열처리(Heat Treatment)는 금속을 가열하고 냉각하며, 정해진 공정으로 원하는 특성을 얻는 과정입니다. 철계, 비철계 금속 모두 사용 전 열처리를 거칩니다.
오랜 시간 수많은 공법이 개발됐고, 현재도 야금학자들은 결과 향상과 비용 효율 개선을 위해 새로운 스케줄(가열·보유·냉각 속도 조합)과 사이클을 개발해 다양한 강종을 만듭니다.
이 공법들을 철저히 따르면 물리·화학적 특성이 뚜렷이 다른 금속을 생산할 수 있습니다.
열처리 이유는 다양합니다. 연화 공정도 있고 경화 공정도 있습니다. 전기·열전도도에도 영향.
냉간 가공으로 생긴 잔류 응력 해소, 바람직한 화학적 특성 부여도 가능. 최적 공법 선택은 소재 종류와 요구 특성에 달렸습니다.
부품 하나가 여러 열처리 공정을 거치기도 합니다. 예: 항공기용 초합금은 최대 6단계 열처리로 최적화.
간단히 말해 열처리는 금속 가열 → 그 온도 유지(보유) → 냉각 3단계입니다. 공정 중 금속 기계적 특성이 변하는데, 고온이 미세조직을 변화시키기 때문입니다. 미세조직은 재료 기계적 특성 결정에 핵심 역할.
최종 결과는 가열 시간, 보유 시간, 냉각 속도, 주변 조건 등 많은 요인에 달렸습니다. 이 파라미터들은 열처리 방법, 금속 종류, 부품 크기에 따라 결정됩니다.
공정 중 전기 저항, 자성, 경도, 인성, 연성, 취성, 내식성 등 특성 변화.
앞서 논의했듯 합금 미세조직은 가열 중 변화합니다. 가열은 정해진 열적 프로파일 따라 수행.
가열 시 합금은 3가지 상태 중 하나: 기계적 혼합물, 고용체, 또는 둘 혼합.
기계적 혼합물: 시멘트가 모래·자갈 묶은 콘크리트 비슷. 모래·자갈 별개 입자로 보임. 금속 합금에선 모재 금속이 결합제 역할.
고용체: 모든 성분 균질 혼합. 현미경으로도 개별 식별 불가.
각 상태마다 다른 특성. 상평형도 따라 가열로 상태 변화 가능. 다만 최종 결과는 냉각이 결정. 공정에 따라 3가지 상태 중 하나로 귀결.
보유/침탄 단계에서 금속을 도달 온도에서 유지. 시간은 요구사항 따라 다름.
예: 침탄(Case Hardening)은 표면만 구조 변화시켜 표면 경화면 되므로 보유 시간 짧음. 균일 특성 필요 공정은 보유 시간 김.
침탄 시간은 소재 종류, 부품 크기도 영향. 대형 부품은 심부까지 목표 온도 도달에 더 오래 걸림.
침탄 완료 후 정해진 방식 냉각. 이 단계서도 구조 변화. 고용체 냉각 시 그대로 유지, 완전/부분 기계적 혼합물로 변환 등 다양한 요인에 따름.
소금물, 물, 오일, 강제 공기 등 냉각 매질로 냉각 속도 제어. 위 순서가 냉각 유효 속도 내림차순. 소금물 최속, 공기 최저.
여러 열처리 기법 중 선택 가능. 각각 고유 특성 부여.
대표적 열처리 공법:
상임계점 이상 가열 후 서냉. 연화 목적. 냉간 가공·성형 적합성 향상. 절삭성, 연성, 인성 개선. 선행 냉간 가공 잔류 응력 해소. 상임계점 넘어 재결정 시 소성 변형 제거.
재결정 어닐링, 완전 어닐링, 불완전 어닐링, 최종 어닐링 등 다양한 어닐링 기법 존재.
용접, 주조, 담금질로 생긴 내부 응력 해소용. 상임계점 40°C 이상 가열. 경화/어닐링 온도보다 높음. 지정 시간 보유 후 공랭. 균일 결정립 크기와 조성 생성.
