철강 담금질 공정 및 분류 응용

담금질은 공작물을 특정 임계 온도까지 가열한 후 선택적으로 냉각하여 높은-경도의 마르텐사이트 또는 질긴 하부 베이나이트를 얻은 후 템퍼링하는 열처리 공정입니다.

담금질은 부품의 내마모성과 강도는 물론 피로 수명을 향상시킵니다.

 

 

담금질 원리 및 기본 공정 흐름

 

강철 및 기타 재료는 가열되면 상 변태를 일으키며 오스테나이트화 상 변태는 담금질의 전제 조건입니다.

일반적으로 아공석강은 Ac3보다 20~30도 높은 온도에서 담금질되고, 과공석강은 Ac1보다 20~30도 높은 온도에서 담금질됩니다.

담금질 시 과도한 가열을 피하는 것이 중요합니다. 균일한 미세 구조 변형을 보장하려면 가공물 크기와 가열로 모델을 기준으로 유지 시간을 결정해야 합니다.

담금질의 핵심 과정은 냉각입니다. 이상적인 냉각 곡선은 주로 비-마르텐사이트 구조의 형성을 방지하기 위해 펄라이트 노즈 영역을 피합니다. 부품의 내부 응력과 변형을 줄이기 위해 냉각 속도도 제어해야 합니다.

참고: Ac1과 Ac3은 각각 오스테나이트가 형성되기 시작하는 온도와 가열 시 아공석강이 완전히 오스테나이트화되는 온도를 나타냅니다. 이는 어닐링 프로세스를 결정하는 데 중요한 기준점입니다.

 

주요 담금질 공정 방법 및 주요 운영 지침

 

1. 단일-액체 담금질

단일-액체 담금질은 가장 기본적이고 간단한 담금질 방법입니다. 이는 샤프트 및 핀과 같이 단순하고 대칭적인 모양과 최소{2}}단면 변화를 갖는 부품에 주로 사용됩니다.

단일-액체 담금질의 경우 재료 및 가공물 두께에 따라 적절한 절삭유를 선택해야 합니다. 저-탄소강과 저-합금강은 일반적으로 물이나 염수로 담금질하는 반면, 고{4}}합금강과 작고 복잡한-모양의 부품은 오일이나 폴리머 용액으로 담금질할 수 있습니다.

담금질하는 동안 작업물이 매체에 고르게 잠겨 있는지 확인하고 매체가 적절하게 교반되어 증기 필름이 냉각을 방해하지 않도록 하십시오.

단일-액체 담금질은 높은-품질 안정성을 제공하고 대규모 생산에 적합합니다.-그러나 지나치게 빠른 냉각으로 인해 변형 및 균열이 발생할 위험이 있으므로 주의가 필요합니다.

 

2. 2-액체 담금질

2-액체 담금질은 급속 냉각과 느린 냉각의 장점을 결합합니다. 첫째, 물이나 소금물과 같은 첫 번째 매체는 재료의 가장 불안정한 오스테나이트 영역을 빠르게 통과합니다. 재료의 온도가 마르텐사이트 변태 온도에 가까워지면 재료는 오일과 같은 두 번째 매체로 빠르게 옮겨져 마르텐사이트 변태를 완료합니다.

2-액체 담금질은 특히 금형 및 기어 블랭크와 같이 고{3}}탄소강과 중{4}}~-고합금강으로 만들어진 중형{1}}~-대형 가공물에 일반적입니다.

이 작업의 핵심은 첫 번째 매체에서 공작물의 체류 시간을 정밀하게 제어하는 ​​것입니다. 일반적으로 공작물 유효 두께 3~5mm당 1초의 담금질 시간이 사용되지만 이는 공작물 표면의 기포가 사라지는 것을 관찰하여 확인할 수도 있습니다.

첫 번째 매체에서 두 번째 매체로의 전달은 물질 구조의 분해를 일으킬 수 있는 온도 상승을 방지하기 위해 빠르고 연속적이어야 합니다.

2-액체 담금질은 열 및 구조적 응력을 크게 줄여 변형을 제어하고 균열을 방지하는 효과적인 방법입니다.

 

3. 단계 담금질

단계 담금질은 공작물을 가열하여 오스테나이트화한 다음 이를 유지하기 위해 질산염 욕조 또는 알칼리 욕조와 같은 Ms 지점보다 약간 높은 뜨거운 욕조로 담금질해야 합니다. 공작물 단면 전체에 걸쳐 온도가 균일해지면-공작물을 제거하고 공냉식-합니다.

스텝 담금질은 탭, 소형 기어 및 정밀 샤프트와 같이 복잡한 형상과 고정밀 요구 사항이 있는 공구 및 부품에 자주 사용됩니다.

