◆ 템퍼링

(1) 목적

     강재는 퀜칭상태 그대로 사용하는 일은 거의 없고, 보통 반드시 템퍼링을 한다. 그 이유로서는 다음과 같은 것을 들 수 있다.

① 퀜칭시에 형성되는 내부응력(內部應力, internal stress) 때문에, 연삭 등의 다듬질 가공을 하면 응력의 균형이 달라져 변형이나 균열을 발생시킬 수 있고, 또 그대로 사용하면 시간이 경과함에 따라 응력이 완화되는 동시에 변형이 나타나게 된다.
② 마르텐사이트조직은 일반적으로 매우 단단하기 때문에 취약한 성질을 갖고 있다. 또한 높은 경도에 비해 인장강도가 반드시 높다고 할 수는 없으며, 항복점이나 탄성한계도 낮다. 이들의 경향은 탄소량이 많은 강일수록 심하다. 따라서 용도에 따라 적당한 인성을 유지하기 위해서 템퍼링을 해야만 한다. 특히 기계부품으로서 사용하기 위해서는 충분한 인성이 필요하기 때문에 500∼650℃ 정도의 고온에서 템퍼링을 한다. 이것은 템퍼링 마르텐사이트조직이 강도와 인성의 겸비라는 점에서 미세펄라이트보다 우수하기 때문이다.
③ 마르텐사이트는 조직은 불안정하여 과포화로 고용해 있는 탄소가 탄화물로서 석출하려는 경향이 강하고 여기에 수반해서 체적의 수축이 일어난다. 또 잔류오스테나이트가 함유되어 있는 경우에는 이것이 사용중에 마르텐사이트로 변태하여 체적의 팽창을 일으킨다. 이와 같이 마르텐사이트도 잔류오스테나이트와 같이 상온에서는 불안정하여 시간에 따라 상변화를 일으켜 부품의 형상이나 치수에 오차를 일으키므로 정밀한 공구나 기계부품 등에서는 주의해야만 한다. 150∼200℃에서의 템퍼링으로 경도를 크게 저하시키지 않고도 이와 같은 조직의 불안정성을 다소 제거할 수 있다.
이상과 같은 이유로부터 템퍼링을 한마디로 정의하면 퀜칭에 의해 형성된 불안정한 조직을 안정한 조직으로 변태시킴과 동시에 잔류응력을 감소시키고, 특히 인성을 개선시키기 위하여 A1점 이하의 적당한 온도로 가열유지 및 냉각하는 조작이라고 말할 수 있다.

(2) 방법

① 저온템퍼링
공구강 등과 같이 높은 경도와 내마모성을 필요로 하는 경우에는 주로 150∼200℃의 저온템퍼링을 해서 마르텐사이트 특유의 경도를 떨어뜨리지 않고 치수안정성과 다소의 인성을 개선시키고 있다. 템퍼링시간은 25mm 두께당 30분 유지하는 것이 일반화되어 있고, 템퍼링온도로부터의 냉각은 공랭을 한다.
② 고온템퍼링
기계구조용강 등과 같이 높은 인성을 필요로 하는 경우에는 400∼650℃의 온도범위에서 고온템퍼링을 실시하고 있다. 이와 같이 퀜칭.템퍼링에 의해서 인성을 향상시키는 열처리를 조질(調質)이라고도 부르고 있다.
템퍼링온도로부터의 냉각은 급랭(수냉이나 유냉)을 해야만 한다. 서냉을 하는 경우에는 후술하는 템퍼링취성(temper embrittlement)이 나타나기 때문이다.

(3) 템퍼링에 의한 조직과 성질의 변화
     퀜칭상태의 마르텐사이트조직은 매우 불안정하고, 필라이트나 페라이트에 비해 현저하게 硬하다는 것은 이미 여러번 기술한 바 있다. 따라서 템퍼링의 목적은 전술한 바와 같이 퀜칭상태의 불안정한 마르텐사이트조직을 안정한 조직인 페라이트와 시멘타이트로 변화시키는 동시에 인성을 향상시키기 위한 것이다. 각 온도에서 탄화물이 석출되면 처음에는 경도가 약간 저하되지만 궁극적으로 커다란 감소를 가져온다. 잔류오스테나이트의 변태로써 어느 정도 경도에 기여하지만 이것은 기껏해야 탄화물석출에 의한 경도감소를 약간 지연시키는 효과밖에 없다. 따라서 템퍼링온도가 상승함에 따라 경도는 급격히 감소하게 된다.

