오스템퍼링

오스템퍼링은 철금속, 특히 철과 연성철에 적용되는 열처리다. 강철에서는 베이나이트 미세구조를 만드는 반면 주철에서는 아쿠아페라이트(acicular perite)와 고탄소(high carbon)의 구조를 생성하며, 아우세페라이트(ausferrite)로 알려진 안정화된 오스테나이트)로 알려져 있다. 주로 기계적 특성을 개선하거나 왜곡을 감소/제거하는 데 사용된다. 오스템퍼링은 공정과 그에 따른 미세구조 양쪽에 의해 정의된다. 비적합한 재료에 적용되는 대표적인 강화 공정 매개변수는 베이나이트 또는 아우세라이트 형성을 초래하지 않으므로 최종 제품을 강화라고 부르지 않는다. 두 개의 마이크로 구조물은 다른 방법을 통해서도 만들어질 수 있다. 예를 들어 적절한 합금 함량으로 주조물 또는 공기로 냉각될 수 있다. 이 물질들은 또한 강화라고 불리지 않는다.

역사

강철의 강화는 1930년대에 에드가 C에 의해 처음 개척되었다. 베인과 에드먼드 S. 당시 미국 철강회사에서 일하고 있던 데이븐포트. 베이나이트는 인정된 발견일 훨씬 이전에 강철에 존재했음에 틀림없지만, 이용 가능한 금속 기법이 한정되어 있고, 당시의 열처리 관행에 의해 형성된 혼합 마이크로 구조 때문에 확인되지 않았다. 우연의 상황은 베인이 등온 위상 변환을 연구하도록 영감을 주었다. 오스테나이트와 강철의 높은 온도 단계는 점점 더 이해되고 있었고 오스테나이트가 상온에서 유지될 수 있다는 것은 이미 알려져 있었다. 아메리칸 스틸 앤드 와이어 컴퍼니에서의 그의 접촉을 통해 베인은 등온 변환이 산업에서 사용되고 있다는 것을 알고 새로운 실험을 구상하기 시작했다.

강철의 등온 변환에 대한 추가 연구는 베인과 데이븐포트가 "급성적이고 어두운 식각 골재"로 구성된 새로운 미세 구조를 발견한 결과였다. 이 미세 구조물은 "강화 마텐사이트와 같은 경도에 더 가까운 것"으로 밝혀졌다.^[2] 베이니티 철강에 대한 상업적 착취는 빠르지 않았다. 당시의 일반적인 열처리 관행은 연속적인 냉각 방법을 특징으로 하며, 실제로 완전한 베이니틱 마이크로 구조물을 생산할 수 없었다. 사용 가능한 합금의 범위는 혼합된 마이크로 구조체 또는 과도한 양의 마텐사이트를 생산한다. 1958년 붕소와 몰리브덴을 함유한 저탄소강의 등장은 연속 냉각에 의해 완전한 베이나이트 강철을 생산할 수 있게 했다.^[1][3] 따라서 베이나이트 강철의 상업적 사용은 새로운 열처리 방법의 개발의 결과로서, 공작물을 고정된 온도로 고정시킨 단계를 포함하는 단계들을 포함하는 것으로서, 변환을 집합적으로 강박이라고 할 수 있다.

제2차 세계 대전 중 강화강재의 첫 사용 중 하나는 라이플볼트에 있었다.^[4] 높은 경도에서 가능한 높은 충격 강도 및 구성 요소의 상대적으로 작은 단면 크기 때문에 강철이 이 용도에 이상적이었다. 그 후 수십 년 동안 지속된 혁명은 스프링 산업에 이어 클립과 클램프가 이어졌다. 일반적으로 얇고 형성된 부품인 이러한 부품은 값비싼 합금을 요구하지 않으며 일반적으로 강화 마텐사이트보다 탄성성이 더 좋다. 결국 강철은 자동차 산업으로 진출했고, 그 산업은 안전 중요 부품에 처음 사용되었다. 대부분의 자동차 시트 브래킷과 안전벨트 구성품은 강도와 연성이 높기 때문에 강화강으로 만들어진다.^[4] 이러한 특성은 충돌 시 부서지기 쉬운 고장 위험 없이 더 많은 에너지를 흡수할 수 있게 해준다. 현재는 베어링, 마워 블레이드, 변속기 기어, 웨이브 플레이트, 잔디 애너레이션 타인 등에도 강철이 사용된다.^[4] 20세기 후반에 강화 과정이 주철에 상업적으로 적용되기 시작했다. 호주산 연성철(ADI)은 1970년대 초 상용화돼 이후 주력 산업으로 자리 잡았다.

과정

완강함과 재래식 담금질 및 담금질 사이의 가장 눈에 띄는 차이는 공작물을 담금질 온도로 장기간 유지하는 것을 포함한다. 주철에 적용하든 철에 적용하든 기본 단계는 동일하며 다음과 같다.

