열처리

Heat treating
980°C(1,800°F)의 열처리로

열처리(또는 열처리)는 물질의 물리적, 때로는 화학적 특성을 변경하는 데 사용되는 산업, 열 및 금속 가공 공정의 그룹입니다.가장 일반적인 용도는 야금이다.열처리는 유리와 같은 다른 많은 재료의 제조에도 사용됩니다.열처리는 보통 극단적인 온도로 가열 또는 냉각을 사용하여 재료의 경화 또는 연화 등 원하는 결과를 얻습니다.열처리 기술에는 아닐링, 케이스 경화, 석출 강화, 템퍼링, 침탄화, 정규화 및 담금질이 포함됩니다.열처리라는 용어는 특성을 의도적으로 변경하기 위해 가열 및 냉각이 이루어지는 공정에만 적용되지만 가열 및 냉각은 종종 열간 성형 또는 용접과 같은 다른 제조 공정에서 부수적으로 발생합니다.

물리 프로세스

알파 철(저온)과 감마 철(고온) 사이의 격자 구조의 차이를 나타내는 철 동소체.알파 철은 탄소 원자가 존재할 공간이 없는 반면 감마 철은 작은 탄소 원자의 자유로운 움직임에 개방되어 있습니다.

금속 물질은 "알갱이" 또는 결정체라고 불리는 작은 결정체의 미세 구조로 구성됩니다.입자의 특성(즉, 입자의 크기와 구성)은 금속의 전체적인 기계적 거동을 결정할 수 있는 가장 효과적인 요소 중 하나입니다.열처리는 미세구조 내 확산속도와 냉각속도를 제어함으로써 금속의 특성을 효과적으로 조작할 수 있는 방법을 제공합니다.열처리는 종종 금속 합금의 기계적 특성을 변경하기 위해 사용되며, 경도, 강도, 인성,[1] 연성 및 탄성과 같은 특성을 조작합니다.

열처리 중에 합금의 특성을 변경할 수 있는 메커니즘은 두 가지가 있습니다. 즉, 마르텐사이트의 형성은 결정을 본질적으로 변형시키고 확산 메커니즘은 [2]합금의 균질성을 변화시킵니다.

결정 구조는 격자라고 불리는 매우 특정한 배열로 그룹화된 원자로 구성됩니다.대부분의 요소에서 이 순서는 온도 및 압력과 같은 조건에 따라 자동으로 정렬됩니다.동소성 또는 다형성이라고 불리는 이러한 재배열은 특정 금속의 여러 다른 온도에서 여러 번 발생할 수 있습니다.합금에서는 이러한 재배열로 인해 일반적으로 모재에 용해되지 않는 원소가 갑자기 용해될 수 있으며, 한편 동소성이 반전되면 원소가 부분적으로 또는 완전히 [3]용해되지 않게 된다.

용해성 상태일 때 확산 과정은 용해된 원소의 원자를 확산시켜 모재 결정 내에서 균질한 분포를 형성하려고 시도합니다.합금이 불용성 상태로 냉각되면 용해된 성분(용질)의 원자가 용액 밖으로 이동할 수 있다.강수라고 불리는 이런 유형의 확산은 이동하는 원자들이 입자 경계에서 함께 모이는 핵 형성을 이끈다.이것은 일반적으로 두 개 이상의 [4]상으로 구성된 미세 구조를 형성한다.예를 들어 강철을 오스테나이징 온도(탄소 함량에 따라 적색에서 주황색으로 가열하거나 약 1,500°F(820°C)~1,600°F(870°C)) 이상으로 가열하여 천천히 냉각시킨 후 페라이트 [5]및 시멘트 층을 번갈아 이루어진 적층 구조를 형성하여 부드러운 펄라이트가 된다.강철을 오스테나이트 상으로 가열하여 물에 담금질한 후 미세구조는 마르텐사이트 상으로 이행합니다.이는 담금질 후 강철이 오스테나이트 단계에서 마르텐사이트 단계로 변화하기 때문입니다.담금질이 모든 [4]강철을 빠르게 냉각시키지 못한 경우 펄라이트 또는 페라이트가 존재할 수 있습니다.

철기 합금과 달리, 대부분의 열처리 가능한 합금은 페라이트 변환을 겪지 않습니다.이들 합금에서는 입자 경계에서의 핵생성이 결정 매트릭스의 구조를 강화하는 경우가 많다.이 금속들은 침전에 의해 굳어진다.일반적으로 온도에 따라 처리 속도가 느립니다. 이를 흔히 "에이징 경화"[6]라고 합니다.

많은 금속과 비금속은 빠르게 냉각될 때(오일, 폴리머, 물과 같은 외부 매체와 함께) 마르텐사이트 변형을 보입니다.금속이 매우 빠르게 냉각되면, 불용성 원자는 제 시간에 용액 밖으로 이동하지 못할 수 있습니다.이것을 「무확산 변환」이라고 부릅니다.결정 매트릭스가 저온 배열로 바뀌면 용질 원자는 격자 안에 갇히게 된다.갇힌 원자는 결정 매트릭스가 저온 동소체로 완전히 변하는 것을 막아 격자 안에 전단 응력을 발생시킨다.강철과 같은 일부 합금이 빠르게 냉각되면 마텐사이트 변환이 금속을 경화시키는 반면 알루미늄과 같은 다른 합금은 [7][8]부드러워집니다.

