열처리는 가장 비싼 가공 후 작업 중 하나이며, 가장 자주 잘못 지정되는 작업이기도 합니다. 이 페이지에서는 부품이 실제로 열처리가 필요한지, 어떤 공정을 사용해야 하는지, 그리고 시간과 비용이 얼마나 드는지 결정하는 데 도움을 드립니다.
모든 강 부품에 열처리가 필요한 것은 아닙니다. 많은 부품은 가공 상태 그대로 잘 작동합니다. 결정에 이 표를 사용하십시오.
| 재료 / 응용 분야 | 열처리 | 목표 경도 | 비용 영향 |
|---|---|---|---|
| 1045 샤프트 — 경하중, 저응력 | 없음 | 가공 상태 (~180 HB) | 없음 |
| 1045 샤프트 — 중간 하중 | 담금질 & 뜨임 | 25–35 HRC | 중간 |
| 4140 기어 / 액슬 | 담금질 & 뜨임 | 28–38 HRC | 중간 |
| 4340 고강도 구조 | 담금질 & 뜨임 | 40–50 HRC | 중간–높음 |
| 1018 / 1020 기어 — 표면 마모, 충격 코어 | 침탄 | 표면 58–62 HRC, 코어 25–40 HRC | 높음 |
| 8620 기어 — 고 코어 강도 + 경질 표면 | 침탄 | 표면 58–62 HRC, 코어 30–45 HRC | 높음 |
| 4140 정밀 보어 / 스플들 — 타이트 공차 | 질화 | 표면 60–70 HRC 환산 | 높음 |
| 38CrMoAl 밸브 / 사출 스크류 | 질화 | 표면 65–72 HRC 환산 | 높음 |
| 1045/4140 저널 — 국부 경화만 | 유도 경화 | 55–62 HRC (국부) | 중간 |
| 모든 강 — 무거운 가공 / 단조 후 | 풀림 / 응력 제거 | 연화 (120–220 HB) | 낮음 |
| 스테인리스 420 / 440C — 내식성 + 경도 | 담금질 & 뜨임 | 40–58 HRC | 중간 |
| 알루미늄 / 구리 / 황동 | 해당 없음 (알루미늄 T-템퍼 참조) | — | — |
| 공정 | 기능 | 달성 경도 | 변형 위험 | 비용 계수 | 일반적 응용 |
|---|---|---|---|---|---|
| 풀림 (어닐링) | 강을 연화하여 가공성 향상, 내부 응력 제거 | 120–220 HB | 매우 낮음 | 0.3x | 가공 전 준비, 용접 후, 응력 제거 |
| 정규화 (노말라이징) | 결정립 미세화, 균일한 특성 생성 | 풀림보다 약간 더 경함 | 낮음 | 0.3x | 단조품 및 주조품의 가공 전 준비 |
| 담금질 + 뜨임 | 경도 최대화 (담금질), 인성 회복 (뜨임) | 20–62 HRC (제어) | 높음 | 1.0x (기준선) | 샤프트, 기어, 액슬, 구조 부품, 공구 |
| 표면 경화 (침탄) | 경질 표면층과 인성 코어 | 표면 58–62 HRC, 코어 25–45 HRC | 중간 | 1.5–2.0x | 기어, 캠샤프트, 베어링, 스플라인 |
| 질화 | 담금질 없는 경질 표면 — 최소 변형 | 표면 60–70 HRC 환산 | 매우 낮음 | 1.5–2.5x | 정밀 보어, 스플들, 크랭크샤프트, 사출 스크류 |
| 유도 경화 | 특정 영역만 선택적 경화 | 55–62 HRC (국부) | 중간 (국부) | 0.8–1.2x | 샤프트 저널, 기어 치, 베어링 시트 |
풀림은 강을 임계 온도 이상 (일반적으로 등급에 따라 820–900°C)으로 가열하고 노 내에서 서냉합니다. 서냉을 통해 강의 미세조직이 부드럽고 연성인 페라이트-펄라이트로 변환됩니다. 결과적으로 해당 강 등급에서 가능한 가장 낮은 경도를 얻게 됩니다.
