열처리 기초: 유형, 방법 및 응용 분야 완벽 해설

이 글에서는 열처리 공정이 무엇인지, 그 방법, 유형, 그리고 열처리의 목적, 절차, 응용에 대해 배웁니다. 열처리는 기계 부품과 공구의 제조 공정에서 필수적인 작업입니다.

열처리란 무엇인가?

열처리는 금속 또는 합금을 고체 상태에서 가열 및 냉각하여 조성 변경 없이 바람직한 특성을 얻기 위한 작업으로 정의됩니다.

열처리 공정은 결정립 크기를 변경하고, 재료 구조를 수정하며, 열간 또는 냉간 가공 후 재료에 생긴 응력을 완화하기 위해 수행됩니다.

• 열처리는 가공성을 개선하기 위해 수행됩니다.
• 자기적 및 전기적 특성을 개선하기 위해.
• 내마모성, 내열성, 내식성 등을 증가시키기 위해 등 다양한 이유가 있습니다.

열처리는 금속을 임계 온도 근처 또는 이상으로 가열하고, 그 온도에서 특정 시간 동안 유지한 후, 공기, 물, 염수, 용융염 등의 매질에서 금속을 최종적으로 냉각하는 것으로 구성됩니다. 열처리 공정에는 어닐링, 표면 경화, 템퍼링, 노말라이징, 퀜칭, 나이트라이딩, 시아나이징 등이 포함됩니다.

열처리 공정의 유형

다음은 열처리 공정의 다양한 유형입니다:

1. 어닐링(Annealing)
2. 노말라이징(Normalizing)
3. 경화(Hardening)
4. 템퍼링(Tempering)
5. 나이트라이딩(Nitriding)
6. 시아나이징(Cyaniding)
7. 유도 경화(Induction Hardening)
8. 화염 경화(Flame Hardening)

• 금속 주조 공정이란? 완벽 가이드
• 재료의 기계적 특성 목록

열처리의 유형 상세

1. 어닐링(Annealing)

어닐링은 열처리에서 가장 중요한 공정 중 하나입니다. 철강 열처리에서 가장 널리 사용되는 작업 중 하나로, 연화 공정으로 정의됩니다.

상부 임계 온도보다 30~50°C 높게 가열하고 로(爐) 내에서 매우 느린 속도로 냉각시킵니다. 어닐링의 주 목적은 강철을 더 연성 있고 가단성 있게 만들고 내부 응력을 제거하는 것입니다. 이 공정은 강철을 부드럽게 만들어 쉽게 가공할 수 있게 합니다.

1.1 어닐링의 목적

• 강철을 연화시키고 가공성을 개선합니다.
• 결정립을 미세화하고 가스를 제거합니다.
• 이전 공정에서 발생한 내부 응력을 제거합니다.
• 원하는 연성, 가단성, 인성을 얻습니다.
• 전기적 및 자기적 특성을 변경합니다.

1.2 어닐링 절차

탄소 함량에 따라 강철을 임계 온도 범위보다 약 50~55°C 높은 온도로 가열합니다. 로의 유형과 작업 성격에 따라 일정 시간 동안 이 온도에서 유지합니다. 그런 다음 강철을 로 안에서 천천히 냉각시킵니다.

1.3 어닐링의 응용

주조품과 단조품에 적용됩니다.

2. 노말라이징(Normalizing)

노말라이징: 노말라이징의 주 목적은 냉간 가공 공정 후 발생한 내부 응력을 제거하는 것입니다. 이 공정에서 강철은 상부 임계 온도보다 30~50°C 높게 가열하고 공기 중에서 냉각시킵니다.

기계적 및 전기적 특성, 가공성 및 인장 강도를 개선합니다. 노말라이징은 정상 상태의 구조를 복원하기 위해 수행되는 열처리 공정입니다.

2.1 노말라이징의 목적

• 조직의 균일성 촉진.
• 결정립 미세화 확보.
• 강철 특성의 바람직한 변화 유도.

