진공로 기술/ 총다용도(LPC+LPN+HPGQ) 질소/헬륨 25 bar 싱글챔버 진공로 - 세계적인 경제 위기에도 불구하고, 진공이 보호와 공정분위기로서 기본인 진공 기술과 열처리 설비의 진화는 계속된다. 그것은 특히 고압가스퀜칭(HPGQ) 싱글챔버 진공로 분야에 관련된다. 가스퀜칭 공정을 강하게 하여 합금강 뿐만 아니라 일반적으로 오일퀜칭하는 철강도 열처리 가능하다. 저압침탄 공정은 전통적인 침탄에서 점차 경쟁력 있게 지속적으로 개선되고 있다. (LPC - FineCarb®, PreNitLPC®) 최초의 저압질화 분야도 소개된다.(LPN

총다용도(LPC+LPN+HPGQ) 질소/헬륨 25 bar 싱글챔버 진공로

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총다용도(LPC+LPN+HPGQ) 질소/헬륨 25bar 싱글챔버 진공로
저자: M. Korecki1, J. Olejnik1, P. Kula2, R. Pietrasik2, E. Stanczyk-Wołowiec2
1 Seco/Warwick S.A., Poland
2 Technical University of Lodz, Poland

■ 핵심어: - 고압가스퀜칭(High pressure gas quench - HPGQ)
- 저압침탄 (low pressure carburizing - LPC)
- 저압질화 (low pressure nitriding - LPN)

1. 소개
세계적인 경제 위기에도 불구하고, 진공이 보호와 공정분위기로서 기본인 진공 기술과 열처리 설비의 진화는 계속된다. 그것은 특히 고압가스퀜칭(HPGQ) 싱글챔버 진공로 분야에 관련된다.
가스퀜칭 공정을 강하게 하여 합금강 뿐만 아니라 일반적으로 오일퀜칭하는 철강도 열처리 가능하다. 저압침탄 공정은 전통적인 침탄에서 점차 경쟁력 있게 지속적으로 개선되고 있다. (LPC - FineCarb®, PreNitLPC®) 최초의 저압질화 분야도 소개된다.(LPN - FineLPN®).
완전 자동화된 설비로서, 저압침탄의 시뮬레이션 프로그램(SimCarb®, SimHard®)과 가스퀜칭(G-Quench Pro®) 과정의 기술적인 지원시스템이 장착되어 컴퓨터로 제어된다. 고압가스퀜칭 싱글챔버 진공로는 풀림, 브레이징, 소결, 퀜칭, 뜨임, 침탄, 질화 등의 광범위한 기술적인 공정을 수행할 수 있다.
공정은 개별적으로 혹은 1사이클 내에서 기술적인 세트로 결합될 수 있다. 예를 들어, 브레이징+침탄+퀜칭+뜨임, 혹은 퀜칭+뜨임+질화 등. 이는 고압가스퀜칭 진공로를 열적이고 열화학적인 열처리 설비로서 다재다능하고 유연성이 있으며 다목적으로 사용할 수 있게 만든다.
또한, 환경 중립성을 유지하면서 공정시간과 유틸리티를 줄이고, 최소의 비용으로 고품질과 고도의 재현성, 고효율을 보증한다.

2. 고압가스퀜칭 싱글챔버 진공로
현대화된 고압가스퀜칭 진공로는 작업물을 둘러싼 가열챔버 내에 균일하게 배열된 가스노즐에 의한, 혹은 선택적으로 발열체의 모양과 작업물의 형태에 따라 설계된 내부 냉각시스템을 갖고 있다.
완벽하고 효율적인 노즐시스템은 작업물에 직접적으로 150-300 km/h 속도로 가스를 분사한다. 그러한 집중적인 고압가스의 분사는 조밀하게 결합된 작업물 일지라고 고효율의 퀜칭과 매우 양호한 침투를 가능하게 한다.
2,000년대 중반까지만 해도 고압가스퀜칭 진공로는 10-12bar 등급의 압력범위에서 합금강, 대부분 열간 및 냉간용 공구강과 고속도강의 퀜칭이 가능하였으나, 단품 크기와 작업물의 적재밀도에 제약이 있었다.
그 진공로들은 열전달계수 가 300∝ㄷ500 W/m2K 수준의 냉각효율을 얻을 수 있었다. 현재의 진공로는 15번째 등급으로서 400-700 W/m2K범위의 퀜칭능력을 갖고 있어서 침탄용 합금강과 작은 단면적을 갖는 고장력 저합금강(HSLA)을 포함한 더 다양한 적용이 가능하다.
표1은 철강의 종류와 등급에 따른 고압가스퀜칭 진공로의 응용범위를 보여준다.

