결정적으로, "어닐링 경화"라는 표준 산업 공정은 없습니다. 이들은 서로 반대되는 목표를 가진 두 가지 별개의 열처리입니다. 어닐링은 금속을 부드럽게 하고 연성을 증가시키는 데 사용되는 공정인 반면, 경화는 강도와 내마모성을 증가시키는 데 사용됩니다.
이해해야 할 핵심 원리는 두 공정 모두 금속을 비슷한 고온으로 가열하는 것으로 시작하지만, 결과는 전적으로 냉각 속도에 의해 결정된다는 것입니다. 느린 냉각은 부드러운 어닐링 상태를 초래하는 반면, 빠른 냉각(퀜칭)은 단단한 상태를 초래합니다.
두 가지 근본적인 목표: 연화 대 경화
올바른 온도와 공정을 선택하려면 먼저 목표를 명확히 해야 합니다. 금속을 더 쉽게 가공하려고 합니까, 아니면 강하고 내구성 있는 최종 제품을 만들려고 합니까?
어닐링: 목표는 연화 및 응력 완화
어닐링은 금속을 가능한 한 부드럽고 연성으로 만듭니다. 이는 일반적으로 재료를 기계 가공, 스탬핑 또는 성형과 같은 후속 작업에 대비시키거나 이전 작업 중에 발생한 내부 응력을 완화하기 위해 수행됩니다.
이 공정은 강철을 특정 온도로 가열하고, 내부 구조가 변형될 만큼 충분히 오랫동안 유지한 다음, 매우 천천히 냉각시키는 것을 포함하며, 종종 용광로 안에서 식히도록 둡니다.
1045와 같은 일반 탄소강의 경우, 완전 어닐링은 느린 냉각 사이클이 시작되기 전에 약 830°C (1525°F)로 가열해야 합니다.
경화: 목표는 강도 증가
퀜칭이라고도 하는 경화는 강철을 훨씬 더 단단하고 강하게 만들지만, 더 부서지기 쉽게 만듭니다. 이는 도구, 칼, 기어와 같이 높은 내마모성을 요구하는 최종 부품에 사용됩니다.
이 공정은 강철을 어닐링과 비슷한 온도로 가열하여 내부 구조를 변형(오스테나이징)시킨 다음, 물, 기름 또는 소금물과 같은 매체에 담가 급속 냉각시키는 것을 포함합니다.
동일한 1045 탄소강의 경우, 경화 온도 범위는 815-860°C (1500-1575°F)이며, 즉시 급속 퀜칭이 뒤따릅니다.
냉각 속도가 결정적인 요인인 이유
두 공정 모두 강철을 "임계 온도" 이상으로 가열하는 것으로 시작하며, 이는 내부 결정 구조를 오스테나이트라는 형태로 재배열합니다. 강철의 최종 특성은 이 오스테나이트가 냉각될 때 발생하는 현상에 따라 결정됩니다.
느린 냉각은 부드러움을 만듭니다
천천히 냉각될 때, 결정 구조는 페라이트와 펄라이트와 같은 부드럽고 안정적인 형태로 변형될 시간을 가집니다. 이것이 어닐링의 본질입니다.
빠른 냉각은 경도를 가둡니다
급속 냉각(퀜칭)될 때, 구조는 제대로 변형될 시간이 없습니다. 이는 고도로 변형된, 단단하고 부서지기 쉬운 마르텐사이트라는 상태에 갇히게 됩니다. 이것이 경화의 핵심입니다.
템퍼링의 중요한 역할
경화된 부품은 실용적으로 사용하기에는 너무 부서지기 쉬운 경우가 많습니다. 템퍼링이라는 2차 저온 열처리를 거쳐야 합니다.
템퍼링은 경화된 부품을 150-650°C (300-1200°F) 사이의 온도로 재가열하는 것을 포함합니다. 이 공정은 경도의 약간의 손실과 함께 취성을 줄이고 인성을 증가시킵니다. 특정 템퍼링 온도는 특성의 최종 균형을 결정합니다.
절충점 이해
열처리를 선택하는 것은 항상 상충되는 특성들의 균형을 맞추는 문제입니다. 모든 바람직한 특성을 동시에 극대화하는 것은 불가능합니다.
경도 대 인성
이것이 주요 절충점입니다. 완전히 경화되고 템퍼링되지 않은 강철 조각은 극도로 단단하지만, 충격을 받으면 유리처럼 부서질 것입니다. 템퍼링은 치명적인 실패를 방지하기 위해 필수적인 인성을 얻기 위해 최고 경도의 일부를 희생합니다.
가공성 대 강도
어닐링된 부품은 부드럽고, 비마모성이며, 가공하기 쉽지만, 까다로운 응용 분야에 필요한 강도가 부족합니다. 경화된 부품은 강도가 높지만, 가공하기가 극히 어렵습니다. 이것이 가공이 거의 항상 최종 경화 및 템퍼링 공정 전에 수행되는 이유입니다.
재료 사양의 중요성
여기에 제공된 온도 범위는 일반 탄소강에 대한 일반적인 지침입니다. 모든 공정의 정확한 온도는 특정 합금에 결정적으로 의존합니다. 크롬, 망간, 몰리브덴과 같은 원소는 임계 온도와 필요한 냉각 속도를 변경합니다. 정확한 지침을 위해 항상 재료의 데이터 시트를 참조하십시오.
목표에 맞는 올바른 선택
귀하의 목표가 올바른 공정을 지시합니다.
- 가공, 굽힘 또는 성형을 위해 금속을 준비하는 것이 주된 초점이라면: 최대 연성을 달성하고 내부 응력을 완화하기 위해 느리고 제어된 냉각을 사용하여 완전 어닐링을 수행해야 합니다.
- 강하고 내마모성 있는 최종 부품을 만드는 것이 주된 초점이라면: 경도와 인성의 원하는 균형을 달성하기 위해 경화(가열 및 급속 퀜칭)와 즉시 뒤따르는 템퍼링의 2단계 공정이 필요합니다.
- 강도 증가와 함께 인성 향상을 위해 결정립 구조를 미세화하는 것이 주된 초점이라면: 어닐링과 비슷한 온도로 가열하지만 부품이 정지된 공기 중에서 냉각되도록 하는 노멀라이징을 고려해야 합니다.
올바른 열처리 및 냉각 속도를 선택함으로써 강철의 최종 기계적 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
요약표:
| 공정 | 목표 | 온도 범위 (1045 강철의 경우) | 냉각 속도 |
|---|---|---|---|
| 어닐링 | 연화, 연성 증가 | ~830°C (1525°F) | 매우 느림 (용광로 내) |
| 경화 | 강도, 내마모성 증가 | 815-860°C (1500-1575°F) | 급속 (퀜칭) |
| 템퍼링 | 경화 후 취성 감소 | 150-650°C (300-1200°F) | 공기 냉각 |
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