열처리는 가열 및 냉각으로 금속의 결정 구조를 강화하는 공정으로 재료 및 처리 공정에 따라 경도 향상, 온도 저항성 증가, 연성 향상, 재료 강도 향상 등 다양한 장점을 제공합니다. 이번 글에서는 열처리 공정의 4가지 유형 관련해서 알아보겠습니다.
개요
열처리는 제품의 모양을 변경하지 않고도 재료가 원하는 물리적, 기계적 특성을 얻을 수 있도록 해주기 때문에 금속 제조 공정의 중요한 부분이라고 할 수 있습니다.
금속을 설정된 온도까지 가열하고, 특정 시간 동안 그 온도를 유지(침지 단계)하고, 상온까지 냉각시키는 세 가지 열처리 단계는 열처리의 기본공정입니다.
이는 금속 유형과 원하는 특성(냉각 단계)에 따라 다릅니다.
이번 글에서 보시게 될 열처리 공정의 4가지 유형은 오늘날 산업현장에서 진행되고 있는 열처리의 네 가지 기본 유형인 어닐링, 노멀라이징, 경화 및 템퍼링 관련 설명입니다.
어닐링이란?
어닐링의 목적은 경화의 반대라고 생각하시면 이해되실 겁니다.
어닐링 작업을 한마디로 표현하자면 금속을 어닐링하여 내부 응력을 완화하고, 금속을 부드럽게 하여 연성을 높이며, 입자 구조를 개선하는 작업이라고 말씀드릴 수 있겠습니다.
적절한 예열 단계가 없으면 용접으로 인해 온도가 고르지 않은 금속이 될 수 있으며 심지어 실온 영역 옆에 용융 영역이 있을 수도 있습니다.
이러한 상황에서 용접은 금속을 더 약하게 만들 수 있어 용접 온도가 낮아지면 단단하고 부서지기 쉬운 부분과 함께 내부 응력이 발생하게 됩니다.
어닐링은 이와 같은 일반적인 문제를 해결하고 내부 응력을 완화하는 방법 중 한 가지입니다.
1. 소둔강(Annealing Steel)
강철 및 기타 철 금속을 어닐링하여 최고 수준의 연성을 생성하려면 금속을 적절한 온도까지 천천히 가열하고 담근 다음 일종의 단열재에 묻거나 단순히 회전시켜 천천히 식혀야 합니다.
금속을 담그는 시간은 금속의 종류와 질량에 따라 다른데 저탄소강의 경우 가능한 가장 높은 어닐링 온도가 필요하며, 탄소 함량이 증가할수록 어닐링 온도는 낮아집니다.
노멀라이징이란?
노멀라이징의 목적은 열처리, 기계가공, 단조, 성형, 용접 또는 주조에서 발생하는 내부 응력을 제거하는 것입니다.
금속의 파손은 제어되지 않은 응력으로 인해 발생할 수 있으므로 경화 전에 강철을 표준화하면 도움이 될 수 있습니다.
1. 어닐링과 노멀라이징의 차이점
노멀라이징은 강철과 같은 금속에만 적용됩니다. 하지만 열처리 공정에는 또 다른 주요 차이점이 있습니다.
주요 차이점으로는 노멀라이징할 때 금속을 더 높은 온도로 가열한 후 용광로에서 꺼낸 후 공랭식으로 열을 식혀준다는 것입니다.
이렇게 노멀라이징된 강철은 어닐링된 강철보다 더 강합니다.
고강도와 고연성을 갖춰 소둔강보다 인성이 높고 금속이 충격을 견뎌야 하거나 외부 응력을 견딜 수 있는 최대 인성을 가져야 하는 경우 어닐링보다는 노멀라이징하는 것이 좋습니다.
노멀라이징된 금속은 공냉식이므로 금속의 질량은 냉각 속도와 그에 따른 부품의 경도 수준을 결정하는 핵심 요소입니다.
노멀라이징하는 동안 얇은 조각은 공기 중에서 더 빨리 냉각되고 두꺼운 조각보다 단단해지지만, 어닐링과 노의 냉각을 통해 두꺼운 부품과 얇은 부품의 경도가 비슷해지게 됩니다.
경화란?
경화의 목적은 강철을 더 강하게 만드는 것입니다. 철을 강하게 만드는 경화에는 장점만 있는 것이 아닙니다.
경화는 강도를 증가시켜 주지만 반대로 연성을 감소시켜 금속이 깨지기 쉬운 성질로 만들기 때문에 경화 후에는 취성을 일부 제거하는 과정을 진행해야 할 수도 있습니다.
대부분의 강철을 경화시키려면 처음 두 단계의 열처리(느린 온도에서 가열한 후 지정된 시간 동안 균일한 온도로 담금질)를 사용하지만 세 번째 단계는 다릅니다.
금속을 굳힐 때 물, 기름, 소금물에 넣어 빠르게 냉각시킵니다.
대부분의 강철은 경화되기 위해 담금질이라고 불리는 급속 냉각이 필요하지만 공랭식으로 서서히 냉각해야 하는 강철도 있다는 것도 알고 계셔야 합니다.
