강철 열처리: 필수 기술 설명

강철의 어닐링 및 정규화

어닐링 및 노멀라이징은 제조 분야에서 널리 적용되는 열처리 공정으로 주로 주조, 단조 및 용접 부품의 예비 열처리에 사용됩니다.

목표는 열처리 결함을 제거하고 미세 구조를 개선하며 기계 가공성을 향상하는 것입니다. 성능 요구 사항이 덜 엄격한 부품의 경우 이러한 공정을 최종 열처리로 사용할 수도 있습니다. 다양한 어닐링 및 정규화 공정의 가열 온도 범위는 그림 1-37에 나와 있습니다.

어닐링

어닐링은 강철을 임계 변형점보다 높거나 낮은 온도까지 가열한 다음 그 온도를 유지한 다음 용광로에서 천천히 냉각하여 거의 평형에 가까운 미세 구조를 얻는 과정을 포함합니다. 어닐링 공정에는 여러 유형이 있으며, 생산에 일반적으로 사용되는 공정은 다음과 같습니다:

1) 전체 어닐링.

완전 어닐링은 강철 부품을 Ac1 온도보다 높은 30~50°C까지 가열하고 충분한 시간 동안 유지하여 구조를 완전히 오스테나이트화시킨 다음 천천히 냉각하여 거의 평형에 가까운 미세 구조를 만듭니다.

이 공정은 주로 탄소 함량이 높은 저유전강에 적용되며, 입자를 정제하고 미세 구조를 균질화하며 내부 응력을 완화하고 경도를 낮추고 가공성을 개선하는 것을 목표로 합니다. 결과 미세 구조는 페라이트와 펄라이트로 구성됩니다.

2) 불완전한 어닐링.

불완전 어닐링은 저유전체강은 Ac1과 Ac3 사이의 온도, 초유전체강은 Ac1과 Ac 사이의 온도로 강철을 가열한 다음 유지 후 천천히 냉각하여 거의 평형에 가까운 미세 구조를 달성합니다. 강철이 2상 영역으로 가열되기 때문에 프로유텍토이드 페라이트 또는 이차 시멘타이트의 형태와 분포는 본질적으로 변하지 않습니다.

불완전 어닐링은 주로 구상화된 펄라이트 구조를 얻기 위해 하이퍼유텍로이드강에 사용되므로 하이퍼유텍로이드강에 대한 구상화 어닐링이라고도 합니다. 목적은 미세 구조를 변형하여 네트워크 시멘타이트를 구상 형태로 변환하고, 내부 응력을 완화하고, 경도를 낮추고, 가공성을 개선하고, 담금질을 위한 구조를 준비하는 것입니다.

3) 스트레스 해소 아나힐링.

응력 제거 어닐링은 강철 부품을 Ac1 이하의 온도로 가열하고 그 온도를 유지한 다음 천천히 냉각합니다. 이 과정에서 상 변형은 발생하지 않으며 주조, 단조, 용접 부품 및 가공 부품의 잔류 내부 응력을 제거하여 치수 안정성을 높이고 변형 및 균열을 방지하는 데 목적이 있습니다.

가열 온도가 낮기 때문에 아 임계 어닐링이라고도 합니다.

4) 재결정화 어닐링.

재결정 어닐링은 냉간 가공된 금속을 재결정 온도 이상으로 가열하고 적절한 시간 동안 유지하여 변형된 입자를 균일한 등축 입자로 다시 변환하는 동시에 작업 경화 및 잔류 응력을 제거합니다.

이 공정은 금속의 여러 냉간 가공 사이의 중간 어닐링 또는 냉간 가공된 금속의 최종 열처리로 사용할 수 있습니다. 재결정화 어닐링 후에는 금속의 미세 구조와 특성이 냉간 가공 전 상태로 복원됩니다.

어닐링

노멀라이징은 강철 부품을 30~50°C 이상으로 가열하는 열처리 공정입니다._c3 또는 A_cm 온도에서 적절한 시간 동안 유지한 다음 공기 중에서 냉각하여 펄라이트 구조를 얻습니다. 저유전체 강철의 표준화 온도는 완전 어닐링보다 약간 높지만 더 빨리 냉각되어 펄라이트 구조가 더 미세하고 강도가 높습니다. 강철의 경도.

노멀라이징은 장비를 장시간 사용하지 않고도 생산성을 높일 수 있으며, 저탄소 강재의 가공성을 개선하는 데 자주 사용됩니다. 응력이 적고 성능 요구 사항이 낮은 부품의 경우 노멀라이징을 최종 열처리 공정으로 사용할 수 있습니다. 이 공정은 저탄소강에서 네트워크 탄화물을 제거하여 구상화 어닐링을 위한 구조를 준비합니다.

대형 공작물이나 복잡한 형상 또는 단면 치수가 크게 변화하는 공작물의 경우 정규화를 통해 담금질과 템퍼링을 대체하여 왜곡과 균열을 방지할 수 있습니다.

