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  • 열처리

열처리

1. 전경화열처리

피처리물 전체의 경도를 향상시킬 목적으로 강을 일정 온도 이상으로 가열을 유지한 후에 급냉하여 경도가 높은 조직으로 변화시키고 나서 연속적으로 추가 열처리를 통해 인장강도와 인성을 적절하게 조절하는 일련의 열처리 조작임

전경화열처리 일반공정

  • 입고검사
  • 단취
  • 전세정
  • 가열
  • 유지
  • 퀜칭
  • 후세정
  • 템퍼링
  • 공정간이동
  • 검사
* 각각의 공정을 클릭하시면 보다 상세한 정보를 확인해 보실 수 있습니다.
닫기
공정설명 외관, 치수, 수량 등 제품의 이상유무를 파악하는 단계로 전처리 이력을 파악하고 기본적인 소재 경도, 치수 등을 측정하여 작업 부합여부를 확인함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 제품이상 유무, 외관, 치수, 수량

밀시트 확인 혹은 불꽃테스트로 재질이상 여부를 확인함

고객사와 협의된 표준에 의해 외관 및 치수를 확인함

입고 태그, 또는 입고장에 기록된 수량과의 차이를 확인함

입고검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

입고검사 용 측정장비 구축

열처리 전의 이력이 열처리를 한 후의 결과에 지대한 영향을 미치므로 필히 경도, 치수 등 열처리전의 이력을 측정하고 기록유지함

육안 혹은 In-Line검사 방안 구축 : 표면얼룩, 찍힘 및 이물질 등

닫기
공정설명 후공정을 진행하기 위하여 제품을 지그에 균일하게 장착하는 단계로 적정 지그를 사용하여 적절한 적재방법을 적용하였는지 확인함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 지그 표준화, 적재방법, 적재수량

각 제품의 형상과 크기에 따른 전용지그를 설계 제작하여 사용하며, 주기적으로 지그의 변형 및 파손상태를 파악하여 관리하여야 함

작업표준에 정해진 대로 적재형상 및 수량을 맞추어 적재함

단취 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

단취 공정 고려사항

제품간격이 적절한지 주의하고 열전달, 온도균일성, 가스흐름, 퀜칭, 적재 하중의 지지 및 안정성 등을 고려함

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공정설명 열처리가 균일하게 이루어지기 위해서 표면의 이물질을 제거하여 깨끗한 표면을 준비하는 단계로 경우에 따라서는 이물질이 가열도중 무산화분위기를 형성하는 효과가 있거나 가열에 의해 번아웃으로 세정되므로 생략가능함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 세정제, 시간, 방법

전공정의 오염상태에 따라 온수, 알칼리계, 탄화수소계 등의 세정제를 선택하여 사용하며, 경우에 따라서 로 안에서 번오프(Burn-off)시켜서 전세정을 대신하는 방법도 있음

침지, 분사 상하요동, 초음파 등의 방법을 사용함

전세정 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 제품을 침탄열처리 온도(대부분 오스테나이트 온도 이상)까지 승온하는 단계로 제품의 형상 및 재질에 따라 열전도율과 같은 물리적 상수 값들이 다르므로 모든 배치를 동일한 가열 프로파일을 적용할 수 없으므로 가열완료후 제품의 살 두께에 따라 내부까지 균일하게 온도가 도달되도록 함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 가열속도, 가열원

제품의 형상 및 크기에 따라 가열속도를 지정할 수 있고 일반적인 경우는 설비의 가열용량에 따라 가열속도가 정해지므로 가열속도가 너무 빠른 경우에는 인버터에 의한 가열속도 조절, 다단 가열 등을 이용할 수 있음

