5.

알아둘 만한 열처리 참고 사항들..

1. 열처리 개요

금속 재료가 각종 사용목적에 따른 기능을 충분히 발휘하려면,각 용도에 적당한

성분을 가진 재료를 선택하여야 하고, 그 재료의 내부 결정 조직이 목적하는 용도에

가장 적합한 상태로 조절되는 것이 필요하다. 이 조절방법으로 금속을 적당한 온도에

가열 및 냉각 등의 조작을하여 목적한 성질을 부여 하는 것을 열처리라고 한다.

1-1. 鋼의 조직

1) 서냉 조직

① ferrite - 탄소를 함유하지 않은 철로서 현미경 조직은 백색으로 보이며,강철 조직에 비하여 경도와 강도가 작다.

즉 브리넬 경도가 약80,인장 강도가 35kg/㎟이며,강자성체(强磁性體)이다.

② pearlite - ferrite와 탄화철(Fe3C)이 서로 파상(波狀)으로 배치된 조직으로 그 현미경 조직은 흑백으로된

파상선(波狀線)을 형성하고 있다. 이결정 조직은 강하고 또한 질긴 성질이 있다.

브리넬 경도는 약300, 인장강도는 약 80 kg/㎟ 정도가 된다.

③ cementite - 탄화철(Fe3C)로서 침상 또는 망상조직을 형성하며,탄소강 또는 주철 중에 섞여있다.

매우 경도가 큰 조직으로 브리넬 경도가 800 이며,또한 여린 취성(brittleness)이 있다.

일반적으로 상온의 탄소강을 가열하면 A1변태점 이상의 온도에서는 pearlite 가 전부 austenite 조직으로 변화한다.

2) 급냉조직

① austenite - 급냉시킨 조직으로서 탄소가 감마철 중에 고용 또는 용해되어 있는 상태의 현미경조직이다.

② martensite - 급냉된 조직으로서 침상조직을 형성하며,경도가 가장큰 열처리 조직이다.

③ troostite - austenite를 냉각할 때 martensite를 거쳐서 점점 탄화철이 큰 입자로 나타나는 조직으로

알파철과 탄화철의 혼합된 조직이다. 경도는 상당히 크나, martensite 보다는 작다.

④ sorbite - 서냉 으로된 조직으로 troostite보다 A1변태가 더 높은 온도에서 완료되어 경도가 작고 ,

질이 troostite보다는 연하나 매우 질기고 탄성이 큰 조직이다.

⑤ 서서히 냉각된 pearlite - austenite를 매우 천천히 냉각하면, A1 변태가 700℃부근에서 완료되어

그조직은 알파철과 cementite 의 파상의 혼합조직이 된다. 강철조직으로서는 가장 연하고 연성이 크며

절삭성과 상온가공성이 좋다.

1-2. 열처리 종류

1) quenching (담금질) : 급랭시켜 재질을 경화(硬化)한다.

고탄소강(C=0.9%)을 A1 변태점 이상으로 가열하여 균일한 austenite 조직으로 만든다.

austenite 조직은 매우 천천히 냉각되면 pearlite 가 된다.

그러나, 급랭하여 냉각속도가 빠르면, A변태가 완전히 끝나지 못하고, 중간 조직으로 된다.

이것들은 천천히 냉각하여 얻은 pearlite 보다도 경도가 크고 강하며,또한 그 질이 취약하다.

이와같이 급랭으로 강철재료를 경화하는 작업을 quenching 이라 한다.

quenching 의 목적은 큰 경도를 얻는데 있다. 이 경도는 온도와 냉각 속도에 따라 달라지며,

담금질 온도가 너무 높거나 낮아도 효과가 좋지 않다.

담금질온도가 너무 낮으면 균일한 austenite를 얻기 어려우며,담금질 온도가 너무 높으면 과열로 인하여

재질이 변화하게 되어 담금질 효과가 적어진다.

그러므로 담금질 온도는 Ac321변태점보다 20∼30℃높은 온도에서 하는 것이 좋다.

