3 .열처리의 기초 3.1. 열처리란 열처리란 한 마디로 말해서 “빨갛게 달구었다가” “차게 식히는”것이다.  일반적인 표현을 빌리면 “달구는” 것이 “가열”이고 “식히는” 것이 “냉각”이다. 달구었다가 식힘으로서 강의 체질을 개선시키는 기술이 열처리라는 말이 된다.  아무리 우수한 성질을 갖고 태어난 강(鋼)이라 하여도 열처리라고 하는 의무교육을 받지 못한다면 쓸모 없는 강이 되고 마는 것이다.

3.1.1. 가열과 냉각의 규칙 열처리의 규칙: 이 규칙을 위반하면 어떠한 명인(名人)이 한다 하더라도 열처리가 되 지 않는다.  변태(變態): 열처리의 규칙으로 성질이 갑자기 바뀌는 것, 변태가 없으면 열처 리가 되지않음  변태 (變態) : 성질이 갑자기 바뀌는것 “지킬”박사와 “하이드”와 같이 낮에는 온화 한 과학자가 밤이 되면 살인마로 바뀌는 성질을 의미한다. 변화(變化): 성질이 서서히 변하는 것을 말한다.  예) 철(鐵)로 된 막대를 가열   온도가 올라가면 막대의 길이는 서서히 늘어나게 된다(변화) 어느 온도에 도달하면 늘어나던 막대가 가열을 계속하고 있음에도 불구하 고 갑자기 줄어든다(변화) 그림1을 보자.  A점이 변태이다.  변태를 일으키는 온도를 변태점이라 한다.  열처리에서는 A라는 기호를 붙인다.

강의 변태가 전부 5개, 열처리에서 중요한 것은 A1과 A3의 2가지. A1변태점은 약 730℃, 열처리의 규칙: 강을 단단하게 하거나 연하게 하기 위해서는 필히 A1변태점(730℃)를 넘어야 한다.  즉, 퀜칭, 어닐링은 A1변태점 이상으로 달굴 필요가 있다   A1변태점에 못 미치면(규칙위반) 아무리 유능한 명인이 작업을 하여도 절대로 열처리 효과를 얻을 수 없다( A1변태점은 아주 중요한 요소). 퀜칭한 후 성질을 되돌리는 작업인 템퍼링은 A1변태점을 넘어서는 안된다(표 1) 표 1. 가열온도와 열처리 가열온도 열처리의 종류  A1변태점 이상 어닐링, 노말라이징, 퀜칭 A1변태점 이하 템퍼링

가열온도의 규칙 A1변태점 이상이라 하여 너무 높은 온도로 가열은 안됨 (A1+50℃)가 적당   그러나 다이스강이나 고속도강과 같은 특수강은 달라진다.  가열색 강은 “색깔을 띄는 온도가 600℃”: 약간 붉은색을 띄기 시작 A1변태점인 730℃: 강은 빨간빛(볼펜의 빨간색과 비슷)-담뱃불 제일 끝부분 가열속도 일반적인 방법: 천천히 가열(가열은 천천히 한다고 기억할 필요) 급속 가열: 고주파 가열이나 화염 열처리와 같은 특수한 경우 냉각방법의 규칙 “필요한 온도범위만을 필요한 속도로 냉각한다.”   필요한 온도 범위란 가열온도에서부터 불빛이 없어지는 온도 즉, 검게 변하 기 시작하는 온도(색깔을 띄기 시작하는 온도가 600℃이므로 검게 변하기시 작하는 온도는 550℃라고 보면 된다. 기호는 Ar')까지를 말하며 이를 임계구 역이라 한다. 임계구역: 가열온도~ 550℃

임계구역에서의 냉각속도 임계 온도범위를 빨리 냉각시키면 경화 천천히 냉각시키면 연해진다.  즉, 임계구역은 강(鋼)의 운명이 갈라지는 곳이다 임계구역의 임(臨)은 임종(臨終)의 “임(臨)”으로서 인간의 생사(生死)의 운명도 이것에서 갈라지게 된다.  마찬가지로 강(鋼)에서도 강이 단단해지느냐 연해지느냐는 이것 으로 결정 이 임계구역만을 잘 냉각시키면 그 다음은 어떻게 해도 좋다고 할 수 있다.  옛날에는 임계구역이의 개념이 없어서 어닐링은 천천히 냉각시키는 것이라하여 차가워질 때까지 로(爐)안에서 계속 냉각 퀜칭은 빨리 냉각시키는 것이라 하여 차가워질 때까지 물속에 그대로 두었다. 이러한 냉각 방식(연속적인 냉각방식) 퀜칭 크랙의 발생 변형이 많이 발생하여 불량품이 됨 어닐링에도 하루 이틀씩 긴 시간이 걸렸다.   필요한 구역만을 필요한 냉각속도로 냉각시킨다는 적절한 냉각방식이 중요하다. 

퀜칭할 때: 임계구역을 빨리 냉각시키면 약 250℃이하( Ar" 또는 Ms)에서 팽창 빨리 냉각시켜서 수축되던 강이 갑자기 팽창을 일으켜 깨지거나 휘어 지는 현상이 나타난다. 즉, 불량이 발생할 위험이 많아 이온도 이하를 위험구역이라고 함  위험구역: 천천히 냉각시키는 것이 매우 중요   ∴ 퀜칭시 냉각방법의 규칙: “임계구역은 빠르게, 위험구역은 천천히 식힌다” 그림2는 냉각방식을 이해하기 쉽도록 도해(圖解)해 놓은 것.

