금속 열처리 기술과 종류별 열처리 방법
산업 현장에서 강재의 특성을 조절하기 위해 사용되는 열처리 기술과 열처리의 종류 및 방법에 대해 자료가 있어 정리해봤습니다. 금속 열처리에 관심있으신 분에게 도움이 되셨으면 합니다.
목차
1. 금속열처리
1) 열처리 기술의 개요
열처리기술은 금속재료, 기계부품, 금형공구의 기계적 성질을 변화시키기 위하여 가열과 냉각을
반복함으로써 특별히 유용한 성질(내마성, 내충격성, 사용수명연장등)을 부여하는 기술로서 제조 공정의 중간
또는 최종단계에서 이루어지고 있다.
2) 열처리 기술의 종류
(1) 일반열처리
금속재료 및 기계부품의 가공시 발생된 취성을 개선하기 위하여 가열, 냉각하는 열처리기술로서 가열온도,
유지시간 냉각속도의 차에 따라 다음과 같이 분류한다.
1) 어닐링(Annealing) : 부품의 연화, 가공성 향상 및 잔류 응력제거
2) 노말라이징(Normalizing) : 가공시 발생된 이상조직의 균질화 및 가공성 향상
3) 퀜칭(Quenching) : 부품의 경화(퀜칭처리시 경도는 3 배정도 증가)
4) 템퍼링(Tempering) : 퀜칭 처리된 부품의 잔류응력 제거, 조직 및 기계적 성질의 안정화
5) 마르템퍼링(Martempering) : 부품의 경화 및 인성향상
6) 오스템퍼링(Austempering) : 부품의 경화 및 인성향상
7) 시효(Aging) : 저온처리에 의한 안정화된 조직의 석출 및 가공에 의한 경도 향상
(2) 특수 열처리
금속부픔의 전체 또는 특정부분을 가열, 냉각 또는 특수원소를 첨가하여 내마모성, 내충격성등을
향상시키기 위한 열처리 기술로서 가열방법, 사용재료(처리약품)등에 따라 다음과 같이 분류한다.
1) 부분가열 표면경화
① 고주파 표면경화(Induction surface hardening) : 고주파 유도장치를 사용한 부품
② 화염 표면경화(Flame surface hardening) : 대형 구조물 용접 부분 표면경화를 위한 간이 열처리
③ 레이저 표면경화(Laser surface hardening) : 부품중 마모가 심한 부위등 필요 부분만의 표면경화
④ 전자빔 표면경화(Laser surface hardening) : 부품중 마모가 심한 부위등 필요 부분만의 표면경화
2) 전체가열 표면경화
① 침탄(Carburizing) : 부품표면에 탄소의 확산침투에 의한 표면경화
【 고체침탄(Solid Carburizing), 염욕침탄(Salt Bath Carburizing), 가스침탄(Gas Carburizing), 플라
즈마침탄(Plasma Carburizing), 진공침탄(Vaccum Carburizing) 】
② 침탄질화(Carbonitriding) : 부품표면에 탄소와 소량의 질소를 동시에 침투시켜 표면경화
③ 질 화(Nitriding) : 부품표면에 질소의 침투에 의한 표면경화
④ 침질탄화(Nitrocarburizing) : 부품표면에 질소와 소량의 탄소를 동시에 침투시켜 표면경화
⑤ 침 붕(Boriding) : 부품표면에 붕소의 확산침투에 의한 표면경화
⑥ 탄질화물 침투법 : 부품표면에 금속원소와 탄소에 의한 탄화물층을 형성하는 표면경화로 나누어
진다.
2. 열처리란 어떤 작업인가?
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.
1) 열처리 종류
(1) 표면경화열처리
① 침탄, 침탄질화 : 내부도 약간 경화된다.
② 연질화, 가스질화 : 내부는 전혀 경화되지 않는다.
③ 고주파, 중주파, 화염열처리 : 필요한 부분만 표면경화된다.
(2) 전체 경화열처리 : 내부까지 경화된다.
① 조질처리 : 중탄소강, 구조용 합금강재(Sorbite 조직을 얻을 것)
② Q.T 처리 : 중, 고탄소강, 구조용 합금강재
③ 진공열처리 : 고합금 공구강재(STD, STF, SKH, STS 등)
(3) 연화열처리 : 재료를 무르게하여 가공성을 개선한다.
