열처리
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1. 개요
열처리는 금속 재료의 미세구조를 변화시켜 경도, 강도, 인성 등 기계적 특성을 조절하는 공정이다. 열처리 원리는 금속 결정립의 크기, 조성, 형태를 제어하여 확산 속도와 냉각 속도를 조절하는 것이다. 열처리 종류에는 풀림, 담금질, 뜨임, 템퍼링, 서브제로 처리, 용체화 처리, 시효 경화 처리 등이 있으며, 표면 경화를 위한 고주파 담금질, 화염 담금질, 침탄, 질화, 레이저 담금질 등 다양한 기술이 활용된다. 열처리에는 회분식과 연속식 열처리로가 사용되며, 염욕로, 유동층로 등 특수 열처리로도 존재한다.
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| 열처리 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 재료의 물리적 및 화학적 특성을 변화시키기 위해 열을 가하고 냉각하는 공정 |
| 목적 | 강도 증가 경도 증가 연성 증가 내식성 개선 전기 전도도 개선 자기적 특성 변화 잔류 응력 제거 결정 구조 변화 화학적 조성 변화 |
| 주요 열처리 기술 | |
| 담금질 | 오스테나이트화 후 급랭하여 마르텐사이트를 얻는 공정 강철의 경도를 증가시키고, 마르텐사이트 결정 구조 형성 |
| 뜨임 | 담금질된 강철을 재가열하여 취성을 감소시키고 인성을 증가시키는 공정 마르텐사이트를 분해하여 페라이트와 시멘타이트를 형성 |
| 풀림 | 가열 후 천천히 냉각시켜 결정립을 균일하게 만들고, 가공성을 좋게 하는 공정 잔류 응력 제거, 연성 증가 |
| 불림 | 가열 후 공기 중에서 냉각시켜 결정립을 미세화하고, 기계적 성질을 개선하는 공정 결정립 미세화, 균일한 조직 형성 |
| 표면 경화 | 재료의 표면만 경화시키는 공정 침탄, 질화, 화염 경화 등이 포함 마모 저항 및 내구도 향상 |
| 열처리 공정 종류 (온도 기반) | |
| 저온 열처리 | 낮은 온도에서 이루어지는 열처리 잔류 응력 제거, 안정화 목적 |
| 고온 열처리 | 높은 온도에서 이루어지는 열처리 재료의 결정 구조 변화, 강화 목적 |
| 열처리 공정 종류 (매질 기반) | |
| 진공 열처리 | 진공 상태에서 수행되는 열처리 산화 및 탈탄 방지, 고순도 유지 |
| 분위기 열처리 | 특정 가스 분위기에서 수행되는 열처리 표면 화학 조성 변화 |
| 염욕 열처리 | 용융된 염욕에서 수행되는 열처리 균일한 가열, 빠른 열전달 |
| 열처리 적용 분야 | |
| 금속 | 철강, 알루미늄, 구리 등 자동차 부품, 항공기 부품, 공구 등 |
| 비금속 | 세라믹, 유리, 고분자 등 특수 기능성 재료, 전자 부품 등 |
| 열처리 관련 기술 및 장비 | |
| 열처리로 | 전기로, 가스 로, 염욕로 등 다양한 크기 및 용량 |
| 냉각 시스템 | 수냉, 유냉, 공냉 시스템 등 냉각 속도 제어 |
| 제어 시스템 | 온도 제어, 시간 제어 등 자동화 시스템 |
| 기타 | |
| 열처리 관련 용어 | 오스테나이트, 마르텐사이트, 페라이트, 시멘타이트, 베이나이트 결정립, 변태점, 항복 강도, 인장 강도, 경도 |
| 열처리 안전 | 화상, 중독, 폭발 위험 안전 장비 착용 및 작업 지침 준수 |
2. 열처리 원리
열처리는 금속의 결정 구조와 상 변화를 이용하여 이루어진다. 금속 재료는 "결정립" 또는 결정이라고 하는 작은 미세구조로 구성되는데, 열처리를 통해 이러한 미세구조를 변화시켜 금속의 성질을 조절할 수 있다.[1]
대부분의 원소는 온도와 압력에 따라 원자 배열이 바뀌는데, 이를 동소체 또는 다형질이성이라고 한다. 합금에서는 이러한 재배열로 인해 특정 원소가 녹거나, 반대로 녹지 않게 될 수 있다.[3]
금속 원자는 용해된 상태에서 확산 과정을 통해 균일하게 분포하려 한다. 하지만 합금이 불용성 상태로 냉각되면, 용해되었던 원소(용질)는 침전을 통해 결정립계에 모여 핵생성을 일으키고, 이는 여러 상으로 구성된 미세구조를 형성한다.[4]
일부 금속은 빠르게 냉각될 때 마르텐사이트 변태를 겪는다. 이때 불용성 원자가 용액에서 빠져나가지 못하고 격자 내에 갇히면서 응력이 발생한다. 이러한 현상은 강철을 경화시키지만, 알루미늄에서는 연화시키는 결과를 가져온다.[7][8]
2. 1. 물리적 과정
금속 재료는 결정립 또는 결정이라고 하는 작은 미세구조로 구성된다. 결정립의 특성(크기 및 조성)은 금속의 기계적 거동을 결정하는 가장 효과적인 요인 중 하나이다. 열처리는 미세구조 내에서 확산 속도와 냉각 속도를 제어하여 금속의 특성을 조작하는 효율적인 방법을 제공한다. 열처리는 합금의 기계적 특성 (경도, 강도, 인성, 연성, 탄성 등)을 변경하는 데 사용된다.[1]열처리 과정에서 합금의 특성을 변화시킬 수 있는 두 가지 메커니즘은 다음과 같다.
