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열처리
열처리(熱處理, Heat Treatment)는 재료를 가열·냉각하여 굳기 따위의 기계적 성질을 변화시키는 일을 말한다.
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목차
개요
열처리는 쉽게 말하여 열을 가하거나 거꾸로 온도를 낮추어 냉각하는 열에 대한 조작을 말하는데 적당한 속도로 조절하여 그 재료의 특성을 개량하는 조작으로 온도에 의해서 존재하는 상의 종류나 배합이 변하는 재료에 이용되는 기술이다.
흔히 사용되는 것은 금속인데, 고온에서 급랭하여 보통이면 일어날 변화를 일부 또는 전부 저지하여 필요한 특성을 내는 담금질(퀜칭), 한 번 담금질한 후 비교적 저온에 가열하여 담금질로써 저지한 변화를 약간 진행시켜 꼭 알맞은 특성을 가지게 만드는 뜨임(템퍼링), 가열하여 천천히 식힘으로 금속재료의 뒤틀림을 바로잡거나 상의 변화를 충분히 끝나게 하여 안정 상태로 만드는 풀림(어닐링) 등의 여러 가지 처리를 모두 열처리라고 한다.[1]
열처리 역사
오늘날 열처리는 고도로 다양화되어가는 추세이며, 이러한 경향은 플라스틱이나 세라믹, 기타 복합재료 등에까지 점차 그 영역을 확대해 가고 있다. 이러한 시대적 변화는 자동차나 항공기 부품에 사용되는 소재에서 요구되는 경량화가 환경적인 조건을 충족시키고 치열한 국제 경쟁을 극복하기 위하여서는 열처리의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 열처리 기술의 발달은 인간이 금속을 다루기 시작한 역사와 같다고 할 수 있으며, 이러한 역사적 배경은 청동기시대로 거슬러 올라간다.
아이스맨의 동제 도끼
얼마 전 오스트리아 남 티롤 지방의 알프스 빙하에서 4000년 전의 청동기시대 초기의 미라가 발견되어 ‘세기의 대 발견’이라고 크게 보도된 적이 있다. 이 미라는 아이스맨이라고 불리었는데, 여기서 발견된 것 중에 돌의 칼날 부분에 부착된 나이프와 동합금 제의 도끼를 가지고 있었다.
이 동합금이 칼로서의 기능을 수행하기 위해서는 쐐기형의 형상과 어느 정도의 경도가 필요하게 되는데, 경도는 함유 성분을 적당히 조절하면 증가시킬 수 있다. 이것을 쐐기형에 단조하고 연신하여 연마하면 칼로서의 기능을 가지게 되며 쐐기형으로 성형하기 위해서는 용해하여 주형에 주입하여 소성가공하지 않으면 안 된다.
잘 알려진 바와 같이 동 및 동합금은 냉간 가공도에 따라 경도가 증가하고 연신율은 저하한다. 그러나 동의 재결정온도 근방으로 가열하면 경도는 감소하고 연신율은 증가하게 된다. 이러한 사실은 아이스맨의 시대에는 어느 정도 알려져 있었다고 볼 수 있으며, 단조하고 연신 시킬 때 가열하면 응력이 완화된다는 것을 그 당시에도 알려져 있었던 것으로 짐작된다.
고대 바빌로니아의 자연동
BC 3100년 무렵에 제작된 작품으로 고대 바빌로니아의 도시에서 출토된 동제 조각품이 있다. 그 조각품 전체는 단조하여 제조하였지만 앞에서 언급한 바와 같이 동의 가공경화 특성에 따라 이것에 의한 조형은 가공 도중에 가열처리하지 않으면 곤란하다. 따라서 이미 이 시기에 지금의 어닐링에 해당하는 기술이 있었던 것을 증명하는 것이 되어 인간과 열처리의 관계는 현재 알려진 것보다 더욱 거슬러 올라간다는 설명이 된다.
