2. 강의 열처리

1)담금질(quenching)

내마멸성과 경도의 향상을 위해서 하는 열처리로서, 오스테나이트로부터 냉각할 경우 그 냉각 속도에 따라 조직이 변화된다. 담금질 온도는 그 강의 조성에 따라 다르며 아공석강에는 A₃온도 이상 30~50℃, 과공석강에서는 A₁온도 이상 30~50℃가 적당한 담금질 온도이다. 담금질 후 나타날 수 있는 조직으로는 오스테나이트, 마텐자이트, 트루스타이트(troostite), 소르바이트(sorbite) 등이 있다.

2)풀림(annealing)

풀림은 연화를 목적으로 적당한 온도까지 가열한 다음 그 온도에서 일정 시간 유지하고 나서 서랭하는 조작을 말한다. 풀림은 목적에 따라 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫째, 강을 연하게 하여 기계 가공성을 향상 시키기 위한 완전 풀림, 둘째 내부 응력을 제거하기 위한 응력 제거 풀림, 셋째 기계적 성질을 개선하기 위한 구상화 풀림 등이 있다. 연화를 목적으로 할때는 A₃,A₁까지 가열한 후 일정 시간 유지한 후 서랭한다.

3)불림(normalizing)

거칠고, 비대하고 불균일한 오스테나이트 조직을 미세하고 균일하게 만드는 열처리이다. 변태점 이상의 A₃,Acm이상으로 가열한 후 일정 시간 유지한 후 공랭시켜 미세하고 균일한 표준 조직을 얻기 위한 열처리이다.

4)뜨임(tempering)

담금질 한 후 생기는 마텐자이트 조직은 비정상적이고 불안정한 상태이다. 이 마텐자이트 조직은 딱딱하기만 할 뿐 깨지기 쉬워서(메짐성이 있다) 그대로 사용할 수 없다. 이렇게 불안정한 마텐자이트 조직에 A₁변태점 이하의 열을 가하여 원자들을 좀더 안정적인 위치로 이동시킴으로서 인성을 증대시키는 등 기계적 성질의 개선을 꾀하고자 하는 열처리를 뜨임이라고 한다.

< 조직의 변화와 뜨임 온도 >

5)심랭 처리

상온으로 담금질된 강을 다시 0℃ 이하로 냉각하여 잔류 오스테나이트를 마텐자이트로 변화 시키기 위한 열처리이다. 잔류 오스테나이트는 실온에서 장시간 방치하면 점차 마텐자이트로 변하여 치수에 변화를 일으킨다. 그러므로 정밀도가 필요한 게이지, 볼 베어링 등을 만들 때는 심랭 처리를 한다.

6)강의 표면 경화

기어, 크랭크축, 클러치, 캠, 스핀들 등의 부품 재료는 내마멸성과 강인성이 동시에 필요하다. 이와 같은 두가지 요구를 동시에 만족시키기 위하여 강을 표면 경화 또는 부분 경화를 한다. 강의 표면 경화법에는 다음과 같은 종류가 있다.

-->화학적 방법 : 침탄법, 질화법, 침탄 질화법, 금속 침투법, 하드 페이싱, 금속 침투법

-->물리적 방법 : 화염 경화법, 고주파 경화법, 금속 용사법, 숏 피닝

(1)침탄법(carburizing)

침탄은 0.2% C 이하의 저탄소강 또는 저탄소 합금강을 침탄제와 함께 가열하여 그 표면에 C를 침입 고용시키는 방법으로, 침탄층을 만들어서 담금질하면 표면은 고탄소강으로 되고 중심 부분은 연강으로 되기 때문에 표면의 침탄층을 경화시키는 동시에 중심 부분을 비교적 연한 상태로 남겨 놓을 수 있다. 침탄법에는 침탄제의 상태에 따라 고체 침탄법, 액체 침탄법 그리고 가스 침탄법의 세 가지가 있다.

