열처리의 종류와 방법

오늘은 열처리에 대해 설명을 하고자 한다!! 열처리는 사실 안전과 크게 밀접하게 관련이 없고 실무를 볼 때 큰 관심분야가 아니였다. 하지만 철강업종 <포스코> <고려아연> <현대제철> 및 자동차 제조업에서는 알아두면 나쁠것이 없고 전부를 알지는 못해도 특히 많이 사용하는 부분을 알아서 업무에 참조하면 좋을 것 같아서 기록해봤다. 

 

 

 

Ⅰ.열처리란

 

열처리란 금속재료(주로철강재료)에 요구하는 기계적, 물리적 성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술이며 크게는 단단하게 만들어 기계적, 물리적 성능를 향상시키는 기술과 재료를 무르게 하여 가공성을 개선시키는 기술로 대변할 수 있다.

 철강 재료는 같은 성분이라도 열처리 방법에 따라 조직이 크게 달라질 수 있다.따라서 열처리를 알맞게 하면 필요에 따라 철강 재료의 기계적 성질과 그 밖의 성질을 변화시켜 사용 용도에 따라 효과적으로 이용할 수 있다. 열처리는 이와 같이 재료에 특별한 성질을 부여하는 것이라 정의할 수 있다. 열처리기술은 금속재료, 기계부품, 금형공구의 기계적 성질을 변화시키기 위하여 가열과 냉각을 반복함으로써 특별히 유용한 성질(내마성, 내충격성, 사용수명연장등)을 부여하는 기술로서 제조 공정의 중간 또는 최종단계에서 이루어지고 있다.

 

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Ⅱ.열처리의 종류

 

열처리의 종류는 크게 ⑴계단열처리 ⑵ 표면경화 열처리 ⑶전체 경화열처리 ⑷ 연화열처리로 구분할 수 있다.

 

⑴계단열처리

 

➀ 담금질(Quenching)

강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤 마텐자이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시키는 열처리 방법이다. 담금질은 강의 경도와 강도를 증가시키기 위한 것이다. 강의 담금질 온도가 너무 높으면 강의 오스테나이트 결정 입자가 성장하여 담금질후에도 기계적 성질이 나빠지고 균열이나 변형이 일어나기 쉽다. 따라서 담금질 온도에 주의해야 한다.

담금질은 강을 강하게 하거나 경도를 높이기 위해 어느 일정한 온도까지 가열한 후 물(수냉) 또는 기름(유냉) 등에 담구어 급행시키는 조작이다. 즉, A1 또는 A3 변태점 이상으로 가열한 오스테나이트 상태의 강을 물이나 기름 속에서 냉각시키면 A1 변태점 부근에서 급랭되어 변태가 완료되는데 이에 필요한 충분한 시간이 없어 변태의 진행이 전부 또는 대부분 방해되어 상온에서 오스테나이트와 펄라이트의 중간조직인 마텐자이트, 트루스타이트, 소르바이트 등의 단단한 담금질 조직을 얻게 된다. 담금질 조직은 냉각속도에 따라 마텐자이트<트루스타이트<소르바이트<펄라이트 로 변한다.

 

➁ 뜨임(Tempering)

담금질한 강은 경도가 증가된 반면 취성을 가지게 되고 표면에 잔류 응력이 남아 있으면 불안정하여 파괴되기 쉽다. 따라서 적당한 인성을 재료에 부여하기 위해 담금질 후에 반드시 뜨임 처리를 해야 한다. 즉 담금질 한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류 응력을 감소시켜 필요로 하는 성질과 상태를 얻기 위한 것이 뜨임의 목적이다. 담금질한 강을 적당한 온도까지 가열하여 다시 냉각시킨다.

담금질만 실시한 강은 아주 경하고 취약하여 기계재료로 그대로 사용할 수가 없다. 뜨임은 열처리에 의하여 생긴 결점을 제거하고 강인한 성질로 개선시키기 위하여 담금질하여 경화된 강재를 일정한 온도로 재가열하여 경도는 다소 낮추더라도 인성(toughtness)을 높여주기 위한 열처리 조작이다. 담금질한 강은 반드시 뜨임을 실시한 후 사용한다. 담금질 후 뜨임처리를 하는 것을 조질처리라고 부른다.

 

➂ 풀림(Annealing)

일반적으로 풀림이라 하면 완전 풀림(Full annealing)을 말한다. 주조나 고온에서 오랜 시간 단련된 금속재료는 오스테나이트 결정 입자가 커지고 기계적 성질이 나빠진다. 재료를 일정온도까지 일정시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부응력이 제거될 뿐만 아니라 재료가 연화된다.

