챕터 3. 탄소강의 열처리

챕터 3. 탄소강의 열처리

 

1. 열처리의 개요

 탄소강은 가열 및 냉각에 따라 성질을 변화시킬 수 있다. 적당한 온도로 가열 및 냉각하여 사용목적에 적합한 성질로 개선하는 것을

열처리라 한다.

 일반열처리 : 담금질(Quenching, 소입), 뜨임(Tempering, 소려), 풀림(Annealing, 소둔), 불림(Normalizing, 소준)

 항온열처리 : 오스템퍼링, 마아템퍼링, 마아퀜칭, Ms퀜칭, 항온뜨임

 표면경화열처리 : - 화학적인 방법 : 침탄법, 질화법, 침탄질화법

                      - 물리적인 방법 : 화염경화법, 고주파경화법

                      - 금속침투법 : 크로마이징, 칼로라이징, 실리콘나이징, 보로나이징, 세라다이징

 기타표면경화법 : 숏피닝, 방전경화법

 

2. 일반열처리

 (1) 담금질 ( 재질 경화 목적 ) 

    아공석강을 A3변태점(912℃)보다 30~50℃, 과공석강은 A1변태점(723℃)보다 30~50℃ 높은 온도로 가열하여

    오스테나이트가 되도록 유지한 후 물 또는 기름에 급랭하여 마텐자이트 조직으로 변태 시킨 열처리

    암기 : 과일이 아삭아삭 하다. (과공석강 A1, 아공석강 A3)

 

담금질 온도의 범위

     1) 냉각제 

        냉각제는 보통 물과 기름이 많이 사용, 소금물, 비눗물, 용융염 등이 사용된다.

        물보다 냉각 성능이 큰 것은 소금물, NaOH용액, 황산액

        물보다 냉각성능이 작은 것은 기름, 비눗물이다.

 

     2) 담금질 조직

        담금질 조직은 냉각 속도에 따라 오스테나이트 -> 마텐자이트 - > 트루스타이트 -> 소르바이트 -> 펄라이트

 

     3) 담금질 균열

        재료를 경화하기 위해 급랭하면 재료 내부와 외부의 온도차에 의해 열응력과 변태 응력으로 인하여 내부 변형 또는 균열이 일어난다.

   

     4) 질량 효과

        강을 담금질할 때 표면은 잘되지만 중심은 잘 되지 않는다. 질량의 크기에 따라 담금질의 효과에 미치는 영향을 질량 효과라 한다.

       질량 효과가 작다는 것은 열처리가 잘된다는 뜻이다. 질량 효과가 큰 재료는 탄소강이며, 질량 효과를 줄이려면 Cr, Ni, Mo, Mn

       원소를 첨가한다.

 

     5) 서브제로 처리(심냉처리)

        상온으로 담금질된 잔류 오스테나이트(A)를 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 마텐자이트 화하는 열처리이다.

        심냉처리를 하면 공구강의 경도가 증가하며, 측정기기 또는 베어링의 조직을 안정하게 하여 시효에 의한 모양 및 치수 변화를 방지.

 

 (2) 뜨임 ( 인성(질긴 성질)을 부여 )

     담금질한 강은 경도가 크지만 취성을 가지게 되므로 인성을 증가시키기 위해 A1변태점 이하에서 재가열하여 재료에 알맞은 속도로

     냉각시켜 주는 처리    

 

     1) 공구나 칼날 등은 마텐자이트 또는 트루스타이트, 기계부품은 소르바이트가 적합

   

     2) 뜨임에 따른 조직 변화

        잔류 오스테나이트는 100℃ 에서 마텐자이트로 변함

        마텐자이트는 250℃ 에서 트루스타이트로 변하며 350℃ 에서 끝남

        트루스타이트는 400℃ 에서 소르바이트로 변하여 600℃ 에서 끝남

        소르바이트는 650℃ 에서 펄라이트로 변함

     

      3) 사용목적에 따른 뜨임의 종류

         - 저온 뜨임 : 재료 내부의 잔류 응력을 제거, 경도를 필요로 할 때 150℃ 부근에서 뜨임

         - 고온 뜨임 : 500~600℃ 부근에서 뜨임 하는 것으로 강인성을 주기 위한 뜨임

 

 (3) 풀림 ( 내부응력 제거, 재질 연화, 인성 향상, 기계적 성질 개선, 조직 개선 )

 

     1) 풀림의 종류

        - 완전풀림 : A3, A1 이상 30~50℃ 로 가열하여 γ고용체로 한 다음 노안에서 서냉 하면 거칠고 큰 결정입자가 붕괴되고

                       미세한 결정입자가 생겨 내부응력이 제거되어 연화된다.

