공업로기술/ 열처리를 위한 유니조프 및 유동층로
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
초가압력 가스 소입식 진공로
금성열처리(주) 대표이사 이 은 효
1. 서 론
금형강, 고속도강은 물론 일반 공구강의 열처리도 솔트바스(염욕로)에서 진공로로 바뀌어 가고 있다.
이런 추세는 앞으로 더욱 가속화될 전망인데 그 주요인으로서 환경오염에 대한 엄격한 규제, 에너지절약, 자동화, 재현성 및 열처리 제품의 고급화 등을 들 수 있다.
특히 근년들어 고가의 고급 공구나 부품의 열처리에 초가압력(過壓)가스 소입 방식의 진공로가 빠른 속도로 확산, 보급되고 있는 바 이 방식의 적용 예를 중심으로 그 특징을 기술하고자 한다.

2. 진공로(vacuum furnace)
그림1에 과압가스 소입식 진공로를 도해한다. 이 로를 다른 진공로와 비교하면 뚜렷한 특성 차를 나타낸다.


그림 1

우선 가열 챔버가 원통형의 수평구조로 되어 있어 가열 요소를 실린더형으로 배열하여 전면을 동등하게 가열할 수 있다. 또 가열 요소를 대칭으로만 배열하면 단면상의 온도차는 없어진다.

로의 축심에 따라 발생하는 온도차를 없애기 위해서는 동력인입선을 가열봉의 중앙에 배치하고 가열봉의 끝에는 흑연 브릿지를 연결해 두었다.
이 브릿지의 전기저항이 커져 전력의 변화가 가열봉 끝에 이르면 브릿지가 온도변화율을 교정하고(D=I²R), 챔버의 끝에서 방사를 좋게 하며 로의 양단에서는 가열장치를 대신한다.

따라서 가열, 냉각시의 온도분포가 아주 고르며 9개의 열전대로꺼 로내의 온도 분포를 측정하고 제어해서 600∼1350°C의 온도범위에서는 ±5K 이내로 균일성을 유지한다.
가열챔버에서의 열전대 배치는 그림 2와 같다.

3. 가열 챔버의 유용성(flexibility)
진공로에서 가열 챔버가 수평구조로 되어 있어 장입제품을 몇 층으로 촘촘히 쌓거나 수직으로 세우는 등 장입량을 많이 할 수 있어 조작의 경제성을 기할 수 있다.

뿐만 아니라 원통형 가열 챔버는 주어진 가용체적(dimensions of working space) 보다 큰 제품을 장입할 수 있는 장점을 갖고 있다. 그림 3은 장입 가능 한도를 그림 4는 실제의 적용 예이다.
       

4. 가압가스 소입(overpressure gas quenching)

균일한 가열과 마찬가지로 균일하고 빠른 냉각 역시 중요하다. 진공로에서 냉각기능을 강화시키기 위해 여러가지 방법이 시도되었으나, 그 중 압력 증가를 이용한 가스 냉각 방식이 상당한 진전을 이룩했다.

냉각가스로서 수소는 냉각 효과가 좋으나 위험하고 헬륨은 냉각 효과가 좋은 반면 비싸며 아르곤은 냉각 효과가 좋지 못하다는 결점이 있어 고순도의 질소가스가 주로 사용된다.

불과 몇 년 전까지만해도 진공로에서 가스냉각에 의한 공구강의 열처리는 냉각가스(압력 800밀리바 정도의 질소)를 순환 팬으로 단순히 송풍시키는 정도였으므로 냉각기능이 떨어졌고 따라서 이 방식으로 경화하기 어려운 재료가 많았으며 특히 두께가 두꺼운 공구류는 다른 방식을 택해야 했으나 최근들어 진공과압 경화로의 사용으로 이런 문제가 해결되었는데 진공과압경화로의 독특한 구조적 특성과 과압가스의 사용이 그 요체였다.
그림 5에는 일반의 진공로에 채용되어 있는 가스유츌방식(palallel direct gas stream)과 가압 입식 진공로에 채용되어 있는 노즐냉각방식(all-round nozzle cooling)을 비교하고 그 냉각속도를 나타낸 것이다.

냉각속도가 빠르다는 것 이외에 얼마만큼 균일하게 냉각되는가 하는 것도 아주 중요한 요소이다.
노즐·시스템 전면(全面)냉각이 가능하고 가스의 흐름은 챔버의 축방향으로 이동하여 챔버 끝에 있는 출구로 이어지므로 로내의 어느 부분도 강력하고 균일하게 냉각되지 않을 수 없다.

