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.
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.
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.
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.
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.
가스질화는 금속표면에 질소를 침투시켜서 표면을 硬化하는 공법으로 단단한 표면을 얻기 위한 별도의 소입(燒入) 공정을 필요로 하지 않으며, 표면경화 열처리법으로서 금속의 A1 변태점인 723℃ 이하의 온도인 500∼550℃에서 NH3 가스는 2NH3←3H2 + 2N과 같은식의 해리에 의하여 발생된 발생기 질소(N)가 銅중의 미소성분인 Al, Cr, Mo, Ti등과 화합하여 Al-N, Cr-N등과 같은 질화물을 만든다.
● 질화온도 이상의 온도에서 사용시 열에 의한 표면의 연화 저항성 등을 얻기 위해서이며, 이 공법에는 체적변화가 수반되는 담금질이 없고 상대적으로 낮은 처리온도가 적용되기 때문에 침탄 또는 기타의 일반적인 경화에 비해 조직변형이 적다. 또한 질화의 결과 약간의 팽창이 일어날 수 있으나 체적의 변
합금 원소로써 사용되는 것은 보통 Al, Cr, V, W, Mo등인데 질화온도에서 안정한 질화물을 형성하기 때문에 Mo은 질화물을 형성할 뿐만 아니라 질화온도에서의 취성을 감소시켜 주는데 기여를 한다. Al은 가장 강력한 질화물형성 원소로(0.8∼1.5% Al)을 함유하고 있는 강이 합금원소 함량만으로 보았을 때는 최상의 질화결과를 나타낼 수 있으나, Cr을 함유하고 있는 강도 Cr함량이 충분히 높으면 대략 이와같은 좋은 결과를 나타낼 수 있다.
합금되지 않은 탄소강은 질화에 적합하지 않은데 왜냐하면 이 강은 박리되기 쉬운 고도로 취약한 질화층을 형성시키며, 확산층 내에서의 경도증가도 작기 때문이다.
함 Al강은 매우 높은 경도의 내마모성이 대단히 좋은 질화층을 생성시키나 이 질화층은 전성이 작으므로 함 Al강을 질화강으로 선택할 때에는 이점에 유의해야하는데 반대로 저합금 Cr강은 상당히 전성이 크나 경도가 낮은 질화층을 만든다. 그러나 이러한 차이가 있다고해도, 이들 질화강은 내마모성과 좋은 긁힘 저항성을 나타낸다.
함 Cr공구강들은 대단히 높은 단위 하중 하에서의 심한 충격에 대한 용도에 잘 적용될 수 있는 높은 심부 강도와 표면경도의 조화를 이룰 수 있다.
이 강의 제한요소는 우선 가격이 비싸다는 점과 가공이 어렵다는 것이다.
● Al은 표면경도 향상에는 유효하지만 경화깊이 증대에는 도리어 역효과를 미친다.
● Cr은 표면경도와 깊이 향상에 모두 기여한다.
● V은 경화깊이 증대에 큰 효과를 나타낸다.
● 경화층 깊이 증대에는 Cr, V을 첨가하는 것이 좋다, 유효경화깊이(HV420)에는 Cr을 1.0% 첨가함으로
모든 경화가능한 강은 질화전에 담금질, 고온뜨임 = 조질(QUENCHING, TEMPERING) 열처리 되어야 하는데, 뜨임(TEMPERING) 열처리온도는 질화온도에서 조직상의 안정이 보장될 수 있을 만큼 충분히 높아야 하는바, 질화전 열처리 최저온도는 통상 질화 최고 온도보다 적어도 30℃는 되어야 한다.
강종에 따라 심부경도가 높아지면 질화층 경도도 높아지고, 낮아지면 따라서 낮아지기도 함으로써 이러한 강종에 있어서 질화층 경도를 최대로 하고자 할 때는 허용 가능한 최저온도로 해야 한다.