25등급의 진공로가 출시된 2009년에 다음 경계선이 그어졌으며, 질소와 헬륨으로 퀜칭한다.(그림1)
이는 저속 및 중속의 오일퀜칭과 비교할 때, 헬륨을 사용하여 획기적인 퀜칭속도인 약1,000-1,500 W/m2K을 얻을 수 있다. 이는 침탄용 일반강과 고장력 저합금강의 광범위한 퀜칭이 가능하다.
공구강의 경우, 퀜칭 효율계수는 전형적인 10bar등급의 진공로에서 이미 성취된다.
열간용 공구강 1.2344(H13, X40CrMoV5-1)와 NADCA 지침서 [5]에서 요구되는 열처리 요구조건을 예로 들면, 최소와 평균 퀜칭속도는 1,030에서 540도 온도범위에서 28°C/min(50°F/min)로서 결정되어 왔다.
<표준의 고압가스퀜칭 진공로내에서 406/406/406mm의 철강 정6면체를 이용한 실험을 통해 금형의 퀜칭 효율을 확인한다.(그림2)
얻어진 퀜칭속도는 진공로의 작업공간 크기에 따라 현저하게 한계를 초과한다. 600/600/900mm의 로는 대략 80°C/min, 800/900/1200의 로는 60°C/min, 1200/1200/1800의 진공로는 40°C/min. 15bar 등급의 진공로에서 퀜칭속도는 대략 30%가 높고, 헬륨 가스 25bar의 경우, 2-3배 높을 것으로 예상된다.
퀜칭속도는 충격 저항과 열 피로 파괴에 중요한 영향을 미친다. 예를 들면, 강철 1.2344를 이용한 표준 Charpy V-notch 실험에서 중간 퀜칭속도 55°C/min에서는 얻어진 충격저항은 17J였고, 110°C/min 에서는 대략 24J, 반면 현저하게 낮은 속도 -8°C/min에서는 단지 8 J였다.
퀜칭중의 다른 중요한 것은 모든 면에서의 균일한 퀜칭과 표면과 중심과의 너무 높은 온도차이를 방지하는 것이다. 열응력의 결과로서 심각한 변형이 발생하고 심지어 균열과 극한에는 파괴되는 결과가 발생한다.
그러므로, 고압가스퀜칭 진공로는 단품내에 설치한 열전대에 의한 퀜칭속도 조절이 가능한 제어시스템이 장착된다. 이로서 표면과 중심과의 온도차이에 따라 중심부 온도가 표면온도에 좀더 가까워질 때까지 표면퀜칭을 지연시키는게 가능하다.(제어 등온 퀜칭)

제어 퀜칭의 옵션으로서 냉각 송풍기 속도제어 시스템에 연결된 작업물 열전대는 작업물 냉각가스 속도에 직접적으로 영향을 준다.
설비의 응용력을 향상시키는 중요한 요소는 주어진 조건에서 실행된 공정결과를 예측 가능한 시뮬레이션 프로그램이다. Seco/Warwick에서 개발되어 고압가스퀜칭 진공로와 함께 제안되는 G-Quench Pro®는 냉간 및 열간 공구강의 퀜칭을 시뮬레이션이 가능하다.
시뮬레이터는 진공로의 종류와 크기, 퀜칭가스 종류와 압력, 철강종류, 단품형태, 작업물 적재밀도 등의 퀜칭변수를 포함한다. 이는 지정된 지점에서의 퀜칭곡선의 선택이 가능하다. 표준재질의 표면과 내부 사이에서의 시뮬레이션 결과는 퀜칭곡선과 예상되는 경도로 나타내는 CCT 도표이다.(그림3)
프로그램은 또한 작업물 열전대의 퀜칭공정에서 직접적으로 얻은 온도측정에 기초한 실시간 온라인 시뮬레이션이 가능하다.

