1. 개요
heat treating / 熱處理
강철에 가열과 냉각을 통해 기계적 성질을 개선시키는 것.
보통 담금질(Quenching), 불림(Normalizing), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing)을 일반열처리라고 부른다.
2. 조직
철의 조직은 Fe-C 상태도에 따르면 탄소 함유량과 온도에 따라 가지고 있는 조직이 다르고 열처리로 인한 최종 조직도 다르게 나온다.대표적인 조직들로는 페라이트, 펄라이트, 오스테나이트, 마르텐사이트 등이 있다.
같은 탄소량을 가진 철강도 어떤 조직을 가지고 있냐에 따라서 인성, 취성, 경도 등 기계적 성질이 다르게 나온다.
2.1. 페라이트
2.2. 펄라이트
2.3. 오스테나이트
[γ]철오스테나이트는 A3, Acm 선 위의 조직을 말하며 격자는 FCC(면심입방격자)이다.
열처리는 모두 오스테나이트 상태로 만들어 실시한다.[1]
2.4. 마르텐사이트
많은 탄소 원자를 고용할 수 있는 오스테나이트 조직을 급격하게 상온까지 끌고 내려와 상온에서도 탄소 고용량이 높은 조직을 말한다.오스테나이트를 빠르게 냉각(수랭)해 얻을 수 있는 조직이며 물에 냉각을 해도 잔류 오스테나이트가 있어 0℃ 이하에서 심냉처리를 해준다.
열처리를 하지 않으면 상온에서의 철의 탄소 고용량은 0.008%이 최대지만 오스테나이트 상태로 동소변태시킨 후 철이 더 많은 탄소를 고용하게 하고 급냉(담금질) 하게 되면 0.008% 이상의 탄소를 상온에서 철에 고용시킬 수 있게된다.
담금질을 한 직후의 마르텐사이트 조직의 격자는 BCT 격자이나 뜨임을 해준 마르텐사이트의 조직의 격자는 BCC다. 이때 BCT 격자의 마르텐사이트는 α마르텐사이트, BCC 격자의 마르텐사이트는 β마르텐사이트 라고 부른다. 우리가 쓰는 마르텐사이트 조직의 격자는 다 BCC라고 보면 된다.
마르텐사이트는 강도와 경도가 높은데 이는 철 분자에 고용된 탄소 원자가 철 원자간의 슬립을 방해하기 때문이다. 그렇기에 탄소 고용량이 높아질수록 경도 값이 증가한다. 다만 탄소가 많이 고용된 마르텐자이트는 탄소 원자에 의해 내부응력이 크기 때문에 결함(크랙)이 잘 발생한다.
3. 종류
3.1. 일반 열처리
3.1.1. 담금질
퀜칭 작업3.1.2. 뜨임
Tempering인성이 목적이며 담금질을 한 강은 내부응력이 커 결함이 발생하기 쉬우나 이를 적당한 온도로 재가열해 내부응력을 해소시켜 결함을 방지하기 위해 하는 열처리다. 뜨임은 최대 A1선 미만의 온도에서 실시 한다. 연성과 인성이 증가한다.
3.1.3. 풀림
Annealing연화가 목적이며 재료를 오스테나이트 상태로 가열 후 노(爐) 안에서 매우 천천히 냉각시키는 것을 말한다.
3.1.4. 불림
Normalizing조직의 표준화가 목적이며 재료를 오스테나이트 상태로 가열 후 공기중에 냉각(공랭) 하는 것을 말한다. 얻을 수 있는 조직은 펄라이트다.
3.2. 항온 열처리
3.2.1. 오스어닐링
보통 공석강에서 723°C이하 550°C 이상에서 온도를 유지 후 변태가 완료되면 냉각시키는 열처리를 말하며 펄라이트를 일반 풀림보다 일찍 얻을 수 있다.이렇게 얻어진 펄라이트는 일반 풀림의 펄라이트보다 기계적 성질이 우수하다.
3.2.2. 오스템퍼링
550°C 이하 Ms 온도 이상에서 온도를 유지 후 변태가 완료되면 냉각시키는 열처리를 말하며 베이나이트를 얻을 수 있다.항온을 유지시킨 온도의 정도에 따라 상부 베이나이트, 하부 베이나이트로 나뉠 수 있다.
3.2.3. 마퀜칭
일반 담금질에서 결함을 보완한 열처리이다. Ms온도 이상에서 온도를 유지 후 냉각시켜 마텐자이트를 얻을 수 있는 방법이며 일반 담금질과 다른 점은 열처리 할 제품의 내, 외부 온도가 같게 된 시점에서 항온 시킨 후 냉각한다는 것이다.보통 냉각시 제품의 표면 온도가 더 빨리 내려가게 되고 이렇게 되면 내부와 외부의 냉각속도가 달라 표면이 먼저 BCT로 변태 되어 체적이 커지게 되고 후에 내부의 격자구조가 BCT로 바뀌면서 내부 체적의 변화로 외부 표면이 깨지게 된다. [2]
3.2.4. Ms퀜칭
Ms 온도 이하에서 온도를 유지 후 냉각시켜 마텐자이트를 얻을 수 있는 방법이며 마퀜칭보다 담금질 균열과 변형이 적다.3.2.5. 마템퍼링
Ms 온도 이하에서 온도를 유지해 제품내부의 변태가 완료 되고 나서 냉각하는 방법으로 마텐자이트와 베이나이트를 얻을 수 있다. 균열을 방지하며 마템퍼링한 제품은 뜨임을 할 필요가 없다.3.3. 기타
위는 대표적인 방법이고 이외에도 여러가지 열처리 방법이 많다. 철의 구성성분에 따라 철의 성질이 매우 달라지고 조직변화도 달라지므로 실제로도 열처리 연구는 지금도 하고 있다.표면경화(고주파경화법[3], 화염경화법, 질화법, 침탄법, 청화법, 숏피닝, 레이저 열처리)는 재료 전체를 가열하지 않는 등 엄밀히는 열처리에 해당하지 않으나, 목적과 효과 면에서 열처리와 관련이 깊기 때문에 기계공학 교재 등에서는 흔히 연관되어 다뤄진다.
[1] 철 분자의 격자가 BCC에서 FCC로 변하면서 고용 할 수 있는 탄소량이 많아진다.[2] 겨울에 돌 내부의 물이 결빙하면서 체적이 커지고 이로 인해 깨지는 것과 비슷하다.[3] eg. IGBT