가공을 위해 연화. D2 또는 프리하드닝드 4140과 같은 단단한 강은 효율적으로 가공하기 어렵거나 불가능합니다. 풀림을 통해 170–240 HB로 낮추어 공구 마모와 절삭 시간을 줄입니다.
내부 응력 제거. 무거운 가공, 용접, 단조 또는 냉간 가공 후 잔류 응력이 부품에 남습니다. 이는 시간이 지남에 따라 치수 불안정성을 일으키거나 후속 열처리 중 변형을 유발합니다. 응력 제거 풀림 (600–700°C, 공랭)은 부품을 완전히 연화하지 않고 이를 해결합니다.
| 강 유형 | 온도 (°C) | 냉각 | 결과 경도 (HB) |
|---|---|---|---|
| 저탄소 (1045) | 840–880 | 노냉 (~30°C/hr) | 120–180 |
| 합금 (4140) | 820–870 | 노냉 (~20°C/hr) | 170–220 |
| 공구강 (D2) | 850–900 | 노냉 (~15°C/hr) | 210–240 |
이것은 강 부품에 가장 일반적인 열처리입니다. 이 두 단계 공정은 분리할 수 없습니다 — 담금질만 하면 최대 경도를 얻지만 강을 극도로 취성으로 만듭니다. 뜨임은 항상 담금질 다음에 이어지며 경도 이득의 대부분을 유지하면서 인성을 회복합니다.
담금질: 강을 임계 온도 이상 (오스테나이트화)으로 가열한 다음 오일, 물 또는 폴리머 냉각제를 사용하여 급냉합니다. 급냉은 오스테나이트를 마르텐사이트 — 단단하고 취성인 미세조직으로 변환합니다. 냉각이 빠를수록 경도는 높아지지만 변형과 균열 위험도 높아집니다.
뜨임: 담금질된 부품을 150–650°C 사이의 온도로 재가열하고 1–2시간 유지한 다음 공랭합니다. 이를 통해 일부 취성 마르텐사이트가 훨씬 더 인성 있는 템퍼드 마르텐사이트로 변환됩니다. 절충: 더 높은 뜨임 온도 = 더 많은 인성, 더 낮은 경도.
이것이 담금질 및 뜨임 지정의 핵심 결정입니다. 뜨임 온도가 최종 경도를 직접 제어합니다.
| 뜨임 온도 | 결과 (4140) | 특성 | 사용 시기 |
|---|---|---|---|
| 150–200°C | 50–54 HRC | 최대 경도, 낮은 인성 | 마모 부품, 절삭 에지 |
| 200–300°C | 45–50 HRC | 높은 경도, 중간 인성 | 기어 치, 베어링 표면 |
| 350–450°C | 35–45 HRC | 균형 잡힌 경도와 인성 | 일반 기계 부품 |
| 500–600°C | 25–35 HRC | 최대 인성, 중간 경도 | 샤프트, 구조 부품, 충격 하중 |
| 강 | 담금질 매체 | 뜨임 (°C) | 결과 (HRC) | 결과 (HB) | 응용 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1045 | 물 | 400–550 | 25–35 | 255–320 | 샤프트, 핀, 일반 목적 |
| 4140 | 오일 | 400–600 | 28–38 | 270–350 | 기어, 액슬, 구조 |
| 4340 | 오일 | 200–430 | 40–50 | 380–480 | 고강도, 피로 중요 |
| D2 | 오일 / 공기 | 200–300 | 58–62 | — | 절삭 공구, 금형 |
| H13 | 공기 | 500–600 | 44–52 | — | 다이캐스팅 금형, 단조 금형 |
| 420 SS | 공기 / 오일 | 200–400 | 40–50 | — | 내식성 + 경도 |
침탄은 특정 문제를 해결합니다: 경질의 내마모 표면이 필요하지만 부품도 충격이나 순간 하중을 견뎌야 하는 경우. 이 공정은 고온에서 저탄소강의 표면에 탄소를 확산시킨 다음 담금질하여 탄소가 풍부한 표면층만 경화하고 저탄소 코어는 인성 있고 연성인 상태로 유지합니다.
