- 열처리 종류
철강재료는 같은 성분이라도 열처리 방법에 따라 조직이 크게 달라질 수 있다. 따라서 열처리를 알맞게 하면 필요에 따라 철강 재료의 기계적 성질과 그 밖의 성질을 변화시켜 사용 용도에 따라 효과적으로 이용할 수 있다. 열처리는 이와 같이 재료에 특별한 성질을 부여하는 것으로 정의를 할 수 있으며 다음과 같이 분류한다.- 계단열처리 (Interrupted Heat Treatment)
- 표면 경화 열처리 (Surface Heat Treatment)
- 항온 열처리 (Isothermal Heat Treatment)
- 연속 냉각 열처리 (Continuous Cooling Heat Treatment)
- 기어, 캠, 캠샤프트 등에 주로 사용이 되는 계단 열처리와 표면 경화 열처리는 종류와 특징이 다양하다.
- 계단열처리 (Interrupted Heat Treatment)의 종류
- 담금질
- 강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 다음, 마텐자이트조직으로 변화시키기 위해 급랭시키는 열처리 방법.
- 담금질은 강의 경도와 강도를 증가시키기 위한 것으로 온도가 너무 높으면 강의 오스테나이트 결정 입자가 성장하여 담금질 후 기계적 성질이 나빠지고 균열이나 변형이 쉽게 일어난다.
- 뜨임
- 담금질한 강은 경도가 증가된 반면 취성을 가지고 되고, 표면에 잔류 응력이 남아 있으면 불안정하여 파괴되기쉽다. 따라서 적당한 인성을 재료에 부여하기 위해 담금질 후 반드시 뜨임 처리를 해야하며 담금질한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류 응력을 감소시켜, 필요로 하는 성질과 상태를 얻기 위한 것이 뜨임의 목적이다.
- 풀림
- 일반적으로 풀림이라 하면 완전 풀림을 말한다. 주조나 고온에서 오랜시간 단련된 금속재료는 오스테나이트 결정 입자가 커지고 기계적 성질이 나빠진다. 재료를 일정온도까지 일정 시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료가 연화된다.
- 단조나 주조의 기계가공에서 발생한 내부 응력제거
- 열처리로 인해 경화된 재료의 연화
- 가공이나 공작으로 경화된 재료의 연화
- 금속 결정 입자의 미세화
- 불림
- 불림의 목적은 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조등으로 인한 내부 응력을 제거하여 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질등 표전화 시키는 데 있다. 강을 불림 처리하면 취성이 저하되고 주강의 경우 주조 상태에 비해 연성이나 인성 등 기계적 성질이 현저히 개선된다. 재료를 변태점 이상의 적당한 오도로 가열한 다음 일정시간 유지시킨 후 공기 중 냉각시킨다. 미세하고 균일하게 표준하 된 금속 조직을 얻을 수 있다.
- 표면 경화 열처리 (Surface Heat Treatment) 종류
- 기계 재료로 많이 사용되는 강은 제강하는 과정에서 강이 가진 화학적 성분이나 강에 포함된 함급 원소량은 변하지 않는다. 그러니 기계를 제작할 때 사용 목적에 따라 강의 화학성분을 바꾸어야 할 경우가 있는데 이 성분을 변경을 하는 방법 가운데 하느가 재료의 표면을 단단하게 만드는 표면경화이다.
- 표면 경화는 화학 성분이 변화가 고체인 강에서만 일어나고 재료의 표면층에서만 발생한다는 특징을 가지고 있다. 기계 부품 가운데 표면 경도가 될 수 있으면 높고 내 마멸성이 크고 충경게 잘 견디는 재료를 필요로 하는 것이 많다. 이러한 부품에는 기어나 캠, 캠 샤프트가 있이며 표면 경화법으로 많이 이용되는 방법에는 침탄법, 질화법, 고주파 담금질 등이 있다. 그 중에서 기어의 재료에 많이 사용되는 방법은 침탄법이다.
- 기어의 재료로 고 탄소강을 사용할 경우 열처리에 의해 높은 경도를 얻을 수 있으나, 동시에 강한 충격에 잘 부러지는 취성을 가지고 있는다. 따라서 표면은 경도가 높고 내부는 질긴 겅분을 가진 재료가 큰 힘에 견딜 수 있다. 기어의 재료로 탄소함유량이 적은 저 탄소강을 선택할 경우, 표면은 기어가 장시간 서로 맞물려도 잘 견딜 수 있도록 열처리로 경도를 높여주고 재료의 내부는 고 탄소강에 비해 휨에 잘 견디는 인성을 갖도록 할 수 있다.
- 표면 경화 열처리는 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위한 방법으로 크게 화학적 방법과 물리적 방법이 있다. 물리적 방법에는 고주파 표면 경화법이 있고 화학적 방법은 침탄법과 질화법이 있다.
- 질화법
- 금속 재료 표면에 질소를 침투 시켜서 질소화합물층을 형성하는 표면경화법을 질화법이라 부른다. 담금질과 뜨임 등 열처리 후 약 500℃로 장시간 가열한 후 질소를 침투 시켜 경화시킨다. 침탄처럼 담글질이 필요 없으므로 다른 열처리 방법에 비해 변형이 매우 작으며 내마멸성과 내식성 피로강도가 우수하다.
