공업로기술/ 유동상로에 의한 열처리 및 표면경화처리
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유동상로에 의한 열처리 및 표면경화처리
종래 광석의 소결등 제한된 분야에서만 응용되어오던 유동상로가 70년대 이후 에너지의 효율적인 이용이 요구되면서 획기적으로 발전되어 각 분야에서의 활용이 확대되고 있다. 특히 열처리 분야에서의 이용은 원가절감, 처리시간 단축, 운전의 용이, 고부가가치, 열처리변형억제, 무공해 등 수많은 이점을 가지게 됨으로 더욱 크게 주목받고 있다.
최근 미국, 일본 및 유럽의 선진공업국에서는 분위기 가스의 이용기술, 에너지 절감을 위한 펄스 유동시스템개발, 설비의 자동화 및 연속 유동상로의 실용화 등에 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
국내에서도 80년도 중반부터 열처리 제품의 품질향상 및 처리원가절감을 고려하여 새로운 설비의 도입, 처리공정 및 품질관리에 대한 관심이 고조되면서 유동상로의 중요성이 인식되었다.
국내에서는 삼원공업(주)과 한국기계연구소가 87년부터 유동상로의 개발에 착수하여 89년도부터 100℃이하에서 사용할 수 있는 로를 보급하기 시작하였고 초경합금 열처리를 위한 고온용 로를 연구 개발 보급할 수 있는 준비를 갖추었다.
그리고 현재 공구상 등의 열처리를 위해 사용하고 있는 염욕로가 심각한 공해를 유발시킴으로써 대체가 불가피하게 되었다. 따라서 본고에서는 유동상로에 대한 원리와 구조 그리고 적용 가능한 표면 경화기술에 대하여 개략적으로 알아보고 유동상로에 대한 올바른 이해를 넓히고자 한다.

1. 유동상로의 개요

유동상을 이용한 열처리기술은 염욕로의 공해문제가 심각하게 제기되면서 구미 각국에서 실용화된 것으로 그 특이한 장점이 종래의 열처리로에서 볼 수 없었던 다목적인 열처리를 운영하기에 훌륭한 융통성을 발휘하는 완전한 무공해 로인 것이다.
또한 어떤 목적의 열처리를 하더라도 종래의 로보다 신속, 균일한 처리가 가능하고 다품종 소량생산에 적합한 특성을 가지고 있다.
70년대 석유파동 이후 에너지의 효율적 이용의 요구에 따라 더욱 개량 발전되어 각 분야에 그 응용이 확대되고 있으며 미국, 일본 및 독일을 비롯한 선진공업국에서는 염욕로를 유동상로로 전환하였다.
실제 미국의 LINDBERG, DOWNEY, NATIONAL 등의 열처리 회사에서 염욕로 전체를 유동상로로 대체한 이후 매년 25∼40%의 신장률로 보급되고 있는 추세이다.
더욱이 오스템퍼링, 마르궨칭시에 냉각장치로 활용됨은 물론 최근에는 유동상로의 형태가 연속로로 개발되어 실용화 되고 있으며 열처리 목적 이외에도 열회수장치, 화학반응 장치 등에 매우 광범위하게 적용되고 있다.

2. 유동상로의 특성과 용도

[1]유동상로의 특성
1)다양성
유동상로의 레토르트안(Al₂O₃층)에서 분위기 가스의 통과속도가 4∼5m/min이므로 가스를 바꿀 때 2∼3분이면 완전한 가스의 치환이 이루어진다.
즉 침탄열처리가 끝나고 침탄질화 처리를 하든가 무산화 가열을 하고자 할 때 넉넉히 5분이면 SEASONING이 필요없이 원하는 열처리를 가능케 한다는 점이 종래의 열처리방법에서는 제약을 받았던 것으로 유동상로만이 가지는 융통성이다.
예를 들면 그림 1에서 볼 수 있듯이 공기로부터 침탄가스를 치환하는데 필요한 시간과 O₂센서의 기전력 변화를 보면 3분 정도로써 충분한 침탄 분위기가 완성된다.
따라서 종전의 가스분위기와 염욕로에서만 가능했던 모든 열처리가 유동상로 1기만 가지고도 완전히 처리될 수 있는 다양성이 유동상로의 큰 장점이다.


그림 2

그림 4
2)신속성
유동상로를 이용한 열처리 작업의 운영은 마치 염욕로에서와 같아 열처리를 넣고 빼는 작업이 가스로보다 신속하며 처리물의 승온속도 역시 그림 2에서 볼 수 있듯이 염욕로에 가까운 열전달 능력으로 인하여 상당히 빠르다.
그림 3에서는 0.3m³유동상로에서 처리한 1in. 환봉의 중량별 온도회복 속도를 나타낸다. 또한 알루미나 표면의 촉매작용으로 반응가스의 분해율이 향상되어 질화처리시에 암모니아 가스의 소모량을 절감할 수 있고(분해율이 높기 때문) 질화반응이 신속하게 진행되므로 질화 처리시간이 단축되며 침탄이나 침탄질화시에도 가스의 반응이 촉진됨에 따라 탄소나 질소가 금속중에 고용되는 속도가 빨라져 그림 4에서 보는 바와 같이 경화깊이는 40%나 증가된다.