① 완전풀림 ② 확산풀림 ③ 구상화 풀림 ④ 응력제거 풀림
⑤ 중간풀림 ⑥ 연화풀림 ⑦ 2 단 풀림 ⑧ 등온풀림
(4) 기타열처리
① 불림처리 : 조직개선 및 표준화, 응력제거, 가공성 향상
② 용체화 처리 : STS304 등 Austenite 계 스텐레스강의 강도, 가공성 향상, 내식성개선, 수명연장
③ 취성제거처리 : 도금에서 발생된 수소취성 제거
④ 수인처리 : 고 Mn 강의 강도 가공성 향상
⑤ ADI 처리 : 구상 흑연주철의 Austempering 처리, 기존 단조품에 열처리하던 것을 주조품으로 바꾸어
공정단축, 원가절감, 경량화에 의한 자동차 연비향상, 강도 향상등 자동차 부품에서 점차 일반부품으로
용도가 넓어지고 있음.
⑥ 침붕처리 : 초, 고내마모성을 요구하는 부품, HV1500 이상의 고경도를 얻을 수 있다.
※ SHOT PEENING 효과
* SHOT 의 강도를 높여 PEENING 함으로써 기어 뿌리 굽힘 피로강도는 약 1.3∼1.5 배까지 향상시킬 수
있으며, 그 효과도 가장 크다. 동시에 경화층 깊이를 얕게 함으로써 강도를 증대시킬 수 있다.
* 충격강도 향상에는 SHOT PEENING 이 그다지 효과가 없음으로 P 와 Si 를 줄인 합금성분 조절이
효과가 크다.
3. 열처리 기호(JIS G 0201 에 의함)
4. 열처리 설계와 재질선택시 참고사항
1) 열처리에 의해 어떤 성능을 기대하는가?
고내마모성, 고인성, 내피로도, 내충격성, 내열성, 내식성, 탄성, 열피로도, 내한성등 요구성능에
따라 재질, 열처리 기술의 종류, 경도값을 결정한다.
2) 제품의 사용온도, 사용조건, 사용빈도, 경제성을 감안한다.
주위의 환경(제품의 사용온도, 마찰열, 부식조건, 진동등)에 따라 혹은 사용빈도를 감안 적정한 강재
를 선정한다.
3) 사용경도는 어떻게 지정할 것인가?
원제품 경도값인가? KS, JIS 참고값인가?
제품에서 요구하는 인장강도 계산값인가?
4) KS, JIS 에 표기된 각 재료별 경도값을 도면에 그대로 사용하면 안된다.
통상 KS, JIS 값은 각 재료별 ø25 ㎜ 환봉에 대한 실험값으로 재질별 조질 또는 Q.T 한 참고값이다.
도면 SPEC 은 제품이 요구하는 강도, 경도, 충격치등 정확한 값을 표기한다.
5) SM45C 는 가장 일반적으로 사용하나 열처리가 잘 안되는 점이 있다.
각종기어, 축, 체인, 로울러, 금형, 핀등에 많이 사용되나, 열처리가 잘되는 크기는 ø15 이하 t10 ㎜정도
(수냉하면 ø25 t20 ㎜정도)이며, 그 이상은 경도가 점차 낮아져 HRC50 이상은 어렵다. 체적이
커질수록 점차 고합금강으로 사용한다.(질량효과 때문임) 단 고주파, 중주파 열처리는 체적에 관계없이
SM45C가 무난하다.
6) 모든 열처리에서 변형은 필수적으로 발생된다.
제품 완가공후 열처리는 불량을 초래하므로 후공적을 감안해야 한다.
7) 림드강 강재(비 탈산처리)로는 열처리 제어가 안된다.
중요품은 모두 킬드강을 사용한다. SS41, SPC 등 저급소재는 KS 비열처리 소재로서 불순물 제거가 안
되어 열처리후 경도제어가 곤란하다. 각 재료는 KS 에 림드강, 킬드강 제조법이 표기되어 있다.
8) STC3, STC5(탄소공구강)도 탄소강 종류로서 질량효과가 크다.
대형부품, 금형류에는 열처리 경화가 어려워 합금강재로 바꾸는 것이 좋다.
