차동수
2000-06-26 13:04:51
5
356
1.산업기계제작을하고있는 제조회사의 QC를 담당하고있습니다
주로 유럽,특히 독일의SPEC기준으로 공사를 많이하고있으나,
열처리불량을분석하여보면 열처리CHART를업체의 기술적 KNOW-HOW등이유로
정확하게 작성되지않음을 종종 발견하게됩니다.
2.그리고 QT의경우 연속냉각곡선을 많이이용하고있으나 ,
담금질냉각속도조절에의한 완벽한 마르텐사이트조직및 뜨임온도선정
실패로 불량이많이 발생합니다.
(아마 Ms~Mf구역 속도조정의어려움때문인지요)
그런데 S곡선(등온변태)을 이용하여 오스템퍼링을하면 QT를한것과
동일한효과이상을얻을수있지않는지요?.
기술적으로 어려움이있는지, 비용이 많이 소요되는때문인지 ....
상기 1,2 사항에대하여 경험 있으신분이나,열처리업체계신분께서
기술적설명을 주시면 감사하겠습니다
주로 유럽,특히 독일의SPEC기준으로 공사를 많이하고있으나,
열처리불량을분석하여보면 열처리CHART를업체의 기술적 KNOW-HOW등이유로
정확하게 작성되지않음을 종종 발견하게됩니다.
2.그리고 QT의경우 연속냉각곡선을 많이이용하고있으나 ,
담금질냉각속도조절에의한 완벽한 마르텐사이트조직및 뜨임온도선정
실패로 불량이많이 발생합니다.
(아마 Ms~Mf구역 속도조정의어려움때문인지요)
그런데 S곡선(등온변태)을 이용하여 오스템퍼링을하면 QT를한것과
동일한효과이상을얻을수있지않는지요?.
기술적으로 어려움이있는지, 비용이 많이 소요되는때문인지 ....
상기 1,2 사항에대하여 경험 있으신분이나,열처리업체계신분께서
기술적설명을 주시면 감사하겠습니다
기술적조언을 주신 김경운님께 감사를드립니다. 시간이지나도 답변을
주시는 분이 안계서서 관심이없는분야 인줄 알았읍니다.
사실 기계를전공한 사람들에게는 힘든분야라서....
그런데,저의 첫번째 질문은 김경운님답변처럼 저도 그렇게 FM대로 믿었죠.
그러나 실제는 그렇치 않더군요.
예를들면,
1.Heating rate,cooling rate등이중소업체로서는 돈인데 Spec 대로
장시간 준수가 가능한지
2.Holding time 준수
3.Quenching 후 Tempering간의 Furnace온도조절을 과연 재start를 하는지
4.가장 중요한 Test specimen따로 실제품열처리따로 등등
모든것이 서류따로 실작업따로 되면서도 서류는 제대로 되어있고...
정말 특수분야등은 잘하는업체가 더많고 이러한현상이 우리산업분야의
전반적인 현상은아니지만,산업기계분야에 종사하다보니
좀더나은발전을위하여 솔직한경험을토대로 좀더 개선을하고 신뢰성있는
제풍을만들어 산업기계분야의 질적인향상을 기대했읍니다.
(모든기계는 금속소재및 열처리가 시작이니까요)
그리고 두번째 질문에대하여 좀더 상세한 기술적부분을 알고 싶읍니다.
물론 QT와 AUSTEMPERING 응 조직자체가 틀리죠.
QT의경우 Ms~Mf구역을 통과할때 오스테나이트가 마르텐사이트로 급격하게
변할경우 체적팽창으로 균열이발생되는 단점이있어 오스템퍼링(s곡선)을
이용하여 이러한 문제점들을 해결할수있지 않는지요.
물론,QT의경우 동일한소재에대하여 Tempering 온도 조절로 기계적물성치
조절range 가 큰장점이 있겠지만 QT의 TEMPERING온도와 오스템퍼링의
상하부베이나이트구역중 동일한 물성치의경우,즉 금속조직은 다르지만
기계적성질이 비슷한경우 오스템퍼링이 QT한 경우보다 신율,단면수축율,
충격치,인성이좋은결과를 얻는다는 문헌을 접하였으나 실제로는 산업기계
분야에서 합금강,탄소강등에서는 거의사용하지않더군요.