조성의 효과

철-탄소 합금 시스템의 위상도.상변화는 다른 구성(수평축)에 대해 다른 온도(수직축)에서 발생합니다.점선은 공정체(A) 및 공정체(B) 구성을 나타냅니다.

합금 시스템의 특정 구성은 일반적으로 열 처리 결과에 큰 영향을 미칩니다.각 성분의 비율이 적당할 경우, 합금은 냉각 시 단일 연속 미세 구조를 형성합니다.이러한 혼합물은 공정체라고 한다.그러나 용질의 비율이 공정상 혼합물과 다를 경우, 일반적으로 두 개 이상의 다른 미세 구조가 동시에 형성될 것이다.저공정용액은 공공정용액보다 용질을 적게 함유하는 반면 과공정용액은 [9]더 많이 함유한다.

공정 합금

공정합금(공정양)은 공정합금과 거동이 유사하다.공정합금은 단일 융점을 갖는 것이 특징이다.이 용해점은 다른 성분보다 낮으며 혼합물을 변경해도 용해점이 더 이상 낮아지지 않습니다.용융 공정 합금이 냉각되면 모든 성분이 동일한 온도에서 각각의 상으로 결정화됩니다.

공정합금은 유사하지만 액체가 아니라 고체용액에서 상변화가 일어난다.용액의 온도에서 공정상 합금을 냉각하면 구성 요소는 서로 다른 결정상으로 분리되어 단일 미세 구조를 형성합니다.예를 들어 공정강은 탄소를 0.77% 함유하고 있다.천천히 냉각되면 철과 탄소(오스테나이트라고 하는 단상) 용액이 페라이트 상과 시멘트 상 혈소판으로 분리됩니다.이것은 펄라이트라고 불리는 층상 미세구조를 형성한다.

펄라이트는 철분보다 단단하기 때문에 일반적으로 펄라이트가 생성하는 부드러움 정도로 제한됩니다.마찬가지로, 매우 빠르게 냉각될 [10]때 형성되는 연속 마텐사이트 미세 구조에 의해 경화성이 제한된다.

하이포에우텍토이드 합금

저공정 합금에는 두 개의 용해점이 있습니다.둘 다 시스템의 공융점보다 높지만 시스템을 구성하는 구성 요소의 융점보다 낮습니다.이 두 융점 사이에 합금은 부분 고체와 부분 액체로 존재합니다.녹는점이 높은 성분이 먼저 응고됩니다.완전히 고화된 경우, 저공정 합금은 종종 고체 용액에 들어 있습니다.

마찬가지로, 하이에우텍토이드 합금은 "아레스트"라고 불리는 두 가지 임계 온도를 가집니다.이 두 온도 사이에서 합금은 부분적으로 용액으로 존재하며 일부는 "프로젝토이드상"이라고 불리는 별도의 결정상으로 존재합니다.이 두 가지 온도를 상한 변환 온도(A3) 및 하한1 변환 온도(A)라고 합니다.용액이 변환온도 상부에서 불용성 상태로 냉각되면 과도한 모재가 종종 "결정화"되어 프로 공정체가 됩니다.이것은 나머지 용질 농도가 공석수치에 도달할 때까지 발생하며, 공석수치는 별도의 미세구조로 결정화될 것입니다.

저공정강은 탄소를 0.77% 미만으로 함유하고 있다.하이에우텍토이드강을 오스테나이트 변환 온도에서 냉각하면 프로우텍토이드-페라이트 섬이 형성됩니다.이는 계속 증가하고 나머지 강철의 공정상 농도에 도달할 때까지 탄소는 후퇴합니다.이 공정상 혼합물은 펄라이트의 미세구조로 결정화될 것이다.페라이트는 펄라이트보다 부드러우므로 두 미세구조가 결합되어 합금의 연성이 높아집니다.그 결과 합금의 경화성이 [11]저하된다.

초특급 합금

과공해 합금은 녹는점도 다르다.그러나 이 두 지점 사이에서 고체가 되는 것은 녹는점이 높은 성분입니다.마찬가지로 초특정합금은 임계온도가 두 가지이다.고효율 합금을 변환 온도에서 냉각할 때, 일반적으로 먼저 결정화되어 프로텍토이드를 형성합니다.이는 나머지 합금의 농도가 공정체가 될 때까지 지속되며, 공정체는 별도의 미세 구조로 결정화됩니다.

초특정강은 탄소를 0.77% 이상 함유하고 있다.극초과텍토이드강을 천천히 냉각할 때 시멘트석이 먼저 결정화되기 시작합니다.나머지 강철이 공석체가 되면 펄라이트로 결정화된다.시멘타이트는 펄라이트보다 훨씬 단단하기 때문에 [9][11]연성을 희생하면서 합금의 경화성이 우수합니다.

