Ⅰ. 열처리의 기본 개념.
A. 열처리의 기본 개념.
기본 요소 및 기능열처리:
1. 난방
목적은 균일하고 미세한 오스테나이트 구조를 얻는 것입니다.
2. 보유
목표는 공작물을 충분히 가열하고 탈탄 및 산화를 방지하는 것입니다.
3. 냉각
목표는 오스테나이트를 다양한 미세구조로 변환하는 것입니다.
열처리 후 미세구조
가열 및 유지 후 냉각 과정에서 오스테나이트는 냉각 속도에 따라 다양한 미세 구조로 변환됩니다. 이러한 미세 구조는 각기 다른 물성을 나타냅니다.
B. 열처리의 기본 개념.
강철의 분류는 가열 및 냉각 방법, 미세 구조 및 특성에 따라 이루어집니다.
1. 일반적인 열처리(전체 열처리): 템퍼링, 어닐링, 노멀라이징, 퀜칭
2. 표면 열처리: 표면 담금질, 유도 가열 표면 담금질, 화염 가열 표면 담금질, 전기 접촉 가열 표면 담금질.
3. 화학적 열처리: 침탄, 질화, 탄질화.
4. 기타 열처리: 제어 분위기 열처리, 진공 열처리, 변형 열처리.
C.강철의 임계온도
강철의 임계 변태 온도는 열처리 중 가열, 유지 및 냉각 공정을 결정하는 중요한 기준입니다. 이는 철-탄소 상평형도에 의해 결정됩니다.
핵심 결론:강철의 실제 임계 변태 온도는 항상 이론적인 임계 변태 온도보다 낮습니다. 이는 가열 시 과열이 필요하고 냉각 시 과냉각이 필요하다는 것을 의미합니다.
Ⅱ. 강철의 어닐링 및 노멀라이징
1. 어닐링의 정의
어닐링은 강철을 임계점 Ac₁보다 높거나 낮은 온도로 가열한 후 해당 온도를 유지하고, 일반적으로 용광로 내에서 천천히 냉각시켜 평형에 가까운 구조를 얻는 공정입니다.
2. 어닐링의 목적
①가공에 적합한 경도 조정: HB170~230 범위의 가공 가능한 경도를 얻습니다.
② 잔류 응력 완화: 후속 공정 중 변형이나 균열을 방지합니다.
③ 결정립 구조 미세화: 미세 구조를 개선합니다.
④ 최종 열처리 준비: 후속 담금질 및 템퍼링을 위해 입상(구상) 펄라이트를 얻습니다.
3. 구형화 어닐링
공정 사양: 가열 온도는 Ac₁ 지점 근처입니다.
목적: 강철 내의 시멘타이트 또는 탄화물을 구상화하여 입상(구상화된) 펄라이트를 생성하는 것.
적용 범위: 공석 및 과공석 조성의 강에 사용됩니다.
4. 확산 어닐링(균질화 어닐링)
공정 사양: 가열 온도는 상태도에서 용해 곡선보다 약간 낮습니다.
목적: 인종차별을 철폐하는 것.
Ⅲ.강철의 담금질 및 템퍼링
A.소독
1. 담금질의 정의: 담금질은 강철을 Ac₃ 또는 Ac₁ 지점 이상의 특정 온도로 가열하고, 그 온도에서 유지한 다음, 임계 냉각 속도보다 빠른 속도로 냉각하여 마르텐사이트를 형성하는 공정입니다.
2. 담금질의 목적: 담금질의 주된 목적은 마르텐사이트(또는 경우에 따라 베이나이트)를 얻어 강철의 경도와 내마모성을 향상시키는 것입니다. 담금질은 강철에 있어 가장 중요한 열처리 공정 중 하나입니다.
3. 다양한 종류의 강철에 대한 담금질 온도 결정
아공석강: Ac₃ + 30°C ~ 50°C
공석강 및 과공석강: Ac₁ + 30°C ~ 50°C
합금강: 임계 온도보다 50°C ~ 100°C 높은 온도
4. 이상적인 담금질 매체의 냉각 특성:
"코" 온도에 도달하기 전 서서히 냉각: 열 스트레스를 충분히 줄이기 위함.
"코" 온도 부근에서 높은 냉각 성능: 비마르텐사이트 구조 형성을 방지하기 위함.
M₅점 부근에서의 서서히 냉각: 마르텐사이트 변태로 인한 응력을 최소화하기 위함.
5. 담금질 방법 및 그 특징:
①간단 담금질: 조작이 간편하고 작고 단순한 형상의 공작물에 적합합니다. 최종 미세구조는 마르텐사이트(M)입니다.