3)균일성
유동상로는 기체흐름 속도에 의해서 알루미나 입자가 매우 빠른 속도로 유동하기 때문에 다음과 같이 세가지 균일성을 얻을 수 있다.
첫째 로내 각 위치별 온도분포가 ±3℃로 고르게 유지되는 것을 그림 5와 그림 6에서 볼 수 있다.
둘째 로내 어느 위치에서도 분위기가 일정하다. 즉 침탄이나 질화시 CARBON POTENTIAL, 질화 POTENTIAL이 위치에 관계없이 균일하다.(표1 침탄 실험결과 참조)
셋째 로내 어디에서나 분위기가 균일하기 때문에 침탄, 질화 열처리도 균일하게 된다.(그림7참조)

4)간편성
유동상로의 간편성을 설명하기 위해 염욕로와 비교해 보면 우선 염욕로는 열처리 목적에 따라 각각의 기능을 갖는 염욕로가 구비되어 있어야 하지만 유동상로는 3∼4종의 필요한 가스만 확보되면 어떠한 열처리도 가능하게 된다.
또한 유동상로에서는 SLUDGE가 생기지 않으므로 염욕로에서처럼 항상 SLUDGE를 제거해야 하는 불편이 없고 질탄화(연질화)시에 다공질이 생기지 않는 깨끗한 화합물층이 형성되고 표면에 붙어있는 SULDGE제거 작업이 필요없다.
스테인레스강의 질화시 염욕로에서는 그러한 문제가 발생하지 않으며 특히 소결 금속을 처리할 경우 염의 침투가 없어 후처리가 필요없을 뿐만 아니라 표면에 묻은 염을 세척해야 하는 번거로움도 없다.
더욱이 유동상로에서는 물이 묻어있는 제품을 넣어도 위험이 전혀 없으며 화학작용이 수반되는 열처리에서는 가스혼합비의 조정만으로 원하는 POTENIAL을 쉽게 얻을 수 있다. 즉 침탄 처리시 표면 탄소농도를 자유롭게 조절할 수 있고 질화처리시 처리물 재직에 따라 원하는 질화 POTENIAL의 선택이 용이하며 질탄화시 화합물층 상의 선택조정이 용이하다.
또한 가스분위기로와 비교해 보면 앞에서 설명했듯이 분위기 가스의 교환이 신속한 점과 아울러 알루미나 표면의 촉매작용으로 반응이 촉진되는 장점은 물론이고 가스 침탄시 CARBON POTENIAL을 늦게할 경우 SOOT의 석출로 침탄작용이 어렵게 되지만 유동상로에서는 알루미나 입자의 세척작용으로 침탄이 정지되는 일 없이 표면탄소 농도를 약 2%까지 높일 수 있어 깊은 고탄소침탄(CD침탄)처리를 할 수 있으며 같은 방법으로 티타늄(Ti)의 침탄처리도 가능하다.
상기 설명 이외에도 다양한 복합처리와 유지보수가 간편하다는 장점이 있다.

그림 5


그림 6


그림 7

5)안전성
유동상로를 사용해 본 경험이 없는 사람들은 불안하게 생각하여 알루미나 입자의 유동으로 처리물 표면의 구조가 나빠지거나 긁힘 자국이 생기지 않을까하는 등의 의구심을 가질 수도 있으나 처리물의 표면에는 아무런 영향도 주지 않으며 일례로 침탄 방지제를 도포한 처리물을 유동상로에서 가열하여도 벗겨지지 않으며 그림 8에서와 같이 침탄방지 효과가 뚜렷하게 나타난다.
그 밖에도 유동상로에서 가열처리한 후 QUENCHING TANK로 옮길 때 공기에 의한 표면산화를 염려하는 경우도 있으나 유동상로에서 올라오는 가스를 이용한 가스 CHAMBER에 의해 ALL CASE로 에서와 같이 표면산화를 방지할 수 있다.
그러나 단 한가지 유의할 점은 그림 9에서 볼 수 있듯이 처리물의 형상과 로내에 놓여진 모양의 영향을 받는다는 것이다.
즉 A와 같이 구멍이 아래로 향하게 되면 유동입자의 움직임이 쉽고 균일한 경화층을 얻을 수 있기 때문에 침탄이나 질화에 적당한 놓임 모양이라 할 수 있으며 침탄의 경우 구멍의 내부는 외부에 비해 80∼100%의 침탄깊이를 확보할 수가 있다.
B의 경우 구멍 내부에서는 유동입자가 움직이기 어려워 침탄층은 외부에 비해 60∼80%로 약간 얇아지는데 이것은 하부 후렌지의 영향으로 상부 유동이 약해지기 때문이고 동시에 승온속도도 약간 느려지므로 이러한 성질을 이용하여 전체의 가열 냉각을 천천히 그리고 균일하게 행하고자 할 때는 B의 놓임 모양이 적합하다고 할 수 있다.
그 외에 열처리 과정에서 QUENCHING장치로 활용되는 예와 냉각속도 및 특성을 알아보기 위해 유동상로와 다른 방법과의 냉각곡선 비교를 그림 10, 그림 11에 나타내었다.
이것으로부터 유동상로에서의 냉각은 수냉이나 염욕냉각보다 냉각능이 낮지만 공냉보다는 높다는 것을 알 수 있다.