가열원은 주료 전기, 가스 등을 사용하며 직접가열과 간접가열 방식이 있으므로 설비 사양 선정 시 용도에 맞는 가열원을 선정하여야 함

가열(승온) 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

가열로 내 위치별 온도편차를 측정할 수 있도록 설비 구축

통상 ±7.5℃로 규정하고 있으나, ±5℃ 이내로 유지하기 위해 소위 9점 테스트를 실시해 보는 것이 필요함

벨트식 연속로의 경우는 좌, 우, 중앙 등 3점 연속 측정(가열시작부터 가열완료까지)할 필요가 있음

하이브리드 절전형 열처리로

가스와 전기의 두가지 열원을 갖는 하이브리드 절전형 열처리로가 있음

연속로의 경우 2/5 위치까지 가스를 열원으로 하여 제품의 차가운 부분을 빠르게 가열하고, 3/5부분은 전기로 열처리 하므로 약 30% 에너지 절감되는 시스템

금속열처리부재를 자동공급부로부터 이송되어 디핑(Dipping)과 스프레이(Spray)방식으로 세정하는데 로의 앞부분에서 나오는 열을 집합하여 디핑이나 스프레이로 사용하므로 에너지를 절감함

로체 소재 관리 기술

로체를 기존 벽돌에서 세라믹 계열의 고효율 소재로 개선

로의 치구를 고밀도 소재 및 가벼운 소재로 변경하여 전체 열처리 중 처리 부품의 무게가 차지하는 비중 향상 가능
㉠지그의 칼로라이징(Calorizing)처리
㉡탄소섬유강화재료(CFC, Carbon-Fiber-reingorced Composites) 지그 사용

로 내벽에 단열 코팅 처리(열방사 코팅재)를 통한 내부로부터 복사열 최소화 기술

SCR을 활용한 전력제어

다이리스러(Thyristor)라 불리는 실리콘 소자인 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여 전력을 제어함

SCR은 고전압 대전류 제어가 용이하고 신뢰성이 높기 때문에 가열 중 설정 온도가 저하되지 않도록 할 수 있음

SCR로 출력이 저하됨에 따라 에너지 비용을 절감할 수 있음

에너지 효율 관리방안

현재 에너지 사용량에 대한 주기적 확인

과도한 분위기 가스 사용 및 분위기 가스 방출 최소화

처리제품 조직 관리에 기초한 열처리 공정 최적화

로체의 주기적 관리 및 입구부 개선

로 개폐시간 최소화

회수한 폐열을 승온이 필요한 공정에 활용하여 에너지를 효율적으로 사용

단열재를 이용한 열처리로 외벽 열 손실 방지

전기히터를 가스버너로 변경 시 에너지 효율 30% 향상 가능

가스버너를 활용한 온도 유지관리 및 분위기 열처리 시 유지 공정 확보

가스버너의 사용 효율을 높이기 위한 연료와 산소비율 관리

스마트화 방안

에너지 예측 시스템 : 설비별 Heat Pattern 분석을 통한 기업의 사용전력 예측, 최적의 설비 가동안 제시

작업자에 의한 관리를 원격으로 관리하기 위한 자동화 및 원격제어 시스템 구축

IoT, H2M, M2M 등 기술조합

문제발생 대응시스템 구축

구축사례 사업명 열간성형 공정의 Multi-Furnace를 이용한 고속 자동화 시스템 개발
사업내용 추진내용

열간성형 공정의 Multi-Furnace를 이용한 고속 자동화 시스템 개발

세부내용

다수의 블랭크를 동시에 가열 가능하고 공간 활용성이 높은 Batch Type의 Multi-Furnace 개발

고온 (약 930℃)작업 특성을 고려한 내열 공급 장치 개발

열간성형 공정의 특성을 고려한 고속 취출 장치 및 공정 개발

다양한 블랭크 공급 및 자동화를 위한 로봇 연동이 가능한 범용 배드 구성 개발

애로사항 및 해결방안
(1) 애로사항
1. 가열로->프레스 작동까지 13초 소요
2. 포크 접촉면 수정(점접촉)
3. 포크 처짐 방지

(2) 개선결과
1. 가열로 속도 개선, 티칭 수정, 장비 간 시작신호 주기 단축
2. 포크에 PIN 부착
3. 포크 가이드라인 설치
구축사진
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공정설명 제품의 전부분이 균일한 온도로 되는 시간 동안 유지하는 것으로 처리품의 크기 형상에 따라 가열온도 도달 후 적당한 시간 동안 유지하는 것을 말함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 분위기 종류 및 측정방법, 설정값

