철 주조소의 열처리

강 담금질, 템퍼링, 노멀라이징 및 어닐링

열처리는 강철 주물의 기계적 특성을 보장하기 위한 중요한 단계입니다. 주조, 붓기, 쉐이크아웃 및 세척을 통해 주물은 최종 형태를 취하지만 최종 사용을 위해 충분히 강하거나 탄력적이지 않을 수 있습니다. 금속을 다른 속도로 가열 및 냉각함으로써 주조 공장은 기계적 특성을 변경할 수 있습니다.

그러나 열을 가하면 금속의 강도나 유연성이 어떻게 변합니까?

결정화 및 금속 특성

용융 금속이 냉각되면 결정 구조로 동결됩니다. 현미경으로 보면 이러한 구조는 겨울에 유리에 형성되는 서리 결정처럼 보입니다. 각 구조는 다른 결정 구조와 만날 때까지 중심점에서 성장합니다. 이러한 구조는 금속의 "알갱이"를 구성합니다.

다양한 겨울 조건이 많은 유형의 서리 패턴을 생성하는 것처럼 가변 온도는 금속을 만드는 결정을 변경합니다. 그들이 만드는 입자는 일반적으로 보이지 않지만 금속이 산으로 에칭될 때 드러납니다.

합금에서 입자의 모양과 관계는 기계적 특성을 결정합니다. 둥근 알갱이는 금속에 부딪힐 때 서로 미끄러질 수 있으며 강하거나 부서지기보다는 찌그러집니다. 평평한 곡물은 함께 쌓이고 벽의 벽돌처럼 서로를 지탱할 수 있습니다. 둥근 곡물보다 강하지만 여전히 다소 움직일 수 있습니다. 들쭉날쭉하고 맞물린 곡물은 전혀 줄 수 없습니다. 금속의 열처리는 결정화를 재형성하여 결정립을 변화시켜 금속의 특성을 변화시킬 수 있습니다.

가공 경화 금속

대장간에서 빛나는 금속판을 두드리는 대장장이의 이미지는 더 이상 흔한 광경이 아니더라도 즉시 알아볼 수 있습니다. 그러나 인류 역사의 상당 부분 동안 대장장이는 금속을 기계적으로 가공하여 더 강하게 만들었습니다. 오늘날에는 대장장이가 손으로 작업하는 대신 강철을 기계적으로 단단하게 하기 위해 압연하는 경우가 많습니다.

결정립 구조를 그림으로 설명하면 가공 경화 기능이 설명됩니다. 금속 내부의 둥근 입자가 변형되고 새로운 모양이 금속에 강도를 부여합니다. 예를 들어 냉간 압연에서는 둥근 알갱이가 찌그러지고 늘어나 막대 모양이 됩니다. 이 막대는 묶음의 막대기처럼 서로를 지지합니다. 대장장이나 금속 세공인은 곡물의 모양을 바꾸기 위해 물체를 망치로 두들기고, 비틀고, 가열하고, 식히고, 늘일 수 있습니다. 곡물을 쳤을 때 갈 곳이 없으면 움직이지 않는 비탄성 매트릭스를 형성하여 금속 경도를 증가시킵니다.

그러나 이 경도에는 비용이 따를 수 있습니다. 강도로 인해 재료가 부서지기 쉽습니다. 불규칙한 모양의 곡물은 서로 쉽게 미끄러지지 않습니다. 서로 쐐기 모양으로 되어 있습니다. 충분히 큰 충격(알갱이 사이의 결합 강도보다 큰 충격)은 알갱이를 깨뜨릴 것입니다.

열처리 금속

주조 공장에서는 강철의 원하는 기계적 특성을 생성하는 것으로 알려진 합금을 선택하여 강철의 기계적 특성을 생성하기 시작합니다. 그러나 주물이 냉각됨에 따라 이 금속의 결정화에 대한 제어가 거의 없습니다. 결정화는 금속의 기계적 특성을 생성하기 때문에 합금을 추가로 처리하지 않으면 합금이 최적으로 거동하지 않을 수 있습니다. 주조 공장에서는 통제되고 규칙적인 방식으로 금속을 가열 및 냉각하여 이를 수행할 수 있습니다.

열처리는 재료 특성을 변경하는 비파괴적인 방법입니다. 가공 경화된 금속을 사용하는 2차 공정인 경우도 있지만 주조가 이미 올바른 모양으로 되어 있어 가공할 수 없기 때문에 주조 공장의 첫 번째 선택입니다.