그림 8
그림 9

그림 10

그림 11

그림 12

유동상로의 온도를 변화시켰을 경우 냉각곡선을 그림 12에서 나타내었으며 알루미나의 입경을 변화시킨 경우의 열전달 계수를 그림 13에 나타내었는데 입자가 미세하면 할수록 냉각속도는 빨라지며 유동입자로 열전도율과 비중이 큰 금속을 사용하는 경우에 냉각속도는 약간 빨라진다.
6)경제성
유동상로의 알루미나는 열용량이 크므로 승온시 낮은 온도에서 하는 처리를 먼저 행사고 높은 온도에서 하는 처리는 나중에 행하는 운영 계획을 세워 열에너지의 낭비를 줄일 수 있고 가스의 소모량을 줄이기 위해서는 가스순환식 또는 펄스 공급 방식을 채택하여 가스를 절약할 수도 있는데 아무리 가스비용이 과다하다고 하여도 염욕처리시의 폐수처리 비용에 비하면 1/10에 불과하다.

표 2 유동층기술의 응용분야

(2]유동상로의 용도
유동상로의 응용분야는 금 속의 열처리뿐만 아니라 표 2에서 알 수 있듯이 광범위하게 활용되고 있으며 특히 소규모로서 유용하게 활용되는 분야로는 주물사 정제용 이외에도 금형 또는 기계 부품에 부착된 플라스틱 고무 페인트 등의 세척장치로 매우 편리하게 사용된다.
여기에서 여러방법들의 장단점을 비교해보면 표 3에서와 같이 유동상로가 가장 유용하고 안전함을 알 수 있다.
유동상로에서 입자의 움직임은 상하 유동이 주체이기 때문에 처리물이 놓여진 모양에 따라 열이동 속도가 변화하여 그림 14에서와 같은 형상의 부품은 세로로 놓인 쪽이 가로로 놓인 쪽에 비해
냉각속도가 빠르다. BASKET에 처리물을 담는 경우에는 알루미나 입자의 움직임과 기포의 상승방향을 고려하여 놓는 모양을 결정하는 것이 중요하다.

표 3 각종 세척방법의 장단점

3.유동상로의 원리 및 구조

(1)유동상의 원리
산화 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂) 등의 미세한 분말 유동화매체에 가스를 일정속도 이상으로 공급하면 그 힘에 의해 정지 상태에 있던 유동매체 입자들이 서로 분리 부유되어 유동됨으로써 액체와 같은 거동을 보이게 된다.
이러한 거동은 가스공급속도, 가스분산판의 형태 유동입자의 입도분포 및 유동상의 불균일 정도 등에 의해 영향을 받게 된다.
그림 15는 유동상의 액체특성을 도식적으로 나타낸 것이다.

그림 15

그림 16은 가스공급속도에 따른 유동상의 거동을 보인 것으로 낮은 공급속도에서는 유동상 상한선이 나타나며 유동매체 입자들은 정지 상태로 존재함으로서 고정상(FIXED BED)을 형성하게 된다.
그림 16(a) 가스공급속도가 점차 증가하여 임계치에 도달하면 상의 상한선이 없어지고 유동상 체적은 다소 증가하기 시작하여 이것이 최소유동화 상태이다.
그림 16(b)그리고 가스공급속도가 더욱더 증가하면 유동상 체적은 매우 증가하고 유동입자들은 마치 물과 같은 거동을 보이게 되는 적정 유동입자들은 마치 물과 같은 거동을 보이게 되는 적정 유동화 상태를 얻게 된다.
그림 16(c)또한 더욱더 높은 가스 공급속도의 경우 가스는 BUBBLE형태로 유동상을 통과하게 됨으로서 유도상 체적이 감소하게 되며 AGGREGATE또는 BUBBLE유동상이라 한다. 그림 16(d)와 같은 거동을 보인다.
만약 가스공급속도를 매우 크게 하면 유동입자들은 기체와 동일하게 움직여 밖으로 분출되는 LEAN PHASE유동상을 형성하게 된다.
전술한 바와 같이 유동형태는 로내 가스치환속도 및 흐름형태와 매우 밀접한 관계를 가지며 또한 로내 가스의 열분해 및 분위기 특성에 지대한 영향을 미칠 수 있다.
따라서 열처리 요구 특성을 만족시키기 위한 최적 유동화 가스 공급속도의 결정은 매우 중요하다.
일반적으로 열처리에 사용되는 유동형태는 그림16(f)의 BUBBLE유동상이며 이 때의 가스공급속도는 최소 유동화 가스 공급 속도의 2∼3배 범위로 관리한다. 그리고 유동매체의 입자크기는 80∼120mesh를 사용한다.
(2)유동화속도
1]최소유동화속도
최적 유동상을 얻기 위해 가장 중요한 변수 중의 하나는 최소유동화를 위한 가스공급속도의 결정이며 이는 다음과 같이 실험적 또는 관련공식을 이용하여 결정한다.
최소유동화 가스속도(Gmf)의 계산에 수많은 식들이 발표되었으며 LAVA는 아래의 실험식으로부터 일정한 온도에서 최소유동화가스 속도는 입자의 직경 및 밀도, 가스의 밀도 및 점도에 의존함을 제시한다.

