열처리 10
제8장 기타 열처리
기타 열처리 방법으로 특수한 용도에 사용되는 공구의 표면경화처리, 담금질한 강의 경도를 증대시키고 시효변형을 방지하기 위하여 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 처리하는 심냉처리, 소성가공과 열처리를 결합시킨 가공 열처리, 유황을 확산시켜 윤활성과 피로강도를 향상시켜 내마모성을 얻는 설퍼라이징(Sulfurizing)이 있고 거기에 이번 장에는 금속의 열처리 결함 까지 소개해 보겠습니다.
1. 공구의 표면경화처리
(1) 개요
공구의 표면에 미끄럼 마찰을 감소시키고 물리·화학적 방법으로 변화시켜 내마모성을 증가시키기 위해 공구의 표면을 경화처리 하는 경우가 있으며 특수한 용도에 사용되는 공구에 유용함.
(2) 공구의 표면경화처리 방법
1) 침탄 질화법
(가) 방법
침탄제인 시안화나트륨(NaCH), 시안화칼륨(KCH) 등과 침탄 촉진제를 용해한 염욕 중에 공구의 표면에 침지시켜 질화층을 얻음.
(나) 용도
경절삭용 공구인 브로치, 탭에 적용.
2) 산화처리
산화 피막을 공구의 표면에 형성시켜 연마한 표면보다 더욱 양호한 함유성을 갖게 하여 마찰계수를 작게 함.
단, 경도의 변화는 없음.
3) 피닝
정밀한 강구로서 공구의 표면을 반복적인 충격을 주어 표면경도의 증가와 내마모성을 부여 함.
4) 액체 호닝
연삭제 입자와 가공액을 공구의 표면에 고속분사시켜 표면을 다듬질하여 좋은 유막을 형성하도록 함.
5) 래핑 및 슈퍼 피니싱
일반적으로 공구는 연삭을 하나 특수한 경우 래핑 또는 슈퍼 피니싱을 통해 정밀하게 완성된 공구는 절삭성능을 향상시킬 수 있음.
6) 크로마이징
공구의 재료 표면에 크롬을 침투 확산시키는 것으로 전해 부착물인 크롬으로 인해 공구는 내열성, 내식성, 내마모성이 향상됨.
2. 심냉처리 및 초심냉처리(Sbuzero Treatment)
(1) 개요
담금질 시 탄소량이 많고 냉각속도가 느리면 잔류 오스테나이트의 양이 많아지며 담금질 경도의 저하, 치수 불안정, 연마 균열 등의 문제점이 생기므로 담금질한 강의 경도를 증대시키고 시효변형을 방지하기 위하여 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마텐자이트로 만드는 처리를 심냉처리라 함.
(2) 심냉처리 목적
강을 강인하게 만듦.
공구강의 경도 증대, 성능 향상을 꾀할 수 있음.
게이지류 등 정밀기계 부품의 조직을 안정화시킴.
시효에 의한 형상 변형 및 치수 변화를 방지하여 침탄층의 경화 목적을 달성.
스테인리스강의 기계적 성질을 향상시킴.
(3) 처리방법
일반적으로 담금질 후 곧바로 심냉처리를 하며 균열 방지를 위해 급냉을 피함.
제품 크기가 크거나 두께가 두껍고 불균일한 것은 심냉 전에 100℃의 물속에서 1시간 정도 뜨임하여 균열을 방지함.
표면의 탈탄층이 남았을 때 탈탄층을 제거해야 하며 심냉온도에서 충분히 유지 후 상온으로 되돌려야 균열이 방지 됨.
심냉처리 시 유지시간은 보통 25mm 당 30분 정도이며 온도는 일반적으로 영하 85~70℃(Ms점)에서 실시함.
심냉처리 온도로부터 상온으로 되돌리는 데에는 공기 중에 방치하는 자연해동 방법도 있지만 작업성이나 잔류응력 해소를 위해 수중에 투입하여 급속 해동시키는 것이 좋음.
(4) 냉매
1) 드라이아이스
단열제가 내장된 스테인리스강 통 속에 드라이아이스와 에테르를 넣어 -78℃로 유지하여 제품을 침적함.