풀림의 주목적은 응력 제거이며 풀림을 실시함으로써 열처리 부품에 대해서는 변형을 최소화 할 수 있다. 강은 어느 온도 이하에서 소성가공을 하면 가공경화가 되어 그 이상의 가공이 어렵게 되거나 절삭성이 나빠질 수 있다. 풀림은 이와 같은 상태를 제거하여 경화한 재료의 연화, 내부 변형의 제거, 절삭성의 개선, 조직의 개량등을 목적으로 실시하는 열처리 방법이다.

 

➃ 불림(Normalizing)

불림의 목적은 결정조직을 미세화하고 냉간가공이나 단조 등으로 인한 내부응력을 제거하며 결정조직이나 기계적 성질과 물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다. 강을 불림 처리하면 취성이 저하되고 주강의 경우 주조상태에 비해 연성이나 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선된다. 재료를 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 다음 일정시간 유지시킨 후 공기 중에서 냉각시킨다. 이렇게 하여 미세하고 균일하게 표준화된 금속 조직을얻을 수 있다. 압연, 단조, 주조 등의 공정으로 만들어진 금속 재료 내부에 내부응력을 제거하거나 결정 조직을 균일화시키는 조직이다.

강을 열간가공하거나 열처리를 할 대 필요 이상의 고온으로 가열하면 기계적 성질이 불량해진다. 이러한 재료를 그대로 담금질하면 변형이나 균열을 일으키기 쉬운데 이를 방지하고자 변태점 온도 이상의 적당한 온도로 가열하고 일정시간을 유지하면 균일한 오스테나이트 조직을 얻을 수가 있다. 그 다음 안정된 후 공기 중에서 냉각(공냉)시키면 미세하고 균일한 표준화된 조직을 얻을 수 있는 열처리 방법이다.

 

➄심냉처리 (서브제로 : subzero)

물 담금질 직후에 액체공기(액체질소, 액체산소)중에 담그는 조작을 말하며 0˚ 이라이므로 subzero라는 명칭이 붙은 것이다. 처리의 주요 목적은 잔류 오스테나이트의 마텐사이트화에 있다. 정밀도를 요하는 금형공구, 합금강, 게이지 등은 뜨임보다 서브제로 처리가 좋다. 담금질 직후 서브제로 처리 후 뜨임을 실시하면 치수변화가 있으면 안되는 공구나 게이지(gauge)등에 적합하다.

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⑵ 표면경화 열처리

 

➀ 침탄법

침탄이란 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위해 다음과 같은 단계를 사용하는 방법이다. 탄소함유량이 0.2% 미만인 저탄소강이나 저탄소 합금강을 침탄제 속에 파묻고오스테나이트 범위로 가열한 다음 그 표면에 탄소를 침입하고 확산시켜서 표면층만을고탄소 조직으로 만든다.

침탄 후 담금질하면 표면의 침탄층은 마텐자이트 조직으로 경화시켜도 중심부는 저탄소강 성질을 그대로 가지고 있어 이중조직이 된다. 표면이 단단하기 때문에 내마멸성을 가지게 되며 재료의 중심부는 저탄소강이기 때문에 인성을 가지게 된다. 이러한 성질 때문에 고부하가 걸리는 기어에는 대개 침탄 열처리를 사용한다. 침탄법은 침탄에 사용되는침탄 제에 따라 고체침탄과 액체침탄과 가스침탄으로 나눈다.

➁ 질화법

금속재료 표면에 질소를 침투시켜서 매우 단단한 질소화합물(Fe2N) 층을 형성하는 표면경화법을 질화라 부른다. 이것은 담금질과 뜨임 등의 열처리 후 약 500°C로 장시간 가열한 후 질소를 침투시켜 경화시킨다. 침탄처럼 침탄 후 담금질이 필요 없으므로 다른열처리 방법에 비해 변형이 매우 작으면 내마멸성과 내식성과 피로강도 등이 우수하다.

 

➂ 고주파 표면경화법

0.4~0.5%의 탄소를 함유한 고탄소강을 고주파를 사용하여 일정온도로 가열한 후 담금질하여 뜨임하는 방법이다. 이 방법에 의하면 0.4% 전,후의 구조용 탄소강으로도 합금강이갖는 목적에 적용할 수 있는 재료를 얻을 수 있다. 표면경화 깊이는 가열되어 오스테나이트 조직으로 변화되는 깊이로 결정되므로 가열온도와 시간 등에 따라 다르다.