그림 17

그림 17은 유동상에서의 가스 공급속도(μo)와 압력강하(△p)의 관계를 나타낸 것으로 공급속도가 낮은 구역 즉 고정상에서는 가스공급 속도가 증가할수록 비례하여 압력강하가 커지게 된다.
압력강하는 일정공급속도에서 최대치에 도달한 다음 다소감소하여 정상상태를 유지하게 되며 최대압력강하를 갖는 공급속도가 유동화를 위한 최소가스공급속도(μm)가 된다. 한편 최소유동화 가스공급속도를 초과 더욱더 증가해도 압력강하는 크게 변하지 않으며 유동상은 액체와 같은 거동을 나타낸다.
압력강하의 거동은 최소유동화 가스공급속도의 결정 뿐만아니라 유동상의 형태를 예측할 수 있는데 압력강하의 변동쪽이 큰 경우는 SLUDGGING이 발생하기 때문이며 또한 최소유동화 상태에서 급격한 압력강하의 변화없이 큰 쪽으로 감소한 다음 점차 내려가는 비정상적인 압력강하는 CHANNELING현상에 기인한다.

그림 18

그림 18은 유동화 상태에 따른 압력강하의 거동을 나타낸 것이다.
한편 압력강하의 거동은 가스분산판 동입자의 입도 및 분포에 의해서도 영향을 받게 되므로써 이들의 적정사용 여부를 평가할 수 있다.
이와 더불어 로내의 처리물 중량 및 배치상태, 가열온도 등에 의해서도 영향을 받으며 따라서 이들을 고려한 가스공급속도의 설정이 요두된다.
유동상에 있어 가장 중요한 변수들 중의 하나는 최소유동화속도이며 이러한 최소유동화속도(μmf)는 입자직경(d)의 2차함수와 입자밀도(P)의 1차함수의 곱에 비례한다.
열처리로를 설계할 때 온도의 영향을 고려해야 하며 그림 19에서는 온도가 증가함예 따라 유동화에 필요한 양이 급격하게 감소하는 것을 보여준다.

그림 19

2]유동상로의 가스 소요량
유동상로의 가스소요량은 다른 가스분위기로에서 보다 분위기 가스가 많이 소요될 것 같지만 로내 가스의 치환이 매우 신속하여 2∼3분 이내에 분위기 전환이 이루어지며 가열과 냉각 또는 고온에서의 열처리 작업을 하지 않을 때는 항상 공기를 넣어주기 때문에 시제 분위기 가스소요량은 ALL CASE로 보다 그리 많지 않다.
그리고 가열시에 알루미나 입자는 가스의열분해를 촉진시키는 촉매역할을 하므로 가스 변성장치가 별도로 필요없는 것이 특징이다.
실용적인 로의 가스 소요량은 레토르트 단면적과 로의 온도, 알루미나의 입도 및 유동화 비율에 따라 달라지게 되며 표4은 조건들에 따른 가스 소요량의 번화를 보여준다.
유동상내의 가스의 상승속도는 0.45m/sec이상이며 이 때의 압력은 0.3kg/㎤정도이다.

3]유동상로의 전열특성
유동상로에서 열매체로 사용되는 알루미나 입자는 유동화가 되지 않은 상태(정지상태)에서는 단열재의 역할을 하기 때문에 열처리로로서의 전열(열의 전도)을 기대할 수가 없다.
한편 유동화 상태에서는 알루미나 입도와 가스유량에 따라 차이는 있으나 유동상 부피의 15∼35%가 기체이며 65∼85%가 알루미나로 구성되어 있다. 따라서 유동상로는 유동화 상태가 활발하고 고르게 유지되어야 전열효과가 매우 양호하게 되며 WORK ZONE내 온도의 균일성도 ±2℃까지 가능하게 된다.
그러므로 열처리물을 JIG에다 SETTING할 때 유의할 사항은 반드시 처리물 표면에 기체의 상향 통로를 마련해 주어야 한다는 것이며 이점이 염욕이나 피트형 가스로와 다른 유동상로의 특성이다.
그림20은 유동화가 정지된 상태에서 시간에 따른 냉각곡선과 다시 유동화시켰을 때 승온되는 정도를 나타낸 것이며 특히 그림 2에서 볼 수 있듯이 승온속도는 염욕의 경우와 거의 비슷할 정도로 매우 빠르게 나타나고 있다.
일례로 로 크기가 450π×600deep인 경우 유동화 가스를 9m³/hr로 넣어주고 로의 온도를 850℃로 유지시키면서 상온의 처리물 130kg(BASKET중량까지 포함)을 넣은 후 승온 속도를 비교하면 처리물을 투입한지 11분 만에 732℃까지 덜어졌다가 다시 40분만에 850℃로 회복되었다. 이것은 피로트에 비해 1/3정도로 승온시간이 단축된다는 것을 보여주는 것이다.
한편 유동상로를 가열할 때 유동화 가스량을 많이 투입하면 차가운 공기가 많이 들어가 열을 많이 빼앗기는 결과가 오기 때문에 로의 승온속도가 늦어지고 WORK ZONE하부가 상부보다 저온이 될 것이라 생각될지 모르지만 실제로는 그렇지 않다. 왜냐하면 유동화가 잘됨에 따라 레토르트 외부의 열을 더 빨리 흡수하게 되고 열전도가 더 균일하게 이루어지기 때문이다.

