탄소강의 열처리

안녕하십니까

오늘은 탄소강의 다양한 열처리 방법에 대해서 알아보겠습니다.

탄소강에 관한 정의는 아래의 링크를 통해 확인하시면 되겠습니다.

2024.09.30 - [재료공학] - 탄소강(Fe-C 평형상태도, TTT곡선, 탄소강 조직)

탄소강(Fe-C 평형상태도, TTT곡선, 탄소강 조직)

 

열처리란 금속 재료에 가열과 냉각 과정을 통해 내부 구조와 성질(강도, 경도, 연성 등)을 변화시키는 기술입니다. 특히 탄소강은 탄소 함량에 따라 다양한 기계적 성질을 가질 수 있기 때문에, 원하는 성능을 얻기 위해서 열처리는 꼭 필요한 공정 중 하나입니다.

이러한 성능을 효과적으로 구현하기 위해서는 용도와 목적에 맞는 적절한 열처리 방법을 선택하는 것이 중요합니다.

 

오늘은 다양한 열처리 방법 중 어닐링(풀림), 노멀라이징(불림), 템퍼링(뜨임)에 대해 알아보도록 하겠습니다. 퀜칭(담금질)은 별도로 정리해 두었으니 아래의 링크 참고해 주세요.

2024.10.03 - [재료공학] - 담금질(퀜칭, Quenching) 열처리

담금질(퀜칭, Quenching) 열처리

 

1. 어닐링(Annealing, 풀림)

어닐링은 금속 재료를 일정 온도로 가열한 후, 그 온도에서(로내에서) 충분히 유지한 뒤 서서히 냉각시키는 열처리 방법입니다.

이 과정을 통해 재료 내부에 남아 있는 응력(잔류응력)을 제거하고, 연성을 높이며, 가공 전 상태의 결정 구조를 회복할 수 있습니다.

주로 가공 후 재료가 너무 딱딱해져서 추가 가공이 어려울 때, 또는 내부 조직을 안정화하고 균일화할 때 사용됩니다.

 

1) 방법

어닐링의 3단계

 

1. 회복 (Recovery)

• 높은 온도에서 활발해지는 원자 확산에 의해 전위가 이동하게 되며, 내부에 저장되어 있던 변형률 에너지가 제거됨
• 재료의 일부 기계적 성질이 회복되고, 잔류응력이 감소함
• 결정 구조 자체는 그대로 유지되며, 조직 변화는 거의 없음

2. 재결정 (Recrystallization)

• 변형된 조직 내에서 새로운 결정핵이 생성되어 성정하는 단계
• 냉간가공으로 변형된 조직이 제거되고, 기계적 성질이 가공 전 상태로 되돌아감
• 결정립이 미세화 되어 연성과 가공성이 향상됨

3. 결정립 성장 (Grain Growth)

• 재결정이 완료된 후 고온 상태에서 결정립이 점차 성장함
• 결정립이 성장하면서 조직이 조대화되어 연성은 증가하지만, 강도는 감소하는 경향이 있음
• 원하는 조직 특성을 위해 결정립 성장은 조절이 필요함

어닐랑의 3단계

 

2) 종류

1. 완전 풀림

• 강을 A3 변태점(고탄소 강은 A1 이상) 이상까지 가열한 후, 노 안에서 매우 천천히 냉각
• 방법 : 약 800~900℃까지 가열 후, 노 안에서 서냉
• 효과 : 조직을 균일한 펄라이트 조직으로 만들고, 재료를 연화시켜 가공성과 연성 향상
• 적용 대상 : 주로 중, 저탄소강

2. 항온 풀림

• 완전 풀림과 유사하지만, 일정 온도에서 일정 시간 항온 유지 후 냉각하는 방식
• 방법 : A3 이상 가열 → 펄라이트 생성 온도에서 항온 유지 →  공냉
• 효과 : 시간 단축, 조직 균일화, 일정한 성질 확보
• 적용 대상 : 주로 주강, 주조품, 복잡한 형상의 부품

항온풀림, 완전풀림

3. 구상화 풀림

• 고탄소강 내 시멘타이트(Fe3C)를 구형으로 변환하여 가공성을 높이는 열처리
• 방법 : A1 변태점 부근에서 장시간 유지하거나, 반복적인 가열, 냉각
• 효과 : 시멘타이트가 구형으로 되어 조직이 부드러워지고, 절삭 가공성 향상, 냉간 가공성 향상
• 적용 대상 : 공구강, 베어링강, 고탄소강

4. 응력제거 풀림

• 용접, 가공, 냉간 성형 등으로 발생한 잔류 응력 제거를 위한 열처리
• 방법 : A1 이하 온도(보통 500~650℃)에서 가열 후 서서히 냉각
• 효과 : 뒤틀림 방지, 균열 예방, 치수 안정화
• 적용 대상 : 용접 구조물, 기계 가공 부품, 정밀 부품

 

2. 노멀라이징(Normalizing, 불림)

금속 재료를 일정 온도 이상으로 가열한 후, 공기 중에서 자연 냉각시키는 열처리 방법입니다.

