강의 열처리.

Ⅰ. 열처리의 기본 개념

A. 열처리의 기본 개념.
기본 요소 및 기능열처리:
1. 난방
균일하고 미세한 오스테나이트 구조를 얻는 것이 목적이다.
2. 홀딩
목표는 작업물이 완전히 가열되도록 하고 탈탄과 산화를 방지하는 것입니다.
3.냉각
목표는 오스테나이트를 다양한 미세구조로 변환하는 것입니다.
열처리 후 미세구조
가열 및 유지 후 냉각 과정에서 오스테나이트는 냉각 속도에 따라 서로 다른 미세조직으로 변태합니다. 미세조직에 따라 각기 다른 특성을 보입니다.
B. 열처리의 기본 개념.
가열 및 냉각 방법과 강의 미세조직 및 특성에 따른 분류
1. 일반 열처리(전체 열처리): 템퍼링, 어닐링, 노멀라이징, 담금질
2. 표면 열처리: 표면 담금질, 유도 가열 표면 담금질, 화염 가열 표면 담금질, 전기 접촉 가열 표면 담금질.
3.화학 열처리:탄소화, 질화, 탄소질화.
4. 기타 열처리: 제어 분위기 열처리, 진공 열처리, 변형 열처리.

C. 강의 임계 온도

강의 입도 온도

강의 임계 변태 온도는 열처리 중 가열, 유지, 냉각 과정을 결정하는 중요한 기준입니다. 이 온도는 철-탄소 상태도에 의해 결정됩니다.

주요 결론:강의 실제 임계 변태 온도는 항상 이론적인 임계 변태 온도보다 낮습니다. 즉, 가열 시에는 과열이 필요하고, 냉각 시에는 과냉각이 필요합니다.

Ⅱ. 강의 어닐링 및 정규화

1. 어닐링의 정의
어닐링은 강철을 임계점 Ac₁보다 높거나 낮은 온도로 가열하여 해당 온도를 유지한 다음, 보통 용광로 안에서 천천히 냉각하여 평형에 가까운 구조를 얻는 과정입니다.
2. 어닐링의 목적
① 가공 경도 조절 : 가공 가능한 경도를 HB170~230 범위로 조절합니다.
② 잔류응력 완화 : 후속 공정에서 변형이나 균열이 발생하는 것을 방지합니다.
③입자구조 미세화 : 미세구조를 개선합니다.
④최종 열처리 준비: 후속 담금질 및 템퍼링을 위한 입상(구형) 펄라이트를 얻습니다.

3.구형화 어닐링
공정 사양: 가열 온도는 Ac₁ 지점 근처입니다.
목적: 강철 내의 세멘타이트나 탄화물을 구형화시켜 입상(구형화된) 펄라이트를 생성합니다.
적용 범위: 공석 및 과공석 조성의 강철에 사용됨.
4. 확산 어닐링(균질화 어닐링)
공정 사양: 가열 온도는 상평형도의 용매선보다 약간 낮습니다.
목적: 분리를 없애는 것입니다.

가열 냉각

①저온용탄소강탄소 함량이 0.25% 미만인 경우, 예비 열처리로서 어닐링보다 정규화가 더 선호됩니다.
②탄소 함량이 0.25%~0.50%인 중탄소강의 경우, 예비 열처리로 어닐링이나 정규화를 사용할 수 있습니다.
③탄소함량이 0.50%~0.75%인 중·고탄소강의 경우에는 완전소둔을 권장합니다.
④고온용탄소강탄소 함량이 0.75% 이상인 경우, 먼저 정규화를 통해 네트워크 Fe₃C를 제거한 다음 구형화 어닐링을 실시합니다.

