금속 열처리의 공정

열처리의 공정

열처리는 기계 부품 및 금형 제조 과정에서 중요한 공정 중 하나인데, 내마모성, 내식성, 자기 특성 등과 같은 공작물의 다양한 성능을 제어할 수 있다. 또한 블랭크의 조직과 응력 상태를 개선하여 다양한 저온 및 열처리를 용이하게 할 수 있다. 열처리 공정은 일반적으로 가열, 보온, 냉각의 3가지 공정으로 구성되며, 때로는 가열과 냉각의 2가지 공정만 있다. 이 과정들은 서로 연결되어 중단해서는 안 된다.

 

가열은 열처리의 중요한 공정 중 하나이고 금속 열처리를 위한 가열 방법은 여러 가지가 있다. 전기를 사용하면 가열 제어가 용이하고 환경 오염이 없어, 이러한 열원을 사용하면 직접 가열하거나 용융된 소금이나 금속, 심지어 부유 입자를 통해서도 간접 가열할 수 있다.

금속이 가열되면 공작물이 공기에 노출되어 산화 및 탈탄소화(즉, 철강 부품의 표면 탄소 함량 감소)되는 경우가 많으며, 이는 열처리 후 부품의 표면 성능에 매우 부정적인 영향을 미친다. 따라서 금속은 일반적으로 제어 가능한 환경 및 진공에서 가열되어야 하며 보호 가열에는 코팅 또는 포장 방법을 사용할 수도 있다.

가열 온도는 열처리 공정의 중요한 공정 매개변수 중 하나이며 가열 온도를 선택하고 제어하는 것은 열처리 품질을 보장하는 주요 문제이다. 가열 온도는 처리된 금속 재료 및 열처리의 목적에 따라 다르지만 일반적으로 고온 조직을 얻기 위해 상전이 온도 이상으로 가열한다.

또한, 변환에는 일정한 시간이 필요하므로 금속 공작물의 표면이 필요한 가열 온도에 도달하면 내부 및 외부 온도를 일정하게 유지하고 미세 조직을 완전히 변환하는 시간을 보온 시간이라고 한다. 고에너지 밀도 가열 및 표면 열처리를 사용하는 경우 가열 속도가 매우 빨라 일반적으로 보온 시간이 없는 반면 화학 열처리는 보온 시간이 더 긴 경우가 많다.

 냉각은 또한 열처리 공정에서 없어서는 안될 단계이며 냉각 방법은 공정에 따라 다르며 주로 냉각 속도를 제어하는데, 일반적으로 어닐링의 냉각 속도가 가장 느리고 양화의 냉각 속도가 더 빠르며 급냉의 냉각 속도가 더 빠르다. 그러나 강철의 종류에 따라 요구 사항이 다.

 

금속 열처리 공정은 크게 전체 열처리, 표면 열처리 및 화학 열처리로 구분

금속 열처리 공정은 크게 전체 열처리, 표면 열처리 및 화학 열처리의 세 가지 범주로 나눌 수 있고, 가열 매체, 가열 온도 및 냉각 방법에 따라 각 범주는 여러 다른 열처리 공정으로 나눌 수 있다. 동일한 금속은 다른 열처리 공정을 사용하여 다른 조직을 얻을 수 있으므로 다른 성능을 갖게 된다. 철강은 산업에서 가장 널리 사용되는 금속이며 철강의 미세 조직도 가장 복잡하기 때문에 철강 열처리 공정의 종류가 많다. 전체 열처리는 공작물을 전체적으로 가열한 다음 적절한 속도로 냉각하여 전체 기계적 특성을 변경하는 금속 열처리 공정이다.

전체 열처리

철강의 전체 열처리는 크게 어닐링, 정어닐링, 담금질 및 어닐링의 4가지 기본 공정이 있다.

어닐링은 공작물을 적절한 온도로 가열하고 재료와 공작물의 크기에 따라 다른 보온 시간을 채택한 다음 천천히 냉각하는 것으로, 금속 내부 조직을 평형 상태에 도달하거나 근접하게 하여 우수한 공정 성능과 사용 성능을 얻거나 추가 담금질을 위한 준비를 하는 것이다.

정화는 공작물을 적절한 온도로 가열한 후 공기 중에서 냉각하는 것으로, 정화의 효과는 어닐링과 유사하지만 얻은 조직이 더 가늘어 저탄소 재료의 절삭 성능을 향상시키는 데 자주 사용되며 일부 요구 사항이 높지 않은 부품은 최종 열처리로 사용되기도 한다.

담금질은 작업물을 가열하고 보온한 후 물, 기름 또는 기타 무기염, 유기 수용액 및 기타 담금질 매질에서 빠르게 냉각하는 것인데, 담금질 후 강철 부품은 단단해지지만 동시에 부서지기 쉽다. 강철 부품의 취성을 줄이기 위해 담금질된 강철 부품을 실온보다 높고 650°C보다 낮은 특정 온도에서 장기간 보온한 다음 냉각하는 공정을 템퍼링이라고 한다.

어닐링, 정어닐링, 담금질 및 담금질은 전체 열처리 중 '4가지 담금질'이며, 그 중 담금질은 담금질과 담금질과 밀접한 관련이 있으며 종종 함께 사용되며 필수 불가결하다.

 

일정한 강도와 인성을 얻기 위해 담금질과 고온 담금질을 결합한 공정을 컨디셔닝이라고 하는데, 특정 합금을 담금질하여 과포화 고용체를 형성한 후, 합금의 경도, 강도 또는 전기 자성을 향상시키기 위해 실온 또는 약간 더 높은 적절한 온도에서 장기간 유지한다. 이러한 열처리 공정을 시효 처리라고 한다.

 

압력가공의 변형과 열처리를 효과적이고 긴밀하게 결합하여 공작물이 좋은 강도와 인성을 갖도록 하는 방법을 변형 열처리라고 하며, 음압 환경 또는 진공에서 진행되는 열처리를 진공 열처리라고 하며, 이는 공작물이 산화되지 않고 탈탄되지 않을 뿐만 아니라 처리 후 공작물의 표면을 매끄럽게 유지하고 공작물의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 화학 열처리를 위해 침투제를 통과시킬 수 있다.　　

표면열처리 

표면 열처리는표면의기계적특성을변화시키기위해공작물의표면만을가열하는금속열처리공정이다. 과도한열이공작물내부로유입되지않고공작물표면만가열하려면사용된열원은높은에너지밀도를가져야하며즉, 공작물표면또는국부에너지가단시간또는순간적으로고온에도달하도록단위면적당더큰열에너지를제공해야한다. 표면열처리의주요방법은화염담금질및유도가열열처리가있으며일반적으로사용되는열원은화염, 유도전류, 레이저및전자빔이다.

화학적 열처리

화학적 열처리는 공작물 표면의 화학적 조성, 조직 및 특성을 변경하는 금속 열처리 공정인데, 화학적 열처리와 표면 열처리의 차이점은 후자가 공작물 표면의 화학 조성을 변경한다는 것이다. 화학적 열처리는 탄소, 질소 또는 기타 합금 원소를 포함하는 매질(기체, 액체, 고체)에 넣고 장시간 가열하여 워크의 표면을 탄소, 질소, 붕소 및 크롬과 같은 원소로 침투시키는 것이다.