오일 퀜칭 효율성에 비교할 만한 싱글 챔버 고압 가스퀜칭 진공로
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오일 퀜칭 효율성에 비교할 만한 싱글 챔버 고압 가스퀜칭 (HPGQ) 진공로

DKSH 코리아(주)
이 글을 통하여 논의하고자 하는 내용은 분리형 가스 퀜칭 챔버(콜드 챔버, cold chamber)에서 성취한 업적 보다 좋은 효율성으로 퀜칭이 가능하고 오일퀜칭 시스템의 효율성과 비교할 만한, 새로운 세대의 싱글 챔버 진공 열처리로에 대한 것이다.
그림 1. 싱글 챔버 HPGQ 진공로 타입25. OVPT-4035/36IQN

주변 온도 및 공정 온도에서 퀜칭 가스의 물리적 성질과 관련하여 열처리로 냉각 시스템의 성과가 제시되고 논의될 것이다.
가스는 진공 열처리 기술의 응용에 따라 퀜칭 매질(quenchant)으로서 사용이 확대되고 있다. 최근 10년간 일반적으로 사용되고 있는 저압 침탄(LPC)처리의 상용화로 인하여 가스퀜칭 시스템(HPGA) 개발이 진행되었다
2개 챔버 열처리로에서 진행되는 전통적인 대기압 침탄처리기술과 오일 퀜칭 경화 기술(밀폐 또는 완전 퀜칭)은 점차적으로 저압 침탄 처리 기술로 대체될 것이다. 동일하거나 더욱 좋은 결과를 성취하기 위하여, 그리고 현대적이고 더욱 환경친화적인 퀜칭 매질인 가스를 사용하여 오일퀜칭과 동일한 효율을 얻어 수 있도록 진공로 퀜칭 시스템으로 개선되어야 한다.
가스 퀜칭 시스템은 거의 모든 면에서 오일 퀜칭 시스템을 능가한다. 그럼에도 불구하고 (가스 퀜칭 시스템의) 최근 기술적 업적은 강종(steel grade, 鋼種)의 침탄경화응용 그리고/또는 부품 크기의 한계로 인하여 오일 퀜칭만큼 강력하지 못하다.
측정과 비교를 위한 다양한 방법과 계수(coefficient, 係數: 물질의 특정한 속성을 나타내는 수)가 특정 시스템과 퀜칭 매질의 효율성을 결정하는데 도움이 된다.
이 계수는 다음을 포함한다: 그로스만 수[(Grossmann’s number (H)], 주어진 온도에서의 냉각율 (일반적으로 705℃), λ 계수 그리고 가장 객관적인 계수로써 열 전달계수(α). 전형적인 오일 시스템의 퀜칭 파라미터는 전형적인 구분(저속 오일: 1,000 ~ 1,500 W/㎡K, 중간속도 오일: 1,500 ~ 2,000 W/㎡K, 고속 오일: 2,000 ~ 2,500 W/㎡K)에 따라1,000~2,500 W/㎡K의 범위에서의 α계수로 결정된다.
HPGQ 진공로는 디자인에 따라 2개 타입으로 분류될 수 있다. 싱글 챔버 열처리로(투입량을 이동하지 않고 한 개 챔버 내에서 열처리와 퀜칭이 일어난다) 및 다중(멀티) 챔버 열처리로서 분리형 전용 냉간 퀜칭 챔버를 수반할 수 있는 구조로 나눌 수 있다.
지금의 기술력에서는, 600~800 W/㎡K의 평균 α 계수는 20 bar 이하의 질소에 대하여 HPGQ분리형 챔버에서 얻어질 수 있고 헬륨가스에 대해서는 1,000 W/㎡K보다 약간 높은 α 계수를 얻을 수 있다. 이 파라미터는 오일로 이용 가능한 것과는 여전히 다르다.
싱글 챔버 열처리로는 더 단순한 구조를 가지며, 가격이 덜 비싸고, 일괄처리(배치)와 유연한 생산에 응용될 수 있다. 다중(멀티)챔버 시스템은 더 복잡한 구조를 가지며, 가격 면에서 더 비싸고, 전형적으로 대량생산의 응용에 사용된다.
이러한 면을 고려하여, 세코/바빅은 분리형 퀜칭 챔버에서 얻을 수 있는 변수와 유사한 것을 제공하며 오일 퀜칭 시스템에 비교할 만한 싱글 챔버 열처리로는 주로 중소기업에 적합하지만 또한 중공업분야와 대량생산분야에서 적용이 된다. 특히 최근과 같은 도전적인 시기에는 더욱 그렇다.

