신소재공학실험 | 탄소강의 열처리

 

 

 

TIP

 

 

탄소 함유량이 다른 두 금속을 열처리 과정을 거치고 3가지 방법(노냉, 공냉, 수냉)으로 냉각시킨 후, 냉각 과정을 통한 조직의 변화를 관찰하고 경도에 미치는 영향을 알아본다.

 

 

열처리 냉각방법

1. 노냉 : 강을 열처리한 후, 노 내에서 비교적 늦은 속도로 냉각 시키는 것

 

2. 공냉 : 강을 고온에서 가열하여 오스테나이트화 시킨 후 공기 중에서 냉각 시키는 것

 

3. 수냉 : 열처리한 탄소강을 노에서 빼내어 물에 집어넣어 냉각 시키는 것

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실험 방법

1. 시편 준비

실험을 위해 봉상의 SM20C와 SM45C를 쇠톱을 이용하여 약 1.0cm 정도의 시편으로 3개씩 자른다. 이때, 쇠톱과 강의 마찰로 인해 잘려진 시편이 뜨거울 수 있으니 주의한다. 시편 관찰의 용이함을 위해 톱으로 잘라 생긴 거친 면 중 한 면을 사포를 이용하여 연마한다.

 

2. 열처리

총 6개의 시편을 노에 넣고 SM20C는 920℃에서, SM45C는 870℃에서 약 1시간동안 열처리한다. 그 후, 탄소 함유량이 다른 두 금속의 3개의 시편을 각각 노냉, 공냉, 수냉의 방법으로 냉각시킨다. 냉각이 완료된 시편은 산화막을 제거한 후에 세척한다.

 

3. mounting

mounting 이란 시표의 크기가 작아서 손에 쥐고서 시편을 준비하기 어려운 경우에 손에 쥐고 다루기 편한 크기의 단순한 모양으로 만드는 작업인데, 이번 실험의 경우에는 경도 측정 시 수평을 맞추는데 용이하기 위한 과정으로 mounting 하였다. resin : Hardener 의 비율을 10:3의 비율로 잘 섞고 플라스틱 형틀 안에 관찰하고자 하는 면이 아래쪽을 향하게 시편을 놓은 후 부어준다.

 

4. grinding

grinding 은 시험편 표면의 오염물질 및 시료에 형성되는 변형부위를 제거하고 이 후의 현미경 관찰이 가능하도록 편평한 면을 열기 위해 실행한다. 시편을 사포에 두고 일정한 방향으로 간다. 이때, 한쪽으로 힘이 쏠려 시편이 경사지지 않도록 주의해야 한다. 그리고 사포는 150-400-600-800-1200-2000의 순서로 연마하도록 하며 사포의 순서가 바뀔 때마다 90° 회전하여 다음 순서의 사포로 앞의 조흔이 제거될 때까지 연마한다. 시편을 사포에 너무 강하게 누르면 발열하여 조직이 변하거나 시편의 단면에 소성변형이 생길 수 있으므로 가볍게 누르고 천천히 움직이면서 왕복하도록 한다. 그리고 사포가 바뀔 때마다 초음파세척기를 이용하여 시편의 표면에 다른 이물질이 없도록 세척하고 건조한 후 다음 순서의 사포로 연마하도록 한다.

 

5. polishing

polishing은 고체의 표면을 다른 고체의 모서리나 표면으로 문질러 매끈하게 하는 것이며, 산화크롬(Cr₂O₃ ) 분말 수용액, 마그네시아(MgO) 분말 수용액, 알루미나(Al₂O₃ ) 분말 수용액 등의 연마제를 사용하여 연마의 효율을 높일 수 있다. 이번 실험에서는 알루미나 분말 수용액을 연마제로 사용하였다. polishing 방법은 회전원판에 연마포를 붙인 후, 시편을 손에 쥐고 관찰하고자 하는 시편의 단면을 연마포에 대어 연마한다. 이때, 연마제와 물을 번갈아 뿌려준다. 먼저 1.0μm 연마제를 이용하여 연마한 후, 물로 세척하고 건조시킨다. 그 다음 0.3μm 연마제를 이용하여 연마하도록 한다.

 

6. etching

 

대부분의 금속의 경우 polishing까지 한 상태에서는 미세조직이 잘 관찰되지 않기 때문에 조직이 잘 보이도록 etching을 한다. etching에는 용액을 사용하는 습식(wet etching)과 반응성 기체를 사용하는 건식(dry etching)이 있다. 이번 실험에서는 Ethanol 100㎖에 HNO₃㎖을 섞어 만든 혼합 용액을 사용한 습식(wet etching)의 방법을 사용하였다. 시료를 용액에 수 초간 넣었다가 빼낸 후 증류수에서 헹구는 과정을 반복하였다.

 

7. 현미경 조직 관찰 및 경도 측정

본 실험에서는 시편의 조직 관찰을 위해서 olympus CK-40 M(반사현미경)을 200배율로 설정하여 시편을 관찰하였고, 경도 측정에는 Rockwell 경도계와 Vickers 경도계를 사용하였다.

 

 

 

[신소재공학실험]탄소강의 열처리 레포트