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 강의 열처리종류 |
 관리자 |
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| 1.열처리란?
가열(加熱)과 냉각(冷却)을 적절하게 조절하여 금속재료의 여러가지 성질을 변화
또는 개선시키는 기술( 노말라이징, 어닐링, 퀜칭, TEMPERING 등)
2.열처리의 목적
1) 기계적 성질의 개선
a. 경 도 : 어떤 물체가 다른 물체에 의해 변형이 가해졌을 때 나타나는 저항의
크기 (단단한 정도). 즉, 저항이 큰 것이 단단하다.( HRC, HRB, HV,
HB, HK, HS 등)
b. 강 도 : 외력에 대한 저항의 대소(강한 정도) 인장강도, 압축강도, 피로강도,
굽힘강도, 고온강도 등.
c. 전연성 : 금속이 파괴될 때까지의 영구 변형 능력(늘어나는 성질)
d. 인 성 : 충격에 견디는 성질 (질긴 정도)
【 열처리의 기본 조건 】
1) 체적변화가 일어나는 변태점이 존재한다
2) 냉간가공된 것(소성변형에 의한 가공경화)
3) 온도에 따라 탄소의 고용한도가 달라진다.
3. 표면경화 열처리
제품의 적당한 표면부분만 강하게 하여 필요한 강도를 갖도록 하고, 내부는
부드럽고 질긴 성질을 유지하여 인성 등을 갖도록 하는 열처리.
1) 침 탄 (침탄 소입 소려)
강의 표면에 탄소를 침투시켜서 표면부의 원하는 깊이 만큼만 탄소량을 증가
시키기 위하여 침탄제[고체, 액체, 기체(GAS)] 중에 적당한 온도로 적당한 시간 만큼
유지한 후에 냉각시키는 열처리 방법.
a..열처리후의 경도
① 소입경도 : HRC 63 이상 HV700
② 저온TEMPERING (200℃ 이하온도) 후 : HRC 58~63
③ TEMPERING온도가 올라감에 따라 경도는 저하됨.
2) 침 탄 질 화 (침탄질화 소입 소려)
GAS침탄의 변형된 형태로 강의 표면에 탄소와 질소를 동시에 침투시킨후 소입
등에 의해 표면부를 경화시키는 열처리 방법.
a. 침탄과의 차이
① 투입하는 GAS의 종류가 다름 (침탄 : Fe-C 침탄질화 : Fe-C-N)
② 처리온도가 다름 (침탄 : 900~930 ℃ 침탄질화 : 800~860℃)
③ 저급강종에도 적용 가능함.
b. 열처리후의 경도
① 소입경도 : HV 770 이상 (HRC 63이상)
② 저온TEMPERING (200℃ 이하온도) 후 : HV 700~780
③ TEMPERING온도가 올라감에 따라 경도는 저하됨.
3) GAS연질화 처리
RX 분위기의 로내에 NH3 가스를 동시에 투입하여 적당한 온도 적당한 시간 동안
처리품을 로내에 유지하면 처리품 표면에 백색의 화합물층이 형성되는 데 이를
‘GAS 연질화‘처리라 한다. (Fe-N 화합물)
a.열처리후의 경도
① 화합물층의 경도 : HV 700 이상 (소재에 따라 다름)
② 화합물층 직하의 부분부터는 경도가 현저히 저하됨.
b. GAS연질화 처리의 특징
① 처리온도가 낮으므로 열처리 변형이 적다(거의 없다) 후가공이 필요 없음
② 내마모성, 내부식성 등이 뛰어나다.
③ 표면 청정도 양호.
4) Q/T처리 (QUENCHING - 소입, TEMPERING - 소려)
제품에 단지 열(熱)만을 가하여 오스테나이트상태까지 온도를 올린 후 적당한
시간 동안 유지한 후 소입시키는 열처리 방법으로서 주로 탄소량이 많은 중,고탄소강
및 공구강 등에 사용된다.
a.열처리후의 경도
① 재질, 제품의 크기, 합금성분의 량, TEMPERING 온도 등에 따라 달라짐
② S45C의 소입경도 : HRC 54-56
③ SK류, SUJ2 등의 소입경도 : HRC 64-66
【 열처리 】
금속을 적당한 온도로 가열 및 냉각시켜 금속의 기계적 성질, 물리적 성질을
변화시키는 조작을 열처리(熱處理; heat treatment)라 하며, 강(鋼; steel)은
열처리 효과가 가장 큰 금속이다. 강의 열처리 중에서 중요한 것을 들면 다음과
같다.
