[열처리 | 금속재료] 잔류응력과 잔류응력 제거 열처리, 주철 베드의 열처리

1. 잔류응력 정의

잔류응력 : 물체가 외력도 없이, 상온인데도 불구하고, 재료 내부에 잔존하고 있는 응력을 잔류응력이라고 한다. 용접으로 인한 국부적 열의 불균일, 열처리에 의한 열의 불균일 등에 의해 발생한다.

밀링머신의 베드는 주로 주철로 제작한다.

2. 주조품(주철 베드)의 잔류응력 제거 프로세스

1) 응력 제거

• 주조품은 주조 후 냉각이 균일하게 되기 어려움
• 냉각시 불균일한 냉각으로 주물 내부에 발생하는 열응력에 의해 영구변형이 발생함
• 이때 힘의 평형을 이루는데 내부응력이 존재하게 됨
• 이는 주물의 강도를 저하시킬 수 있음
• 또한, 추후 경년 변화에 의한 변형으로 인해 균열까지 발생할 수 있음
• 따라서 주조응력(잔류응력)이 클때는 응력제거처리 필요
• 복잡한 형상 주물은 아래의 이유로 주조응력이 큼
  - 각 부분이 서로 구속하고
  - 자유로운 수축을 서로 저지하며
  - 고온에서 영구 변형이 되기 때문에
• 각 부위 살 두께가 다르고, 표면적과 체적의 비율이 큰 주물일수록 영구변형량과 잔류응력이 증대함 

2) 가열 온도

• 응력 제거는 어닐링처리로 실시함 (열처리로에서 가열 - 냉각)
• 주철은 고온에서 변형 저항이 작고, 소성변형이 크다. 또한 크리프에 의한 응력 이완도 쉽다
• 따라서 600 ℃ 이상에서 발생하는 열응력은 급속히 변형으로 전환되어(소성변형이 되버림) 잔류응력에는 영향이 적을 것이라 예측된다 (어닐링에 의해 잔류응력이 생기는.. 무한 루프는 없다..)
• 어닐링의 종류도 여러가지가 있는데 추후 정리한다.
• 따라서 어닐링 조건은 5~600 ℃ 이하에서, 냉각 조건을 최대한 균일하게 한다.
• 가열 온도를 높일 수록 주조응력 감소율은 커지나 펄라이트의 분해로 기계적 성질이 저하될 수 있다. 
  (ex. 마르텐사이트를 뜨임처리했을때 소르바이트 등이 생기는 것으로 이해)

3) 보온 시간

• 두께 25mm마다 1시간

4) 가열속도, 냉각 속도

• 내부응력 → 대부분 보온 과정에서 제거되나 냉각시 발생한 건 그대로 잔류한다 (냉각이 중요!)
• 가열속도 100 ~ 150℃/hr, 냉각속도 50 ℃/ㅗㄱ
• 보온시간에서 150~250 ℃까지 노냉하는 것이 보통이나, 모양이 복잡하면 100~150 ℃까지 노냉하기도 함

5) 그 밖의 잔류응력 제거 방법

• 숏 피닝 (압축 잔류 응력 형성하여 인장 잔류 응력 제거/상쇄. 피로수명 증대)
• 자연응력제거(방치하면 제거됨)
• 기계적 진동 제어

6) 표면 경화 처리

• 주철 배드는 미끄럼 운동으로 인해 마멸이 많이 발생하고, 마멸이 발생시 정밀도가 저하한다. 
• 내마모성을 위해 표면 경화가 필요하다. 
• 주조응력을 제거한 베드를 1 ~ 1.5mm 의 다듬질 여유를 두고 거칠은 절삭 후 경화처리함
• 표면 경화 처리 방법 (주철 베드)
  - 화염 경화법 : 표면층을 변태온도 이상 가열 후 급냉하여 마르텐사이트 조직 형성(산소-아세틸렌 화염
  - 고주파 처리법 : 고주파를 이용 가열/냉각