Ⅲ. 강의 담금질 및 템퍼링

온도

A. 담금질
1. 담금질의 정의: 담금질은 강철을 Ac₃ 또는 Ac₁점 이상의 특정 온도로 가열하고, 그 온도에서 유지한 다음, 임계 냉각 속도보다 빠른 속도로 냉각하여 마르텐사이트를 형성하는 것을 말합니다.
2. 담금질의 목적: 담금질의 주요 목적은 마르텐사이트(또는 경우에 따라 저베이나이트)를 생성하여 강의 경도와 내마모성을 향상시키는 것입니다. 담금질은 강의 가장 중요한 열처리 공정 중 하나입니다.
3. 다양한 유형의 강의 담금질 온도 결정
아공정강: Ac₃ + 30°C ~ 50°C
공석강 및 과공석강: Ac₁ + 30°C ~ 50°C
합금강: 임계온도보다 50°C~100°C 높음

4. 이상적인 담금질 매체의 냉각 특성:
"코" 온도에 도달하기 전에 천천히 냉각: 열 스트레스를 충분히 줄이기 위함입니다.
"코" 온도 근처에서 높은 냉각 용량: 비마르텐사이트 구조 형성을 방지합니다.
M₅점 근처의 느린 냉각: 마르텐사이트 변형으로 인한 응력을 최소화합니다.

냉각 특성
담금질 방법

5. 담금질 방법 및 그 특징:
①간단 담금질: 조작이 간편하고 작고 단순한 형상의 가공물에 적합합니다. 그 결과 생성되는 미세조직은 마르텐사이트(M)입니다.
②이중 담금질: 더 복잡하고 제어하기 어려운 공정으로, 복잡한 형상의 고탄소강과 대형 합금강 가공물에 사용됩니다. 그 결과 생성되는 미세조직은 마르텐사이트(M)입니다.
③파괴 담금질: 크고 복잡한 형상의 합금강 가공물에 사용되는 더욱 복잡한 공정입니다. 그 결과 생성되는 미세조직은 마르텐사이트(M)입니다.
④등온 담금질: 작고 복잡한 형상의 높은 요구 조건을 가진 가공물에 사용됩니다. 그 결과, 하부 베이나이트(B) 미세조직이 형성됩니다.

6. 경화성에 영향을 미치는 요인
경화능은 강의 과냉각 오스테나이트 안정성에 따라 달라집니다. 과냉각 오스테나이트의 안정성이 높을수록 경화능이 우수하고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
과냉각 오스테나이트의 안정성에 영향을 미치는 요인:
C-커브의 위치: C-커브가 오른쪽으로 이동하면 담금질을 위한 임계 냉각 속도가 감소하여 경화성이 향상됩니다.
주요 결론:
C-커브를 오른쪽으로 이동시키는 모든 요소는 강철의 경화성을 증가시킵니다.
주요 요인:
화학적 구성: 코발트(Co)를 제외한 모든 합금 원소는 오스테나이트에 용해되어 경화능을 증가시킵니다.
탄소강의 탄소 함량이 공석 조성에 가까울수록 C-커브는 오른쪽으로 이동하고 경화성이 높아집니다.

7. 경화능의 결정 및 표현
① 최종 담금질성 시험: 최종 담금질성은 최종 담금질 시험법을 사용하여 측정합니다.
②임계 담금질 직경법: 임계 담금질 직경(D₀)은 특정 담금질 매체에서 완전히 경화될 수 있는 강의 최대 직경을 나타냅니다.

경화성

B.템퍼링

1. 템퍼링의 정의
템퍼링은 담금질된 강철을 A₁점 아래의 온도로 다시 가열하고, 그 온도에서 유지한 후 실온으로 냉각하는 열처리 공정입니다.
2. 템퍼링의 목적
잔류응력 감소 또는 제거: 작업물의 변형이나 균열을 방지합니다.
잔류 오스테나이트를 줄이거나 제거: 가공물의 치수를 안정화합니다.
담금질된 강의 취성 제거: 작업물의 요구 사항을 충족하도록 미세조직과 특성을 조정합니다.
중요 참고 사항: 강철은 담금질 후 즉시 담금질을 해야 합니다.

