진공 열처리의 개념

-진공 열처리의 개념

진공열처리란 특정한 금속을 처리과정에 알맞는 분압으로 배기시킨 밀폐공간에서 행하는 열처리를 말한다.

진공로는 처음에 항공기 부품용 단열재의 처리를 위해 개발되었던 것으로 현재는 진공브레이징, 소결 및 각종 열처리에 이용되고 있다. 진공로의 크기는 몇 kg에서 수백톤에 이르는 부품까지 처리할 수 있을 만큼 다양하다.

진공로는 대부분 배치타입이지만 연속 타입진공로도 현재 많이 사용되고 있다. 이론 적 진공이란 입자, 가스 등 어떤 물질도 없는 빈공간을 말하지만 실제로는 완벽한 진공은 존재할 수 없다.

따라서 진공 시스템은 대기의 표준 압력과 비교한 상대적 압력 개념이다.

진공열처리에서는 공기를 배기시킨 후에는 분위기 열처리에서와 같은 가스반응의 가능성은 없어진다. 또한 다른 방법으로 제거하기 어려운 가스나 오염물질, 윤활유 등도 진공 상태에서는 추출 제거된다. 금속 표면에서 진공 상태로 빨려나간 가스는 진공 펌프에 의해 로외로 추출된다. 이런 특징으로 복잡한 형상을 가진 부품, 즉 막힌구멍, 미세구멍, 오목부분, 복잡한 형상의 부품 열처리에 유리하다.

 

진공열처리의 장단점에 대해서 알아보자.

1.장점

1)산화, 탈탄의 표면반응을 억제하여 깨끗한 표면상태 유지 - Cr, Mo등 산화하기 쉬운 합금원소 포함시에 유리하다.

2)산화피막, 윤활유, 오염물질 등을 증발 제거시켜 준다.

3)표면에 침탄 등 별도의 처리도 가능하다.

4)표면이 깨끗하고 열처리변형이 감소되어 후 가공을 줄일 수 있다.

5)브레이징이나 확산결합으로 금속간 접합 가능하다.

6)로 조절이 간단하며 가열온도, 시간셋팅시 자동화 처리가 용이하다.

7)작업장 청결-작업환경이 좋고, 무공해 처리로 환경문제가 없다.

8)작업의 안정성 확보가 용이하다.(폭발위험 없다)

 

2.단점

1)진공에 의한 금속의 증발로 합금원소가 증발하여 기계적성질을 저하시킬수 없다.

2)화합물의 분해가 일어날 수 있다.

3)복사에의한 가열로 엵늘 부분은 균일한 가열이 안 될 수 있다.

4)운영비가 많이들고 조업준비 시간과 노력이 많이 소요된다.

5)장입과 취출이 동일 출구로 되어있어 생산성이 저하된다.

6)작업자의 기술, 지식 수준이 높아야 한다.

7)부대설비가 많고 고장의 소지가 많다.

 

-진공 침탄 열처리 과정

1.진공침탄의 원리는 다음과 같다.

진공침탄은 진공 중에서 행하는 고온 침탄 공정으로 침탄 온도는 보통 980~1050도 정도 이며, 어떤 경우에는 1095도까지의 고온에서 처리하는 경우도 있다. 

침탄처리 사이클은 다음과 같다. 진공상태에서 처리품을 설정된 침탄온도까지 가열ㄹ한 후에 진공상태에서 메틴이나 프로판 등의 탄화수소가스를 50~400torr 정도까지 투입시켜 분해과정에서 생긴 탄소로 침탄을 하고 확산처리를 실시한 후 오일 퀜칭이나 가스 퀜칭 방법으로 냉각을 실시한다.

진공침탄은 가스침탄과는 원리가 다르다. 가스침탄은 CO, CO2, O2, H2O 등의 평형상태에서 조업이 이루어 진다. 

다시말해서 위의 4 원소 중 하나만 측정하여도 분위기를 파악할 수 있다. 그러나 진공침탄은 가스가 분해되는 과정에서 생기는 탄소(피평형상태)에 의해 침탄이 진행되므로 분위기를 조절하기 어렵다.

