Transcript 항온 열처리

자동차 재료
제 7 장 강의 열처리
7.1 열처리의 개요(p83)
(1) 열처리의 종류
- 금속을 적당한 온도에서 가열과 냉각 등의 각종 조작을 하여, 특별한 성질을 부여하는 것을
열처리(heat treatment)라고 한다.
- 열처리의 종류에는 다음과 같은 것이 있다.
① 계단 열처리 (interrupted heat treatment)
② 항온 열처리 (isothermal heat treatment)
③ 연속냉각 열처리 (continuous cooling heat treatment)
④ 표면경화 열처리 (surface hardening)
- 이 밖에 시효경화 열처리, 노말라이징, 기타 열처리가 있다.
7.1 열처리의 개요(p83)
(2) 열처리의 목적
(가) 기계재료의 성질 개량
- 강도, 경도, 인성, 연성 개량
- 내마멸성, 내식성, 변형방지
(나) 기계재료 가공성 개량
- 피삭성 향상
- 소성가공성 향상
(다) 제조공정 열처리
- 풀림
- 표면처리
- 분말야금의 소결처리
7.1 열처리의 개요(p83)
(2) 열처리의 목적(계속)
(가) 경도나 인장강도를 확대 시킴 (quenching)
(나) 기계가공에 적당한 상태로 만듬 (annealing, 탄화물의 구상화 처리)
(다) 조직을 미세화하여 방향성을 적게 하고 편석이 적은 균일한 상태로함 (normalizing)
(라) 냉간 가공의 영향을 제거 (annealing, 변태점 이하의 온도로 가열하는 연화처리)
(마) 거시적 응력을 제거하고 기계가공에 의한 제품의 변형발생 또는 사용중에 파손방지
7.2 계단 열처리
계단 열처리에는 다음과 같은 여러 가지 기본 방법이 있음
① 퀜칭(quenching, 담금질) – 급랭시켜 재질을 경화한다.
② 템퍼링(tempering 또는 뜨임) – 담금질한 것에 인성을 부여한다.
③ 어닐링(annealing 또는 풀림) – 재질을 연하게 하고 균일하게 한다.
④ 노멀라이징(normalizing 또는 불림) – 소재를 일정온도에서 가열한 후 공랭하여 표준화한다.
7.2 계단 열처리
B
담금질 온도
C
F
D
A
가열시간
담금질시간
뜨임온도 유지
G
E
뜨임시간
- 계단 열처리 방법은
AB : 가열, BC : 정온유지, CD : 급랭, EF : 재가열, FG : 정온유지, GH : 공랭 등의 일련의 과정을
거쳐 작업이 진행됨
- AB  BC  CD의 과정은 이것을 담금질(quenching)라고 부르며
<담금질 방법>
1. 실온에서 A1변태점 이상의 적당한 온도까지 AB와 같이 서서히 가열
2. 일정한 온도 BC에서 온도를 유지하고
3. C에서 적당한 냉각제중에 급랭하여 강을 경화시킴
7.2 계단 열처리
B
담금질 온도
C
F
D
A
가열시간
담금질시간
뜨임온도 유지
G
E
뜨임시간
- EF  FG  GH의 과정을 뜨임(tempering)이라고 함.
<뜨임의 목적>
담금질된 강은 경도가 크나 인성이 작아 이 작업을 거쳐 필요한 경도와 인성을 갖게 한다.
7.2 계단 열처리 _ 담금질
[1] 담금질(Quenching) 개요
1. 고탄소강(C 0.86%)을 A1 변태점 이상으로 가열하여 균일한 오스테나이트 조직으로 만든다.
2. 오스테나이트 조직은 매우 천천히 냉각되면 펄라이트가 된다.
3. 냉각속도가 빠르면 A1변태가 끝나지 못하고 중간조직으로 된다. 이것들은 천천히 냉각하여
얻은 펄라이트보다 경도가 크고 강하다.