분위기는 품질요구에 따라, 대기 중(단조품 등), 보호분위기, 진공 등의 분위기를 사용하며, 산화방지나, 탈탄, 탈합금을 방지하기 위해서는 산소센서에 의한 분위기 측정관리, 진공계에 의한 진공도를 관리하여야 함

탈탄 등을 방지하기 위해서는 재질의 탄소농도에 적합한 CP(탄소농도)관리가 필요함

유지시간은 일반적으로 직경 1인치 당 30분으로 설정하지만, 정확한 관리를 위해서는 열전대를 처리품 중앙에 꽂아서 온도계 상의 온도와의 편차를 확인하여 유지시간을 설정하는 것이 바람직함

유지 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

분위기 가스 변경을 통한 효율성 확보

분위기 가스를 최소화하기 위한 진공열처리 및 저압분위기 열처리 기술 개발

열처리 시 재료의 산화방지를 위해 열처리분위기 보호가스로 RX 가스의 사용은 예전부터 이용되어 왔음

그러나 RX가스의 생성에는 변성을 위해 변성로와 1050℃까지 승온을 유지할 수 있는 열원이 필요함

반면, 메탄올을 직접 로 내에 주입하는 적주타입의 분위기 관리법에서는 변성로가 필요치 않아 열처리 시 생산 원단위를 줄일 수 있음

변성로 방식의 분위기 제어방식을 적주식 등 신규 분위기 가스를 이용한 방식으로 변경하여 효율 향상

분위기 가스 최소화를 위한 Zero flow 기술 구체화

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공정설명 가열 및 유지 완료된 처리품은 오스테나이트 조직으로 되어 있으므로 이를 급랭(기름을 가장 많이 사용하며, 물, 염욕, 가승 등을 사용)하여 마르텐사이트화 함으로서 경화시키는 공정임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 냉매의 종류 및 온도 선정, 퀜칭 시간 및 방법

냉매의 종류는 물, 수용성퀜칭유, 일반퀜칭유, 염욕, 납욕, 고압가스 등이 있음

냉매의 온도는 요구사양 및 재질, 형상에 따라 상온, 콜드유(약 60℃), 세미핫유(약 100℃), 핫유(약 130℃), 염욕 및 납욕(200~500℃) 등이 있음

제품의 크기 형상에 따라 퀜칭 시간은 10분에서 30분 정도까지 소요되며, 제품이 충분히 퀜칭되었을 때는 가능한 빨리 종료시키는 것이 좋으나, 오스템퍼링 등의 경우에는 30분에서 4시간 까지 유지시간이 길어질 수 있음

퀜칭방법은 침지, 분사, 냉매침지 중 분사, 상하방향 가스분사, 원주방향 가스분사 등이 있음

퀜칭 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 공정 싸이클 시뮬레이션

열처리 공정 중 상변화과정을 모델링하고 최적의 재료를 선택함. 선택된 재료에 대한 특성을 예측하고 열처리 공정 설계에 사용할 수 있음

특성예측프로그램(Property Prediction Program)과 공정설계프로그램(Process Planning Program 혹은 Recipe Program)으로 나눌 수 있음

시뮬레이션을 통해 제품의 품질 및 에너지 사용 등을 손쉽게 최적화 할 수 있음

그 외 재료선택, 열처리 비용 산출 등 여러 효과가 있으며, 숙련된 기술자에 대한 의존도도 낮출 수 있게 됨

효율화 방안 : 퀜칭공정 최적화

각 담금질 퀜칭제의 종류, 교반, 온도, 열화, 오염 등의 조건에 따라서 처리물의 품질 및 그 산포가 결정됨

퀜칭제별 열전달 계수의 측정과 D/B화는 이미 일본, 미국, 유럽 등지에서 수행하여 시뮬레이션 프로그램이 개발된 상황임

한국의 경우 시뮬레이션 프로그램은 산, 학 1개소에서 개발된 상황이나 프로그램 구현을 위한 퀜칭제의 종류별 퀜칭특성과 열전달계수의 여러 조건별, 실제 처리물을 이용한 측정과 DB구축은 부족한 상황임

