[기계안전기술사] 문제풀이 2023년 130-2-5 강 열처리 및 담금질 조직

5. 강을 열처리하는 목적과 강을 고온으로 가열한 후 급랭하면 나타나는 조직에 대하여 설명하시오.

문제풀이

1. 열처리란?
재료에 가열과 냉각의 조작을 통하여 우리가 원하는 성질로 변화시키는 것을 말하여 동일재료라도 열처리에 따라 그 적응성은 광범위하게 변할 수 있다.
열처리를 통하여 모든 산업기계, 구조물, 모든 소성가공, 성형가공, 형상물 등에 적용하여 그 성질에 적합하도록 변화시킬 수 있게 된다.

열처리(Heat Treatment)**의 목적은 금속 재료의 기계적 성질을 개선하거나 변형시키기 위해 온도를 조절하여 가열, 유지, 냉각하는 공정을 의미합니다.
이 과정을 통해 재료의 강도, 경도, 연성, 내마모성, 인성 등의 성질을 조절할 수 있습니다.

2. 금속 열처리의 목적
1) 강도 및 경도 향상 - 기계적 성질 개선
금속을 더 강하게 만들기 위해 열처리를 시행합니다.
예를 들어, **경화(Quenching)**와 담금질(Hardening) 같은 열처리 방법을 통해 재료의 표면 경도를 높이고, 내부 구조를 강화하여 충격에 대한 저항성을 높일 수 있습니다.
경화 처리는 주로 공구나 기계 부품과 같이 내마모성이 중요한 부품에 많이 사용됩니다.
금속 부품이 높은 압력과 충격을 받을 때 성능을 유지할 수 있도록 돕습니다.

2) 연성 및 인성 개선 - 가공성 향상
열처리를 통해 금속을 유연하고 덜 부서지게 만들어 가공성을 향상시킬 수 있습니다.
이는 금속이 변형이나 충격을 잘 흡수할 수 있도록 해줍니다.

풀림(Annealing) 또는 불림(Tempering) 처리는
금속의 연성을 높여 가공이나 기계적 성형 과정에서 균열이 발생하지 않도록 도와줍니다.
이 과정은 금속이 깨지지 않고 변형될 수 있도록 하여, 취성이 중요한 부품에서 특히 유용합니다.

3) 내마모성 및 내식성 향상 - 기계적 성질 개선
금속의 표면을 강화하여 마모에 대한 저항을 높이는 것도 열처리의 중요한 목적 중 하나입니다.
이는 기계 부품이나 공구처럼 마모나 마찰이 자주 발생하는 환경에서 유용합니다.

또한, 열처리를 통해 부식 저항성을 높여 금속이 부식이나 산화에 더 강해지도록 할 수 있습니다.
예를 들어, 스테인리스강은 열처리로 내식성을 강화할 수 있습니다.
이는 공구나 기계 부품의 내구성을 높여주어 장기적으로 안정적인 성능을 유지할 수 있도록 합니다.

4. 잔류 응력 제거, 변형방지
제조 과정에서 생긴 잔류 응력을 열처리를 통해 제거하여, 재료가 더 안정적이고 오랫동안 사용될 수 있도록 합니다.
잔류 응력이 높은 재료는 시간이 지나면서 뒤틀리거나 균열이 발생할 수 있습니다.

불림(Stress Relief Annealing) 처리를 통해 응력을 완화하고 안정성을 확보합니다.
가공 과정 중 발생한 응력을 해소하면 부품의 변형을 방지하고, 고장이나 균열을 예방할 수 있습니다

5. 구조 미세화
금속의 결정 구조를 열처리로 미세하게 조정하여 더 균일하고 세밀한 구조로 만들어 기계적 성질을 개선할 수 있습니다.
이를 통해 재료의 강도와 인성을 동시에 높일 수 있습니다.

노멀라이징(Normalizing)**이나 오스테나이트화와 같은 열처리 방법을 통해 결정립 크기를 제어합니다.
노멀라이징은 금속의 미세구조를 균일하게 만들어, 강도와 인성을 동시에 개선할 수 있습니다.
이는 금속의 특성을 일정하게 유지할 수 있도록 돕습니다.


