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1. 어닐링 처리
1.1. 어닐링
어닐링은 적절한 온도로 가열하여 일정 시간 유지한 다음 적절한 속도로 냉각하는 처리 방법이다. 이를 통해 재료의 경도를 감소시키고 가공성을 향상시킬 수 있으며, 냉간가공을 용이하게 할 수 있는 원하는 미세조직을 얻을 수 있다.
구체적으로 어닐링은 재료를 오스테나이트 영역으로 가열한 후 서냉함으로써 재료의 연화와 가공성 향상을 목적으로 한다. 아공석강의 경우 Ac3 이상의 온도로 가열하고, 과공석강은 Ac1과 Acm 사이의 온도로 가열한 뒤 변태 영역에서 서냉한다. 이를 통해 강의 연화와 가공성 향상을 기대할 수 있다.
어닐링은 완전 어닐링, 노말라이징, 응력 제거, 구상화, 균질화 어닐링 등 다양한 방식으로 구분되며, 각각의 목적과 특징이 있다. 완전 어닐링은 강을 오스테나이트화 한 후 서냉하여 재료를 연화시키고 가공성을 향상시키는 처리이다. 노말라이징은 공랭을 통해 잔류응력을 낮추고 조직을 균일하게 하여 절삭가공성을 개선하는 방법이다. 응력 제거는 잔류응력을 낮추기 위한 처리이며, 구상화는 시멘타이트를 구상화하여 인성과 가공성을 향상시킨다. 균질화 어닐링은 고온에서 장시간 유지하여 편석을 제거하고 균일한 조직을 얻는 방법이다.
이처럼 어닐링은 재료의 연화, 가공성 향상, 조직 개선, 잔류 응력 저감 등 다양한 목적으로 활용되는 열처리 기술이다. 재료의 특성과 용도에 따라 적절한 어닐링 방식을 선택하여 적용하는 것이 중요하다.
1.2. 완전 어닐링
완전 어닐링은 아공석강을 Ac3 이상으로 가열하거나 과공석강을 Ac1과 Acm 사이의 온도로 가열한 다음 변태영역에서 서랭시키는 처리이다. 이를 통해 재료의 연화와 가공성을 높일 수 있다.
구체적으로, 완전 어닐링은 강을 변태영역 이상의 적절한 온도의 오스테나이트 영역으로 가열한 다음 변태영역에서 서서히 냉각하는 처리이다. 이러한 완전 어닐링은 강의 경도를 낮추고 가공성을 향상시키며, 냉간가공을 용이하게 할 수 있도록 원하는 미세조직을 얻을 수 있다.
완전 어닐링의 주된 목적은 강재의 연화와 가공성 향상이며, 이를 통해 후속 가공을 효과적으로 진행할 수 있게 된다. 또한 완전 어닐링을 거치면 잔류응력이 제거되고 균일한 조직이 형성되는 장점이 있다.
1.3. 노말라이징
강을 변태영역 이상의 적절한 온도의 오스테나이트영역으로 가열한 다음 공기 중에서 냉각하는 처리를 노말라이징(normalizing)이라고 한다. 이는 강의 절삭가공을 용이하게 하기 위한 목적으로 수행된다.
노말라이징 처리는 완전 어닐링 처리와 유사하지만, 완전 어닐링은 서냉 과정을 거치는 반면 노말라이징은 공랭 과정을 거친다는 점에서 차이가 있다. 이로 인해 노말라이징 처리를 거친 강의 경우 미세조직이 보다 미세하고 균일해지는 특징이 있다.
강을 노말라이징 처리하면 완전 어닐링 처리에 비해 더 높은 강도와 경도를 나타내지만, 연성과 인성은 다소 감소한다. 그러나 이러한 특성 변화로 인해 강의 절삭가공성이 향상되어 기계가공에 적합해진다.
따라서 노말라이징 처리는 기계부품 제작 시 강의 가공성과 내구성을 높이기 위해 널리 활용되는 열처리 방법이라고 할 수 있다.
1.4. 응력 제거
응력 제거 처리는 가공이나 열처리 중에 발생한 내부 잔류 응력을 해소하기 위한 목적으로 시행하는 처리이다.
잔류 응력이 존재하면 부품의 강도, 인성, 피로수명 등에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 이를 제거하는 것이 중요하다. 응력 제거 처리는 임계 온도 이하의 온도에서 실시하며, 이때 온도를 서서히 올리고 오랫동안 유지한 후 서냉하는 방식으로 진행된다.
