하부 베이나이트의 담금질 공정

I. 하부 베이나이트 담금질의 기본 원리

II. 하부 베이나이트 담금질의 공정 단계 및 매개변수

1. 오스테나이트화 단계 (가열 및 유지)

• 목적: 강철 내 탄화물을 완전히 용해하고 균일하고 미세한 오스테나이트 조직을 얻어 후속 변태의 기초를 마련합니다.
• 공정 매개변수:
  • 오스테나이트화 온도: 강철의 성분에 따라 결정되며, 일반적으로 Ac3보다 30~50°C 높거나 (과공석 강철의 경우) Ac1과 Ac3 사이 (과공석 강철의 경우, 망상 탄화물을 피하기 위해)입니다. 예를 들어:
    • 중탄소강 (예: 45강): 820~860°C;
    • 중탄소 저합금강 (예: 40Cr): 840~880°C;
    • 고탄소강 (예: T8강): 780~820°C (과열로 인한 조대 입자를 방지하기 위해).
  • 유지 시간: 오스테나이트 균질화를 보장하기 위해 공작물 두께와 적재 용량에 따라 결정됩니다. 일반적으로 1~3시간 (작은 공작물의 경우 짧게는 30분, 큰 공작물의 경우 더 길게)이며, 불충분한 가열 (불완전한 오스테나이트화) 또는 과열 (조대 입자, 성능 저하)을 피해야 합니다.

2. 급냉 단계 (펄라이트/상부 베이나이트 영역 회피)

• 목적: 오스테나이트화된 공작물을 하부 베이나이트 변태 온도 범위 (200~350°C)로 급냉하여 펄라이트 (500~600°C) 또는 상부 베이나이트 (350~500°C) 영역에서 조기 변태를 방지하고, 오스테나이트의 "방향성" 변태를 하부 베이나이트로 보장합니다.
• 공정 매개변수:
  • 냉각 매체: 충분한 냉각 속도 (강철의 임계 냉각 속도를 초과)를 제공해야 합니다. 일반적인 매체는 다음과 같습니다:
    • 용융염 (예: 질산염-아질산염 욕, 낮은 융점 및 쉬운 온도 제어);
    • 광물유 (작은 공작물에 적합하며, 용융염보다 약간 느린 냉각);
    • 고분자 용액 (예: 폴리비닐 알코올 용액, 조절 가능한 냉각 능력).
  • 냉각 종점: 공작물을 200~350°C로 급냉합니다 (특정 온도는 강철의 TTT 곡선에 의해 결정됨; 예를 들어, 저합금강의 경우 250~300°C).

3. 등온 변태 단계 (핵심 단계)

• 목적: 설정된 저온에서 유지하여 오스테나이트를 하부 베이나이트로 완전히 변태시킵니다 (잔류 오스테나이트 최소화).
• 공정 매개변수:
  • 등온 온도: 일반적으로 200~350°C (하부 베이나이트의 특징적인 범위). 온도가 낮을수록 하부 베이나이트 래스가 더 미세해져 강도와 경도가 증가하지만 변태가 느려집니다 (유지 시간이 더 필요함); 온도가 높을수록 (350°C 근처) 부분적인 상부 베이나이트가 형성되어 인성이 감소할 수 있습니다.
  • 등온 시간: 강철의 TTT 곡선에 의해 결정되어 완전한 오스테나이트 변태를 보장합니다. 예:
    • 280°C에서 40Cr 강: ~2~4시간;
    • 250°C에서 60Si2Mn 스프링강: ~3~5시간.
  • 판단 기준: 미세 조직 검사 (하부 베이나이트는 펄라이트 또는 마르텐사이트 없이 어두운 바늘 모양/층상 구조로 나타남) 또는 경험적 공식 (예: 두께 10mm당 0.5~1시간 연장).

4. 등온 후 냉각

• 등온 유지 후 공작물은 공기 냉각하여 실온으로 냉각할 수 있습니다 (계속 급냉할 필요 없음). 오스테나이트는 이미 하부 베이나이트로 완전히 변태되었으므로 공기 냉각은 마르텐사이트 형성 또는 기타 유해한 구조를 피하고 과도한 냉각 속도로 인한 응력 균열을 방지합니다.

III. 적합한 강종

• 중탄소강: 45, 50 등;
• 중탄소 저합금강: 40Cr, 42CrMo, 35CrMo 등;
• 스프링강: 60Si2Mn, 50CrVA 등;
• 베어링강: GCr15 (조대 입자를 피하기 위해 오스테나이트화 온도 제어).

IV. 성능 특성 및 적용 분야

• 성능 장점: 하부 베이나이트는 HRC45~55의 경도 (마르텐사이트에 근접)를 갖지만 마르텐사이트보다 2~3배 높은 충격 인성 (αk)을 갖습니다 (예: 하부 베이나이트 담금질 후 40Cr은 αk≥80J/cm² vs. 마르텐사이트 담금질의 경우 30~50J/cm²), 우수한 피로 강도 및 내마모성을 갖습니다.
• 적용 분야: "강도-인성 균형"이 필요한 부품, 예를 들어 기어, 드라이브 샤프트, 커넥팅 로드, 스프링 및 베어링 링.

V. 주요 공정 포인트 및 주의 사항

1. 오스테나이트화 제어: 과도한 고온은 조대 오스테나이트 입자와 거친 하부 베이나이트를 유발하여 인성을 감소시킵니다. 저온은 불완전한 오스테나이트화를 유발하여 잔류 탄화물이 변태 균일성을 저해합니다.
2. 냉각 속도: 펄라이트 영역 (500~600°C)을 빠르게 통과해야 합니다. 그렇지 않으면 펄라이트가 형성되어 강도가 급격히 감소합니다 (적절한 냉각 능력을 가진 매체, 예를 들어 용융염 욕을 선택하여 속도가 임계값을 초과하도록 보장).
3. 등온 매개변수: 온도 및 시간에 대한 TTT 곡선을 엄격히 따르십시오. 편차는 과도한 잔류 오스테나이트 (경도 감소) 또는 부분적인 상부 베이나이트 (인성 감소)를 유발합니다.
4. 공작물 형상: 크거나 복잡한 부품의 경우, 응력 균열을 방지하기 위해 가열/냉각 속도를 제어합니다 (등온 유지를 시작하기 전에 단계적 가열 또는 더 높은 온도로 예냉을 사용).