금속의 강화기구, 금속조직(결정립) 미세화 방안, 석출강화, 고용체강화, 가공경화

금속의 강화 기구란?

 

• 금속 22-2-6 금속재료의 강도를 증가시키는 방법 중 전위의 움직임을 제한하여 실용금속의 강화 수단으로 사용하는 방법을 5가지만 쓰고 설명하시오.
• 금속 14-2-1 금속의 강화기구를 설명하시오 
• 금속 14-2-3 스테인리스강에서 판재나 봉재 또는 주조품을 절삭유없이 절삭가공하면 소재가 가공경화되어 2차 절삭가공이 곤란해지는 이유를 설명하시오
• 금속 14-3-5 금속조직을 미세화할 수 있는 방법 3가지를 설명하시오
• 금속 13-2-4 재료의 4대 강화기구를 설명하고 각 기구를 대표하는 강화식(equation0을 이용하여 강화 정도를 설명하시오. 이때 각 경우의 주 강화기구를 무엇과 무엇의 상호작용 때문의 형태로 설명하시오
• 23-1-5 가공경화에 대하여 설명하시오.

 

1. 개요

금속의 강화 기구의 여러가지 방법

1) 금속의 강화기구 배경 

일반적인 금속의 원소재 상태는 설계자가 원하는 물성치를 가지고 있지 않을 가능성이 높다. 따라서 원하는 기계적 / 화학적 특성을 갖기 위해 각종 열처리를 실시하고, 금속의 강화기구를 이용해서 원하는 물성치를 확보한다

금속 재료를 "강화"시킨다는 말은 변형에 대한 저항을 높인다는 말이며, 최종 목표는 "전위의 이동을 어렵게 하는 것"이다 

시효경화, 석출경화, 시효(aging)의 종류

항온열처리(Isothermal Heattreatment), 오스템퍼링, 마퀜칭, 마템퍼링, 항온뜨임, 항온불림, 항온풀림

가공열처리 (Thermo Mechanical Treatment), 오스포밍, 아이소포밍, 가공퀜칭, 제어압연

기본열처리 - 노말라이징 (Normalizing, 불림, 소준)

 

2) 금속 강화 메커니즘

재료는 외력을 받으면 변형된다. 탄성 한도 이상으로 응력을 가해 영구적인 변형이 되어 변형이 남는 성질을 소성이라 함 
소성가공(plastic working)은 재료의 소성을 이용하여 원하는 형상을 얻는 가공법이다 

금속은 해당 원자가 특정 배열을 가지고있는데 (결정구조), 이 일정한 결정구조를 갖는 물질 내에서 전단응력에 의해 원자의 배열이 어긋난 결함을 전위(Dislocation)이라 함. 전위에서부터 주변 원자의 격자 뒤틀림을 유발하며 슬립이나 쌍정이 발생함 

금속강화는 이 전위의 존재와 외부 응력에 의해 발생하는 슬립(slip)이나 쌍정(Twin)현상을 힘들게 만들면 된다 

 

금속의 변형원리, 해당 과정이 어렵게 만들면 된다

 

소성 이론, 응력변형률 선도, 재료의 성질, 슬립, 쌍정, 전위, 비강도

 

3) 금속 강화 기구 종류 

• 고용체 강화
• 석출 강화, 분산 강화
• 결정립 미세화 강화 (결정입계에 의한 강화)
• 가공강화

 

2. 금속 강화 기구별 특징 

 

1) 고용체 강화 

일반적으로 용매 원자의 격자에 용질원자가 고용되면 순금속보다 강한 합금이 형성됨 
이 현상의 원인은 치환형 또는 침입형 고용체가 형성되면 격자의 뒤틀림 현상이 생기고, 이로 인해 용질 원자 근처에 생기는 응력장 (stress filed)가 가동전위의 응력장과 상호작용하여 전위의 이동을 방해하기 때문이다 (재료의 강화) 

치환형 고용체 강화와, 침입형 고용체 강화가 있다 

• 용질원자가 격자 내에 불규칙하게 분포되어있으면 고용체 강화 효과가 적음 
• 규칙적으로 분포되어있으면 효과가 큼 
• 침입하는 용질원자 (침입형 고용체)는 반경이 1Å 이하의 H, B, C, N, O 등으로 한정된다 (이외는 치환형) 

침입형 고용체와 치환형 고용체, 네이버 블로그

치환형 고용체에 의한 강화 현상, 작거나 큰 용질원자가 용매와 치환되어 응력장이 형성됨 , LG디스플레이 블로그

 

고용화열처리의 대표적인 사례, 오스테나이트계 스테인리스강 

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트

 

2) 석출강화 (시효경화)와 분산강화

시효열처리에 의해 미세한 2상의 석출물을 분산시켜 석출물 원자집단 주위의 격자 변형에 의해 전위가 움직이기 어렵게 하는 것 
금속기지에 미세하게 분산된 불용성의 2상의 형성방법에 따라 석출강화와 분산강화로 구분이 됨 

석출강화가 발생하기 위해서는 온도에 따른 고용도의 차이가 있어야한다 (석출되기 위해서) 
(제 2상이 고온에서는 용해되어야하고, 온도가 감소함에 따라 2상의 고용도가 감소해야 하는 것) 

