강철 어닐링: 강도, 연성, 가공성 향상의 열처리 기술

강철의 어닐링

금속이 냉간 가공(상온 변형)되면 변형으로 인한 전위 밀도 증가로 미세조직이 심하게 왜곡됩니다. 냉간 가공은 가공 경화 또는 변형 경화라고도 합니다. 금속이 냉간 가공되면 강도와 경도는 증가하는 반면 연성은 감소합니다. 결국 파손 위험 없이 추가 성형 작업을 수행하기 위해 어닐링이 필요합니다. 또한 일부 강철은 주로 냉간 가공으로 강화됩니다. 이 경우 강철이 사용 중에 눈에 띄게 연화되지 않는 것이 중요합니다.

높이 왜곡된 미세조직을 가진 냉간 가공 강철은 고에너지 상태에 있으며 열역학적으로 불안정합니다. 어닐링은 냉간 가공으로 경화된 금속을 연화시키는 열처리 공정입니다. 어닐링은 (i) 회복, (ii) 재결정, (iii) 입자 성장이라는 세 가지 뚜렷한 공정 단계로 구성됩니다. 저장 에너지의 감소가 구동력을 제공하지만, 어닐링은 일반적으로 상온에서 자발적으로 발생하지 않습니다. 저장 에너지의 감소가 확산에 의해 일어나는데, 확산 공정을 시작하는 데 필요한 활성화 에너지가 상온에서는 일반적으로 불충분하기 때문입니다. 따라서 물질을 더 낮은 에너지 상태로 변환하는 데 필요한 열 활성화 에너지를 제공하기 위해 가열이 필요합니다. 어닐링 동안 내부 격자 변형이 해소됨에 따라 강도는 감소하고 연성은 증가합니다.

회복

회복 단계에서는 내부 결함인 전위들이 더 낮은 에너지 구성으로 재배열됩니다. 그러나 입자 모양과 배향은 동일하게 유지됩니다. 잔류 응력이 크게 감소하지만 강도와 연성은 크게 영향을 받지 않습니다. 회복 과정에서 잔류 응력이 크게 감소하므로, 회복형 공정은 주로 잔류 응력을 감소시키기 위해 수행되며, 응력 부식 균열을 방지하거나 왜곡을 최소화하는 것이 목적입니다. 응력 완화 작업에서는 강도나 경도의 큰 감소 없이 온도와 시간을 제어합니다.

재결정

재결정은 냉간 가공 금속의 매트릭스에서 변형 없는 입자들이 핵생성 및 성장하는 것으로 특징지어집니다. 재결정 동안 심하게 변형된 냉간 가공 입자들은 새로운 변형 없는 입자들로 대체됩니다. 재결정 동안 새로운 배향, 새로운 입자 크기, 새로운 입자 형태가 형성됩니다. 재결정의 구동력은 회복 동안 소모되지 않은 남은 저장 에너지입니다. 강도는 감소하고 연성은 냉간 가공 전 금속 수준과 유사하게 증가합니다.

재결정은 재결정된 금속의 기계적 특성이 냉간 가공 전 금속의 특성에 접근할 때 완료된 것으로 간주됩니다. 재결정과 그로 인한 기계적 연화는 냉간 가공이 공작물의 기계적 특성에 미치는 영향을 완전히 상쇄합니다. 합금(예: 전형적인 강철)의 어닐링 곡선은 회복 동안 기계적 특성의 미미한 변화와 재결정 동안 발생하는 특성의 큰 변화를 보여줍니다. 경도, 항복 강도, 인장 강도, 신율, 단면 수축률과 같은 기계적 특성은 매우 좁은 온도 범위에서 급격히 변합니다. 전기 전도도와 같은 물리적 특성은 회복 동안 크게 증가하지만 재결정 동안에도 계속 증가합니다.

입자 성장

입자 성장은 일부 재결정 입자의 성장으로, 다른 재결정 입자의 희생을 통해서만 일어날 수 있습니다. 미세 입자 크기가 강도와 연성의 최상의 조합을 제공하므로, 거의 모든 경우에 입자 성장은 바람직하지 않은 공정입니다. 과도한 입자 성장은 어닐링 온도에서 물질을 너무 오래 유지함으로써 발생할 수 있지만, 일반적으로 너무 높은 온도에서 가열한 결과입니다.