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공정설명 제품에 부착된 열처리 유 등을 제거하는 단계임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 세정제, 시간, 방법

퀜칭 냉매상태에 따라 온수, 알칼리계, 탄화수소계 등의 세정제를 선택하여 사용하며, 가스 퀜칭의 경우에는 후세정이 생략될 수도 있음

침지, 분사 상하요동, 초음파 등의 방법을 사용함

후세정 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 퀜칭처리한 강은 급냉으로 인해 내부에 응력이 남아 있고, 또 새롭게 형성된 마르텐사이트 조직은 강하지만 부서지기 쉽기 때문에 템퍼링(변태점 이하로 가열 유지)을 통해서 필요로 하는 물성을 부여함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 온도 및 시간, 냉각방법

템퍼링 온도는 응력제거의 경우 150~200℃ 내외, 인장강도를 얻기 위해서는 500~600℃의 온도에서 템퍼링을 수행함

최종 요구경도에 적합한 온도을 설정하여야 하며, 다음 공정으로 질화처리를 하는 경우는 질화온도보다 30~50℃ 높게 템퍼링을 실시해야 질화 후의 변형을 방지할 수 있음

냉각방법은 공랭을 원칙으로 하지만 탄소강을 500℃ 이상의 고온으로 템퍼링하는 경우는 저온취성을 방지하기 위해 물에 급랭시키는 것이 좋음

템퍼링 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 열처리 각 공정은 별도의 장치에서 수행되므로 각 장치간 이동이 필요함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 자동 무인화

공정의 안정 및 공장 안전 효율화를 위해 자동 무인화 공정의 도입이 필요함

공정간 이동 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 처리가 완료된 제품은 요구되는 미세조직과 경도, 외관, 변형 등의 고객 요구사항을 만족시키기 위한 검사를 실시하여 출하함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 자동화

검사를 신속하고 정확하게 하기 위해 자동화를 도입하는 사례가 증가하고 있음

크랙검사 자동화, 경화깊이 측정의 자동화가 일부 소개되고 있으며 앞으로 계속 연구해 나가야 할 항목임

검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 변형 최적화 기술

열처리공정 시 변형은 가열과 퀜칭 시에 발생하는 열응력 및 변태응력과 더불어 제강·단조·기계가공 등 일련의 가공방법, 열처리 준비 작업 등의 여러 변수를 수반하고 있음

독일의 경우 이러한 상기 공정의 영향에 대한 조사와 연구가 여러 산·학·연 단위로 진행되어 변형에 대한 대응방안을 강구하고 있음

담금질 퀜칭 시 변형의 최적화 관리는 전체 공정비용 및 처리물의 산포 감소뿐만이 아니라 신뢰성 확보 측면에서 해결해야 할 과제임

퀜칭 측면에서 CFD를 활용한 유체의 해석과 실제 현장에의 적용이 필요함

1. 국부열처리

고에너지 열원을 이용하여 표층만을 부분적으로 빠르게 열처리 후 퀜칭시킴으로서 단단하게 하는 공법으로서, 고주파 경화, 화염 경화, 레이저 열처리, 이온빔 열처리 등이 있음

국부열처리 일반공정

  • 입고검사
  • 열처리 설계
  • 워크코일 및 치구제작
  • 열처리
  • 템퍼링
  • 검사
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공정설명 수주 받은 제품의 변형 및 흠집을 확인하고 도면상 전처리 요구사항을 확인하여 제품의 전처리 여부를 확인하며 특히 전처리에 의한 조직의 균일성 여부, 소성 가공 등에서 형성된 결함의 제거 여부를 정확히 확인함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 표면상태 외관검사

밀시트 확인 혹은 불꽃테스트로 재질이상 여부를 확인함

고객사와 협의된 표준에 의해 외관 및 치수를 확인함

표면상태에 따라 전세척 여부를 결정하며, 세척이 필요할 경우 물 또는 세정제를 이용하여 세정함

입고검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 수주 받은 제품에서 요구되는 열처리 스펙인 경화층 면적 및 경화층 깊이에 맞춰 열처리 공정 조건을 도출함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 가열방법, 주파수 설정, 출력결정, 적용면적, 퀜칭방법

