어닐링
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
어닐링은 고체 물질의 열처리 공정으로, 금속, 반도체, 광물 등 다양한 재료의 특성을 개선하는 데 사용된다. 금속 어닐링은 금속 내부의 원자 확산을 통해 내부 응력을 완화하고 연성을 증가시키며, 회복, 재결정, 결정립 성장 단계를 거친다. 어닐링 종류에는 완전 어닐링, 응력 제거 어닐링, 구상화 어닐링 등이 있다. 반도체 어닐링은 이온 주입으로 손상된 결정 구조를 복구하고 도펀트를 활성화하며, 급속 열처리 기술이 사용된다. 또한, 저항 가열을 통해 구리선을 어닐링하거나, 메타미크트화된 광물의 결정 구조를 복원하는 데에도 활용된다.
더 읽어볼만한 페이지
| 어닐링 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 재료의 물리적, 화학적 특성을 변화시키기 위해 열을 가하고 냉각하는 열처리 과정 |
| 목적 | 경도 감소 및 연성 증가 가공성 향상 내부 응력 제거 결정 구조 변경 전기적, 자기적, 기계적 성질 변화 |
| 적용 분야 | |
| 금속 | 강철, 구리, 알루미늄 등 가공성 향상, 강도 증가, 내부 응력 제거 |
| 유리 | 잔류 응력 제거 내구성 및 안정성 향상 |
| 플라스틱 | 결정성 증가 열 저항성 향상 |
| 공정 | |
| 가열 | 재료를 특정 온도까지 가열 |
| 유지 | 해당 온도에서 일정 시간 동안 유지 |
| 냉각 | 제어된 방식으로 냉각 (공냉, 수냉, 로냉 등) |
| 어닐링의 종류 | |
| 완전 어닐링 | 재료를 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 서서히 냉각 연성 최대화 및 결정립 미세화 |
| 응력 제거 어닐링 | 낮은 온도에서 수행 가공, 용접 등으로 발생한 내부 응력 제거 |
| 공정 어닐링 | 냉간 가공된 재료의 연성 회복 추가 가공 용이하게 함 |
| 구상화 어닐링 | 탄화물을 구형으로 만들어 가공성 향상 주로 고탄소강에 적용 |
| 영향 요인 | |
| 온도 | 어닐링 온도 |
| 시간 | 유지 시간 |
| 냉각 속도 | 냉각 속도 |
| 분위기 | 분위기 |
| 참고 자료 | |
| 관련 학문 | 재료 과학 열역학 금속 공학 |
2. 금속의 어닐링
금속 어닐링은 금속 재료의 연성을 높여 가공성을 향상시키고, 내부 응력을 제거하여 제품의 수명을 늘리는 열처리 공정이다.[4] 금속 내 원자 확산을 통해 전위를 재분배하고 제거하여 이러한 효과를 얻는다.
어닐링 과정에서 발생하는 내부 응력 완화는 열역학적으로 자발적 과정이지만, 실온에서는 매우 느리게 진행된다.[5] 고온은 이 과정을 가속화한다. 냉간 가공된 금속이 응력 없는 상태로 돌아가는 반응은 주로 금속 내 격자 공극 기울기 제거와 관련이 있다. 강철의 경우 탈탄 기구는 강철 표면 반응, 탄소 원자 간극 확산, 강철 내 탄화물 용해의 세 가지 사건으로 설명할 수 있다.[6]
2. 1. 열역학적 원리
어닐링은 고체 물질 내의 원자 확산에 의해 일어나며, 물질이 평형 상태로 진행되도록 한다. 열은 결합을 끊는 데 필요한 에너지를 제공하여 확산 속도를 증가시킨다. 원자의 이동은 금속 및 (더 적은 정도이지만) 세라믹의 전위를 재분배하고 제거하는 효과를 갖는다. 기존 전위에 대한 이러한 변경은 금속 물체가 더 쉽게 변형되어 연성이 증가하도록 한다.[4]변형된 금속의 공정 개시 깁스 자유 에너지의 양도 어닐링 공정에 의해 감소한다. 실제 및 산업계에서는 이러한 깁스 자유 에너지의 감소를 ''응력 완화''라고 한다.
