4.4 설비, 조업 및 관리

열처리용 설비로는 통상 용체화처리용인 가열로, 담금질용 수조,인공시효용 가열로및 관련부대설비로 구성되어 있다. 소규모 공장에서는 용체화처리와 인공시효처리를 동일로에서 하는 경우도 있다.
가열로는 열처리에 있어서 가장 중요한 설비이며 매우 우수한 성능이 요구된다. 즉 노내작업영역에서 온도분포가 균일할 것, 정밀한 온도조절이 가능할 것, 온도분포가 시간에 따라 변하지 않을 것, 내용물의 양, 적재방법 등에 의한 영향이 적을 것,담금질까지의 온도저하가 없도록 내용물의 출입이 신속하게 이루어질 것 등등이다.
일반적으로는 공기순환식 전기저항로가 사용되고 있다. 발열체에서의 직접가열은 제품의 일부만을 강하게 가열해서 불균일가열이나 재료의 일부를 용융하는 등의 열처리불량이 원인이 되므로 내열강판등으로 차폐한다.
가열로의 형식으로서는 소로트생산을 하고있는 공장에서는 배치식 노가 이용되는 경우가 많은데 동일품종을 다량으로 생산하는 대량생산 공장에서는 터널식 연속로가 이용되는 경우가 많다. 연속로의 경우에는 용체화, 담금질, 시효처리가 연속적으로 이루어지므로 실온방치시간의 문제는 없지만 배치로일 경우는 실온방치시간이 불규칙하게 되고 전술의 재료특성의 변동이 문제가 될 수도 있다.
배치로의 노내 온도분포는 9개소(작업영역이 되는 직방체의 각 모서리와 중심)이상에서 측정하고 ±5℃이내, 필요에 따라 ±2.5℃이내로 해야 한다.
이에 따라 온도조절기, 열전대, 보상동선, 기록계 등 모두 고정도로 유지하고 정기점검을 받아야 한다.연속로도 마찬가지로 고정도가 보증되어야 한다.
열처리되는 주물은 탕구 압탕 등의 절단시 절삭유 등이 부착되어있는 경우가 있으므로 열처리 전에 제거한다.
실제 열처리로에 제품을 넣을 경우에는 제품의 양이나 적재방법에 의해 공기의 순환이 달라진다.
제품의 적재방법에 관해서는 용체화처리시 온도분포의 차 이외에담금질시 발생하는 변형에 큰 차를 부여한다. 이러한 이유로 특히 치수정도가 엄한 제품에 있어서는 사전에 충분한 검토를 해야한다. 주물이 가열로를 나오고 나서 수중에 투입되기까지의 담금질 지연시간은 제품의 두께, 양, 적재방법 등에 따라 달라지지만최소한으로 적게 해야 한다. 또 담금질물의 수온도 강도나 변형량에 큰 영향을 미친다. 일반적으로는 냉각속도의 저하에 의해 약간의 강도 저하는 있지만 변형이 적고 온도관리도 비교적 용이한 고온수가 많이 이용되고 있다. 인공시효처리에 있어서는 온도가 비교적 낮기 때문에 온도관리가 용이하며 문제가 되는 경우는 드물다.
그러나 제품에 남아있는 담금질수로 실체의 온도가 올라가지 않고 재료특성의 저하나 불균일성의 증가 등이 발생할 경우도 있다. 또 앞에서 설명한 바와 같이 열을 가하는 도장 등의 후가공에 있어서 가열영향이 있을 경우가 있다는 점에도 고려해야 한다.
열처리가 적절하게 실행되었는가, 아닌가는 통상적으로는 샘플링한 시료의 경도측정에 의해 규정의 값을 얻을 수 있는가 아닌가 등을 판단하는 경우가 많다. 공정용융이 일어난 경우 경도는 규정대로인 반면 연신율이 현저하게 저하하는 경우가 많다.
따라서 이러한 우려가 있을 경우에는 조직관찰이나 인장시험 등도 병용해야 한다.

4.5 열처리에 수반되는 결함

열처리에 수반되는 결함의 대부분은 설비 혹은 조업의 이상에 기인하는 것이 많으며 일반적으로 적정한 일상관리를 잘하면 발생하지 않는다.
발생한 경우에는 재료조사, 설비조사, 조업내용의 조사 등 많은 조사를 실시해 원인을 명확하게 해야 한다. 여기서는 비교적 발생빈도가 높은 결함에 있어서의 그 원인과 대책을 설명하겠다.

