진공 열처리 경도, 장단점, 템퍼의 차이

진공 열처리 경도, 장단점, 템퍼의 차이

진공 열처리는 진공 상태에서 열처리가 가능한 진공로를 사용하는 진공 열처리의 일종입니다.

진공 오븐은 밀폐성이 높고, 불활성 가스를 사용하는 경우에도 낭비가 적어 

가열 및 냉각 모두에서 에너지 절약 효과가 높은 시설입니다.

또한 최근 열처리에 대해서도 품질 요구가 높아지고 있기 때문에

진공 열처리는 앞으로 점점 채택 되는 일이 많아질 것이라 예상됩니다.

이 기사에서는 대표적인 진공 열처리인 진공 열처리 세부 사항,

장단점, 주요 강재에 적용했을 때의 경도 등에 대해 설명하고 있습니다.

 

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진공 열처리는?

진공 열처리는 진공로를 사용하여 강재를 진공 상태에서 가열 한 후,

가스, 기름 또는 물에 담금질 열처리를 하는 것입니다.

 

산소의 제거를 통해 강재 표면의 산화나 탈탄을 방지하는 동시에 열처리 효과에 의해

강재를 단단하게 하여 내마모성 및 인장 강도, 피로 강도 등의 강도를 향상시킬 수 있습니다.

진공 열처리의 냉각은 주로 질소 가스가 이용되고 있으며, 

팬 등 로내를 교반하여 강재를 식혀줍니다. 

 

더 급속한 냉각이 필요한 경우에는 고압 가스가 사용됩니다. 

최근의 진공 오븐에서 냉각 10 기압의 고압 가스를 사용할 수있는 것이 있고,

3 ~ 6 기압도 있으며 기름 냉각에 가까운 냉각 성능을 얻을 수 있습니다.

 

또한, 냉각 성능이 높은 순으로 물, 기름, 가스가 있지만,

냉각이 가파른 정도 왜곡이 나오기 쉽기 때문에 주의가 필요합니다.

한편, 일반 열처리는 강재를 대기와 동일한 공기 중에서 가열하여 급냉합니다. 

진공 열처리와 달리, 강재가 공기 중의 산소와 이산화탄소와 접촉하여 표면에 녹이 발생하여 

표면에서 철강의 경도 소가되는 탄소가 이산화탄소 등이 빠져 버립니다. 

 

따라서 대기에서의 열처리 후에는 강재 표면을 껍질처럼 되는 "필링 처리"가 이루어집니다.

또한 필링 처리에 의해 치수가 변화하기 때문에 치수 변화에 따른 치수를 설정하고,

열처리 후에는 절삭 가공 등으로 모양을 정돈할 필요가 있습니다.

진공 열처리는 열처리를 진공 상태에서 실시하는 것으로, 

이러한 열처리의 난점과 열처리에 따른 번거로움이 없습니다. 

 

또한, 진공 상태와 대기압 (1.013 × 105Pa)보다 압력이 낮은 상태입니다. 

 

강재는 저 진공 (105Pa ~ 102Pa) 또는 중진공 (102Pa ~ 10-1Pa) 정도의 진공 상태에서 열처리가 이루어집니다. 

 

그러나 진공로를 감압하는 진공 펌프의 성능이 부족한 경우 등은 진공로를 감압 한 후, 

질소 가스 등의 불활성 가스를 흐르게하여 잔류 공기를 배출하고 고진공 상태 대신으로 할 수 있습니다.

 

진공 열처리의 장점

진공 열처리는 대기 열처리에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.

산화 및 탈탄을 방지 할 수 있다

진공 열처리로는 진공 상태에서 강재를 가열하여 불활성 질소 가스로 냉각을 위한 

강재 표면의 산화 나 탈탄이 거의 발생하지 않습니다. 

따라서 대기 아래의 열처리에 필요한 필링 처리 및 후가공 등의 공정이 필요합니다.

내마모성이 높다

진공 열처리로는 탈탄이 거의 일어나지 않기 때문에 경도가 높고 내마모성이 우수합니다. 이것은 대기 아래의 열처리는 필링 처리에 의해 강재 표면을 긁힘 경우에도 탈 탄층이 잔류하여 표면 경도가 저하 될 수 있기 때문입니다.

변색하지 않고 금속 광택이 유지된다

진공 열처리로는 강재 표면의 산화가 거의 일어나지 않기 때문에,

열처리 전후에서 표면의 색상과 광택을 유지합니다.

