철계 주조소 열처리 기술: 강도와 내구성 향상을 위한 담금질, 템퍼링, 노말라이징, 어닐링

강철의 담금질, 템퍼링, 노말라이징, 어닐링

열처리는 강철 주조품의 기계적 특성을 보장하는 중요한 단계입니다. 성형, 주입, 셰이크아웃, 세척을 거치면 최종 형상이 갖춰지지만, 최종 용도에 필요한 강도나 탄성이 부족할 수 있습니다. 금속을 다양한 속도로 가열·냉각하면 기계적 특성을 변경할 수 있습니다.

열의 적용이 금속의 강도나 유연성을 어떻게 변화시킬까요?

결정화와 금속 특성

용융 금속이 냉각되면 결정 구조로 고체화됩니다. 현미경으로 보면 겨울철 유리창에 생기는 서리 결정과 유사합니다. 각 구조는 중심점에서 성장하다 다른 결정 구조와 만나며, 이들이 금속의 '결정립(grain)'을 이룹니다.

겨울 조건에 따라 다양한 서리 무늬가 생기듯, 가변적 온도는 금속을 이루는 결정을 변화시킵니다. 결정립은 보통 눈에 보이지 않지만 산 에칭으로 드러납니다.

합금 내 결정립의 모양과 관계는 기계적 특성을 결정합니다. 둥근 결정립은 충격 시 서로 미끄러지며 찌그러지는 반면, 납작한 결정립은 벽돌처럼 서로 지탱해 더 강하지만 여전히 이동 가능합니다. 톱니 모양으로 맞물린 결정립은 전혀 양보하지 않아 강하지만 취약할 수 있습니다. 열처리는 결정화를 재형성하여 결정립을 바꾸고, 결과적으로 금속 특성을 변화시킵니다.

가공 경화(Work-hardening)

빛나는 금속 판을 두드리는 대장장이의 이미지는 친숙하지만 오늘날에는 흔치 않습니다. 인류 역사 대부분에서 대장장이는 기계적 가공으로 금속을 강화했습니다. 오늘날에는 압연으로 강철을 기계적으로 경화합니다.

결정립 구조를 보면 가공 경화 원리를 이해할 수 있습니다. 금속 내 둥근 결정립이 변형되어 새로운 모양이 강도를 부여합니다. 냉간 압연에서는 둥근 결정립이 납작해지고 늘어나 봉 모양이 되어 서로 지지합니다. 대장장이나 금속 가공자는 망치질, 비틀기, 가열, 냉각, 늘리기로 결정립 모양을 바꿉니다. 충격 시 결정립이 갈 곳이 없으면 움직일 수 없는 비탄성 매트릭스를 형성해 경도가 증가합니다.

하지만 이 경도에는 대가가 따릅니다: 강도가 재료를 취성으로 만들 수 있습니다. 불규칙한 결정립은 서로 쉽게 미끄러지지 않고 쐐기처럼 박혀 있습니다. 결정립 간 결합 강도보다 큰 충격은 그들을 파손시킵니다.

열처리(Heat-treating)

주조소는 원하는 기계적 특성을 내는 합금을 선택해 시작합니다. 하지만 주조품 냉각 시 결정화를 거의 제어할 수 없습니다. 결정화가 기계적 특성을 만들므로, 추가 처리 없이는 합금이 최적으로 작동하지 않을 수 있습니다. 주조소는 금속을 제어된 규칙적 방식으로 가열·냉각하여 이를 해결합니다.

열처리는 비파괴적으로 물성을 변경합니다. 가공 경화 금속의 2차 공정이 될 수 있지만, 주조소에서는 주조품이 이미 최종 형상이라 가공이 불가능하므로 첫 번째 선택입니다.

결정화는 거의 항상 외부 표면에서 시작해 내부로 진행되며, 특히 대형 주조품에서는 셸과 중심부 간 큰 온도 차가 발생합니다. 표면 근처에서는 결정이 불규칙하게 성장해 날카롭고 덜 연성이며, 내부로 갈수록 둥글고 부드러워집니다. 주조 형상과 금속 내 결함·개재물은 냉각 속도에 영향을 주어 상이한 기계적 특성을 가진 구역을 생성합니다. 이러한 차이는 내부 금속 응력을 유발해 금속 피로나 파손을 일으킬 수 있습니다. 열처리는 금속 내부로 들어가 결정을 재배열할 수 있게 합니다.

소킹(Soaking)

소킹은 모든 열처리 공정의 기초입니다. 열처리는 금속의 '재결정화' 온도(융점 이하)에 의존합니다. 재결정화 시 탄소가 확산되어 열, 탄소 비율, 시간에 따라 분자 형태를 바꿉니다. 이 탄소 이동이 결정화 패턴을 바꾸고, 따라서 다른 물성을 부여합니다. 철-탄소 상태도는 오스테나이트, 페라이트, 펄라이트, 시멘타이트 결정립이 각 온도·시간에 형성되는 것을 보여줍니다. 마르텐사이트는 오스테나이트를 급랭하여 형성되는 경화강의 또 다른 결정립 구조입니다.

소킹은 주조품을 재결정화 온도 이상으로 가열하는 과정입니다. 열처리 사양의 '시간-온도' 유지는 금속 내 결정이 녹고 재형성되도록 합니다. 철-탄소 상평도 사이클을 보면 특정 탄소 확산을 위한 유지 시간을 알 수 있습니다.