 냉각 속도에 따라 오스테나이트, 마르텐사이트, 트루스타이트, 소르바이트 조직이 생성됨
담금질온도
유중
A
M
T
S
P+F
7.2 계단 열처리 _ 담금질
- 오스테나이트 : 고온조직으로 이 조직은 냉각 중에 변태를 일으키지 못하도록 급랭하여 고온의 조직을
상온에서도 유지시킨 것  비자성체로 전기저항이 큼, 경도 낮으나 연신율이 크다
- 마르텐사이트 : 오스테나이트 조직을 가열한 후 급랭시켜 C를 과포화 상태로 고용한 α철의 조직
이 조직은 침상이고, 내식성이 강하며, 경도와 인장강도가 크다. 또한 여리고 전성이 작으며 강자성체
- 트루스타이트 : 냉각이 불충분하면 오스테나이트 조직이 페라이트와 시멘타이트로 변하는 조직이다.
부식이 가장 잘된다.
- 소르바이트 : 트루스타이트보다 냉각속도가 느릴 때 생기는 조직으로 강도와 탄성을 요구하는 스프링
및 와이어에 많이 사용된다.
담금질온도
열처리 조직의 경도 : A < M > T > S > P > F
유중
A
M
T
S
P+F
7.2 계단 열처리 _ 담금질
[2] 담금질 온도
- 탄소함유량에 따라 적당한 담금질 온도를 선택하여야 함
- 담금질 온도가 너무 낮으면 균일한 오스테나이트를 얻기 어려우며, 또한 담금질하여도
온도 (℃)
경도가 크게 되지 않는다.1600
1490 ℃
δ+L
1500 δ
- 담금질 온도가 너무 높으면 과열로 인하여 재질이 변화하게 되어 담금질 효과가L작아진다.
A 4 1400
(0.18)
- 따라서 담금질 온도는 과공석강은
A
적당
1(723℃)온도 이상 30~50℃가
1300
γ
+
L
아공석강은(0.10)
Ac321 변태 온도보다 약간 높게 설정
1200
cm
)
γ
tit
e
(A
1100
A 3 900
A 2 800
A1
α+γ
α
Fe
-c
em
en
1000
700
600
Fe-cementite(1130 ℃) C (4.30)
담금질 온도
γ + Fe3C
A1 Fe-cementite(720 ℃)
(0.025) (0.80)
L+
Fe3C
7.2 계단 열처리 _ 담금질
[3] 냉각속도
- 담금질 효과는 냉각속도의 영향을 받음, 냉각액과 밀접한 관계가 있음.
- 냉각액의 경우 보통 물, 기름을 많이 사용하며, 기타 소금물이나 비눗물 및 용융염등이 사용됨
- 일반적으로 탄소강, 텅스텐강 및 망간강 등에는 물,
기타 특수강에서는 기름 사용
- 냉각효과 : 소금물 > 물 > 기름
① 소금물 : 냉각속도가 가장 빠르다.
② 물 : 처음은 경화능이 크나 온도가 올라갈수록 저하한다.
③ 기름 : 처음은 경화능이 작으나 온도가 올라갈수록 커진다.
7.2 계단 열처리 _ 풀림
[1] 풀림(annealing)의 개요
- 단조작업을 한 강철 재료는 고온으로 가열하여 작업하게 되므로, 그 조직이 불균일하고
또한 억세다. 이와 같은 조직을 균일하게 하고, 결정 입자의 조정, 연화 또는 냉간가공에
의한 내부 응력을 제거하기 위해 적당하게 가열하고 천천히 냉각하는 조직을 풀림이라고 한다.
- 풀림은 완전풀림, 저온풀림, 구상화풀림, 중간풀림으로 구분된다.
- 냉각 : 서서히 노중에서 냉각됨.
