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제목 열처리유
작성자 (주)루브텍 (ip:)
  • 작성일 2016-04-08 13:32:41
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강의 담금질이란 고온으로 가열한 강을 적당한 속도로 냉각하는 처리로서, 일반적으로 강을 경화하는 것을 목적으로 한다.
적당한 양의 탄소를 함유하는 강을 오스테나이트상태로 가열하고, 이를 급랭함으로써 마르텐사이트조직을 얻기 위해 사용하는 기름을

담금질유라고 하며, 뜨임, 불림 등의 목적으로 사용하는 유제를 모두 포함해서 열처리유라고 한다.

냉각성능


1. 냉각기구

KS M 2170에 규격화되어 있는 것과 같이 열처리유의 주종품이 광유를 주성분으로 하는
제품이며, 열처리유라고 하면 대부분 담금질유를 가르킨다.
담금질의 목적은 균열이나 변형을 일으키지 않고 경화시키는 것으로 강의 균열 또는
변형은 강의 감소성, 형상, 치수, 담금질 앞 공정의 가공응력, 냉각제의 냉각능력에
의해서 발생되며, 강의 경화는 강의 경화성능, 크기 및 냉각제의 냉각성능 등으로 결정
된다. 그러므로 담금질 작업의 주요 관건은 처음에는 빨리, 후에는 천천히 냉각하는
방법으로 물은 담금질하기 쉬우나 깨지거나 비틀 리는 현상이 일어날 가능성이 높고,
광유는 담금질하기 어려우나 왜곡은 적은 편이다.
일반적으로 액체에 의한 냉각성능은 액체의 증기압, 비점, 표면장력, 점도 등이 클수록
작고 기화잠열, 비열, 열전도도가 클수록 크게 된다. 동일계열의 광유에 있어서는 중질
유분일수록 분자량증대, 비점은 상승, 증기압이 저하하며 인화점, 점도는 상승한다.
이러한 결과 특성온도 및 대류단계 개시온도도 같이 상승한다. 광유계 열처리유의 급랭에
있어서 대체로 3단계의 냉각과정을 나타낸다.

1) 증기막단계 (낮은 냉각속도가 특징)
2) 비등단계 (급격한 냉각속도가 특징)
3) 대류단계

위의 단계에서 증기막이 파괴되어 핵비등으로 옮겨질 때의 온도를 특성온도라 하고,
대류에 의해서만 냉각이 시작되는 온도를 대류단계 개시온도라고 부른다. 이 두 개의
온도는 열처리유의 냉각과정을 지배하는 중요한 온도이다. 열처리유의 냉각성능은 특성
온도가 높고, 대류개시온도가 낮을수록 크다. 그러나 담금질유의 냉각곡선을 이용하여
담금질유의 냉각성능을 하나의 지수로서 표시하면 냉각과정으로 보아 문제가 있으므로,
일반적으로 그로스만(Grossman)이 제안한 H값을 이용하여 냉각성능을 양적으로 표현하고
있다.

2. 온도의 영향

담금질 액의 냉각성능은 온도에 의해서도 변화하는데 물은 수온이 올라가면 급격히 냉각
성능이 저하한다. 이는 수온이 올라가면 증기막이 형성되기 쉽게 되고, 증기막단계가
길기 때문이다. 담금질유는 기름온도가 상승하면 점도가 저하하기 때문에 특성온도는
상승하여 약 80℃에서 최대가 되며, 냉각성능도 최대가 된다. 그러나 80℃이상으로 유온
이 상승하면 냉각성능은 다시 낮아진다.


채종유, 대두유, 낙화생유, 고래기름은 일반적으로 특서온도가 높고, 냉각성능이 비교적
크지만, 가격이 비싸고 노화가 빠르기 때문에 현재는 거의 광유가 사용되고 있다.


유온의 상승과 함께 H값은 상승하여 60~80℃에서 최대값이 된다. 그러나 담금질유의 경우
물에 비해 액온의 영향이 훨씬 적으며, 실제 작업에 있어서는 60~100℃가 제일 적합하다.