지금까지 단어 3개 첫 번째가 변태(變態), 두 번째는 임계구역, 세 번째는 위험구역이다.   첫 번째가 변태(變態), 두 번째는 임계구역, 세 번째는 위험구역이다.  냉각방법의 규칙을 표로 나타낸것(표2) 표 2. 열처리의 냉각법 열처리 필요한 온도범위 필요한 냉각속도 임계구역 위험구역 어닐링 550℃(Ar')까지 없음 천천히 (공냉) (그후는 빠르게) 노말라이징 공기중 방냉 천천히) 퀜칭 250℃(Ar')이하 빠르게 (수냉,유냉)

3.1.2 냉각방법의 3가지 형태 열처리의 냉각방법에는 3가지 연속냉각: 차가워질 때까지 연속적으로 냉각시키는 법 2단 냉각: 냉각 도중에 속도를 변화시키는 법 등온 냉각: 도중에 한숨 돌린 후에 다시 냉각시키는 방법   그림3~5는 이 3가지의 냉각법을 알기 쉽게 도해해 놓은 것 

그림3의 연속냉각, 즉 끝까지 계속 냉각시키는 방법은 규칙위반이므로 하지 않는 것이 좋다. 그림4의 2단 냉각은 필요한 온도범위만을 필요한 냉각속도로 식히는 것이므로 규 칙에 적합한 좋은 방법(현장에서 응용범위도 넓고 실용가치가 큰 방법) 그림5의 등온냉각은 비교적 새로운 냉각법으로 고도의 기술이라 할 수 있다.  새로 운 열처리 기술은 이 등온냉각으로부터 생긴다고 보아도 좋을 정도이다.  따라서 냉각법은 우선 등온냉각, 다음이 2단 냉각이라고 보면 된다.  연속냉각은 좋은 방법이 아니다

3.1.3 강의 조직(組織)의 변화 강은 열처리에 의해 체질이 개선된다 인간의 건강상태는 인상(人相)으로 알 수 있다 강의성질변화: 금속의 조직, 즉 금상(金相)을 보면 알 수 있다.  강의 처음(초기) 조직: 펄라이트(P)로 연한 성질을 갖는다. 오스테나이트화: 펄라이트를 A1변태점(730℃) 이상으로 가열 오스테나이트(A)로 변신(變身) 시키는 조작 오스테나이트로 변태된 강은 냉각방법에 따라 여러 가지로 바뀐다(열처리의 묘미)

냉각방법에 따른 조직변화(그림 6)- 오스테나이트(A) 상태에서 로냉(爐冷): 처음의 펄라이트(P)로 되돌아 간다. 펄라이트(Pc)는 조직이 거칠다(사선 간격을 넓게 표시했음)-coarse pearlite  방냉(放冷 ,약간 빠르게냉각: 약간 덜 거친 조직의 펄라이트(Pm)-Medium pearlite 풍냉(바람을 불어주어 좀더 빨리 냉각): 더욱 미세진 펄라이트(Pf)로 된다-fine pearlite  즉, 같은 펄라이트라도 냉각속도가 빠를수록 펄라이트가 미세하고 단단하다.  유냉(기름 속에서 냉각): A는 일부 Pf로 변신되나 나머지는 그대로 저온까지 변하 지 않타가 Ar"(Ms)점에 서 마르텐사이트(M)으로 변한다 수냉(水冷): 아주 빠르게 냉각시키면 A는 전부 Ar"(Ms)점에서 마르텐사이트로 변태하여 확실하게 경화가 된다( 마르텐사이트변태라- 완전퀜칭)  2단냉각이나 등온냉각 이 조직이외에 이외에 베이나이트(B) 조직이 나타난다(다른 것은 차이가 없다.)

템퍼링 퀜칭된 조직인 마르텐사이트(M)를 템퍼링시키면 200℃정도의 템퍼링에서 템퍼드마르텐사이트(Mt), 400℃의 템퍼링에서 투르스타이트(T), 600℃의 템퍼링에서 솔바이트(S)조직으로 변한다.  퀜칭 후 400℃이상의 온도에서 템퍼링시키는 조작을 Q-T라고 한다.  그림8은 가열, 냉각에 의한 조직의 변화를 정성적(定性的)으로 나타낸 것 강의 열처리 변태(變態)를 이용하여 조직을 변화시켜 성질을 바꾸어 주는 열취급 법이다.

3.1.4 열처리 방법의 구분 열처리방법을 크게 나누면- 2가지 1. 전체 열처리 처리품 전체를 가열, 냉각시켜서 처리품 전체를 체질개선시키는 열처리  2. 표면 열처리-2가지 처리품의 표면만을 체질개선시키는 열처리 (1) 처리품 전체를 가열하여 표면만을 체질개선시키는 공법 (2) 표면만을 가열하여 표층부만을 경화시키는 공법  열처리법에 대해 설명하도록 한다.