2)액체질소
-196℃에서 처리가 가능하므로 초심냉처리라고 하며 액체질소의 공급방법에 따라 액체법과 액체질소를 분사시켜 사용하는 가스법이 있음.
| 냉각제 | 온도(℃) | 냉각제 | 온도(℃) |
|---|---|---|---|
| 소금(24,8%) +얼음(72.5%) | -21.3 | 액체산소 | -183 |
| 에테르+드라이아이스 | -78 | 액체질소 | -196 |
| 암모니아 | 0~-50 | 액체헬륨 | -268.8 |
(5) 초심냉처리
1) 정의
일반적인 심냉처리 온도인 -80℃ 전후보다 더욱 낮은 온도인 약 -196℃에서 심냉처리한 것으로 여러 번 뜨임해야 하는 내마모성용 부품을 1차 뜨임으로 끝낼 수 있으며 초심냉처리를 통해 현저한 내마모성의 향상을 꾀할 수 있음.
2) 장점
잔류 오스테나이트를 거의 전부 마텐자이트로 변태시킴.
내마모성의 현저한 향상과 치수 안정성을 가짐.
조직이 미세하고 미세 탄화물이 석출됨.
3) 적용 예
공구용 고속도강.
금형 부품(SKD11)
베어링강 및 스테인리스강.
침탄 부품 및 소결합금.
3. 가공 열처리
(1) 개요
소성가공과 열처리를 결합시킨 처리방법으로서 열처리를 통해 얻을 수 없는 조직과 기계적 성질을 가짐.
일반적인 열간가공은 비교적 오스테나이트 영역에서 행하여지지만 최근 강의 강도와 인성을 향상시키기 위해 저온의 오스테나이트 영역에서 또는 변태 중, 변태 완료 후 가공을 행하여 바람직한 미세조직을 얻은 것을 가공열처리라고 하고 특히 고장력 저합금강의 제어압연에 널리 사용되고 있음.
온도-시간-외력(가공)에 의한 열처리로서 3차원 열처리라고 함.
(2) 종류
1) 안정한 오스테나이트 영역에서의 가공 열처리
열간단조나 열간압연 후 즉시 담금질을 하여 경화능을 향상시켜서 강도와 인성의 개선을 꾀함.
2) 오스포밍
대표적 가공 열처리 방법으로서 준안정 오스테나이트를 500℃ 부근에서 가공한 후 급냉하여 마텐자이트로 변태시키며 연성과 인성을 그다지 해치지 않고 강도를 향상시키나 탄소량이 적은 강은 효과가 적음.
오스포밍은 자동차 스프링에 처음 사용된 후 고장력강, 고력강선, 내열강 등에 이용되고 있음.
3) 마텐자이트 변태 중의 가공
오스테나이트계 스테인리스강이나 고망간강에서는 Ms점 이상의 온도에서 가공할 때 마텐자이트를 형성시키지 않고 변형되어 현저히 강화됨.
4) 페라이트, 펄라이트 변태 중의 가공(Isofroming, 아이소포밍)
경화능이 그다지 크지 않은 저합금강을 변태점 영역에서 가공하는 조작이며 미세한 페라이트 결정립과 구상탄화물이 분산 석출된 조직으로서 강도와 인성이 향상됨.(제어압연의 강화법)
5) 펄라이트의 가공에 의한 강화
(가) 파넨팅(Patenting)
피아노선 등을 냉간가공 시 전처리로서 오스테나이트화 처리 후 500℃ 정도에서 항온변태시키며 열욕담금질법에 의해 소르바이트 조직이 얻어져 연성이 커지므로 냉간가공성이 향상됨.
(나) 블루잉(Bluing)
피아노선을 스프링으로 사용하기 위해 냉간가공 후 350℃ 정도로 저온으로 가열함.
국부적 변형 제거, 시효경화 현상에 의한 탄성한계 상승, 피로특성 개선 등의 효과가 있음.
6) 제어냉각에 의한 강화(제어압연)
(가) 저탄소 고장력강
열간압연과 냉각과정을 정밀하게 제어하면 압연상태에서도 높은 강도와 인성을 얻을 수 있음.
(나) 강인화 기구
압연 전 슬랩(Slab)의 가열온도를 가능한 한 낮춤 → 압연 전의 오스테나이트 결정립의 미세화.
저온의 오스테나이트 영역에서 가공하여 재결정 오스테나이트를 미세화시킴 → NbTi 합금원소를 미량 첨가하여 재결정 성장을 억제.
A₃ 변태점 이하의 2상 영역까지 가공을 계속하면 가장 우수한 인성을 얻음 → 미변태 오스테나이트 결정립은 더 연신되고 페라이트는 아결정립 형성.
제어압연 종료 후 적당한 속도로 가속 냉각(수냉)하거나 급냉 도중 공냉하는 등의 제어 냉각함 → 대폭적인 강도 향상.
4. 설퍼라이징(Sulfurizing)
(1) 개요
담금질, 뜨임을 한 금형 등의 표면에 유황을 확산시켜 윤활성과 피로강도를 향상시키고 내마모성을 얻는 처리법임.