1. 실험 열처리로
테스트는 세코바빅 S.A.에서 만들어진 산업용 열처리로-타입 25.0VPT-4035/36IQN-를 가지고 수행되었다. 이것은 일반형, 싱글 챔버 진공로인데 FineCarb® 와 PreNitLPC® 기술력 (결정립 성장 조절에 의한 집중 고온 침탄처리)으로 저압 침탄처리를 위하여 설계된 것으로 1회 싸이클로 고압 가스 표면경화 열처리와 템퍼링이 가능하다.
이 열처리로는 온도조절 (marquenching [마퀜칭], austempering [오스템퍼링])과 가스 가열(대류)에 의한 진보된 퀜칭 기술이 허용된다. 이 열처리로는 혁신적인 전력 관리 시스템이 설치되어 전기에너지 소비량을 줄였다.
장비 구조는 흑연 절연체를 가진 원통형 가열 챔버와 원형, 평면형 가열 부분으로 구성되어있다. 이 열처리로는 폐회로, 노즐 타입 가스 냉각 시스템이 장착되어 있어 24 bar의 압력(그림1)에서 질소와 헬륨가스(미래에는 수소 가스가 사용)를 사용하여 작업이 되도록 맞춰져 왔다. 이 열처리로의 기술적 사양은 다음과 같다,

  • 작업 공간(W/H/L) : 600/600/900mm(24/24/36 inches)
  • 충진량 (총 충진량) : 800 kg (1,760 pound)
  • 정격 온도 : 1320 ℃ (2400 ℉)
  • 작업 진공 : 범위 10-2 mbar(10-2 torr)
  • 가열 시스템 전력 : 150 kW
  • 냉각 압력 : 24 bar,질소, 헬륨, 수소
  • 냉각 송풍장치 모터 전력 : 220kW

    2. 냉각 시스템
    이 열처리로의 냉각시스템은 다음과 같이 구성되어 있다: 뒤편의 송풍장치, 이것은 가열챔버의 측면과 앞면에 위치한 폐회로, 원통형노즐 주입 시스템을 통하여 충진 공간으로 가스를 강제로 불어준다; 가스 배출을 위한 뒷배출구; 그리고 수냉식 열 교환기. 냉각 가스는 다음 순서로 순환한다.
    송풍장치 → 노즐 →충 진물 →뒷배출구 →열 교환기 →송풍장치. 노즐 냉각시스템은 노즐의 적절한 위치와 높은 가속 가스 흐름에 의하여 탁월한 균일성과 조밀 적층 충진물(소재) 사이의 투과성의 특징을 가진다.
    노즐 배출구에서 가스 속도는 질소의 경우 약 70 meter/sec (230 feet/s)이고 헬륨의 경우 100 meters/second(330 feet/s)이상으로 증가시킬 수 있다.

    3. 주변온도에서 α 계수의 측정
    테스트는 SECO/WARWICK에서 발명한 직경 25mm (1 inch) 가열 α 탐침을 가지고 수행하였다.
    탐침의 위치는 3가지 적재 밀도(0%, 50%, 100%) 처리를 위한 참조 충진물(소재)의 2개 층의 작업 영역에 10개가 위치하여 있다-구석과 중앙에. 100% 적재 밀도의 참조 충진물은 직경 25mm, 길이150mm(6 inch) 강철 실린더를 2층 의 지그에 수직으로 적재하여 준비한다.
    그림 2에 보여진 바와 같이 수량은 768개 총 무게는 500 kg(1,100 pounds)이다.
    그림2. 100%충진 밀도의 참조 투입량을 위한 α계수의 측정. α 탐침은 윗부분의 왼쪽 구석과 중간에 위치한다. (위치1, 5 그리고 9)
    테스트는 다양한 조건의 질소 및 헬륨가스의 압력과 속도를 사용하여 수행되었고 얻은 결과는 표 1에서 볼 수 있다.
    표1. 가스 유형, 압력, 속도, 충진 밀도에 따른 α 계수의 수치