        - 항온 풀림 : A1 바로 위 온도까지 가열하여 A1 밑의 온도에서 항온으로 변태 시키는 것 = 오스풀림

        - 응력 제거 풀림 : 150~600℃ 정도의 온도에서 시행하며 내부응력을 제거할 목적으로 실시

        - 연화 풀림 : 강은 냉간 가공을 계속하며 경화되어 가공을 할 수 없게 되기 때문에 가공 도중 풀림을 하여 연화시켜야 한다.

                       가공 도중 경화된 재료를 연화시키는 열처리 = 중간 풀림

        - 구상화 풀림 : 강을 A1 부근까지 가열하여 서냉 시키면 시멘타이트는 미세하게 되면서 표면장력에 의해 구상화된다.

 

 (4) 불림 ( 결정 조직 미세화, 내부응력 제거, 조직 및 성질 표준화 )

     A3 변태점 또는 Acm선보다 30~50℃ 높은 온도로 가열하고 일정한 시간을 유지하면 균일한 오스테나이트 조직으로 된다.

    그다음 공기 중에서 냉각시키면 미세하고 균일한 표준화된 조직을 얻을 수 있다.

      

 

3. 항온 열처리

 (1) 항온 변태 곡선

       강을 열처리할 때 어떤 온도에서 냉각을 정지하고 그 온도에서 변태를 시켜 변태 온도와 변태 완료 온도를 온도-시간 곡선으로

      나타낸 것 = TTT(time-temperature-transformation) 곡선 = S 곡선 = C 곡선

항온변태곡선(상세도)

     - 항온 변태에서 생기는 조직은 그림에서 PP'부의 상부는 펄라이트(P)이며, 온도가 높은 곳은 거친 펄라이트 조직

       낮은 곳은 미세한 펄라이트 조직이다.

     - PP'부의 하부는 상부 베이나이트(상부B)와 하부 베이나이트(하부B)로 구분된다. (베이나이트는 항온 변태에서만 나타나는 조직)

     - 베이나이트는 열처리에 따른 변형이 적고, 경도가 높으면서 인성이 커서 기계적 성질이 우수하다.

     - 항온 열처리는 크랙 방지와 변형을 감소시키기 위하여 실시하는 열처리이다.

 

 (2) 항온 열처리의 종류

     1) 항온 담금질(isothermal quenching)

       - 오스템퍼링 : 오스테나이트 상태로부터 Ms(마텐자이트가 시작되는 지점) 이상인 온도 250~450℃ 의 염욕으로 담금질하여 과랭

                         오스테나이트가 항온변태가 종료할 때까지 항온을 유지하고, 공기 중으로 냉각하는 과정으로 베이나이트 조직을 얻음.

오스템퍼링

        - 마아템퍼링 : 오스테나이트상태로부터 Ms 와 Mf(마텐자이트가 끝나는 지점) 사이에서 항온변태처리를 하는 방법으로 

                          마텐자이트와 베이나이트의 혼합 조직을 얻음.

마아템퍼링

       - 마아퀜칭 : 오스테나이트 상태로부터 Ms 바로 위 온도의 염욕 중에 담금질하여 강의 내외부가 동일한 온도가 되도록 항온

                      유지하고 항온 변태 완료되기 전에 서서히 공냉 하는 방법으로 마텐자이트 조직을 얻음.

마아퀜칭

       - Ms 퀜칭 : Ms 보다 약간 낮은 온도의 열욕에 넣어 강의 내외부가 동일한 온도가 되도록 항온 유지하고 꺼내어 

                     물 또는 기름에 급랭하는 방법으로 잔류 오스테나이트를 적게 할 수 있음.