② 이중 담금질: 보다 복잡하고 제어하기 어려우며, 복잡한 형상의 고탄소강 및 대형 합금강 가공물에 사용됩니다. 결과적으로 마르텐사이트(M) 미세구조가 생성됩니다.
③ 파쇄 담금질: 크고 복잡한 형상의 합금강 가공물에 사용되는 보다 복잡한 공정입니다. 결과적으로 마르텐사이트(M) 미세구조가 생성됩니다.
④ 등온 담금질: 요구 조건이 높은 작고 복잡한 형상의 가공물에 사용됩니다. 결과적으로 생성되는 미세 구조는 하부 베이나이트(B)입니다.
6. 내구도에 영향을 미치는 요소
경화능은 강철 내 과냉각 오스테나이트의 안정성에 따라 달라집니다. 과냉각 오스테나이트의 안정성이 높을수록 경화능이 우수하고, 반대로 안정성이 낮을수록 경화능이 떨어집니다.
과냉각 오스테나이트의 안정성에 영향을 미치는 요인:
C-곡선의 위치: C-곡선이 오른쪽으로 이동하면 담금질에 필요한 임계 냉각 속도가 감소하여 경화성이 향상됩니다.
핵심 결론:
C-곡선을 오른쪽으로 이동시키는 모든 요인은 강철의 경화성을 증가시킵니다.
주요 요인:
화학적 조성: 코발트(Co)를 제외한 모든 합금 원소가 오스테나이트에 용해되어 경화성을 증가시킵니다.
탄소강에서 탄소 함량이 공석 조성에 가까울수록 C 곡선이 오른쪽으로 더 많이 이동하고 경화성이 높아집니다.
7. 경화능의 결정 및 표현
①말단 담금질 경화성 시험: 경화성은 말단 담금질 시험법을 사용하여 측정합니다.
②임계 담금질 직경법: 임계 담금질 직경(D₀)은 특정 담금질 매체에서 완전히 경화될 수 있는 강철의 최대 직경을 나타냅니다.
B.템퍼링
1. 담금질의 정의
템퍼링은 담금질된 강철을 A₁점 이하의 온도로 재가열하고, 그 온도를 유지한 다음 실온으로 냉각하는 열처리 공정입니다.
2. 담금질의 목적
잔류 응력 감소 또는 제거: 가공물의 변형이나 균열을 방지합니다.
잔류 오스테나이트를 줄이거나 제거하여 가공물의 치수를 안정화합니다.
담금질된 강철의 취성 제거: 가공물의 요구 사항에 맞게 미세 구조와 특성을 조정합니다.
중요 사항: 강철은 담금질 후 즉시 템퍼링해야 합니다.
3. 열처리 공정
1. 저온 열처리
목적: 담금질 응력을 감소시키고, 가공물의 인성을 향상시키며, 높은 경도와 내마모성을 얻기 위함.
온도: 150°C ~ 250°C.
성능: 경도: HRC 58~64. 높은 경도와 내마모성.
적용 분야: 공구, 금형, 베어링, 침탄 부품 및 표면 경화 부품.
2. 고온 열처리
목적: 충분한 강도 및 경도와 더불어 높은 인성을 확보하는 것.
온도: 500°C ~ 600°C.
성능: 경도: HRC 25~35. 전반적으로 우수한 기계적 특성.
적용 분야: 축, 기어, 연결봉 등
열 정제
정의: 담금질 후 고온 템퍼링을 하는 공정을 열정련 또는 간단히 템퍼링이라고 합니다. 이 공정을 거친 강철은 전반적인 성능이 우수하여 널리 사용됩니다.
Ⅳ.강철의 표면 열처리
A.강의 표면 담금질
1. 표면 경화의 정의
표면 경화는 가공물의 표면층을 오스테나이트로 빠르게 변환시킨 후 급속 냉각시켜 표면층의 강도를 높이는 열처리 공정입니다. 이 공정은 강철의 화학적 조성이나 재료의 핵심 구조를 변화시키지 않고 진행됩니다.
2. 표면 경화 및 후경화 구조에 사용되는 재료
표면 경화에 사용되는 재료
주요 재료: 중탄소강 및 중탄소합금강.
전처리: 일반적인 공정: 템퍼링. 심재의 특성이 중요하지 않은 경우, 노멀라이징을 대신 사용할 수 있습니다.
후경화 구조
표면 구조: 표면층은 일반적으로 마르텐사이트 또는 베이나이트와 같은 경화 구조를 형성하여 높은 경도와 내마모성을 제공합니다.