즉,알고싶은것은 기술적문제,비용의문제 혹은다른문제들 때문인지를 알고싶
읍니다.
그리고 예를들어 SCM4종의경우 QT와 오스템퍼링으로 얻을수있는 기계적물성치의 RANGE 정도는 각각 어느정도인지요?
주시는 분이 안계서서 관심이없는분야 인줄 알았읍니다.
사실 기계를전공한 사람들에게는 힘든분야라서....
그런데,저의 첫번째 질문은 김경운님답변처럼 저도 그렇게 FM대로 믿었죠.
그러나 실제는 그렇치 않더군요.
예를들면,
1.Heating rate,cooling rate등이중소업체로서는 돈인데 Spec 대로
장시간 준수가 가능한지
2.Holding time 준수
3.Quenching 후 Tempering간의 Furnace온도조절을 과연 재start를 하는지
4.가장 중요한 Test specimen따로 실제품열처리따로 등등
모든것이 서류따로 실작업따로 되면서도 서류는 제대로 되어있고...
정말 특수분야등은 잘하는업체가 더많고 이러한현상이 우리산업분야의
전반적인 현상은아니지만,산업기계분야에 종사하다보니
좀더나은발전을위하여 솔직한경험을토대로 좀더 개선을하고 신뢰성있는
제풍을만들어 산업기계분야의 질적인향상을 기대했읍니다.
(모든기계는 금속소재및 열처리가 시작이니까요)
그리고 두번째 질문에대하여 좀더 상세한 기술적부분을 알고 싶읍니다.
물론 QT와 AUSTEMPERING 응 조직자체가 틀리죠.
QT의경우 Ms~Mf구역을 통과할때 오스테나이트가 마르텐사이트로 급격하게
변할경우 체적팽창으로 균열이발생되는 단점이있어 오스템퍼링(s곡선)을
이용하여 이러한 문제점들을 해결할수있지 않는지요.
물론,QT의경우 동일한소재에대하여 Tempering 온도 조절로 기계적물성치
조절range 가 큰장점이 있겠지만 QT의 TEMPERING온도와 오스템퍼링의
상하부베이나이트구역중 동일한 물성치의경우,즉 금속조직은 다르지만
기계적성질이 비슷한경우 오스템퍼링이 QT한 경우보다 신율,단면수축율,
충격치,인성이좋은결과를 얻는다는 문헌을 접하였으나 실제로는 산업기계
분야에서 합금강,탄소강등에서는 거의사용하지않더군요.
즉,알고싶은것은 기술적문제,비용의문제 혹은다른문제들 때문인지를 알고싶
읍니다.
그리고 예를들어 SCM4종의경우 QT와 오스템퍼링으로 얻을수있는 기계적물성치의 RANGE 정도는 각각 어느정도인지요?
지나가다 들렀습니다.
오스템퍼링에 관심이 많으신 것 같아 의견을 올립니다.
i) 강에서의 베이나이트조직 변태 반응은 다음과 같습니다.
γ(오스테나이트)→베이나이트[α(acicular ferrite)＋Fe3C(탄화물)]
즉, 베이나이트 조직은 침상(또는 판상)의 페라이트와 탄화물의
혼합물 이라고 할 수 있습니다.
Ms점 직상의 낮은 온도구역에 가까울수록 침상(needle like)의
하부베이나이트(Lower Bainite)가 생성되며, 퍼얼라이트 생성온도
에 가까와 질수록 판상의 상부(Upper)베이나이트가 형성 됩니다.
ii) 베이나이트 조직을 얻기 위해서는 오스템퍼링열처리시
TTT(또는 CCT) Curve의 베이나이트 만(Bay)의 온도
(300도-500도 정도)로 급냉하여 여기서 일정시간(1.5-2.5Hr)동안
항온 유지를 하여 변태를 시키는데, 이를 위해 Salt Bath를 사용합니다.
iii) 강의 Q/T와 오스템퍼링의 비교
- Salt Bath 열처리로는 제작비가 싸지만, 잘 아시다시피 공해시설로 요즘은
업체에서도 기피하는 설비 입니다.
- 강의 베이나이트 조직은 기름 또는 수냉으로 쉽게 조질처리(Q/T)한
강에 비해 기계적 물성치가 떨어지는것으로 알려져 있습니다.