시간과 온도의 영향

강철의 시간 온도 변환(TT) 다이어그램.빨간색 곡선은 임계 상한(A3) 온도에서 냉각될 때 다른 냉각 속도(속도)를 나타냅니다.V1은 마르텐사이트를 생성합니다.V2에는 마텐사이트와 혼합된 펄라이트가 있고, V3에는 마텐사이트와 함께 베이나이트가 생성됩니다.

적절한 열처리를 위해서는 온도, 일정 온도 및 냉각 [12]속도로 유지되는 시간을 정밀하게 제어해야 합니다.

응력 완화, 온도 조절 및 노화를 제외하고 대부분의 열처리는 합금을 특정 변환 또는 정지(A) 온도 이상으로 가열하는 것으로 시작합니다.A 온도에서 금속이 히스테리시스를 경험하기 때문에 이 온도를 "체포"라고 합니다.이 때 모든 열에너지가 결정 변화를 일으키기 위해 사용되므로 온도 상승이 잠시 멈춘 후([13]체포) 변화가 완료되면 계속 상승합니다.따라서 변환이 발생하려면 합금을 임계 온도 이상으로 가열해야 합니다.합금은 보통 열이 합금을 완전히 통과할 때까지 이 온도에서 유지되며, 그 결과 완전한 고체 용액으로 이행됩니다.예를 들어, 철은 탄소 함량에 따라 네 가지 임계 온도가 있습니다.알파(실온) 상태의 순수 철은 A2 온도에서 비자성 감마 철로, A 온도에서4 용접 가능한 델타 철로 변화합니다.그러나 탄소가 첨가되어 강철이 되면 A 온도는2 오스테나이트(모든 상은 감마 철과 탄소 용액인 오스테나이트가 됨)라고도 하는 A3 온도와 A 온도1(냉각 시 오스테나이트가 펄라이트로 변화함)로 분할됩니다.이러한 고온과 저온 사이에서 냉각 시 공정상(proutectoid)

일반적으로 입자 크기가 작을수록 인성, 전단 강도 및 인장 강도 등의 기계적 특성이 강화되기 때문에 용액 입자가 너무 커지는 것을 방지하기 위해 이러한 금속은 종종 임계 온도 상한을 바로 초과하는 온도로 가열됩니다.예를 들어, 강철을 임계 상한 온도 이상으로 가열하면 오스테나이트의 작은 입자가 형성됩니다.이것들은 온도가 상승함에 따라 더 커진다.마르텐사이트 변환 중에 매우 빠르게 냉각되면 오스테나이트 입경이 마르텐사이트 입경에 직접 영향을 미칩니다.큰 알갱이는 큰 알갱이 경계를 가지고 있어 구조의 약점으로 작용한다.일반적으로 입자 크기는 [14]파손 가능성을 줄이기 위해 제어됩니다.

확산 변환은 매우 시간에 의존합니다.금속을 냉각시키면 보통 훨씬 낮은 온도로 강수량을 억제할 수 있습니다.예를 들어, 오스테나이트는 보통 임계 상한 온도 이상에만 존재합니다.그러나 오스테나이트가 충분히 빨리 냉각되면 변환이 임계 온도보다 낮은 수백 도까지 억제될 수 있습니다.이러한 오스테나이트는 매우 불안정하며, 충분한 시간이 주어지면 페라이트 및 시멘타이트의 다양한 미세구조로 침전됩니다.냉각 속도는 곡물의 성장 속도를 제어하거나 부분적으로 마텐사이트 미세 [15]구조를 생성하는 데 사용될 수 있습니다.단, 마르텐사이트 변환은 시간에 의존하지 않습니다.다른 미세구조가 완전히 형성되기 전에 합금이 마르텐사이트 변환(Ms) 온도로 냉각되면 변환은 보통 [16]음속 바로 아래에서 발생합니다.

오스테나이트가 마르텐사이트 변환이 일어나지 않을 정도로 천천히 냉각되면 오스테나이트 입자의 크기는 핵 형성 속도에 영향을 미치지만 일반적으로 입자의 크기와 미세 구조를 제어하는 것은 온도와 냉각 속도입니다.오스테나이트가 극도로 천천히 냉각되면 시멘트 알갱이로 채워진 큰 페라이트 결정이 형성됩니다.이 미세구조를 "구상체"라고 합니다.조금 더 빨리 식히면 거친 펄라이트가 형성됩니다.더 빨리, 그리고 미세한 펄라이트가 형성될 것입니다.더 빨리 식으면 베이나이트가 형성된다.마찬가지로, 이러한 미세 구조도 특정 온도로 냉각한 후 일정 [17]시간 동안 유지하면 형성됩니다.