- 마르텐사이트 형성: 결정이 본질적으로 변형된다.
- 확산 메커니즘: 합금의 균질성 변화를 야기한다.[2]
결정 구조는 격자라고 하는 매우 특정한 배열로 그룹화된 원자로 구성된다. 대부분의 원소에서 이러한 질서는 온도와 압력과 같은 조건에 따라 재배열된다. 동소체 또는 다형질이성이라고 하는 이러한 재배열은 특정 금속에 대해 많은 서로 다른 온도에서 여러 번 발생할 수 있다. 합금에서 이러한 재배열은 일반적으로 기본 금속에 용해되지 않는 원소가 갑자기 용해되게 할 수 있지만, 동소체의 역전은 원소를 부분적으로 또는 완전히 불용성으로 만들 수 있다.[3]
용해 상태일 때, 확산 과정은 용해된 원소의 원자가 퍼져 나가 기본 금속의 결정 내에서 균질한 분포를 형성하려고 한다. 합금이 불용성 상태로 냉각되면 용해된 성분(용질)의 원자가 용액에서 이동할 수 있다. 침전이라고 하는 이러한 유형의 확산은 핵생성으로 이어지며, 여기서 이동하는 원자가 결정립계에 함께 모인다. 이것은 일반적으로 두 개 이상의 구별되는 상으로 구성된 미세구조를 형성한다.[4] 예를 들어, 오스테나이트화 온도 이상으로 가열한 다음 천천히 냉각한 강철은 페라이트와 시멘타이트의 교번층으로 구성된 적층 구조를 형성하여 부드러운 펄라이트가 된다.[5] 강철을 오스테나이트 상으로 가열한 다음 물에 담금질하면 미세구조가 마르텐사이트 상이 된다. 이는 강철이 담금질 후 오스테나이트 상에서 마르텐사이트 상으로 변화하기 때문이다. 담금질이 모든 강철을 빠르게 냉각시키지 못한 경우 일부 펄라이트 또는 페라이트가 존재할 수 있다.[4]
철 기반 합금과 달리, 대부분의 열처리 가능한 합금은 페라이트 변태를 경험하지 않는다. 이러한 합금에서 결정립계의 핵생성은 종종 결정 매트릭스의 구조를 강화한다. 이러한 금속은 침전에 의해 경화된다. 일반적으로 온도에 따라 느린 과정이며, 이는 종종 "시효 경화"라고 한다.[6]
많은 금속과 비금속은 빠르게 냉각(오일, 폴리머, 물 등과 같은 외부 매체 사용)될 때 마르텐사이트 변태를 나타낸다. 금속이 매우 빠르게 냉각되면 불용성 원자가 시간 내에 용액에서 이동하지 못할 수 있다. 이것을 "확산 없는 변태"라고 한다. 결정 매트릭스가 저온 배열로 변화하면 용질의 원자가 격자 내에 갇히게 된다. 갇힌 원자는 결정 매트릭스가 저온 동소체로 완전히 변하는 것을 방지하여 격자 내에 전단 응력을 생성한다. 강철과 같이 일부 합금을 빠르게 냉각하면 마르텐사이트 변태가 금속을 경화시키지만, 알루미늄과 같은 다른 합금에서는 합금이 연화된다.[7][8]
2. 2. 합금 조성의 영향
합금계의 특정 조성은 일반적으로 열처리 결과에 큰 영향을 미친다. 각 구성 요소의 비율이 정확하다면, 합금은 냉각 시 단일하고 연속적인 미세 구조를 형성하는데, 이러한 혼합물을 공석이라고 한다.[9] 그러나 용질의 비율이 공석 혼합물과 다르면 일반적으로 두 가지 이상의 서로 다른 미세 구조가 동시에 형성된다.공석 합금(eutectic alloy)과 유사하게 거동하는 공석(eutectoid) 합금은 단일 용융점을 가지며, 이 용융점은 구성 성분 어느 것보다 낮다. 용융된 공석 합금을 냉각하면 모든 구성 성분이 동일한 온도에서 각각의 상으로 결정화된다. 공석 합금은 상 변화가 고용체에서 발생한다는 점이 다르다. 용액 온도에서 공석 합금을 냉각하면 구성 성분이 서로 다른 결정상으로 분리되어 단일 미세구조를 형성한다. 예를 들어, 공석강은 0.77%의 탄소를 포함하며, 서서히 냉각하면 철과 탄소의 용액(오스테나이트)이 페라이트와 시멘타이트 상의 판상체로 분리되어 펄라이트라고 불리는 층상 미세구조를 형성한다.[10] 펄라이트는 철보다 단단하기 때문에 달성 가능한 연화 정도는 펄라이트에 의해, 경화능은 마텐자이트 미세구조에 의해 제한된다.