Ms 퀜칭

     2) 항온 풀림(isothermal annealing)

       완전풀림으로 연화가 어려운 합금강인 대형단조품 또는 고속도 강은 A3 또는 A1 점이상 30~50℃로 가열 유지한 다음

      A1 아래 온도로 급랭 유지하는 항온 변태 처리를 하여 거친 펄라이트 조직으로 하는 조작 

   

     3) 항온 뜨임(isothermal tempering)

        고속도강이나 다이스강 뜨임에 이용되는 방법으로 뜨임 온도로부터 Ms(약 250℃) 열욕에 넣어 항온 유지시켜 2차 베이나이트가

       생기도록 하는 처리 = 베이나이트 뜨임

 

      4) 오스포밍(ausforming)

        오스테나이트 강을 재결정 온도 이하의 Ms 이상의 온도 범위에서 변태가 일어나기 전에 과랭 오스테나이트 상태에서 소성가공을

       한 다음 냉각하여 마텐자이트화 하는 조작

 

4. 강의 표면 경화법

   표면경도만을 크게 할 필요가 있을 때에는 표면경화 열처리를 한다.

 

 (1) 화학적 표면경화법

     강재 표면층의 화학조성을 첨가 원소의 확산으로 변화시켜 경화층을 얻는 방법.

     

       1) 침탄법 : 0.2% 이하의 저탄소강을 침탄제 속에 묻고 가열하여 표면에 탄소를 침입, 고용시키는 방법

                     표면은 고탄소강, 중심은 연강인 이중 조직이 된다. 기어나 축의 재료에 적당.

          - 고체침탄법 : 목탄, 코크스 등의 침탄제와 탄산바륨(BaCO3) 촉진제를 혼합하여 밀폐 후 침탄로에서 900~950℃로 일정 시간

                            가열하여 침탄 한 후 담금질하여 경화한다.

          - 가스침탄법 : 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 에탄(C2H6)와 같은 탄화수소계의 가스를 사용한 침탄법으로 대량생산에 적합.

          - 액체침탄법 : 시안화나트륨(NaCN), 시안화칼륨(KCN) 등에 염화물(NaCL, KCl, CaCl2)나 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3)를

                            40~50% 첨가하여 600~900℃로 용해시킨 염욕중에 제품을 넣어 탄소와 질소가 강의 표면으로 들어가는 침탄법.

                            = 침탄질화법, 시안화법(청화법)

 

        2) 질화법 : 강을 500~550℃의 암모니아(NH3) 가스 중에 장시간 가열하여 질소가 흡수되어 질화물(Fe4N, Fe2N)이 형성된다.

                      질소가 확산하여 표면에 질화 경화층을 만드는 방법이며 침탄법보다 시간과 비용이 많이 든다.

침탄법과 질화법의 비교

 (2) 물리적 표면 경화법

     표면만을 물리적으로 경화시키는 방법

 

      1) 화염경화법 : 0.4%C 정도의 탄소강 표면에 산소-아세틸렌 화염으로 표면만을 가열하여 오스테나이트 조직으로 한 다음 물로 급랭.

      2) 고주파경화법 : 고주파 유도전류에 의하여 표면 층만을 급열한 후 급랭하여 경화. 담금질 시간이 짧고, 복잡한 형상에 가능.

 

5. 그 밖의 표면 경화법

 (1) 하드페이싱

      표면에 스텔라이트(Co-Cr-W 합금)나 경합금 등의 특수금속을 용착 시켜 표면 경화층을 만드는 방법

 (2) 숏피닝

      표면에 강이나 주철의 작은 입자들을 고속으로 분사시켜 가공 경화에 의해 표면층 강도를 높이는 방법

 (3) 금속침투법

      1) 크로마이징 : Cr 침투, 표면은 고 크롬강으로 되어 스테인리스강의 성질을 갖춤

      2) 칼로라이징 : Al 침투, 철-알루미늄 합금층

      3) 실리콘나이징 : Si 침투, 규소 또는 페로실리콘은 산에 강한 성질을 지님

      4) 보로나이징 : B 침투, 경도가 높은 보론화층을 형성

      5) 세라다이징 : Zn 침투, 내식성이 좋은 표면층을 형성