보통 열처리에 사용되는 가열방법은 열에너지가 전도와 복사 형식으로 가열하는 물체에도달하는 방식을 이용하고 있다. 그러나 고주파 가열법에서는 전자에너지 형식으로 가공물에 전달되고 전자에너지가 가공물의 표면에 도달하면 유도 2차 전류가 발생한다. 이때 가공물 표면에 와전류 (Eddy Current)가 발생하여 표피효과(Skin effect)가 된다.

 

⑶전체 경화열처리

 

➀ 조질처리

담금질한 후 비교적 높은 온도로 뜨임하여 즉 담금질+고온뜨임하여 투루스타이트 또는 솔바이트 조직으로 하는 작업이다. 일반적으로 기계적 성질을 부여하고 후 열처리시 변형을 최소로 하기 위하여 기계가공 중에 실시한다.

일반적으로 주축이나 중요한 역활을 하는 부품을 위한 열처리 공정이며 강재 내부의 응력을 고르게 분포시키면서 강성을 부여한다. 어느 정도의 경도를 부여하므로 일종의 열처리로 볼 수 있으며, 내부까지 조질 경도가 투입되므로 강성을 줄 수 있으며 제품의 변형을 최소화시킨다. 기업마다 차이가 있는데 보통 Hr C25~32까지 사용한다. 금속을 고온으로 가열하여 감마기호(오스테나이트) 상태, 즉 철-탄소 평형 상태도의 Ac3점에서 30~50도로 가열하여 심부가 적정온도에 도달하였을 때 Quenching시켜 마르텐사이트 조직으로 경화시킨다.

퀜칭(Quenching)시 냉매의 종류에 따라 냉각속도가 달라지며, 냉각속도가 빠를수록 인장응력은 커져 crack의 발생 가능성은 높아진다. 템퍼링은 Quenching시 냉매의 종류, 냉매의 유속, 제품의 질량에 따라 냉각속도가 달라지며, 냉각속도가 빠를수록 응력(수축응력-인장응력)은 크게 작용하여 crack 발생 가능성은 더 높아진다. 템퍼링은 Quenching시 발생한 응력 제거와 인성, 연정을 주기 위해 AC1(A1변태점) 온도까지 재가열하여 마르텐사이트 조직을 소르바이트 조직으로 유도한 다음 냉각한다.

 

➁ QT처리(Quenching & Tempering)

담금질을 하게 되면 표면이 강해지는 반면 잘 깨지는 취약점을 가지고 있다. 그래서 담금질된 금속을 다시 살짝 가열하여(재결정온도까지) 이러한 취성과 잔류응력(금속조직이불규칙하게 냉각되어 한곳에 응집된 것)을 없애주는 방법이다.

 

➂ 진공열처리

금속의 제조 및 가공의 한 공법으로 열처리작업을 밀폐된 용기 내에서 어느 압력수준까지 공기를 배기시킨 상태에서 수행하는 것이다. 진공열처리는 복잡한 형상이나 막힌 공공 부품의 후미진 부분 등의 열처리를 행할 때 열처리 효과가 보통의 로에 비해 크다. 피처리물 표면의 산화반응을 방지할 수 있으며 표면에서 모재의 원소가 이탈되는 것을 방지(탈탄방지) 효과와 열처리도중 피어리물의 이동이 없어서 재료의 변형이 적고 안전 조업이 가능하다.

⑷ 연화열처리

 

➀ 확산풀림(Homegenizing)

일반적으로 응고된 주조조직에서 주형에 접한 부분은 합금 원소나 불순물이 극히 적고 주형 벽에 수직한 방향으로 응고가 진행됨에 따라 합금원소와 불순물이 많아지며 최후로 응고한 부분에 합금원소가 가장 많이 잔존하게 된다. 이와 같은 현상을 편석(Segregation)이라 한다. 강괴의 경우 편석은 1,300°C정도에서 수시간 동안 가열하는 균질화 처리와 그 다음의 열간가공에 의해서 어느 정도 균질화되지만 완전히 해소되지는 못한다. 따라서 이러한 상태의 주괴를 단조나 압연을 하면 편석된 것들이 가공방향으로 늘어나 섬유상 편석이 나타난다. 인(P), 몰리브덴(Mo) 등이 많이 함유된 강에서는 그 경 향이 더욱 두드러지게 나타난다. 이와 같은 주괴 편석이나 섬유상 편석을 없애고 강을 균질화시키기 위해서는 고온에서 장시간 가열하여 확산시킬 필요가 있다. 이와 같은 열 처리를 확산풀림 또는 균질화풀림이라고 한다. 가열온도는 합금의 종류나 편석 정도에 따라서 다르며，주괴편석 제거를 위해서는 1,200~1,300°C고 탄소강에서는 1,100〜 1,200°C, 단조나 압연재의 섬유상 편석을 제거하기 위해서는 900~1,200°C 범위에서 열처리하는 것이 적당하다.

