어닐링: 가공성 향상을 위한 연화 처리
어닐링(annealing)은 원형 바(rod)를 연화시키고 내부 응력을 제거하며 결정립 구조를 미세화함으로써 가공성과 성형성을 향상시키기 위한 열처리 공정이다. 원형 바는 특정 온도(탄소강의 경우 일반적으로 800–900°C)까지 가열된 후, 오스테나이트화(austenitization)가 완전히 이루어질 수 있도록 충분한 시간 동안 보온한 다음, 용광로 내에서 서서히 냉각한다. 이와 같은 천천히 냉각하는 과정은 조대한 펄라이트 또는 페라이트-펄라이트 조직을 형성하여 경도를 낮추고 연성을 향상시킨다. 어닐링 처리된 원형 바는 절단, 드릴링, 성형이 용이하므로, 과도한 경도로 인해 공구 마모나 소재 균열이 발생할 수 있는 복잡한 기계 가공 또는 냉간 성형 작업에 이상적이다. 또한 이 열처리는 이전의 냉간 가공 효과를 제거하고, 후속 열처리를 위한 소재의 미세조직을 균질화하는 데에도 사용된다.
노멀라이징(normalizing): 균일한 물성 확보를 위한 결정립 구조 미세화
정규화 공정은 원형 바를 상부 임계 온도 이상(일반적으로 850–950°C)으로 가열한 후, 해당 온도에서 충분한 시간 동안 보온한 다음 정지 공기 중에서 냉각하는 과정을 포함합니다. 이 공정을 통해 균일하고 미세한 펄라이트 조직이 형성되며, 이는 압연 상태에 비해 강도와 인성의 균형이 더욱 우수합니다. 정규화는 단조 또는 압연 과정에서 발생할 수 있는 조대 입자 구조 및 내부 응력을 제거함으로써 충격 인성을 향상시키고, 원형 바 전체 단면에 걸쳐 보다 균일한 기계적 특성을 확보합니다. 정규화된 원형 바는 일반적으로 중간 수준의 강도와 우수한 가공성을 요구하는 구조 부재, 기어, 샤프트 부품 등에 사용됩니다. 많은 탄소강 및 저합금강의 경우, 정규화는 최종 열처리 공정으로 사용되며, 담금질 및 템퍼링 없이도 규정된 기계적 특성 요구사항을 충족시킵니다.
담금질: 최대 경도 달성
담금질은 오스테나이트화 온도에서 원형 바를 급속히 냉각시켜 그 미세조직을 단단한 마르텐사이트로 전환시키는 공정을 말합니다. 강종에 따라 원형 바는 800–950°C로 가열된 후 물, 오일 또는 폴리머 용액과 같은 담금 매체에서 급속히 냉각됩니다. 물 담금질은 가장 빠른 냉각 속도를 제공하며 최고 경도를 얻게 하지만, 특히 복잡한 단면을 가진 원형 바의 경우 변형 및 균열 위험을 증가시킵니다.
항복처리: 경도와 인성의 균형 조절
담금질 후에 실시하는 템퍼링은 취성 감소, 내부 응력 완화 및 소망하는 경도와 인성의 조합을 달성하기 위한 필수적인 공정이다. 담금질된 원형 바는 150°C에서 650°C 사이의 온도로 재가열한 후 일정 시간 동안 보온한 다음 정지 공기 중에서 냉각한다. 저온 템퍼링(150–300°C)은 경도를 약간 감소시키되 높은 마모 저항성을 유지하며, 템퍼드 마르텐사이트 미세조직을 형성하므로 절삭 공구 및 다이(die) 제작에 이상적이다. 중온 템퍼링(350–500°C)은 강도, 인성 및 탄성의 균형을 달성하여 스프링 및 중형 축(heavy-duty shaft) 제작에 적합하다. 고온 템퍼링(500–650°C)은 높은 인성과 연성, 그리고 양호한 항복 강도 및 인장 강도를 갖춘 소바이트(sorbite) 미세조직을 생성하므로 크랭크샤프트, 커넥팅 로드 및 충격 하중을 받는 구조 부재에 이상적인 선택이다. 이와 같은 담금질 및 템퍼링(Q&T) 상태는 기계적 성질을 향상시켜야 하는 합금강 원형 바에 적용되는 가장 일반적인 열처리 공정이다.