철강의 오스테니화

오스테나이트화 원리

• 상 변태 원리: 강철을 가열하면 페라이트 및 펄라이트와 같은 내부 구조가 철 결정 격자 내 탄소 원자의 재분배를 통해 점차 오스테나이트로 변환됩니다.
• 온도 영향: 오스테나이트화 온도는 일반적으로 ac₁ (하한 임계점)과 ac₃ (상한 임계점) 사이입니다. 그러나 임계점 온도는 강철의 조성에 따라 다릅니다. 예를 들어, 탄소 함량, 합금 원소의 종류 및 함량은 모두 임계점에 영향을 미칩니다.

오스테나이트화 과정 (공정강을 예로)

• 오스테나이트 핵 형성: 오스테나이트 핵은 일반적으로 페라이트와 시멘타이트 사이의 상 경계면에서 우선적으로 형성됩니다. 이는 상 경계면의 탄소 원자 농도가 불균일하고 에너지가 높으며 원자 배열이 불규칙하여 핵 생성에 필요한 농도 변동, 에너지 변동 및 구조 변동 조건을 쉽게 충족하기 때문입니다. 또한 펄라이트 도메인과 페라이트 모자이크 블록의 경계도 핵 생성 부위가 될 수 있습니다.
• 오스테나이트 핵 성장: 오스테나이트 상 영역으로 가열된 후, 고온에서 탄소 원자의 확산 속도가 빨라지고 철 원자와 합금 원자도 완전히 확산될 수 있습니다. 오스테나이트 핵은 탄소 원자의 확산을 통해 페라이트와 시멘타이트를 향해 계속 성장합니다.
• 잔류 시멘타이트 용해: 페라이트의 조성과 구조가 오스테나이트에 더 가깝기 때문에 오스테나이트 핵이 성장하는 동안 페라이트가 먼저 사라지고 잔류 시멘타이트는 유지 시간 연장과 함께 모두 사라질 때까지 계속 용해됩니다.
• 오스테나이트 조성 균질화: 모든 시멘타이트가 용해된 후 오스테나이트의 탄소 농도는 균일하지 않으며 원래 시멘타이트 영역의 탄소 함량이 더 높습니다. 이 시점에서는 탄소 원자가 완전히 확산되도록 장기간 유지하거나 계속 가열하여 균일한 조성을 가진 오스테나이트를 얻어야 합니다.

아공정강 및 과공정강의 오스테나이트화

• 아공정강: 위에 언급된 공정강의 오스테나이트 형성의 기본 과정 외에도, ac₁ 온도 이상으로 가열하면, 석출 페라이트가 ac₃ 온도 이상으로 가열되어 완전히 오스테나이트로 변환될 때까지 점차 용해되어야 합니다.
• 과공정강: ac₁ 온도 이상으로 가열하면, 석출 시멘타이트(2차 시멘타이트)가 점차 용해되어야 하며, Accm (과공정강의 상한 임계점) 이상으로 가열해야 모든 시멘타이트가 용해되고 단일 오스테나이트 구조를 얻을 수 있습니다.

오스테나이트화에 영향을 미치는 요인

• 가열 온도 및 시간: 가열 온도가 높을수록 원자 확산 속도가 빨라지고 오스테나이트화 속도가 빨라지며 형성에 필요한 시간이 짧아집니다. 특정 온도에서 유지 시간이 길수록 오스테나이트 조성이 더 균일해지지만, 유지 시간이 너무 길면 결정립이 성장합니다.
• 가열 속도: 가열 속도가 빠를수록 잠복기가 짧아지고 오스테나이트가 변환을 시작하고 종료하는 온도가 높아지며 변환에 필요한 시간이 짧아집니다. 급속 가열 중 오스테나이트의 핵 생성 속도 증가는 성장 속도보다 커서 미세한 오스테나이트 결정립을 얻을 수 있습니다.
• 합금 원소: 코발트 및 니켈과 같은 원소는 오스테나이트화 과정을 가속화합니다. 크롬, 몰리브덴 및 바나듐과 같은 원소는 오스테나이트화 과정을 늦춥니다. 실리콘, 알루미늄 및 망간과 같은 원소는 기본적으로 오스테나이트화 과정에 영향을 미치지 않습니다. 합금 원소의 확산 속도가 탄소보다 훨씬 느리기 때문에 합금강의 열처리 가열 온도는 일반적으로 더 높고 유지 시간이 더 깁니다.
• 원래 구조: 원래 구조의 시멘타이트가 판상일 때 오스테나이트 형성 속도가 입상 시멘타이트보다 빠릅니다. 시멘타이트의 층간 간격이 작을수록 상 경계면이 많아지고 핵 생성 속도가 높아지며 변환 속도가 빨라집니다. 구상화 어닐링 상태의 입상 펄라이트는 상 경계면이 적으므로 오스테나이트화 속도가 가장 느립니다.

오스테나이트화의 실제 적용

• 열처리: 오스테나이트화는 강철 열처리의 핵심 단계입니다. 서로 다른 후속 냉각 방법(예: 담금질, 정규화, 어닐링, 템퍼링 등)은 오스테나이트를 서로 다른 구조로 변환하여 필요한 기계적 특성을 얻습니다. 예를 들어, 오스테나이트화 후 강철을 담금질하면 마르텐사이트 구조를 얻어 강철의 경도와 강도를 향상시킬 수 있습니다. 정규화 처리는 결정립을 미세화하고 강철의 가공성을 향상시킬 수 있습니다.
• 압력 가공: 강괴, 강 빌렛 및 강 제품은 일반적으로 오스테나이트화를 위해 1100°C 이상으로 가열됩니다. 이 때 오스테나이트는 우수한 연성과 낮은 항복 강도를 가지므로 단조 및 압연과 같은 소성 가공을 통해 다양한 모양의 부품 또는 완제품을 만드는 데 편리합니다.