결정화는 거의 항상 외부 표면에서 시작하여 내부로 이동하며, 특히 대형 주물에서는 주물의 껍질과 중심 사이에 큰 온도 차이가 있습니다. 결정은 불규칙하게 성장하며 일반적으로 표면 근처에서 더 날카롭고 덜 가단성입니다. 그것들은 종종 더 둥글고 따라서 더 부드러워집니다. 주조 형태와 금속 내의 결함 또는 개재물은 냉각 속도에 영향을 미치며, 이는 기계적 특성이 서로 다른 금속 구역으로 이어집니다. 이러한 차이는 내부 금속 변형을 일으켜 금속 피로 또는 파손을 유발할 수 있습니다. 열처리를 통해 주조 공장은 금속 내부로 돌아가 금속을 구성하는 결정을 재배열할 수 있습니다.

담그기

담금질은 모든 열처리 방법의 기초를 형성하는 과정입니다. 열처리는 녹는점 아래에 있는 금속의 "재결정화" 온도에 의존합니다. 재결정화 동안 탄소는 열, 탄소 비율 및 시간에 따라 한 분자 형태에서 다른 분자 형태로 이동하여 금속을 통해 확산되도록 잠금 해제됩니다. 탄소의 이러한 움직임은 금속의 결정화 패턴을 변경하고 따라서 다른 재료 특성을 나타냅니다. 철-탄소 상 다이어그램은 열에서 서로 다른 시간과 온도에서 오스테나이트, 페라이트, 펄라이트 및 시멘타이트 입자의 형성을 보여줍니다. 경화강에서 발견되는 또 다른 결정립 구조인 마르텐사이트는 냉간 충격을 가하는 오스테나이트에 의해 형성됩니다.

따라서 담금질은 주물을 재결정화 지점 위로 가져오는 과정입니다. 열처리에 대해 명시된 "온도에서의 시간"을 담그면 금속의 결정이 녹아서 변형됩니다. 철-탄소 상 주기를 살펴보면 주조소에서 탄소의 특정 확산을 허용하기 위해 온도에서 주물을 얼마나 오래 유지해야 하는지 알 수 있습니다.

철-탄소 상 주기의 대부분(전부는 아님) 부분에서 주조 또는 가공된 금속을 담그면 덜 단단하고 부서지기 쉽습니다. 금속의 알갱이가 더 규칙적으로 성장함에 따라 더 둥글고 충돌 시 서로 미끄러지면서 재배열될 수 있습니다. 또한, 아이템은 전체적으로 동일한 온도를 유지하기 때문에 일반적으로 갓 부은 주물보다 결정이 더 균일합니다.

어닐링

어닐링은 담금질로 시작하여 매우 천천히 용광로에서 강철을 식히는 방식으로 계속됩니다. 주물 작업자는 용광로를 끄고 ​​온도를 부드럽게 제어할 수 있습니다. 가열 및 냉각 동안 물체 전체에 열적 일관성이 있습니다. 이는 내부 응력이 거의 없음을 의미합니다. 즉, 결정화 특성이 다른 금속 "구역"이 발생하지 않습니다. 열처리된 금속은 일반적으로 연성, 인장 강도 및 연신율이 증가하여 매우 가단성이 있습니다. 열처리된 금속의 입자 크기는 냉각 곡선이 매우 느리기 때문에 종종 매우 큽니다.

정규화

금속을 정상화한다는 것은 금속을 담금질하여 재결정화 온도까지 올린 다음 용광로에서 꺼내 대기 중에서 냉각시키는 것을 의미합니다. 어닐링된 금속의 많은 특성은 표준화된 금속에서 분명하지만 냉각의 균일성이 완전히 동일하지 않기 때문에 입자가 약간 덜 규칙적인 경향이 있습니다. 그러나 동결 금속에서 발견되는 것보다 훨씬 작은 온도 차이는 정규화된 제품이 덜 취성임을 의미합니다.

노멀라이징에서 발견되는 냉각 속도는 어닐링보다 금속에 더 작은 입자를 생성합니다. 즉, 일반적으로 어닐링된 금속보다 강하거나 더 단단합니다.

냉각

매우 높은 경도가 필요한 경우 어떻게 합니까? 도구나 기계 부품을 만들 때 금속을 부드럽게 하면 목적이 무너질 수 있습니다.