- 단점으로는 다른 열처리에 비해 가격이 많이든다.
- 마모나 부식에 대한 저항력이 크다.
- 담금질이 필요 없으며 열처리에 의한 재료의 변형이 가장적다.
- 600℃이하의 온도에서는 재료의 경도가 감소되지 않으며 산화작용도 잘 일어나지 않는다.
- 고주파 표면경화법
- 0.4~0.5% 탄소를 함유한 고탄소강을 고주파를 사용하여 일정 온도로 가열한 후 담금질하여 뜨임하는 방법. 0.4% 전후의 구조용 탄소강으로도 합금강이 갖는 목적에 적용할 수 있는 재료를 얻을 수 있다. 표면 경화 깊이는 가열되어 오스테나이트 조직으로 변화되는 깊이로 결정되므로 가열온도와 시간등 따라 다르다.
- 보통 열처리에 사용되는 가열 방법은 열에너지가 전도와 복사형식으로 가열하는 물체에 도달하는 방식을 이용하고 있다. 고주파 가열법에서는 전자 에너지 형식으로 가공물에 전달되고, 전자 에너지가 가공물의 표면에 도달하면 유도 2차 전류가 발생한다. 이 때 가공물 표면에 와전류가 발생하여 표피효과가 발생된다.
- 표면에 에너지가 집중하기 때문에 가열 시간을 단축할 수 있다.
- 가공물의 응력을 최대한 억제할 수 있다.
- 가열 시간이 짦아 산화나 탈탄 염려가 적다.
- 가격이 저렴하다.
- 침탄법
- 침탄이란 재료의 표면만을 단단한 재질로 만들기 위해 사용하는 방법이다. 탄소함유량이 0.2% 미만인 저탄소강이나 저탄소합금강을 침탄제 속 파묻고 오스테나이트 범위로 가열하고 그 다음 표면에 탄소를 침입하고 확산시켜서 표면층만 고탄소 조직으로 만드는 방법이다.
- 담금질을 하면 표면이 침탄층은 마텐자이트조직으로 경화시켜도 중심부는 저탄소강 성질을 그대로 가지고 있어 이중조직이 된다. 표면이 단단하기 때문에 내 마멸성을 가지게 되며, 재료의 중심부는 저탄소강이기 때문에 인성을 가지게 된다.고부하가 걸리는 기어에 주로 침탄 열처리를 사용한다.
- 침탄에 사용되는 침탄제에 따라 고체침탄과 액체침탄 가스 침탄으로 나뉠 수 있으며, 액체 침탄의 경우, 질화도 동시에 이루어지기 때문에 침탄 질화법이라 부른다.
- 고체침탄법
- 고온에서 금속이나 비금속을 주강의 표면에 확산 침투시킴으로써 표면에 합금층을 생성시키는 방법이다. 침탄제는 목탄이 60~70% 탄산바륨 20~30% 탄산나트륨 10%이하의 성분이 주로 사용된다. 침탄 온도는 강재를 900℃ 전후의 온도에서 장시간 처리하므로 중심부 조직이 거대화해지며 담금질을 하여 중심부 조직을 미세화하고 표면층을 경화시킨다. 침탄 부품 가운데 전면 침탄이 아니라 어느 한 부분만을 침탄할때도 있다.
- 이와 같은 경우를 국부침탄이라 하며 침탄 방지제를 발라 방지한다. 방지로는 구리도금이 가장 많이 사용이 되며 두께는 20μ 충분하다.
- 단점으로는 시간이 길다는 점이다 보통 침탄 깊이를 얻는데 0.1mm 침탄깊이를 얻는데 1시간 정도가 소요가된다.
- 액체침탄법
- 사인안화나트륨을 주성분으로 하여 중성염이나 탄산염을 첨가한 침탄제로 된 용액 속 침탄할 재료를 담그어 침탄 시키는 방법
- 실제로는 침탄과 질화가 동시에 이루어지기 때문에 액체침탄질화법이라 부르기도 한다.
- 얇은 침탄층을 원할 때 사용하는 것이 좋다.
- 가스침탄법
- 고체침탄법이 지닌 단점을 보완하기 위해 사용되는 것이 가스침탄법이다. 가스침탄법은 고체침탄법에 비해 열효율이 높고 공정도 간단하여 널리 사용된다. 가스 침탄제로는 일산화탄소와 메탄, 에탄, 프로판, 천연가스등 탄화수소계 가스가 주로 사용된다. 가스 침탄은 고체 침탄에 비해 전반적으로 침탄 시간이 짧다.또한 온도 가열을 조주파를 이용하면 침탄 시간을 현저하게 단축시킬 수 있으며 온도가 950~1050℃까지 유지되고 침탄깊이를 0.8~1mm로 할 때 약 30분에서 40분간 온도를 지속함으로 침탄이충분하게 이루어진다. 침탄이 이루어진 후 어떤 종류의 가스를 사용하든지 반드시 2차 열처리를 해줘야 한다.