내부 응력의 완화는 열역학적으로 자발적 과정이다. 그러나 실온에서는 매우 느린 과정이다. 어닐링이 일어나는 고온은 이 과정을 가속화하는 역할을 한다.
냉간 가공된 금속을 응력이 없는 상태로 되돌리는 데 기여하는 반응에는 많은 반응 경로가 있으며, 대부분 금속 본체 내의 격자 공극 기울기를 제거하는 것과 관련이 있다. 격자 공극의 생성은 아레니우스 방정식에 의해 지배되며, 격자 공극의 이동/확산은 피크의 확산 법칙에 의해 지배된다.[5]
강철에는 세 가지 뚜렷한 사건으로 설명할 수 있는 탈탄 기구가 있다. 즉, 강철 표면에서의 반응, 탄소 원자의 간극 확산, 강철 내 탄화물의 용해이다.[6]
2. 2. 어닐링 단계
어닐링 공정은 재료의 온도가 증가함에 따라 세 단계를 거치는데, 이는 회복, 재결정, 그리고 결정립 성장이다.첫 번째 단계는 회복이며, 주로 ''전위(dislocations)''라고 불리는 선형 결함과 이로 인해 발생하는 내부 응력을 제거하여 금속을 연화시킨다.[7] 회복은 모든 어닐링 공정의 낮은 온도 단계에서 발생하며 새로운 변형이 없는 결정립이 나타나기 전에 일어난다. 이 단계에서 결정립의 크기와 모양은 변하지 않는다.[7]
두 번째 단계는 재결정이며, 새로운 변형이 없는 결정립이 핵생성되어 내부 응력에 의해 변형된 기존 결정립을 대체하기 위해 성장한다.[7]
세 번째 단계는 재결정이 완료된 후 어닐링을 계속 진행할 때 발생하는 결정립 성장이다. 결정립 성장 과정에서 미세 구조가 조대해지기 시작하며, 금속이 원래 강도의 상당 부분을 잃을 수 있다. 그러나 이는 경화를 통해 회복될 수 있다.[8]
2. 3. 제어 분위기
어닐링 시 높은 온도로 인해 금속 표면에 산화가 발생하여 스케일이 생길 수 있다. 스케일을 방지하기 위해서는 특수 분위기에서 어닐링을 수행한다. 예를 들어 일산화 탄소, 수소 가스, 질소 가스의 혼합물인 흡열 가스를 사용하거나, 수소와 질소의 혼합물인 성형 가스를 사용하기도 한다.뮤 메탈(Espey 코어)의 자성은 수소 분위기에서 합금을 어닐링하여 개선할 수 있다.
2. 4. 장비 및 설정
어닐링 공정에는 일반적으로 대형 오븐이 사용된다. 오븐 내부는 순환하는 가열된 공기에 최대한 노출되도록 공작물을 배치할 수 있을 만큼 충분히 크다. 대량 공정 어닐링의 경우, 가스 연소 컨베이어로가 자주 사용된다. 대형 공작물 또는 대량의 부품의 경우에는 작업자가 부품을 쉽게 넣고 빼낼 수 있도록 차상로가 사용된다. 어닐링 공정이 성공적으로 완료되면, 때때로 공작물을 오븐에 그대로 두어 부품이 제어 가능한 방식으로 냉각되도록 한다.일부 공작물은 제어된 방식으로 냉각하기 위해 오븐에 남겨두는 반면, 다른 재료와 합금은 오븐에서 꺼낸다. 오븐에서 꺼낸 후, 공작물은 종종 급랭 경화(quenching)로 알려진 공정을 통해 빠르게 냉각된다. 급랭 경화의 일반적인 방법은 공기, 물, 오일 또는 소금과 같은 매체를 사용하는 것이다. 소금은 일반적으로 소금물 형태로 급랭 매체로 사용된다. 소금물은 물보다 더 빠른 냉각 속도를 제공하는데, 이는 물에 물체를 급랭하면 물체의 표면에 증기 기포가 형성되어 물이 접촉하는 표면적이 감소하기 때문이다. 소금물 속의 소금은 물체의 표면에 증기 기포 형성을 감소시켜 물체와 물의 접촉 표면적을 더 크게 만들고, 따라서 물체에서 주변 물로의 열 전달을 더 용이하게 한다. 급랭 경화는 일반적으로 일부 철 합금에 적용되지만 구리 합금에는 적용되지 않는다.
