진공 열처리가 뭘까? 시원하게 설명해 드립니다. 1부
진공 열처리는 진공 펌프를 사용하여 용광로의 압력을 낮추고 재료를 열처리하는 공정입니다. 이 공정을 통해 금속의 산화를 억제하여 광택이 나고 밝은 외관을 얻을 수 있습니다. 소결(sintering), 탈지(degreasing), 담금질(quenching), 뜨임(tempering) 등 다양한 열처리 공정에 적용할 수 있습니다. 진공 열처리는 각 열처리 과정에서 재료에 특정 특성을 부여할 뿐만 아니라 전반적인 품질 향상에도 이바지하기 때문에 널리 사용되는 편입니다. 기존 담금질보다 진공 담금질은 경도와 내마모성을 유지하면서 산화층 형성을 방지할 수 있다는 장점이 있어서 바람직한 외관이 필요한 부품이나 제품에 널리 사용됩니다.
이 글에서는 진공 열처리의 특징, 종류, 경도 특성 및 적용 가능한 강종에 대해 소개합니다.
진공 열처리란?
진공 열처리는 일반적으로 대기압 이하의 감압 조건에서 열처리를 수행하는 공정입니다. 기존의 금속 열처리 과정에서는 금속 재료와 주변 대기 사이에서 산화, 증발, 환원 등 다양한 화학 반응이 일어나고는 합니다. 하지만 열처리 과정에서 대기와 온도를 제어하면 이러한 반응을 제어할 수 있습니다. 진공 대기의 장점은 산소가 거의 포함되어 있지 않기에 금속에 존재하는 탄소와 산소 간의 반응이 일어나지 않아 탈탄이 방지된다는 점입니다. 또한, 열처리 공정은 금속 표면에서 유기 물질과 가스를 쉽게 제거하여 금속 소재가 본래 가지고 있는 광택과 밝은 외관을 만들어냅니다. 진공 열처리는 다양한 용도로 적용할 수 있으며 광범위한 열처리 공정에 적합합니다.
| 변형 | 담금질, 뜨임, 풀림, 불림, 용액 열처리 |
| 표면 변형 | 질화, 침탄 |
| 표면 처리 | 탈지, 탈기, 광휘 처리 |
| 결합 처리 | 납땜 |
진공 열처리의 처리 온도는 일반적으로 200℃~2,000℃이며, 진공 수준(압력)은 크게 다음과 같이 분류되며, 강종에 따라 특정 열처리 공정을 적용합니다.
- 저진공(~102Pa)
- 중진공（102～10-1Pa）
- 고진공（10-1～10-5Pa）
- 초고진공（10-5～10-8Pa）
진공 열처리 분야에서는 중진공 및 고진공 조건을 사용하는 것이 일반적입니다.
또한 금속 산화를 방지하는 동일한 목적을 가진 "보호 분위기 열처리"라는 열처리 방법이 있습니다. 보호 분위기 열처리에서는 용광로 내부에 진공을 만드는 대신 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스로 용광로를 대기압 이상으로 약간 가압하여 외부로부터의 산소 유입을 차단하고 열처리를 진행합니다. 이 방법은 용광로의 부피가 커서 내부의 압력을 낮추기 어려운 상황에서 사용됩니다. 탄소를 사용하지 않기 때문에 침탄으로 말미암은 금속의 경도 변화가 없습니다.
진공 열처리 유형
진공 열처리에는 방법과 조건에 따라 다양한 유형이 있는데요. 대표적인 공정은 다음과 같습니다.
진공 소결(Vacuum sintering)
금속 분말을 원하는 모양으로 형성한 후 가열하여 개별 입자를 서로 융합시켜 재료의 강도를 높이는 방식입니다. 소결을 거친 재료는 일반적으로 조밀한 구조를 가지며, 다결정 또는 비정질 구조가 형성될 수 있습니다. 소결 전후에 재료의 형태는 거의 변하지 않지만 밀도, 강도, 탄성 등의 특성은 개선됩니다. 최근 진공 소결은 특히 다양한 종류의 금속, 희토류 자석과 같은 금속 간 화합물, 초경합금과 같은 복합 재료를 포함한 광범위한 재료에 대해 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 진공 소결은 기존 방식보다 더 높은 온도에서 작업할 수 있어 환원 처리와 비교하여 최종 제품의 내식성이 향상됩니다.
진공 풀림(Vacuum annealing)
풀림은 금속의 내부 응력을 제거하여 균일한 구조를 만들고 연성 및 작업성을 향상하는 데 사용되는 열처리 공정입니다. 결정 입자가 고르지 않게 형성된 단조품이나 주조품과 같은 강철 소재에 어닐링을 적용하면 가공 및 정제가 용이한 구조가 만들어집니다. 높은 풀림 온도에서 금속 표면은 산화 및 탈탄에 취약합니다. 따라서 밝은 어닐링 공정에서는 산화를 방지하고 산화물이 없는 밝은 표면 외관을 얻기 위해 진공 분위기를 사용하는 경우가 많습니다. 이 유형은 깨끗한 표면을 유지하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 산 세척이 필요 없어 노동 효율을 높여 에너지 효율적인 선택이 될 수 있습니다.