3. 템퍼링 공정

1. 낮은 템퍼링
목적: 담금질 응력을 줄이고, 가공물의 인성을 향상시키고, 높은 경도와 내마모성을 달성합니다.
온도: 150°C ~ 250°C.
성능: 경도: HRC 58 ~ 64. 높은 경도와 내마모성.
용도: 도구, 금형, 베어링, 탄소화 부품, 표면 경화 구성품.
2. 고온 템퍼링
목적: 충분한 강도와 경도와 함께 높은 인성을 얻는다.
온도: 500°C ~ 600°C.
성능: 경도: HRC 25 ~ 35. 전반적인 기계적 특성이 양호합니다.
적용 분야: 샤프트, 기어, 커넥팅로드 등
열 정제
정의: 담금질 후 고온 템퍼링을 하는 것을 열 정련 또는 간단히 템퍼링이라고 합니다. 이 공정으로 처리된 강은 전반적인 성능이 우수하여 널리 사용됩니다.

4. 강의 표면 열처리

A. 강의 표면 담금질

1. 표면 경화의 정의
표면 경화는 가공물의 표면층을 오스테나이트로 빠르게 가열한 후 빠르게 냉각하여 표면층을 강화하는 열처리 공정입니다. 이 공정은 강의 화학적 조성이나 재료의 핵심 구조를 변화시키지 않고 수행됩니다.
2. 표면 경화 및 후 경화 구조에 사용되는 재료
표면 경화에 사용되는 재료
대표적인 재료: 중탄소강 및 중탄소 합금강.
전처리: 일반적인 공정: 템퍼링. 핵심 특성이 중요하지 않은 경우, 노멀라이징을 대신 사용할 수 있습니다.
경화 후 구조
표면 구조: 표면층은 일반적으로 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 경화된 구조를 형성하여 높은 경도와 내마모성을 제공합니다.
심부 구조: 강의 심부는 일반적으로 전처리 공정 및 모재의 특성에 따라 펄라이트 또는 템퍼링 상태와 같은 원래 구조를 유지합니다. 이를 통해 심부는 우수한 인성과 강도를 유지합니다.

B.유도 표면 경화의 특성
1. 높은 가열 온도와 빠른 온도 상승: 유도 표면 경화는 일반적으로 높은 가열 온도와 빠른 가열 속도를 수반하므로 짧은 시간 내에 빠른 가열이 가능합니다.
2. 표층의 미세 오스테나이트 결정립 구조: 급속 가열 및 후속 담금질 과정에서 표층에 미세 오스테나이트 결정립이 형성됩니다. 담금질 후 표면은 주로 미세 마르텐사이트로 구성되며, 경도는 일반적으로 일반 담금질보다 2~3 HRC 높습니다.
3. 표면 품질이 양호합니다. 가열 시간이 짧기 때문에 가공물 표면의 산화 및 탈탄이 적고 담금질로 인한 변형이 최소화되어 표면 품질이 양호합니다.
4. 높은 피로 강도: 표면층의 마르텐사이트 상변태로 인해 압축 응력이 발생하여 공작물의 피로 강도가 증가합니다.
5. 높은 생산 효율성: 유도 표면 경화는 대량 생산에 적합하며 높은 운영 효율성을 제공합니다.

C. 화학 열처리의 분류
침탄, 침탄, 침탄, 크롬 도금, 실리콘 도금, 실리콘 도금, 실리콘 도금, 침탄질화, 붕소 침탄

D.가스 침탄
가스 침탄은 가공물을 밀폐된 가스 침탄로에 넣고 강을 오스테나이트로 변태시키는 온도까지 가열하는 공정입니다. 그런 다음, 침탄제를 노에 적하하거나 침탄 분위기를 직접 도입하여 탄소 원자가 가공물 표면층으로 확산되도록 합니다. 이 공정은 가공물 표면의 탄소 함량(wc%)을 증가시킵니다.
√침탄제:
•탄소가 풍부한 가스: 석탄가스, 액화석유가스(LPG) 등
• 유기 액체: 등유, 메탄올, 벤젠 등
√침탄 공정 매개변수:
•탄소침탄온도 : 920~950°C.
•탄소침탄 시간: 원하는 탄화층 깊이와 탄화 온도에 따라 달라집니다.