중성 및 환원성의 염욕 중에 유화염을 첨가한 분위기 중에서 생성된 유황을 철강 재료의 표면에서 내부로 확산시킴.
담금질 및 뜨임을 병행하여 처리하는 경우가 많은데 이는 열처리 노 속을 설퍼라이징 처리 분위기로 만들기 때문임.
(2) 처리방법
1) 노 속 분위기 조성
(가) 중성염
BaCl₂, NaCl, CaCl₂
(나) 환원성염
시안화나트륨(NaCN)
(다) 유화염
황화나트륨(Na₂S, Na₂SO₄)
2) 염욕조건
혼합염의 용융온도는 설퍼라이징 온도보다 낮아야 함.
침유성 염의 점성이 낮을수록 좋음.
3) 처리온도
일반 철제품은 600℃ 이하.
고속도강은 550~570℃(뜨임 온도 부근).
특수공구강은 150℃.
3) 특징
표면 조도가 좋아짐.
마찰계수가 적고 내마모성을 향상시킴.
질소도 함께 확산되어 질화효과도 있음.
5. 금속의 열처리 결함
(1) 개요
열처리는 소재를 가열·냉각하면서 필요한 성질을 부여하는 작업이므로 소재 상태, 가열온도, 시간, 노 속의 분위기, 냉각제, 냉각속도 등의 영향에 의해 많은 결함의 요인을 안고 있고 이러한 요인을 사전에 파악하여 결함에 대한 대책을 강구해야 함.
(2) 금속의 열처리 결함 종류 및 대책
| 결함 | 원인 | 대첵 |
|---|---|---|
| 변형 | 가열 시 소재 지지 불량 | 프레스 담금질을 하거나 지지 장치 보완 |
| 잔류응력의 과대 | 담금질 전 풀림 실시 | |
| “ | Ms점 이하에서 서냉 | |
| “ | 되도록 낮은 담금질 온도 선정 및 2단 담금질 실시 | |
| 탈탄 | 산화성 분위기에서 가열 | 진공, 불활성 가스, 환원성 가스, 중성염의 분위기 조성 |
| “ | 염욕, 금속욕, 주철분을 이용 | |
| 과열 | 가열온도가 높고 지속시간이 긺 | 적정 온도 및 적정 시간 유지 |
| “ | 풀림 처리로 조직을 미세화시킴 | |
| 산화 | 가열온도가 높고 장시간 가열 | 표면 피막 제거(산 세척, 샌드블라스팅) |
| “ | 노 속 분위기를 환원식, 중성으로 조성 | |
| 경도 부족 | 표면 탈탄 | Ar′점 임계 구역에서 급냉 |
| 담금질 온도가 낮을 때 Ar″점에서 서냉 시 | 산화, 탈탄 방지 | |
| “ | 적정 온도 및 적정 시간 유지 |
오늘로서 금형 재료와 열처리에 대한 포스트 마칩니다.
2022년 01월 27일
열처리 10
제8장 기타 열처리
기타 열처리 방법으로 특수한 용도에 사용되는 공구의 표면경화처리, 담금질한 강의 경도를 증대시키고 시효변형을 방지하기 위하여 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 처리하는 심냉처리, 소성가공과 열처리를 결합시킨 가공 열처리, 유황을 확산시켜 윤활성과 피로강도를 향상시켜 내마모성을 얻는 설퍼라이징(Sulfurizing)이 있고 거기에 이번 장에는 금속의 열처리 결함 까지 소개해 보겠습니다.
1. 공구의 표면경화처리
(1) 개요
공구의 표면에 미끄럼 마찰을 감소시키고 물리·화학적 방법으로 변화시켜 내마모성을 증가시키기 위해 공구의 표면을 경화처리 하는 경우가 있으며 특수한 용도에 사용되는 공구에 유용함.
(2) 공구의 표면경화처리 방법
1) 침탄 질화법
(가) 방법
침탄제인 시안화나트륨(NaCH), 시안화칼륨(KCH) 등과 침탄 촉진제를 용해한 염욕 중에 공구의 표면에 침지시켜 질화층을 얻음.
(나) 용도
경절삭용 공구인 브로치, 탭에 적용.
2) 산화처리
산화 피막을 공구의 표면에 형성시켜 연마한 표면보다 더욱 양호한 함유성을 갖게 하여 마찰계수를 작게 함.
단, 경도의 변화는 없음.
3) 피닝
정밀한 강구로서 공구의 표면을 반복적인 충격을 주어 표면경도의 증가와 내마모성을 부여 함.
