강철 열처리는 강철을 고체 상태에서 가열, 유지, 냉각하여 내부 미세 구조를 변화시키고 원하는 특성을 얻는 공정입니다. 열처리는 주조 및 단조와 같은 부품 블랭크의 결함을 제거하고, 가공성, 성형성 등 강철의 공정 특성을 개선하며, 강철의 기계적 특성을 향상시킵니다. 열처리는 강철의 잠재력을 활용하여 생산 비용을 절감하고, 부품의 서비스 성능을 향상시키며, 제품 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.
I. 담금질
강철 담금질 은 강철을 아공석강의 경우 임계 온도 Ac3, 과공석강의 경우 임계 온도 Ac1 이상으로 가열한 후, 일정 시간 동안 유지하여 완전 또는 부분 오스테나이트화를 달성하고, 임계 냉각 속도보다 빠른 속도로 Ms 온도 이하까지 급속 냉각하거나 Ms 온도 근처에서 등온 유지하여 마르텐사이트 변태를 촉진하는 열처리 공정입니다.
담금질이라는 용어는 알루미늄 합금 , 구리 합금, 티타늄 합금과 같은 다른 재료의 급속 냉각을 수반하는 용체화 처리 또는 열처리를 지칭하는 데에도 일반적으로 사용됩니다 .
담금질의 목적
- 반제품 금속 제품 또는 부품의 기계적 특성을 향상시킵니다. 예를 들어, 공구 및 베어링의 경도와 내마모성을 높이고, 스프링의 탄성 한계를 개선하며, 샤프트 부품의 전반적인 기계적 특성을 향상시킵니다.
- 특정 특수강의 재료 또는 화학적 특성을 개선합니다. 예를 들어 스테인레스 스틸의 내식성 또는 자성강의 영구자성을 강화합니다.
담금질 냉각 시에는 적절한 담금질 매체를 선택하는 것 외에도 올바른 담금질 방법을 사용해야 합니다. 일반적인 담금질 방법으로는 단일욕 담금질, 이중욕 담금질, 마퀜칭, 오스템퍼링, 국부 담금질이 있습니다.
담금질 후 강의 특성
- 마르텐사이트, 베이나이트, 잔류 오스테나이트와 같은 불안정하거나 비평형 미세구조가 형성됩니다.
- 높은 내부응력이나 잔류응력이 존재합니다.
- 결과적으로 발생하는 기계적 성질은 일반적으로 사용하기에 적합하지 않습니다. 따라서 강철 가공물은 일반적으로 담금질 후 후속 템퍼링이 필요합니다.
II. 템퍼링
템퍼링은 담금질된 금속 제품이나 부품을 특정 온도로 가열하고 일정 시간 동안 유지한 다음 제어된 속도로 냉각하는 열처리 공정입니다. 템퍼링은 담금질 직후에 수행되며 일반적으로 열처리의 마지막 단계입니다. 담금질과 템퍼링을 결합한 공정을 최종 처리 또는 담금질-템퍼링 공정이라고도 합니다.
템퍼링의 목적
- 내부 응력을 줄이고 취성을 낮춥니다. 담금질된 부품은 높은 응력과 취성을 가지며, 적절한 템퍼링이 없으면 변형되거나 심지어 균열이 발생하기 쉽습니다.
- 가공물의 기계적 성질을 조정합니다. 담금질 후 부품은 높은 경도와 높은 취성을 갖습니다. 뜨임은 다양한 부품의 다양한 성능 요건을 충족하도록 경도, 강도, 연성(가소성), 인성의 조합을 조정하는 데 사용됩니다.
- 가공물의 치수를 안정화합니다. 템퍼링은 미세구조의 안정화를 촉진하여 후속 사용 시 치수 변화가 발생하지 않도록 합니다.
- 특정 합금강의 가공성을 향상시킵니다.