그림 20


유동상로의 가스 소요량

4.유동상로를 이용한 표면경화기술

(1)공구강의 무산화경화처리
가격이 비싼 고순도의 질소가스를 사용한다면 질소가스만으로도 무산화 분위기를 제공할 수 있지만 대개의 경우 질소가스내의 불순물로 인해 미량의 산소가 존재하므로 값싼 질소가스를 사용할 경우에는 다른 가스를 소량 첨가해 주는 것이 경제 이다.
예열→오스테나이트화가열(침붕처리)→퀜칭→템퍼링→질화처리→흑색피막처리
위에서 기술한 모든 공정은 유동상로에서 완전 무공해로 처리되어 특히 요즘과 같이 폐수등 환경오염에 대한 대책이 시급한 때 그 우수성이 발휘되며 더불어 다른 로에서 보다도 변형을 최소로 줄일 수 있는 특징이 있다.
그림 21은 유동상로와 기타 다른 열처리로에서 무산화경화처리 했을 때의 비용을 비교한 것으로 유동상로에서 처리했을 때 염욕 및 분위기로에서보다 더 경제적임을 알 수 있다.

(2)침탄처리
1)유동상로에서 침탄 처리시의 특징
침탄가스의 변성장치가 필요없는 것은 적주식로나 마찬가지지만 일반 가스침탄로와 크게 다른 점은 로내에 그을음이 생성되는 분위기하에서도 알루미나의 표면세척 작용으로 인하여 침탄이 신속하게 이루어지며 CARBON POTENTIAL조절이 가스 FLOWMETER의 배합비율로서 간단히 조절된다는 것이다.
또한 일반 가스침탄로에서보다 처리가 신속하여 HARRIS법칙에 따라 침탄 시간이 1/3∼1/5까지 크게 단축될 수 있다는 특징도 있다.
그림 22는 침탄 처리시의 유동상로와 다른 로에서의 경제성을 비교한 것으로 유동상로 처리가 경제적임을 보여준다.
2)가스의 종류와 분위기조정
가스의 종류는
①공기+탄화수소
②질소+탄화수소
③질소+메탄올
④질소+탄화수소+CO₂
⑤질소+탄화수소+메탄올 등 여러 가지가 있다.
이러한 여러 가지 가스를 혼합하여 침탄처리를 실시할 수 있으며 대개의 경우 0.5mm이하의 얇은 층을 갖도록 하는 침탄 처리는 질소와 프로판만으로도 처리하며 0.7mm이상의 깊은 침탄시에는 질소와 메탄올 증기를 케리어가스로 쓰고 프로판을 엔리치가스로 사용하기도 한다.
특히 ①항의 공기와 탄화수소를 이용하는 침탄은 평형분위기로 그림 23처럼 온도와 가스 혼합비율에 따라 CARBON POTENTIAL을 조정할 수 있으며 표 5에서 비교되었듯이 ②항의 질소와 탄화수소를 사용하였을 때보다 1/10정도 가스 비용이 절감된다.
또한 유동화를 빠르게 촉진시킬 수 있으며 전술한 바와 같이 알루미나 입도에 따라 가스소모량을 조정할 수 있는 장점이 있다.
3)침탄처리공정
침탄온도까지 유동상로를 가열할 때는 공기만을 투입하고 침탄물을 넣기 2분전에 질소가스로 교체하며 뚜껑을 닫은 후 다시 2분 후에 침탄가스를 투입한다. 반대로 처리물을 꺼낼 때에는 뚜껑을 열기 2분전에 침탄가스를 잠그고 질소만을 투입한 다음 뚜껑을 열어 처리물을 꺼내고 즉시 공기를 투입하여 알루미나 중에 있는 SOOT를 소각(BURN OUT)해 버린다.
침탄처리의 작업운영은 C.P.(CARBON POTENTIAL)가 높은 상태에서 HARRIS법칙에 의해 침탄을 신속하게 한 후 나중에 확산처리를 별도로 하는 방법이 일반적이나 유동상로에서는 10분은 C.P.를 높게 해주고 10분은 C.P.를 낮게 하는 것(BOOTS-DIFFUSE CYCLE 그림24참조)을 반복해서 행하며 이것은 위에서 행한 것과 같은 결과의 침탄 효과를 얻을 수 있는 외에 침탄가스도 줄일 수 있는 장점이 있다.

그림 23
그림 25는 침탄온도에 따른 경화깊이를 1시간 미만 처리했을 때와 그이상 처리했을 때로 나누어 나타내었다.

(3)질화처리
1)유동상로에서의 질화처리 특징
질화는 Fe-N EUTECTOID온도인 590℃이하에서 행하여지며 변형을 최소한으로 줄이면서 내구성과 피로저항을 증가시키는 공정으로 얇은 경화층을 갖는다.
표면은 Fe-N의 혼합물로 되어있고 표면 아래에는 ENRICH된 NITROGEN 확산층으로 되어 있으며 이는 철속에 함유된 합금의 고용도에 의존한다.
Fe-N상태도에서 NITROGEN은 5.7%∼6.1%의γ상과α-Fe의 혼합물로 구성괸다. 표준 질화온도에서 처리물이 없는 유동상로의 암모니아 분해율은 45∼55%의 범위이며 20∼30%정도의 분해율을 갖고 있는 일반 가스분위기로보다 약 2배정도 높은 암모니아 분해율을 갖고 있다.
이러한 높은 분해율은 유동매체인 산화 알루미나의 촉매작용에 의한 것이며 이것으로 인하여 질화처리 시간도 1/2∼1/3정도 단축된다.
질화분위기는 질소가스로 희석하는 정도에 따라 NITROGEN POTENTIAL을 조절하기가 용이하며 표면을 취약하게 하는 Fe₂N화합물층도 적절한 가스의 조작으로 형성을 억제할 수 있으므로 후가공 공정시간고 인력을 절약할 수도 있다. 유동상로에서의 통상적인 질화는 510℃와 565℃사이에서 행해지며 그림 26은 처리물이 없는 유동상로에서의 암모니아 분해율과 온도와의 관계를 보여주고 있다.

