◆  특수 열처리

(1) 가공열처리
     가공열처리(加工熱處理, thermo-mechanical treatment)란 소성가공(plastic working)과 열처리를 결합시킨 처리방법으로서, 이 방법은 보통의 열처리나 또는 소성가공을 독립적으로 사용했을 때 얻어질 수 없는 조직과 기계적성질을 얻고자 할 때 사용된다.
     통상의 열간가공은 비교적 고온의 오스테나이트 영역에서 행하여지지만 최근 강의 강도와 인성을 향상시키기 위해 저온의 오스테나이트 영역에서, 또는 변태중이나 변태완료후에 가공을 행하므로써 바람직한 미세조직을 얻는 여러가지 처리법이 개발되어 주목을 끌고 있다.
     이와 같은 가공열처리 방법은 고장력구조용강의 강도와 인성을 향상시키는 매우 중요한 방법으로서, 그중에서도 고장력저합금강(高張力低合金鋼, high strength low alloy steel : HSLA)의 제어압연(制御壓延, controlled rolling)은 널리 실용화되고 있다.

1) 안정한 오스테나이트 영역에서의 가공열처리
     이 방법은 통상적인 열간가공에 가깝지만, 열간단조나 열간압연후 즉시 퀜칭을 행하므로써 경화능을 향상시켜서 강도와 인성의 개선을 꾀하는 처리이다.  제어압연에서도 안정한 오스테나이트 영역에서 가공을 행하지만 이것에 대해서는 후술하기로 한다.

2) 오스포밍에 의한 강화
     대표적인 가공열처리 방법의 하나로서, 과냉(준안정)오스테나이트를 500℃ 부근에서 가공한 후 급랭함으로써 연성과 인성을 그다지 해치지 않고 강도를 대폭적으로 향상시킬 수 있다.  오스포밍에 의한 강화는 준안정 오스테나이트의 가공에 의한 마르텐사이트와 셀구조(cell structure)의 미세화에 기인하므로 탄소량이 적은 강에서는 강화를 기대할 수 없다.

3) 마르에이징강의 가공열처리
     C를 함유하지 않은 마르에이징형 강력강에서는 오스테나이트의 가공에 의한 미세화로 강도의 상승을 기대할 수 없지만 연성과 인성이 향상된다. 특히 Co, Mo 및 Ti 등을 다량 함유한 인장강도 280kg/mm₂ 이상의 초강력 마르에이징강에서는 가공열처리에 의한 오스테나이트 결정립의 미세화가 파괴인성을 개선하는데에 매우 효과적이다.

4) 마르텐사이트 변태중의 가공
     오스테나이트계 스테인리스강이나 고Mn강에서는 Ｍs점 이상의 온도에서 가공할 때에도 마르텐사이트를 형성시키지 않고 변형되어 현저하게 강화된다.

5) 페라이트 펄라이트 변태중의 가공
     경화능이 그다지 크지 않은 저합금강을 변태점 영역에서 가공하는 조작을 아이소포밍(isoforming)이라고 부르는데, 이때 미세한 페라이트 결정립과 구상탄화물의 분산석출된 조직이 얻어지므로 강도와 인성이 향상된다. 근래의 제어압연강도 이 강화법을 이용하고 있다.

6) 펄라이트의 가공에 의한 강화
     공석강에 가까운 0.7∼0.9%C강을 70∼90%로 냉간가공하면 300kg/mm2 이상의 높은 인장강도가 얻어진다. 이것이 피아노선으로서, 높은 강도와 우수한 피로특성을 이용하여 와이어 로프, 스프링, 프리스트레스트 콘크리트용 강선 등에 사용되고 있다. 이것은 심한 냉간가공을 행하여야 하므로 전처리로서 오스테나이트화처리후 500℃정도에서 항온변태시키는 파텐팅(patenting)처리가 필요하다. 이 열욕담금질법에 의해 미세균일한 펄라이트(소르바이트)조직이 얻어져서 연성이 커지므로 냉간가공성이 향상된다.
     피아노선을 스프링으로서 사용하기 위해서는 냉간가공후 블루잉(bluing)이라고 부르는 350℃정도의 저온가열을 행한다. 이 처리로서 국부적인 변형의 제거, 시효경화현상에 의한 탄성한계의 상승, 또한 피로특성이 현저하게 개선된다.

7) 제어압연-제어냉각에 의한 강화.
     Nb, V 및 Ti 등을 미량첨가한 저탄소의 비조질 고장력강에서 열간압연과 냉각과정을 정밀하게 제어하면 압연상태에서 높은 강도와 인성을 얻을 수 있게 된다.  이 방법을 사용하면 공정단축에 의한 원가절감효과가 있으므로 크게 주목을 받고 있다. 제어압연-제어냉각에 의한 강인화기구는 다음과 같다.

