5. 열처리

5. 열처리

참고도서 : 생산제조공학 SciTech 미디어

5.1 개요

열처리

- 금속의 물성을 바꾸기 위하여 가열과 냉각

을 조절하는 공정

5.2 열처리 작업

평형선도 이용

- 공작물의 서냉 또는 장시간 고온유지의 경우

평형조건에 가까우므로 평형선도로 예측가능

평형조건에 가까우므로 평형선도로 예측가능

- 많은 경우, 열처리는 급격하게 이루어짐.

강의 열처리 작업

완전 어닐링 (Anealling)

- 아공석강 : A3 이상 가열

-> 충분히 유지 (단상 γ 조직) -> A1 이하로 서냉(노냉)

-> A1 이하로 서냉(노냉)

-> 이후 공냉 : 조대 펄러이트 조직

- 과공석강 : 초기 조직(γ + Fe₃C) 나머지는 아공석강과 동 일

강의 열처리 작업 (계속)

 ^{노멀라이징}

- A3 또는 Acm 보다 60도 이상 가열 -> 공냉

** 완전어닐링과 노멀라이징의 차이**

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** 완전어닐링과 노멀라이징의 차이**





강의 열처리 작업 (계속)

공정 어닐링

- 저탄소강(0.25%이하 C)의 재결정 - A1 이하 온도까지 가열 후 냉각

응력 완화 어닐링

- 냉간 가공품의 잔류응력 감소 - 냉간 가공품의 잔류응력 감소 - 공정 어닐링과 유사한 공정

구상화

- 세멘타이트의 구상화가 목적

- 방법 (1) A1 이하로 장시간 가열 후 서냉 (2) A1 부근 온도로 장시간 가열

(3) 고합금강의 경우 750-800도로 가열 후 서냉

강의 열처리 작업- 평형선도

강도를 증가시키는 열처리

6가지 금속 강도 증가 메커니즘

- 고용체 강화: 치환형 고용체, 칩입형 고 용체

- 변형 경화 - 변형 경화

- 결정립 미세화

- 석출경화(시효경화): 5.4절 - 분산 경화

- 상변환 강화: 상을 변환시켜 강화

비철금속의 강화 열처리

석출경화 또는 시효경화 석출 경화의 3단계 공정

(1) 용체처리: 재료를 고상선 이상으로 가 열 후 유지, 단상고용체 생성

(2) 담금질: 과포화 고용체 생성, 연한 재 (2) 담금질: 과포화 고용체 생성, 연한 재

료 생성

(3) 석출 경화: (a) 자연적인 시효처리

(b) 인위적인 시효처리

5.3 강의 강화 열처리

공석탄소강(C:0.89%, Mn: 0.29%)의 등온변 환선도 (T-T-T 곡선)

- 시간과 온도의 변화 에 따른 미세조직의 에 따른 미세조직의 변화

마르텐사이트

마르텐사이트: 오스테나이트 -> Ms 이하로 담금질 - 구조가 면심입방격자 -> 체심입방격자

- 확산의 제한으로 체심사면체격자(변형된 체심입방격자) 형성 -> 강하고 경한 마르텐사이트 형성

마르텐사이트의 전자현미경 사진; 1000배 확대

마르텐사이트의 경도에 대한 탄소의 영향

Ms->Mf까지 담금질시 마르텐사이트의 양

마르텐사이트의 양: 온도만의 함수(시간은 아님) M₅₀ : 마르테사이트, γ 각 50%

마르텐사이트의 템퍼링

시효경화와 담금질-템퍼공정의 비교

열처리 1단계 2단계 3단계

시효 경화

용체처리

안정된 단상영역까 지 가열 후, 균일화 학조성의 단상고용 체 형성되도록 유지

담금질

불평형 과포화 단상 고용체형성(결정조 직유지, 경도저항, 연성증가)

템퍼

제어된 재가열, 안 정된 2상 고용체형 성. 강도와 경도 증 가. 급냉(물성유지) 체 형성되도록 유지 연성증가) 가. 급냉(물성유지)

강의 담금질

– 템퍼

오스테나이트화 안정된 단상영역까 지 가열 후, 균일화 학조성의 단상고용 체 형성되도록 유지

담금질

불평형 과포화 단상 고용체형성(높은 경 도와 취성의 체심 마 르텐사이트 결정구 조)

템퍼

제어된 재가열, 안 정된 2상 고용체형 성. 강도감소, 인성 증가. 급냉으로 물 성을 동결유지

담금질-템퍼된 강의 물성치

오스테나이트로 변환->

기름에서 담금질 ->

다양한 온도에서 템퍼링 된 AISI 강의 물성치

연속적인 냉각변환

냉각속도에 따른 미 세조직의 변화

A: 마르텐사이트 B: A + 펄라이트 C: 미세 펄라이트 D: 조대 펄라이트

경화능 측정을 위한 조미니시험

경화능 고찰

동일 탄소함유량 다른 합금요소

동일 합금요소 다른 탄소함유량

5.4 담금질 매체

담금질의 3단계

1단계: 증기재킷(복사에 의한 열전달)

2단계: 비등상(boiling phase) 다량의 잠열로 냉각속도가 빠름.