어닐링의 야금학적 원리

철-탄소 이진 상태도(그림 2)는 어닐링 공정을 더 잘 이해하는 데 사용될 수 있습니다. 어떤 어닐링 공정도 진정한 평형 조건을 달성하지는 못하지만, 이와 매우 근접할 수 있습니다. 다양한 어닐링 유형을 정의할 때 변태 온도 또는 임계 온도가 일반적으로 사용됩니다.

그림 2 철-탄소 이진 상태도

임계 온도

강철 어닐링 논의에서 고려해야 할 임계 온도는 오스테나이트로의 변태 개시와 완료를 정의하는 온도들입니다. 주어진 강철에 대해 임계 온도는 강철이 가열되는지 냉각되는지에 따라 달라집니다. 가열 시 오스테나이트로의 변태 개시와 완료 임계 온도는 각각 초공융강의 경우 Ac1과 Ac3, 과공융강의 경우 Ac1과 Accm(또는 단순히 Acm)으로 표시됩니다. 이 온도들은 냉각 시 오스테나이트로부터의 변태 개시와 완료에 해당하는 임계 온도(초공융강의 경우 각각 Ar3와 Ar1, 과공융강의 경우 Arcm과 Ar1)보다 높습니다. (기호의 'c'와 'r'은 가열을 뜻하는 프랑스어 'chauffage'와 냉각을 뜻하는 'refroidissement'에서 유래했습니다). 이 임계 온도들은 가열 또는 냉각 속도가 무한히 느려질수록 평형 값인 Ae1, Ae3, Aecm으로 수렴합니다. Ae1, Ae3, Aecm 선의 위치는 그림 2에 표시된 철-탄소 이진 상태도의 더 일반적인(준평형) A1, A3, Acm 선과 가깝습니다.

다른 합금 원소들도 이 임계 온도들에 뚜렷한 영향을 미칩니다. 예를 들어 크로뮴(Cr)은 공융 온도인 A1 온도를 높이고, 망간(Mn)은 낮춥니다. 강철의 실제 화학 조성을 사용하여 상한 및 하한 임계 온도를 계산할 수 있습니다. 초공융강의 대략적인 임계 온도를 주는 식은 (i) Ac1(°C) = 723 - 20.7(% Mn) - 16.9(% Ni) + 29.1(% Si) - 16.9(% Cr), 표준편차 ±11.5°C, (ii) Ac3(°C) = 910 - 203(% C) - 15.2(% Ni) + 44.7(% Si) + 104(% V) + 31.5(% Mo), 표준편차 ±16.7°C입니다.

다른 합금 원소들의 존재도 이 임계 온도들에 뚜렷한 영향을 미칩니다. 평형 임계 온도는 일반적으로 동일한 속도의 가열 및 냉각 온도 사이의 중간 지점에 있습니다. 어닐링은 등온 처리와 결합된 다양한 범위의 가열 및 냉각 속도를 포함할 수 있으므로, 기본 개념 논의 시 A1, A3, Acm 온도라는 특정 용어는 덜 사용됩니다.

어닐링 사이클

실제로는 거의 무한한 다양성의 특정 열 사이클이 어닐링의 다양한 목표를 달성하는 데 사용됩니다. 이러한 사이클은 강철이 가열되는 온도와 사용되는 냉각 방법에 따라 몇 가지 넓은 범주로 분류될 수 있습니다. 최대 온도는 (i) 하한 임계 온도인 A1 온도 미만(아임계 어닐링), (ii) A1 온도 이상이지만 상한 임계 온도 미만(초공융강의 A3 온도 또는 과공융강의 Acm)(간계 어닐링), (iii) A3 온도 이상(완전 어닐링)일 수 있습니다.

A1 온도 이상에서는 일부 오스테나이트가 존재하므로, 변태를 통한 냉각 관행은 원하는 미세조직과 특성을 달성하는 데 중요한 요소입니다. 따라서 A1 이상으로 가열된 강철은 매우 느린 연속 냉각 또는 A1 온도 아래에서 원하는 미세조직으로 변태가 합리적인 시간 내에 일어날 수 있는 온도에서의 등온 처리를 받습니다.