진공 담금질 및 뜨임(Vacuum quenching and tempering)
담금질은 강철을 지정된 온도로 가열한 후 빠르게 냉각하여 내마모성과 충격 인성을 개선하는 열처리 공정입니다. 담금질하지 않은 강철은 기계 부품에 사용할 경우 부서지기 쉽고 마모와 파손이 발생하기 쉽습니다. 뜨임은 충격 인성을 개선하기 위해 담금질과 함께 자주 사용되는 열처리 공정입니다. 담금질만 한 강철은 경도는 증가하지만, 연성이 감소하여 충격 시 파손되기 쉽다는 단점이 있기 때문이죠. 담금질 된 강철을 더 낮은 온도(일반적으로 150~200℃)에서 재가열하는 뜨임은 더 견고하고 연성이 높은 구조를 부여합니다. 진공 담금질 및 뜨임은 기존 담금질 방법에서 강철 표면의 산소와 반응할 때 흔히 발생하는 문제인 산화 스케일을 제거할 필요가 없다는 장점이 있습니다. 이러한 박리 제거로 치수 정확도가 향상될 수 있습니다.
진공 탈지(Vacuum degreasing)
탈지는 주로 가공 후 금속 표면에 부착되었을 수 있는 오일 및 윤활유 잔여물(금속 입자, 먼지, 오물 등의 기타 오염 물질과 함께)을 제거하는 데 사용되는 공정입니다. 이 세척 단계는 열처리, 도금 또는 도장과 같은 후속 공정을 위해 금속 표면을 준비하는 데 필수적이며, 금속 표면에 오일, 윤활유, 먼지 및 금속 입자와 같은 오염 물질이 있으면 후속 처리 단계의 균일성과 안정성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 최종 제품의 품질과 일관성을 보장하기 위해 이러한 오염 물질을 제거하는 작업은 필수적입니다. 진공 탈지는 진공 환경에서 탈지하는 공정입니다.
탈지 방법에는 여러 가지가 있지만, 탄화수소 기반 용제를 사용하는 진공 탈지의 몇 가지 특징을 소개합니다:
- 진공 탈지는 진공 체임버에서 수행되므로 화재나 폭발의 위험이 없음
- 오염된 용매는 진공 증류를 통해 회수하여 재사용할 수 있음
- 탈지 후 용매의 건조도 진공 체임버에서 수행되므로 공정 시간이 단축됨
- 탄화수소 기반 용매를 사용한 진공 탈지는 일반적으로 열처리 공정에 사용됨
진공 침탄(Vacuum carburizing)
침탄은 침탄 가스 분위기에서 금속 표면에 탄소를 도입하고 확산시켜 탄소를 응고시키고 표면 경도를 높여 내마모성과 충격 인성을 개선하는 열처리 공정입니다. 침탄은 내부 구조를 보존하면서 표면에 탄소를 선택적으로 도입하여 인성을 유지하면서 표면 경도를 달성한다는 점에서 담금질과 다릅니다. 진공 침탄에서는 금속 소재를 감압 상태에서 가열하고 메탄, 프로판 또는 아세틸렌과 같은 침탄 가스를 주입합니다. 분해 과정에서 생성된 탄소는 강철 내부로 확산합니다. 침탄 후에는 가스 도입을 중단하고 대기 가스를 배출하여 확산 처리를 위해 시스템을 원래의 진공 상태로 되돌립니다.
진공 침탄은 기존 가스 침탄과 비교하면 다음과 같은 몇 가지 장점이 있습니다.
- 침탄 온도가 높아 공정 시간을 단축할 수 있음.
- 다양한 기공 크기와 벽 두께를 가진 복잡한 형상에도 적용 가능함.
- 산화 스케일 형성 없음.
- 가스 침탄에서는 탄소 전위가 제어되지만, 진공 침탄에서는 미리 정해진 침탄 및 확산 시간을 설정하여 목표 탄소 농도와 침탄 깊이를 달성할 수 있음.
진공 경납땜(Vacuum brazing)
경납땜은 주재료보다 낮은 온도에서 녹는 합금으로 주재료 사이의 틈을 메워 철강재를 접합하는 데 사용되는 공정입니다. 모재 자체가 녹아 접합부를 형성하는 용접과 달리 경납땜은 주재료의 용융을 수반하지 않습니다. 구리나 니켈과 같은 저융점 합금이 일반적으로 경납땜 재료로 사용됩니다. 경납땜 접합부에서는 응고된 금속이 접합되는 강재의 구조 깊숙이 침투하여 강력한 결합을 형성합니다. 진공 경납땜은 환원이 어려운 금속을 다루거나 금속 대 금속 납땜 시 변색을 방지해야 할 때 사용됩니다. 거기에, 유량이 필요하지 않으므로 경납땜 후 세척 공정이 필요하지 않습니다.
2부에서 계속됩니다.
출처: https://sunfa.co.jp/en/resources/column/column-3027/
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