3.2. 일반 열처리 3.2.1 어닐링 목적 강의 분자를 조정하여 강을 연하게 하기 위해 하는 열처리법.  이를 소둔이라고 부르는 경우가 있으나 어닐링으로 용어를 통일하기로 하였으므로(열처리공학회) 통일된 용어를 사용하는 것이 좋겠다. (2) 주안점 어닐링의 주안점은 강을 오스테나이트조직으로 한 후 즉, 오스테나이트화 시킨 후 천천히 로(爐)안에서 식히는 것이다.  오스테나이트화 시키기 위해서는 A3변태점 또는 A1변태점 이상의 온도로 가열한 다.  즉, 730℃이상으로 가열하는 것이다.  730℃이상 약 50℃정도 더 높힌다 800℃정도로 가열하면 강은 오스테나이트화 하는 것이다. 800℃로 가열할 때 가열시간 개략적 표준으로 가열 시간은 한변이 1인치인 크기의 것이라면 약 30분 정도   한변이 2인치라면 60분 정도(이는 어디까지나 개략적인 값)

(3)방법 ① 2단 어닐링(완전 어닐링) 가열한 후, 냉각 시킬 때 천천히 로(爐)에 넣어진 상태로 식히는 것(로냉(爐冷))   차가워질 때까지 로냉시킬 필요는 없다.  필요한 온도범위만을 필요한 속도로 냉각시킴 즉, 불빛이 없어지는 온도 약 550℃까지 로냉시킨 후 로밖으로 꺼내어 방냉(放冷) 시켜도 상관 없다.  즉, 천천히와 빠르게의 2단 냉각시키는 것.   이러한 어닐링을 2단 어닐링, 또는 완전 어닐링이라 한다.  그림9는 완전 어닐링의 작업도

② 등온 어닐링(ISOTHERMAL ANNEALING) 등온냉각을 이용하는 방법.  즉, 어닐링 온도까지 가열시킨 후 600～650℃의 로에 넣고 그 속에서 30～50분간 등온으로 유지시킨 다음 꺼내서 공냉(空冷)시키는 방법.  그림10은 이 방법을 나타낸 것이다 이 방법은 작업시간이 짧아지고 로(爐)를 유효하게 활용할 수 있어 대단히 편리하다.  공구강, 합금강, 또는 고합금강 등의 연화 어닐링에 가장 적합

③ 구상화 어닐링 공구강에서는 중요한 어닐링, 퀜칭 전에 필히 구상화 어닐링을 할 필요가 있다.  구상화 어닐링은 보통의 어닐링보다 어려우므로 강의 제조사에서 구상화 어닐링 을 마친 후 사용자에게 공급하는 것이 보통이다.  따라서 일부러 자기 공장에서 서구상화 어닐링을 실시할 필요는 없으나 상식적으로 구상화 어닐링 법을 공부. 주안점: 가열온도   A1변태점보다 약간 높은 온도(750～760℃)로 가열하여 그 온도에서 장시간 유지 시킨다.  그 후 아주 천천히 냉각시킨다.  필요한 경우는 이 가열-냉각을 2～3회 반복하는 경우도 있다.  구상화의 예비처리로서 냉간가공을 30%이상 한 후에 구상화 어닐링하면 단시간에 효과적으로 구상화시킬 수 있다.  최근에는 기계 구조용강에 냉간단조를 하는 경우가 많은데 그 전처리로서 구상화 어 닐링은 꼭 필요하다.

④ 응력제거 어닐링 STRESS RELIEVING 즉, 강재에 발생한 응력을 없애 준다는 의미.  열처리 변형이 있으면 곤란한, 정밀공구의 퀜칭처리 전에 예비처리로서 중요함.   응력제거 어닐링은 퀜칭 변형만을 줄이고 퀜칭크랙을 방지하므로 정밀 퀜칭에 는 필히 응력제거 어닐링을 하도록 되어 있음(이는 대단히 중요한 공정 임) 응력제거 어닐링 온도 응력을 제거: 너무 높은 온도로 가열할 필요는 없다.  최저 온도 450℃~ A1변태점(730℃)이하에서 처리한다.  ∵ 강의 스트레스는 재결정 온도이상으로 가열하면 제거되기 때문.  재결정 온도는 약 450℃이므로 온도는 450～650℃가 적당.  응력제거 어닐링 시간, 냉각시간 두께 1인치당 1시간 정도 유지시킨 후 두께 1인치당 200℃/시간(2인치라면 100℃/시간)의 속도로 식힌다.   그림11은 응력제거어닐링의 작업도

⑤ 물 어닐링 완전 어닐링까지는 할 필요가 없고 단지 연하게 하기만 하면 되는 경우에 편리한 방법.  즉, 작업이 급하거나 기계가공이 가능할 정도의 연화를 목적으로 할 경우에 대단히 유용한 신속 연화법 임. 물 어닐링의 주안점: 가열온도  변태점보다 약 100℃낮은 온도로 약 10분간 가열 후 물속에 넣어 급냉.  변태점 이상으로 가열하면 안됨(100℃ 낮은 온도가 포인트)   물 어닐링이라 하는 것은 물속에서 급냉시켜 연화시키기 때문이다. 그림12는 물 어닐링 요령 경화된 것을 빨리 기계가공(절삭이나 드릴링)이 가능할 정도로 연화시키는데 편리하여 고속도강이나 다이스강등에 응용 가능   탄소공구강(SK)의 경우는 650℃, 다이스강(SKD1, 11)에서는 750℃, 고속도강(SKH)는 800℃로 가열한 후 수냉. 공냉(空冷)으로도 연화는 되지만 수냉이 더 빠르므로 편리하다.

