열처리기술/ 열처리에서 적주식과 변성식 가스 침탄의 비교
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열처리에서 적주식과 변성식 가스 침탄의 비교
オリエンタルエンヂニアリング(株) 연구개발부
번역: 한국오리엔탈로(주) 대표이사 유승현
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  • 1. 개 요
    세계적으로 침탄처리는 고형침탄으로부터 시작하여 GAS 침탄으로 이행되어 왔다. 최근에는 진공침탄이 주목을 받고 있다. 자동차 산업을 시작으로 많은 침탄처리는 아직 GAS 침탄이 주류로 대부분의 처리가 GAS 침탄으로 이루어지고 있다.
    당사는 1952년 창립 이래 침탄을 하고 있으며 그 과정에 많은 침탄기술을 개발해왔다. FLAME CURTAIN 식 적주식 침탄을 시작으로 진공 PURGE식 적주 침탄로(BBH식)와 최근에는 분위기 제어식 진공 침탄로를 개발 완료 하였다. 이번에 적주식 GAS침탄을 바로 알기 위해 변성식 GAS 침탄과의 비교한 내용을 살펴보기로 한다.

    2. 적주식GAS와 변성식의 분위기 조성의 차이
    변성식GAS 침탄법은 천연GAS가 풍부한 미국에서 개발된 기술로서, 일본에는 원료로 프로판 혹은 부탄 등의 GAS를 공기와 일정 비율로 혼합하여 1000℃이상의 고온에 Ni 촉매를 통해 로내에 반송하여 분위기 GAS를 만든다.
    한편 적주식GAS 침탄법은 1965년경에 개발된 방법으로 로내에 직접C-H-0계 유기용제를 도입하여 열분해에 의해 침탄 분위기GAS를 만들어 침탄처리를 한다. 변성식과 적주식의 대표적인 반응식을 아래에 표시하였다.

    프로판 GAS에 의한 변성반응
    C3H8+3/202+5.64N2=3C0+4H2+5.64N2

    메탄올에 의한 분해반응
    CH30H=CO+2H2

    침탄에 기여하는 GAS는 CO GAS에 의한 것이라는 것은 주지한 사실로서 상기의 두 반응식을 비교할 경우, CO분압은 변성식이 24.0%인 반면 적주식은 33.3%로 된다는 것을 알 수가 있다. 적주식은 변성식보다 침탄에 대해 기여하는 CO GAS의 농도가 높다고 할 수가 있다.
    침탄 속도를 올리기 위해서는 탄소이행계수 β를 크게 하는 것이 유효하다고 말하고 있다.
    침탄 처리에 있어서 강재 중에 탄소가 침입 확산한 량을 J로 하면 양자 간에 아래의 식이 성립된다.
    J= β(Cg-Cs)

    여기서 Cg, Cs는 분위기 중의 탄소 농도 및 표면 탄소농도로서 처리가 일정하게 되는 경우, β를 크게 함에 따라 J도 크게 된다는 것 그림 1 탄소이행계수(β)와 분위기 GAS 농도을 알 수가 있다. 분위기 GAS 성분의 차이에 의해 β 의 관계에 관해 F. Neuman 이 그림 1에 표시되어 있습니다만 이것으로부터도 확실히 CO 농도가 높은 만큼 탄소 이행계수는 커지고 탄소 침입량이 증가하게 된다. 요컨대 종래의 변성 GAS 침탄에 비해 적주 GAS 침탄이 빠르게 됨을 알 수가 있다.