그림 25




실제 GAS PROBE를 사용하여 유동상로내에 각 위치별 분해 POTENTIAL을 측정하면 일정한 분포를 나타낸다. NITROGEN의 농도와 Fe와 NITROGENMN사이에서 형성되는 각 PHASE들은 다음의 평형반응에 의해 결정된다. 여기서 K는 주어진 온도에서의 평형상수이며 p는 NH₃와 H₂의 분압이다.
한편 스텐레스강을 처리할 때도 표면의 부동태 피막을 제거하기 위해 6%질산+1%염산의 혼합용액에 1시간 정도 엣칭한 다음 즉시 유동상로에 넣어서 처리할 수 있으므로 염욕이나 일반가스분위기질화에 비해서 불편이 없는 좋은 장점을 갖는다.
2)유동상로에 의한 경질화 적용예
현재 유동상로를 설치하고 가동중인 회사에서 경질화처리를 한 예와 결과에 대하여 알아보겠다.
직경 28in. 유동상로를 가지고 SACM₁, SPINDLE을 520℃에서 25시간동안 질소와 암모니아 가스를 사용하여 경질화 처리를 한 결과, 그림 27의 경도분포와 사진 1, 사진 2위 현미경 조직을 관찰할 수 있었다.
SACM₁조질 및 불림재를 경질화 처리한 결과 유효경화 깊이 Hv400을 기준으로 하여 질화층깊이 0.35∼0.40mm를 형성하였다.
이것은 지금까지 사용해온 가스질화로를 가지고 70여시간 처리하던 것에 비하여 엄청난 시간을 절약하게 되어 제품의 원가절감을 실현하게 되었다. 후가공에서도 다른 가스질화보다 적게 형성되는 화합물층으로 인해 이를 제거하는데 많은 시간과 자금을 절약할 수 있기 때문에 제품의 전체적인 공정동 재검토에 들어간 사례도 있다.
사진1, 사진2는 SACM₁조질 및 불림재 각각의 현미경조직 사진이며 표면의 백색층은 화합층으로서 8μ이 형성되었다.
사진 1은 내부에 SORBITE조직이 나타나며 표면에서 내부쪽으로 철질화물이 관찰된다. 사진 2의 경우에는 내부쪽에 FERRITE와 PEARLITE가 있으며 표면에 백색의 화합물층이 관찰된다.

그림 27

사진 1

사진 2
(4)질탄화처리와 흑색산화처리
1)유동상로에서 질탄화처리와 흑색산화처리시의 특징
유동상로에서의 질탄화처리는 앞서 기술한 질화처리에서와 마찬가지로 암모니아 분해율이 2배정도 높으므로 아래에서 볼 수 있는 가스조성에서와 같이 NITROGEN POTENTIAL을 조절하는데 질소로 희석시켜 사용하므로 암모니아 기타 첨가가스가 절감된다.
작업상의 특징으로는 작업온도 범위가 540∼590℃까지로 광범위하며 가스의 조작이 간편하고 표면이 깨끗하여 후처리 세척이나 폴리싱을 할 필요가 없다. 또한 유량계 조절만으로 가스의 혼합비율을 조절하여 화합물층을 얇게 또는 두껍게 조절할 수 있으며 그림 28과 같이 화합물층인 ε상과 γ상의 함량조정도 인위적으로 가능하다.
특히 최근에 내마모성과 내식성을 향상을 위하여 외국에서 널리 보급되고 있는 것으로서 질탄화처리 후에 산화피막처리를 하는 방법이 있는데 이 방법은 QPQ, OXYBLUE, DYNABLUE, STEAMBLUEING, NITROWEAR, NITROBLACK 등의 상업명칭을 가지며 다른 설비(염욕이나 가스분위기로)에서보다 유동상로에서 간단히 처리가 되며 그 효과 또한 탁월하다.

그림 28
2)가스의 조성
질탄화처리용 가스조성 예① 질소(30∼50%)+암모니아(40∼60%)+탄화수소(10∼20%)
② 질소(30∼50%)+암모니아(40∼60%)+CO₂(10∼20)
③ 질소(30∼50%)+암모니아(40 60%)+탄화수소(5∼10)+CO₂(5∼10%)흑색산화처리를 하기 위한 가스 조성 예①질소+수증기, ②질소+암모니아+공기

3)처리공정
공기를 통과시키면서 로의 온도가 질탄화처리 온도까지 승온된 다음 질소가스로 교체하고 2분후에 처리물을 넣어 뚜껑을 닫고 다시 로온도가 원상태대로 회복된 다음 질소가스를 줄이고 암모니아와 탄화수소가스를 투입하여 의도하는 질탄화처리가 완료되면 그 후 흑색산화처리를 하기 위한 가스로 교체해준다.
이 때 가스의 조성은 원하는 색깔에 따라 조정해 주며 약 30분 처리한 후에 질소가스 만으로 2분간 통과시킨 다음 뚜껑을 열고 처리물을 꺼내서 질소가스로 유동화되는 상온의 유동상 냉각 장치에 투입하여 냉각시킨다.

