탄소강의 가열 조직 변화

핵심 정리

탄소강의 가열 조직 변화는 강을 가열할 때 온도와 탄소 함량에 따라 강 속의 상이 어떻게 바뀌는지를 다루는 단원이다. 상이란 조성과 구조가 같은 균일한 부분을 말하며, 가열하면 상이 변태점을 지나면서 다른 상으로 바뀐다. 변태점은 조직이 바뀌는 온도를 뜻하며, A1은 공석 변태가 일어나는 온도, A3는 아공석강에서 페라이트가 오스테나이트로 완전히 바뀌는 온도를 가리킨다고 익힌다. 열처리는 이렇게 가열로 상을 바꾼 뒤 냉각 방법으로 최종 조직을 정하는 과정이므로, 가열 단계의 상변화를 먼저 알아야 담금질·뜨임·풀림·불림을 구분할 수 있다.

가열에 따른 상변화의 순서가 이 단원의 뼈대이다. 탄소 0.6% 강을 가열하면 α+시멘타이트에서 α+γ, γ, γ+액상 순서로 상변화한다. 여기서 γ는 오스테나이트이다. 오스테나이트는 면심입방구조이며 성형성이 비교적 양호하다. 상변화가 일어나는 온도 구간을 알아야 냉각 뒤에 어떤 조직이 남는지를 판단할 수 있다.

탄소량의 기준선은 공석 조성이다. 탄소 0.5%를 포함하는 탄소강은 아공석강이다. 0.77% 탄소강을 A1 변태점 이하로 냉각하면 공석 변태가 일어난다. 이 두 기준으로 강을 아공석·공석·과공석으로 나누고, 가열 뒤 얻는 조직을 짐작한다. 공석 조성인 0.77%를 기준으로 삼는다는 점이 출발이다. 시멘타이트는 탄소 함량이 가장 높은 쪽의 상으로, 탄소 함유량은 약 6.67%이다.

열처리 결과는 가열 온도, 냉각 속도, 냉각 방법의 조합으로 정해진다. 같은 가열이라도 냉각이 다르면 조직과 성질이 달라지므로, 한 가지 열처리를 가열 기준과 냉각 방법을 한 묶음으로 외우는 것이 핵심이다. 가열 기준은 변태점 A1·A3·Acm을 기준으로 잡으므로 변태점 표기를 먼저 익혀야 선지를 바르게 읽을 수 있다.

자세히

시멘타이트와 페라이트의 성질

시멘타이트는 철과 탄소의 금속간 화합물로 단단하고 취성이 크다. 시멘타이트는 연성이 큰 페라이트와 대비되는 상이므로, 두 상의 성질을 짝지어 기억하면 조직 전체의 경도와 연성을 설명할 때 바로 쓸 수 있다. 시멘타이트의 결정구조는 사방정계이다. 시멘타이트는 사방정계의 결정구조를 가져 높은 경도를 나타낸다.

페라이트는 연성이 크며 상온에서 자성을 띤다. 두 상이 함께 있는 조직은 페라이트의 연성과 시멘타이트의 경도가 섞여 나타나므로, 탄소량에 따라 조직의 기계적 성질이 달라진다는 점을 이해해야 한다.

담금질의 경도 증가

담금질은 경도를 증가시키기 위해 A3 변태점보다 30~50°C 높은 온도로 가열한 후 급랭하는 것이다. 급랭은 담금질의 냉각이며, 급랭은 가열로 만든 오스테나이트를 빠르게 식히는 것이다. 냉각이 빨라지면 오스테나이트가 확산에 의한 변태를 충분히 거치지 못하고 단단한 조직으로 남는다. 담금질은 강의 경도를 높이는 열처리이며, 담금질하면 경도와 강도가 함께 증가한다. 시험에서는 담금질의 목적을 경도 증가로 고정해 두고, 가열 기준과 급랭 조건을 함께 확인하면 된다.