열처리 마스터하기: 공구강 경화 및 템퍼링 실무
학습 목표
이 단원을 완료하면 다음을 수행할 수 있습니다:
- 공구강(Tool Steel)을 올바르게 경화(Hardening)하고 결과 평가하기
- 경화된 공구강을 올바르게 템퍼링(Tempering)하고 결과 평가하기
- 기타 공구강의 적정 열처리 절차 설명하기
안전 수칙
안전한 열처리 작업을 위한 다음 절차를 준수하십시오:
- 내열 보호복, 장갑, 안전 안경, 페이스 실드 착용. 뜨거운 오일 비산으로 화상 방지.
리로 전 배기 팬, 자동 차단 밸브 등 안전 장치 정상 작동 확인.
- 작업에 충분한 냉각수(쿨런트) 확보. 냉각수 부족 시 금속이 최적 속도로 냉각되지 않음.
- 퀜칭(Quenching) 구역 환기 확보로 오일 미스트 농도 관리.
- 로(Furnace) 점화 시 제조사 지침 엄수.
- 오일/가스 로 점화 시 정면에서 벗어나 서 있으십시오.
- 퀜칭 오일에 수분 혼입 금지. 수분 접촉 시 폭발 위험.
- 액체 침탄 포트(Cementing Pot)에서 자재 꺼낼 때 집게(Tongs)가 젖지 않았고 작업에 적합한지 확인.
- 퀜칭액에 적절한 살균제/세균 억제제 혼합 확인.
- 퀜칭 탱크 미사용 시 항상 덮개 덮기.
- 오일 누출·유출 즉시 불연성 흡착재로 청소.
- 공구, 바스켓, 지그, 작업 구역을 오일 오염으로부터 보호.
- 휴식 전, 다음 작업 전 손 깨끗이 씻기.
- 피부 이상 발견/의심 시 강사 보고 및 의료 조치.
- 용융 침탄 염욕로(Fused Carburizing Salt Bath) 퓨흄 흡입 금지. 일산화탄소 발생.
- 작업장 환기 철저.
- 침탄된 금속 조각에 의한 오염 주의.
- 오일 묻은 옷/장비는 음식/음료 구역 반입 금지.
- 오일 사용/보관 구역에 음식/음료 반입 금지.
열처리 절차(Procedure)
강재 열처리 시 가장 먼저 알아야 할 것은 경화 온도(Hardening Temperature)입니다. 많은 강재, 특히 일반적인 공구강은 잘 정립된 경화 온도 범위를 가집니다. O-1 강의 경우 경화 온도는 1450~1500°F (약 788~816°C)입니다.
경화 공정(Hardening Process)
- 안전 최우선: 열처리 온도는 매우 높음. 적절한 복장 착용, 로 주변 정리(미끄럼/넘어짐 방지), 집게(Tongs) 예열 후 가열된 시편 파지.
- 로를 1200°F (약 649°C)로 예열.
- 로 온도 1200°F 도달 시 시편을 로 중앙에 넣어 균일 가열되도록 하고 도어 닫고 대기.
- 시편을 1500°F (약 816°C)까지 가열. 도달 즉시 침적(Soak) 타이밍 시작: 15분~1시간 (강재 두께에 따라 침적 시간 변동).
표 1: 강재 경화·풀림·노말라이징 대략적 침적 시간
| 금속 두께 (인치) |
목표 온도 도달 가열 시간 (시간) |
침적 시간 (시간) |
| 최대 1/8 | 0.06~0.12 | 0.12~0.25 |
| 1/8 ~ 1/4 | 0.12~0.25 | 0.12~0.25 |
| 1/4 ~ 1/2 | 0.25~0.50 | 0.25~0.50 |
| 1/2 ~ 3/4 | 0.50~0.75 | 0.25~0.50 |
| 3/4 ~ 1 | 0.75~1.25 | 0.50~0.75 |
| 1 ~ 2 | 1.25~1.75 | 0.50~0.75 |
| 2 ~ 3 | 1.75~2.25 | 0.75~1.0 |
| 3 ~ 4 | 2.25~2.75 | 1~1.25 |
| 4 ~ 5 | 2.75~3.50 | 1~1.25 |
| 5 ~ 8 | 3.50~3.75 | 1~1.50 |
침적 시간(Soak Time)이란 강재를 목표 온도(여기선 1500°F)에서 유지하는 시간입니다.
