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탄소강의 변태

그림 2.4는 Fe-Fe3C 상태도의 일부로서, 강의 변태와 조직을 설명하는데 필요한 부분을 나타낸 것이다. 0.8%C를 함유하는 조성의 탄소강(S점)이 723℃ 이하로 냉각될 때 오스테나이트가 페라이트와 시멘타이트로 분해되는 공석반응이 일어나므로 공석강(共析鋼 ; Eurectoid Steel)이라고 하며, 이 반응이 일어나는 온도를 A1선이라고 부른다. 또한 공석반응에 의한 변태를 공석변태, 펄라이트(pearlite)변태, 또는 A1변태라고 부른다.

한편 0.8%C 이하의 공석강을 아공석강(亞共析鋼 ; Hypoeutectoid Steel)이라고 하는데, 공업용으로 생산되는 대부분의 강의 아공석강이다. 순철이 γ 철로 변태하는 온도는 910℃(Ac3점)이지만 아공석강이 γ 오스테나이트 단상으로 변태하는 온도는 GS선 이상이므로 이 GS선을 A3이라고 한다.

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또 0.8%C 이상의 탄소강을 과공석강(過共析鋼 ; Hypereutectoid Steel)이라고 부르는데, 과공석강에서는 SE선 이상으로 가열될 때 단상의 오스테나이트로 변태하므로 이 SE선을 Acm이라고 부른다. 과공석강의 탄소함유량은 0.8~2.0%C 범위이지만 공업적으로 생산되는 과공석강은 대부분이 0.8~1.2%C 범위의 탄소량을 가지고 있다. 탄소량이 1.2% 이상이면 강의 성질이 매우 취약해지므로 거의 사용되지 않고 있다.

실제적으로 강을 변태시키기 위한 가열 및 냉각속도는 평형속도보다 빠르므로 변태온도가 그림 2.5에 나타낸 것과 같이 이동된다. 순철의 경우와 마찬가지로 급속가열시에 상승된 변태온도를 첨자 c를 붙여서 Ac1, Ac3 및 Accm등으로 나타내고, 급속냉각시에 저하된 변태온도를 첨자 r을 붙여서 Ar1, Ar3 및 Arcm등으로 나타낸다.

 

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탄소강의 서냉시 조직변화

여기서 서냉(徐冷)이라 함은 평형냉각에 가까운 냉각속도를 말하는 것으로서 실제적인 열처리에서는 얻을 수도 없고 또 큰 의미도 없는 냉각속도이지만, Fe-Fe3C 상태도를 통하여 평형냉각시의 미세조직의 변화를 이해하는데는 매우 중요하다

 

(1) 공석강

0.8%C의 공석탄소강을 750℃ 정도로 가열하여 충분한 시간동안 유지하면 조직은 균일한 단상의 오스테나이트가 되는데, 이 과정을 오스테나이트화(Austenitizing)라고 한다.

이 공석강을 평형에 가까운 냉각속도로 서냉시킬 때 그림 2.4에서 e로 표시된 온도, 즉 공석온도 직상에서는 아직까지 조직은 오스테나이트 상태로 있다. 그러나 온도가 더 내려가서 공석온도 이하로 되면(그림 2.4의 f) 오스테나이트는 α 페라이트와 시멘타이트(Fe3C)의 혼합조직으로 변태하게 된다. 이 조직은 그림 2.6(a)에서 볼 수 있듯이 페라이트와 시멘타이트가 교대로 반복되어지는 층상조직(lamellar structure)을 형성하고 있으며, 그 형태가 진주(pearl)와 비슷하기 때문에 펄라이트(Pearlite)라고 부른다.

이와 같이 펄라이트는 단상조직이 아니라 페라이트와 시멘타이트의 2상 혼합조직이라는 사실에 유의해야 할 것이다. 따라서 서냉된 0.8%C의 공석강을 A1 변태온도 직하에서 지렛대법칙(lever rule)을 적용시키면 이 합금을 구성하고 있는 페라이트와 시멘타이트의 중량분율을 알 수 있다.

 

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(a) 공석강                           (b) 0.4%C 아공석강                 (c) 1.2%C 과공석강

