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기술지식/재료금속열처리

열처리의 종류 및 설명

노구라 2017.02.28 09:14
열처리의 종류 및 설명

열처리 분류
열처리 종류
설               명
계단
열처리
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.
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 해야한다.    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.
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 일정 온도까지 일정 시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료가 연화된다.    이러한 목적을 위한 열처리 방법을 풀림이라 부른다. 풀림의 목적을 다음과 같이 정리할 수 있다
a) 단조나 주조의 기계 가공에서 발생한 내부 응력 제거
b) 열처리로 인해 경화된 재료의 연화
c) 가공이나 공작으로 경화된 재료의 연화
d) 금속 결정 입자의 미세화
불림
(Normalizing)
불림의 목적은 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조 등으로 인한 내부 응력을 제거하며 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다.    강을 불림 처리하면 취성이 저하되고 주강의 경우 주조 상태에 비해 연성이나 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선된다.   재료를 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 다음 일정 시간 유지시킨 후 공기 중에서 냉각시킨다.    이렇게 하여 미세하고 균일하게 표준화된 금속 조직을 얻을 수 있다
표면
경화 열처리
침탄법
침탄이란 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위해 다음과 같은 단계를 사용하는 방법이다.    탄소함유량이 0.2% 미만인 저탄소강이나 저탄소합금강을 침탄제 속에 파묻고 오스테나이트 범위로 가열한 다음, 그 표면에 탄소를 침입하고 확산시켜서 표면 층만을 고탄소 조직으로 만든다. 침탄 후 담금질하면 표면의 침탄층은 마텐자이트 조직으로 경화시켜도 중심부는 저탄소강 성질을 그대로 가지고 있어 이중 조직이 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 사용되는 침탄제에 따라 고체침탄과 액체침탄과 가스 침탄으로 나눈다.    특별히 액체 침탄의 경우, 질화도 동시에 어느 정도 이루어지기 때문에 침탄 질화법이라 부른다.
질화법
금속 재료 표면에 질소를 침투시켜서 매우 단단한 질소화합물(Fe2N) 층을 형성하는 표면경화법을 질화라 부른다.    이것은 담금질과 뜨임 등의 열처리 후 약 500℃로 장시간 가열한 후 질소를 침투시켜 경화시킨다.   침탄처럼 침탄 후 담금질이 필요 없으므로 다른 열처리 방법에 비해 변형이 매우 작으면 내마멸성과 내식성과 피로 강도 등이 우수하다.    그러나 다른 열처리에 비해 가격이 많이 든다.

질화법은 다음과 같은 특징이 있다.

a) 침탄에 비해 경화층이 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다.
b) 마모나 부식에 대한 저항력이 크다.
c) 담금질이 필요없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장 적다.
d) 600℃ 이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다.
고주파
표면경화법
.4 - 0.5%의 탄소를 함유한 고탄소강을 고주파를 사용하여 일정 온도로 가열한 후 담금질하여 뜨임하는 방법이다.   이 방법에 의하면 0.4% 전후의 구조용 탄소강으로도 합금강이 갖는 목적에 적용할 수 있는 재료를 얻을 수 있다.    표면 경화 깊이는 가열되어 오스테나이트 조직으로 변화되는 깊이로 결정되므로 가열 온도와 시간 등에 따라 다르다. 보통 열처리에 사용되는 가열 방법은 열에너지가 전도와 복사 형식으로 가열하는 물체에 도달하는 방식을 이용하고 있다.   그러나 고주파 가열법에서는 전자 에너지 형식으로 가공물에 전달되고, 전자 에너지가 가공물의 표면에 도달하면 유도 2차 전류가 발생한다.   이 때 가공물 표면에 와전류(eddy current)가 발생하여 표피효과(skin effect)가 된다.   2차 유도전류는 표면에 집중하여 흐르므로 표면경화에는 다음과 같은 장점이 나타난다.

