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열처리기술은 금속재료, 기계부품, 금형공구의 기계적 성질을 변화시키기 위하여 가열과 냉각을 반복함으로써 특별히 유용한 성질(내마성, 내충격성, 사용수명연장등)을 부여하는 기술로서 제조 공정의 중간 또는 최종단계에서 이루어지고 있다.
금속재료 및 기계부품의 가공시 발생된 취성을 개선하기 위하여 가열, 냉각하는 열처리기술로서 가열온도, 유지시간 냉각속도의 차에 따라 다음과 같이 분류한다. 1) 어닐링(Annealing) : 부품의 연화, 가공성 향상 및 잔류 응력제거 2) 노말라이징(Normalizing) : 가공시 발생된 이상조직의 균질화 및 가공성 향상 3) 퀜칭(Quenching) : 부품의 경화(퀜칭처리시 경도는 3배정도 증가) 4) 템퍼링(Tempering) : 퀜칭 처리된 부품의 잔류응력 제거, 조직 및 기계적 성질의 안정화 5) 마르템퍼링(Martempering) : 부품의 경화 및 인성향상 6) 오스템퍼링(Austempering) : 부품의 경화 및 인성향상 7) 시효(Aging) : 저온처리에 의한 안정화된 조직의 석출 및 가공에 의한 경도 향상
금속부픔의 전체 또는 특정부분을 가열, 냉각 또는 특수원소를 첨가하여 내마모성, 내충격성등을 향상시키기 위한 열처리 기술로서 가열방법, 사용재료(처리약품)등에 따라 다음과 같이 분류한다. 1) 부분가열 표면경화 ① 고주파 표면경화(Induction surface hardening) : 고주파 유도장치를 사용한 부품 ② 화염 표면경화(Flame surface hardening) : 대형 구조물 용접 부분 표면경화를 위한 간이 열처리 ③ 레이저 표면경화(Laser surface hardening) : 부품중 마모가 심한 부위등 필요 부분만의 표면경화 ④ 전자빔 표면경화(Laser surface hardening) : 부품중 마모가 심한 부위등 필요 부분만의 표면경화
2) 전체가열 표면경화 ① 침탄(Carburizing) : 부품표면에 탄소의 확산침투에 의한 표면경화 【 고체침탄(Solid Carburizing), 염욕침탄(Salt Bath Carburizing), 가스침탄(Gas Carburizing), 플라 즈마침탄(Plasma Carburizing), 진공침탄(Vaccum Carburizing) 】 ② 침탄질화(Carbonitriding) : 부품표면에 탄소와 소량의 질소를 동시에 침투시켜 표면경화 ③ 질 화(Nitriding) : 부품표면에 질소의 침투에 의한 표면경화 ④ 침질탄화(Nitrocarburizing) : 부품표면에 질소와 소량의 탄소를 동시에 침투시켜 표면경화 ⑤ 침 붕(Boriding) : 부품표면에 붕소의 확산침투에 의한 표면경화 ⑥ 탄질화물 침투법 : 부품표면에 금속원소와 탄소에 의한 탄화물층을 형성하는 표면경화로 나누어 진다.
열처리란 금속재료(주로 철강재료)에 요구하는 기계적, 물리적성질을 부여하기 위해 가열과 냉각을 시행하는 열적 조작기술이며, 크게는 재료를 단단하게 만들어 기계적, 물리적 성능을 향상시키는 기술과 재료를 무르게하여 가공성을 개선시키는 기술로 대변할 수 있으며, 기타 특수한 목적을 위한 첨단 열처리 기술도 점차 개발되고 있다.
(1) 표면경화열처리 ① 침탄, 침탄질화 : 내부도 약간 경화된다. ② 연질화, 가스질화 : 내부는 전혀 경화되지 않는다. ③ 고주파, 중주파, 화염열처리 : 필요한 부분만 표면경화된다.