① 압연전 slab의 가열온도를 가능한한 낮추어 압연전의 오스테나이트 결정립을 미세화시킨다.
② 오스테나이트 영역중 저온영역에서 충분한 가공을 행하여 재결정 오스테나이트 결정립의 미세화를 꾀한다. Nb, Ti 등의 합금원소를 미량 첨가하면 오스테나이트 결정립의 재결정성장을 억제해서 결정립미세화를 용이하게 한다.
③ 특히 Ａr3 변태점 직상의 未재결정영역에서 가공을 행하면 오스테나이트 결정립은 길게 연신되고 동시에 결정립내에 변형대(變形帶)를 형성한다. 연신된 결정립계 및 결정립내의 변형대 경계는 페라이트 핵생성장소로 제공되므로 극히 미세한 페라이트 결정립이 얻어진다.
④ Ａr3 변태점 이하의 2상영역까지 가공을 계속하면 미변태 오스테나이트 결정립은 보다 더 연신되고, 도입된 변형대의 밀도도 높아진다. 한편 변태가 완료된 페라이트 결정립내에는 가공에 의해 전위밀도가 높은 아결정립(亞結晶粒, sub-grain)이 형성되어 미립화가 더욱 진행된다.
⑤ 제어압연 종료후 적당한 속도로 가속냉각(수냉)하거나 급랭하는 도중에 공랭하는 등의 제어냉각을 행하므로써 강도의 대폭적인 향상이 이루어진다. 이것은 페라이트 결정립 자체의 강화, 미세화 및 펄라이트(베이나이트)분율의 증가에 기인하는 것이다.

     인장강도 50kg/mm²급의 고장력강의 경우, 기본성분은 0.07∼0.15%C, 0.8∼1.5%Mn으로서 철강회사에 따라 큰 차이는 없지만 Nb, V, Ti, REM(희토류원소)의 미량첨가, Cu, Ni, Cr, Mo 등의 소량첨가 및 전술한 ①항에서 ⑤항까지의 각 공정의 온도, 가공도, 냉각속도 등의 선택은 회사에 따라 다르다.
     이러한 강재를 TMCP(thermo-mechanical control process)강이라고 부르고 있는데, 이 TMCP강의 최종압연온도와 강도, 인성의 관계를 보면 가공온도의 저하에 따라 강도는 향상되지만, 인성치에는 최대치가 존재하여 Ａr3점 이하 40℃의 온도영역(2상공존영역)에서 가공할 때가 가장 우수한 인성을 나타낸다. 또 Nb강은 Nb를 함유하지 않은 Si-Mn강에 비해 저탄소임에도 불구하고 높은 강도가 얻어지며, 특히 Ａr3점 직하에서 가공시에 현저한 강도증가가 일어난다.
     단 Ａr3점 이하의 가공에서는 판두께 방향으로 항복점 이상의 큰 힘이 작용하는 경우 가공온도의 저하, 가공도의 증가와 함께 판두께 방향으로 박리되는 "separation" 이라 불리우는 결함이 발생하기 쉬우므로 이런 경우에는 가공온도를 낮게 할 수 없다.

(2) 오스템퍼링
     오스테나이트 상태로부터 Ｍs 이상의 어느 온도로 유지되어 있는 열욕(熱浴, hot bath)으로 퀜칭하여 과냉  오스테나이트가 베이나이트로 변태완료하기까지 항온유지한 후, 공기중으로 냉각하는 과정을 오스템퍼링(austempering)이라고 한다. 따라서 이 열처리에서는 템퍼링처리를 별도로 할 필요가 없다. 또한 그림에서 보는 바와 같이 베이나이트로 변태하기 전에 강재 중심부와 표면의 온도가 동일해지므로써 강재내에 열구배가 없기 때문에 처리도중에 내부응력을 최소화 할 수 있다.
     따라서 이 방법에 의하면 퀜칭변형과 균열을 방지할 수 있게 되고, 또한 이 처리에 의해서 형성된 베이나이트 조직은 퀜칭.템퍼링된 강재의 조직보다 인성이 매우 우수해진다.
     일반적으로 오스템퍼링처리가 퀜칭.템퍼링처리보다 인성과 연성을 향상시키는데 크게 기여하는 것을 알 수 있다. 물론 이 강의 P함유량이 비교적 많고(0.044%), 템퍼링온도도 315℃이므로 전술한 템퍼링취성에 의해서 어느정도 인성이 저하되었다는 사실을 간과해서는 안된다.  

(3) 마르퀜칭
     오스테나이트 상태로부터 Ms 직상의 열욕으로 퀜칭하여 강의 내외가 동일한 온도가 되도록 항온유지한 후, 과냉 오스테나이트가 항온변태를 일으키기 전에 공랭시켜서 마르텐사이트 변태가 천천히 진행되도록 하는 처리방법을 마르퀜칭(marquenching)이라 한다.
     마르퀜칭의 경우 강재의 표면과 중심부의 온도는 Ms온도 직상의 유지온도까지는 서로 다른 속도로 냉각되지만 공랭시 마르텐사이트로 변태하는 도중에는 내외부의 온도차이가 없다. 따라서 이 방법에 의하면 수냉한 마르텐사이트보다는 경도가 다소 저하되지만, 변태후 내부응력이 최소화되므로 열처리 균열이나 변형의 가능성이 매우 적다는 것이 큰 장점이다.
     이 처리시 Ms점 이하의 열욕을 사용하는 경우나 열욕으로부터 꺼내어 서냉하는 경우에 비교적 높은 온도에서 변태된 마르텐사이트는 부분적으로 템퍼링되어 있지만 대부분의 마르텐사이트는 템퍼링되어 있지 않으므로 이 처리후에는 필히 템퍼링을 실시해야만 한다.
     고탄소강, 게이지강, 베어링강 등과 같이 수냉 또는 유냉하면 균열이나 변형을 일으키기 쉬운 강종에 이 방법이 적합하다.

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