유도 가열: 알고 싶었지만 묻기 어려웠던 모든 것 (2017년 12월)
이달의 질문:자동 템퍼링과 자가 템퍼링의 차이점은 무엇인가요?
답변: 때때로‘자동 템퍼링(auto-tempering)’과‘자가 템퍼링(self-tempering)’이라는 용어가 잘못 혼용되곤 합니다. 여기서는 이 두 용어가 실제로 의미하는 바의 차이점을 살펴보겠습니다(본 기사의 내용은 V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook 공저, CRC Press, 2017년발간된『Handbook of Induction Heating』제2판에서발췌 및 수정되었습니다. CRC Press는 이 자료의 게재를 허가했습니다).
자동 템퍼링.마르텐사이트 변태는Ms(마르텐사이트 시작 온도)와Mf(마르텐사이트 종료 온도) 사이의 온도 범위에서 발생합니다. 이 범위는 강재의 화학 성분에 따라 달라지며, 실무적인 관점에서 볼 때 담금질 강도를 조절한다고 해서 변경할 수 없습니다. 일반 탄소강의 경우,Ms및Mf온도 범위는 탄소 함량과 직접적인 관련이 있습니다. 탄소 함량이 0.2%~0.5%인 일반 탄소강의 경우,Ms온도는 약300°C/572°F에서450°C/842°F범위 내에 있습니다. 따라서 갓 형성된 마르텐사이트는 즉시 템퍼링 온도에 노출되어 잠재적으로 연화될 수 있습니다. 이 현상을 일반적으로 자가 템퍼링이라고 합니다. 자가템퍼링의 정도는 담금질 강도의 감소,MS온도의 상승, 가열된 재료의 질량(예: 전체 가열 대 표면 가열), 그리고 담금질 과정의 중단 여부에 따라 더욱 두드러지게 나타납니다[1]. 합금강은 일반적으로 일반 탄소강에 비해 자가템퍼링 현상이 덜 나타납니다.
자가 담금질.자가 담금질(슬랙 담금질이라고도 함)의 원리는 그림 1 [1]에 제시된 예를 통해 설명할 수 있다. 이 그림은 16 kHz의 주파수를 사용하여 정규화 상태의 중탄소강 실심 축(직경 50 mm/2인치)에 대한 유도 표면 경화 공정의 수치 시뮬레이션 결과를 보여준다. 요구되는 공칭 경화 깊이는 2.5 mm이다.
유도 가열의 초기 단계에서는 표면과 표면 근방 부위가 집중적으로 가열됩니다. 3.5초간의 가열 후, 급속 가열로 인한 비평형 상변태를 고려할 때, 경화 대상인 표면과 2.5mm 두께의 표면 하부 층은 오스테나이트화하기에 적합한 온도에 도달합니다. 담금질 초기 단계에서 발생하는 열충격을 줄이기 위해 짧은 유지 시간(0.5초)을 적용합니다.
가열 및 유지 사이클 동안 샤프트 중심(코어)의 온도는 크게 상승하지 않습니다(100oC미만). 그 원인은 뚜렷한 스킨 효과, 높은 전력 밀도, 짧은 가열 시간 등 여러 가지가 있으며, 이러한 요인들로 인해 표면에서 코어 쪽으로 많은 양의 열이 전달되지 못하기 때문입니다.
초기 담금질 단계에서 표면층의 고온이 급격히 떨어지기 시작합니다. 2초간의 분사 담금질 후, 표면 온도는 약210oC/410°F로 급격히 낮아집니다. 약400°C/752°F에달하는 최고 온도는 표면 아래 약 10~12 mm 지점에서 관측됩니다. 참고: 담금질 시작 후 처음 6초 동안 샤프트 중심부의 온도는 계속 상승합니다.
6초간의 담금질 후, 표면 온도는100oC/212°F이하로 떨어졌으나, 샤프트 내부에는 상당한 양의 열이 남아 있습니다(심부 온도는 300°C/572°F를 초과하며, 평균 온도는 약225oC/437°F입니다). 이 시점에서 담금질 용액의 공급이 중단되면, 공작물 내부에 축적된 열로 인해 부품의 표면이 다시 가열되기 시작합니다.