더구나 기름이나, 물에비해 높은 온도인 Salt Bath(300-500도 사이)에
강을 Quenching하여 원하는 소정의 깊이까지 균일한 베이나이트
경화층을 얻으려면, 경화능을 웬만큼 크게하지 않으면 곤란 하겠죠.
따라서 경화능을 크게 하려면 합금원소를 더 많이 첨가하지 않으면 안됩니다.
(원소재비의 증가) 즉, 더 비싼 소재를 이용하여 열처리비를 더 힘들게 해서
얻을 수 있는 낮은 물성치가 얻어 진다면 경제적으로 불리할 것 입니다.
(제품의 사이즈가 커질수록 질량효과로 곤란)
* 한편, T-T-T Curve는 Bain에 의해서 처음 작성되었다고 하는데 이 곡선를 얻기 위해
베인은 Salt Bath에 Quenching하여 초급랭(퍼얼라이트 생성방지) 얻기 위해
시편을 10mm*10mm*10mm정도로 아주작게 만들어 시험하였다고 합니다.
- 다소라도 도움이 되셨기를 바랍니다. -
오스템퍼링에 관심이 많으신 것 같아 의견을 올립니다.
i) 강에서의 베이나이트조직 변태 반응은 다음과 같습니다.
γ(오스테나이트)→베이나이트[α(acicular ferrite)＋Fe3C(탄화물)]
즉, 베이나이트 조직은 침상(또는 판상)의 페라이트와 탄화물의
혼합물 이라고 할 수 있습니다.
Ms점 직상의 낮은 온도구역에 가까울수록 침상(needle like)의
하부베이나이트(Lower Bainite)가 생성되며, 퍼얼라이트 생성온도
에 가까와 질수록 판상의 상부(Upper)베이나이트가 형성 됩니다.
ii) 베이나이트 조직을 얻기 위해서는 오스템퍼링열처리시
TTT(또는 CCT) Curve의 베이나이트 만(Bay)의 온도
(300도-500도 정도)로 급냉하여 여기서 일정시간(1.5-2.5Hr)동안
항온 유지를 하여 변태를 시키는데, 이를 위해 Salt Bath를 사용합니다.
iii) 강의 Q/T와 오스템퍼링의 비교
- Salt Bath 열처리로는 제작비가 싸지만, 잘 아시다시피 공해시설로 요즘은
업체에서도 기피하는 설비 입니다.
- 강의 베이나이트 조직은 기름 또는 수냉으로 쉽게 조질처리(Q/T)한
강에 비해 기계적 물성치가 떨어지는것으로 알려져 있습니다.
더구나 기름이나, 물에비해 높은 온도인 Salt Bath(300-500도 사이)에
강을 Quenching하여 원하는 소정의 깊이까지 균일한 베이나이트
경화층을 얻으려면, 경화능을 웬만큼 크게하지 않으면 곤란 하겠죠.
따라서 경화능을 크게 하려면 합금원소를 더 많이 첨가하지 않으면 안됩니다.
(원소재비의 증가) 즉, 더 비싼 소재를 이용하여 열처리비를 더 힘들게 해서
얻을 수 있는 낮은 물성치가 얻어 진다면 경제적으로 불리할 것 입니다.
(제품의 사이즈가 커질수록 질량효과로 곤란)
* 한편, T-T-T Curve는 Bain에 의해서 처음 작성되었다고 하는데 이 곡선를 얻기 위해
베인은 Salt Bath에 Quenching하여 초급랭(퍼얼라이트 생성방지) 얻기 위해
시편을 10mm*10mm*10mm정도로 아주작게 만들어 시험하였다고 합니다.
- 다소라도 도움이 되셨기를 바랍니다. -
차동수님께서 지적하신대로 오스템퍼링을 하는 경우는
i) 제품특성상 어느정도 높은 경도를 유지하면서도 기계적성질(특히 높은
ductility와 notch toughness)이 요구되는 경우 또는
ii)담금질 crack발생이나 변형을 감소시키고자 할 때 일반Q/T를 대체할 수
있는 열처리법으로 생각됩니다.
