잔류 오스테나이트와 극저온 처리: 서브제로가 값을 할 때

잔류 오스테나이트란 무엇인가

담금질은 오스테나이트를 마르텐사이트 개시 온도 (Ms)와 마르텐사이트 종료 온도 (Mf) 사이에서 마르텐사이트로 변태시킵니다. 보통의 저탄소강에서는 Mf가 상온보다 위에 있어 변태가 완료됩니다. 고탄소강과 고합금강 — 공구강, 침탄 강종, 베어링강 — 에서는 탄소와 합금 함량이 Ms와 Mf를 끌어내려, 오스테나이트의 일부가 끝내 변태되지 않습니다: 경화된 조직에 섞인 연한 상인 잔류 오스테나이트입니다.

양은 강종과 오스테나이트화 방식에 따라 크게 다릅니다. 온도 범위의 상단에서 경화된 고합금 공구강에서는 수 %에서 대략 20–30%까지의 수치가 보고됩니다.

왜 중요한가

• 경도와 마모: 잔류 오스테나이트는 마르텐사이트보다 연하므로, 과다하면 경도와 접촉 피로 성능이 떨어집니다 (베어링강이 이 때문에 엄격히 규정됩니다).
• 치수 안정성: 잔류 오스테나이트는 준안정합니다. 응력, 연삭열, 온도 변화 아래에서 나중에 변태할 수 있으며, 그 변태는 부품을 팽창시킵니다. 사용 중 공차를 벗어나는 게이지, 정밀 금형, 베어링 부품이 전형적인 증상입니다.
• 전부 나쁜 것만은 아니다: 소량의 관리된 잔류 오스테나이트는 인성과 구름 접촉 거동에 이로울 수 있으며, 템퍼링만으로도 상당 부분이 변환됩니다 (아래 참조).

해결책, 순서대로

1. 템퍼링. 올바르게 선택한 템퍼링 (그리고 공구강의 경우 두 번째 템퍼링)은 잔류 오스테나이트를 분해하고 그로 인해 생긴 새로운 마르텐사이트를 템퍼링합니다. 많은 공구에서는 이것으로 충분하며 냉각 처리가 필요 없습니다.
2. 서브제로 처리 — 담금질 직후의 부품을 약 −70에서 −85 °C (드라이아이스 또는 기계식 냉동 범위)까지 냉각하고 잠시 유지하여 변태를 Mf에 가깝게 이끕니다. 베어링과 침탄 부품에 널리 사용됩니다.
3. 심냉(딥 크라이오제닉) 처리 — 약 −196 °C의 액체 질소 온도까지 냉각하되, 천천히 관리된 냉각과 승온을 거치며 보통 수 시간 유지하고, 반드시 템퍼링이 뒤따릅니다. 오스테나이트 변태를 마무리하는 것 외에도, 심냉 처리는 공구강에서 매우 미세한 탄화물 석출을 촉진한다고 알려져 있습니다. 치수 안정성의 이점은 잘 확립되어 있는 반면, 마모 수명 이점의 크기는 강종과 연구에 따라 다릅니다.

성패를 가르는 순서 규칙

• 담금질 후 즉시 처리한다 — 지연된 부품은 오스테나이트가 안정화될 수 있고, 응력을 받은 부품은 담금질 상태 그대로 두면 균열이 생길 수 있습니다.
• 냉각과 승온은 서서히 합니다. 얇은 단면과 복잡한 금형은 양방향 모두 열충격에 의한 균열에 민감합니다.
• 반드시 이후에 템퍼링한다. 냉각 과정에서 형성된 새로운 마르텐사이트는 템퍼링되지 않아 취성이 큽니다. 템퍼링 없이 상온에서 끝나는 크라이오 사이클은 부품을 더 나쁘게 만들 뿐입니다.

비용이 값을 하는 경우

서브제로 또는 크라이오 처리가 비용을 회수하는 대상은 다음과 같습니다: 정밀 게이지와 마스터, 고급 절삭·성형 공구, 잔류 오스테나이트 한계가 엄격한 베어링 부품, 그리고 사용 중 성장을 공차가 흡수할 수 없는 금형입니다. 애초에 오스테나이트를 거의 남기지 않는 중탄소강의 일반 기계 부품에서는, 비용을 회수할 메커니즘 없이 비용만 추가됩니다.