본질적으로 어닐링은 열처리 공정입니다. 재료를 특정 온도로 가열하고 그 온도를 유지한 다음 천천히 냉각하는 것으로 정의됩니다. 재료의 임계 변태점에 대한 상대적인 온도를 기준으로 구분되는 세 가지 주요 어닐링 유형은 초임계(완전) 어닐링, 임계간 어닐링 및 아임계 어닐링입니다. 이러한 공정은 주로 재료의 연성을 높이고 경도를 줄여 가공성을 향상시키기 위해 재료의 미세 구조를 변경하는 데 사용됩니다.
선택되는 특정 어닐링 유형은 임의적이지 않습니다. 이는 정밀한 야금학적 결정입니다. 목표는 재료의 임계상 변태점에 대한 온도를 신중하게 제어하여 목표 미세 구조와 그에 상응하는 기계적 특성을 달성하는 것입니다.
기초 이해: 임계 온도
다양한 유형의 어닐링을 이해하려면 먼저 철-탄소 상 다이어그램의 지점인 강철의 임계 변태 온도를 이해해야 합니다.
Ac1 온도 (하부 임계)
Ac1은 강철 구조가 가열 시 오스테나이트라는 상으로 변태하기 시작하는 온도입니다. 이 온도 미만에서는 중요한 상 변태가 발생하지 않습니다.
Ac3 온도 (상부 임계)
Ac3는 강철 미세 구조의 오스테나이트로의 변태가 완료되는 온도입니다. 이 지점 이상으로 가열하면 냉각 전에 전체 재료가 균일한 오스테나이트 구조를 갖게 됩니다.
세 가지 주요 어닐링 공정
주요 어닐링 유형의 분류는 공정의 최고 온도가 이 두 임계점과 관련하여 어디에 해당하는지에 전적으로 기반합니다.
초임계 (완전) 어닐링
이 공정은 강철을 상부 임계(Ac3)점 이상의 온도로 가열하는 것을 포함합니다.
이는 전체 미세 구조가 오스테나이트로 변태되도록 보장합니다. 그런 다음 재료를 매우 천천히 냉각하여 부드럽고 연성이 높으며 내부 응력이 없는 조대한 펄라이트 구조를 얻습니다. "어닐링"이라는 용어가 다른 한정자 없이 사용될 때, 일반적으로 완전 어닐링을 의미합니다.
임계간 어닐링
이 공정에서 강철은 하부 임계(Ac1)점과 상부 임계(Ac3)점 사이의 온도로 가열됩니다.
이로 인해 부분적인 변태만 발생하여 원래 상(페라이트)과 새로 형성된 오스테나이트의 혼합 미세 구조가 생성됩니다. 그런 다음 서서히 냉각하면 오스테나이트가 변태하여 특정 강도와 연성 균형을 갖는 이중 상 재료가 생성됩니다.
아임계 어닐링
공정 어닐링이라고도 하는 이 공정은 강철을 하부 임계(Ac1)점 바로 아래의 온도로 가열하는 것을 포함합니다.
온도가 변태점에 도달하지 않으므로 오스테나이트는 형성되지 않습니다. 주요 목적은 냉간 가공으로 경화된 재료의 내부 응력을 완화하고 회복 및 재결정화를 유도하여 기본 미세 구조나 강도를 크게 변경하지 않고 연성을 회복하는 것입니다.
변화의 메커니즘: 어닐링의 세 단계
공정의 "유형"은 아니지만, 이 세 가지 단계는 재료가 가열될 때 재료 내에서 발생하는 야금학적 변화를 설명합니다.
1단계: 회복
낮은 온도에서 가장 먼저 발생하는 것은 회복입니다. 이 공정은 재료의 결정립 구조에 큰 변화 없이 냉간 가공과 같은 공정으로 인해 결정 격자에 저장된 내부 응력을 완화합니다.
2단계: 재결정화
온도가 증가함에 따라(특히 아임계 어닐링 중) 재결정화가 시작됩니다. 새로운, 변형이 없는 결정립이 핵 생성 및 성장하여 오래되고 변형된 결정립을 대체합니다. 이것이 연성을 회복하고 경도를 감소시키는 요인입니다.
3단계: 결정립 성장
재료가 어닐링 온도에서 너무 오랫동안 유지되면 새로 형성된 결정립은 계속해서 더 커질 것입니다. 과도한 결정립 성장은 재료의 강도와 인성을 감소시킬 수 있으므로 종종 바람직하지 않습니다.
절충점 이해
어닐링 공정을 선택하려면 원하는 결과와 실제 제약을 균형 있게 고려해야 합니다.
강도 대 연성
이것이 주요 절충점입니다. 완전(초임계) 어닐링은 가장 부드럽고 가장 연성이 높은 상태를 생성하지만, 가장 낮은 강도를 희생합니다. 아임계 어닐링은 타협점을 제공하여 재료의 원래 강도를 더 많이 유지하면서 상당한 연성을 회복합니다.
시간, 에너지 및 비용
완전 어닐링은 가장 높은 온도로 가열해야 하며 종종 가장 느린 냉각 속도를 포함하므로 가장 시간이 많이 걸리고 에너지 집약적인 공정입니다. 아임계 어닐링은 더 낮은 온도에서 작동하므로 더 빠르고 저렴합니다.
명명 규칙의 문제
"광휘 어닐링", "박스 어닐링" 또는 "구상화"와 같은 어닐링에 대한 다른 많은 이름을 접하게 될 것입니다. 이러한 용어는 일반적으로 새로운 야금학적 유형을 설명하지 않습니다. 대신, 일반적으로 사용되는 장비(박스 용광로), 결과적인 표면 마감(광택, 산화물 없음) 또는 매우 특정한 미세 구조 목표(구상화)를 나타내지만, 기본 공정은 여전히 세 가지 주요 유형 중 하나입니다.
목표에 맞는 올바른 선택
어닐링 공정 선택은 재료에 대한 최종 목표와 직접적으로 연결되어야 합니다.
- 최대 연화 및 가공성이 주요 초점인 경우: 초임계(완전) 어닐링을 사용하여 미세 구조를 완전히 재설정하고 가능한 최고의 연성을 달성하십시오.
- 냉간 가공으로 인한 응력 완화가 주요 초점인 경우: 아임계(공정) 어닐링을 사용하여 강도의 큰 손실 없이 추가 성형 작업을 위한 연성을 회복하십시오.
- 특정 이중 상 구조 개발이 주요 초점인 경우: 임계간 어닐링을 사용하여 원하는 특성 균형을 위해 상 혼합을 정밀하게 제어하십시오.
궁극적으로 올바른 열처리 선택은 필요한 특성을 이해하고 어떤 열 공정이 이를 제공할 미세 구조를 생성할지 아는 것입니다.
요약표:
| 어닐링 유형 | 온도 범위 | 주요 목표 | 결과 미세 구조 |
|---|---|---|---|
| 초임계 (완전) | Ac3 이상 | 최대 연화 및 연성 | 조대한 펄라이트 |
| 임계간 | Ac1과 Ac3 사이 | 균형 잡힌 강도 및 연성 | 혼합 페라이트 및 오스테나이트 |
| 아임계 (공정) | Ac1 미만 | 응력 완화 및 연성 회복 | 회복/재결정화된 결정립 |
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