대부분의 비철 합금도 용액을 형성하기 위해 가열됩니다.대부분의 경우, 이것들은 매우 빠르게 냉각되어 마르텐사이트 변환을 생성하며, 용액은 과포화 상태가 됩니다.합금은 훨씬 부드러운 상태이므로 냉간 가공될 수 있습니다.이로 인해 워크 경화가 발생하여 합금의 강도와 경도가 높아집니다.또, 소성 변형에 의한 결함으로 침전이 빨라져, 합금의 경도가 통상보다 높아진다.냉간 가공이 아니더라도 이러한 합금의 용질은 일반적으로 침전되지만, 공정이 훨씬 더 오래 걸릴 수 있습니다.때때로 이러한 금속은 강수 [18][19][20]속도를 높이기 위해 임계 온도(A1)보다 낮은 온도로 가열되어 재결정화를 방지합니다.

기술

12시간 1,200°C(2,190°F) 열처리를 거친 강철 주조물.

복잡한 열처리 일정 또는 "주기"는 종종 합금의 기계적 특성을 최적화하기 위해 야금학자들이 고안합니다.항공우주산업에서 초합금은 원하는 [citation needed]특성을 개발하기 위해 5가지 이상의 열처리 작업을 수행할 수 있다.이로 인해 고로 온도 제어 및 타이머의 정확도에 따라 품질 문제가 발생할 수 있습니다.이러한 작업은 일반적으로 몇 가지 기본 기술로 나눌 수 있습니다.

어닐링

주요 기사:아닐(금속)

어닐링은 금속을 특정 온도로 가열하고 나서 성분을 완전히 또는 부분적으로 분리하여 정교한 미세 구조를 생성하는 속도로 냉각하는 것으로 구성됩니다.냉각 속도는 일반적으로 느립니다.어닐링은 냉간 가공을 위해 금속을 부드럽게 하거나 기계 가공성을 개선하거나 전기 전도성과 같은 특성을 높이기 위해 가장 자주 사용됩니다.

철 합금에서 아닐은 보통 금속을 임계 상한 온도 이상으로 가열하여 매우 천천히 냉각시킴으로써 펄라이트를 형성합니다.순수금속과 열처리가 불가능한 많은 합금 모두 냉간가공으로 인한 경도를 제거하기 위해 아닐을 사용한다.재결정이 발생할 수 있는 온도까지 금속을 가열하여 소성 변형으로 인한 결함을 수리합니다.이러한 금속의 냉각 속도는 일반적으로 거의 영향을 미치지 않습니다.열처리가 가능한 대부분의 비철 합금도 냉간 가공의 경도를 완화하기 위해 아닐 처리됩니다.이들은 성분의 완전한 침전을 허용하고 정교한 미세 구조를 생성하기 위해 천천히 냉각될 수 있다.

철 합금은 보통 "완전 아닐" 또는 "공정 아닐"입니다.풀 아닐은 거친 펄라이트를 형성하기 위해 매우 느린 냉각 속도를 필요로 합니다.프로세스 어닐링에서는 냉각 속도가 더 빠를 수 있습니다.정규화까지 가능합니다.공정 어닐링의 주요 목표는 균일한 미세 구조를 생성하는 것입니다.비철 합금은 종종 "재결정화 어닐링", "부분 어닐링", "완전 어닐링" 및 "최종 어닐링"을 포함한 다양한 어닐링 기술을 사용합니다.모든 아닐링 기술이 스트레스 [21]완화 등 재결정화를 수반하는 것은 아닙니다.

정규화

정규화는 합금 전체에서 입자 크기와 구성(동일한 결정)의 균일성을 제공하기 위해 사용되는 기술입니다.이 용어는 [21]종종 외기에서 오스테나이트화된 후 냉각된 철 합금에 사용됩니다.정규화는 펄라이트뿐만 아니라 마텐사이트, 때로는 바이나이트를 생성하는데, 이는 강철을 더 단단하고 강하게 만들지만 전체 어닐링보다 동일한 구성에 대한 연성이 더 낮습니다.

정규화 프로세스에서 강철을 일정 기간 동안 이 온도에서 유지된 임계 온도 상한보다 약 40도로 가열한 후 공기 중에서 냉각하는 프로세스입니다.

스트레스 해소

응력해소는 금속에서 발생하는 내부응력을 제거하거나 감소시키는 기술이다.이러한 스트레스는 냉간 작동에서 불균일한 냉각에 이르기까지 다양한 방법으로 발생할 수 있습니다.응력 해소는 보통 금속을 낮은 임계 온도 이하로 가열하여 균일하게 [21]냉각함으로써 이루어집니다.응력 해소는 용접 [22]과정에서 발생하는 모든 응력을 제거하기 위해 공기 탱크, 보일러 및 기타 압력 용기와 같은 항목에 일반적으로 사용됩니다.