그림 2.6 공석강, 아공석강 및 과공석강의 서냉조직

(2) 아공석강

0.4%C의 아공석 탄소강을 900℃(그림 2.4의 a)으로 가열하여 충분한 시간동안 유지하게 되면 공석탄소강에서와 마찬가지로 균일한 오스테나이트로 된다. 그리고 이 아공석강을 그림 2.4의 b점(약 775℃)까지 서냉시키면 오스테나이트 결정립계에서 초석 페라이트(proeutectoid ferrite)가 우선적으로 핵생성하기 시작한다. 이 강을 다시 c점까지 서냉시키면 초석페라이트는 오스테나이트 속으로 계속해서 성장해간다. 이때 페라이트가 형성된 지역의 과잉탄소는 오스테나이트-페라이트 계면으로부터 오스테나이트 쪽으로 밀려나므로, 남아있는 오스테나이트의 탄소량은 점점 많아지게 된다. 따라서 A1 변태온도 직상인 c점에 도달되면 남아 있는 오스테나이트의 탄소량은 0.4%에서 0.8%로 증가하게 된다. 따라서 A1 변태온도인 723℃ 직하인 d점에 도달되면 남아있는 오스테나이트는 공석반응에 의해서 펄라이트로 변태하게 된다. 펄라이트를 구성하고 있는 페라이트는 초석 페라이트와 구별하기 위해서 공석 페라이트(eutectoid ferrite)라고 부르며, 이 두 페라이트의 조성은 평형조건하에서는 같아진다.

A1 변태온도 직상인 c점에서 지렛대법칙을 사용하면 초석 페라이트와 오스테나이트의 중량분율을 다음과 같이 계산할 수 있다

 

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723℃의 A1 변태온도에서 남아있는 모든 오스테나이트는 A1 변태온도 이하로 냉각될 때에 펄라이트로 변태하기 때문에, 그림 2.4에서 A1 변태온도 직하인 d점에서의 펄라이트의 중량 분율은 A1 변태온도 직상인 c점에서의 오스테나이트의 중량 분율과 같게 될 것이다. 따라서 0.4%C의 아공석강에 있어서 723℃ 직하의 온도에서 존재하는 펄라이트의 중량 분율은 50%가 된다. 한편 A1 변태온도와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도 한계의 차이는 미미하므로 상온에서의 초석 페라이트와 펄라이트의 상대적인 양은 d점에서 계산된 값과 비교해서 큰 차이가 없다. 그림 2.6(b)은 0.4%C의 아공석강을 1095℃에서 오스테나이트화 한 후에 상온으로 공랭시킨 조직을 보여준다. 여기에서 흰색부분이 초석 페라이트이고, 검은 부분이 펄라이트이다.

 

(3) 과공석강

1.2%C의 과공석강을 950℃(그림 2.4의 g점)에서 충분한 시간동안 유지하게 되면 공석강에서와 마찬가지로 균일한 오스테나이트로 된다. 이 강이 그림 2.4의 h점 온도로 서냉되면 오스테나이트 결정립계에서 초석 시멘타이트(proeutectoid cementite)가 핵생성 되어 성장하게 된다. 다시 이 강이 j점까지 냉각되는 동안에 초석 시멘타이트는 계속 성장해 가면서 오스테나이트에 있는 탄소를 고갈시키게 된다. 이 냉각과정이 평형냉각이라고 가정할 때에 j점의 온도에서 남아 있는 오스테나이트의 탄소량은 1.2%에서 0.8%로 감소하게 될 것이다. 따라서 이 오스테나이트는 A1 변태온도 이하로 냉각되면서 공석반응에 의한 펄라이트로 변태하게 된다. 펄라이트를 구성하고 있는 시멘타이트는 초석 시멘타이트와 구별하기 위해서 공석 시멘타이트(eutectoid cementite)라고 부른다.

A1 변태온도 직상인 그림 2.4의 j점에서 지렛대법칙을 사용하면 초석 시멘타이트와 오스테나이트의 중량분율을 구할 수가 있다. 즉,

 

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아공석강에서와 마찬가지로 공석온도인 723℃ 직상에서 남아 있는 오스테나이트는 723℃이하로 냉각시 펄라이트로 변태하므로, 그림 2.4에서 A1 변태온도 직하인 k점에서의 펄라이트의 중량 분율은 A1 변태온도 직상인 j점에서의 오스테나이트의 중량 분율과 같게 될 것이다. 따라서 1.2%C의 과공석강에 있어서 723℃ 직하의 온도에서 존재하는 펄라이트의 중량 분율은 93.2%가 된다. 한편 A1 변태온도와 상온에서 페라이트의 탄소 고용도한계의 차이는 미미하므로 상온에서의 초석 시멘타이트와 펄라이트의 상대적인 양은 k점에서 계산된 값과 큰 차이가 없다.

여기서 한가지 주목할 만한 사실은 0.4%C의 아공석강에서는 50%의 초석 페라이트가 나타나는 반면, 1.2%C의 과공석강에서는 단지 6.8%의 초석 시멘타이트가 나타난다는 것인데, 이 사실은 그림 2.6(b)의 0.4%C 아공석강의 미세조직과 그림 2.6(c)의 1.2%C 과공석강의 미세조직을 비교해보면 명확히 알 수 있다. 이와 같이 초석상의 분율이 차이나는 이유는 0.4%C의 아공석강에서는 (γ+α)상 영역이 0.025~0.8%C 범위에 있지만, 1.2%C의 과공석강에서는 (γ+Fe3C)상 영역이 0.8~6.67%C 범위에 있기 때문이다.