특정 조건에서는 두 가지 이상의 이러한 사이클을 결합하거나 연속적으로 사용하여 원하는 결과를 얻을 수 있습니다. 어떤 어닐링 작업의 성공도 적절한 열 사이클의 선택과 제어에 달려 있으며, 이는 야금학적 원리에 기반합니다.

아임계 어닐링

아임계 어닐링은 오스테나이트 형성을 포함하지 않습니다. 강철의 이전 상태는 회복, 재결정, 입자 성장, 탄화물 응집과 같은 열활성화 공정에 의해 수정됩니다. 따라서 강철의 이전 이력이 중요한 요소입니다. 페라이트와 펄라이트를 포함하는 열간 압연 또는 단조 상태의 초공융강에서 아임계 어닐링은 두 성분의 경도를 모두 조정할 수 있지만, 상당한 연화를 위해서는 과도하게 긴 시간이 필요할 수 있습니다.

아임계 처리는 경화되거나 냉간 가공된 강철에 적용할 때 가장 효과적입니다. 이들은 새로운 페라이트 입자를 형성하기 위해 쉽게 재결정되기 때문입니다. 연화 속도는 어닐링 온도가 A1 온도에 접근함에 따라 급격히 증가합니다. 아임계 어닐링 온도에서의 냉각 관행은 확립된 미세조직과 결과적 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다.

간계 어닐링

강철 온도가 A1 온도를 초과하면 오스테나이트가 형성되기 시작합니다. 탄소의 용해도는 A1 온도 근처에서 급격히 증가합니다(거의 1%). 초공융강에서 A1 온도와 A3 온도 사이의 간계 범위 평형 구조는 페라이트와 오스테나이트로 구성되며, A3 온도 이상에서는 구조가 완전히 오스테나이트화됩니다. 그러나 페라이트와 오스테나이트의 평형 혼합물은 즉시 달성되지 않습니다. 예를 들어, 전형적인 공융강의 용체화 속도는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 일반 탄소 공융강의 오스테나이트화 속도-온도 곡선

미용해 탄화물은 지속될 수 있으며, 특히 오스테나이트화 시간이 짧거나 온도가 A1 근처인 경우 오스테나이트가 불균질해집니다. 과공융강에서는 A1 온도와 Acm 온도 사이의 간계 범위에서 탄화물과 오스테나이트가 공존하며, 오스테나이트의 균질성은 시간과 온도에 의존합니다. 오스테나이트화 온도에서 구조의 균질성 정도는 어닐링된 구조와 특성의 개발에 중요한 고려사항입니다. 더 높은 오스테나이트화 온도에서 개발된 더 균질한 구조는 냉각 시 판상 탄화물 구조를 촉진하는 경향이 있는 반면, 간계 범위에서 더 낮은 오스테나이트화 온도는 덜 균질한 오스테나이트를 생성하여 구상 탄화물 형성을 촉진합니다.

강철이 A1 온도 이상으로 가열되어 형성된 오스테나이트는 강철이 A1 온도 아래로 천천히 냉각되면 다시 페라이트와 탄화물로 변태합니다. 오스테나이트 분해 속도와 탄화물 구조가 판상이 될지 구상이 될지의 경향은 주로 변태 온도에 의존합니다. 오스테나이트가 A1 온도 바로 아래에서 변태하면 천천히 분해됩니다. 생성물은 강철 조성과 오스테나이트화 온도에 따라 비교적 조대한 구상 탄화물이나 조대한 판상 펄라이트를 포함할 수 있습니다. 이 생성물은 매우 부드러운 경향이 있습니다.

그러나 A1 온도 바로 아래 온도에서의 낮은 변태 속도는 최대 연화를 원할 경우 등온 처리에서 긴 유지 시간이나 연속 냉각에서 매우 느린 냉각 속도를 필요로 합니다. 등온 처리는 원하는 구조와 연화를 최소 시간 내에 달성하는 면에서 느린 연속 냉각보다 더 효율적입니다. 그러나 때로는 사용 가능한 장비나 어닐링되는 강철 부품의 질량 때문에 느린 연속 냉각이 유일한 실행 가능한 대안이 될 수 있습니다. 변태 온도가 낮아짐에 따라 오스테나이트는 일반적으로 더 빠르게 분해되며, 변태 생성물은 더 단단하고, 더 판상적이며, A1 바로 아래에서 형성된 생성물보다 덜 조대합니다. 더 낮은 변태 온도에서는 생성물이 페라이트와 탄화물의 훨씬 더 단단한 혼합물이 되며, 완전한 등온 변태에 필요한 시간이 다시 증가할 수 있습니다.