4) 액체 호닝
연삭제 입자와 가공액을 공구의 표면에 고속분사시켜 표면을 다듬질하여 좋은 유막을 형성하도록 함.
5) 래핑 및 슈퍼 피니싱
일반적으로 공구는 연삭을 하나 특수한 경우 래핑 또는 슈퍼 피니싱을 통해 정밀하게 완성된 공구는 절삭성능을 향상시킬 수 있음.
6) 크로마이징
공구의 재료 표면에 크롬을 침투 확산시키는 것으로 전해 부착물인 크롬으로 인해 공구는 내열성, 내식성, 내마모성이 향상됨.
2. 심냉처리 및 초심냉처리(Sbuzero Treatment)
(1) 개요
담금질 시 탄소량이 많고 냉각속도가 느리면 잔류 오스테나이트의 양이 많아지며 담금질 경도의 저하, 치수 불안정, 연마 균열 등의 문제점이 생기므로 담금질한 강의 경도를 증대시키고 시효변형을 방지하기 위하여 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마텐자이트로 만드는 처리를 심냉처리라 함.
(2) 심냉처리 목적
강을 강인하게 만듦.
공구강의 경도 증대, 성능 향상을 꾀할 수 있음.
게이지류 등 정밀기계 부품의 조직을 안정화시킴.
시효에 의한 형상 변형 및 치수 변화를 방지하여 침탄층의 경화 목적을 달성.
스테인리스강의 기계적 성질을 향상시킴.
(3) 처리방법
일반적으로 담금질 후 곧바로 심냉처리를 하며 균열 방지를 위해 급냉을 피함.
제품 크기가 크거나 두께가 두껍고 불균일한 것은 심냉 전에 100℃의 물속에서 1시간 정도 뜨임하여 균열을 방지함.
표면의 탈탄층이 남았을 때 탈탄층을 제거해야 하며 심냉온도에서 충분히 유지 후 상온으로 되돌려야 균열이 방지 됨.
심냉처리 시 유지시간은 보통 25mm 당 30분 정도이며 온도는 일반적으로 영하 85~70℃(Ms점)에서 실시함.
심냉처리 온도로부터 상온으로 되돌리는 데에는 공기 중에 방치하는 자연해동 방법도 있지만 작업성이나 잔류응력 해소를 위해 수중에 투입하여 급속 해동시키는 것이 좋음.
(4) 냉매
1) 드라이아이스
단열제가 내장된 스테인리스강 통 속에 드라이아이스와 에테르를 넣어 -78℃로 유지하여 제품을 침적함.
2)액체질소
-196℃에서 처리가 가능하므로 초심냉처리라고 하며 액체질소의 공급방법에 따라 액체법과 액체질소를 분사시켜 사용하는 가스법이 있음.
| 냉각제 | 온도(℃) | 냉각제 | 온도(℃) |
|---|---|---|---|
| 소금(24,8%) +얼음(72.5%) | -21.3 | 액체산소 | -183 |
| 에테르+드라이아이스 | -78 | 액체질소 | -196 |
| 암모니아 | 0~-50 | 액체헬륨 | -268.8 |
(5) 초심냉처리
1) 정의
일반적인 심냉처리 온도인 -80℃ 전후보다 더욱 낮은 온도인 약 -196℃에서 심냉처리한 것으로 여러 번 뜨임해야 하는 내마모성용 부품을 1차 뜨임으로 끝낼 수 있으며 초심냉처리를 통해 현저한 내마모성의 향상을 꾀할 수 있음.
2) 장점
잔류 오스테나이트를 거의 전부 마텐자이트로 변태시킴.
내마모성의 현저한 향상과 치수 안정성을 가짐.
조직이 미세하고 미세 탄화물이 석출됨.
3) 적용 예
공구용 고속도강.
금형 부품(SKD11)
베어링강 및 스테인리스강.
침탄 부품 및 소결합금.
3. 가공 열처리
(1) 개요
소성가공과 열처리를 결합시킨 처리방법으로서 열처리를 통해 얻을 수 없는 조직과 기계적 성질을 가짐.
일반적인 열간가공은 비교적 오스테나이트 영역에서 행하여지지만 최근 강의 강도와 인성을 향상시키기 위해 저온의 오스테나이트 영역에서 또는 변태 중, 변태 완료 후 가공을 행하여 바람직한 미세조직을 얻은 것을 가공열처리라고 하고 특히 고장력 저합금강의 제어압연에 널리 사용되고 있음.