소형부품, 수냉용 단순부품은 관계없다.
9) 복합 열처리 기술도 활용 할 수 있어야 한다.
(1) 조질 + 고주파, 중주파
(2) 조질 + 연질화, 가스질화
(3) 풀림 + 침탄, 조질
(4) 진공열처리 + 연질화, 가스질화
(5) 침탄 + 고주파
이상 여러 가지 복합 열처리기술이 활용되고 있다.
10) 최고 품질은 적정재질로 적정 열처리기술을 선택하는데 있다.
11) 질량과 형상이 불균형한 제품은 항상 변형과 CRACK 의 위험이 따른다.
5. 표면경화법
1) 침탄
(1) 서 언
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.
(2) 침탄이란?
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.
(3) 가스침탄의 장단점
① 장 점
ⓐ 표면의 탄소농도를 조절할 수 있다.
ⓑ 표면광휘상태로 처리가 가능하며 침탄도 균일하게 행해진다.
ⓒ 직접처리품을 가열하기 때문에 열효율이 좋고, 침탄종료후 직접 퀜칭이 가능하다.
ⓓ 침탄종료후 동일장치로 확산 어닐링도 가능하다.
ⓔ 다량 생산에 적합하며, 작업도 청결하다.
ⓕ 자동화도 용이하며, 품질관리도 실시하기 쉽다.
② 단 점
ⓐ 조업에 전문적인 지식이 필요로하며 폭발의 위험도 있고, 설비비가 약간 고가이다.
ⓑ 트레이 등이 침탄되어 수명이 짧다.
2) 고주파 담금질
(1) 개 요
고주파 담금질은 담금질부분에 대응하는 적당한 형상의 담금질코일을 만들어 이것을 1000 사이클에서
1 메가 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 Cr 강에서는 일어나지 않는다.
(2) 고주파 열처리의 특징
· 가열 시간이 짧아 열 영향이 적으므로 변형이 적다.
· 산화 SCALE 의 발생이 적다.
· 장기 가열에 의한 탈탄 현상이 없다.
· 필요 부분만의 국부 열처리가 용이하다.
· 경화 깊이의 조정이 용이하다.
· 표면경화의 경우 내부의 인성을 유지할 수 있다.
· 표면경화, 풀림, 뜨임, 불림등 모든 열처리 분야에 적용이 용이하다.
(3) 고주파 열처리의 주의사항
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 BUSH 및 PIPE 류의 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 2 차 불림을 하면 좋다.
(4) 고주파 열처리장치의 구조
① 고주파 발생장치
상용의 60Hz 의 전력을 금속의 가열에 보다 효율적인 고주파 전력으로 변환시켜주는 장치이며,
변환기구로서 진공관을 사용하는 방식(진공관식 GENERATOR)과 반도체소자를 사용하는 방식이 있다. 반도체
소자로서 S.C.R 을 사용하는 THYRISTER INVERTER 는 에너지 효율이 탁월하여 최근 고주파 열처리에 가장
널리 사용되고 있으며, 진공관식 GENERATOR 는 10KHz 이상의 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 MACHINE 이
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.
* 표시는 규격의 합산(최소∼최대) 탄소강, ( )는 참고치
6. 가스질화란 무엇인가?
1) 개 요
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 + 2N 과 같은식의 해리에 의하여 발생된 발생기 질소(N)가 銅중의
미소성분인 Al, Cr, Mo, Ti 등과 화합하여 Al-N, Cr-N 등과 같은 질화물을 만든다.
특히 낮은 온도에서 처리되므로 정밀도를 유지하여 변형이 적은 표면경화법이다.
2) 질화목적
질화를 하는 본래의 목적은
● 높은 표면경도
● 내마모성과 흠집에 대한 저항성(antigalling)
● 피로수명증진
● 내식성(스텐레스 경우는 예외), 내열성
● 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 변화가 극히 적은 열처리 기술임.
