비금속의 열처리방법

-비철 금속의 정의

비철금속 또는 비철금속화금이란 그 주요 구성원소가 철이아닌 금속으로 이루어진 것으로, 추요 비철금속에서 구리, 알루미늄, 아연, 주석, 니켈, 납, 마그네슘 등을 들수 있으며, 이 이외의 비철금속으로는 점차적으로 그 중요도가 높아지고 있는 티타늄, 베릴륨, 텅스텐, 몰리브덴, 지르 귀금속륟ㅎ 산업적으로 중요한 위치를 점유하고 있다.

거의 모든 비철금속은 철에 있어서의 마르텐사이트 변태와 같은 형태의 강화를 할수 없으며, 기계적성질의 개선을 위해서는 냉간가공이나 다른 종류의 열처리가 필요하다.

 

-냉각가공과 소둔(Annealing)

냉각가공은 일반적으로 금속의 결정립 크기조절을 위한 예비적인 공정으로서나, 강도의 증가를 위하여 행하여져 왔으며, 상업적인 냉각가공 방법으로는 냉간압연, 냉각인발, 냉각압출 등이 있다.

냉각가공은 모든 금속의 강도와 경도를 증가시키며, 많은 종류의 비철금속 및 그 합금의 경도와 강도를 증가시키기 위해 적용한 유일한 방법이다.

냉각가공은 재결정온도 아래에서 금속을 변형시키는 것이고, 열간가공이란 재결정온도 위에서 변형시키는 것이다.온간가공은 재결정온도 이하의 비교적 높은 온도로 온도를 올려 재료를 변형시키는 것이며, 만약 가공경화가 발생한다면 재결정온도 이상에서의 빠른변형도 포함한다.

 

냉간가공은 경도와 강도의 증가만을 일으키는 것이 아니라, 연성의 감소도 수반한다.따라서 어떤 냉간가공 제조공정에 있어서는 연성의 감소로 더 이상의 냉간가공이 불가능하게 되는 경우도 있다. 예를 들면 Deep drawing Wire drawing 같은 공정에 있어서는 냉간가공이 어느정도 진행되면 취성의 유발로 인하여 더 이상의 냉간가공을 할 수 없는 경우가 생기며, 부가적인 가공을 위해서는 소둔에 의한 연화처리를 필요로 하게 된다.

 

냉간가공 조작에 사용되는 거의 모든 에너지는 금속의 온도를 증가시키는 열로 변화되며, 일부의 에너지는 가공된 금속내에 격자의 어그러짐이나 격자의 결함 형태로 축적된다. 열처리 공정에서 만약 원자가 이동하는데 충분한 에너지가 가해진다면, 연성의 복귀가 가능하며, 마침내는 변형이 완전히 풀린 채료를 만들수 있다. 이러한 공정을 소둔 (Annealing)이라고 

한다.

 

-회복의 정의

가공경화된 금속에 충분한 열량이 가해지면, 회복이라고 불려지는 연화공정이 시작된다. 회복은 결정격자의 변화는 유발하지 않으며, 단지 다각형화라는 공정을 통하여 결정립 하부조직의 변화가 일어난다. 이 공정은 변형에너지의 감소와 다른 효과(예를들면 전기전도도의 변화와 같은)를 동반하게 된다. 경도와 연성을 포함한 기계적 성질은 재 결정이 시작되기 전까지는 원래의 수준으로 회복되지 않으며 이들 변화량은 온도에 의존한다. 일반적으로 회복구간 내에서의 열처리는 응력제거 공정만이 대상으로 된다.

 

-재결정의 정의

온도를 더 높은 온도로 올리면 드디어 미시적인 조직의 변화가 일어나 냉간가공된 기지조직이 응력이 없는 완전히 새로운 조직으로 변화 된다. 이 고정을 재결정이라고 부른다. 재결정온도는 통산 1시간 이내에 이런 반응이 일어나는 최저온도이다. 재결정은 두가지 역할을 한다. 먼저 변형이 없는 결정의 핵을 생성시키고, 그 다음에 변형을 갖고 있는 금속이 전부 

소멸할 때까지 그 핵이 성장한다. 이러한 재결정을 완성시키는 역할을 하는 열처리 공정을 재결정 소둔이라고 한다.

 

1.재결정된 결정립의 크기

재결정의 완료와 함께 계속되는 결정립 성장이 일어나기 전 상태의 결정립크기를 재결정된 결정립 크기라고 한다. 이것은 초기 냉각가공량과 함수관계이며 냉각가공량의 증가와 함께 감소한다.

 

2.결정립성장

재결정의 비율은 소둔온도와 초기냉간가공 정도에 의존하며, 가공용합금을 소둔할 때 재 결정온도 이상에서 처리하거나, 같은 온도에서 긴시간을 처리하면 결정립성장이라 불리우는 제3의 공정이 일어난다.

 

일반적으로 금속조직내에서의 큰 결정립은 작은결정립에 비하여 적은 표면에너지를 갖으며(표면대 체척의 비가 큰 경정이 적다), 큰결정이 작은결정을 흡수함에 의해 성장한다. 

 

3.결정립크기의 조절

철강에서 결정립 마시화 방법으로 사용되는 있는 소준과 같은 열처리에 의해서는 비철금속의 결정립 크리를 감소 시킬 수 없다. 비철금속 및 그 합금에 있어서는 열간 혹은 냉각 가공후에 더해지는 재결정소둔이 기본적인 방법이다. 따라서 냉간가공의 정도, 재결정 소둔온도 미 유지시간의 적절한 조합을 활용하여 여러가지 결정립 크기를 얻을 수 있다.

 

-석출강화의 정의

시효경화라고도 불리우는 석출경화는 과포화고용체로 부터 제2상의 석출특성을 갖고 있는 합금의 경화 특성이다. 즉 고온에서는 제2상 성분을 다량으로 고용하지만 온도의 저하와 함께 용해도가 급격히 감소하여가는 합금계에서, 용체화처ㅣ와 시효처리를 통하여 석출물을 형성시켜 경화시키는 공정을 말한다.

 

1.용체화처리

고용온도로부터 급냉에 의해 얻어진 대다수의 준안정 고용체들은 일반적으로 불안정하며,실온이나 약간 높은 온도에서 석출 반응에 의해 분해된다. 그러나 모든 준안정 고용체들이 이처럼 불안정 하지는 않다.

많은 비철금속 합금의 경우네에, 전혀 새로운 상인 오스테나이트로의 동소변태를 일으키는 강과 같은 철합금과는 그 양상이 다르다. 오스테나이트 변태는 먼저 자그만한 결정과 같은 핵을 생성시킨후 그 핵이 성장하는 동소변태를 일으키며, 부수적으로 결정립 크기의 미시화 효과도 제공한다. 그러나 비철금속 합금에서는 용체화처리시 동소체의 변화를 일으키는 것이 아니려, 그 대신에 결정립의 성장을 일으시키는 경향이 있다.따라서 좋은 기계적성적을 얻기 위해서는 고용체를 만들기 위한 가열공정에서 재료를 고용선위에 너무 높지 않은 온도로 가열하여야 하며, 유지시간을 짧게 하여 결정립 성장을 최소화 시켜야 한다.