구상화소둔에 대하여 (spheroidizing annealing)

안녕하세요, 철강업계에서 종사하고 있습니다. 제가 잘 아는 분야로 오늘부터 글을 올려 보려고 하는데 이제 철강 쪽에 입사하시는 분이나, 철강 쪽에 종사하신 분들한테 꼭 필요한 정보가 되었으면 좋겠습니다.

 

구상화 소둔이란?

 

만약 철의 형상을 바꾸게 된다면 철의 내구성이 약해지며 기계 가공을 진행할 시에 tool의 손상이 발생합니다.

 

철의 성질, 특히 경도 등에 가장 많은 영향을 주는 화학성분이 탄소인데 탄소 성분이 철의 가공성 및 내구성을 결정합니다. 탄소의 존재 형상은 구상 형태가 가장 안정되며 철의 기능에 영향을 많이 미칩니다. 따라서 탄소 입자를 구상화하는 열처리를 하게 되는데 이 열처리가 구상화 열처리입니다.

 

특수강 미세조직에서 가장 연하고 후처리 과정에서 경화 및 강화가 가능한 조직을 든다 면 구상화 조직 일 것이다. 또 연하고 소성변형능이 우수하여 냉간․온간가공으로 최종제 품의 형상(near net shape)을 만들 수 있는 조직이 구상화 조직이다.

 

구상화 소둔 조직은 잘 알려져 있는 바와 같이 페라이트 기지에 구형 탄화물이 균일하게 분산된 것을 말한다. 구상화 소둔은 대상 강종에 따라 2가지로 분류된다.

 

첫째는 고탄소 공구강, 고속도 공구 강, 금형강 및 베어링강 등의 고경도, 내마모의 용도로 쓰이는 강이 대상이며, 양호한 절 삭 가공성과 강인성을 가지게 하기 위해 소입․소려(Quenching & Tempering)의 전처리로 행하여지는 것이다. 소둔 조직 중에 망상 시멘타이트가 존재하고 이것은 소입 후에 잔존하 여 강의 취성을 나타낸다. 그래서 망상의 탄화물과 층상의 펄라이트조직중의 세멘타이트 (층상 탄화물)를 구상화시키고 그런 후에 소입의 열처리를 행하면 고경도, 내마모성과 어느 정도의 강인성을 겸비한 강을 얻을 수 있다.

 

둘째는 중탄소 이하의 탄소강․합금강의 냉간․온간 단조 등의 소성변형에 도움이 되도록 강재를 연화시키고 동시에 소성변형능을 높이고 변형 저항을 줄이기 위해 펄라이트 중의 층 상 시멘타이트를 구상 시멘타이트로 만드는 방법이다.
구상화 소둔은 강을 A1변태점 이상 A3변태점 또는 Acm변태점 이하 온도에서 특정 시간 유 지한 후 매우 서서히(약 10～20℃/hr) 냉각하는 것이 일반적이고 경제적이다.

 

고탄소강 중의 망상 탄화물의 일부가 기지의 오스테나이트 중에 고용되고 또한 펄 라이트의 시멘타이트도 끊어지고 고용되어 시멘타이트의 핵으로 잔존시킨 상태에서 서냉 시키면 탄소의 용해도가 감소함에 따라 탄화물 핵의 근처에 탄화물이 석출 하여 표면장력의 작용으로 구상화된다. 따라서 유지시간이 길어지면 효과가 급격히 떨어질 뿐만 아니라 냉각 중에 펄라이트가 생성되어 실패하기 때문에 주의하여야 한다. 구상화소둔에 있어서는 앞 서 설명한 것 이외에 A1변태점 직하에서 장시간 유지 한 후 서냉하는 방법과 A1변태점 직상으로 가열한 후 A1변태점 직하로 냉각하고 다시 A1변태점 직상으로 가 열 A1변태점 직하로 냉각을 반복한 후 서냉하는 방법 이 있다. 한편, 구상화소둔의 전에 냉간가공을 실시하면 구상화소둔을 시간을 단축시킬 수 있다. 미세한 세멘타이트가 전제되는 미세 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트에서 구상화하는 것도 유지시간을 줄이는 방법이 된다. 사진은 STD11(냉간금형공구강)의 구상화과정으로 결정입계 탄화물(망상탄화물)이 일부 고용 분할되고(a) 다시 knuckle bone 모양(b)으로 변화하고 있다. 이러한 과정을 거쳐 구 형의 탄화물이 생성되며, 일부는 냉각중에 형성된다.

 

안정성, 내구성, 가공성이 철의 용도에서 중요하다면 그 철은 구상화 소둔을 해줘야 합니다. 그래야 내구성이나 가공성을 최대치로 사용할 수 있기 때문입니다. 구상화 소둔에 의해 과공석강은 절삭성이 향상되고 아공석강은 소성 가공성이 좋아지게 됩니다.

 

구상화 소둔 외에도 다양한 열처리 방법이 있는데, 이건 다음에 글을 올려보겠습니다.