진공열처리(VACCUM HEAT TREATMENT)란 금속의 재조 및 가공의 한 공법으로, 열처리 작업을 밀폐된 용기내에서 어느 압력수준까지 공기를 배기시킨 상태에서 수행하는 것이다. 진공열처리는 복잡한 형상이나 막힌 공공부품의 후미진 부분등의 열처리를 행할 때 열처리 효과가 보통의 로에 비해 크다. 피처리물 표면의 산화반응을 방지할 수 있으며, 표면에서 모재의 원소가 이탈되는 것을 방지(탈탄방지) 효과와 열처리도중 피처리물의 이동이 없어서 재료의 변형이 적고 안전조업이 가능하나, 투자비가 고가이고, 엄격한 작업조건이 요구되며, 열처리 싸이클이 길다.
냉간금형강의 대표적인 SKD11은 냉간사용이라고하는 종래의 개념으로부터 180℃∼200℃의 뜨임이 채용되고 있다. 그런데 최근에는 작업속도가 빨라지고, 절삭날 부위의 온도가 꽤나 높아가고 있다. 아마도 그 온도는 200℃이상으로 되었다고 생각된다. 그렇게 되면 모처럼 200℃에서 뜨임하여 얻은 성능(주로 경도)은 무위로 돌아가고, 훨씬 성능이 저하되고 만다. 그래서 SKD11의 뜨임 온도는 200℃만이 아니고, 고온뜨임도 고려해야 한다.
다행히 SKD11은 2차 경화를 나타내는 합금강이므로 고온뜨임이 가능하다.
500℃∼530℃의 뜨임으로서 경도는 200℃ 뜨임보다도 HRC에서 1∼1.5 낮아지는 정도이므로 문제가 없으며, 오히려 내열성이 발휘되므로 더 좋게되는 셈이다.(금형 납품기일에 쫓긴 나머지 뜨임회수 또는 시간부족으로 인한 금형품질저하, 불량발생에 주의해야 한다)
방전가공과 와이어 방전가공시 액중에서 용융가공하기 때문에 가공표면은 용융가공 담금질층, 그 아래는 고온담금질층, 3번째층은 고온뜨임층이 되어 있다. 첫째층과 둘째층을 EDM의 변질층이라고 부른다. 이것은 담금질층이므로 마르텐사이트 백색층이다. 따라서 이층을 뜨임하지 않으면 안된다. 그대로 사용하면 마르텐사이트층이 결손하게 된다.
담금질-뜨임(조질)은 강의 기계적 성질을 향상시키기 위해 유효한 처리이고, 이 담금질 뜨임이 좋고 나쁨에 따라 그 성질은 크게 좌우된다. 또 담금질 뜨임, 즉 조질의 과정은 반드시 뜨임 공정을 거치지 않으면 안된다. 우선, 담금질에 대해 담금질의 이론은 생략하고 작업성의 면에서 고찰한다. 담금질은 완전함을 항상 목표로 하지 않으면 안된다. 이 완전함이란 완전한 담금질 즉, 100%의 마르텐사이트화로의 목표이다. 이 100% 마르텐사이트를 얻기 위한 제1조건은 수많은 요인이었다.
강철이 갖는 C%와 담금질 경도는 비례하고, C%가 많으면 담금질 경도는 높다. 따라서 C%의 양에 따라 100% 마르텐사이트의 담금질된 경도를 알 수 있고, 바꾸어 말하면 담금질 된 경도를 계측해, 그 값에 의해 마르텐사이트화된 양(%)를 구할 수 있다.
물론 100%는 이상치이고 Ms-Mf 구역안에서 Mf가 상온이하인 경우는 담금질한 후 서브제로처리 등의 공정을 더하지 않으면, 100% 달성할 수 없는 일도 있을 수 있다.
마르텐사이트 변태는 온도 의존성이 있는 것도 인식해 둘 필요가 있다. 열처리를 하고 있는 사람은 항상 담금질 작업에 있어서 완전 담금질을 목표로 한 작업을 하지 않으면 안된다. 그를 위해서는 개개의 조건을 확실하고 뚜렷하게 한 후에 비로소 소정의 담금질이 가능한 셈이지만, 뒤에 설명할 뜨임에 의해 조정하는 일이 없도록 과정으로서의 작업관리에 노력하지 않으면 안된다.