에이징

주요 기사:석출 경화

일부 금속은 석출 경화 금속으로 분류된다.석출 경화 합금을 담금질하면 합금 요소가 용액에 갇혀 부드러운 금속이 됩니다.용해된 금속을 숙성시키면 합금 원소가 미세 구조를 통해 확산되어 금속 간 입자를 형성할 수 있습니다.이러한 금속간 입자는 핵을 형성하고 용액에서 떨어져나와 강화상 역할을 하므로 합금의 강도가 높아집니다.합금은 상온에서 침전물이 형성되는 것을 의미하는 "자연적으로" 숙성될 수 있으며, 높은 온도에서 침전물이 형성될 때만 "인공적으로" 숙성될 수 있습니다.일부 용도에서는 천연 노화 합금을 냉동실에 보관하여 추가 작업 후까지 경화를 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 리벳 조립이 더 부드러운 부품으로 더 쉬울 수 있습니다.

석출 경화 합금의 예로는 2000 시리즈, 6000 시리즈 및 7000 시리즈 알루미늄 합금과 일부 초합금 및 스테인리스강 등이 있습니다.노화에 의해 경화되는 강철은 일반적으로 "마텐사이트 노화"[21]라는 용어의 조합으로 마레이징강이라고 합니다.

담금질

주요 기사:담금질

담금질은 금속을 빠른 속도로 냉각하는 과정이다.이것은 마텐사이트 변환을 생성하기 위해 가장 자주 수행됩니다.철 합금의 경우, 이것은 종종 더 단단한 금속을 생성하는 반면, 비철 합금은 보통보다 부드러워집니다.

담금질을 통해 경화하려면 금속(일반적으로 강철 또는 주철)을 임계 상한 온도 이상으로 가열한 후 빠르게 냉각해야 합니다.합금 및 기타 고려사항(최대 경도 대 균열 및 변형 우려 등)에 따라 강제 공기 또는 기타 가스(질소 등)를 사용하여 냉각할 수 있습니다.오일, 물, 물에 용해된 폴리머 또는 브라인과 같은 열 전도성이 더 좋기 때문에 액체를 사용할 수 있습니다.빠르게 냉각되면 (합금 조성에 따라) 오스테나이트의 일부가 단단하고 부서지기 쉬운 결정 구조인 마르텐사이트로 바뀝니다.금속의 담금질 경도는 화학 성분과 담금질 방법에 따라 달라집니다.냉각 속도는 소금물, 폴리머(즉, 물과 글리콜 중합체의 혼합물), 담수, 오일 및 강제 공기로부터 차례로 변화합니다.그러나 특정 강철을 너무 빨리 담금질하면 균열이 발생할 수 있으므로 AISI 4140과 같은 고강도 강철은 오일, ISO 1.2767이나 H13과 같은 공구강은 강제 공기로 담금질해야 하며 XK1320이나 AISI 1040과 같은 저합금 또는 중강도 강철은 브라인에서 담금질해야 합니다.

일부 베타 티타늄 기반 합금도 급속 [23]냉각을 통해 강도가 증가하는 유사한 추세를 보였습니다.그러나 구리, 알루미늄 또는 니켈 합금과 같은 대부분의 비철 금속과 오스테나이트계 스테인리스강(304, 316)과 같은 일부 고합금강은 담금질할 때 역효과를 냅니다. 즉, 연화됩니다.오스테나이트계 스테인리스강은 [21]상당히 경화되므로 완전히 부식되지 않도록 담금질해야 합니다.

템퍼링

주요 기사:템퍼링(금속)

오염되지 않은 마텐사이트강은 매우 단단하지만 너무 부서지기 쉬워서 대부분의 용도에 사용할 수 없습니다.이 문제를 완화하는 방법을 템퍼링이라고 합니다.대부분의 응용 프로그램에서는 담금질된 부품을 담금질해야 합니다.온도 조절은 일부 인성을 제공하기 위해 임계 온도(원하는 결과에 따라 종종 400°F~1105°F 또는 205°C~595°C) 미만의 가열 강철로 구성됩니다.높은 온도(합금 및 용도에 따라 최대 1,300°F 또는 700°C)가 추가 연성을 제공하기 위해 사용되기도 하지만 항복 강도가 일부 손실됩니다.

정규화된 강철에 대해서도 담금질을 수행할 수 있습니다.다른 온도 조절 방법은 마르텐사이트 시작 온도보다 높은 특정 온도로 담금질한 다음 순수한 베이나이트가 형성되거나 내부 응력이 완화될 때까지 유지시키는 것입니다.이것들은 오스템퍼링과 [21]마템퍼링을 포함한다.

색채 조절

강철의 템퍼링 컬러

새로 갈거나 연마된 강철은 가열 시 산화층을 형성합니다.매우 특정한 온도에서 산화철은 매우 특정한 두께의 층을 형성하여 박막 간섭을 일으킵니다.이로 인해 강철 표면에 색상이 나타납니다.온도가 상승하면 산화철층의 두께가 커져 색이 [24]변한다.템퍼링 컬러라고 불리는 이 색들은 [25]수세기 동안 금속의 온도를 측정하기 위해 사용되어 왔다.