    결과를 보면 α 에 대한 압력(밀도)과 가스 속도의 영향(0.7 power)과 또한 질소가 헬륨으로 대체되었을 경우 α가 30~35% 증가됨을 확인할 수 있다.
    추가적으로, 헬륨가스 적용 시 송풍장치 모터 부하가 약 6배 감소의 결과를 보이며 그것은 송풍장치 팬의 가속(50%)을 가능하게 하여 가스 속도에 비례하여 증가시킨다.
    송풍장치의 최대 전력(220 kW)의 조건에서, 질소 가스(24 bar, 65%속도) 사용시 평균 α 계수는 980 W/㎡K이고 몇 위치에서는 1,000 W/㎡K 이상이 나타난다. 헬륨가스(24 bar, 150%속도) 의 경우, 결과는 1,800 W/㎡K이고 최대 2,000 W/㎡K이상도 나타난다.
    작업 공간 내의 냉각 균일성은 +/-15%이다. 투입 충진 밀도는 심각한 영향을 주지 않았다. 그러나 질소의 경우 50%와 100% 적재 시에 빈 챔버(0% 적재)와 비교해보면 α 계수가 증가했다. 헬륨의 경우 50% 적재 시 α 계수의 감소가 발생했다. 100% 적재 시, 빈 챔버에서 얻은 수치까지 α 계수가 증가한다.



    4. 냉각 효율과 균일성
    테스트는 50% 투입 충진 밀도에서 수행되었다. 오스텐나이트 스테인레스 스틸로 만들어진 직경 25mm(1 inch), 길이 150mm(6 inch) 시편이 10개의 작업 영역의 기준 위치에 놓여졌다.
    열전대 는 실제 냉각 진행 중 온도 관찰을 위하여 시편의 중앙에 놓여졌다. 테스트는 헬륨가스 최대 냉각속도 (24 bar, 150% 가스 속도)로 수행되었다.
    냉각 곡선 (그림.3), α 계수 (그림.4)와 냉각 속도 결정을 위하여 측정 결과 및 다른 해석들이 밝혀졌다. 냉각곡선은 λ계수를 결정하는데 데이터를 제공한다. 그 데이터는 800℃ (1472℉)에서 500℃ (932℉)까지 백분의 몇 초 동안에 냉각속도를 측정하였다.
    평균 λ계수는 0.22 (22 초)인데 전체 작업영역에서 0.18에서 0.26까지 분포했다. 그러나 α 계수는 냉각초기부터 증가했고 퀜칭 가스 온도 변화로 인하여 공정 시작 40초 후에 안정화를 보였다.
    (α 계수) 평균 수치는 80초 후 대략 1,600 W/㎡K이며 이 수치는 주변 온도에서 얻어진 결과에 상응한다. 반면에 최대 냉각 속도는 12-18℃/s (22-32℉/s) 에서 대략 25초 경과 후 700℃에서 얻어졌다. 일반적으로 λ, α 그리고 냉각속도로 결정되는 전반적 작업 공간의 냉각 균일성을 고려하면, 그것은 +/-20% 범위를 갖는다.

    그림3. 50% 투입 충진 밀도에 대한 직경25㎜ 오스테나이트 시편 중심부의 24 bar 헬륨 퀜칭에서 온도의 추세
    그림4. 50% 투입 충진 밀도에 대한 직경25㎜ 오스테나이트 시편 코어의 24 bar 헬륨 퀜칭에서 α 계수
    그림5. 50% 충진 밀도 투입에 대한 직경25㎜ 오스테나이트 시편 코어의 24 bar 헬륨 퀜칭 온도 하강 속도
    그림6. 50% 충진 밀도 투입에 대한 다른 의 직경의 16MnCr5 스틸 시편 코어의 24 bar 헬륨 퀜칭에서의 온도 변화

