1. 금속 열처리의 정의
금속 열처리란 금속의 성질을 개선하는 것이 목적으로서 가열과 냉각을 적절히 조절하여 행하는
기술 이라고 정의할 수 있다.
금속 재료의 내부 조직을 변화시켜서 그 재료로 만들어진 부품 또는 공구를 사용할 때 요구되는
유용한 성질(내충격성, 내마모성, 사용수명연장 등)을 얻기 위해서 행하는 가열 및 냉각 과정으로
제조 공정의 중간 또는 최종단계에서 이루어지고 있다.
2 금속 열처리의 목적
2-1) 기계적 성질 개선
기계적 성질에는 경도, 전연성, 강도, 인성등을 들 수 있는데 열처리에 의해 이러한 성질에 변화를 주어
사용목적에 적합하도록 개선하는 것이 가능하다.
2-2) 기계 가공성 향상
절삭성, 절단성을 포함하는 말로서 기계가공 능력을 생각할 대 중요한 성질이다.
2-3) 화학적, 물리적 성질 개선
열처리에 의해 화학적인 성질을 개선하는 대표적인 것으로 응력 부식으로서 알려진 부식현상 방지로
이용되는 응력제거 어닐링이 있다.
그리고 물리적인 성질에 변화를 미치는 것으로 전기저항, 밀도, 자석 등을 들 수 있다.
열처리는 옛날 대장장이들이 새빨갛게 열이 오른 철을 망치로 두드리고 차가운 물에 담가 급격히
냉각을 시키면 철이 단단해지는 것과 같은 원리이다.
열처리를 하지 않고 제작된 금형으로 부품을 생산하면 쉽게 손상이 되지만, 열처리 과정을 거치면 내구성이
향상된 품질 좋은 금형이 만들어지며 오래 사용할 수 있다.
3. 금속 열처리의 종류 및 방법
3-1) 일반 열처리
금속재료 및 기계부품의 가공 시 발생된 취성을 개선하기 위하여 가열, 냉각하는 열처리기술로서
가열온도, 유지시간 냉각속도의 차에 따라 아래와 같이 분류한다.
(1) 담금질(퀜칭 Quenching)(소입)
담금질은 금속의 경도와 강도를 높이기 위한 작업으로서 금속을 높은 온도로 가열하여(오스테나이트화 온도)
일정 시간 유지한 후에 물이나 기름 중에 급랭하여 도중의 변태를 방지하는 작업이다.
(2) 뜨임(템퍼링 Tempering)(소려)
담금질로 인해 굉장히 경도가 높아지는 반면 잘 깨지는 취성이 있으므로 담금질한 강을 재차 가열
하였다가 공기 중에 식히는 작업이다.
뜨임은 변태점(723℃) 이하의 낮은 온도로 가열한 후 냉각시키는 열처리로 어느 정도 경도는
낮아지지만 조직을 무르게 하고 안정시켜 내부응력 제거 및 인성을 부여한다.
▶ 뜨임(템퍼링)은 항상 담금질(퀜칭) 후에 하는 열처리이다.
담금질과 뜨임은 항상 붙어 다니기 때문에 담금질(퀜칭) 영문 이니셜 Q 와 뜨임(템퍼링)의 영문이니셜 T를
같이 엮어서 Q.T라 부른다.
① 보통 뜨임
가장 대표적인 뜨임으로 강철에 주로 실시한다. 인성과 연성을 향상하며 외부 크렉의 발생을 억제해 준다.
② 반복 뜨임
고합금강, 고속도강에서 주로 실시하며, 보통 뜨임을 반복해서 실시하는 것을 말한다.
③ 점성 뜨임
저온 뜨임 일종으로 100~200℃에서 수냉하며, 경도 감소 없이 점성과 내마모성을 향상한다.
④ 스프링 뜨임
스프링 같이 강인한 탄성을 주기 위해 400~500℃에서 뜨임 하면 담금질한 것보다 더욱 경화되어
절삭성과 내마모성이 향상된다.
⑤ 프레스 템퍼
뜨임시 가열과 동시에 압력을 주어 체적 증가를 방지하는 뜨임으로써 일반적으로 잘 사용하지 않는다.
(3) 불림(노멀라이징 Normalizing)(소준)
강을 오스테나이트 구역까지 가열 후 공냉(강제 송풍 냉각)하여 표준상태로 만들기 위한 열처리 조작을 말한다.
(4) 풀림(어닐링 Annealing)(소둔)
금속을 가열하여 가열한 작업로 내에서 그대로 냉각시키는 방법이며, 서서히 냉각하게 되면
금속의 결정도 서서히 냉각되어 결정들이 성장할 시간이 충분하다.
내부 응력의 제거를 위하여 적당한 온도로 가열한 후 천천히 냉각시키는 조작을 말한다.
가공을 쉽게 하기 위한 풀림(연화 풀림), 응력을 제거하기 위한 풀림(응력 제거 풀림), 완전풀림 등이 있다.