담금질 온도는 열처리할 물건의 크기와 관계가 있으므로 큰 물건은 냉각속도가 느리게 되어

다소 높은 온도로 가열하는 것이 좋다.

담금질 효과는 냉각 속도에 영향을 받게되며, 냉각액과 밀접한 관계가 있다.

담금질할 때 작업중 또는 직후 얼마되지 않아 균열이 생기는 경우가 있다.

① 담금질 직후에 생기는 담금질 균열 : 외부는 급격한 냉각으로 인하여 수축이 생기나 내부는 냉각이 느려서

내부가 나중에 pearlite 로 변하여 팽창되는 결과로 생긴다.

② 담금질후 2,3분 후에 생기는 담금질 균열 : 외부가 martensite 로 변하여 팽창 하므로 ①과는 반대로 되는

작용으로 균열이 생긴다.

담금질에서 균열 방지를 위해 소재의 단면적, 두께 등이 급격히 변화하는 곳에는 너무 급격한 냉각속도를 피하고,

250℃ 부근에서 냉각속도를 감소시키는 것이 좋다.

2) tempering (뜨임) : quenching 한것에 인성(靭性)을 부여하고,조직을 조절한다.

담금질한 강철은 강도는 크나 그 반면에 취성(脆性: brittleness)이 있다.

따라서 다소 경도가 희생되더라도 인성이 필요한 기계부분에는 담금질한 강철을 다시 가열하여 인성을 증가 시킨다.

이와 같이 담금질한 강철을 적당한 온도로 A1 변태점 이하에서 가열하여 인성을 증기시키는 조작을 tempering 이라고 한다.

tempering을 하면 열처리 할 때 생긴 내부 응력이 감소 또는 제거되고, 불안정한 조직이 온도에 따라 비교적

균일하고 안정된 조직으로 변한다.

tempering 온도가 너무 높든가 또는 온도 지속시간이 너무 길면 담금질 효과가 떨어지므로, tempering 지속 시간은

탄소강 에서는 약 30분 내외로 하고 oil 또는 air 중에서 냉각한다.

3) annealing (풀림) : 재질을 연(軟)하게 하고,결정을 조절한다.

단조 작업을 한 강철은 고온으로 가열하여 가공하게 되므로 강철조직이 불균일하고 또한 조대(組大)하다.

이와같은 조직을 균일하게 하고,또한 가공할 때 생긴 내부응력을 제거하고 연화(軟化)하는 열처리를 annealing 이라 한다

annealing의 목적은

① 단조,주조,기계가공에서 생긴 내부응력 제거

② 열처리로 인하여 경화(硬化)된 재료의 연화(軟化)

③ 가공 또는 공작에서 경화된 재료의 연화

④ 금속 결정입자(結晶粒子) 의 조절

4) normalizing(불림) : 소재를 균질하게 하고 표준화 한다.

1-3. 표면 경화법

기계부품의 표면은 경도가 크고 내부는 인성이 큰 것이 요구될 때가 많다.

이와 같은 용도에는 탄소 함유량이 적은 재료가 사용된다. 탄소량이 적은 것은 담금질하여도 경도가 높아지지 않는다.

그러므로 특별한 방법으로 표면경화를하여 사용하게 된다.

(1) 화학적 표면경화(表面硬化)

1) 침탄법(浸炭法:carburizing)

1. 고체 침탄법(solid carburizing)

2. 가스 침탄법(gas carburizing)

2) 청화법 (cyaniding)

3) 질화법 (nitriing)

(2) 물리적 표면 경화

1) 고주파 경화법

2) 화염 경화법

⊙침탄법

탄소강은 탄소량이 많을수록 경도가 크게 된다. 그러나 반대로 취약성이 있어 충격에 대하여 약하게 된다.

마멸작용과 충격을 동시에 받는 기계부품 및 기구등은 재료내부는 탄소량이 적고, 인성이 큰 재질이 필요하며,

표면은 탄소량이 많고 마멸저항이 큰 것이 이상적이다. 이 목적을 위하여 C=0.1∼ 0.2%를 함유하는 연한 강철의

표면에 탄소를 침투시켜 표면을 고 탄소강으로 만들고, 이것을 담금질하면 표면만 경화된 강철이 된다.