    3. 입계산화의 감소
    진공침탄과 같이 무산화 상태로 침탄을 할 경우에는 입계산화에 관해서는 고려해야할 것이 없지만 GAS 침탄의 경우는 그 분위기 중에 산화성 GAS가 존재하기 때문에 입계산화가 발생하게 된다.
    또, 그에 따른 불완전 소입 조직 때문에 표면경도가 저하되어 기계적 특성을 저하시키는 요인이 되고 분위기 중에는 CO, H2O, CO2, 02가 존재하고 있으며 그 산화성분이 강중의 Si, Mn, Cr원소와 반응하기 때문에 입계에 산화물을 형성한다.
    특히 산소와의 친화력이 강한 Si, Mn, Cr 등은 결정 입계에 침입한 산소와 반응하기 때문에 기지 중에서 결정입계를 향해 확산한다.
    결정 입계 중에는 Si, Mn, Cr농도는 증가하면서 기지 중에는 그러한 원소가 감소하게 된다. 결과로서 이러한 소입성을 향상시키는 원소의 감소 때문에 소입성이 저하하고 미세 페라이트가 발생한다.
    여기서 당사에서는 이러한 입계산화의 억제를 위해 처리 중에 산화성 GAS를 감소시키는 처치를 할 수 있는 정도의 입계 산화 및 그 에 따른 불완전 소입조직이 감소하는 조사를 하였다.
    처리조건으로서는 침탄 온도950℃ 소입온도 850℃로 하고 CP는 침탄 0.95%, 확산 0.8%로 하였다. 입계산화의 억제를 목적으로 처리 도중에 일정량의 N2를 흘려 산화 성분의 줄이도록 하고 처리품으로 SCH415(Ф16x20L)를 사용 표면의 입계 산화 및 불완전 소입상태를 확인하였다.
    그림 2에 변성식 GAS 침탄과 비교한 단면조직을 표시하고 가볍게 부식시킨 상태로의 조직을 보면 처리 중에 N2를 도입하여 처리한 것이 입계산화의 발생이 억제되었다는 것을 관찰할 수가 있다. 또, 입계산화에 에 따른 불완전소입 조직에 있어서도 같은 결과가 얻어졌다.
    이와 같이 처리 중에 있어서 분위기 중의 산화성분을 줄이는 것만으로도 종래의 조직을 개선하는 것이 가능하다는 것을 알 수가 있다.



    4. LOT 내의 침탄 산포
    적주식은 앞서 기술한 바와 같이 변성식에 비해 분위기 중에 있어서 CO 농도가 높다는 특징이 있으나 이것은 단순히 탄소이행계수가 높아 침탄이 빠르다는 것뿐만 아니라 LOT 내 산포 또한 줄어든 다는 것을 알 수가 있습니다. 여기서 처리 시 로내의 산포를 알아보기 위해 9점에 시료를 SETTING하여 침탄 후의 표면탄소량을 발광분광분석에 의해 측정했다.
    또한 동시에 표면에서의 경화층 깊이를 측정하여 침탄 깊이에 있어서도 산포를 확인하였다. 또한 변성식 GAS 침탄 거의 동등한 탄소농도로 하여 나란히 비교를 하여 그 결과를 표1에 표시하였다.
    이 결과로 적주식에서 침탄 처리한 것은 장소에 따라 표면의 탄소농도 산포가 0.06%의 양호한 결과를 얻을 수가 있었습니다. 깊이 방향의 산포는 Hv550의 위치에서 유효 경화층 깊이를 비교하면 폭이 0.06mm 내로 들어갔습니다. 한편 변성식 GAS 침탄에서의 표면의 탄소농도 산포는 0.10%, Hv550에서의 유효 경화층의 산포는 0.13mm로서 적주식에 비해 산포의 폭이 크다는 결과가 나타났다.
    이것은 전술한 것과 같이 침탄 분위기 중의 CO농도의 차이가 영향을 미치고, 보다 CO농도가 높은 적주식이 산포가 적어지는 결과가 되었다고 생각한다.