(4) 템퍼링취성
     템퍼링온도가 높아짐에 따라 보통 경도와 인장강도는 감소하고, 연신율과 단면수축율 등은 증가되는 것이 일반적인 경향이다. 그러나 이와 함께 인성도 증가한다고 단언할 수는 없다.
     실제로 어떤 특정한 온도범위에서 템퍼링하면 그 이하의 온도에서 템퍼링할 때보다 현저하게 취화되므로써 취성파괴(脆性破壞, brittle fracture)를 일으키는 일이 있다. 또 템퍼링온도로부터 서냉할 때에도 이와 같은 현상이 일어날 수도 있다. 이와 같이 퀜칭한 강을 어떤 온도에서 템퍼링을 했을 때 그 이하의 온도에서 템퍼링했을 때보다 오히려 취약하게 되는 현상을 템퍼링취성(temper brittleness)이라 한다.
     따라서 실용강의 열처리시에는 이 점에 충분히 주의할 필요가 있고, 취화가 일어나지 않도록 적당한 템퍼링조건을 선택하여야 하며, 또 이것을 피할 수 없는 경우에는 그 위험성이 적은 다른 강종으로 변경하는 것이 바람직하다.
템퍼링취성은 300℃ 전후의 온도로 템퍼링한 경우에 나타나는 것과 보다 고온의 500℃ 혹은 그 이상의 온도로 템퍼링했을 때 나타나는 것의 2종류가 있는데, 전자는 저온템퍼링취성, 후자는 고온템퍼링취성이라 이름하고 있다.

① 저온템퍼링취성

     일반적인 탄소강에 대하여 템퍼링온도에 따른 경도와 충격값의 변화를 살펴보면 경도는 템퍼링온도의 상승과 같이 단순하게 저하되어 가지만 충격값은 200℃까지의 템퍼링시에 일단은 증가하다가 200∼400℃에서는 오히려 현저하게 감소되고 있다. 이 온도범위에서는 경도나 인장시험결과에 이 취화와 대응하는 특별한 변화가 나타나지 않는다. 이 현상은 인(P)이나 질소(N)를 많이 함유한 강에 확실히 나타나고, 반대로 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 붕소(B) 등을 첨가하면 취화가 적어진다.
     이 취성이 나타나는 온도범위가 마치 템퍼링 제 2 단계의 온도범위와 일치하기 때문에 잔류오스테나이트의 분해가 취화원인이라고 생각되는 경우도 있다. 따라서 이 현상을 A취성이라 할 때도 있다. 그러나 0.15%C의 저탄소강에서 오히려 충격값의 저하가 현저하게 나타난다는 것, 또 심랭처리로 잔류오스테나이트량을 감소시켜도 동일하게 취화를 나타낸다는 점으로 미루어 보아 오늘날에는 잔류오스테나이트의 분해에 의하여 취화가 일어난다는 설은 옳지 않다고 여겨지고 있다.
     그리고 현재도 역시 취성의 원인은 확실치 않지만 마르텐사이트의 템퍼링에 따라서 석출되는 매우 미세한 박판상 시멘타이트가 중요한 관계를 가지고 있다고 생각된다. 시멘타이트는 템퍼링 초기의 ε상으로부터 변해서 250℃ 부근에서 나타나기 시작하고 이것이 충분히 성장하면 인성은 증가하지만, 극히 미세한 간격을 가지는 어떤 특정한 크기가 되었을 때 강 전체를 취약하게 한다고 볼 수 있다.
     그 원인이야 어쨋든간에 이러한 취화현상을 피하기 위해서는 200∼400℃의 온도범위에서는 템퍼링을 하지 않는 것이 보통이며, 많은 공구강이나 베어링강 등의 템퍼링온도를 150∼180℃로 선정하는 것도 이러한 이유 때문이다.
단 Si를 강에 첨가하면 이 취성이 나타나는 온도가 상승하여 300℃ 정도의 템퍼링에서도 특히 취화가 나타나지 않으므로 스프링강나 초강인강 등에서는 규소를 함유한 강을 이 부근의 온도에서 템퍼링하여 강도와 탄성을 향상시키고 있다.