a) 표면에 에너지가 집중하기 때문에 가열 시간을 단축할 수 있다.
b) 가공물의 응력을 최대한 억제할 수 있다.
c) 가열 시간이 짧으므로 산화나 탈탄 염려가 없다.
d) 값이 싸다.
항온
열처리
항온풀림
(Ausannealing)
S곡선의 코 또는 그 이상의 고온(600∼700℃)에 있어서 항온 처리를 하면 짧은 시간에 연화 풀림할 수 있다. 보통 풀림은 노중 냉각으로 작업시간이 매우 길었으나, 항온 풀림온도에서 항온 변태 완료시키고 공냉 또는 수냉시키므로 작업시간이 30분∼1시간에 마치므로 신속한 연화를 가져올 수 있다. 항온 풀림 열처리법은 공구강,특수강 기타 자경성이 강한 고속도강 등에 적용되고 있다.
오스템퍼링
(Austempering)
오스테나이트 항온 변태처리를 오스템퍼라 한다. 일명 하부 베이나이트 담금질이라고 부르기도 하는 이것은 오스테나이트 상태에서 Ar'와 Ar"의 중간 염욕에 담금질하여 강인한 하부 베이나이트로 만든다. Austepering열처리한 것은 뜨임 작업이 필요없으며, 인성이 풍부하고 담금질 균열이나 변형이 적고 연신성과 단면 수축, 충격치 등이 향상된 재료를 얻게 된다. 탄소강에 적합한 열처리를 100% 오스테나이트의 열욕을 통과하는 것이 중요하며 S곡선의 온도에서 유지시간이 크면 전부 베이나이트화하게 된다 오스템퍼 열처리 후 300∼400℃로 장시간 가열하면 시효가 생겨 강인성이 향상되는데 이를 뜨임 베이나이트라 한다.
마르퀜칭
(Marquenching)
오스테나이트 구역에서 Ms점 직상의 염욕에 담금질하여 강의 내외가 동일한 온도가 되도록 항온을 유지한 후 공냉하여 Ar"변태가 천천히 진행되도록 하면 담금질 균열이 작고 열에 의한 변형도 생기지 않는 이점이 있어 고탄소강, 특수강, 침탄강, 게이지강, 기어, 베어링강 등에 적용되고 있다. 이 방법은 물에서 담금질할 때보다는 경도가 다소 저하되고 있다.
마르템퍼링
(Martempering)
Ar"구역 중에서 Ms와 Mf점 사이에서 항온 처리를 행하는 것으로 열욕의 온도는 100∼200℃로 변태 완료시까지 등온 유지한 후 공기 중에서 냉각한다. 이러한 열처리로 오스테나이트의 일부는 마르텐사이트가 되고 일부는 베이나이트의 혼합조직이 된다. Bainite화로 경도는 감소없이 충격값이 향상되지만 등온 유지 시간이 긴 것이 결점이다.
기타
시간 담금질 
(Time Quenching)
담금질 온도로부터 물이나 기름 중에 넣어 급냉과 서냉의 속도 변화를 주면서 냉각하는 것을 시간 다금질이라 한다. 즉 1차에서 수냉에 의한 급냉의 온도가 300∼400℃가 되면 인상하여 2차로 유냉 또는 공냉으로 서냉시키므로써 두께 변화가 심한 탄소공구강 등에 표면과 내부의 온도가 균일하여지도록 시간적 차를 두어 접근되도록 한다. 이 때 침적시간이 너무 짧으면 풀림현상이 일어나고 침적시간이 길면 내부응력이 커져서 균열을 파생시킬 우려가 있으므로 적절한 인상시기를 택하여 1차에서 2차로 옮겨 주어야 한다. 시간 담금질의 주의점으로는 강재의 질량에 따라 1단 급냉시 외부와 내면의 온도차가 생겨 내부 보유열을 받아서 단면의 경도차가 생긴다. 즉, 외면에는 자기 뜨임의 뜨임 마르텐사이트 중간에는 담금 마르텐사이트와
내부에는 펄라이트 조직으로 단면의 경도는 중심선에 대칭으로 표면 가까이에 경도의 극대점이 생기게 된다.
파텐팅
(Partenting)
파텐팅은 오스템퍼 열처리 온도의 상한에서 미세한 Sorbite조직을 얻기 위하여 행하며 오스테나이트 가열온도로부터 500∼550℃의 용융납(Pb)의 욕중에서 항온 유지시킨 후 공냉시키는 방법으로 강선제조, 와이어 로프, 피아노 선재, 저울의 스프링 등의 열처리에 적용하고 있다.
베이나이트 열처리
(Bainite Treatment)
고속도강에 베이나이트 조직을 생성시켜 강하고 부드러운 성질을 부여하기 위하여 열처리하는 것을 말한다. 고속도강을 베이나이트 변태 범위의 열욕 담금질하여 1차 베이나이트와 1차 마르텐사이트에 잔류 오스테나이트가 혼합되도록 한다. 베이나이트 처리는 다음의 세가지 방법이 있다. 베이나이트 담금질과 보통 뜨임, 보통 담금질과 베이나이트 뜨임 그리고 베이나이트 담금질과 베이나이트 뜨임의 3가지 방법인데 어느 것이나 경하고 취성이 있는 조직이 얻어지므로 반드시 뜨임을 행하여야 한다.
심냉처리
(Sub-zero Treatment)
소입한 강은 마르텐사이트 중에 10∼30%정도의 잔류 오스테나이트가 존재하고 있어 경도저하 및 시효 균열과 변형의 원인이 되어 치수 불안정의 원인이 되므로 심냉 처리한다. 심냉 처리란 담금질 처리시 잔류하는 오스테나이트를 완전 마르텐사이트로 변태시키기 위하여 영하의 온도에서 처리하는 것을 말한다. 잔류 오스테나이트가 재료의 내부에 존재할 때에는 재료의 경화현상이 작아지고 시효변형, 즉 치수변형이 일어난다. 또한 오스테나이트는 비자성이므로 흡자력이 약하게 된다. 그러므로 심냉 처리에 의하여 경도를 향상시키고 시효변형 및 치수의 안정 등을 가져올 수 있게 된다. 잔류 오스테나이트를 완전 마르텐사이트화하기 위하여서는 0℃이하에서 냉각시켜야 된다. 심랭 처리를 하였을 때 나타나는 효과로는 자연균열을 방지할 수 있으며, 경도와 인성에 효과적이고 경년 변형에 대한 우수한 성질을 나타낸다.



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