[열처리]연속 냉각 곡선(Continuous Cooling Transformation Curve)

이번 포스팅에서는 연속 냉각 곡선에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

앞선 포스팅에서 다뤘던 항온 열처리와는 다르게, 시간에 따른 온도 변화가 있는 곡선입니다.

이 연속 냉각 곡선은 뒤에서 다룰 다양한 열처리 방법에 대해서 알아보는데 가장 기본이 될 내용입니다.

연속 냉각 곡선(Continuous Cooling Transformation Curve)

연속 냉각 곡선은 TTT Curve에 냉각 속도와 관련된 커브를 추가한 것입니다. 이 곡선을 토대로 냉각 속도에 따른 강의 조직 변화를 알아두는 것이 열처리의 기본입니다.

1. 아래의 그래프를 보면 총 여섯가지의 냉각속도를 v1~v6까지 그래프에 나타냈습니다.

v1에서 v6로 갈수록 시간 대비 온도의 하강폭이 크기 때문에, 냉각속도가 빠르다고 볼 수 있습니다.

2. v1은 가장 느린 노냉, v2는 그것보다 빠른 공냉, v3~v4 사이쯤 유냉, v5~v6 사이쯤 수냉이 이라고 보여집니다.

3. 2.에 설명한 각각의 냉각은 정확하게 아래 그래프와 같이 곡선-직선의 위치를 나타내는 것은 아니지만, 냉각 속도에 따라 분류하고, 이해하기 쉽게 나눴다고 보시면 됩니다.

4. 노냉(furnace cooling)은 가열 이후 가열로에 그대로 두는것을 의미하여, 공냉(air cooling)은 가열로에서 꺼내서 상온의 공기에서 방치한 상태를 의미합니다. 유냉(oil quenching)은 기름에 공작물을 담그는 것, 수냉(water quenching)은 물에 공작물을 담그는 것이라고 보면 됩니다.

5. 이전 포스팅에서 보셨던 TTT curve과 함께 그래프를 비교해보면, v1으로 냉각하는 경우 오스테나이트 상을 지나 a1, b1를 지나 대략 조대한 펄라이트 영역으로 내려오는 것을 볼 수 있습니다.

이는 노냉하는 경우 오스테나이트조직이 전부 조대한 펄라이트로 변태했다는것을 의미합니다.

6. 조금 더 빠른 v2속도로 냉각하는 경우는 a2, b2를 지나 미세한 펄라이트 구역으로 넘어오게 됩니다. 이 때, 오스테나이트 조직은 미세한 펄라이트로 변태하며, 이를 솔바이트(sorbite)라고 부릅니다.

7. v3 속도로 냉각하는 경우 a3, b3 점을 지나고 최종적으로  m3라는 점을 지나게 됩니다. m3점은 Ms선 즉, 마르텐사이트 변태곡선을 만나는 점인데, 이때 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태를 했을까요?

v3 냉각 곡선을 자세히 보시면 Ps, Pf 곡선을 모두 지나는데, 이는 오스테나이트 상이 모두 펄라이트 조직으로 변했다는 것을 의미합니다.

따라서, v3 속도로 냉각하는 경우는 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없음을 의미합니다.

이때는 가장 미세한 펄라이트를 얻을 수 있는데, 이를 트루스타이트(troostite)라고 부릅니다.

8. 조금 더 빠른 v4의 냉각 속도를 보면, a4를 지나 m4점을 지나게 됩니다.

앞서 설명한 v1~v3 냉각 속도그래프와는 다르게 Pf 곡선을 지나지 않게 됩니다. 이는 오스테나이트 조직 중 일부는 펄라이트로 변태했지만, 일부는 변태하지 못했다는 것을 의미합니다. v4냉각 그래프를 보면, 대략 Ps, Pf 곡선 사이의 약 20% 지점 까지 통과했다가 m4점으로 내려오게 되는데, 이는 약 20%는 펄라이트조직으로 변했지만, 나머지 80%는 마르텐사이트 조직으로 변했다는 것을 의미합니다.

오스테나이트 조직이 펄라이트 조직으로 변하기 위해서는 탄소가 철의 격자 구조를 빠져나가면서 펄라이트로 변하는 시간이 충분히 필요한데 반해, 냉각 속도가 그것보다 빨라서 마르텐사이트가 되었음을 의미합니다.

다음 포스팅에서 나오겠지만, 마르텐사이트를 얻기 위한 열처리 과정을 담금질, 영어로 quenching이라고 하는데, 4.에서 보는 것과 같이 노냉, 고냉과 다르게 유냉, 수냉은 quenching이라고 부르는 이유가 이 때문일 것입니다.

9. v4보다 더 빠른 냉각 속도인 v5 냉각을 보면 a5점을 지나, m5점을 지납니다.

8.과는 조금 다르지만, 쉽게 생각해보면 Ps, Pf곡선 사이를 전혀 지나지 않았다는 것을 의미하는데, 이는 펄라이트 변태를 전혀 하지 않았다는 것을 의미합니다.

따라서 오스테나이트 조직의 전부가 마르텐사이트조직으로 변태했다는 것을 의미합니다. v5 냉각 속도와 같이 오스테나이트에서 펄라이트 조직으로 전혀변태하지 않고, 모두 마르텐사이트로 변태하는 냉각속도를 임계냉각속도(critical cooling rate)라고 부릅니다.

또한 이 이때 a5점을 nose라고 부릅니다.

10. v5보다 빠른 냉각 속도인 v6에서는 v5와 동일하게 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있습니다.

11. 그런데, TTT Curve에서 보았던, 베이나이트 조직은 언급이 없는데, 이는 직선형태의 냉각 속도로는 얻을 수 없기 때문입니다. 뒤에서 나오는 여러가지 냉각 방식을 통해 공작물에 베이나이트를 얻거나 혹은 열처리 조직의 비율을 조절하는 방식에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

출처 : http://blog.daum.net/shiki/15118895

*해당 포스팅은 완전히 전문적인 내용이 아니며, 필자가 공부를 하며 메모하는 식으로 쓴 글입니다.

*100% 학술자료에 바탕하여 작성하지 않았으며, 일부의 내용은 학설과 다를 수 있습니다.

*따라서 포스팅의 내용은 추가되거나 수정될 수 있습니다.

*언제든 잘못된 부분이 있으면 지적해주시면 감사하겠습니다.