E. 침탄 후 열처리
강철은 탄소침탄 후 열처리를 거쳐야 합니다.
침탄 후 열처리 공정:
√담금질 + 저온 템퍼링
1. 예냉 후 직접 담금질 + 저온 템퍼링: 가공물을 침탄 온도에서 코어의 Ar₁ 온도 바로 위까지 예냉한 후 바로 담금질하고, 160~180°C에서 저온 템퍼링을 실시합니다.
2. 예냉 후 단일 담금질 + 저온 템퍼링: 탄화 처리 후, 가공물을 천천히 실온까지 냉각한 후 다시 가열하여 담금질하고 저온 템퍼링합니다.
3. 예냉 후 이중 담금질 + 저온 템퍼링: 탄화 및 완냉 후, 가공물은 두 단계의 가열 및 담금질 과정을 거친 후 저온 템퍼링을 실시합니다.

Ⅴ. 강의 화학 열처리

1. 화학 열처리의 정의
화학 열처리는 강철 소재를 특정 활성 매체에 넣고 가열하여 일정 온도로 유지하는 열처리 공정입니다. 이렇게 하면 매체 내 활성 원자가 소재 표면으로 확산됩니다. 이로 인해 소재 표면의 화학적 조성과 미세 구조가 변화하여 소재의 특성이 변화합니다.
2. 화학 열처리의 기본 공정
분해: 가열하는 동안 활성 매질이 분해되어 활성 원자가 방출됩니다.
흡수: 활성 원자는 강철 표면에 흡착되어 강철의 고용체에 용해됩니다.
확산: 강철 표면에 흡수되어 용해된 활성 원자가 내부로 이동합니다.
유도 표면 경화 유형
a. 고주파 유도 가열
현재 주파수: 250~300 kHz.
경화층 깊이: 0.5~2.0 mm.
적용 분야: 중소형 모듈 기어 및 소형에서 중형 샤프트.
b.중주파 유도가열
현재 주파수: 2500~8000 kHz.
경화층 깊이: 2~10 mm.
적용 분야: 대형 샤프트 및 대형~중형 모듈 기어.
c. 전력 주파수 유도 가열
현재 주파수: 50Hz.
경화층 깊이: 10~15 mm.
적용 분야: 매우 깊은 경화층이 필요한 작업물.

3. 유도 표면 경화
유도 표면 경화의 기본 원리
피부 효과:
유도 코일에 교류 전류가 흐르면 작업물 표면에 전류가 유도되는데, 유도 전류의 대부분은 표면 근처에 집중되고 작업물 내부로는 전류가 거의 흐르지 않습니다. 이러한 현상을 표피 효과라고 합니다.
유도 표면 경화의 원리:
표피 효과에 기반하여, 가공물 표면은 오스테나이트화 온도(몇 초 만에 800~1000°C까지 상승)까지 빠르게 가열되고, 가공물 내부는 거의 가열되지 않은 상태로 유지됩니다. 이후 물을 분사하여 가공물을 냉각시켜 표면 경화를 달성합니다.

기질의 취약성

4. 기질의 취약성
담금질 강의 템퍼링 취성
템퍼링 취성이란 특정 온도에서 템퍼링했을 때 담금질된 강의 충격 인성이 크게 감소하는 현상을 말합니다.
첫 번째 유형의 템퍼링 취성
온도 범위: 250°C ~ 350°C.
특징: 담금질된 강철을 이 온도 범위에서 템퍼링하면 이러한 유형의 템퍼링 취성이 발생할 가능성이 높으며 이는 제거할 수 없습니다.
해결책: 이 온도 범위에서 담금질한 강철을 템퍼링하지 마십시오.
첫 번째 유형의 템퍼링 취성은 저온 템퍼링 취성 또는 비가역 템퍼링 취성으로도 알려져 있습니다.

