공구강의 담금질 균열: 발생 기전, 식별 및 예방

담금질 균열이란 무엇인가요?

담금질 균열은 담금질 중 또는 직후에 발생하는 파손입니다. 균열은 일반적으로 표면에서 시작하여 세로 방향 또는 방사 방향으로 안쪽으로 전파됩니다. 일단 균열이 발생하면 부품은 복구할 수 없습니다.

담금질 균열이 발생하는 이유

담금질 균열은 내부 냉각 및 변태 중에 발생하는 응력이 경화된 조직의 인장강도를 초과합니다. 그 결과 발생하는 파단은 다른 파단과 동일한 방식으로 판독되며, 균열을 담금질 시점으로 특정할 수 있는 흔적은 다음에 제시되어 있습니다: 파단면 특징 차트.

담금질 중에는 표면이 먼저 냉각되어 수축하는 반면 심부는 뜨거운 상태로 남아, 단면 전체에 걸쳐 기계적 응력을 유발하는 온도 구배가 형성됩니다. 동시에 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태가 체적 팽창을 일으킵니다. 표면이 먼저 변태하기 때문에 표면은 팽창하는 반면 심부는 연성이 유지되어 변형을 수용할 수 있습니다.

냉각이 계속되면 심부가 변태 온도에 도달하여 팽창하기 시작합니다. 이 단계에서 표면은 이미 경질 마르텐사이트로 변태되어 더 이상 소성 변형할 수 없습니다. 팽창하는 심부는 표면에 인장 응력을 가합니다. 이 응력이 재료의 국부 강도를 초과하면 표면에서 균열이 발생하여 내부로 전파됩니다.

이후 균열이 어떻게 진행되는지는 담금질 강도에 따라 달라지며, 그 패턴도 이에 따라 체계적으로 변화합니다.

Quench cracking pattern in 60SC7 steel cylinders 4 to 35 mm diameter quenched in water, showing the crack pattern with decreasing cooling rates and increasing quench severity — 그림 10.26. 물에서 담금질한 4~35 mm 직경 60SC7 강 원통의 담금질 균열 패턴으로, 냉각 속도 감소와 담금질 강도 증가에 대해 나타낸 것입니다. 패턴은 가장 작고 가장 강하게 담금질된 단면의 담금질 단부에 생기는 단일 원주 방향 균열에서 시작하여 종방향 균열을 거쳐, 직경이 커짐에 따라 다르게 갈라지거나 전혀 균열이 생기지 않는 단면으로 이어집니다. 이 도해의 출처는 Beck의 연구이며 장에서 크레딧되어 있습니다. 60SC7은 공구강이 아닌 스프링 강이며, 패턴은 공구강 원통에서 보이는 것과 동일합니다. 출처: M. Narazaki 및 G.E. Totten, Distortion of Heat-Treated Components, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 10.26.

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어느 효과가 우세한지는 단면과 강종에 따라 달라지며, 세 가지 표준 결과가 있습니다. 아래 패널은 경화된 원통이 나타낼 수 있는 세 가지 잔류 응력 패턴입니다.

The three basic types of hardening residual stress distribution, shrinking type, transition type and transformation type, with the cylinder diameters at which each occurs — 그림 6.42. 원통 단면에 걸친 경화 잔류 응력 분포의 세 가지 기본 유형: 수축형, 천이형, 변태형으로, 각 유형에 대해 단면을 통과하는 응력 패턴이 도시되어 있습니다. 어느 유형이 나타나는지는 변태가 열수축보다 얼마나 뒤처지는지에 의해 결정되므로, 두꺼운 단면의 완전 경화 강종은 표면에 인장이 작용하는 변태형에 해당하며, 이는 균열이 시작되는 상태입니다. 작은 표는 0.45% C 강 Ck45에서 수냉 및 유냉 시 각 유형이 발생하는 원통 직경을 제시합니다. 출처: B. Liščić, Steel Heat Treatment, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 6.42.

균열 위험에 영향을 미치는 요인

균열 위험은 담금질 중 응력이 어떻게 발생하고 집중되는지에 따라 달라집니다.

재료 조성은 변태 거동에 직접 영향을 미칩니다. 탄소 함량이 높을수록 체적 팽창이 커지고 변태 온도가 낮아져 응력 완화가 감소하고 균열 민감성이 증가합니다.

형상은 열 추출을 제어하고 응력 분포. 날카로운 모서리, 키홈, 단면 두께의 큰 차이는 불균일한 냉각을 일으켜 특정 위치에 응력을 집중시킵니다.

표면 상태는 균열이 시작되는 위치를 결정합니다. 이 표면은 더 긴 원인 사슬의 한 고리이며, 설계에서 사용에 이르는 전체 사슬은 다음에서 다루어집니다: 공구 및 금형 고장 분석 페이지. 가공 흔적, 스탬핑 결함, 야금학적 불연속성은 응력 집중원으로 작용합니다. 표면 탈탄 표면과 중심부 사이의 변태 시기를 추가로 변화시켜 냉각 중 불일치를 증가시킵니다.