철강에 소요의 성질을 부여하기 위하여 행하는 가열과 냉각을 조합하여 철강의 강도를 여러 가지 요구 성질에 맞도록 하는 조작
燒 鈍
Annealing
풀 림
철강을 적당한 온도로 가열하고 그 온도에서 유지한 후 서냉하는 조작.
그 목적은 내부응력의 제거, 경도저하, 피삭성의 향상, 냉간가공성의 개선 결정립의 조정, 소요의 기계적, 물리적 또는 기타의 성질을 얻는 것이다.
燒 準
Normalizing
불 림
철강의 前 加工의 영향을 제거하고 결정립을 미세화하여 기계적성질을 개선하기 위하여 AC3점 또는 A㎝점 이상의 적당한 온도로 가열한 후 통상은 공기줄에서 냉각하는 조작
燒 入
Quenching
담금질
「오스테나이트(Austenite)」化 온도에서 급냉하여 경화하는 조작 또는 급속하게 냉각하는 조작을 말할 때도 있다.
燒 戾
Tempering
뜨 임
燒入하여 생긴 조직을 변태 또는 석출을 진행시켜 안정한 조직에 가깝게 하고 소요의 성질 및 상태를 부여하기 위하여 AC1점 이하의 적당한 온도로 가열 냉각하는 조작 燒俊뒤에 이용하는 일도 있다.
「오스테나이트」
Austenite
γ철의 고용체에 붙여진 조직상의 명칭으로 고온에서 안정한 조직이며 탄소강에서는 가장 소입효과를 얻었을 때 나타나는 조직이다. 보통 탄소강에서는 여하히 소입하여도 이 조직을 얻을수 없다. 그러나 특수강에서는 그렇게 급냉시키지 않아도 이 조직을 얻을 수 없다. 그러나 특수강에서는 그렇게 급냉시키지 않아도 이 조직을 얻을 수 있다. 가열하면 용이하게 Martensite로 된다.
「마르텐사이트」
Martensite
Austenite를 급냉한 경우에 Ms점 이하의 온도에서 변태하여 생긴 침상조직 원래의 Austenite와 동일한 화학조성을 가진 체심 정방정 또는 체심 입방정의 고용체 Martensite는 Austenite의 소성변형에 의하여 생긴 것도 있다.
「베이나이트」
Bainite
Austenite의 냉각변태 생성물의 하나로 Pearlite 생성온도와 Martensite생성온도(Ms점)와의 중간의 온도 범위에서 생긴 것. 현미경적으로는 Pearlite 생성온도 가까이에서 생긴 것은 羽毛狀, Martensite 생성온도 가까이서 생긴 것은 針狀을 나타내는 일이 많다. 전자를 上部 Bainite, 후자를 下部 Bainite라 한다.
「트루스타이트」
Troostite
Martensite을 燒戾 했을 때 생긴 조직으로 광학현미경으로 식별할 수 없을 만큼 미세한 Ferrite와 탄화물로 되어 있다. 극히 부식되기 쉬운 조직이다.
「소르바이트」
Sorbite
Martensite을 약간 고온도로 燒戾하여 탄화물이 粒狀으로 석출 성장한 Ferrite와 탄화물의 혼합조직, 이 경우의 탄화물은 약 400배의 광학현미경으로 알아볼 수 있다.
「퍼얼라이트」
Pearlite
Austenite 조직이 냉각될 때 An변태를 일으켜서 생긴 Ferrite와 Cementite의 층상조직 냉각속도의 大·小에 의하여 중간거리가 달라진다. 광학 현미경으로 식별하기 곤란할 정도로 밀접한 경우를 미세 Pearlite(Fine Pearlite)라 한다.
강재의 열처리를 외주할 때에는 열처리된 부품에도 여러 가지 문제점이 나타나는 수가 있다. 이것을 피하기 위해서는 발주하는 측에서 다음과 같은 유의를 하는 일이 중요하다.
즉, (1)강재의 확인 (2)사용기능 (3)지금까지 사용해 온 경도 (4)사용온도 (5)열처리에 의해 기대하는 성질 등을 잘 인식하여 주문하여야만 한다.
1) 강재는 지정한 것인가?