온도-시간-외력(가공)에 의한 열처리로서 3차원 열처리라고 함.
(2) 종류
1) 안정한 오스테나이트 영역에서의 가공 열처리
열간단조나 열간압연 후 즉시 담금질을 하여 경화능을 향상시켜서 강도와 인성의 개선을 꾀함.
2) 오스포밍
대표적 가공 열처리 방법으로서 준안정 오스테나이트를 500℃ 부근에서 가공한 후 급냉하여 마텐자이트로 변태시키며 연성과 인성을 그다지 해치지 않고 강도를 향상시키나 탄소량이 적은 강은 효과가 적음.
오스포밍은 자동차 스프링에 처음 사용된 후 고장력강, 고력강선, 내열강 등에 이용되고 있음.
3) 마텐자이트 변태 중의 가공
오스테나이트계 스테인리스강이나 고망간강에서는 Ms점 이상의 온도에서 가공할 때 마텐자이트를 형성시키지 않고 변형되어 현저히 강화됨.
4) 페라이트, 펄라이트 변태 중의 가공(Isofroming, 아이소포밍)
경화능이 그다지 크지 않은 저합금강을 변태점 영역에서 가공하는 조작이며 미세한 페라이트 결정립과 구상탄화물이 분산 석출된 조직으로서 강도와 인성이 향상됨.(제어압연의 강화법)
5) 펄라이트의 가공에 의한 강화
(가) 파넨팅(Patenting)
피아노선 등을 냉간가공 시 전처리로서 오스테나이트화 처리 후 500℃ 정도에서 항온변태시키며 열욕담금질법에 의해 소르바이트 조직이 얻어져 연성이 커지므로 냉간가공성이 향상됨.
(나) 블루잉(Bluing)
피아노선을 스프링으로 사용하기 위해 냉간가공 후 350℃ 정도로 저온으로 가열함.
국부적 변형 제거, 시효경화 현상에 의한 탄성한계 상승, 피로특성 개선 등의 효과가 있음.
6) 제어냉각에 의한 강화(제어압연)
(가) 저탄소 고장력강
열간압연과 냉각과정을 정밀하게 제어하면 압연상태에서도 높은 강도와 인성을 얻을 수 있음.
(나) 강인화 기구
압연 전 슬랩(Slab)의 가열온도를 가능한 한 낮춤 → 압연 전의 오스테나이트 결정립의 미세화.
저온의 오스테나이트 영역에서 가공하여 재결정 오스테나이트를 미세화시킴 → NbTi 합금원소를 미량 첨가하여 재결정 성장을 억제.
A₃ 변태점 이하의 2상 영역까지 가공을 계속하면 가장 우수한 인성을 얻음 → 미변태 오스테나이트 결정립은 더 연신되고 페라이트는 아결정립 형성.
제어압연 종료 후 적당한 속도로 가속 냉각(수냉)하거나 급냉 도중 공냉하는 등의 제어 냉각함 → 대폭적인 강도 향상.
4. 설퍼라이징(Sulfurizing)
(1) 개요
담금질, 뜨임을 한 금형 등의 표면에 유황을 확산시켜 윤활성과 피로강도를 향상시키고 내마모성을 얻는 처리법임.
중성 및 환원성의 염욕 중에 유화염을 첨가한 분위기 중에서 생성된 유황을 철강 재료의 표면에서 내부로 확산시킴.
담금질 및 뜨임을 병행하여 처리하는 경우가 많은데 이는 열처리 노 속을 설퍼라이징 처리 분위기로 만들기 때문임.
(2) 처리방법
1) 노 속 분위기 조성
(가) 중성염
BaCl₂, NaCl, CaCl₂
(나) 환원성염
시안화나트륨(NaCN)
(다) 유화염
황화나트륨(Na₂S, Na₂SO₄)
2) 염욕조건
혼합염의 용융온도는 설퍼라이징 온도보다 낮아야 함.
침유성 염의 점성이 낮을수록 좋음.
3) 처리온도
일반 철제품은 600℃ 이하.
고속도강은 550~570℃(뜨임 온도 부근).
특수공구강은 150℃.
3) 특징
표면 조도가 좋아짐.
마찰계수가 적고 내마모성을 향상시킴.
질소도 함께 확산되어 질화효과도 있음.
5. 금속의 열처리 결함
(1) 개요
열처리는 소재를 가열·냉각하면서 필요한 성질을 부여하는 작업이므로 소재 상태, 가열온도, 시간, 노 속의 분위기, 냉각제, 냉각속도 등의 영향에 의해 많은 결함의 요인을 안고 있고 이러한 요인을 사전에 파악하여 결함에 대한 대책을 강구해야 함.