부품을 탄소가 풍부한 분위기 (가스 침탄이 가장 일반적 — 천연가스 또는 프로판 사용)에서 850–950°C로 가열합니다. 탄소는 4–12시간에 걸쳐 표면으로 확산됩니다. 침탄 깊이는 시간과 온도에 의해 제어됩니다. 침탄 후 부품을 담금질 (오일)하여 표면을 경화하고 150–200°C에서 뜨임하여 담금질 응력을 제거하면서 표면을 크게 연화시키지 않습니다.
| 파라미터 | 일반적 값 |
|---|---|
| 온도 | 850–950°C |
| 케이스 깊이 | 0.2–1.5 mm (사이클 시간에 따라 다름) |
| 표면 경도 | 58–62 HRC |
| 코어 경도 | 25–45 HRC |
| 리드 타임 | +3–5일 |
| 강 | 코어 강도 | 참고 |
|---|---|---|
| 1018 / 1020 | 낮음 (코어 ~25 HRC) | 가장 저렴한 옵션. 경하중 기어 및 캠에 적합. |
| 8620 | 좋음 (코어 ~35 HRC) | 니켈-크롬-몰리브덴. 케이스 경도와 코어 인성의 최적 균형. 기어의 산업 표준. |
| 4320 | 좋음 (코어 ~38 HRC) | 8620보다 높은 코어 강도. 고하중 기어용. |
| 4120 | 중간 | 8620의 저비용 대안. |
질화는 경질 표면이 필요하지만 담금질에 의한 변형을 허용할 수 없을 때의 해답입니다. 비교적 낮은 온도 (500–590°C)에서 질소를 강 표면으로 확산시킵니다. 상 변환이 없고 담금질이 없기 때문에 치수 변화가 최소화됩니다.
부품을 노에 넣고 500–590°C에서 20–100시간 동안 질소가 풍부한 가스 (암모니아, NH3)에 노출합니다. 질소는 강 중의 합금 원소 (특히 크롬, 알루미늄, 몰리브덴)와 반응하여 경질 질화물을 형성합니다. 결과는 얇고 극도로 단단한 표면층입니다. 부품은 질화 전 최종 가공 (또는 거의 최종) 상태여야 합니다 — 경화된 표면의 후질화 가공은 없습니다.
| 파라미터 | 일반적 값 |
|---|---|
| 온도 | 500–590°C |
| 케이스 깊이 | 0.1–0.5 mm (얕음) |
| 표면 경도 | 60–70 HRC 환산 (HV 800–1100) |
| 변형 | 매우 낮음 (담금질 없음, 저온) |
| 사이클 시간 | 20–100시간 |
| 리드 타임 | +5–10일 |
| 강 | 질화 반응 | 참고 |
|---|---|---|
| 4140 | 좋음 | 가장 일반적인 질화강. 표면 ~60–65 HRC 환산. |
| 718M40 | 좋음 | 영국 표준 질화 등급. Al이 제한된 4340과 동등. |
| 38CrMoAl | 우수 | 알루미늄 함유강. 최고의 질화 반응 — 표면 최대 72 HRC 환산. 사출 스크류, 밸브 스템의 표준. |
| 4340 | 보통 | 작동하지만 Cr 함량이 낮아 4140보다 케이스가 얕음. |
유도 경화는 고주파 전자기 유도를 사용하여 특정 영역의 표면만 가열한 다음 즉시 담금질합니다. 가열된 영역만 경화됩니다. 부품의 나머지는 원래 상태를 유지합니다. 샤프트 저널, 기어 치 표면 또는 베어링 시트에 경도가 필요하지만 전체 부품을 경화하고 싶지 않을 때 이 공정을 사용합니다.
