경화능 (hardenability)
강의 열처리에 있어서 우리가 이 시점에서 반드시 논의하여야 할 중요한 개념이 있다. 경화 등의 개념이다. 강은 마트텐사이트의 미세조직을 형성하기 위해 급랭하였을 때 경화된다. 경도와 경화능은 재료의 두 가지 다른 특성이다. 합금의 경도는 그것의 물리적 경도(침투에 대한 물질의 저항)의 실제적인 측정이다. 그러나 재료는 연할 수 있고 여전히 매우 경화될 수 있다.
경화능을 정의하는 가장 단순한 방법은 재료가 마르텐사이트를 형성할 수 있는 가장 느린 냉각 속도를 측정하는 것이다. 강의 경화능이 클수록, 더 느린 냉각 속도에서 마르텐사이트의 미세조직을 얻을 수 있다. 경화되기 위해서 강은 얼마나 단단해야 하는가? 이 질문의 대답은 합금의 경화능을 결정하는 데 이용된다. 어떤 한 조각의 강이 경화되었는지 아닌지를 증명하는 가장 일반적인 근거는 미세조직의 마르텐사이트 양이다. 만일 마르텐사이트가 50퍼센트보다 덜 존재한다면, 재료는 경화된 조건에 있지 않다고 이야기한다. 이 측정을 기준으로 이용하여, 우리는 경화능을 위한 몇 가지 시험법이 있다는 것을 알 수 있다.
급랭봉법
경화능을 위한 한 가지 가능한 시험법은 급랭봉법이다. 이것은 여러 지름의 급랭한 합금 봉 시편을 필요로 한다. 봉 내부의 어떤 점에서 냉각 속도는 낮은 반면, 봉 표면의 냉각 속도는 높다. 이 급랭 구역의 단면은 여러 냉각 속도 하에서 얻어진 미세조직에 대하여 편리한 자료를 제공한다. 봉을 자르고 시편의 지름을 따라 경도를 측정한다. 경도 대 반경을 도시한 것을 U-곡선이라 부른다. 냉각률은 표면에서 가장 크다. 따라서 마르텐사이트는 단면의 바깥 끝 쪽 근처에서 가장 쉽게 형성된다. 원통 내부의 현저하게 느린 냉각률은 연속 변태 곡선의 코(nose)를 피해 가기에는 너무 느리다. 그래서 펄라이트가 형성될 것이다. 얕은 경화강의 U-곡선에서는 테두리에서 내부로 시험을 할수록 경도가 매우 빠르게 감소한다. 깊은 경화강의 U-곡선에서는 원통의 중앙 부분은 50퍼센트 마르텐사이트와 50퍼센트 펼라이트 혼합물을 포함한다.
경화능과 연속-변태곡선
강의 경화능은 여러 가지 급랭하는 속도에 의해서 마르텐사이트를 형성할 수 있는 능력을 정하는 부분이다. 따라서 연속 변태곡선은 경화능을 연구하는 데 있어 매우 중요하다. 만일 코가 세로축에 가깝게 위치해 있다면 강은 코를 피하기 위해 매우 빠르게 급랭 되어야 한다. 이러한 강은 단지 약간의 경화능이 있다고 말하거나 얕은 경화강이라 부른다. 코가 세로축과 멀어질수록 강의 경화능은 더 커진다. 만약 합금이 공랭에 의해 경화될 수 있다면(알맞게 느린 냉각률), 그것은 공기-경화강이라고 부른다. 유사한 방법으로, 강은 기름-경화 또는 물-경화 등으로 표시된다. 공기-경화강은 최대의 경화능을 갖고 물-경화강은 최소의 경화능을 갖는다.
경화를 위해 필요한 냉각 속도가 더 느릴수록 즉, 경화능이 더 클수록, 더욱 가치 있는 합금이다. 주의 깊게 가공되고 제작된 단면이 큰 부품을 생각해 보자. 이 부품은 경화를 위해 높은 온도로부터 급랭 되어야만 한다. 만약 수랭이 이용된다면, 표면은 경화되겠지만 부품의 내부는 느린 냉각 속도 때문에 50퍼센트 마르텐사이트로 변태 될 수 없을는지도 모른다. 더 나아가, 그와 같은 큰 부품에서는 급랭 공정에 의해 생성된 응력이 균열의 원인이 될는지도 모른다. 그와 같은 급랭 균열의 형성은 더 좋은 경화능을 갖는 강을 이용함으로써 막을 수 있다. 이것은 시편이 더 느린 냉각 속도로 냉각되도록 하여 물건의 중심 부위까지도 경화될 수 있게 한다.
Jominy 시험
강의 경화능을 측정하는 또 다른 중요한 방법은 Jominy 시험이다. 이 기술은 오스테나이트화로부터 정해진 모양의 시편을 꺼내서 끝단-급랭 기구 안에 그것을 집어넣는 과정이 필요하다. 찬 물줄기가 봉시편의 바닥에 분사된다. 이 방법에서 시편의 길이 방향을 따라 여러 지점에서 여러 냉각 속도가 얻어진다. 이 냉각 속도들은 바닥의 수랭에서부터 원통 맨 윗부분의 공랭까지의 범위이다. 냉각률이 봉의 길이 방향으로 다르기 때문에, 미세조직은 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 변한다. 공랭 된 끝은 펄라이트인 반면, 수랭 된 끝은 일반적으로 마르텐사이트이다. Jominy 시험에서, 경도는 수랭 된 끝에서부터 거리의 함수로써 측정된다. Jominy 곡선은 경도 대 수랭 된 끝에서부터의 거리의 그래프이다. 경도 곡선은 Jominy시편의 그림에 겹쳐졌고, 봉의 길이에 따른 여러 점에서의 냉각 속도는 합금의 연속 변태도에 볼 수 있다.
만일 강의 매우 경화가 잘 되면 마르텐사이트 구역은 수랭 된 끝으로부터 매우 멀리까지 뻗는다. 그러나 만일 강이 약간만 경화되는 경우라면, 마르텐사이트 구역은 매우 짧아서 단지 수랭 된 끝의 면만을 포함할 수도 있다. 경도가 수랭 된 끝으로부터 먼 점에서 측정될수록 경도는 감소하기 시작하고 결국 정체 단계에 도달한다. 이것은 미세조직에서 모두 펄라이트 구조가 나타날 때까지 펄라이트가 점점 더 많아지는 전이 영역이다. 그리고 난 후 경도는 펄라이트의 조대화에 기인하여 이 점 뒤로는 약간 감소한다.