[하이플럭스 기술자료] 금속 열처리 종류와 방법

[하이플럭스 기술자료] 금속 열처리 종류와 방법

마찰부분이 많고 가혹한 환경에서 사용되는 기계요소는 내마멸성과 강인성이 요구된다.

(표면경화 -> 표면-높은 경도, 내부-높인 강인, 내충격성)

1) 담금질(Quenching) :

담금질은 재료의 경도와 강도를 높이기 위한 작업으로써 재료를 높은 온도로 가열하여(오스테나이트화 온도) 일정시간 유지한후에 물이나 기름(공기중)중에 급냉하여 경도를 높이는 작업이다.

- 경도가 높은 조직

마르텐사이트 : 열처리 후 가장 높은 경도

트루스타이트

소르바이트

오스테나이트

2) 뜨임(Tempering) :

담금질한 강철을 알맞은 온도로 다시 가열하였다가 공기 속에서 식혀서 조직을 무르게 하고 안정시켜 내부의 응력을 없애주는 일

담금질로 인해 굉장히 경도가 높아져 있어 인성을 향상시키기 위해 뜨임을 통해 인성을 부여한다.

변태점(723℃)이하의 낮은 온도로 가열한 후 냉각시키는 열처리로 조직 및 기계적 성질을 안정화하고 잔류응력을 경감, 제거하여 탄성 한도와 항복 강도를 향상시킨다. 경도는 낮아지지만 인성이 좋아진다.

a. 보통뜨임 : 가장 대표적인 뜨임으로 강철에 주로 실시하며 인성과 연성을 향상 시키며 외부 크랙의 발생을 억제해 준다.

b. 반복뜨임 : 고합금강, 고속도강 주로 실시. 보통뜨임을 반복해서 실시하는 것을 말함

c. 점성뜨임 : 저온뜨임 일종으로 100~200℃에서 수냉하며, 경도 감소없이 점성과 내마모성을 향상시킨다.

d. 스프링뜨임 : 스프링 같이 강인한 탄성을 주기 위해 400~500℃에서 수냉하며, 조질이라고 부르기도 한다.

e. 경뜨임 : 고속뜨임이라고도 하며 500~600℃에서 뜨임하면 담금질한 것보다 더욱 경화되어 절삭성과 내마모성이 향상된다.

f. 프레스템퍼 : 뜨임시 가열과 동시에 압력을 주어 체적 증가를 방지하는 뜨임으로써 일반적으로 잘 사용하지 않는다.

3) 불림(Normalizing, 소준) :

강을 오스테나이트 구역까지 가열후 공냉(강제 송풍냉각)하여 표준상태로 만들기 위한 열처리 조작을 말한다.

목적은 주조 조직을 미세화 시키고 냉간가공에 의한 내부응력을 제거하며 결정조직과 가공성을 높이고 기계적, 물리적 성질 개선하고 구상화 풀림을 하기 위한 전처리이다.

불림에는 보통 불림, 2단 불림, 항온 부림 3가지 있다.

일반적으로는 가공후 담금질처리시 변형을 줄이기위한 작업으로 행해지고 있다.

4) 풀림(Annealing, 소둔) :

재료를 일정한 온도로 가열 후 노내에서 냉각하여 내부조직을 고르게 하고 ,응력을 제거하는 열처리이다.

가공을 쉽게 하기 위한 풀림(연화풀림), 응력을 제거하기 위한 풀림(응력제거풀림), 완전풀림 등이 있다.

5) 표면 강화 열처리 :

재료의 표면만을 단단하게 만드는 열처리이다.

- 침탄(표면의 탄소 농도를 높인후에 담금질하여 경도를 높이는 방법)

- 고주파, 화염경화(재료의 표면만을 급가열하여 담금질하여 경도를 높이는 방법)

- 질화처리(재료의 표면에 질소를 침투시켜 재료를 경하게 만드는 방법)

- 코팅 및 도금 (재료와는 다른 재료를 표면에 코팅하여 재료를 경하게 만드는 방법)등이 있다. (아래에 세부 소개)

a. 침탄 질화열처리 (Cyanding)

처 리 로 : Batch Type 분위기 열처리로, Pit Type 분위기 열처리로

특    성 : 침탄질화는 가공성이 좋은 연강, 저탄소강(~02.%C) 또는 압연 강판재를 가공한 후 그 표면층에 탄소 및 질소를 확산 침투시키고, 그후에는 담금질하여 표면을 경화시키는 처리 법이다.

강의 내부는 유연한 조직이 그대로 있기 때문에 인성이 높고, 표면층은 높은 내마모성을 유지할 수 있으며 처리온도가 낮아 담금질 왜곡이 적다.