* 가스 침탄법

침탄제에 사용되는 가스에는 CO,CO2,CH4,C2H6,C3H8,CmHn,등이 있고 주로 천연가스,타운가스,

발생로 가스등이 사용된다.

가열로에는 원통로,회전로등이 사용되고,작은 물건의 침탄에 사용된다.

가스 침탄의 온도는 900∼1000℃이며, 온도가 높은 것이 침탄깊이가 깊다.

가스 침탄의 경우는 가열 침탄후 직접 담금질 한다. 그러므로 사용하는 재료를 조질(調質)한 것을 사용한다.

침탄 깊이는 온도가 높을수록 시간이 길수록 깊게 된다.

* CARBON POTENTIAL의 관리법

침탄 처리의 효과는 보통 경화층 깊이와 표면경도로 나타내며,아래그림에 침탄처리시의 분위기조절에 대하여 도시하였다.

⊙질화법

질소는 고온에서 철 또는 강철에 작용하여 질화철을 형성한다.

이 질화물은 경도가 크고 내식성이 크다. 그러나 표면에만 작용시키면 마멸저항 및 경도가 큰 재질이 된다.

철 또는 강철제품을 500∼550℃의 암모니아가스 중에서 장시간 가열하면 질소를 흡수하여

Fe4N,Fe2N 등의 질화물이 형성된다. 이것이 확산되어 굳은 표피가 생긴다.

질화처리한 것은 다음과 같은 특징이 있다.

1) 경화층은 얇고 경도는 침탄한것보다 더욱 크다.

2) 마멸 및 부식에 대한 저항이 크다.

3) 침탄강은 침탄후 담금질하나,질화법은 담금질할 필요가 없고 변형이 적다.

4) 600℃이하의 온도에서는 경도가 감소되지 않고 또 산화도 잘 되지 않는다.

그러나, 충격이 큰 부분에는 사용되지 않고 있다.

⊙고주파 유도 가열경화법

보통 열처리에 사용되는 가열방법은 열에너지가 전도 및 복사의 형식으로 가열되는

물체에 도달하는 방식이 사용되고 있으나,고주파 가열법에서는 전자에너지의 형식으로 가공물에 이용되고

피가열물의 표면에 도달되면 열에너지가 된다.

사용되는 재료는 탄소 함유량이 많은 C 0.3∼0.6%의 재질과 특수강의 일부가 사용된다.

2. 침탄 열처리 (침탄 조직)

-內武志 ( 同和鑛業(株) )

2-1. 급랭 경도와 탄소 농도

(1) 素地硬度

급랭경도는 鋼中의 탄소 농도에 의존한다.

austenite中에 용해하는 탄소량이 많아지면 급랭경도는 높아진다.일반적으로 침탄용강의 탄소량은 0.15∼0.20%가 많다.

100% martensite를 생성하는 경우의 급랭경도는 0.15%에서 HRC40,0.20%에서는 HRC44로 추정된다.

표면경도의 측정위치가 명백히 침탄층부터 먼 경우는 침탄강의 탄소량과 그 부품의 급냉속도에 의해 급랭경도는 결정된다.

요컨데 침탄처리의 문제가 아니라 단순한 급랭프로세서의 문제이다.

따라서 급랭경도가 목표보다 낮은 경우의 원인으로서는 소재의 탄소량이 낮은 것은 아닌가?

혹은 냉각능이 낮은 것은 아닌가? 의심이 간다. 경화능이 높은 鋼材라면 냉각속도는 완만하더라도

100% martensite를 생성 할수도 있다.

또한 素地 경도 측정 위치에 따라 素地경도는 여러 값을 갖는다.