핵심 구조: 강철의 핵심부는 일반적으로 전처리 공정 및 모재의 특성에 따라 펄라이트 또는 템퍼링 상태와 같은 원래 구조를 유지합니다. 이는 핵심부가 우수한 인성과 강도를 유지하도록 보장합니다.
B. 유도 표면 경화의 특성
1. 고온 가열 및 빠른 온도 상승: 유도 표면 경화는 일반적으로 고온 가열과 빠른 가열 속도를 특징으로 하며, 짧은 시간 내에 빠른 가열이 가능합니다.
2. 표면층의 미세 오스테나이트 결정립 구조: 급속 가열 및 후속 담금질 공정 동안 표면층에 미세 오스테나이트 결정립이 형성됩니다. 담금질 후 표면은 주로 미세 마르텐사이트로 구성되며, 경도는 일반적인 담금질보다 보통 2~3 HRC 더 높습니다.
3. 우수한 표면 품질: 가열 시간이 짧기 때문에 공작물 표면의 산화 및 탈탄 현상이 적고, 담금질로 인한 변형이 최소화되어 우수한 표면 품질을 보장합니다.
4. 높은 피로 강도: 표면층의 마르텐사이트 상변환은 압축 응력을 발생시켜 가공물의 피로 강도를 증가시킵니다.
5. 높은 생산 효율성: 유도 표면 경화는 대량 생산에 적합하며 높은 운영 효율성을 제공합니다.
C. 화학적 열처리 분류
침탄, 침탄, 침탄, 크롬 도금, 규소 도금, 규소 도금, 규소 도금, 탄질화, 붕소 침탄
D.가스 침탄
가스 침탄은 밀폐된 가스 침탄로에 공작물을 넣고 강철을 오스테나이트로 변태시키는 온도까지 가열하는 공정입니다. 그런 다음 침탄제를 용광로에 떨어뜨리거나 침탄 분위기를 직접 도입하여 탄소 원자가 공작물 표면층으로 확산되도록 합니다. 이 공정을 통해 공작물 표면의 탄소 함량(수율%)이 증가합니다.
√탄화제:
•탄소 함량이 높은 가스: 석탄가스, 액화석유가스(LPG) 등
•유기 액체: 등유, 메탄올, 벤젠 등
√침탄 공정 매개변수:
•침탄 온도: 920~950°C.
•침탄 시간: 원하는 침탄층 깊이와 침탄 온도에 따라 달라집니다.
E. 침탄 후 열처리
강철은 침탄 처리 후 열처리를 거쳐야 합니다.
침탄 후 열처리 공정:
√담금질 + 저온 템퍼링
1. 예냉 후 직접 담금질 + 저온 템퍼링: 공작물을 침탄 온도에서 중심부의 Ar₁ 온도 바로 위까지 예냉한 후 즉시 담금질하고, 이어서 160~180°C에서 저온 템퍼링을 실시합니다.
2. 예냉 후 단일 담금질 + 저온 템퍼링: 침탄 처리 후, 공작물을 실온까지 천천히 냉각시킨 다음, 재가열하여 담금질 및 저온 템퍼링을 실시합니다.
3. 예냉 후 이중 담금질 + 저온 템퍼링: 침탄 및 서서히 냉각 후, 공작물은 두 단계의 가열 및 담금질을 거친 후 저온 템퍼링을 수행합니다.
Ⅴ.강철의 화학적 열처리
1. 화학적 열처리의 정의
화학적 열처리란 강철 공작물을 특정 활성 매질에 넣고 가열한 후 일정 온도를 유지하는 열처리 공정입니다. 이 과정에서 매질 내의 활성 원자들이 공작물 표면으로 확산되어 공작물 표면의 화학적 조성과 미세구조를 변화시키고, 결과적으로 공작물의 물성을 향상시킵니다.
2. 화학 열처리 기본 공정
분해: 가열 과정에서 활성 매질이 분해되어 활성 원자가 방출됩니다.
흡착: 활성 원자는 강철 표면에 흡착되어 강철의 고용체에 용해됩니다.
확산: 강철 표면에 흡착되고 용해된 활성 원자들이 내부로 이동합니다.
유도 표면 경화의 종류
a. 고주파 유도 가열
현재 주파수: 250~300kHz.
경화층 깊이: 0.5~2.0mm.
적용 분야: 중소형 모듈 기어 및 소형에서 중형 크기의 샤프트.
b. 중주파 유도 가열
현재 주파수: 2500~8000kHz.