1) 담금질(燒入; quenching) : 급랭시켜 경화(硬化)시킨다.
2) 뜨임(燒戾; tempering) : 담금질한 것에 인성을 부여하는 열처리이다.
3) 풀림(燒鈍; annealing) : 연성(延性)을 부여하거나 내부응력을 제거하기
위한 열처리이다.
4) 불림燒準; normalizing) : 내부응력을 제거하고 조직을 균질하게 하기 위한
열처리이다.
사용 목적에 따라 표면은 경도가 크고 내부는 인성(靭性)이 큰 것이 요구될
때가 있다. 이와 같은 목적을 충족시키기 위한 열처리를 표면경화 열처리
(表面硬化熱處理; case hardening)라 하며, 강의 표면경화법에는 침탄경화법
(浸炭硬化法),질화법(窒化法), 청화법(靑化法), 화염담금질, 고주파(高周波)담금질,
arc 방전, 담금질 ,산화피막법(酸化被膜法) ,심랭처리(深冷處理),등이 있고, 강의
방식법(防蝕法)에는 삼투법(渗透法), Zn 삼투법, Al 삼투법, Cr 삼투법,Si 삼투법,
도금법(鍍金法),습식도금법, 건식도금법, 도장법(塗裝法)등이 있다.
강의 열처리 종류
1. 풀림 , annealing
재료를 평형상태도에 나타난 그대로의 안정상태로 만들기 위한 처리방법이다.
‘어닐링’이라고도 하는데, 이전에는 ‘소둔’(燒鈍)이라고 하였다.
상변화(相變化)가 온도의 오르내림에 따라 일어나는 재료에서는 충분한 시간에
걸쳐서 천천히 냉각시킴으로서 상태도에 나타난 것만큼의 변화를 전부 완료시켜서
안정된 평형 상태로 한다.
고온상태에서 천천히 식혀서 확산에 의해 각 온도에서 평형상태를 그 때마다 잡으면서
냉각될 수 있는 시간을 준다. 이 밖에 가공 ·주조 ·조사(照射) 등에 의해 변형이 생기거나
격자결함(格子缺陷)이 생겨서 굳은 결정고체에서는 그 속에서 주체가 되는 성분의 원자가
충분히 확산해서 움직일 수 있는 온도, 즉 재결정(再結晶)온도 이상으로 적당한 시간
가열해서 목적을 달성한다.
풀림하여 얻을 수 있는 상태는 그 재료에 있어서 가장 부드러운 상태일 때가 많으므로,
풀림이라는 말에는 가장 연한 상태를 얻는 열처리 조작이라는 느낌이 내포되어 있다.
이 때문에 석출경화형(析出硬化型) 합금인 베릴륨 구리에서는 완전히 고용(固溶)되는
온도까지 가열해서 급랭하여, 과포화고용체(過飽和固溶體)를 얻으면, 그 합금에서의 가장
연한 상태가 되기 때문에, 이 조작을 용체화(溶體化) 담금질, 또는 용체화 풀림
(solution annealing)이라고도 한다.
2. 뜨임 , tempering
강철을 담금질하면 경도는 커지나 메지기 쉬우므로 이를 적당한 온도로 재가열
했다가 공기 속에서 냉각, 조직을 연화 ·안정시켜 내부 응력(應力)을 없애는
조작인데 소려(燒戾)라고도 한다.
강철을 담금질한 후, 온도가 내려감에 따라 일어날 변화를 급랭(急冷)함으로써
일부 또는 전부를 저지하고, 다시 비교적 낮은 온도로 적당한 시간 가열하여 저지해
놓은 변화를 임의의 상태까지 진행시키는 일을 말한다.
뜨임 처리는 담금질한 재료의 메짐을 없애고 강인성을 주기 위해서 하는 경우와 담금질
경도(硬度)를 더욱 높이기 위해서 하는 경우가 있다. 탄소강의 경우는 경화시킨 것을 200℃
이상으로 가열하여 처리하면 메짐은 감소되고 강인화되며, 15∼200℃에서 뜨임 처리를
하면 더욱 단단해진다. 또, 고속도강의 뜨임 처리는 재료를 더욱 경화시키기 위해서 하며,
약 600℃ 전후에서 실시한다.