5초간 담금질(가열 및 급냉은 적용하지 않음) 후, 표면 온도는 약215°C/419°F까지상승하고 심부 온도는 약 260°C/500°F가 됩니다. 따라서 공정 조건을 적절히 선정하면, 이 잔류 열을 이용하여 공작물을 템퍼링할 수 있습니다.
자동차 용도로 일반 탄소강 및 저합금강을 사용하는 많은 경우, 자체 템퍼링 온도(적용되는 경우)는 일반적으로 250°C(480°F)를 넘지 않으며, 대개 180°C(360°F)에서 220°C(430°F) 사이입니다.
자가 템퍼링은 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공합니다 [1]:
- 경화 공정에 자가 템퍼링이 통합됨에 따라 추가 공정이 생략됩니다. 따라서 설비 투자 비용과 전체 사이클 시간이 단축되어, 비용 절감 측면에서 매우 매력적인 방법입니다.
- 경화 단계와 템퍼링 단계 사이의 시간 간격이 사실상 사라집니다. 시간 간격이 너무 길면 지연 균열이 발생할 가능성이 있어 해로울 수 있습니다.
- 자가 템퍼링은 경화 후 남아 있는 잔류 열을 활용하기 때문에, 템퍼링을 위해 별도의 에너지를 공급할 필요가 없어 에너지 효율이 매우 높습니다. 전체적으로 필요한 에너지의 감소는 재가열 단계뿐만 아니라, 냉각 단계에서도 필요한 에너지가 줄어든다는 점과도 관련이 있습니다.
- 템퍼링 장비를 설치하기 위해 별도의 공간이 필요하지 않기 때문에, 작업장 공간을 분명히 절약할 수 있습니다.
이러한 모든 요인들은 매우 매력적이며, 일부 응용 분야에서 자가 템퍼링을 적용하는 이유이기도 합니다. 그러나 자가 템퍼링 공정이 올바르게 수행되도록 하기 위해서는 몇 가지 주의 사항을 준수해야 하며, 상당한 이점이 있음에도 불구하고 자가 템퍼링에는 뚜렷한 한계가 존재합니다. 이러한 한계로 인해 산업 현장에서의 광범위한 적용이 제한되고, 대신 용광로 템퍼링과 유도 템퍼링이 더 널리 사용되는 공정이 되고 있습니다. 이러한 한계 중 일부는 다음과 같습니다 [1]:
- 잔류 열을 정확하게 제어해야 합니다. 일정한 양의 열이 발생하도록 하기 위해서는 부품 내부에서 생성되는 에너지를 면밀히 모니터링해야 합니다. 최신 유도 기술은 에너지 수준을 높은 정밀도로 모니터링할 수 있게 해줍니다. 그러나 특히 복잡한 형상의 부품을 경화할 때, 동일한 정밀도로 담금질 강도를 정확하게 제어하는 것은 더 어려울 수 있습니다. 담금질 후 일관된 열적 조건을 보장하기 위해서는 담금질 시간, 유량, 온도, 농도 및 담금질액의 청정도도 모니터링하여 엄격한 허용 오차 범위 내에서 유지해야 합니다. 담금질 강도의 변동은 담금질 매체의 실제 조건뿐만 아니라, 표면 거칠기, 이전 공정(예: 가공유)에서 남은 이물질, 기타 문제 등을 포함한 공작물의 표면 상태에도 영향을 받는다는 점에 유의해야 합니다. 공작물의 표면 상태로 인해 냉각 강도에 잠재적인 편차가 발생할 수 있는 요인들은 바람직하지 않으며 최소화해야 하지만, 담금질의 첫 두 단계(증기 담요 단계 및 핵비등 단계)에서는 그 영향이 그리 크지 않을 수 있습니다. 그러나 세 번째 단계(대류 냉각)에서는 더 큰 영향을 미쳐 잔류 열에 측정 가능한 변동을 초래할 수 있습니다. 이는 필연적으로 자가 템퍼링의 재현성에 부정적인 영향을 미칩니다. 경우에 따라 적외선 고온계를 사용하여 공작물 표면의 자가 템퍼링 온도를 모니터링할 수 있습니다.
