◆ 풀림

     기본적으로 軟化를 목적으로 행하는 열처리로서, 일반적으로 적당한 온도까지 가열한 다음 그 온도에서 유지한 후 서냉하는 조작을 말한다. 그밖의 처리목적으로는 내부응력의 제거, 절삭성 향상, 냉간가공성 향상 등을 통하여 기계적성질을 개선하기 위한 것이다.
     풀림에는 완전풀림, 항온풀림, 구상화풀림, 응력제거풀림, 연화풀림, 확산풀림, 저온풀림 및 중간풀림 등의 여러 종류가 있다. 그림 4.3.은 여러가지 풀림처리시 처리온도범위를 나타낸 것이다.

그림 4.3 각종 풀림 온도 범위

(1) 완전풀림(full annealing)
     완전풀림은 아공석강에서는 Ac3점 이상, 과공석강에서는 Ac1점 이상의 온도로 가열하고, 그 온도에서 충분한 시간동안 유지하여 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트와 탄화물의 공존조직으로 한 다음, 아주 서서히 냉각시켜서 연화시키는 조작방법으로서 일반적으로 풀림이라고 하면 완전풀림을 의미한다. 따라서 이 경우의 조직은 아공석강에서는 페라이트와 펄라이트, 과공석강에서는 망상 시멘타이트와 조대한 펄라이트로 된다.
     일반적으로 열간압연 또는 단조작업을 행한 강재는 조직이 불균일하다든지, 잔류응력이 존재한다든지 또는 연화가 불충분하여 절삭가공이나 소성가공이 곤란할 때가 많다. 이 경우 금속재료를 연화시켜서 절삭가공을 쉽게하기 위해서는 완전풀림을 한다.
     이와 같은 처리는 탄소량이 약 0.6% 이하인 기계구조용강에 적용되며, 탄소량이 이것보다 많은 공구강에서는 구상화풀림이 적합하다.
     완전풀림의 가열온도는 아공석강에서는 Ac3점 이상 30∼50℃, 과공석강에서는 Ac1점 이상 약 50℃ 높은 온도가 적당하며, 너무 높은 온도에서 가열하면 결정립이 조대화되므로 주의하여야 한다.
     그림 4.4는 고속도공구강의 완전풀림방법을 나타낸 것으로서, 특히 한번 퀜칭후 다시 퀜칭을 반복할 때에는 필히 중간에 풀림처리를 해야만 한다. 이 공정을 생략하면 결정립이 조대해져서 극히 취약해지기 때문이다.

그림 4.4. 고속도강의 풀림곡선

(2) 항온풀림(isothermal annealing)
     완전풀림의 일종으로서 단지 항온변태를 이용한다는 차이만 있을 뿐이다. 즉 완전풀림은 강을 오스테나이트화한 다음 서서히 연속적으로 냉각해서 강을 연화시키는 것인데 비하여, 항온풀림은 강을 오스테나이트화 한 후 TTT곡선의 nose온도에 해당되는 600∼650℃의 로속에 넣어 이 온도에서 5∼6시간 동안 유지한 다음 꺼내어 공랭하는 것이다. 그림 4.5는 일반적인 항온풀림과 완전풀림의 처리곡선을 비교하여 나타낸 것이다.

그림 4.5. 항온풀림과 완전풀림의 비교

     고속도강과 같은 합금강은 아주 서냉하지 않으면 페라이트 변태가 끝나지 않으며, 잔류오스테나이트는 베이나이트나 마르텐사이트로 변태하므로 충분히 연화시킬 수 없게 된다. 그러나 이와 같은 합금강도 어느 일정한 온도에서 유지시켜 항온 변태를 시키면 단시간 내에 변태가 끝나므로 쉽게 연화된다.
     항온풀림은 자동차부품용의 기계구조용 저합금강 뿐만 아니라 합금공구강 및 고속도공구강과 같이 합금원소를 많이 함유하는 공구강에서 풀림시간을 단축시키기 위해서 현장에서 흔히 이용된다.

(3) 확산풀림(diffusion annealing)
     일반적으로 응고된 주조조직에서 주형에 접한 부분은 합금원소나 불순물이 극히 적고, 주형 벽에 수직한 방향으로 응고가 진행됨에 따라 합금원소와 불순물이 많아지며, 최후로 응고한 부분에 합금원소가 가장 많이 잔존하게 된다. 이와 같은 현상을 편석(遍析, segregation)이라 한다. 강괴의 경우, 편석은 1300℃정도에서 수시간 동안 가열하는 균질화 처리와, 그 다음의 열간가공에 의해서 어느 정도 균질화되지만 완전히 해소되지는 못한다.
     따라서 이러한 상태의 주괴를 단조나 압연을 하면 편석된 것들이 가공방향으로 늘어나 섬유상 편석이 나타난다.인(P), 몰리브덴(Mo) 등이 많이 함유된 강에서는 그 경향이 더욱 두드러지게 나타난다.
     이와 같은 주괴 편석이나 섬유상 편석을 없애고 강을 균질화시키기 위해서는 고온에서 장시간 가열하여 확산시킬 필요가 있다. 이와 같은 열처리를 확산풀림 또는 균질화풀림이라고 한다.
     가열온도는 합금의 종류나 편석 정도에 따라서 다르며, 주괴편석 제거를 위해서는 1200∼1300℃, 고탄소강에서는 1100∼1200℃, 단조나 압연재의 섬유상 편석을 제거하기 위해서는 900∼1200℃ 범위에서 열처리하는 것이 적당하다. 확산풀림을 할 때 풀림온도가 높을수록 균질화는 빠르게 일어나지만 결정립이 조대화되므로 주의하여야 한다.

