[기계안전기술사] 문제풀이 2019년117-1-18 금속 열처리 - 풀림 정의 및 목저

2. 풀림의 종류 및 목적

어닐링은 목적과 방법에 따라 다양한 방식으로 수행됩니다. 각 방법은 금속의 탄소 함량, 합금 성분, 사용 목적에 따라 다르게 적용됩니다.

(1) 완전 풀림(Full Annealing)
-조직 균질화 및 연화 목적 완전 풀림(Full Annealing)은 강을 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트와 탄화물이 공존하는 영 역으로 가열한 후 임계 변태 영역을 지나 천천히 노냉하는 열처리 공정입니다.
일반적으로 "풀림(Annealing)"이라는 용어가 사용될 때, 탄소강을 기준으로 한다면 완전 풀림을 의미합니다. 열간압연이나 단조 후 강재는 조직의 불균일성과 잔류 응력으로 인해 절삭성과 소성 가공성이 덜어 질 수 있기 때문에 완전 풀림을 통해 연화시켜 사용하는 것이 일반적입니다 완전 풀림의 온도는 아공석강(탄소 함량 0.8% 미만)의 경우 A3 변태점보다 30~50c 높은 온도 로, 과공석강(탄소 함량 0.8% 이상)의 경우 A1 변태점보다 50c 높은 온도로 가열합니다. 과공석강의 경우 Acm 온도 이상으로 가열하여 서냉하면 오스테나이트 입계에 취성이 높은 초석 시 멘타이트가 형성될 수 있기 때문에, 가열 온도를 조절하는 것이 매우 중요합니다. 완전 풀림 후 아공석강에서는 페라이트와 펄라이트 조직이 형성되고, 과공석강에서는 조대한 펄라 이트와 망상 시멘타이트가 형성됩니다. 따라서 탄소 함량이 0.6% 이상인 경우에는 구상화 풀림이 더욱 적합할 수 있습니다.

*특징
- 조직 균질화 및 연화를 위해 서냉하는 열처리. 탄소 함량에 따라 가열 온도를 조절해야 함

(2) 항온 풀림(lsothermal Annealing)
-균일한 조직 형성 항온 풀림(lsothermal Annealing)은 강을 오스테나이트 단상으로 만든 후 서서히 냉각하면서 특 정 온도에서 일정 시간 유지한 후 서냉하는 열처리 공정입니다. 완전 풀림과의 차이점은 연속적으로 서냉하는 것이 아니라,600~650C에서 5~6시간 유지한 후 서냉한다는 점입니다.
이러한 방식은 완전 풀림보다 짧은 시간에 균일한 조직을 형성할 수 있는 장점이 있습니다 특히 고속도강이나 합금강과 같은 소재는 서냉 시 잔류 오스테나이트가 남을 수 있는데, 이러한 잔 류 오스테나이트는 베이나이트나 마르텐사이트로 변태되어 충분한 연화가 되지 않는 문제가 발생 할 수 있습니다.
따라서 이러한 합금강에서는 일정 온도에서 상온 변태를 유도한 후 서냉하는 항온 풀림을 적용하면 펄라이트 조직을 안정적으로 얻을 수 있습니다.

*특징
-특정 온도에서 일정 시간 유지한 후 서냉하는 방식
. 고속도강 및 합금강에서 균일한 조직 험성에 유리함.

(3) 확산 풀림(Diffusion Annealing)
-성분 편석 제거 확산 풀림(Diffusion Annealing)은 주조 과정에서 발생하는 성분 편석(Segregation)을 제거하고, 금속을 균질화하기 위해 높은 온도에서 장시간 유지하는 열처리 공정입니다. 강괴(ingot)의 경우, 응고 과정에서 마지막에 굳어진 부분에 합금 원소와 불순물이 집중되는 편석 현상이 발생하는데, 이를 방치하면 단조나 압연 후에도 섬유상 편석이 남아 재료의 기계적 성질을 저 하시킬 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 확산 풀림을 적용하는데, 편석의 정도와 재료의 특성에 따라 가열 온도가 달라집 니다. 일반적으로 주괴 편석 제거를 위해 1200~1300"C에서 처리하며, 고탄소강 조직을 균질화하기 위해 1100~1200c에서 열처리를 진행합니다. 단조 및 압연재의 섬유상 편석을 제거하기 위해서는 900~1200c 범위에서 처리하는 것이 적절합 니다. 또한 확산 풀림은 침탄 처리 후 표면에 형성되는 취약한 망상 시멘타이트를 제거하는 데도 활용됩니 다.
*특징
- 주조 과정에서 발생하는 성분 편석을 제거하고 조직을 균질화하는 공정.
- 고온에서 장시간 유지 후 서냉.