사용재료가 틀리지 않은 재료인가를 화학성분표로서 확인하고, 할 수 있으면 불꽃시험으로 이것을 검증하는 것이 좋겠다. 틀리는 원소가 혼재되어 생기는 트러블이 의외로 많기 때문이다. 특히, 규격품의 강재라면 규격 보증 마크가 붙어 있는가, 그 강종 기호가 붙어 있는가를 확인해야 한다. 그리고 절삭가공중 재료가 섞이는 경우가 많아 불량발생이 많다. 열처리를 주문하는 측에서도, 또 청부 맡은 측에서도 대단히 중요한 포인트이다.
2) 사용목적은 어떤 것인가?
무엇에 사용할 것인가, 어떤 기능을 하는 것인가를 명시하는 것이 좋다. 인장 강도를 요하는 것에 사용할 것인가, 충격을 받는 곳에 사용할 것인가, 마모 부분에 사용할 것인가를 명시하여 두면, 열처리하는 측에서는 적절한 열처리방법을 판단하여 선택할 수가 있는 것이다.
3) 종래의 사용경도는 얼마인가?
종래 사용한 성적이 좋았던 경도를 지시하는 일은 적정한 열처리 방법을 결정하는 데에 유효한 자료가 된다. 또 그 경도를 필요로 하는 부위를 결정하는 일도 중요하다. 표면이라든가, 표면에서 몇 ㎜가 되는 곳인가 등이다. 만일 표면을 절삭할 수 없다면, 표면의 경도로부터 내부층의 경도를 추정해야만 하는데, 경도와 그 위치는 열처리에 있어 대단히 중요한 기준이 된다.
4) 사용온도는 몇 도인가?
부품의 사용온도는 열처리, 특히 템펴링온도를 결정함에 대단히 중요한 지표가 된다. 예를들면, 소정의 경도로부터 템퍼링온도가 정해져도 이 온도가 사용온도보다도 낮았다면 아무 소용이 없으며, 역으로 사용온도가 마이너스라 하면 서브제로(Subzero) 처리를 할 필요가 생겨난다. 사용온도가 확실치 않으면, 사용을 끝낸 부품의 표면경도를 측정하여 이 경도가 얻어지는 템퍼링 온도로부터 처리되어야 할 온도가 대체로 구해진다. 중요한 것은 사용환경에 맞추어 열처리 해야만 한다는 것이다. 템퍼링 온도의 고저, 내한성은 서브제로 온도의 여부에 따라 정하여 진다. 템퍼링 온도가 높을수록 내열성이 좋은 것이 되고, 서브제로 온도가 낮을수록 우수한 것이 된다. 템퍼링 온도가 높을수록 내열성이 좋은 것이 되고, 서브제로 온도가 낮을수록 우수한 것이 된다. 강도 인간과 같이 환경에 순응한 열처리가 필요한 것이다.
5) 열처리에 의해 어떤 성질을 기대하는가?
마모에 강하게하기 위해서는 경도가 높아야만 하는데, ?칭한 그대로 방치해 두면, 어느 정도 경하여도 마모에 약하다. 저온 템퍼링하여 잔류응력을 제거할 필요가 있다. 또 잔류오스테나이트가 있으면, 시효 변형되기도 하고, 연마균열을 일으키기도 한다. 따라서 잔류오스테나이트의 거동을 고려하지 않으면 안된다. 잔류오스테나이트와 동시에 잔류응력의 장점이나 단점도 잊어서는 안된다. 그 이외에 템퍼링 취성은 사용상 성질의 변화를 알아서 열처리를 발주하여야만 한다.
6) 금기사항은?
열처리를 주문할 때 이것은 규격품 강재이므로 규격표대로 열처리할 것을 주문하는 사례가 많은데, 이것은 정말로 넌센스이다. 왜냐하면, 규격표대에 기재된 열처리는 규격표의 표준시편(JIS 경우 Ø18㎜에 한한 것이기 때문에 규정대로의 열처리를 시행할 때에는 부품을 그 규격으로 해야만 하기 때문이다.