Ⅵ.템퍼링

1. 템퍼링은 담금질 후의 최종 열처리 공정입니다.
담금질된 강철에 템퍼링이 필요한 이유는 무엇인가?
담금질 후 미세조직: 담금질 후 강의 미세조직은 일반적으로 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트로 구성됩니다. 두 상 모두 준안정 상이며 특정 조건에서 변태합니다.
마르텐사이트의 특성: 마르텐사이트는 높은 경도와 높은 취성(특히 고탄소 바늘형 마르텐사이트의 경우)을 특징으로 하며, 이는 많은 응용 분야에서 요구되는 성능에 부합하지 않습니다.
마르텐사이트 변태의 특징: 마르텐사이트로의 변태는 매우 빠르게 진행됩니다. 담금질 후, 가공물은 변형이나 균열을 유발할 수 있는 잔류 내부 응력을 가지게 됩니다.
결론: 가공물은 담금질 후 바로 사용할 수 없습니다! 내부 응력을 줄이고 가공물의 인성을 향상시켜 사용하기 적합하게 하려면 뜨임 처리가 필수적입니다.

2. 경화성과 경화 용량의 차이점:
경화성 :
경화능은 담금질 후 강이 특정 깊이(경화층의 깊이)까지 경화될 수 있는 능력을 의미합니다. 이는 강의 조성과 구조, 특히 합금 원소와 강의 종류에 따라 달라집니다. 경화능은 담금질 과정에서 강이 두께 전체에 걸쳐 얼마나 잘 경화될 수 있는지를 나타내는 척도입니다.
경도(경화 용량):
경도 또는 경화능은 담금질 후 강철에서 얻을 수 있는 최대 경도를 나타냅니다. 경도는 강철의 탄소 함량에 크게 영향을 받습니다. 일반적으로 탄소 함량이 높을수록 잠재 경도가 높아지지만, 이는 강철의 합금 원소와 담금질 공정의 효율성에 의해 제한될 수 있습니다.

3. 강의 경화성
√경화성 개념
경화능은 오스테나이트화 온도에서 담금질 후 강이 특정 깊이의 마르텐사이트 경화를 달성하는 능력을 의미합니다. 간단히 말해서, 담금질 중에 강이 마르텐사이트를 형성하는 능력입니다.
경화성 측정
경화성의 크기는 담금질 후 특정 조건 하에서 얻은 경화층의 깊이로 표시됩니다.
경화층 깊이: 이는 작업물 표면에서부터 구조가 반마르텐사이트인 영역까지의 깊이입니다.
일반적인 담금질 매체:
•물
특징: 강력한 냉각 성능을 갖추고 있어 경제적이지만, 끓는점 근처에서 냉각 속도가 빨라 과도한 냉각이 발생할 수 있습니다.
용도: 일반적으로 탄소강에 사용됩니다.
소금물: 물에 소금이나 알칼리를 넣은 용액으로, 물에 비해 고온에서 냉각 용량이 더 높아 탄소강에 적합합니다.
•기름
특성: 낮은 온도(끓는점 근처)에서는 냉각 속도가 느려 변형 및 균열 경향을 효과적으로 줄일 수 있지만, 고온에서는 냉각 능력이 낮습니다.
적용분야: 합금강에 적합합니다.
유형: 담금질유, 기계유, 디젤 연료 등이 포함됩니다.

