15. 2. 어닐링

어닐링(annealing)은 냉간 가공의 효과를 제거하여 원래의 연한 상태로 회복시키기 위하여 고안된 열처리 방법이다. 즉, 어닐링에 의하여 냉간 가공시에 얻어진 가공 경화를 완전히 제거하여 연성을 회복할 수 있으므로 부가적인 냉간 가공을 행할 수 있게 된다.
따라서 냉간 가공과 어닐링을 반복적으로 조합하여 실시하면 많은 양의 가공을 행할 수 있다. 또한 비교적 저온에서 어닐링을 실시하면 최종 부품의 기계적 성질을 해치지 않고 냉간 가공시에 도입된 잔류 응력을 제거할 수 있다. 
그림 15-24는 황동(brass)의 여러 성질에 미치는 냉간 가공도와 어닐링 온도의 영향을 나타낸 것이다. 어닐링 처리에 의하여 금속의 성질이 원래의 상태로 되돌아 가는 과정은 크게 2단계로 나눌 수 있다. 첫째는 가공으로 내부 변형을 일으킨 결정립이 형태에는 변화가 없이 내부 변형을 해방하여 가는 회복(回復, recovery) 과정과, 둘째는 가공된 결정립이 내부 변형이 없는 새로운 결정립으로 변화되는 재결정(再結晶, recystallization) 과정이다. 후자의 경우에는 새로운 결정립의 핵의 발생과 성장 과정을 포함하여 새로운 결정립은 이전의 결정립과는 모양이나 방향이 다르다.

15. 2. 1. 회 복

냉간 가공으로 금속이 받은 물리적,기계적 성질의 변화는 어닐링 처리에 의하여 가공 전의 상태로 돌아가려는 경향을 가지는데, 결정립의 모양이나 결정의 방향에 변화를 일으키지 않고 물리적,기계적 성질만이 변화하는 과정을 회복이라 한다. 회복의 과정에서 여러 성질의 변화는 반드시 동일한 경과를 보이지 않는다. 예컨대 그림 15-24에서 보는 바와 같이 전기 전도도는 회복 단계에서 서서히 증가하나 강도는 회복단계에서는 별로 변화하지 않고 재결정 과정에서 급격히 감소한다

그림 15-24. Cu-35% Zn 합금의 여러 가지 성질에 미치는 냉간가공과 어닐링의 영향

그림 15-25. 냉간 가공한 금속의 미세조직에 미치는 어닐링 온도의 영향

그림 15-25는 냉간 가공된 금속의 미세 조직에 미치는 어닐링 온도의 영향을 나타낸다.
회복 과정에서는 결정 구조가 전혀 변화하지 않는다고 알려져 있으나, 이것은 현미경으로 관찰된 조직만의 경우이며, X선 기술이나 전자 현미경의 발달에 따라 회복 과정에서도 약간의 결정 구조 변화가 있음이 인정되고 있다.

냉간 가공으로 결정 내에 증가된 전위는 온도가 상승하여 활성화되어 먼저 슬립면 위에서 이동하기 시작한다. 이때에 동일 슬립면 위에 서로 부호가 다른 전위가 존재하면 서로 가까워지고 드디어는 합체하여 소멸된다. 온도가 더욱 높아지면 슬립 운동과 함께 전위의 상승(climb)운동이 일어나 이들 전위가 이동하여 점차 안정한 배열로 변한다. 그러나, 회복 단계에서 전위 밀도(dislocation density)의 실질적인 감소는 적기 때문에 기계적 성질의 변화도 작다. 반면에 잔류 응력은 상당히 감소될 수 있고, 특히 전위가 재배열되는 경우에는 거의 완전히 제거된다. 이러한 맥락에서 회복 과정을 흔히 응력 제거 어닐링(stress relief annealing)이라고 부르기도 한다.

한편 회복 과정에서 전기 전도도는 상당히 증가되기 때문에 Cu나 Al을 인발하여 가공 경화시키고 회복 단계까지만 처리해 주면 고강도와 높은 전기 전도도를 갖는 선재를 만들 수 있다.