(2) 전체 경화열처리 : 내부까지 경화된다. ① 조질처리 : 중탄소강, 구조용 합금강재(Sorbite 조직을 얻을 것) ② Q.T처리 : 중, 고탄소강, 구조용 합금강재 ③ 진공열처리 : 고합금 공구강재(STD, STF, SKH, STS등)
(3) 연화열처리 : 재료를 무르게하여 가공성을 개선한다. ① 완전풀림 ② 확산풀림 ③ 구상화 풀림 ④ 응력제거 풀림 ⑤ 중간풀림 ⑥ 연화풀림 ⑦ 2단 풀림 ⑧ 등온풀림
(4) 기타열처리 ① 불림처리 : 조직개선 및 표준화, 응력제거, 가공성 향상 ② 용체화 처리 : STS304등 Austenite계 스텐레스강의 강도, 가공성 향상, 내식성개선, 수명연장 ③ 취성제거처리 : 도금에서 발생된 수소취성 제거 ④ 수인처리 : 고 Mn강의 강도 가공성 향상 ⑤ ADI처리 : 구상 흑연주철의 Austempering 처리, 기존 단조품에 열처리하던 것을 주조품으로 바꾸어 공정단축, 원가절감, 경량화에 의한 자동차 연비향상, 강도 향상등 자동차 부품에서 점차 일반부품으로 용도가 넓어지고 있음. ⑥ 침붕처리 : 초, 고내마모성을 요구하는 부품, HV1500이상의 고경도를 얻을 수 있다.
※ SHOT PEENING 효과 * SHOT의 강도를 높여 PEENING함으로써 기어 뿌리 굽힘 피로강도는 약 1.3∼1.5배까지 향상시킬 수 있으며, 그 효과도 가장 크다. 동시에 경화층 깊이를 얕게 함으로써 강도를 증대시킬 수 있다. * 충격강도 향상에는 SHOT PEENING이 그다지 효과가 없음으로 P와 Si를 줄인 합금성분 조절이 효과가 크다.
1) 열처리에 의해 어떤 성능을 기대하는가? 고내마모성, 고인성, 내피로도, 내충격성, 내열성, 내식성, 탄성, 열피로도, 내한성등 요구성능에 따라 재질, 열처리 기술의 종류, 경도값을 결정한다. 2) 제품의 사용온도, 사용조건, 사용빈도, 경제성을 감안한다. 주위의 환경(제품의 사용온도, 마찰열, 부식조건, 진동등)에 따라 혹은 사용빈도를 감안 적정한 강재 를 선정한다. 3) 사용경도는 어떻게 지정할 것인가? 원제품 경도값인가? KS, JIS 참고값인가? 제품에서 요구하는 인장강도 계산값인가? 4) KS, JIS에 표기된 각 재료별 경도값을 도면에 그대로 사용하면 안된다. 통상 KS, JIS 값은 각 재료별 ø25㎜ 환봉에 대한 실험값으로 재질별 조질 또는 Q.T한 참고값이다. 도면 SPEC은 제품이 요구하는 강도, 경도, 충격치등 정확한 값을 표기한다. 5) SM45C는 가장 일반적으로 사용하나 열처리가 잘 안되는 점이 있다. 각종기어, 축, 체인, 로울러, 금형, 핀등에 많이 사용되나, 열처리가 잘되는 크기는 ø15이하 t10㎜정도 (수냉하면 ø25 t20㎜정도)이며, 그 이상은 경도가 점차 낮아져 HRC50이상은 어렵다. 체적이 커질수록 점차 고합금강으로 사용한다.(질량효과 때문임) 단 고주파, 중주파 열처리는 체적에 관계없이 SM45C 가 무난하다. 6) 모든 열처리에서 변형은 필수적으로 발생된다. 제품 완가공후 열처리는 불량을 초래하므로 후공적을 감안해야 한다. 7) 림드강 강재(비 탈산처리)로는 열처리 제어가 안된다. 중요품은 모두 킬드강을 사용한다. SS41, SPC등 저급소재는 KS 비열처리 소재로서 불순물 제거가 안 되어 열처리후 경도제어가 곤란하다. 각 재료는 KS에 림드강, 킬드강 제조법이 표기되어 있다. 8) STC3, STC5(탄소공구강)도 탄소강 종류로서 질량효과가 크다. 대형부품, 금형류에는 열처리 경화가 어려워 합금강재로 바꾸는 것이 좋다. 소형부품, 수냉용 단순부품은 관계없다. 9) 복합 열처리 기술도 활용 할 수 있어야 한다. (1) 조질 + 고주파, 중주파 (2) 조질 + 연질화, 가스질화 (3) 풀림 + 침탄, 조질 (4) 진공열처리 + 연질화, 가스질화 (5) 침탄 + 고주파 이상 여러 가지 복합 열처리기술이 활용되고 있다. 10) 최고 품질은 적정재질로 적정 열처리기술을 선택하는데 있다. 11) 질량과 형상이 불균형한 제품은 항상 변형과 CRACK의 위험이 따른다.
