담금질(퀜칭)을 하면 왜 금속이 더 단단해지나요?

Question

금속을 고온으로 가열했다가 급속 냉각시키는 담금질 공정을 배우는데, 단순히 빠르게 식히는 것만으로 왜 경도가 높아지는 건지 미세조직 변화 관점에서 궁금합니다. 서서히 식히는 것과는 왜 결과가 다른가요?

Answer 1

안녕하세요.

담금질을 뜨거운 금속을 아주 빠르게 식혀서 원자들이 제자리를 찾을 시간을 주지 않는 공정으로 볼 수 있어요. 이런 결과로 철 내부에는 마르텐사이트라는 매우 단단한 조직들이 만들어져 경도가 크게 높아지게 되죠.

반대로 천천히 식히게 되면 원자들이 안정적으로 배열되어 페라이트나 필라이트 같은 비교적 부드러운 조직들이 형성되요.

쉽게 말해서 천천히 식히면 원자들이 가지런히 정렬되는거고, 급하게 식히면 뒤엉킨 상태로 굳어 더 단단해지는 것이에요.

감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

담금질은 강을 고온에서 오스테나이트 상태로 만든 뒤 급속 냉각하여 탄소 원자가 확산할 시간을 주지 않음으로써 매우 단단한 마르텐사이트 조직을 형성하는 열처리 공정입니다 이 과정에서 결정격자가 크게 뒤틀리고 전위의 이동이 어려워져 경도와 강도가 크게 증가합니다 반대로 서서히 냉각하면 탄소가 충분히 확산하면서 펄라트나 펠라이트 같은 비교적 연한 조직이 형성되어 경도가 낮아지지만 연성과 인성이 좋아집니다 그래서 냉각 속도에 따라 형성되는 미세조직이 달라지고 그 결과 성질도 크게 달라지게 됩니다

Answer 3

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

담금질을 하면 금속이 단단해지는 이유는 고온에서 만들어진 구조가 급속 냉각으로 인해 미처 안정한 상태로 돌아가지 못하기 때문입니다.

강철은 높은 온도에서 탄소가 철 내부에 비교적 잘 녹아 있는 상태가 됩니다. 빨리 식히면 탄소가 빠져나와서 재배열될 시간이 부족하게 됩니다. 그 결과 탄소가 갇힌 채로 결정격자가 찌그러진 마르텐사이트 같은 단단한 조직이 만들어 질 수 있게됩니다.

이러한 구조는 내부 변형이 잘 일어나지 않기 때문에 경도는 높은데, 충격에는 취약해 깨지기 쉬운 취성에 약합니다. 반대로 서서히 식히면 탄소가 이동하게 되고 조직이 안정적으로 나뉘면서 비교적 부드럽고 질긴 구조가 생성됩니다.

퀜칭이라고 불리는 재료공학에서의 공정은 단순하게 차갑게 만드는 과정이 아닌, 원자가 움직일 시간을 빼앗아 금속 내부 구조를 굳혀버리는 공정이라고 생각하시면 좋을 것 같습니다.