금속의 열처리

재료과학에서 재료 중의 하나인 금속의 열처리에 대하여 오늘은 알아보겠습니다.

 

 

금속 가공재와 일부 주조품 및 분말제조부품은 흔히 열처리를 거치게 된다. 열처리의 목적은 다양하다. 

먼저 성형을 계속할 수 있도록 합금을 연하게 만들기 위해 어닐링을 실시한다. 또 다른 목적으로서는 노멀라이징 하기 위해서이다. 이 과정은 특정 부품을 제조할 때의 마지막 단계로서 고온에서 서냉 시키는 과정인데, 마지막까지 남아있던 잔류응력을 최소화하고 강도가 낮더라도 인성이 높은 미세조직을 갖도록 하는 공정이다. 

 

이외에도 많은 합금에 대해 석출경화에 의해 강도를 향상시키는 열처리를 실시한다. 즉 성형된 부품을 고온으로 가열한 다음, 일정한 냉각 속도로 냉각시키고 다시 중간 정도의 온도로 재가열 한다. 그러면 온도에 따라 고상이 변하게 된다.

이 과정의 한 예를 들면 다음과 같다. 우선 시료를 고온으로 가열시켜 단상의 고용체를 만드는 용체화 처리를 실시한 다음, 조대한 미세조직이 생기지 않도록 하기 위해 상온까지 급랭시킨다. 그리고 나서 재가열을 시킴으로써 매우 미세한 상을 석출 시킨다. 이와 같은 열처리 방식에는 다음의 두 가지가 널리 사용되고 있다. 하나는 철강에서 실시하는 '급랭 및 템퍼링'이고 다른 하나는 알루미늄합금에서 실시하는 '시효경화'이다. 그렇지만 석출 경화는 대부분의 합금계에서 적용할 수 있는 일반적인 강화기구라 할 수 있다.

 

금속 파이프

 

분말 공정

 

세라믹과 대부분의 금속은 금형내에 분말을 충진 시킨 다음, 이를 압축시켜 성형할 수 있다. 이 과정에서 발생하는 미세조직상의 주요 변화는 압축 성형하는 동안 기공이 수축하고, 각각의 분말입자가 최종적으로 하나의 결정립으로 된다는 것이다.

분말의 압축 성형 기구는 확산 유동과 크리프에 밀접하게 관련되어 있다.

순수하게 열에 의해서만 압축성형되는 '소결'의 경우 원자들은 분말의 경계를 따라 확산하여 기공을 채우게 된다. 압축성형은 온도뿐만 아니라 '열간등방향압축'과 같은 외부 압력을 통해 분말입자를 크리프 변형시킴으로써 더욱 가속시킬 수 있다.

 

결합 공정

금속의 용접은 가열과 냉각을 수반한다.이 공정은 국부적인 급랭주조나 열처리공정에서 흔히 나타나는 용융 및 재응고나 고체-고체 상변화와 같은 상변태를 유발할 수 있다. 용접부는 일반적으로 그 주위에 모재와 성질이 다소 다른 '열영향부'가 있다. 열영향부에 나타나는 미세조직의 변화는 재료를 연화시키거나 취성을 증가시키며, 내식성을 감소시키기도 한다. 

마찰용접과 같은 일부 기계적 접합 공정 또한 열 및 변형에 의해 미세조직과 특성의 국부적인 변화를 수반한다.

 

용접야금은 매우 중요한 학문 분야이다. 용접부는 파괴응력 및 허용응력을 결정하는 곳이기 때문에 흔히 설계 시의 '아킬레스 건'이 되는 부위이다. 그 이유는 부분적으로 재료의 특성이 위의 예에서처럼 접합부에서 특정 방식에 따라 손상을 받기 때문이다. 다른 이유로는 공정상 발생하는 부작용으로서 잔류응력, 응력 집중 또는 균열 등이 발생하기 때문인데, 이들은 피로파괴 및 부식 속도를 증가시키는 요인이 된다.

