열처리의 종류와 각각의 특성 조사

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열처리의 종류와 각각의 특성 조사에 대한 보고서 자료입니다.

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어닐링은 경화 후 고속도강의 성질에 큰 영향을 주므로 주의를 요한다.
사진에서 탄화물 분포 A와 B의 비교는 B가 0.4μ의 크기를 A는 평균 1μ의 크기를 가짐을 보여준다. A의 평균 크기는 B의 거의 2배가 됨을 그림에서 알 수 있다.
그림에서 A와 B의 템퍼링 온도와 경도 사이의 관계가 주어지며 여러 템퍼링 온도에서 B의 경도는 A의 경도보다 더 높다는 것을 보여준다. 탄화물 크기의 차이는 어닐링 온도에만 의존하지 않고 ingot에서 단조, 압연에 이르기까지 모든 공정에 의존하며 각 제조사별로 특징이 달리 나타난다.
어닐링 온도가 높으면 높을수록 가열 시간이 길면 길수록 탄화물의 크기는 더욱 더 크며, 조대한 탄화물이 된다.
사진의 또 다른 관찰은 극히 미세한 탄화물 입자가 여기저기 박혀 있음을 보여준다. 이것들은 어닐링 후 냉각 중에 석출된 입자이며, 석출량은 냉각속도에 의존한다. 반면에 냉각속도가 클 때 미세한 탄화물은 증가하며, 기지경도를 높인다. 그러므로 강재의 연화 어닐링 후 20℃/h 이하의 속도로 냉각시키는 것이 필요하다. 고속도강에 대한 정상적인 어닐링 온도는 850℃이다.
노멀 라이징(Normalizing)
aa 강(鋼)을 오스테나이트의 범위(Ac3 또는 Acm보다 50∼100℃ 높은 온도)까지 가열하고 완전한 오스테나이트로 한 후 조용한 대기 중에서 냉각하는 조작을 소준 또는 불림이라고 한다. 노멀 라이징을 함으로서 강의 스트레인(Strain)이나 내부응력을 제거할 수가 있으며 기계적 성질을 개선하고자 할 때 행하게 된다. 주로 탄소강과 저합금강에 노멀 라이징을 행한다. 불림이라고도 하며, 가공, 단조, 압연에 의한 응력 제거및 결정립을 미세화 시켜 기계적 성질을 향상시킬 목적으로 금속을 고온으로 가열하여 감마기호(오스테나이트) 상태 ,즉 철-탄소 평형 상태도의 Ac3점에서 30~50도 만든 다음 심부온도가 표면온도까지 도달하여 일정시간을 유지 시킨 후 공기 중에 자연 냉각하는 열처리를 말한다. 노멀라이징의 원리는 주조품이나 단조품은 가공이나 재료의 형상 등의 차이에 따라서 고온으로부터 냉각시 결정립의 조대화나 탄화물의 국부적인 편석, 조성의 불균질등의 문제점들이 발생된다.
노멀라이징은 이런 주조, 단, 안연 등의 부적절한 조직을 개선하여 결립립 미세화하고 균질한 표준 조직으로 변화시키는 열처리다. 결정립을 표준화시킴으로서 재료의 강도와 인성등의 기계적 성질을 향상시키고 잔류응력을 제거 할 수 있는 장점이 있다.
노멀라이징을 할 때는 아공석강의 경우는 A3선이상, 과공석강에서는 Acm선 이상 40~60℃정도 높은 온도로 가열하여 페라이트, 펄라이트 혹은 시멘타이트를 기지중에 완전히 용해시켜 오스테나이트의 단일상으로 한다. 이 온도를 노멀라이징을 위한 오스테나이트화 온도라한다. 이 온도보다 높다든지 가열유지 시간이 길어지면 결정립이오히려 조대하게 된다.