3) 질화강
합금 원소로써 사용되는 것은 보통 Al, Cr, V, W, Mo 등인데 질화온도에서 안정한 질화물을 형성하기 때문에 Mo 은 질화물을 형성할 뿐만 아니라 질화온도에서의 취성을 감소시켜 주는데 기여를 한다. Al 은 가장 강력한 질화물형성 원소로(0.8∼1.5% Al)을 함유하고 있는 강이 합금원소 함량만으로 보았을 때는 최상의 질화결과를 나타낼 수 있으나, Cr 을 함유하고 있는 강도 Cr 함량이 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 Al 강은 매우 높은 경도의 내마모성이 대단히 좋은 질화층을 생성시키나 이 질화층은 전성이 작으므로 함Al 강을 질화강으로 선택할 때에는 이점에 유의해야하는데 반대로 저합금 Cr 강은 상당히 전성이 크나 경도가 낮은 질화층을 만든다. 그러나 이러한 차이가 있다고해도, 이들 질화강은 내마모성과 좋은 긁힘 저항성을 나타낸다. 함 Cr 공구강들은 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.
● Al 은 표면경도 향상에는 유효하지만 경화깊이 증대에는 도리어 역효과를 미친다.
● Cr 은 표면경도와 깊이 향상에 모두 기여한다.
● V 은 경화깊이 증대에 큰 효과를 나타낸다.
● 경화층 깊이 증대에는 Cr, V 을 첨가하는 것이 좋다, 유효경화깊이(HV420)에는 Cr 을 1.0% 첨가함으로
써 최대가 되고, V 은 0.1%이상의 첨가로서 포화된다.
4) 질화전 열처리
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.
5) 화학성분별 Gas 질화 표면경도 측정값 DATA
NOTE.
● 표면 질화층(화합물층) 두께 : 0.5∼0.7 ㎜
● 탄소강은 경도가 낮고 Cr, Mo, V 합금강은 경도가 높은 질화층 경도를 얻는다.
● 공정설계 : 사용현상조사, 연구 ⇒ 적합한 재질선택 ⇒ 황삭기계가공 ⇒ 조질(담금질, 뜨임) ⇒ 정삭
⇒ 연삭(마무리사상) ⇒ 치수검사 ⇒ 탈지, 세척 ⇒ 질화준지 ⇒ Gas 질화(72hr 이상)
7. 진공열처리
1) 진공로의 담금질 작업표준
(1) 적용범위
이 작업표준은 당사의 진공로에서 가공하는 금형, 공구류의 1 차예열, 2 차예열, 본열, 냉각에 대하여
규정한다.
(2) 가공(목적)품질
① 겉모양(표면상태)
표면에 균열, 산화피막층이 없어야 하고 담금질후 가공품 표면에 반점 및 변형이 없어야 한다.
② 변형 및 경도
담금질후 피가공물의 변형상태는 가공품별 재질별에 따라서 아래 표와 같다.
2) 진공로의 뜨임작업
(1) 적용범위
이 작업표준은 당사에서 가공하는 금형, 공구류의 진공열처리중 담금질후에 실시하는 뜨임 작업 공정에 대하여 규정한다.
(2) 가공(목적)품질
① 겉모양
표면에 균열, 산화피막층이 없어야 하고 진공템퍼링후 표면이 미려하여야 하며 광휘성이 양호하여야 한다.
② 경 도
뜨임후의 강종별 경도는 다음표와 같다.
3) 진공열처리란?
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.
4) 금형소재 절단에는 절단방향이 매우 중요하다.
① 냉간공구강 SKD11 등의 상종은 소재의 단신방향(혹은 압연방향) 및 이와 직각방향에 있어서
치수변화의 상태가 상이하여, 소위 방향에 대한 수치변화의 이방성을 나타낸다. 따라서 소재로부터의 재료
선택에 특히 주의할 필요가 있다.
② 열간공구강 SKD61 금형의 경우 담금질, 뜨임처리에 의해 소재의 단신방향으로 수축 혹은 약간 팽창하며,
이것과 직각방향으로는 반드시 팽창한다. 이렇게 열처리에 의해 발생하는 치수변화는 방향에 대한 이방성을
나타내므로 주의할 필요가 있다.
5) 2 차 경화공구강에는 고온뜨임이 좋다
냉간금형강의 대표적인 SKD11 은 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 SKD11 의 뜨임 온도는 200℃만이 아니고, 고온뜨임도
고려해야 한다.
다행히 SKD11 은 2 차 경화를 나타내는 합금강이므로 고온뜨임이 가능하다.