철-탄소 상평도 대부분 영역에서 주조품이나 가공 금속을 소킹하면 경도와 취성이 감소합니다. 결정립이 더 규칙적으로 성장해 둥글어지고 충격 시 서로 미끄러질 수 있게 되며, 전체가 동일 온도에 도달하므로 갓 주조된 주조품보다 결정이 균일해집니다.

어닐링(Annealing)

어닐링은 소킹 후 로(爐) 내에서 매우 천천히 냉각시키는 것입니다. 작업자가 로를 끄고 온도가 완만하고 제어되게 떨어지게 합니다. 가열·냉각 모두 열적 일관성이 유지되어 내부 응력이 거의 없습니다. 어닐링된 금속은 일반적으로 매우 연하며, 연성, 인장 강도, 신율이 증가합니다. 매우 느린 냉각 곡선으로 인해 결정립 크기가 매우 커지는 경향이 있습니다.

노말라이징(Normalizing)

노말라이징은 소킹으로 재결정화 온도까지 가열한 후 로에서 꺼내 대기 중 냉각시킵니다. 어닐링 금속의 많은 특성이 나타나지만 냉각 균일성이 다소 떨어져 결정립이 조금 덜 규칙적입니다. 그래도 급랭보다는 온도 차가 훨씬 작아 취성이 적습니다.

노말라이징의 냉각 속도는 어닐링보다 작은 결정립을 생성하므로 일반적으로 어닐링 금속보다 강하거나 단단합니다.

담금질(Quenching)

매우 높은 경도가 필요할 때는? 공구와 기계 부품 제작 시 금속을 부드럽게 하면 목적을 잃습니다.

열처리로 경도를 지정하고 일관되게 유지할 수 있습니다. 강철을 오스테나이트가 주 분자가 될 때까지 소킹한 후, 더 차가운 오일이나 강제 공기로 급랭합니다. 오스테나이트가 냉간 충격을 받으면 마르텐사이트라 불리는 약간 불규칙한 결정 구조가 형성됩니다. 이 물질은 각 마르텐사이트 분자 내 탄소 왜곡으로 인해 더 단단합니다.

담금질은 외부에서 내부로 진행되므로 대형 물체는 급속 결정화 압력으로 내부 응력이 생길 수 있습니다. 이 힘이 너무 강하면 균열을 일으킵니다. 따라서 대형 강철 물체에는 수냉(워터 퀜칭)을 잘 사용하지 않습니다. 급격한 온도 강하로 균열이 생기기 때문입니다. 오일과 공기는 다소 덜 급격하게 냉각시킵니다.

담금질로 경화하는 것은 강철만이 아닙니다. 주조소에서 수냉을 사용하기도 합니다. 비강철 금속은 상과 분자 구조가 달라 같은 내부 압력을 받지 않을 수 있습니다. 망간강은 강철보다 훨씬 높은 온도에서 수냉해도 균열이 생기지 않습니다. 하지만 온도 차이가 커서 어떤 담금질이든 많은 에너지를 다루므로 주의가 필요합니다! 아래는 망간강 주조품 담금질 중 잔류 모래 코어로 인한 폭발 사진입니다. Reliance Foundry의 렌 크랜모어(현 영업 매니저)는 다치지 않았으나 과열된 모래 파편이 일으킨 작은 불을 진화해야 했습니다.

템퍼링(Tempering)

경도와 연성의 적절한 균형은 템퍼링으로도 달성 가능합니다. 템퍼링은 담금질 강철에 자주 적용해 취성을 줄이면서 경도의 일부를 유지합니다. 템퍼링에서는 금속을 다시 가열하지만, 어닐링·노말라이징·담금질보다 낮은 온도에서 수행합니다.

마르텐사이트는 열에서 안정적이지 않으며 충격으로 생성되므로, 템퍼링은 마르텐사이트를 불안정하게 만들어 시멘타이트와 페라이트로 전환되기 시작하게 합니다. 템퍼 오븐의 온도 범위와 시간은 마르텐사이트 전환 정도에 영향을 주어 금속이 얼마나 부드러워지는지 결정합니다. 예를 들어 스프링은 탄력 증가를 위해 높은 온도에서, 공구는 경도 유지를 위해 낮은 온도에서 템퍼링합니다.

템퍼링은 담금질 재료의 내부 응력을 완화하는 데도 쓰입니다. 용접이나 대장장이 작업 등 다른 열응력을 받은 금속도 템퍼링으로 분자들이 서로 조금씩 이완되게 할 수 있습니다.

열처리 변형

주조소에서는 주조품을 균일하게 열처리하지만, 때로는 불균일하게 처리하기도 합니다. 템퍼링된 강철 검은 흔히 가변 템퍼링으로 날은 단단하게, 심은 탄력 있게 만듭니다. 스프링도 기능에 맞춰 차등 열처리를 거치기도 합니다.

주조소의 많은 부분처럼 합금 화학을 이해하면 시간, 온도, 공차를 과학적으로 지정할 수 있습니다. 하지만 시간이 지나면 주조 작업자는 자신이 다루는 금속을 알게 됩니다. 전문 요리사가 레시피 없이 재료를 아는 것처럼, 숙련된 주조 작업자는 장비 도움 없이도 금속이 빛나기까지 너무 오래 걸리거나 너무 빨리 식는 등 분자적 이야기를 읽어냅니다.

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