열처리 종류별 방법 [계단열처리, 표면경화 열처리]

열처리 종류별 방법 [계단열처리, 표면경화 열처리]

열처리 방법

    열처리(熱處理 heat treatment 가열·냉각을 이용하여 공업재료의 특성을 향상시키는 기술) 종류
가열·냉각을 이용하여 공업재료의 특성을 향상시키는 기술. 물질을 가열하거나 냉각시키면 내부구조(조직)에 변화가 일어나서 성질이 현저하게 개량되는 경우가 있다. 철강재료는 열처리에 의해 특성을 대폭 변환시킬 수 있는 대표적인 재료인데, 자유자재로 변형시킬 수 있도록 유연하게 할 수도 있고, 반대로 철강 자체를 깎을 수 있을 정도로 단단하게 만들 수도 있다. 〔그림 1〕의 ① 은 풀림(annealing)을 나타낸 것으로 주조조직이나 단조조직 등이 풀림처리에 의해 표준 조직으로 되기 때문에 본래의 열처리에 앞서서 풀림처리를 한다. ② 는 담금질·뜨임처리로 약 900℃의 고온에서 급랭시키면 철강에 특유한 상변화(마텐자이트변태)가 일어나 매우 단단한 조직이 되며, 200∼600℃에서 재가열(뜨임)하여 강인강(强靭鋼)을 만든다. 두랄루민(duralumin)은 항공기의 기체 등에 사용되는 대표적인 알루미늄합금인데 이 재료도 열처리에 의해 현저하게 강화된 것이다. 〔그림 2〕의 ① 처럼 먼저 고온(단, 녹는점 이하)에서 가열한 후 급랭시킨다. 이 처리에 의해 알루미늄 결정 속에 합금원자가 여분으로 녹아들어 과포화고용체가 된다. 여기까지의 열처리를 용체화처리(solution treatment)라고 한다. 다음에 100℃ 정도로 재가열(시효처리)하면 녹아들어가 있던 여분의 합금원자가 미세한 독자적인 결정을 조직하여 석출되는데, 그 결과 알루미늄결정이 현저하게 강화된다. 이러한 현상을 석출경화라 하며 알루미늄합금뿐만 아니라 파인세라믹스 재료의 강화에도 매우 유효한 열처리이다. 또한 석출에 의해 세기와 물리적 특성도 개선되기 때문에 자석재료의 열처리에도 널리 응용되고 있다. ② 는 가공법과 열처리법을 조합시켜서 결정입자를 미세화하는 방법을 나타낸 것이다. 일반적으로 재료는 결정입자가 세립일수록 강인해지기 때문에 최근의 구조용재료는 가공열처리를 통해 결정입자를 1㎛ 정도로 제어하고 있는 것이 많다.

               

〔그림 1〕철강...              〔그림 2〕용체... 

철강 재료는 같은 성분이라도 열처리 방법에 따라 조직이 크게 달라질 수 있다.
따라서 열처리를 알맞게 하면 필요에 따라 철강 재료의 기계적 성질과 그 밖의 성질을 변화시켜 사용 용도에 따라 효과적으로 이용할 수 있다. 열처리는 이와 같이 재료에 특별한 성질을 부여하는 것이라 정의할 수 있으며 다음과 같이 분류한다.
1. 계단 열처리(interrupted heat treatment)
2. 항온 열처리(isothermal heat treatment)
3. 연속 냉각 열처리(continuous cooling heat treatment)
4. 표면 경화 열처리(surface hardening heat treatment)
이중 기어를 열처리하는데 주로 쓰이는 계단 열처리와 표면 경화 열처리에 대해서만 알아보도록 하겠다.

1. 계단 열처리
① 담금질(quenching)
강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤, 마텐자이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시키는 열처리 방법이다. 담금질은 강의 경도와 강도를 증가시키기 위한 것이다. 
강의 담금질 온도가 너무 높으면 강의 오스테나이트 결정 입자가 성장하여 담금질후에도 기계적 성질이 나빠지고 균열이나 변형이 일어나기 쉽다. 따라서 담금질 온도에 주의해야 한다.