여러 강철에 대한 등온 변태(IT) 또는 연속 변태(CT) 조건 하에서 오스테나이트 변태 진행을 보여주는 온도-시간 곡도는 위의 원리를 입증합니다. 이러한 IT 또는 CT 다이어그램은 특정 강종에 대한 어닐링 처리를 설계하는 데 도움이 될 수 있지만, 그 유용성은 제한적입니다. 대부분의 발표된 다이어그램이 완전히 오스테나이트화된 비교적 균질한 조건에서의 변태를 나타내는데, 이는 어닐링에서 항상 바람직하거나 달성 가능한 것은 아니기 때문입니다.

연속 어닐링 공정에서는 이중상 및 삼중상 미세조직을 개발하기 위해 간계 어닐링 관행이 사용됩니다. 이 관행에서는 강철이 간계 온도에서 급속 냉각됩니다. 급속 냉각은 오스테나이트 풀을 마르텐사이트로 변태시킵니다. 최종 미세조직은 페라이트 매트릭스 내의 마르텐사이트 아일랜드로 구성됩니다. 오스테나이트 풀의 합금 함량과 냉각 조건에 따라 오스테나이트가 완전히 변태하지 않을 수 있으며, 미세조직은 페라이트 매트릭스 내의 마르텐사이트/잔류 오스테나이트 영역으로 구성됩니다.

완전 변태 후 냉각

오스테나이트가 완전히 변태한 후에는 실온까지 냉각하는 동안 야금학적으로 거의 변화가 일어나지 않습니다. 극도로 느린 냉각은 탄화물의 일부 응집을 유발하여 결과적으로 강철이 약간 더 연화될 수 있지만, 이 점에서 이러한 느린 냉각은 고온 변태보다 덜 효과적입니다. 따라서 변태가 완료된 후 강철을 변태 온도에서 가능한 한 빠르게 냉각하여 작업에 필요한 총 시간을 최소화하는 데 야금학적 이유는 없습니다.

느린 연속 냉각에 의한 변태가 사용된 경우, 제어 냉각을 중단할 수 있는 온도는 강철의 변태 특성에 따라 달라집니다. 그러나 강철의 질량이나 산화 방지 필요성은 실용적 고려사항으로, 오스테나이트 변태가 중지되는 온도 이하에서도 지연 냉각을 계속해야 할 수 있습니다.

이전 구조의 영향

이전 구조에서 탄화물이 더 미세하고 고르게 분포되어 있을수록, A1 온도 이상에서 형성된 오스테나이트가 완전한 균질성에 더 빠르게 접근합니다. 따라서 이전 구조는 어닐링 반응에 영향을 미칠 수 있습니다. 어닐링된 구조에서 구상 탄화물이 바람직한 경우, A1 온도 바로 아래 온도에서의 예열을 사용하여 후속 가열 시 오스테나이트 내 탄화물 용해를 증가시키기 위해 이전 탄화물을 응집시키는 데 사용하기도 합니다. 미용해 탄화물이나 오스테나이트 내 농도 구배의 존재는 오스테나이트가 변태할 때 판상 구조보다는 구상 구조 형성을 촉진합니다. 구상화를 강화하기 위한 예열은 주로 초공융강에 적용 가능하지만 일부 과공융 저합금강에도 유용합니다.

초임계 또는 완전 어닐링

일반적인 어닐링 관행은 초공융강을 상한 임계 온도(A3) 이상으로 가열하여 완전 오스테나이트화를 달성하는 것입니다. 이 공정을 완전 어닐링이라고 합니다. 초공융강(0.77% C 미만)에서 초임계 어닐링(즉, A3 온도 이상)은 오스테나이트 영역에서 일어납니다(강철이 어닐링 온도에서 완전 오스테나이트 상태). 그러나 과공융강(0.77% C 초과)에서는 어닐링이 A1 온도 이상에서 일어나며, 이는 이중상 오스테나이트-시멘타이트 영역입니다. 그림 4는 그림 2의 철-탄소 이진 상태도에 완전 어닐링을 위한 어닐링 온도 범위를 중첩하여 보여줍니다. 일반적으로 초공융강의 경우 A3 온도보다 50°C 높게, 과공융강의 경우 A1 온도보다 50°C 높게 어닐링 온도를 설정하는 것이 적절합니다.