유도 코일 (구리)이 경화할 영역 주위 또는 근처에 배치됩니다. 코일의 교류는 강 표면에 와전류를 발생시켜 수 초 내에 임계 온도 이상으로 가열합니다. 물 분사가 가열된 영역을 즉시 담금질합니다. 전체 사이클은 부품당 5–30초가 소요됩니다.
| 파라미터 | 일반적 값 |
|---|---|
| 표면 경도 | 55–62 HRC |
| 케이스 깊이 | 1–5 mm (주파수와 전력으로 제어) |
| 사이클 시간 | 영역당 5–30초 |
| 변형 | 낮음 ~ 중간 (국부만) |
| 리드 타임 | +1–2일 |
| 좋은 대상 | 나쁜 대상 |
|---|---|
| 샤프트 저널 및 베어링 시트 | 내부 보어 (코일 접근 제한) |
| 기어 치 (단일 치 또는 전체 기어) | 복잡한 3D 윤곽 (코일이 형상을 따라야 함) |
| 평면, 핀, 액슬 | 매우 얇은 벽 (전체 경화 위험) |
| 피스톤 로드, 캠 로브 | 예리한 내부 코너가 있는 부품 (균열) |
비용 장점: 유도 경화는 빠릅니다 — 부품당 수 초. 100개 이상의 생산 배치에서 배치 노 공정에 비해 단위당 비용이 크게 감소합니다. 단품의 경우 코일 설정 비용으로 인해 단순한 담금질-뜨임 사이클보다 덜 매력적입니다.
재료: 중탄소강 (1045, 4140, 4340)이 가장 잘 반응합니다. 저탄소강 (1018, 1020)은 유도 경화가 잘 되지 않습니다 — 탄소 함량 불충분.
변형은 열처리의 1번 실제 문제입니다. 열처리 전에 공차 내에 있던 부품이 뒤틀리거나, 치수 초과되거나, 균열되어 나옵니다. 각 공정의 위험 수준을 이해하면 가공 여유와 검사를 적절히 계획할 수 있습니다.
| 처리 | 변형 수준 | 이유 | 완화 조치 | 가공 여유 |
|---|---|---|---|---|
| 풀림 | 매우 낮음 | 느리고 균일한 냉각 | 최소한으로 필요 | 0 mm (가공 전) |
| 정규화 | 낮음 | 공랭, 균일 | 약간의 교정이 필요할 수 있음 | 0 mm |
| 담금질 & 뜨임 | 높음 | 급냉 = 열 기울기 + 마르텐사이트 팽창 | 물 대신 오일 담금질 (느림). 균일 단면 설계. 담금질 중 지그 고정. | 0.2–0.5 mm 연삭 여유 |
| 침탄 | 중간 | 고온 + 담금질, 변형은 주로 표면 | 균일 벽 두께. 중요 특징의 열처리 후 연삭. | 0.1–0.3 mm |
| 질화 | 매우 낮음 | 담금질 없음, 저온, 코어에 상 변환 없음 | 질화 전 응력 제거 (중요). 최종 치수로 예비 가공. | 0 mm (가공 전, 열처리 후 가공 없음) |
| 유도 경화 | 낮음–중간 | 국부 가열, 경화 영역의 급냉 | 좋은 지그 고정. 제어된 담금질 압력. | 0.1–0.2 mm (경화 영역) |
열처리는 상당한 비용과 리드 타임을 추가합니다. 현실적인 예산을 위해 이 표를 사용하십시오. 비용은 상대적입니다 — 실제 가격은 열처리 업체, 지역, 배치 크기 및 부품 형상에 따라 다릅니다.