'''공석변태점 이하 합금(hypoeutectoid alloy)'''은 두 개의 임계 온도를 갖는다. 이 두 온도 사이에서 합금은 용액의 일부와 "공석변태 반응 전 상(proeutectoid phase)"이라고 불리는 별도의 결정화 상으로 부분적으로 존재한다. 용액이 상부 변태 온도에서 불용성 상태로 냉각됨에 따라, 과잉 기지 금속은 "결정화"되어 공석변태 반응 전 상이 된다. 이는 남은 용질의 농도가 공석 수준에 도달할 때까지 발생하며, 그 후 별도의 미세구조로 결정화된다. 예를 들어, 공석변태점 이하 강철은 0.77% 미만의 탄소를 함유한다. 오스테나이트 변태 온도에서 공석변태점 이하 강철을 냉각하면, 공석변태 반응 전 페라이트의 작은 섬이 형성된다. 이것들은 계속 성장하고 탄소는 후퇴하여 강철의 나머지 부분에서 공석 농도에 도달할 때까지 계속된다. 이 공석 혼합물은 그 후 펄라이트의 미세구조로 결정화된다. 페라이트는 펄라이트보다 연성이 더 크기 때문에, 두 미세구조가 결합하여 합금의 연성을 증가시키고, 경화능은 낮아진다.[11]
2. 3. 시간과 온도의 영향
열처리에는 온도, 특정 온도에서 유지되는 시간, 냉각 속도의 정밀한 제어가 필요하다.[12]대부분의 열처리는 합금을 특정 변태 또는 정지(A) 온도 이상으로 가열하는 것으로 시작한다. 이 온도는 A 온도에서 금속이 이력현상 기간을 경험하기 때문에 "정지"라고 한다. 이때 모든 열에너지는 결정 변화에 사용되므로 온도는 짧은 시간 동안 상승을 멈추고(정지) 변화가 완료되면 계속 상승한다.[13] 따라서 변태가 일어나려면 합금을 임계 온도 이상으로 가열해야 한다. 합금은 일반적으로 열이 합금에 완전히 침투하여 완전한 고용체가 될 수 있도록 충분한 시간 동안 이 온도에서 유지된다.
일반적으로 작은 결정 크기는 인성, 전단 강도, 인장 강도와 같은 기계적 특성을 향상시키기 때문에, 용액의 결정이 너무 커지는 것을 방지하기 위해 금속은 상부 임계 온도 바로 위의 온도로 가열된다. 강을 상부 임계 온도 이상으로 가열하면 작은 오스테나이트 결정이 형성된다. 이러한 결정은 온도가 증가함에 따라 더 커진다. 마텐자이트 변태 중에 매우 빠르게 냉각될 때 오스테나이트 결정 크기는 마텐자이트 결정 크기에 직접적인 영향을 미친다. 큰 결정은 큰 결정계면을 가지고 있으며, 이는 구조의 약한 부분으로 작용하여 파손 확률을 높인다.[14]
확산 변태는 시간에 매우 의존적이다. 금속을 냉각하면 일반적으로 석출을 훨씬 더 낮은 온도로 억제한다. 예를 들어 오스테나이트는 일반적으로 상부 임계 온도 이상에서만 존재한다. 그러나 오스테나이트를 충분히 빠르게 냉각하면 하부 임계 온도보다 수백 도 아래에서 변태를 억제할 수 있다. 냉각 속도는 결정 성장 속도를 제어하고 부분적으로 마텐자이트 미세 구조를 생성하는 데에도 사용할 수 있다.[15]
3. 열처리 종류
금속 재료는 "결정립" 또는 결정이라고 하는 작은 미세구조로 구성된다. 열처리는 이러한 결정립의 특성(크기, 조성 등)을 조절하여 금속의 기계적 성질(경도, 강도, 인성, 연성, 탄성 등)을 변화시키는 효율적인 방법이다.[1]
열처리 과정에서 합금의 특성을 변화시키는 주요 메커니즘은 두 가지이다. 하나는 마르텐사이트 형성으로, 결정이 변형되게 한다. 다른 하나는 확산 메커니즘으로, 합금의 균질성을 변화시킨다.[2]
대부분의 원소는 온도와 압력에 따라 결정 구조가 재배열되는데, 이를 동소체 또는 다형질이성이라고 한다. 합금에서는 이러한 재배열로 인해 특정 원소가 용해되거나 불용성 상태가 될 수 있다.[3]
용해 상태에서 확산 과정은 용해된 원소를 균일하게 분포시키지만, 불용성 상태로 냉각되면 용질 원자가 이동하여 침전이 일어난다. 이때 이동하는 원자가 결정립계에 모여 핵생성을 일으키고, 두 개 이상의 상으로 구성된 미세구조를 형성한다.[4] 예를 들어, 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 천천히 냉각된 강철은 페라이트와 시멘타이트의 층상 구조인 펄라이트가 된다.[5] 반면, 강철을 오스테나이트 상으로 가열 후 물에 담금질하면 마르텐사이트 상이 된다. 이는 담금질 후 강철이 오스테나이트 상에서 마르텐사이트 상으로 변하기 때문이다. 모든 강철이 빠르게 냉각되지 못하면 일부 펄라이트나 페라이트가 존재할 수 있다.[4]