강재 표면의 광택 성이 유지되기 때문에 진공 열처리는 광휘 열처리라고도합니다.

변형이 작고, 왜곡이 적다

진공 열처리는 진공 상태에서 가열하는 것으로부터,

강재의 온도 상승이 완만하고 표면과 내부의 온도차가 작은 상태 진행하기 때문에

변형이 일어나기 어려우므로 왜곡이 적습니다.

 

또한, 강재의 온도 상승이 완만하기는 감압 하에서 승온하기 위해

공기를 통한 가열 못하고 거의 복사열만으로 가열하기 때문입니다.

그러나 냉각시 변형이나 왜곡이 발생할 수 있으며, 

냉각을 빠르게 할수록 변형이나 왜곡이 생기기 쉽게되어 있습니다.

 

 

진공 열처리의 단점

한편, 진공 열처리는 대기 열처리에 비해 다음과 같은 단점이 있습니다.

용광로가 비싸다

진공 열처리에 사용되는 진공 용광로 일반 열처리에 사용되는 전기로나 가스로 등보다 비쌉니다.

또한 함께 사용되는 진공 펌프는 고진공 상태를 얻을 것 일수록 가격이 높아집니다.

 

그러나 저렴하고 낮은 진공 상태에서만 얻을 수 있는 진공 펌프는 진공도가 부족하여

열처리시에 질소 가스 등의 불활성 가스가 필요할 수 있기 때문에

유지 비용이 불필요하게 걸리는 경우도 있습니다.

용광로의 점유 시간이 길어지는 경향이 있다

진공 열처리는 가열에 이어 냉각도 용광로에서 실시할 필요가 있기 때문에

열처리 작업을 한 번 시작하면 원자로의 점유 시간이 길어집니다.

 

또한 강재의 승온 시간이 걸리는 것도 용광로의 점유 시간을 길게합니다.

대기 아래의 열처리는 일반적으로 냉각 원자로 밖에서 이루어집니다. 

 

한편, 진공 열처리로 냉각 원자로 외부에서 실행하면 용광로를 연 순간에 산화 등이 진행되고 맙니다.

즉, 진공 상태에서 열처리를 행한 것의 의미가 없어져 버립니다.

그러나 최근에는 연속 식 진공 용광로라는 여러 노 챔버를 가진 진공로가 이용되게되어 있습니다. 

 

연속 식 진공 용광로 가열 · 냉각의 2 개의 예열 · 가열 · 냉각의 3 실 등 역할이 다른 

복수의 용광로 실을 가지고 있으며, 1 개의 가열 · 냉각과 원자로의 상태를 바꾸지 않으면 안 되는

종래의 진공 오븐과 달리 원자로의 상태를 유지하면서 라인 작업처럼 열처리를 할 수 있습니다.

 

 

 

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진공 열처리 경도 (HRC)

 

대표적인 열처리 스틸 진공 열처리에 의한 경도는 아래 표와 같습니다.

강종		경도 (HRC)
탄소 공구강	SK3	58 ~ 63
합금 공구강	SKS3	58 ~ 62
	SKD11	55 ~ 62
	SKD61	48 ~ 53
고속 공구강 (하이스 강)	SKH51	58 ~ 64
마르텐 사이트 계 스테인리스 강	SUS440C	52 ~ 56
	SUS420J2	50 ~ 54
탄소강	S45C	14 ~ 28
합금강	SCM435	27 ~ 35

위의 표는 담금질 후 템퍼링을 한 경우의 경도에 탄소 농도와

열처리 온도, 냉각 방법, 냉각 속도, 템퍼 온도 등에 따라 경도 값은 달라집니다.

 

또한 대기 아래의 열처리와 진공 열처리로 경도가 특별히 다르지는 않습니다. 

그러나 진공 열처리는 탈탄이 거의 일어나지 않고, 

열처리에 의한 결함이 발생하기 어렵 기 때문에 열처리 후 예기치 않게

경도가 낮은 상황이 발생 어렵게 되어 있습니다.

 

 

참고 :

2021.09.05 - SKD61이란? 성격, 용도, 처리, 가공 방법 정리

SKD61이란? 성격, 용도, 처리, 가공 방법 정리

 

적용 가능한 주요 재질

진공 열처리는 아래 표와 같은 재질에 적용 가능합니다.