따라서, 석출강화된 제품은 고온으로 가면 고용이 되기 때문에 고온에서 경도 등 기계적 성질이 악화되는 것이고, 분산강화는 제 2상의 고용도가 고온에서도 매우 작기 때문에 고온에서도 우수한 기계적 특서을 나타내는 것 (고온에서 용해되지 않는다) 

• 석출강화 : 2상이 과포화고용체로부터(고용화열처리 필요) 석출에 의해 형성된 경우의 강화현상 (일반적인 알루미늄 열처리) 
• 분산강화 : 2상이 분말야금법이나 내부 산화법 등에 의해 형성되는 강화현상 

알루미늄 합금의 시효 경화 열처리(Al-Cu계), HRD

 

알루미늄 합금(Al-Cu, Al-Si), 알루미늄 합금 열처리, 시효경화 열처리, 시효(aging)

시효경화, 석출경화, 시효(aging)의 종류

알루미늄 합금 구분, 알루미늄 합금 열처리 종류 구분, 열처리 기호

 

 

3) 결정립 미세화 강화 (결정입계에 의한 강화) 

다결정 재료에서 결정입계 그 자체는 고유의 강도를 나타내지 않지만 결정립계는 결정립 내의 슬립을 방해하기 때문에 결정입곅 ㅏ많을수록(결정의 입도가 작아질수록) 재료의 강도는 증가함 

Hall-Patch식에서는 대부분의 결정질 재료에서 결정립 크기가 감소할수록 항복강도가 증가함을 증명함 

좌츨부터 항복강도, 결정립계에서 전위의 이동을 방해하는 마찰응력, 상수, 결정립 직경

• 결정립계에 집정된 전위가 다른 전위와 서로 상호작용하여 생기는 반발응력에 의한 슬립 전파를 막을 수 있음 
• 열처리를 오래하면 (고온에서 지속 노출되면) 결정립 성장이 되는데, 이러면 기계적 강도나 경도가 떨어짐 
• 따라서 결정립미세화를 이루기 위해서는 노말라이징이나 완전풀림처리를 통해 결정립 미세화나 표준조직으로 만들어줘야함 

결정입계에서의 슬립 전파, HRD

 

 

재결정 (recrystallization), 재결정온도, 냉간가공, 열간가공

기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔

 

4) 가공강화, 가공경화 

소성변형에 다라 재료 내 전위가 도입하게 되고, 도입왼 전위에 따라 전위밀도가 높아지게 되어 전위들간의 움직임을 어렵게 하여 재료를 강화시키는 방법

[소성가공, 2023] 가공경화에 대하여 설명하시오

 

5) 담금질에 의한 마르텐사이트 형성 

탄소강을 담금질하여, 탄소원자가 고용되지 못한 BCT구조의 마르텐사이트를 형성하면 금속이 강화된다 (매우 단단한 재질) 

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

 

3. 금속의 미세화 (grain refinement) 

금속이 응고 후 결정입자의 크기는 용액 속의 핵의 수와 냉각속도 등에 좌우됨 
용융금속이 수많은 작은 금속으로 응고된 것을 미세한 결정입자(fine grain)가 형성되었다고 하고, 이를 위해서는 용액을 급냉해야한다 (용액이 급냉되면 원자가 오랫동안 움직이지 않고 이미 형성된 핵을 찾게 되어 수많은 자리에서 핵이 형성되고, 핵으로부터 성장한 결정이 서로 부딪혀 미세한 조직을 형성하게 됨) 

반대로 용융금속이 서서히 냉각하면 원자가 결정을 형성하는데 시간을 갖게 되고, 원자들 중 수 개가 서로 적당한 거리를 두고 핵이 배열하게 된다. 핵의 수가 적고 큰 결정립이 될 때 조대한 결정입자 (coarse grain)을 형성함 

결정립이 미세할수록 금속의 항복강도 뿐만 아니라 피로강도 및 인성 또한 개선되므로 결정립 미세화는 매우 중요한 기계적 성질의 개선책으로 이용되고 있음 

가공 전 결정립이 미세할 수록 재결정 완료 후 결정립은 작으며 재결정 온도는 낮아짐 

 

1) 금속 조직 미세화 방안 (결정립 미세화 방안, grain refinement)

• 소성가공에 의한 금속 조직 미세화 
  가공열처리는 열처리에 의한 금속 강화효과와 소성 가공에 의한 금속 조직 미세화 효과로 그 기계적 성질 효과를 극대화하는 방안
  HPT(High pressure torsion) 또는 ECAP(Equal Channel Angular Presing)과 같은 기술로 재료에 큰 변형을 가하는 방법 
  소성변형이 발생하는 과정에서 입자가 더 작은 크기로 조각화됨 
• 열처리에 의한 금속 조직 미세화 
  결국 재결정을 하게 되면 금속 조직은 미세화되며 재결정 후 상대적으로 냉각속도가 빠른 불림(공냉)이 금속조직 미세화 방안 중 하나 
• Ti, Zr 등 결정립 미세화제 첨가 
  첨가된 미세화제가 응고 중 새로운 결정립을 형성하기 위한 핵생성 부위를 형성
• 급속 응고 기술 사용 
  다이캐스팅 등 금형 주조는 응고가 상대적으로 빨라 결정립이 미세화됨