열처리(Heat Treatment)란?
열처리란 금속재료에 요구하는 기계적, 물리적 성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술입니다. 열처리는 크게 재료를 단단하게 만들어 기계적, 물리적 성능을 향상시키는 기술과 재료를 무르게 하여 가공성을 개선시키는 기술로 대변할 수 있습니다.
열처리는 금속이나 합금의 재결정, 원자의 확산, 상변태를 이용합니다. 열처리를 통해 경도, 내마모성, 내충격성, 가공성, 자성 등의 특성을 얻을 수 있습니다.
열처리는 넓은 의미로 가공을 위한 가열을 뜻하나 일반적으로는 원하는 조직의 구성을 목적으로 하는 가열과 냉각 과정 자체를 뜻합니다.
열처리의 특징
열처리는 열을 가하거나 냉각하는 등 열에 대한 조작을 통해 제품의 물성에 변화를 주는 가공 방식입니다. 주로 금속재료에 요구하는 기계적, 물리적 성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술입니다.
열처리의 특징은 다음과 같습니다.
- 경도, 강도, 내마모성, 내식성, 정밀도 향상 등 제품의 품질을 최종 결정하는 고부가가치 기술
- 침탄에 비해 경화층이 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다
- 마모나 부식에 대한 저항력이 크다
- 담금질이 필요없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장 적다
- 600℃ 이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다
열처리의 종류
열처리는 금속 재료를 사용 목적에 따라 가열하고, 냉각 방법을 조절해서 금속의 구조와 성질을 변화시키는 작업입니다. 열처리의 종류는 다음과 같이 4가지가 있습니다.
- 어닐링(Annealing, 풀림)
- 노멀라이징(Normalizing, 불림)
- 퀜칭(Quenching, 담금질)
- 템퍼링(Tempering, 뜨임)
열처리는 강철에 가열과 냉각을 통해 기계적 성질을 개선시키는 것으로, 보통 담금질, 불림, 뜨임, 풀림을 일반열처리라고 부릅니다.
담금질은 고온으로 가열한 후 급속히 냉각하는 공정입니다. 뜨임은 담금질을 통해 저지된 변화를 저온에서 다시 진행시켜 특성을 얻어내는 과정입니다.
온도에 따라 뜨임에는 저온 뜨임, 고온 뜨임, 등온 뜨임 등이 있습니다. 저온 뜨임은 150~200℃ 가열 후 공냉시키는 방법입니다. 고온 뜨임은 500~600℃ 가열 후 급냉(수냉, 유냉)하는 방법입니다.
열처리에는 전경화 열처리, 국부 열처리, 침탄 열처리, 질화 열처리, 비철 및 특수금속 열처리, 복합 열처리 등이 있습니다.
열처리의 종류에 따라 다음과 같은 효과를 얻을 수 있습니다.
- 어닐링(Annealing) : 부품의 연화, 가공성 향상 및 잔류 응력 제거
- 노말라이징(Normalizing) : 가공시 발생된 이상조직의 균질화 및 가공성 향상
- 퀜칭(Quenching) : 부품의 경화
열처리 종류의 또 다른 구분
열처리의 종류는 다음과 같이 구분할 수도 있습니다.
- 표면경화열처리
- 전체 경화열처리
- 연화열처리
- 기타열처리
열처리는 기계적 성질 개선, 기계 가공성 향상, 화학적, 물리적 성질 개선을 목적으로 합니다.
열처리의 효과
열처리는 금속재료에 기계적, 물리적 성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술입니다. 열처리의 효과는 다음과 같습니다.
- 열손실을 감소시켜 용접부의 냉각속도를 지연시켜 재료의 경화를 방지합니다.
- 균열을 유발시킬 수 있는 불순물의 편석을 억제합니다.
- 용접으로 인한 열적 변형량을 감소시킵니다.
- 수소 방출을 용이하게 하여 수소 취성 등, 수소로 인한 균열의 발생을 억제합니다.
- 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질 등을 표준화시킵니다.
- 강을 불림 처리하면 취성이 저하되고, 주강의 경우 주조 상태에 비해 연성이나, 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선됩니다.
