열처리 공정: 종류·목적·공정 단계·적용 금속 총정리

열처리(Heat Treatment)는 금속 또는 합금을 고체 상태에서 가열·보유·냉각해 미세조직을 제어함으로써 원하는 기계적·물리적·화학적 특성을 부여하는 공정입니다. 철강뿐만 아니라 알루미늄·구리·마그네슘·니켈·티타늄 합금에도 적용됩니다.

1. 열처리 3대 기본 단계

1. 가열(Heating): 지정 온도까지 균일 가열. 열전도도·기존 열처리 이력·단면 형상 고려해 가열 속도 결정.
2. 보유(Soaking/Holding): 목표 온도에서 조직 균질화·변태 완료까지 유지. 단면 최대 부위 기준 시간 산정, 예열 단계 거쳐 급속 가열로 변형 방지.
3. 냉각(Cooling): 공기·오일·물·염수·폴리머·용융염·가스 등 냉각 매체 선택. 냉각 속도가 최종 조직·특성 결정. 퀜칭(급랭)은 경화 목적 일반적이나 구리 어닐링 등 예외 존재.

2. 주요 목적

• 절삭성 향상
• 잔류 응력 제거
• 기계적 성질 개선(강도·경도·인성·연성 등)
• 결정립 크기 제어
• 내열·내식성 증대
• 전기·자기적 특성 변경
• 화학 조성 표면 변경(확산 코팅 등)
• 가스 제거

3. 열처리 후 기대 효과

• 내구성·수명 연장
• 강도·인성 동시 향상
• 용접성 개선
• 내마모성 증대

4. 대표 열처리 종류 및 공정

분류	세부 공정	핵심 특징
기본 열처리	어닐링(Annealing)	재결정 온도 이상 가열→보유→서냉. 연화·응력 제거·조직 균질화
	노말라이징(Normalizing)	공냉식 어닐링. 과열 조직 미세화·기계적 성질 개선
	경화(Hardening)	임계점 이상 가열→퀜칭. 고경도·내마모성 확보
	템퍼링(Tempering)	Ac1 미만 재가열→보유→서냉. 취성 제거·인성 부여
	케이스 경화(Case Hardening)	표면만 고탄소화→경화. 표면 고경도+심부 인성
	표면 경화(Surface Hardening)	유도/화염 가열→즉시 퀜칭. 심부 조직 변화 없음
	확산 코팅(Diffusion Coating)	Al·Cr·Si 등 표면 확산. 내열·내식·내마모성 부여

케이스 경화 세부

• 침탄(Carburizing): 저탄소강(~0.15 % C) 표면 0.9~1.2 % C로 농축.
• 시안화(Cyaniding): 800~900 ℃ 시안화물 용융염 욕조→수/유 퀜칭. C+N 복합 침투.
• 질화(Nitriding): 합금강만 적용, 500~650 ℃ 암모니아 분위기→질화물 생성. 0.2~0.4 mm 경화층, 후가공 불필요.

표면 경화 세부

• 유도 경화: 고주파 유도 가열로 표면만 급속 가열·퀜칭. 크랭크축·캠축 베어링부에 적합.
• 화염 경화: 산소아세틸렌 화염 국부 가열→수냉. 대형·로내 가열 곤란 부품에 유리.

5. 상평형도(Phase Diagram) 활용

Fe-C 상평형도는 탄소강 열처리 설계의 기준. 주요 경계선:

• A1: 페라이트+시멘타이트/오스테나이트 경계(727 ℃)
• A2: 퀴리 온도(자성 소실, 768 ℃)
• A3: 오스테나이트+페라이트/오스테나이트 단일상 경계
• Acm: 오스테나이트/오스테나이트+시멘타이트 경계

6. 공정 단계별 미세조직 변화

가열 단계

• 기계적 혼합물 → 고용체 → 혼합 상태로 상변태.
• 고용체 형성 시 원소별 개별 식별 불가.

보유 단계

• 침탄 등 표면 경화는 단시간, 균질화 목적은 장시간 보유.
• 대단면 부품은 심부 온도 도달까지 시간 필요.

냉각 단계

• 냉각 매체별 속도: 염수 > 물 > 오일 > 강제 공기 > 로내 서냉.
• 로내 제어 냉각으로 고정밀 서냉 가능.

7. 열처리 적용 주요 금속

금속군	대표 강종	주요 적용 공정
철강(전체 80 %)	탄소강, 합금강, 공구강, 스테인리스, 주철	경화·어닐링·노말라이징·템퍼링·침탄·질화
구리 합금	황동, 청동, 베릴륨 동	어닐링·시효 경화·퀜칭
알루미늄 합금	2xxx, 6xxx, 7xxx 계열	용체화 처리·자연/인공 시효·어닐링
니켈·티타늄 합금	인코넬, Ti-6Al-4V	시효 경화·응력 제거·베타 어닐링

8. 강철 열처리 요약

강철 열처리는 형상 변화 없이 미세조직 제어로 물성 최적화. 상평형도·TTT/CCT 곡선 기반으로 공정 설계. 항공용 초합금은 최대 6단계 열처리 거치기도 함.