템퍼링(Tempering)의 의미와 방법 및 템퍼링 온도 따른 경도 변화

안녕하세요, 여러분. 오늘은 우리 주변에서 흔히 접할 수 있는 강철 제품들이 어떻게 그 특성을 가지게 되는지,

그 과정 중 하나인 ‘열처리’와 그 중에서도 ‘템퍼링’에 대해 이야기해 보려고 합니다.

1. 템퍼링(Tempering)이란?

우선, 템퍼링에 대한 개념부터 살짝 짚어보겠습니다. 강철은 열을 가하거나 냉각하는 방법으로 물성을 변화시킬 수 있습니다. 이러한 공정을 총칭하여 ‘열처리’라고 부릅니다. 이 열처리 과정 중 하나가 바로 ‘템퍼링’입니다. 강철의 템퍼링은 주로 연성 및 인성을 증가시킬 뿐만 아니라 구조의 입자 크기를 증가시키기 위해
이전에 경화되거나 표준화된 강철을 일반적으로 하한 임계 온도 미만의 온도로 가열하고 적절한 속도로 냉각시키는 공정입니다.
강철은 특정 기계적 특성 값을 얻고 담금질 응력을 완화하고 치수 안정성을 보장하기 위해 경화 후 재가열하여 템퍼링됩니다.

간단하게 정리하면 강재를 단단하게 만드는 경화 작업 퀜칭(담금질) 후에는 재료가 너무 불완전하고 취성(쉽게 부러짐)이 생기기 때문에, 이를 완화시켜주는 작업이 필요합니다. 바로 그것이 ‘템퍼링’입니다.

뜨임이라고도 합니다.

2. 템퍼링의 방법

1단계: 첫 번째로, 강재를 담금질 시켰던 온도보다 낮은 온도에서 가열합니다.

2단계: 일정 시간 동안 해당 온도를 유지하여 재료 내부의 구조를 안정화시켰다가,

3단계: 다시 서서히 냉각하는 것으로 완료됩니다.

3. 템퍼링 온도에 따른 경도 변화

등급 2시간 동안 템퍼링 한 후 경도 (HRC) 열처리 사양
205°C 260°C 315°C 370°C 425°C 480°C 540°C 595°C 650°C
탄소강
1030 50 45 43 39 31 28 25 22 95(HRB) 900°C 노멀라이징(불림),
830~845°C water Quenching(담금질),
평균 이슬점 16°C
1040 51 48 46 42 37 30 27 22 94(HRB)
1050 52 50 46 44 40 37 31 29 22
1060 56 55 50 42 38 37 35 33 26 885°C 노멀라이징(불림),
800~815°C water Quenching(담금질),
평균 이슬점 7°C
1080 57 55 50 43 41 40 39 38 32
1095 58 57 52 47 43 42 41 40 33
1137 44 42 40 37 33 30 27 21 91(HRB) 900°C 노멀라이징(불림),
830~855°C water Quenching(담금질),
평균 이슬점 13°C
1141 49 46 4 41 38 34 28 23 94(HRB)
1144 55 50 47 45 39 32 29 25 97(HRB)
합금강 (water Quenching)
1330 47 44 42 38 35 32 26 22 16 900°C 노멀라이징(불림),
800~815°C water Quenching(담금질),
평균 이슬점 16°C
2330 47 44 42 38 35 32 26 22 16
3130 47 44 42 38 35 32 26 22 16
4130 47 45 43 42 38 34 32 26 22 885°C 노멀라이징(불림),
800~855°C water Quenching(담금질),
평균 이슬점 16°C
5130 47 45 43 42 38 34 32 26 22
8630 47 45 43 42 38 34 32 26 22
합금강 (oil Quenching)
1340 57 53 50 46 44 41 38 35 31 870°C 노멀라이징(불림),
830~845°C oil Quenching(담금질),
평균 이슬점 16°C
3140 55 52 49 47 41 37 33 30 26
4140 57 53 50 47 45 41 36 33 29
4340 55 52 50 48 45 42 39 34 31 870°C 노멀라이징(불림),
830~845°C oil Quenching(담금질),
평균 이슬점 13°C
4640 52 51 50 47 42 40 37 31 27
8740 57 53 50 47 44 41 38 35 22
4150 56 55 53 51 47 46 43 39 35 870°C 노멀라이징(불림),
830~870°C oil Quenching(담금질),
평균 이슬점 13°C
5150 57 55 52 49 45 39 34 31 28
6150 58 57 53 50 46 42 40 36 31
8650 55 54 52 49 45 41 37 32 28 870°C 노멀라이징(불림),
815~845°C oil Quenching(담금질),
평균 이슬점 13°C
8750 56 55 52 51 46 44 39 34 32
9850 54 53 51 48 45 41 36 33 30

*25mm 강재 바에 대한 데이터입니다.

*위 표는 asm에서 참조한 데이터입니다.

4. 템퍼링의 응용

1) 경도와 템퍼링 온도: 템퍼링 온도가 증가함에 따라 강재의 경도는 일반적으로 감소합니다. 이는 마르텐사이트 구조 내의 탄소 원자들이 재배열되면서 발생하는 현상입니다.
탄소 입자들은 철 입자 사이에서 더 자유롭게 움직일 수 있게 되어, 결국 금속 내부의 스트레스를 줄여주고 경도를 낮춥니다.

2) 인성과 템퍼링 온도: 템퍼링 온도가 증가함에 따라 강재의 인성은 보통 증가합니다. 마르텐사이트 구조는 매우 경질이지만 취성(쉽게 부러지는 성질)을 가지므로, 이를 완화시켜서 부서짐을 방지하거나 최소화하는 것이 필요합니다.

따라서 특정 응용 분야에서는 경도와 인성 사이에 균형을 찾아야 할 필요가 있습니다.

– 도구나 기계 부품 등에서 요구되는 고경도와 충분한 인성: 여기서는 중간 정도의 템퍼링 온도(약 200~500°C)를 사용하여 높은 경도와 충분한 인성을 얻습니다.

– 스프링과 같은 유연한 부분: 여기서는 상대적으로 낮은 템퍼링 온도(약 150~300°C)를 사용하여 높은 탄력 성능과 충분한 내구성을 얻습니다.

– 베어링과 같은 고부하 부분: 여기서는 상대적으로 높은 템퍼링 온도(약 500~650°C)를 사용하여 높은 내구성과 충분한 경도를 얻습니다.

이렇게 템퍼링 온도를 조절함으로써, 강재의 경도와 인성 사이의 균형을 조절하고, 다양한 응용 분야에 맞는 재료 특성을 얻을 수 있습니다.