항온변태곡선 및 연속냉각변태곡선

-항온변태곡선(T.T.T OR I.T CORVE)

이는 철강재 시편을 균일 오스테나이트화한후 A1변태점 이하의 여러 온도로 초급속 냉각한 후 그 온도에서 유지시키면서 조직의 변태 상황을 시간 별로 분석하여 번태 개시 시간, 변태완료시간, 조직의 상태를 나타낸 표를 시험에 의해 작성한 것을 말한다.

 

보통 공석강인 경우는 이곡선의 NOSE 상부에서 변태시키면 퍼라이트가 생성되며, NOSE 하부에서 변태를 시키면 온도에 따라 상부 BAINITE와 하부 BAINITE가 생성된다. 항온 변태 개시 시간은 탄소강에서는 탄소 함량에 의해 약간 영향을 받으며 크게 영향을 받는 것은 합금 성분으로 강재의 경화능에 의해 결정된다.

이는 강재의 소입시 강화능과 같으므로 화학 성분이 결정적이며 결정입도 크기, 잔류탄화물이 약간 영향을 주기도 한다. 탄소강에서는 0.8% 공석강이 변태 개시 시간이 늦으며 이보다 탄소가 적든지 많으면 빨ㄹ라지게 된다. 이는 초석 세멘타이트나 초석 페라이트의 석출이 먼저 일어나기 때문이다.

 

-연속냉각변태 곡선(C.C.T OR S- CURVE)

이 곡선은 균일한 오스테나이트 상태로 가열한 후 일정한 속도로 냉각하는 중에 생성되는 조직을 조사하여 표를 작성한 것을 말한다. 이 곡선으로 일반 열처리시의 냉각 조건인로내 냉각(서냉), 공냉, 급냉 등 다양한 냉각 조건에 대한 예측을 할수 있다. 보통 죠미니 시편의 각 냉각 속도 부위에 온도 센서를 부착하여 가열 냉각하면서 고정밀 급속 기록계를 이용 열분석을 하고, 죠미니시편은 해당위치의 조직과 경도를 조사 기록하고 고온 현미경으로 변태 상황(온도 시간에 따른 조직)을 관잘한 결과 등을 표로 작성한 것이다. 이 곡선 역시 코를 갖고 있으며 퍼라이트나 페라이트의 변태 개시점(시간)에 가장 크게 영향을 주는 것은 화학 성분중의 경화능을 향상시는 원소이다. 이와 관련하여 핵생성 에너지가 큰 재료가 역시 코를 안쪽으로 옮겨 경화능을 작게 한다.

 

-합금원소의 영향

철강 재료에서의  합금은 탄소, 실리콘, 망간, 인, 황의 기본 5성분 이외에 크롬, 모리브덴, 니케이 가장 많이 사용되고 미량원소로는 티타늄, 텅스텐, 니오븀, 바나듐, 보론 등이 이용되고 있다. 이들 각 원소는 특유한 고유의 성질을 갖고 있어 그 영향을 재료에 줄뿐만아니라 복합적인 효과를 내기도 하며 철의 상태도에 많은 영향을 미친다.

 

철의 평형 상태도에서는 철과 탄소의 상태이나 비평형 응고가 대부분인 철강재료에서는 철과 세멘타이트의 비평형 상태도가 사용된다. 탄소는 단독으로 철강 재료에 있지 않고 철의 형태로 있든지  아니면 오스테나이트나 페라이트 속에 고용되어 존재한다. 따라서 오스테나이트이 고용한도와 이의 영역 범위에 영향을 주는 원소에 대한 파악과 세멘타이트를 안정화시키는 원소와 이탄화물의 특성인 고유경도 용해욘도 탄화물의 종류에 대한 지식도 열처리를 하는 기술자에게는 중요한부분이다.

 

오스테나이트는 FCC 격자의 철에 탄소가 전부 고용된 상태의 완전 고용체이며 이의 탄소용해도는 최고 2%까지 이다. 용해 한도는  온도와 관계 있고, 이의  영역을 변화시키는 원소에도 크게 영향을 받는다. 보통 고온 조직이라 부르는 이조직은 상온에서는 특수한 합금에서만 볼수있으며 상온 조직을 가열하여 A1 변태점 이상이 되어야만 오스테나이트 조직을 고온 금속 현미경으로 관찰 할수있다. 이를 상온으로 냉각하는 방법에 따라 금속의 조직과 기계적 성질이 크게 변하는 특성을 같는다. 이를 이영하여 필요한 재료의 특성인 연속 냉각곡선(T.T.T 곡선)과 경화능을 파악하고 이 자료는 열처리 전문가의 필수 자료로 활용된다.

페라이트는 BCC 격자로 알파 철이라 하고 탄소의 상온 최대 고용량은 0.008%로 극소하며 최대 고용 한도는 0.025%로 공석 온도인 723도 에서 나타난다.

 

세멘타이트는 Fe3C로 나타내며 탄소가 6.67% 포함된 철과 탄소의 금속간 화합물이다. 이는 비 평형 상태도 상에서 최대 탄소량을 6.67%로 하는 이유이다. 이것은 탄화물의 일종이며 탄화물을 형성하는 여러가지 다른 원소와 함께 탄화물의 형상, 크기, 분포, 고용도 등의 관리는 열처리 전문가의 중요한 관심사항이다.

 

여러가지 합금 원소의 영향은 일반적으로 오스테나이트 안정화 원소와 페라이트 안정화 원소, 탄화물 형성 원소로 구분된다. 오스테나이트 안정화 원소는 망간, 니켈등이며, 페라이트 안정화 원소는 실리콘, 크롬, 니오븀 등이고 탄화물 안정화 원소는 티타늄, 니오븀, 모리브덴, 크롬등이다.

-임계온도(변태온도)

상태도에서의 각종 변태 온도는 실험실에서 최저 속도로 가열 냉각 후 평균하여 구한 변태점으로 특히 온도에 대한 것은 실제 상황과는 차이가 있으며 이를 유대현상이라 하고 승온시는 보다 높은 온도에서 변태가 일어나고 냉각때는 보다 낮은 온도에서 일어난다.

 

서서히 냉각한 상태(소둔)의 0.4%탄소강을 최대의 낮은 속도로 상온에서 부터 가열하여 723도가 되면 원소재의 공석 조직인 50%의 층상 퍼라이트(페라이트와 세멘타이트)는 변태가 일어나 오르테나이트로 되고 나머지 50%인 페라이트는 차츰  온도를 올려 Ar3 변태점 더하기 확산 여유온도인 860도로 유지하면 페라이트 전부가 오스테나이트로 변태하여 탄소 농도를 같게 된다.

 

변태는 열처리에서 가장 중요한 것으로 항상 이를 근거로 가열 유지온도를 결정한다. 또한 A3, A1 변태점 사이의 조직 생성과 그 비율도 서냉의 경우는 항상 이를 바탕으로 검토한다. 페라이트(세멘타이트) 생성 개시점 부터 완료점인 공석 변태점 까지의 생성량과 공석 조직인 퍼라이트 양의 비율은 지렛대 원리에 의해 계산할 수 있다.