(1) 서 언 금속은 기계부품 혹은 공업설비· 장치 등에 사용할 때 표면에 흠집, 균열등이 생긴다든가 마찰에 의해 표면이 마멸하는 것을 피하지 않으면 안된다. 표면손상이나 마멸의 방지는 공업기술이 진보하면 할수록 강력하게 요망되는 것이다. 이를 위한 표면기술을 일반적으로 표면경화라고 한다. 특히 표면층의 금속조직을 바꾸므로 표면경화의 목적을 달성하는 방법이 있는데, 이는 다른 원소를 표면으로부터 내부로 침투확산시켜서 표면층의 화학조성을 바꾸어 놓는 것이다. 여기서는 일반적으로 널리 상업화되어 침탄법에 대해서 서술하겠다.
강은 Fe 중에 탄소를 0.02∼2.0% 함유한 합금이며 그 성질은 탄소의 양이 적으면 연하나 인성이 있고, 탄소량이 많으면 경하고 강하나 취약한 성질이 생긴다. 따라서 기계의 부품재료로서는 사용목적에 따라 탄소를 표면부에는 많게, 중심부에는 적게 분포시키면 표면은 경하여 내마모성이 좋고 중심부는 연하고 인성이 있어서 전체로서는 취약성에 의한 파괴를 피할 수가 있다. 이와 같이 제품을 만들기 위하여 저탄소 재료로 손쉽게 절삭가공한 후 표면에서 탄소를 확산시켜서 표면에 고탄소의 합금층을 만드는 조작을 침탄이라 한다.
① 장 점 ⓐ 표면의 탄소농도를 조절할 수 있다. ⓑ 표면광휘상태로 처리가 가능하며 침탄도 균일하게 행해진다. ⓒ 직접처리품을 가열하기 때문에 열효율이 좋고, 침탄종료후 직접 퀜칭이 가능하다. ⓓ 침탄종료후 동일장치로 확산 어닐링도 가능하다. ⓔ 다량 생산에 적합하며, 작업도 청결하다. ⓕ 자동화도 용이하며, 품질관리도 실시하기 쉽다. ② 단 점 ⓐ 조업에 전문적인 지식이 필요로하며 폭발의 위험도 있고, 설비비가 약간 고가이다. ⓑ 트레이 등이 침탄되어 수명이 짧다.
(1) 개 요 고주파 담금질은 담금질부분에 대응하는 적당한 형상의 담금질코일을 만들어 이것을 1000사이클에서 1메가 사이클의 고주파 발생장치에 접속하고, 이것에 고주파 대전류를 통하면 근접하여둔 담금질 물체의 표면에 유도 전류가 흘러 이것에 의하여 물체는 표면층에서 급속히 가열된다. 담금질 온도에 달했을 때 가열을 중지, 냉각액을 외부에서 분사하여 담금질을 한다. 이와같은 고주파 담금질은 직접 가열로 열효율이 좋게 국부담금질, 전체담금질등 모두 가능하며, 처리시간을 짧고 일정한 조건에서 다수를 처리하는 것이 비교적 간단히 할 수 있는 등의 이점을 가지나 반면 발생장치가 극히 값이 비싸다는 결점이 있다. 고주파 담금질이 다른 표면경화법과 다른점은 자체경화능이 있는 강재를 사용하여 급속이 표면만을 가열하여 담금질하고, 따라서 내부는 거의 처음상태로 유지되는 것인데, 여기서 담금질 전 재료의 조직이 고주파 표면담금질과 같은 금속가열의 경우는 큰 영향력을 미치므로 0.4∼0.5% 탄소강에 있어서는 조질에 의해 현저한 경도 상승을 나타낸다. 바탕이 퍼얼라이트에는 이른바 불완전 담금질이 되고, 잔류페라이트가 있어 충분한 경도가 얻어지지 않는다. 또 조질재의 경우네는 담금질층과 내부사이에 이른바 경계층이 있어 경도가 저하하는데 이것은 탄소강에서 일어나기 쉽고 합금강 적어도 Cr강에서는 일어나지 않는다.