(4) 구상화풀림(spheroidizing annealing)
     펄라이트를 구성하는 층상시멘타이트나 또는 망상(網狀)으로 나타나는 초석시멘타이트가 그대로 존재하면 기계가공성이 나빠지고, 특히 퀜칭열처리시 균열이나 변형발생을 초래하기 쉬워진다. 즉 소성가공이나 절삭가공을 쉽게 하기 위해서, 기계적성질을 개선하기 위해서, 또는 퀜칭시 균열이나 변형발생을 방지할 목적으로 탄화물을 구상화시키는 열처리를 구상화풀림이라고 한다.
     이 구상화처리는 보통 제강회사에서 실시하는 것이 일반적이다. 이 처리는 특히 공구강에서는 매우 중요한 처리로서, 퀜칭의 전처리로서 탄화물을 필히 구상화시킬 필요가 있다.
     시멘타이트가 구상화되면 단단한 시멘타이트에 의하여 차단된 연한  페라이트 조직이 상호 연속적으로 연결되고, 특히 가열시간이 길어짐에 따라 구상 시멘타이트는 서로 응집하여 입자수가 적어지므로 페라이트의 연속성은 더욱 좋아진다. 따라서 경도는 저하되고 소성가공이나 절삭가공이 용이해진다. 즉, 구상화 풀림에 의해 과공석강은 절삭성이 향상되고, 아공석강에서는 냉간단조성 등의 소성가공성이 좋아지게 되는 것이다. 그림 4.8은 열처리조직에 따른 피삭성의 차이를 나타낸 것이다.

그림 4.6. 열처리 조직에 따른 피삭성

     또한 전술한 바와 같이 공구강 등에서는 탄화물을 구상화시킴으로써 퀜칭경화 후 인성을 증가시키며, 퀜칭균열 방지효과도 있다.
     구상화풀림 방법에는 그림 4.7과 같은 4가지가 주를 이루고 있다.

그림 4.7. 탄화물의 구상화처리방법

1) 구상화방법

     ① Ac1점 직상으로 가열한 후 Ar1점 이하까지 극히 서서히 냉각하든지 또는 Ar1점 이상의 어느 일정온도에서 유지한 후 냉각하는 방법.
     탄소공구강은 처리가 간단하고 구상화속도도 비교적 빠르므로 이 방법으로 구상화시킨다. 그림 4.8은 탄소공구강의 구상화풀림곡선을 나타낸 것이다. 이 두방법중 일반적으로 사용되는 것은 서냉법(徐冷法)이고, 이 방법의 변화된 형태로서 항온유지법(恒溫維持法)이 이용되고 있다. 서냉법에서의 냉각속도는 보통 30℃/h 이하로 되어 있지만 각각 강종에 따라서 어느 임계냉각속도가 있어서 이 속도보다 빠르게 냉각하면 층상조직이 나타나게 된다.

그림 4.8. 탄소공구강의 구상화풀림

     ② Ac1점 직하(650∼720℃)에서 장시간 가열유지하는 방법.
     주로 퀜칭 또는 냉간가공된 강에 적용된다. 아공석강에서도 냉간가공을 30% 이상 행한 경우는 이 방법으로 구상화시킨다. 이 방법으로는 조대한 망상 시멘타이트는 구상화되지 않는다.

     ③ Ac1점 상하 20∼30℃ 사이에서 반복적으로 가열 및 냉각하는 방법.
     아공석강에 가장 적합한 방법으로서, 가장 빨리 구상화시킬 수 있다. 탄화물을 A1점 이상의 온도에서 고용시키면 탄화물의 부분적인 고용이 진행되고, 이에 따라 층상탄화물이 분단된다. 그리고 고용된 부분은 냉각시 재차 잔류탄화물의 표면에 석출하여 더욱 구상화가 촉진된다.
     아공석강에서는 가열온도가 높아지면탄화물의 석출핵이 소실되어 구상화가 어려워진다. 냉각속도는 느린 편이 좋은데, 저탄소강에서는 1℃/min가 바람직하지만 탄소량이 많아지면 비교적 빠른 냉각으로도 구상화된다. 반복횟수는 아공석강 및 공석강에서는 3회, 과공석강에서는 2회 정도면 균일한 탄화물조직으로 된다.

