열처리 공정의 개요: 금속에서 플라스틱 금형까지

엔지니어링 부문에서 재료마다 역할이 다르기 때문에 필요한 요구 사항을 충족하기 위해 물성 프로세스가 필요합니다. 엔지니어는 제조 공정 중에 필요한 물성을 얻기 위해 다양한 기술을 적용합니다. 널리 적용되는 공정 중 하나는 열처리입니다.

엔지니어링 제조에서 열처리의 역할은 부품을 가공 또는 부품 조립에 투입하기 전에 부품의 기계적 및 화학적 특성을 변경하는 것입니다. 이 과정을 통해 결과물은 더욱 유용하고 서비스 가능하며 작업장에서 안전하게 사용할 수 있게 됩니다.

제조 공학 및 재료 과학에서 열처리는 재료를 특정 온도로 가열하고 일정 시간 동안 그 온도를 유지한 다음 특정 패턴으로 재료를 냉각하는 것입니다. 열처리는 재료의 미세 구조를 변화시켜 내마모성, 인성, 경도와 같은 기계적 특성을 달성합니다.

열처리는 금속뿐만 아니라 금형이나 플라스틱 금형을 제조할 때도 필요합니다. 예를 들어, 열처리는 다음에 사용되는 금형을 보장합니다. 다이 캐스팅 는 변형과 균열을 방지하여 치수적으로 안정적입니다.

제조, 항공우주, 건설, 자동차 산업은 제품 개선을 위해 지속적으로 열처리를 사용하는 분야 중 하나입니다. 일반적으로 어닐링, 담금질, 템퍼링 기술을 통해 금속을 열처리합니다.

금속 열처리 공정

금속의 세 가지 열처리 공정에는 어닐링, 담금질, 템퍼링이 있습니다.

어닐링

어닐링은 부품을 물리적 상태로 복원하는 것을 목표로 하는 적용 가능한 열처리 공정입니다. 연성은 금속판과 같은 다양한 엔지니어링 부품을 제조할 때 매우 중요하며, 이를 통해 더 얇은 시트로 쉽게 압연할 수 있습니다. 그러나 때때로 이러한 금속은 딱딱해지기도 합니다. 경우에 따라 금속 샤프트의 가공 및 냉간 가공 또는 주조 중에 재료가 내부 응력을 축적하여 취성을 초래할 수 있습니다. 어닐링의 역할은 이러한 재료의 경도 수준을 낮추고 가능한 응력을 완화하는 것입니다.

어닐링하는 동안 기술자는 금속의 온도를 재결정 온도 바로 위로 올립니다. 그러나 어닐링 온도는 재료의 용융 온도보다 낮아야 합니다. 높은 온도는 금속 미세 구조 내에서 원자가 이동하기에 충분한 에너지를 제공합니다.

높은 에너지는 또한 더 많은 알갱이를 형성합니다. 이 과정을 통해 전위 교정이 이루어집니다. 또한 이 공정은 금속의 내부 응력을 완화합니다. 냉각되면 금속은 연성을 효과적으로 회복하여 기계 가공이 용이해집니다.

어닐링 프로세스의 단계

1. 난방: 금속의 가열은 금속 종류에 따라 달라지는 재결정 온도에서 발생합니다. 예를 들어 강철의 재결정 온도는 500-700°C입니다.⁰C. 이 가열로 인해 재료의 온도가 균일해져 미세 구조가 재배열됩니다.

2. 담금/보관 시간: 금속이 재결정 온도에 도달하면 기술자는 담금 시간이라고 하는 일정 시간 동안 해당 온도에서 금속을 유지합니다. 이때 재결정이 일어나 금속의 미세 구조에 새로운 입자가 생깁니다. 결과적으로 이 과정을 통해 금속이 연화됩니다. 재료의 구성과 두께에 따라 담금 시간이 결정됩니다. 담금 시간은 짧게는 몇 분에서 길게는 몇 시간까지 걸릴 수 있습니다.

3. 냉각: 금속 냉각 담금 기간. 기술자는 공기 또는 용광로와 같은 통제된 환경에서 냉각이 느리게 진행되도록 합니다. 기술자는 느린 냉각을 통해 금속 미세 구조에 응력 및 바람직하지 않은 단계가 형성되는 것을 방지합니다. 재료를 빠르게 냉각하면 금속이 경화될 수 있습니다.

일반 금속

담금질

금속 경도를 제거하는 것을 목표로 하는 어닐링과 달리 담금질은 금속 경도와 강도를 달성하는 것을 목표로 합니다. 담금질에서 기술자는 금속을 특정 온도까지 가열한 후 실온 이하로 빠르게 냉각합니다. 급속 냉각 공정은 금속 구조의 구조적 및 원자적 재배열로 이어집니다. 이 변형은 마르텐사이트 변형이며, 그 결과 재료는 단단해집니다.