2. 5. 어닐링 종류
어닐링에는 다음과 같은 종류가 있다.- '''완전 어닐링 (Full annealing)'''
강철을 최대한 연화시키고 표준 조직으로 회복시키는 가장 일반적인 어닐링이다.[10] 단순히 어닐링이라고 하면, 이 완전 어닐링을 지칭하는 경우가 많다.[10] 주강품이나 열간 단조품 등에서 결정립이 조대화된 것을 표준 조직으로 회복시키고 불필요한 잔류 응력을 제거한다.[10]
철-탄소 평형 상태 그림에서 아공석강의 경우 A3선보다 20~30℃ 높은 온도, 과공석강의 경우는 A1선보다 20~50℃ 높은 온도에서 유지하여 조직을 오스테나이트화시킨다.[10] 그 후, 100℃/h 이하의 느린 속도로 서냉하는데, 통상 로 내에서 냉각하는 '''로냉'''을 하거나, 로 밖에서 재 속에 넣어 냉각한다.[10] 서냉을 통해 완전 어닐링 후에는 부드러운 층상 펄라이트 조직을 얻을 수 있으며[10], 이는 강철의 표준 조직이 된다.[9]
- '''응력 제거 어닐링 (Stress relief annealing)'''
단조, 주조, 냉간 가공, 용접, 기계 가공 등에서 발생하는 잔류 응력을 제거하기 위한 어닐링으로, '''변형 제거 어닐링''' 또는 '''저온 어닐링'''이라고도 한다.[10] 강은 재결정 온도를 초과하면 재결정이 발생하여 변형이 없는 결정으로 돌아가 잔류 응력이 해소되는데, 이를 이용한다.[10]
유지 온도는 재결정 온도(약 450℃) 이상, A1선(약 730℃) 이하이다.[10] 가열 온도가 높을수록 잔류 응력 제거량이 커지지만, 일반적으로 약 500 - 650℃에서 가열 유지한다.[10] 주철의 경우 약 500 - 700℃[11], 용접에 의한 잔류 응력 제거의 경우 약 600 - 680℃[12]에서 유지한다.
- '''기타 어닐링 종류'''
구상화 어닐링, 중간 어닐링, 확산 어닐링, 등온 어닐링, 연화 어닐링, 단주기 어닐링, 노멀라이징 등이 있다.
- '''공정 어닐링'''
"중간 어닐링", "아임계 어닐링" 또는 "공정 중 어닐링"이라고도 하며, 냉간 가공 중인 제품에 인성을 일부 회복시켜 파손 없이 추가적인 냉간 가공을 할 수 있도록 하는 열처리이다. 온도 범위는 260°C에서 760°C까지이며, 주로 저탄소강에 적합하다. 재료는 강철의 하부 임계 온도 바로 아래 온도까지 가열된다. 냉간 가공된 강철은 일반적으로 경도가 증가하고 연성이 감소하여 가공이 어려워지는데, 공정 어닐링은 이러한 특성을 개선한다. 주로 와이어 드로잉 강, 원심 주조 연성 철관 등과 같은 냉간 압연 강에서 수행된다.
- '''노멀라이징'''
강철의 과도한 연화를 방지하고 균일한 미세 입자 구조를 부여하기 위해 철 합금에 적용하는 어닐링 공정이다. 강철을 상부 임계점보다 20–50 °C 높게 가열하고, 해당 온도에서 짧은 시간 동안 유지한 다음 공기 중에서 냉각시킨다. 상부 임계점 바로 위로 가열하면 오스테나이트 입자(이전 페라이트 입자보다 훨씬 작음)가 생성되며, 냉각 과정에서 더욱 미세한 입자 크기의 새로운 페라이트 입자를 형성한다. 이 공정은 더 강하고 연성이 높은 재료를 생성하며, 주조 중에 가끔 발생하는 주상 입자 및 수상 편석을 제거한다. 노멀라이징은 부품의 가공성을 향상시키고 추가적인 열처리 공정을 거칠 경우 치수 안정성을 제공한다.
- '''단주기 어닐링'''
일반적인 페라이트를 연성 페라이트로 변환하는 데 사용되며, 4시간에서 8시간 동안 가열, 냉각, 재가열하는 과정을 거친다.
