어떤 유형의 강철을 경화할 수 있나요?

다량의 탄소를 함유한 모든 유형의 강철은 변경될 수 있습니다. 이것을 단련이라고도 합니다. 원소에 충분한 탄소가 포함되어 있지 않으면 결정 구조가 변경될 수 없으며 아무리 가열해도 재료의 구성이 변경되지 않습니다.

강철은 지구상에서 가장 필수적이고 상징적인 금속 중 하나입니다. 철과 탄소의 결합으로 견고하고 다용도이며 널리 사용되는 합금이 탄생합니다. 건물, 인프라, 물탱크, 자동차, 기계, 가전제품부터 포크나 스푼 같은 간단한 기구까지 그 용도는 무궁무진해 보인다. 이는 강철이 갖고 있는 많은 바람직한 특성 때문입니다. 이러한 특성 중 하나는 경도, 즉 압흔, 충격 또는 마모로 인한 변형에 저항하는 재료의 능력입니다. 그러나 강철의 자연 경도가 하중 지지 구조 및 엔진 부품과 같은 특정 엔지니어링 응용 분야에 항상 충분하지는 않습니다. 이것이 바로 강철의 다른 특성과 함께 경도를 크게 높이는 방법이 개발된 이유입니다. 이러한 방법을 강철 경화라고 합니다.

강철의 경화는 일반적으로 원자재가 아닌 완제품에서 수행됩니다. CNC 가공에서 강철 경화는 가공된 부품에 대해 수행되는 가공 후 공정입니다. 이는 여러 가지 이유로 수행됩니다. 첫째, 전체 강철 블록을 경화하는 것은 기계 가공 과정에서 많은 부분이 제거되기 때문에 경제적이지 않습니다. 또한, 경화강은 부품의 경도로 인해 공구가 관통하기 어렵기 때문에 가공하기가 훨씬 더 어렵습니다.

강철의 내부 구조와 경도

우리가 보는 모든 강철이 동일한 구성을 갖는 것은 아닙니다. 정확하게 말하면, 다양한 목적에 따라 다양한 철강 구성이 있습니다. 강철의 차이점은 내부 구조에 따라 결정됩니다. 하중을 지지하기 위해 더 강한 금속에 대한 필요성이 증가함에 따라 강철을 경화시키는 것이 필요해졌습니다. 가장 기본적인 형태의 강철은 강도와 ​​경도가 상대적으로 적습니다. 그러나 내부 구조를 수정하면 저항력과 경도 면에서 인상적인 결과를 얻을 수 있습니다. 경화강은 단순히 다른 구조가 아닌 특정 내부 구조의 형성을 촉진하도록 설계된 공정으로 구성됩니다. 내부 강철 구조물에는 다음이 포함됩니다.

마르텐사이트

강철의 내부 결정 구조 중 가장 단단한 형태입니다. 오스테나이트계 철을 급속 냉각시키면 마르텐사이트가 형성됩니다. 빠른 냉각 속도로 인해 탄소는 고용체에 갇혀 부품이 경화됩니다. 그것은 매우 단단하고 깨지기 쉽습니다. 마르텐사이트는 모상의 결정립을 나누고 세분화하는 렌티큘러 판 또는 혈소판으로 나타나는 바늘 모양의 침상 미세 구조를 가지고 있으며 항상 접촉하지만 결코 교차하지 않습니다. 이 구조는 Fe-C, Fe-Ni-C를 포함한 다수의 합금 시스템에서 발생합니다.

오스테나이트

오스테나이트는 마르텐사이트 다음으로 강철의 가장 단단한 내부 구조입니다. 철이 감마인 철 합금을 말합니다. 일반적으로 1500°C 이하, 723°C 이상에서 나타납니다.