이를 도식적으로 나타낸 것이 그림 6이다.
강력 냉각을 실시하기 위해 장입제품에 따라 가스압력을 상승 시키는데 가스압력과 냉각속도의 상관관계를 예시(例示)한 것이 그림 7이다.

종축(縱軸)의 λ값은 TTT곡선에서 냉각과정을 설정하기 위한 지표로 쓰이는 800℃∼500℃의 냉각시간(초)이다.
횡축은 제품의 직경(벽두께)을 나타낸다.

특히 여러 압력하에서 냉각 속도를 비교하면 압력이 낮을수록 냉각 속도가 늦어지고 또 직경이 클수록 냉각속도의 차이는 더 커짐을 알 수 있다.

따라서 강력냉각에는 가압의 노즐방식이 필수적이며 장입제품에 따라 적용한 냉각속도의 실예를 그림 8에 나타낸다.

그림 9는 전면 가열, 노즐냉각 방식의 진공로에서 경화시키기 위해 다단으로 조립, 장입한 제품 예이다.



그림 9

5. 저(低)변형(low distortion heat treatment)
특히 고급 공구일수록 열처리시의 치수 및 형상변화가 주요 인자로 대두된다. 열처리시의 치수, 형상변화는 기본적으로 체적 변화에 기인한 응력과 온도차에 의한 열응력 때문에 일어난다.
마르텐사이트비체적이 어닐링 조직의 그것보다 크기 때문에 공구강에서 체적변화에 기인한 소량의 치수변화는 피할 수 없다 하더라도 열응력은 적당히 주의하면 크게 감소시킬 수 있다.
궁극적으로 최적의 경도를 획득하고 형상 변화가 최소로 된 상태에서 열처리의 성공여부를 가늠해야 할 것이다.


열처리시 인위적 요소에 의해 영향을 많이 받고, 변형의 우려가 큰 공구일수록 설계시 최적의 단면구성 및 형상선정이 중요하고 제품이 커지면 온도차(결국 응력으로 귀착)가 커지기 때문에 설계시의 재량(단면적차의 감소 혹은 구석살을 크게 하는 등)으로 보완해야 하나, 대체로 열처리 시방을 따르지 않았다든가 돌발 사태의 발생 혹은 열처리 설비나 과정이 부적절하다는 등 열처리상의 문제에 의한 것이 태반이다.
구체적인 예로서 형상변화는 경화온도까지 상승이 불규칙하거나 열의 방사는 한쪽으로만 치우친다든가 급속한 열 영향을 받는 경우에 크게 나타나고 부적합한 장입장치나 장입상태 때문에 제품 자중에 의한 변형도 무시할 수 없다. 이런점 외에 일정치 못한 냉각에 기인한 변형도 많다.
냉각 매체가 제품 일부분에만 닿는다든지 냉각매체의 유동이 불균일하게 분포된다든지 제품의 장입위치가 부적절하다는 등의 예가 그것이다.
앞에서 언급한 제관점하에서 전면가열, 노즐에 의한 전면 냉각 방식이 금형류의 변형에 어떻게 영향을 미치는가를 나타내는 시험예로서 그림10과 11을 도시한다.
그림 10은 프레스 금형이다. 열처리를 전후하여 각각 측정을 행했는 바 위의 것은 열처리 전의 상태이고 아래 것은 열처리 후의 측정치이다. 각면 각 점에서의 경도값이 나타나 있다.
그림 11은 냉각의 균일성이 챔버 길이에 따라 어떻게 유지되는가를 나타내는 시험결과로서 막대의 길이는 챔버 길이와 같다.
막대의 전체 길이에 걸쳐 균일한 조직과 경도를 갖는가 또 변형은 어떤가를 입증하기 위해 이 시험을 행한 것이었는데 경도 분포는 그림의 상단과 같고 변형은 나이프에지로 측정한 결과 이상을 발견할 수 없었다.