- 미세구조적 안정성을 강화하여 작업물의 수명 동안 미세구조적 변화를 방지하고 안정적인 형상과 성능을 유지합니다.
- 내부 응력을 제거하여 서비스 성능을 개선하고 부품의 형상을 안정화합니다.
- 서비스 요구 사항을 충족시키기 위해 강철의 기계적 특성을 조정합니다.
이러한 효과는 고온에서 원자 이동성이 증가하여 철, 탄소 및 기타 합금 원소의 원자가 더 빠르게 확산되기 때문에 발생합니다. 이는 원자의 재배열과 재결합을 촉진하여 불안정하고 비평형 상태였던 미세 구조를 점차 안정적이고 평형 상태의 미세 구조로 변화시킵니다. 내부 응력의 제거는 고온에서 금속의 강도 감소와도 관련이 있습니다.
일반적으로 강의 템퍼링은 경도와 강도를 감소시키고 연성을 증가시킵니다. 템퍼링 온도가 높을수록 이러한 기계적 성질의 변화는 더 커집니다. 그러나 일부 고합금강은 특정 온도 범위에서 템퍼링하면 미세 금속 화합물이 석출되어 강도와 경도가 증가합니다. 이러한 현상을 2차 경화라고 합니다.
강화 요구 사항: 다양한 용도로 사용되는 작업물은 서비스 요구 사항을 충족시키기 위해 서로 다른 온도에서 강화해야 합니다.
- 저온 템퍼링(150~250°C): 공구, 베어링, 침탄 및 담금질 부품, 표면 경화 부품에 사용됩니다. 저온 템퍼링은 경도 변화를 최소화하고 내부 응력을 줄이며 인성을 약간 증가시킵니다.
- 중온 템퍼링(350~500°C): 스프링에 높은 탄성과 필요한 인성을 얻기 위해 사용됩니다.
- 고온 템퍼링(500~600°C): 중탄소 구조용 강으로 만든 부품에 적용하여 강도와 인성의 바람직한 조합을 달성합니다.
강철을 300°C 정도에서 템퍼링하면 취성이 증가하는 경우가 많습니다. 이러한 현상을 템퍼 취성 I형이라고 합니다. 이 온도 범위에서 템퍼링하는 것은 일반적으로 피해야 합니다. 일부 중탄소 합금 구조강은 고온 템퍼링 후 실온까지 서서히 냉각하면 취성이 생기기 쉽습니다. 이를 템퍼 취성 I형이라고 합니다.
강에 몰리브덴을 첨가하거나, 템퍼링 중 오일이나 물에서 급속 냉각하면 템퍼링 취성 II형을 방지할 수 있습니다. 템퍼링 취성 II형에 취약한 강을 원래의 고온 템퍼링 온도로 재가열하면 이러한 취성을 제거할 수 있습니다.
제조 과정에서 템퍼링은 종종 가열 온도와 필요한 속성에 따라 분류됩니다.
- 저온 템퍼링(150~250°C): 미세조직이 템퍼링된 마르텐사이트로 형성됩니다. 내부 응력과 취성을 줄이고, 연성과 인성을 향상시키며, 높은 경도와 내마모성을 유지합니다. 게이지, 절삭 공구, 구름 베어링에 사용됩니다.
- 중온 템퍼링(350~500°C): 미세조직은 트루스토이트입니다. 높은 탄성률과 일정한 연성과 경도를 갖습니다. 스프링 및 단조 금형에 사용됩니다.
- 고온 템퍼링(500~650°C): 미세조직이 소르바이트입니다. 전반적으로 우수한 기계적 성질을 나타냅니다. 기어 및 크랭크샤프트에 사용됩니다.
담금질 후 고온 템퍼링을 조합한 것을 담금질 및 템퍼링이라고 하며, 이를 통해 높은 강도와 좋은 연성 및 인성이 결합됩니다.