가열방법 : 제품의 형상 및 생산규모에 따라 열처리 방법을 결정하게 됨. 즉, 회전가열/정치가열, 스캐닝가열/일발가열, 화염경화/고주파경화/레이지경화 등의 방법을 선택해야 함

주파수 설정 : 가장 일반적인 고주파경화의 경우 가열 깊이는 주파수에 반비례하므로 경화 깊이에 따른 주파수 결정이 최우선임

출력결정 : 주파수가 결정되면 가열면적에 따른 출력을 설정하게 되며, 이 경우도 긴 샤프트의 경우는 일반가열(싱글쇼트)의 경우와 스케닝가열의 선택에 따라 출력이 큰 차이를 보이게 되므로 충분한 검토가 필요함

적용면적 : 대형 금형의 레이저 열처리의 경우, 형상에 따라 미리 티칭작업을 하고 그 데이터에 의해 레이저가 이동하면서 가열을 하게 되므로 열처리 적용면적을 확인하여 생산능력 등을 계산함

퀜칭방법 : 가열 후 물 또는 수용성 퀜칭유를 분사하는 방식이 일반적이나, 변형을 줄이기 위해 불수용성 퀜칭유를 사용하기도 하며, 레이저 열처리의 경우는 체적에 비해 가열체적이 작으므로 자체 열용량에 의한 자기퀜칭(셀프퀜칭)응 이용하여 별도의 퀜칭을 하지 않기도 함

열처리 설계 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 :고주파시뮬레이션

고주파 에너지 공정의 주요 변수에 따른 최적 경화층 형성 조건, 응력분포 및 변형발생 분포 등에 대한 정보를 빠르게 확인할 수 있음

최소의 실험을 통한 최적 조건의 도출이 가능하지만 아래와 같은 요소로 어려운 실정임
㉠복잡한 형상의 시편
㉡고주파 자장, 열원의 급격한 변화 등에 의해 매우 미세한 영역 프로그램화 필요
㉢고주파의 급격한 변화와 2개 이상의 고주파 동시 발생
㉣연속 스캔 공정의 경우 열처리 영역의 연속적인 변화

시뮬레이션 공정에 의한 최적 공정 및 최적 경화층에 대한 연구는 레이저 공정에서도 동일하게 시도되고 있음

고주파 전원 효율화(초저변형 컨투어표면경화 열처리를 위한 고효율의 이중주파수 유도가열 시스템)

자동변속기 고단화를 위해 기어류들이 소형화, 경량화, 내충격 향상이 필요한데 기존의 침탄, 질화, 유도가열 열처리만으로는 많은 한계가 있어 초저변형, 고내구성을 구현할 수있는 컨투어 표면경화 열처리 기술 개발이 요구되어 왔음

대용량으로 치저 가열에 유리한 중주파수와 치고 부분 가열에 유리한 고주파를 함께 사용하여 열처리할 경우 내부에 열전달 없이 기어류의 윤곽을 따라 균일하게 경화가 가능하여 초저변형, 고효율 열처리 구현가능

윤곽경화 이중주파수 열처리는 침탄을 대체할 수 있는 친환경 고품위 열처리 기술로서 현재 유럽에서는 신규 자동차 부품에 침탄을 대체하고 있음

분위기 가스 변경을 통한 효율성 확보

열처리 시 재료의 산화방지를 위해 열처리분위기 보호가스로 RX 가스의 사용은 예전부터 이용되어 왔음

그러나 RX가스의 생성에는 변성을 위해 변성로와 1050℃까지 승온을 유지할 수 있는 열원이 필요함

반면, 메탄올을 직접 로 내에 주입하는 적주타입의 분위기 관리법에서는 변성로가 필요치 않아 열처리 시 생산 원단위를 줄일 수 있음

닫기
공정설명 고주파 작업용 워크코일을 설계하고 그라인딩, 가접, 용접, 퀜칭, 조립 등을 통해 워크코일을 제작하는 공정이며, 레이저 열처리는 레이저 출력 및 레이저를 시편으로 포커스하는 광원부의 설계 및 변경이 필요함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 지그설치, 온도센서 설치

