#1.금속의 열처리 Masier Crollsmun Preckius Makil Processing

금속의 열처리 Masier Crollsmun Preckius Makil Processing

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1. 열처리(Heat Treatment) 

 

   금속재료를 적당한 어느 온도까지 가열한 후 냉각 속도를 변화시키면 조직의 변화가 
   일어난다. 이러한 조직의 변화는 기계적 성질의 변화를 수반하게 된다. 열처리는 재료에 
   가열, 유지, 냉각 등의 열 조작을 하여 기계적 성질과 물리적 성질을 개선하는 작업을 말
   한다. 열처리의 종류에는 크게 재료의 경화, 재료의 연화성 및 인성 부여, 응력제거, 변형
   제거 등을 위한 담금질, 풀림, 뜨임 등이 있고 이 틀을 기본으로 하여 여러가지 열처리 
   방법으로 분류된다. 열처리의 근본 목적은 열처리를 해야 하는 부품이나 공구 또는 금형
   의 내구성을 향상하기 위한 것이며 특히 특수목적으로 사용되는 합금강의 경우에는 대단
   히 중요하다. 

  열처리의 목적은 다음과 같다. 

 · 경도 및 강도 또는 인장력을 증가시키기 위해서 
 · 조직을 미세화하여 편석을 제거하기 위해서
 · 조직을 안정화하기 위해서
 · 표면을 경화시키기 위해서 
 · 조직을 연한 것으로 변화시켜 기계가공을 쉽게 하기 위해서 
 · 자성을 향상하기 위해서

 

2. 풀림(Annealing)

 

   불균일한 조직을 균일화시키고 연화시켜 내부응력의 제거로 인성을 증가시키고 다른 불
   순물의 방출 또는 확산을 일으키게 한다. 풀림의 종류에는 완전 풀림, 연화 풀림, 구상화 
   풀림, 항온풀림이 있는데 일반적으로 완전 풀림을 말하며, 연화 풀림은 탄소강과 고속도
   강을 650~800℃로 가열하여 기계 가공할 수 있을 정도의 연화를 목적으로 하는 수중 풀
   림과 450~600℃로 담금질에 의한 변형을 줄이기 위한 전처리에 이용하는 공랭풀림이 있
   다. 구상화 풀림은 고탄소강인 공구강 등의 기계적 성질을 개선 증가시키고 담금질 후 인
   성을 증가시켜 크랙(Crack)을 방지할 목적으로 망상(網狀) 시멘타이트의 구상화로 실시된
   다. 항온풀림은 공랭 또는 수랭을 하는데 풀림시간이 절약되고 순환적인 작업을 하기 때
   문에 연속처리가 가능하고 공구강이나 자경 성(Self-Hardening) 특수강을 연화 풀림 처리
   하는 데 적합하다.

3. 담금질(Quenching)

  강은 임계온도 이상의 상태로부터 물 또는 기름과 같은 냉각제 속에 넣어 급랭시켜서 경
  화(硬化)시키는 조직을 말하며, 이때의 조직은 마텐자이트(탄소강을 수중 냉각시켰을 때 
  나타나는 침상(針狀)조직이며 경도 및 강도가 크다) 조직이 된다. 담금질에서 중요한 것은
  가열온도, 시간 및 냉각제인데 담금질온도가 너무 높으면 탄탄, 산화가 일어나며 오스테
  나이트의 때문에 절삭성 이 나쁘다)의 결정립이 성장하여 마텐자이트 조직은 조대(組大)
  하여져 담금질 된 제품의 기계적 성질이 떨어지기 때문에 온도와 시간은 매우 중요하다. 
  담금질 작업은 강을 오스테나이트화 온도로부터 급속히 냉각하여 원하는 미세구조의 마
  텐자이트 조직을 얻는데 그 목적이 있다 할 수 있다. 또한 냉각제의 종류에 따라 냉각 속
  도가 달라지고 담금질효과에 영향을 준다. 물은 40℃ 이상이 되면 냉각 능력이 떨어지고 
  기름은 60~80℃에서 냉각능력이 가장 좋다. 담금질에 의한 팽창순서는 마텐자이트 > 
  트후사이트 > 소바이트 > 펄라이트 > 오스테나이트이다. 강재는 급랭으로 체적이 급격히 
  팽창하고 외부와 내부의 냉각 속도 차이로 응력이 발생하여 균열이 생기고 파괴되기도 

  한다.

 
4. 뜨임(Tempering)

 

 강은 담금질만 하게 되면 경도가 대단히 높고 내부응력이 발생하며 메짐성을 갖게 된다. 
 그러므로 적당히 불안정한 조직을 안정화하여 기계적 성질을 개선하는 것, 즉 내부응력에 
 의거, 인성 부여, 연화, 강인성 등을 얻기 위한 열처리를 뜨임이라 한다. 뜨임 작업은 적당
 한 온도로 가열 유지하여 대개 공랭을 하는데 열처리에 의하여 강화된 조직이 재구성되어
 열처리 및 가공 경화가 풀리지 않는 재결정 온도 이하에서 행하고 재결정 온도 이상으로 
 가열 유지하면 담금질 이전상태로 되돌아가게 된다. 뜨임 온도가 상승하면 경도와 강도는 
 저하하지만 인성은 증가하고 탄성한도도 높아진다.