오스테나이트화 처리는 조직 강도에 영향을 미칩니다. 과도한 온도는 결정립을 조대화하여 담금질 중 입계 파단에 대한 저항을 감소시킵니다.

위험을 가장 크게 좌우하는 두 가지 재료 수치는 마르텐사이트 시작 온도와 탄소당량이며, 그 관계는 선형이 아니다.

Quench cracking of selected steels against the martensite start temperature and against carbon equivalent, with nickel-chromium-molybdenum and carbon-manganese steels marked — 그림 10.16. 여러 강종에 대해 상단 패널은 마르텐사이트 시작 온도에 대한 담금질 균열 비율을, 하단 패널은 탄소당량에 대한 담금질 균열 비율을 나타내며, 니켈-크롬-몰리브덴 강, 탄소-망간 강 및 완전한 마르텐사이트가 되지 않은 강종은 별도로 표시하였다. 균열은 M_s 가장 낮은 값이 아니라, 균열이 발생하려면 변태가 응력을 축적할 만큼 충분히 늦게 일어나야 하고 코어가 이를 전달할 만큼 충분히 강하게 유지되어야 하기 때문이며, 완전한 마르텐사이트 강종은 균열이 가장 적다. 이 그림은 출처에서 ASM Handbook, Volume 4로 표기되었다. 출처: M. Narazaki and G.E. Totten, Distortion of Heat-Treated Components, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 10.16.

실제 식별

담금질 균열은 발생 원인, 형태 및 야금학적 특징으로 식별됩니다.

균열은 일반적으로 표면에서 시작하여 오스테나이트 결정립계를 따라 진행하며, 그 결과 입계 파괴 경로가 나타납니다. 균열 발생 후 템퍼링이 이루어지면 균열 내부의 산화로 인해 템퍼링 색이나 스케일이 생성되는데, 이는 균열이 템퍼링 전에 발생했음을 나타냅니다. 반면, 열처리 후에 발생한 균열은 내부 산화를 보이지 않습니다.

주변 미세조직에는 탈탄이 나타나지 않는데, 이는 균열이 고온 단계 이후에 발생하기 때문입니다.

예방 및 완화

예방은 스트레스 집중을 줄이고 해당 섹션 전체에 걸쳐 변화의 조화를 이루는 데 중점을 둡니다.

균일한 냉각을 촉진하도록 날카로운 전이와 큰 두께 차이를 피하도록 형상을 설계합니다. 표면 준비는 가공 결함을 제거하고 가열 중 탈탄을 방지해야 합니다.

냉각 속도를 제어하고 온도 구배를 줄이도록 담금질 방법을 선택합니다. 마르템퍼링과 같은 공정은 변태 전에 온도를 균일화하여 내부 응력을 크게 감소시킵니다.

템퍼링을 실시합니다 담금질 직후, 부품이 아직 따뜻할 때, 잔류 응력을 완화하고 지연 균열을 방지하기 위해.

재료 선택 및 경화성

재료 선택은 담금질 과정에서 발생하는 응력 수준을 제어합니다.

경화능이 낮은 강 은 완전한 경도를 얻기 위해 급속 냉각이 필요하며, 이는 급격한 열 구배와 높은 내부 응력을 발생시킵니다. 이러한 강은 단순한 형상에만 적합합니다.

냉각 속도 자체에도 위험한 구간이 있으며, 이는 측정 가능하다.

Probability of crack formation against the cooling rate inside the martensite formation range, for a 6 mm diameter 41Cr4 steel cylinder — 그림 9.47. 6 mm 직경 41Cr4 강 실린더에 대해 마르텐사이트 형성 범위 내 냉각 속도에 대한 균열 형성 확률. 확률은 느린 쪽에서 낮고, 350 K/s 부근에서 약 100 %의 최대치로 상승한 뒤 냉각 속도가 계속 증가함에 따라 다시 감소하는데, 이는 표면과 코어를 거의 동시에 변태시킬 만큼 빠른 속도가 불일치를 다시 제거하기 때문이다. 이것이 담금질이 매체와 단면 치수를 함께 지정하는 이유이다: 위험은 단일 값이 아니라 냉각 속도의 구간에 존재한다. 41Cr4는 저합금 크롬 강종으로 공구강이 아니며, 이 구간은 공구강종이 통과하는 것과 동일한 구간이다. 출처: H.M. Tensi, A. Stich and G.E. Totten, Quenching and Quenching Technology, in Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies (G.E. Totten, ed.), CRC Press, 2006, Fig. 9.47.

경화능이 높은 공구강은 더 느린 냉각 속도에서 변태되어 공랭 또는 완만한 담금질이 가능합니다. 이는 온도 구배와 내부 응력을 감소시켜 복잡한 형상과 큰 단면에 더 적합하게 합니다. 주어진 담금질에서 각 강종이 완전 경화되는 단면은 다음에 제시되어 있습니다: 공구강 경화능 차트.