  • 350°F(176°C), 연황색
  • 400°F(204°C), 라이트 스트로우
  • 440°F(226°C), 암스트로우
  • 500°F(260°C), 갈색
  • 540°F(282°C), 보라색
  • 590°F(310°C), 짙은 파란색
  • 640°F(337°C), 하늘색[25]

담금질 색상을 사용하여 강화강의 최종 특성을 판단할 수 있습니다.매우 단단한 공구는 종종 밝은 곳에서 어두운 빨대 범위로 강화되는 반면, 스프링은 종종 파란색으로 강화됩니다.그러나 강화강의 최종 경도는 강철의 조성에 따라 달라집니다.고탄소 공구강은 동일한 온도에서 담금질할 때 (탄소가 약간 적은) 스프링강보다 담금질 후에도 훨씬 더 단단하게 유지됩니다.산화막도 시간이 지남에 따라 두께가 증가합니다.따라서 400°F에서 매우 오랫동안 유지된 강철은 연한 빨대 색을 내는 데 필요한 온도를 초과하지 않더라도 갈색이나 보라색으로 변할 수 있다.최종 결과에 영향을 미치는 다른 요인으로는 표면의 오일막과 사용된 [25]열원의 유형이 있습니다.

선택적 열처리

주요 기사: 차열 처리

많은 열처리 방법이 물체의 일부만 특성을 변경하기 위해 개발되었습니다.이것들은 합금의 다른 영역을 다른 속도로 냉각하거나, 국소적인 영역에서 빠르게 가열하고 담금질하거나, 열화학적 확산에 의해 또는 다른 온도에서 물체의 다른 영역을 다른 온도(예: 차등 온도 조절)[citation needed]로 조절하는 경향이 있습니다.

차동 경화

주요 기사: 차동 경화
차등 경화된 가타나.니오이라고 불리는 하몬에 이은 밝고 물결치는 마텐자이트의 가장자리와 펄자이트의 뒷면을 구분합니다.이 인셋은 퍼라이트로 둘러싸인 개별 마르텐사이트 입자(니아이)로 이루어진 니오이의 클로즈업을 보여준다.나뭇결 모양은 여러 가지 구성의 층으로 이루어져 있습니다.

일부 기술은 단일 물체의 다른 부위가 다른 열 처리를 받을 수 있도록 합니다.이것을 미분 경화라고 합니다.고급 칼이나 칼에 많이 쓰입니다.중국의 지안(吉安)은 가장 먼저 알려진 예 중 하나이며, 일본의 가타나는 가장 널리 알려져 있을 것이다.네팔 쿠쿠리는 또 다른 예이다.이 기술은 점토 층과 같은 절연층을 사용하여 부드러운 부분을 덮습니다.경화 부위는 노출된 상태로 유지되며,[citation needed] 급랭 시 강철의 특정 부분만 완전히 경화됩니다.

화염 경화

주요 기사:표면 경화

화염 경화는 금속의 일부만 경화시키는 데 사용됩니다.전체 조각을 다른 속도로 가열하고 냉각하는 차동 경화와 달리, 화염 경화에서는 금속의 일부만 가열된 후 담금질됩니다.이 방법은 보통 차동 경화보다 쉽지만 가열된 금속과 가열되지 않은 금속 사이에 극도로 취약한 영역을 만들 수 있습니다. 이 열 영향 영역의 가장자리가 매우 [citation needed]빠르기 때문입니다.

유도 경화

주요 기사:유도 경화

유도 경화는 금속 표면이 비접촉식 유도 가열 방식을 사용하여 매우 빠르게 가열되는 표면 경화 기술입니다.그런 다음 합금을 담금질하여 기초 금속을 변경하지 않고 표면에 마르텐사이트 변환을 생성합니다.이렇게 하면 대부분의 물체에서 적절한 인성을 유지하면서 매우 단단하고 마모에 강한 표면이 만들어집니다.크랭크축 저널은 유도 경화 [26]표면의 좋은 예입니다.

케이스 강화

주요 기사:케이스 강화

케이스 경화는 합금 원소, 가장 일반적으로 탄소 또는 질소가 모노리식 금속의 표면으로 확산되는 열화학 확산 과정입니다.결과적으로 발생하는 간질성 솔리드 솔루션은 모재보다 단단하여 [21]인성을 희생하지 않고 내마모성을 향상시킵니다.

레이저 표면 공학은 높은 다용도, 선택성 및 새로운 특성을 가진 표면 처리입니다.레이저 처리에서는 냉각율이 매우 높기 때문에 금속유리라도 준안정할 수 있다.

냉랭한 극저온 처리

주요 기사:극저온 처리

담금질 강철은 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환시키지만, 일반적으로 오스테나이트는 모두 변환되지 않습니다.일부 오스테나이트 결정은 마르텐사이트 마감(Mf) 온도보다 낮은 온도에서 담금질해도 변경되지 않습니다.금속을 극저온으로 서서히 냉각시킴으로써 오스테나이트를 마르텐사이트로 더욱 변환시킬 수 있다.냉간처리는 일반적으로 강철을 -115ºF(-81ºC) 정도로 냉각하는 것으로 구성되지만, 모든 오스테나이트를 제거하는 것은 아닙니다.극저온처리는 일반적으로 훨씬 낮은 온도(종종 -315ºF(-192ºC) 범위)로 냉각하여 대부분의 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환하는 것으로 구성됩니다.