2.2 노말라이징 절차

강철을 상부 임계 온도보다 약 40~50°C 높은 온도로 가열합니다. 단시간 동안 이 온도에서 유지합니다. 그런 다음 강철을 실온의 고요한 공기 중에서 냉각시키는데, 이를 공기 퀜칭(air quenching)이라고 합니다.

2.3 노말라이징의 응용

• 주조품과 단조품에 적용하여 결정립 구조를 미세화하고 응력을 완화합니다.
• 압연, 프레스, 해머링 등 냉간 가공 후에 적용합니다.

3. 경화(Hardening)

경화: 경화 공정의 주 목적은 강철을 단단하고 강하게 만드는 것입니다. 이 공정에서 강철은 상부 임계 온도보다 30~40°C 높게 가열한 후 물이나 기름에서 퀜칭하여 실온까지 연속 냉각합니다. 어닐링의 반대 공정입니다.

3.1 경화의 목적

• 경화를 통해 강철의 경도를 증가시킵니다.
• 내마모성을 부여합니다.
• 강철이 다른 금속을 절삭할 수 있게 합니다.

3.2 경화 절차

강철을 임계 온도 범위 이상으로 가열합니다. 일정 시간 동안 이 온도에서 유지합니다. 그런 다음 퀜칭 매질에서 강철을 급속 냉각시킵니다.

퀜칭 매질은 원하는 경도 정도에 따라 선택됩니다. 공기, 물, 염수, 기름, 용융염이 퀜칭 매질로 사용됩니다. 칼날 같은 얇은 단면은 공기에서 냉각시킵니다. 물은 널리 사용되는 매질이지만 금속 표면에 기포가 형성되는 결과를 낳습니다.

따라서 이를 방지하기 위해 염수 용액을 사용합니다. 기름은 변형이나 균열 위험이 있을 때 사용되며 합금강에 적합합니다. 용융염은 얇은 단면을 냉각하여 균열 없고 내충격성 제품을 얻는 데 사용됩니다.

3.3 경화의 응용

끌, 대형 망치, 수동 망치, 센터 펀치, 탭, 다이, 밀링 커터, 칼날, 기어 등에 적용됩니다.

4. 템퍼링(Tempering)

템퍼링: 경화 공정으로 강철 시편이 경화되면 부서지기 쉽고 높은 잔류 응력을 가지게 됩니다. 퀜칭으로 경화된 강철의 특성을 수정하여 유용성을 높이는 작업입니다.

템퍼링 또는 드로잉(draw)은 경화로 인한 취성을 감소시키고 내부 응력을 제거합니다. 강철은 경화 공정 후 반드시 템퍼링되어야 합니다.

템퍼링은 강철의 유용성에 따라 세 가지 범주로 나뉩니다.

• 저온 템퍼링.
• 중온 템퍼링.
• 고온 템퍼링.

4.1 템퍼링의 목적

• 경화로 인한 내부 응력 완화.
• 취성 감소.
• 연성, 강도, 인성 개선.
• 내마모성 증가.
• 원하는 기계적 특성 획득.

4.2 템퍼링 절차

경화 공정에서 퀜칭된 강철을 사용 온도 범위보다 약간 높지만 하부 임계 온도보다는 낮은 온도로 재가열합니다. 여기서는 온도가 100°C~700°C 범위에서 변합니다.

재가열은 기름 욕조, 용융 납 또는 용융염 욕조에서 수행합니다. 시편이 균일하게 온도에 도달할 때까지 욕조에 유지하며, 시간은 강철의 조성과 원하는 품질에 따라 달라집니다. 이제 시편을 욕조에서 꺼내 정지된 공기 중에서 천천히 냉각시킵니다.

4.3 템퍼링의 응용

경화 공정으로 경화된 절삭 공구, 공구, 기어 등에 적용됩니다.

5. 나이트라이딩(Nitriding)

나이트라이딩은 금속의 표면 또는 케이스를 경화시키기 위해 질소 가스를 사용하는 표면 경화 공정입니다. 이 공정에서 강철은 암모니아 분위기에서 가열됩니다.

