1 항온 변태 곡선 (TTT Time-temperature Transformation)
1) 정의
- 공석강을 A1 변태온도 이상으로 가열한 후 어느정도의 시간을 유지하게 되면 단상의 오스테나이트가 되는데 이 상태에서 냉각시켜 온도별로 시간이 지남에 따라 오스테나이트의 변태를 나타낸 곡선.
- 강을 고온에서 여러가지 온도로 담금질하고 이들의 온도에서 항온 변태시킨 경우 얻어지는 곡선으로 열처리할 때 원하는 재료를 얻기위한 용도로 사용된다.
- 항온변태곡선은 C곡선 또는 S곡선, Nose 라고 표현한다.
2) 특징
- 오스테나이트 상태의 공석강을 염욕에 넣어서 등온 냉각하면 염욕의 온도에 따라 조직이 달라진다.
- C자 형상을 가진 곡선으로 550도 부근의 온도에서 곡선이 왼쪽으로 돌출되어 있는 것이 특징이다.
* 550 ℃ 이상으로는 펄라이트(조대한 미세한)가 형성되며, 550 ℃ 미만으로는 베이나이트(상부, 하부), Ms 이하로 마르텐사이트 조직이 생긴다.
* 베인나이트 / 펄라이트 모두 페라이트와 시멘타이트로 구성되어 있으나, 펄라이트는 두 상이 교대로 반복되는 층상조직이고 펄라이트는 침상조직이다.
* 상부베인나이트는 350~550 ℃의 온도에서 형성되며 하부베인나이트는 250~350 ℃ 온도범위에서 형성된다.
- 오스테나이트 상태의 공석강을 250 ℃ 이하의 액체에서 급냉하면 마르텐사이트 조직이 생긴다.
- 펄라이트와 베인나이트는 등온 변태하는 경우 시간이 지남에 따라 변태량이 많아지나 마르텐사이트는 온도가 낮아짐에 따라 변태량이 많아진다. 즉 펄라이트와 베인나이트는 시간의 영향을 받으나 마르텐사이트는 온도의 영향을 받는다.
* 탄소량이 0.6 % 이상인 탄소강의 Mf 온도는 0 ℃ 이하이며 0 ℃ 이하로 급랭하는 것을 심냉처리(sub-zero)라고 한다.
* 잔류오스테나이트가 없는 100% 마르텐사이트 조직을 얻으려면 0 ℃ 이하의 액체에 넣어야 한다.
- 마르텐사이트 조직은 오스테나이트 결정립의 끝에서 끝으로 발생하므로 오스테나이트 결정립이 작을수록 미세한 마르텐사이트가 생긴다.
- 잔류오스테나이트는 매우 불안정하고 매우 높은 취성을 가지므로 뜨임을 통해 잔류오스테나이트를 제거하여 재료의 성능을 개선해야한다.
- S곡선에는 조직과 경도가 나타나있어서 온도와 시간을 알면 조직과 경도를 알 수 있다.
참고)
- 오스테나이트에서 탄소원자들은 마르텐사이트 결정의 z축에 고용되어 있다가 무확산변태로 마르텐사이트 변태가 일어나면 z축의 길이가 길어진다. 이러한 이유로 마르텐사이트 조직이 생기면 체적이 팽창한다.
- 탄소량이 많은 강의 마르텐사이트일수록 경도가 높다.
2 연속 냉각 변태 곡선 (CCT continuous cooling transformation curve)
1) 정의
- 연속적으로 냉각하여 원하는 상을 얻어내는 방식이다.(염욕등 등온상태를 유지하지 않음.)
- 연속냉각은 냉각속도에 따라서 용어를 달리한다.
* 매우 느린 냉각속도(노냉)에 의한 조대한 펄라이트를 형성시키는 풀림(annealing)
* 풀림보다 좀 더 빠른 속도로 냉각하여(공냉)하여 미세한 펄라이트인 소르바이트, 트루스타이트를 형성하는 노멀라이징(normalizing)
* 급랭(수냉)하여 전부 마르텐사이트를 얻는 담금질(quenching)
2) 특징
- S곡선을 조금 아래로, 조금 오른족으로 이동하면 대략적인 CCT곡선의 모양을 추측할 수 있다.
* S곡선에서 베이나이트 구역이 펄라이트 구역보다 오른쪽에 있으므로 CCT 곡선에서 베이나이트 구역은 생기지 않는다.
* 단 S곡선 왼쪽, 공석강을 Ms온도와 nose온도 사이로 급랭시켜서 항온변태시키는 방법을 통하면 CCT 곡선에서 베이나이트를 만들 수 있다.
* CCT 곡선의 마르텐사이트 변태 구역은 S곡선의 변태구역과 거의 같다.
- 펄라이트가 생기지 않는 가장 빠른 냉각속도를 임계냉각속도라고 한다. 임계 냉각속도보다 빨리 냉각하면 펄라이트가 생기지 않으므로 100% 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있다.
- 임계 냉각속도보다 느리면 냉각되는 도중 Ps선을 통과하기 때문에 펄라이트가 생긴다.
- 합금의 종류에 따라 CCT 곡선에는 Fs선 탄화물 석출 시작선, Ps선, Pf선, Bs선, Bf선, Ms선, Mf선이 나타난다.
- 합금강중에는 펄라이트 코까지의 시간이 길어서 천천히 냉각하여도 100% 마르텐사이트로 되는 강이 있다.
- 탄소강은 펄라이트 코까지의 시간이 매우 짧아서 물속에 급냉하여야 100% 마르텐사이트가 된다.
3 CCT와 TTT의 활용
- 기업에서 대량으로 제품을 생산할 때 일정한 온도를 유지하기 어려우므로 특수제작품이 아닌 일반제품은 대부분 연속적인 냉각변태 열처리가 비용 및 제작에 더 용이하다.
- 일반적으로 CCT 곡선은 S곡선보다 온도로 약 38도정도 낮고 시간은 50% 정도 더 걸리는 방향에 있어서 예측할 수 있다.
- 양질의 마르텐사이트를 얻기 위해서는 빨리 냉각하며, 마르텐이트구역(Ms-Mf)은 천천히 통과하여야 한다.
