열 처리란 금속 등의 재료를 가열하거나 냉각해서 재료의 성질(조직의 배열)을 변화시켜 필요한 성질을 얻는 방법입니다. TV 영상 등에서 대장장이가 새빨갛게 달군 철을 물에 담그는 장면을 본 적이 있습니까? 그것은 담금질이라고 하며 강철을 강하게 하기 위한 공정으로 열 처리라는 공정의 일종입니다. 이번에는 열 처리에 대하여 설명합니다. 
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열 처리란
철(강재)에는 철 이외의 성분도 포함되어 있습니다. 철의 원소만으로 구성되는 「순철」은 일반적으로 거의 시중에 없습니다. 철(강재) 속에 포함되는 철 이외의 원소로 대표적인 것은 「탄소」입니다. 강 속에 포함되는 철과 탄소의 조직 상태에 따라 강의 성질은 변화합니다. 예를 들어 식염수를 급격하게 증발시키면 미세한 결정을 얻을 수 있고 천천히 증발시키면 큰 결정을 얻을 수 있듯이 철과 탄소의 조직은 철의 온도와 냉각되는 속도에 따라 변화합니다. 이와 같은 성질을 이용하여 철 조직의 모습을 변화시켜 필요한 성질을 얻는 방법을 「열 처리」라고 합니다.
열 처리의 종류
일반적으로 실시되는 열 처리는 다음과 같은 4종류입니다. 화로 등을 사용하여 부품 전체를 가열 또는 냉각하므로 「전체 열 처리」라고도 합니다.
- 담금질 담금질은 철을 800℃~850℃에서 새빨갛게 달구고 잠시 두었다가 물이나 기름 속에 넣어 급냉각시키는 처리입니다. JIS 기호에서는 HQ로 표기됩니다. 이 공정을 하면 강철은 대단히 단단해집니다. 그러나 동시에 취약해진다는 문제가 있습니다. 그래서 담금질 후에는 「템퍼링」을 합니다. 또한 담금질로 냉각할 때는 조직의 팽창이나 수축에 의해 부품에 균열이나 변화가 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다. 또한 담금질을 하면 부품은 상당히 단단해지므로 절삭 등의 가공이 완료된 후의 최종 공정 단계에서 실시하는 것이 일반적입니다.
- 템퍼링 템퍼링은 담금질한 부품을 다시 가열하여 식히는 처리입니다. JIS 기호에서는 HT로 나타냅니다. 템퍼링하면 부품의 경도는 약간 저하되지만 취약하지 않게 되어 경도와 점성 강도 모두를 얻을 수 있습니다. 또한 담금질로 급냉되었을 때 발생한 내부 응력(수축의 불균형 등으로 부품 내부에 힘이 가해지는 것)을 제거하는 목적도 있습니다. 템퍼링에는 저온 템퍼링과 고온 템퍼링의 2종류가 있습니다. 저온 템퍼링은 150℃~200℃에서 1시간 정도 유지하고 서서히 냉각합니다. 한편 고온 템퍼링에서는 550℃~650℃로 가열하여 1시간 정도 유지한 후 급냉합니다. 담금질과 템퍼링은 공구와 같이 경도가 필요한 제품에 사용됩니다.
- 어닐링 어닐링은 담금질과는 반대로 강철을 부드럽고 가공하기 쉽게 하거나 가공 등의 영향으로 딱딱해진 조직을 부드럽게 하기 위해 실시됩니다. 가열로 부품 내부의 조직을 균일화하거나 뾰족해진 조직을 둥그스름하게 합니다. 어닐링에는 여러 종류가 있고 종류와 강철의 조직에 따라 요구되는 온도는 550℃ 정도에서 950℃ 가까이로 폭이 있습니다. 어떤 경우에도 가열하여 1시간 정도 온도를 유지한 후 화로 안에서 천천히 냉각시킵니다. 금형 등을 절삭 가공하기 전에 부재의 잔류 응력을 제거하는 목적이나 판재를 판금 가공에 적합한 부드러움으로 바꾸기 위해 실시됩니다.
- 노멀라이징 노멀라이징은 주로 철강 재료의 제조 단계에서 발생한 불균형한 철 조직을 균일화시키고 이후 절삭 가공 및 프레스 가공 등에 적합한 상태로 정리하기 위해 이루어집니다. JIS 기호에서는 HNR로 나타냅니다. 철을 800℃~900℃ 정도로 가열한 후 서서히 냉각합니다.
표면만을 열 처리하는 방법
기본적인 열 처리는 부품 전체를 가열해서 장시간 유지해야 합니다. 따라서 큰 화로나 수랭(유냉) 설비가 필요하게 되는 등 많은 비용이 요구됩니다. 그러나 예를 들어 기어 등의 경우 부품 전체의 강도는 필요 없고 톱니 부분만 강도가 필요한 경우도 많습니다. 이러한 경우에 이루어지는 것이 표면 담금질이나 침탄 담금질입니다. 코일을 가까이하고 전자 유도를 통해 부품의 표면만을 가열하는 고주파 담금질은 표면 담금질 중에서도 특히 빈번하게 이용되는 방법입니다. 기어의 톱니 표면을 단단하게 해서 수명을 연장시키기 위한 가공으로 많이 사용됩니다.
정리
열 처리는 금속 재료를 강하게 하거나 부드럽게 하거나 가공에 적합한 상태로 하는 등 다양한 목적으로 이루어집니다. 특히 담금질과 템퍼링은 금속의 강도를 얻어 피로에 강한 부품을 만드는 방법이므로 공정이나 효과를 기억해 두면 좋을 것입니다.