15. 2. 2. 재결정

압연 가공을 거친 판재와 같이 냉간 가공된 재료를 연화시키기 위하여는 높은 온도에서 가열을 행한다. 변형을 일으킨 금속을 가열하면 그 내부에 새로운 결정립의 핵이 생기고, 이것이 성장하여 전체가 변형이 없는 새로운 결정립(strain-free new grain)으로 바뀌어지는데, 이 과정을 재결정이하고 한다.

재결정은 재결정 온도(再結晶 溫度, recrystallization temperature)이상에서 가열이 진행되는 동안 이루어는 현상을 말하는 것으로서, 주조 조직이 액체 금속으로부터 형성되는 것인데 반해서 재결정은 고체 상태에서 새롭게 결정립 조직을 의미한다. 그림 15-26에 냉간 가공된 결정립으로부터 재결정화되는 과정을 도시하였다. 이 그림은 그림15-25의 (b)에서 (c)로 천이되는 과정을 나타낸 것이기도 하다.

이 그림에서 보면 대부분의 조직이 변형된 상태로 있는 반면, 몇 개의 재결정핵이 변형된 조직 사이에서 성장하기 시작한다 (그림 15-26 a). 가열이 지속됨에 따라 재결정은 계속 진행하여 결국에는 전체 결정립이 재결정립으로 바뀐다(그림15-26d).

이렇듯 재결정은 시간을 요하는 변화로서, 처음에는 전혀 변화가 나타나지 않는 잠복기가 있은 후 새로운 결정립이 나타난다. 처음에는 그 수도 적고 성장 속도도 늦으므로 재결정의 진행은 늦으나 차차 빨라져서 드디어는 최고의 속도에 이르고 그 후 다시 점차 낮아져서 100% 재결정 상태에 이른다. 

재결정 온도는 합금의 종류 또는 냉간 가공도에 의해 결정되기 때문에 재결정 온도를 말할 때는 반드시 가공도를 명시해 주어야만 한다. 가공도를 특기하지 않고 재결정 온도라고만 말할 때는 1시간 동안의 어닐링 처리로 100% 재결정이 이루어지는 온도를 의미한다. 

재결정의 진행은 생성되는 결정핵의 수와 그 성장속도의 두 가지 인자로 결정된다. 단위 시간, 단위 부피 중에 생성되는 결정핵의 수를 핵생성 속도 N으로 표시하고,핵성장 속도를 G로 나타낼 때 재결정의 진행은 N과 G의 크기 또는 그 비 N/G에 의하여 좌우된다.

재결정의 처음 단계에서는 성장하는 재결정핵은 서로 영향을 미치는 일이 적으나 성장이 진행함에 따라서 결정립 상호간의 접촉이 일어나 성장을 방해한다. 결국 N이 작고 G가 크면 적은 수의 결정립이 크게 성장하므로 재결정립이 조대해지고,반대로 N이 크고 G가 작으면 많은 수의 미세한 결정립으로 된다.

15. 2. 3. 결정립 성장

좀더 높은 온도에서 어닐링 처리하면 회복과 재결정은 급격하게 빨리 진행되어 미세한 재결정립 조직으로 된다. 그러나, 결정립계 면적이 커짐에 따른 고에너지는 고온에서 불안정하기 때문에 이 에너지를 감소시키기 위하여 결정립은 성장하게 된다.

이 현상이 결정립 성장 (結晶粒 成長,grain growth)이다.

결정립이 성장하기 위해서는 결정립계의 이동을 통하여 인접한 결정립을 침범해야만 한다. 결국, 결정립 성장은 그림 15-27에 나타낸 바와 같이 원자가 결정립계를 가로지르는 확산을 동반해야만 한다. 따라서 고온에서 어닐링하거난 원자 점프를 위한 활성화 에너지가 작은 경우에는 결정립 성장이 용이해진다.

15. 2. 4. 어닐링시의 중요인자

어닐링 열처리 방법을 선정할 때 고려해야만 할 중요 인자가 3가지 있다. 즉, 재결정 온도, 재결정립 크기 그리고 결정립 성장 온도이다.