철 기반 합금과 달리, 대부분의 열처리 가능한 합금은 페라이트 변태를 겪지 않고 결정립계 핵생성을 통해 결정 매트릭스 구조를 강화한다. 이러한 금속은 침전에 의해 경화되며, "시효 경화"라고도 불리는 느린 과정을 거친다.[6]
금속을 빠르게 냉각하면 불용성 원자가 시간 내에 이동하지 못하는 "확산 없는 변태"가 일어난다. 이때 용질 원자가 격자 내에 갇히면서 전단 응력이 발생한다. 강철과 같이 일부 합금은 마르텐사이트 변태로 경화되지만, 알루미늄 등은 연화된다.[7][8]
적절한 열처리를 위해서는 온도, 유지 시간, 냉각 속도를 정밀하게 제어해야 한다.[12] 응력 제거, 템퍼링, 시효를 제외한 대부분의 열처리는 특정 변태 온도 이상으로 합금을 가열하는 것으로 시작한다. 이때 열에너지가 결정 변화에 사용되므로 온도가 잠시 멈추는 "정지" 현상이 나타난다.[13]
작은 결정 크기는 인성, 전단 강도, 인장 강도를 향상시키므로, 금속을 상부 임계 온도 바로 위로 가열하여 결정 성장을 방지한다. 예를 들어, 강을 상부 임계 온도 이상으로 가열하면 작은 오스테나이트 결정이 형성되고, 마르텐자이트 변태 시 오스테나이트 결정 크기는 마르텐자이트 결정 크기에 영향을 미친다. 큰 결정은 파손 확률을 높이므로 결정 크기 제어가 중요하다.[14]
확산 변태는 시간에 의존적이며, 금속 냉각은 석출을 억제한다. 오스테나이트는 상부 임계 온도 이상에서만 존재하지만, 빠르게 냉각하면 하부 임계 온도보다 낮은 온도에서도 변태가 억제될 수 있다. 이러한 오스테나이트는 불안정하여 시간이 지나면 페라이트와 시멘타이트의 다양한 미세 구조로 석출된다. 냉각 속도는 결정 성장 속도를 제어하고 마르텐자이트 미세 구조 생성에 사용될 수 있다.[15] 그러나 마르텐자이트 변태는 시간에 무관하며, 합금이 마르텐자이트 변태(Ms) 온도로 냉각되면 음속에 가까운 속도로 발생한다.[16]
오스테나이트를 냉각하여 마르텐자이트 시작 온도(Ms) 이상으로 유지하면 오스테나이트 결정 크기는 핵 생성 속도에 영향을 주지만, 온도와 냉각 속도가 결정 크기와 미세 구조를 제어한다. 오스테나이트를 매우 천천히 냉각하면 구상체, 조금 더 빠르게 냉각하면 조대 펄라이트, 더 빠르게 냉각하면 미세 펄라이트, 베이나이트가 형성된다. 특정 온도로 냉각 후 유지 시간을 통해 특정 미세 구조를 형성할 수도 있다.[17]
대부분의 비철 합금도 용액 형성을 위해 가열되며, 마르텐사이트 변태를 위해 빠르게 냉각되어 과포화 상태가 된다. 이 상태에서 냉간 가공이 가능하며, 가공 경화로 강도와 경도가 증가한다. 냉간 가공되지 않아도 용질은 석출되지만 시간이 오래 걸릴 수 있다. 때로는 하부 임계(A1) 온도보다 낮은 온도로 가열하여 재결정을 방지하고 석출을 가속화한다.[18][19][20]
3. 1. 전체 열처리
복잡한 열처리 과정은 금속학자들이 합금의 기계적 특성을 최적화하기 위해 사용한다. 예를 들어, 항공우주 산업에서 사용되는 초합금은 원하는 특성을 얻기 위해 5가지 이상의 열처리 공정을 거치기도 한다.[21]
전체 열처리는 금속 재료 전체를 균일하게 가열하고 냉각하는 방법이다. 여기에는 다음과 같은 방법들이 있다.
- '''노멀라이징''': 합금 전체의 결정립 크기와 조성(등축 결정)을 균일하게 만드는 기술이다. 주로 철 합금에 사용되며, 오스테나이트화(오스테나이트화) 후 자연 공랭하여 펄라이트, 마텐자이트, 베이나이트 등을 생성한다. 완전 풀림보다 연성은 낮지만 더 단단하고 강한 강철을 만들 수 있다.[21] 노멀라이징 공정은 강을 상부 임계 온도 한계보다 약 40°C 높은 온도로 가열하고, 일정 시간 유지한 후 공기 중에서 냉각한다.