② 고온템퍼링취성

     고온템퍼링취성이라는 말은 보통 375∼575℃의 온도범위에서 템퍼링하거나 이 온도범위를 서냉한 시험편을 노치충격시험할 때에 노치인성의 감소, 즉 연성-취성 천이온도가 증가되는 현상을 말한다.
     Ni-Cr강을 400℃ 이상에서 템퍼링한 후 수냉시킨 경우와 서냉(노냉)시킨 경우의 충격값을 템퍼링온도에 대하여 살펴보면 450℃ 부근까지는 수냉 및 서냉시료 모두 급속히 인성이 증가하지만, 500∼550℃의 온도범위에서는 현저한 취화를 나타낸다. 또한 550℃ 이상에서는 수냉된 시료의 인성은 급속히 증가되지만 서냉시료는 수냉시료에 비해 대단히 취약하다는 것을 알 수 있다.
     이 현상을 고온템퍼링취성이라 하는 것으로, 보통 간단히 템퍼링취성이라 하면 이 현상을 말하는 것이다. 또 500∼550℃에서의 템퍼링으로 생기는 취성을 1차 템퍼링취성, 다시 높은 온도의 텀퍼링후 서냉시에 나타내는 취성을 2차 템퍼링취성이라 구별할 때가 있다. 그러나 이 양자는 본질적으로 완전히 같은 현상으로 생각해도 된다. 요컨대 500∼550℃의 온도범위는 취화를 일으키는 온도범위이기 때문에, 이 범위에서 템퍼링하든지 혹은 이 범위를 통해서 서냉하는 경우에는 현저하게 취화를 일으킨다고 해석해야 한다.
     이러한 취화는 0.6% 이상의 Mn(특히 1.5% 이상의 경우)을 함유한 망간강, 혹은 Cr 또는 Ni을 함유한 구조용 특수강에서 많이 나타나는 현상으로서, 저온템퍼링취성과 같이 인장시험결과나 그밖에 여러가지 물리적성질 등에는 거의 여기에 대응하는 변화는 확인되지 않고 오로지 충격시험의 경우에만 나타난다. 그러므로 충격적인 하중을 받는 기계부품에서는 이 취성에 특별히 주의해야 한다.
     또한 이 취화현상은 단순히 상온에서의 충격값의 감소를 야기시킬 뿐만 아니라 사실은 충격천이온도를 상승시키기 때문에 더욱 문제시 되는 것이다.
      Cr강(SCr 440)을 620℃에서 2시간 템퍼링한 다음 급랭한 경우와 노냉한 경우로 천이온도곡선을 살펴보면 템퍼링온도로부터의 냉각속도가 느린 노냉시편의 천이온도는 70∼80℃ 상승하는 것을 알 수 있다.
     이 고온템퍼링취성의 원인은 현재로서는 아직 확실하게 밝혀지지는 않았다. 그러나 조직시험이나 성분분석 등의 결과로부터 이 현상은 어떤 특정한 원소가 舊오스테나이트 결정립계(prior austenite grain boundary)에 편석됨으로써 일어난다는 것을 알 수 있었는데, 이들 원소중 가장 현저한 영향을 미치는 것은 Sb, Sn, P, As 등이다. 이러한 원소들은 매우 소량만 함유되어 있어도 템퍼링취성을 야기시킬 수 있게 된다. 특히 공업용강의 P함유량을 아무리 감소시켜도 템퍼링취성을 일으키기에 충분한 양이 된다.
     전에는 이러한 예민화원소들의 舊오스테나이트 결정립계 편석을 확인하지 못했으나 근래에 템퍼링취성을 일으킨 강의 파면에 대하여 Auger분석을 행하므로써 구체적으로 확인되었다. 실제로 템퍼링취성을 일으키는 조건으로 열처리된 강의 舊오스테나이트 결정립계에는 결정립내보다 200배 정도로 P의 농도가 크다는 것이 밝혀졌다. 더구나 이 고농도의 P가 약 10Å 두께내에만 존재한다는 것이다. 그러나 여러가지 분석방법을 사용해 보아도 결정립계에는 어떠한 취약한 상도 형성되어 있지 않다는 사실을 확인하였다.
     Ni-Cr강(SNC 236)을 860℃에서 오스테나이트화 처리후 유냉하고, 625℃에서 1시간 템퍼링처리후 서냉 및 수냉한 시편을 관찰해 보면 서냉한 조직에는 舊오스테나이트 결정립계를 따라 성분원소의 편석이 보여지지만 수냉한 조직에서는 그러한 흔적을 볼 수 없다.
     이러한 원인들을 분석해 봄으로써 고온템퍼링취성에 대한 방지책을 수립할 수 있다. 600℃ 이상의 온도에서 템퍼링하는 것, 그리고 템퍼링처리후 그 온도로부터 급냉시키는 것이 바람직하다.
     강도 문제 때문에 600℃이하의 템퍼링이 요구되는 경우도 있지만 이 경우에도 템퍼링에 의한 취화를 피하기 위해 좀더 높은 온도를 사용하도록 하고 그대신 템퍼링시간을 단축시키면 되는 것이다.
     단 치수나 두께가 큰 강재부품은 템퍼링후 급랭해도 중심부의 냉각속도가 느리기 때문에 취화를 피할 수 없는 경우도 있다. 그러나 이 때에는 Mo을 첨가하면 템퍼링취성을 방지할 수가 있다.