(4) 구상화 풀림(Spheroidizing Annealing)
-절삭성 향상 및 인성 증가 구상화 풀림(Spheroidizing Annealing)은 탄화물을 구상화하여 절삭성과 가공성을 높이는 열처 리 공정입니다. 펄라이트 조직의 시멘타이트는 일반적으로 판상 구조를 가지는데, 이를 고온에서 장시간 가열하면 보다 안정한 구형 조직으로 변태됩니다. 고용체 내부에 제2상이 존재할 경우, 에너지가 가장 낮은 상태가 구형이므로 구상화 풀림을 통해 탄 화물을 구형화하면 조직이 안정화되면서 가공성이 향상됩니다. 일반적으로 탄소 함량이 높은 강재에서 많이 사용되며, 시멘타이트가 구상화되면서 경도는 저하되 고 페라이트의 연속성이 증가하는 특징이 있습니다.
특히 공구강, 베어링강과 같은 고탄소강에서 절삭성을 높이고 켄칭 후 균열을 방지하는 효과도 기대 할 수 있습니다.

(5) 응력제거 풀림(Stress Relief Annealing)
-내부 응력 제거 및 치수 안정화 응력제거 풀림(Stress Relief Annealing)은 용접, 단조, 주조, 기계 가공 등 다양한 공정에서 발생 한 내부 응력을 제거하여 치수 변형을 방지하는 열처리 공정입니다. 제품에 잔류 응력이 남아 있는 상태에서 사용하게 되면 시간이 지나면서 변형이 발생할 가능성이 있 기 때문에, 이를 방지하기 위해 A1 변태점 이하(500~650C)에서 가열한 후 서냉하여 내부 응력을 완화합니다. 탄소 함량이 높은 강재일수록 잔류 응력이 많고, 응력 제거가 어려울 수 있기 때문에 완전 풀림이나 노멀라이징과 함께 적용되는 경우도 많습니다.

*특징
-내부 응력을 제거하여 변형을 방지하는 공정
A1 변태점 이하에서 가열 후 서냉.

(6) 연화 풀림(Softening Annealing)
-냉간 가공 후 조직 회복 대부분의 금속 및 합금은 냉간 가공을 하면 가공 경화로 인해 강도가 증가하지만, 동시에 취약해져 일정 수준 이상의 가공이 어려워질 수 있습니다. 이러한 경화된 조직을 절삭 가공하거나 추가적인 냉간 가공을 수행하기 위해서는 적절한 온도로 가 열하여 조직을 회복시키고, 재결정 및 결정립 성장을 유도해야 합니다. 연화 풀림은 이러한 과정을 통해 가공성을 회복시키는 열처리 공정이며, 냉간 가공 후 소재의 기계 적 성질을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.
이 과정은 크게 회복(Recovery), 재결정(Recrystallization), 결정립 성장(Grain Growth) 세 단계로이루어집니다.
1) 회복 단계:
냉간 가공으로 인해 증가한 전위밀도를 감소시켜 내부 응력을 완화하고, 일부 기계적 성질을 회복하는 과정입니다.
이 단계에서는 조직이 본격적으로 변화하지는 않지만, 가공에 의해 발생한 내부 불균형을 조정하여 연화 효과를 제공합니다.
2) 재결정 단계:
변형된 입자 내부에서 변형되지 않은 새로운 결정 입자가 생성되며, 변형된 조직이 새롭게 형성된 결정 입자로 대체됩니다. 이 과정에서 미세한 결정립이 형성되면서 연성과 가공성이 증가하게 됩니다.
3) 결정립 성장 단계:
온도가 높아지면서 미세한 입자가 응집하여 점점 조대화되는 단계로, 내부에 너지가 감소하면서 보다 안정한 상태로 조직이 변화합니다. 지나치게 장시간 고온에서 유지될 경우 결정립이 과도하게 성장하여 기계적 성질이 저하될 수도 있 기 때문에 적절한 온도 조절이 필요합니다.

연화 풀림은 이러한 조직 변화 과정을 거치면서 냉간 가공으로 인한 가공 경화를 해소하고, 경도를 균일하게 낮춰 소성 가공성과 절삭성을 향상시키는 역할을 합니다. 일반적으로 A1 변태점 바로 위 또는 아래의 온도에서 가열하여 원하는 조직을 얻을 수 있도록 조절합니다. 이를 통해 금속 소재가 추가적인 가공에 적합한 상태로 변하며, 특히 냉간 압연재나 인발재와 같은 소재에 적용됩니다.

*특징
- 냉간 가공 후 발생한 가공 경화를 해소하고 추가 가공성을 확보하는 공정
-  회복, 재결정, 결정립 성장 단계 로진행됨