지그설치 : 자동작업을 하는 경우는 가열위치로 보내기 전에 자동적재 장치을 제작하여 자동으로 공급하고, 수동으로 할 경우에는 제품을 가열지그에 공급함

대량생산의 경우 자동으로 가열장치에 공급, 이송시키는 방법을 사용함

비접촉식 적외선 온도계를 사용할 때 적외선 입사각도 및 주위 분위기, 진동 등의 영향을 받게 되므로 이와 같은 방해가 일어나지 않도록 충분한 검토와 시험에 의해 온도센서를 설치해야 함

워크코일 및 치구제작 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안

고에너지 열원을 이용한 열처리 기술의 품질 및 공정 관리변수에 대한 제어능력 향상

국부가열방식 열처리 공정 도입을 통한 대형 부품 열처리 최적화

국부 열처리 공정의 최적화를 통한 후공정 최소화 (후가공, 템퍼링 공정 등)

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공정설명 프로그램을 설정하고 워크코일을 장착한 후, 제품과 출력을 세팅하여 열처리하는 공정임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 가열조건, 가열시간, 분위기 가스 공급 여부, 냉매의 종류, 퀜칭 시간 및 방법

가열조건 : 강종 및 제품의 형상에 따라 가열온도 및 유지시간이 달라지므로 재질, 전처리, 형상에 따라 가열조건을 결정하게 됨

가열시간 : 전체 가열체적에 따른 필요출력을 검토하여 출력 및 가열시간을 결정함

분위기 가스 : 일반적으로 대기 중에서 열처리하는 것이 대부분이나 특수한 경우에는 밀폐된 공간을 만들어서 질소 등 불활성가스를 투입하면서 열처리하기도 함

냉매 : 퀜칭능과 변형을 고려하여 냉매를 결정함. 경화능이 낮거나 대형 부품의 경우는 수용성 퀜칭액을 사용(농도 조절)하며, 경화능이 크거나 소형부품의 경우는 비수용성 퀜칭액 또는 압축공기로 퀜칭하기도 함

퀜칭시간 및 방법 : 회전하면서 퀜칭하는 것이 일반적이고, 변형을 줄이고 안정된 퀜칭을 위해 퀜칭액 속에 침지하여 퀜칭시키기도 함

열처리 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 하이브리드 절전형 열처리로

가스와 전기의 두가지 열원을 갖는 하이브리드 절전형 열처리로가 있음

연속로의 경우 2/5 위치까지 가스를 열원으로 하여 제품의 차가운 부분을 빠르게 가열하고, 3/5부분은 전기로 열처리 하므로 약 30% 에너지 절감되는 시스템

금속열처리부재를 자동공급부로부터 이송되어 디핑(Dipping)과 스프레이(Spray)방식으로 세정하는데 로의 앞부분에서 나오는 열을 집합하여 디핑이나 스프레이로 사용하므로 에너지를 절감함

로체 소재 관리 기술

로체를 기존 벽돌에서 세라믹 계열의 고효율 소재로 개선

로의 치구를 고밀도 소재 및 가벼운 소재로 변경하여 전체 열처리 중 처리 부품의 무게가 차지하는 비중 향상 가능
㉠지그의 칼로라이징(Calorizing)처리
㉡탄소섬유강화재료(CFC, Carbon-Fiber-reingorced Composites) 지그 사용

로 내벽에 단열 코팅 처리(열방사 코팅재)를 통한 내부로부터 복사열 최소화 기술

SCR을 활용한 전력제어

다이리스러(Thyristor)라 불리는 실리콘 소자인 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여 전력을 제어함

