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진공열처리 개요
진공열처리기술이란 진공의 여러 가지 장점들을 금속 또는 비금속의 제조 및 가공처리 공법에서 실제로 이용할 목적으로, 진공로 내에서 각종 열처리를 행하는 것이다. 진공기술이 계속적으로 발전되어 옴에 따라 한편으로 그 응용기술 또한 끊임없이 연구 개발되어 왔다. 재래의 열처리작업을 진공 중에서 행하는 진공경화, 진공뜨임, 진공풀림, 진공소결 및 진공브레이징 이외에도 재료의 내부의 성질은 변하지 않고 표면의 조직과 성질만을 개선시키기 위해 진공로를 이용하는 이온질화, 진공코팅 및 이온주입등의 최신의 기술등이 개발되어 왔다.
본 장에서는 각종 진공열처리의 종류, 작업과정, 열처리 조건 및 특징등과 새로운 처리기술로서 그 응용이 장차 크게 기대되는 진공금속분야에 대해 소개한다.
진공경화 (Vacuum Hardening)
대기 중에 노출되는 노를 사용하여 경화처리할 수 있는 어떠한 금속재료도 진공로를 이용하여 요구되는 진공중에서 재료를 가열 및 냉각시켜 재질을 경화시킬 수가 있다. 이렇게 진공중에서 경화처리를 행하는 근본적인 이유는 다음과 같은 장점이 있기 때문이다.
첫째, 열처리과정 중 가열된 피처리물을 이동시키지 않으므로 재료의 뒤틀림이 없다.
둘째, 피처리물을 균일하게 가열함으로 열처리효과가 좋다.
셋째, 침탄 및 탈탄과 같은 표면반응이 전혀 일어나지 않는다.
넷째, 공구강이나 다이강의 열처리에 적합하게 아주 깨끗한 표면을 작업 후에도 유지할 수가 있다.
다섯째, 염욕로처리시 피처리물의 오목진 부분이나 틈사이에 염이 남아 발생하는 재료부식이 전혀
고려되지 않는다.
여섯째, 정해진 경화처리 조건에서는 동일한 반복생산이 가능하다.
진공경화 열처리과정을 보면, 먼저 적당한 청결장치를 이용하여 열처리하고자 하는 제품표면의 먼지나 오일들의 불순물을 제거한 수 깨끗한 상태로 노에 장입한다. 그리고 요구되는 정도의 압력이하로 펌프장치를 이용하여 배기시킨 후, 경화처리온도보다 100~200℃정도 낮은 온도까지 가열한 후 10~30 분 정도 유지하여 예열을 시킨다. 그리고 나서, 피처리물 재료에 따라 결정되는 적당한 경화처리온도까지 가열하여 일정시간을 유지시킨다. 열처리도중에도 계속 진공펌프를 이용하여 낮은 압력을 유지하도록 주의한다. 냉각을 시키고자 할 때는 펌프작동을 중지시킨 후 냉각제용 가스 ( 통상 질소 또는 아르곤가스 )를 노에 불어넣는다. 물론 피처리물의 온도가 요구하는 수준까지 낮아질 때까지 팬을 작동시켜 가스를 강제 순환시켜 냉각효과를 높이기도 한다.
냉각시에는 요구하는 조직과 경도가 얻어지도록 냉각속도를 조절하며 행한다. 냉각속도는 피처리물을 통한 가스의 순환률, 팬 및 열 교환기의 효율, 사용하는 가스의 질량과 부피에 따라 결정된다. 사용하는 가스의 밀도, 비열, 열전도도 등도 냉각률을 결정하는 중요한 결정인자가 된다. 작업시 위험성이 적고, 피처리물의 조직을 해치지 않는 순도높은 질소가스나 아르곤가스가 냉각제로 주로 사용된다. 헬리움가스도 높은 열전도성 때문에 자주 사용되나 경제성이 다소 떨어진다. 냉각속도를 증가시킬 목적으로 특수오일을 사용하여 액체 냉각을 시키기도 한다.
진공경화처리시 냉각을 시키는 방법으로는 가스냉각식과 액체냉각식이 있다.
