[재결정] 재결정(Recrystrallization)의 의미와 온도, 장점, 특징, 구조, 탄소강의 재결정 알아보기

재결정이란?

재결정의 넓은 범위에서의 의미

1. 경화된 재료를 가열하면 내부 응력이 제거되고, 새로운 결정핵이 결정 경계에 생기게 되는 현상

2. 어떤 재료를 구성하는 원자, 이온, 분자 따위의 입자들이 용해나 용융 등으로 원래의 결정 형태를 잃은 뒤에 다시 주변의 환경의 영향을 받아서 결정화되는 것

재결정의 화학적 의미

1. 결정을 용융시켜 결정구조를 완전히 분열시킨 후 다시 새로운 결정을 형성하게 함으로써 불순물을 용융액이나 용액속에 남아 있게 하여 순도를 높이는 방법

2. 용매에 용해도 차이를 이용해서 목표물질을 순도 높게 분리하는 것

3. 화합물을 순수하게 만드는 과정

재결정의 가공학적 의미

1. 냉간 가공 등으로 소성변형을 일으킨 결정이 가열될 때 내부 응력이 감소하는 과정에서 변형이 남아있는 원래의 결정입자로부터 내부변형이 없는 새로운 결정 입이 생기고, 그 수를 늘림과 더불어 각각의 핵이 점점 커져 원래의 결정입자와 치환되어 가는 현상

2. 재결정을 일으키는 온도를 재결정 온도라 한다

재결정 온도

재결정온도(recrystrallization temperature)란 소성가공된 금속을 가열하였을 때 재결정되기 시작하는 온도를 뜻합니다.

관습적으로 1시간 이내에 재결정이 99% 완료되는 온도를 재결정온도라 합니다.

재결정 온도는 일반적으로 용융 온도(Tm)의 1/3~1/2 사이입니다.

금속의 재결정 온도는 다음과 같습니다.

철 500℃
은 200℃
니켈 500℃~650℃
아연 15℃~50℃
백금 450℃
마그네슘 150℃
구리 200℃
텅스텐 1200℃
알루미늄 150℃
금 200℃

재결정온도 이상에서 하는 가공을 열간가공, 재결정온도 이하에서 하는 가공을 냉간가공이라 합니다.

재결정의 장점

재결정의 장점은 다음과 같습니다.

재결정의 장점	설명
1. 가공의 용이성	재결정 온도 이상의 고온에서는 재료의 변형이 쉽기 때문에 비교적 작은 동력으로도 크게 변형시킬 수 있다.
2. 가공 경화 현상 방지	변형과 동시에 재결정이 일어나므로 가공 경화 현상이 나타나지 않는다.
3. 공정의 단순성	매우 간단하다.
4. 시간 효율성	재결정에 필요한 시간도 매우 짧다.

재결정의 특징

재결정의 특징은 다음과 같습니다.

재결정의 특징	설명
1. 내부 응력 제거 및 결정핵 생성	경화된 재료를 가열하면 내부 응력이 제거되고, 결정 경계에 새로운 결정핵이 생긴다.
2. 새로운 결정의 발생과 성장	재료 내부에 새로운 결정이 발생하고 성장하여 전체가 새 결정으로 바뀐다.
3. 등방형 결정립 형성	가공 전 상태의 특징인 낮은 전위 밀도를 갖는, 변형률이 없는 새로운 등방형 결정립을 형성한다.
4. 입자 크기와 변화 온도	입자의 크기에 변화를 주는 온도는 영구변형의 양과 관계된다. 변형이 크면 온도는 낮아지고, 변형이 작으면 고온을 필요로 한다.
5. 입자 크기와 풀림 온도	입자의 크기는 변형의 양과 풀림온도에 관계된다.

재결정 구조란?

재결정은 격자가 단순히 다시 배열되는 것 외에도 금속 내부에 있는 결함을 제거하고, 내부의 에너지를 줄여 구조적으로 또는 화학적으로 좀 더 안정된 상태를 갖게 합니다.

재결정을 통해 금속의 강도나 특성의 변화가 발생합니다.

재결정은 어떤 재료를 구성하는 원자, 이온, 분자 등의 입자들이 용해나 용융 등으로 원래의 결정 형태를 잃은 뒤에 다시 주변의 환경의 영향을 받아서 결정화되는 것을 말합니다.

탄소강(Fe3C)의 재결정

1. 탄소강(Fe3C)을 A1변태점 이상으로 가열하면 고온 안정상으로 변태됩니다.

2. 이를 상온으로 냉각시키면 탄소가 고용되어 있지 않은 α-Ferrite와 탄소 화합물의 형태로 존재하는 Fe3C(Cementite)로 분리됩니다.

3. 급냉시켜주면 탄소가 빠져나가 Fe3C로 형성되지 못하고 BCT형태가 됩니다.

탄소강의 기본 조직은 페라이트의 유연성과 시멘타이트의 단단함이 결합된 것으로 유연하면서도 질겨 강도가 높고, 자성이 있습니다. 탄소강의 경도는 Hv ≒ 240 정도입니다.

탄소강 재결정 후 가공

탄소강은 재결정 과정을 거치며 열간 및 냉간 가공을 통해 미세화됩니다.

과공석강은 Acm과 A₁사이의 온도에서 가공되는데, 이는 시멘타이트를 미세한 입상으로 만들기 위해서입니다.

오늘은 재결정에 대해 알아보았습니다.

금속을 가열하여 결정립을 굵게 만든 후 서냉시킴으로써 금속의 경도나 인성 등 기계적 성질을 향상시키는 과정을 재결정이라고 합니다. 재결정의 기본 원리는 결정립 경계가 변형을 방해하는 장벽으로 작용하기 때문에 결정립을 굵게 하면 변형 저항이 낮아지고 기계적 성질이 향상된다는 것입니다.

구체적으로, 가열에 의해 원래의 작은 결정립이 용해되고 서냉 과정에서 더 큰 결정립으로 재성장합니다. 이때 적절한 속도로 서냉시키는 것이 중요합니다. 너무 빨리 서냉하면 결정립이 작아지고, 너무 천천히 서냉하면 결정립 경계에 불순물이 석출되어 결정립 성장을 방해합니다.

따라서 최적의 재결정 조건을 찾아 경도, 인성, 전기전도도 등 금속의 물성을 제어할 수 있습니다. 재결정은 강철이나 알루미늄 등의 금속 가공에 널리 활용되는 중요한 공정 기술입니다.

[열간가공] 열간가공(HW, Hot Working)의 특징과 종류, 장단점 알아보기