3. 고압가스퀜칭로에서의 열화학 열처리
FineCarb® 방법에 의한 진공침탄은 고압가스퀜칭로와 함께 50개 이상의 응용분야에 사용되어 왔다. 이는 3개의 침탄가스(아세틸렌, 에틸렌, 수소)의 혼합에 기초하고, 그러한 공정방법은 고효율, 균일, 청결을 보증한다. 가스퀜칭은 전통적인 오일탱크 내에서의 분위기로를 이용한 전형적인 표면경화 공정에 대한 매력적인 대안이다.(그림4)
FineCarb® 진공침탄 개발의 진보된 단계로서 침탄기술을 지원하는 질화가 현재 공급된다.(PreNitLPC®) 침탄공정을 위한 초기 가열단계에서 암모니아를 투입한다. 철강표면에 투여된 질소는 탄소의 확산을 돕고, 카바이드 생성의 경향을 줄이며, 가장 중요한 오스테나이트 입자 성장을 현저하게 제한하여 침탄공정을 지원한다.
이 같은 장점은 침탄온도를 상승시켜 공정시간을 현저하게 줄인다. 짧아진 공정시간으로 얻어진 layer는 낮은 온도에서의 전통적인 공정에서 얻어진 것보다 나쁘지 않은 올바른 미세구조와 기계적 성질을 갖는다. 비교하면, 1,040°C에서 PreNitLPC® 방법으로 얻어진 침탄공정은 전통적인 침탄온도인930°C보다 4-5배 짧다.
진공침탄 공정의 비균일적인 특성 때문에 컴퓨터의 지원이 필요하다. SimVaC®은 FineCarb® 저압침탄 기술의 필수 요소이며, 전문적인 시스템으로 확대된다. 이는 실물을 이용한 비싼 실험을 줄이거나 제거하고, 공정분석과 최적화뿐만 아니라 고압가스에서의 저압침탄과 퀜칭의 설계를 가능하게 한다.

SimVaC®은 저압침탄용 SimCarb®과 퀜칭용 SimHard®로 구성된 진보된 시뮬레이션 프로그램이다.(그림5)
이는 공정 및 결과 시뮬레이션에 따른 실제 공정결과의 고정밀 예측이 가능하다.
공정 시뮬레이션은 탄소 및 표면경화를 형상화하여 결과를 보여준다. 결과 시뮬레이션은 요구되는 경우에 적합한 공정을 제안한다.
시스템은 철강등급, 부품 모양과 형상, 표면 크기, 표면 탄소 함유율, 유효 표면두께 기준, 침탄온도, 가압 및 확산 순서를 고려한다.
또한, 경화를 위한 온도저하, 냉각가스 종류와 압력, 로크기를 포함한다. 탄소와 경도의 형상화를 제외한 시뮬레이션 결과는 또한 침탄가스 요구조건을 포함된다.(그림6)

기 사용중인 PreNitLPC®와 같은 방법으로서, 진공침탄과 진공질화가 고압가스퀜칭로에서 사용된다. 공정은 전통적인 질화온도에서 진공로에 암모니아를 초기투입 한다. 현재 공구강을 위주로 공정을 제어하고, 시뮬레이션 방법을 생성하는 연구와 실험이 진행된다.
고압가스퀜칭로에서의 다중 시간 질화공정이 옳다는게 아니라 상대적으로 짧다는 것이다. 공구강의 몇몇시간 동안의 질화는 퀜칭 공정의 보완으로서, 매우 강하고 얇은 layer를 생성하여 기계적인 성질을 향상시키는 흥미로운 대안이 된다.
특히, 전체적인 열처리가 1사이클 내에서 복잡한 방법으로 문개방과 작업물이동 없이 퀜칭에서 다중 뜨임, 최종 질화까지 하나의 순서로 실행된다. 그러한 공정의 또하나 장점은 질화전 화학적인 표면활성화가 필요 없고, 빠르고 균일한 질화층의 성장이 가능하다.
진공가열은 세척 및 표면활성화에 따른 큰 물성치 감소의 원인이다. 구조로서, 1.2343 강철로 만들어진 도장의 복합열처리가 모델 15.0VPT-4022/24 고압가스퀜칭로에서 실행된다.
1,020°C에서 오스테나이트화 되고, 질소 12bar에서 퀜칭하고, 570°C/2h 온도에서 이중 뜨임을 하고, 540°C 온도에서 6시간(그림7) 질화한다.
공정결과는 균일한 질화 확산층이 약 0.14 mm 두께이고, 약 900 HV의 표면경도와 약 500 HV의 중심경도를 보였다.(그림8)