    5. 적주식과 변성식에 따른 침탄 깊이 비교
    금회 타사의 변성식 침탄로에서 적주식으로 처리를 할 기회가 있어 동일형 변성식 GAS 침탄로에서 적주식과 변성식의 침탄시간의 차이점을 조사하였다.
    변성식 처리에서는 사양서와 같이 변성 GAS를 14m3/Hr를 CARRIER GAS로 투입하고, ENRICH GAS로는 C3H8 GAS를 사용하였다. 한편 적주식 처리에서는 같은 로에 적주제 2500cc/Hr를 CARRIER GAS로 투입하고 변성식과 같이 C3H8 GAS를 ENRICH GAS로 사용하였습니다. 침탄 조건으로는 두 방법 모두 같은 조건으로 하였다.
    그림 3에 그 결과로 경도 분포를 표시하였다. 이 결과에서 변성식 GAS 침탄로에 CARRIER GAS를 변화시켜 처리한 경우에도 변성 GAS보다도 적주제의 분해 GAS에 의한 침탄의 경우가 보다 깊은 것을 알수가 있다. 하지만 처음부터 적주식으로 제작되어진 침탄로에 비하면 같은 적주제를 사용한 침탄이지만 변성식 침탄로 쪽이 그 깊이가 얕은 것을 알 수가 있다.
    이것은 적주식이 변성식에 비해 GAS량이 적기 때문에 로의 기밀성이 양호하게 제작되어 외란 인자의 영향이 작은 구조로 되어 있기 때문이다.

    6. 침탄 시간의 단축화
    RUNNING COST 줄이기 위해 1회 처리 시간을 어떻게 하든 줄이려고 하지만 좀처럼 간단하지가 않다. 온도를 올리는 것 보다 시간을 줄이는 것은 가능하지만 조직의 조대화에 관련되어 기계적 특성을 잃게 된다. 현재는 고온 처리용의 강재도 각 강재 MAKER에서 출시하고 있지만 아직은 시장에서 보편화되어 있지는 않다.
    종래의 온도로 침탄시간을 줄이기 위해서는 되도록 침탄 시에 분위기 탄소농도를 올리는 것이 좋다는 것은 이론 상 알고 있지만, 과잉의 탄소농도를 올리면 잔류AUSTENITE가 나오거나 혹은 표면에 탄화물을 생성시키는 위험성이 있다.
    또한 로내에 그으름이 발생하여 내구축물을 손상시키는 경우가 있습니다. 금회, 침탄시간을 단축하기위해 침탄 시의 탄소농도를 포화탄소농도 부근까지 올려서 하고 그후 확산을 하는 조건으로 처리를 한다
    표 2에 침탄시간과 경화층 깊이의 결과를 나타냅니다. 또 그 때의 단면조직을 사진1에 표시하였다. 이것보다 로내 분위기를 확실하게 관리하는 것에 따라 분위기 탄소농도의 높은 처리가 가능하다. 또 침탄시간을 단축할 수가 있게 됩니다. 탄소농도를 올려 처리하는 것에 따라 침탄로에 그으름이 보이지 않게 된다.

    7. RUNNING COST 비교
    지금까지 설명한 바와 같이 변성식과 비교한 적주식은 침탄시간을 단축할 수 있다는 결과를 얻었다. 실제로 부대설비 등을 생각했을 때 어느 정도 COST DOWN을 할 수가 있는지 산출을 하였다. 처리조건에서는 변성식, 적주식 모두 전경화층 깊이 1.Omm가 되도록 처리조건을 정했다. 적주식 및 변성식의 침탄시간은 122분, 153분이 되었습니다. 그림4에 각각의 경비를 비교 표시하였다. 이와 같이 적주식의 경우 변성식에 비해 짧은 시간으로 침탄을 할 수 있어 경비를 줄일 수가 있다. 또 변성로 같은 부대설비를 필요로 하지 않으므로 유지관리 비용도 절감을 할 수가 있다.



    8. 맺는말
    금회 변성식과 적주식을 비교해 보았습니다만 적주식GAS 침탄은 CO농도가 높다는 장점이 침탄 시간의 고속화, 침탄 균일성이 뛰어나다는 이점이 있다.
    금후, 경비 절감 혹은 환경문제 등에서 되도록 짧은 시간에 다양한 제품을 처리하고 싶은 요구가 높아질 것으로 생각한다. 그 때 품질을 유지한 상태로 처리량을 올리기 위해서는 적주식의 로가 적합하다고 말할 수가 있다. 당사로서는 오랫동안 적주식으로 다져진 실적을 바탕으로 첨단 설비의 개발을 진행하고 있으며 고객의 요구에 부응하는 새로운 설비를 제공할 것이다.

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