4)처리실례
SKD11로 만들어진 PUNCH는 흑색산화처리를 하기 전에는 50,000화의 PUNCHIG수명을 가졌으나 NITROWEAR처리를 해 줌으로써 표면경도 1000HK, PUNCHING회수도 350,000번으로 7배나 수명이 향상 되었으며 STAMP에도 이 처리를 행하면 처리전의 30,000회에서 물려 17배 정도나 향상된 500,000회로 그 사용횟수가 연장된다. 또한 고속도공구강으로 만들어진 BROACH의 처리전보다 수명이 100∼800%까지 향상되었으며 SKD11. SKD12. SKD61등으로 된 각종 DIE도 600%까지 수명이 증가된다.
그의 SKDD51로 된 DRILL등도 약 400%정도로 수명이 연장되며 이와 더불어 변형도 줄어들고 내마모성, 내부식성등도 매우 향상된다. 특히 소결금속을 처리하면 후처리 공정이 필요없고 내식성도 크게 향상된다.

(5)침류 질화 처리
1)유동상로에서 침류질화처리시의 특징
일반가스침류질화시 보다 반응이 신속하여 처리시간이 1/2∼1/3로 단축되며 용융염법과 비교할 때 슬러지의 생성이 없고 표변조도가 좋으며 표면에 다공층이 없이 치밀한 화합물을 형성한다.
또한 처리후 처리물의 세척이 필요없고 폐수처리도 필요없는 장점이 있으며 유황이온의 농도관리에 불편이 없는 등의 특징이 있다.
2)가스의 조성
유동상로 침류질화시 케리어 가스로는 N₂를 사용하고 반응가스로 NH₃ 및 CO₂혹은 H₂S 등을 사용하며 500∼580℃ 작업온도에서 처리한다. 반응가스의 조성은 일반 가스침류질화 방법에서와 같으므로 처리물 표면의 화합물 조성 및 성질은 같으나 처리 목적에 따라 기체유량계의 조정만으로 이들을 용이하게 변화시킬 수 있다.

(6)침붕처리 1)유동상 침붕원리
일반적인 경우에 POT속에 불활성 매체인 알루미나가 채워져 있고 필요한 열처리 목적에 따라 질소나 탄화수소 개스 등을 넣어 열처리를 하지만 유동상로에서의 침붕처리시에는 BORONIZING AGENT를 넣어서 열처리하게 된다.
실제로 사용하고 있는 BORONIZING AGENT는 활성화된 붕소탄화물(B₄C)에 기초를 둔 혼합분말로 아르곤개스나 질소개스를 사용해서 유동화시켜 처리해주는 방법이다. 유동상로내에서 유동화 개스에 의해 유동입자와 처리품이 연속적으로 접촉, 반응하여 부품 표면에 우수한 특성을 지닌 보론층을 형성시키는 것이다.
2)유동상 침붕처리의 잇점
①원리상 특성으로 볼 때 유동상로는 용융액이나 액체와 비슷한 것으로 처리물을 빼내는 작업이 언제라도 가능하다.
②격렬한 유동입자는 빠른 열전달로 승온속도를 빠르게 하며 이것으로 BED가 ±2℃의 균일한 온도분포를 유지한다.
③승온속도가 빠르기 때문에 임계 확산속도가 빨라지고 따라서 처리시간이 단축된다. 그림 29는 침붕처리를 할 수 있는 여러 가지 로의 승온속도를 비교해 놓은 것이다.
④침붕처리를 한 직후에 부품을 곧장 QUENCHING해서 TEMPERING 온도에 이르도록 해주면 침붕처리와 후속 열처리를 따로 가열할 필요가 없게 된다.
⑤침붕매체의 활성은 반영구적이기 때문에 붕화물층을 균일하게 재생시킬 수가 있다.
⑥OPERATING CYCLE TIME이 줄어들기 때문에 다른 방법의 BORONIZING 처리보다 노동력, 에너지, 시 간에 대하여 COST가 절감된다.(그림 30)

그림 29

그림 30

3)BORIDE LAYER의 STRUCTURE와 PROPERTY
①STRUCTURE
강에 보로나이징처리를 했을 경우 α철이나 γ에 대한 B의 고용도는 작으며 표 FeB나 Fe₂B의 형태로 금속간화합물이 생긴다. 보론층의 경도는 FeB HV1700∼2000, Fe₂B층인 경우 HV1400∼1600정도이다.
FeB 층인 경우는 이처럼 높은 경도로 인해 충격에 다소 약하지만 Fe₂B층일 때는 충격 등으로 거의 균열이 생기지 않는다. 또 FeB층과 Fe₂B층만이 아니라 이들 두층이 복합적으로 생성된 경우라면 FeB층과 Fe₂B층 사이의 경계부분에서 특히 균열이 발생하기 쉽다.
따라서 특히 높은 경도만을 요구하는 경우가 아니라면 일반적으로 Fe₂B단층만을 얻도록 해주는 것이 좋다. 보론층의 조직은 그림 31에서 볼 수 있듯이 마치 고드름 모양의 치상구조(이빨모양)로 되어 있다. 저탄소강의 경우에는 뾰족한 정도가 명확하지만 합금강에서는 다소 SMOOTH한 형태로 나타난다.
한편, Si나 C원소는 보론화합물층내에는 녹아 들어가지 않고 보론의 침투와 함께 내부로 이동, 화합물층 바로 아래에 농축된다.