4. 요약
Seco/Warwick의 싱글챔버 진공로는 아래와 같은 장점이 있어 현재 세계적인 규격을 수행하고, 연구 및 개발작업이 가능하며, 특히 금형과 공구의 열처리(그림9)에 적합하다:
- 15-25bar N2/He 가스를 이용해 로내에서 퀜칭속도를 다중으로 상승시켜 현저하게 공구 충격 저항성과 수명을 향상시킨다.
- 노즐 냉각시스템은 작업물의 모든 면에 집중적이고 균일한 퀜칭을 보증하여 변형을 최소화한다.
- 사용된 등온 제어식 퀜칭 기술은 냉각속도와 작업물의 온도차이를 조절하여 열적 부하로부터 열변형과 균열의 위험성을 감소시킨다.
- 퀜칭과 한 공정내에서 진공침탄 혹은 질화를 사용하는 가능성은 공구 및 금형 열처리의 기술적이고 연구적 가치를 확장한다.
- 퀜칭과 침탄공정용 시뮬레이션 프로그램은 공정결과를 정밀하게 예측하고 실물을 이용한 실험의 필요성을 제거한다. 그림 9:고압가스퀜칭로에서의 금형열처리

■ 참고문헌
[1] M. Korecki, A. Adamek: Flexibility and Versatility of Heat Treatment under Vacuum, Furnace International, Part 1 - March/April 2005, 6-8, Part 2 - May/June 2005, 8-12
[2] J. Kowalski, M. Korecki, J, Olejnik: Next-Generation HPQ vacuum furnaces, Heat Treating Progress, September 2008, 39-44
[3] M. Korecki, D. Siniarski: Seco/Warwick Single- and Multi-Chamber Vacuum Furnaces for Tools and Dies Heat Treatment, 1st Conference of IFHTSE for Tools and Dies, Pula, Croatia, June 2005
[4] M. Korecki, J. Olejnik, Z. Szczerba, M. Bazel: Single-Chamber HPGQ Vacuum Furnace with Quenching Efficiency Comparable to Oil, Industrial Heating, September 2009, 73-77
[5] Nord America Die Casting Association, Recommended Procedures for H-13 Tool Steel, 2006
[6] J. Wallace, D. Schwam, S. Birceanu: The Effect of Cooling Rate on Thermal Fatigue Cracking and Impact Resistance of PG H13 Die Material, Die Materials and Technologies, 2009
[7] P. Kula, J. Olejnik, P. Heilman: Hydrocarbon gas mixture for the under-pressure carburizing of steel, Patent No.: EP1558780, 2007
[8] P. Kula, J. Olejnik, P. Heilman: Method for the under-pressure carburizing of steel work pieces, Patent No.: EP1558781, 2007
[9] M. Korecki, P. Kula, G. Reuss: Single-Chamber Vacuum Furnace as an Alternative for Case Hardening Technology, Heat Treatment Surface Engineering Conference, Jihlava, Czech Republic, November 2009
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[13] P. Kula, R. Pietrasik, K. Dybowski, E. Stanczyk-Wołowiec, R. Atraszkiewicz, M. Korecki, J. Olejnik: New Technological Pathways for Universal Vacuum Furnaces, 18th IFHTSE Congress, Rio de Janeiro, Brazil, July 2010

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