(1) 공정용융(버닝)

주물 응고시에는 결정입계 등의 최종응고부에 공정성분을 주로 하는 조직이 형성된다. 부분은 주첨가원소의 공정성분 이외에 불순물로 함유되는 많은 성분이 집중하기 때문에 평형상태에서보다응고온도가 현저하게 저하됨과 동시에 재가열시 용융개시온도도 현저하게 저하한다.
용체화처리시 승온속도가 빠르고 입계에 집중한 성분의 매트릭스 중으로의 확산이 불충분한 상태에서 승온을 계속해 용융개시온도 이상이 되면 이 부분이 녹아 나와 공정융해현상이 발생한다.
공정융해를 일으키면, 재응고시 냉각속도가 지연되기 때문에 서랭 공정응고조직이 형성됨과 동시에 이 부분의 응고수축에 따른 다공성 발생, 수소가스의 집중 등이 일어나며 마이크로조직상에서 결함을 발견 할 수 있음과 동시에 기계적 성질에 있어서는 연신율이나 충격값 등의 현저한 저하를 발견할 수 있다.
방지대책으로는 불순물 성분의 저감과 동시에 편석 및 불순물에 의한 저융점조직의 확산, 해소를 꾀하기 위해 이러한 결함이 발생하기 쉬운 450에서 500℃전후에서의 승온속도를 완화시키든지 적당한 유지시간을 줘서 충분한 확산 및 균일화를 도모하면서 승온시킨다.

(2) 팽창(블리스터)

주조시 제품중에 유입되어 고압에서 압축된 공기 등의 가스 혹은다량으로 고용해 있는 수소가스가 결정입계 등에 국부적으로 집중하고 고온에서의 가열에 따른 재료의 연화에 의해 제품표면에 있어서 팽창 변형상태를 발생하는 결함이며 위에서 설명한 공정융해에 부수적으로 발생하는 경우가 많다.
편석이 많은 경우, 주물 중 가스함유량이 현저하게 많은 경우 등에 발생한다.
특히 보통 다이캐스팅에서는 200℃정도의 저온에서도 발생할 수있는데 통상 450℃이상의 경우가 많다. 방지대책으로는 보통 다이캐스팅의 경우에는 공기의 유입이 없는 특수 다이캐스팅으로 전환해야 하지만 이 외에는 용탕 중의 가스함유량을 저하하는 것 외에는 공정융해의 방지대책과 같다.

(3) 변형

용체화처리에 있어서는 500℃전후의 고온이 되므로 기계적 성질의 예를 들면 내력이 10MPa이하가 되는 것과 같이 현저하게 낮아지는 상태로 된다.
이 때문에 동시에 쌓은 기타 주물의 중량의 영향을 받지 않더라도 주물형상 ·수치에 있어서는 자중에 의한 변형이 발생하는 경우도 있다. 이 경우에는 선반쌓기의 지그같은 것을 사용해서 변형을 방지한다. 용체화처리 과정에서의 주조시 잔류응력개방에 의한 변형도 있지만 일반적으로는 담금질시 변형에 따른 문제가 크다.
담금질 할 때 발생하는 변형은 고온에 가열된 주물이 물에서 냉각될 때의 주물의 온도분포불균일을 완화하기 위해 전술한 바와 같이 담금질물의 온도를 높임과 동시에 지그를 사용해서 수몰할 때의 주물의 자세를 조정하는 방법을 이용해 방지한다.

(4) 담금질 균열

담금질시 변형이 현저하게 발생하기 쉬운 조건하에서 재료특성에있어 연신율이 적은 경우 혹은 응력집중이 일어나기 쉬운 경우에는 균열이 발생한다. 대응책으로서는 변형방지와 같은 수단을 이용함과 동시에 재료특성에 있어서의 연신율 향상, 부품설계에 있어서의 응력집중의 완화 등을 도모한다.

(5) 변색

용체화처리시 가열에 의해 주물표면이 변색하는 경우도 있다. 주물표면에 농축하기 쉬운 Mg의 산화가 관여해 일어날 경우 열처리전의 주물표면의 오염에 의한 경우 등이 많다. 노내 대기가 부적당한 경우 담금질물의 오염 등도 원인이 된다.

(6) 재료 특성의 불규칙성

다량의 주물을 동시에 열처리할 경우에는 주물마다 재료특성이 불규칙적일 수 있다. 다량으로 쌓은 주물의 온도이력이 다른 것이 원인이 되므로 일회의 처리량을 줄이거나 적재방법을 연구해 주조간의 통풍개선 혹은 담금질시 수몰조건의 균일화를 꾀한다.


(남선알미늄 알루미늄기술편람 발췌)