2500년 전의 열처리에 의한 가단주철
2500년 전, 백주철에 열처리를 실시하여 가단주철을 얻었다고 한다. 그 당시 백주철의 취성을 극복하기 위하여 적어도 BC 500년 무렵에는 어닐링 열처리법을 발명하여 표면층을 탈탄 시키고 내부의 시멘타이트를 분해시켜 면화 상 흑연으로 만든 소위 가단주철을 얻었다. BC 500년 무렵에 출토된 한 손도끼와 호미는 현재까지 발견된 것 중에서 가장 오래된 가단주철 제품이다. 열처리에 의하여 백주철에서 가단주철을 얻는 것을 발견한 것은 백주철이 의도적으로 준비되었던 것인가 하는 것은 별개로 하더라도 앞에서와 같은 우연성은 예상되지 않는다.
다마스크의 칼
열처리가 인류의 지혜와 관계되는 시기는 BC 5000~6000년 무렵이었지만 지식이나 기술이 정착하는 시대는 그보다 훨씬 이후의 시기로써 아마도 재료가 일상 도구 재료로서 가공되고 형을 만들고 이용하는 시대라고 생각된다. ‘다마스크 강의 비밀’의 한 구절에는 “평원을 오르는 태양과 같이 빛날 때까지 가열하고 다음에 황제의 옷처럼 자홍색이 되기까지 근골이 늠름한 노예의 힘이 칼로 이동하여 금속을 단단하게 한다.”라고 표현하였는데, 이 이야기는 BC 9세기의 소아시아에 있었던 말갈 신전의 연대기 중에 있다고 한다. 즉 담금질은 지금으로부터 2800년 이전에 알려져 있었다는 것이다.
현대의 열처리
1970년대 초 영국 금속 학회가 주관하여 당시 열처리 관련 자료를 수집 정리하여 열처리 과정을 면밀히 검토하고 열처리 결과 얻을 수 있는 미세조직과 이에 따른 기계적 성질을 분석한 다음 열처리 명칭의 중복을 피하고 열처리 용어의 혼란성을 최소화하여 학문적으로 열처리를 분류한 결과를 발표함으로써 열처리 분야가 학문적으로 정립하게 되었다.
1980년대 이후 현재까지 열처리 기술이 개발되고 새로운 열처리 과정이 나타남에 따라 열처리의 분류의 보완과 새로운 용어의 정의를 규정할 필요성을 갖게 되었다. 현재 국제 열처리협회의 열처리 용어 분과위원회에서 그 중요성을 강조하면서도 계속 지연되고 있는 실정이다. 따라서 현재 수집된 자료를 토대로 하여 가열 사이클에 관계되는 변태 영역, 냉각 방법, 상변태 특성, 확산 원자의 종류, 열처리 분위기 등에 따라 학문적으로 분류할 수 있다.
열처리 종류와 특성
열처리의 역사에 4000년이 지난 지금 현대의 열처리의 종류는 보통 열처리와 화학 열처리, 가공 열처리로 구분된다.
보통 열처리
가열과 냉각과정만이 관계되는 열처리이며 처리 결과 얻은 미세조직에 따라 어닐링, 퀜칭, 템퍼링 및 시효 처리로 나눌 수 있다.
어닐링
- 어닐링(annealing) : 적절한 온도로 가열하여 유지한 다음 적절한 속도로 냉각하여 경도를 감소시키고 가공성을 향상시키며, 냉간가공을 용이하게 할 수 있도록 원하는 미세조직을 얻는 처리이다.
- 응력제거(stress relieving) : 잔류응력을 제거하기 위하여 임계온도 이하의 적절한 온도로 가열한 다음 서랭하는 처리이다.
- 구상화(spheroidizing) : 강에 형성되어 있는 탄화물을 구상화하기 위한 처리이며, 구상화 처리 결과 강의 인성, 가공성 등이 향상된다.
- 균질화 어닐링(homogenizing annealing) : 소정의 고온에서 충분한 시간 동안 유지함으로써 확산에 의해 편석을 제거하고 균일한 조직을 얻는 처리이다.
