금속열처리 동작방식과 종류

1. 금속의 열처리란?

열처리는 물질(예: 금속)의 물리적 특성이 열 적용을 통해 변경되는 모든 절차를 말합니다. 이 절차는 종종 금속의 특성, 성능 및 내구성을 향상시킵니다.

열처리는 가장 기본적인 형태로 금속을 가열하고 해당 온도로 유지한 다음 빠르게 냉각하는 것으로 구성됩니다. 절차가 진행되는 동안 금속의 기계적 특성이 변경됩니다. 이는 상승된 온도가 금속의 미세 구조를 변화시키기 때문입니다. 미세 구조는 주어진 재료의 기계적 특성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다.

 

최종 결과는 여러 요인에 따라 달라집니다. 여기에는 냉각 속도, 환경 조건, 가열 지속 시간 및 금속 부품의 특정 온도 유지 등이 포함됩니다. 이러한 매개변수는 열처리 방법, 관련된 금속 및 부품 치수에 따라 다릅니다.

 

 

 

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2. 열처리 프로세스

일반적으로 열처리는 세 가지 주요 단계로 작동합니다.

• 금속이 일정한 온도를 유지하도록 금속을 천천히 가열합니다.
• 지정된 시간 동안 지정된 온도에서 금속을 담그거나 유지합니다.
• 실온에서 금속의 냉각

 

1) 가열 단계

금속이 균일한 가열을 거치도록 하는 것이 가열 단계에서 주요 목표입니다. 꾸준한 가열은 균일한 가열을 초래합니다. 금속이 고르지 않게 가열되면 한 부분이 다른 부분보다 더 빨리 팽창할 수 있습니다. 결과적으로 금속 부분이 변형되거나 파손됩니다.

 

다음 고려 사항은 가열 속도를 선택하는 데 도움이 되어야 합니다.

• 열전도율: 열전도율이 있는 금속은 전도성이 낮은 금속보다 열을 더 빨리 전도합니다.
• 금속의 상태: 이전에 경화 또는 압박을 거친 구성 요소는 이러한 과정을 겪지 않은 구성 요소에 비해 더 적은 속도로 가열해야 합니다.
• 금속의 크기 및 단면: 더 중요한 구성 요소는 더 작은 구성 요소보다 더 느린 속도로 가열할 수 있습니다. 그렇지 않으면 과도한 균열이나 뒤틀림이 발생할 수 있습니다.

 

2) 담그는 단계

담그는 기간은 금속이 이상적인 온도로 유지되는 기간을 나타냅니다. 이 단계는 의도한 내부 구조가 발달하는 동안 금속이 적절한 온도로 유지되도록 합니다. 적절한 기간을 확인하기 위해서는 화학 분석 및 금속 특성이 필요합니다. 단면이 고르지 않은 경우 가장 중요한 단면을 사용하여 담금 기간을 설정할 수 있습니다.

 

한 번의 작업으로 금속의 온도를 주변 온도에서 담금 온도로 빠르게 높이는 것은 바람직하지 않습니다. 반대로, 구조적 변화가 발생하는 온도 바로 아래 수준까지 금속의 온도를 점차적으로 높일 필요가 있습니다. 그런 다음 금속 전체에서 이 온도 균일성을 유지합니다.

 

3) 냉각 단계

이 단계에서 금속 등급을 실온으로 냉각해야 합니다. 금속을 냉각하는 방법은 특정 특성에 따라 다릅니다. 냉각 매체(액체, 가스 또는 이들의 조합)가 금속에 필요할 수 있습니다. 냉각 속도는 금속과 냉각 매체 모두에 따라 달라집니다.

금속은 공기, 물, 염수, 기름 또는 기타 매체에서 신속하게 냉각될 때 담금질됩니다. 이 공정이 특정 금속에서 균열 또는 뒤틀림을 유발할 수 있으므로 모든 금속이 충족되어야 하는 것은 아닙니다.

 

물이나 염수는 금속을 빠르게 냉각할 수 있는 반면 오일 혼합물은 느린 냉각 과정에 더 적합합니다. 물은 일반적으로 탄소강을 경화시키는 데 사용되고, 오일은 합금강 경화에 사용되며, 물은 비철금속을 담금질하는 데 사용됩니다. 그럼에도 불구하고 선택한 냉각 속도와 매체는 금속에 적합해야 합니다.