금속재료를 고온으로 가열한 뒤, 갑자기 식혀 도중의 전이를 막음으로써 고온에서 안정된 상태 또는 중간상태를 실온으로 유지시키는 조작. 강철인 경우는 담금질을 함으로써 고온에서 저온으로의 변화가 일부 저지되어 단단한 마르텐사이트가 얻어지며, 이상 경도가 수반되므로 담금질을 경화(硬化)라고도 한다. 동시에 부피팽창이 일어나므로, 담금질에 얼룩이 생기면 작은 균열이 생길 위험성이 있다. 듀랄루민 등에서는 고용체가 과포화상태에서 동결되며, 이 시효경화(時效硬化)를 이용한다. 급랭법(急冷法)은 식염수·기름·융해염·융해금속 속에 담그거나 공기·수소 등을 세게 뿌려서 실시한다.

② 뜨임(tempering)
담금질한 강은 경도가 증가된 반면 취성을 가지게 되고, 표면에 잔류 응력이 남아 있으면 불안정하여 파괴되기 쉽다. 따라서 적당한 인성을 재료에 부여하기 위해 담금질 후에 반드시 뜨임 처리를 해야한다. 즉 담금질 한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류 응력을 감소시켜, 필요로 하는 성질과 상태를 얻기 위한 것이 뜨임의 목적이다. 담금질한 강을 적당한 온도까지 가열하여 다시 냉각시킨다.

열처리의 일종. 담금질한 강철은 너무 딱딱하여 저항력이 약하므로 이것을 다시 가열, 적당한 경도(硬度)로 만들어 주는 것을 말하는데, 현재는 일반적으로 담금질에 의해 얻은 비평형상태를 재가열하여 평형인 상태로 조절해 주는 조작을 총칭한다. 보통 150∼200℃(α마텐자이트가 β마텐자이트로 변화), 또는 400∼650℃(소르바이트, 트루스타이트의 생성)로 가열하면 마텐자이트 및 잔류 오스테나이트는 페라이트와 시멘타이트로 분해되고 또 다른 화합물의 석출이 일어난다. 탄소강(炭素鋼)의 질을 조절하는 목적은 인성(靭性)의 향상과 경도의 저하에 있는데 중간 온도에서 했을 때는 인·안티몬 등의 불순물이 석출되고, 오히려 저항력이 약해진다. 마레이징강(鋼)과 같은 합금강이나 알루미늄합금, 티탄합금 등에서는 화합물 등의 석출에 의한 경화를 목적으로 하는 것을 시효경화(時效硬化) 또는 시효처리라고 부른다. 데비트로세라믹스(결정화유리)의 결정화처리도 일종의 경화이다.

③ 풀림(annealing)
일반적으로 풀림이라 하면 완전 풀림(full annealing)을 말한다. 주조나 고온에서 오랜 시간 단련된 금속재료는 오스테나이트 결정 입자가 커지고 기계적 성질이 나빠진다. 재료를 일정 온도까지 일정 시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료가 연화된다. 이러한 목적을 위한 열처리 방법을 풀림이라 부른다. 풀림의 목적을 다음과 같이 정리할 수 있다.
a) 단조나 주조의 기계 가공에서 발생한 내부 응력 제거
b) 열처리로 인해 경화된 재료의 연화
c) 가공이나 공작으로 경화된 재료의 연화
d) 금속 결정 입자의 미세화