강철에 합금을 첨가하면 강철을 경화시키는 데 필요한 냉각 속도가 감소하며 이에 대한 긍정적인 측면도 있습니다.
냉각 속도가 느려질수록 균열이나 뒤틀림의 위험이 줄어듭니다.
탄소강의 경도는 탄소 함량에 따라 달라지는데 최대 0.80%의 탄소는 탄소 함량에 따라 경화 능력도 증가합니다.
만약, 0.8%를 초과하면 단단한 시멘타이트 형성으로 인해 내마모성을 높일 수 있지만 경도를 높일 수는 없습니다.
또한, 대부분 알고계실 수 있지만 강철에 합금을 첨가하여 경도를 높이면 탄소의 경화 및 강화 능력도 향상됩니다.
이는 최고 수준의 경도를 생성하는 데 필요한 탄소 함량이 일반 탄소강에 비해 합금강에서 더 낮다는 것을 의미합니다.
이는 결과적으로 합금강은 일반적으로 일반 탄소강보다 더 나은 성능을 제공한다는 의미이기도 합니다.
탄소강이 경화되면 강철은 1초 이내에 약 537℃(1000°F) 미만으로 냉각되어야 합니다.
하지만 일단 강철에 합금을 추가하고 탄소의 효율성을 높이면 1초라는 시간제한이 그 이상으로 늘어나며 이를 통해 지정된 경도를 얻기 위해 더 느린 담금질 매체를 선택할 수 있습니다.
일반적으로 탄소강은 소금물이나 물로 담금질하는 반면, 합금강은 오일로 담금질하는데요.
안타깝게도 담금질은 높은 내부 응력을 생성하는 공정이기 때문에 강철을 완화하기 위한 한 가지는 단련을 하는 것입니다.
부품이 차가워지기 직전에 약 93℃(200°F) 온도의 담금질 수조에서 꺼내어 공기 중에서 식혀줍니다. 이 때, 실온에서 93℃(200°F)까지의 온도 범위를 “균열 범위”라고 합니다.
템퍼링이란?
케이스나 화염에 의해 금속을 경화하고 공정에 따른 급속 냉각 이후 내부 응력을 도입하면 강철은 필요 이상으로 단단하고 부서지기 쉬운 경우가 많습니다.
템퍼링은 이런 현상에 대해 강철을 단련하여 취성을 줄이고 내부 응력을 제거하거나 완화하는 것일 수 있습니다.
템퍼링을 진행하는 동안 다음의 과정을 진행합니다.
- 강철을 경화 온도보다 낮은 설정 온도로 가열합니다.
- 일정 기간 동안 해당 온도에서 강철을 유지합니다.
- 일반적으로 공기가 없는 상태에서 강철을 냉각합니다.
위 세 가지 과정이 익숙하게 들린다면, 맞습니다!
템퍼링은 열처리와 동일한 3단계로 구성되고 주요 차이점은 템퍼링 온도와 그것이 경도, 강도 및 연성에 미치는 영향입니다.
강철 부품을 템퍼링하면 경화로 인한 경도가 감소하고 특정 물리적 특성이 나타납니다.
템퍼링은 항상 경화 후에 이루어지며, 취성을 감소시키는 동시에 강철을 부드럽게 하지만 안타깝게도 템퍼링에 따른 강철의 연화는 불가피합니다.
그러나 불행 중 다행인지 모르겠지만 템퍼링 중 온도에 따라 손실되는 경도의 정도를 조절할 수 있습니다.
어닐링, 노멀라이징, 경화 등의 다른 열처리 공정에는 항상 금속의 임계상한점보다 높은 온도가 포함되지만, 템퍼링은 항상 임계점보다 낮은 온도에서 수행됩니다.
경화된 강철을 재가열할 때 100℃(212°F)에서 템퍼링을 시작하고 낮은 임계점에 도달할 때까지 계속합니다.
원하는 경도와 강도를 선택하려면 뜨임 온도를 미리 설정할 수 있는데 부품 두께가 2.54㎝(1 inch) 미만인 경우 템퍼링의 최소 시간은 1시간이어야 하고 두께가 2.54㎝(1 inch) 이상인 경우 두께가 2.54㎝(1 inch) 증가할 때마다 시간을 추가할 수 있습니다.
템퍼링으로 인한 냉각 속도는 대부분의 강철에 영향을 미치지 않습니다.
템퍼링로에서 강철 부품을 제거한 후 일반적으로 노멀라이징 공정에서와 마찬가지로 공기가 없는 상태에서 냉각합니다.
템퍼링에 관심이 있다면 템퍼링이 담금질로 인한 내부 응력을 완화하고 취성과 경도를 줄이며 최대 232℃(450°F)의 온도까지 템퍼링이 됩니다.
그래서 실제로 경화강의 인장 강도를 높일 수 있다는 점을 알아 두셔야 하며 반대로 232℃(450°F) 이상에서는 인장 강도가 감소하는 점도 알아 두셔야 합니다.