5. 불림

 

 금속조직의 불순물의 편석 등 불균일한 조직과 급랭에 의한 결정립의 조 대화를 정상적으로 

 변화시켜 주는 것이다. 불림의 목적은 다음과 같다. 

 

 

   · 응고 속도 또는 가공도의 차이에 따라 불균일한 조직의 국부적인 차이를 해소하고 내부

     응력을 제거하여 균일한 상태로 변화시킨다. 

   · 저탄소강의 기계가공을 개선하여 절삭성을 향상하고 결정 입자의 조정 및 변형을 방지한다. 

   · 결점을 보완하기 위해 열처리로 기계적 성질을 개선하기 어려운 주조나 단조품의 변화에

     목적이 있다.

 

 6. 표면 경화법(Surface Hardening)

 

  금속의 표면에 경도(硬度)를 부여하고 내부에 연성(延性)과 인성(靭性)을 주는 열처리의 한 
  방법으로 표면경화라 한다. 표면 경화법에는 물리적 방법과 화학적 방법이 있는데 전자는 
  열처리에 의한 표면경화이고, 후자는 금속의 내부 확산으로 인한 것으로 적절한 경화법을 
  조건에 맞게 잘 선택해야 한다. 물리적 방법에는 고주파경화법과 화염 경화법이 있고 화학
  적 방법에는 침탄법(고체 침탄법, 가스 침탄법), 청화법, 질화법이 있다.

▫ 고체 침탄법(Solid Packed Carburizing)

  침탄 처리할 재료와 침탄제(浸炭劑), 침탄 촉진제 또는 완화제(규사, 실리카계, 알루미나, 페로실리콘 등)를 밀폐된

  철제 용기 속에 넣고 노(爐)에서 가열하는 방법이다. 침탄 작업 은강을 900~950℃ 전후의 온도로 장시간 침탄시키기

  때문에 재료의 조직은 조대화(粗 大化)되는 경향이 있어서 침탄 후 다시 담금질하여 조직을 미세화(微細化)하고 다시          표면층을 경화하기 위한 담금질을 한다.

▫화염침탄법(Flame Hardening)

  화염 경화는 경화시키고자 하는 재료를 산소-아세틸렌가스를 열원으로 하여 공작물 표면을 강의 임계온도 범위까지

  가열하여 물이나 분사 수로 담금질하는 것으로 공작물의 형상, 토치의 이동속도 등에 따라 가열시간이 결정된다.

  작업이 비교적 간단해 대형구조의 일부분에도 적용할 수 있는 장점이 있다.

 

▫고주파경화법 (Induction Hardening)

 원리는 화염 경화법과 같아, 열원을 유도자(Induction Coil)를 가열해 고주파열을 이용해서 표면층만 경화시킨다.

 이 방법은 경화 깊이의 조절과 국부 담금질의 조절이 용이한 데, 가열물의 크기가 커지고 두께가 증가하면 저주파를

 사용한다. 특징은 직접 가열하여 열효율이 높으며 국부적 담금질이 가능하고 처리시간 단축, 담금질 재료의

 피로강도가 우수하다.

▫가스침탄법(Gas Carburizing)

 침탄 제가 프로판가스(C3Hg) 또는 부탄가스(C,H10) 같은 가스이고 공기를 적당량 혼합하여 침탄로에서 적당한

 침탄성 가스 분위기를 만들어주어 일정한 온도에서 침탄이 진행하게 된다. 침탄층 깊이를 증가시키는 첨가 원소는

 Cu, Mn. Ni, Cr. Mo 등이며 감소 시 키는 원소는 Si, Al, Ti 등이 있다.

 

▫ 청화법(Cyanidin)

 청화법은 액체탄소 질화법이라고도 하며, 강철을 CN 화합물을 주성분으로 하는 액중(液中)에 침지시기는 방법으로

 재질을 경화시킨다. 침탄 제로서 NaCN, KCN. K Fe 등이 있고 촉진제로 K2 CO 3, NaCl, KCI 등이 있다. 
 침탄로는 침탄에와 촉진제가 혼합된 액체 상태의 침탄분 위기 중에서 침탄 질화가 이루어지는데 NAN은 고온으로

 가열되어 청산염(NaCNO)으로 변화하고 다시 분해하여 CO와 N으로 된다. 이때 CO와 N이 Fe와 반응하여 침탄 질화

 작용하게 된다. 

▫질화법(Nitriding) 

 다른 표면 경화법과는 달리 변태점 이하의 온도에서 처리되는데 질소와 친화력이 강한 Al, Cr, Mo. Ti 등 2종 이상의 

 원소를 함유하는 질화강을 질 화성 가스와 엽욕 중에서 가열하여 표면에 질소를 확산 침투시켜 경화시키는 방법이다.

 알루미늄은 질화 경도를 현저히 중과시키고 크롬은 질화 층 깊이를 중가, 그리고 몰리브덴은 처리시간이 길어져도

 강재가 취약하지 않게 한다. 질화처리 강의 특징은 경화층의 깊이는 낮으나 침탄보다 크고 마모와 부식 저항이 크며

 변태점보다 상당히 낮은 온도에서 처리되기 때문에 변형이 없다. 그리고 낮은 온도에서 작업 되지만 경도가 저하되지

 않고 산화 현상도 거의 일어나지 않는다.