재결정 (recrystallization), 재결정온도, 냉간가공, 열간가공

<기출>

22-1-3  금속의 열처리과정 중 발생하는 재결정에 대하여 설명하시오

13-1-4- 소성가공에서 열간가공(hot working)과 냉간가공(cold working)의 특징을 비교하여 설명하시오

금속 22-1-13 열간압출법(hot extrusion) 2가지를 구분하여 설명하고, 금속을 열간압출하면 어떤 종류의 소재 형태를 만들 수 있는지 설명하시오.

금속 21-1-12 열간가공과 냉간가공에 의한 성질 변화에 대하여 설명하시오

금속 21-4-1 열간단조, 온간단조 및 냉간단조에 대하여 설명하시오.

금속 19-1-7 열간압연과 냉간압연의 특징을 쓰고, 관련 구분 기준에 대하여 설명하시오.

금속 17-1-3 금속의 냉간가공 후 열처리 시 “①재결정, ②회복, ③결정립성장” 등의 현상이 나타난다. 이들 현상을 열처리 시간에 따라 나타나는 순서대로 나열하시오.

금속 17-1-7 소성가공을 크게 열간가공과 냉간가공으로 나누는 기준은 무엇인지 설명하시오.

금속 16-1-2  금속의 재결정 형성과정에서 풀림온도에 따라 2차 재결정이 일어나는데 그 원인을 설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 재결정 (recrystallization) 정의

 재료가 소성변형을 받으면 결정립들이 변형된 상태에 있으나, 가열시 원자운동이 활발해져서 정상적인 조직의 상태로 돌아감. 
특정 온도 이상에서는 변형되어있는 큰 하나의 결정에서 (조대화되어있고, 변형되어있는 결정립)에서 다수의 변형이 없는 작은 새 결정립들이 발생함 
해당 현상이 재결정이고, 해당 현상이 발생하는 온도가 재결정 온도

 

2) 재결정 목적

• 소성변형으로 발생한 경화를 재결정으로 제거시켜 보다 큰 변형이 가능하게 한다 (소성변형을 용이하게 함) 
• 경도와 강도가 낮아지고, 연성이 증가하여 소성변형이 쉬워진다 
• 내부 응력의 제거 
• 새로운 결정 핵이 생성됨 (초반에는 방향성이 있으나 결국 방향성이 제거됨) 
• 주조 조직을 균일하고 미세한 경절립 조직으로 만드는 것 

재결정시 변하는 기계적 성

 

3) 재결정 기구(mechanism)

회복 → 재결정 → 결정립 성장

① 단계 : 회복 (내부 응력의 이완)

온도를 상승시키면 가공 경화된 금속 내부의 응력이 연화 온도 이하에서는 제거됨. 
이때 가공결정은 그대로 있고 내부 응력만 제거된다 (SRA온도 → 550도 ~ 650도)

 

② 단계 : 재결정 

가공된 결정 중에서 내부 응력이 없는 신 결정이 생김

이것이 점차 성장하고 구 결정이 동시에 소멸되는데, 이 온도가 재결정온도다 (A1 변태점 이하) 

 

③ 단계 : 결정립 성장

재결정온도보다 높은 온도로 가열하게 되면 재결정 입자들이 서로 인접한 결정입자들을 병합하여 결정 성장을 한다 (A3 변태점 이상) 

재결정 조직 변화

각종 금속의 재결정온도

4) 재결정 특징

• 가공도가 큰 재료의 재결정은 낮은 온도에서 생기고, 가공도가 작은 것의 재결정은 높은 온도에서 생김 
  (재결정이 낮은 온도에서 발생하면 가공이 잘 된다고 표현할 수 있음) 
• 재결정 온도가 낮아지는 조건
  • 변형량이 클 수록
  • 변형 전 결정립이 작을수록
  • 금속의 순도가 높을수록
  • 변형 전 온도가 낮을수록 
• 일반적으로 열간가공 후 결과물은 냉간가공으로 만든 제품에 비해 균일성이 적음 (재료의 표면이 산화되어 나빠지고, 재료의 온도 분포가 불균일해지기 쉽고, 실온으로 냉각하는 사이 재료가 수축하여 치수가 불균일해짐)
• 따라서 치수, 형상, 조직, 기계적 성질들이 일정한 것을 얻기 위해서는 열간가공 후 충분히 고도의 냉간가공을 하고, 필요시 풀림(annealing)을 해야함 
• 열간가공시 적열취성이 생길 수 있음 (해당 온도를 피해야함)

 

2. 온도에 따른 가공 구분

같은 재료의 재결정 온도 이상의 온도에서 가공시 가공경화도 일으키나, 동시에 어닐링 작용으로 연화도 이루어져 가공이 매우 용이해짐. 이와 같이 재결정 온도 이상까지 가열한 채 가공하는 것을 열간가공 (hot working)이라 하며, 재결정 온도 이하에서의 가공을 냉간가공 (cold working)이라 함  