- '''응력 제거''': 금속 내부의 응력을 줄이는 기술이다. 냉간 가공이나 불균일 냉각 등으로 발생한 응력을 제거하기 위해 금속을 하한 임계 온도 이하로 가열한 후 균일하게 냉각한다.[21] 주로 에어 탱크, 보일러, 압력 용기 등 용접 과정에서 응력이 발생하는 제품에 사용된다.[22]
- '''굽힘'''
3. 1. 1. 풀림 (소둔)
풀림(Annealing)은 금속을 특정 온도까지 가열한 다음, 구성 요소를 완전히 또는 부분적으로 분리하여 정제된 미세구조를 생성하는 속도로 냉각하는 공정이다. 냉각 속도는 일반적으로 느리다.[21] 풀림은 대부분 금속을 냉간 가공을 위한 연화, 가공성 향상, 또는 전기 전도도와 같은 특성 향상에 사용된다.철강 합금의 경우, 풀림은 일반적으로 상한 임계 온도 이상으로 금속을 가열한 다음 매우 천천히 냉각하여 펄라이트를 형성하는 방식으로 수행된다. 순수 금속과 열처리가 불가능한 많은 합금 모두에서 풀림은 냉간 가공으로 인한 경도를 제거하는 데 사용된다. 이때 금속은 재결정이 발생할 수 있는 온도로 가열되어 소성 변형으로 인한 결함을 복구한다. 이러한 금속의 경우 냉각 속도는 일반적으로 거의 영향을 미치지 않는다. 열처리가 가능한 대부분의 비철 합금도 냉간 가공의 경도를 완화하기 위해 풀림된다. 이러한 합금은 구성 요소의 완전 석출을 허용하고 정제된 미세구조를 생성하도록 천천히 냉각될 수 있다.[21]
철강 합금은 일반적으로 "완전 풀림" 또는 "공정 풀림"된다. 완전 풀림은 조대 펄라이트를 형성하기 위해 매우 느린 냉각 속도를 필요로 한다. 공정 풀림에서는 냉각 속도가 더 빨라질 수 있으며, 노멀라이징을 포함한다. 공정 풀림의 주요 목표는 균일한 미세구조를 생성하는 것이다. 비철 합금은 종종 "재결정 풀림", "부분 풀림", "완전 풀림" 및 "최종 풀림"을 포함한 다양한 풀림 기술을 거친다. 응력 완화와 같이 모든 풀림 기술이 재결정을 포함하는 것은 아니다.[21]
풀림 공정의 경도는 일반적으로 최대값으로 HRB 척도에 표시된다.[31] 풀림은 결정립 크기를 미세화하고, 강도를 향상시키며, 잔류 응력을 제거하고, 전자기적 특성에 영향을 미치는 공정이다.[21]
"풀림"이라는 용어는 매우 일반적인 표현이므로, "완전 풀림", "중간 풀림", "등온 풀림"과 같이 보다 구체적인 표현이 바람직하다고 여겨진다. 철강 재료에 대해 단순히 "풀림"이라고 했을 경우, 오스테나이트가 될 때까지 가열하여 충분한 시간 유지한 후 서냉각하는 "완전 풀림"을 가리키는 경우가 많다. '''소둔'''이라고 표기하거나, '''소둔'''(燒鈍)이라고 부르기도 한다.[36]
3. 1. 2. 담금질
담금질은 금속을 빠른 속도로 냉각하는 공정이다. 철 합금의 경우, 이 과정을 통해 금속이 더 단단해지는 경우가 많지만, 비철 합금은 오히려 더 부드러워지기도 한다.담금질을 통해 금속을 경화시키려면, 금속(주로 강철 또는 주철)을 상부 임계 온도(강철의 경우 815~900℃ 이상[23]) 이상으로 가열한 후 빠르게 냉각해야 한다. 합금의 종류와 원하는 특성(최대 경도, 균열 및 변형 방지 등)에 따라 강제 공기나 질소와 같은 기체를 사용하거나, 열전도율이 더 좋은 기름, 물, 물에 용해된 폴리머, 염수와 같은 액체를 사용하여 냉각할 수 있다.
빠르게 냉각하면 오스테나이트의 일부(합금 조성에 따라 다름)가 단단하고 취성인 결정 구조인 마르텐사이트로 변환된다.[24] 담금질된 금속의 경도는 화학적 조성과 냉각 속도에 따라 달라진다. 냉각 속도는 염수, 폴리머(물+글리콜 폴리머 혼합물), 담수, 기름, 강제 공기 순으로 빠르다.
하지만 특정 강철은 너무 빨리 담금질하면 균열이 발생할 수 있다. 예를 들어, AISI 4140과 같은 고장력강은 기름으로, 공구강과 같은 ISO 1.2767 또는 H13 열간 작업 공구강은 강제 공기로, XK1320 또는 AISI 1040과 같은 저합금강 또는 중장력강은 염수로 담금질해야 한다.