(1) 가스냉각
외열식 저항가열 진공로를 이용한 진공열처리의 경우 냉각속도를 빠르게 할 수 없는 단점 때문에 진공경화처리에는 사용이 제한되어 왔다. 그러나 레토르트를 개발함으로서 고온도로 가열된 노로부터 레토르트를 분리시켜 수냉장치가 부착된 장소로 이동시킴으로서 다소 냉각속도를 증가시킬 수가 있었다. 이러한 예는 그림 4.7에서 보이는 바처럼 수평장입식 외열저항가열 노에서 가능하다.
내열식 저항가열 진공로가 개발되면서 냉각문제는 여러 겹의 얇은 금속방사판이나 내열섬유, 특수내화벽돌, 흑연섬유 팰트같은 단열재를 이용하여 어느 정도 개선시킬 수가 있었다. 그러나 단열매개체의 낮은 열 용량 때문에 아직도 제거되어야 할 대부분의 열이 피처리물에 잔류되어 있다.
진공경화 처리 후 피처리물을 냉각할 때는 진공상태에서는 대류를 이용한 열 전달이 불가능하기 때문에 그 속도가 늦다. 이를 개선할 목적으로 불활성가스 ( 주로 질소가스, 특수한 경우 아르곤가스를 이용함 )를 진공실내로 불어넣어, 채워진 가스를 매개체로 하여 피처리물로부터, 수냉장치가 정착된 셀로 열을 전도시키도록 도와줌으로서 냉각속도를 어느 정도 증가시킬 수가 있다. 이때 스테인리스강이나 다른 내열합금으로 만든 팬을 회전시켜, 불어넣은 불활성가스에 의한 대류작용을 증가 시켜 피처리물로부터 단열매개체로 열전달이 빨리 되도록 한다. 내화재료의 차단장치를 피처리물의 위 아래로 이동시킴으로서 냉각된 가스분위기가 피처리물 쪽으로 이동되도록 하는 것을 도와주기도 한다.
순환되는 물로 냉각되는 구리코일을 열 전달 효과를 증가시키기 위해 노셀에 부착시키기보다는 단열매개체와 노셀 사이에 설치한다. 노 내부에 장착된 팬을 이용하여 가스냉각을 빠르게 하기 위해 채운 가스를 강제순환 시키기는 하나, 피처리물을 균일하게 냉각시키기에는 다소 어려움이 있다. 열제거률을 증가시키기 위해서는 가스의 질량유동률을 증가시켜야 한다. 가스의 질량유동률은 이용하는 가스의 질량과 가스의 유동속도의 곱이다. 이 값을 증가시키기 위해 단위체적당 가스분자의 수를 크게 하기 위해 피처리물에 통과하는 가스의 순환속도를 증가시키는 가스의 압력을 증가시킨다.
불활성가스로 냉각시키는 데 사용되는 노의 내부압력은 개폐문을 정압력으로 밖에서 밀고 있지 않는 노의 경우는 100~650torr 정도로 대기압보다 낮게 하나, 가스의 냉각속도를 더 증가시키기 위해서는 노내의 압력을 대기압의 5배까지 증가시킨다. 이를 위해서 개폐문을 클립으로 잠글 수 있게 설계 제작한다.
그림 5.1은 진공경화로의 냉각속도와 노내에 채워진 가스의 압력과의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보이는 바 처럼, 노의 냉가속도는 노내에 채워진 가스의 절대압력에 비례한다. 이 그림에서는 나타나지 않았으나 가스압력을 대기압 바로 밑인 10Psi ( 대기압은 14.7Psi )에서 대기압 바로 위까지 증가시킴에 따라 냉각시간을 30 % 정도 단축시킬 수가 있는 것으로 알려져 있다. 그림에서 보이는 바 처럼, 만일 어느 가스압력에 도달하는 데 걸리는 시간과 가스를 특정 순환속도까지 순환시 걸리는 시간을 최초로 한다면, 가스압력을 1기압에서 2기압으로 주입가스의 압력을 증가시킴에 따라 피처리물을 경화처리온도에서 550℃까지 냉각시키는 데 걸리는 시간을 약 50 % 즉 60초전도 단축시킬 수가 있다. 그러므로 팬모우터를 기술적으로 발전시킴으로서 노내의 가스압력을 증가시키고 있는 데, 터어빈 순환장치를 부착한 경우는 대기압보다 수배까지의 압력을 높여서 냉각을 행하고 있다.