3.2.2 노말라이징 목적 강을 표준상태, 즉 노말한 상태로 만들기 위한 열처리   어닐링: 강을 연하게 하는 방법 퀜칭: 강을 단단하게 하는 방법 이들 방법은 두 강의 성질을 강제적으로 변화시키는 기술 노말라이징은 강이 갖고 태어난 모습, 즉 강 본래의 모습으로 되돌려 놓는 기술   노말라이징을 하면 강은 단단해지지도 않고 연해지지도 않고 강 본래의 성질을 회복하게 된다.   따라서 이 처리는 강을 살려서 사용하기에 편리하므로 널리 활용하여야 한다. (2) 주안점 오스테나이트화 시킨 후에 잔잔한 대기 중에서 방냉(放冷)시키는 것 가열온도는 어닐링과 마찬가지, 공구강에서는 훨씬 더 높은 온도로, 약 900～ 950℃까지 가열한다.  가열시간은 한변의 길이 1인치당 30분정도.  냉각방법은 대기중에서 방냉(放冷)시킴 주의사항: 바람에 직접 닿는다거나 햇빛이 직접 닿는 곳에서 냉각시키면 안 된다.  기온의 변화가 심해도 안 되므로 주의가 필요.

(3) 방법 ① 보통 노말라이징(그림13) 노말라이징 온도에서 상온(常溫)까지 대기중에서 방냉시키는 것  즉, 연속 냉각법

② 2단 노말라이징 노말라이징 온도부터 불빛이 없어지는 온도(약 550℃)까지 공냉시키고 그 후에 밀폐된 용기등의 안에서 서냉시키는 방법 (그림14)   2단 노말라이징의 효과 보통 노말라이징과 같으나 대형 부품(두께 75mm 이상)이나 고탄소강(0.6～1.0%C)등의 경우 백점(白點)이나 내부 크랙을 방지할 수 있으므로 공업적으로 유효한 방법 백점: 대형 부품의 내부에 생기는 미세한 크랙.   강중에 포함된 수소 때문이라고 알려져 있음.  수소를 강(鋼) 밖으로 내보내기 위해서는 550℃이하의 온도를 천천히 냉각시켜야 한다. 2단 노말라이징은 일명 C. C. 처리라고 함 고속열차용 레일이나 차륜(車輪), 또는 차축(車軸)의 노말라이징에 응용되고 있음. 

③ 등온 노말라이징 노말라이징 온도로부터 약 550℃의 등온로(等溫爐)에 넣고 약 30분간 등온 유지시킨 후 꺼내어 공냉시키는 방법(그림15) 노말라이징 온도로부터 550℃(S곡선의 코부분이라 한다.)까지 냉각. 열풍을 이용하여 5～7분간에 550℃까지 내리는 것이 좋다고 알려져 있음. 등온 노말라이징: 탄소강이나 저탄소 합금강의 절삭성을 향상시키는 처리로서 많이 이용된다. 이것으로 노말라이징의 이야기는 끝이 났다.  어닐링과 노말라이징은 다른 열처리법에 비해 처리량이 많으므로 이 2가지가 최초에 규격화 되었으며 KS규격(JIS)의 철강이라 하면 주철(鑄鐵)과 강(鋼)을 의미한다

3.2.3 퀜칭 퀜칭: 열처리의 대표적인 선수. 퀜칭에 의해 강은 비로서 제 기능을 발휘.  즉, 강에 혼(魂)을 불어넣어 주는 기술.  강을 살리는 것도 죽이는 것도 퀜칭 (1) 목적 퀜칭은 강을 단단하게 하기 위해 행하는 열처리(단단해지지 않으면 퀜칭이 아니다) (2) 주안점 퀜칭의 가열과 냉각은 어렵다 옛날: 가열과 냉각을 느낌으로 하여 좋은 결과를 얻을 수 없음 현재: 우수한 계기, 퀜칭의 이론도 알게 되어 기술적으로 큰 진보   규칙만 지킨다면 **도사가 아니라도 훌륭한 퀜칭을 할 수 있다. 퀜칭 규칙 ⅰ) 변태점 이상의 온도로 가열하여 오스테나이트 조직으로 만들 것( 오스테나이 트화) ⅱ) 임계구역(Ar'구역, 550℃까지)을 급냉, 위험구역(Ar"구역, 250℃이하)을 서 냉시킬 것, 이다.  오스테나이트화 : 퀜칭을 하기 위해 가열하는 온도가 오스테나이트화 온도(Ta) (옜날에는 퀜칭가열 온도라고 하였음) 참고:  퀜칭액에 넣는 온도는 급냉온도(Tq).