6. 진공도(vacuum technology)

단순히 진공발생과 압력 관리만으로서 진공로의 능력을 크게 향상시킨다.
로터리 펌프와 루트 펌퍼로 구성된 중∼고 진공펌프세트에 의해 10-²밀리바의 압력을 유지하고 이로서 고합금강의 열처리시 깨끗하고 밝은 표면을 얻게된다(그림 12).
만일 진공로에 고진공 펌프를 채용하면 고온인데다 10- ⁴밀리바의 낮은 압력상태로 되기 때문에 합금원소의 승화가 일어난다.
그림 13에 각종 재료의 승화 압력을 나타낸다.
예로써 크롬의 곡선을 보면 온도 1100℃와 압력 10⁴밀리바의 경우는 크롬이 승화하지 않는다.
과압가스 소입식 진공로의 한층 더 큰 장점으로서 가스통과나 밀봉을 위해 기계식으로 구동하는 플랩을 쓰지 않았다는 것이다.
가동의 플랩이나 슬라이드 혹은 가스분배장치는 진공로에서 문제를 일으키는 주 요소이기 때문이다.

7. 진공에서의 브레이징

'진공에서의 고온 브레이징' 이라는 접합기술이 계속 인기를 끌고 있다. 복잡한 형상의 재료와 제품이 고강도로 재현성 좋게 접합되기 때문이다. 진공에서의 브레이징은 플럭스를 쓰지 않고 브레이징 간격이 아주 좁아서 접합강도가 아주 크다. 용융된 브레이징 재료가 모세관 현상에 의해 좁은 간격으로 잘 스며들기 때문에 진공중에 브레이징한 것에는 기포발생이 없다. 고합금재료는 고진공에서 브레이징 한다 .그림 14는 진공에서 브레이징한 제품 예이다.

8. 의사 마르켄칭(marquenching simulation)

대형제품의 경우 중심부와 가장자리의 온도차이는 경도와 변형의 심각성을 일으킨다.
따라서 온도 차이#에 기인한 내부응력을 최소화 하기 위해서는 세심한 주의가 필요하다.
솔트바트로 경화시킬 때는 이른바 마르켄칭이라는 방법을 써서 Ms점 직전의 오스테나이트 조직에서 중심부와 가장자리의 온도차를 없앤다. 따라서 진공로에서 과압가스로 냉각하더라도 솔트바스의 효과와 같은 특성을 얻도록 오스테나이트 영역에서 냉각을 지연시킬 필요가 있다.
즉 진공로에서의 마르켄칭은 다음과 같이 시행된다. (그림15).
열전대를 중심부와 외부(혹은 이와 대등한 위치)에 각각 설치하여 냉각중의 온도를 측정, 비교한다.
Ms 점 부근까지는 급냉한 후 냉각가스의 압력을 1바정도로 낮추고 터어빈 모터의 회전속도를 낮춘다.
제품 내외의 온도차 △T가 요망하는 수치에 이를 때까지 냉각을 제어한다.
온도차 △T가 필요한 수치에 도달한 후 재차 급냉하여 Ms점을 통과시킨다.
의사 마르켄칭으로 크랙의 발생위험은 두말할 것도 없고 저변형강화가 가능하다.

9. 부분 경화(partial hardening)

드릴, 엔드밀 등의 절삭공구를 열처리할 때 파지되는 부분(생크)은 경화되지 않도록 하고 절삭하는 부분(몸체)만 완전 경화 시킨다. 솔트바스에서는 솔트에 침적하는 깊이를 조정함으로써 만족한 결과를 얻을 수 있고 과거의 과압가스 냉각식 진공로에서는 전체를 강화할 수 밖에 없었다.
그렇지 않은 경우(특히 대형 제품)는 생크를 다른 재료로 만들어 고속도강 몸체와 용접함으로써 소비재의 절약과 생크의 기능향상을 꾀하기도 했으나 생크와 몸체의 재종이 같은 경우는 부분 가열하지 않으면 안된다.
그러나 최근 몇 년 사이에 과압가스 냉각식 진공로의 기능이 크게 개선되어 생크 부분은 그대로 둔채 몸체만 경화시킬 수 있게 되었다.
즉 진공로(표준 경화로를 약간 수정한 것)에서 생크의 열처리 온도를 변태점이하로 유지해서 '가열 → 오스테나이트화 → 소입'하는 동안 변태점을 넘지 않도록 하고 생크가 이렇게 처리되는 동안 몸체는 정상 경화 사이클을 진행시켜 열처리를 한다. (그림 16부분경화 핀의 경도분포 및 그림 17부분경화를 위해 장입되는 제품-드릴참조)
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