냉간 및 극저온 처리는 일반적으로 담금질 직후, 담금질하기 전에 수행되며, 경도, 마모 저항성 및 금속 내부 응력을 감소시키지만, 실제로 담금질 프로세스의 연장이기 때문에 시술 중에 균열이 발생할 가능성을 증가시킬 수 있습니다.이 공정은 종종 공구, 베어링 또는 내마모성이 뛰어난 기타 품목에 사용됩니다.그러나 일반적으로 담금질 [27][28]후 오스테나이트가 10% 이상 남아 있는 고탄소 또는 고합금강에서만 효과가 있습니다.

탈탄

강철의 가열은 때때로 탄소 함량을 변경하는 방법으로 사용됩니다.산화 환경에서 강철을 가열하면 산소가 철과 결합하여 산화철층을 형성하여 강철을 탈탄으로부터 보호합니다.그러나 강철이 오스테나이트로 변하면 산소가 철과 결합하여 슬래그를 형성하므로 탈탄으로부터 보호되지 않습니다.산화철은 단조지의 석탄과 같은 산소가 없는 환경으로 이동한 후에도 산소를 탈탄 구역에 계속 접촉시키기 때문에 슬래그와 비늘의 형성은 실제로 탈탄량을 증가시킵니다.따라서, 탄소 원자는 주변의 비늘과 슬래그와 결합하여 일산화탄소와 이산화탄소를 형성하고, 이산화탄소는 공기 중으로 방출된다.

강철은 상대적으로 적은 비율의 탄소를 포함하고 있어 감마 철 내에서 자유롭게 이동할 수 있다.오스테나이트화강은 장기간 공기에 노출되면 강철의 탄소 함량을 낮출 수 있습니다.이는 환원 환경에서 강철을 가열할 때 발생하는 탄소가 금속 안으로 천천히 확산되는 것과는 반대되는 현상입니다.산화 환경에서는 탄소가 쉽게 외부로 확산되기 때문에 오스테나이트화강은 탈탄되기 쉽다.이는 주조 시 높은 탄소 함량이 필요하지만 완제품에서는 낮은 탄소 함량이 요구되는 주강에 자주 사용됩니다.이것은 종종 "백색 템퍼링"이라고 불리는 과정에서 가단성 주철을 생산하기 위해 주철에 사용됩니다.이러한 탈탄 경향은 많은 탈탄 [29]방지를 위해 가능한 한 짧은 시간 동안 강철을 오스테닝하는 것이 더 바람직해지는 대장간과 같은 다른 작업에서도 종종 문제가 됩니다.

열처리 사양

일반적으로 열처리에 [30]사용되는 프로세스 대신 최종 조건이 지정됩니다.

케이스 강화

완전히 컴퓨터화된 현대적인 케이스 경화로.

케이스 강화는 경도와 케이스 깊이로 지정됩니다.케이스 깊이는 케이스 깊이의 합계 또는 유효 케이스 깊이의 2가지 방법으로 지정할 수 있습니다.케이스의 전체 깊이가 케이스의 진정한 깊이입니다.대부분의 합금의 경우 유효 케이스 깊이는 HRC50과 동등한 경도를 갖는 케이스 깊이가 됩니다. 그러나 일부 합금은 유효 케이스 깊이에 다른 경도(40-60 HRC)를 지정하며, 이는 Tukon 마이크로 하드도 테스터에서 확인됩니다.이 값은 대략 전체 케이스 깊이의 65%로 추정할 수 있지만 화학 성분과 경화성이 이 근사치에 영향을 미칠 수 있다.케이스 깊이의 어느 타입도 지정되어 있지 않은 경우는, 케이스 깊이의 합계가 [30]상정된다.

경화된 부품의 경우 사양은 최소 ±0.005인치(0.13mm)의 공차를 가져야 합니다.열처리 후 부품을 연마할 경우 케이스 깊이는 [30]연마 후로 가정한다.

사양에 사용되는 Rockwell 경도 척도는 아래 표와 같이 총 케이스 깊이의 깊이에 따라 달라집니다.일반적으로 경도는 Rockwell "C" 척도로 측정되지만 케이스가 0.030인치(0.76mm) 미만일 경우 저울에 사용된 하중이 케이스를 관통합니다.더 얇은 케이스에 Rockwell "C"를 사용하면 잘못된 [30]측정값을 얻을 수 있습니다.

다양한 케이스[30] 깊이에 필요한 록웰 스케일
총 케이스 수(최소)[입력] 록웰 스케일
0.030 C
0.024 A
0.021 45 N
0.018 30 N
0.015 15 N
0.015 미만 "파일 하드"

두께가 0.015인치(0.38mm) 미만인 케이스의 경우 Rockwell 스케일을 안정적으로 사용할 수 없으므로 파일 하드를 [30]대신 지정합니다.파일 하드는 대략 58HRC에 [31]해당합니다.