즉, 침탄층의 탄소 농도 분포에서 소재의 탄소량과 동일값이 되는 위치부터 표면쪽은 당연히

소재의 탄소량 보다 높게되어 있다. 이 위치의 탄소량을 0.3%라 하면 100% martensite를 생성할수 있는 냉각을 하면

그 素地경도는 HRC50이 된다.그러나 냉각능이 낮고 50% martensite의 생성 조건이 냉각이 된다면

이 素地硬度는 HRC37이 된다.

현장적으로는 素地部에서 100% martensite를 생성할수 있는 냉각속도를 줄일수 있는 설비는 거의 없다.

따라서 素地硬度를 측정하는 위치가 침탄층 내인 경우는 침탄 깊이를 깊게 함으로서 이 문제를 해결하고 있다.

침탄 부품의 素地硬度는 소재의 탄소량,재료의 경화능,부품 두께 및 냉각능으로 결정된다.

(2) 침탄층의 경도

급랭경도는 austenite중의 용해탄소에 비례한다.

급냉경도는 탄소량에 따라 증가한다.그러나 鋼種에서는 0.61%C에서 최고 급냉경도를 얻는다.

또한 20MoCr4,20NiCrMo6,16MnCr5는 0.7%∼0.8%C에서 최고 급랭경도를 나타낸다.

또한 이들의 강을 825℃로 유지하면서 0.7%C보다 높은 침탄층의 경우에도 급랭경도는 대략 균일하게 된다.

그 이유는 825℃에서 Acm선의 탄소량을 넘는 강의 경우는 austenite 와 탄화물이 존재한다.

탄소량이 증가함에 따라 탄화물이 증가하고 austenite 中의 탄소량은 항상 Acm선과의 교점의 탄소농도이다.

따라서 탄소량이 증가해도 急冷時의 잔류 austenite양은 일정하고 急冷硬度도 일정하게 된다.

(엄밀하게는 탄화물의 영향도 받는다.)

침탄부품의 표면경도를 높이기 위해서는 잔류 austenite를 수반하지 않는 표면 탄소량으로 조절함이 중요하다.

급랭표면경도를 최대로 하는 즉,최고표면탄소량은 강종에 따라 다르다.

2-2. 粒界酸化

(1) 粒界酸化의 생성기구

프로판 및 부탄가스를 공기로 변성한 RX가스에는 미량의 H2O 및 CO2가스를 함유하고 있다.

이 가스는 강중의 Cr 및 Mn을 산화 시킨다. 따라서 침탄중 강은 침탄도 되나 산화도 된다.

강의 산화는 분위기 가스중의 H2O,CO2농도가 높을수록 즉,露点이 높고(탄소 포텐셜은 낮음)가스와

금 속의 온도가 높을수록 반응은 진행된다.또한 강중에 O2와 친화력이 강한 원소 例로 Si,Cr,Mn등 많은 강은 산화되기 쉽다.

강에 O2가 침입하기 쉬운 경우는 O2의 확산속도는 일반적으로 結晶粒內보다 粒界가 빠르다.

따라서 O2가 강의 표면으로부터 침입하면 결정입계 부근의 素地에 포함되는 Si,Cr,Mn,Mo中 Si,Cr,Mn는 他 원소에

우선하여 결정입계에 진행하여 결정입계에 확산으로 도달한 O2와 결합,여기에 산화물을 형성한다.

(입계만이 아니라 표면에도 산화물을 생성한다.Cr을 함유하는 침탄층은 표면에 Cr산화물을 생성하므로

청정액에다 급냉하면 옅은 녹색으로 착색된다.)

H2O,CO2에 의해 산화되어 최표면에 산화물을 형성한다. 다음에 결정입계를 O2가 확산하면 동시에

결정입내의 Si,Cr,Mn은 입계의 산소를 행해 확산하여 여기에 산화물을 생성한다. 따라서 Si,Cr,Mn이 확산하여

산화물을 형성한 영역 즉,素地部는 Si,Cr,Mn을 감소 시키므로 경화능이 떨어진다. SCr420강을 0.8%C로 침탄한

표면 부근은 0.5%의 素地를 함유하는 탄소강이라 하여도 좋다.