엔지니어는 물, 오일, 공기 및 특수 유체를 통해 담금질을 수행할 수 있습니다. 사용 방법은 담금질 대상 금속의 결과에 따라 달라집니다.

금속 담금질 공정의 단계

1. 금속 준비: 기술자는 재료 특성에 따라 담금질할 금속의 종류를 선택합니다. 그런 다음 담금질 과정을 방해할 수 있는 먼지나 이물질을 제거하기 위해 금속을 세척합니다.

2. 금속 가열: 금속은 열처리 오븐에서 임계 온도까지 가열됩니다. 임계 온도에서 금속은 비자성이 됩니다. 가열이 균일하게 이루어지므로 결과 경도가 균일합니다.

3. 담금질 미디어 선택: 다양한 담금질 매체가 있습니다. 특정 매체의 선택은 재료와 결과 제품의 목적에 따라 다릅니다. 예를 들어, 기술자는 재료가 탄소강인 경우 담금질 매체로 물을 선택합니다.

4. 금속 담금질: 뜨거운 금속을 담금질 매체로 조심스럽게 내립니다. 기술자는 균일성을 위해 담금질 탱크를 사용하며, 전체 금속을 담그면 균일한 냉각이 이루어집니다. 

5. 냉각 속도 제어: 냉각 속도는 최종 제품의 특성에 큰 영향을 미칩니다. 냉각 속도가 빠르면 경도가 높아지고, 냉각 속도가 느리면 재료가 부드러워집니다.

냉각 미디어 선택

담금질 매체마다 담금질 공정에 적용되는 용도가 다릅니다. 예를 들어 물을 사용하면 냉각 속도가 매우 빨라질 수 있습니다. 냉각 능력이 높은 물은 가능한 한 짧은 시간에 경도를 달성합니다. 대부분의 경우 엔지니어들은 마르텐사이트강을 형성하기 위해 물 담금질을 사용합니다. 그러나 높은 냉각 속도로 인해 때때로 뒤틀림과 균열이 발생할 수 있습니다. 물 담금질 적용 분야에는 절삭 공구에 높은 경도가 필요한 탄소강과 합금강이 포함됩니다.

오일 담금질은 적당한 냉각 속도에 적용할 수 있습니다. 오일 담금질 시 금속은 뒤틀림과 균열을 방지하기 위해 적당히 천천히 냉각됩니다. 엔지니어는 경도와 인성 사이의 균형을 맞추기 위해 오일 담금질을 사용합니다. 그러나 오일 담금질은 가연성이기 때문에 위험합니다. 또한 오일은 다루기가 지저분합니다. 결과물은 최대 경도가 부족할 수 있습니다.

공기 담금질은 느린 냉각 속도를 위해 필수적입니다. 빠른 냉각으로 인해 뒤틀리거나 균열이 생길 수 있는 합금에는 점진적인 냉각 속도가 필수적입니다. 그러나 공기 담금질은 최대 경도로 이어지지 않을 수 있습니다.

템퍼링

템퍼링은 일반적으로 금속의 취성을 낮추고 연성을 회복하기 위해 담금질 다음 단계로 진행됩니다. 템퍼링 과정에서 기술자는 담금질 공정에서 일정 수준까지 금속을 재가열하고 일정 시간 동안 임계점(보통 150~700°C) 이하로 유지합니다. 그런 다음 상온에서 상온으로 냉각합니다.

단계

1. 난방: 금속을 실온과 임계 온도 사이의 템퍼링 온도까지 가열합니다. 가열 속도를 조절하세요. 너무 빨리 가열하면 균열이 발생할 수 있습니다. 금속마다 템퍼링 온도가 다릅니다. 가열은 경도를 유지하면서 담금질 과정에서 발생하는 응력을 해소하는 데 도움이 됩니다.

2. 대기 시간: 금속을 템퍼링 온도에서 유지합니다. 유지 시간은 결과물의 용도와 재료의 두께에 따라 30분에서 몇 시간까지 다양합니다. 이 유지 시간은 재료의 경도를 유지하면서 연화를 유도하여 취성 수준을 낮춥니다.

3. 냉각: 보관 시간이 지나면 공기로 금속을 식힙니다. 공기는 느린 냉각 속도를 보장하므로 새로운 응력이 형성되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

플라스틱 및 다이캐스팅 금형의 열처리 방법

주조 금형의 내구성과 성능은 재료 선택에 따라 달라집니다. 금형 엔지니어는 기능과 구조를 고려하여 재료를 선택해야 합니다. 올바른 기능과 구조를 충족하기 위해 주조 금형 재료는 열처리와 표면 보강을 거쳐 내구성과 품질을 보장합니다.