이것은 질량효과 때문이다. 물론 규정된 표준시편이라고 하면 규정표대로 열처리를 해야만 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
가스질화는 금속표면에 질소를 침투시켜서 표면을 硬化하는 공법으로 단단한 표면을 얻기 위한 별도의 소입(燒入) 공정을 필요로 하지 않으며, 표면경화 열처리법으로서 금속의 A1 변태점인 723℃ 이하의 온도인 500∼550℃에서 NH3 가스는 2NH3←3H2 + 2N과 같은식의 해리에 의하여 발생된 발생기 질소(N)가 銅중의 미소성분인 Al, Cr, Mo, Ti등과 화합하여 Al-N, Cr-N등과 같은 질화물을 만든다.
● 질화온도 이상의 온도에서 사용시 열에 의한 표면의 연화 저항성 등을 얻기 위해서이며, 이 공법에는 체적변화가 수반되는 담금질이 없고 상대적으로 낮은 처리온도가 적용되기 때문에 침탄 또는 기타의 일반적인 경화에 비해 조직변형이 적다. 또한 질화의 결과 약간의 팽창이 일어날 수 있으나 체적의 변
합금 원소로써 사용되는 것은 보통 Al, Cr, V, W, Mo등인데 질화온도에서 안정한 질화물을 형성하기 때문에 Mo은 질화물을 형성할 뿐만 아니라 질화온도에서의 취성을 감소시켜 주는데 기여를 한다. Al은 가장 강력한 질화물형성 원소로(0.8∼1.5% Al)을 함유하고 있는 강이 합금원소 함량만으로 보았을 때는 최상의 질화결과를 나타낼 수 있으나, Cr을 함유하고 있는 강도 Cr함량이 충분히 높으면 대략 이와같은 좋은 결과를 나타낼 수 있다.
합금되지 않은 탄소강은 질화에 적합하지 않은데 왜냐하면 이 강은 박리되기 쉬운 고도로 취약한 질화층을 형성시키며, 확산층 내에서의 경도증가도 작기 때문이다.
함 Al강은 매우 높은 경도의 내마모성이 대단히 좋은 질화층을 생성시키나 이 질화층은 전성이 작으므로 함 Al강을 질화강으로 선택할 때에는 이점에 유의해야하는데 반대로 저합금 Cr강은 상당히 전성이 크나 경도가 낮은 질화층을 만든다. 그러나 이러한 차이가 있다고해도, 이들 질화강은 내마모성과 좋은 긁힘 저항성을 나타낸다.
함 Cr공구강들은 대단히 높은 단위 하중 하에서의 심한 충격에 대한 용도에 잘 적용될 수 있는 높은 심부 강도와 표면경도의 조화를 이룰 수 있다.
이 강의 제한요소는 우선 가격이 비싸다는 점과 가공이 어렵다는 것이다.
● Al은 표면경도 향상에는 유효하지만 경화깊이 증대에는 도리어 역효과를 미친다.
● Cr은 표면경도와 깊이 향상에 모두 기여한다.
● V은 경화깊이 증대에 큰 효과를 나타낸다.
● 경화층 깊이 증대에는 Cr, V을 첨가하는 것이 좋다, 유효경화깊이(HV420)에는 Cr을 1.0% 첨가함으로
모든 경화가능한 강은 질화전에 담금질, 고온뜨임 = 조질(QUENCHING, TEMPERING) 열처리 되어야 하는데, 뜨임(TEMPERING) 열처리온도는 질화온도에서 조직상의 안정이 보장될 수 있을 만큼 충분히 높아야 하는바, 질화전 열처리 최저온도는 통상 질화 최고 온도보다 적어도 30℃는 되어야 한다.
강종에 따라 심부경도가 높아지면 질화층 경도도 높아지고, 낮아지면 따라서 낮아지기도 함으로써 이러한 강종에 있어서 질화층 경도를 최대로 하고자 할 때는 허용 가능한 최저온도로 해야 한다.
