주철의 열처리는 강철의 열처리와 유사하면서도 차이가 있다. 주철의 열처리는 원래 조직 내 흑연의 형태와 분포를 개선할 수 없다. 회주철의 경우, 조각상 흑연으로 인한 응력 집중 효과가 주철 성능의 주요 요인이므로, 열처리에 의한 강화 효과는 강철이나 구상흑연주철에 비해 훨씬 미미하다. 따라서 회주철의 열처리 공정은 주로 어닐링, 정화 등으로 구성된다.
구상흑연주철의 경우, 흑연이 구형이기 때문에 기지에 대한 분열 효과가 크게 감소한다. 이에 따라 열처리를 통해 기지 조직이 그 역할을 충분히 발휘할 수 있어, 구상성에 따른 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서 구상흑연주철 역시 강철과 마찬가지로 어닐링, 정화, 담금질 및 뜨임, 다온도 담금질, 유도 가열 담금질, 표면 화학 열처리 등의 공정을 적용한다.
주철의 열처리 공정:
1. 응력 완화 소성 처리
주조물은 벽두께가 불균일하기 때문에 가열·냉각 및 상변태 과정에서 유효응력과 구조응력이 발생한다. 또한 대형 부품에서는 가공 후에도 내부 응력이 남기 쉬우며, 이러한 모든 내부 응력을 제거해야 한다. 응력완화 어닐링의 일반적인 가열 온도는 500~550℃이며, 유지 시간은 2~8시간이다. 이후 노냉(회주철) 또는 공랭(구상흑연주철)으로 냉각한다. 이 공정을 통해 주조물의 내부 응력의 약 90~95%를 제거할 수 있지만, 주철의 조직 변화는 없다. 만약 온도가 550℃를 초과하거나 유지 시간이 지나치게 길어지면 오히려 흑연화가 진행되어 주조물의 강도와 경도가 저하될 수 있다.
2. 백색주철 제거를 위한 고온 흑연화 어닐링
주조물을 냉각할 때 표면층 및 두께가 얇은 부분에서 종종 백색 입자조직이 발생한다. 이 백색 미세조직은 경하고 취약하여 가공성이 떨어지고 쉽게 박리되기 쉽다. 따라서 백색 조직을 제거하기 위해 어닐링(또는 정화) 방법을 반드시 적용해야 한다. 어닐링 공정은 550~950℃로 가열한 뒤 2~5시간 동안 유지하고, 이후 노냉으로 500~550℃까지 냉각한 다음 공랭으로 완전히 냉각하는 방식이다. 고온 유지 중에는 자유시멘타이트와 공석시멘타이트가 흑연과 A로 분해되며, 이후 냉각 과정에서도 이차시멘타이트와 공석시멘타이트가 분해되어 흑연화가 촉진된다. 시멘타이트의 분해로 인해 경도가 낮아져 가공성이 향상된다.
3. 연성 주철의 정화 처리
연성주철의 정화 처리는 펄라이트 기체 조직을 얻고, 결정립을 미세화하며, 조직을 균일하게 만들어 주조품의 기계적 성질을 향상시키는 데 그 목적이 있다. 때로는 정화 처리가 연성주철의 표면 담금질을 위한 조직적 준비 단계로 활용되기도 한다. 정화 처리는 고온 정화와 저온 정화로 구분된다. 고온 정화의 온도는 일반적으로 950~980℃를 넘지 않으며, 저온 정화는 일반적으로 공석온도 범위인 820~860℃까지 가열한다. 정화 처리 후에는 일반적으로 정화 과정에서 발생한 내부 응력을 제거하기 위한 열처리가 필요하다.
4. 연성주철의 담금질 및 시효 처리
연성철의 기계적 성질을 향상시키기 위해, 일반적으로 주조품은 가열 중 A형성의 최종 온도를 나타내는 Afc1보다 30~50℃ 높은 온도로 가열한 후, 유지열 후 오일 속에서 급랭하여 마르텐사이트 조직을 얻는다. 급랭 후 잔류응력을 적절히 감소시키기 위해서는 일반적으로 급랭 후에 담금질 처리를 실시한다. 저온 담금질 조직은 담금질된 마르텐사이트와 베인라이트, 그리고 구상흑연으로 구성되며, 이는 우수한 내마모성을 갖추어 높은 내마모성과 고강도가 요구되는 부품에 사용된다. 중온 담금질의 경우 담금질 온도는 350~500℃이며, 이후 담금질된 트루스티트와 구상흑연으로 이루어진 조직이 형성된다. 이는 우수한 내마모성과 일정한 안정성 및 탄성을 갖춘 두꺼운 두께의 부품에 적합하다. 고온 담금질의 경우 담금질 온도는 500~600℃로, 담금질 후에는 담금질된 소르바이트와 구상흑연으로 구성된 조직이 생성된다. 이는 인성과 강도의 종합적인 특성이 우수하여 생산 현장에서 널리 활용된다.
5. 연성 주철의 등온 담금질
등온 담금질을 거친 연성철은 높은 강도와 우수한 소성 및 인성을 얻을 수 있다. 등온 담금질 시 가열 온도의 선정은 주로 원래 조직이 전부 오스테나이트(A) 상태로 유지되며 잔류 페라이트(F)가 남지 않도록 하고, 또한 오스테나이트 결정립의 성장이 일어나지 않도록 고려한다. 일반적으로 가열 온도는 Afc1보다 30~50℃ 높게 설정하여 종합적인 기계적 성질을 갖춘 하베나이트 조직을 얻을 수 있도록 한다. 희토류 마그네슘 알루미늄 노듈러 주철을 등온 담금질한 결과, 항복강도 σb는 1200~1400MPa, 인성 αk는 3~3.6J/cm², 경도 HRC는 47~51에 이른다. 다만, 등온 담금질 후에는 반드시 벌브 처리 공정을 추가해야 한다는 점에 유의해야 한다.
6. 표면 경화
일부 주조품의 표면 경도, 내마모성 및 피로강도를 향상시키기 위해 표면 담금질을 적용할 수 있다. 회색주철과 연성철 주조품 모두 표면 담금질이 가능하며, 일반적으로 고주파(중주파) 유도 가열을 이용한 표면 담금질과 전기 접촉식 표면 담금질이 사용된다.
7. 화학적 열처리
표면의 내마모성, 내산화성 및 내식성을 요구하는 주조품의 경우, 철강과 유사한 화학적 열처리 공정을 적용할 수 있다. 예를 들어, 가스 연질 염소화, 염소화, 보론화, 황화 등의 방법이 사용된다.