열처리

1. 열처리 개요

열처리란 재료에 가열과 냉각의 조작을 통하여 우리가 원하는 성질로 변화시키는것 즉 금속의 잔류응력을 감소하거나 내부 조직을 변화 시켜서 필요한 기계적인 성질을 얻는 것을 말하며 동일재료도 열처리에 따라 그 적응성은 광범위하게 변할 수 있다. 열처리를 통하여 모든 상업기계, 구조물, 모든 소성가공, 성형가동,형상물 등에 적용하여 그 성질에 적합하도록 변화시킬 수 있게 된다.

2. 열처리 목적
1) 경도나 항장력을 확대
2) 조직 연화 및 기계가동에 적합한 재료 제작
3) 조직 미세화로 방향성을 작게 하고 편석이 작고 균일한 상태로 변환
4) 중간 풀림 열처리를 통하여 냉간가공 영향 제거
5) 변형방지 및 응력제거
6) 조직의 안정화
7) 내식성 개선
8) 자성의 향상
9) 표면 경화
10) 강재의 점인화

3. 강조직의 특징과 기계적 성질
1) 페라이트 (α- 고용체)
순철에 탄소가 극히 소량 고용된 고용체를 페라이트라고 한다. 부식액에 잘 부식되지 않을 정도로 내식성이 크며, 상온에서 789℃까지 강자성체이며 체심입방격자(BCC)의 구조로 연성이 크다.
2) 시멘타이트 (Fe3C)
시멘타이트는 0.8％의 탄소강으로부터 6.67％의 주철까지의 주된 성분으로 Fe 과 C 의 금속간 화합물로 극히 단단한 성질로 강보다 내식이 크다. 공구강이나 고탄소강에 존재하는 Fe3C 는 충격에 약하므로 구상화 열처리에 의하여 구상시멘타이트화하여 사용하면 충격에 견디는 좋은 공구강을 만들 수 있게 된다.
3) 펄라이트(α+Fe3C)
탄소 0.8％ 와 723℃온도에서 α- 고용체와 Fe3C 의 금속간 화합물이 공석점에서 공석반응에 의해 얻어지는 혼합조직.
4) 오스테나이트(γ고용체)
γ- Fe 에 탄소가 고용된 γ고용체를 오스테나이트라고 하며 A1(723℃)변태점 이상에서 안정상을 이루는 고온 안정조직으로 인성이 좋고 소성 변형성이 우수 한 면심입방격자(FCC)를 이루면 비자성을 갖고 있다. 담금질 후에 저탄소강에 는 존재하는 일이 적고 고 탄소강이나 합금강에서 오스테나이트가 잔류 하는데 이로 인하여 치수 변형의 원인이 되기도 한다.
5) 마르텐사이트
탄소강을 A3 변태점 이상으로 (오스테나이트계 구역) 가열하였다가 급냉하면 페라이트는 억제되고 시멘타이트만 과포화 고용체로 석출 하게 된다. 변태가 생성되는 온도를 Ms 라 하고 변태가 종료되는 점을 Mf 라 한다. 마르텐자이트 변태는 무확산 변태이고 현미경으로 관찰하면 침상조직으로 담금질 작업에 의 하여 얻어진다.
6) 트루스타이트 (Troostite)
강을 유냉시킬 때 얻어지는 조직으로 페라이트와 미세 시멘타이트의 혼합조직 으로 Ar1 변태를 500~600℃에서 일어나게 할 때나 마르텐사이트를 300 ~400℃로 뜨임하였을 때 얻어지는 조직으로 전자를 담금 트루스타이트 , 후자를 뜨임 트루스타이트라고 하며 이들은 결정상으로 미세한 시멘타이트와 페라이트 의 혼합물이다.
7) 소르바이트 (Sorbite)
강을 유냉하여 500~600℃에서 얻어지는 조직으로 트루스타이트 조직보다 강하며 여러 조직중 가장 강인한 조직으로 구조용강으로 많이 쓰이며, 인성을 요구 하는 Wire Rope 나 Spring 강 등에 쓰이고 있다.
8) 베이나이트 (Bainite)
강을 오스테나이트 상태로부터 Ar' 변태점과 Ar'' 변태점 사이(150~550℃)에 급냉 유지하였을 때 얻어지는 조직으로 Ar' 변태에 의해 얻어지는 조직을 상부 베이나이트, Ar' 변태에 가까운 저온도에서 얻어지는 조직을 하부 베이나이트라
고 한다. 이상의 베이나이트조직은 오스템퍼링 열처리에 의해 얻을 수 있다.

