강의 열처리 기초

■ 강의 열처리 기초

강은 열처리를 통하여 매우 다양한 미세조직과 성질이 얻어지기 때문에 열처리변수의 적절한 조합에 의해서 우리가 원하는 미세조직과 성질을 얻을 수 있다. 여기서 최종적인 미세조직과 성질을 결정해주는 기본적인 열처리변수는
첫째로, 어느 온도로 가열할 것인가 ?
둘째로, 이 온도에서 얼마동안 유지할 것인가 ?
셋째로, 냉각은 얼마나 빨리 할 것인가 ?
하는 등의 3가지가 있다.
이러한 변수들을 결정해 주기 위한 자료로서 매우 중요한 역할을 하는 것이 평형상태도(平衡狀態圖, equilibrium phase diagram)이다. 이 상태도는 특히 첫번째 변수인 열처리온도를 결정하는 데에는 없어서는 안될 결정적인 자료가 된다.

● 상태도

◆ 상태도의 기본적인 의미

상태도란 여러가지 조성의 합금을 용융상태로부터 응고되어 상온에 이르기까지 상태의 변화를 나타낸 그림을 말한다. 즉 합금의 성분비율과 온도에 따른 상태를 나타내는 그림으로서, 횡축에는 조성(%), 종축에는 온도(℃)로서 표시하고 있다.
그런데 여기서 횡축의 조성 즉 성분비율을 나타내는데에는 중량비율(wt%)이 보통 사용되지만 경우에 따라서는 원자비율(at%)로 나타낼 때도 있다. 이들의 상관관계는 다음절에서 자세하게 나타냈다.

◆ 농도표시법

전술한 바와 같이 일반적으로 합금의 조성은 중량비율로서 나타낸다. 만일 어떤 합금 100g이 80wt%A와 20wt%B로 되어 있다면 이는 80g의 A와 20g의 B를 함유한 것이 된다. 한편 이론적인 계산을 하는 경우에는 원자수의 비율로서 농도를 표시하는 원자비율를 사용하는 일이 있다. 80at%A와 20at%B로 되어 있는 합금에서 A와 B의 원자비는 80:20=4:1이 된다. 따라서 우리는 중량비율을 원자비율로, 원자비율을 중량비율로 환산해야만 할 때가 많이 있다.

◆ Fe-Fe₃C 상태도와 상

순철은 910℃이하에서는 체심입방격자이고, 910℃ 이상1390℃까지는 면심입방격자이다. 여기에 탄소원자가 함유되면 두가지의 변화가 나타난다. 즉 변태온도가 낮아지고 변태가 단일온도에서 일어나는 것이 아니라 어느 온도범위에 걸쳐서 일어나게 된다. 이러한 내용이 그림 2.1에 잘 나타나 있다. 엄격하게 말해서 시멘타이트(Fe₃C)로 불리우는 금속간화합물은 평형상이 아니기 때문에 이 상태도는 엄밀하게 말하면 평형상태도가 아니다. 어떤 조건하에서 시멘타이트는 더욱 안정한 상인 철과 흑연으로 분해될 수 있다. 그러나 Fe₃C는 한번 형성되기만 하며 실질적으로 매우 안정하므로 평형상으로 간주된다. 이러한 이유로 인해서 그림 2.1의 상태도는 준안정 상태도이다.
상(相, phase)이라는 것은 물리적, 화학적 그리고 결정학적으로 균일한 부분을 말하는 것으로, 이것은 뚜렷한 계면에 의해서 합금의 다른 부분과 구분된다. Fe-Fe₃C 상태도에 나타나는 고상의 종류에는 4가지가 있다. 즉, α페라이트(ferrite), 오스테나이트(austenite), 시멘타이트 및 δ 페라이트등이다. 이 각각의 상들을 구체적으로 나타내면 다음과 같다.

