마텐자이트란 무엇인가요?

강철을 담금질하면 고온에서 안정된 오스테나이트로부터 실온에서 안정한 α철과 시멘타이트로 구성되는 조직으로 변화하는 변태가 일부 저지되어 단단한 조직으로 되는데, 이것이 마텐자이트이다. 독일 철강학자 A.마르텐스의 이름을 따서 명명되었다. 결정학적으로 γ철과 α철의 중간이며 체심입방격자인데, 그 장축과 밑면의 정사각형 변과 비율인 축비는 조건에 따라 변한다.

해설 및 핵심용어정리

열처리란 재료에 가열과 냉각의 조작을 통하여 우리가 원하는 성질로 변화시키는 것이다. 즉 금속의 잔류응력을 감소하거나 내부 조직을 변화 시켜서 필요한 기계적인 성질을 얻는 것을 말하며 동일재료도 열처리에 따라 그 적응성은 광범위하게 변할 수 있다. 열처리를 통하여 모든 상업기계, 구조물, 모든 소성가공, 성형가동, 형상물 등에 적용하여 그 성질에 적합하도록 변화시킬 수 있게 된다.

[열처리 목적]

(1) 경도나 항장력을 확대

(2) 조직 연화 및 기계가동에 적합한 재료 제작

(3) 조직 미세화로 방향성을 작게 하고 편석이 작고 균일한 상태로 변환

(4) 중간 풀림 열처리를 통하여 냉간가공 영향 제거

(5) 변형방지 및 응력제거

(6) 조직의 안정화

(7) 내식성 개선

(8) 자성의 향상

(9) 표면 경화

(10) 강재의 점인화

[강조직의 특징과 기계적 성질]

(1) 페라이트 (α- 고용체)

순철에 탄소가 극히 소량 고용된 고용체를 페라이트라고 한다. 부식액에 잘 부식되지 않을 정도로 내식성이 크며, 상온에서 789℃까지 강자성체이며 체심입방격자(BCC)의 구조로 연성이 크다.

(2) 시멘타이트 (Fe3C)

시멘타이트는 0.8％의 탄소강으로부터 6.67％의 주철까지의 주된 성분으로 Fe과 C 의 금속간 화합물로 극히 단단한 성질로 강보다 내식이 크다. 공구강이나 고탄소강에 존재하는 Fe3C 는 충격에 약하므로 구상화 열처리에 의하여 구상 시멘타이트화하여 사용하면 충격에 견디는 좋은 공구강을 만들 수 있게 된다.

(3) 펄라이트(α+Fe3C)

탄소 0.8％ 와 723℃온도에서 α- 고용체와 Fe3C 의 금속간 화합물이 공석점에서 공석반응에 의해 얻어지는 혼합조직.

(4) 오스테나이트(γ고용체)

γ- Fe 에 탄소가 고용된 γ고용체를 오스테나이트라고 하며 A1(723℃)변태점 이상에서 안정상을 이루는 고온 안정조직으로 인성이 좋고 소성 변형성이 우수한 면심입방격자(FCC)를 이루면 비자성을 갖고 있다. 담금질 후에 저탄소강에는 존재하는 일이 적고 고 탄소강이나 합금강에서 오스테나이트가 잔류 하는데 이로 인하여 치수 변형의 원인이 되기도 한다.

(5) 마텐자이트

탄소강을 A3 변태점 이상으로 (오스테나이트계 구역) 가열하였다가 급냉하면 페라이트는 억제되고 시멘타이트만 과포화 고용체로 석출 하게 된다. 변태가 생성되는 온도를 Ms 라 하고 변태가 종료되는 점을 Mf 라 한다. 마르텐자이트 변태는 무확산 변태이고 현미경으로 관찰하면 침상조직으로 담금질 작업에 의하여 얻어진다.

(6) 트루스타이트 (Troostite)

강을 유냉시킬 때 얻어지는 조직으로 페라이트와 미세 시멘타이트의 혼합조직으로 Ar1 변태를 500~600℃에서 일어나게 할 때나 마르텐사이트를 300 ~ 400℃로 뜨임하였을 때 얻어지는 조직으로 전자를 담금 트루스타이트, 후자를 뜨임 트루스타이트라고 하며 이들은 결정상으로 미세한 시멘타이트와 페라이트의 혼합물이다.

(7) 소르바이트 (Sorbite)

강을 유냉하여 500~600℃에서 얻어지는 조직으로 트루스타이트 조직보다 강하며 여러 조직 중 가장 강인한 조직으로 구조용강으로 많이 쓰이며, 인성을 요구하는 Wire Rope 나 Spring 강 등에 쓰이고 있다.

(8) 베이나이트 (Bainite)

강을 오스테나이트 상태로부터 Ar' 변태점과 Ar'' 변태점 사이(150~550℃)에 급냉 유지하였을 때 얻어지는 조직으로 Ar' 변태에 의해 얻어지는 조직을 상부 베이나이트, Ar' 변태에 가까운 저온도에서 얻어지는 조직을 하부 베이나이트라고 한다. 이상의 베이나이트조직은 오스템퍼링 열처리에 의해 얻을 수 있다.

[마텐자이트 조직]

마텐자이트는 확산을 이루지 못해 생긴 비평형상이고 냉각시간에 생성이 의존하기 때문에 평형상태도에는 나타내지 않는다. 이런 비평형상의 생성을 기록하는 방법으로 TTT diagram이 있다.

위 그림은 오스테나이트의 냉각속도에 따른 상변화를 나타낸다. 위 그림에서 A는 오스테나이트, B는 베이나이트, M은 마텐자이트, P는 펄라이트를 의미한다. 세 선은 모두 같은 곳에서 시작한다. 즉 냉각전의 온도와 Time=0인 곳에서 시작한다.

선이 아래로 내려오는 것은 냉각이 되었음을 의미하고 오른쪽으로 진행하는 것은 시간을 소모함을 의미한다. (a)의 경우 650℃ 까지 냉각시키고 수십 초간 유지한 결과 P의 영역에 거의 도달한 후 냉각되었다. 이는 펄라이트 구조가 거의 이루어지고 확산을 막아 재료의 대부분이 펄라이트 구조를 갖는 냉각 경로가 된다. (b)의 경우 급냉각을 통해 바로 마텐자이트 영역으로 들어왔고 이 경우는 재료의 대부분이 마텐자이트의 구조를 갖는 것을 의미한다. (c)의 경우는 베이나이트 구조를 갖는다. 위 그래프에서 나타나는 것과 같이 물질의 상이 나타나는 것은 시간에 의존하게 된다. 평형 상태도는 모든 상 변태에 있어 충분한 시간이 주어지는 것을 기초라 작성하는 것이다.