열처리란?- 공정 및 방법

열처리란?

열처리는 원하는 특성을 얻기 위해 미리 결정된 특정 방법을 사용하여 금속을 가열 및 냉각하는 과정입니다. 철 및 비철 금속 모두 사용하기 전에 열처리를 거칩니다.
시간이 지남에 따라 많은 다른 방법이 개발되었습니다. 오늘날에도 야금학자들은 이러한 공정의 결과와 비용 효율성을 개선하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 이를 위해 다양한 등급을 생산하기 위해 새로운 일정이나 주기를 개발합니다. 각 일정은 금속의 가열, 유지 및 냉각 속도를 나타냅니다.
이러한 방법을 세심하게 따를 경우 현저하게 특정한 물리적 및 화학적 특성을 가진 다양한 표준의 금속을 생산할 수 있습니다.

 

열처리의 이점

열처리를 하는 이유는 다양하다. 일부 절차는 금속을 부드럽게 만드는 반면 다른 절차는 경도를 높입니다. 그들은 또한 이러한 재료의 전기 및 열 전도성에 영향을 줄 수 있습니다.
일부 열처리 방법은 초기 냉간 가공 공정에서 유발된 응력을 완화합니다. 다른 것들은 금속에 바람직한 화학적 특성을 발달시킵니다. 완벽한 방법을 선택하는 것은 실제로 금속의 유형과 필요한 속성에 달려 있습니다.
경우에 따라 금속 부품은 여러 열처리 절차를 거칠 수 있습니다. 예를 들어, 항공기 제조 산업에서 사용되는 일부 초합금은 응용 분야에 맞게 최적화하기 위해 최대 6가지 다른 열처리 단계를 거칠 수 있습니다.

 

열처리 공정 단계

간단히 말해서 열처리는 금속을 가열하고 그 온도로 유지한 다음 다시 냉각시키는 과정입니다. 이 과정에서 금속 부품의 기계적 특성이 변경됩니다. 이는 고온이 금속의 미세 구조를 변화시키기 때문입니다. 그리고 미세구조는 재료의 기계적 성질에 중요한 역할을 합니다.

최종 결과는 다양한 요인에 따라 달라집니다. 여기에는 가열 시간, 금속 부품을 특정 온도로 유지하는 시간, 냉각 속도, 주변 조건 등이 포함됩니다. 매개변수는 열처리 방법, 금속 유형 및 부품 크기에 따라 다릅니다.

이 과정에서 금속의 특성이 변경됩니다. 이러한 특성 중에는 전기 저항, 자기, 경도, 인성, 연성, 취성 및 내식성이 있습니다.

1. Heating
우리가 이미 논의한 바와 같이 합금의 미세 구조는 열처리 중에 변경됩니다. 가열은 규정된 열 프로파일에 따라 수행됩니다.
합금은 가열될 때 세 가지 다른 상태 중 하나로 존재할 수 있습니다. 기계적 혼합물, 고용체 또는 둘 다의 조합일 수 있습니다.
기계적 혼합물은 시멘트가 모래와 자갈을 함께 묶는 콘크리트 혼합물과 유사합니다. 모래와 자갈은 여전히 ​​별도의 입자로 표시됩니다. 금속 합금의 경우 기계적 혼합물이 모재에 의해 함께 유지됩니다.
반면 고용체에서는 모든 성분이 균일하게 혼합됩니다. 즉, 현미경으로도 개별적으로 식별할 수 없습니다.
모든 주에는 다른 특성이 있습니다. 상도에 따라 가열을 통해 상태를 변경할 수 있습니다. 그러나 냉각이 최종 결과를 결정합니다. 방법에 따라 합금이 세 가지 상태 중 하나로 끝날 수 있습니다.