6. 기계적 특성 최적화

특정한 용도나 요구 사항에 맞춰 금속의 기계적 특성을 조정하는 것이 열처리의 또 다른 목적입니다.
예를 들어, 금속을 가공하거나 성형할 때 적합한 특성을 가지도록 열처리를 통해 조정합니다.

강도, 경도, 연성 등의 특성을 동시에 조절하여 제품의 사용 환경에 맞게 특성화할 수 있습니다.

7. 자기적 성질 변화
일부 금속은 열처리를 통해 자기적 성질을 조절할 수 있습니다.
예를 들어, 철-니켈 합금 같은 금속은 열처리로 자기적 특성을 강화하거나 약화시켜 특정 목적에 맞게 조정할 수 있습니다.

8. 화학적 성질 변경 (표면 경화, 질화 등)
열처리와 함께 화학적 성분을 변화시키는 공정을 통해 금속 표면의 화학적 성질을 조정할 수 있습니다.
예를 들어, 질화(Nitriding) 처리는 금속 표면에 질소를 침투시켜 표면 경도를 높이는 방법입니다.

이러한 처리 방법은 내마모성과 내식성을 동시에 높이는 데 유리합니다.

3) 특성별 열처리 목적

4) 강을 고온으로 가열한 후 급랭하면 나타나는 조직에 대하여 설명하시오.

(1) 오스테나이트 austenite.
고온에서 안정된 조직으로서 이 상태에서 담금질하면 담금질 효과가 가장 크다.
보통탄소강에서는 얻을 수 없고, 특수강(Ni,Mn, Cr 등을 함유한 강) 에서 얻을 수 있으며, 다각형 형상을 갖는다.
- 탄소량 2.0%C를 900"C에서 서냉한 고용체, 면심입방격자
- 비자성체이며, 전기저항이 크다. •마르텐자이트보다 경도가 낮고, 연신율이 높음
- 상온에서는 불안정한 조직으로(단독존재 불가) 상온가공하면 마르텐자이트 조직으로 변함
- 통상 특수강(Ni, Cr, Mn 등)의 합금조직에서 잔류 오스테나이트* 형식으로 얻어짐

* 잔류 오스테나이트 강을 고온의 오스테나이트 상태에서 급속히 냉각시켰을 때, 실온까지 완전히 마르텐자이트로 변태하지 않고 남아있는 오스테나이트를 말한다. 이러한 잔류 오스테나이트(Retained Austenite)는 상온에서 불안정하므로 강을 상온에 방치할 시 마 르텐자이트로 변태 되어 치수변화를 일으키고, 또 연마 시에도 마르텐자이트 변태를 일으켜 균열을 일으킬 염려가 있어 제 거되어야 하는데 주로 심냉처리(Sub-zero Treatment) 방법이 사용된다.

(2) 마르텐자이트 martensite
탄소강을 물에 냉각시켰을 때 나타나는 침상조직으로서 내부식성, 경도 및 강도가 크게 된다.

(3) 트루스타이트 troostite
austenite를 냉각시킬 때 martensite를 거쳐 다음 단계에서 나타나며, 탄화철이 큰 입자로 된 조직이다.
경도는 크나 martensite보다 작고 부식 하기 쉽다.

(4) 소르바이트 sorbite.
대강재를 유중 또는 소강재를 공기 중에서 냉각시킬 때 나타나는 입상조직(* )으로서,
troosite보다 경도가 작고 pearlite보다 경도가 크며 강도, 인성 및 탄성이 큰 조직이다.

5) 주요 열처리 공정:

풀림(Annealing): 연성과 가공성을 향상시키기 위해 사용하며, 금속을 서서히 가열한 후 서서히 냉각합니다.
담금질(Quenching): 금속을 고온에서 빠르게 냉각하여 경도를 높이는 방법입니다.
불림(Tempering): 경화된 금속의 강도를 유지하면서 인성을 증가시키기 위해 사용합니다.
노멀라이징(Normalizing): 금속의 균일한 결정립 크기를 얻기 위해 사용하는 방법으로, 균일한 미세 구조를 만들 수 있습니다.
이처럼 열처리는 금속의 구조적 특성과 기계적 성질을 조정하여 성능을 최적화하는 데 필수적인 공정입니다.