500℃∼530℃의 뜨임으로서 경도는 200℃ 뜨임보다도 HRC 에서 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)
6) 방전가공후 응력제거(재뜨임)가 필요하다
방전가공과 와이어 방전가공시 액중에서 용융가공하기 때문에 가공표면은 용융가공 담금질층, 그 아래는
고온담금질층, 3 번째층은 고온뜨임층이 되어 있다. 첫째층과 둘째층을 EDM 의 변질층이라고 부른다. 이것은
담금질층이므로 마르텐사이트 백색층이다. 따라서 이층을 뜨임하지 않으면 안된다. 그대로 사용하면
마르텐사이트층이 결손하게 된다.
스트레스제거라는 의미에서도 뜨임은 필요하다. 뜨임온도는 SKH 는 500℃∼550℃, SKD, SKS 등은
200℃에서 뜨임한다.
8. 조질열처리
1) 담금질 + 고온뜨임
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 제 1 조건은 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 Mf 가 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.
2) 조질열처리품의 황삭가공치수
(1) 적용범위
이 규정은 거친 가공후 조질열처리를 시행하는 부품의 황삭가공치수에 대해 규정한다.
(2) 황삭가공 치수
황삭가공치수는 부품의 형상에 의해 각각 아래표에 따르는 것으로 한다.
(3) 표면의 거칠기 : 황삭가공의 표면거칠기에 대해서는 별도로 규정하지 않지만 절단기의 상처와 표면의
흑피 부분을 남겨서는 안된다. (Crack 발생의 주요요인)
(4) 특수부품의 황삭가공치수 : 특수재질 및 특수형상으로 조질열처리 변형이 특히 큰 것. 또 조질열처리
후의 절삭가공중에 특히 커다란 변형이 발생하는 것에 대해서는 담당자간에 협의한 뒤 이 규정의 치수에
적당한 수치를 가산한다.
① 환봉류의 황삭가공치수
외경에 아래표의 치수를 가산한다. 단위 ㎜
② 원통류의 황삭가공치수
외경 및 내경에 아래표의 치수를 가산한다. 단위 ㎜
③ 평물류(판)의 황삭가공치수
두께에 아래표의 치수를 가산한다. 단위㎜
9. 경도불량의 원인과 대책
10. 열처리 변형 방지의 요점
11. 열처리 강재의 화학성분 및 열처리조건
(1) 냉간가공용 합금공구강(COLD WORK TOOLS STEEL)
(2) 열간가공용 합금공구강(HOT WORK TOOL STEEL)
(3) 탄소공구강(HIGH CARBON TOOL STEEL)
(4) 고속도공구강(HIGH SPEED TOOL STEEL)
(5) 구조용 합금강 및 탄소강(ALLOY STRUCTURAL STEEL AND CARBON STEEL)
12. 담금질, 조질처리의 특징 일람표
13. 표면경화 처리의 특징 일람표
14. 열처리 용어 해설
15. 열처리에 의한 금형 파손 원인
- 열처리시 소재의 표면관리 오류(침탄, 탈탄) : 40%
- Quenching 처리 및 Tempering 작업 오류 : 20%
- 오스테나이트화 온도 관리 부실 : 10%
- 설계미스, 과도한 연마, 무리한 사용조건, 부적절한 강종선택 : 30%
16. 연마 작업에 의한 금형 파손 원인(냉간 공구강)
- Factor : 연마속도, 무디어진 wheel, grit 크기, 냉각액
- 현상 : 표면 변색(Burning), 미세균열(에칭확인)
- 관리사항 : 연마 열화 방지, 연마 방향에 따른 Grinding Scratch
→ 부적절한 Quenching 혹은 Tempering 처리에 의해서 연마시 균열발생
(Tempering 연결시간, 높은 담금질 온도, 침탄층)
17. 열처리 사고를 줄이기 위한 설계상의 주의점
1) 정밀한 설계는 열처리 사고를 방지
2) 생산성 향상에 뛰어난 열처리 효과
설계 → 소재 → 황삭가공 → 풀림 → 정삭가공 → 열처리 → 연마 → 완성
마무리
산업현장에서 금속 열처리의 종류와 방법 등에 대해 확인하실 때 활용하시길 바랍니다. 감사합니다.
끝까지 읽어주셔서 감사합니다.
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