(2) 금속의 열처리 결함 종류 및 대책
| 결함 | 원인 | 대첵 |
|---|---|---|
| 변형 | 가열 시 소재 지지 불량 | 프레스 담금질을 하거나 지지 장치 보완 |
| 잔류응력의 과대 | 담금질 전 풀림 실시 | |
| “ | Ms점 이하에서 서냉 | |
| “ | 되도록 낮은 담금질 온도 선정 및 2단 담금질 실시 | |
| 탈탄 | 산화성 분위기에서 가열 | 진공, 불활성 가스, 환원성 가스, 중성염의 분위기 조성 |
| “ | 염욕, 금속욕, 주철분을 이용 | |
| 과열 | 가열온도가 높고 지속시간이 긺 | 적정 온도 및 적정 시간 유지 |
| “ | 풀림 처리로 조직을 미세화시킴 | |
| 산화 | 가열온도가 높고 장시간 가열 | 표면 피막 제거(산 세척, 샌드블라스팅) |
| “ | 노 속 분위기를 환원식, 중성으로 조성 | |
| 경도 부족 | 표면 탈탄 | Ar′점 임계 구역에서 급냉 |
| 담금질 온도가 낮을 때 Ar″점에서 서냉 시 | 산화, 탈탄 방지 | |
| “ | 적정 온도 및 적정 시간 유지 |
오늘로서 금형 재료와 열처리에 대한 포스트 마칩니다.
2022년 01월 27일
열처리 10
제8장 기타 열처리
기타 열처리 방법으로 특수한 용도에 사용되는 공구의 표면경화처리, 담금질한 강의 경도를 증대시키고 시효변형을 방지하기 위하여 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 처리하는 심냉처리, 소성가공과 열처리를 결합시킨 가공 열처리, 유황을 확산시켜 윤활성과 피로강도를 향상시켜 내마모성을 얻는 설퍼라이징(Sulfurizing)이 있고 거기에 이번 장에는 금속의 열처리 결함 까지 소개해 보겠습니다.
1. 공구의 표면경화처리
(1) 개요
공구의 표면에 미끄럼 마찰을 감소시키고 물리·화학적 방법으로 변화시켜 내마모성을 증가시키기 위해 공구의 표면을 경화처리 하는 경우가 있으며 특수한 용도에 사용되는 공구에 유용함.
(2) 공구의 표면경화처리 방법
1) 침탄 질화법
(가) 방법
침탄제인 시안화나트륨(NaCH), 시안화칼륨(KCH) 등과 침탄 촉진제를 용해한 염욕 중에 공구의 표면에 침지시켜 질화층을 얻음.
(나) 용도
경절삭용 공구인 브로치, 탭에 적용.
2) 산화처리
산화 피막을 공구의 표면에 형성시켜 연마한 표면보다 더욱 양호한 함유성을 갖게 하여 마찰계수를 작게 함.
단, 경도의 변화는 없음.
3) 피닝
정밀한 강구로서 공구의 표면을 반복적인 충격을 주어 표면경도의 증가와 내마모성을 부여 함.
4) 액체 호닝
연삭제 입자와 가공액을 공구의 표면에 고속분사시켜 표면을 다듬질하여 좋은 유막을 형성하도록 함.
5) 래핑 및 슈퍼 피니싱
일반적으로 공구는 연삭을 하나 특수한 경우 래핑 또는 슈퍼 피니싱을 통해 정밀하게 완성된 공구는 절삭성능을 향상시킬 수 있음.
6) 크로마이징
공구의 재료 표면에 크롬을 침투 확산시키는 것으로 전해 부착물인 크롬으로 인해 공구는 내열성, 내식성, 내마모성이 향상됨.
2. 심냉처리 및 초심냉처리(Sbuzero Treatment)
(1) 개요
담금질 시 탄소량이 많고 냉각속도가 느리면 잔류 오스테나이트의 양이 많아지며 담금질 경도의 저하, 치수 불안정, 연마 균열 등의 문제점이 생기므로 담금질한 강의 경도를 증대시키고 시효변형을 방지하기 위하여 0℃ 이하의 온도로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마텐자이트로 만드는 처리를 심냉처리라 함.
(2) 심냉처리 목적
강을 강인하게 만듦.
공구강의 경도 증대, 성능 향상을 꾀할 수 있음.
게이지류 등 정밀기계 부품의 조직을 안정화시킴.
시효에 의한 형상 변형 및 치수 변화를 방지하여 침탄층의 경화 목적을 달성.
