기계재료의 열처리

1. 강의 열처리 강은 가열(heating)과 냉각(cooling)을 어떻게 하는가에 따라 여러 가지 기계적, 물리적 성질을 가지게 할 수 있다. 이것을 열처리(heat treatment)라고 한다. 그림 N3-1은 열처리용 노(furnace)와 냉각 탱크(quenching tank)를 나타낸 것이다. 풀림(annealing): 강을 연하게 하거나 전성 및 연성을 높이기 위하여 약 750~1000℃까지 가열한 후 노 내에서 천천히 식히는 열처리이다. 불림(normalizing): 강을 표준상태로 하기 위한 열처리이며 조직을 균일하게 하고 기계적 성질을 향상시킨다. 강을 약 700~1100℃까지 가열한 후 공기 중에서 냉각시킨다. 담금질(quenching): 강을 강하게 하거나 경도를 높이기 위하여 약 750~950℃까지 가열한 다음 물 또는 기름 등에 넣어서 급랭시키는 조작이다. 뜨임(tempering): 내부 응력을 제거하고 인성을 개선하기 위하여 담금질한 소재를 다시 가열한 다음 냉각시키는 열처리이다. 담금질한 강은 반드시 뜨임 한 다음에 사용해야 한다.

<그림 N3-1>

강의 표면 경화(surface hardening): 표면만을 단단하게 하고 내부는 강인한 성질을 가지도록 하는 열처리이다. 다음과 같은 방법이 있다. 화염 경화법(flame hardening): 산소-아세틸렌가스 불꽃을 사용하여 강의 표면을 담금질 온도로 가열한 다음 급랭시켜 재료의 표면만을 담금질하는 방법이다.(그림 N3-2) 고주파 경화법(induction hardening): 고주파 전류를 이용하여 일정한 두께의 표면만을 가열한 후 급랭시키는 방법으로, 기어 또는 복잡한 모양의 부품들을 부분적으로 경화시킬 수 있으며 주로 대량생산에 많이 쓰인다.(그림 N3-2)

<그림 N3-2>

침탄 담금질법(carbonizing): 제품의 표면에 탄소를 침투시켜 탄소량을 높이는 침탄 처리를 한 다음 담금질하여 표면을 경화시키는 방법이다. 침탄에는 목탄, 코크스(coke)를 사용한 고체 침탄법과 메탄가스 또는 프로판가스를 사용한 가스 침탄법이 있다.(그림 N3-3) 질화법(nitriding): 강을 암모니아 가스 중에서 고온으로 장시간 가열하면 질소와 철이 화합하여 표면이 매우 단단한 질화층이 생긴다.(그림 N3-3)

<그림 N3-3>

그림 N3-4는 표면 경화 조직의 현미경 사진이다.

<그림 N3-4>

2. 기계재료의 경도 시험 기계재료의 기계적 성질을 알아보기 위한 시험에는 인장 시험(tensile test), 경도 시험(hardness test), 충격 시험(impact test) 등이 있으며, 경도 시험에는 다음과 같은 종류가 있다. 브리넬 경도(HB, Brinell hardness): 일정한 크기의 강 구(steel ball)를 사용하여 일정한 하중으로 시험편을 눌러, 이 때 생긴 자국의 넓이로 하중을 나눈 값으로 경도를 나타낸다. 비커스 경도(HV, Vicker's hardness): 브리넬 경도와 같은 원리이지만 강 구 대신 다이아몬드 사각뿔을 사용하며, 매우 단단한 강 또는 정밀가공 부품, 얇은 판 등을 시험하는 데 사용된다. 로크웰 경도(HR, Rockwell hardness): 단단한 재료에는 다이아몬드 원뿔을, 연한 재료에는 강 구를 사용한다. 일정한 하중으로 눌러 자국의 깊이로 경도를 구한다. 시험기의 계기에서 경도를 직접 읽을 수 있다. 측정이 비교적 간단하므로 소재와 제품 등을 시험하는데 사용된다. 쇼어 경도(HS, Shore hardness): 끝에 다이아몬드 구를 붙인 추를 일정한 높이에서 떨어뜨렸을 때, 그 튀어 오르는 높이에 따라 경도를 정하는 것이며 보통 여러 번의 평균값으로 정한다. 그림 N3-5는 여러 가지 경도 시험기를 나열한 것이다.

<그림 N3-5>

3. 열처리 표시 방법 도면에 기계재료의 열처리를 표시할 때에는 다음과 같이 한다. 부품 전체에 열처리를 할 때에는 그림 N3-6 ④번 부품과 같이 부품 번호 아래에 표시한다. 부품의 표면 일부분에 열처리를 할 때에는 ②번 부품과 같이 열처리할 부분을 굵은 1점 쇄선으로 표시하고 주(note)란에 열처리 방법을 기입한다.

<그림 N3-6>