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６.기계 구조용 강의 담금질뜨임
(1) 소입 조건의 선정
기계 구조용 강이 가지고 있는 최고의 특성을 발휘시키기 위해서는, 이상적이로는 담금질에 의해서 완전한 마르텐사이트 조직으로 하는 것이다. 기계 구조용 강철은 모든 것이 아공석강이므로, 적정 담금질 온도는 A3변태 온도보다 30~50℃높은 온도이며, 강종이 정해지면 스스로 담금질 온도도 예상이 된다. 생각같아서는 열처리물이 대물인 경우는 높은 온도를 선정하면 좋다. 왜냐하면, 대물은 담금질 후 냉각 시의 냉각 속도가 늦어지기 때문에 열처리에 들어가기가 어려워지지만, 높은 온도로 가열하면 담금질성이 향상되기 때문에, 열처리에 들어가기 쉬워 유리하게 되기 때문이다.또, 담금질냉각 시에 물과 같은 냉각성능이 높은 냉각제를 사용하는 경우는 낮은 온도를 선정해, 냉각능이 작은 냉각제를 사용하는 경우에는 높은 온도를 선정하면 좋다.
예를 들면, S45C의 A3변태 온도는 780℃위이기 때문에, 담금질 온도 범위는 820~870℃이 이상이다.그림 1.8에 각 온도로부터 담금질했을 때의 S45C(직경 25 mm, 높이 15mm)의 현미경 조직 사진을 나타내듯이, 이 담금질 온도 범위로부터 담금질했을 경우에만 정상적인 마르텐사이트 조직이 얻어지고 있다. 이하 그림 1.8을 이용해 각 온도로부터 담금질했을 때의 금속 조직과 특성을 설명한다. 덧붙여 이 내용에 대해서는 동치수의 다른 기계 구조용 강에서도 거의 같은 결과를 얻을 수 있다.또, 열처리물의 크기가 다르면, 강종간의 질량 효과도 다른 것을 고려해야 한다.
그림 1.8 여러 가지의 온도로부터 담금질한 S45C의 현미경 조직
① A1변태 온도와 A3변태 온도의 중간의 온도(750℃)로부터 담금질했을 때
금속 조직은 마르텐사이트와 페라이트(사진에서는 백색부)의 혼합 조직이며, 충분한 담금질 경도는 얻을 수 없다.평형 상태도에도 분명하게 나타난 것 처럼, 이 온도에 있어서의 가열 상태에서는 오스테나이트와 페라이트의 혼합 조직을 나타내고 있다. 이 상태로부터 급냉하면 오스테나이트는 마르텐사이트에 변태 해 경화하지만, 페라이트는 그대로 실온까지 유지되어 버린다.
② 적정 온도(850℃)로부터 담금질했을 때
이 온도로 가열하면 완전한 오스테나이트 조직이 되기 위해, 급냉에 의해 정상적인 마르텐사이트 조직이 얻어지고 있다.그러나, 이 온도로부터 담금질해도 냉각 속도가 늦어지는(실온의 기름에 의한 냉각)와 마르텐사이트 외에 미세 펄라이트(사진에서는 흑색부)도 관찰된다.미세 펄라이트란, 냉각 과정에서 시멘타이트가 석출한 것으로, 일종의 불완전 담금질부이며, 담금질 경도의 저하나 경도구역의 원인이 된다.
③ 적정 온도보다 100℃높은(950℃)로부터 담금질했을 때
이 온도로 가열하면 완전한 오스테나이트 조직이 되어 있지만, 가열 온도가 너무 높기 위해, 급냉에 의해서 조대화한 마르텐사이트 조직이 얻어지고 있다.이 마르텐사이트는 라스마르텐(판 모양 마루텐사이트) 이라고 칭해지는 것으로, 담금질 경도는 가장 높지만 기계적 성질은 무르고, 소분열도 생기기 쉽기 때문에, 이 온도는 S45C의 담금질 조건으로서는 부적당하다.
이상의 내용은 직경 25 ｍｍ, 높이 15 ｍｍ이라고 하는 매우 작은 시험편 때에 말할 수 있는 것이다. 즉, 시료의 질량이 증가하면 냉각 속도가 늦어지기 때문에, 담금질성이 나쁜 재료는 그림 1.8과 같은 담금질 온도에 의존한 이상적인 금속 조직을 얻는 것은 곤란하다.특히 탄소강인 S45C 등은 직경이 25 mm여도 높이가 증가하면, 수냉을 실시해도 중심부는 이상적이로 경화하지 않는다.
일례로서 그림 1.9에 직경 25 ｍｍ, 높이 50 ｍｍ의 S45C에 대해서, 여러 가지의 냉각제를 이용해 담금질했을 때의 표면 및 중심부의 경도를 나타낸다.수냉을 실시해도 중심부의 경도는 표면보다 큰폭으로 낮은 값으로 되어 있어, 한층 더 냉각제가 소금(SQ)이나 기름(OQ) 때는 표면 경도도 낮은 값이 되어 있다.비교를 위해서 동일 치수의 SCM435에 대해서도 같은 시험을 실시했는데, 모든 냉각제에 대해서 중심부까지 경화하고 있어, S45C보다는 큰폭으로 담금질성이 우수한 것이 확인되었다.또, 본 도면에 있어서는 냉각제마다 냉각능의 차이도 명확하게 나타나고 있어 물, 소금, 기름의 순서로 냉각성능이 우수하다고 말할 수 있다.
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