2. Holding
유지 또는 담금 단계 동안 금속은 달성된 온도로 유지됩니다. 그 기간은 요구 사항에 따라 다릅니다.
예를 들어, 표면 경화는 표면 경도를 증가시키기 위해 금속 표면의 구조적 변화만 필요합니다. 동시에 다른 방법에는 균일한 속성이 필요합니다. 이 경우 보유 기간이 더 길어집니다.
담그는 시간은 재료 유형과 부품 크기에 따라 다릅니다. 균일한 속성이 목적인 경우 더 큰 부품은 더 많은 시간이 필요합니다. 큰 부품의 코어가 필요한 온도에 도달하는 데 시간이 더 오래 걸립니다.

3. Cooling
담금질 단계가 완료된 후 금속은 규정된 방식으로 냉각되어야 합니다. 이 단계에서도 구조적 변화가 일어난다. 냉각 시 고용체는 다양한 요인에 따라 동일하게 유지되고 기계적 혼합물이 완전히 또는 부분적으로 될 수 있습니다.
염수, 물, 오일 또는 강제 공기와 같은 다양한 매체가 냉각 속도를 제어합니다. 위에서 명명된 냉각 매체의 순서는 유효 냉각 속도가 감소하는 순서입니다. 염수는 열을 가장 빨리 흡수하고 공기는 가장 느립니다.
냉각 공정에서 용광로를 사용하는 것도 가능합니다. 제어된 환경은 느린 냉각이 필요할 때 높은 정밀도를 허용합니다.

 

열처리 방법

1. Annealing
어닐링에서 금속은 상한 임계 온도 이상으로 가열된 다음 느린 속도로 냉각됩니다.
어닐링은 금속을 부드럽게 하기 위해 수행됩니다. 그것은 금속을 냉간 가공 및 성형에 더 적합하게 만듭니다. 또한 금속의 가공성, 연성 및 인성을 향상시킵니다.
어닐링은 또한 이전 냉간 가공 공정으로 인해 발생하는 부품의 응력을 완화하는 데 유용합니다. 존재하는 소성 변형은 금속 온도가 임계 상한 온도와 교차할 때 재결정화 동안 제거됩니다.
금속은 재결정화 어닐링, 전체 어닐링, 부분 어닐링 및 최종 어닐링과 같은 과도한 어닐링 기술을 겪을 수 있습니다.

2. Normalizing
노멀라이징은 용접, 주조 또는 담금질과 같은 공정에서 발생하는 내부 응력을 완화하기 위해 사용되는 열처리 공정입니다.
이 과정에서 금속은 상한 임계 온도보다 40°C 높은 온도로 가열됩니다.
이 온도는 경화 또는 어닐링에 사용되는 온도보다 높습니다. 이 온도에서 지정된 시간 동안 유지한 후 공기 중에서 냉각합니다. 정규화는 부품 전체에 균일한 입자 크기와 구성을 만듭니다.
노멀라이즈드 스틸은 어닐링된 스틸보다 더 단단하고 강합니다. 사실, 정규화된 형태의 강철은 다른 어떤 조건보다 더 단단합니다. 이것이 충격 강도가 필요하거나 막대한 외부 하중을 지원해야 하는 부품이 거의 항상 정규화되는 이유입니다.

3. Hardening
가장 일반적인 열처리 공정인 경화는 금속의 경도를 높이는 데 사용됩니다. 어떤 경우에는 표면만 경화될 수 있습니다.
공작물을 지정된 온도로 가열한 후 냉각 매체에 담그어 급속 냉각하여 가공물을 경화시킵니다. 기름, 소금물 또는 물을 사용할 수 있습니다. 결과 부품은 경도와 강도가 증가하지만 취성도 동시에 증가합니다.
케이스 경화는 가공물의 외층만 경화시키는 일종의 경화 공정입니다. 사용된 공정은 동일하지만 얇은 외층이 공정을 거치기 때문에 결과 공작물은 외층이 단단하지만 코어가 더 부드럽습니다.
이것은 샤프트에 일반적입니다. 단단한 외부 레이어가 소재 마모로부터 보호합니다. 베어링을 샤프트에 장착하면 표면이 손상되고 일부 입자가 탈구되어 마모 과정이 가속화될 수 있습니다. 경화된 표면은 그로부터 보호를 제공하며 코어는 여전히 피로 응력을 처리하는 데 필요한 특성을 가지고 있습니다.