※ 변태의 종류
변 태                         온 도(℃)                                   내 용
A0                              230                                            세멘트 타이트의 자기변태           

A1                              727                                            오스테나이트 <-->펄라이트
A2                              770                                            철의 자기변태
A3                              912                                            철의 동소변테 (γ↔δ )
A4                             1394                                           철의 동소변테 (γ↔δ )
Ac                             727~1148                                   과공석강의 시멘타이트 고용석출

가열 변태                   Ac1                                           펄라이트 →오스테나이트
                                 Ac3                                            오스테나이트에 페라이트의 고용
                                 ACm                                            오스테나이트에 시멘타이트의 고용



변 태                         온 도(℃)                                              내 용
냉각변태                   Ar1                                                     오스테나이트 →펄라이트
                                Ar3                                                    오스테나이트 →펄라이트 석출
                                Ar'                                                     오스테나이트 →미세 펄라이트
                                Ar''                                                    오스테나이트 →마텐자이트


4. 강의 열처리
1) 불림 (Normalizing, 소준)
강을 Ac3 또는 Acm 이상으로 가열하여 오스테나이트화로 한 후 공기 중에서냉각하며 목적은 다음과 같다.
(1) 조주조직을 미세화한다.
(2) 가공, 급랭으로 발생한 내부응력을 제거한다.
(3) 결정 조직과 기계적 , 물리적 성질 개선(망상 Fe3 의 미세화, 피삭성 개선)
(4) 구상화 풀림의 전처리

2) 풀림 (Annealing, 소둔)
냉간가공이나 담금질에 의한 영향을 완전 제거하기 위하여 오스테나이트화 온도로 가열하고 노중에서 냉각하는 처리이다 풀림은 그 목적에 따라 확산 풀림,변태 풀림, 연화 풀림, 응력제거 품질, 저온 풀림등이 있다.

3) 구상화 풀림(Sphenoidization)
구상화 풀림은 유리 망상탄화물인 시멘타이트를 가열에 의하여 구상화하는 조작을 말하며, 탄소공구강이나 합금공구강 등의 내충격 및 내피로성을 개선 할수 있다. 또 가공성고 인성을 개선한다.
망상 시멘타이트나 층상 펄라이트 중의 시멘타이트가 재료에 존재한다면 기계가공성이 불량하여 담금질시 균열과 변형이 생기기 쉽고 또 무르다. 이와 같은 열처리 방법에 의하여 망상 시멘타이트를 구상화하여 안정된 구상 시멘타이트를 구상 펄라이트라 한다.

4) 뜨임(Tempering, 소려)
뜨임이란 담금질한 강이 매우 굳고 취약하므로 변태점 이하의 온도로 가열하여불안정한 조직을 안정한 조직을 변화시키기 위하여 A1 변태점 이하로 가열한후 냉각시켜 강에 양호한 강인성을 부여하는 열처리를 말한다.
뜨임은 무확산 변태(격자 변태)로 생긴 마르텐사이트의 분해 석출과정이다 뜨임에 의한 성질의 변화는 탄소를 과포화하게 고용한 마르텐사이트가 페라이트와 탄화물로 분해하는 과정에서 일어난다.

5) 심냉처리(Sub-Zero Treatment)
소입한 강은 마르텐사이트중에 10~30%정도의 잔류 오스테나이트가 존재하고있어 경도저하 및 시효균열과 변형의 원인이 되어 치수 불안정의 원인이 되므로 심냉처리한다. 심냉처리란 담금질 처리시 잔류하는 오스테나이트를 완전 마르텐사이트로 변태시키기 위하여 영하의 온도에서 열처리하는 것을 말한다.

5. 응력제거 Annealing
1) 불림 (Normalizing, 소준)
강은 Ac3 또는 Acm 이상으로 가열하여 오스테나이트화로 한 후 공기 중에서냉각하며 목적은 다음과 같다.
(1) 조주조직을 미세화한다.
(2) 가공, 급랭으로 발생한 내부응력을 제거한다.
(3) 결정 조직과 기계적 , 물리적 성질 개선(망상 Fe3 의 미세화, 피삭성 개선)
(4) 구상화 풀림의 전처리
2) 풀림 (Annealing, 소려)
냉간가공이나 담금질에 의한 영향을 완전 제거하기 위하여 오스테나이트화 온도로 가열하고 노중에서 냉각하는 처리이다 풀림은 그 목적에 따라 확산 풀림,변태 풀림, 연화 풀림, 응력제거 품질, 저온 풀림등이 있다.

6. SR 균열(Stress Relief Cracking)
SR 균열은 용접부의 후열처리 또는 고온사용에 의해 대부분 열영향부의 조립부에 생기는 입계 균열이지만 드물게는 고강도의 용착금속중에도 발생한다. SR 균열 발생에 영향을 미치는 인자는 잔류응력, 응력집중, 결함의 존재, SR 조건, 화학조성, 조직등이 있다.
이 균열은 SR 온도인 500℃부근에서 균열이 발생하고 600℃부근에서 심화된다,
풀림시 SR 조건에서 석출시효를 일으켜서 결정이 조대화하고, 동시에 높은 잔류응력과 그 응력이 집중되는 부분인 후판 용접부의 Toe 부분에서 많이 발생한다.

방지대책
1) 재질면에서 모재성분 중 균열을 촉진하는 원소(Cr, Mo, V, B, S, P, Nb, Ti) 함유량을 낮춘다.
2) 응력제거 Annealing 시간을 단축시키는 것과 동시에, 가능하다면 균열이 발생하기 쉬운 온도를 피한다.
3) 잔류응력을 낮추고 노치, 언더컷 등의 응력 집중부를 없앤다. 또한 잔류응력이높은 돌출 용접부와 응력집중계수가 높은 모퉁이 용접부를 충분히 제거하고, 이들의 중첩효과를 없앤다. 그리고 Annealing 의 가열 냉각에 의해서 열응력이생기지 않도록 주의가 필요하다.