- 경도, 내마모성, 내충격성, 가공성, 자성 등의 특성을 얻을 수 있습니다.
열처리는 금속이나 합금의 재결정, 원자의 확산, 상변태를 이용합니다.
열처리의 장단점
열처리의 장점은 다음과 같습니다.
- 마모와 부식에 대한 저항력이 크다.
- 담금질이 필요 없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장 적다.
- 600℃ 이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다.
- 경도가 크고 변형이 적고, 질화 처리 후 담금질 열처리가 불필요하다.
- 단시간 가열로 산화가 적게 일어난다.
- 부분 가열이 가능하며 경화 깊이를 자유롭게 선택 할 수 있다.
- 타 방법에 비해 소입 변형이 적다.
- 내마모성을 향상 시킨다.
- 경제적이다.
- 원하는 부위만 열처리가 가능하다.
- 처리도중 노구조 재료나 피처리물의 화학반응을 방지할 수 있다.
- 염욕로 열처리시 발생되는 주요 문제인 피처리물의 오목진 부분이나 틈사이 에 염이 남으므로 발생하는 부식 문제를 피할 수 있다.
- 열처리 작업의 온도 범위가 넓다.
- 공해문제가 거의 없으며 안전 조업이 가능하다.
열처리의 단점은 다음과 같습니다.
- 침탄에 비해 경화층이 얕고 경화는 침탄한 것보다 크다.
- 처리 시간이 장시간 소요됩니다.
- 탄소와 질소를 통시에 하는 방법입니다.
탄소강(Fe3C)의 열처리
탄소강의 열처리에는 뜨임, 풀림, 불림 등이 있습니다.
뜨임은 담금질한 재료의 메짐을 없애고 강인성을 주기 위해서 하는 경우와 담금질 경도를 더욱 높이기 위해서 하는 경우가 있습니다. 탄소강의 경우는 경화시킨 것을 200℃ 이상으로 가열하여 처리하면 메짐은 감소되고 강인화되며, 15∼200℃에서 뜨임 처리를 하면 더욱 단단해집니다.
풀림은 강을 연하게 하거나 전성 및 연성을 높이기 위하여 약 550℃까지 가열한 후 가열 노 내에서 천천히 식히는 열처리입니다.
불림은 강을 표준상태로 하기 위한 열처리이며 조직을 균일하게 하고 기계적 성질을 향상시킵니다.
비철금속의 열처리
비철금속 열처리는 냉간성형이나 기계가공으로 인해 발생한 응력을 제거하기 위해 실시됩니다. 열간가공이나 냉간가공 후 풀림을 하거나 다음 냉간가공을 위한 열처리도 실시됩니다.
비철금속 중에서는 알루미늄이 가장 많이 사용되며, 시효경화현상이 최초로 발견된 금속이기도 합니다. 알루미늄은 열처리 기술도 최첨단을 달리고 있는 비철금속으로 간주됩니다.
비철금속 열처리에 대한 책으로는 비철금속재료와 열처리가 있습니다. 이 책은 기존의 비철금속재료에 대한 일반적인 특성과 고전적인 열처리 방법뿐만 아니라 새로운 재료 개발에 이용되는 신기술도 다루고 있습니다.
마무리
오늘은 열처리란 무엇이며, 열처리의 특징과 종류, 효과, 장단점 및 탄소강과 비철금속의 열처리에 대해 알아보았습니다.
탄소강의 경우, 적절한 담금질과 노화 처리를 통해 고강도화와 인성 확보가 가능합니다.
비철금속들은 열처리 조건과 기구에 따라 서로 다른 반응을 보입니다. 알루미늄과 티타늄은 시효 경화 현상을 이용한 강화가 가능하고, 동과 아연, 마그네슘은 열처리에 의한 연화 현상을 이용하기도 합니다.
결론적으로, 금속 재료의 특성과 용도에 맞는 최적의 열처리 공정 설계가 중요합니다. 이를 통해 기계적 물성의 극대화와 안정성 확보가 가능합니다.