조질 처리(Quenching and Tempering)의 요점

강의 열처리에는 담금질, 뜨임, 노멀라이징(Normalizing), 어닐링(Annealing) 등 여러 종류가 있으나 이중에서 조질 처리가 열처리의 핵심이라 할 수 있다.

아래에 강재의 조질 처리시 간과하기 쉬운 것 중 실무적으로 필요한 사항들을 정리해 본다.

1) 탄소강과 합금강은 어떻게 다른가?

합금강은 합금원소가 포함되어 있어 열처리 없이도 사용할 수 있다는 생각은 틀린 생각이다. 일반구조용강이나 용접구조용강과 같이 열처리하지 않고 사용함을 원칙으로 하는 강과는 달리 탄소강, 합금강은 열처리하여 사용한다. Mn, Ni, Cr, Mo 등의 합금 원소가 첨가된 강은 열처리에 의해 그 특성이 비로서 발휘되며 탄소강으로 열처리시 목적하는 경도를 얻지 못했을 때 합금강으로 무조건 바꾸는 것도 바람직하지 못하며 제품의 크기와 요구 물성치를 고려해야 한다.

2) 합금강이 탄소강보다 인장강도가 큰가?

철강 핸드북에서는 확실히 탄소강보다 합금강이 일반적으로 강도가 크다고 나와 있다. 그러므로 그렇게 생각하는 것도 무리는 아니다. 그러나 강도가 큰 것은 재질 때문이 아니고 경도값이 다르기 때문이다. 조질후의 경도를 같게 하여 비교하면 합금강도 고탄소강도 강도는 거의 같다. 즉 강도는 재질로써 결정되는 것이 아니고 경도 및 조직으로서 결정된다는 사실이다.

3) 합금강이 탄소강보다 담금질 경도가 큰가?

담금질 경도는 강의 C%에만 의존하는 것으로 C%가 많은 쪽이 경도가 크게 경화된다. 담금질로 최대의 경도를 얻는 상한치는 대략 0.6 C% 정도가 된다. Mn. Cr, Ni, Mo등의 합금원소는 주로 경화 심도를 깊게 하기 위해 첨가하는 것이다. 경화심도를 크게하는 성질을 경화능이라 한다. 따라서 SCM435가 SM45C보다 경화능은 크지만 최대 경도는 작다.

4) 경도가 크면 취약하고 연성이 크면 인성도 크게 되는가?

이것은 틀리는 말이다. 경도가 크면 취약해지지만 그렇다고 해서 연한 것이 곧 인성이 큰 것은  아니다. 재료가 연해지면 인성은 크게 되나 인성이 반드시 증가하지는 않는다. 인성은 조질 처리를 할 때 얻어지는 성질이다. 인장시험에서는 연성을 알고 충격시험에서는 취성을 아는 것이다.

5) 같은 재질이면 재료의 크기에 관계없이 같게 경화되는가?

그렇지 않다. 담금질 경화는 부품이 클수록 나빠진다. 이와 같은 것을 질량 효과(Mass Effect)라 한다. 어느 크기 이상이 되면 표면에서는 경화가 되지만 내부에서는 냉각속도가 늦어져서 경화가 되지 못하고 만다. 이와 같이 경화가 나빠지는 정도를 좌우하는 것은 각각의 강의 경화능으로서 경화능이 나쁜 S-C재는 경화능이 좋은 SCM재보다 질량효과가 크다라고 표현된다.

6) SM40C에서도 직경이 25mm라면 중심까지 경화되어지는가?

공구용 탄소강의 조성에 가까운 SM55C라면 그렇게 말할 수도 있으나 SM40C정도의 C%에서는 직경 25mm의 중심부 경도는 HRc30 정도가 된다. 일반적으로 탄소강은 표면으로 부터 수mm밖에 경화되지 않는다.

7) 도면상 지정하는 각종 규격에 명시된 값으로 정해도 좋은가?

설계자들 중에는 소요강도에서 일단 재질을 정하면 그 재질에 대응하는 규격의 경도를 그대로 설계도면에 기재하는 경우가 있다. 이것은 큰 잘못이다. 규격에 써있는 강도나 경도는 그 재질의 특성이 아니라 직경 25mm의 공시재를 조질 처리할 때의 값(탄소강의 경우)으로  그 재질 고유의 값은 아니며 열처리 방법에 따라 변동하는 값이다.
부품을 설계할 때는 강도를 필요로 하는 부위를 결정하고, 필요강도를 만족하기 위해서는 경도를 얼마로 하면 좋은가를 결정한다. 또한 이 경도를 확보하기 위해 질량효과를 고려하고 어떤 재질로 하면 좋은가를 결정하는 것이다. 이때 충분히 경화능이 우수한 강을 선택하는 것이 필요하다. 충분히 담금질한 것을 템퍼링해야만 가장 우수한 피로 성질과 인성을 확보하게 되는 것이다.