제가 말씀드렸던 물성치 저하라는 의미는 제가 중공업쪽에 근무하다 보니
무의식적으로 사이즈가 큰 제품에 대한 경험을 말씀드렸던 것으로 이해 바
랍니다. 실제로 오스템퍼링에 적합한 제품은 직경이 매우 작은 환봉이나
단면두께가 얇은 판재에 국한해서 적용하는 경우가 많습니다.
아래의 Table1에서 Q/T한 강에 비해 단면감소율이 1.5배정도로 연성이 증
가 되나 인장,항복강도의 저하는 그다지 크지 않음을 알 수있습니다.
Table1. 오스템퍼링과 Q/T시의 기계적성질 비교
( C=0.85%의 탄소강, 직경=5mm의 환봉)
---------- Austempered ------------ Q/T
T.S(MPa) ----- 1,780 ------------- 1,795
Y.S(MPa) ----- 1,450 ------------- 1,550
R/A(%) ----- 45 ------------- 28
Hardness ----- 50 HRc------------- 50 HRc
iii) 강종별 오스템퍼링 검토
가. 탄소강
- AISI 1080; C=0.75-0.88%): 오스테나이트화 온도로부터 오스템
퍼링온도로 1초이내로 냉각해야 pearlite nose를 피할 수 있고, 따라
서 1080 Steel의 경우 최대두께 5mm정도가 오스템퍼링처리의 한계임.
- C가 0.5-1.0%이고, Mn이 최소0.6%가 함유된 경우(ex.S50C-S58C정도)
- C가 0.5%이하 이나,Mn 이 1.0-1.50%정도 함유된 강종(ex.AISI 1041)
- C가 0.9%이상이고, Mn이 0.6%이하인 고탄소강
나. 저합금강(AISI5140=>SCr440)
Pearlite nose를 피하는데 2초정도의 여유가 있고, 베이나이트로 완전
히 변태되는 데는 315-400의 Salt온도에서 약 1-10분 정도가 소요됩니
다. 따라서 1080에 비해서는 약간 더 두꺼운 경우까지도 가능합니다.
- C가 0.3%이상(5100 Steel)
- C가 0.4%이상(1300-4000 Steel)
- 4140(SCM440),6145,9440 Steel 등
다.오스템퍼링시의 두께제약
Table2. 강종별 오스템퍼링이 가능한 두께
Steel 제품두께(mm) Salt Bath온도 Ms온도 경도(HRc)
(SAE)
1050 3(판두께) 345℃ 320 41∼47
1065 5(직경) 275 53∼56
1066 7(직경) 260 53∼56
1084 6(직경) 200 55∼58
1086 13(직경) 215 55∼58
1090 5(직경) - 57∼60
1090(*) 20(직경) 315℃(+water) - 44.5(평균)
1095 4(직경) 210 57∼60
1350 16(직경) 235 53∼56
4063 16(직경) 245 53∼56
4150 13(직경) 285 max.52
4365 25(직경) 210 max.54
5140 3(판두께) 345℃ 330 43∼48
5160 26(직경) 315℃(+water) 255 46.7
8750 3(판두께) 315℃ 285
어떤 강종들은 C량 및 합금원소 함량이 충분한데도 오스템퍼링 열처리에 부적합하거나 혹은 비실용적이거나,비경제적인 경우가 있는데 그 이유로는
1) TTT곡선의 Nose에서 변태가 1초 이내에 시작되기 때문에, 두께가 아주
얇은 경우가 아니면 Salt에 Quench시 퍼얼라이트 생성을 막기가 거의 불
가능하다. (ex 1034 Steel)
2) 항온변태 시키는데 매우 오랜 시간이 소요되는 경우
=> 9261 Steel의 경우 베이나이트 항온변태에 약 24시간이 소요
이 외에도 4300,4600, 4800 Steel 도 변태소요 시간이 매우 길어 곤란.
기타
- 실제 적용시에는 오스템퍼 조직이 완전히 100% 베이나이트가 아닌(퍼얼
라이트15% + 베이나이트85%)인 경우라도(위의 Table2는 100% 베이나이
트 조직인 경우 조건임) 당해 제품에 필요 물성만 만족되면 사용해도 좋
겠지요.
끝까지 읽어주셔서 감사합니다.
i) 제품특성상 어느정도 높은 경도를 유지하면서도 기계적성질(특히 높은
ductility와 notch toughness)이 요구되는 경우 또는
ii)담금질 crack발생이나 변형을 감소시키고자 할 때 일반Q/T를 대체할 수
있는 열처리법으로 생각됩니다.
