“미세구조가 물성을 만들고, 공정이 미세구조를 만든다”고 했습니다. 그 공정 중 가장 강력한 손잡이가 열처리입니다. 원리는 앞서 배운 확산·상전이·핵생성이에요.
같은 탄소강으로 만든 두 공구를 오스테나이트 영역까지 가열합니다. 하나는 노 안에서 천천히 식히고, 다른 하나는 물에 급랭한 뒤 낮은 온도에서 다시 데웁니다. 조성은 같지만 절삭성과 충격 저항은 크게 달라집니다.
온도와 시간을 어떤 경로로 지나느냐가 왜 최종 조직과 물성을 바꿀까요?
이번 장의 답열처리는 평형상이 아니라 실제 변태 경로를 설계하는 일이며, 구동력·원자 이동성·핵생성률의 경쟁이 냉각 중 형성되는 상과 크기를 결정합니다.
01열처리란
열처리는 가열 – 유지 – 냉각의 조합으로 상과 미세구조를 조절하는 공정입니다. 특히냉각 속도가 결과를 크게 좌우합니다.
02어닐링과 담금질
어닐링은 천천히 식혀(평형에 가깝게) 재료를 무르고 가공하기 쉽게 만들고, 내부 응력을 없앱니다. 반대로 담금질은 급랭해 원자가 확산할 시간을 주지 않아, 강철에서 매우 단단한마르텐사이트를 만듭니다(강하지만 취성↑).
03변태 속도 — 아브라미
핵생성·성장으로 진행되는 변태가 시간에 따라 얼마나 진행됐는지(변태 분율 $X$)는 아브라미 식으로 기술됩니다.
$$ X(t) = 1 - \exp\!\left( -k\,t^{\,n} \right) $$
$k$ 는 속도 상수(온도에 아레니우스로 의존), $n$ 은 핵생성·성장 방식에 따른 지수입니다. 그래서 변태 곡선은 특유의 S자(시그모이드) 모양이 됩니다 — 처음엔 느리고, 중간에 빨라지고, 끝에서 다시 느려집니다.
04TTT와 CCT — 시간–온도 경로 읽기
TTT 선도는 특정 온도로 급히 내린 뒤 등온 유지할 때 변태 시작·종료 시간을 보여 줍니다. 실제 연속 냉각 공정에는 CCT 선도가 더 직접적입니다. 냉각곡선이 확산 변태 시작선의 코를 피할 만큼 빠르면 마르텐사이트 분율이 커지며, 그 경계가 임계 냉각속도입니다. 같은 강이라도 표면과 중심의 냉각속도가 달라 조직과 경도가 달라질 수 있습니다.
- $X = 1 - e^{-k t^n}$ — 변태 분율(아브라미)
- $k \propto e^{-Q/RT}$ — 온도 의존(아레니우스)
- 임계 냉각속도 초과 → 마르텐사이트
05템퍼링 — 강도와 인성의 재조정
담금질한 재료를 다시 적당히 데우는 템퍼링은 강도를 조금 내주는 대신 인성을 회복해 균형을 맞춥니다. 조성을 고르게 만드는 균질화 열처리도 있습니다. 가열·냉각만으로 같은 재료를 무르게도 단단하게도 만드는 것 — 그것이 열처리입니다.
06이 글의 용어 사전
본문을 읽다가 “그래서 이 말이 정확히 뭐지?”라는 질문이 생기면 여기에서 다시 확인할 수 있습니다.
- 오스테나이트화austenitizing
- 강을 적절한 온도로 가열·유지해 목표 조성의 오스테나이트를 만드는 단계입니다.
- 어닐링annealing
- 가열·유지·서냉을 통해 잔류응력을 줄이고 연성을 회복하거나 평형에 가까운 조직을 만드는 열처리군입니다.
- 담금질quenching
- 확산 변태를 억제하도록 빠르게 냉각하는 공정입니다. 냉각 매체와 부품 크기가 실제 속도를 결정합니다.
- 마르텐사이트martensite
- 장거리 확산 없이 격자가 협동적으로 변형해 생기는 준안정상 또는 조직입니다. 탄소강에서는 매우 단단하지만 취성이 큽니다.
- 템퍼링tempering
- 담금질한 강을 변태점 아래에서 재가열해 잔류응력과 취성을 줄이고 강도–인성 균형을 조정하는 공정입니다.
- TTT 선도time-temperature-transformation
- 등온 유지 조건에서 상변태의 시작·종료 시간과 생성 조직을 나타낸 선도입니다.
- CCT 선도continuous-cooling-transformation
- 연속 냉각 속도에 따른 상변태와 최종 조직을 나타내 실제 냉각 공정에 더 직접적으로 쓰이는 선도입니다.
- 경화능hardenability
- 담금질했을 때 부품 내부까지 마르텐사이트 조직을 형성할 수 있는 능력입니다. 경도 자체와 구분해야 합니다.
07참고자료와 더 읽을거리
- Balluffi, Allen & Carter, Kinetics of Materials — 상변태, 핵생성·성장과 JMAK/Avrami 속도론.
- Callister & Rethwisch, Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed. — 철–탄소계, TTT와 강의 열처리.
- ASM Handbook, Vol. 4, Heat Treating — 산업 열처리 공정과 합금별 조건의 실무 참고자료.