응력 제거 처리는 원자 간 결합력의 변화와 결정립 크기 변화를 통해 내부 응력을 해소한다. 가열 시 원자 간 결합력이 약해지면서 응력이 완화되고, 서냉 과정에서 결정립이 성장하여 전체적으로 균일한 조직이 형성된다. 이를 통해 내부 잔류 응력이 제거되어 부품의 기계적 특성이 향상된다.
응력 제거 처리는 주로 용접 부위, 냉간 가공 부품, 열간 가공 부품 등에 사용되며, 강, 비철금속, 세라믹 등 다양한 재료에 적용할 수 있다. 열처리 공정에서 주요 단계로 활용되며, 응력 제거 후에는 후속 공정인 경화 처리나 템퍼링 처리를 진행하기도 한다.
1.5. 구상화
구상화(Spheroidizing)는 강에 형성되어 있는 탄화물을 구상화하기 위한 처리이다. 구상화처리 결과 강의 인성, 가공성 등이 향상된다.
구상화 처리는 일반적으로 다음과 같은 과정으로 이루어진다. 강철을 고온의 오스테나이트화 온도 이상으로 가열한 후, 매우 서서히 냉각시킨다. 이 과정에서 탄화물이 미세하고 구형으로 변태된다. 구상화된 탄화물은 강의 연성과 인성을 크게 향상시킨다.
구상화 처리 온도는 강의 화학 조성에 따라 다르며, 일반적으로 700-800°C 범위에서 수행된다. 냉각 속도가 느릴수록 더욱 완전한 구상화가 일어난다. 이를 위해서는 커다란 규모의 열처리 로가 필요하다.
구상화 처리의 목적은 강 조직 내 탄화물의 형태를 구형으로 변화시켜 강의 기계적 성질을 개선하는 것이다. 탄화물이 구상화되면 균열 전파를 방해하여 연성과 인성이 향상된다. 또한 가공성도 좋아져 절삭가공이 용이해진다.
1.6. 균질화 어닐링
균질화 어닐링은 소정의 고온에서 충분한 시간 동안 유지함으로써 확산에 의해 편석을 제거하고 균일한 조직을 얻는 열처리 공정이다.
강재의 경우 성분원소들이 균일하게 분포되어 있지 않고, 주조 및 압연 등의 공정 중 편석이 발생한다. 이러한 편석은 기계적 성질의 불균일을 초래하므로, 이를 제거하기 위해 균질화 어닐링이 수행된다.
균질화 어닐링은 일반적으로 1150-1200°C의 고온에서 실시되며, 합금원소의 확산을 촉진시켜 성분 편석을 최소화한다. 충분한 시간 동안 유지함으로써 편석부와 평균 조성부의 성분 차이를 줄이는 것이 핵심이다. 이를 통해 재료의 기계적 성질, 내식성, 용접성 등이 향상된다.
균질화 어닐링이 끝난 후에는 서냉 처리를 거치게 되는데, 이는 균일한 조직을 유지하기 위함이다. 급랭하면 편석이 다시 발생할 수 있기 때문이다.
따라서 균질화 어닐링은 강재의 성분 편석을 제거하여 균일한 조직을 만들어내는 중요한 열처리 공정이라고 할 수 있다.
2. 경화 처리
2.1. 개요
경화 처리의 개요는 다음과 같다.
강을 오스테나이트화한 다음 급랭에 의해 오스테나이트 전부 또는 일부가 마르텐사이트 변태하여 경화되는 처리이다. 아공석강의 경우 오스테나이트화 온도는 Ac3 이상이고, 과공석강의 경우 Ac1과 Acm 사이의 온도에서 이루어진다. 경화처리의 방법으로는 표면 경화, 마템퍼링, 오스템퍼링, 슬랙 경화, 프레스 경화 등이 있다.
마르텐사이트는 철에 고용된 탄소가 미처 시멘타이트로 변태하기 전에 급랭하여 탄소를 무질서하게 고용시켜 만든 강철 조직이다. 마르텐사이트는 경도와 강도가 높으나 취성 성질을 가지고 있어 깨지기 쉽다. 따라서 일반적으로 경화 후 주로 템퍼링 처리를 거쳐 연성과 인성을 향상시키고 잔류응력을 제거하며 조직을 안정화시킨다.
2.2. 마르텐사이트
마르텐사이트는 철에 고용된 탄소가 미처 시멘타이트로 변태하기 전에 급랭하여 탄소를 무질서하게 고용시켜 만든 강철 조직이다. 이 조직은 경도와 강도가 매우 높지만 동시에 취성 성질도 갖고 있어 깨지기 쉽다는 특징이 있다.
일반적으로 마르텐사이트는 열처리 공정 중 오스테나이트화 후 급랭 과정에서 생성된다. 오스테나이트 영역에서 기지 조직이 미세한 침상 조직으로 변태되어 마...