3. 교반의 영향


담금질의 교반은 냉각성능에 상당히 큰 영향을 준다. 열처리 공장에서는 담금질유의 탱크
에 교반장치를 하는 것은 상식이며, 이를 이용하거나 또는 담금질하려는 부품을 담금질유
에 넣고 흔들어 줌으로써 담금질하려는 부품에 적합한 냉각속도를 얻게하고 있다.
이러한 경우 냉각과정은 교반에 의해 증기막의 생성이 방해되어 증기막 단계가 단축된다.
그외에도 대류단계에서의 냉각이 강해지기 때문에 전체적으로 냉각효과가 상승하게 된다.
냉각액은 정지상태에서 교반이 시작되면 초기에는 냉각성능이 급상승하지만, 그 이상으로
유속이 크게되면 냉각성능의 상승은 저하된다. 냉각곡선상에서 보면 기름의 교반이 강해
지고, 유속이 커짐에 따라 냉각과정의 3단계는 불명확하게 된다.

열처리유의 종류

 1. 비수용성 열처리유 

기유는 파라핀계 광유가 나프텐계 광유보다 특성온도가 높고, 브라이트스톡을 혼합하면
냉각성능이 향상된다. 저점도 광유와 고점도 광유를 혼합하면 특성온도와 대류단계 개시
온도도 중간치의 값을 나타낸다.  

냉각성능향상제에는 폴리이소부틸렌, 메타크레트폴리머, 무회분 분산제, 터펜폴리
머레진, 석유설포네이트, 산화아스팔트, 콜타르 등이 있으며 실제 사용되고 있는 것은
폴리이소부틸렌, 석유중질분, 설포네이트 등이 있다. 이들은 모두 고분자량의 물질로서
증발하기 어렵기 때문에 특성온도를 높여준다고 생각된다. 이들 냉각성능향상제의
종류에 따라서 안정성, 광휘성에 나쁜 영향이 있어 단순히 냉각성향상효과만을 선택할
수 없으므로, 실용화할 수 있는 냉각성향상제는 적다고 하겠다.

 2. 수용성 열처리유  

수용성 물질로는 냉각과정에서 담금질하려는 부품의 표면에 피막을 생성하지 않는
비박막생성형과 냉각과정의 저온(300℃이하)에서 피막을 생성하는 박막생성형의 2종류가
있다.
 

1) 비박막생성형 수용액  


산 수용액 - 황산, 염산 등의 무기산 수용액의 냉각특성은 농도, 온도에 따라 상이하다.
농도 10%, 20℃의 염산 수용액의 고온 영역에서의 냉각성능 H값은 4.5, 저온영역은 0.2
가 된다. 유기산의 예를 들면 초산의 경우 20%, 20℃에서 고온 영역의 H값은 1.5, 저온
영역은 0.35가 된다.  

염기 수용액 - 염기로서는 NaOH, KOH가 있고 농도 5%, 20℃의 NaOH수용액의 고온 영역의
H값은 10.5, 저온영역은 0.8이 된다.  

염류 수용액(Brine) - 염으로 제일 잘 사용되는 것은 NaCl또는 CaCl2 이다. 농도 10%,
20℃의 NaCl수용액의 고온영역의 H값은 9.0, 저온영역의 H값은 0.65이다. 염류수용액의
고온영역에서 냉각성능이 물보다 큰 이유는 염류가 용해되어 있기 때문에 용액의 비점이
상승하고, 여기에 따라서 증기 발생이 늦어지기 때문이다.  

에멀젼형 수용액 - 비누, 수용성 유지 등의 수용액 등이 여기에 속하며, 농도 0.05%,
20℃의 비누수용액은 고온영역의 H값은 0.05이며, 400℃전후의 중간영역에서의 H값은
커졌다가 저온에서 다시 0.65가 된다.  

글리콜계 수용액 - 폴리머와 모노머의 2종류가 있다.

  • 폴리알킬렌글리콜(PAG)
  • 폴리에틸렌글리콜(PEG)
  • 에틸렌글리콜
  • 글리세린

 2)박막생성형 수용액  

수용액으로 분사냉각하면 고온 영역에서 용질이 담금질 부품의 표면에서 대부분 분해
또는 연소하여 부착하지 않으므로, 물냉각의 경우와 비슷한 냉각성능을 나타낸다.
그러나 저온영역에서는 담금질 부품의 표면에 용질이 부착되고 박막을 생성하여 냉각을
방해하기 때문에 완만히 냉각된다.
박막생성형 수용성용질에는 아라비아고무, 알부민, 아교, 한천, 전분 등의 천연물질의
것과 폴리비닐알콜(PVA), 카르복시메틸셀루로스(CMC) 등과 같은 합성물이 있다.