그림 4 완전 어닐링을 위한 온도 영역을 표시한 철-탄소 이진 상태도

오스테나이트화 시간과 데드 소프트 강철

과공융강은 오스테나이트화 온도에서 장시간 유지함으로써 극도로 부드럽게 만들 수 있습니다. 오스테나이트화 시간의 온도에서의 시간은 실제 경도(예: 241 HB에서 229 HB로의 변화)에만 작은 영향을 미칠 수 있지만, 가공성이나 냉간 성형 특성에 미치는 영향은 상당할 수 있습니다. 장기 오스테나이트화는 과공융강에서 효과적인데, 이는 오스테나이트 내 잔류 탄화물의 응집을 생성하기 때문입니다. 더 조대한 탄화물은 더 부드러운 최종 제품을 촉진합니다. 저탄소강에서는 탄화물이 A1 이상의 온도에서 불안정하여 오스테나이트에 용해되는 경향이 있지만, 용해는 느릴 수 있습니다.

대략 공융 탄소 함량을 가진 강철은 오스테나이트화 시간이 매우 길면 판상 변태 생성물을 형성하는 경향이 있습니다. A1 온도 바로 위 온도에서의 장기간 유지는 단기간 고온 유지만큼 탄화물 용해와 탄소 농도 구배 소산에 효과적일 수 있습니다.

어닐링 지침 원칙

위에서 논의한 야금학적 원리는 다음 7가지 규칙으로 통합되었으며, 이는 성공적이고 효율적인 어닐링 일정 개발을 위한 지침으로 사용될 수 있습니다.

규칙 1 - 오스테나이트화된 강철의 구조가 더 균질할수록, 어닐링된 강철의 구조는 더 완전하게 판상적입니다. 반대로, 오스테나이트화된 강철의 구조가 더 불균질할수록, 어닐링된 탄화물 구조는 더 구상에 가깝습니다.

규칙 2 - 강철에서 가장 부드러운 조건은 일반적으로 A1 온도보다 55°C 미만 높게 오스테나이트화하고 (보통) A1 온도보다 55°C 미만 낮게 변태시킴으로써 개발됩니다.

규칙 3 - A1 온도보다 55°C 이상 낮은 온도에서 완전 변태에 매우 긴 시간이 필요할 수 있으므로, 부드러운 생성물이 형성되는 더 높은 온도에서 대부분의 변태가 일어나게 하고, 변태 완료에 필요한 시간이 짧은 더 낮은 온도에서 변태를 마무리합니다.

규칙 4 - 강철이 오스테나이트화된 후, 어닐링 작업의 총 지속시간을 최소화하기 위해 가능한 한 빠르게 변태 온도로 냉각합니다.

규칙 5 - 원하는 미세조직과 경도를 생성하는 온도에서 강철이 완전히 변태한 후, 어닐링 총 시간을 더욱 단축하기 위해 가능한 한 빠르게 실온으로 냉각합니다.

규칙 6 - 어닐링된 0.7~0.9%C 공구강 및 기타 저합금 중탄소강의 구조에서 판상 펄라이트를 최소화하기 위해, 오스테나이트화 및 변태 전 하한 임계 온도(A1)보다 약 28°C 낮은 온도에서 수 시간 동안 예열합니다.

규칙 7 - 어닐링된 과공융 합금 공구강에서 최소 경도를 얻기 위해, 오스테나이트화 온도에서 장시간(약 10~15시간) 가열한 후 통상적으로 변태시킵니다.

이 규칙들은 강철의 임계 온도와 변태 특성이 확립되었고 등온 처리에 의한 변태가 실행 가능할 때 가장 효과적으로 적용됩니다.

어닐링 온도

실용적인 관점에서 대부분의 어닐링 관행은 경험으로부터 확립되었습니다. 많은 어닐링 용도에서 강철을 지정된 어닐링(오스테나이트화) 온도에서 로 내에서 냉각하도록 지정하는 것으로 충분합니다.