그림 5.1 노의 가스압력과 냉각속도와의 관계
(2) 액체 냉각
냉각속도를 빠르게 하기 위하여 액체를 이용하여 피처리물을 냉각시킬 수도 있다. 액체냉각을 하기 위해서는 가열실과는 분리된 별도의 냉각실이 노 제작시 설계되어야 한다.
수평장입식 노를 이용한 열처리의 경우 일반적으로 액체냉각을 실시하는 경우가 많다. 이는 노 후면에 가열실을 전면에 냉각용 격실을 두며, 그 사이에 차단장치를 설치함으로서 두 실간을 격리시키어 분리된 상태에서 작업을 행 할 수가 있기 때문이다.
그림 4.10에서 보인 경화처리로는 가스냉각도 가능하나 주로 오일을 이용하여 피처리물을 경화처리온도까지 가열하여 고용체화 ( 강인 경우는 오스테나이트화 ) 처리한다. 가열과정이 끝나면 노상에 놓인 피처리물을 전면에 위치한 냉각실로 이동시키고, 권양장치를 이용하여 냉각유체가 들어있는 탱크보다 낮게 위치한 격실로 옮긴 후 차단문을 닫는다. 냉각유를 프로펠러를 이용하여 충분히 휘저은 다음 냉각용 격실로 주입시켜 피처리물을 냉각시킨다. 냉각제에 흡수한 열은 열교환기를 통하여 외부로 제거시킨다.
냉각실내에도 대류에 의한 유체의 이동을 증가시키기 위해 강제 순환용 팬과 이를 전도에 의해 냉각시킬 수 있게 냉각코일을 장치한다. 진공경화처리과정 중 액체냉각을 행하기 위해 특수오일이 이용되고 있는 데, 이런 종류의 오일은 200℃정도까지 가열이 가능하여, 오스템퍼링 ( astempering) 처리를 하는 데 이용되기도 한다.
노를 재사용하기 전에 피처리물을 운반하는 장치나 설비기구를 깨끗이 청소하는 것이 중요하다. 운반통이나 피처리물에 남아있는 유기질 잔류물은 계속적으로 가스를 방출시켜, 다음 작업시 요구되는 진공도를 얻기가 힘들게 하기 때문이다.
그림 5.2 는 진공경화처리한 길이가 약 38cm,무게가 350kg인 HII공구강 ( 0.35%, 5.0%Cr, 1.5%Mo 강 ) 의 가열 및 냉각곡선을 나타낸 것이다. 그림에서 보이는 바처럼, 진공로에서 다이강을 경화 처리 온도인 1010℃로 가열 후 1.5시간 유지시켜 용체화 처리 후 가스로 냉각을 행하였다. 실제로 어느 재료의 진공경화처리도 가열 및 냉각 싸이클을 결정하고 진공도를 결정한 후 유사한 방법으로 행할 수가 있는 것이다.
표 5.1은 각종 공구강의 진공경화처리 조건인 예열 처리온도, 경화처리온도, 요구진공범위 및 냉각방법을 예시한 것이다. 열처리 단계는 그림 5.2의 작업 싸이클에서 보인 바와 같이, 요구되는 진공도로 배기한 후 예열 처리온도까지 가열하여 15 ~30분을 유지한다. 그런 다음 경화처리온도까지 가열하여 1~2시간 유지하여 고용경화 처리를 행한다. 이때 공구강의 조직은 오스테나이트의 단일상이 된다. 그리고 가스 또는 오일로 100~200℃까지 20~30분만에 냉각시켜 경화 처리한다.
그림 5.2 진공로에서 가스냉각한 HII 공구강의 가열 및 냉각 곡선
표 5.1 각종 공구강의 진공열처리 조건
기타의 특수 금속인 Nimoic 합금, Hastelloys, Udimet 합금, Waspaloy 및 Rene 합금의 용체화 처리도 진공로에서 행하며, 스테인리스강의 용체화 혹은 석출경화처리도 행한다.
출처 : 신명열처리 |
: MS Excel 2007
: MS Powerpoint 2007 
: MS Word 2007 
: 한글뷰어 2007
: Adobe Acrobat Reader 
: DWG Viewer 
: Autodesk Inventor View 
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