일부 베타 티타늄계 합금도 빠른 냉각을 통해 강도가 증가하는 경향을 보인다.[24] 그러나 구리, 알루미늄, 니켈 합금과 같은 대부분의 비철 금속과 오스테나이트계 스테인리스강(304, 316) 같은 일부 고합금강은 담금질하면 연화되는 반대 효과가 나타난다. 오스테나이트계 스테인리스강은 완전한 내식성을 확보하기 위해 담금질이 필요하다.[21]
넓은 의미에서 담금질은 금속을 고온에서 급랭시키는 모든 조작을, 좁은 의미에서는 철강 재료를 오스테나이트 조직으로 가열한 후 급랭시켜 마르텐사이트 조직으로 만드는 열처리를 의미한다.[35]
3. 1. 3. 뜨임 (템퍼링)
템퍼링은 담금질된 강을 하한 임계 온도(원하는 결과에 따라 205°C~595°C) 이하로 가열하여 인성을 부여하는 공정이다.[21] 합금 및 용도에 따라 최대 700°C까지 더 높은 템퍼링 온도를 사용하여 연성을 더욱 향상시키는 경우도 있지만, 어느 정도의 항복 강도는 손실된다. 템퍼링은 마르텐사이트 개시 온도보다 높은 특정 온도까지 담금질한 후 순수한 베이나이트가 형성되거나 내부 응력이 완화될 때까지 그 온도를 유지하는 방식으로도 이루어지는데, 여기에는 오스템퍼링과 마르템퍼링이 포함된다.[21]담금질된 재료를 적절한 온도로 다시 가열하면 조직이 안정화되고 기계적 성질이 개선된다.[35] 마르텐사이트화시키는 담금질 후에는 거의 반드시 뜨임을 실시한다.[35] 철강 재료의 뜨임의 경우, 가열 온도는 최대 오스테나이트 변태점 이하로 하는 것이 원칙이며, 실제로는 100°C~250°C의 저온 뜨임이나 450°C~680°C의 고온 뜨임이 행해진다.[35]
연마한 강철은 가열하면 산화층이 형성되는데, 특정 온도에서 산화철은 특정 두께의 층을 형성하여 박막 간섭을 일으켜 강철 표면에 색이 나타난다. 온도가 증가함에 따라 산화철 층의 두께가 증가하고 색이 변한다.[25] 이러한 색을 템퍼링 색(담금질 색)이라고 하며, 수 세기 동안 금속의 온도를 측정하는 데 사용되어 왔다.[26]
템퍼링 색은 담금질된 강철의 최종 특성을 판단하는 데 사용할 수 있다. 매우 단단한 공구는 종종 연한 짚색에서 진한 짚색 범위에서 담금질되며, 스프링은 종종 청색으로 담금질된다. 그러나 담금질된 강철의 최종 경도는 강철의 구성에 따라 달라진다. 고탄소 공구강은 동일한 온도에서 담금질할 경우 (탄소 함량이 약간 낮은) 스프링 강보다 담금질 후 훨씬 더 단단하게 유지된다. 산화 피막은 시간이 지남에 따라 두께가 증가한다. 따라서 204°C에서 매우 오랫동안 유지된 강철은 온도가 연한 짚색을 생성하는 데 필요한 온도를 초과하지 않았더라도 갈색이나 자주색으로 변할 수 있다. 최종 결과에 영향을 미치는 다른 요소는 표면의 오일 필름과 사용된 열원의 종류이다.[26]
3. 1. 4. 템퍼링 (담금질-뜨임)
철강 재료에서는 담금질 후 고온 뜨임을 하는 것을 조합한 것을 의미한다.[35][36]3. 1. 5. 서브제로 처리 (심냉 처리, 영하 처리)
'''서브제로 처리'''(Sub-zero treatment)는 온도를 0℃ 이하로 냉각하는 처리이다.[29] '''심냉 처리''' 또는 '''영하 처리'''라고도 한다.[28] 주로 담금질 직후의 철강 재료에 대해 경년 변화의 원인이 되는 잔류 오스테나이트를 감소시키기 위해 행한다.[28] 세미 오스테나이트계 석출 경화형 스테인리스강 등에서는 준안정 오스테나이트를 마르텐사이트화시키기 위해 행한다.[37]강을 담금질하면 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하지만, 모든 오스테나이트가 변태하는 것은 아니다. 일부 오스테나이트 결정은 마르텐사이트 완료(Mf) 온도 이하로 담금질한 후에도 변하지 않고 남아있다. 오스테나이트를 마르텐사이트로 추가 변태시키려면 금속을 매우 낮은 온도로 서서히 냉각하면 된다.
일반적인 저온 처리는 강을 약 -81℃(-81°C)까지 냉각하는 것을 포함하지만, 모든 오스테나이트를 제거하지는 않는다. 극저온 처리는 보통 -192℃(-192°C) 정도의 훨씬 더 낮은 온도로 냉각하여 대부분의 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시키는 것을 포함한다.