과거: 퀜칭온도= 급냉온도로 생각하여 상당한 실수가 발생.  예) 퀜칭 온도도 800℃이어야 한다는 생각 때문에 로에서 꺼내자마자 급하게 퀜 칭액에 넣었다. 그러나 아무리 서둘러도 퀜칭 액에 던져 넣는 온도는 800℃보 다 낮다. 따라서 과거에는 온도가 낮아지는 것을 감안하여 850℃정도로 가열 (오스테나이트화)해 두고 퀜칭액에 넣는 온도(급냉온도)가 800℃가 되도록 머리를 짜내었던 것이다.  이를 800℃퀜칭이라고 함. 즉, 오스테나이트화 온도와 급냉온도를 구별하지 않고 퀜칭 온도 한가지로만 생각 오스테나이트화 온도가 800℃와 850℃라고 하는 것은 비록 퀜칭액에 넣는 온 도가 동일하여도 퀜칭 결과는 크게 다르다.  최근: 퀜칭 온도와 급냉 온도를 구별 함.  규격에는 퀜칭 온도라는 용어를 사용하고 있으나 이는 오스테나이트화 온도 임. 일반적으로 오스테나이트 온도(Ta)와 급냉온도(Tq)는 100℃정도 차이가 난다.   즉, 오스테나이트화 온도가 800℃(종래의 퀜칭온도)라면 퀜칭액에 넣는 온도는 700℃까지 허용된다   700℃라면 A1변태점(730℃)이하라고 말하는 사람이 있을지도 모르겠으나 이미 오스테나이트화 온도가 800℃로 되어 있으므로 그것으로 족하다   정확히 규칙대로 되어 있는 것이다.  처음부터 700℃로 가열하면 규칙위반

다시 말하면 오스테나이트화 온도만  확실하게 규칙대로 지키면 급냉온도는 이보다 약 100℃정도 낮아도 문제가 없다.  따라서 서둘러서 급하게 퀜칭할 필요는 없다.  여유를 갖고 급냉을 할 수가 있는 것이다.  이러한 마음가짐이 대단히 중요하다.  오스테나이트화 온도는 보통 (변태점+50℃)가 좋음 급냉하는 방법(차가워질 때까지 급냉시켜서는 안된다)- 그림16 임계구역은 빠르게 위험구역은 천천히 냉각시킨다   즉, “빠르게, 느리게”의 냉각법.  이렇게 하면 “깨지지 않고, 단단하게”퀜칭 가능 규칙만 지키면 퀜칭은 쉬운 기술.  일본도(日本刀)- 옛날부터 신비의 베일에 가려져 있던 퀜칭도 극히 간단한 기술이라고 하는 것이다.

(3) 방법 원리를 알게 되었으므로 이를 실행에 옮겨 보자. ① 오스테나이트화 강을 가스로나 전기로 또는 염욕로속에서 가열.  산화, 탈탄, 표면 거침 등이 일어나지 않게 할 필요( 최근 진공가열로 사용)   오스테나이트화 온도: 일반적으로 A또는 A변태점보다 약 50℃ 높은 온도가 적절   탄소강 800～850℃,  다이스강, 고속도강 훨씬 더 높은 온도.  유지시간   현장적으로는 한 변의 길이 1인치당 30분, 즉 2인치라면 60분이다.    그러나 처리품의 표면이나 내부가 전부 불빛을 띈 때부터 계산하면 일반강재(탄소강, 구조용합금강등)은 유지시간이 0이 되도 좋다.  즉, 처리품 전체가 균일하게 오스테나이트화 온도로 되었다면 바로 퀜칭 급냉 시킨다.  공구강의 경우는 약 10분간 더 유지시킨다.  재료의 두께와는 상관없다.  유지시간 0라고 하면 이상하다고 생각하겠으나 , 고주파 경화나 화염 경화의 경우를 생각하면 가열 유지 시간이 0가 된다는 것을 이해하게 될 것이다

② 급냉조작 오스테나이트화가 끝나면 로에서 꺼내어 급냉 시킴.  퀜칭액에 넣는 온도, 즉 급냉온도는 100℃정도 낮아도 되므로 천천히 하자.  처리품 전체가 같은 색깔로 된 것을 확인하고 바로 퀜칭액 속에 넣는다.  같은 색깔이 아니면 불균일 경화나 변형이 생기기 쉬우므로 주의하자. ③ 냉각의 3가지 방법 이제 처리품이 퀜칭액 속에 들어갔다.  단, 차가워질 때까지 넣어두어서는 안된다.  임계구역만을 빨리 냉각시키고 위험구역은 천천히 냉각시키는 것이 중요.  이 냉각법을 현장에서 실행하는 데는 3가지의 좋은 방안이 있다. ㄱ) 인상(引上)퀜칭(Interrupted Quenching)--- 퀜칭액에 넣고 적당한 시간이 지난 후 끌어 올려서 천천히 식히는 방법(시간퀜칭) 퀜칭액 속에 담가 두는 시간은 처리품의 직경이나 살 두께에 따라 달라지며 그 대 략적인 시간은 다음과 같다. * 물 퀜칭의 경우 ---- 처리품 직경 3mm당 1초간 수냉                         (판재인 경우는 2mm당 1초) * 기름 퀜칭의 경우 ---처리품 직경 3mm당 3초간 유냉                         (판재인 경우는 2mm당 3초)