4. Ageing
시효 또는 석출 경화는 가단성 금속의 항복 강도를 높이기 위해 주로 사용되는 열처리 방법입니다. 이 공정은 금속 입자 구조 내에 균일하게 분산된 입자를 생성하여 특성을 변화시킵니다.
석출 경화는 일반적으로 더 높은 온도에 도달하는 또 다른 열처리 공정 후에 발생합니다. 그러나 노화는 온도를 중간 수준으로 올릴 뿐이며 다시 빠르게 내립니다.
일부 재료는 자연적으로(실온에서) 노화될 수 있지만 다른 재료는 인위적으로, 즉 상승된 온도에서만 노화됩니다. 자연적으로 노화되는 재료의 경우 낮은 온도에서 보관하는 것이 편리할 수 있습니다.

5. Stress Relieving
응력 완화는 보일러 부품, 공기병, 축압기 등에 특히 일반적입니다. 이 방법은 금속을 임계 하한선 바로 아래의 온도로 끌어 올립니다. 냉각 과정은 느리고 따라서 균일합니다.
이는 성형, 기계 가공, 롤링 또는 교정과 같은 초기 공정으로 인해 부품에 축적된 응력을 완화하기 위해 수행됩니다.

6. Tempering
템퍼링은 과도한 경도를 감소시켜 경화 과정에서 유발되는 취성을 줄이는 과정입니다. 내부 스트레스도 완화됩니다. 이 과정을 거치면 그러한 특성을 필요로 하는 많은 응용 분야에 적합한 금속을 만들 수 있습니다.
온도는 일반적으로 경화 온도보다 훨씬 낮습니다. 사용 온도가 높을수록 최종 가공물이 부드러워집니다. 냉각 속도는 템퍼링 중 금속 구조에 영향을 미치지 않으며 일반적으로 금속은 정지된 공기에서 냉각됩니다.

7. Carburisation
이 열처리 과정에서 금속은 분해 시 탄소를 방출하는 다른 물질이 있는 상태에서 가열됩니다.
방출된 탄소는 금속 표면으로 흡수됩니다. 표면의 탄소 함량이 증가하여 내부 코어보다 단단해집니다.

 

 

열처리에 적합한 금속은?

철 금속이 열처리 재료의 대부분을 차지하지만 구리, 마그네슘, 알루미늄, 니켈, 황동 및 티타늄의 합금도 열처리될 수 있습니다.
열처리된 금속의 약 80%는 다른 등급의 강철입니다. 열처리할 수 있는 철금속에는 주철, 스테인리스강 및 다양한 등급의 공구강이 있습니다.
경화, 어닐링, 노멀라이징, 응력 완화, 케이스 경화, 질화 및 템퍼링과 같은 공정은 일반적으로 철 금속에서 수행됩니다.
구리 및 구리 합금은 어닐링, 시효 및 담금질과 같은 열처리 방법을 따릅니다.
알루미늄은 어닐링, 용체화 열처리, 자연 및 인공 노화와 같은 열처리 방법에 적합합니다. 알루미늄 열처리는 정밀한 공정입니다. 공정 범위를 설정하고 원하는 특성에 대해 각 단계에서 신중하게 제어해야 합니다.
분명히 모든 재료가 열처리 형태에 적합한 것은 아닙니다. 마찬가지로, 단일 재료가 각 방법에서 반드시 이점을 얻는 것은 아닙니다. 따라서 원하는 결과를 얻으려면 모든 재료를 별도로 연구해야 합니다. 위상 다이어그램과 앞서 언급한 방법이 미치는 영향에 대한 사용 가능한 정보를 사용하는 것이 출발점입니다.