정상 범위의 상한 오스테나이트화 온도를 이용하는 가열 사이클은 펄라이트 구조를 생성합니다. 주로 구상화 구조는 더 낮은 온도를 사용할 때 얻습니다. 합금강을 어닐링하여 특정 미세조직을 얻으려면 어닐링 온도와 냉각 조건을 더 정밀하게 지정해야 합니다.

대다수 강철의 경우, 오스테나이트화 온도로 가열한 후 제어된 속도로 로 내에서 냉각하거나, 더 낮은 온도로 급속 냉각하여 등온 변태를 위해 유지하는 방법으로 어닐링할 수 있습니다. 두 절차 모두 사실상 동일한 경도를 생성합니다. 그러나 등온 변태에는 상당히 더 적은 시간이 필요합니다.

온도 균일성

어닐링 작업 실패에 기여할 수 있는 한 가지 잠재적 요인은 로 내 강철 적재물의 온도 분포에 대한 지식 부족입니다. 한 번에 약 20톤의 강철을 어닐링할 수 있을 만큼 큰 로는 흔합니다. 일부 대형 단조 공장에서는 공작물이 300톤을 초과하기도 합니다. 로가 클수록 적재물 전체에 균일한 온도 조건을 설정하고 유지하기가 더 어렵고, 가열 또는 냉각 중 강철 온도를 변경하기도 더 어렵습니다.

로 열전대는 적재물 위, 아래, 옆 공간의 온도를 나타내지만, 이 온도는 강철 자체의 온도와 28°C 이상 차이날 수 있습니다. 특히 강철이 파이프나 상자 안에 있거나, 봉이나 스트립이 밀집 적재되어 중성 분위기에 있을 때 그렇습니다. 이러한 조건이 존재하면 가열 및 냉각 중 적재물 전체의 온도 분포를 봉, 단조품, 코일 등에 열전대를 배치하여 확인해야 합니다. 좋은 관행은 열전대를 공작물에 점용접하거나 임베디드 열전대(공작물에 드릴링한 구멍에 배치된 열전대)를 사용하는 것입니다. 어닐링 작업 중 로 제어는 로 열전대가 가리키는 온도가 아니라, 강철과 실제로 접촉하는 이러한 열전대들이 가리키는 온도를 기준으로 해야 합니다.

구상화

모든 구상화 활동의 대부분은 강철의 냉간 성형성을 개선하기 위해 수행됩니다. 또한 과공융강과 공구강의 가공성을 개선하기 위해 수행되기도 합니다. 구상화된 미세조직은 재료의 유동 응력을 낮추기 때문에 냉간 성형에 바람직합니다. 유동 응력은 페라이트와 탄화물의 비율과 분포에 의해 결정됩니다. 페라이트의 강도는 입자 크기와 냉각 속도에 의존합니다. 탄화물이 펄라이트의 판상으로 존재하는지 구상으로 존재하는지가 강철의 성형성을 철저히 좌우합니다. 강철은 구상화될 수 있습니다. 즉, 가열 및 냉각하여 페라이트 매트릭스 내 구상 탄화물 구조를 생성할 수 있습니다.

그림 5는 0.77%C를 함유한 공융강의 미세조직으로, 모든 시멘타이트가 구상 형태입니다. 구상화는 여러 방법으로 일어날 수 있습니다. (i) Ae1 바로 아래 온도에서 장시간 유지, (ii) Ac1 바로 위와 Ar1 바로 아래 온도 사이에서 번갈아 가열 및 냉각, (iii) Ac1 바로 위 온도로 가열한 후 로에서 매우 느리게 냉각하거나 Ar1 바로 아래 온도에서 유지, (iv) 모든 탄화물이 용해되는 최소 온도에서 적절한 속도로 냉각하여 탄화물 네트워크 재형성을 방지한 후, 위 첫 번째 또는 두 번째 방법에 따라 재가열(탄화물 네트워크를 포함하는 과공융강에 적용 가능). 그림 5는 초공융강과 과공융강의 구상화에 사용되는 온도 범위를 보여줍니다. 이러한 방법들이 제공하는 구상화 속도는 이전 미세조직에 따라 다소 달라지며, 탄화물 상이 미세하고 분산된 담금질 구조에서 가장 큽니다. 이전 냉간 가공도 아임계 구상화 처리에서 구상화 반응 속도를 증가시킵니다.

