잔류 오스테나이트 영향과 제거 방안

왜 배우는가: 잔류 오스테나이트는 담금질 후 금형의 경도와 치수 안정성을 해치는 조직이어서 열처리 단계에서 제어해야 한다. 금형 파손과 치수 불량의 원인으로 자주 연결되므로 영향과 해소 방법을 함께 묻는 문제가 반복적으로 나온다. 원리와 해소 방법을 함께 익혀야 1교시 용어 답안과 2~4교시 논술 답안을 모두 쓸 수 있다.

출제 이력: 제138회 1교시 2번, 제132회 2교시 3번, 제91회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

잔류 오스테나이트는 담금질 후 마르텐사이트로 변태하지 못하고 상온에 남은 오스테나이트 조직이다.

이 개념은 열처리 조직, 담금질 조건, 치수 안정성을 함께 묻는 문제의 출발점이다. 답안을 쓰려면 다음 키워드를 함께 알아야 한다.

• 잔류 오스테나이트: 담금질한 강의 상온 조직에 남아 있는 미변태 오스테나이트이다.
• 마르텐사이트 변태: 급랭으로 오스테나이트가 확산 없이 체심정방격자 조직으로 바뀌는 변태이다.
• Ms온도: 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도이다.
• Mf온도: 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도이다.
• 담금질: 오스테나이트 상태에서 급랭하여 경도를 얻는 열처리이다.
• 심냉처리: 담금질 직후 상온 이하의 극저온으로 냉각하는 처리이다.
• 템퍼링: 담금질 후 가열하여 인성을 회복하고 잔류 오스테나이트를 분해하는 처리이다.

2. 개념 풀이

잔류 오스테나이트는 강을 오스테나이트 영역까지 가열한 뒤 급랭하는 담금질 과정에서, 마르텐사이트로 변태하지 못하고 상온에 그대로 남은 오스테나이트이다. 오스테나이트는 면심입방격자 구조로 탄소를 많이 고용하는 고온 상이며, 급랭하면 확산 없이 체심정방격자 구조의 마르텐사이트로 변한다. 이 변태가 완료되지 않은 부분이 잔류 오스테나이트가 되므로, 잔류 오스테나이트는 변태의 불완전성으로 정의된다.

마르텐사이트 변태는 시간이 아니라 온도에 의존하는 변태이다. 변태는 Ms온도에서 시작하여 Mf온도에서 끝나며, 온도가 Mf온도 아래로 충분히 내려가야 오스테나이트가 모두 마르텐사이트가 된다. 상온이 Mf온도보다 높은 강은 급랭을 해도 변태가 중간에 멈추므로 상온에 오스테나이트가 남는다. 상온이 Mf온도보다 높으면 오스테나이트가 반드시 잔류한다.

잔류량은 두 가지 요인으로 정해진다. 첫째, 강의 탄소량과 합금 원소량이다. 탄소와 Cr, Mn, Ni 같은 합금 원소는 Ms온도와 Mf온도를 낮추므로 잔류량을 늘린다. 둘째, 담금질 온도이다. 담금질 온도가 너무 높으면 오스테나이트에 탄소가 과도하게 고용되어 Mf온도가 더 낮아지므로 잔류 오스테나이트가 많아진다.

잔류 오스테나이트가 금형에 미치는 영향은 세 가지로 정리된다. 첫째, 연한 오스테나이트가 표면 경도와 내마모성을 떨어뜨린다. 둘째, 사용 중 온도와 응력에 의해 마르텐사이트로 변태하면서 치수가 변한다. 셋째, 변태 과정에서 내부 응력이 생겨 균열이나 변형의 원인이 된다. 마르텐사이트는 오스테나이트보다 부피가 약 4.4% 커지므로, 변태량이 많을수록 치수 변화도 크다.

잔류 오스테나이트를 줄이는 대표 방법은 심냉처리와 템퍼링이다. 심냉처리는 담금질 직후 템퍼링 전에 드라이아이스 수준(약 -80℃)까지 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 바꾸는 처리이다. 심냉처리의 효과는 담금질 후 오스테나이트가 10% 이상 잔류하는 강에서 뚜렷하다. 잔류 오스테나이트 양은 X선 회절법이나 자기적 방법으로 측정하며, 이 측정값이 심냉처리 필요 여부를 정하는 근거가 된다.

템퍼링은 담금질 후 가열하여 마르텐사이트에 인성을 주고, 잔류 오스테나이트를 분해하거나 마르텐사이트로 변태시키는 처리이다. 고속도강과 고합금 공구강은 약 500℃ 부근에서 템퍼링할 때 잔류 오스테나이트가 냉각 중 마르텐사이트로 바뀌므로, 2~3회의 템퍼링을 반복한다. 이후 템퍼링은 앞 단계보다 10~30℃ 낮은 온도에서 실시해야 경도 저하를 막을 수 있다. 템퍼링 온도는 강종과 형상에 따라 다르므로 값 자체보다 원리를 기준으로 답안을 구성한다.

3. 등장 배경과 필요성

금형강과 고합금 공구강은 내마모성과 경도를 확보하기 위해 높은 온도에서 담금질한다. 이 과정에서 탄화물이 충분히 고용되어 경도는 높아지지만, 동시에 오스테나이트가 다량 남기 쉬워진다. 금형은 소재를 성형하는 틀이므로 치수 정밀도가 제품 품질을 직접 좌우한다. 따라서 담금질로 얻은 경도를 해치지 않으면서 잔류 오스테나이트를 제어하는 기술이 필요하게 되었다.