Fe-C 평형상태도와 열처리 방법

오늘은 철의 평형상태도와 열처리방법에 대해 알아보자.

 

 

1. 철의 평형상태도 (Fe-C 상태도)

 

철에는 탄소가 6.67%까지 포함될 수 있다. 그 이상 탄소를 넣게 되면 철에 포함되지 않고 그냥 탄소로 분리되어 버린다.

탄소의 함유량과 온도에 따른 조직구성을 나타낸 것이 바로 평형상태도이다.

실험기관에 따라 온도와 비율이 약간씩 다르긴 하나 일반적인 형태는 다음과 같다.

< Fe-C 평형상태도 >

 

여기서 가장 중요한 건 순철, 강, 주철을 구분하는 탄소 함유량과 변태점이다.

 

1) 철의 구분

구분	탄소 함유량
순철 (Pure iron)	0.025% 미만
강 (Steel)	0.025 ~ 2% 미만
주철 (Cast iron)	2 ~ 6.67%

 

2) 변태점

변태란 금속이 특정 온도에서 결정구조나 자기적 성질이 변화하는 현상을 말한다. 형태가 변하는 것으로 생각하면 되겠다.

변태점은 아래와 같고 열처리에서 가장 중요한 것은 A1과 A3 변태점이다.

(참고로 변태점에 “A”를 사용하는 이유는 Allotropic transformation (동소변태)의 앞글자를 따왔기 때문이다.)

변태점	온도 (섭씨)	설명
A0	210	Fe3C가 자성을 잃는 점
A1	723	α 페라이트 ↔ γ 오스테나이트
A2 (퀴리점)	768	α 오스테나이트가 자성을 잃음
A3	910~723	γ 오스테나이트 ↔ α 페라이트+ γ 오스테나이트
A4	1490 ~ 1400	γ 오스테나이트 ↔ δ 페라이트 + γ 오스테나이트
Acm	1130 ~ 723	γ 오스테나이트 ↔ γ 오스테나이트 + Fe3C

 

위 표와 위 상태도를 함께 비교해가며 살펴보면 이해가 쉬울 것이다.

위 표를 이해하기 위해서는 금속조직의 구조를 먼저 알아야 한다.

 

 3) 금속조직

금속조직	모양	설명
오스테나이트		가운데가 텅 비어있는 구조로 내충격성이 뛰어나다. 상온에서 오스테나이트는 온도를 가열하거나 냉각시켜도 계속 오스테나이트 조직이며 가운데가 비어있어서 자성이 없다.
페라이트		가운데가 꽉 차 있는 구조로 내식성, 강도가 높고 자성이 있다. 다만 오스테나이트에 비해 취성이 강하다.
시멘타이트		Fe3C가 시멘타이트이다. 철이 탄소와 결합한 형태이며 높은 강도를 가지고 있다. 층상구조로 아래 펄라이트에서 하얀 부분이 시멘타이트이고 어두운 부분이 페라이트이다. 0.025%C 이상 함유할 경우 시멘타이트가 생기고 2.0%를 초과하면 흑연으로 석출된다.
펄라이트		Pearl은 조개를 뜻한다. 조개의 줄문의처럼 페라이트와 시멘타이트가 교대로 층층이 있는 형태를 펄라이트라고 한다. Fe3C가 탄화체로 구성될 수 있는 한도가 0.8%임. 따라서 0.8%C 미만일 경우 펄라이트와 페라이트가 섞여있고 0.8%~2%까지는 100% 펄라이트와 결정립계에 탄소가 모여있는 형태가 된다.
마르텐사이트		펄라이트와 페라이트를 를 A3 또는 Acm변태점 이상으로 가열하면 오스테나이트로 구조가 변하고 이를 급랭하면 마르텐사이트 구조로 바뀐다. 마르텐사이트는 탄소가 고용체 형태로 철 사이에 박힌 형태이다.
트루스타이트		마르텐사이트를 250 ~ 400 도에서 뜨임처리를 할 경우 나타나는 형태로 미세입상의 시멘타이트가 알알이 박힌 형태이다. 강도가 높아 콘크리트 커터로 사용된다.
소르바이트		마르텐사이트를 400~A1변태 직하의 온도에서 뜨임처리를 할 경우 나타나는 형태로 펄라이트보다 높은 강도와 경도를 갖고 인성이 커져서 매우 유용한 형태이자 값비싼 재료가 된다. 트루스타이트보다 높은 온도에서 뜨임처리를 하게 되므로 시멘타이트가 커진다. 일반적으로 고장력 구조용강으로 사용된다.

 

 

2. 열처리 방법

 

1) 담금질 (Quenching) – 소입

 - 목적 : 강의 강도와 경도를 개선하기 위해 실시하는 열처리로 가열 후 급랭하여 이루어짐

 - 방법 : 아공석강(A3 + 30~50도), 과공석강(A1 + 30~50도) 가열 후 급랭(수냉)

 - 특징 : 강도와 경도의 향상은 이루어지나 취성이 강해져 뜨임을 통해 인성을 향상시켜야 함

 

2) 뜨임 (Tempering) – 소려

 - 목적 : 내부응력을 제거하고 인성을 강화

 - 방법 : A1 변태점 이내로 가열 후 냉각

 - 특징 : 온도에 따라 조직의 형태가 달라짐

* 베이나이트(250~550), 트루스타이트(250~400도), 소르바이트(400~A1미만)

 

3) 풀림 (Annealing) – 소둔

 - 목적 : 가공경화와 잔류응력 현상을 개선하기 위함

 - 방법 : A1 또는 A3 변태점 이상까지 가열 후 노내에서 서냉 (노냉)

 - 특징 : 유지시간, 가열온도, 냉각속도에 따라 목적이 달라짐

 

4) 불링 (Normalizing) – 소준

 - 목적 : 가공 및 주조 후 입자의 크기를 균일하게 만들기 위해

 - 방법 : 풀림보다 높은 온도로 가열하고 서서히 냉각 (공냉)

 - 특징 : 결정입자 크기가 작고 균일해지며 풀림보다 경도가 높음.

 

 

열처리에서 가장 중요한 3가지에 대해 꼭 기억하자.

1) 온도를 얼마나 올릴 것인가

2) 온도를 얼마나 유지할 것인가

3) 얼마나 빨리 냉각시킬 것인가

                                            

온도, 유지시간, 냉각속도를 다르게 하는 것이 열처리이고 4가지 모두 그 방법이 조금씩 다르기 때문에 위 3가지에 대입하여 알아두면 좋을 것이다.