다이캐스팅 금형의 열처리에는 네 가지 주요 단계가 포함됩니다.

예열 및 후 가열

이 단계는 금형이 열충격에 견디는 데 도움이 되므로 열처리에서 필수적입니다. 다이캐스팅 금형은 작동 중에 급격한 변화로 인해 열 충격을 받아 균열과 변형이 발생할 수 있습니다. 예열 과정에서 금형 엔지니어는 성형을 시작하기 전에 금형을 작동 온도까지 가열합니다. 이 과정을 통해 조기 고장을 방지할 수 있습니다. 또한 예열은 금형의 수명을 연장하고 성형 작업 중 치수 안정성을 보장합니다.

성형 공정 후 금형 엔지니어는 제어된 냉각 조건에서 후가열을 거칩니다. 이 과정을 통해 뒤틀림을 유발할 수 있는 내부 응력의 형성을 줄입니다.

스트레스 해소

이 공정은 다이캐스팅 금형에서 매우 중요합니다. 금속의 어닐링과 유사하지만 이 경우 상대적으로 낮은 온도에서 발생합니다. 또한 다이캐스팅 금형에서 응력 완화는 금형 재료를 부드럽게 하는 것이 아니라 축적된 응력을 완화하는 것을 목표로 합니다.

금형 경도를 위한 질화

이 공정은 금형 재료의 내부 표면에 영향을 주지 않고 금형강 표면을 경화시키는 데 도움이 됩니다. 질화를 통해 내마모성이 향상되고 금형의 수명이 늘어납니다.

질화에는 질소가 풍부한 환경에서 금형을 가열하는 과정이 포함됩니다. 이 과정에서 질소가 강철 표면으로 확산되어 단단한 질화물 표면이 만들어집니다.

공정 목표는 담금질과 비슷합니다. 그러나 질화 온도는 500-550°C로 담금질 온도보다 상대적으로 낮습니다. 담금질은 시간이 오래 걸리는 반면 질화는 몇 시간이라는 비교적 긴 시간이 필요합니다.

그러나 결과물인 질화물 층은 매우 우수하며 후처리가 필요하지 않습니다.

진공 열처리

이 공정은 산화와 금형 표면 오염을 방지하기 위해 진공 상태에서 진행됩니다. 산화는 표면 마감을 저하시키고 금형을 약화시킬 수 있습니다. 진공 열처리는 어닐링을 포함한 다른 금속 열처리와 유사합니다. 차이점은 진공 상태에서 진행된다는 점입니다. 비용이 많이 들지만 의료 기기 및 항공 우주 분야의 정밀 금형에 유용합니다.

금속 열처리와 금형 열처리의 비교

결론

엔지니어링 제조에서 열처리의 역할은 부품을 가공 또는 부품 조립에 도입하기 전에 부품의 기계적 및 화학적 특성을 변경하는 것입니다. 이 과정을 통해 결과물은 더욱 유용하고 서비스 가능하며 작업장에서 안전하게 사용할 수 있게 됩니다. 금속의 세 가지 열처리 공정에는 어닐링, 담금질, 템퍼링이 포함됩니다.

금속 경도를 제거하는 것을 목표로 하는 어닐링과 달리 담금질은 금속 경도와 강도를 달성하는 것을 목표로 합니다. 담금질 매체마다 담금질 공정에 적용되는 용도가 다릅니다. 예를 들어 물을 사용하면 냉각 속도가 매우 빨라질 수 있습니다. 오일 담금질은 중간 정도의 냉각 속도에 적용할 수 있습니다. 오일 담금질 시 금속은 뒤틀림과 균열을 방지하기 위해 적당히 천천히 냉각됩니다. 템퍼링은 일반적으로 금속의 취성을 낮추고 연성을 회복하기 위해 담금질 후에 진행됩니다.

다이캐스팅 금형의 열처리에는 예열 및 후열, 응력 완화, 금형 경도를 위한 질화, 진공 열처리 등 네 가지 주요 단계가 포함됩니다. 예열 과정에서 금형 엔지니어는 성형이 시작되기 전에 금형을 작동 온도까지 가열합니다. 성형 공정이 끝나면 금형 엔지니어는 제어된 냉각 조건에서 후가열을 진행합니다. 이 공정은 뒤틀림으로 이어질 수 있는 내부 응력의 형성을 줄여줍니다.

이 공정은 금형 재료의 내부 표면에 영향을 주지 않고 금형 강철의 표면을 경화시키는 데 도움이 됩니다. 진공 열처리는 어닐링을 비롯한 다른 금속 열처리와 유사합니다. 차이점은 진공 상태에서 진행된다는 점입니다. 비용이 많이 들지만 의료 기기 및 항공 우주 분야의 정밀 금형에 유용합니다.