스테인리스강의 기계적 성질을 향상시킴.
(3) 처리방법
일반적으로 담금질 후 곧바로 심냉처리를 하며 균열 방지를 위해 급냉을 피함.
제품 크기가 크거나 두께가 두껍고 불균일한 것은 심냉 전에 100℃의 물속에서 1시간 정도 뜨임하여 균열을 방지함.
표면의 탈탄층이 남았을 때 탈탄층을 제거해야 하며 심냉온도에서 충분히 유지 후 상온으로 되돌려야 균열이 방지 됨.
심냉처리 시 유지시간은 보통 25mm 당 30분 정도이며 온도는 일반적으로 영하 85~70℃(Ms점)에서 실시함.
심냉처리 온도로부터 상온으로 되돌리는 데에는 공기 중에 방치하는 자연해동 방법도 있지만 작업성이나 잔류응력 해소를 위해 수중에 투입하여 급속 해동시키는 것이 좋음.
(4) 냉매
1) 드라이아이스
단열제가 내장된 스테인리스강 통 속에 드라이아이스와 에테르를 넣어 -78℃로 유지하여 제품을 침적함.
2)액체질소
-196℃에서 처리가 가능하므로 초심냉처리라고 하며 액체질소의 공급방법에 따라 액체법과 액체질소를 분사시켜 사용하는 가스법이 있음.
| 냉각제 | 온도(℃) | 냉각제 | 온도(℃) |
|---|---|---|---|
| 소금(24,8%) +얼음(72.5%) | -21.3 | 액체산소 | -183 |
| 에테르+드라이아이스 | -78 | 액체질소 | -196 |
| 암모니아 | 0~-50 | 액체헬륨 | -268.8 |
(5) 초심냉처리
1) 정의
일반적인 심냉처리 온도인 -80℃ 전후보다 더욱 낮은 온도인 약 -196℃에서 심냉처리한 것으로 여러 번 뜨임해야 하는 내마모성용 부품을 1차 뜨임으로 끝낼 수 있으며 초심냉처리를 통해 현저한 내마모성의 향상을 꾀할 수 있음.
2) 장점
잔류 오스테나이트를 거의 전부 마텐자이트로 변태시킴.
내마모성의 현저한 향상과 치수 안정성을 가짐.
조직이 미세하고 미세 탄화물이 석출됨.
3) 적용 예
공구용 고속도강.
금형 부품(SKD11)
베어링강 및 스테인리스강.
침탄 부품 및 소결합금.
3. 가공 열처리
(1) 개요
소성가공과 열처리를 결합시킨 처리방법으로서 열처리를 통해 얻을 수 없는 조직과 기계적 성질을 가짐.
일반적인 열간가공은 비교적 오스테나이트 영역에서 행하여지지만 최근 강의 강도와 인성을 향상시키기 위해 저온의 오스테나이트 영역에서 또는 변태 중, 변태 완료 후 가공을 행하여 바람직한 미세조직을 얻은 것을 가공열처리라고 하고 특히 고장력 저합금강의 제어압연에 널리 사용되고 있음.
온도-시간-외력(가공)에 의한 열처리로서 3차원 열처리라고 함.
(2) 종류
1) 안정한 오스테나이트 영역에서의 가공 열처리
열간단조나 열간압연 후 즉시 담금질을 하여 경화능을 향상시켜서 강도와 인성의 개선을 꾀함.
2) 오스포밍
대표적 가공 열처리 방법으로서 준안정 오스테나이트를 500℃ 부근에서 가공한 후 급냉하여 마텐자이트로 변태시키며 연성과 인성을 그다지 해치지 않고 강도를 향상시키나 탄소량이 적은 강은 효과가 적음.
오스포밍은 자동차 스프링에 처음 사용된 후 고장력강, 고력강선, 내열강 등에 이용되고 있음.
3) 마텐자이트 변태 중의 가공
오스테나이트계 스테인리스강이나 고망간강에서는 Ms점 이상의 온도에서 가공할 때 마텐자이트를 형성시키지 않고 변형되어 현저히 강화됨.
4) 페라이트, 펄라이트 변태 중의 가공(Isofroming, 아이소포밍)
경화능이 그다지 크지 않은 저합금강을 변태점 영역에서 가공하는 조작이며 미세한 페라이트 결정립과 구상탄화물이 분산 석출된 조직으로서 강도와 인성이 향상됨.(제어압연의 강화법)
5) 펄라이트의 가공에 의한 강화
(가) 파넨팅(Patenting)
피아노선 등을 냉간가공 시 전처리로서 오스테나이트화 처리 후 500℃ 정도에서 항온변태시키며 열욕담금질법에 의해 소르바이트 조직이 얻어져 연성이 커지므로 냉간가공성이 향상됨.
