담금질과 템퍼링: Q&T 열처리의 기초

두 공정이 하는 역할

담금질이란 강을 오스테나이트 영역까지 가열한 뒤, 오스테나이트가 연한 페라이트와 펄라이트로 분해될 틈이 없을 만큼 빠르게 냉각하는 것을 말한다. 그 결과 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태하는데, 이는 경도가 높고 변형이 많이 걸린 조직으로 강에 강도 잠재력을 부여한다. 이어서 **템퍼링(뜨임)**은 담금질한 강을 중간 정도의 온도로 재가열하여, 경도를 제어된 범위만큼 낮추는 대신 인성과 연성을 크게 높이는 공정이다.

어느 한 공정만으로는 효과를 얻을 수 없다. 담금질한 그대로의 마르텐사이트는 경도는 높지만 취성이 크고 내부 응력이 가득한 상태이며, 템퍼링을 거쳐야 비로소 사용 가능한 엔지니어링 소재가 된다.

미세조직의 변화 순서

1. 오스테나이트화 — 일반적으로 해당 강종의 상부 임계 온도보다 30–50 °C 높은 온도에서 수행한다. 탄소와 합금 원소가 오스테나이트에 고용되며, 이때 결정립 크기가 결정되므로 과열은 큰 손실을 초래한다.
2. 담금질 — 경화능과 변형 허용 범위에 따라 오일, 폴리머, 물 또는 고압 가스를 선택한다. 냉각 속도는 단면 전체에 걸쳐 강의 임계 냉각 속도보다 빨라야 한다.
3. 템퍼링 — 하부 임계 온도(Ac1)보다 낮은 온도에서 유지하며, 목표에 따라 일반적으로 약 150 °C부터 650 °C 사이의 온도를 사용한다. 탄화물이 석출되고, 내부 응력이 완화되며, 잔류 오스테나이트가 분해된다.

경도–강도–인성의 균형

템퍼링 온도는 가장 중요한 조정 변수이다. 낮은 템퍼링 온도(약 150–250 °C)는 경도를 담금질 직후의 최대값에 가깝게 유지하므로 공구와 내마모 부품에 적합하다. 중간 범위의 템퍼링은 스프링과 같은 특성의 조합을 제공한다. 높은 템퍼링 온도(약 500–650 °C)는 전형적인 담금질·템퍼링 엔지니어링 상태를 만들어낸다. 즉, 적당한 경도, 높은 항복 강도, 우수한 충격 인성을 갖추는 것으로, 샤프트와 볼트 용도로 사용되는 4140, 42CrMo4 같은 강종의 납품 상태가 바로 이것이다.

유용한 경험칙은 다음과 같다. 템퍼링 온도가 높아질수록 강도는 낮아지고 인성은 높아지며, 설계자는 적용 분야에 필요한 지점을 그 곡선 위에서 선택한다.

단면 크기가 중요한 이유

담금질에서는 표면이 먼저 냉각된다. 두꺼운 단면에서는 중심부의 냉각이 더 느려 완전한 마르텐사이트 형성이 이루어지지 않을 수 있고, 결국 더 연한 페라이트/베이나이트 혼합 조직이 된다. 담금질로 애초에 얻지 못한 경도는 템퍼링으로 회복할 수 없다. 이 때문에 다음과 같은 원칙이 적용된다.

• 규격에서는 기계적 성질을 **기준 단면(ruling section)**별로 명시한다. 같은 강종이라도 200 mm 봉재에서 보장되는 성능은 40 mm 봉재보다 낮다.
• 합금 함량(Cr, Mo, Ni, Mn, B)은 마르텐사이트가 형성되는 깊이인 경화능을 높인다. 대형 핵심 부품에 순수 탄소강이 아닌 합금강을 사용하는 이유가 여기에 있다.
• 관통 경도에 대한 주장은 항상 실제 가공되는 단면을 기준으로 확인해야 하며, 이상적으로는 부품 자체에서 절단한 시험편으로 검증하는 것이 좋다.

열처리 중 Q&T의 위치

담금질과 템퍼링은 열처리 계열 중에서도 고성능에 속하는 처리이다. 노멀라이징과 어닐링은 평형 냉각 속도로 조직을 재배열하여 중간 정도의 특성을 제공하는 반면, Q&T는 평형을 완전히 벗어나 마르텐사이트를 활용한다. 따라서 담금질·템퍼링한 합금강은 같은 강을 노멀라이징한 경우에 비해 약 두 배의 항복 강도를 발휘할 수 있다. 그 대가는 공정 관리이다. 변형, 담금질 균열, 잔류 응력은 어닐링에서는 나타나지 않는 실제 위험 요소이며, 부품에는 보통 교정 여유, 연삭 여유 또는 그 모두가 필요하다. 최대의 특성을 얻는 대신 최대의 공정 규율이 요구되는 이러한 상충 관계 때문에 Q&T는 기본 조건으로 일괄 적용되는 것이 아니라 부품별로 의도적으로 지정된다.