펄라이트

펄라이트는 느린 냉각에 의해 조직이 형성된다는 점에서 마르텐사이트와 다릅니다. 페라이트와 시멘타이트의 층류 배열이다. 723°C에서 감마철은 FCC 구조에서 알파철로 변환되어 탄화철(시멘타이트)이 용액 밖으로 나오게 됩니다.

강철 경화 방법

강철을 경화시키는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이러한 방법은 열적, 기계적, 화학적 또는 둘 이상의 조합일 수 있습니다. 열경화 공정은 강철을 경화시키는 가장 일반적인 방법입니다. 일반적으로 강철을 가열하고 특정 온도로 유지하고 냉각하는 세 가지 주요 단계가 포함됩니다. 첫 번째 단계에서는 일반적으로 금속을 매우 높은 온도로 가열하여 내부의 구조적 변화를 유도합니다. 이는 또한 모양을 변경하는 등 금속 작업을 더 쉽게 만듭니다. 강철을 경화시키는 다양한 방법은 다음과 같습니다.

냉간 작업

냉간 가공은 종종 강철이나 금속의 특성을 변경합니다. 강철을 경화시키는 이 방법은 단순히 녹는점 이하의 온도에서 금속을 변형시키는 것으로 구성됩니다. 항복강도, 인장강도, 경도 등의 특성은 증가하는 반면 재료의 가소성 및 변형 능력은 감소합니다. 소성 변형 중 전위의 축적과 얽힘으로 인해 발생하는 변형 경화는 요소를 강화하는 필수적인 방법입니다. 냉간 가공 시 에너지의 약 90%가 열로 소산되지만 나머지는 결정 격자에 저장되어 내부 에너지가 증가합니다.

고체 합금 경화

용체화 경화는 고용체를 생성하기 위해 모재 금속에 합금 원소를 첨가하는 것입니다. 응고 후 모재 금속의 결정 격자에 합금 원자가 존재하기 때문에 금속이 경화됩니다. 용질 원자와 용매 원자의 크기 차이는 고용체의 효율성에 영향을 미칩니다. 용질 원자가 용매 원자보다 크면 압축 변형장이 생성됩니다. 반면, 용매 원자가 용질 원자보다 크면 인장 변형장이 생성됩니다. 격자를 정사각형 구조로 왜곡하는 용질 원자는 급속한 경화를 유발합니다. 명백한 예는 강철에 대한 시멘타이트의 영향입니다.

담금질 및 템퍼링

마르텐사이트 변태라고도 불리는 담금질에서는 강철을 임계 온도 이상으로 오스테나이트 범위까지 가열하고 이 온도에서 유지한 다음 급속 냉각하거나 더 자주 물, 기름 또는 용융염에서 담금질합니다. 아공석강의 경우 가열 온도는 오스테나이트 용해도 선 한계보다 30-50°C 높습니다. 과공석 강의 경우 온도는 공석 온도보다 높습니다. 냉각은 마르텐사이트 변태를 유발하여 강철을 상당히 경화시킵니다. 그러나 경화된 강철은 매우 부서지기 쉽습니다. 따라서 내부 응력을 완화하고 취성을 줄이기 위해 템퍼링이 필요합니다. 담금질 시 냉각 속도가 마르텐사이트의 완전한 변태를 보장할 만큼 충분히 빠를 때 최대 경도가 얻어집니다.

표면 경화(박스형)

이름에서 알 수 있듯이 침탄은 크랭크샤프트, 베어링 등과 같은 응용 분야에서 마모를 방지하는 데 필요한 단단한 표면을 만듭니다. 이 강철 경화 방법은 일반적으로 다음 세 가지 접근 방식 중 하나를 포함합니다.

유도 및 화염 경화

이것은 표면의 차등 열처리입니다. 소재의 중심부가 영향을 받지 않도록 표면을 빠르게 가열합니다. 그런 다음 재료는 훨씬 더 빠르게 냉각됩니다. 이러한 방식으로 표면에 높은 수준의 마르텐사이트가 생성됩니다.