경화층 깊이: 2~10mm.
적용 분야: 대형 축 및 대형 내지 중형 모듈 기어.
c. 전력-주파수 유도 가열
현재 주파수: 50Hz.
경화층 깊이: 10~15mm.
적용 분야: 매우 깊은 경화층이 필요한 가공물.
3. 유도 표면 경화
유도 표면 경화의 기본 원리
피부 효과:
유도 코일에 교류 전류가 흐르면 공작물 표면에 전류가 유도되는데, 이 유도 전류의 대부분은 표면 근처에 집중되고 공작물 내부로는 거의 전류가 흐르지 않습니다. 이러한 현상을 표피 효과라고 합니다.
유도 표면 경화의 원리:
표면 경화 효과를 이용하여 공작물의 표면은 오스테나이트화 온도(수초 내에 800~1000°C까지 상승)까지 급속하게 가열되는 반면, 공작물 내부는 거의 가열되지 않습니다. 그런 다음 물 분사를 통해 공작물을 냉각시켜 표면 경화를 달성합니다.
4. 열처리 취성
담금질된 강철의 취성 완화
담금질 취성이란 담금질된 강철이 특정 온도에서 템퍼링될 때 충격 인성이 크게 감소하는 현상을 말합니다.
첫 번째 유형의 담금질 취성
온도 범위: 250°C ~ 350°C.
특징: 담금질된 강철을 이 온도 범위 내에서 템퍼링하면 제거할 수 없는 이러한 유형의 템퍼링 취성이 발생할 가능성이 매우 높습니다.
해결책: 담금질된 강철을 이 온도 범위 내에서 템퍼링하지 마십시오.
첫 번째 유형의 템퍼링 취성은 저온 템퍼링 취성 또는 비가역적 템퍼링 취성이라고도 합니다.
Ⅵ.템퍼링
1. 템퍼링은 담금질 후에 수행되는 최종 열처리 공정입니다.
담금질된 강철은 왜 템퍼링이 필요할까요?
담금질 후 미세구조: 담금질 후 강철의 미세구조는 일반적으로 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트로 구성됩니다. 이 두 상은 모두 준안정상이며 특정 조건에서 변태를 일으킵니다.
마르텐사이트의 특성: 마르텐사이트는 높은 경도를 가지지만, 특히 고탄소 침상 마르텐사이트의 경우 취성이 매우 높아 많은 응용 분야의 성능 요구 사항을 충족하지 못합니다.
마르텐사이트 변태의 특징: 마르텐사이트로의 변태는 매우 빠르게 일어납니다. 담금질 후, 가공물에는 잔류 내부 응력이 발생하여 변형이나 균열이 생길 수 있습니다.
결론: 담금질 후 바로 사용할 수 없습니다! 내부 응력을 줄이고 공작물의 인성을 향상시켜 사용에 적합하게 만들려면 템퍼링이 필요합니다.
2. 경화성 및 경화 용량의 차이점:
강화성:
경화성은 강철이 담금질 후 특정 경화 깊이(경화층의 깊이)에 도달하는 능력을 나타냅니다. 이는 강철의 조성 및 구조, 특히 합금 원소와 강철의 종류에 따라 달라집니다. 경화성은 담금질 과정에서 강철이 두께 전체에 걸쳐 얼마나 잘 경화될 수 있는지를 나타내는 척도입니다.
경도(경화 능력):
경도 또는 경화능은 담금질 후 강철이 얻을 수 있는 최대 경도를 나타냅니다. 이는 강철의 탄소 함량에 크게 영향을 받습니다. 일반적으로 탄소 함량이 높을수록 잠재적인 경도가 높아지지만, 강철의 합금 원소와 담금질 공정의 효율성에 따라 제한될 수 있습니다.
3. 강철의 경화성
√경화성 개념
경화성은 오스테나이트화 온도에서 담금질했을 때 강철이 특정 마르텐사이트 경화 깊이에 도달하는 능력을 말합니다. 간단히 말하면, 담금질 과정에서 마르텐사이트를 형성하는 강철의 능력입니다.
경화성 측정
경화능의 크기는 담금질 후 특정 조건에서 얻어진 경화층의 깊이로 나타낸다.
경화층 깊이: 이는 공작물 표면에서 구조가 반마르텐사이트인 영역까지의 깊이입니다.
일반적인 담금질 매체:
•물
특징: 경제적이며 냉각 성능이 뛰어나지만, 끓는점 부근에서 냉각 속도가 매우 빨라 과냉각으로 이어질 수 있습니다.
용도: 주로 탄소강에 사용됩니다.
