중앙대학교 고체재료실험 기초 열처리 실험(Fundamental heat treatment test) 예비 레포트

문서 내 토픽

1. 철의 제조과정

철을 제련하고, 제품까지 만드는 과정에선 크게 제선공정, 제강공정, 압연공정의 3가지로 나타난다. 제선공정은 철광석을 녹여서 용선(쇳물)을 만드는 공정이며, 제강공정은 용선에 원료와 산소를 넣어 불순물을 제거하고 원하는 성질의 용강을 얻는 공정이다. 압연공정은 금속의 소성을 이용하여 고온이나 상온의 금속재료를 회전하는 두 롤 사이를 통과시켜 판, 봉, 관의 형태로 가공하는 공정이다.
2. 평형 냉각과 비평형 냉각

평형 냉각의 경우 결정의 성분이 대체로 균질하지만, 비평형 냉각의 경우 결정의 성분이 가변적이다. 평형 냉각에서는 결정이 점점 자라면서 니켈 조성이 변화하지만 최종적으로 균등한 조성을 가지게 된다. 반면 비평형 냉각에서는 결정 중심에 조성이 높은 니켈이 성장하고 벗어날수록 조성이 낮아지는 비균등한 성질을 보인다.
3. 소성가공(냉간가공)이 금속의 강도에 미치는 영향

금속의 재결정 온도보다 낮은 온도에서 소성 가공하는 냉간 가공에 따라 금속의 기계적 성질이 변화한다. 경도와 강도는 증가하지만 신장은 감소한다. 탄성 한계는 증대하지만 영률은 크게 변화하지 않는다. 전도율은 감소하지만 열전도율은 변화가 크지 않다. 또한 내식성이 저하된다. 냉간 가공도가 증가함에 따라 인장강도와 항복강도는 증가하지만 단면 수축률과 연신률이 감소하여 재료가 brittle해진다.
4. 탄소강과 주철의 차이

탄소강은 철과 탄소의 합금 중에서 열처리가 가능한 0.05~2.1%의 탄소를 함유한 것을 말한다. 탄소량에 따라 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 구분된다. 주철은 탄소가 2.11~6.7% 정도 함유되어 있어 전성과 연성이 거의 없고 압연이나 단조 작업으로 제품을 만들 수 없다. 하지만 주조성이 우수하여 복잡한 구조의 제품 제작이 용이하고 제작단가가 낮다. 표면이 단단하여 마찰 저항이 우수하고 절삭 가공이 용이하지만 인장/굽힘 강도는 약하다.
5. Fe-Fe3C 상태도

Fe-Fe3C 상태도는 철과 탄소의 이원계 평행상태도로, 탄소의 양과 온도에 따른 철의 특성을 보여준다. 순철은 상온에서 α-페라이트 구조를 가지다가 가열되면서 912°C에서 γ-오스테나이트 구조로 변화한다. 탄소가 함유된 탄소강에서는 α-페라이트와 γ-오스테나이트 베이스에 Fe3C(시멘타이트) 구조가 결합되어 나타난다. 727°C 이하에서는 α-페라이트 + Fe3C, 727~1147°C에서는 γ-오스테나이트 + Fe3C의 구조를 가진다.
6. 대표적인 열처리 방법

담금질(Quenching): 강을 오스테나이트화 온도 이상으로 가열한 후 급랭시켜 마아텐자이트 조직을 얻는 방법. 강도가 증가하지만 취성이 생길 수 있다. 공구강이나 합금강에 사용된다. 뜨임(Tempering): 담금질한 강을 변태점 이하의 온도로 가열하여 조직을 안정화시키고 강인성을 부여하는 방법. 경도는 감소하지만 인성이 향상된다. 불림(Normalizing): 변태점보다 약간 높은 온도로 가열한 후 공기 중에서 냉각하는 방법. 조직을 미세화하고 내부 응력을 제거한다. 풀림(Annealing): 재료를 단조, 주조 및 가공 후 발생한 내부 응력과 가공경화를 제거하기 위해 변태점 이상의 온도로 가열하여 서서히 냉각시키는 방법.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 철의 제조과정

철의 제조과정은 매우 복잡하고 다양한 단계를 거치는 과정입니다. 우선 철광석을 채광하고 선광하여 고순도의 철 원료를 얻습니다. 이후 용광로에서 환원 및 용융 과정을 거쳐 선철을 생산합니다. 선철은 다시 제강로에서 불순물을 제거하고 합금 원소를 첨가하여 다양한 종류의 강철을 생산하게 됩니다. 이 과정에서 철의 화학적 조성과 미세구조가 결정되며, 이에 따라 철의 기계적 성질과 용도가 달라집니다. 철의 제조과정은 단순하지 않지만, 철강 산업의 근간을 이루는 매우 중요한 과정이라고 할 수 있습니다.
2. 평형 냉각과 비평형 냉각

