항온열처리 오스템퍼링의 의미와 목적 및 응용

1. 오스템퍼링의 의미

오스템퍼링은 항온열처리 중 하나로 오스테나이트 조직을 500°C 이하 ~ 마텐자이트 변태 시작온도(Ms) 이상의 일정한 온도에서 유지 시킨 후 냉각시켜
베이나이트 조직으로 변태시키는 처리입니다.

2. 오스템퍼링의 목적

오스템퍼링을 하게되면 별도의 템퍼링을 할 필요가 없어 공정 및 시간을 줄일 수 있습니다. 또한 일반 열처리 대비 강재의 성질을 개선시킬 수 있습니다.

1) 연신율이 올라갑니다.

2) 단면수축율이 줄어듭니다.

3) 내충격성이 올라갑니다.

4) 인성이 올라갑니다.

3. 오스템퍼링과 퀜칭 후 템퍼링 비교

강재(AISI) 1080 1090
오스템퍼링 퀜칭 후 템퍼링 오스템퍼링 퀜칭 후 템퍼링
인장강도(MPa) 1780 1795 1415 1380
항복강도(MPa) 1450 1550 1020 895
단면 수축률(%) 45 28 30 10.2
신장률(%) 11.5 6.0
경도(HRC) 50 50
경도(HB) 415 388

오스템퍼링을 통해 100% 베이나이트 구조를 갖게하는 것보다 원하는 기계적 물성치를 얻는것이 중요합니다.
실제 열처리 현장에서는 오스템퍼링을 했을 때 100% 베이나이트 구조가 아닌 85% 정도의 베이나이트 구조로 변태가 됩니다.
직경과 두께가 커질수록 불규칙적인 조직(펄라이트 포함)이 생길 가능성이 높습니다.

강재의 1080(AISI) 두께가 5mm 이하일때   100% 베이나이트 조직을 얻을 수 있으며
탄소 함량이 낮은 탄소강은 비례적으로 두께가 더 얇아야지 완전한 베이나이트 조직을 얻을 수 있습니다.
일부 합금강(붕소를 포함한)에서는 최대 25mm 두께에서도 완전 베이나이트 조직을 얻을 수 있습니다.

4. 오스템퍼링 시간이 경도에 미치는 영향
강재 오스템퍼링 온도(°C) 오스템퍼링 시간에 따른 경도(HRC)
30m 60m 90m 120m 240m 300m 360m
1095 230 91 90 90 90 90 90 90
265 90 89 89 89 89 89 89
8735 260 51 51 49 49 48 48 47
315 49 45 46 46 46 46 46
370 40 39 38 38 38 38 37
8750 260 58 56 53 51 52 52 51
315 58 52 48 47 47 47 47
370 54 42 39 39 39 38 39

-경도 감소: 오스템퍼링 시간이 증가할수록 경도는 감소합니다. 이는 오스테나이트의 변태가 진행되기 때문입니다.
일정 시간 동안 온도가 유지될 경우 페라이트와 시멘타이트로 변환됩니다. 이로 인해 재료의 경도가 낮아지게 됩니다.

-인성 증가: 페라이트와 시멘타이트의 형성으로 재료의 인성이 증가합니다. 페라이트와 시멘타이트는 마르텐자이트보다 비교적 연성이어서, 재료 내부 응력을 완화시켜 파손 및 균열 발생 가능성을 줄여줍니다.

-조직 안정화: 페라이트와 시멘타이트 형성으로 조직 안정화가 이루어집니다. 이는 내부 응력을 완화하고 재료의 내구성을 향상시켜줍니다.

단, 너무 긴 오스템퍼링 시간은 비용 및 생산능률 면에서 불리할 수 있으므로, 실제 처리 공정에서 최적의 소요 시간을 결정해야 합니다.

따라서, 오스템퍼링 처리 시간은 재료의 인장강도, 연신율, 경도 등 다양한 기계적 및 물리적 특성에 영향을 미치므로, 해당 재료 및 응용 분야에 따른 최적의 처리 조건을 고려하여 결정해야 합니다.