7.2 계단 열처리 _ 풀림
[2] 풀림(annealing)의 종류
- 완전풀림 : 용융상태로부터 응고한 주강 또는 장시간 고온에 있었던 강은 결정입자가 거칠기
때문에 A3변태점 이상 30~50℃의 온도 범위에서 일정기간 가열하여 입자를 미세하게 한 후
냉각하는 방법
- 저온풀림 : 냉간가공이나 그 밖의 가공에 의해 생기는 내부응력 및 변형을 제거하기 위해
600~650℃로 가열하여 서냉하는 방법으로 연화풀림이라고도 한다.
- 구상화풀림 : 펄라이트 중의 층상 시멘타이트가 그대로 존재하면 절삭성이 나빠지므로 이것을
구상하기 위하여 Ac1점 아래(600~700℃)에서 일정시간 가열 후 냉각시키는 방법이다.
- 중간풀림 : 냉간가공의 공정 도중에 실시하며 가공성의 향상이나 가공후의 균열방지를 위한
풀림 작업
7.2 계단 열처리 _ 뜨임
[1] 뜨임(Tempering)의 개요
- 담금질한 강은 대단히 단단하고 메져서, 여기에 적당한 점도를 가지도록 하기 위하여 A1변태점
이하의 온도로 가열하여 천천히 냉각하는 조작을 뜨임이라고 한다.
- 사용목적에 따른 뜨임의 종류
• 저온뜨임 : 담금질에 의해 생긴 재료 내부의 잔류응력을 제거하고 주로 경도를 필요로 할
경우에 약 150℃ 부근에서 뜨임하는 것을 말한다.
• 고온뜨임 : 담금질한 강을 500~600℃ 부근에서 뜨임하는 것으로 강인성을 주기 위한 것이다.
7.2 계단 열처리 _ 불림
[1] 불림(Normalizing)의 개요
- 단조 압연 등의 소성가공이나 주조로 거칠어진 조직을 미세화하고 편석이나 잔류응력을
제거하기 위하여 A3 변태점보다 약 30~50℃ 높게 가열하여 공기 중에서 방냉하는 작업
- 특징으로는 결정입자가 미세하고, 조직이 균일하게 되어 경도, 강도가 크게 증가하고 연신율과
인성도 다소 증가한다.
- 표준조직을 만든다
온도 (℃)
1600
1490 ℃
δ
L
1400
1300
δ+L
(0.18)
γ+L
(0.10)
1200
γ
α+γ
α
700
600
γ + Fe3C
Fe
-c
em
en
1000
800
Fe-cementite(1130 ℃) C (4.30)
tit
e
(A
1100
900
L+
Fe3C
)
1500
cm
7.3 항온 열처리와 그 조직
A1 Fe-cementite(720 ℃)
(0.025) (0.80)
500
α + Fe3C
400
300
A0 (210℃ )
200
100
`0
강의 변태
Fe
순철
1
2
주강
3
4
주철
5 ~ 6.67
중량(% C)
(a) 액체  액체 + δ철  γ철  α철
(b) 액체  액체 + γ철  γ철  γ철 + 페라이트  페라이트 + 펄라이트
(c) 액체  액체 + γ철  γ철  펄라이트
(d) 액체  액체 + γ철  γ철  γ철 + 시멘타이트  시멘타이트 + 펄라이트
(* ) 액체  γ철 + 시멘타이트  시멘타이트 + 펄라이트
7.3 항온 열처리와 그 조직
항온 열처리
- AB간에서 오스테나이트까지 서서히 가열  BC 간에서는 가열이 균일하게 되도록 일정시간
유지  D에서 salt bath(염욕)에 급랭  DE간의 일정 시간 동안 일정한 온도에서 항온 뜨임
 EF에서는 공기 중에서 냉각
- 담금질과 뜨임 2종의 공정을 같이 할 수 있고, 또 담금질에서 오는 파손을 방지 할 수 있는
열처리법
- 담금 및 뜨임을 하여 재료가 필요한 조직으로 변태시키는 것 : 항온 열처리
B
C
온도
솔트 배스에 담금질
D
E
A
F
가열시간
담금질 및 뜨임
시간
7.3 항온 열처리와 그 조직
항온 변태도 (Isothermal Transformation Curve)
- 항온 변태를 진행 시킬 때 변태온도를 변화시킨 것과 열처리 조직과의 관계를 표시하는
선도를
= 항온변태곡선(Isothermal Transformation Curve)
= TTT곡선 (Time-Temperature-Transformation Curve)
= C곡선 / S곡선
※공석강(0.8%C)  A1변태온도 이상 가열  Austenite화  A1변태온도 이하 어느 온도로 급랭
그 온도를 유지하면서 시간의 경과에 따른 Austenite의 변태를 나타낸 곡선)
