열처리 공정 – 담금질, 템퍼링, 노멀라이징, 어닐링

강철 담금질이란 강철을 임계 온도 Ac3a(아공정강) 또는 Ac1(과공정강) 이상으로 가열한 후 일정 시간 동안 유지하여 오스테나이트화를 전부 또는 일부 진행시킨 다음, 임계 냉각 속도보다 빠른 속도로 급속 냉각하여 마르텐사이트(또는 베이나이트) 변태를 일으키는 열처리 공정입니다. 이 공정은 일반적으로 알루미늄 합금, 구리 합금, 티타늄 합금, 강화 유리 및 기타 고용체 재료에도 적용되며, 급속 냉각 공정을 담금질이라고 합니다.

 

담금질의 목적:
(1) 금속의 기계적 특성을 재료 또는 부품으로 개선합니다.
(2) 일부 특수강의 물성 또는 화학적 성질을 개선한다

 

담금질 방법: 주로 단일액체 담금질, 이중액체 화염 담금질, 단계적 담금질, 등온 담금질, 국부 담금질 등이 있다.

템퍼링은 담금질된 금속을 특정 온도로 가열한 후 일정 시간 동안 유지하고 특정 방식으로 냉각하는 열처리 공정입니다. 템퍼링은 담금질 직후에 수행되는 작업이며, 일반적으로 공작물의 열처리 마지막 단계입니다. 따라서 담금질과 템퍼링을 함께 수행하는 공정을 최종 처리라고 합니다.
담금질의 역할은 다음과 같습니다.
(1) 조직의 안정성을 향상시켜 가공 과정에서 공작물의 조직 변환이 더 이상 발생하지 않도록 하여 공작물의 형상과 특성이 안정적으로 유지되도록 합니다.
(2) 공작물의 성능을 향상시키고 공작물의 형상을 안정화하기 위해 내부 응력을 제거합니다.

(3) 사용 요구사항에 맞게 강철의 기계적 특성을 조정합니다.

 

열처리 요구사항: 가공물의 용도에 따라 사용 요구사항을 충족하기 위해 열처리 온도도 달라야 합니다. (1) 절삭 공구, 베어링, 침탄 담금질 부품, 표면 담금질 부품은 일반적으로 250℃ 이하의 저온 열처리를 합니다. 저온 열처리 후 경도는 크게 변하지 않고 내부 응력이 감소하며 인성은 약간 향상됩니다. (2) 스프링은 350~500℃의 중온 열처리를 통해 높은 탄성과 필요한 인성을 얻을 수 있습니다. (3) 중탄소 구조강 부품은 적절한 강도와 인성을 얻기 위해 일반적으로 500~600℃의 고온 열처리를 합니다.

 

노멀라이징은 강철의 인성을 향상시키는 열처리 공정으로, 강철 부품을 30~50℃ 이상의 Ac3 온도로 가열한 후 일정 시간 유지하고 공랭시키는 방식입니다. 주요 특징은 냉각 속도가 담금질보다 느리고 환류보다 빠르다는 점입니다. 노멀라이징은 냉각 속도를 약간 높여 강철의 결정립 미세화를 촉진하고, 동시에 만족스러운 강도를 얻을 수 있습니다. 또한, 미소결(AKV 값)을 크게 향상시키고 부품의 균열 발생 경향을 감소시킬 수 있습니다. 저합금 열연강판, 저합금강 단조품 및 주조품에 노멀라이징을 적용하면 재료의 종합적인 기계적 특성이 향상될 뿐만 아니라 절삭 성능도 개선됩니다.

 

어닐링은 금속을 특정 온도까지 천천히 가열한 후 충분한 시간 동안 유지하고, 적절한 속도로 냉각시키는 열처리 공정입니다. 어닐링 열처리는 완전 어닐링, 불완전 어닐링, 응력 완화 어닐링으로 나뉩니다. 어닐링 처리된 재료의 기계적 특성은 인장 시험이나 Kinze 시험을 통해 측정할 수 있으며, 경도 시험으로도 확인할 수 있습니다. 많은 강재는 열처리된 상태로 공급되는데, 강재의 경도는 Locke 경도계나 HRB 경도계를 사용하여 측정할 수 있습니다. 얇은 강판, 강대, 박판 강관의 경우에는 표면 Locke 경도계나 건축 자재용 HRT 경도계를 사용할 수 있습니다.
담금질 및 어닐링의 목적은 다음과 같습니다. 1. 주조, 단조, 압연 및 용접 공정에서 발생하는 다양한 조직 결함 및 잔류 응력으로 인한 경직성을 제거하여 제품의 품질을 향상시키고, 가공물의 변형 및 균열을 방지합니다. 2. 가공물을 연화시켜 절삭 가공성을 향상시킵니다. 3. 결정립을 미세화하고 조직을 개선하여 가공물의 기계적 특성을 향상시킵니다. 4. 최종 열처리(담금질, 템퍼링)를 통해 조직 표준을 더욱 잘 충족시킵니다.
일반적으로 사용되는 어닐링 공정은 다음과 같습니다.
(1) 완전 어닐링. 조대 과열 조직의 불량한 기계적 특성이 나타난 후 주조, 단조 및 용접에 의해 중간 및 하부 탄소강을 정련하는 데 사용됩니다.
(2) 구상화 어닐링. 단조 후 공구강 및 베어링강의 높은 경도를 낮추는 데 사용됩니다.
(3) 등온 어닐링. 장두 특정 니켈, 크롬 함량 앵글강 합금 구조강 고경도에 사용됩니다.
(4) 재결정 어닐링. 냉간 인발, 냉간 압연 공정에서 금속 와이어, 시트의 경화 현상(경도 증가, 소성 감소)을 나타내는 데 사용됩니다.
(5) 흑연화 어닐링. 다량의 탄화체를 함유한 주철을 우수한 가소성을 지닌 연성 주철로 만들기 위해 사용됩니다.
(6) 확산 어닐링. 합금 주조물의 화학적 조성을 균일하게 하고 성능을 향상시키는 데 사용됩니다.
(7) 응력 완화 어닐링. 강철 주조물 및 용접물의 내부 응력을 제거하는 데 사용됩니다.