그 후에 들어 올려서 공냉시키면 만사 OK.  특히 물 퀜칭의 경우 들어 올린 후, 기름 냉각 또는 더운물 냉각시키는 것이 좋다.  물 퀜칭의 경우는 물이 크게 끓어오르는 슛, 슉, 슛하는 물소리가 멈춘 순간, 기름 퀜칭의 경우는 끌어 올린 후 처리품에 묻어 있는 기름에 불이 붙지 않는 정도 (기름에 불이 붙는 온도가 약 270℃), 바꾸어 말하면 하얀 기름 증기가 모락모 락 피어오르는 정도로 냉각된 후 꺼집어 내어 공냉시켜도 상관없다.  그림17 인상 퀜칭의 작업도

ㄴ) 마르퀜칭(Marquenching)-- 등온 냉각에 의한 퀜칭법(가장 확실하고 좋은 퀜칭 법)   퀜칭액: HOT OIL(150～200℃)이나 염욕(200～250℃)을 사용하여 퀜칭   처리품 직경 1인치당 약 4분간(2인치라면 8분간)의 비율로 유지 후 꺼내어 공냉.   열욕(熱浴)의 온도는 강의 Ms점과 같은 온도가 바람직하나 기름의 경우는 화재의 위험이 있으므로 Ms점 보다도 50～100℃ 낮은 온도를 채용한다. 염욕(鹽浴) 염욕을 사용할때는 불이 붙을 염려가 없으 므로 Ms점의 온도를 채용한다.  이 염욕에 매일 1회 나무에 물 주듯이 물을 뿌려주어 물을 1～2% 첨가시키면 염욕의 냉각속도가 빨라져서 더욱 좋다.  염욕에 물을 뿌려도 폭발이나 염욕의 비산등의 염려가 없으므로 안심해도 좋다. 열욕 중에 오래 방치하는 것도 좋지 않다.  그림18은 마르퀜칭의 작업도해.

ㄷ) 오스템퍼(Austemper) --- 그림19 열욕의 온도를 Ms점(250℃)와 Ar'(550℃) 사이로 하고 이 곳에 급냉시킨 후 등온 유지(60분 이상)하는 퀜칭.  Ms점을 통과하지 않으므로 마르텐사이트로는 되지 않고 베이나이트 조직이 된다.   따라서 베이나이트 퀜칭이라고도 한다. 아주 단단하게 경화되지는 않지만 아주 질긴 성질을 갖게 되어 또 다른 용도에 응 용되고 있다.  고온 오스템퍼: Ar'에 가까운 열욕에서 처리하는 것 저온 오스템퍼: Ms점에 가까운 열욕 에서 처리하는 것

④ 퀜칭에서 기억해 두어야 할 그 밖의 것들 ㄱ) 퀜칭액 --- 퀜칭에 사용되는 냉각액, 즉 퀜칭 액은 물과 기름이 일반적 임 물은 기름보다 냉각속도가 3배나 빠르다   액의 온도는  물은 차가운 것(20～30℃)로, 기름은 뜨거운 것(60～80℃)이 좋다.   그러나 교반을 시키면 냉각속도는 배로 늘어난다.  따라서 퀜칭 액은 교반을 잘 해 주어야 한다. 수용성 퀜칭액 최근 열처리 공해 때문에 퀜칭유를 사용하지 않고 수용성 퀜칭액을 30%정도 섞 어서 사용하는 경우도 있다.  우수한 수용성 퀜칭액은 물과의 배합 정도에 따라 물에서 기름까지의 임의의 냉 각속도를 얻을 수 있다.  따라서 만능 퀜칭 액이라고도 할 수 있다.  그외에 화재나 공해의 염려가 없으므로 편리하다

ㄴ) 냉각 양상 --- 같은 퀜칭 액을 사용하여도 처리품의 형상에 따라 냉각 양상이 달라진다.  가장 빨리 냉각되는 것이 구형(球形)이고 다음이 봉(棒), 가장 느린 것이 판재이다.  그 속도 비는     구(球) : 환봉(丸棒) : 평판(平板) = 4 : 3 : 2 정도가 된다.  같은 처리품이라 하더라도 위치에 따라 냉각 상황이 달라진다.  그림20은 그 관계를 나타낸 것이다.  퀜칭을 할 때에는 이 차이를 염두에 두고 각 부분이 일정하게 냉각될 수 있도록 연구하는 것이 중요하다.

ㄷ) 퀜칭 경도 --- 강을 퀜칭시키면 단단해 지는데 그 경도는 강 중의 C%에 따라 달라진다.  특수원소와는 관계가 없다.  실용적인 최고 퀜칭 경도는 다음 식으로 계산할 수 있다. 최고 퀜칭 경도 (HRC)＊ = 30 + 50 × %C --- (90% 마르텐사이트) 예) 0.4%C의 강이라면                 HRC = 30 + 50 × 0.4 = 50 이 경도 이상을 얻었다면 경화가 되었다고 보아도 좋다.  임계 퀜칭경도는 50% 마르텐사이트 조직(이를 하프 마르텐사이트, Half Martensite라고 한다)에 해당한다. * HRC: 록크웰 C 경도.