| 처리 | 상대 비용 | 일반적 리드 타임 | 배치 크기 효과 | 주요 비용 요소 |
|---|---|---|---|---|
| 풀림 | 0.3x | +1–2일 | 낮음 — 노 시간이 지배 | 온도, 유지 시간 |
| 정규화 | 0.3x | +1–2일 | 낮음 | 온도만 |
| 담금질 & 뜨임 | 1.0x (기준선) | +2–4일 | 중간 — 더 큰 배치가 단위당 비용 감소 | 재료 등급, 경도 목표, 담금질 매체 |
| 침탄 | 1.5–2.0x | +3–5일 | 높음 — 긴 노 사이클이지만 많은 부품이 한 배치에 들어감 | 케이스 깊이 (시간), 분위기 가스, 열처리 후 연삭 |
| 질화 | 1.5–2.5x | +5–10일 | 낮음 — 배치 크기에 관계없이 매우 긴 사이클 시간 (20–100시간) | 사이클 시간 (가장 큰 요소), 노 공간, 재료 등급 |
| 유도 경화 | 0.8–1.2x (설정 의존) | +1–2일 | 매우 높음 — 단위당 비용이 볼륨에 따라 빠르게 감소 | 코일 설계 및 설정 (고정 비용), 영역 수 |
| 실수 | 결과 | 올바른 접근 |
|---|---|---|
| 경도 지정 없이 열처리 지정 | 작업장이 달성할 목표를 모름. 과경화 (취성) 또는 저경화 (연질) 가능. | 항상 경도 범위 (예: "28–35 HRC")와 시험 방법 (로크웰 C, HRC)을 지정하십시오. |
| 연삭 여유 없는 담금질 특징에 타이트 공차 | 부품이 뒤틀려 검사 불합격, 스크랩. | 중요 표면에 0.2–0.5 mm를 남기십시오. 열처리 후 마감 가공. |
| 4140에 침탄 지정 | 4140은 이미 0.4% 탄소를 가지고 있어 침탄이 거의 추가되지 않음. 돈 낭비. | 침탄은 저탄소강만 (1018, 1020, 8620). 4140의 경우 담금질 및 뜨임 사용. |
| 1045 또는 1020에 질화 지정 | 일반 탄소강은 경질 질화물을 형성할 합금 원소가 없음. 케이스가 얇고 연질. | 질화강 사용: 4140, 38CrMoAl, 718M40. 또는 저탄소강의 경우 침탄으로 전환. |
| 담금질 부품에 날카로운 내부 코너 | 코너의 응력 집중으로 담금질 균열 발생. 오일조에서 부품 균열. | 모든 내부 코너에 넉넉한 필렛 추가 (최소 3–5 mm 반경). |
| 4140 물 담금질 | td>4140은 높은 경화성을 가짐 — 물 담금질이 너무 격렬함. 심한 변형, 높은 균열 위험. | 4140 및 모든 합금강은 오일 담금질. 물 담금질은 일반 탄소강 (1045)만. |
| 담금질 매체 미지정 | 작업장이 가장 저렴하거나 빠른 것을 기본값으로 사용. 요구사항과 일치하지 않을 수 있음. | 도면에 "오일 담금질" 또는 "폴리머 담금질"을 지정하십시오. 합금강의 경우 절대 모호하게 두지 마십시오. |
| 열처리 후 연삭이 필요한 부품에 질화 지정 | 질화는 표면을 경화 — 연삭이 이를 제거. 목적이 무효화됨. | 질화 전 최종 치수로 가공하십시오. 열처리 후 연삭이 필요한 경우 침탄 또는 담금질 및 뜨임을 대신 사용. |
| 공정 없이 "열처리" 지정 | 모호함. 작업장이 대략 일치하는 가장 저렴한 공정을 선택. 보통 잘못됨. | 정확한 공정을 지정하십시오: "30–35 HRC로 담금질 및 뜨임" 또는 "HV 900 최소, 케이스 깊이 0.3 mm로 질화". |
| 질화 전 응력 제거 누락 | 가공의 잔류 응력이 긴 질화 사이클 중 치수 변화를 유발. | 최종 가공 및 질화 전에 600–650°C에서 응력 제거. 이것이 표준 관행. |