기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔

<구분>

• 기본 열처리
  • 담금질  (Quenching) ★
  • 뜨임 (Tempering)
  • 풀림, 소둔 (Annealing) ★
    • 완전소둔 (Full Annealing)
    • 구상화 소둔 (Sphericidizing Annealing)
    • 재결정 소둔 (Recrystallization Annealing)
    • 응력제거 소둔 (Stress Relief Annealing)
    • 균질화 소둔 (Homogenizing Annealing)
  • 불림 (Normalizing)

<기출>

• 22-2-6 강의 열처리 방법 중 불림(Normalizing)과 풀림(Annealing)을 비교하여 설명하시오
• 금속 20-1-8 구상화 어닐링 방법을 4가지 설명 
• 금속 19-1-1 냉간가공된 금속을 풀림처리할때 일어나는 현상을 단계적으로 설명 
• 금속 18-3-5 강의 열처리 방법 중 불림(normalizing)과 풀림(annealing)을 비교하여 설명하고, 각 각의 열처리 목적을 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 17-2-6 18-8 Austenite계 Stainless Steel에 적용하는 ① 용체화처리, ② 안정화처리, ③ 응력제거 열처리를 각각 설명하시오.
• 금속 17-4-3 강의 열처리 공정 중 구상화 풀림(Spheroidizing annealing)의 목적과 공정을 설명하시오.
• 금속 16-1-2 금속의 재결정 형성과정에서 풀림온도에 따라 2차 재결정이 일어나는데 그 원인을 설명하시오.
• 금속 16-4-1 강을 강화시키는 열처리와 연화시키는 열처리에 대하여 설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 풀림 (Annealing) 정의

 인장강도, 항복점, 연신율 등이 낮은 탄소강에 적당한 강도와 인성을 갖게 하기 위하여, 혹은 여러가지 이유로 변태온도보다 30 ~ 50도 높은 온도로 일정시간 가열하여 미세한 오스테나이트로 변화시킨 후 열처리나 재 속 또는 석회 속, 노 안에서 서서히 냉각시켜 미세한 페라이트와 펄라이트 조직을 만들어 강철에 소성을 주게 하고 기계가공을 쉽게 하는 공정이다 

어닐링 온도 영역 구분

 

[열처리|금속재료, 2023] Fe-C계 평형상태도에서 공석반응(eutectoid reaction)과 공정반응(eutectic reaction)

 

 

2. 어닐링 분류 

평형상태도

 

1) 완전 소둔 (Full Annealing)

변태온도보다 30 ~ 50도 높은 온도로 일정시간 가열하여 미세한 오스테나이트로 완전 변화시킨 후 매우 천천히 냉각(노냉)하여 미세한 페라이트와 펄라이트 조직을 만들어 강철에 소성을 주게 하고 기계가공을 쉽게 하는 공정

• 아공석강 (C 0.025 ~ 0.77%) : A3 이상 +50도로 가열하여 완전 오스테나이트화 처리 후 매우 천천히 냉각
• 과공석강 (C 0.77% ~ 2.0%) : A1이상 + 50도로 가열하여 오스테나이트와 시멘타이트 혼합조직이 되도록 충분히 유지한 다음 매우 천천히 냉각 

 

 

2) 구상화 소둔 (Sphercidizing Annealing)

과공석강에 있어서, 펄라이트 중위 층상 시멘타이트 또는 시멘타이트 탄화물을 구상화하여 페라이트 바탕에 구상화 탄화물(시멘타이트)이 분포된 조직으로 만드는 처리
일반 탄화물(시멘타이트)는 경도가 매우 높아 기계 가공성이 나쁘고, 담금질할때 변형이나 균열이 생기기 쉬움 

(1) 구상화소둔 특징 / 목적 : 담금질성 증대, 가공성 증대, 균열 방지

• 시멘타이트를 구상화하면 경도와 강도는 감소
• 인성은 증가, 가공성 양호
• 담금질성도 좋아짐 (담금질이 균일하게 됨)
• 내마멸성이 증가 (시멘타이트는 여려서 크레이터 균열 발생) 하므로 공구강이나 면도날 등에는 구상화 풀림 처리 실시

(2) 구상화소둔 공정

① 이 탄화물 조직을 구상화하기 위해 A1 변태점 바로 아래의 온도에서 일정 시간 유지하거나

②  A1변태점 근처에서 가열과 냉각을 반복한다음 서냉한다

③ 일단 담금질하여 마르텐사이트 조직으로 만든 뒤 A1점 바로 아래온도에서 뜨임하면 구상화처리를 할 수 있음 

④ 서랭법 : A1점 이상 약간 높은 온도 (760 ~ 780도)로 1~2시간 가열 후 서서히 냉각함 

⑤ 항온유지법 : A1점 이상 온도 (760 ~ 780도)로 가열 후 700도로 냉각 후 3시간 가량 항온 유지 후 공랭 (항온풀림) 

 

 

3) 재결정 소둔 (Recrystallization Annealing)

강을 600도 이상에서 소둔시키면 재결정이 일어난다. 유지시간 0.5 ~ 1시간 (재결정 발생 시간) 

(1) 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) 

재결정시 변하는 기계적 성질

 