(나) 블루잉(Bluing)
피아노선을 스프링으로 사용하기 위해 냉간가공 후 350℃ 정도로 저온으로 가열함.
국부적 변형 제거, 시효경화 현상에 의한 탄성한계 상승, 피로특성 개선 등의 효과가 있음.
6) 제어냉각에 의한 강화(제어압연)
(가) 저탄소 고장력강
열간압연과 냉각과정을 정밀하게 제어하면 압연상태에서도 높은 강도와 인성을 얻을 수 있음.
(나) 강인화 기구
압연 전 슬랩(Slab)의 가열온도를 가능한 한 낮춤 → 압연 전의 오스테나이트 결정립의 미세화.
저온의 오스테나이트 영역에서 가공하여 재결정 오스테나이트를 미세화시킴 → NbTi 합금원소를 미량 첨가하여 재결정 성장을 억제.
A₃ 변태점 이하의 2상 영역까지 가공을 계속하면 가장 우수한 인성을 얻음 → 미변태 오스테나이트 결정립은 더 연신되고 페라이트는 아결정립 형성.
제어압연 종료 후 적당한 속도로 가속 냉각(수냉)하거나 급냉 도중 공냉하는 등의 제어 냉각함 → 대폭적인 강도 향상.
4. 설퍼라이징(Sulfurizing)
(1) 개요
담금질, 뜨임을 한 금형 등의 표면에 유황을 확산시켜 윤활성과 피로강도를 향상시키고 내마모성을 얻는 처리법임.
중성 및 환원성의 염욕 중에 유화염을 첨가한 분위기 중에서 생성된 유황을 철강 재료의 표면에서 내부로 확산시킴.
담금질 및 뜨임을 병행하여 처리하는 경우가 많은데 이는 열처리 노 속을 설퍼라이징 처리 분위기로 만들기 때문임.
(2) 처리방법
1) 노 속 분위기 조성
(가) 중성염
BaCl₂, NaCl, CaCl₂
(나) 환원성염
시안화나트륨(NaCN)
(다) 유화염
황화나트륨(Na₂S, Na₂SO₄)
2) 염욕조건
혼합염의 용융온도는 설퍼라이징 온도보다 낮아야 함.
침유성 염의 점성이 낮을수록 좋음.
3) 처리온도
일반 철제품은 600℃ 이하.
고속도강은 550~570℃(뜨임 온도 부근).
특수공구강은 150℃.
3) 특징
표면 조도가 좋아짐.
마찰계수가 적고 내마모성을 향상시킴.
질소도 함께 확산되어 질화효과도 있음.
5. 금속의 열처리 결함
(1) 개요
열처리는 소재를 가열·냉각하면서 필요한 성질을 부여하는 작업이므로 소재 상태, 가열온도, 시간, 노 속의 분위기, 냉각제, 냉각속도 등의 영향에 의해 많은 결함의 요인을 안고 있고 이러한 요인을 사전에 파악하여 결함에 대한 대책을 강구해야 함.
(2) 금속의 열처리 결함 종류 및 대책
| 결함 | 원인 | 대첵 |
|---|---|---|
| 변형 | 가열 시 소재 지지 불량 | 프레스 담금질을 하거나 지지 장치 보완 |
| 잔류응력의 과대 | 담금질 전 풀림 실시 | |
| “ | Ms점 이하에서 서냉 | |
| “ | 되도록 낮은 담금질 온도 선정 및 2단 담금질 실시 | |
| 탈탄 | 산화성 분위기에서 가열 | 진공, 불활성 가스, 환원성 가스, 중성염의 분위기 조성 |
| “ | 염욕, 금속욕, 주철분을 이용 | |
| 과열 | 가열온도가 높고 지속시간이 긺 | 적정 온도 및 적정 시간 유지 |
| “ | 풀림 처리로 조직을 미세화시킴 | |
| 산화 | 가열온도가 높고 장시간 가열 | 표면 피막 제거(산 세척, 샌드블라스팅) |
| “ | 노 속 분위기를 환원식, 중성으로 조성 | |
| 경도 부족 | 표면 탈탄 | Ar′점 임계 구역에서 급냉 |
| 담금질 온도가 낮을 때 Ar″점에서 서냉 시 | 산화, 탈탄 방지 | |
| “ | 적정 온도 및 적정 시간 유지 |
오늘로서 금형 재료와 열처리에 대한 포스트 마칩니다.
2022년 01월 27일