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열처리: 뜨겁거나 차갑거나, 열처리 가공의 세계

2023/12/06

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섬세한 온도 조절이 필요한 '열처리'

열처리는 열을 가하거나, 반대로 온도를 낮추어 냉각하는 등 열에 대한 조작을 통해 제품 물성에 변화를 주는 가공 방식입니다. 흔히 사용되는 재료는 금속으로 경도, 강도, 내마모성, 내식성, 정밀도 향상 등 제품의 품질을 최종 결정하는 고부가가치 기술로 여겨집니다.

오늘날 열처리는 플라스틱, 세라믹, 기타 복합재료 등 점차 적용되는 재료의 영역이 확대되고 있습니다. 이러한 열처리의 역사적 배경은 청동기 시대로 올라갑니다. 과거 오스트리아 알프스 빙하에서 '아이스맨'으로 불리는 미라가 발견된 적이 있는데, 이 미라와 함께 발견된 것은 칼날이 부착된 돌과 동합금으로 만들어진 도끼였습니다. 이를 분석한 결과 금속의 가열과 냉각이 이루어진 것이 확인되어 이것을 열처리의 시초로 추정하고 있습니다.

열처리의 특징과 설계 시 고려사항

열처리는 고성능, 고기능성, 양산성 향상, 선택적 표면 개질, 생체 적합성이 주요 특징입니다. 특히 열처리를 설계할 때는 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다.

1) 내부 내부 또는 외부에 뾰족한 코너를 피한다. 그렇지 않을 경우 코너에 응력 집중이 발생하여 균열이 발생할 수 있다.
2) 가능하면 균일한 두께를 유지해야 한다.
3) 급격한 두께 변화를 피한다.
4) 구멍, 긴 홈, 키홈, 스플라인, 비대칭 부는 균열 발생의 위험이 크므로 열처리가 어려우니 주의해야 한다.
5) 얇은 두께의 넓은 평면은 뒤틀리기 쉽다.
6) 열간 단조 또는 열연 제품은 표면 탈탄 현상(decarburized skin)으로 적절한 열처리가 안 될 수 있다.

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사진: 셔터스톡

대표적인 열처리 가공 6가지

온라인 제조 플랫폼 캐파(CAPA)에서 이용할 수 있는 대표적인 열처리 가공은 전경화 열처리, 국부 열처리, 침탄 열처리, 질화 열처리, 비철 및 특수금속 열처리, 복합 열처리까지 총 6가지입니다. 각각의 기술에 대해 좀 더 설명해드리겠습니다.

전경화 열처리

표면 경화는 탄소, 질소, 혹은 다른 원소를 첨가해 제품 표면의 조성을 변화시키는 방법을 말합니다. 일반적으로 저탄소강 제품에 내부 중심부에는 인성을 유지하면서 외부 표면에 경도와 내마멸성을 증가시키기 위해 적용합니다. 전경화 열처리란, 제품의 표면층을 경화하기 위해 전체를 가열해서 표면을 경화하는 방법입니다.

국부 열처리

전경화 열처리와 다르게 제품의 일부 표면 부위만 빠르게 가열 및 냉각해 물성을 변화시키는 기술입니다. 내마모성과 내피로성이 향상되고 빠른 가열로 열처리 효율이 우수하고 비접촉식이라 크기와 형상에 제약이 덜합니다. 품질 균일도와 불량 방지를 위해 노멀라이징 또는 퀜칭 및 템퍼링 공정이 필요합니다. 또한, 이동이 어려운 대형 금형이나 기어 등을 현장에서 직접 열처리할 때 사용됩니다. 열처리에 사용하는 성질에 따라 고주파 경화/화염 경화/레이저 경화 국부 열처리로 구분됩니다.

침탄 열처리

제품 전체를 가열한 후 저탄소강의 표면에 탄소를 침투시켜 표층부만 고탄소강으로 경화하는 기술입니다. 강한 성질을 얻기 위해 표면은 딱딱하고 내부는 무르게 만들고 침탄된 강은 템퍼링 처리합니다. 내마모성이 큰 표면층과 인성이 큰 중심부를 지닌 기어 종류에 많이 적용됩니다. 침탄제의 종류에 따라 고체침탄, 액체침탄, 가스침탄으로 나누는데 주로 가스침탄 열처리를 가장 흔히 사용합니다. 가스침탄 열처리는 탄소 농도 조절 등 균일한 침탄이 가능하고 연속 작업이 용이해 대량 생산에 적합합니다.

질화 열처리

질화 열처리는 침탄 열처리와 동일하게 제품의 전체를 가열한 후 탄소가 아닌 질소를 침투시켜 냉각, 표면 부위를 경화하는 방식입니다. 침탄 열처리 이후에는 퀜칭 또는 템퍼링 공정이 필요하지만, 질화 열처리에는 이러한 공정이 불필요합니다. 내마모성, 피로 강도 등을 향상시키는 장점을 바탕으로 열에 의한 변형이 적어 고성능・고품질이 필요한 금형, 공구, 고정밀 기계 부품에 적용합니다. 공정 조건에 따라 순질화, 연질화, 산질화, 침류질화, 연질화 후 산화 처리, 오스테니틱 연질화, 저온(연)질화, 고용질화로 나뉩니다.

비철 및 특수금속 열처리

소재 측면에서 철강재 이외의 비철 및 특수금속에 대한 가공 방식입니다. 가장 사용량이 많은 알루미늄을 비롯해 구리, 아연, 납, 니켈, 주석, 금, 은, 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 마그네슘 등을 통틀어 비철금속이라 부릅니다. 대부분의 많은 합금들은 상온보다 더 높은 온도에서 실시하는 열처리에 의해 높은 강도를 이루고 있습니다. 비철금속 소재에 열처리를 진행하고 싶다면 이 가공방식을 선택하세요.

복합 열처리

복합 열처리는 전경화・국부・침탄・질화 열처리 중 2가지 이상의 과정을 조합하여 기계적 성질을 개선하는 기술입니다. 주로 기능성 금속 질화물, 세라믹, 탄소를 코팅하여 기재의 표면을 강화하고 경도, 마찰계수를 적절하게 조절하여 기능성을 부여하는 공법입니다. 대체로 진공 기술과 플라즈마 기술이 적용되고 내구성이 강한 제품을 생산하기 위한 금형 및 공구류에 적합합니다.

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