진공열처리(VACCUM HEAT TREATMENT)란 금속의 재조 및 가공의 한 공법으로, 열처리 작업을 밀폐된 용기내에서 어느 압력수준까지 공기를 배기시킨 상태에서 수행하는 것이다. 진공열처리는 복잡한 형상이나 막힌 공공부품의 후미진 부분등의 열처리를 행할 때 열처리 효과가 보통의 로에 비해 크다. 피처리물 표면의 산화반응을 방지할 수 있으며, 표면에서 모재의 원소가 이탈되는 것을 방지(탈탄방지) 효과와 열처리도중 피처리물의 이동이 없어서 재료의 변형이 적고 안전조업이 가능하나, 투자비가 고가이고, 엄격한 작업조건이 요구되며, 열처리 싸이클이 길다.
냉간금형강의 대표적인 SKD11은 냉간사용이라고하는 종래의 개념으로부터 180℃∼200℃의 뜨임이 채용되고 있다. 그런데 최근에는 작업속도가 빨라지고, 절삭날 부위의 온도가 꽤나 높아가고 있다. 아마도 그 온도는 200℃이상으로 되었다고 생각된다. 그렇게 되면 모처럼 200℃에서 뜨임하여 얻은 성능(주로 경도)은 무위로 돌아가고, 훨씬 성능이 저하되고 만다. 그래서 SKD11의 뜨임 온도는 200℃만이 아니고, 고온뜨임도 고려해야 한다.
다행히 SKD11은 2차 경화를 나타내는 합금강이므로 고온뜨임이 가능하다.
500℃∼530℃의 뜨임으로서 경도는 200℃ 뜨임보다도 HRC에서 1∼1.5 낮아지는 정도이므로 문제가 없으며, 오히려 내열성이 발휘되므로 더 좋게되는 셈이다.(금형 납품기일에 쫓긴 나머지 뜨임회수 또는 시간부족으로 인한 금형품질저하, 불량발생에 주의해야 한다)
방전가공과 와이어 방전가공시 액중에서 용융가공하기 때문에 가공표면은 용융가공 담금질층, 그 아래는 고온담금질층, 3번째층은 고온뜨임층이 되어 있다. 첫째층과 둘째층을 EDM의 변질층이라고 부른다. 이것은 담금질층이므로 마르텐사이트 백색층이다. 따라서 이층을 뜨임하지 않으면 안된다. 그대로 사용하면 마르텐사이트층이 결손하게 된다.
담금질-뜨임(조질)은 강의 기계적 성질을 향상시키기 위해 유효한 처리이고, 이 담금질 뜨임이 좋고 나쁨에 따라 그 성질은 크게 좌우된다. 또 담금질 뜨임, 즉 조질의 과정은 반드시 뜨임 공정을 거치지 않으면 안된다. 우선, 담금질에 대해 담금질의 이론은 생략하고 작업성의 면에서 고찰한다. 담금질은 완전함을 항상 목표로 하지 않으면 안된다. 이 완전함이란 완전한 담금질 즉, 100%의 마르텐사이트화로의 목표이다. 이 100% 마르텐사이트를 얻기 위한 제1조건은 수많은 요인이었다.
강철이 갖는 C%와 담금질 경도는 비례하고, C%가 많으면 담금질 경도는 높다. 따라서 C%의 양에 따라 100% 마르텐사이트의 담금질된 경도를 알 수 있고, 바꾸어 말하면 담금질 된 경도를 계측해, 그 값에 의해 마르텐사이트화된 양(%)를 구할 수 있다.
물론 100%는 이상치이고 Ms-Mf 구역안에서 Mf가 상온이하인 경우는 담금질한 후 서브제로처리 등의 공정을 더하지 않으면, 100% 달성할 수 없는 일도 있을 수 있다.
마르텐사이트 변태는 온도 의존성이 있는 것도 인식해 둘 필요가 있다. 열처리를 하고 있는 사람은 항상 담금질 작업에 있어서 완전 담금질을 목표로 한 작업을 하지 않으면 안된다. 그를 위해서는 개개의 조건을 확실하고 뚜렷하게 한 후에 비로소 소정의 담금질이 가능한 셈이지만, 뒤에 설명할 뜨임에 의해 조정하는 일이 없도록 과정으로서의 작업관리에 노력하지 않으면 안된다.