- 침적 완료 시 시편을 신속하고 조심스럽게 집게로 꺼내 퀜칭 오일 탱크에 담그십시오. 퀜칭 중 시편을 최대한 움직여 균일 냉각시키십시오.
- 시편 온도가 약 125°F (약 52°C)까지 내려가면 템퍼링 공정 시작. 시편을 375°F (약 191°C) 로에 넣고 2시간 침적 후 꺼내 실온 냉각. 최종 경도 약 60 HRC 기대.
기타 열처리 공정(참고)
오스테나이트화 + 공랭(Austenitize and Air-Cool) = 노말라이징(Normalizing)
- 보통 제조사에서 수행하여 '수령 상태(As-received Condition)'라 불림.
- 1045강 노말라이징 예:
- 오스테나이트화: 1562°F (약 850°C) 오스테나이트 구역에서 1시간 유지, 평형 온도 및 고용체 구조 도달.
- 공랭: 로에서 꺼내 실온까지 공랭.
오스테나이트화 + 로냉(Austenitize and Furnace-Cool) = 풀림(Annealing)
- 어닐링(Annealing)이라고도 함. 강재가 겪는 온도 이력:
- 오스테나이트화: 1562°F에서 1시간 유지.
- 로냉: 로 내에서 천천히 냉각. 1562°F → 1292°F (약 700°C)까지 10시간 소요.
- 공랭: 로에서 꺼내 실온까지 공랭.
오스테나이트화 + 퀜칭(Austenitize and Quench)
- 오스테나이트화: 1562°F에서 1시간 유지.
- 퀜칭: 로에서 신속히 꺼내 실온 물이 담긴 대형 용기에 담그고 격렬히 저어주기(Stir Vigorously). 1045강은 실온 수냉(Water Quench) 사용.
퀜칭(Quench): 로에서 신속히 꺼내 실온 물 대형 수조에 담그고 격렬히 저어주기(Stir Vigorously). (타 강종은 오일, 브라인 등 타 퀜칭 매체 사용)
오스테나이트화 + 퀜칭 + 템퍼링(Austenitize, Quench, and Temper)
- 오스테나이트화: 1562°F에서 1시간 유지.
- 퀜칭: 실온 물에 담그고 격렬히 저어주기.
- 템퍼링(Tempering):
- 템퍼링 온도로 가열 후 약 2시간 유지.
- 1045강 템퍼링 온도 범위: 392~932°F (약 200~500°C).
- 온도에 따라 기계적 성질 변화: 저온 템퍼링 → 높은 항복 강도, 낮은 인성/연성 / 고온 템퍼링 → 낮은 강도, 높은 인성/연성.
- 공랭: 로에서 꺼내 실온까지 공랭.
단원 평가
- 열처리 안전 수칙 5가지를 나열하시오.
- 강재 열처리 시 가장 먼저 알아야 할 것은 무엇인가?
- 두께 1~2인치 금속의 침적 시간(Soak Time)은?
- 침적 시간(Soak Time)이란 무엇인지 설명하시오.
- 침적 시간 완료 후 다음 단계는?
- 템퍼링 시 로 온도는 몇 도로 설정하는가?
- 오스테나이트화 + 퀜칭(Austenitize and Quench) 과정을 설명하시오.
- 공랭(Air-cool)이란 무엇인가?
- 로크웰 경도 시험법(Rockwell Method)을 설명하시오.
- 브리넬 경도 시험법(Brinell Hardness Test)을 설명하시오.
출처 정보
본 단원은 다음 자료를 바탕으로 작성되었습니다.
- 열처리(Heat Treating) - MIT '평탄소강 및 저합금강 열처리(Heat Treatment of Plain Carbon and Low Alloy Steels)', CC:BY-NC-SA 4.0.
- 브리넬 경도 공식 - CORE-Materials '브리넬 경도(Brinell Hardness)', CC:BY.
