서브제로(Sub zero) 처리란?

서브제로(Sub zero) 처리란?

서브제로 처리란, 철강 재료에 대하여 실시하는 열처리로서 재료의 치수 안정화나 경도의 균일화 등을 목적으로 한 처리로 심냉처리라고도 한다.

담금질(퀜칭)을 한 강을 드라이 아이스 등으로 0℃ 이하(일반적으로 -60℃~-100℃ 정도)로 급속히 냉각(급냉)함으로써, 담금질시 발생한 잔류 오스테나이트 조직을 마르텐사이트화할 수 있다.
처리의 타이밍으로서는 「담금질 → 서브 제로 처리 → 템퍼링」 이 일반적이다.

 

뜨임(템퍼링, tempering) : 담금질하여 경화한 강재를 재가열시킴으로써 점성(또는 인성)을 높여주기 위한 열처리

 

마르텐사이트(Martensite)

마르텐사이트(Martensite)는 철강을 담금질→급냉을 했을 때 얻을 수 있는 조직으로 탄소를 과포화하게 고용한 알파철을 마르텐사이트라 말하고 현미경 조직적으로 침상 및 백색이다.
탄소를 포함한 철강은 담금질에 의해 경도를 올릴 수 있지만 이것은 철강의 조직이 마르텐사이트 변태에 의해 일어나고 있는 것이다. 열처리 조직 중에서 가장 경하고 강한 조직이 마르텐사이트이다.

철은 상온에서 페라이트 라고 하는 조직으로 되어 있는데 이 페라이트는 담금질 을 실시하는 것으로 오스테나이트 라고 하는 조직으로 변하고, 그 후 급냉함으로써 마르텐사이트 라고 하는 조직으로 변태한다.
이 마르텐사이트 조직은 매우 치밀하고 단단한 조직이지만, 동시에 부서지기 쉽기 때문(취성)에 보통 템퍼링 (Tempering, 뜨임)에 의해 질긴 인성을 갖게 한다.

 

위의 오스테나이트→마르텐사이트라고 하는 조직의 변화에 ​​있어서, 마르텐사이트화 하지 않은 조직을 「잔류 오스테나이트」라고 부르는데 잔류 오스테나이트의 특징은 다음과 같다.

 

경년 변화가 일어나기 쉽다.
오스테나이트 조직은 오랜 시간에 걸쳐 서서히 다른 조직으로 변화한다 = 부피가 바뀌기 때문에 치수가 약간 변화하거나 경도가 저하될 수 있다.

 

자화력이 저하된다.

 

적당한 잔류 오스테나이트는 인성을 향상시킨다.
하지만 단점뿐만 아니라 장점도 있는데 적당한 잔류 오스테나이트가 있으면 인성을 향상시켜 균열 등을 방지한다.

서브제로 처리는 금형이나 게이지(Gauge) 등 치수 변화가 일어나면 안되는 부품이나 탄소량이 많은 재료에 적용하는 것이 효과적이라고 할 수 있다.

담금질 후의 급냉 조작에 의해 마르텐사이트 조직을 얻는다는 이야기를 했지만, Ms점 (마르텐사이트 변태 개시 온도)과 Mf점 (마르텐사이트 변태 개시 온도)은 철강의 탄소량에 의해 바뀐다. Ms점과 Mf점은 탄소량이 많을수록 낮아진다.

약 0.6% 이상 탄소(C)가 있는 강에서는 Mf점이 상온 이하 가 되기 때문에, 상온까지의 냉각에서는 잔류 오스테나이트가 많아져 버린다.