어닐링(Annealing, 풀림, 소둔)
어닐링(Annealing)은 재료의 표면을 가열한 후 냉각하여 재료의 연성을 높이고 강도와 경도를 낮추기 위해 주로 사용하는 열처리 방법 중 하나입니다. 어닐링은 재료를 고온상태에서 천천히 식혀서 탄소 원자가 충분히 확산할 수 있는, 평형상태를 잡으면서 냉각될 수 있는 시간을 줍니다.
어닐링 열처리의 목적
어닐링의 목적은 다음과 같습니다.
| 목적 | 설명 |
|---|---|
| 경도 낮추기 및 가공성 향상 | 어닐링을 통해 재료의 경도를 낮추어 가공하기 쉽게 만듭니다. |
| 잔류 응력 감소 및 크기 안정화 | 재료 내의 잔류 응력을 줄이고, 크기를 안정화시켜 변형 및 균열의 경향을 줄입니다. |
| 결정립 미세화 및 조직 조정 | 결정립을 미세화하고 조직을 조정하여, 조직의 결함을 제거합니다. |
| 균일한 재료 조직 및 구성 | 재료의 조직 및 구성을 균일하게 하여, 재료 특성을 개선하거나 후속 열처리를 위한 조직을 준비합니다. |
어닐링 공정의 과정
어닐링은 다음과 같은 세 단계로 이루어집니다.
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 1단계 | 상온에서 특정 온도까지 가열 |
| 2단계 | 일정한 온도에서 일정 시간 동안 유지 |
| 3단계 | 적절한 속도로 냉각 |
어닐링 공정의 종류와 특징
| 어닐링 종류 |
|---|
| 1. 완전어닐링(full annealing) |
| 2. 확산풀림(homogenizing) |
| 3. 응력제거풀림(stress relief annealing) |
| 4. 구상화풀림(spheroidizing anneling) |
| 5. 중간풀림(process annealing) |
1. 완전어닐링(full annealing)
완전어닐링(full annealing)은 재료를 고온으로 장시간 유지시킨 후 서서히 냉각하는 것을 말합니다. 풀림이라고 하면 보통 완전 풀림을 의미하며, 탄소량을 기준으로 가열 온도가 결정됩니다.
완전어닐링 공정
완전어닐링은 다음과 같은 방법으로 진행합니다.
1. A3, A1 상 30~50°C에서 적당한 시간을 유지시킨다.
2. 600~650℃로 냉각한다.
3. 이 온도로 30~60분 유지시킨다.
4. 방냉한다.
2. 확산풀림(homogenizing)
확산풀림(Homogenizing)은 고온에서 장시간 가열하여 섬유상 편석을 없애고 재료 및 금속을 균질화시키는 능력입니다.
확산풀림은 조직 내에 고용되어 다시 석출되지 않게 하는 열처리입니다. 확산에 의해 편석을 제거하고 균일한 조직을 만듭니다. 1050~1300°C에서 가열 한 후, 노냉 혹은 서냉하는 방법으로 진행됩니다.
1. 강판 적재
2. 분위기 균질화
3. 가열
4. 가열유지
5. 냉각
6. 취출
3. 응력제거풀림(stress relief annealing)
응력제거풀림(stress relief annealing)은 단조, 주조, 기계가공, 용접 등으로 인해 생긴 잔류응력을 제거하기 위해 A1점 이하의 적당한 온도에서 가열하는 열처리입니다.
잔류응력이 남아 있는 금속 부품을 그대로 사용하면 시간이 지남에 따라 그 응력이 완화되어 치수나 모양이 변화될 수 있습니다.
응력제거 풀림 공정
| 재료 | 방법 | 상세 설명 |
|---|---|---|
| 주철 | 인공시효(고온시효) | 500~600℃에서 36시간 가열 후 노냉 |
| 자연시효(건조) | 장시간 방냉 | |
| 구조용강 | 응력제거풀림 | 625±25℃에서 25mm당 1시간 가열 후 노냉 (보통 전체를 가열하나 대형 부품일 경우 국부 가열) |
응력제거 풀림의 효과
| 효과 | 설명 |
|---|---|
| 1. 용접 잔류응력의 제거 | 용접 과정에서 발생한 잔류응력을 제거하여 재료의 안정성을 높입니다. |
| 2. 응력부식에 대한 저항력 증대 | 재료가 응력부식에 대해 보다 강한 저항력을 가지게 됩니다. |
| 3. 수소방출에 의한 자체파괴 방지 | 수소가 방출되어 발생할 수 있는 재료의 자체 파괴를 방지합니다. |
| 4. 치수의 빗나감 방지 | 재료가 가공 또는 사용 과정에서 치수가 빗나가는 것을 방지합니다. |
| 5. 용접부의 연성 증가 | 용접부의 연성을 증가시켜, 더 유연하고 충격에 강하게 만듭니다. |
| 6. 열영향부의 뜨임연화 | 용접으로 인해 발생한 열영향부의 경화 현상을 완화시키는 효과가 있습니다. |
| 7. 노치인성 및 강도 변화 | 재료의 노치 인성을 개선하고, 강도 변화에 긍정적인 영향을 줍니다. |
4. 구상화풀림(spheroidizing anneling)
구상화풀림(spheroidizing annealing)은 강 중의 탄소를 구상형태로 바꾸기 위한 작업입니다.