- 해당되는 경우, 자가 템퍼링은 정적 가열, 단일 샷 가열, 그리고 다소 제한적이긴 하지만 수평 스캔 경화 또는 연속/점진적 경화 공정에 적용될 수 있습니다. 수직 스캔 경화의 경우, 수직 스캔 경화 공정을 거친 공작물의 상부 및 하부 영역에서 냉각 조건이 불균일하고 축적된 잔류 열의 편차가 발생하므로, 이 공정에 자가 템퍼링을 사용해서는 안 됩니다.
- 단순한 형상(예를 들어 직선형 축 등)을 다룰 때는 자가 템퍼링 방식을 사용하는 것이 더 쉽습니다. 형상의 불규칙성은 가열 및 담금질 강도 모두에서 국부적인 변동을 일으킬 수 있으며(특히 형상이 복잡한 부품을 다룰 때), 이로 인해 자가 템퍼링 과정에서 잔류 열에 지나치게 큰 편차가 발생할 수 있습니다.
- 일부 강재와 주철은Ms온도가 상대적으로 낮기 때문에, 필요한 양의 마르텐사이트 형성이 완료된 후에도 공작물 내에 충분한 자체 템퍼링을 위한 잔류 열이 충분히 축적되지 않을 수 있다.
- 크기가 작은 부품(예: 와이어, 얇은 벽의 튜브, 소구경 봉 및 핀)을 경화할 때는 잔류 열을 제어하기가 더 어렵습니다. 따라서 질량이 충분한 경우에는 자가 템퍼링을 적용하기가 더 쉽습니다. 그러나 오스테나이트화 층의 직경 대 두께 비율이 극도로 큰 대형 공작물의 경우, 자가 템퍼링에 적합하지 않을 수도 있습니다. 이는 차가운 중심부가 지나치게 강력한 냉각 효과를 일으켜, 자가 템퍼링에 필요한 경화 표면층의 온도 상승을 저해할 수 있기 때문입니다.
- 프로파일 경화(예: 기어 및 기어형 부품의 윤곽 경화)를 적용할 때는 자가 템퍼링을 피해야 합니다. 인접한 부위의 열용량이 서로 다르면 템퍼링 효과가 불균일해질 수 있습니다. 축적되는 열의 양과 인접 부위의 열 방출 능력은 동일하거나 매우 유사해야 합니다. 그렇지 않으면 자가 템퍼링 과정에서 발생하는 온도 차이가 상당히 커져, 규격에 명시되지 않은 템퍼 조직이 형성될 수 있습니다.
위에서 논의한 문제점들로 인해 산업 현장에서 자가 템퍼링이 널리 사용되지 못하고 있으며, 그 대신 용광로/오븐 템퍼링과 유도 템퍼링이 더 널리 채택되고 있다. 한편, 자가 템퍼링을 유도 템퍼링과 병행하여 두 공정의 장점을 결합함으로써 성공적으로 적용된 사례들도 있다 [1]. 예를 들어, 자가 템퍼링과 다중 펄스 유도 템퍼링의 조합은 비회전식 크랭크샤프트 경화(SHarP-C 기술)에 성공적으로 활용되고 있다. 이 경우, 크랭크샤프트의 저널은 고정된 상태에서 열처리를 받는다. 대부분의 자동차 크랭크샤프트의 경우, 10~30kHz 범위의 주파수(자동차 크랭크샤프트의 세부 사양 및 요구되는 경화 깊이에 따라 다름)를 사용하여 경화를 위한 저널 표면층을 오스테나이트화시키는 데 약 3~4초가 소요됩니다. 오스테나이트화 완료 후, 4~5초 동안만 담금질을 실시하고, 이어 3~5초 동안의 1차 유지 처리를 통해 1단계 자가 템퍼링을 완료합니다. 그 후, 약 3~5초 동안 저출력 유도 템퍼링을 실시하고, 2차 유지 처리와 2차 유도 템퍼링을 진행합니다. 이 공정은 바람직한 템퍼링 조건을 달성하기 위해 반복될 수 있으며, 이를 통해 자가 템퍼링과 결합된 다중 펄스 유도 템퍼링 효과를 제공하여 템퍼링된 조직을 최적화할 수 있습니다. SHarP-C 기술과 유도 템퍼링의 세부 사항에 대해서는 참고문헌 1에서 철저히 다루고 있습니다.
발레리 루드네프 박사, FASM
과학기술 부문 이사
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com
참고 문헌
- V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook, 『유도 가열 핸드북』, 제2판, CRC Press, 2017.