노말라이징강은 어닐링강보다 강하고 단단함. 사실 노말라이징 상태가 강철 가장 터프함. 충격 강도 필요나 거대 외력 지지 부품은 거의 항상 노말라이징.
가장 흔한 열처리. 금속 경도 높임. 표면만 경화하기도 함.
지정 온도 가열 후 냉각 매질(오일, 염수, 물)에 급랭. 결과물 경도·강도 상승, 단 취성도 동시 증가.
표면 경화(Case Hardening)는 표면층만 경화. 공정 동일하나 얇은 표면층만 처리해 표면 경도 높고 심부 부드러움 유지.
축(Shaft) 등에 흔함. 경화 표면이 마모 보호. 베어링 장착 시 표면 손상·입자 탈락→가속 마모 방지. 심부는 피로 응력 감당 특성 유지.
석출 경화(Precipitation Hardening)라도 불림. 연성 금속 항복 강도 높이기 위주. 금속 결정립 내 균일 분산 입자 생성해 특성 변화.
보통 더 고온 열처리 후 수행. 에이징은 중간 온도까지만 올리고 급랭.
자연 시효(상온) 재료도 있고, 인공 시효(고온)만 가능한 재료도 있음. 자연 시효 재료는 저온 보관으로 제어 가능.
보일러 부품, 공기병, 어큐뮬레이터 등에 흔함. 하임계점 바로 아래 온도까지 가열. 냉각 느리고 균일.
성형, 가공, 압연, 교정 등 선행 공정 축적 응력 해소 목적.
경화 공정서 생긴 과도 경도, 즉 취성 감소. 내부 응력도 해소. 이 공정으로 많은 용도 적합 특성 확보.
경화 온도보다 훨씬 낮음. 온도 높을수록 최종 공작물 연해짐. 냉각 속도 템퍼링 중 금속 구조 영향 없음, 보통 정지 공기 냉각.
분해 시 탄소 방출 물질 존재 하에서 금속 가열. 방출 탄소가 금속 표면 흡수돼 표면 탄소 함량 증가, 심부보다 경화.
열처리 소재 다수는 철계(약 80%가 강철 각종 강종). 구리, 마그네슘, 알루미늄, 니켈, 황동, 티타늄 합금도 열처리 가능.
열처리 가능 철계: 주철, 스테인리스강, 각종 공구강.
경화, 어닐링, 노말라이징, 응력 제거, 표면 경화, 질화, 템퍼링 등 주로 철계 대상.
구리/구리 합금: 어닐링, 시효, 담금질 대상.
알루미늄: 어닐링, 고용체화 처리, 자연/인공 시효 대상. 알루미늄 열처리는 정밀 공정. 공정 범위 설정, 전 단계 엄격 제어 필수.
모든 소재가 모든 열처리 형태에 적합한 건 아님. 단일 소재도 모든 공법 이점 얻는 건 아님. 따라서 각 소재별 개별 연구 필요. 상평형도와 위 공법 효과 정보가 출발점.
금속을 용융/녹는점 도달 없이 가열 후 제어 냉각해 원하는 기계적 특성 확보. 강도↑ 또는 전연성↑, 내마모성↑, 연성↑ 목적.
알루미늄 합금 자동차 주물 경화·강도↑ 위해 열처리. 황동/청동 제품 강도↑·균열 방지 위해 열처리. 티타늄 합금 구조물 고온 강도↑ 위해 열처리.
다양한 열처리 공정 종류:
물리(기계)적 특성 변경, 타 제조 공정 지원. 응력 해소→가공/용접 용이. 강도↑→연성/유연성 확보.
이 글에서 강철 4대 기본 열처리(어닐링, 노말라이징, 하드닝, 템퍼링) 다룸.
어닐링, 표면 경화, 석출 강화, 템퍼링, 침탄, 노말라이징, 담금질.
금속 가열 → 온도 유지 → 냉각. 고온이 미세조직 변화시켜 기계적 특성 변경.
강철 등 철계 합금 강화 공정. 물, 오일, 강제 공기, 질소 등 가스에서 가열 동시 냉각으로 합금 강화.