 

 

 

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3. 금속 열처리의 이점

열처리를 통해 금속의 특성을 변화시킴으로써 다양한 금속 제조 공정에 사용할 수 있습니다.

 

다음은 금속 열처리의 몇 가지 장점입니다.

 

1) 가공성 및 작업성 향상

열처리는 내부 응력의 제거를 통해 제조 가능성을 향상시킵니다. 예를 들어, 기계 가공 또는 변형하기 어려운 금속의 경도를 줄이기 위해 어닐링하거나 응력 제거를 할 수 있습니다. 구성 요소의 일부만 유도 화염 열처리로 연화할 수 있으며 나머지는 영향을 받지 않습니다.

 

2) 내구성과 내마모성 향상

경화 절차를 사용하면 열처리는 부품의 내마모성을 높일 수 있습니다. 표면 또는 전체 금속 경화는 강도, 인성, 내구성 및 마모에 대한 저항을 증가시킬 수 있습니다.

 

3) 강도 향상

강인함과 강도 사이에는 상충 관계가 있습니다. 강도를 높이면 인성이 감소하여 취성이 발생할 수 있습니다. 인장 강도, 항복 강도 및 파괴 복원력은 열처리에 의해 변경될 수 있습니다. 케이스 경화는 안정성을 향상시키지만 취성을 줄이기 위해 템퍼링이 필요합니다. 재료의 의도된 극한 강도는 템퍼링의 정확한 정도를 결정합니다.

 

4) 자기 및 전기적 특성 향상

대부분의 재료는 가공 경화 시 자성을 획득합니다. 특정 어닐링 절차는 자기 투과성을 감소시키며, 이는 부품이 전자 환경 및 여러 산업에서 사용되는 경우 매우 중요합니다.

 

 

 

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4. 열처리의 사용되는 금속

금속 열처리는 주로 철 금속에 영향을 미치지만 알루미늄, 구리, 황동 및 티타늄으로 구성된 합금을 가공하는 것도 가능합니다. 열처리가 가능한 철 금속 중에는 다양한 등급의 공구강, 스테인리스강 및 주철이 있습니다.

• 케이스 경화, 질화, 템퍼링, 경화, 어닐링, 정규화 및 응력 제거는 철 금속의 일반적인 처리입니다.
• 구리 및 구리 합금은 어닐링, 담금질 및 기타 열처리 공정을 거칩니다.
• 어닐링, 용액 열처리, 자연 및 인공 노화 및 기타 열처리 기술은 모두 알루미늄에 대한 실행 가능한 옵션입니다.

 

모든 재료가 다양한 형태의 열처리에 적합한 것은 아닙니다. 마찬가지로, 모든 방법이 단일 재료에 대해 반드시 상당한 이점을 제공하는 것은 아닙니다. 원하는 결과를 얻으려면 재료를 개별적으로 검사해야 합니다.

 

 

 

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5. 열처리 기술의 종류

금속의 기계적 특성을 향상시키기 위한 다양한 열처리 기술이 있습니다. 

 

1) 강화

경화 공정은 금속의 경도를 향상시키기 위해 널리 사용되는 열처리 방법입니다. 어떤 경우에는 금속의 표면만 경화됩니다. 경화를 달성하기 위해 공작물은 일반적으로 800에서 900°C 사이의 특정 온도로 가열됩니다. 그런 다음 오일, 염수, 폴리머 또는 물과 같은 냉각 매체에서 담금질하여 빠르게 냉각됩니다.

 

그러나 합금 원소 함량이 높은 강종은 980에서 1110°C에 이르는 더 높은 가열 온도를 필요로 합니다. 급속 냉각은 냉각 단계가 경도 수준에 영향을 미치기 때문에 대부분의 강철 재료에 매우 중요합니다. 경화는 격자 구조의 저항을 강화하여 강철의 경도와 강도를 향상시킵니다. 그러나 취성이 증가할 수도 있습니다.

 

 

2) 템퍼

템퍼링은 강철을 특정 온도(경화 온도 이하)로 가열하고 필요한 시간 동안 해당 온도로 유지한 다음 일반적으로 정지 공기 중에서 냉각하는 것을 다룹니다. 템퍼링 온도는 결과의 강도, 경도 및 유연성을 결정합니다.