실온에서의 가공이 반드시 냉간가공이라고 할 수는 없음 (주석이나 아연은 실온이 열간가공임)

대개 금속 재료는 주괴를 열간가공으로 다룬 뒤, 냉간가공을 하여 소요의 치수와 형상으로 만듬 (가공하기 쉬운 이유, 경제적 이유) 

 

1) 단조 공정 (열간, 냉간, 온간)

(1) 열간 단조 (Hot Forging)

• 재료를 재결정 온도 이상으로 가열하여 실시
• 온간단조나 냉간단조에 비해 정밀도는 떨어짐
• 재작비가 저렴하고, 단조품 형상에 제약이 적어서 일반적으로 널리 사용됨

(2) 냉간 단조 (Cold Forging)

• 재료를 가열하지 않고 상온 또는 상온에 가까운 온도에서 실시하는 단조
• 정밀도에서는 변형저항이 크므로 단조용 소재는 중, 저탄소강 또는 저합금강으로 한정 
• 대부분 형상 또는 축대칭으로 형상에 제약을 받게 됨 

(3) 온간 단조 (Warm Forging) 

• 열간단조와 냉간단조의 중간온도에서 실시
• 정밀도에서는 열간단조보다 우수하고 냉간단조보다는 떨어짐 

열간단조

냉간단

 

2) 압출 공정 (열간 압출, 냉간 압출) 

(1) 냉간압출 (상혼 혹은 300도 이하) 

• 상온 또는 재결정온도 이하에서 압출하는 방법
• Pb, Sn, Zn, Al, Mg, Cu 등 변형저항이 작은 재료는 냉간압출로 바로 성형됨 
• 보통 Ni-Cr강을 적용하고(컨테이너, 플런저, 압판) 다이와 맨드릴은 Cr-W강을 적용 
• 냉간압출의 특징 
  1. 변형 및 마찰로 인한 발생열로 재결정이 일어나지 않는 한 가공경화로 기계적 성질이 개선됨
  2. 가공오차 조절이 용이 → 후처리 (절삭 또는 마무리작업) 필요를 줄임
  3. 윤활이 효과적이며 표면정도가 개선되고 양호한 표면품질을 확보할 수 있음
  4. 산화막이 생기지 않음 
  5. 생산속도가 높고 비교적 가공비가 염가이다
  6. 압출에 필요한 에너지가 많이 발생한다 

(2) 열간압출 (재결정 온도 이상에서 압출 (600 ~ 3000도)

• 재결정온도 이상에서 압출하는 방법 
• 변형저항이 큰 철강재는 열간압출을 함 
• 공구가 밀폐식이고 발열도 크기 때문에 내열공구강을 적용해야함 
• 공구는 보통 크롬텅스텐강 혹은 초경합금이 적용됨 
• 열간압출의 특징
  • 상대적으로 압출에 필요한 에너지가 적게 발생한다 (소성이 커져 압출 압력이 감소함)
  • 다이의 온도가 상승하고 윤활이 곤란하다
  • Cu, Ti, Fe 합금 등 압출

 

3) 압연 공정

(1) 냉간압연강판 (SPCC) 

재결정 온도 이하에서 가공
강괴로부터 열간 압연 후 냉간압연

• 프레스 성형 품질이 우수
• 표면이 미려
• 치수가 정확

(2) 열간압연강판 (SPHC)

재결정 온도 이상에서 가공

• 가공이 쉬움
• 표면에 산화가 발생
• 얇은 철판, 아연 도금 강판, 주석 도금 강

 

4) 인발 공정

(1) 냉간 인발

• 소재를 가열하지 않고 상온에서 인발
• 대부분의 인발 가공 공정에 활용
• 치수정밀도가 좋고 표면이 미려

(2) 열간 인발 

• 소재를 가열한 뒤 다이스를 통과시켜 여러 형상의 제품을 제조
• 소재의 가공성 확보가 어려운 경우 활용

 

3. 재결정 고찰

 

1) 가공경화(work hardening) 와 재결정 온도

2023.12.08 - [Mechanical Engineering Study/소성가공] - [소성가공, 2023] 가공경화에 대하여 설명하시오

[소성가공, 2023] 가공경화에 대하여 설명하시오

• 가공경화는 가공을 위한 큰 외력으로 인해 내부응력이 증가하여 발생
• 이것을 가열하여 어떤 온도로 유지하면 새로운 결졍입자가 생겨 부가공 경화된 부분이 원상태로 돌아감 
• 이 온도가 재결정 온도 (재결정이 생기는 온도), 강철은 400 ~ 500도
• 재결정 온도 이상에서 가공은 가공경화가 발생하지 않는다 (열간 가공의 장점) 

2) 풀림 온도에 따른 2차 재결정 원인

기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