확산경화(질화)

이는 표면 영역의 구성이 변경된 것입니다. 미세한 입자가 분산되어 선택한 가스가 반응하여 강철로 확산됩니다. 이 공정에서는 강철을 열처리하여 템퍼링된 마르텐사이트 조직을 얻습니다. 그런 다음 약 550°C의 암모니아 대기에 12~36시간 동안 노출됩니다. Al 또는 Crenhance와 같은 작은 합금 원소는 질화물의 미세한 분산 형성을 촉진하여 표면 경도와 내마모성을 크게 증가시킵니다. 이 질화물 조성은 경도 측면에서 마르텐사이트보다 훨씬 우수합니다.

침탄

이는 강철을 고온의 탄소질 대기에 노출시키는 것으로 구성됩니다. 탄소질 대기는 고품질 석탄이나 해리된 천연가스로부터 생성될 수 있습니다. 탄소 원자가 금속 표면 아래로 확산되어 고탄소 케이스가 생성되고, 이후 냉각 시 단단하고 내마모성이 있는 마르텐사이트 표면이 생성됩니다.

강철 경도 테스트

경도에는 특정 측정 단위가 없습니다. 오히려 색인 번호로 설명됩니다. 여러 가지 경도 테스트가 있으며 재료의 경도를 설명하는 데 사용되는 지수는 사용된 테스트에 따라 다릅니다. 몇 가지 일반적인 경도 테스트는 다음과 같습니다.

브리넬 경도 시험

이 테스트에서는 직경이 알려진 강철 볼을 재료 표면에 하중으로 적용합니다. 브리넬 경도(BHN)는 아래 표의 공식을 사용하여 계산됩니다. 결과 인쇄물의 직경이 측정됩니다. 쇠구슬의 직경과 함께 BHN이 계산됩니다.

비커스 경도 시험

비커스 경도 테스트에서 하중은 사각형 기반의 다이아몬드 피라미드입니다. 이 하중은 약 30초 동안 재료 표면에 가해집니다. 피라미드 인상의 면적을 계산하여 금속의 경도를 계산하는 데 사용합니다.

누프 미세경도 시험

이 경도 테스트는 얇은 시트나 매우 깨지기 쉬운 재료에 적용됩니다. 피라미드형 다이아몬드 팁은 재료에 매우 작은 홈을 만듭니다. 그런 다음 만들어진 압흔을 현미경으로 연구하고 재료의 경도를 계산하는 데 사용합니다.

로크웰 경도 시험

로크웰 경도는 철강의 열처리 전과 후의 경도 차이를 측정하기 위해 개발되었습니다. 압자는 강철 공 또는 구형 다이아몬드 압자일 수 있다. 경도는 재료에 침투하는 깊이를 결정하여 측정됩니다. 일반적으로 두 가지 하중이 적용됩니다. 초기 인상을 만들기 위한 작은 전하와 주요 관통을 유발하는 더 큰 전하입니다.

경화될 수 있는 강철의 종류

미국철강협회(AISI)는 철강을 네 가지 주요 그룹으로 분류합니다.

탄소강

합금강

스테인리스강

공구강

강철의 기본 원소는 철과 탄소이다. 그러나 다양한 양의 탄소 및 기타 합금 원소에 따라 각 등급의 특성이 결정됩니다. 강철의 탄소 함량은 경화성과 최대 달성 가능한 경도를 결정합니다. 탄소가 마르텐사이트 형성을 촉진하기 때문에 이는 템퍼링의 경우 특히 그렇습니다.

탄소강(UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)

탄소강은 최대 2%의 탄소를 함유한 철 합금입니다. 여기에는 종종 특정 특성을 향상시키는 미량의 합금 원소가 포함되어 있습니다. 탄소강은 실제 탄소 함유량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 분류됩니다.