그림 2.1. Fe-C상태도 (실선:Fe-Fe₃C 상태도, 점선:Fe-C상태도)

(1) α 페라이트
α철에 탄소가 함유되어 있는 고용체를 α 페라이트 또는 단순히 페라이트라고 부르며, BCC 결정구조를 가지고 있다. 상태도에서 나타내듯이 α 페라이트의 최대탄소고용도는 723℃에서 0.02%이므로 페라이트에 고용할 수 있는 탄소량은 매우 적은 것을 알 수 있다. 또한 α 페라이트의 탄소고용도는 온도가 내려감에 따라서 감소하여 0℃에서 약 0.008%정도이다. 탄소원자는 철원자에 비해서 비교적 원자크기가 작으므로 철의 결정격자내의 침입형자리(interstitial site)에 위치한다. 침입형자리는 4면체 틈자리(tetrahedral site)와 8면체 틈자리(octahedral site)의 두종류가 있는데, BCC인 α 페라이트에서는 크기가 크고, 그 침입형자리에 들어갈 수 있는 구의 최대반경은 0.35Å이다. 따라서 0.77Å의 반경크기를 갖는 탄소원자가 이 침입형자리에 들어가게 되면 탄소원자의 크기가 침입형자리보다 상대적으로 매우 크기 때문에 격자변형을 일으키게 된다. 이것이 α 페라이트내의 탄소고용도를 적게 하는 중요한 이유이다.

(2) 오스테나이트
γ철에 탄소가 고용되어 있는 고용체를 오스테나이트(austenite)라고 하며, FCC 결정구조를 가지고 있다. 탄소고용도는 그림 2.1에서 볼 수 있듯이 1148℃에서 2.08%로 최대이며, 온도가 내려감에 따라서 감소하여 723℃에서 0.8%로 된다. 따라서 탄소고용도는 α 페라이트보다 매우 크다. 또한 α 페라이트에서와 마찬가지로 오스테나이트중의 탄소는 침입형자리에 위치하는데, 8면체틈자리에 들어갈 수 있는 구의 최대반경은 0.51Å이다. 그러므로 0.77Å의 반경을 갖는 탄소원자가 8면체틈 자리에 들어가면 α 페라이트에서와 마찬가지로 격자변형을 일으키게 되지만, 그 변형정도는 α 페라이트보다는 작다. 이것이 오스테나이트의 탄소고용도가 α 페라이트보다 크게 되는 중요한 이유이기도 하다.
한편 이와 같이 오스테나이트와 α 페라이트의 탄소고용도가 차이나기 때문에 대부분의 강을 경화열처리하는데 있어서의 중요한 근거가 되는 것이다.

(3) 시멘타이트
철탄화물(Fe₃C)인 시멘타이트는 고용체라기보다는 금속간화합물로서, 6.67%의 탄소를 함유하고 있다. 결정구조는 그림 2.2와 같이 단위격자당 12개의 Fe원자와 4개의 C원자를 가지는 사방정(orthorhombic)이고, 매우 硬하고 취약한 성질을 가지고 있다.

그림 2.2 시멘타이트(Fe₃C)의 원자구조 (●:탄소원자, ○:철원자)

(4) δ페라이트
δ철의 탄소고용체를 δ페라이트라고 하며, α 페라이트와 마찬가지로 BCC 결정구조를 가지지만 격자상수가 다르다. δ페라이트내의 최대탄소고용도는 1495℃에서 0.09%이다.

◆ Fe-Fe₃C 상태도의 해설

탄소는 철과 화합하여 시멘타이트(Fe₃C)의 형태로 되는 경우와 또는 탄소單體의 흑연(黑鉛, graphite)으로 되는 경우가 있다. 강의 경우는 주로 시멘타이트의 형태로 존재하지만 주철에서는 흑연과 시멘타이트의 두가지 형태가 나타난다. 보통 시멘타이트는 고온으로 가열하면 철과 흑연으로 분해되므로 준안정상이라고 할 수 있고, 오히려 흑연이 안정상으로 간주된다. 그림 2.1중에서 실선이 Fe-Fe₃C계 상태도를 나타내고, 점선이 철-흑연계 상태도를 나타내는 것이다. 철-흑연계 상태도는 주철에서 주로 고려되는 것이므로 여기서는 Fe-Fe₃C 상태도에 대하여만 설명하고자 한다. 한편 실제 열처리작업에서 1200℃ 이상을 사용하는 경우가 극히 드물지만 참고적으로 함께 설명하였다. 특히 1200℃ 이하의 부분은 그림 2.3에서 구체적으로 설명하였다.