III. 정규화
노멀라이징은 강의 인성을 향상시키기 위한 열처리입니다. 강재를 Ac3 온도보다 30~50°C 높은 온도로 가열하고 일정 시간 유지한 후, 노 외부의 정지된 공기 중에서 냉각하는 공정입니다. 주요 특징은 냉각 속도가 어닐링보다 빠르지만 담금질보다는 느리다는 것입니다. 노멀라이징은 이러한 약간 빠른 냉각 속도를 활용하여 강의 결정립 구조를 미세화합니다. 이를 통해 만족스러운 강도를 얻을 뿐만 아니라 인성(AKV 값으로 측정)을 크게 향상시키고 부품의 균열 발생 가능성을 줄입니다. 일부 저합금 열간 압연 강판, 저합금 단조품 및 주조품의 전반적인 기계적 특성은 노멀라이징 후 크게 향상될 수 있으며, 이는 가공성 향상에도 기여합니다.
정규화의 응용
아공석강: 노멀라이징은 주조, 단조 및 용접부에서 거칠고 과열된 결정립 구조와 위드만슈테텐(Widmanstätten) 구조를 제거하고 압연 제품의 밴딩(banding)을 제거하는 데 사용됩니다. 노멀라이징은 결정립을 미세화하고 담금질 전 예비 열처리 역할을 할 수 있습니다.
과공석강: 정규화는 2차 시멘타이트의 네트워크 또는 결정립계 필름을 제거하고 펄라이트를 미세화할 수 있어 기계적 성질을 향상시킬 뿐만 아니라 후속 구형화 어닐링을 용이하게 합니다.
저탄소강: 노멀라이징은 미세한 층상 펄라이트를 더 많이 생성하여 경도를 HB 140~190으로 높입니다. 이는 절삭 중 "고착"을 방지하고 가공성을 향상시킵니다. 중탄소강의 경우, 노멀라이징과 어닐링이 모두 가능한 경우 노멀라이징이 더 경제적이고 편리한 경우가 많습니다.
중탄소 구조강: 기계적 특성 요건이 높지 않은 경우, 담금질 및 고온 템퍼링 대신 노멀라이징을 사용할 수 있습니다. 노멀라이징은 작업을 간소화하고 강의 미세조직과 치수를 안정화합니다.
고온 노멀라이징(Ac3보다 150~200°C 높음): 고온에서 확산 속도가 빠르기 때문에 주조 및 단조품의 성분 편석을 줄일 수 있습니다. 고온 노멀라이징으로 생성된 조대 입자는 더 낮은 온도에서 2차 노멀라이징 단계를 거쳐 미세화할 수 있습니다.
증기 터빈과 보일러에 사용되는 특정 저탄소 및 중탄소 합금강의 경우, 정규화를 통해 베이나이트 구조를 얻은 다음 고온 템퍼링을 거치는데, 이를 통해 400~550°C에서 우수한 크리프 저항성을 제공합니다.
강철 부품 및 소재 외에도, 정규화는 연성(구상) 주철의 열처리에 널리 사용되어 펄라이트 기지를 얻고 강도를 증가시킵니다.
공랭은 노멀라이징의 특성이므로, 주변 공기 온도, 적층 방식, 공기 흐름, 그리고 소재 크기는 모두 최종 미세조직과 특성에 영향을 미칩니다. 노멀라이징된 미세조직은 합금강의 분류 방법으로도 사용될 수 있습니다. 합금강은 일반적으로 직경 25mm의 시편을 900°C로 가열하고 공랭했을 때 얻어지는 미세조직을 기준으로 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 오스테나이트 강으로 분류됩니다.