강철의 담금질 및 템퍼링

(1) 담금질

담금질은 강철을 임계 상전이점인 Ac3 또는 Ac1 이상까지 30~50°C까지 가열한 후 단열 및 급속 냉각하여 마르텐사이트 및 베이나이트와 같은 비평형 구조를 얻는 열처리 공정입니다.

강철 담금질의 주요 목적은 마르텐사이트의 형성을 극대화한 다음 다양한 온도에서 템퍼링하여 원하는 특성을 달성하는 것입니다. 담금질의 품질은 담금질 가열 온도, 냉각 매체 및 담금질 방법에 따라 달라집니다.

1) 담금질 가열 온도.

담금질 가열 온도의 선택은 담금질 시 미세한 마르텐사이트 구조의 형성을 용이하게 하는 균일하고 미세한 오스테나이트 입자 크기를 얻는 것을 기반으로 해야 합니다. 특정 담금질 가열 온도는 강철의 임계 상전이점에 따라 결정됩니다.

저유텍토이드 강철의 경우 담금질 가열 온도는 일반적으로 A 이상입니다._c3 30~50°C. 온도가 A_c1 및 A_c3를 사용하면 담금질 후에도 페라이트가 마르텐사이트와 함께 구조물에 남아 강철의 강도와 경도를 감소시킵니다. 그러나 가열 온도는 A_c3 오스테나이트 입자가 거칠어지고 거친 마르텐사이트 구조가 형성되는 것을 방지하기 위해 너무 많이 사용합니다.

유텍토이드 및 하이퍼 유텍토이드 강의 경우, 담금질 가열 온도는 일반적으로 A 이상입니다._c1 30-50°C까지 가열합니다. 이는 주로 적절한 양의 시멘타이트는 유지하면서 미세한 오스테나이트 입자를 얻기 위한 것으로, 담금질 후 결정질 마르텐사이트와 고르게 분포된 입상 탄화물을 형성합니다.

결과적으로 강철은 더 높은 강도, 경도 및 내마모성을 가질 뿐만 아니라 우수한 인성을 나타냅니다. 가열 온도가 너무 높으면 많은 수의 이차 시멘타이트 입자가 용해되어 담금질 후 잔류 오스테나이트의 양이 증가하여 변형 및 균열 경향이 커질 수 있습니다.

대부분의 합금 원소가 오스테나이트 입자의 성장을 방해하기 때문에 합금강의 담금질 가열 온도는 일반적으로 탄소강의 담금질 가열 온도보다 높습니다. 담금질 가열 온도를 높이면 합금 원소가 완전히 용해되고 균질화되어 더 나은 담금질 결과를 얻을 수 있습니다.

2) 냉각 매체 담금질.

강철을 오스테나이트 상태에서 Ms 점 이하로 낮추는 데 사용되는 냉각 매체를 담금질 냉각 매체라고 합니다.

매체의 냉각 능력이 강할수록 강철의 냉각 속도가 빨라져 담금질 후 경화 층이 더 깊어집니다. 그러나 냉각 속도가 너무 높으면 공작물에 상당한 담금질 응력을 유발하여 변형 및 균열이 발생하기 쉽습니다. 따라서 담금질 시 적절한 담금질 냉각 매체를 선택하는 것이 중요합니다.

일반적인 담금질 냉각제에는 물, 염수, 알칼리성 수용액 및 오일이 있으며, 냉각 용량은 표 1-4에 나와 있습니다. 물과 오일은 가장 자주 사용되는 담금질 매체입니다. 일반적으로 물 담금질은 크기가 작고 모양이 단순한 탄소강 가공품에 사용되는 반면, 오일 담금질은 일반적으로 더 크고 복잡한 탄소강 및 합금강 가공품에 사용됩니다.

표 1-4: 일반적으로 사용되는 담금질 매체의 냉각 용량

3) 담금질 방법

일반적인 담금질 방법에는 단일 매체 담금질, 이중 매체 담금질, 단계 담금질 및 등온 담금질이 있으며, 냉각 곡선은 그림 1-38에 설명되어 있습니다.

단일 매체 담금질은 오스테나이트 상태로 가열된 공작물을 담금질 매체에 담그고 실온으로 지속적으로 냉각하는 방식입니다(그림 1-38의 곡선 1). 이 방법은 단순한 형상의 탄소강 및 합금강 공작물에 적합하며, 일반적으로 탄소강에는 물을, 합금강에는 오일을 사용합니다.

이중 매체 담금질은 처음에는 냉각 능력이 강한 담금질 매체에서 오스테나이트 상태로 가열된 공작물을 Ms 점 온도에 근접할 때까지 냉각한 다음 마르텐사이트 변환이 완료될 때까지 냉각 능력이 약한 매체로 즉시 옮기는 방식으로 구성됩니다(그림 1-38의 곡선 2).

이 방법은 일반적으로 대형 탄소강 조각에 사용되며, 물 담금질 후 오일 냉각 또는 오일 담금질 후 공기 냉각을 사용하는 경우가 많습니다. 단계 담금질은 오스테나이트 상태로 가열된 공작물을 Ms 점 온도보다 약간 높은 매체(예: 염욕)에 담가 내부 및 외부 온도를 균일하게 한 다음 실온으로 공기 냉각하여 마르텐사이트 변환을 완료하는 것입니다(그림 1-38의 곡선 3).

