기계재료 (3) - 철강재료와 열처리 (3)

[TTT 선도]

 

[1] 탄소강의 TTT 선도

 

열처리과정을 이해하는 데 유익하게 활용되는 또 하나의 선도는 TTT 선도(timetemperature-transformation curve)이다. 이것은 시간과 온도를 축으로 하는 반대수좌표계상에 상의 변화를 나타낸 것으로서 시간과 온도와 상변화와의 관계를 이해하는 데 아주 유용하다.

다음 그림은 탄소함유량이 0.77%인 탄소강의 TTT 선도를 보여준다.

그림의 가장 왼쪽 곡선은 상변태의 시작을, 가장 오른쪽 곡선은 상변태의 종료를 나타낸다. 이 선도에 앞에서 설명하였던 노랭, 공랭, 유랭, 수랭의 냉각곡선선도를 함께 표기하면 그림에서 1점쇄선으로 나타낸 것과 같이 되어 냉각속도가 조직에 미치는 영향을 쉽게 알아볼 수 있다. 그림의 P는 펄라이트 구간을 나타내며 위쪽으로 갈수록 거친 펄라이트, 아래쪽으로 갈수록 고운 펄라이트를 나타낸다. 한편, 그림의 B는 베이나이트(bainite) 조직을 나타내는데, 이것은 페라이트 기지에 매우 작은 시멘타이트 입자들이 석출되어 이루어진 것으로 앞서 설명한 템퍼링된 마르텐사이트와 조직 및 기계적 성질면에서 유사하다.

 

그러나 탄소강으로부터 베이나이트를 얻으려면 그림에서 보는 바와 같이 매우 짧은 시간에 펄라이트 노즈 아래로 냉각시켜 베이나이트 구간까지 온도를 유지하여야 하므로, 탄소강으로부터 베이나이트를 얻는 것은 매우 어렵다고 할 수 있다.

 

그림의 M은 마르텐사이트 구간을 나타내는데 마르텐사이트 변태는 약 220℃ 정도에서시작하여 상온에서도 완전히 변태가 끝나지 않음을 알 수 있다. 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도(M)는 탄소함유량이 적을수록 높고, 탄소함유량이 많을수록 낮아져서 0.6% C의 경우는 약 50℃이며 0.8% C의 경우는 약 -50℃이다. 따라서, M_f 점이 실온 이하인 경우에는 실온에서 일부의 오스테나이트가 남게 되는데 이 잔류 오스테나이트는 상온에서서서히 마르텐사이트로 변태하여 시효변형을 일으키므로, 시간이 경과함에 따라 열처리한부품의 치수가 변하게 된다. 이것을 방지하기 위하여 아주 낮은 온도(-100℃ 이하)로 냉각시켜 잔류 오스테나이트를 제거하기도 하는데 이러한 열처리방법을 서브제로처리(subzero treatment)라 한다.

 

TTT 선도는 강의 탄소함유량에 따라 큰 차이를 나타낸다. 탄소함유량이 작으면 탄소의확산이 용이하기 때문에 펄라이트 변태가 보다 빨리 일어나게 된다. 따라서, 탄소함유량이적을수록 TTT 선도는 왼쪽으로 이동하게 되고, 반대로 탄소함유량이 많아지면 TTT 선도는 오른쪽으로 이동하게 된다.

 

 

[2] 합금강의 TTT 선도

 

강에 탄소 이외에 Cr, Mo, Ni, W 등과 같은 합금원소들이 첨가되면 TTT 선도의 형상과 위치에 큰 변화가 생긴다. 다음 그림은 강에 3%의 합금원소들이 첨가되었을 때의TTT 선도의 모습이다.

TTT 선도에 이와 같은 변화가 생기는 것은 첨가된 합금원소들이 탄소의 확산을 방해함으로써 펄라이트의 생성이 늦어지기 때문이다. 그림에서 보는 바와 같이 P_s와 P_f 선이 탄소강과 비교해 볼 때 오른쪽으로 많이 이동한 것을 알 수 있다. 이것은 곧 합금강의 경우 탄소강과 같은 냉각속도에서도 보다 고운 펄라이트가 얻어지는 것을 의미한다. 예를 들면, 탄소강의 경우 오스테나이트 구역으로부터 공랭시켰을 때 중간 펄라이트가 얻어졌으나 1% 합금강의 경우 고운 펄라이트가 얻어지게 된다.

 

합금강에서 펄라이트 노즈의 오른쪽으로의 이동은 마르텐사이트 변태를 위해 더 많은 시간을 허락하는 것을 의미하므로 합금원소량이 많아질수록 마르텐사이트를 얻기가 더욱 쉬워지게 된다. 이와 같이 마르텐사이트를 얻기가 쉬워지는 것을 경화능(hardenability)이 좋다고 한다. 따라서, 열처리하고자 하는 소재의 내부 깊은 곳까지 마르텐사이트를 얻기 위해서는 고합금강을 사용해야 한다. 다음 표는 합금원소량에 따라 냉각속도별로 얻을 수 있는 조직을 보여준다.

합금강의 TTT 선도의 또 하나의 특징은 베이나이트 노즈(bainite nose)의 출현이다. 이러한 베이나이트 노즈의 형성으로 합금강에서는 베이나이트 조직을 쉽게 얻을 수 있다. 즉, 오스테나이트 구역으로부터 베이나이트 구역으로 들어올 수 있으면 일정한 냉각속도에서도 얼마든지 베이나이트를 얻을 수 있다.