어닐링은 재료의 물리적 특성과 때로는 화학적 특성을 변경할 수 있는 열처리 공정으로, 일반적으로 연성을 높이고 경도를 낮추어 기계 가공이나 작업을 더 쉽게 만듭니다.
어닐링 개요
어닐링은 금속을 적절한 온도로 가열하고 일정 시간 유지한 후, (일반적으로 용광로 냉각을 통해) 실온까지 서서히 냉각하는 열처리 공정입니다. 어닐링의 핵심은 강철을 완전히 오스테나이트화할 때까지 가열한 후, 펄라이트 변태를 촉진하는 서서히 냉각하는 공정으로, 이를 통해 거의 평형에 가까운 미세조직을 형성합니다.
어닐링의 기능
어닐링은 몇 가지 중요한 목표를 달성하기 위해 수행됩니다.
- 결정립 미세화 및 미세구조 균질화: 결정립 구조를 미세화하고, 내부 미세구조를 균질화하고, 화학적 분리를 줄여 후속 열처리 공정을 위해 재료를 구조적으로 준비합니다.
- 응력 완화: 작업물 내부의 잔류 내부 응력을 제거하여 이러한 응력으로 인해 발생할 수 있는 잠재적인 균열이나 과도한 변형을 방지합니다.
- 경도 감소 및 가소성 향상: 재료의 경도를 낮추고 가소성을 향상시켜 후속 냉간 가공, 냉간 성형 및 기계 가공 작업을 개선하는 데 중요합니다.
어닐링 공정은 일반적으로 3가지 주요 단계로 나뉩니다.
- 회복 단계: 회복 단계에서는 용광로나 다른 유형의 가열 장치를 사용하여 재료의 온도를 내부 응력이 해소되는 지점까지 올립니다.
- 재결정 단계: 재결정 단계에서는 재료가 재결정 온도보다 높게 가열되지만 용융 온도보다 낮게 유지됩니다. 이로 인해 응력이 없는 새로운 결정립이 형성됩니다.
- 입자 성장 단계: 새로운 입자가 형성되면서 완전히 발달합니다. 이러한 성장은 재료를 특정 속도로 냉각시켜 제어합니다.
3단계를 거치면 소재의 연성이 향상되고 경도는 감소합니다. 경우에 따라 어닐링 후 후속 공정을 통해 소재의 기계적 특성을 더욱 개선할 수 있습니다.
어닐링의 종류
어닐링 방법은 임계 온도(Ac1 또는 Ac3)에 대한 가열 온도를 기준으로 광범위하게 분류됩니다.
상변태 재결정 어닐링(Ac1 또는 Ac3 이상)에는 완전 어닐링, 확산 어닐링, 불완전 어닐링 및 구형화 어닐링이 포함됩니다.
임계 온도(Ac1 또는 Ac3 이하) 이하의 어닐링에는 재결정 어닐링과 응력 제거 어닐링이 포함됩니다.
완전 어닐링
이 공정은 강철을 Ac3선보다 20~30°C 높은 온도로 가열하고, 일정 시간 동안 담가둔 다음 천천히 냉각(로 냉각)하여 거의 평형에 가까운 미세구조(완전 오스테나이트화 달성)를 얻는 과정을 포함합니다.
- 용도: 주로 아공석강(탄소 함량 0.3~0.6%)에 사용되며, 일반적으로 중탄소강과 저탄소 합금강 주물, 단조품, 열간 압연 형강, 때로는 용접물에 사용됩니다.
- 목적: 결정립 구조를 미세화하고, 미세조직을 균질화하고, 내부 응력을 제거하고, 경도를 낮추고, 강의 가공성을 향상시킵니다. 아공석강의 최종 조직은 페라이트 + 펄라이트(F+P)입니다.
- 참고 : 생산 시에는 생산성을 높이기 위해 부품이 약 500°C에 도달하면 용광로에서 꺼내어 공랭시키는 경우가 많습니다.
등온 어닐링
완전 어닐링은 특히 비교적 안정적인 과냉각 오스테나이트를 갖는 합금강의 경우 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 등온 어닐링은 오스테나이트화된 강을 Ar1보다 약간 낮은 온도로 급속 냉각하고, 등온으로 유지하여 오스테나이트(A)를 펄라이트(P)로 변태시킨 후, 실온까지 공랭함으로써 시간을 크게 단축합니다.
고탄소강(C > 0.6%), 합금 공구강, 고합금강(총 합금 함량 > 10%)과 같이 안정적인 미세구조를 가진 강에 적합합니다. 균일한 미세구조와 일관된 특성을 얻는 데 도움이 됩니다. 하지만 하중 전체에 걸쳐 균일한 등온 온도를 달성하기가 어려울 수 있으므로, 대형 단면의 강재 부품이나 대형 노 부하에는 적합하지 않습니다.
