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금속 정보/금속 가공

강철의 성질을 바꾸는 열 처리란 구조와 종류에 대해서 철저 해설!

by KaNonx카논 2022. 7. 5.
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강철의 성질을 바꾸는 열 처리란 구조와 종류에 대해서 철저 해설!

강철의 성질을 열에 의해서 바꾸는 것이 금속 가공의 열 처리입니다.

열 처리에는 여러 종류가 있고 그 방법으로 같은 금속이라도 다른 성질을 띠게 되게 만드는 가공이지요.

이번에는 이 열 처리에 주목하며,그 구조와 공법 등 상세히 포스팅하도록 하겠습니다.

 

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열 처리는?


열 처리란 어느 일정 온도 이상이 금속을 가열하고 적당한 방법으로 식힘으로써 

그 성질을 바꾸는 것을 말합니다.

영어로는 heat treatment라고 기재합니다.

물론 의도적으로 하는 것이니까, 성질을 나쁘게 하는 것이 아니라 개선하는 것이 첫째 목적. 

재료의 용도에 발맞추어 금속의 기계적 성질이나 조직을 자유자재로 조절하는 것입니다.

강철의 성질이란?

강철의 성질에는 강함, 경도, 근기, 내충격성, 내마모성, 내 부식성, 내식성, 절삭성, 냉간 가공성 등을 들 수 있습니다.

이들은 열을 넣는 방법이나 온도, 식히는 방법에 의해서 달라 질 수 있습니다.

 


강철의 성질

강도·경도·인간·내충격성·내마모성·내 부식성, 내식성·절삭성·냉간 가공성

강철은 어느 온도에 이르는 것으로 그 조직에 변화가 일어납니다.

이 현상을 변태라고 합니다.

 

그리고 변태를 일으키는 온도를 임계라고 합니다.

묶어서 강철이라 이야기 해도 구성하는 소재의 함유량에 의해서도 임계는 바뀌고,

식히는 방법에 따라서는 성과물도 달라집니다.

 

탄소강을 예로 들어보겠습니다.

이것은 탄소 양과 온도에 따라서 상태가 다릅니다.

 

온도와 탄소 양의 함유율을 바꾸는 것만으로 탄소강은 페라이트와 오스테 나이트,

탄화철, 세멘타이트, 펄라이트와 변화합니다.



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탄소강의 종류

탄소강은 어떻게 성질이 변하는지 아래에서 확인해 보도록 하겠습니다.


① 페라이트
② 오스테 나이트
③ 시멘타이트
④ 펄라이트

① 페라이트
산화철을 주성분으로 한 세라믹의 총칭입니다.

700℃ 정도의 온도 영역에서 발생합니다.

결정 구조가 체심 입방 격자이며, 일명 α철이라고 부릅니다.

② 오스테 나이트
페라이트의 변태 점을 넘어 911℃ 이상이 되었을 때에 생성되는 것을 말합니다.

결정 구조는 면심 입방 격자로 Γ(감마)철이라고도 불립니다.

③ 시멘타이트
오스테 나이트가 발생하는 온도 영역에서 발생하는 탄화철의 금속 조직학적 이름입니다.

페라이트와 마찬가지로 흰색으로 무른 결정이지만 강자성을 나타냅니다.

진주가 돌아오기 전에 오스테 나이트와 혼재해서 출현합니다.

④ 펄라이트
탄소강의 조직의 일종으로 탄소의 양 많은 탄소강으로 봅니다.

페라이트보다 색깔이 검은 것이 특징입니다.

흑요석 등의 유리질 화산암을 1000℃ 정도의 온도에서 구운 때에 발생합니다.

 

열 처리의 종류

열 처리에 의한 강철에 강도와 끈기를 줄 수 있습니다.

어떤 열처리 법이 있는지를 확인해 봅시다.

열 처리의 종류

① 풍림
② 길들이기
③ 담금질
④ 조질

① 풍림
보통 열 처리라 불리는 것의 하나로 강철의 결정 입자를 조정하고 강철을 사용하기 위해서 행하는 것입니다.

영어로는 annealing고 기재하고, JIS기호로는 HA로 표기됩니다.

탄소강의 경우 임계에서 30~50℃ 가열되고, 

오스테 나이트화된 후 원자로 중 냉각해서 오스테 나이트를 변화시킵니다.


■ 풍림의 종류
풍림에는 몇가지 종류가 있습니다.

풍림의 종류

1)완전 풍림
2)구상화 풍림
3)응력 제거 풍림
4)확산 풍림


1)완전 풍림
가장 일반적인 담금질 기법으로 JIS기호로는 HAF로 표기합니다.

임계 이상으로 가열 후, 천천히로 중 냉각하는 것으로

임해(불빛 소실 온도:약 550℃, 불꽃의 색의 온도가 변하지만, 색을 살리지 못한 상태)까지

용광로 속에서 냉각된 후 공기 냉각한 것을 이단 풍림이라고 합니다.

2)구상화 풍림
철로가 열 처리되고 냉각하면 그 구조는 층상이 되거나 바늘 모양이 되는 등 냉각 방법에 의해서 바뀝니다.

이 형상에서는 취약한 것으로 구상화하기 위해서 하는 것이 구형화 풍림입니다.

구상화하려면 가열과 냉각을 반복하거나 하는 방법 등이 있습니다.

JIS기호로는 HAS로 표기합니다.

3)응력 제거 풍림
금속 처리에서 냉간 가공이나 용접 등에서 발생한 열

(잔류 응력:물체 내부에 상사, 외력을 제외한 후에도 보류되는 응력)을 제거하기 위한 풍림을

응력 제거 풍림라고 합니다.