온도 (℃)
1600
1490 ℃
δ
(0.18)
γ+L
(0.10)
1200
γ
900
800
α+γ
α
Fe
-c
em
en
tit
e
(A
1100
1000
700
600
P
L+
Fe3C
)
1300
A
δ+L
L
1400
cm
1500
Fe-cementite(1130 ℃) C (4.30)
γ + Fe3C
B
A1 Fe-cementite(720 ℃)
(0.025) (0.80)
500
α + Fe3C
M
400
300
A0 (210℃ )
Ms : 마르텐사이트 변태 시작
Mf : 마르텐사이트 변태 종료
200
100
`0
Fe
순철
1
주강
2
3
4
주철
5 ~ 6.67
중량(% C)
7.3 항온 열처리와 그 조직
항온변태도 (Isothermal Transformation Curve)
- TTT curve 특징 : 변태가 시작되는 시간과 종료되는 시간을 나타냄
- 왼쪽 곡선 : 변태 개시선 / 오른쪽 곡선: 변태 종료선
- 550℃부근 : 곡선이 왼쪽으로 돌출  변태가 이 온도에서 가장 먼저 시작  nose라고 부름
- Nose 윗 부분 : 펄라이트 / 아랫부분 : 베이나이트 조직 형성
cm
)
γ
800
α+γ
α
700
600
Fe-cementite(1130 ℃) C (4.
γ + Fe3C
Fe
-c
em
en
1000
7.3 항온 열처리와 그 조직
900
tit
e
(A
1100
A1 Fe-cementite(720 ℃)
(0.025) (0.80)
500
α + Fe3C
400
- 300
예) 공석강의 경우 : A1온도 이상에서 550℃까지A
냉각시켜서
항온
0 (210℃
) 유지하면
1초 후에 Pearlite 변태 시작  10초 이내에 변태가 완료
200
100
`0
Fe
1
2
3
4
7.3 항온 열처리와 그 조직
7.3 항온 열처리와 그 조직
7.4 연속 냉각 곡선
연속 냉각 곡선 (CCT, continuous cooling transformation curve)
- Fig 7.36(p110)은 각종 조건으로 냉각한 때의 연속 냉각 곡선
- 이 방법으로 냉각과정에서 변태를 일으켜 목적하는 조직을 얻는 방법
7.4 연속 냉각 곡선
연속 냉각 곡선 (CCT, continuous cooling transformation curve)
- Fig 7.37(p110) 그림 참조
- Path-1 : 100% Pearlite (느리게 냉각) ; 펄라이트 변태는 a에서 시작하여 b에서 완료
- Path-2 : 60% Pearlite + 40% Martensite (조금 빠르게 냉각) ; 펄라이트 부분변태 발생(c-d)
마르텐사이트 나머지 변태(e-f)
- Path-3 : 100% Martensite (아주빠르게냉각) ; S 곡선과 만나지 않는 임계 냉각속도 : 마르텐사이트
[g-h]
a
c
b
d
g
e
h
f
냉각곡선
용어 정리(참고용)
[1] 뜨임(tempering)
- 담금질한 강에서 인성이 필요할 때 A1 변태점 이하의 적당한 온도로 가열한 후 서냉시켜서
내부 응력을 제거하고 인성을 증가시켜 주는 열처리
[2] 담금질(quenching)
- 강을 A1 변태점 이상으로 가열하여 유중이나 수중에서 급냉시켜 강도와 경도를 증가시키는
열처리
[3] 불림(normalizing)
- 금속을 A3, A(cm) 변태점 이상 30~60℃의 온도로 가열한 후 대기중에서 서냉을 시켜 조직을
미세화하고 내부응력을 제거하는 열처리
용어 정리(참고용)
[4] 풀림(annealing)
- A3, A1, 변태점 이상 20~50℃의 온도로 가열을 한 후 노중에서 서냉을 시키는 열처리
[5] 표면경화법
- 고주파 경화법 : 금속 표면에 코일(coil)을 감고 고주파 전류를 통하여 표면만 고온으로 가열 후
급냉시키는 방법
- 화염경화법 : 산소-아세틸렌 불꽃으로 강의 표면만을 가열하여 열이 중심부에 전달되기 전에
급냉시키는 방법
- 청화법 : 시안화 나트륨, 시안화 칼륨등의 청화물이 철고 작용하여 금속표면에 질소와 탄소가
동시에 침투하게 하는 방법
- 질화법 : 암모니아가스속에 강을 넣고 장시간 가열하면 질소와 철이 작용하여 질화철이 된다.