    5. 스틸 경화 테스트
    열처리로의 냉각 시스템의 기술적 특성과 관련된 다음 테스트는 퀜칭 경도이다. 이 목적을 위하여 50% 충진 밀도 투입이 준비되었다. 직경이 10,15,25,30,40mm인 시편이 골고루 장착되었다. 샘플은 강종(steel grade, 鋼種),의 16MnCr5, 20MnCr5와 18CrNi8로부터 만들어 졌고 화학조성은 표2에 표시되었다. 열전대는 16MnCr5로 만들어진 시편의 중심에 장착되었다. 경화는 860℃(1580℉)의 오스테나이트 온도로부터 150% 가스 속도를 가진 24 bar 헬륨가스로 퀜칭을 했다.
    그림6는 여러 가지 직경의 시편 내부의 온도 측정 결과를 나타낸다. 주어진 범위의 직경을 갖은 시편은 0.12에서 0.39의 λ 계수를 얻었다 ? 직경 25mm (1 inch)의 경우 0.21- 이 결과는 냉각 효율 및 균일성 테스트에서 얻은 결과화 잘 부합한다. 자료 분석은 10mm(0.4 inch)직경의 시편에 대하여 중심부 온도가 28℃(50℉)에서 최대 냉각속도를 보였으며 50mm(2.0 inch)직경의 시편의 경우는 대략 9℃(16℉)에서 최대 냉각속도를 보였다.
    퀜칭 이후에 얻어진 절대 경도 수치는 주어진 강종(steel grade, 鋼種) (표 2)내의 스틸 화학성분 조성에도 의존하기 때문에, 비교는 냉각 시스템의 효율에 관한 보다 객관적인 평가를 제공할 것이다
    표2. 경화 시험을 위하여 선택된 스틸의 필수 합금 첨가 원소의 화학 성분

    이런 목적을 위하여, (헬륨가스의 경우에서 같이) 동일한 충진물이 진공 퀜칭 B244 오일로 채워진 탱크가 설치된 2개 챔버 진공 열처리로에서 경화시켰다. 헬륨가스 와 오일로 퀜칭한 후,시편의 표면과 중심부의 경도가 측정이 실시되고 비교되었다.(표 3)
    경도 결과는 모든 시험된 강종(steel grade, 鋼種)에 대하여 어느 정도 상관관계가 있었다. 더 큰 직경(25-5-mm)의 샘플에서는 헬륨퀜칭이 오일퀜칭보다 더 강했다(더 높은 경도를 보였다). 15mm (0.6 inch) 직경의 시편에서는 경도가 비슷했다. 10mm (0.4 inch) 직경의 시편에서는 오일퀜칭이 헬륨가스퀜칭보다 큰 경도를 얻을 수 있었다.
    16MnCr5 강종(steel grade, 鋼種)에 대하여, 50mm직경의 시편의 경도는 헬륨가스퀜칭후 24HRC이며 오일퀜칭후 21HRC였다. 15mm 샘플의 경도는 양쪽 모두 29HRC로 아주 비슷했다. 10mm샘플의 경도는 오일퀜칭후에 38HRC이고 헬륨가스퀜칭후에 30HRC였다. 20MnCr5와 18CrNi8 강종의 결과는 비슷했지만 더 좋은 경화능 (Hardenability)인하여 (퀜칭비율에 대한 민감도가 낮음) 극적인 결과를 보이지는 않았다.
    표3. 싱글챔버 진공 열처리로에서 24 bar 헬륨가스 퀜칭후 및 2개 챔버 진공 열처리로에서 오일 경화(퀜칭)후에 얻어진 표면 및 중심부의 경도 비교

    실험을 통하여 발견된 것은, 작은 직경의 시편(10mm)경우, 퀜칭 20초 후에 나타나는 임계 냉각속도에 대한 기초에 관하여 설명이다. 그 당시, 가장 빠른 오일 퀜칭상[phase](비등상)이 주요 역할을 했고 한편 헬륨 퀜칭은 아직 공칭 파라미터에 도달하지 못했다. 그것은 주로 냉각가스의 높은 온도(220℃, 428℉) 때문이다. 더 큰 직경의 시편(15mm 이상)의 경우, 30초의 임계냉각속도에서는 제3의, 더 느린 오일의 냉각상-대류 냉각이 더 효과적이었다. 한편 헬륨퀜칭의 경우 최대 냉각속도를 보였다. 이것은 α계수 측정을 통하여 확인 되었다. 헬륨가스의 경우, 퀜칭의 오일 대류 냉각 상에서 발견되는 600 W/m²K 수치의 2배였다.

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