저온 및 극저온 처리는 일반적으로 담금질 직후, 뜨임 전에 수행되며, 경도와 내마모성을 높이고 금속 내부 응력을 감소시키지만, 담금질 공정의 연장선상에 있는 것이므로 공정 중 균열 발생 가능성을 높일 수 있다. 이 공정은 종종 우수한 내마모성이 필요한 공구, 베어링 또는 기타 품목에 사용된다. 그러나 일반적으로 담금질 후 10% 이상의 오스테나이트가 남아 있는 고탄소강 또는 고합금강에서만 효과적이다.[28][29]
약 -80℃까지 냉각하는 서브제로 처리는 메탄올과 드라이아이스 등이 냉각재로 사용되고, -200℃ 가까이까지 냉각하는 경우에는 액체 질소가 사용된다.[28]
3. 1. 6. 용체화 처리 (고용화 열처리)
가열·급냉각하여 석출을 일으키지 않고 석출물이 충분히 용해된 상온의 재료를 얻는 열처리이다.[39] 용해시키는 석출물의 고용 한도선 이상까지 가열한다.[39] '''고용화 열처리'''라고도 부른다.[39] 알루미늄 합금, 티탄 합금, 석출경화계 스테인리스강에서는 시효 경화 처리의 전처리로서 용체화 처리를 한다.[39] 오스테나이트계 스테인리스강에서는 주로 내식성을 확보하기 위해 용체화 처리를 한다.[40]3. 1. 7. 시효 경화 처리 (석출 경화 처리)
일부 금속은 ''석출경화 금속''으로 분류된다. 석출경화 합금을 담금질하면 합금 원소가 용액 내에 갇히게 되어 금속이 연화된다. "용액화"된 금속을 시효 처리하면 합금 원소가 미세구조를 통해 확산되어 금속간 화합물 입자가 형성된다. 이러한 금속간 화합물 입자는 핵생성을 일으켜 용액에서 석출되고 강화상으로 작용하여 합금의 강도를 증가시킨다.[21] 합금은 상온에서 석출물이 형성되는 "자연" 시효 처리가 가능하거나, 고온에서만 석출물이 형성되는 "인공" 시효 처리가 가능하다. 어떤 응용 분야에서는 자연 시효 처리 합금을 냉동고에 보관하여 후속 작업(예: 리벳 조립)이 완료될 때까지 경화를 방지하기도 한다. 더 부드러운 부품으로 작업이 더 쉬울 수 있기 때문이다.석출경화 합금의 예로는 2000계열, 6000계열 및 7000계열 알루미늄 합금과 일부 초합금 및 일부 스테인리스강이 있다. 시효에 의해 경화되는 강은 일반적으로 "마르텐사이트 시효"라는 용어의 조합으로 마르에이징강이라고 한다.[21]
시효 경화 처리는 용체화 처리한 재료를 적절한 고온 또는 상온에서 유지하는 처리이다.[35] '''석출 경화 처리'''라고도 한다.[35] 석출 경화형 합금에 대해 행해지는 열처리로, 미세한 상을 재료 중에 석출시킨다.[41] 알루미늄 합금, 티탄 합금, 석출경화계 스테인리스강 등에 대해 행해진다.
3. 1. 8. 수인
고망간강에 행해지는 처리로, 1050~1100℃의 탄화물이 고용화하는 온도까지 가열한 후, 급냉각하여 조직을 균일한 오스테나이트로 하는 처리이다.[41] '수인'이라고도 적는다.[41]3. 2. 표면 열처리
표면 열처리는 금속 재료의 표면층만을 가열하고 냉각하여 표면 경도를 높이는 방법으로, 내마모성, 내피로성 등을 향상시킬 수 있다.유도 경화는 비접촉식 유도 가열을 이용하여 금속 표면을 매우 빠르게 가열한 뒤 급랭하여 마르텐사이트 변태를 일으키는 표면 경화 기술이다. 크랭크축 저널이 유도 경화된 표면의 좋은 예이다.[27]
침탄은 탄소나 질소 등의 합금 원소가 금속 표면으로 확산되는 열화학적 확산 공정이다. 생성된 침입형 고용체는 기본 재료보다 단단하여 인성을 희생하지 않고 내마모성을 향상시킨다.[21]
화염 경화는 금속의 일부만 가열한 후 담금질하여 경화하는 방법이다. 차별 경화와 달리 열 영향부 가장자리의 냉각 속도가 매우 빨라 가열된 금속과 가열되지 않은 금속 사이에 매우 취성이 강한 영역이 생성되는 경우가 많다.
레이저 표면 공학은 다양성, 선택성 및 새로운 특성을 가진 표면 처리 기술이다. 레이저 처리에서는 냉각 속도가 매우 높아 준안정 상태의 금속 유리도 얻을 수 있다.