 

 

 

➁ 구상화풀림(Spheroridzing)

펄라이트를 구성하는 층상시멘타이트나 또는 망상으로 나타나는 초석 시멘타이트가 그대로 존재하면 기계가공성이 나빠지고 특히 칭열처리시 균열이나 변형발생을 초래하기 쉬워진다. 즉, 소성가공이나 절삭가공을 쉽게 하기 위해서, 기계적 성질을 개선하기 위해서 또는 칭시 균열이 나 변형발생을 방지할 목적으로 탄화물을 구상화시키는 열처리를 구상화풀림이라고 한다. 이 구상화처리는 보통 제강회사에서 실시하는 것이 일반적이다.

이 처리는 특히 공구강에서는 매우 중요한 처리로서 칭의 전처리로서 탄화물을 필히 구 상화시킬 필요가 있다. 시멘타이트가 구상화되면 단단한 시멘타이트에 의하여 차단된 연 한 페라이트 조직이 상호 연속적으로 연결되고 특히 가열시간이 길어짐에 따라 구상시 멘타이트는 서로 응집하여 입자수가 적어지므로 페라이트의 연속성은 더욱 좋아진다. 따 라서 경도는 저하되고 소성가공이나 절삭가공이 용이해진다. 즉, 구상화풀림에 의해 과 공석 강은 절삭성이 향상되고 아공석강에서는 냉간단조성 등의 소성가공성이 좋아지게 되는 것이다.

 

➂응력제거풀림(Stress relieving)

단조, 주조, 기계가공 및 용접 등에 의해서 생긴 잔류응력을 제거시키기 위해서 A1점 이 하의 적당한 온도에서 가열하는 열처리를 응력제거풀림이라고 한다. 잔류응력이 남아 있는 금속 부품을 그대로 사용하면 시간이 경과함에 따라 차차 그 응력이 완화되어 치수나 모양이 변화될 경우가 있다. 또 기계가공으로 어느 한 부분을 제거하면 물체 내부의 응력이 평형을 유지할 수 없게 되어 새로운 응력 평형 상태로 변화되므로 변형이 나타나게 될 경우가 많다. 이와 같은 변형을 방지하기 위해서는 재료를 적당한 온도로 가열하여 잔류응력을 충분히 제거해 줄 필요가 있다. 통상 재결정온도 (450°C) 이상 A1 변태점 이하에서 행한다. 이 온도에서 두께 25mm당 1시간 유지하고 두께 25mm당 200°C/h로 서냉시킨다. 일반적으로 가열온도가 높아질수록 재료는 연해지고 잔류응력에 의해 소성변형이 일어나므로 응력이 완화 제거된다.

 

➃ 중간풀림(Process annealing)

냉각가공으로 경화한 강을 연화하고 이어서 행하는 냉각가공을 쉽게 할 목적으로 재결정온도이하 AC3점이하 적당한 온도로 행하는 풀림. 단강정의 제조공정 중 최종열처리에 1회 내지 수회로 나누어 행하는 풀림. 인터메디어트 어니얼링 (Intemediate annealing)라고도 한다.

 

➄연화풀림(Softening)

대부분의 금속 및 합금은 냉간가공을 하면 가공경화에 의하여 강도가 증가되고 취약해지기 때문에 어느 가공도 이상으로 가공할 수 없게 된다. 특히 강에서는 탄소량이 많을수록 가공경화도가 커진다. 이렇게 경화된 것을 절삭가공을 한다든지 또는 더 많은 냉간가공을 하고자 할 때에는 강을 일단 연화시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 적당한 온도로 가열하여 가공조직을 완전히 회복시키거나 재결정 및 결정립 성장을 시켜야 한다.

➅ 제2단풀림(Second stage annealing)

2단 흑연연화를 위한 풀림

 

➆등온풀림(Isothermal annealing)

철강을 AC3점(아공신동) 또는 AC1(과공신동)이상의 적당한 온도로 가열한 후 Ac3점 이 하의 비교적 급속히 퍼얼라이트 변태가 진행하는 오스테나이트를 페라이트와 탄화물로 변태시켜 비교적 단시간에 연화하는 풀림. 일명 사이클 어니얼링 이라고도 한다.

 

참조: 기계설비 안전