JIS기호로는 HAR이라고 씁니다.

4)확산 풍림
주조 부품에 따라서는 합금 성분의 일부가 조직 구조 내에서 치우침(편석)때문에,

그것을 균일화하기 위한 풍림.

 

JIS기호로는 HAD로 표기합니다.

편석을 해소하려면 임계를 넘어 오랜 시간 가열된 후, 보통의 풍림을 실시합니다.

②길들이기
금속 가공에 의한 영향을 제거하고 결정 입자를 미세화하고 조직의 불확실성을 없애고 

기계적 성질을 향상시키는 열 처리라고 합니다.

영어에서는 normalizing고 기재하고, JIS기호로는 HNR이라고 씁니다.

탄소강으로 제시하면 임계에서 30~50℃ 올리고 가열하여

완전히 오스테 나이트화한 후 냉각을 공중 복사 냉각으로 한 것을 말합니다.

 

 

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③ 담금질
강철을 단단하고 강하게 만드는 열 처리입니다.

영어로는 hardening혹은 quenching이라고 말합니다.

JIS기호로는 HQ로 표기합니다.

이를 탄소강을 참고로하여 구체적으로 살펴봅시다.

우선 강철을 가열해서 오스테 나이트로부터 급격히 냉각해서 마르텐 사이트로 만듭니다.

마르텐 사이트는 딱딱하여 취약(약하다)성질이 있으므로,

다시 30~50℃의 임계 이상으로 강철을 가열하고, 오스테 나이트화하면,

임해 구역(770℃에서 550℃까지 온도 영역)까지는 빨리 냉각하며

위험 구역(담금질 균열이나 담금질 변형 등이 생길 위험이 있는 온도 범위)은 천천히 냉각합니다.

마르텐 사이트가 발생하면 저온고 단단할 때 팽창하므로 급격하게 식히면

담금질 균열이 발생하게 됩니다.


■ 담금질의 종류
담금질에는 강철을 일정 온도에서 담금질 액체 속에 넣어

어느 정도 시간이 지난 후에 올리고 천천히 식히는 방법인 인상 담금질, 또는 시간 담금질이 있습니다.

담금질 액은 일반적으로는 물 또는 기름이 사용됩니다.

물은 급속 냉각에 사용되지만 반면에 강철의 곡선이나 담금질 균열이 발생하기 쉬운 결점도 있습니다.

이에 비해서 기름은 물의 냉각 성능의 3분의 1이라, 

담금질 균열과 곡선이 생기기 어렵습니다.

④ 조질
담금질, 또는 나라시한 강철의 딱딱함을 경감하고,

대신에 점성을 높이기 위하여 행하는 열 처리입니다.

영어에서는 tempering로 표기하며 JIS기호로는 HT로 표기합니다.

강철의 끈기를 높인다는 것은 어떤 느낌일까요?

말하자면, 강철에 힘을 넣었을 때에 한 느낌을 높이는 것입니다.

딱딱하고 약한 강철보다 강하고 유연한 강철은 다루기 쉬우니 말입니다.

 
■ 템퍼의 종류


템퍼에도 몇가지 종류가 있습니다.

강철의 용도로 냉각 방법을 바꾸면 최적의 강철을 얻을 수 있습니다.

템퍼의 종류

1)저온 조질
2)고온 조질
3)템퍼 경화



1)저온 조질
칼이나 게이지 등 상당한 경도와 내마모성을 필요로 하는 것에 실시합니다.

템퍼 온도는 150~200℃, 냉각은 공랭에서 서서히 식힙니다.

담금질 때 발생하는 잔류 응력(이전에 가한 힘이 조직 내부에 남아 있는 힘, 예를 들면 굽힐 때 열 등)을 제거하고 

내마모성을 향상하거나 시간에 의한 치수의 차질을 방지하거나 연삭 균열을 경감할 수 있습니다.

2)고온 조질
기계 구조 부품에 사용되는 강도와 인성(금속의 끈기)를 겸비한 구조용 합금강으로 이용됩니다.

구체적으로는 템퍼 온도 400~650℃부터 급속히 냉각합니다.

 

이 온도대에서 서랭하면 오히려 고온 템퍼 메짐성이 발생합니다.

담금질한 후 400~650℃에서 급랭하는 템퍼 작업을 고온 조질이라고 부릅니다.

 

250~400℃의 온도대에서 조질을 하면 강철이 오히려

약해지기 때문에(저온 템퍼 메짐성) 주의가 필요합니다.



3)템퍼 경화
금속을 과속으로 절삭 가공하는 공구 재료가 되는 합금 공구강을 고속 도강라고 부릅니다만, 

이것들은 텅스텐과 코발트, 크롬 바나듐, 몰리브덴 등이 가해지고 있습니다.

 

이런 강철을 담금질한 뒤 550~600℃에서 조질을 하면 다시 경화됩니다.

이를 템퍼 경화라고 합니다.

 

이 경우, 냉각은 공랭에서 서서히 식힐 필요가 있습니다.

급격하게 펴서 식혀야 템퍼 균열이 발생합니다.

 


그 외에 다른 열 처리

상기 외에도 등온 열 처리(등온 풍림, 등온 담금질)과 침탄, 

질화 등의 화학적 표면 경화법, 고주파 담금질 불꽃 담금질 등으로 대표되는 물리적 표면 경화 법이 있습니다.

 

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정리
이상 열 처리에 언급해 보았습니다.

우선 열 처리하는 강철의 구조에 변화가 생기는 것을 알았습니다.

임계에 대해서 이해하여 생성하고 있는 소재의 함유량에 의해서 물질의 성질이 다르다는 것을 살리고,

강철의 성질을 조정할 수 있습니다.

 

 

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