그림 32
이것을 소위 재분포층이라고 하며 그림 31에는 이런 구조를 쉽게 이해할 수 있도록 각층들을 구분지어 개략화 하였다. 그림 32는 S45C 및 SUS 304에 보로나이징 처리를 한 후 단면조직의 모습을 관찰한 것이다.
②피로강도
보로나이징 처리된 부품은 부품 표면에 압축잔류응력이 생기고 이로 인해 부품의 피로강도가 향상된다. 또 중간부분 즉 화합물층 바로 아래 부분은 앞서 서술한 바와 같이 재분포층이라 하여 강도와 경도를 지닌 조직이 된다. 베어링 강인 SUJ2에 보로나이징 처리를 해주면 피로강도를 70%나 향상시킬 수 있다는 보고가 있다.
한편 보론층은 피로강도를 향상시켜 주어 효과적이긴 하지만 때로 층두께가 너무 두꺼워 취약할 경우에는 균열발생의 요인이 되기도 한다.
③내마모성
그림 33에서 보듯이 보로나이징 처리한 부품의 표면은 마찰속도가 작은 영역에서는 내마모성이 별로 좋지 않지만 마찰 속도가 큰 영역에서는 QUENCHING, TEMPERING 처리한 SKD11에 비해 보로나이징 처리한 것은 마모되는 정도가 1/5정도 밖에 안된다 내마모성 및 내열응착성이 나쁜 18-8 스텐레스 강, 티탄합금, 니켈합금 등에도 이 처리를 해주면 내마모성이 향상된다.

그림 33
④내식성
보론층은 염산 및 황산에는 매우 강해 내식성 면에서 특히 우수하지만 초산에서는 쉽게 부식하고 물에도 약한 편이다. 이와같이 보로나이징 피막은 산에는 강하지만 물이나 습한 분위기에는 내식성이 좋지 못하므로 보로나이징 처리를 할 경우에는 이런 특성을 고려해야 한다.

(7)TRD처리
1)유동상로에서 TRD처리시의 특징
TRD(Thermo-Reactive Depositon And Diffusion:열반응석출확산)처리는 모재내의 탄소나 질소 원자와 친화성이 있는 외부의 다른 원소를 열적 반응에 의해 탄화물 및 질화물을 형성토록 하여 이를 화합물층을 얻는 것으로 용융염 침적법중의 하나인 TD(TOTOTA DIFFUSION)처리법의 개선된 방법이다.
유동상로에서 TRD처리를 하면 처리물이 신속하게 승온되며 용융염법과 비교해서 염의 부착이 없으므로 세척공정이 필요없고 처리물을 고온으로부터 자유로이 넣다 뺐다 할 수 있으므로 연속처리가 가능하다.
또한 유동상태에 따라 온도가 매우 균일하게 되며 이로 인하여 균일하고 조직이 치밀한 화합물층을 형성해주는 특징이 있다.
2)가스의 조성과 처리공정
알루미나 및 CFE(탄화물형성원소), NFE(질화물 형성원소)를 함유하는 금속분말처리제에 반응촉진제(예를 들면 염화암모늄)를 첨가해서 아르곤 가스와 같은 유동가스로 피처리제를 유동화시켜서 처리물을 투입한 후 소정의 온도로 열처리 해준다.
이 처리는 CVD나 PVD 처리에 의해 얻어지는 표면층보다는 내마모성이나 내소부성(내열응착성)면에서 더 우수하다. 특히 복잡한 형상의 처리품은 처리후 세척작업이 필요없으므로 이 유동상로에서 행하는 것이 매우 효과적이다. 그림 34는 유동상로에서의 TRD처리장치의 실례를 보여준다.

그림 34
(8)유동상 냉각장치
1)유동상 냉각장치의 냉각특성
①유동화가스의 분자량이 적을수록 냉각효과가 빠르다.
②유동화가스량이 많을수록 즉 유동화가 활발할수록 냉각효과가 빠르다.
③알루미나 입자가 미세할수록 냉각효과가 빠르다.
(단 실험조건에 따라 반대일 경우도 있다.)

2)유동상 냉각장치와의 실용화기술
유동상 냉각장치의 실용화는 대개 두가지 방향으로 발전해가고 있다.
그 하나는 그림 35와 같이 냉각초기에는 He가스를 10∼20초 통과시키고 그 후는 질소가스를 통과시켜주는 방법이다.

그림 35



그림 36

그림 37

또 하나는 그림 36과 같이 액체 질소를 유동상로의 냉각 ZONE 둘레에 있는 파이프로 넣어 기화시켜서 냉각 ZONE을 차갑게 해주고 다시 이기화된 질소가스로 유동화를 시켜주는 방법이다. 이러한 장치는 (그림37)에서와 같이 QUENCHING, 오일보다 빠른 냉각효과를 보여준다.
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