금속의 냉각 과정은 평형 냉각과 비평형 냉각으로 구분할 수 있습니다. 평형 냉각은 매우 느린 냉각 속도로 인해 금속 내부의 원자들이 열역학적 평형 상태에 도달할 수 있는 과정입니다. 이에 반해 비평형 냉각은 빠른 냉각 속도로 인해 원자들이 평형 상태에 도달하지 못하고 준안정 상태로 존재하게 되는 과정입니다. 평형 냉각과 비평형 냉각은 금속의 미세구조와 기계적 성질에 큰 영향을 미치게 됩니다. 예를 들어 철강의 경우 평형 냉각 시 페라이트와 세멘타이트가 생성되지만, 비평형 냉각 시 마르텐사이트와 같은 준안정 상태의 미세구조가 형성됩니다. 이러한 미세구조 차이로 인해 기계적 성질이 크게 달라지게 됩니다.
3. 소성가공(냉간가공)이 금속의 강도에 미치는 영향

소성가공(냉간가공)은 금속의 강도를 크게 향상시키는 대표적인 방법입니다. 소성가공 과정에서 금속 내부의 결정립이 미세화되고 전위 밀도가 증가하게 됩니다. 이로 인해 금속의 항복강도와 인장강도가 크게 향상되는 것입니다. 대표적인 예로 순수 알루미늄의 경우 연성이 매우 높지만, 냉간압연 등의 소성가공을 통해 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 소성가공 후 열처리를 통해 강도와 연성의 균형을 조절할 수 있습니다. 이처럼 소성가공은 금속의 기계적 성질을 크게 개선할 수 있는 매우 중요한 공정이라고 할 수 있습니다.
4. 탄소강과 주철의 차이

탄소강과 주철은 철 합금재료 중 가장 대표적인 두 종류입니다. 이들의 가장 큰 차이점은 탄소 함량입니다. 탄소강의 경우 탄소 함량이 2% 미만인 반면, 주철의 경우 탄소 함량이 2-4% 정도로 높습니다. 이에 따라 주철은 탄소강에 비해 경도와 강도가 높지만 연성이 낮습니다. 또한 주철은 주조성이 좋아 복잡한 형상의 부품 제작에 유리하지만, 용접성이 좋지 않습니다. 반면 탄소강은 주철에 비해 연성이 높고 용접성이 좋아 다양한 가공 및 조립 공정에 활용될 수 있습니다. 이처럼 탄소 함량의 차이로 인해 두 재료의 기계적 성질과 용도가 크게 달라지게 됩니다.
5. Fe-Fe3C 상태도

Fe-Fe3C 상태도는 철-탄소 합금계의 상평형을 나타내는 대표적인 상태도입니다. 이 상태도에는 페라이트, 오스테나이트, 세멘타이트 등 다양한 상들이 나타나며, 각 상의 생성 및 변태 조건이 상세히 표현되어 있습니다. Fe-Fe3C 상태도를 통해 철강의 미세구조와 기계적 성질을 예측할 수 있으며, 열처리 공정 설계에도 활용됩니다. 예를 들어 오스테나이트 영역에서의 퀜칭 및 템퍼링 처리를 통해 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있습니다. 이처럼 Fe-Fe3C 상태도는 철강 재료의 이해와 개발에 필수적인 도구라고 할 수 있습니다.
6. 대표적인 열처리 방법

금속 재료의 기계적 성질을 향상시키기 위해 다양한 열처리 방법이 활용됩니다. 대표적인 열처리 방법으로는 퀜칭, 템퍼링, 소둔, 정상화 등이 있습니다. 퀜칭은 오스테나이트 영역에서 급냉하여 마르텐사이트 조직을 얻는 방법으로, 매우 높은 경도와 강도를 얻을 수 있습니다. 템퍼링은 퀜칭 후 저온에서 가열하여 마르텐사이트의 과도한 경화를 완화하는 방법입니다. 소둔은 재결정 및 결정립 성장을 통해 연성을 향상시키는 방법이며, 정상화는 결정립을 미세화하여 강도와 인성을 동시에 향상시키는 방법입니다. 이처럼 다양한 열처리 방법을 통해 금속 재료의 미세구조와 기계적 성질을 폭넓게 제어할 수 있습니다.