제가 말씀드렸던 물성치 저하라는 의미는 제가 중공업쪽에 근무하다 보니
무의식적으로 사이즈가 큰 제품에 대한 경험을 말씀드렸던 것으로 이해 바
랍니다. 실제로 오스템퍼링에 적합한 제품은 직경이 매우 작은 환봉이나
단면두께가 얇은 판재에 국한해서 적용하는 경우가 많습니다.
아래의 Table1에서 Q/T한 강에 비해 단면감소율이 1.5배정도로 연성이 증
가 되나 인장,항복강도의 저하는 그다지 크지 않음을 알 수있습니다.
Table1. 오스템퍼링과 Q/T시의 기계적성질 비교
( C=0.85%의 탄소강, 직경=5mm의 환봉)
---------- Austempered ------------ Q/T
T.S(MPa) ----- 1,780 ------------- 1,795
Y.S(MPa) ----- 1,450 ------------- 1,550
R/A(%) ----- 45 ------------- 28
Hardness ----- 50 HRc------------- 50 HRc
iii) 강종별 오스템퍼링 검토
가. 탄소강
- AISI 1080; C=0.75-0.88%): 오스테나이트화 온도로부터 오스템
퍼링온도로 1초이내로 냉각해야 pearlite nose를 피할 수 있고, 따라
서 1080 Steel의 경우 최대두께 5mm정도가 오스템퍼링처리의 한계임.
- C가 0.5-1.0%이고, Mn이 최소0.6%가 함유된 경우(ex.S50C-S58C정도)
- C가 0.5%이하 이나,Mn 이 1.0-1.50%정도 함유된 강종(ex.AISI 1041)
- C가 0.9%이상이고, Mn이 0.6%이하인 고탄소강
나. 저합금강(AISI5140=>SCr440)
Pearlite nose를 피하는데 2초정도의 여유가 있고, 베이나이트로 완전
히 변태되는 데는 315-400의 Salt온도에서 약 1-10분 정도가 소요됩니
다. 따라서 1080에 비해서는 약간 더 두꺼운 경우까지도 가능합니다.
- C가 0.3%이상(5100 Steel)
- C가 0.4%이상(1300-4000 Steel)
- 4140(SCM440),6145,9440 Steel 등
다.오스템퍼링시의 두께제약
Table2. 강종별 오스템퍼링이 가능한 두께
Steel 제품두께(mm) Salt Bath온도 Ms온도 경도(HRc)
(SAE)
1050 3(판두께) 345℃ 320 41∼47
1065 5(직경) 275 53∼56
1066 7(직경) 260 53∼56
1084 6(직경) 200 55∼58
1086 13(직경) 215 55∼58
1090 5(직경) - 57∼60
1090(*) 20(직경) 315℃(+water) - 44.5(평균)
1095 4(직경) 210 57∼60
1350 16(직경) 235 53∼56
4063 16(직경) 245 53∼56
4150 13(직경) 285 max.52
4365 25(직경) 210 max.54
5140 3(판두께) 345℃ 330 43∼48
5160 26(직경) 315℃(+water) 255 46.7
8750 3(판두께) 315℃ 285
어떤 강종들은 C량 및 합금원소 함량이 충분한데도 오스템퍼링 열처리에 부적합하거나 혹은 비실용적이거나,비경제적인 경우가 있는데 그 이유로는
1) TTT곡선의 Nose에서 변태가 1초 이내에 시작되기 때문에, 두께가 아주
얇은 경우가 아니면 Salt에 Quench시 퍼얼라이트 생성을 막기가 거의 불
가능하다. (ex 1034 Steel)
2) 항온변태 시키는데 매우 오랜 시간이 소요되는 경우
=> 9261 Steel의 경우 베이나이트 항온변태에 약 24시간이 소요
이 외에도 4300,4600, 4800 Steel 도 변태소요 시간이 매우 길어 곤란.
기타
- 실제 적용시에는 오스템퍼 조직이 완전히 100% 베이나이트가 아닌(퍼얼
라이트15% + 베이나이트85%)인 경우라도(위의 Table2는 100% 베이나이
트 조직인 경우 조건임) 당해 제품에 필요 물성만 만족되면 사용해도 좋
겠지요.