ㄹ) 퀜칭이 된 깊이(경화 깊이) --- 퀜칭이 된 깊이는 강의 화학성분에 크게 영향을 받는다.  탄소(C)가 많은 강일수록, 특수원소가 많을수록, 결정립도, 즉 분자가 거칠수록 (조대할수록) 깊게 퀜칭된다.   따라서 깊게 경화를 시키려면 특수강을 사용하는 것이 좋다.*** 탄소강으로 확실히 경화를 시키려면 한쪽 면에서 약 3mm정도이나 특수강(Cr이나 Mo을 함유한 것)이라면 10～15mm까지 경화시킬 수 있다.  즉, 깊은 곳까지 경화를 시킬 수 있다는 말이다.  퀜칭경도와 퀜칭깊이, 즉 경화깊이의 차이를 잘 알아 두어야 함 - 퀜칭 경도 = C%에 의 변화한다. - 퀜칭 깊이(경화 깊이) = C%, 특수 원소, 결정립도에 따라 변화한다.

ㅁ) 경화능 --- 경화가 깊이 되는가 아닌가의 성질을 경화능(Hardenability)이라고 한다.  경화가 얕게 되는 강은 경화능이 나쁘다고 하고 깊게 까지 경화가 되는 강은 경화능이 좋다고 한다.  따라서 탄소강은 경화능이 나쁘고 특수강은 경화능이 좋다

ㅂ) 질량 효과 --- 같은 강이라 하더라도 크기가 커지면 퀜칭 경도가 낮다  즉, 퀜칭 경도는 처리품의 크기에 따라 변한다. 이를 질량 효과(Mass Effect)라 함  질량 효과가 크다: 처리품의 크기에 따라 퀜칭 경도의 차이가 크다는 것 즉. 크기가 클수록 퀜칭이 되기 어렵다는 것을 의미한다. 질량 효과가 작다: 큰 물건이라도 퀜칭이 잘 된다는 것  일반적으로 탄소강은 질량 효과가 크고, 특수강은 작다.  따라서 탄소강은 처리품이 커지면 경화가 잘 안되고, 특수강은 큰 처리품이라 하여도 경화가 잘 된다.  여기에 특수강의 존재 가치가 있는 것이다

ㅅ) 처리품의 형상 --- 부품을 퀜칭시킬 때 맨 처음으로 주의해야 할 것은 부품의 형상이다.  형상이 나쁘다면 아무리 퀜칭 기술이 좋다고 하여도 퀜칭 크랙이나 심한 변형을 막 을 수 없다.  퀜칭에 나쁜 영향을 주는 형상은 * 살 두께의 급격한 변화, 이것은 있어서는 안 된다.  균형이 잡힌 형상이 되어야 한다. * 날카로운 모서리(Sharp Edge)도 안 된다.  필히 둥근 맛을 가져야 한다.  최소 3mm R은 필요하다.  5mm R이라면 충분하다.  R을 만들 수 없으면 모따기(Chamfering)정도라도 좋다.

⑤ 퀜칭 불량과 그 대책 퀜칭 시 발생할 수 있는 불량은 3 종류가 있다.  (ㄱ) 퀜칭 크랙, (ㄴ) 퀜칭 변형, (ㄷ) 불균일 퀜칭 이들 불량의 원인과 대책에 대해 설명하기로 한다 ㄱ) 퀜칭 크랙 --- 퀜칭 크랙은 퀜칭 후 그대로 방치한 처리품에 생기는 크랙이다.  퀜칭 직후, 또는 퀜칭 후 어느 정도 시간이 지난 다음 생긴다. 퀜칭액에 넣는 순간 발생하는 것이 아니다.  도자기 그릇의 경우와는 다르다.  급냉이 되어 Ms점(위험구역)에 들어온 때, 즉 퀜칭이 되어 단단해 질 때이다. 퀜칭이 된 것을 템퍼링을 하지 않고 그대로 방치해 두면 추운 겨울 밤 등에는 크랙 이 생긴다.  일종의 퀜칭 크랙으로 방치 크랙이라고도 한다. 퀜칭크랙이 생기는 부위 살 두께의 급격한 변화 부, 날카로운 모서리, 또는 구멍이 있는 곳에 많이 일어남 각 부분이 일정하게 퀜칭이 되지 않아서, 즉 불균일 급냉으로 인해 일어난다. 

퀜칭크랙 방지 임계구역은 일정하게 빨리 식히고 위험구역은 천천히 냉각시키면 방지할 수 있다. 인상퀜칭이나 마르퀜칭은 퀜칭크랙방지에 좋은 방법이다.   처리품의 형상이 나쁘면 안 되므로 형상이 나쁜 곳을 수정하는 것이 선결 문제이다 퀜칭이 끝난 처리 품을 언제까지나 방치해 두어서는 안 된다.  손으로 만질 수 있는 정도로 식었다면 템퍼링을 해야 한다.