· 가열 시간이 짧아 열 영향이 적으므로 변형이 적다. · 산화 SCALE의 발생이 적다. · 장기 가열에 의한 탈탄 현상이 없다. · 필요 부분만의 국부 열처리가 용이하다. · 경화 깊이의 조정이 용이하다. · 표면경화의 경우 내부의 인성을 유지할 수 있다. · 표면경화, 풀림, 뜨임, 불림등 모든 열처리 분야에 적용이 용이하다.
① 고주파 발생장치의 용량에 따라서 가열능력 한계가 있어서 외경의 작업가능한 한계가 있고 도 및 경화층 깊이에 따라서 중주파 및 저주파 시설을 이용해야하며, 비용이 증가하는데 주의해야 한다. ② BUSH및 PIPE류의 외경고주파 작업시 두께에 따라서 치수 변형향의 차이가 있으며, 특히 내경 공차부의 재가공이 필요하므로 고주파 후 정삭을 해야한다. ③ 냉간인발환봉(일명 미가기환봉)은 표피 1.0㎜이상 가공한후에 최고경도가 나오며, 그 이유는 표피층의 탈탄현상등으로 탄소량의 감소가 주요인이다. ④ 단조주조의 소재는 담금질, 뜨임전에 반드시 전처리로써 불림 또는 풀림을 하고 결정립의 조정 조직의 균일화, 잔류응력 제거등을 해야한다. 한편 전처리를 불림 한 것인지 또는 풀림 한 것인지는 재질과 질량효과에 따라 구별되는데 절삭가공이 원활하게 되는편을 선택한다. 특수원소를 갖고 공기담금질성이 좋은 재료 경우 불림 또는 풀림에서도 경화하므로 불림, 뜨임을 하여 퍼얼라이트조직으로 한다. 또 두께가 큰 주강등에서 수지상정이 쉽게 없어지지 않을 때는 2차 불림을 하면 좋다.
① 고주파 발생장치 상용의 60Hz의 전력을 금속의 가열에 보다 효율적인 고주파 전력으로 변환시켜주는 장치이며, 변환기구로서 진공관을 사용하는 방식(진공관식 GENERATOR)과 반도체소자를 사용하는 방식이 있다. 반도체 소자로서 S.C.R을 사용하는 THYRISTER INVERTER는 에너지 효율이 탁월하여 최근 고주파 열처리에 가장 널리 사용되고 있으며, 진공관식 GENERATOR는 10KHz이상의 높은 주파수의 전력이 필요한 경우에 주로 사용한다. ② 정합부 고주파 발생장치에 의해 발생된 고주파 전력을 가열코일에 효과적으로 공급하기 위한 장치이며, 가열코일과 직결되어 있다. ③ 가열코일 제품의 형상에 따라 설계 제작되며, 대전력이 흐르므로 수냉식이 일반적이다. 또한 경화 열처리 경우와 같이 급냉이 필요한 경우 냉매를 분사할 수 있는 장치도 갖추고 있다. ④ 기계장치 제품의 특성에 따라 설계 제작되며, 가열코일을 상·하·좌·우로 이동시키고, 제품을 이송하며, 균일한 가열을 위해 제품을 회전시켜주는 장치이며, 전자제어에 의한 자동운전이 가능하다. SCANNING MACHINE이 대표적인 예이다. ⑤ 냉각수 장치 및 담금질유 장치 냉각수 장치는 고주파 발생장치, 가열코일등을 냉각시켜주는 냉각수의 순환장치이다. 담금질유 장치는 열처리의 경우 담금질유를 순환시켜즈는 장치이며, 담금질유의 반복 사용으로 인한 온도 상승을 방지하기 위한 담금질유 냉각장치가 포함된다.
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