노멀라이징이라는 이름은 말 그대로 금속을 보통의 상태로 되돌린다는 의미를 담고 있습니다. 금속은 주조, 단조, 가공 등의 제조 과정을 거치면서 내부 조직이 불균일해지거나, 결정립이 조대화되고, 잔류응력이 쌓이는 등 비정상적인 상태로 변하게 됩니다.

노멀라이징은 이러한 상태의 금속을 다시 안정적이고 균일한 조직으로 회복시켜, 조직을 미세화하고 기계적 성질을 균일하게 만드는 과정입니다.

 

1) 방법

탄소강의 경우 A3 변태점(고탄소강은 Acm)보다 약 50℃ 높은 온도로 가열한 후 일정시간 유지하여 조직을 완전히 오스테나이트화시킵니다.

그 후 노 밖으로 꺼내어 공기 중에서 자연 냉각시키면, 강은 다시 A1 변태점을 지나면서 변태가 일어나 균일하고 미세한 페라이트 + 펄라이트 조직을 얻을 수 있습니다.

 

2) 종류

1. 보통 노멀라이징

• 가장 일반적인 방식의 노멀라이징임
• A3 또는 Acm 변태점보다 약 30~50℃ 높은 온도까지 가열한 후, 공기 중에서 자연 냉각
• 단조품, 주조품, 용점 후 재료의 조직 정리 및 기계적 성질 균일화
• 미세한 페라이트 + 펄라이트 조직 형성, 열처리 후 기계가공성 및 강도 향상

2. 2단 노멀라이징

• 보통 노멀라이징과 가열 방법은 갖지만 냉각 시 임계구역 온도 까지는 공랭 시킨 후 서냉함
• 결정립 조대화를 억제하고 조직을 더욱 균일하게 만듦
• 두께 차가 크거나 냉각 속도 차이가 큰 부품, 고합금강, 주조품 등에 적용

 

 

3. 항온 노멀라이징

• 항온 변태곡선의 nose에 해당하는 온도에서 항온 변태를 일으킨 후 공랭
• 냉각 속도를 일정하게 제어함으로써 조직의 균일성과 반복성 확보, 품질 변동 감소
• 정밀한 기계적 성질이 필요한 부품, 품질 균일화가 중요한 경우 사용

 

 

 

4. 2중 노멀라이징

• 1차 노멀라이징 - 930℃에서 유지한 후 공랭하면 화합물 상태의 개재물, 석출물을 고용시키게 되어 조직 개선, 편석 성분 균질화
• 2차 노멀라이징 - 820℃에서 유지한 후 공랭하면 펄라이트 조직이 미세화됨
• 저탄소강의 강인화에 적용되며, 이 처리를 한 후에는 템퍼링 처리를 하는 게 좋음

 

 

3. 템퍼링(Tempering, 뜨임)

템퍼링은 퀜칭(담금질) 후 경화된 금속을 적당한 온도로 재가열 한 뒤 식히는 열처리 방법입니다. 퀜칭으로 얻은 높은 경도는 유지하면서 내부 응력을 제거하고 인성과 연성을 회복하기 위해 사용됩니다.

 

1) 방법

퀜칭한 금속을 150~700℃ 사이의 온도로 재가열 한 후 보통 공기 중에서 서서히 냉각합니다. 템퍼링 온도가 낮을수록 경도는 높게 유지되지만 인성은 낮고, 온도가 높을수록 인성은 좋아지지만 경도는 줄어듭니다. 사용 목적에 맞게 템퍼링 온도를 조절하는 것이 중요합니다.

 

2) 종류

1. 마템퍼링 (Martempering)

• 마르텐사이트 구역(Ms~Mf)에서 일시적으로 유지한 뒤 냉각
• 마르텐사이트와 하부 베이나이트의 혼합조직이 얻어짐
• 마르텐사이트를 서서히 형성시켜 내부 응력을 낮춤
• 재료 내외가 동시에 서서히 마르텐사이트화하기 때문에 균열이나 비틀림이 생기지 않음

 

 

2. 오스템퍼링 (Austempering)

• 오스테나이트 상태에서 베이나이트로 직접 변태 시키는 방법
• 250~400℃ 정도에서 일정 시간 유지하여 베이나이트 조직 형성
• 마르텐사이트 없이 강인한 성질을 얻을 수 있음
• 높은 인성과 충분한 강도를 동시에 요구하는 경우에 적합

 

 

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지금까지 탄소강의 주요 열처리 공정인 어닐링, 노멀라이징, 템퍼링에 대해 살펴보았습니다.

이 공정들은 금속 재료의 기계적 성질을 원하는 방향으로 조절하고, 제조 과정에서 생기는 조직 불균일이나 잔류응력을 효과적으로 개선하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.

금속 재료를 다루는 현장에서는 이처럼 재료의 특성과 목적에 맞는 열처리 방법을 이해하고 적용하는 것이 품질과 성능 확보의 핵심이라고 할 수 있겠습니다.

 

읽어주셔서 감사합니다.