반응에는 많은 에너지가 필요하며, 강 표면에서 침탄가스의 빠른 열분해로 인해 탄소가 빠른 속도로 고용된다. 진공침탄은 일반적으로 300torr의 저진공 상태에서 행하며, 확산은 침탄보다 더 낮은 압력 약 100torr 정도에서 행한다.

이렇게 낮은 압력에서 확산을 행하면 표면 탄소량은 낮아지고, 침탄깊이는 깊어진다.

마지막 단계에서 침탄을 5분 정도 처리하면서 표면 탄소량을 확보한다.

 

2.진공 침탄로의 구조와 형상

연속 진공침탄로의 경우 배기실 및 가열실, 침탄실, 오일 또는 가스 퀜칭실로 구분된다.

작업순서는 처리물을 배기실/가열실로 장입 후, 예열/본열/유지공정을 행하고 처리물을 다시 침탄실로 이송 유지/침탄/확산을 실시한다.

마지막으로 처리물을 오일/가스 퀜칭실로 이동하여 퀜칭을 실시한다.

 

-진공 침탄로의 작업 공정

진공침탄은 보통 가열, 침탄, 확산, 냉각의 4단계를 거친다.

 

첫째 단계로 처리물을 843~1038도정도로 가열하여 처리물의 온도가 균일해 질때까지 유지시키는데 이 때 927도 이상의 온도에서 필요 이상으로 유지시간을 길게하면, 처리물의 결정입자가 조대화되고 인성이 줄어들 염려가 있으므로 주의해야 한다.또한 이 단계에서 처리물 표면의 산화물이 제거되고, 로내 수분과 부착된 유지 불ㄹ순물이 증발 휘산 되기 때문에 깨끗한 표면을 얻을 수 있어 별도의 세척공정이 필요치 않다.

 

둘째 단계는 침탄공정으로 처리품을 오스테나이트온도까지 가열하여 탄소가 최대한 고용될 수 있도록 포화시킨 다음 표면 탄소량에 따라 메탄, 프로판등 탄화수소 혼합가스를 첨가하여 침탄가스의 분압을 높게 만든다. 낮은 분압이 필요할 시는 질소 등 불활성가스를 첨가하여 낮은 분압을 만든다.

이때 최적의 포화상태는 침탄시간에 의해 조절된다.

사용된 탄화수소가스의 분압은 침탄될 처리품의 표면탄소량에 따라 달라지는데 보통 25~200torr 사이에서 조절된다. 이보다 높을 경우에는 과포화된 탄소(시멘타이트)가 석출하며, 로 내에 더 많은 그을음이 발생, 축적됨으로 운전비가 상승하게 된다.

 

셋째는 확산단계이다.

처리물을 확산처리 않고 침탄처리만으로 경화를 실시한다면, 탄소농도 기울기가 급하게 되어 원하는 침탄깊이를 얻을 수 없으며, 표면에 원하지 않는 조직이 생긴다.

확산 단계는 표면탄소량을 줄이고 탄소를 확산시켜 표면과심부의 탄소농도기울기를 완만한 상태로 만들어 준다. 확산처리는 침탄과 동일한 온도에서 0.5~1torr의 진공상태에서 행한다.

침탄공정과  확산공정을 반복함으로서 탄소농도기울기를 조절, 원하는 침탄층을 얻는다.

 

마지막 단계는 퀜칭공정이다.

만일 재가열 공정과 기계적 작업이 필요치 않다면, 처리물을 오일퀜칭처리한다. 또한 진공침탄은 가스침탄보다 고온에서 처리하므로 오일 퀜칭전에 저온으로 냉각하여 균열, 안정화처리를 실시한다.

반대로 결정립 미세화를 목적으로 재가열 작업을 실시할 경우에는 질소가스를 사용하여 확산온도로부터 실온이나 중간온도까지 가스퀜칭을 실시한다.

재가 열처리는 침탄했던 로에서 실시하며 일반적으로 788~843도 정도의 오스테나이트온도 범위에서 퀜칭을 실시한다.