퀜칭
강을 오스테나이트화한 다음 급랭에 의해 오스테나이트 전부 또는 일부가 마텐자이트 변태하여 경화되는 처리이며, 아공석강의 오스테나이트화 온도는 Ac3 이상이고 과공석강인 경우 Ac1과 Acm 사이의 온도이다. 퀜칭의 방법으로는 표면 퀜칭, 마템퍼링, 오스템퍼링, 슬랙 퀜칭, 프레스 퀜칭 등이 있다.
템퍼링
퀜칭에 의해서 경화된 강을 공석 온도 이하의 온도로 재가열하여 적절한 시간 동안 유지한 다음 공랭함으로써 연성과 인성을 향상시키고 잔류응력을 제거하며, 조직을 안정화시킬 목적으로 시행하는 처리이다.
시효
시효(aging)는 열간가공이나 열처리 또는 냉간가공 후 실온이나 실온 이상의 온도에서 기계적 성질의 변화가 일어나는 처리이다.
- 석출경화(precipitation hardening): 용체화 처리한 후 급랭하여 과포화 고용체를 얻은 다음 저온으로 재가열하여 과포화 고용체로부터 석출된 미세한 입자에 의하여 경화되는 처리이다.
- 변형 시효(strain aging): 냉간가공된 강을 적절한 저온으로 가열하여 보다 안정된 조직을 얻은 다음 냉각하여 경화하는 처리이다.
화학 열처리
철강 등 소재를 가열하는 과정에서 표면과 열처리 분위기의 화학적 반응에 의해 강의 표면층에 원소를 확산 침투시킨 다음 급랭하여 표면층을 경화시키는 처리이며, 확산되는 원소의 종류에 따라 금속 또는 준금속 원소에 의한 처리와 비금속 원소에 의한 처리로 분류한다.
가공 열처리
가공이 용이하고 향상된 기계적 성질을 얻기 위하여 열처리와 소성가공을 유기적으로 조합하여 제어되는 여러 가지 형태의 가공 처리이다.[2][3]
자동차의 열처리
자동차의 열처리는 도장된 도료를 건조하기 위해서 열을 가하는 것을 말한다. 이때 열처리는 건조의 목적으로 피도물의 표면에 도장된 도료의 습기를 제거하여 유동성에서 고체화되면서 경화되어 도막을 형성하게 하는 역할을 하는 것이다. 이렇게 하여 형성된 도막의 물리적, 화학적 성질에 의해 피도물에 ‘방청성’, ‘미장성’을 부여하게 된다.
도장 열처리는 크게 신차 도장(제조 공정 중 도장 공정)과 보수 도장(완성차 출고 후 재도장) 열처리로 나눌 수 있다.
신차 도장 열처리
자동차 제조사에서 신차를 제작할 때 범퍼, 사이드미러, 도어 캐치, 도어 몰딩, 시트, 내장재 등등 모든 부위를 제외한 철판 즉 자동차의 골격이라 불리는 차체만 로봇이 도장을 하고 열처리를 한다.
이때, 신차에 사용되는 페인트는 열 중합형 도료므로 반드시 도장 온도 120도에서 150도에서 경화할 수 있도록 만든 것들이다. 이때 열처리 온도는 100-250℃ 정도로 열을 가한다. 그러면 페인트들은 순식간에 굳어버리게 되므로 자동화된 라인에서 빠른 시간 안에 작업을 끝낼 수 있는 방법이 된다. 평균 하도, 중도, 상도 각 공정이 40분 안에 완벽하게 끝나게 되는 것이다.
보수 도장 열처리
신차를 출고 받은 이후, 차량 도색 작업을 하는 때가 종종 있는데 이유는 간단하다. 뭔가를 감추기 위해 진행하는 것이다.
신차의 경우 페인트 도장의 경우 각 페인트 회사마다 최소 5년 동안 색이 변함없도록 자동차 회사에서 못을 박아 페인트를 납품받는다. 즉, 최소 5년이라면 7~8년 정도는 색도 변색이 안 되고 녹도 발생하지 않으며 페인트가 철판에서 떨어지지도 않는다. 그래서 특별히 따로 도장할 필요가 없다.