8) 담금질한 재료의 강은 가장 경하고 가장 강한가?

일반적으로 강의 경도와 강도는 비례관계가 있어 경하면 강하다고 본다. 그러나 담금질한 그대로의 강은 경도는 크지만 그에 비해서 취약하다(취성이 크다).  또한 담금질한 채 방치한 강의 경도는 높지만 인장강도가 낮으며 이는 담금질에 의한 잔류 응력이 존재하기 때문인 것으로 알려지고 있으며 템퍼링 온도가 200℃ 이상이 되면 잔류 응력의 50%이상이 제거되기 때문에 경도와 강도의 비례 관계가 이루어 진다. 따라서 담금질한 후 반드시 200℃이상으로 템퍼링을 해 주어야 한다.

(9) 탄성률 값은 담금질에 의해 커지는가?

탄성률(E)은 영률(Young's Modulus)이라고도 불리우며, 인장시험의 응력-변형률 관계에서의 기울기에 해당한다. 현장에서는 강성이라고도 한다. E값은 강의 성분에 의해 다소 틀리지만 대체로 21,000kgf/mm²이라고 한다. 담금질하여 경화되면 E값이 커진다고 생각하고 있는 사람들이 있지만 응력-변형률 직선의 기울기는 거의 변하지 않는다. 오히려 담금질하여 경화되면 E 값은 다소 적어지지만, 탄성한도나 항복점은 높아진다. 그렇기 때문에 소성변형은 어렵게 된다. 부연하면 E 값이 큰 금속은 초경합금에서 E=60,000kgf/mm² 이다. 

(10) 강은 급가열하면 균열이 생기는가?

강은 급속가열만으로는 균열이 생기지 않는다. 급속가열로 표면은 온도가 상승하여 팽창하지만, 내부는 아직 상온이기 때문에 압축응력을 받게 된다. 표면과 내부가 팽창의 차에 의해 불균형을 이룬다. 표면은 온도가 높고 연화되어 있으므로 소성변형도 일어날 수 있으나, 균열은 일어나지 않는다. 그러나 가열된 강이 냉각되어 가면, 이번에는 표면이 역으로 인장응력을 받게 되기 때문에 균열이 일어난다. 다시 말하면 급속가열에서는 균열이 일어나지 않고 급열 후 냉각할 때에 균열이 일어나는 것이다.
새빨갛게 가열된 부품은 어떠한 냉각수나 얼음에 넣어도, 넣는 순간에는 오스테나이트 조직으로 연하고 점성을 지니므로 균열은 일어 나지 않고 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하여 수축으로부터 팽창으로 역전할 때 균열이 생성되는데 이것이 담금질 균열이다.
 
(11) 조질후의 기계적인 성질은 경도만으로 평가되는가?
 
불완전 담금질에서는 템퍼링 후의 경도가 적절한 경우 보증될 수 있는 것은 인장 강도뿐이다. 담금질이 불충분한 것은 템퍼링 후의 경도가 완전 담금질된 것과 같다고 하여도 항복강도, 연신율, 비틀림, 충격치, 피로강도 등은 담금질이 잘 된 것보다 열악하다.
 
(12) 경화는 중심부까지 잘 되는 것이 가장 바람직한가?

볼트 등과 같이 축방향에 인장력을 받는 부품이라면, 단면 전체에 균일하게 경도가 나오도록 경화시키는 일이 중요하다. 그러나 중심까지 경도가 나오도록 경화시키는 것은 경화능이 좋은 강을 사용하는 것 이외에, 소직경의 것은 몰라도 일반적으로 어렵다. 그러나 일반적으로 기계부품은 휘는 힘이나 뒤틀리는 힘을 받는 일이 많은데, 이러한 힘들이 중심부에 미치는 응력은 거의 없으므로, 표면만 높은 경도가 얻어지도록 경화가 되어지면 충분한 경우가 많다. 고주파경화나 침탄경화 또는 5-C재를 사용한 표면경화는 이러한 목적에 대응한 경화법으로 알려져 있다. 뿐만아니라 표층닥에 압축응력이 잔류하기 때문에 담금질 균열방지, 피로강도의 점에서도 유리하다.

(13) 담금질 온도란 담금질액에 투입하는 온도인가?

담금질 온도란 담금질하기 위한 최고 가열온도(오스테나이트화 온도)이며, 담금질하는 온도, 즉 담금질액에 들어가는 온도와는 차이가 있다. 담금질액에 들어가는 온도가 급냉 온도가 되는 것이다. 따라서 담금질 온도와 급냉온도는 다르다
 
(14) 담금질을 다시 하는 횟수는 2회까지는 허락될 수 있는가?

담금질하였는데 경도가 나오지 않을 때, 템퍼링하여 너무 연화되었을 때는 2회를 한도로 하여 담금질을 다시 반복하여도 좋다. 그 이상이 되면 실험결과 균열발생 가능성이 매우 높아지므로 지양하는 것이 바람직하다.