3. 반도체의 어닐링
반도체 산업에서 실리콘 웨이퍼는 이온 주입과 같은 공정 단계에서 발생하는 원자 수준의 결함을 복구하기 위해 어닐링된다. 이 공정에서 붕소, 인, 비소와 같은 도펀트 원자가 결정 격자 내의 치환 위치로 이동하여, 반도체 재료에서 도펀트로서 기능할 수 있게 된다.[1]
3. 1. 급속 열처리 (Rapid Thermal Annealing, RTA)
반도체 가공 공정에서 실리콘 기판에 비소나 인 등의 불순물을 주입한 후, 주입된 불순물 원자를 실리콘 격자와 공유 결합시켜 전기적으로 활성화하기 위해 어닐링을 한다. 반도체 가공 공정에서는 이 처리를 '소둔'이라는 일본어 대신 영어에서 유래된 '어닐(anneal)', '어닐링(annealing)'이라고 부른다.[1]반도체는 이전 공정에서 주입된 다른 불순물이 어닐링 과정의 가열로 인해 확산되어 전기적 특성이 나빠질 수 있다. 따라서 어닐링 공정 시간을 가능한 짧게 하려는 노력이 이루어지며, 이러한 짧은 시간의 어닐링 공정을 '급속 열처리'라고 한다.[1]
4. 저항 가열을 이용한 어닐링
저항 가열은 구리선을 효율적으로 어닐링하는 데 사용될 수 있으며, 이 가열 시스템은 제어된 전기적 단락을 사용한다. 다른 어닐링 방식과 달리 온도 조절이 되는 로가 필요하지 않기 때문에 유리할 수 있다.
이 공정은 구리선이 인발된 후 통과하는 두 개의 전도성 도르래('단계 도르래')로 구성된다. 두 도르래 사이에는 전위가 걸려 있어 구리선에 단락을 형성하게 된다. 줄 효과에 의해 구리선의 온도는 약 400°C까지 상승한다. 이 온도는 도르래의 회전 속도, 주변 온도 및 가해지는 전압에 의해 영향을 받는다. 여기서 ''t''는 구리선의 온도, ''K''는 상수, ''V''는 가해지는 전압, ''r''는 분당 도르래의 회전 수, ''t''''a''는 주변 온도인 경우,
:
상수 ''K''는 도르래의 직경과 구리의 저항에 따라 달라진다.
순수하게 구리선의 온도 측면에서, 도르래 시스템을 통해 구리선의 속도를 증가시키는 것은 저항을 감소시키는 것과 동일한 효과를 갖는다.
5. 광물의 어닐링
방사성 원소에 의해 메타미크트화된 비정질 광물의 결정 구조를 복원하기 위해 어닐링(소둔)이 수행되는 경우가 있다.[1]
참조
[1]
웹사이트
Silver
http://www.handyharm[...]
2010-04-19
[2]
학술지
Influence of annealing on the microstructural, tensile and fracture properties of polypropylene films
https://www.academia[...]
2001
[3]
학술지
IEffects of Annealing Time and Temperature on the Crystallinity and Heat Resistance Behavior of Injection-Molded Poly(lactic acid)
https://d1wqtxts1xzl[...]
2012
[4]
학술지
An overview of tailoring strain delocalization for strength-ductility synergy
2020-08
[5]
서적
Elements of Materials Science and Engineering
Addison-Wesley
[6]
학술지
Influence of Carbide Morphology and Microstructure on the Kinetics of Superficial Decarburization of C-Mn Steels
http://rdcu.be/mFXR
2009-04
[7]
서적
Fundamentals of Physical Metallurgy
Wiley
[8]
학술지
Developing Stable Fine-Grain Microstructures by Large Strain Deformation [and Discussion]
https://www.jstor.or[...]
1999
[9]
서적
機械工学辞典
丸善
[10]
웹사이트
オンライン学術用語集検索ページ
http://dbr.nii.ac.jp[...]
文部科学省・国立情報学研究所
2014-09-21
[11]
웹사이트
誰でも分かる鋳物基礎講座
http://www.j-imono.c[...]
日本鋳造工学会関東支部
2014-07-23
[12]
서적
溶接・接合技術入門
産報出版
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com