IV. 어닐링
어닐링은 금속을 특정 온도까지 천천히 가열하고, 충분한 시간 동안 유지한 다음, 적절한 속도로 냉각하는 금속 열처리 공정입니다. 어닐링 열처리는 완전 어닐링, 불완전 어닐링, 응력 완화 어닐링으로 분류됩니다. 어닐링 처리된 재료의 기계적 특성은 인장 시험이나 경도 시험을 통해 확인할 수 있습니다. 많은 강재가 어닐링 처리된 상태로 공급됩니다. 강재의 경도 시험에는 로크웰 경도계를 사용할 수 있으며, 얇은 판재, 스트립, 박판 파이프의 경우에는 표면 로크웰 경도계를 사용할 수 있습니다.
어닐링의 목적
- 주조, 단조, 압연, 용접 등으로 인해 발생하는 다양한 미세조직적 결함 및 잔류응력을 개선 또는 제거하여 공작물 변형 및 균열을 방지합니다.
- 작업물을 부드럽게 만들어 더 쉽게 가공.
- 결정립 구조를 미세화하고 미세구조를 개선하여 가공물의 기계적 특성을 향상시킵니다.
- 최종 열처리를 위해 미세구조를 준비합니다.
일반적인 어닐링 공정
완전 소둔 또는 균질화 소둔: 중탄소강 및 저탄소강의 주조, 단조, 용접으로 인해 발생하는 조대하고 과열된 미세조직과 기계적 성질이 불량한 조직을 미세화하는 데 사용됩니다. 가공물을 모든 페라이트가 오스테나이트로 변태하는 온도보다 30~50°C 높은 온도로 가열하고, 일정 시간 동안 유지한 후 노에서 서서히 냉각합니다. 냉각 과정에서 오스테나이트가 재변태하여 미세조직이 미세화됩니다.
구상화 어닐링: 단조 후 공구강과 베어링강의 높은 경도를 낮추는 데 사용됩니다. 가공물을 강이 오스테나이트를 형성하기 시작하는 온도보다 20~40°C 높게 가열하고, 유지한 후 서서히 냉각합니다. 냉각 과정에서 펄라이트 내의 층상 시멘타이트가 구상 또는 구형 입자로 변태하여 경도가 감소합니다.
등온 어닐링: 특정 고니켈 및 고크롬 합금 구조강의 높은 경도를 기계 가공 목적으로 낮추는 데 사용됩니다. 부품은 일반적으로 오스테나이트가 가장 불안정한 온도까지 비교적 빠르게 냉각되고 적절한 시간 동안 유지된 후, 오스테나이트가 트루스타이트 또는 소르바이트로 변태하여 경도를 감소시킵니다.
재결정 어닐링: 냉간 인발 및 냉간 압연으로 인해 발생하는 금속선 및 판재의 가공 경화 효과(경도 증가, 연성 감소)를 제거하기 위해 사용됩니다. 가열 온도는 일반적으로 강이 오스테나이트를 형성하기 시작하는 온도보다 50~150°C 낮습니다. 이 온도 범위는 가공 경화 효과를 제거하고 금속을 연화하는 데 필요합니다.
흑연화 어닐링: 시멘타이트가 다량 함유된 주철을 가소성이 우수한 인성 또는 가단성 주철로 변환하는 공정입니다. 이 공정은 주물을 약 950°C로 가열하고 일정 시간 유지한 후 적절히 냉각하여 시멘타이트를 분해하고 응집성 흑연을 형성합니다.
확산 어닐링 또는 균질화: 합금 주물의 화학적 조성을 균질화하고 서비스 성능을 향상시키는 데 사용됩니다. 이 방법은 주물을 용융시키지 않고 가능한 한 높은 온도로 가열하고 장시간 유지하는 것을 포함합니다. 이를 통해 주물이 서서히 냉각되기 전에 합금의 다양한 원소가 균일한 분포로 확산됩니다.
응력 제거 어닐링: 주강 및 용접 부품의 내부 응력을 제거하는 데 사용됩니다. 강재의 경우, 오스테나이트 형성 시작 온도보다 100~200°C 낮은 온도로 가열하고 유지한 후 공기 중에서 냉각하면 내부 응력이 제거됩니다.