경도를 지정할 때는 범위를 지정하거나 최소 경도를 지정해야 합니다.범위를 지정할 경우 최소 5개의 포인트를 [30]제공해야 합니다.

경화를 통해

through hardening에는 경도만 기재되어 있습니다.일반적으로 최소 5포인트 [30]범위를 갖는 HRC 형태입니다.

어닐링

어닐링 프로세스의 경도는 보통 HRB [30]척도에 최대값으로 표시됩니다.입자 크기를 미세화하고 강도를 향상시키며 잔류 응력을 제거하고 전자기 특성에 영향을 미치는 과정입니다.

노의 종류

열처리에 사용되는 용해로는 배치 용해로와 연속 용해로라는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.배치로는 일반적으로 수동으로 로드 및 언로드되지만, 연속로는 용해로 [32]챔버에 일정한 부하를 공급하는 자동 반송 시스템이 있습니다.

배치로

배치 시스템은 일반적으로 강철 쉘이 있는 절연 챔버, 난방 시스템 및 [32]챔버에 대한 액세스 도어로 구성됩니다.

박스형 화로

많은 기본적인 박스형 용해로는 통합 퀀치 탱크와 저냉각 챔버를 추가하여 반연속 배치 용해로로 업그레이드되었습니다.이러한 업그레이드된 용해로는 열처리에 [32]매우 일반적으로 사용되는 장비입니다.

자동차형 용해로

"대형 난로"라고도 하는 자동차 고로는 매우 큰 배치 고로입니다.바닥은 로딩 및 언로딩을 위해 고로를 드나드는 단열 가동차로 구성됩니다.차량은 일반적으로 제자리에 있을 때 모래 씰 또는 솔리드 씰을 사용하여 씰링됩니다.충분한 씰을 얻기 어렵기 때문에 일반적으로 자동차 고로는 대기 이외의 [citation needed]프로세스에 사용됩니다.

엘리베이터식 용해로

유동 베드 열처리 라인

자동차 고로와 유사한 유형으로, 자동차와 화로가 고로 아래에 압연되고 모터 구동식 메커니즘에 의해 상승된다는 점을 제외하면 엘리베이터 고로는 큰 부하를 처리할 수 있으며 외부 크레인 및 [32]이송 메커니즘이 필요하지 않은 경우가 많습니다.

종형로

벨로에는 벨이라고 불리는 분리 가능한 커버가 있으며, 이 커버는 크레인에 의해 하중과 화로에 의해 내려집니다.내부 벨은 난로 위에 배치되어 있으며 보호 분위기를 제공하기 위해 밀폐되어 있습니다.외측 벨을 내려 열을 [32]공급한다.

피트 용해로

구덩이에 건설되어 바닥 높이 또는 약간 위까지 확장되는 용광로를 용광로라고 합니다.공작물은 고정 장치에 매달거나 바구니에 담거나 용광로의 베이스 위에 놓을 수 있습니다.피트로는 긴 튜브, 샤프트 및 로드를 수직으로 유지하여 가열하는 데 적합합니다.이 방법으로 부하를 [32]가하면 왜곡이 최소화합니다.

염욕로

염욕은 중성 경화, 액체 침탄, 액체 질화, 오스템퍼링, 마템퍼링 및 템퍼링 등 다양한 열처리 과정에 사용됩니다.

부품은 용융된 소금 항아리에 적재되어 전도에 의해 가열되며, 매우 쉽게 사용할 수 있는 열원을 제공합니다.부품의 코어 온도는 [32]염탕에서 표면과 거의 같은 속도로 상승합니다.

염욕은 열처리를 위해 다양한 소금을 사용하며, 시안화염이 가장 널리 사용됩니다.관련 직업의 건강과 안전에 대한 우려와 환경 영향 때문에 비싼 폐기물 관리와 처리에 대한 우려가 최근 염탕의 사용을 덜 매력적으로 만들었다.그 결과, 많은 염탕이 보다 환경 친화적인 유동 [33]침대로로 대체되고 있습니다.

유동층 용해로

유동층은 고온 합금으로 만들어진 원통형 레토르트에 모래와 같은 산화 알루미늄 미립자가 채워져 있습니다.가스(공기 또는 질소)는 산화물을 통해 기포가 발생하고 모래는 유체 같은 행동을 보이도록 움직이며, 따라서 유동화라는 용어를 사용합니다.산화물의 고체 접촉은 염조에서 [32]볼 수 있는 것과 비교할 수 있을 정도로 용해로 전체에서 매우 높은 열 전도율과 우수한 온도 균일성을 제공합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

  • International Heat Treature Magazine 영어판
  • Reed-Hill, Robert (1994). Principles of Physical Metallurgy (3rd ed.). Boston: PWS Publishing.
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