다 실용적이다.
     여기서 후자는 『一端퀜칭방법』에 의한 경화능시험으로서 KS규격에도 규정되어 있고, 또 전자의 『임계직경에 의한 방법』은 전술한 냉각제의 냉각능 H와 함께 잘 연구되어 화학조성으로부터 강의 경화능을 예상하는 방법까지 거의 확립되어 있다.

① 임계직경에 의한 경화능 표시방법
    경화능은 보통 퀜칭경화층의 깊이로서 결정한다. 이 때 경화층의 깊이를 결정하기 위해서 일반적으로 50%마르텐사이트조직의 경도인 HRC 50(HV=513)을 임계경도(臨界硬度, critical hardness)라고 하며, 중심부의 경도가 임계경도인 HRC 50을 나타내는 강재직경을 임계직경(臨界直徑, critical diameter)이라고 한다. 또한 강재표면으로부터 50%마르텐사이트 부분까지의 깊이를 퀜칭경화층깊이, 그리고 중심부의 조직이 50%마르텐사이트로 되는 강재직경을 이상임계직경(理想臨界直徑, ideal diameter)라고 한다. 50%마르텐사이트를 임계직경의 기준으로 선정하는 이유는 퀜칭된 환봉의 단면을 나이탈(nital)로 부식시키면 50%마르텐사이트-50%펄라이트 지역에서 경화부와 비경화부 사이의 부식濃淡의 차이가 매우 현저하고, 또 50%마르텐사이트 지역이 임계경도인 HRC 50에 거의 해당하기 때문이다.
     Ni-Cr강인 KS SNC 236강(JIS SNC 1강, AISI 3140강)을 수냉 및 유냉하였을 때 강봉 직경에 따른 중심부경도의 변화를 살펴보면 강재 직경에 따른 중심부경도의 급격한 변화는 임계경도인 HRC 50과 거의 근사하다는 사실을 알 수 있고, 또 이 임계직경은 냉각제의 종류에 따라 다른데 유냉시에는 1.25", 수냉시에는 1.83"로 수냉시가 크다는 것을 알 수 있다. 이 임계직경은 강의 화학조성과 결정립도에 따라서 결정되는 강 고유의 성질이며 경화능의 비교기준으로서 이용되고 있다.

② 일단(一端)퀜칭방법에 의한 경화능
     일단퀜칭방법에 의한 경화능시험(end-quench test)은 Jominy와 Boegehold에 의해 처음 시작되었다. 죠미니시험(Jominy test)이라고도 하며 기계구조용 탄소강 및 저합금강의 경화능시험에 많이 이용되고 있다.
     시험편은 직경 25mm, 길이 100mm의 원주상으로 되어 있고, 一端에 직경 28mm의 플랜지를 달고 있다. 시험장치는 일정한 유량 및 유속으로 물을 분출시켜 시험편 밑의 단면에만 분출된 물이 충돌해 그 일단만이 냉각되도록 되어 있다.
     분출되는 물의 강도를 일정하게 하기 위해서는 시험편을 올려놓지 않을 때의 자유높이를 65±10mm로 규정하여 이 자유높이가 일정하게 유지되도록 넘쳐 흐르는 장치를 이용하여 낙차를 일정하게 한 물탱크나 또는 물펌프를 사용한다. 시험편은 로중에서 정해진 온도로 가열을 한 후 꺼내어 5초 이내에 이 시험장치에서 분출되는 물에 의한 퀜칭이 되도록 한다. 시험편의 측면에서의 공기나 복사에 의한 냉각은 분수에 의한 하단부로부터의 냉각에 비해 무시할 수 있을 만큼 적으므로 시험편은 하단으로부터 위로 갈수록 점차 냉각속도가 작아진다. 즉 1개의 시험편에서 여러가지 냉각속도를 얻을 수가 있게 된다. 이렇게 해서 퀜칭이 끝난 시험편의 원주면을 축방향에 따라 깊이 약 0.4mm씩 연삭해서 평행한 2면을 만들고, 이 면을 퀜칭단으로부터 1.5mm씩 일정한 간격으로 경도를 측정하여, 퀜칭단으로부터의 거리에 따른 경도변화를 그래프에 나타낸다. 이 곡선을 경화능곡선(硬化能曲線, hardenability curve, H-curve), 또는 죠미니곡선이라 한다.
     한편 경화능을 나타내는데에는 경화능곡선 이외에도 경화능지수를 사용할 수 있는데, 이것은 퀜칭단으로부터 일정거리에서의 경도 또는 일정경도에 대한 퀜칭단으로부터의 거리이다.
     경도시험에서 특정경도를 지정하는 경우 보통은 마르텐사이트와 미세펄라이트가 50%씩인 위치의 경도를 택할 때가 많다. 그것은 조직이 100% 마르텐사이트 부분으로부터 미세펄라이트로 변화되는 도중 50% 마르텐사이트 부근이 가장 급격하게 조직이 변화되는 부분이며, 이에 따라 경도변화도 현저하므로 경도곡선이나 조직관찰로부터 50% 마르텐사이트가 존재하는 위치를 결정하는 것이 쉽고 오차도 적기 때문이다. 그러나 미세펄라이트가 혼합되어 있으면 기계적성질은 좋지 않으므로 큰 힘이 가해지는 부분은 적어도 90% 이상의 마르텐사이트조직이 되도록 퀜칭하는 것이 바람직하다.
     더우기 일단퀜칭시험에서는 일정한 치수의 시험편을 일정한 방법으로 퀜칭하므로 그 특정부분의 냉각속도는 항상 같고, 그 값은 각 부분에 대하여 측정되어 있다. 따라서 여러가지 직경의 환봉에 대하여 물이나 기름에 퀜칭했을 때의 냉각속도를 측정해두면 일단퀜칭시험편의 각 부분의 냉각속도와 대응시킴으로 일단퀜칭시험의 결과로부터 환봉의 퀜칭경화층 깊이를 예측할 수 있다.