저탄소강

연강이라고도 알려져 있으며 0.08~0.35%의 탄소를 함유하고 있습니다. 탄소 함량이 낮기 때문에 저탄소강은 담금질 경화되지 않습니다. 그러나 합착을 통해 단단해질 수 있습니다.

중탄소강

이 강철에는 0.35%~0.5%의 탄소가 포함되어 있습니다. 저탄소강보다 강하지만 작업이 더 어렵습니다. 중탄소강은 담금질을 통해 쉽게 경화됩니다. 미량의 망간과 합금하면 경화성이 증가합니다. 중탄소강은 크랭크샤프트와 같이 내마모성이 중요한 응용 분야를 위해 표면 경화 처리됩니다.

고탄소강

고탄소강은 0.5% 이상의 탄소를 함유하고 있습니다. 이러한 유형의 강철은 탄소 함량이 높기 때문에 경화성이 매우 높습니다. 일반적으로 템퍼링을 통해 경화됩니다. 그러나 이로 인해 매우 부서지기 쉬우므로 템퍼링이 필요합니다.

합금강(UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

탄소 함량 외에 화학적 조성도 강의 경화성에 영향을 미치는 또 다른 요소입니다. 합금강에는 다양한 양의 구리, 니켈, 망간, 붕소 및 바나듐이 포함되어 있습니다. 이 강철은 담금질을 통해 매우 경화됩니다. 이는 합금 원소가 오스테나이트의 분해를 지연시켜 합금강에서 마르텐사이트를 쉽게 형성하기 때문입니다. 고용체 경화는 또한 합금강을 경화시키는 효과적이고 일반적인 방법입니다.

스테인레스강(UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

스테인레스강은 10~20%의 크롬을 주 합금 원소로 함유한 강입니다. 그들은 부식과 침식에 매우 강합니다. 구조와 구성에 따라 스테인레스강은 다음과 같이 분류됩니다.

오스테나이트계

오스테나이트 강철은 일반적으로 철, 18% 크롬, 8% 니켈 및 0.8% 미만의 탄소를 포함합니다. 가장 많이 사용되는 스테인레스 스틸 유형입니다. 오스테나이트강은 자성을 띠지도 않고 열처리도 불가능합니다. 그러나 냉간 가공에 의해 쉽게 경화됩니다.

페라이트계

이러한 강철에는 일반적으로 0.1% 미만의 탄소, 12~17%의 크롬 및 미량의 니켈이 포함되어 있습니다. 페라이트강은 자성을 띠지만 열처리로 경화될 수 없습니다. 냉간 가공은 경화에 효과적인 방법입니다.

마르텐사이트

내부 구조로 인해 마르텐사이트강은 매우 단단합니다. 이 강철에는 12-17%의 크롬 외에 최대 1.2%의 탄소가 포함되어 있습니다. 상대적으로 높은 탄소 함량으로 인해 마르텐사이트 강은 열처리를 통해 쉽게 경화됩니다.

듀플렉스

이중 강철은 페라이트 및 오스테나이트 미세 구조를 모두 가지고 있습니다. 이 강은 열처리 또는 표면 경화를 통해 경화됩니다.

석출경화

석출 경화강은 크롬, 니켈 및 구리, 알루미늄, 티타늄과 같은 기타 합금 원소를 포함하는 스테인리스강입니다. 이러한 합금 원소를 사용하면 용해 및 시효 열처리를 통해 스테인레스강을 경화시킬 수 있습니다. 오스테나이트 또는 마르텐사이트일 수 있습니다.

공구강(UNS T00001-T99999, DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

이름에서 알 수 있듯이 공구강은 절단 및 드릴링 공구와 같은 공구 제조에 일반적으로 사용됩니다. 그들은 일반적으로 텅스텐, 코발트, 바나듐 및 몰리브덴을 포함합니다. 이러한 도구는 냉간 가공 및 담금질과 같은 열처리를 통해 경화될 수 있습니다.

강의 종류와 가장 적합한 경화 방법