[기계안전기술사] 문제풀이 2026년 138-1-9 강 뜨임(Tempering)의 목적과 이상현상

9. 강의 열처리 방식 중 뜨임(Tempering)의 목적과 뜨임 시 발생할 수 있는 이상 현상에 대하여 설명하시오.

문제풀이

열처리 뜨임(Tempering)
1. 뜨임(Tempering)의 정의
뜨임은 열처리의 한 과정으로, 담금질(quenching)을 통해 얻은 경하지만 취성이 높은 마르텐사이트 (martensite) 조직을 안정화시키기 위해, Ac1 변태점 이하의 적당한 온도로 재가열한 후 서서히 냉각시키 는 열처리입니다.

2. 뜨임의 목적
* 잔류 응력 제거
: 담금질 시 급랭으로 인해 내부에 발생한 큰 잔류 응력을 완화시킵니다 *취성 감소
: 담금질로 인해 매우 높아진 경도와 함께 발생한 취성(brittleness)을 감소시켜 재료의 인성(toughness) 을 향상시킵니다.
*안정적인 조직 확보
: 불안정한 마르텐사이트 조직을 안정적인 베이나이트. 트루스타이트. 소르바이트와 같은 조직으로 변태시 켜 재료의 안정성을 높입니다
*경도 조절
: 가열 온도와 시간에 따라 경도를 원하는 수준으로 조절할 수 있습니다. 온도가 높을수록 경도는 낮아지고 인성은 높아집니다.

3. 뜨임의 종류
* 저온 뜨임 (150~250C)
: 담금질된 강재의 경도를 거의 유지하면서 내부 응력을 제거합니다.
  (ex: 공구강, 절삭공구) *중온 뜨임 (350~450C
: 저온과 고온의 중간 정도로, 적당한 경도와 인성을 모두 얻고자 할 때 사용합니다.
  (ex: 스프링, 금형) * 고온 뜨임 (500 ~650C
: 경도를 크게 낮추고 인성을 극대화합니다.
  고온 뜨임을 거친 조직은 "소르바이트(sorbite)"라고 불리며 기계 구조용 부품에 많이 사용됩니다

4.뜨임의 과정
* 담금질: 우선 강재를 오스테나이트 상태로 가열한 후 급랭하여 마르텐사이트 조직을 만듭니다
* 재가열: 담금질된 강재를 Ac1 변태점 이하의 특정 온도로 가열합니다
* 유지: 일정 시간 동안 해당 온도를 유지하여 조직 변태와 응력 완화가 충분히 이루어지도록 합니다
* 냉각: 일반적으로 공기 중에서 서서히 냉각(공랭) 시킵니다

5. 뜨임 (Tempering)에 의한 결함
① Temper brittleness (뜨임 취성)
잔류 응력 제거 및 기계적 특성 개선을 위해 뜨임을 실시하였을때 특정 온도에서 경도가 증가하여 충격치가 급격히 떨어지는 현상
   . 저온 뜨임 취성 (탄소강) : 300도 근방에서 Fe3C의 형상이 입상에서 편상으로 석출하여 충격치가 감소
   . 고온 뜨임 취성 (Cr,Ni-Cr강) : 500도 근방에서 탄화물, 질화물 등이 결정립계에 석출하여 충격치 감소

② Temper crack
tempering 시 급속 가열에 의한 가열 시 온도의 불균일로 야기된 열응력이 결정입계에 따라 나타나는 취성특성이 발현된 부분에 집중되어 균열이 발생되는 현상이다. 또한 잔류 Austenite가 많은 경우에도 Martensite 조직에 얼룩이 생겨 쉽게 파손된다.
(tempering에 의해 secondary hardening이 발생하는 강의 경우 열응력과 조직 변태로 인해 형상이 좋지 못한 부분에서 특히 균열이 발생한다.)

이러한 temper crack을 방지하기 위해선 tempering 온도까지 가열 시 가열을 천천히 하여 잔류응력을 제거하거나, 응력이 집중되는 부분을 열처리상 알맞게 설계하거나 결정립계의 취성을 나타내는 화학성분을 감소시킨다.(Cr, Mo, V같은 C와의 반응성이 강한 물질을 첨가하여 입계 취성의 원인이 되는 탄화물 석출을 억제한다.)

③ tempering에 의한 변형
- 치수변화: tempering 온도로 가열 시 먼저 초기의 석출된 탄화물이 약간 수축을 일으킨 후 잔류 Austenite의 분해로 약간 팽창되고, Cemetite의 생성과 응집 과정에서 다시 크게 수축한다.
- 형상변화: Quenching 시 잔류응력이 tempering으로 제거되는 과정에서 형상의 변화가 발생한다. 특히 냉각속도가 빨라 잔류응력이 큰 경우 이러한 거동이 심하게 나타난다.(Water>Oil>Air)