(2)질화법(nitriding)

암모니아(NH₃)를 고온에서 가열하면 NH₃↔ N + 3H로 되어 발생기의 N와H로 분해한다. 이 발생기의 N은 반응성이 강하기 때문에 가열된 Fe 또는 강철에 접촉하면, Fe 또는 그 함유 원소와 반응을 일으켜 질화물(Fe₄N, Fe₂N)을 만든다. 이것이 시간의 경과에 따라서 내부로 확산하여 질화층을 만든다. 질화에 의하여 얻어지는 최고의 경도는 HV1000~1200으로서 내마멸성과 내식성을 가지며 고온 경도도 안정적인 특성을 가지나 처리 시간이 긴 것이 결점이다. 소재는 담금질과 뜨임을 하여 소르바이트 조직으로하고 정밀 가공을 한 다음에 질화한다. 질화 온도는500~510℃ 범위이며, 질화 시간은 최대 100시간이다.

(3)침탄 질화법

C와 N를 동시에 강의 표면에 침투, 확산시켜 강의 표면을 경화시키는 방법이며, 가스 침탄 질화법과 염욕 침탄 질화법이 있다.

(4)화염 경화법

화염 경화법(불꽃 담금질)은 담금질성이 있는 강재를 사용하여 원하는 표면만을 경화시키는 방법으로, 가스 불꽃에 의해서 강의 표면을 Ac₃온도 이상으로 급속히 가열하여, 그 열이 내부로 전달되기 전에 냉각수를 분사시켜 냉각시키는 방법이다. 표면 경화되는 깊이는 가열되어 오스테나이트 조직으로 된 깊이로 결정되므로 불꽃의 온도, 가열 시간, 불꽃의 이동 속도에 따라 다르다. 기어의 잇면, 캠, 나사, 크랭크축, 선반의 베드, 등의 경화에 이용된다.

(5)고주파 경화법(고주파 담금질)

표면 경화법 중 가장 편리한 방법으로, 고주파 유도 전류에 의하여 소요 깊이까지 급속히 가열한 다음, 급랭하여 경화시키는 방법이다. 고주파 경화법은 불꽃 경화법에 비하여 가열 시간이 수초로 매우 짧고, 과열 현상이 일어나지 않는 것이 큰 특징이다. 고주파 경화법은 표면만 가열하므로 전체로서의 변형은 작으나, 급가열이나 급랭으로 인하여 재료가 비틀리거나 균열을 일으키는 경우가 많으므로 미리 불림을 하는 것이 좋다.

(6)금속 용사법

강의 표면에 용융 또는 반 용융 상태의 미립자를 고속으로 분사시키는 방법이다. 자용성 합금(Ni-Cr-Si-B합금)을 사용하여 얻어지는 용사재 용융층은 모재와의 사이에 혼합 용융층이 생기며, 매우 강한 결합력을 가지고 있다. Mn-Ni, Cr-Mn, Cr 계통의 강종에서는 이러한 혼합 용융층이 내마멸성과 내열성 및 내식성을 더욱 양호하게 하므로 강 표면에 보호 피막이 형성된다.

(7)하드 페이싱(hard facing)

하드 페이싱은 금속 표면에 스텔라이트(satellite, Co-Cr-W합금), 초경합금 등의 금속을 용착시켜 표면 경화층을 만드는 방법이다.

(8)숏 피닝(shot peening)

숏 피닝은 표면 냉간 가공의 일종으로, 금속 재료의 표면에 강이나 주철의 작은 입자(직경0.5~1.0mm)를 고속으로 분사시켜, 표면층을 가공 경화에 의하여 경도를 높이는 방법이다.

(9)금속 침투법

제품을 가열하여 표면에 다른 종류의 금속을 피복시키는 동시에, 확산에 의하여 합금 피복층을 얻는 방법을 말한다.

①  세라다이징(sheradizing)

철과 아연을 접촉시켜서 가열하면 양자의 친화력에 의하여 원자 간의 상호 확산이 일어나서 합금화하므로 내식성이 좋은 표면층을 형성한다.

②  칼로라이징(calorizing)

칼로라이징법은 철-알루미늄 합금층이 형성될 수 있도록 철강 표면에 알루미늄을 확산 침투시키는 방법이다.

    ③  크로마이징(chromizing) 

저 탄소강의 표면에 크롬을 침투시키면 내부에는 인성이 있으며, 표면은 고크롬강으로 되어서 스테인리스강의 성질을 갖추므로 스테인리스강의 장점을 지니는 값싼 기계 부품을 만들 수가 있으며, 이를 크로마이징이라 한다.

④ 실리코나이징(siliconizing)

규소 및 페로실리콘은 산에 강한 성질을 지니므로 철강의 표면에 규소를 침투시켜서 방식성을 향상시키는 방법을 실리코나이징이라 한다