이상과 같은
수용성 열처리제의 특성
은 다음과 같다.

1) 화재의 위험이 없다.
2) 낮은 비용의 강재 이용이 가능하다.
3) 환경오염이 되지 않으며, 후처리가 용이하다.

이상의 장점을 살리기 위해서는 다음과 같은 성능을 구비해야 한다.
 

1) 농도, 온도의 선정에 따라 적정한 냉각성능을 얻을 수 있을 것
2) 냉각성능의 관리가 용이할 것
3) 열화로 인한 품질의 변화가 적을 것
4) 부패가 일어나지 않을 것
5) 폐수처리가 용이할 것  

이와 같은 조건들이 잘 충족되면, 종래 사용하던 기름에 의한 열처리가 수용성 열처리로
보다 많은 이행이 가능하게 되고, 또한 강종의 선택에 있어서도 범위가 넓어질 것이다.

수용성 열처리유의 사용시 주의점

1) 담금질균열을 방지하기 위해 담금질 부분의 전면에 걸쳐서 동시에 균일하게 냉각하여
  전체면의 온도분포가 시간적으로 빠르고 늦는 차이가 없도록 함과 동시에 저온 영역에서
  가급적 완만하게 냉각되도록 한다.

2) 산성, 염기성의 수용액은 인체에 대해 극히 위험하며, 염류의 수용액은 비교적
  위험성이 적으나 용질에 따라 주의가 요망된다. 글리콜계이 비박막형성형의 제품은
  냄새가 나는 것도 있으나 위험성은 적으며, 박막생성형 합성물질의 수용액은 안정성이
  우수하다.
  천연물질의 수용액은 일반적으로 부패하기 쉽고 악취를 발생하는 단점이 있다.

3) 수용액의 농도, 액의 농도, 접촉유속은 냉각성능에 크게 영향을 주므로 관리가
  용이한 것이 바람직하며, 수용액의 냉각액의 액온은 40℃이하로 사용하는 것이 적당
  하다

4. 열처리유의 선택  

열처리 작업에 사용되는 열처리유는 강재의 재질, 치수, 형태, 요구되는 경도, 금속의
조직, 열처리후의 변형량 등 여러 가지 조건에 적합한 것을 선정할 필요가 있다.
따라서 단순히 작업명을 알아서 좋은 열처리유를 요구하여도 적절한 품질의 열처리유를
추천하는 것은 무리이다. 그러므로 최소한 다음 항목을 조사할 필요가 있다.

  • 열처리방법 : 보통담금질, 분위기, 염욕, 고주파, 불꽃담금질 등
  • 가열방법 : 가스, 전기, 등유, 경유
  • 형식 : 뱃취식, 핏트식, 연속식
  • 침탄방법 : 가스, 액체, 고체
  • 담금질 강의 재질
  • 치수와 뜨임온도
  • 열처리유의 탱크 : 탱크용량, 교반기의 형식, 회전수, 냉각장치의 크기
  • 현재의 사용유제
  • 현재의 문제점 


열처리유의 관리

                                                   

열처리 작업을 효과적으로 실시하기 위하여 열처리유의 선정과 사용 관리가 적절해야 한다.


(1) 1종 열처리유의 관리

1종 열처리유의 냉각성능은 사용중인 열처리유가 신유보다 냉각 성능이 상승되는 현상을
나타낸다. 오일이 산화되면서 생성된 과산화물이 분해하여 중합반응을 시작하면 냉각
성능은 원래의 상태로 돌아가나 궁극적으로는 저하된다. 이 냉각 성능이 상승함으로써
되돌아가는 시간을 열처리유의 수명이라 한다.

오일의 열화부와 외부에서 침입한 이물질에 의하여 생성된 슬러지는 냉각 과정의 단계
에서 재료 표면에 부착되어 녹아 붙는 현상을 일으키고, 냉각을 방해해서 얼룩을 일으
키는 원인이 되므로 사용중인 용제의 불용해분에 주의할 필요가 있다. 잔류 탄소분을
측정해서 슬러지 발생을 점검하는 것이 필요하나, 냉각성능을 향상시킬 목적으로 사용
되는 첨가제에 따라서는 잔류 탄소분이 많은 것도 있으므로 잔류 탄소분이 절대값은
아니고, 신유시와 비교한 증가값으로 판단하는 것이 중요하다.