그림 2.3. Fe-Fe₃C계 평형상태도와 변형조직도

● 탄소강의 변태

그림 2.3은 Fe-Fe3C 상태도의 일부로서, 강의 변태와 조직을 설명하는데 필요한 부분을 나타낸 것이다. 0.8%C를 함유하는 조성의 탄소강(S점)은 727℃ 이하로 냉각시 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해되는 공석반응을 일으키므로 공석강(共析鋼, eutectoid steel)이라고 하며, 이 반응이 일어나는 온도를 A1선 이라고 부른다. 또한 공석반응에 의한 변태를 공석변태, 펄라이트 변태, 또는 A1변태라고 부른다.
한편 0.8%C 이하의 탄소강을 아공석강(亞共析鋼, hypo-eutectoid steel)이라고 하는데, 공업적으로 생산되는 대부분의 강은 아공석강이다. 순철이 γ철로 변태하는 온도는 910℃(Ａc3점)이지만 아공석강이 γ오스테나이트 단상으로 변태하는 온도는 GS선 이상이므로 이 GS선을 A3선이라고 한다.
또 0.8%C 이상의 탄소강을 과공석강(過共析鋼, hyper-eutectoid steel)이라고 부르는데, 과공석강에서는 SE선 이상으로 가열될 때 단상의 오스테나이트로 변태하므로 이 SE선을 Acm선이라고 부른다. 과공석강의 탄소함유량은 0.8∼2.0%C 범위이지만 공업적으로 생산되는 과공석강은 대부분이 0.8∼1.2%C 범위의 탄소량을 가지고 있다. 탄소량이 1.2% 이상이면 강의 성질이 매우 취약해지므로 거의 사용되지 않고 있다.
실제적으로 강을 변태시키기 위한 가열 및 냉각속도는 평형속도보다 빠르므로 변태온도가 그림 2.4에 나타낸 것과 같이 이동된다. 순철의 경우와 마찬가지로 급속가열시에 상승된 변태온도를 첨자 c를 붙여서 Ac1, Ac3 및 Accm 등으로 나타내고, 급속냉각시에 저하된 변태온도를 첨자 r을 붙여서 Ar1, Ar3 및 Arcm 등으로 나타낸다.

그림 2.4. 탄소강의 가열 및 냉각시 변태점의 변화 : 가열 및 냉각속도는 0.125℃/min.

● 탄소강의 서냉시 조직변화

여기서 서냉(徐冷)이라 함은 평형냉각에 가까운 냉각속도를 말하는 것으로서, 실제적인 열처리에서는 얻을 수도 없고, 또 큰 의미도 없는 냉각속도이지만 Fe-Fe₃C 상태도를 통하여 평형냉각시의 미세조직변화를 이해시켜서 후술하는 연속냉각변태의 기초로서 응용할 수 있다는 데에 그 중요성은 매우 크다고 사료된다.

◆ 공석강
0.8%C의 공석탄소강을 750℃ 정도로 가열하여 충분한 시간동안 유지하면 조직은 균일한 단상의 오스테나이트가 되는데, 이 과정을 오스테나이트化(austenitizing)라고 한다.
이 공석강을 평형에 가까운 냉각속도로 서냉시킬 때 그림 2.3에서 e로서 지시되는 온도, 즉 공석온도 직상에서는 아직까지 조직은 오스테나이트 상태로 있다. 그러나 온도가 더 내려가서 공석온도 이하로 되면(f점) 오스테나이트는 α페라이트와 시멘타이트(Fe3C)의 혼합조직으로 변태하게 된다. 이 조직은 페라이트와 시멘타이트가 교대로 반복되어지는 층상조직(層狀組織, lamellar structure)을 형성하고 있다. 이 조직은 광학현미경으로 나타낸 것으로서, 그 형태가 진주(pearl)와 비슷하기 때문에 펄라이트(pearlite)라고 불리워진다.
이와같이 펄라이트는 단상조직이 아니라 페라이트와 시멘타이트의 2상혼합조직이라는 사실에 유의해야 할 것이다. 따라서 서냉된 0.8%C의 공석강을 Ａ1 변태온도 직하에서 지렛대법칙(lever rule)을 적용시키면 이 합금을 구성하고 있는 페라이트와 시멘타이트의 중량분율을 알 수 있다.

따라서 723℃와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이가 거의 없기 때문에 펄라이트 조직은 상온에서 약 88%의 페라이트와 12%의 시멘타이트로 구성되어 있게 되고, 또한 페라이트와 시멘타이트의 밀도가 거의 비슷하기 때문에 펄라이트 조직에 나타나는 페라이트와 시멘타이트의 면적비율은 약 7:1정도가 된다.