염수: 물에 소금이나 알칼리를 녹인 용액으로, 고온에서 물보다 냉각 능력이 뛰어나 탄소강에 적합합니다.
•기름
특징: 저온(끓는점 부근)에서 냉각 속도가 느려 변형 및 균열 발생 가능성을 효과적으로 줄여주지만, 고온에서는 냉각 성능이 떨어집니다.
적용 분야: 합금강에 적합합니다.
종류: 담금질유, 기계유, 경유 등이 포함됩니다.
가열 시간
가열 시간은 가열 속도(목표 온도에 도달하는 데 걸리는 시간)와 유지 시간(목표 온도에서 유지되는 시간)으로 구성됩니다.
가열 시간 결정 원칙: 공작물의 내부와 외부 모두에 걸쳐 균일한 온도 분포를 확보하십시오.
완전한 오스테나이트화가 이루어지고 형성된 오스테나이트가 균일하고 미세한지 확인하십시오.
가열 시간 결정 기준: 일반적으로 경험적 공식을 사용하거나 실험을 통해 추정합니다.
담금질 매체
두 가지 핵심 사항:
a. 냉각 속도: 냉각 속도가 빠를수록 마르텐사이트 형성이 촉진됩니다.
b. 잔류 응력: 냉각 속도가 빠를수록 잔류 응력이 증가하여 가공물의 변형 및 균열 발생 가능성이 커질 수 있습니다.
Ⅶ.정규화
1. 정규화의 정의
노멀라이징은 강철을 Ac3 온도보다 30~50°C 높은 온도로 가열하고, 그 온도에서 유지한 다음 공랭하여 평형 상태에 가까운 미세 구조를 얻는 열처리 공정입니다. 어닐링과 비교했을 때, 노멀라이징은 냉각 속도가 더 빠르므로 더 미세한 펄라이트 구조(P)를 얻고 강도와 경도가 향상됩니다.
2. 정규화의 목적
정규화의 목적은 어닐링의 목적과 유사합니다.
3. 정규화의 응용
•네트워크 형태의 이차 시멘타이트를 제거합니다.
• 요구사항이 낮은 부품의 최종 열처리로 사용됩니다.
• 저탄소 및 중탄소 구조강의 가공성을 향상시키기 위한 전처리 열처리로 작용합니다.
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: 편석을 제거하여 조성을 균질화하는 것을 목표로 합니다.
• 재결정 어닐링: 가공 경화 효과를 제거하여 연성을 회복합니다.
•응력 완화 열처리: 미세구조를 변경하지 않고 내부 응력을 감소시킵니다.
두 번째 유형의 어닐링:
목적 및 기능: 미세구조와 특성을 변화시켜 펄라이트가 주를 이루는 미세구조를 얻는 것을 목표로 합니다. 또한, 이 유형은 펄라이트, 페라이트 및 탄화물의 분포와 형태가 특정 요구 사항을 충족하도록 합니다.
유형:
• 완전 어닐링: 강철을 Ac3 온도 이상으로 가열한 다음 천천히 냉각하여 균일한 펄라이트 구조를 생성합니다.
•불완전 어닐링: 강철을 Ac1과 Ac3 온도 사이로 가열하여 구조를 부분적으로 변형시킵니다.
• 등온 어닐링: 강철을 Ac3 이상으로 가열한 후, 급속 냉각하여 등온 온도로 유지하고 원하는 구조를 얻습니다.
• 구상화 열처리: 구상 탄화물 구조를 생성하여 가공성과 인성을 향상시킵니다.
Ⅷ.1. 열처리의 정의
열처리란 금속을 가열하고 특정 온도에서 유지한 다음 고체 상태에서 냉각시켜 내부 구조 및 미세 구조를 변화시켜 원하는 특성을 얻는 공정을 말합니다.
2. 열처리 특성
열처리는 가공물의 모양을 바꾸는 것이 아니라, 강철의 내부 구조와 미세 구조를 변화시켜 결과적으로 강철의 특성을 변화시키는 것입니다.
3. 열처리 목적
열처리의 목적은 강철(또는 가공품)의 기계적 또는 가공 특성을 개선하고, 강철의 잠재력을 최대한 활용하며, 가공품의 품질을 향상시키고, 수명을 연장하는 것입니다.
4. 주요 결론
재료의 물성이 열처리를 통해 향상될 수 있는지 여부는 가열 및 냉각 과정 동안 재료의 미세구조와 구조에 변화가 발생하는지 여부에 크게 좌우됩니다.
게시 시간: 2024년 8월 19일