이로 인해 질소 원자가 침착되어 재료를 단단하게 만듭니다. 유도 경화와 화염 경화에서는 산소-아세틸렌 화염으로 물체를 가열합니다.

5.1 나이트라이딩의 목적

• 강철 표면을 일정 깊이까지 경화시킵니다.
• 내마모성 및 내피로성 증가.
• 내식성 증가.

5.2 나이트라이딩 절차

450~510°C 사이의 온도를 유지하는 전기로에서 수행됩니다. 부품은 잘 가공되고 마감되어 출입구가 있는 밀폐 용기에 넣고 암모니아 가스를 순환시킵니다.

부품이 든 용기를 로에 넣고 로를 가열하면서 암모니아 가스를 통과시킵니다.

가열 과정에서 암모니아에서 질소 기체가 원자 질소 형태로 방출되어 부품 표면과 반응하여 질화철을 형성합니다.

침투 깊이는 나이트라이딩 온도에서 머문 시간에 따라 달라집니다. 부품을 꺼내면 추가 퀜칭이나 열처리가 필요하지 않습니다.

5.3 나이트라이딩의 응용

• 중탄소 합금강 표면 경화에 적용됩니다.

6. 시아나이징(Cyaniding)

시아나이징: 이 공정에서 강철은 시안화나트륨 분위기에서 가열됩니다. 이로 인해 탄소와 질소 원자가 강철 표면에 침착되어 단단하게 만듭니다.

6.1 시아나이징의 목적

• 이 방법은 기어, 샤프트, 손목 핀 등 중소형 부품의 피로 한계를 높이는 데 효과적입니다.
• 표면 경도 증가.
• 내마모성 증가.
• 경화 표면에 깨끗하고 밝으며 보기 좋은 외관 부여.

6.2 시아나이징 절차

처리할 부품을 950°C에서 유지되는 용융 시안화염 욕조에 담급니다. 사용되는 용융염은 염화나트륨, 탄산나트륨, 시안화나트륨, 소다회입니다.

침지된 제품을 950°C의 용융 시안화염에서 약 15~20분간 둡니다. 시안화나트륨의 분해로 일산화탄소에서 질소와 탄소가 나와 표면으로 확산되어 표면을 경화시킵니다. 부품을 욕조에서 꺼내 물이나 기름에서 퀜칭합니다.

6.3 시아나이징의 응용

• 기어, 부싱, 나사, 핀, 소형 수공구 등 얇고 단단한 내마모 표면이 필요한 소형 제품에 적용됩니다.

7. 침탄(Carburising)

침탄: 이 공정에서 강철은 탄소 분위기에서 가열됩니다. 이로 인해 탄소 원자가 금속 표면에 침착되어 단단하게 만듭니다.

8. 케이스 경화 또는 표면 경화

이 공정의 주 목적은 강철의 외부 표면만 단단하게 하고 내부 코어는 부드럽게 유지하는 것입니다. 강철 표면층을 탄소로 포화시키는 침탄 공정이나, 케이스를 경화시키고 코어를 부드럽게 유지하는 기타 공정입니다.

8.1 케이스 경화의 목적

• 기계 부품에 단단하고 내마모성 있는 표면 획득.
• 케이스 경화를 통해 강한 코어 획득.
• 코어에서 더 높은 피로 한계와 높은 기계적 특성 획득.

강철 열처리의 목적

다음은 열처리의 목적들입니다.

• 인장 강도, 경도, 연성, 충격 저항, 내식성 등 기계적 특성 개선.
• 가공성 개선.
• 냉간 또는 열간 가공 중 유도된 금속의 내부 응력 완화.
• 결정립 크기 변경 또는 미세화.
• 자기적 및 전기적 특성 개선.
• 내마모성 및 내식성 증가.
• 표면 경도 증가.

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결론

이제 열처리 공정에 대한 모든 의문이 해소되었기를 바랍니다. 여전히 열처리 공정 또는 방법, 유형, 응용에 대해 의문이 있으시면 댓글로 문의해 주세요.

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