이 담금질 방법은 최소한의 변형이 필요한 절삭 공구, 측정 공구 및 정밀 부품과 같은 소형 공작물에 적용할 수 있습니다.
등온 담금질은 오스테나이트 상태로 가열된 공작물을 Ms 점 이상의 적절한 온도에서 소금 욕조에 담그고 장시간 유지하여 낮은 베이나이트로 변형시킨 다음 실온으로 공기 냉각하는 과정입니다(그림 1-38의 곡선 4).

이 방법은 주로 금형, 절삭 공구, 기어 등과 같이 복잡한 모양과 정밀한 크기의 공구 및 중요한 기계 부품에 사용됩니다.

4) 강철의 경화성.

경화성은 오스테나이트강이 담금질 중에 마르텐사이트를 형성하는 능력을 말하며, 경화 층의 깊이와 특정 조건에서 얻은 경도의 분포가 특징입니다. 경화성은 강철의 중요한 기술적 특성이며 재료 선택 및 열처리 공정의 공식화를 위한 필수 기준 중 하나입니다.

단면적이 큰 공작물의 경우 표면 냉각 속도가 가장 높고 가열 및 담금질 후 코어 냉각 속도가 가장 낮습니다. 그림 1-39와 같이 공작물의 단면 전체에서 임계 냉각 속도(v_critical)보다 빠르게 냉각되는 영역은 마르텐사이트 구조로 완전히 변형되고, 냉각 속도가 v_critical 미만인 영역은 비마르텐사이트 구조가 형성됩니다.

공작물 표면에서 하프 마르텐사이트 영역(마르텐사이트와 비 마르텐사이트 구조가 각각 면적의 50%를 구성)까지의 깊이는 일반적으로 경화 층의 깊이로 정의됩니다. 하프 마르텐사이트 영역의 위치는 금속 현미경으로 쉽게 관찰할 수 있으며 경도계로 경도를 측정할 수 있습니다.

따라서 경화성은 담금질 후 특정 깊이의 경화층을 달성하는 강철의 능력으로 이해할 수 있으며, 이는 본질적으로 과냉각 오스테나이트의 안정성을 반영합니다.

(2) 템퍼링

템퍼링은 담금질된 강철을 임계점 A 이하의 온도까지 가열하여 안정적인 강화 구조로 변환한 다음 제어된 방식으로 실온으로 냉각하는 과정입니다.

템퍼링의 주요 목적은 담금질 응력을 줄이거나 제거하고, 해당 구조적 변형을 보장하며, 강철의 인성과 소성을 향상시키고, 강도, 경도, 소성 및 인성 간의 적절한 균형을 달성하여 다양한 응용 분야에 대한 공작물의 성능 요구 사항을 충족하는 것입니다.

a) 공작물 단면의 냉각 속도 b) 경화되지 않은 영역

템퍼링은 가열 온도에 따라 저온, 중온, 고온 공정으로 분류할 수 있습니다. 저온 템퍼링은 150~250°C에서 이루어지며 주로 마르텐사이트를 강화합니다. 이 처리는 강철의 고강도, 경도 및 내마모성을 유지하면서 인성을 향상시킵니다. T

따라서 저온 템퍼링은 공구, 측정 기기, 구름 베어링, 침탄 부품 및 표면 경화 가공품에 특히 적합합니다. 고탄소 및 고탄소 합금강의 경우 높은 경도와 내마모성을 유지하면서 담금질 응력과 취성을 현저히 감소시킵니다.

담금질을 통해 저탄소 마르텐사이트를 달성한 강재의 경우 저온 템퍼링을 통해 내부 응력을 줄이고 강도와 가소성을 더욱 개선하여 우수한 종합 기계적 특성을 유지할 수 있습니다.

중온 템퍼링은 350-500°C에서 수행되며 주로 템퍼링된 트루스타이트가 생성됩니다. 이 공정은 담금질 응력을 효과적으로 제거하므로 강철은 높은 탄성 한계를 나타내며 높은 강도와 경도뿐만 아니라 우수한 가소성과 인성을 유지합니다. 따라서 중온 템퍼링은 주로 다양한 스프링 부품과 열간 가공 금형에 사용됩니다.

고온 템퍼링은 500~650°C에서 발생하여 강화 소르바이트가 만들어집니다. 담금질과 고온 템퍼링을 결합한 열처리 공정을 담금질 및 템퍼링이라고 합니다.

이 처리 후 강철은 우수한 종합적인 기계적 특성을 갖습니다. 따라서 고온 템퍼링은 주로 샤프트, 기어, 커넥팅 로드, 볼트 등 중탄소 구조용 강재 또는 저합금 구조용 강재로 만들어진 중요한 기계 부품에 적합합니다. 이러한 부품은 높은 강도와 사용 중 충격 및 교대 하중을 견딜 수 있는 능력이 필요합니다.