◆ 아공석강
0.4%C의 아공석 탄소강을 900℃(그림 2.3의 a)로 가열하여 충분한 시간동안 유지하게 되면 공석탄소강에서와 마찬가지로 균일한 오스테나이트로 된다. 그리고는 이 아공석강을 그림 2.3의 b점(약 775℃)까지 서냉시키면 오스테나이트 결정립계에서 初析페라이트(proeutectoid ferrite)가 우선적으로 핵생성하기 시작한다. 이 강을 다시 c 점까지 서냉시키면 초석페라이트는 오스테나이트 속으로 계속해서 성장해간다. 이때 페라이트가 형성된 지역의 과잉탄소는 오스테나이트-페라이트 계면으로부터 오스테나이트 속으로 밀려나므로 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 점점 많아지게 된다. 따라서 Ａ1 변태온도 직상인 c 점에 도달되면 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 0.4%에서 0.8%로 증가하게 된다. 한편 Ａ1 변태온도인 723℃ 직하인 d 점에 도달되면 남아있는 오스테나이트는 공석반응에 의해서 펄라이트로 변태하게 된다. 펄라이트를 구성하고 있는 페라이트는 초석 페라이트와 구별하기 위해서 共析페라이트(eutectoid ferrite)라고 부르며, 이 두 페라이트의 조성은 평형조건하에서는 같아진다.
Ａ1 변태온도 직상인 c 점에서 지렛대법칙을 사용하면 초석 페라이트와 오스테나이트의 중량분율을 다음과 같이 계산할 수 있다.
723℃의 Ａ1 변태온도에서 남아있는 모든 오스테나이트는 Ａ1 변태온도 이하로 냉각될 때에 펄라이트로 변태하기 때문에, 그림 2.3에서 Ａ1 변태온도 직하인 d 점에서의 펄라이트의 중량분율은 Ａ1 변태온도 직상인 c 점에서의 오스테나이트의 중량분율과 같게 될 것이다. 따라서 0.4%C의 아공석강에 있어서 723℃ 직하의 온도에서 존재하는 펄라이트의 중량분율은 50%가 된다. 한편 Ａ1 변태온도와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이는 미미하므로 상온에서의 초석 페라이트와 펄라이트의 상대적인 양은 d 점에서 계산된 값과 비교해서 큰 차이가 없다.

◆ 과공석강
과공석 탄소강을 서냉시킬 때 나타나는 초석상은 시멘타이트이다. 1.2%C의 과공석강을 950℃(그림 2.3의 g점)에서 오스테나이트화한 후에 냉각할 때에 나타나는 미세조직 변화과정을 살펴보기로 하자. 이 강이 그림 2.3의 h점의 온도로 서냉되면 오스테나이트 결정립계에서 初析시멘타이트(proeutectoid cementite)가 핵생성되어 성장하게 된다. 다시 이 강이 j점까지 냉각되는 동안에 초석시멘타이트는 계속 성장해 가면서 오스테나이트에 있는 탄소를 고갈시키게 된다. 이 냉각과정이 평형냉각이라고 가정할 때에 j점의 온도에서 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 1.2%에서 0.8%로 감소하게 될 것이다. 따라서 이 오스테나이트는 Ａ1 변태온도 이하로 냉각되면서 공석반응에 의한 펄라이트로 변태하게 된다. 펄라이트를 구성하고 있는 시멘타이트는 초석시멘타이트와 구별하기 위해서 共析시멘타이트(eutectoid cementite)라고 부른다.
Ａ1 변태온도 직상인 그림 2.3의 j점에서 지렛대법칙을 사용하면 초석시멘타이트와 오스테나이트의 중량분율을 구할 수가 있다. 즉,
아공석강에서와 마찬가지로 공석온도인 723℃ 직상에서 남아있는 오스테나이트는 723℃ 이하로 냉각시 펄라이트로 변태하므로 그림 2.3에서 Ａ1 변태온도 직하인 d 점에서의 펄라이트의 중량분율은 Ａ1 변태온도 직상인 k점에서의 오스테나이트의 중량분율과 같게 될 것이다. 따라서 1.2%C의 과공석강에 있어서 723℃ 직하의 온도에서 존재하는 펄라이트의 중량분율은 93.2%가 된다. 한편 Ａ1 변태온도와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이는 미미하므로 상온에서의 초석시멘타이트와 펄라이트의 상대적인 양은 k점에서 계산된 값과 비교해서 큰 차이가 없다.
그림 2.7은 1.4%C의 과공석강을 970℃에서 오스테나이트화한 후 서냉(100℃/hr)한 조직을 보여주는 것으로서, 초석시멘타이트가 오스테나이트 결정립계를 따라서 망상으로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다.