가스텅스텐아크용접기능사 열처리 종류 — 풀림·불림·담금질·뜨임과 조직

강에 황이 많으면 열가공이나 용접 중 고온에서 균열이 생기는 열취성이 나타난다. 황이 철과 결합한 황화철이 결정 입계를 약하게 만들기 때문이다. 망간은 철보다 황과 더 잘 결합하므로 황화철 대신 무해한 황화망간을 만든다. 황화망간은 열가공 중에도 유연하게 늘어나 균열을 일으키지 않아 황의 나쁜 영향이 사라진다. 망간은 녹은 강물의 산소를 제거하는 탈산제 역할도 하므로 두 조건을 모두 채운다. 크롬·니켈·바나듐은 내식성이나 내열성, 경화능을 높이는 원소일 뿐 황의 해를 없애지 못한다.

강괴는 탈산을 얼마나 했는가에 따라 나뉜다. 킬드 강괴는 탈산제를 넉넉히 넣어 완전히 탈산한 강괴로, 주조 중에 기체가 거의 나오지 않아 내부에 기공이 없다. 그래서 재질이 균일하고 기계적 성질과 방향성이 좋아 합금강·단조용강·침탄강의 원재료로 쓰인다. 다만 응고 막판에 상부에 수축관이 생기는데, 이 부분이 산화되면 다시 가열해도 압착되지 않으므로 잘라내야 한다. 림드 강괴는 탈산을 거의 하지 않아 거품이 일고, 겉은 좋아도 내부 품질이 떨어져 값싼 판재용이다.

열처리한 탄소강의 조직 가운데 경도가 가장 높은 것은 마텐자이트다. 마텐자이트는 강을 뜨겁게 가열한 뒤 물이나 기름에 급냉할 때 생기는 바늘 모양 조직으로, 탄소가 과포화된 상태라 매우 단단하다. 경도 순위는 마텐자이트 > 트루스타이트 > 소르바이트 > 오스테나이트이고, 소르바이트와 트루스타이트는 담금질한 강을 다시 낮은 온도로 데워 만든 뜨임 조직이라 마텐자이트보다 연하며, 오스테나이트는 고온에서 안정한 무른 조직이다.

불림은 강을 표준 상태로 되돌리는 열처리다. 아공석강은 A3, 과공석강은 Acm보다 30~50℃ 높은 온도로 가열한 뒤 공기 중에서 식힌다. 열간가공이나 주조로 뒤엉킨 조직이 균일해지고 결정립이 미세화되어 기계적 성질이 향상된다. 담금질은 물이나 기름에 급랭해 경도를 높이는 처리, 뜨임은 담금질한 강을 다시 가열해 인성을 회복시키는 후속 처리이므로 공기 중에서 서서히 식히는 공랭과 구분한다.

가단주철은 주조성이 좋은 백선주물을 만든 뒤 열처리해 흑연을 덩어리로 뭉치게 하여 인성을 준 주철이다. 백심가단주철은 산화성 분위기에서 탈탄시켜 표면이 희고, 흑심가단주철은 중성 분위기에서 흑연화 처리한 것이며, 펄라이트 가단주철은 기지를 펄라이트로 만들어 강도를 높인 것, 특수가단주철은 합금 원소를 첨가한 것이다. 오스테나이트 가단주철이라는 분류는 없으며, 오스테나이트는 니켈 등을 넣은 오스테나이트계 주철에서 쓰이는 조직명이다.

담금질한 강은 단단하지만 잘 부러지는 취성이 생기고 내부에 응력이 남는다. 뜨임은 이 강을 다시 낮은 온도로 가열해 천천히 식히는 열처리로, 경도를 조금 내주는 대신 인성을 갖게 하고 내부응력을 없애 사용 중 파손을 막는 것이 주된 목적이다. 조직을 정상화하는 일은 풀림이나 불림의 역할이고, 화학 성분을 보충하는 것은 열처리로 할 수 없다.

스프링강은 830~860℃에서 담금질해 마텐자이트를 만든 뒤 450~570℃에서 뜨임한다. 이렇게 높은 온도에서 뜨임하면 소르바이트 조직이 되어 단단하면서도 질기고 탄성이 좋아 스프링이나 와이어로프에 알맞다. 300~450℃의 중간 온도에서 뜨임하면 트루스타이트가 되고, 시멘타이트는 철과 탄소의 화합물 자체이며 마텐자이트는 뜨임 전 조직이다.

오스테나이트계 스테인리스강을 용접해 사용하면 용접 열을 받은 부분에 크롬 탄화물이 입계에 석출되어 녹이 슬 수 있다. 방지책은 탄소보다 먼저 결합하는 티타늄·니오븀·바나듐을 첨가하거나 탄소가 적은 재료를 쓰거나 용체화처리로 탄화물을 다시 녹여 급냉하는 것이다. 크롬 탄화물을 형성하도록 시효처리하면 예민화를 인위적으로 만드는 셈이라 방지가 아니라 악화다.

담금질은 강을 오스테나이트 조직의 영역으로 가열한 뒤 물이나 기름으로 급냉해 마텐자이트를 얻는 열처리다. 풀림은 가열 후 서서히 식히고, 불림은 공기 중에서 식히며, 뜨임은 담금질한 강을 다시 가열하는 공정이라 급냉과 다르다. 적열취성의 원인은 황이다. 황이 만드는 저융점 황화철이 결정 입계에 모여 900℃ 부근의 적열 상태에서 강을 취약하게 만들며, 망간은 황화철 대신 황화망간을 만들어 이를 막는다.