심냉 열처리

왜 배우는가: 심랭처리는 퀜칭 후 남는 잔류 오스테나이트를 줄여 금형의 경도와 치수 안정성을 확보하는 대표적인 공정이다. 정밀 금형의 품질과 수명을 좌우하는 열처리 조건이므로 학습 초기에 원리를 정확히 익혀야 한다. 정의, 원리, 효과를 묻는 문항으로 시험에서 자주 나오는 개념이다.

출제 이력: 제135회 1교시 3번, 제115회 1교시 6번, 제97회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

심랭처리는 퀜칭한 강을 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시키는 열처리이다. 답안의 첫 줄은 이 정의로 시작하고, 이어서 경도 증가와 치수 안정화가 목적임을 한 문장으로 덧붙인다. 정의 뒤에는 원리, 효과, 적용 대상 순서로 이어 쓰면 채점 항목을 빠짐없이 채울 수 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 심랭처리: 퀜칭 직후 0℃ 이하에서 수행하는 열처리이며, 서브제로 처리라고도 한다.
• 잔류 오스테나이트: 퀜칭 후에도 마르텐사이트로 변하지 않고 상온에 남아 있는 오스테나이트 조직이다.
• 마르텐사이트: 오스테나이트를 급랭할 때 생기는 단단한 조직이다.
• Ms점: 퀜칭 중 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도이다.
• Mf점: 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도이다.
• 치수안정성: 사용 중에도 부품의 치수와 형상이 변하지 않는 성질이다.
• 경년변형: 시간이 지나면서 잔류 응력이 풀리며 생기는 치수 변화이다.
• 내마모성: 마찰과 마모에 견디는 성질이며 금형 수명과 직결된다.

2. 개념 풀이

심랭처리의 정식 정의는 필요한 금속의 조직이나 기계적 성질을 얻기 위하여 퀜칭한 강을 0℃ 이하의 온도로 냉각하는 처리이다. 영문으로는 sub-zero treatment라고 쓴다.

원리는 강의 변태 온도에 있다. 퀜칭하면 오스테나이트가 마르텐사이트로 변해 경화되는데, 탄소량이 증가하면 Ms점과 Mf점이 함께 낮아진다. Mf점이 상온 이하에 놓이면 퀜칭 후 상온에서도 변태하지 못한 잔류 오스테나이트가 남는다. 과공석강에서는 오스테나이트화 온도가 높을수록 탄화물이 많이 고용되어 잔류 오스테나이트가 늘어난다. 같은 강이라도 수냉보다 유냉을 하면 잔류 오스테나이트가 많아진다.

잔류 오스테나이트가 남으면 다음 문제가 생긴다.

• 경도 저하: 퀜칭 경도가 목표값보다 낮아진다.
• 치수 불안정: 오스테나이트가 사용 중 서서히 마르텐사이트로 변하면서 부피가 바뀌어 치수가 달라진다.
• 연마 균열: 연삭이나 연마 과정에서 균열이 생길 수 있다.

심랭처리는 이 문제를 해결하기 위해 퀜칭 직후 강을 저온으로 냉각해 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킨다. 절차는 다음과 같다.

• 퀜칭으로 강을 경화시켜 마르텐사이트를 주로 얻는다.
• 액체질소 등 저온 매체로 서서히 냉각하여 잔류 오스테나이트를 변태시킨다.
• 상온으로 되돌려 조직과 치수를 안정화한다.
• 템퍼링으로 인성을 확보한다.

그 결과 경도가 증가하고 경도가 고르게 되어 내마모성이 향상되며, 치수 안정성도 높아진다. 오스테나이트는 비자성이므로 마르텐사이트로 바뀌면 자성이 강해지는 효과도 나타난다. 다만 냉각 과정에서 열응력이 커져 균열 위험이 증가할 수 있으므로 형상과 냉각 조건을 함께 고려해야 한다.

Ms점: 퀜칭 중 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도이며, 탄소량이 많을수록 낮아진다.

Mf점: 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도이며, 이 값이 상온 이하이면 잔류 오스테나이트가 남는다.

템퍼링: 퀜칭 후 인성을 주기 위해 재가열하는 열처리이며, 심랭처리 뒤에 수행한다.

3. 등장 배경과 필요성

심랭처리는 퀜칭 후 남는 잔류 오스테나이트를 줄여 열처리의 목표를 달성하기 위해 적용되는 공정이다. 고탄소강과 고합금 공구강은 퀜칭 후 잔류 오스테나이트가 많이 남기 쉬우며, 10% 이상의 오스테나이트가 남는 강에서 효과가 뚜렷하다. 반대로 잔류 오스테나이트가 거의 없는 저탄소강에서는 심랭처리의 효과가 작다.