적용재질 : 냉간압연강판 : SPCC, SPCD, SPHE

열간압연강판 : SPHC, SPHD, SPHE

저탄소강 : S10C, S15C, S20C

쾌삭장재 : SUM

b. 침탄열처리

처 리 로 : 침탄로라인, 피트로라인

특    성 : 침탄은 가공성이 좋은 저합금강을 기계가공한 후 그 표면층에 탄소를 침투 확산시켜 고탄소강으로 하고, 그후에 담금질하여 표면을 경화시키는 처리법이다.

강의 내부는 유연한 조직이 그대로 있기 때문에 인성이 높고, 표면층은 내마모성을 유지할 수 있다.

종    류 : 고체침탄, 액체침탄, 기체침탄, 진공침탄, 플라즈마침탄

적용재질 : Ni-Cr-Mo강 : SNCM220, 415, 420 439, 630

         Cr-Mo강 : SCM415, 631, 815

         Ni-Cr강 : SNC415, 631,815

         Cr강 : SCr415, 420, 430

         Mn&Mn-Cr강재 : SNn420, SMnC420

         기타 탄소강재

c. 연질화, 순질화

처 리 로 : Base Gas 연질화로

특    성 : Fe는 분자상의를 흡수하기는 어려우나 고온에서 GAS와 접하면 쉽게 N과 화합한다. [-> N + 3H] 질화처리는 낮은 온도에서 진행되므로 변형이 최소화되며 화합물층은 높은 내마모성과 내식성을 갖는다.

질화의 종류는 GAS질화, 액체질화, TUFFTRIDING 등이 있다.

적용재질 : 탄소강 : 저탄소강, S45C, S50C, S55C

합금강 : SCM435, SCM440, SCr435, SCr440

주물류 : FC, FCD

냉간압연강팬재 : SPCC, SPCD

질화강재 : SACM645

d. 유도경화 열처리(고주파, 중주파)

처 리 로 : 고주파 및 중주파 열처리로

특    성 : 고주파 담금질은 가열원으로 피담금질물체내에 소위 SKIN EFFECT로서 유도된 고주파전류의 주율열을 주체로 한 담금질법이다. 다른 표면경화법과 다른점은 자체 경화능이 있는 강재를 사용하여 급속히 표면만을 가열하여 담금질하므로서, 내부는 거의 소재상태로 유지되어 변형이 최소화 되며 필요한 부분만 선택적으로 열처리하므로서 원하는 기계적성질을 얻는 열처리이다.

 

* 유도자의 종류

 

적용재질 : 탄소강 : S45C, S50C, S55C, SUJ2

합금강 : SCM435, SCM440, SCr435, SCr440

주물류 : FC, FCD

스테인레스강 : SUS420, SUS420J2, SUS410, SUS430

e. Quenching & Tempering 열처리

처 리 로 : Batch Type 분위기로 열처리로, Pit Type 분위기 열처리로, 연속 Type 분위기 열처리로

특    성 : 강을 담금질 경화하는 경우에는 적량의 C를 함유하는 강이 사용되며, 고온도로 가열한 강을 적정한 속도로 냉각시켜 A1변태를 저지하고 MARTENSITE조직을 얻는 것을 말한다. Quenching된 조직은 매우 강하나 Brittle한 조직이므로, 적당한 온도로 Tempering하여 인성이 풍부한 조직을 얻는다.

적용재질 : 탄소강 : S45C, S50C, S55C

합금강 : SCM435, SCM440, SNCM439, SCr440

공구강재 : SK3, SK5, SKS3, SKS5

쾌삭강재 : SUM41, SUM42, SUM43

스프링강재 : SUP3, SUP6, SUP9

베어링강재 : SUJ1, SUJ2, SUJ3, SUJ4, SUJ5

주물류 : FC, FCD

f. 소둔, 소준 (Annealing, Normalizing)

처 리 로 : 연속 Type 소준, 소둔로 ,Batch Type 열처리로, Pit Type 열처리로, 진공로

특    성 : 모든 강재를 다양한 목적을 얻기 위하여 적정한 온도로 가열한 후 적정한 속도로 냉가하는 열처리 방법이다. 소둔에서는 주로 응력제거 및 연화목적으로 처리하며, 응력제거소둔, 연화소둔, 완전소둔, 구상화소둔, 등온소둔, 확산소둔 및 자성소둔 등이 있다. 소준에는 주로 금속조직을 개선시켜 기계적성질을 향상 시키는데 목적이 있으며, 보통소준, 2단소준, 등온소준, 이중소준 등이 있다.