끝까지 읽어주셔서 감사합니다.
공지사항
차동수님의 글
------------------------------------
1.산업기계제작을하고있는 제조회사의 QC를 담당하고있습니다
주로 유럽,특히 독일의SPEC기준으로 공사를 많이하고있으나,
열처리불량을분석하여보면 열처리CHART를업체의 기술적 KNOW-HOW등이유로
정확하게 작성되지않음을 종종 발견하게됩니다.
2.그리고 QT의경우 연속냉각곡선을 많이이용하고있으나 ,
담금질냉각속도조절에의한 완벽한 마르텐사이트조직및 뜨임온도선정
실패로 불량이많이 발생합니다.
(아마 Ms~Mf구역 속도조정의어려움때문인지요)
그런데 S곡선(등온변태)을 이용하여 오스템퍼링을하면 QT를한것과
동일한효과이상을얻을수있지않는지요?.
기술적으로 어려움이있는지, 비용이 많이 소요되는때문인지 ....
상기 1,2 사항에대하여 경험 있으신분이나,열처리업체계신분께서
기술적설명을 주시면 감사하겠습니다
----------------- [답 변] -------------------
일반적으로 열처리 Chart라고 한다면, 열처리 온도와 열처리 시간이 기록됩니다만 사실 이러한 것들이 업체의 Know-how라고 얘기하기는 어렵습니다. 그것은 재질이 결정되면 열처리 방법은 많이 공지되어 있기 때문입니다. 따라서 열처리 Chart를 공개하지 않는다면 열처리 장비에 기록계가 달려있지 않거나 아니면 그 업체에서 관리를 잘 못하고 있다고 판단됩니다. 사실 우리나라 열처리업체의 경우 열처리 기술이 선진국에 비해 떨어지는 경향이 있기 때문에 선진국과 동일한 기계적 특성을 얻기 위해서는 선진국에서 사용하는 재질보다 등급을 올려서 열처리하는 것이 좋다고 생각합니다. 예를 들면, 선진국에서 SM45C 재질을 사용한다면, 국내에서는 SCr 또는 SCM 등급을 사용합니다. 그러면 경화능이 개선되기 때문에 어느 정도의 열처리 기술이 미흡하더라도 커버가 가능합니다.
2번째 질문과 관련해서, QT와 오스템퍼링은 완전히 다른 열처리입니다.
먼저 조직적인 측면에서 QT는 오스테나이트 조직을 급랭해서 경도가 높은 마르텐사이트 조직을 만들고 템퍼링(뜨임)해서 인성을 부여해주는 템퍼드 마르텐사이트 조직을 만드는 것입니다. 반면에 오스템퍼링은 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 시작 온도와 오스테나이트화 온도 사이의 온도에서 유지시켜 줌으로써 베이나이트 조직을 만드는 것입니다.
따라서 경도적인 측면에서 마르텐사이트와 베이나이트는 차이가 납니다. 즉, 템퍼드 마르텐사이트의 경도가 베이나이트보다 일반적으로 높게 됩니다. 물론 고온 템퍼링(조질처리)하면 얘기가 달라집니다만, 이 경우까지 생각하면, 길어지게 되므로 일반적으로만 말씀 드리겠습니다.
오스템퍼링의 경우, 템퍼드 마르텐사이트 조직보다는 비슷한 경도에서 비교해보면, 충격성에서 장점이 있다는 보고도 있습니다. 따라서 주물의 경우에서는 충격성 개선을 위하여 오스템퍼링하는 경우도 있습니다. 그런데 오스템퍼링 경우에는 베이나이트 조직을 만들기 위한 온도를 유지하기 위해서는 Salt Bath라는 별도의 욕조가 필요하다는 번거로운 점이 있습니다.
따라서 구조용강에서는 적정한 경도를 충분히 얻을 수 있고 어느 정도의 인성도 보유할 수 있는 QT를 많이 사용합니다. 다만 앞에서 언급하였듯이 열처리 상의 문제가 발생한다면 1단계 더 경화능이 좋은 강종을 선택함으로써 재료비의 상승이 있기는 하지만 안전하게 열처리 문제를 개선할 수 있습니다.
도움이 되었으면 합니다.