근본적으로 저탄소 철 합금. 수천 종 강종이 용도별 존재. 크게 탄소강, 공구강, 스테인리스강, 합금강 4계열.
예정 온도 가열 → 일정 시간 보유 → 실온 냉각으로 연성↑ 취성↓ 개선.
응력 해소→용접/가공 용이. 강도↑하며 유연/연성↑. 표면 또는 전체 경도↑·내마모성 부여.
주요 어닐링 공정 종류:
노말라이징 공정 개요. 불순물 제거, 연성·인성 개선. 750~980°C(1320~1796°F) 가열.
가공성 개선, 인성↑, 경도↓, 연성·절삭성↑.
강철을 목표 온도(예: 1500°F)에서 유지하는 시간. 보유 완료 후 신속·신중하게 집게로 꺼내기.
금속 경도 높이는 야금 금속 가공. 경도는 부과 변형 위치 일축 항복 응력에 정비례.
정확한 온도 범위 가열 시 더 순수하고 단단한 금속 생성. 어닐링보다 강한 강철 만들지만 연성은 낮아짐. 열이 금속 약하게도 만들 수 있음.
하드닝/담금질: 금속 경도 높임. 템퍼링: 임계 범위 미만 온도 가열→보유→냉각.
충분히 고온·장시간이면 담금질 안 하고 서냉한 것보다 연해짐. 목표에 따라 과도 템퍼링 가능. 날 더 무르지만 덜 취성.
경화 후 반드시 템퍼링. 마르텐사이트 새 상 생성됐기 때문. 오스테나이트 상 거쳐야 마르텐사이트 생성 가능.
담금질 후 매우 단단하지만 취성. 템퍼링으로 경도 일부 낮추고 연성↑. 400~1105°F(204~596°C) 구간 일정 시간 가열.
구리-아연 합금. 경도·가공성으로 역사적·지속적 중요성.
임계(노말라이징) 온도 이상 가열 → 인치당 1시간 보유 → 마르텐사이트 등 훨씬 단단/강한 구조로 변태 가능한 속도 냉각 → 템퍼링.
철계 부품 국소 영역 기계적 특성 향상 목적 열처리. 경화 영역 내마모성·피로 저항·강도 특성 개선.
마일드강, 합금강, 중탄소강, 주철. 산소-가스 화염 직접 열 이용.
경화 후 과도 경도 낮추려 수행. 임계점 미만 온도 일정 시간 가열→정지 공기 냉각.
금속
SKD11 금형강은 일본 공구강입니다. 소재 열처리 경도: HRC 58~60. SKD11은 고탄소 고크롬 합금 공구강으로 열처리 후 높은 경도, 연마성, 강한 경화성, 좋은 치수 안정성 보유. 가공성 좋고 탄화물 입자 미세 균일. 몰리브덴과 바나듐 특수 첨가로 담금질 균열 걱정 없음. SKD11 상세 성능 A) 고온 강도와 인성, 내마모성 우수, 절삭 용이 B) 강도, 인성, 내열성 균형 좋은 냉간 가공 금형강 C) 진공 탈가스 정련으로 내부 품질 극도로 청정 D) 가공성 양호 E) 경화성 좋음, 공냉 경화 가능, 담금질 균열
단조(Forging)란 무엇인가? 단조는 해머, 프레스, 롤링 등으로 금속에 압축력을 가해 형상을 만드는 제조 공정입니다. 이 압축력은 해머나 다이(Die)를 통해 전달됩니다. 가공 온도에 따라 냉간 단조, 온간 단조, 열간 단조로 나뉩니다. 탄소강, 합금강, 스테인리스강 등 다양한 금속이 단조 가능하며, 알루미늄, 황동, 구리 같은 연질 금속도 단조할 수 있습니다. 단조는 최소한의 소재 손실로 우수한 기계적 물성(높은 피로 강도, 강도)을 가진 부품을 생산하며, 양산성과 특정 물성 구현에 경제적입니다. 대장장이들이 수천 년간 주방