 

4) 균질화 소둔, 확산 풀림 (Homogenizing Annealing)

주조 후 강을 응고시켰을때 주조상태의 조직은 대체로 불균질하다. 
1100도에서 장기간 소둔처리하여 조직을 균질화시킴

• 소재 내부의 유해한 합금 원소들을 분산 → 강에 해를 끼치는 것을 막음
• 높은 온도에서 장기간 열처리는 금속조직의 결정립을 조대화시키기 때문에 장시간 유지 X 
• 침탄처리강 → 확산풀림하여 침탄층 깊이 증대
• 침탄처리강 →  표면에 강한 펄라이트 조성 →  내충격성, 내마모성 확보  

확산 풀림

5) 응력제거 소둔 (SRA; Stress Relief Annealing)

금속재료를 일정 온도에서 일정시간 유지 후 냉각시키는 조작
단조(단조단류선), 주조(주조응력), 기계가공(표면경화), 냉간가공(가공경화), 용접(HAZ) 후 잔류응력을 제거하기 위함. 저온풀림이라고도 함 

(1) 응력제거소둔 공정

• 탄소강은 550 ~ 650도로 가열한 후 500도까지 노내에서 서랭한 후 노에서 꺼내서 공랭 (서냉) 
• 공구 또는 기계부품은 550 ~ 650도로 가열한 후 300도까지 노내에서 아주 천천히 냉각한 후 꺼재어 공랭 (서냉)
• 스테인리스
  • 페라이트계(STS430, 18Cr) : 790 ~ 840도 25미리당 2시간 가열 후 공냉
  • 마르텐사이트계(STS403, 13Cr) : 700 ~ 790도 25미리당 2시간 가열 후 공냉 (오스테나이트 변화 최소화)
  • 오스테나이트계(STS304, 18-8) : 고용화 열처리는 1000 ~ 1150도로 가열 후 급냉. 응력부식 균열방지(응력제거소둔)은 800 ~ 900도 (보통 870도)에서 25미리당 2시간 가열 후 공냉 
  • PH계 (STS631, 17-7PH) : 고용화 열처리로 1000 ~ 1150도 가열 후 급냉 

(2) 응력제거소둔 목적

• 응력 제거시 조직상의 변화는 발생하지 않지만 잔류응력은 제거되어 사고 등이 감소 
• 응력 부식 저항력 증대
• 수소 방출에 의한 자체 파괴 (수소 취성) 방지
• 치수 빗나감 방지 (잔류응력에 의한 변형)
• 용접부 연성 증대
• 경화된 열영향부 뜨임 연화 
• 노치 인성 및 강도 변화 

응력제거풀림

 

 

6) 등온 어닐링, 연화어닐링 (Soften Annealing, Process annealing, cycle annealing)

풀림온도까지 가열한 강재를 S곡선의 코 부근 온도인 600 ~ 650도에서 항온 변태시킨 후 공냉 
A 3점(아공석강) 또는 A 1점(과공석강) 이상의 온도로 가열한 후, A 1점 이하의 비교적 빠르게 펄라이트 변태가 일어나는 온도까지 급랭하여 그 온도로 유지하여 오스테나이트를 페라이트와 탄화물로 변태시켜 비교적 단시간에 연화시키는 어닐링. 사이클 어닐링(cycle annealing) 이라고도 한다.

• 성형성과 가공성을 향상 
• 냉간가공 중 가공경화된 재료 연화
• 가공중 생긴 잔류응력 제거 

연화어닐링

연화어닐링

 

 

3. 어닐링에 대한 고찰

 

1) 불림과 풀림의 비교  (온도영역, 목적) 

• 풀림은 가공 후 작업
• 풀림은 조직의 표준화가 주 목적
• 불림 온도가 다름 
• 불림은 대기 중에서 공랭실시함 (풀림은 노냉) → 약간 빠른 냉각으로 표준조직이 됨 
• 풀림은 노 안에서 서서히 냉각하여 표준조직보다 연해짐 

노말라이징 온도

 

2) 등온어닐링과 완전 어닐링 비교 

• 등온 어닐링은 완전 어닐링 대비 짧은 시간 안에 작업을 끝낼 수 있음 
• 등온 어닐링은 노를 순환적으로 이용할 수 있는 장점이 있어 순환 어닐링이라고도 함 

 

3) 냉간가공된 금속을 풀림처리할때 현상을 단계적으로 설명 

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. 흰 색이 새로 생긴 결정

 

4) 풀림온도에 따른 2차 재결정 원인

풀림처리로 재결정 및 결정립 성장이 일어난 금속을 더욱 고온도로 풀림하면 소수의 결정립이 다른 결정립과 합쳐져서 대단히 크게 성장하는데, 이 현상을 2차 재결정이라 함 

1차 재결정조직 중 2차 재결정립 성장 (금속조직학)

(1) 2차 재결정 원인

① 1차 재결정이 끝난 상태에서 일부 소수의 활성화된 결정립 존재

② 불순물 등으로 이동이 방해된 입계가 고온도에서 쉽게 이동할 수 있기 때문 

③ 1차 재결정 후 강한 접합조직이 성장하기 쉬운 방위의 결정립이 존재