열처리의 일종. 열적으로 평형상태가 되도록 고온으로 가열하는 조작의 총칭이다. 흔히 가열한 뒤 천천히 식힘에 따라 재료가 연화(軟化)되며, 설담금(금속·유리 등을 가열하였다가 서서히 식히는 처리법)이라고도 한다. 담금질과 조합시킨 재료의 강도·인성(引性) 등의 향상을 목적으로 행할 때는 이 조작으로 담금질한 금속을 다시 열처리한다. 본디 설담금-설담금 재열처리하여 소성(塑性)변형 등에 따라 경화된 강철을 뜨겁게 달군 뒤, 짚단 속에 넣는 등으로 서서히 식혀 연화시키는 것을 의미하였다. 이것은 오늘날 강철의 완전한 설담금질로 불려지는 것으로, ＜오스테나이트＞에서 비교적 거친 ＜파라이트＞를 생성시키는 것에 대응된다. 이것에 의해 가공하여 일그러짐 등이 제거되고, 기계 가공이 용이해진다. 균질화 설담금이란 고온으로 원자의 확산을 일으켜, 응고된 재료 등 속에 있는 어떤 성분 원소의 불균질(편석)을 없애기 위한 것이다. 따라서 이 처리에는 비교적 긴 시간이 필요하다. 강철의 침탄·탈탄을 위한 고온 유지나 반도체 소자용 규소에 불순물을 첨가하기 위한 고온 유지 등도 확산을 목적으로 하는 것으로, 경우는 확산설담금이라 한다. 이온 집어넣기로 불순물을 첨가시키는 등 반도체소자에는 격자결함(格子缺陷)을 소멸시키기 위해 풀림(anneal)을 하게 되는데, 이 영어의 개념은 설담금과 거의 같다. 소성변형 또는 용접 등에 의해 생긴 잔류 응력을 떨어뜨리기 위해 응력 제거 설담금이 행해진다. 이때는 조직의 변화를 최소화하기 위해 비교적 저온 가열하는 것으로, 저온 설담금이라 부른다. 금속을 선이나 판으로 가공할 때, 1회만의 소성가공으로는 목적하는 모양을 만들기 어려운 경우가 많다. 이때는 소성가공 후 재결정이 생길 정도의 고온으로 가열해 설담금질 하고, 다시 한 번 더 가공한다. 조작을 반복해 목적하는 모양으로 만드는 처리를 재결정 설담금질이라 하고, 재결정에 의해 완전한 연화·새로운 결정립 형성·집합조직의 변화가 생기게 된다.

④ 불림(normalizing)
불림의 목적은 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조 등으로 인한 내부 응력을 제거하며 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질 등을 표준화시키는 데 있다. 강을 불림 처리하면 취성이 저하되고 주강의 경우 주조 상태에 비해 연성이나 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선된다. 재료를 변태점 이상의 적당한 온도로 가열한 다음 일정 시간 유지시킨 후 공기 중에서 냉각시킨다. 이렇게 하여 미세하고 균일하게 표준화된 금속 조직을 얻을 수 있다.
 
강(鋼) 열처리의 일종. 노멀라이징이라고도 한다. 강을 오스테나이트가 되는 온도까지 가열하여 충분히 오스테나이트화 한 다음, 천천히 공기 중에서 냉각시켜, 층 간격이 미세한 펄라이트를 생성시키는 조작이다. 가열-냉각 2회의 상변태(相變態)에 의해 페라이트와 펄라이트의 결정입자가 미세화하고, 고온으로 유지되기 때문에 합금원소의 분포가 균일화된다. 그 결과 강도·연성 등이 상승하고 강재(鋼材)의 부분적 또는 방향에 따른 성질의 차가 적어진다. 이 조작은 탄소함유량이 약 0.5∼0.9무게％의 탄소강이나 주조한 채로 소성가공을 하지 않고 사용되는 강(鑄鋼)의 열처리로서 특히 중요하다.

※ 담금질은 강(강은 순철과 탄소의 합금을 의미합니다)을 일정온도 이상으로 가열한 다음 빠르게 냉각하는 열처리를 의미합니다. 이와 같이, 가열 후의 빠른 냉각은 쇠를 단단하게 만듭니다. 즉, 경도가 높아지는 것이지요. 그러나 경도가 높은 물질은 깨지기 쉽게 됩니다. (이처럼 경도가 높고 깨지기 쉬운 성질을 취약하다고 표현합니다)

그래서 뜨임을 하는 것인데요. 경도가 높아진 쇠를 적당하게 낮은 온도로 가열하면 강의 높은 경도는 그대로(혹은 아주 조금 낮아 집니다) 유지하는 반면에 강도는 상당히 높아지게 됩니다. 이것처럼 경도도 높고 강도도 높아 '강인한 재질'을 만드는 방법을 마치 밥을 한다음 뜸들이기와 비슷하다고 해서 '뜨임'이라고 합니다. 

뜨임은 강인한 쇠를 만들기 위해서는 담금질 다음으로 꼭 필요한 연속 공정입니다. 그래서 이러한 담금질-뜨임공정을 영어의 머릿글자를 따서 'QT'(Quenching & Tempering)이라고 하고 한자어로 조질(調質)처리라고 합니다.


풀림은 대부분의 금속은 가공을 하면 단단해지는 현상이 생김니다. 이것을 전공용어로 '가공경화'라고 하는데요, 잘 구부러지는 철사를 반복하세 구부렸다 폈다 하면 얼마안가서 끊어지는 원리와 같습니다.