일반적으로 잔류 탄소분의 증가는 신유시의 1~1.5% 증가를 한도로 하고 있다. 수분의
혼입이 0.5% 정도가 되면 특정 온도가 하강하여, 증기막 단계가 길어지고, 대류단계
개시온도는 저하된다. 그 결과 얼룩, 담금질 변형이 생기는 원인이 되고 있으며, 또한
오일의 열화를 촉진한다. 더욱 수분이 증가해서 입자상이 되어 윤활유중에 부유하면
적열재료를 투입하였을 때 급격한 비등을 일으켜 유량이 팽창하므로 오버플로에 의한
화재의 위험을 수반한다. 그래서 열처리유의 수분은 0.1% 이내로 규제하고 있다.

1종 열처리유는 60~80℃에서의 냉각기능이 가장 좋고, 사용유온은 40~80℃로 정해두는
것이 바람직하다. 적열재료를 오일에 투입하기 때문에 유층 상부는 국부적 고온이 되고,
때로는 발화되는 경우가 있으므로 교반에 위해서 유온의 평균화를 기하면 균일한
담금질을 할 수 있고, 국부 과열을 막을 수 있어 오일의 수명 단축을 막을 수 있다.

(2) 2종 및 3종 열처리유의 관리

2종 및 3종 열처리유에 대해서도 1종에 준하는 관리가 필요하나, 2종은 사용온도가
100~160℃의 열욕 담금질유이고, 3종은 150~200℃에서 사용하기 때문에 열화, 산화 및
열중합은 1종보다 심하다. 그래서 냉각 성능의 저하보다는 점도상승이나 잔류 탄소분
증가로 사용한계에 달하는 경우가 많다.

점도가 상승해서 잔류 탄소분이 증가하면 부착량이 많아질 뿐만 아니라 냉각 성능이
저하되어 담금질 효과가 떨어지고, 국부가열에 의한 위험성이 증가한다.
점도는 150℃에서 30~40cSt를 넘으면 특히 과열이 일어나기 쉽기 때문에 주의가 필요하다.
열처리유의 중요한 기능중의 하나인 냉각 성능은 오일의 열화, 불순물 발생에 의해 큰
영향을 받으므로 열화 상태의 관리가 중요하다.

인화점

보통의 사용상태에서는 인화점이 저하하는 경향이 있다. 이는 담금질유의 열분해에 의해
생긴 경질유가 열처리유 중에 잔존하기 때문이다. 인화점의 저하가 큰 경우에는 냉각성능
의 면에서 담금질 얼룩이 발생하기 쉬운데, 특히 작은 부품의 고체 담금질에서는 이러한
경향이 크다. 냉각성능의면 이외에서는 인화점의 저하는 분위기의 오염으로 연결되며
처리물의 광휘성에 영향을 준다. 이외에 안정성 면에서 인화점이 높은 것이 바람직한데,
일반적으로 사용 유온보다 80℃이상의 인화점을 가진 것이 바람직하다.

점도

점도는 냉각성과 밀접한 관계가 있다. 일반적으로 점도는 탱크의 산화상태의 척도가
되는데, 개방탱크에서와 같이 산화하기 쉬운 탱크에서는 분해와 중합이 동시에 일어나나,
중합의 확률이 높기 때문에 점도는 증가하는 경향이 있으며, 산소의 농도가 낮은 탱크
에서는 분해가 주류를 이루어 점도는 낮아지는 경향이 있다. 이러한 경향을 특히 유온이
높은 Hot열처리유 탱크에서 크며, 순환펌프 등으로 인해 공기의 흡입이 있을 경우에는
이 경향이 더욱 뚜렷하다. 점도저하가 냉각성능에 미치는 영향으로는 교반효과가 있고,
점도가 상승하면 교반효과는 작아진다. 또한 점도저하의 원인은 Hot열처리유의 경우,
주로 기유의 분해에 의한 경질유분의 생성에 있고, 담금질얼룩, 담금질변형의 증대의
원인이 된다. Cold 열처리유의 경우에는 주로 냉각성향상제의 분해소모에 원인이 있고,
증기막단계가 길어지게 되어 냉각성능이 떨어진다.