적용재질 : 모든강재, 주물류

g. 진공 Quenching &Tempering

처 리 로 : 진공로

특    성 : 합금 강재, 고속도공구강재, MARTENSITE계 Stainless강을 진공상태에서 복사 혹은 대류가열하고 적정한 냉각속도로 냉각하여 높은 경도의 MARTENSITE 조직을 얻는 열처리이다. 진공상태에서의 가열이므로 표면에 침탄, 탈탄이 없으며, 가압냉각 방식이며 냉각속도 제어도 가능핟.

적용재질 : 합금공구강재 : SKD11종류, SKD61종류

고속도공구강재 : SKH51, SKH55

Stainless steel : MARTENSITE계열(SUS410, SUS416, SUS420J2, SUS440)

h. 용체화 열처리

처 리 로 : 진공로

특    성ㅇ : 특수강재나 석출경화계 Stainless steel의 경우에 적용하는 열처리로 고용화온도깢 llrkdufgk rm 온도에서 충분히 성분금속을 고용한 후 급냉하여 과포화고용체를 djemss 방법이다. AUSTENITE게 SUS의 경우는 1000℃이상 가열하여 ANNEALING을 행하여 급냉하므로서 고용체를 상온까지 그대로 지속되게 하는 열처리이다.

적용재질 : 특수강재 : INCONEL, HASTELLOY

SUS강재 : 석출경화형 (SUS630, SUS631)

SUS강재 : AUSTENITE계열 (SUS304, SUS301S, SUS316)

i. 시효경화 열처리(Aging), 석출경화 열처리(Precipitate Hardening)

처 리 로 : 저온용 진공로

특    성 : 과포화고용체를 일정한 온도로 가열, 유지하여 강도를 높여주는 상(PHASE)이 석출하게 하여 합금의 경도를 높이는 열처리방법이다. 특히 베릴륨동중 고강도계통 2원계에서 주로 나타난다.

적용재질 : BE-CU재 : C17200, 17000, C17510, C17300

Stainless steel : 석출경화혈 (SUS630, SUS631)

Stainless steel : AUSTENITE계열 (SUS304, SUS310S, SUS316, SUS301, SUS302)

j. 화염 경화법(Flame hardening) : 희망하는 표면만을 토오치로 국부 가열한 후 급냉시켜 경화시키는 방법

중심부 : 04~0.5%C 탄소강 -> 담금질 -> 뜨임(Tempering)

표면부 :  -> 산소-아세틸렌 화염 가열(표면층 오스테나이트) -> 표면 급냉(표면층 강화)

강의 탄소 함유량 0.4~0.7% 적당하며, 탄소함유량 많은 강종은 담금질 균열이 일어나기 수비기 때문에 좋지 않음.

고합금강도 적합하지 않으나, Cr-Mo강, ni-Cr-Mo강 및 Mn이 많이 함유된 강은 적합 함.

* 화염 담금질의 특징

-노에 장입할 수 없는 대형부품의 담금질이 가능함.

-장치가 간단하고, 설비비가 저렴함.

-부분 담금질 및 담금질 깊이의 조절이 가능함.

-담그질 균열 및 변형이 적음.

-표면 경화에 의한 내마모성이 우수함.

-소형부품의 경우 용접용 토치로 작업이 가능함.

-가열온도를 정확히 측정할 수 없으므로, 담금질 조작에 숙련이 필요함.

-화구의 설계가 정밀해야 함.

-급속 가열에 의하여 복잡한 형상의 것이나 모서리가 있는 부분은 치수의 변형이 생기기 쉬움.

-가스의 취급 및 조작에 위험이 따름

 

화염경화 장치

 

그 밖의 표면 경화법

k. 분위기 열처리 : 분위기 가스(불활성, 환원성)을 이용하여 강재를 열처리 할 때 산화나 탈탄을 방지하여 표면상태를 그대로 유지 할 수 있는 처리 방법

l. 플라즈마 질화법 : 이온화한 질화가스 분위기 중에서 양극(+/-)사이에 Cr방전을 이용한 질화법.

질소농도가 높고, 질화 속도가 빠름, 무공해

m. 전해 담금질 : 음극효과에 의해 발열되는 전기화학적 현상을 응용, 강재의 표면을 가열하여 담금질 방법

n. 방전 경화법 : 양극사이에 발생하는 공중방전에 의해 발생하는 급열 급랭을 이용한 경화법 (공구날 경화, 내열기관 부품의 내식, 내열, 내마멸성)

o. 쇼트 피팅(Shot Peening) : 경화된 소강구인 shot를 공작물 표면에 분사하여 공작물을 다듬질하고, 피로강도, 인장강도 및 기계적 성질을 향상시키는 경화법

금속 열처리 종류와 방법.docx