열처리를 통해 경도를 지정하고 일관성을 유지할 수 있습니다. 강철에 경도를 생성하기 위해 주물 공장은 오스테나이트가 주요 분자가 될 때까지 강철을 담근 다음 냉각된 오일이나 강제 공기로 냉각합니다. 오스테나이트에 냉간 충격을 가하면 마르텐사이트라고 하는 약간 불규칙한 결정 구조가 생성됩니다. 이 재료는 각 마르텐사이트 분자의 탄소 왜곡으로 인해 더 단단합니다.

담금질은 외부에서 발생하기 때문에 큰 물체는 빠른 결정화 압력을 겪을 수 있어 금속 내부 압력을 유발할 수 있습니다. 급랭이 너무 극단적인 경우 이러한 힘으로 인해 때때로 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 이유로 물 담금질은 균열이 형성될 수 있는 매우 급격한 온도 강하를 유발하기 때문에 대형 강철 물체에 대해 그리 일반적이지 않습니다. 오일과 공기 모두 약간 덜 격렬하게 냉각됩니다.

그러나 경화를 위해 담금질되는 것은 강철뿐만이 아닙니다. 물 담금질은 주조소에서 사용됩니다. 비철금속은 상과 분자 구조가 다르기 때문에 동일한 내부 압력을 겪지 않을 수 있습니다. 망간은 강철보다 훨씬 높은 온도에서 균열 없이 물에 담금질됩니다. 그러나 온도 차이가 너무 커서 어떤 담금질도 문제가 될 수 있는 많은 에너지를 처리합니다! 아래는 망간강 주물을 담금질하는 동안 잔류 모래 코어로 인해 발생하는 폭발입니다. 현재 영업 관리자인 Reliance Foundry의 Len Cranmore는 이 폭발로 다치지 않았지만 과열된 모래 파편으로 시작된 작은 화재를 진압해야 했습니다.

템퍼링

경도와 연성의 올바른 혼합물을 찾는 것은 템퍼링이라는 프로세스를 통해서도 달성할 수 있습니다. 템퍼링은 경도를 일부 유지하면서 덜 취성으로 만들기 위해 종종 담금질된 강철로 수행됩니다. 템퍼링에서 금속은 다시 재가열되지만 이제는 어닐링, 노멀라이징 또는 담금질보다 낮은 온도로 가열됩니다.

마르텐사이트는 열에서 안정한 분자가 아니므로 충격을 가한 상태에서 이루어집니다. 따라서 강철을 템퍼링한다는 것은 마르텐사이트가 세멘타이트와 페라이트로 전환되기 시작하도록 불안정하게 하는 것을 의미합니다. 온도 범위와 템퍼 오븐의 시간 길이는 마르텐사이트가 변환되는 양과 따라서 금속이 얼마나 부드러워지는지에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 금속 스프링은 경도를 유지하기 위해 더 낮은 온도에서 템퍼링된 도구에 비해 탄성을 높이기 위해 더 높은 온도에서 템퍼링될 수 있습니다.

템퍼링은 종종 담금질된 재료의 내부 응력을 완화하는 데 사용됩니다. 용접이나 대장간과 같은 다른 열 스트레스를 받은 금속은 내부의 분자가 서로 약간 이완되도록 템퍼링할 수 있습니다.

열처리의 변화

주조 공장에서 주물은 일반적으로 균일하게 열처리됩니다. 그러나 때때로 품목이 불규칙하게 열처리될 수 있습니다. 강화 강철 칼은 일반적으로 다양하게 강화되어 블레이드의 가장자리가 단단하고 코어가 탄력을 유지했습니다. 스프링은 때때로 기능에 맞게 차등 열처리를 거칩니다.

대부분의 주조 공장과 마찬가지로 합금 화학에 대한 이해는 시간, 온도 및 허용 오차를 과학적으로 지정할 수 있음을 의미합니다. 그러나 시간이 지남에 따라 주조 공장 작업자는 작업 중인 금속을 알게 됩니다. 전문 셰프가 레시피가 필요 없을 정도로 재료를 잘 알고 있는 것처럼 전문 파운드리 작업자는 문제가 발생했을 때 알 수 있습니다. 빛을 발하는 데 너무 오래 걸리거나 너무 빨리 냉각되는 금속은 실험실 장비의 도움 없이 숙련된 눈에 분자 이야기를 들려줍니다.

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