전산가

담금질유의 열화변질의 최대 요인은 기름의 산화에 있다. 기름은 산화되면 탄소-탄소
간의 결합에너지가 저하하기 때문에 분해되기 쉽다. 이 분해나 중합의 원인이 되는 산화
열화도의 척도가 되는 것이 산가이다.
보통 산가의 상승도에 따라서 그 기름의 산화상태를 추정하는데, 2~3개월의 단기간에
산가 1을 넘는 경우는 비정상적인 상태로 볼 수 있고 공기의 흡입, 수분혼입 등의 확인
및 개선이 요구된다. 높은 산가를 나타내는 요인으로서는 위에서 본 것과 같은 열화원인
이외에 지방산계의 냉각성향상제나 광휘개량제가 첨가되어 있을 경우도 있다. 따라서
산가의 상승이 열화에 의한 것인지를 판정하기 위해서는 종합적인 판단이 필요하다.
산가가 담금질유의 성능에 미치는 영향으로서는 냉각성의 면에서 점도의 저하나 슬러지
생성을 초래하기 때문에 담금질얼룩이나 담금질변형증대의 원인이 된다. 이외에도 광휘
성의 면에서 유리지방산이나 슬러지의 생성은 광휘성을 나쁘게 하는데 관계가 있다.

불용해분

열처리유는 산화열화에 의해 기름에 용해되지 않는 슬러지를 형성하게 된다. 이 현상은
Cold형 담금질유에서 특히 심하며, 냉각성능에도 영향을 미치는 동시에 처리할 부품의
오염에도 큰 관계가 있다. 불용해 성분중 펜탄불용분은 슬러지 이외에 담금질유 탱크중의
미세한 철분이나 먼지등도 포함된다. 따라서 열화에 의해서 생성된 슬러지로서는 펜탄
불용분과 벤젠불용분의 차이, 즉 수지분을 주요한 대상으로 평가한다. 또한 담금질유의
종류에 따라서는 불용해분 시험법으로 측정할 수 없는 경우도 있어, 이런 경우에는
점도나 잔류탄소분의 상승에서 추정하게 된다.

잔류탄소

Cold담금질유는 정밀도가 높은 형태로 불용해분이 측정되기 때문에 잔류탄소는 측정하지
않으나, Hot담금질유는 잔류탄소를 측정한다. 기름의 산화생성물은 연소할 때 카본으로
되기 쉬우므로 잔류탄소의 측정은 산화탄화, 특히 슬러지나 기름에 용해하는 성분의 중합
생성에 관심을 두고 있다.

수분

담금질유 중에 발견되는 수분은 대부분 좋지 않은 영향을 준다. 따라서 항상 주의가 요구
되며 Cold담금질유와 같은 경우에 수분은 아래와 같은 영향을 준다.

  • 담금질유가 비정상적으로 열화한다.
  • 어떤 일정량 이상이 되면 담금질이 되지 않고, 이런 경향은 고체 담금질에 있어서
    더하다.
  • 광휘성이 나빠진다.
  • 담금질변형의 원인이 된다.
  • 갑자기 비등함으로써 기름이 넘쳐 화재의 위험이 있다.


Hot열처리유에서도 수분이 혼입되면 기포가 발생하여 기름이 넘쳐 흐르는 경우가 있기
때문에 수분에 대한 주의가 필요하다. 보통 Cold형에는 200ppm이상의 수분이 혼입되어
있으면 탱크의 어느 부분에서건 간에 수분이 혼입되거나 또는 생성원인이 있다고 고려
되므로 이에 대한 대책을 강구할 것이 요구된다. 그러나 첨가제의 내용물에 따라서 칼
피셔(Karl-Fischer)수분 측정기의 시약과 반응하여 수분으로서 검출되는 것도 있다.
간단히 수분혼입의 유무를 판정하는 방법으로서는 작은 용기에 열처리유를 넣고, 이를
가열하여 보면 수백 ppm의 수분이 혼입되어 있으면 수분이 끌어오르므로 알 수 있다.
또한 실제 사용할 때도 열처리유의 기름면 위로 미세한 거품이 발생한다든지 또는 담금질
할 때의 소리, 기름연기가 발생하는 상태로서 수분의 혼입을 감지할 수 있다.
끝으로 담금질유의 사용액의 시험항목과 검사주기 및 관리한계인 아래의 표를 참고하면
담금질유의 사용관리에 많은 도움이 될 것이다.










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