재질 분류		강종
탄소 공구강		SK3, SK5
합금 공구강	냉간 다이스 강	SKS3, SKD11, DC53, HPM31, KD11, SLD-MAGIC
	열간 다이스 강	SKD61, DH32, SKT4
고속 공구강 (하이스 강)	몰리브덴 계	SKH51, SKH55
	바나듐 계	SKH57
	매트릭스 계	DRM1, DRM2, DRM3, YXR3, YXR33, YXR7, MH85
	분말 계	HAP10, HAP40, HAP70
스테인레스 스틸	마르텐 사이트 계	SUS440C, SUS420J2, HPM38, STAVAX
	오스테 나이트 계	SUS303, SUS304, SUS316
	석출 경화 계	SUS630
탄소강		S45C, S50C, S55C
합금강	크롬 몰리브덴 강	SCM415, SCM420, SCM435, SCM440
	니켈 크롬 몰리브덴 강	SNCM415, SNCM420, SNCM439
베어링 강	고 탄소 크롬 베어링 강	SUJ2
스프링 강	크롬 바나듐 강철	SUP10

위의 표에서 이해되는 바와 같이,

진공 열처리 공구 및 금형, 베어링 등의 높은 품질이 요구되는 강재에 사용되는 열처리입니다. 

 

그러나 최근에는 진공로의 비용이 하락하고 있으며,

스테인레스 스틸 자동차 부품 및 산업 기계 부품, 가전 부품 등에도 채용 될 수 있게 되었습니다.

 

그러나 크롬과 망간 등의 증기압이 높은 원소는 진공도가 너무 높으면 고온에서 증발 할 수 있으므로,

스테인리스 등의 크롬 함유량이 많은 강재는 강재 표면의 크롬 농도가 감소 될 수 있습니다.

 

따라서 망간과 크롬의 함유량이 많은 강재에 진공 열처리를 실시하는 경우는

불활성 가스를 사용하는 등 대책을 강구해야합니다. 

 

또한 아래 그림은 다양한 진공도 (101 ~ 103)에서 SUS304 진공 열처리를 적용한 경우의 표면 크롬 농도입니다. 

진공도가 높아 (가열시의 압력이 작고), 열처리 온도가 높을수록 강재 표면의 크롬 농도가 감소하고 있습니다.

 

 

3-6 진공 열처리 적용상의 유의 사항"주 MonotaRO (모노타로)

 

 

템퍼 및 고주파 열처리의 차이

여기에서는 열처리 후 재가열 '템퍼' 강재 표면만 딱딱하게 하며,

'고주파 열처리' 의 경우에는 강재의 내부까지 가열하여 강재 전체를 견고하게 만드는 '전체 열처리'에

대해 말씀 드릴 수 있습니다.

원래, 템퍼는 열처리의 가열 온도의 2 분의 1 정도의 온도까지 가열하고 서서히 냉각하는 열처리입니다 

(아래 그림 참조). 

열처리 후 반드시 실시되는 열처리로, 열처리에 의해 취성된 강재의 인성 및 경도의 조정,

내부 응력의 완화를 목적으로 이루어집니다.

 

진공 담금질 후 템퍼는 반드시 진공 용광로가 사용되는 것은 아닙니다.

 

그러나 이 경우 대기 아래의 열처리 정도는 아니지만,

강재 표면의 산화 나 탈탄 변색 금속 광택의 손실이 발생합니다.

 

따라서 진공 열처리 후 진공 템퍼링을 할 것을 권장합니다.

 

 

고주파 열처리는 전자기 유도에 의해 강재 내부에 전류를 유도하고 

강재의 표면만을 가열하여 열처리를 실시 열처리이지만, 일반적인 진공 오븐에서 실시 할 수 없습니다.

 

진공로를 사용하는 열처리는 일반적으로 강재를 용광로에 넣어 밀봉 한 후 진공 상태를 만들어 가열합니다.

따라서 강재 전체에 열처리를 실시할 때에는 전체 열처리가 표준이며,

고주파 열처리처럼 부분적으로 열처리를 실시 할 수 없습니다.

 

그러나 고주파 열처리에 대응 한 진공 오븐도 적지 않게 존재합니다.

 

 

 

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[ 이 기사는 일본 기사를 번역한 것입니다. ]

 

출처 - https://mitsu-ri.net/articles/vacuum-quenching

真空焼入れの硬度、メリット・デメリット、焼戻しとの違い | 金属加工のMitsuri

 

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