특징은 경화층은 얇으나 경도, 내마모성, 내식성, 내산화성 등이 증가하지만, 충격저항이 다소
감소한다.
- 침탄법 : 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소강(과공석강)으로 만든 후 담금질하는 것이며
고체침탄법, 가스침탄법, 액체침탄법 등이있다.
기출문제
1. 탄소강을 가열하여 오스테나이트 조직으로 하고, 이것을 다시 마르텐사이트 조직으로 바꾸는
열처리를 무엇이라고 하는가?
① 담금질 ② 뜨임 ③ 풀림 ④ 불림
2. 열처리에 있어서 담금질의 목적으로 올바르게 설명한 것은?
① 강을 경화하고, 강도를 증대시키기 위함이다.
② 강을 표준상태로 하고, 기계적 성질을 향상시키기 위함이다.
③ 담금질한 강의 인성을 증가시키고, 강도를 감소시키기 위함이다.
④ 철 또는 강의 연화 및 결정조직의 내부응력을 제거시키기 위함이다.
3. 다음의 금속조직 중에서 경도가 가장 높은 조직은 어느것인가?
① 마텐자이트 ② 페라이트 ③ 트루스타이트 ④ 소르바이트
4. 다음 열처리 종류 중에 재질을 경화시키는 것은?
① 뜨임 ② 불림 ③ 풀림 ④ 담금질
기출문제
5. 강을 A3 또는 A1 변태점 이상(30~50℃) 가열 후 공기 중에서 서냉시켜 재료의 결정 입자를
미세하고 조직을 균일하게 하는 열처리는?
① 불림 ② 풀림 ③ 뜨임 ④ 담금질
6. 강을 열처리하는 방법 중에서 풀림의 일반적인 목적이 아닌 것은?
① 가공에서 생긴 내부 응력을 저하시킨다.
② 조직을 균일화, 미세화 한다.
③ 담금질할 강을 강화시킨다.
④ 열처리로 인하여 경화된 재료를 연화시킨다.
7. 탄소강의 표준조직이란?
① 담금질에 의해서 얻은 조직을 말한다.
② 뜨임에 의해서 얻은 조직을 말한다.
③ 불림에 의해서 얻은 조직을 말한다.
④ 서브제로처리에 의해서 얻은 조직을 말한다.
기출문제
8. T.T.T 곡선과 관계가 있는 곡선은?
① Fe3-C 곡선 ② 항온변태곡선 ③ 인장곡선 ④ 탄성곡선
9. S곡선에서 Mf점은 무엇을 표시하나?
① 항온변태가 끝나는 점
② 마르텐사이트 변태가 끝나는 점
③ 항온의 변태가 시작되는 점
④ 마르텐사이트 변태가 시작하는 점
10. 강의 담금질 작업 중에서 냉각효과가 가장 큰 냉각제는 어느 것인가?
① 소금물
② 비눗물
③ 보통물
④ 기름