오스테니타이징

어떤 변형이 일어나기 위해서는 금속의 미세 구조가 견고해야 한다. 오스테나이트 단계 영역의 정확한 경계는 열처리 중인 합금의 화학에 따라 달라진다. 단, 온도는 일반적으로 790~915°C(1455~1680°F)이다.^[5] 이 온도에서 소비되는 시간은 관통 경화 부품의 합금 및 공정 세부 사항에 따라 달라진다. 최상의 결과는 일관적인 탄소 함량을 가진 완전한 오스테나틱 금속 미세 구조(주철에는 여전히 흑연이 존재할 것임)를 생산할 수 있을 만큼 충분히 길었을 때 달성된다. 강철의 경우 이 작업은 부품 섹션 전체에 걸쳐 강온화 온도에 도달한 후 몇 분밖에 걸리지 않을 수 있지만 주철에서는 시간이 더 오래 걸린다. 탄소가 온도와 위상도에 의해 지시된 평형 농도에 도달할 때까지 흑연 밖으로 확산되어야 하기 때문이다. 이 단계는 많은 유형의 용해로, 고온 염탕 또는 직접 불꽃 또는 유도 난방을 통해 수행할 수 있다. 수많은 특허들이 구체적인 방법과 변형을 기술하고 있다.

취침

기존의 담금질 및 템퍼링과 마찬가지로 열처리되는 재료는 진주가 형성되는 것을 피할 수 있을 만큼 충분히 빨리 온도로 냉각되어야 한다. 펄라이트 형성을 피하기 위해 필요한 특정 냉각률은 오스테나이트 단계의 화학적 작용으로 가공되는 합금의 산물이다. 실제 냉각율은 응축력, 동요, 하중(응축력비 등)의 영향을 받는 응축력 강도와 부품의 두께와 기하학적 구조를 모두 고려한 산물이다. 그 결과, 무거운 섹션 구성요소는 더 높은 경화성을 필요로 했다. 열처리 하중은 일반적으로 오스테나이트의 마르텐사이트 시작보다 높은 온도로 응결되어 유지된다. 특허받은 일부 공정에서 부품은 Martensite 시작 바로 아래에 가라앉아 결과적으로 발생하는 미세 구조가 Martensite와 Bainite의 제어된 혼합물이 되도록 한다.

quenching의 두 가지 중요한 측면은 냉각 속도와 유지 시간이다. 가장 일반적인 방법은 질산염 액체로 된 소금 욕조에 담그고 욕조에 담그는 것이다. 가공의 온도범위가 제한되어 있기 때문에 보통 물이나 브라인에서는 응축이 가능하지 않지만, 좁은 온도범위에 대해서는 고온오일을 사용한다. 일부 공정은 담금질 후 담금질 용지에서 꺼낸 다음 용광로에 보관하는 것이 특징이다. 응축 및 유지 온도는 최종 경도를 제어하는 일차 처리 매개변수로서 재료의 특성을 제어한다.

냉각

급랭 및 유지 후에는 균열의 위험이 없으며, 일반적으로 부품을 공랭식으로 냉각하거나 실내 온도 세척 시스템에 직접 넣는다.

템퍼링

부품이 경화되어 베이나이트 또는 아우세르라이트로 완전히 변형된 경우, 이를 강화한 후에는 성질이 필요 없다.^[5] 템퍼링은 또 다른 단계를 추가하며 따라서 그 과정에 비용이 든다; 그것은 베이나이트나 아우세라이트의 재산 수정과 스트레스 해소를 처녀 마르텐시테에게 제공하는 것과 같지 않다.

이점

오스템퍼링은 기존의 재료/공정 조합에 비해 많은 제조 및 성능상의 이점을 제공한다. 수많은 재료에 적용할 수 있으며, 각 조합은 다음과 같은 고유한 장점을 가지고 있다. 모든 강화 소재에 공통적으로 나타나는 장점 중 하나는 응고 및 담금질보다 왜곡률이 낮다는 점이다. 이는 전체 제조 공정을 조정함으로써 비용 절감으로 환산할 수 있다. 열처리 전 가공으로 가장 즉각적인 비용절감을 실현한다. 응축성 강재부품을 강화연성철(ADI)으로 변환하는 구체적인 사례에서는 그러한 절약이 많이 가능하다. 연성철은 강재보다 밀도가 10% 낮고 그물 형태에 가깝게 주조할 수 있는데, 두 가지 특성 모두 주조 중량을 줄이는 것이 특징이다. 니어넷 주물도 경화강 대신 연성철을 가공해 이미 절감된 가공비용을 더욱 절감한다. 완제품 부품이 가벼워지면 운임이 줄고 생산 흐름이 원활해져 리드 타임이 줄어드는 경우가 많다. 많은 경우에 강도와 마모 저항도 개선될 수 있다.^[4]

공정/자재 조합은 다음을 포함한다.

• 강화강
• 탄수화강
• 마르바인강
• 강화 연성 철(ADI)
• 국부적 강화 연성 철(LADI)
• 강화 회색 철(AGI)
• 카르비드강화연성철(CADI)
• 비판적 강재
• 비판적으로 강화한 연성철

성능 개선과 관련하여, 강화 재료는 일반적으로 강화 마텐사이트 미세 구조를 가진 수축 성질의 재료와 비교된다.

40 Rc 이상의 강철에서 이러한 개선은 다음을 포함한다.

• 주어진 경도에 대한 높은 연성, 충격 강도 및 마모 저항성
• 저분산, 반복 가능한 치수 응답,
• 피로 강도 증가,
• 수소와 환경 파괴에 대한 저항.

주철(250-550 HBW)에서 이러한 개선사항은 다음을 포함한다.

• 주어진 경도에 대한 높은 연성 및 충격 저항,
• 저분산, 반복 가능한 치수 응답,
• 피로 강도 증가,
• 주어진 경도에 대한 마모 저항성 증가.

참조