가열 시간
가열 시간은 가열 속도(원하는 온도에 도달하는 데 걸리는 시간)와 유지 시간(목표 온도에서 유지되는 시간)으로 구성됩니다.
가열 시간 결정 원칙: 작업물 내부와 외부 모두에서 온도가 균일하게 분포되도록 합니다.
완전한 오스테나이트화를 보장하고, 형성된 오스테나이트가 균일하고 미세한지 확인하세요.
가열 시간을 결정하는 기준: 일반적으로 경험적 공식을 사용하여 추산하거나 실험을 통해 결정합니다.
담금질 매체
두 가지 핵심 측면:
a. 냉각 속도: 냉각 속도가 높을수록 마르텐사이트 형성이 촉진됩니다.
b. 잔류 응력: 냉각 속도가 빨라지면 잔류 응력이 증가하고, 이로 인해 공작물의 변형 및 균열이 발생할 가능성이 커집니다.

Ⅶ.정규화

1. 정규화의 정의
노멀라이징은 강을 Ac3 온도보다 30°C에서 50°C 높은 온도로 가열하고 그 온도에서 유지한 후 공랭시켜 평형 상태에 가까운 미세조직을 얻는 열처리 공정입니다. 어닐링과 비교했을 때, 노멀라이징은 냉각 속도가 빨라 더 미세한 펄라이트 조직(P)과 더 높은 강도 및 경도를 생성합니다.
2. 정규화의 목적
정규화의 목적은 어닐링과 비슷합니다.
3. 정규화의 응용
• 네트워크화된 2차 세멘타이트를 제거합니다.
• 요구 사항이 낮은 부품에 대한 최종 열처리 역할을 합니다.
•저탄소 및 중탄소 구조용 강의 가공성을 개선하기 위한 예비 열처리 역할을 합니다.

4. 어닐링의 종류
첫 번째 유형의 어닐링:
목적 및 기능: 목표는 상변화를 유도하는 것이 아니라 강철을 불균형 상태에서 균형 상태로 전환하는 것입니다.
유형:
•확산 어닐링: 분리를 제거하여 구성을 균질화하는 것을 목표로 합니다.
•재결정 어닐링: 가공 경화 효과를 제거하여 연성을 회복합니다.
•응력 제거 어닐링: 미세구조를 변화시키지 않고 내부 응력을 줄입니다.
두 번째 유형의 어닐링:
목적 및 기능: 미세구조와 특성을 변화시켜 펄라이트가 우세한 미세구조를 얻는 것을 목표로 합니다. 또한, 이 유형은 펄라이트, 페라이트, 탄화물의 분포와 형태가 특정 요건을 충족하도록 보장합니다.
유형:
•완전 어닐링: 강철을 Ac3 온도 이상으로 가열한 후 천천히 냉각하여 균일한 펄라이트 구조를 만듭니다.
•불완전 어닐링: 강철을 Ac1~Ac3 온도 사이로 가열하여 구조를 부분적으로 변형합니다.
•등온 어닐링: 강철을 Ac3 이상으로 가열한 다음, 등온 온도까지 빠르게 냉각하고 원하는 구조가 될 때까지 유지합니다.
•구형화 어닐링: 구형 탄화물 구조를 생성하여 가공성과 인성을 향상시킵니다.

Ⅷ.1. 열처리의 정의
열처리란 금속을 가열하여 특정 온도로 유지한 후 고체 상태에서 냉각하여 내부 구조와 미세 구조를 변경하고 원하는 특성을 얻는 과정을 말합니다.
2. 열처리의 특성
열처리는 가공물의 모양을 바꾸지 않습니다. 대신 강철의 내부 구조와 미세 구조를 변경하여 강철의 특성을 바꿉니다.
3. 열처리의 목적
열처리의 목적은 강철(또는 가공물)의 기계적 또는 가공적 특성을 개선하고, 강철의 잠재력을 최대한 활용하고, 가공물의 품질을 향상시키고, 수명을 연장하는 것입니다.
4. 주요 결론
열처리를 통해 재료의 특성을 개선할 수 있는지 여부는 가열 및 냉각 과정에서 재료의 미세구조와 구조에 변화가 있는지 여부에 크게 좌우됩니다.


게시 시간: 2024년 8월 19일