원래는 강의 열처리용어였지만, 오늘날에는 시효성 합금(時效性合金) 등을 용체화(熔體化)
한 후, 급랭해서 변화를 저지하고 과포화 고용체(過飽化固溶體)를 만들어 합금 내부에서
충분히 확산이 일어나는 온도로 가열하여 원하는 성질을 얻는 가열처리도 포함시킨다.
3. 뜨임시효 , tempering aging
한번 담금질한 금속재료를 뜨임할 때, 시간이 경과함에 따라 그 금속재료의 성질이
변화되는 것을 말하는데, 시효성 합금을 담금질하여 과포화 고용체(過飽和固溶體)를
상온으로 가져온 것을 저온도로 가열할 때에 시효현상이 일어나면 이것이 뜨임
시효이다.
상온시효(常溫時效)도 상온이라는 온도로 가열해서 뜨임한 것이므로, 이런 뜻에서는
뜨임 시효이지만, 일반적으로는 상온 이상의 온도로 인위적으로 가열하여 시효를 일으키는
것을 뜨임시효라고 하며, 이전에 인공시효(artificial aging)라고 한 것과 같은 뜻으로
사용하고 있다.
4. 불림 , normalizing
강을 단련한 후, 오스테나이트의 단상(單相)이 되는 온도범위에서 가열하여 대기
속에 방치하여 자연냉각(自然冷却) 한다. 이것의 목적은 주조 또는 과열 조직을
미세화하고, 냉간가공·단조 등에 의한 내부응력을 제거하며, 결정조직, 기계적·
물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다.
5. 심랭처리 , 深冷處理 , sub-zero treatment
잔류 오스테나이트를 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 마텐자이트로 변태시키는 처리
방법을 말한다. 고(高)탄소강 ·합금강을 칭했을 경우 Mf 온도가 낮아 상온, 혹은
칭중간 온도에 잔류 오스테나이트가 남게 된다. 이 잔류 오스테나이트는 경도저하와
내마모성을 약화시킬 뿐만 아니라 불안정한 팽창으로 인한 치수변화를 일으켜 균열의
원인이 된다. 이와 같은 경우 심랭처리를 해줌으로써 바람직한 마텐자이트 변태를
얻을 수 있다. 적정한 처리온도를 얻기 위해 드라이아이스 (－62℃) ·액체질소
(－184℃) 등을 사용한다.
1.담금질(燒入; quenching)
아공석강(亞共析鋼)의 경우에 Ac3 변태점, 과공석강(過共析鋼)의 경우에 Ac1
변태점 이상으로 가열하여 austenite나 그와 혼합된 조직을 얻은 다음 서랭(冷)
하면 austenite에서 martensite를 거쳐 troostite, sorbite, pearlite의 순으로
조직이 변한다. 그러나 냉각 속도를 크게하면 그 중간 조직인 martensite,
troostite, sorbite 등에서 멈추게 할 수 있다. 냉각속도의 차에 따른 변화는 다음과
같다. 단, Ac는 가열 온도곡선상의 변태점, Ar는 냉각 온도곡선상의 변태점
austenite(A) → martensite(M) → troostite(T) → sorbite(S) → pearlite(P) 이고,
경도의 크기는 A < M > T > S > P 가 된다.
1) 온도:
담금질의 목적은 큰 경도를 얻는 데 있으며, 담금질 효과는 탄소량과 온도에 따라
다르므로 소정의 경도를 얻기 위해서는 그림과 같이 탄소량에 따라 적당한 온도를
정해야 한다. 온도가 너무 낮으면 담금질 효과가 적고, 너무 높으면 재질이 변하며,
보통 Ac321 변태점보다 20 ~ 30℃ 더 높은 온도에서 담금질한다.
2) 냉각속도:
담금질 효과는 냉각액(冷却液; coolant)에 따라 크게 다르다. 즉 냉각액의 비열,
열전도도, 점성, 휘발성과 그 온도에 따라 냉각속도가 다르다. 일반적으로 물이나
기름이 많이 사용되며, 물은 기름에 비하여 냉각속도는 크나 기름은 120℃ 정도에서도
담금질 효과에 변화가 적고, 물은 30℃ 이상만 되면 현저히 저하된다. 냉각능력이
적은 액체에는 유류(油類), 비눗물 등이 있고, 큰 것에는 염수, NaOH 용액, 황산 등이
있다. 냉각 작업에 있어 가열물을 액 중에서 흔들어 주어 물체에서 전도성이 불량한
증기를 털어 주는 것이 담금질 효과를 크게 한다.