대부분의 응용 분야에서는 담금질 부품에 대한 템퍼링이 필요하며, 항상 강철의 낮은 임계점을 낮추는 온도에서 수행됩니다. 경화강의 경우 템퍼링은 212°F에서 시작하여 온도가 낮은 임계점으로 올라갈수록 진행됩니다. 특정 템퍼링 온도를 선택하면 결과적인 경도와 강도를 결정할 수 있습니다.

 

최소 템퍼링 시간은 1시간이어야 하며 냉각 속도는 일반적으로 강철에 영향을 미치지 않습니다. 강철 부품은 일반적으로 템퍼링 후 공냉식이지만 일부는 취성을 방지하기 위해 담금질이 필요합니다. 그러나 궁극적인 템퍼링 강철 경도는 강철 조성에 따라 다릅니다.

 

 

 

 

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3) 어닐링

어닐링은 금속 부품을 설정 온도로 가열하고 그 온도로 유지한 다음 천천히 냉각하는 방법입니다. 이 공정은 절단 또는 냉간 가공과 같은 작업으로 인한 잔류 응력을 완화합니다. 금속 어닐링은 경도, 인장 강도 및 항복 강도를 줄여 연성을 향상시키고 취성을 줄입니다.

 

어닐링의 주요 목표는 금속을 성형, 성형, 스탬핑, 단조, 굽힘 및 하이드로 포밍과 같은 제조 공정에 더 적합하게 만드는 것입니다. 응력 제거는 금속을 상대적으로 낮은 온도에서 가열하고 균일하게 냉각시키는 것을 포함합니다. 권장 온도는 구리 또는 강철의 경우 1000°F 미만, 알루미늄의 경우 400°F 미만입니다.

 

그러나 어닐링은 구리의 경우 1600°F(870°C) 이상, 알루미늄의 경우 강철의 경우 600°F(315°C) 이상으로 훨씬 더 높은 온도에서 수행됩니다. 이것은 더 간단한 스트레스 해소 치료 과정에 비해 더 많은 스트레스 완화를 제공할 수 있습니다. 어닐링 처리는 진공로, 흡열 용광로, 공기 용광로를 사용하여 모든 유형의 금속에 적용됩니다.

 

4) 노말라이즈

노말라이즈는 압연, 스탬핑, 해머링 등과 같은 냉간 가공 공정 후 철 금속의 내부 응력을 제거하는 방법입니다. 그럼에도 불구하고 정규화된 강은 어닐링된 강보다 더 단단하고 강합니다. 결과적으로, 정규화는 충격에 노출되고 최대 인성과 외부 응력에 대한 저항이 필요한 강철 부품에 일반적입니다.

 

정규화 프로세스에는 다음이 포함됩니다.

• 금속 재료를 강종에 따라 810 – 930°C 사이의 특정 온도로 가열
• 금속을 담궈 균일한 가열 보장
• 정지된 공기로 냉각시키기

 

강철의 열처리에서 정규화는 경화 및 어닐링 공정보다 더 높은 온도를 포함한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 주요 목표는 냉간 가공 후 발생하는 내부 응력을 제거하는 것입니다. 또한 정규화는 전기적 및 기계적 특성, 가공성 및 인장 강도를 향상시켜 구조를 정상 상태로 복원합니다.

 

 

 

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5) 침탄

이 공정은 탄소 원자를 강철의 표면과 표면 아래에 도입하여 강철의 표면 경도를 향상시킵니다. 이는 금속 부품의 표면을 강화하고 미세 구조를 개선하며 탄소 확산을 통해 기계적 특성을 향상시킵니다. 탄소 확산 깊이는 대기 중 탄소 수준, 재료 유형, 온도 및 해당 온도에 노출되는 기간과 같은 요인에 따라 달라집니다.

 

경화는 부품을 담금질 한 후에 발생합니다. 침탄은 표면 경도를 증가시키고 피로 강도와 내마모성을 향상시킵니다. 탄소 함량이 0.05%에서 0.3%에 이르는 저강에 가장 많이 사용됩니다. 다양한 복잡성을 가진 부품에 적용할 수 있습니다. 침탄은 850°C에서 1000°C 범위의 온도에서 의도된 응용 분야에 대해 향상된 내마모성, 내구성 및 피로 강도가 필요한 금속에 선호되는 처리입니다.