임계 온도에 대한 일관된 명칭을 확립하기 어렵다는 점에 유의해야 합니다. 장시간 유지 가열에 대한 논의에서 관심 있는 임계 온도는 평형 온도인 Ae1과 Ae3입니다. 불특정 속도와 불특정 유지 시간으로 가열 및 냉각에 대한 논의에서는 용어가 더 자의적이 됩니다.

그림 5 구상화 미세조직과 구상화 온도 영역을 표시한 철-탄소 이진 상태도

이전 미세조직이 구상화에 미치는 영향은 동일한 시간/온도 가열 사이클을 두 시료(하나는 이전 마르텐사이트 미세조직, 다른 하나는 이전 페라이트-펄라이트 미세조직)에 적용하고 둘 다 700°C에서 21시간 유지하여 확인할 수 있습니다. 이전 마르텐사이트 미세조직을 가진 강철 시료에서는 구상화가 발생한 것을 볼 수 있습니다. 반면, 이전 페라이트-펄라이트 미세조직을 가진 동일 강철에서는 이제 막 시작되었습니다. 700°C에서 200시간 후에는 이전 페라이트-펄라이트 강철에서 구상화 공정이 거의 완료된 것을 볼 수 있습니다. 그러나 펄라이트 영역의 흔적은 여전히 볼 수 있습니다.

완전 구상화를 위해 오스테나이트화 온도는 Ac1 온도 약간 위 또는 Ac1과 Ac3 중간쯤으로 사용합니다. Ac1 약간 위 온도를 사용하려면 적절한 결과를 위해 좋은 적재 특성과 정확한 온도 제어가 필요합니다. 그렇지 않으면 Ac1에 도달하지 못해 오스테나이트화가 일어나지 않을 수 있습니다.

저탄소강은 가공을 위해 구상화되는 경우가 드뭅니다. 구상화 상태에서는 지나치게 부드럽고 '끈적거려' 길고 질긴 칩으로 절삭되기 때문입니다. 저탄소강이 구상화될 때는 일반적으로 심한 변형을 허용하기 위함입니다. 예를 들어, 0.2%C 강관이 2~3패스의 냉간 인발로 생산될 때, 각 패스 후 690°C에서 0.5~1시간 어닐링하면 구상화 구조가 달성됩니다. 최종 제품의 경도는 약 163 HB입니다. 이 상태의 관은 후속 냉간 성형 시 심한 변형을 견딜 수 있습니다. 다른 많은 열처리 유형과 마찬가지로 구상화 후 경도는 탄소와 합금 함량에 의존합니다. 탄소 또는 합금 함량 또는 둘 다를 증가시키면 구상화 후 경도가 증가하며, 일반적으로 163~212 HB 범위입니다.

공정 어닐링

냉간 가공 중 강철의 경도가 증가하면 연성이 감소하고 추가 냉간 압연이 너무 어려워져 강철 소재의 연성을 회복시키기 위해 어닐링해야 합니다. 이러한 공정 단계 사이의 어닐링을 공정 어닐링 또는 단순히 공정 어닐링이라고 합니다. 적절한 처리로 구성될 수 있습니다. 그러나 대부분의 경우 아임계 처리가 적절하고 비용이 가장 적게 들며, 추가 자격 없이 '공정 어닐링'이라는 용어는 일반적으로 공정 내 아임계 어닐링을 지칭합니다. 그림 6은 공정 어닐링에 일반적으로 사용되는 온도 범위를 보여줍니다. 프레스, 헤딩, 압출로 냉간 성형되는 부품에 대해 공정 어닐링을 지정하는 것이 자주 필요합니다. 열간 가공된 고탄소 및 합금강도 균열 방지와 전단, 선삭, 교정을 위한 연화를 위해 공정 어닐링됩니다.

그림 6 공정 어닐링 온도 영역을 표시한 철-탄소 이진 상태도

공정 어닐링은 일반적으로 Ae1 미만 온도로 가열, 적절한 시간 유지, 보통 공랭으로 구성됩니다. 대부분의 경우 Ae1보다 10~20°C 낮은 온도로 가열하면 미세조직 경도와 기계적 특성의 최상의 조합을 생성합니다. 온도 제어는 재료를 Ae1 이상으로 가열하여 어닐링 목적을 무효화하지 않도록 하는 데만 필요합니다.

