[기계안전기술사] 문제풀이 2023년 129-1-11 강 담금질 질량효과

문제.
11. 담금질된 축 단면을 절단하여 경도를 측정해본 결과 축 표면에서 중심부로 갈수록
경도 값이 적게 나오는 현상에 대하여 설명하시오.

정답. 질량효과( Mass Effect)

1)정의.
동일 금속이라도 크기 형상에 따라서 담금질 시 경화, 열처리 효과가 다르게 나타남.
즉 재료 질량 차이에 의하여 재료 내외부의 열처리 효과가 다르게 되는데 이 효과를 질량효과 라고 항

2) 질량 효과 영향인자
- 경화능.
   철강을 담금질 경화시킨 경우 경화가 되기 쉬운정도
- 질량 효과는 경화능과 냉각속도, 재료 등에 따라 영향받음

3) 특성
- 같은 재질로서 열처리 조건이 동일할 때에는 열처리한 물건의 크기 및 두께 등이 열처리 효과에 큰 영향을 미침
- 재료를 담금질 할 때 질량이 작은 재료는 내·외부에 온도차가 없으나, 질량이 큰 재료는 열의 전도에 시간이길게 소요되어 내·외부에 온도차가 생겨 외부는 경화되어도 내부는 경화되지 않은 현상
- 냉각액과 접촉되는 강의 표면조직은 마텐자이트로 되고 강의 내부는 냉각속도가 늦어져 펄라이트, 트루스타이트로 되 변태됨
- 강재가 크거나 두꺼울수록, 강의 내부로 들어갈수록 냉각속도가 늦어져 경도가 저하됨




1. 질량효과
  - 성분이 같은 탄소강을 동일한 방법으로 담금질을 해도 그 재료의 굵기나 두께에 따라 담금질 효과가 달라짐. 이것은 냉각 속도가 질량의 영향을 받기 때문. 두껍고 큰 쇳덩어리와 못을 비교하여 보면 빨갛게 고온으로 가열한 질량이 작은 못은 물 속에 넣자마자 식어버리나, 쇳덩어리는 물 속에 넣으면 표면의 냉각 속도가 내부의 냉각 속도보다 빠르게 냉각됨. 이것은 감자를 구울 때 겉 부분은 잘 익고 속은 안 익는 것과 같음. 이것처럼 질량의 대소에 따라 담금질 효과가 다른 현상을 질량효과(mass effect)라 함.

- 질량 효과가 작다는 건 질량이 작은 물체의 내부와 외부의 냉각 속도 차가 작아 내부와 외부 조직의 차이가 없이 열처리가 잘 된 것을 의미. 반대로 질량 효과가 크다는 것은 질량이 큰 물체의 경우 내부와 외부 조직의 차이가 커 냉각 속도가 느려 담금질 효과가 적다는 것을 의미.

- 결국 강의 열처리는 대상물의 크기와 형상에 따라 냉각 속도에 영향을 끼쳐 기계적 성질이 달라짐.

2. 경화능
- 재료에 따라 담금질이 어느 정도 되는지의 여부를 나타내는 성질.
- 경화능 측정에는 조미니 시험(Jominy's test)이 널리 이용되고 있다.

3. 담금질의 가열 시간과 냉각 효과
- 담금질할 때의 가열 시간은 강을 담금질 온도까지 상승시키는 시간과 담금질 온도에서 강의 내부까지 균질화하는 데  소용되는 시간을 포함.

- 담금질할 때의 가열 시간이 너무 길면 재료의 손실과 연료의 손실을 가져오며, 너무 짧으면 불균일한 온도로 인한 내부응력이 생김. 고온으로 가열한 철강 재료를 물 속에 넣으면 그 표면에 수증기가 발생하는데, 이때 발생한 수증기는 막을 형성하여 냉각 효과를 감소시킨다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 냉각제로 소금물을 이용한다.