3. 2. 1. 고주파 담금질
고주파 담금질은 유도가열을 이용하여 금속 표면을 매우 빠르게 가열하는 표면경화 기술이다. 급냉을 통해 표면에 마르텐사이트 변태를 일으키지만, 기저 금속은 변하지 않는다. 따라서 표면은 매우 단단하고 내마모성이 뛰어나면서도, 물체 대부분은 적절한 인성을 유지할 수 있다. 크랭크축 저널은 고주파 담금질된 표면의 좋은 예이다.[27]3. 2. 2. 화염 담금질
화염 담금질은 금속의 일부만을 경화하는 데 사용되는 방법이다. 전체 부품을 가열한 후 서로 다른 속도로 냉각하는 차별 경화와 달리, 화염 경화에서는 금속의 일부만 가열한 후 담금질한다. 이는 일반적으로 차별 경화보다 쉽지만, 가열된 금속과 가열되지 않은 금속 사이에 매우 취성이 강한 영역이 생성되는 경우가 많다. 이는 열 영향부 가장자리의 냉각 속도가 매우 빠르기 때문이다.3. 2. 3. 침탄
침탄(case hardening)은 합금 원소(대부분 탄소 또는 질소)가 단일 금속의 표면으로 확산되는 열화학적 확산 공정이다. 이로 인해 생성된 침입형 고용체는 기본 재료보다 더 단단하여 인성을 희생하지 않고 내마모성을 향상시킨다.[21]3. 2. 4. 질화
질소 원자를 강철 표면에 확산시켜 경화층을 형성하는 표면 경화 처리 방법이다.3. 2. 5. 레이저 담금질
레이저를 이용하여 표면층을 가열하고 담금질하는 방법이다.3. 2. 6. 침붕
침붕은 붕소를 표면에 확산시켜 경화층을 형성하는 방법이다.3. 2. 7. 침황
황을 표면에 확산시켜 경화층을 형성하는 방법이다.[31]4. 열처리 장비 (열처리로)
열처리에 사용되는 용광로는 크게 회분식 용광로와 연속식 용광로 두 가지로 나눌 수 있다. 회분식 용광로는 일반적으로 수동으로 재료를 넣고 빼는 반면, 연속식 용광로는 자동 이송 시스템을 통해 용광로 내부에 끊임없이 재료를 공급한다.[33]
회분식, 연속식, 특수 열처리로에 대한 자세한 내용은 각각 #회분식 열처리로, #연속식 열처리로, #특수 열처리로 문단에서 확인할 수 있다.
4. 1. 회분식 열처리로
회분식 열처리로는 일반적으로 수동으로 장입(loading)과 배출(unloading)이 이루어진다.[33] 회분식 열처리로는 다양한 형태가 있으며, 대표적인 예시는 다음과 같다.- 상자형 (Box-type) 로: 가장 기본적인 형태의 회분식 열처리로이다.
- 카타입 (Car-type) 로: "보기로(bogie hearth)"라고도 불리며, 매우 큰 회분식로이다. 바닥은 로딩과 언로딩을 위해 로 안팎으로 이동하는 절연된 이동식 카로 구성되어 있다.
- 엘리베이터형 (Elevator-type) 로: 자동차 열처리로와 유사하지만, 로와 하중이 모터 구동 장치를 통해 이동한다는 점이 다르다.
- 벨형 (Bell-type) 로: "벨"이라고 불리는 제거 가능한 덮개를 사용하여 분위기를 제어한다.
- 피트형 (Pit-type) 로: 구덩이에 설치되어 긴 부품을 수직으로 고정하여 열처리하는 데 적합하다.
이 외에도 염욕로(Salt bath furnace)와 유동층로(Fluidized bed furnace) 등이 있다. 염욕로는 용융염을 사용하여 부품을 가열하며, 다양한 열처리 공정에 사용된다. 하지만 작업 환경 및 안전 문제로 인해 최근에는 유동층로로 대체되는 추세이다.[34] 유동층로는 산화알루미늄 입자를 통해 기체를 통과시켜 유체처럼 작동하게 만들어 열을 전달한다.[33]
4. 1. 1. 상자형 (Box-type) 로
상자형(Box-type) 로는 가장 기본적인 형태의 열처리로이다. 배치식 시스템은 일반적으로 단열된 강철 외피의 처리실, 가열 시스템, 그리고 처리실 출입문으로 구성된다.[33]4. 1. 2. 카타입 (Car-type) 로
카 타입(Car-type)로는 바닥이 이동식 카로 구성되어 있어 대형 부품 처리에 적합하다.4. 1. 3. 엘리베이터형 (Elevator-type) 로
엘리베이터형 로는 로와 하중이 함께 이동하는 방식이므로, 무거운 하중을 처리하는 데 용이하다.4. 1. 4. 벨형 (Bell-type) 로
벨형(Bell-type) 로는 제거 가능한 덮개(벨)를 사용하여 분위기를 제어할 수 있다.4. 1. 5. 피트형 (Pit-type) 로
피트형 로는 긴 부품을 수직으로 고정하여 열처리하는 데 적합하다.4. 2. 연속식 열처리로
연속식 열처리로는 자동 이송 시스템을 통해 재료를 연속적으로 공급한다.4. 3. 특수 열처리로
특수 열처리로는 공기로(空気炉), 진공로(真空炉), 염욕로 등이 있다. 염욕로는 용융염을 사용하여 부품을 가열하는 방식으로, 액체 질화, 오스템퍼링, 마템퍼링 등 다양한 열처리 공정에 사용된다.[33] 염욕로는 부품의 심부 온도와 표면 온도가 거의 동일하게 상승하는 장점이 있지만,[33] 작업 환경 및 환경 문제로 인해 사용이 줄어드는 추세이다.[34]4. 3. 1. 염욕로 (Salt bath furnace)
염욕로는 용융염을 사용하여 균일하게 가열할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 환경 문제로 인해 염욕로의 사용은 감소하는 추세이다.[33]4. 3. 2. 유동층로 (Fluidized bed furnace)
유동층로는 공기로(空気炉), 진공로(真空炉), 염욕로(ソルトバス炉)와 같이 유동화된 입자를 사용하여 높은 열전달 효율을 얻는 방식의 로이다.참조
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