가열 시 A1선을 넘으면 오스테나이트 핵이 생성되고 A3 , Acm 변태점까지 상승하면 펄라이트가 오스테나이트의 미세 결정립으로 변화한다. 일반적으로 가열시간은 25mm당 30분이다. 그리고 A1에서 A3점 혹은 Acm선까지 가열 속도를 빠르게 하면 핵의 발생이 많아지므로 결정립이 미세화 된다. 유지시간은 짧지도 길지도 않아야 한다. 짧을 경우 페라이트나 시멘타이트가 충분히 오스테나이트화 되지 않고 너무 길면 재결정이 되어서 결정립이 조대하게 된다. 시편의 크기를 고려하여 적당한 시간동안 유지 시켜야 한다.
또, 오스테나이트화 온도에서 냉각할 때도 변태점을 통과할 때의 속도가 빠를수록 결정립이 미세화되어 오스테나이트화 온도는 완전 어닐링의 경우보다 높은 온도를 설정하여 가열 속도를 빠르게 한다.
-단강품
단강품은 대부분 저탄소 또는 중탄소강으로서 열간가공온도나 살두께가 불균일하기 때문에 결정립의 크기가 불균일하고, 성장하여 조대해질 경우가 많다. 이러한 경우에 재차 오스테나이트화 한 다음 공랭하면 가공 등에 의한 잔류응력이 제거될 뿐만 아니라 결정립이 미세화된다. 이로써 강도와 인성이 증가된다. 단강품은 일반적으로 반드시 노멀라이징 또는 풀림을 하고 사용하여야 하며, 강도를 필요로 할 경우에 노멀라이징만으로도 상당한 효과를 얻을 수 있다. 단, 가열온도가 너무 높으면 결정립은 재차 성장하고 강도와 인성도 저하되므로 주의해야 한다.
-주강품
주강품에서는 응고시의 편석이나 서냉에 의한 결정립 조대화를 피할 수 없으며, 단면치수가 큰 것일수록 그 경향이 현저하다. 특히 편석이 심할 경우에는 노멀라이징 온도를 높이고 유지시간도 길게 하여 우선 확산, 균질화시킨 다음 공랭시키고, 재차 A3 변태점 직상으로 가열하여 새로운 미세한 오스테나이트를 형성시킨 다음 공랭하면 미세한 펄라이트가 생성된다. 방법은 강을 A3 또는 Acm점보다 30∼50℃ 정도 높은 온도로 가열하여 균일한 오스테나이트 조직으로 만든 다음 대기중에서 냉각하는 열처리이다. 가열시간은 25㎜당 30분이다. 이러한 통상적인 노멀라이징 방법 외에 다음과 같은 2가지 방법이 있다.
① 2단 노멀라이징 : 대형부품(두께 75㎜ 이상)이나 고탄소강(0.6∼1.0C)의 백점이나 내부균 열을 방지하기 위하여 사용된다.
② 항온 노멀라이징 : 기계구조용 탄소강이나 저탄소 합금강의 피삭성을 향상시키기 위하 여 사용된다.
조질(Quenching &Tempering)
금속을 고온으로 가열하여 γ(오스테나이트) 상태 ,즉 철-탄소 평형 상태도의 Ac3점에서 30~50도로 가열하여 심부가 적정온도에 도달하였을때 Quenching시켜 마르텐사이트 조직으로 경화시킨다. Quenching시 냉매의 종류에 따라 냉각속도가 달라지며, 표면인장응력은 커져 crack의 발생 가능성은 더 높아진다. 템퍼링은 QUENCHING시 냉매의 종류, 냉매의 유속, 제품의 질량에 따라 냉각속도가 달라지며, 냉각속도가 빠를수록 응력(인장응력-수축응력)은 크게 작용하여 CRACK 발생 가능성은 더 높아진다. 템퍼링은 QUENCHING시 발생한 응력 제거와 인성, 연성을 주기위해 AC1(변태온도) 직하까지 재가열하여 마르텐사이드 조직을 솔바이트 조직으로 유도한 다음 냉각한다.

키워드

열처리,   어닐링,   노멀라이징,   탬퍼링,   퀜칭,   담금질