열처리 기초 담금질(야끼나마시, 야끼나라시, 야끼모도시, 야끼이레)의 종류와 성질

탄소를 포함하는 철강재는 열을 가하는 것에 따라 단단하게 할 수도 연하게 할 수도 있다.

모양을 변화시키지 않고 소재가 갖는 성질을 변화시키는 일이 가능한 [열처리]는 축이나 기어 등 강도가 요구되는 부품에 이용된다.

 

열처리라는 것은 탄소를 함유한 금속(주로 철강재)의 가열하고 냉각할 때 발생하는 조직변화를 활용하고 소재의 성질이나 내마모성을 향상시키는 처리방법이다.

 

대표적인 열처리 방법으로 풀림(야끼나마시, 어닐링), 불림, 뜨임, 담금질이 있고 철강재를 단단하게 할 수도 연하게 할 수도 있다.

 

① 풀림(어닐링, 야끼나마시)

풀림(야끼나마시)은 주로 절삭성을 좋게 하기 때문에 강을 연하게 할 목적으로 실시되며 가공 불균일이나 균열을 방지할 수 있다.

가공기호는 [HA]

금속조직이 오스테나이트화하기 까지 가열한 후 로 속에서 천천히 냉각한다.(서냉/로냉)

 

② 불림(노멀라이징, 야끼나라시)

불림(야끼나라시)은 강재를 제조할 때 발생하는 조직 불균일을 균일화하고 내충격성 등의 기계적성질을 향상시킬 목적으로 실시한다.

가공기호는 [HNR]

곰속조직이 오스테나이트화할 때 까지 가열한 후 로에서 꺼내어 대기 중에서 방냉한다.(공냉)

로냉보다 냉각속도가 약간 빠르고 조직의 결정립을 미세화하는 것이 가능하다.

 

③ 뜨임(템퍼링, 야끼모도시)

뜨임은 담금질(퀜칭, 야끼이레)이나 불림(노멀라이징, 야끼나라시)을 실시한 강에 대해서 경도를 약화시키고 점성을 증가시킬 목적으로 실시한다. 담금질 후의 강은 경도는 높아지지만 취약하고 충격에 약하기 때문에 뜨임(야끼모도시)을 실시하고, 기계부품을 적당한 경도로 조절하거나 내충격성을 추가하거나 한다.

가공기호는 [HT]

담금질을 실시한 후, 변태온도를 초과하지 않는 범위로 재가열하고 냉각함에 따라 금속조직을 안정화시킬 수 있다.

 

열처리의 원리

여기에서는 열처리로 금속(탄소강)이 단단해지는 원리를 간단히 설명한다.

탄소강은 부드러운 순철 부분과 단단한 철과 탄소 화합물의 결정이 모여 만들어진다.
얼룩이 섞인 이 상태에서 800℃~850℃로 가열하면 오스테나이트라는 금속 조직으로 변화하여 탄소 부분의 분포가 균일화된다.
여기에서 천천히 냉각하면 다시 결정화되지만 조직이 균질화하기 때문에 연성을 추가하거나 기계적 성질을 향상시킬 수 있다. (소성/소성)
가열하여 오스테나이트화한 금속 조직을, 급속히 냉각하면, 마르텐사이트라고 불리는 조직으로 변태해, 탄소 부분의 분포가 균일한 채로 경화시킬 수 있다. (담금질)
단, 마르텐사이트 그 자체로는 매우 단단(硬)하고 부서지기 쉬운 성질이기 때문에, 다시 가열하고 냉각함으로써 조직을 안정시킬 수 있다. (템퍼링)

 

SM45C(기계구조용탄소강)와 SS400(일반구조용압연강)의 차이점

 

둘다 철강재인 SM45C 와 SS400 이지만 그 성분이나 규격이 다르다.

SM45C 는 기계 구조용 탄소강으로 널리 널리 사용되는 철강재로 「S○○C」의 S는 Steel, C는 Carbon을 가리키고, 그 사이에 들어가는 숫자는 *탄소 함유량을 나타내고 있다.

SM45C의 탄소 함유량은 0.42%~0.48%와 0.45% 전후이기 때문에, 0.45% 정도의 탄소를 포함한 재료(탄소강)인 것을 알 수 있다. 탄소를 함유하고 있기 때문에, 담금질을 함으로써 경도를 조정할 수 있는 것이다.
한편, SS400 도 일반 구조용 압연 강재로서 널리 사용되고 있는 철강재로, 건축물이나 구조물 등에 이용되고 있다. 이 재료는 강도에 대해 규정되어 있으며, 「SS○○」의 숫자는 인장 강도의 하한을 나타낸다. SS400에는 탄소 함유량의 규정이 별도로 없기 때문에, 담금질에 의한 강도 향상은 기대할 수 없고, 담금질하지 않고 그대로 구조재나 부품에 사용하는 것이 일반적이다.

 

진공 담금질	진공 상태의 로내에서 가열해, 급냉하는 담금질 처리이다. 진공이기 때문에, 제품 표면의 산화나 탈탄을 막아, 광택이 있는 마무리를 할 수 있어 얼룩이 없는 경도를 얻을 수 있다.
침탄 담금질	담금질에 적합하지 않은 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 고탄소화시킨 것을 담금질·템퍼링을 실시하는 처리이다. 표면은 단단하고 내마모성이 뛰어나며 내부는 부드럽고 끈기있는 특성을 가진다.
고주파 담금질	고주파 유도 전류를 이용하여 강재의 표면을 가열하는 담금질 처리이다. 금속에 구리선의 코일을 감아서 가열하므로 임의의 원하는 부분만을 경화시킬 수 있다. 다른 표면 열처리에 비해 이산화탄소의 배출량과 소비 에너지량이 적고 자연 친화적인 처리 방법이다.