열처리의 기본 개념과 계단열처리의 원리

열처리의 기본 개념과 계단열처리의 원리

 

 

1. 열처리의 개념

1) 열처리는 금속 재료의 물리적 및 기계적 특성을 변화시키기 위해 열적 사이클을 적용하는 공정으로, 

  특정 온도로 가열한 후 적절한 냉각 과정을 거쳐 재료의 미세조직과 기계적 성질을 조정하는 기술임

2) 이는 기계적 강도, 경도, 인성, 연성 등의 특성을 향상시키기 위해 적용되며, 다양한 산업 분야에서 필수적인

  공정으로 간주됨.

3) 열처리는 금속 내부의 잔류 응력을 제어하고, 결정립의 성장을 조정하며, 조직을 균질화하여 가공성과 성능을

  최적화하는 역할을 수행함

 

 

2. 열처리의 목적 및 중요성

열처리는 금속의 기계적 성질을 향상시키는 핵심적인 공정으로, 다양한 목적을 위해 수행됨. 대표적인 목적은 다음과 같음

1) 경도 및 강도 향상

열처리를 통해 금속의 표면 경도 및 내부 강도를 증가시킬 수 있음.

이는 담금질(Quenching)과 같은 급랭 공정을 통해 마르텐사이트 조직을 형성하여 구현됨.

특히 공구강과 같은 재료는 높은 경도를 필요로 하며, 이를 위해 담금질 후 뜨임을 병행하여 적절한 인성을 확보함.

경도와 강도가 증가하면 내마모성이 향상되어 기계 부품의 수명이 증가하는 효과가 있음

2) 인성 증가

담금질된 금속은 높은 경도를 가지지만 취성이 증가하는 단점이 있음.

이를 보완하기 위해 뜨임(Tempering) 공정을 수행하여 인성을 부여함.

뜨임을 통해 마르텐사이트 내부의 응력이 완화되며, 조직이 보다 안정적인 형태인 트루스타이트 또는 소르바이트로

변환됨.

이를 통해 충격 하중에 대한 저항성이 증가하며, 기계 부품이 갑작스러운 하중 변화에도 견딜 수 있도록 함

3) 내부 응력 제거

금속은 주조, 용접, 기계 가공 등의 제조 공정을 거치면서 내부 응력이 축적됨.

이러한 응력은 금속의 변형 및 균열을 유발할 수 있음.

풀림(Annealing) 및 불림(Normalizing)과 같은 열처리 공정을 통해 내부 응력을 제거하고 조직을 안정화하여 제품의 신뢰성을 향상시킴

4) 가공성 개선

금속의 연성과 가공성을 증가시키기 위해 풀림 공정을 적용함.

이는 결정립을 조정하여 가공 중 균열이 발생하는 것을 방지하고, 기계 가공 및 변형 가공의 용이성을 높이는 역할을 함.

특히 저탄소강이나 스테인리스강과 같은 재료는 풀림을 통해 균일한 미세조직을 형성하여 가공성을 개선함

5) 내식성 및 피로 저항성 향상

특정 열처리 공정을 통해 표면 산화층을 조절하고 부식 저항성을 향상시킬 수 있음.

또한, 반복 하중에 대한 저항성을 증가시키기 위해 귀금속 열처리 및 저탄소 베이나이트 열처리를 적용함.

이는 항공, 자동차 및 발전 설비에서 중요한 요소로 작용함

6) 자기적 및 전기적 특성 조정

열처리를 통해 강자성체의 자기적 특성을 조절할 수 있으며, 전자기 부품의 성능을 최적화할 수 있음.

특히 실리콘 강판과 같은 재료는 열처리를 통해 자속밀도를 증가시키고 히스테리시스 손실을 감소시키는 방식으로 활용됨

 

 

3. 단계별 열처리(Interrupted Heat Treatment)

1) 담금질(Quenching)
담금질은 금속 재료를 오스테나이트(Austenite) 상태로 가열한 후 급속 냉각을 수행하여 

마르텐사이트(Martensite) 조직을 형성하는 공정으로, 재료의 경도와 강도를 극대화하는 목적이 있음. 

냉각 매체로는 물, 오일, 폴리머 용액 등이 사용되며, 냉각 속도에 따라 내부 응력이 발생할 수 있어 후속 열처리 공정이 요구됨. 

담금질을 통해 형성된 마르텐사이트 조직은 높은 강도를 가지지만 취성이 증가하므로 후처리 공정을 통해 보완이 필요함

2) 뜨임(Tempering)
뜨임은 담금질 후 발생한 과도한 잔류 응력을 완화하고, 인성과 연성을 부여하는 공정으로, 담금질된 재료를 변태점(Transformation Point) 이하의 온도로 가열한 후 일정 시간 유지한 뒤 냉각하는 방식으로 진행됨. 

뜨임 온도에 따라 로우 템퍼링(Low Tempering), 미디엄 템퍼링(Medium Tempering), 하이 템퍼링(High Tempering)으로 구분되며, 높은 온도에서 뜨임할수록 인성이 증가하고 경도가 낮아지는 특성이 있음. 뜨임을 통해 형성되는 미세조직은 소르바이트(Sorbitic) 또는 트루스타이트(Troostitic) 조직으로 변환됨

3) 풀림(Annealing)
풀림은 금속의 연성과 가공성을 향상시키고 내부 조직을 균일화하기 위해 수행되는 열처리 공정으로, 주로 저탄소강 및 합금강의 가공성을 개선하는 목적이 있음. 풀림 과정에서는 금속을 변태점 이상으로 가열한 후 천천히 냉각하여 내부 응력을 해소하고 결정립을 성장시키는 역할을 수행함

4) 불림(Normalizing)

불림은 금속의 미세조직을 균일화하고 기계적 성질을 향상시키기 위해 수행되는 열처리 공정으로, 오스테나이트 상태까지 가열한 후 공기 중에서 자연 냉각시키는 방식으로 진행됨

 

 

4. 열처리의 변수 및 영향 요인

열처리의 효과는 다양한 변수에 의해 결정되며, 각 요소는 최종적으로 형성되는 미세조직과 기계적 성질에 중대한 영향을 미침

1) 가열 온도

금속의 변태점 이상으로 가열할 경우 결정립 성장과 조직 변화가 발생하며, 특정 온도 범위에서 합금 원소의 확산이 활성화됨

2) 냉각 속도

급속 냉각 여부에 따라 형성되는 조직이 달라지며, 기계적 성질이 결정됨. 예를 들어, 급냉 시 마르텐사이트가 형성되며, 완만한 냉각 시 펄라이트 또는 페라이트가 형성됨

3) 보유 시간

일정 온도에서의 유지 시간은 탄소 및 합금 원소의 확산 속도를 조절하여 조직 안정화에 중요한 역할을 함

4) 냉각 매체

물, 오일, 공기, 폴리머 용액 등의 냉각 매체에 따라 냉각 속도가 달라지며, 이에 따라 최종 기계적 성질이 결정됨

5) 합금 원소의 조성

탄소(C), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등의 원소 함량은 조직과 기계적 특성에 중대한 영향을 미침