     ④ Acm선 이상으로 가열하여 시멘타이트를 완전히 고용시킨 후 급랭하여 망상시멘타이트의 석출을 억제시키고 재차 가열하여 ② 또는 ③의 방법으로 구상화하는 방법.
     망상 탄화물이 존재하는 과공석강의 구상화방법이다. 미세하고 균일한 구상화조직을 얻는데에는 효과적이지만 구상화속도가 느리다. 급랭으로는 주로 공랭을 이용하지만 마르텐사이트 조직이 가장 구상화되기 쉬우므로 유냉하는 경우도 있다.

2) 강종에 따른 구상화풀림

① 냉간단조소재 : 냉간단조를 행한 아공석강에서는 구상화풀림이 매우 널리 이용되고 있다. 탄화물의 분포를 균일하게 하기 위해서는 전처리로서 노멀라이징을 행하여 초석페라이트와 펄라이트의 혼합조직으로 미세하게 해 놓는 것이 일반적이다.

② 탄소공구강과 합금공구강 : 절삭용, 내충격용 및 냉간금형용 공구강은 탄소공구강과 동일하지만 가열유지시간은 좀더 길고, 냉각은 좀더 신중하게 행한다.

③ 열간다이스강, 고속도강 : 공정탄화물이 있는 경우는 단조와 압연을 조합하여 행하고 있지만 이것은 통상 제강회사에서 행하여 공급하고 있다.

④ 베어링강 : 구상화조직은 베어링의 성능에 직접적으로 영향을 주므로 구상화풀림조건은 매우 엄격하게 되어 있다. 즉 1차 탄화물이 잔류하지 말아야 하고 탄화물분포가 균일해야 하며 그 입자크기도 0.4∼0.5㎛의 범위로 조절하고 있다. 구상화풀림 전에는 일반적으로 노멀라이징을 행하고, 풀림온도는 상한온도를 절대로 넘어서면 안된다.

(5) 응력제거풀림(stress relief annealing)
     단조, 주조, 기계가공 및 용접 등에 의해서 생긴 잔류응력을 제거시키기 위해서 A1점 이하의 적당한 온도에서 가열하는 열처리를 응력제거풀림이라고 한다.
     잔류응력이 남아 있는 금속 부품을 그대로 사용하면 시간이 경과함에 따라 차차 그 응력이 완화되어 치수나 모양이 변화될 경우가 있다.
     또 기계가공으로 어느 한 부분을 제거하면 물체 내부의 응력이 평형을 유지할 수 없게 되어 새로운 응력 평형 상태로 변화되므로 변형이 나타나게 될 경우가 많다. 이와 같은 변형을 방지하기 위해서는 재료를 적당한 온도로 가열하여 잔류응력을 충분히 제거해 줄 필요가 있다.
     통상 재결정온도(450℃) 이상 A1 변태점 이하에서 행한다. 이 온도에서 두께 25㎜당 1시간 유지하고, 두께 25㎜당 200℃/h로 서냉시킨다.
     일반적으로 가열온도가 높아질수록 재료는 연해지고, 잔류응력에 의해 소성변형이 일어나므로 응력이 완화제거된다. 일반적으로 탄소량이 많은 강일수록 잔류응력이 많고, 또 제거하기가 어렵다.
잔류응력제거와 함께 결정립의 미세화나 조직의 조절도 동시에 하고자 할 경우에는 완전풀림이나 노멀라이징을 한다.

(6) 연화풀림(softening annealing)
     대부분의 금속 및 합금은 냉간가공을 하면 가공경화에 의하여 강도가 증가되고 취약해져서 이 때문에 어느 가공도 이상으로 가공할 수 없게 된다.
     특히 강에서는 탄소량이 많을수록 가공경화도가 커진다. 이렇게 경화된 것을 절삭가공을 한다든지, 또는 더 많은 냉간가공을 하고자 할 때에는 강을 일단 연화시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 적당한 온도로 가열하여 가공조직을 완전히 회복시키거나 재결정 및 결정립 성장을 시켜야 한다.

그림 4.9. 냉간가공재의 가열에 의한 성질변화

     냉간가공재를 가열할 경우의 조직과 성질의 변화를 그림 4.9에 나타내었다. 그림 4.9에서 보는 바와 같이, 연화과정은 3단계로 이루어진다. 즉 가열온도의 상승과 함께 회복, 재결정 및 결정립성장의 과정으로 변화된다.
첫단계인 회복은 가공에 의해서 증가된 전위밀도 감소와 전위의 재배열로 인한 연화이고, 재결정은 변형된 입자 속에서 변형되지 않은 새로운 결정입자로 대체하는 과정이며, 온도가 더욱 높아지면 미세한 입자가 응집, 조대화되는 결정립성장 단계로 된다.
     이러한 변화는 내부에너지를 감소시킴으로써 보다 안정한 상태로 가고자 하는 현상 때문이며, 이러한 내부응력의 감소에 의해서 연화되는 것이다.
     이와 같이 재결정에 의해서 경도를 균일하게 저하시킴으로써 소성가공 또는 절삭가공을 쉽게 하기 위한 풀림을 연화풀림이라고 하는데, A1점 위 또는 아래의 온도에서 가열한다.