철강에 소요의 성질을 부여하기 위하여 행하는 가열과 냉각을 조합하여 철강의 강도를 여러 가지 요구 성질에 맞도록 하는 조작
燒 鈍
Annealing
풀 림
철강을 적당한 온도로 가열하고 그 온도에서 유지한 후 서냉하는 조작.
그 목적은 내부응력의 제거, 경도저하, 피삭성의 향상, 냉간가공성의 개선 결정립의 조정, 소요의 기계적, 물리적 또는 기타의 성질을 얻는 것이다.
燒 準
Normalizing
불 림
철강의 前 加工의 영향을 제거하고 결정립을 미세화하여 기계적성질을 개선하기 위하여 AC3점 또는 A㎝점 이상의 적당한 온도로 가열한 후 통상은 공기줄에서 냉각하는 조작
燒 入
Quenching
담금질
「오스테나이트(Austenite)」化 온도에서 급냉하여 경화하는 조작 또는 급속하게 냉각하는 조작을 말할 때도 있다.
燒 戾
Tempering
뜨 임
燒入하여 생긴 조직을 변태 또는 석출을 진행시켜 안정한 조직에 가깝게 하고 소요의 성질 및 상태를 부여하기 위하여 AC1점 이하의 적당한 온도로 가열 냉각하는 조작 燒俊뒤에 이용하는 일도 있다.
「오스테나이트」
Austenite
γ철의 고용체에 붙여진 조직상의 명칭으로 고온에서 안정한 조직이며 탄소강에서는 가장 소입효과를 얻었을 때 나타나는 조직이다. 보통 탄소강에서는 여하히 소입하여도 이 조직을 얻을수 없다. 그러나 특수강에서는 그렇게 급냉시키지 않아도 이 조직을 얻을 수 없다. 그러나 특수강에서는 그렇게 급냉시키지 않아도 이 조직을 얻을 수 있다. 가열하면 용이하게 Martensite로 된다.
「마르텐사이트」
Martensite
Austenite를 급냉한 경우에 Ms점 이하의 온도에서 변태하여 생긴 침상조직 원래의 Austenite와 동일한 화학조성을 가진 체심 정방정 또는 체심 입방정의 고용체 Martensite는 Austenite의 소성변형에 의하여 생긴 것도 있다.
「베이나이트」
Bainite
Austenite의 냉각변태 생성물의 하나로 Pearlite 생성온도와 Martensite생성온도(Ms점)와의 중간의 온도 범위에서 생긴 것. 현미경적으로는 Pearlite 생성온도 가까이에서 생긴 것은 羽毛狀, Martensite 생성온도 가까이서 생긴 것은 針狀을 나타내는 일이 많다. 전자를 上部 Bainite, 후자를 下部 Bainite라 한다.
「트루스타이트」
Troostite
Martensite을 燒戾 했을 때 생긴 조직으로 광학현미경으로 식별할 수 없을 만큼 미세한 Ferrite와 탄화물로 되어 있다. 극히 부식되기 쉬운 조직이다.
「소르바이트」
Sorbite
Martensite을 약간 고온도로 燒戾하여 탄화물이 粒狀으로 석출 성장한 Ferrite와 탄화물의 혼합조직, 이 경우의 탄화물은 약 400배의 광학현미경으로 알아볼 수 있다.
「퍼얼라이트」
Pearlite
Austenite 조직이 냉각될 때 An변태를 일으켜서 생긴 Ferrite와 Cementite의 층상조직 냉각속도의 大·小에 의하여 중간거리가 달라진다. 광학 현미경으로 식별하기 곤란할 정도로 밀접한 경우를 미세 Pearlite(Fine Pearlite)라 한다.
강재의 열처리를 외주할 때에는 열처리된 부품에도 여러 가지 문제점이 나타나는 수가 있다. 이것을 피하기 위해서는 발주하는 측에서 다음과 같은 유의를 하는 일이 중요하다.
즉, (1)강재의 확인 (2)사용기능 (3)지금까지 사용해 온 경도 (4)사용온도 (5)열처리에 의해 기대하는 성질 등을 잘 인식하여 주문하여야만 한다.
1) 강재는 지정한 것인가?