▶주조, 단조, 압연 등의 가공, 용접 및 열처리에 의해 발생된 응력을 제거하는 것으로 주로
450~600℃정도에서 시행하므로 저온풀림 이라고도 한다.
3-2) 특수 열처리
금속부품의 전체 또는 특정 부분을 가열, 냉각 또는 특수 원소를 첨가하여 내마모성, 내충격성 등을
향상하기 위한 열처리 기술로서 가열 방법, 사용재료(처리약품)등에 따라 다음과 같이 분류한다.
(1) 부분 가열 표면경화 열처리
① 고주파 표면경화(Induction surface hardening)
고주파 유도가열의 방법을 이용하여 피 가열 물의 일부분을 선택적으로 표면만 경화시키는
방법으로 재질의 특성에 맞는 소입 온도까지 가열하고 물이나 기름으로 급속 냉각함으로써
기계구조 부품의 표면을 경화시켜 내마모성 및 기계적 성질을 향상하는 것이다.
원리는 가열용 코일에 고주파 전류를 흘리면 자계가 발생하고, 피 가열 물(강재)의 표면에서
이 자계를 상쇄하는 방향으로 전류가 흐르며, 강재의 소용돌이 전류와 강재의 전기 저항에서
발생하는 열 때문에 발열을 하게 되는데 강재의 표면은 가열용 코일과 떨어져 있음에도
가열이 되는 것이다.
▶ 소용돌이 전류의 침투 깊이는 주파수가 높을수록 얕아지며, 주파수가 낮을수록 깊어집니다.
② 화염 표면경화(Flame surface hardening)
대형 구조물 용접 부분 표면경화를 위한 간이 열처리로
가스 열을 사용하여 탄소강(0.4% C)이나 합금강의 표면만을 가열 후 물로 급랭하는 방식이다.
③ 레이저 표면경화(Laser surface hardening)
부품 중 마모가 심한 부위 등 필요 부분만의 표면 경화 방법이다.
레이저 경화에서 강철 또는 주철로 제조된 탄소 함유 소재의 표면층은 녹는점 바로 아래, 일반적으로
약 900℃에서 1400℃까지 가열한다. 목표 온도에 도달하면 레이저빔은 이송 방향을 따라 연속적으로
표면을 가열하면서 움직이며, 주변 소재가 뜨거운 층을 빠른 속도록 냉각시킨다. 이를 자기 억제라고 하며,
빠른 냉각 속도로 인해 금속 격자가 본래의 형태로 돌아오지 않고 마르텐사이트를 생성한다.
이과정에 경도가 확연히 올라가게 되며, 일반적으로 경화 깊이는 0.1~1.5mm, 일부 소재는 2.5mm 이상
경화층이 생성된다.
④ 전자빔 표면경화(Laser surface hardening)
가속된 전자빔이 강의 표면에 직접 충돌하여 변태 온도 이상으로 급속히 가열한 다음 자기퀜칭에 의해
표면층을 경화하는 처리 방법이다.
(2) 전체 가열 표면경화 열처리
① 침탄(Carburizing)
0.1~0.2%의 탄소를 함유하는 연한 강철의 표면에 탄소를 침투시켜 표면을 고탄소강으로 만들고,
이것을 담금질하면 표면만 경화된 강철이 된다.
▶고체 침탄, 염욕 침탄, 가스 침탄, 플라스마 침탄, 진공침탄 등이 있다.
② 질화(Nitriding)
질소의 침투에 의한 표면경화 방법이다.
▶가스 질화 : 질소는 고온에서 철 또는 강철에 작용하여 질화 철을 형성한다. 이 질화물은 경도가 크고
내식성이 크다. 그러나 표면에만 작용시키면 마멸 저항 및 경도가 큰 재질이 된다.
철 또는 강철 제품을 500~550℃의 암모니아 가스 중에서 장시간 가열하면 질소를 흡수하여 Fe4N, Fe2N 등의
질화물이 형성된다. 이것이 확산되어 굳은 표피가 생긴다.
③ 침붕(Boriding)
④ 탄질 화물 침투법
(3) 내부 경화 열처리
① 조질 처리, Q.T처리
담금질 후 약 400℃이상의 온도에서 재차 뜨임을 하여 소르바이트 조직을 만드는 열처리 작업
② 진공 열처리
금속을 대기 중에서 가열하면 표면온도가 높아짐에 따라서 산화와 탈산이 발생하면서 재료의
성질이 저하되는 현상이 나타난다. 이러한 현상을 개선하기 위해 산소 분포가 매우 낮은 노하의
진공상태에서 열처리를 시행한다.
진공로 안에서 열처리가 되므로 표면 산화를 방지할 수 있어 표면 광휘도를 얻어야 하는 부품류에도
많이 사용한다. 주로 질소 가스를 사용하여 내부를 냉각하는 시스템이다.
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