불완전한 어닐링
강철은 Ac1과 Ac3(아공정강의 경우) 또는 Ac1과 Acm(과공정강의 경우) 사이의 온도로 가열되고, 담가진 후 천천히 냉각되어 거의 평형에 가까운 미세조직을 얻습니다.
과공석강의 구상 펄라이트 조직을 얻기 위해 사용되며, 이는 내부 응력 제거, 경도 감소, 그리고 가공성 향상에 도움이 됩니다. 구상화 어닐링은 불완전 어닐링의 한 형태입니다.
구형화 어닐링
강의 탄화물을 구상화하여 입상 펄라이트(구상 탄화물) 구조를 형성하는 특수 열처리 공정입니다. 소재를 Ac1보다 20~30°C 높은 온도로 가열하고, 적절한 시간(일반적으로 2~4시간) 동안 담금질한 후, 일반적으로 용광로에서 서서히 냉각하거나 Ar1보다 약 20°C 낮은 온도에서 장시간 등온으로 유지합니다.
주로 탄소공구강, 합금공구강, 베어링강 등의 공석강과 과공석강에 사용됩니다.
과공석강의 단조 후 또는 압연 후 구조(시멘타이트 네트워크를 갖는 층상 펄라이트)는 단단하고 취성이 있으며 가공하기 어렵습니다. CNC 기계, 최종 가공 중 변형/균열이 발생하기 쉽습니다. 담금질구상화 어닐링은 미세한 구형 시멘타이트 입자가 페라이트 기지에 분산된 구상 펄라이트를 생성합니다. 이 구조는 경도가 낮고 가공성이 우수하며, 특히 후속 담금질 시 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하여 변형 및 균열 발생 가능성을 줄입니다.
과공석강에 시멘타이트 네트워크가 존재하는 경우, 구형화 어닐링을 효과적으로 진행하기 전에 정규화를 통해 이를 제거해야 합니다.
확산 어닐링
주괴, 주조물 또는 대형 단조품을 고상선 바로 아래의 고온까지 가열하고, 장시간 담가둔 다음 천천히 냉각하여 화학적 불균일성(수지상 결정 및 국부적 분리)을 제거하는 공정입니다.
가열 온도는 매우 높아, 일반적으로 편석 정도와 강종에 따라 Ac3 또는 Accm보다 100~200°C 높습니다. 침지 시간은 보통 10~15시간입니다.
잉곳 응고 중 발생하는 분리 현상을 없애기 위해 화학적 조성과 미세구조를 균질화합니다.
확산 어닐링은 일반적으로 완전 어닐링이나 정규화가 뒤따르며, 이를 통해 거친 입자 구조를 미세화합니다.
주로 분리 문제가 심각한 고급 합금강 및 합금강 주물이나 주괴에 적용됩니다.
응력 완화 어닐링
응력 제거 어닐링은 강재를 Ac1(일반적으로 500~650°C) 미만의 특정 온도로 가열하고, 그 온도에서 유지(소킹)한 후 서서히 냉각(로냉)하는 과정을 포함합니다. 응력 제거 어닐링에 사용되는 온도는 A1 임계 온도보다 낮기 때문에 미세구조 변화가 발생하지 않습니다. 이는 부품 내부의 잔류 내부 응력을 제거하기 위한 것입니다.
재결정 소둔
냉간 가공된 금속을 재결정 온도보다 높은 온도에서 적절한 시간 동안 가열하는 과정입니다. 이 과정을 통해 변형된 결정립이 균일하고 등축정립으로 변태하여 가공 경화와 잔류 응력을 제거합니다.
가열 온도는 최저 재결정 온도(강의 경우 약 450°C)보다 100~200°C 높아야 합니다. 최소 재결정 온도는 일반적으로 Tc = 0.4*Tm(절대 온도)입니다.
어닐링 선택을 위한 고려 사항
적절한 어닐링 방법을 선택하는 데는 일반적으로 다음 원칙이 적용됩니다.
- 아공석 미세조직을 갖는 강의 경우 일반적으로 완전 어닐링이 선택됩니다. 어닐링 시간을 단축하기 위해 등온 어닐링을 선택할 수도 있습니다.
- 과공석강은 일반적으로 구상화 어닐링을 선택합니다. 요구 조건이 높지 않은 경우 불완전 어닐링을 선택할 수 있습니다. 공구강과 베어링강은 일반적으로 구상화 어닐링을 선택합니다. 구상화 어닐링은 저탄소강 또는 중탄소강으로 제작된 냉간 압출 및 냉간 압조 부품에도 사용되는 경우가 있습니다.
- 재결정 어닐링은 가공 경화를 제거하기 위해 선택될 수 있습니다.
- 응력 제거 어닐링은 다양한 제조 공정으로 인해 발생하는 내부 응력을 제거하기 위해 선택될 수 있습니다. 확산 어닐링은 일부 고급 합금강의 대형 주조품에서 미세조직 및 화학 조성의 불균일성을 개선하기 위해 종종 선택됩니다.