작동 중 수조 온도 변동은 일반적으로 섭씨 영하 10도 범위 내에서 엄격하게 제어되어야 합니다. 유지 시간은 가장 큰 단면적을 기준으로 계산되며, 일반적으로 분당 5mm로 추정됩니다.

단계 담금질은 열 응력을 효과적으로 줄여 공기 냉각 중에 마르텐사이트 변태가 점진적으로 진행되도록 합니다. 그 결과 미세 구조 응력이 낮아지고 변형이 최소화됩니다. 그러나 용융염의 냉각 용량이 제한되어 있기 때문에 유효 두께가 20mm 이하인 공작물에만 적합합니다.

 

4. 등온 담금질

등온 담금질은 오스테나이트화 온도로 가열된 공작물을 베이나이트 변태 영역의 뜨거운 욕조에서 완전히 담금질하는 것을 포함합니다. 장기간 유지하면 오스테나이트가 하부 베이나이트로 완전히 변태된 후 공기 냉각이 가능해집니다. 오스템퍼링은 베어링, 정밀금형 등 고강도, 인성, 치수 안정성이 요구되는 부품에 주로 사용됩니다. 등온 온도와 지속 시간은 강철의 TTT 곡선을 기반으로 결정되며 온도는 일반적으로 250도에서 400도 사이입니다.

오스템퍼링 후 재료는 베이나이트가 되어 우수한 강도와 인성을 나타내며 변형이나 균열이 거의 발생하지 않습니다. 그러나 오스템퍼링은 생산 주기가 길고 비용이 높으며 단면적이 작은 공작물에만 적용됩니다.-

 

일반적인 문제 및 품질 관리

 

담금질하면 경도 부족, 연약점, 변형, 균열, 산화, 탈탄 등의 결함이 발생하는 경우가 많습니다.

불충분한 경도는 일반적으로 너무 낮은 온도에서 가열하거나 불충분한 냉각으로 인해 발생합니다. 또 다른 원인은 가공물의 표면 탈탄입니다.

부드러운 반점은 일반적으로 오염된 담금질 매체 또는 작업물 표면의 산화물 스케일 존재로 인해 발생합니다. 과도한 열적 또는 구조적 응력으로 인해 변형 및 균열이 발생할 수 있습니다.

따라서 담금질 중 품질 관리에는 포괄적인 공정 모니터링, 특히 가열 단계 중 정밀한 온도 제어가 필요합니다. 냉각 단계에서는 매체의 온도, 농도 및 순환 속도를 안정적으로 유지해야 합니다. 부품의 잔류 응력을 제거하려면 담금질 직후에 템퍼링이 필요합니다.

대량 생산 중에는 금속 조직 및 경도 구배에 대한 정기적인 현장 점검을 수행해야 합니다. 균열을 감지하기 위해 중요한 부품에 비파괴 검사를 사용할 수 있습니다.

 

재료 호환성 및 공정 선택

 

재료 간 조성의 차이로 인해 경화성, 마르텐사이트 변태 시작 온도 및 임계 냉각 속도가 달라집니다. 따라서 재료의 특성에 따라 구체적인 담금질 공정을 선택해야 합니다.

저-탄소강 및 저-합금 구조강은 경화성이 상대적으로 낮으며 일반적으로 부품의 표면 경도와 내마모성을 향상시키기 위해 물 또는 2액체 담금질로 담금질합니다.

중-탄소 담금질 및 템퍼링 강철은 코어의 철저한 경화를 보장해야 하므로 일반적으로 변형 및 균열을 방지하기 위해 오일 담금질 또는 급속 오일 담금질이 사용됩니다.

고-탄소 공구강은 과열되기 쉬우며 변형 가능성이 높아집니다. 따라서 단계 담금질 또는 저온-온도 알칼리욕 담금질을 사용할 수 있습니다.

H13과 같은 고{0}합금 금형강은 경화성이 뛰어나므로 가스 담금질 또는 고온 염욕에서 경화하여 변형을 최소화할 수 있습니다.-

침탄 가공품은 특히 높은 코어 인성을 요구하므로 직접 담금질 또는 염욕 경화와 같은 상대적으로 낮은 온도가 필요합니다.

스테인레스강과 고속도강은 균열과 탄화물 석출을 방지하기 위해 예열과 염욕 담금질이 필요합니다.

담금질은 복잡하고 중요한 공정이므로 재료 특성, 부품 모양 및 작동 조건에 따라 적절한 담금질 방법을 선택해야 합니다.

담금질에는 일관되고 신뢰할 수 있는 제품 품질을 보장하는 동시에 원하는 미세 구조와 특성을 달성하기 위해 가열 및 냉각 공정을 엄격하게 제어해야 합니다.