ㄴ) 퀜칭 변형 --- 2종류 치수의 변화(팽창, 수축) 형상의 변화(휨, 튀어나옴, 뒤틀림)  퀜칭을 하면 팽창되는 것은 숙명적인 것으로 막을 수 없다.  그러나 템퍼링을 하면 이를 조절할 수 있다.  문제는 변형이다.  휨이나 튀어 나옴은 빨리 냉각된 쪽이 튀어 나오기 때문에 생긴다.  이는 최초에 냉각된 쪽이 수축이 되나 전체가 식어져 가면서 역전이 되어 빨리 냉 각된 곳이 튀어 나오게 되는 것이다.  즉, 휨 등은 냉각이 불균일하여 생기므로 일정하게 냉각시킬 수 있는 연구가 중요.  물퀜칭이 가장 변형이 많고 기름퀜칭, 공기퀜칭의 순으로 작아진다

ㄷ) 불균일 퀜칭 --- 이는 경도가 불균일한 것을 말한다.  발생 불균일 퀜칭은 급냉이 불균일 하였다던가 처리품의 표면에 스케일이 붙어있거나 탈탄된 곳이 있으면 발생한다.  방지 여기서 분위기로나 진공로를 사용하여 표면 상태를 깨끗이 하고 교반 냉각이나 분사 냉각이 좋다고 하는 것이다.  10% 소금물에 퀜칭을 하면 불균일 퀜칭이 안 되고 단단하게 퀜칭시킬 수 있다.  그러나 소금물에 그대로 방치하여서는 안 된다.  퀜칭 크랙이 일어나기 때문이다.  필히 시간 퀜칭을 할 필요가 있다.

3.2.4 템퍼링(열처리의 마지막 단계) 어떠한 것이라도 퀜칭하고 그대로 두어서는 안 된다.  퀜칭 후 필히 템퍼링한다. 1) 목적 퀜칭한 처리품은 단단하지만 취약한 성질을 갖고 있다.  이를 강하면서도 질기게 하기 위해 되돌려 주는 작업이 템퍼링 또, 템퍼링을 하면 마모에 대해서도 강하게 된다 2) 주안점 템퍼링의 주안점: 온도와 냉각 방법.    템퍼링 온도는 변태점 이하로 되어 있으나 크게 , 200℃와 400～600℃의 2가지 템퍼링 온도에서 냉각: 200℃에서는 공냉, 400～600℃에서는 급냉(수냉, 유냉)   단, 고속도강의 경우는 500～600℃의 템퍼링하여도 급냉하면 안된다.  템퍼링 크랙이 발생한다.  200℃의 템퍼링도 공구강이므로 공냉한다. 즉, 공구강(SK, SKS, SKD, SKH, SUJ2 등)의 템퍼링은 서냉, 구조용 합금강(S-C, SCr, SCM, SMn 등)은 400～600℃에서 템퍼링시 급냉 함. 후자를 특히 Q-T라고 한다.  이 경우는 템퍼링 온도로부터 서냉하면 질겨지는 것이 아니라 취약해 진다.  이를 템퍼링 취성이라고 한다.  Q-T의 경우는 템퍼링 취성을 방지하기 위해 급냉하는 것이다. 템퍼링 온도에 300℃가 없다는 것이 이상할 것이다.  그 이유는 구조용 합금강은 300℃에서 템퍼링 하면 취약해지기 때문이다.  이를 300℃ 취성이라고 한다.

3) 방법 ① 저온 템퍼링(200℃ 이하의 템퍼링) 칼날, 게이지 등 매우 높은 경도와 내마모성이 필요한 경우 저온 템퍼링 실시   템퍼링 시간: 한변의 길이 1인치 당 30분이 표준이다.  템퍼링 온도에서 냉각: 공냉시켜야 함  급냉시키면 크랙 발생. ② Q-T(400~600℃의 템퍼링) 질기고 강한 성질을 필요로 하는 구조용강에 적용되는 템퍼링이다.  템퍼링 온도로부터는 급냉을 시켜야 함.  서냉을 하면 취성이 생김. ③ 템퍼링 경화(고속도강을 500～600℃로 템퍼링한 경우) 고속도강을 퀜칭 후 500～600℃에서 템퍼링하면 다시 단단해진다(템퍼링 경화)  템퍼링 경화: 고속도강의 독특한 템퍼링.  이때 템퍼링 온도로부터 급냉을 해서는 안 된다.  템퍼링 크랙이 생기기 때문이다. 이때의 템퍼링은 1회만 해서는 안 되고, 적어도 2회, 또는 3회 반복할 필요가 있다.  이렇게 하면 절삭이 잘 되는 고속도강의 바이트나 커터를 얻을 수 있다. 이를 반복 템퍼링이라 한다.

④ 템퍼링 온도의 확인 템퍼링 온도는 열전대(Thermocouple)로 측정하는 것이 확실하나, 템퍼링 색깔, 즉 템퍼 칼라(Temper color)에 의한 것도 좋은 방법.  템퍼 칼라는 보통 -색이 200℃, 보라색이 300℃, 회색이 400℃라고 알려져 있다.  단, 이는 그 온도에서 약 5분간 가열한 경우로 가열시간이 변하면 온도가 같다고 하여도 템퍼 칼라는 달라진다.  가열 시간이 길어지면 고온 측의 템퍼 칼라가 나온다.  따라서 템퍼 칼라로 템퍼링 온도를 판정할 때에는 항상 가열 시간의 영향을 생각 성냥을 이용하는 것도 간단하고 편리하다. ㄱ) 성냥이 점화하는 온도는, 약 270℃ ㄴ) 성냥 막대기가 그슬리는 온도는, 약 400℃ ㄷ) 성냥 막대기가 타는 온도는, 약 600℃이므로 이를 잘 활용하면 된다.  성냥도 열처리 기술자에게 있어서의 7개 도구 중의 하나이다