담금질(Quenching)

강의 담금질(Quenching)은 오스테나이트(Austenite)구역온도 이상으로 가열한 후 물이나 기름 등에서 급냉 시켜 적당한 기계적 성질을 개선시키는 열처리로써, 주로 경화를 목적으로 하며 경화되는 정도는 탄소함유량, 담금질온도 및 냉각속도에 따라 달라진다.

1. 담금질 온도

담금질 온도가 높으면 미용해 탄화물이 없어 담금질이 잘되며, 담금질 온도가 지나치게 높을 경우에는 아래와 같은 문제점이 발생된다.

① 결정입자가 크고 거칠다.
② 담금질할 때 균열과 변형의 원인이 된다.
③ 산화에 의한 스케일이 발생한다.
④ 탈탄에 의해 담금질효과가 저하된다.

2. 가열 시간

① 가열시간이 너무 길면 재료의 산화에 의한 손실이 발생된다.
② 가열시간이 너무 짧으면 불균일한 온도에 의한 내부 응력이 발생한다.
③ 산화 방지를 위해 가열온도를 알맞게 하고, 가열로 속에 아르곤 가스, 질소 등을
  넣어 무산화 가열을 한다.
④ 합금원소가 많이 함유될 수록 일반적으로 열전도율이 작고 또한 확산속도도 느리므로
  가열시간이 길게 소요된다.

3. 담금질 방법

3.1 2단 담금질

열처리할 재료의 형상이 복잡하거나 크기 및 두께가 두꺼운 경우 내외부의 조직이 가열 및 냉각의 차이에 의해 담금질 효과가 달라 질 수 있으므로 담금질 온도에서 냉각액 속에 일정시간 유지한 후 인상하여 서냉 시키는 열처리.

방법 : 담금질 시 Ar' 변태점(약 580℃)에서 급냉하고 Ar"변태점(약 250℃)에서 서냉한다.
냉각속도의 변화를 냉각시간으로 제어한다.

3.2 1단 담금질

가열한 제품을 급냉 할 때 냉각을 불완전하게 하여 내부에 열을 보유시켜 그 열을 이용하여 외부의 과도하게 경화된 담금질 조직을 완화시킨다.

3.3 프레스 담금질(Pre

담금질 변형이 우려되는 부품에 금형을 이용하여 가압한 상태로 유중 담금질 하는 방법으로 톱날 등의 얇은 제품에 적합한다.

3.4 분사 담금질(Jet Quenching)

담금질 경화부분에 냉각액을 분사하여 급냉 시키는 방법으로 균열이 방지된다.

3.5 슬랙 담금질(Slak Quenching)

담금질 온도로 가열 유지 후 절삭유, 연삭유 등의 수용액에 담금질하여 미세 펄라이트를 얻는 방법

4. 냉각

4.1 냉각제

① 보통 물 또는 기름이 많이 사용되며 염수, NaOH 용액은 물보다 냉각능력이 크다.
② 냉각속도는 냉각제의 온도, 첨가물에 따라 다르면 일반적으로 교반 할 수록 커집니다.
③ 기름은 식물성이 좋으나 산화에 의해 나빠질 수 있으며, 광물성은 오래 사용하나 냉각속도가 느리다.

4.2 냉각 단계

① 제1단계(증기막 단계)
가열된 강재의 표면에 증기막이 생겨 열의 전도도가 작아지므로 냉각이 늦다.

② 제2단계(비등 단계)
강 표면에서 심한 비등에 의해 증기막이 파괴되어 기포가 없어지므로, 강 표면은 직접 물과 접촉해도
전도와 대류에 의해 열이 방출되어 급속히 냉각된다.

③ 제3단계(대류 단계)
온도가 저하되면 기포의 발생은 없고 강의 온도와 물의 온도의 차가 적어지므로 냉각속도가 다시 늦어진다.

4.3 냉각 원칙

① 긴 일감은 장축을 액면에 수직으로 담근다.
② 두께가 불균일한 제품은 두꺼운 부분부터 냉각시킨다.
③ 냉각액 속에서 넣은 방향으로 교환한다.
④ 오목한 곳, 구멍이 막힌 곳이 위로 오도록 한다.
⑤ 얇은 일감은 액면에 수직으로 담그고, 수직방향으로 흔들어 굽힘과 변형을 방지한다.

5. 질량 효과(Mass Effect)

재료를 담금질할 때 질량이 작은 재료는 내외부의 온도 차가 없으나 질량이 큰 재료는 열의 전도시간이 길어 내외부의 온도 차가 생기게 되며, 이로 인하여 내부온도의 냉각지연으로 인해 담금질 효과를 얻기 곤란한 현상을 질량효과라 한다.
질량이 큰 재료일 수록 질량효과가크며 담금질 효과가 감소된다.

6. 담금질의 균열

강재는 급냉으로 체적이 급격히 팽창하며 특히 오스테나이트에서 변태할 때 가장 큰 팽창을 나타내며 균열을 수반한다.
이와 같이 담금질을 할 때 발생되는 균열을 담금질 균열(Quenching Crack)이라 한다.
담금질 균열은 내 외부의 팽창 정도의 차이에 의해 내부의 응력이 과대해져 발생된다.

6.1. 발생 원인

① 담금질 직후에 나타나는 균열
담금질할 때 재료 표면은 급속한 냉각으로 인해 수축이 생기는 반면 내부는 냉각속도가 느려 펄라이트 조직으로 변하여 팽창된다.
이때의 내부 응력이 균열의 원인이 된다.

② 담금질 후 2~3분 경과 시 나타나는 균열
담금질이 끝난 후에 생기는 균열로써 냉각에 따라 오스테나이트가 마르텐자이트 조직으로 변할 때 체적팽창에 의해 발생되며, 변화가 동시에 일어나지 않고, 내부와 외부가 시간적인 차이를 두고 일어나기 때문이다.

6.2 방지 대책

① 급냉을 피하고 250℃부근(Ar''점)에서 서냉하며 마르텐자이트 변태를 서서히 진행 시킨다.
② 담금질 후 즉시 뜨임 처리한다.
③ 부분적 온도 차를 적게 하고 부분단면을 일정하게 한다.
④ 구멍이 있는 부분은 점토, 석면으로 메운다.
⑤ 가능한 수냉보다 유냉을 선택한다.
⑥ 재료 표면의 흑피를 제거하여 담금질 액과 접촉을 잘되게 한다.