탄소강의 열처리

탄소강의 열처리

1.열처리의 종류/풀림 , annealing
충분히 확산할 수 있을 정도의 온도로 가열한 다음 서서히 냉각하는 처리.

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 평형상태로 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.

뜨임 , tempering
강철가공조작의 하나.

본문
강철을 담금질하면 경도는 커지나 메지기 쉬우므로 이를 적당한 온도로 재가열했다가 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.

뜨임시효 , tempering aging
금속재료의 여러 성질 중 어느 하나가 변화하여, 일반적으로 조건에 알맞은 방향으로 변화되어 가는 것.

본문
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 뜨임시효이다. 상온시효(常溫時效)도 상온이라는 온도로 가열해서 뜨임한 것이므로, 이런 뜻에서는 뜨임시효이지만, 일반적으로는 상온 이상의 온도로 인위적으로 가열하여 시효를 일으키는 것을 뜨임시효라고 하며, 이전에 인공시효(artificial aging)라고 한 것과 같은 뜻으로 사용하고 있다.

불림 , normalizing
강(鋼)을 표준상태로 만들기 위한 열처리.

본문
강을 단련한 후, 오스테나이트의 단상(單相)이 되는 온도범위에서 가열하여 대기 속에 방치하여 자연냉각(自然冷却) 한다.
이것의 목적은
① 주조 또는 과열 조직을 미세화하고,
② 냉간가공·단조 등에 의한 내부응력을 제거하며,
③ 결정조직, 기계적·물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다.


심랭처리 , 深冷處理 , sub-zero treatment
주로 철강재료의 특성향상을 위해 실시되는 열처리 방법.

본문
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.

♣ 열처리란?
가열(加熱)과 냉각(冷却)을 적절하게 조절하여 금속재료의 여러가지 성질을 변화 또는 개선시키는 기술
- 노말라이징, 어닐링, 퀜칭, TEMPERING 등

♣ 열처리의 목적
1. 기계적 성질의 개선
1) 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
2) 강 도 : 외력에 대한 저항의 대소(강한 정도)
- 인장강도, 압축강도, 피로강도, 굽힘강도, 고온강도 등
3) 전연성 : 금속이 파괴될 때까지의 영구 변형 능력(늘어나는 성질)
4) 인 성 : 충격에 견디는 성질 (질긴 정도)

2. 연 화 : 금속 및 합금의 회복

☞ 강(鋼) 이란?
금속은 크게 철과 비철로 나누어지고, 철은 함유된 탄소량에 따라 세분화된다.
철과 탄소의 합금 중 탄소량이 0.04-2.1(wt%) 정도인 것을 강이라 부르고, 그 이하는 ‘철’ 그 이상은 ‘주철’이라 한다. 따라서, 강에서 탄소는 상당히 중요한 원소이고,강중에서도 탄소량의 많고 적음에 의해 기계적 성질 이나 열처리에 미치는 영향이 매우 크다.

1) 연화어닐링
2) 구상화처리
3) 용체화처리

3. 기계가공성의 향상
1) 절삭성
2) 절단성

4. 크기변화의 안정화
1) 서브제로(SUB-ZERO)처리
2) 응력제거 어닐링

5. 화학적, 물리적 성질의 개선
1) 부식방지를 위한 응력제거 어닐링

♣ 열처리의 기본 조건
1) 체적변화가 일어나는 변태점이 존재한다
2) 냉간가공된 것(소성변형에 의한 가공경화)
3) 온도에 따라 탄소의 고용한도가 달라진다.

♣ 표면경화 열처리
제품의 적당한 표면부분만 강하게 하여 필요한 강도를 갖도록 하고, 내부는 부드럽고 질긴 성질을 유지하여 인성 등을 갖도록 하는 열처리
- 침탄, 침탄질화, 질화(연질화, 염욕질화 등), 고주파 外

1. 침 탄 (침탄 소입 소려)
강의 표면에 탄소를 침투시켜서 표면부의 원하는 깊이 만큼만 탄소량을 증가시키기 위하여 침탄제고체, 액체, 기체(GAS) 중에 적당한 온도로 적당한 시간 만큼 유지한 후에 냉각시키는 열처리 방법

1) 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
- 침탄질화제 : 액체(염욕) , 기체(GAS)
- 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

1) 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)

2) 열처리후의 경도
① 화합물층의 경도 : HV 700 이상 (소재에 따라 다름)
② 화합물층 직하의 부분부터는 경도가 현저히 저하됨

3) 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.

2) 열처리후의 경도
- 재질, 제품의 크기, 합금성분의 량, TEMPERING 온도 등에 따라 달라짐
- S45C의 소입경도 : HRC 54-56
SK류, SUJ2 등의 소입경도 : HRC 64-66

2. 열처리 활용
열처리를 하여 모양이 변하는 건 아닙니다. 단단하게 만들거나 연하게 만드는 것이 대부분이고 거의 대부분은 단단하게 그리고 강하게 하는 것입니다.


열처리 활용 예)

1) 담금질/뜨임
탄소량이 많은 주철은 열처리하지 않아도 단단합니다. 대신 깨지기가 쉽지요. 그러나 탄소량이 0.8% 내외의 공석강은 담금질하기 전과 후의 성질이 완전히 달라집니다. 따라서 담금질하기 전에 연한 상태에서 기계가공을 해서 원하는 모양을 만들고 이후에 열처리를 해서 사용하면 가공하기도 쉽고 사용할때는 오래 사용할수 있겠지요. 자동차의 구동부품으로 쓰이는 모양이 복잡한 기어와 같은 것은 단단한 것을 가공할려면 매우 어려울 것입니다. 담금질하기 전에 복잡한 모양의 기어를 가공하고 이후에 열처리하여 오래 사용할 수 있도록 합니다. 탄소량이 너무 적어도 열처리가 안되므로 보통 기어와 같은 것은 0.2% 내외의 탄소량을 갖는 재료를 사용하여 가공한 후에 침탄이라는 공정을 거쳐 탄소량을 0.8%내외로 확산시켜 담금질/뜨임(Q/T)을 합니다. 침탄은 표면으로부터 되므로 표면에서 가까운 부분만 단단하게 되고 내부는 연한 상태로 되므로 잘 닳지 않으면서도 잘 깨지지 않는 성질을 갖습니다.

2)용체화 처리
앞서 설명한 것처럼 연하게 하기위한 이유도 있지만 스테인리스와 같이 녹슬지 않도록 합금된 금속을 내식성이 더 향상될 수 있도록 용체화처리라는 것을 하기도 합니다.

3)석출경화
자동차의 알루미늄 휠과 같은 것은 알루미늄합금입니다. 순수알루미늄은 연하여서 바퀴로 사용할 수 없습니다. 알루미늄합금을 녹여서 금형 틀에 쇳물을 넣어서 휠을 만든 다음 고온으로 가열하여 급랭한 다음 일정 온도로 다시 가열 유지하면 합금성분이 석출되어 강하면서도 잘 깨지지 않는 상태로 됩니다.