주로 기계가공성을 향상시키거나 강인성을 향상시키기 위해 실시합니다. 고탄소강(공구강, 베어링강 등)에 실시하며, 구상화풀림을 하기 전에는 일반적으로 노멀라이징을 행하고, 풀림온도는 상한온도를 넘어서면 안 됩니다.
구상화풀림의 목적
구상화풀림의 목적은 다음과 같습니다.
1. 시멘타이트를 구상화
2. 피가공성 증가 인성 증가
3. 균일한 담금질
4. 담금질 할 때 발생하는 균열 방지
구상화풀림 열처리 방법
| 방법 | 설명 |
|---|---|
| Ac1점 이상 가열 후 서서히 냉각 | Ac1점 이상보다 다소 높은 온도로 가열하여 서서히 냉각시키는 방법 |
| Ac1점 이하로 장시간 풀림 | Ac1점 이하 20~30°C 정도 낮은 온도로 장시간 풀림하는 방법 |
| Ac1점 상하에서 가열과 냉각 반복 | Ac1점의 상하 20~30°C 사이에서 가열과 냉각을 반복하는 방법 |
| 담금질을 이용한 변태 방법(2단 풀림법) | 담금질 등은 변태를 이용하는 방법(2단 풀림법) |
5. 중간풀림(process annealing)
중간풀림(Process annealing)은 냉각가공으로 경화된 강을 연화시키고, 이후에 행하는 냉각가공을 쉽게 하기 위해 재결정온도 이하 AC3점 이하의 적당한 온도로 풀림을 하는 것을 말합니다.
중간풀림은 A1 이하의 온도(재결정이 일어나는 온도)로 가열한 후, 노냉 혹은 서냉하는 방법으로 진행됩니다. 경우에 따라, 냉간가공 중간에 600~650°C에서 일정 시간 동안 유지하는 방법도 있습니다.
어닐링공정의 장단점
| 장단점 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | 1. 생산 공정이 간단하고 합리적이며 관리가 편리함 |
| 2. 완제품, 배송 및 재고 자재 생산 시간 단축 | |
| 3. 작업장 레이아웃이 조밀하고 작은 공간이 요구되며 보조 장비 및 장비 비용 절약 | |
| 4. 노동 할당량 및 에너지 소비 감소 | |
| 5. 열 흡수에 의한 흡열반응으로 안정성이 높음 | |
| 단점 | 1. 비용이 많이 드는 공정일 수 있음 |
| 2. 어닐링 전용 특수 장비 필요 | |
| 3. 소재를 원하는 온도로 가열하는 데 에너지 소요 |
마무리
오늘은 어닐링(Annealing, 풀림, 소둔)열처리의 종류와 특징 및 장단점에 대해 알아보았습니다.
금속 열처리 과정 중 하나인 어닐링은 금속의 물리적, 화학적 성질을 개선하여 가공성을 향상시키고, 내부 응력을 제거하여 금속의 내구성을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.
완전 어닐링은 금속의 구조를 완전히 재조정하여 가장 부드러운 상태로 만들어 가공성을 최대화하는 데 적합하지만, 시간과 에너지가 많이 소모되는 단점이 있습니다. 구상화 어닐링은 시간과 비용을 절약할 수 있으나, 완전 어닐링보다는 덜 부드러운 상태를 갖습니다.
응력제거풀림은 가공 중 발생한 내부 응력을 제거하여 금속의 안정성을 향상시키지만, 기계적 성질에는 큰 변화를 주지 않습니다.
*어닐링은 금속의 가공성, 내구성, 기계적 성질을 향상시키는 중요한 과정입니다.
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