열처리에 대한 단일 시간과 온도는 없습니다. 올바른 매개변수는 처리되는 특정 재료와 원하는 최종 특성이라는 두 가지 요소에 의해 전적으로 결정됩니다. 예를 들어, 강철을 가공하기 위해 더 부드럽게 만드는 공정은 강하고 내마모성이 있도록 만드는 공정과 근본적으로 다릅니다.
열처리는 단일 레시피가 아니라 제어된 열처리 공정의 한 종류입니다. 특정 시간, 온도 및 냉각 속도는 재료의 내부 미세 구조를 조작하기 위해 정밀하게 선택되어 경도, 인성 또는 연성과 같은 목표 기계적 특성 세트를 달성합니다.
핵심 요소: 재료 및 원하는 결과
올바른 열처리 매개변수를 결정하려면 먼저 재료와 목표를 정의해야 합니다. 이 두 가지 변수가 공정의 모든 후속 단계를 결정합니다.
요소 1: 재료 조성
금속 합금의 화학적 구성은 임계 변형 온도를 결정합니다. 강철의 경우 탄소 함량이 열에 대한 반응에 영향을 미치는 가장 중요한 요소입니다.
고탄소 공구강은 저탄소 구조강과는 다른 임계 온도와 다른 공정을 필요로 합니다. 이러한 결정을 안내하는 변태 다이어그램(TTT 또는 CCT 곡선 등)에 대해서는 항상 재료의 특정 데이터 시트를 참조하십시오.
요소 2: 원하는 기계적 특성
열처리 이면의 "이유"가 가장 중요한 질문입니다. 참고 자료에서 언급했듯이 목표는 광범위하게 다를 수 있으며 각 목표는 다른 공정에 해당합니다.
용접으로 인한 내부 응력 완화, 내마모성을 위한 표면 경도 증가, 성형 작업을 위한 연성 개선 중 무엇을 목표로 하십니까? 이러한 각 결과에는 고유한 열 사이클이 필요합니다.
주요 열처리 공정 및 해당 매개변수
다음은 강철에 대한 가장 일반적인 열처리 공정으로, 다양한 결과를 얻기 위해 시간과 온도가 어떻게 조정되는지 보여줍니다.
어닐링(Annealing): 최대 연성과 응력 완화
어닐링은 재료를 가능한 한 부드럽고 연하게 만드는 데 사용되며 종종 가공성을 향상시키기 위해 사용됩니다.
이 공정은 강철을 상부 임계 온도 바로 위로 가열하고, 부품 전체가 해당 온도에 도달할 때까지 충분히 유지한 후(소둔(soaking)이라고 함), 매우 느리게 냉각하는 것을 포함하며, 종종 냉각되는 동안 노 내부에 그대로 둡니다.
노멀라이징(Normalizing): 균일하고 정제된 구조를 위해
노멀라이징은 단조와 같은 열간 가공 후 더 균일하고 정제된 결정립 구조를 만들기 위해 종종 수행됩니다.
이는 어닐링과 유사한 온도로 강철을 가열하는 것을 포함하지만, 부품은 정지된 공기 중에서 냉각됩니다. 이 더 빠른 냉각 속도는 어닐링된 부품보다 약간 더 단단하고 강한 재료를 생성합니다.
경화(Hardening): 최대 강도 및 내마모성
경화는 강철을 상당히 더 단단하고 더 취성 있게 만드는 데 사용됩니다.
강철은 임계 온도 이상으로 가열된 다음 담금질(quenching)이라는 공정으로 매우 빠르게 냉각됩니다. 담금질 매체(물, 염수, 오일 또는 심지어 공기)는 강철 유형과 완전한 경도를 달성하는 데 필요한 냉각 속도에 따라 선택됩니다.
템퍼링(Tempering): 취성 감소
경화된 부품은 실용적인 사용을 위해 너무 취성인 경우가 많습니다. 템퍼링은 경화 후 수행되는 2차 공정으로, 인성을 일부 회복하기 위한 것입니다.
경화된 부품은 임계점보다 훨씬 낮은 훨씬 낮은 온도로 재가열되고 특정 시간 동안 유지됩니다. 정확한 템퍼링 온도는 경도와 인성의 최종 균형을 결정합니다. 온도가 높을수록 더 부드럽지만 더 강한 부품이 됩니다.
상충 관계 이해
열처리는 타협의 게임입니다. 경도와 같은 한 가지 특성을 개선하면 종종 인성과 같은 다른 특성을 희생하게 됩니다.
경도 대 취성 상충 관계
강철 처리에서 주요 상충 관계는 경도와 인성 사이입니다. 극도의 경도를 생성하는 담금질 공정은 극도의 취성도 생성합니다.
템퍼링은 이 상충 관계를 협상하는 데 사용되는 필수 단계로, 필요한 인성을 얻고 부품이 사용 중에 부서지는 것을 방지하기 위해 경도의 일부를 희생합니다.
부품 크기 및 형상이 미치는 영향
두껍고 무거운 부품은 코어가 완전히 가열되도록 하려면 목표 온도에서 더 긴 "소둔 시간"이 필요합니다. 불충분한 소둔은 불균일한 열처리를 초래합니다.
또한, 급속 담금질은 얇거나 복잡한 부품이 불균일한 열 응력으로 인해 변형되거나 심지어 균열이 생기게 할 수 있습니다.
목표에 맞는 올바른 선택
항상 원하는 결과부터 시작하십시오. 목표가 공정을 결정하고, 이는 다시 시간, 온도 및 냉각 속도를 결정합니다.
- 가공성과 응력 완화에 중점을 두는 경우: 높은 온도에서 매우 느린 냉각으로 정의되는 어닐링이 귀하의 공정입니다.
- 최대 경도 및 내마모성에 중점을 두는 경우: 템퍼링을 따르는 경화(담금질)가 필요한 2단계 시퀀스입니다.
- 성형 후 결정립 구조 정제에 중점을 두는 경우: 노멀라이징은 강도와 연성을 균형 있게 맞추기 위해 공기 냉각을 사용하는 비용 효율적인 선택입니다.
- 경화된 부품의 취성 감소에 중점을 두는 경우: 템퍼링은 이상적인 인성을 달성하기 위해 온도가 정밀하게 선택되는 필수적인 경화 후 단계입니다.
궁극적으로 올바른 시간과 온도를 선택하려면 먼저 만들고자 하는 야금학적 변화를 이해해야 합니다.
요약표:
| 공정 | 목표 | 주요 온도 조치 | 주요 냉각 조치 |
|---|---|---|---|
| 어닐링 | 최대 연성, 응력 완화 | 임계 온도 이상으로 가열 | 매우 느리게 (노 내부에서) |
| 노멀라이징 | 균일하고 정제된 결정립 구조 | 임계 온도 이상으로 가열 | 보통 (정지된 공기 중에서) |
| 경화 | 최대 경도, 내마모성 | 임계 온도 이상으로 가열 | 매우 빠르게 (담금질) |
| 템퍼링 | 경화 후 취성 감소 | 임계 온도보다 훨씬 낮게 가열 | 공기 냉각 |
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