그러나 사고가 났을 경우 혹은 보수 차원에서 운전석 쪽 문짝만 바꾸면 된다고 하자, 그럴 경우 문짝을 주문한다. 이 경우 표면처리와 중도, 하도 처리까지 된 부품이 오게 된다. 하지만 색상은 전혀 맞지 않게 된다. 그럴 경우 공업사에서는 상도와 광택 도장을 하게 된다.
보수용 도장 시 열처리 온도는 40-80℃로 강제 건조하여 화학 반응속도가 빨라져 조금 더 빨리 말리기 위해서 하는 보조적 수단에 불과하다. 더 이상의 온도는 다른 고무, 플라스틱, 유리, 전기 배선, 조명 장치, 타이어 등 내 외장 부품이 변형되고 파손된다. 따라서 제조 시 도장 공정과 완성차 출고 후 보수도장 시의 열처리는 완전히 다르다는 것을 알아야 한다.[4][5][6]
열처리 방법
자동차 도장에 사용되는 열처리 방법으로는 적외선, 열풍 등 방법이 있다.
적외선
적외선은 전파, 빛, 자외선, X선, 감마선, 우주선과 전자파라고 부르는 것 중의 하나로 에너르기 전달 방식의 일종이다. 적외선은 그중 파장이 0.77-400? 범위의 것을 말한다. 따라서 가시광선과 같은 성질을 갖고 있어서 물체의 표면에 도달하면 일부분은 반사되고 투과해서 물체에 도달하여 물체에 흡수된다.
열전도나 대류를 이용하지 않고 대상물에 직접 적외선을 조사 흡수시키는 것으로서 즉 복사열의 개념이다.
현재 적외선 복사원으로서 적외선전구, 프로판 적외선, 가스 적외선 등이 있지만 전구는 급속히 열을 올리며 장치가 간편 유효 열 에너르기를 발산 및 전달하기 때문에 현재 가장 보편적으로 사용되고 있다.
열풍
연소실에서 발생한 연소 가스(보통 1,000℃ 이후)와 건조로 내에 흡입하는 방법이다. 장치에 필요한 기구는 순환 팬, 필터, 연소실, 연소 장치, 혼합실, 순환 닥터 등이다. 연료에는 보통 오일, 가스가 사용되는 경우가 많고 특수한 때는 중유가 사용된다. 이 방법은 건조로 내의 온도 분포를 균일하게 할 수 없기 때문에 너무 많이 구어 지거나 덜 구어 지는 일이 있다. 또한 대류에 의해서 가열되기 때문에 적외선과 같은 상대물의 모양에 좌우되는 일이 없다.
그러나 순환 가스 중의 CO2, 수증기, 도료의 용제 가스등의 농도가 높아지는 것을 막기 위해서 배기장치가 필요하다.[7]
각주
- ↑ 〈열처리〉, 《네이버 국어사전》
- ↑ 이우진, 〈열처리〉, 《네이버 국어사전》
- ↑ 한국기계연구원, 〈열처리 종류와 역사 (인류의 열처리 진화)〉, 《 네이버 블로그》, 2014-07-16
- ↑ 자동차외장관리의달인, 〈자동차 도장및 건조(열처리)〉, 《티스토리》, 2011-09-08
- ↑ 박기사 , 〈자동차 열처리〉, 《네이버 블로그》, 2012-06-27
- ↑ 우초, 〈자동차 열처리 페인트와 열처리란 무엇인가요?〉, 《네이버 블로그》, 2018-11-16
- ↑ 〈제3절 도장설비〉, 《페인트&도장대학》
참고자료
- 〈열처리〉, 《네이버 국어사전》
- 이우진, 〈열처리〉, 《네이버 국어사전》
- 한국기계연구원, 〈열처리 종류와 역사 (인류의 열처리 진화)〉, 《네이버 블로그》, 2014-07-16
- 자동차외장관리의달인, 〈자동차 도장및 건조(열처리)〉, 《티스토리》, 2011-09-08
- 박기사 , 〈자동차 열처리〉, 《네이버 블로그》, 2012-06-27
- 우초, 〈자동차 열처리 페인트와 열처리란 무엇인가요?〉, 《네이버 블로그》, 2018-11-16
- 〈제3절 도장설비〉, 《페인트&도장대학》
같이 보기