이와 같이 가공(압연이나 단조 등)을 계속하다가 보면 재료가 너무 강해져서 더 이상 가공이 안되어 이것을 조절하기 위해 원래의 재료상태로 되돌려주는 공정이 필요한데 그 공정이 풀림입니다. 우리가 스트레스를 받았을 때 적절하게 놀거나 운동을 하면 풀리게 되지요. 그것과 유사하기 때문에 '풀림'이라고 합니다. 역시 적정한 온도로 가열한 다음 서냉을 하게 됩니다.

2. 표면 경화 열처리
표면 경화 열처리는 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위한 방법으로 크게 화학적 방법과 물리적 방법으로 나눌 수 있다. 기어에 적용되는 화학적 방법에는 침탄법(carburizing)과 질화법(nitriding)이 있고, 물리적 방법에는 고주파 표면 경화법(induction hardening)이 있다.
① 침탄법
침탄이란 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위해 다음과 같은 단계를 사용하는 방법이다. 탄소함유량이 0.2% 미만인 저탄소강이나 저탄소합금강을 침탄제 속에 파묻고 오스테나이트 범위로 가열한 다음, 그 표면에 탄소를 침입하고 확산시켜서 표면 층만을 고탄소 조직으로 만든다.
침탄 후 담금질하면 표면의 침탄층은 마텐자이트 조직으로 경화시켜도 중심부는 저탄소강 성질을 그대로 가지고 있어 이중 조직이 된다. 표면이 단단하기 때문에 내마멸성을 가지게 되며, 재료의 중심부는 저탄소강이기 때문에 인성을 가지게 된다. 이러한 성질 때문에 고부하가 걸리는 기어에는 대개 침탄 열처리를 사용한다.
침탄법은 침탄에 사용되는 침탄제에 따라 고체침탄과 액체침탄과 가스 침탄으로 나눈다. 특별히 액체 침탄의 경우, 질화도 동시에 어느 정도 이루어지기 때문에 침탄 질화법이라 부른다.

② 질화법
금속 재료 표면에 질소를 침투시켜서 매우 단단한 질소화합물(Fe2N) 층을 형성하는 표면경화법을 질화라 부른다. 이것은 담금질과 뜨임 등의 열처리 후 약 500℃로 장시간 가열한 후 질소를 침투시켜 경화시킨다. 침탄처럼 침탄 후 담금질이 필요 없으므로 다른 열처리 방법에 비해 변형이 매우 작으면 내마멸성과 내식성과 피로 강도 등이 우수하다. 그러나 다른 열처리에 비해 가격이 많이 든다.
질화법은 다음과 같은 특징이 있다.
a) 침탄에 비해 경화층이 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다.
b) 마모나 부식에 대한 저항력이 크다.
c) 담금질이 필요없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장 적다.
d) 600℃ 이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다.

③ 고주파 표면경화법
0.4 - 0.5%의 탄소를 함유한 고탄소강을 고주파를 사용하여 일정 온도로 가열한 후 담금질하여 뜨임하는 방법이다. 이 방법에 의하면 0.4% 전후의 구조용 탄소강으로도 합금강이 갖는 목적에 적용할 수 있는 재료를 얻을 수 있다. 표면 경화 깊이는 가열되어 오스테나이트 조직으로 변화되는 깊이로 결정되므로 가열 온도와 시간 등에 따라 다르다.
보통 열처리에 사용되는 가열 방법은 열에너지가 전도와 복사 형식으로 가열하는 물체에 도달하는 방식을 이용하고 있다. 그러나 고주파 가열법에서는 전자 에너지 형식으로 가공물에 전달되고, 전자 에너지가 가공물의 표면에 도달하면 유도 2차 전류가 발생한다. 이 때 가공물 표면에 와전류(eddy current)가 발생하여 표피효과(skin effect)가 된다. 2차 유도전류는 표면에 집중하여 흐르므로 표면경화에는 다음과 같은 장점이 나타난다.
a) 표면에 에너지가 집중하기 때문에 가열 시간을 단축할 수 있다.
b) 가공물의 응력을 최대한 억제할 수 있다.
c) 가열 시간이 짧으므로 산화나 탈탄 염려가 없다.
d) 값이 싸다.

고주파열처리