가. 재결정 온도

재결정 온도는 다음과 같은 여러 가지 변수에 의해서 영향을 받는다.

1) 냉간 가공도가 증가함에 따라 재결정 온도는 저하된다. 즉, 냉간 가공도가 커지면 금속은 불안정해져서 재결정립의 핵생성을 촉진시킨다. 한편, 재결정을 일으키는데 필요한 최소한의 임계 냉간 가공도(臨界冷間加工度,minimum amount of cold work)가 있는데, 이 가공도 이하에서는 재결정이 일어나지 않는다.

2) 원래 냉간 가공 상태에서의 결정립이 미세하면 새로운 결정립의 핵생성이 일어나는 장소인 결정립계 면적이 커지므로 재결정 온도는 저하된다.

3) 순금속은 고용체 강화된 합금보다 저온에서 재결정된다. 따라서, 합금을 브레이징(brazing)이나 솔더링(soldering)하는 경우에 순금속보다는 어닐링 연화 저항성이 더 크다는 장점이 있다.

4) 어닐링 시간을 길게 하면 재결정 온도를 낮출 수 있다. 그러나, 그 효과는 미미하므로 시간을 2배로 길게 해봐야 재결정 온도는 10℃ 정도 밖에는 낮출 수 없다.

5) 고융점 금속일수록 재결정 온도는 높아진다. 대부분의 금속에서 재결정 온도는 대략 절대온도로 0.4Tm에 비례한다. 표 15-3은 여러 가지 재결정 온도를 나타낸 것이다.

표 15-3. 여러 가지 금속의 전형적인 재결정 온도

나. 재결정립 크기

어닐링 온도를 낮추면 결정립 크기를 미세하게 할 수 있다. 또한, 냉간 가공도를 크게 하면 새로운 결정립이 핵 생성할 수 있는 장소가 많이 제공하므로 최종 결정립 크기를 미세하게 할 수 있고, 제 2상이 존재할 때에도 결정립 미세화에 기여한다.

다. 결정립 성장 온도

어닐링 온도를 높게 하면 열처리 시간을 단축시킬 수 있으므로 경제적이기는 하지만, 결정립 성장을 일으킬 염려가 있기 때문에 특별히 주의해야만 한다. 이 사실은 어닐링 뿐만 아니라 다른 열처리에도 똑같이 적용된다. 

냉간 가공된 조직이 완전히 재결정립으로 변화하므로써 재결정은 완료된다. 만일 고온에서 어닐링하거나 장시간 어닐링하면 몇몇 재결정립이 인접한 결정립과 병합하면서 더욱 성장한다(그림 15-28). 따라서 조직은 바람직하지 않은 불균일한 결정립 크기를 갖게 되는데, 이를 피하기 위해서는 적절한 재결정 조건을 선택하여야만 한다. 어닐링 처리시 조대한 결정립이 형성하는 원인을 요약하면 다음과 같다.

1) 냉간 가공도가 너무 작을 경우
2) 어닐링 온도까지의 가열이 너무 느린 경우
3) 어닐링 온도가 너무 높은 경우
4) 어닐링 시간이 너무 긴 경우
5) 용질 원소의 분포가 불량한 경우

재결정과 회복에 따른 격자의 응력 제거 과정은 서로 비슷하게 진행한다. 재결정에서 원자의 재정렬은 광범위하여 회복 단계에서는 단지 부분적으로 이루어진다. 회복 과정에서는 그러나 집적된 전위의 상당량이 감소하여 이에 따라 슬립면은 다시 그 기능을 발휘할 수 있게 된다. 이때의 인장 강도와 연신율은 회복 단계에서는 거의 변화없이 진행되다가 재결정 온도 이상에서 급격한 변화를 나타내곤 있다. 따라서 어닐링 처리를 적절히 이용한다면 상대적으로 높은 인장강도와 연신율이 큰 양호한 소성가공재를 생산할 수있다.