 

접착기술도 문제가 없지는 않다. 이 방식 역시 응력을 집중시키고, 결함을 함유하게 되므로 우수한 설계 및 공정 제어가 필요하다. 그러나 결합되는 부품에 열을 부과하지 않거나 변형을 시키지 않으므로 미세조직과 기계적 특성이 손상되지 않는다는 장점이 있다.

 

표면 공학

표면 처리는 표면의 미세조직과 특성을 변화시키기 위해 다양한 기구와 공정을 이용한다. 일부 방식으로, 고유의 미세조직과 특성을 갖고 있는 새로운 코팅재료를 단순히 첨가하는 방식이 있다. 이것은 기판을 변화시키지 않는 방식으로서 이경우 고려해야 할 부분은 코팅층이 기판에 얼마나 잘 붙어 있느냐 하는 것이다. 다른 방식으로 국부적인 가열 및 냉각을 통해 표면 주변상변태를 유발하는 방식이 있다. 

헤이저 경화에서 얻은 최종상은 초기상에 비해 훨씬 경도가 높다. 표면에 원자를 직접 확산시키는 방식도 있다. 그러나 이 방식은 고온에서 일정한 두께의 거리를 확산시켜야 하기 때문에 침입형 용질원자만 적용이 가능하다.

 

특성을 위한 공정

철계 합금

철을 기반으로 하는 강 및 관련 합금은 구조용 및 기계용 재료로 널리 사용된다. 이 합금은 탄성률이 높고 강도 및 인성이 우수하며 대부분 가격이 싸다. 수송기기용으로 적용하기에는 밀도가 높다는 것이 단점이다. 이 때문에 경량합금, 목재 및 복합 재료가 경쟁소재로 대두되고 있다. 

 

1. 주철 및 브레이크 디스크

 

브레이크 디스크( 브레이크 패드 상에 미끄럼마찰을 일으켜 움직이는 수송기기를 감속시키며, 이때 많은 열을 발생시킨다). 따라서 재료가 가져야 할 핵심 특성은 내마모성을 위한 높은 경도 및 강도, 우수한 인성 그리고 높은 최대가용온도이다. 무게가 낮으면 회전 부품으로써 좋겠지만 이는 부차적인 문제이다. 무든 철계합금은 이 목적에 적합하다.

 

그런데 왜 주철을 사용할까? 그 이유는 주조가 비교적 복잡한 형상의 디스크를 만드는 데 가장 값싼 공정이며 주조상태의 미세조직만으로도 추가의 열처리를 필요로 하지 않을 만큼 충분한 경도를 나타내기 때문이다. 주철은 통상 무게비로 2~4%의 탄소를 함유하고 있어 많은 철탄화물이 존재하는데, 이 철탄화물은 경도가 높은 화합물로서 우수한 석출경화 효과를 나타낸다.

또한 유리된 흑연을 함유할 수도 있는데 이 경우 최소의 윤활제만을 사용하거나 혹은 윤활제가 없어도 기계가공을 할 수 있을만큼 우수한 기계가공특성을 나타낸다. 이는 또 다른 중요한 '공정 중의 특성'이라 할 수 있다.

 

결정립조직은 성형 공정 중에 만들어지며 그 이후에는 변화시킬 수 없다. 제어해야 할 핵심요소는 결정립의 크기와 불순물의 분포이다. 결정립의 크기는 보통 접종제를 이용하여 미세화시킬 수 있다. 불순물은 용탕으로부터 제거하는 것보다는 다른 원소를 첨가하여 불순물과 반응시켜 새로운 화합물이 생성되도록 한 뒤, 이들을 주물 내부에 고루 분포시킴으로써 불순물의 유해효과를 감소시키는 것이 값싸고 일반적인 방법이다. 예를 들어 철계 합금에 존재하는 황은 망간을 첨가하여 제거한다. 주조품의 특성을 개선하기 위해 그 화학조성하는 기공과 잔류응력을 최소화하기 위해 성분을 선택하는 것에서부터 용탕을 금형에 붓기까지의 전 공정을 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 모델링하는 것이 가능하다.

 

 

                   

이렇게 오늘은 금속의 열처리 공정 과정에 대해서 공부했습니다.