사용재료가 틀리지 않은 재료인가를 화학성분표로서 확인하고, 할 수 있으면 불꽃시험으로 이것을 검증하는 것이 좋겠다. 틀리는 원소가 혼재되어 생기는 트러블이 의외로 많기 때문이다. 특히, 규격품의 강재라면 규격 보증 마크가 붙어 있는가, 그 강종 기호가 붙어 있는가를 확인해야 한다. 그리고 절삭가공중 재료가 섞이는 경우가 많아 불량발생이 많다. 열처리를 주문하는 측에서도, 또 청부 맡은 측에서도 대단히 중요한 포인트이다.
2) 사용목적은 어떤 것인가?
무엇에 사용할 것인가, 어떤 기능을 하는 것인가를 명시하는 것이 좋다. 인장 강도를 요하는 것에 사용할 것인가, 충격을 받는 곳에 사용할 것인가, 마모 부분에 사용할 것인가를 명시하여 두면, 열처리하는 측에서는 적절한 열처리방법을 판단하여 선택할 수가 있는 것이다.
3) 종래의 사용경도는 얼마인가?
종래 사용한 성적이 좋았던 경도를 지시하는 일은 적정한 열처리 방법을 결정하는 데에 유효한 자료가 된다. 또 그 경도를 필요로 하는 부위를 결정하는 일도 중요하다. 표면이라든가, 표면에서 몇 ㎜가 되는 곳인가 등이다. 만일 표면을 절삭할 수 없다면, 표면의 경도로부터 내부층의 경도를 추정해야만 하는데, 경도와 그 위치는 열처리에 있어 대단히 중요한 기준이 된다.
4) 사용온도는 몇 도인가?
부품의 사용온도는 열처리, 특히 템펴링온도를 결정함에 대단히 중요한 지표가 된다. 예를들면, 소정의 경도로부터 템퍼링온도가 정해져도 이 온도가 사용온도보다도 낮았다면 아무 소용이 없으며, 역으로 사용온도가 마이너스라 하면 서브제로(Subzero) 처리를 할 필요가 생겨난다. 사용온도가 확실치 않으면, 사용을 끝낸 부품의 표면경도를 측정하여 이 경도가 얻어지는 템퍼링 온도로부터 처리되어야 할 온도가 대체로 구해진다. 중요한 것은 사용환경에 맞추어 열처리 해야만 한다는 것이다. 템퍼링 온도의 고저, 내한성은 서브제로 온도의 여부에 따라 정하여 진다. 템퍼링 온도가 높을수록 내열성이 좋은 것이 되고, 서브제로 온도가 낮을수록 우수한 것이 된다. 템퍼링 온도가 높을수록 내열성이 좋은 것이 되고, 서브제로 온도가 낮을수록 우수한 것이 된다. 강도 인간과 같이 환경에 순응한 열처리가 필요한 것이다.
5) 열처리에 의해 어떤 성질을 기대하는가?
마모에 강하게하기 위해서는 경도가 높아야만 하는데, ?칭한 그대로 방치해 두면, 어느 정도 경하여도 마모에 약하다. 저온 템퍼링하여 잔류응력을 제거할 필요가 있다. 또 잔류오스테나이트가 있으면, 시효 변형되기도 하고, 연마균열을 일으키기도 한다. 따라서 잔류오스테나이트의 거동을 고려하지 않으면 안된다. 잔류오스테나이트와 동시에 잔류응력의 장점이나 단점도 잊어서는 안된다. 그 이외에 템퍼링 취성은 사용상 성질의 변화를 알아서 열처리를 발주하여야만 한다.
6) 금기사항은?
열처리를 주문할 때 이것은 규격품 강재이므로 규격표대로 열처리할 것을 주문하는 사례가 많은데, 이것은 정말로 넌센스이다. 왜냐하면, 규격표대에 기재된 열처리는 규격표의 표준시편(JIS 경우 Ø18㎜에 한한 것이기 때문에 규정대로의 열처리를 시행할 때에는 부품을 그 규격으로 해야만 하기 때문이다.
이것은 질량효과 때문이다. 물론 규정된 표준시편이라고 하면 규정표대로 열처리를 해야만 한다.
첫댓글 좋은 정보 감사드립니다
감사합니다