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잠열로 냉각속도가 빠름.

3단계: 비등점 이하, 대류와 전도.

담금질 매체 (계속)

매체

- 물 : 큰 기화열, 저렴, 산화, 균열가능성 - 소금물 : 빠른 냉각속도, 부식가속

- 기름 : 느린 냉각속도, 고가, 오염의 문제

- 폴리머 or 합성 : 맞춤매체, 균질, 적은 부식성

- 고압가스 : 기름 담금질과 필적, 제어가능, 오염적음 - 야채기름 : 환경친화적

5.5 강의 열처리시 설계고려사항

설계시 열처리를 고려

- 불균일 단면, 날카로운 모서리 -> 균열, 뒤틀림, 치수변화

잔류응력 (냉각시 수축되는 알루미늄)

강의 열처리시 설계고려사항(계속)

잔류응력 (상변환시 팽창하는 강)

형상에 따른 열처리시 뒤틀림

온도차와 잔류응력이 심하거나 편중되어 뒤틀림이 발생하는 곳의 설계변화

단면이 변하는 곳 균일하지 않은 단면

균열 감소 기술 (오스템퍼 또는 마르템퍼)

(a) 표면이 먼저 마르텐사이트로 변한 후 나중에 변한 내부 의 마르텐사이트의 팽창으로 표면균열

(b) Ms 위의 온도 유지 후 오스템퍼(베나이트 조직)나 마르 템퍼(마르텐사이트 조직)로 냉각

단면이 변하는 곳 균일하지 않은 단면

오스포밍 (열기계공정)

(a) T-T-T 선도를 이용하여 만형태의 온도구역으로 담금 질 후 긴 유지시간을 이용하여 가공이 가능함.

(b) 변형 후 서냉하거나 (베이나이트 조직) 급냉할 수 있다 (마르텐사이트 조직)

5.6 강의 표면경화

선택적 가열기술 (0.3% 이상 C 함유 필요)

화염경화: 산소 아세틸렌 화염으로 오스테나이트 조직 발 생 후 냉각

유도경화: 유도전류를 이용한 표면경화

레이저빔경화: 레이저를 이용한 표면경화

전자빔경화: 전자빔을 이용한 표면경화

유도경화된 기어이의 표면

표면 화학조성 변환관련 기술

탄화법: 탄소를 가열된 면심입방 오스테나이트 구조 에 확산

팩 침탄법: 부품을 고체재료로 둘러싼 후 가열

가스침탄법: 탄소함유가스로 탄화

액체침탄법: 탄소를 공급하는 용융용기에 담아 탄화

질화법

질화법

특수강에 질화합금을 만들어 표면경화

매우 경한 표면 형성, 적은 변형, 얇은 질화층

이온질화법

질소가스를 이온화 시켜 표면에 충돌시키는 플라즈마공정

기타 이온 침탄법, 이온도금, 이온이식

5.7 노(Furnace)

노의 유형

박스로(box furnace)

카바텀박스로(car-bottom box furnace)

벨로 (bell furnace)

엘리베이터로 (elevator furnace)

엘리베이터로 (elevator furnace)

수직구멍로 (vertical pit furnace)

연속로 (continuous furnace)

염욕로 (salt bath furnace)

전기유도 가열(electrical induction heating)

노의 조정

온도센서를 이용한 강건한 온도제어 필요

측정 온도는 노의 온도가 아니라 공작물의 온도가

되어야 함

5.8 열처리와 에너지

당장은 에너지가 많이 드는 것으로 생각되나 부품 의 수명을 고려하면 열처리는 에너지를 절약하는 공정

제조작업의 통합으로 에너지를 더 절약할 수 있음.

제조작업의 통합으로 에너지를 더 절약할 수 있음.

(예) 공기중 냉각, 재가열, 담금질을 열간단조에서

직접 담금질과 템퍼링으로 교체