공정 어닐링이 냉간 톱질 및 냉간 전단과 같은 작업을 위해 단순히 재료를 연화시키기 위해 수행될 때는 Ae1보다 훨씬 낮은 온도가 보통 사용되며 엄격한 제어는 불필요합니다.

와이어 산업에서 공정 어닐링은 원하는 마무리 크기보다 약간 큰 크기로 와이어를 인발한 단계와 마무리 크기로 경감 인발하는 단계 사이의 중간 처리로 사용됩니다. 이렇게 만든 와이어를 공정 어닐링 와이어라고 합니다. 공정 어닐링은 또한 구성이나 크기(또는 둘 다) 때문에 마무리 크기로 인발할 수 없는 충분히 부드러운 와이어 생산에도 사용됩니다. 이는 연성이 부족하거나 물리적 요구사항을 충족하지 못하기 때문입니다. 또한 공정 중 냉간 전단되는 소재는 전단면의 연성을 후속 가공에 적합한 수준으로 높이기 위해 공정 어닐링됩니다.

가공을 위한 어닐링 구조

미세조직과 경도의 다양한 조합을 함께 고려할 때 가공성 측면에서 중요합니다. 많은 관찰을 바탕으로 다양한 탄소 함량 강철의 가공에 최적인 미세조직은 표 1과 같습니다.

표 1 다양한 탄소 함량 강철의 가공 최적 미세조직
순번	탄소 %	최적 미세조직
1	0.06-0.2	열간 압연 상태(가장 경제적)
2	0.2-0.3	75mm 미만 직경 - 노말라이징, 75mm 이상 직경 - 열간 압연 상태
3	0.3-0.4	어닐링, 조대 펄라이트 생성, 최소 페라이트
4	0.4-0.6	조대 판상 펄라이트 ~ 조대 구상화 탄화물
5	0.6-1	100% 구상화 탄화물, 조대 ~ 미세

가공 작업 유형도 하나의 요소입니다. 예를 들어, 특정 기어는 5160급 강관으로 자동 나사 절삭기와 브로칭의 이중 작업으로 제작됩니다. 나사 절삭기 작업은 완전히 구상화된 재료에서 가장 쉽지만, 브로칭에는 펄라이트 구조가 더 적합합니다. 반구상화 구조가 만족스러운 타협안임이 입증되었습니다.

반구상화 구조는 펄라이트 구조를 달성하는 데 사용되는 것보다 낮은 오스테나이트화 온도에서, 때로는 더 높은 냉각 속도에서 달성할 수 있습니다. 위 5160급 강관의 반구상화 구조는 790°C로 가열하고 28°C/시간 속도로 650°C까지 냉각하여 달성됩니다. 이 강철의 경우 약 775°C에서 오스테나이트화하면 더 많은 구상화와 더 적은 펄라이트가 생성됩니다.

중탄소강은 1095, 52100과 같은 고탄소강보다 완전 구상화하기가 훨씬 더 어렵습니다. 구상화 반응을 핵생성하고 촉진할 과잉 탄화물이 없으면, 실제 열처리 사이클에서 펄라이트로부터 완전한 자유를 달성하기가 더 어렵습니다. 낮은 탄소 수준에서는 페라이트 매트릭스 내 조대 펄라이트로 구성된 구조가 가장 가공하기 좋은 것으로 자주 발견됩니다. 일부 합금강에서는 이 유형의 구조를 Ac3 훨씬 위 온도로 가열하여 조대 오스테나이트 입자 크기를 확립한 다음, Ar1 아래에서 유지하여 조대 판상 펄라이트가 형성되도록 함으로써 가장 잘 달성할 수 있습니다. 이 공정을 사이클 어닐링 또는 판상 어닐링이라고도 합니다. 예를 들어, 단조 4620급 강철 기어는 5존 로에서 980°C로 급속 가열하고, 수냉 존에서 625~640°C로 냉각한 후 120~150분간 유지합니다. 결과 구조는 페라이트 매트릭스 내 조대 판상 펄라이트이며 경도는 140~146 HB입니다.