3) 질량효과(質量效果; mass effect):
동일 조건하에서 담금질하여도 물체의 크기에 따라 냉각속도에 차가 있어 담금질
효과가 다르다. 그림은 C가 0.45%인 강의 경화능을 표시한 것으로서, 지름이 큰 것은
작은 것에 하여 냉각 효과가 적으며, 동일물체 내부의 냉각 효과는 외부에 비하여
낮고, 내외부의 차는 지름이 작을수록 줄어든다. 이와 같이 담금질 효과가 질량의
영향을 받는 것을 질량효과라 한다.
4) 담금질 균열(quenching crack):
담금질 균열에는 냉각액에 넣은 직후에 생기는 것과 담금질 후 얼마되지 않아
상온에서 발생하는 경우가 있는데, 전자에서는 외부의 급격한 냉각수축과 내부의
느린 냉각에 의한 pearlite의 팽창에 의하고, 후자의 경우에는 외부가 martensite로
변하여 팽창하기 때문이며, 원인이 전자와는 반대이다. 이러한 균열을 방지하기
위해서는 물체의 단면적, 두께의 변화가 있는 부분과 물체의 구멍이 있는 부분은
지나친 급랭(急冷) 피하는 것이 좋다.
2.뜨임((燒戾; tempering)
담금질된 강은 경도가 큰 데 반하여 취성(脆性; brittleness)을 수반하므로
사용 목적에 따라서는 부적당할 수가 있다. 즉 줄(file), 면도날 등은 담금질한
상태로 사용할 수 있으나, 인성(靭性)이 필요한 기계부품 등은 그대로 사용할 수
없어 경도를 다소 희생시키면서 인성을 부여할 필요가 있다. 이러한 목적으로
담금질한 물체를 A1변태점 이하의 온도로 가열하여 적당한 속도로 냉각하는
처리를 뜨임이라 한다.
담금질한 조직은 급랭에 의하여 변태가 저지된 것으로 기회만 있으면 안정된
상태로 돌아가려고 하기 때문에 가열하여 구속을 풀어 주면 그 정도에 따라
austenite, martensite, troostite, sorbite, pearlite 중 어느 조직으로 변한다.
γ 철의 원자배열에서 α 철의 원자배열로 변하는 중간배열을 α martensite라 하고,
α 철의 원자배열에서 cementite로 변하는 중간배열을 β martensite라 하며,
가열온도에 따라 강의 조직이 다음과 같이 변하므로 적당한 온도에서 적당한 냉각
속도로 냉각한다.
α martensite(100 ~ 150℃) → β martensite(250 ~ 350℃) → troostite
(550 ~ 650℃) → sorbite(700℃) → pearlite
뜨임은 연성과 인성을 얻는 것이 목적이나 경우에 따라서는 인성이 연성과 같이
증가하지 않고 인성이 저하하는데 이를 뜨임취성이라 한다.
뜨임온도 200℃ 부근까지는 인성이 증가하나 300~350℃에서는 저온뜨임취성이
있으며, 이런 현상은 C: 0.2~0.4%인 강에서 흔히 볼 수 있다.
500℃ 부근에서 뜨임할 때 인성이 시간의 경과에 따라 저하하는 뜨임 시효취성
(時效脆性) 이 있고, 550~650℃에서 서랭한 것의 취성이 물 및 기름에서 냉각한 것보다
크게 나타나는 뜨임 서랭취성이 있는데, 이것은 martensite에 용해된 탄화물이 가열하면
결정입자 사이에서 석출하기 때문이므로 급랭하면 이변화는 생기지 않는다.
뜨임작업에서 물체의 전부분을 뜨임하기 위해서는 유욕로(油浴爐; oil bath),
염욕로(鹽浴爐; salt bath) 및 연욕로(鉛浴爐; lead bath)를 사용하여 가열하는 것이 좋다.
공구날과 같이 국부적으로 뜨임을 필요로 할 때에는 경화를 요하는 부분만 급랭을 하고
꺼내면 나머지 부분의 열의 전도로 공구날이 뜨임된다.
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