 

 

6) 질화

질화는 금속 부품의 경도, 피로 수명 및 내마모성을 향상시키는 열화학적 케이스 경화 공정입니다. 질화는 원하는 경화 효과를 얻기 위해 질소를 금속 표면으로 확산시키는 것을 포함합니다. 이 공정에는 철 재료를 열처리하고 활성 질소를 사용하여 제어된 임계 이하의 온도에 노출시키는 것이 포함됩니다.

 

활성 질소에 노출되는 동안 400°C에서 590°C 범위의 온도가 적용되어 금속의 기계적 특성을 보존하기 위해 최종 템퍼링 온도 이하로 유지되도록 합니다. 질화는 질화물을 형성하는 원소를 포함하는 합금강 재료에 가장 효과적이며, 질소와 함께 침전된 질화물 합금의 쉬운 형성을 촉진합니다.

 

경화 효과 외에도 질화는 금속 부품에 고착 방지, 마모 방지 및 용접 방지 특성을 부여합니다. 질화 금속은 최대 1000°F의 온도에서 경도를 유지할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 질화 금속은 다이, 베어링, 기어, 스프레이 노즐, 샤프트, 피드 스크류, 밸브, 피스톤 링 등을 포함한 다양한 응용 분야에 매우 적합합니다.

 

 

 

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7) 시안화법

이 과정에서 금속은 시안화 나트륨의 존재 하에서 가열됩니다. 이것은 표면에 질소와 탄소 원자의 침착으로 이어져 경도를 증가시킵니다. 금속 부분은 시안화 중에 섭씨 950도로 유지되는 용융 시안화물 염조에 담근다.

 

사용되는 용융 염에는 염화나트륨, 탄산나트륨, 시안화나트륨 및 소다회가 포함됩니다. 침지된 조각은 950°C의 용융 시안화물에서 15-20분 동안 유지됩니다. 시안화나트륨 분해는 일산화탄소에서 탄소와 질소를 생성하여 표면으로 확산시켜 경화시킵니다. 그 후, 부품을 수조에서 제거하고 기름이나 물로 담금질합니다.

 

 

8) 케이스 경화

경화 공정의 경우 금속 부분의 외층은 경화되고 내부는 부드러움이 유지됩니다. 탄소 함량이 낮은 강철 및 철과 같은 금속은 표면에 추가적인 탄소 주입이 필요합니다. 일반적으로 가공 후 마지막 단계로 사용되는 케이스 경화는 고열과 기타 화학 물질 및 요소를 사용하여 경화된 외부 층을 생성합니다. 경화는 금속을 더 부서지기 쉽게 만들 수 있기 때문에 케이스 경화는 내구성 있는 마모층이 있는 유연한 금속이 필요한 응용 분야에 유용합니다.

 

 

 

 

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6. 열처리 공정에 영향을 미치는 요인

다양한 변수가 금속의 열처리에 영향을 미칩니다. 

 

1) 온도 및 시간

시간과 온도는 금속 열처리에 필수적이며 가열, 담금 및 냉각 단계에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 기계적 특성과 미세 구조를 변경하는 데 중추적인 역할을 하며, 예를 들어 강철의 냉각 속도(담금질)를 분당 1000°C씩 높이면 새로운 미세 구조(마르텐사이트)가 생성됩니다.

 

2) 금속 합금 조성

금속의 열처리는 또한 합금 원소의 영향을 받습니다. 이러한 원소는 철 격자를 통한 원자의 확산을 늦추어 동소체 변형을 지연시킵니다.

또한 망간, 니켈, 몰리브덴 및 붕소와 같은 합금 원소는 경도 증가에 기여합니다. 더 높은 온도에서 템퍼링이 가능하여 유연성이 향상됩니다. 결과적으로, 금속의 조성은 열처리 공정에 영향을 미칩니다.

 

3) 변형률

많은 경우에, 다양한 열처리 공정은 부품의 치수에 다양한 변형과 변경을 초래합니다. 변형 정도는 다음 요인과 관련이 있습니다.

• 열처리 전의 금속 재료의 초기 구조.
• 특정 열처리 방법 및 용광로에 배치.
• 스트레스의 분포.

변형의 정도는 금속의 열처리 공정에 영향을 미칩니다.