SCR은 고전압 대전류 제어가 용이하고 신뢰성이 높기 때문에 가열 중 설정 온도가 저하되지 않도록 할 수 있음

SCR로 출력이 저하됨에 따라 에너지 비용을 절감할 수 있음

에너지 효율 관리방안

현재 에너지 사용량에 대한 주기적 확인

과도한 분위기 가스 사용 및 분위기 가스 방출 최소화

처리제품 조직 관리에 기초한 열처리 공정 최적화

로체의 주기적 관리 및 입구부 개선

로 개폐시간 최소화

회수한 폐열을 승온이 필요한 공정에 활용하여 에너지를 효율적으로 사용

단열재를 이용한 열처리로 외벽 열 손실 방지

전기히터를 가스버너로 변경 시 에너지 효율 30% 향상 가능

가스버너를 활용한 온도 유지관리 및 분위기 열처리 시 유지 공정 확보

가스버너의 사용 효율을 높이기 위한 연료와 산소비율 관리

스마트화 방안

에너지 예측 시스템 : 설비별 Heat Pattern 분석을 통한 기업의 사용전력 예측, 최적의 설비 가동안 제시

작업자에 의한 관리를 원격으로 관리하기 위한 자동화 및 원격제어 시스템 구축

IoT, H2M, M2M 등 기술조합

문제발생 대응시스템 구축

구축사례 사업명 Induction Hardening 공정 자동화
사업내용 추진내용
기존 고주파 열처리는 열처리르 위한 제품 장착과 열처리 후 탈착 및 방청 작업이 수작업으로 진행됨. 수작업 방식은 불연속 작업이기 때문에 열처리 부위가 2개소 존재하는 제품이나 생산량이 많은 제품은 생산성이 떨어짐. 또한 작업자가 고온의 설비에 근접해 작업을 진행함으로 인해 안전사고 발생의 위험이 상존하고 작업강도가 높다는 어려움이 있음. 이를 해결하기 위해 산업용 로봇을 활용한 공정 자동화 시스템 도입을 통해 생산성을 향상시키고 작업환경을 개선함
세부내용

산업용 로봇을 중심으로 투입, 인출을 위한 컨베이어 벨트, PLC 제어 장치 등을 통해 고주파 열처리 공정을 자동화

자동으로 제품을 열처리 소입 장치에 장착(A부)

가열/냉각(A부) : 작업 설정 조건에 따라 고주파 가열/냉각 진행

자동으로 제품을 열처리 소입 장치에 장착(B부)

가열/냉각(B부) : 작업 설정 조건에 따라 고주파 가열/냉각 진행

탈착 : 자동으로 제품 탈착 이동

검사 후 템퍼링 대기

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공정설명 제어판넬을 세팅하고 제품 장입한 후, 템퍼링을 실시하는 공정으로 일반적으로 고주파에서는 필요하지만, 처리 면적이 국한되는 레이저 열처리의 경우 필요성 없음
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 온도 및 시간, 유지시간

과거에는 국부퀜칭 후 로에 장입하여 템퍼링을 했으나 최근에는 고주파 등을 이용하여 연속적으로 급속가열 템퍼링을 하는 일이 많아졌음

로를 이용하여 템퍼링을 하는 경우에는 2시간 정도 유지하는 것이 보통이나, 고주파로 급속가열의 경우에는 10~30초로 단시간에 고온으로 실시함

템퍼링 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 고주파, 레이저 열처리 후 제대로 된 조직의 형성 여부, 경화층 깊이의 균일도를 정확히 판단하기 위한 조직 검사, 경도 측정을 진행함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 표면경도, 변형

표면경도, 경화깊이 등을 확인하여 퀜칭의 이상 유무 및 템퍼링 온도 결정 등을 수행함

국부열처리의 경우 급속가열, 급속퀜칭에 의해 변형 및 크랙의 위험성이 크게 되므로 변형량 및 크랙발생 유무를 검사하여야 함

변형을 방지하기 위한 방책을 강구하여(방지지그 설치 등) 양산 시 문제가 없도록 함

검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 변형 최적화 기술

열처리공정 시 변형은 가열과 퀜칭 시에 발생하는 열응력 및 변태응력과 더불어 제강·단조·기계가공 등 일련의 가공방법, 열처리 준비 작업 등의 여러 변수를 수반하고 있음

독일의 경우 이러한 상기 공정의 영향에 대한 조사와 연구가 여러 산·학·연 단위로 진행되어 변형에 대한 대응방안을 강구하고 있음

담금질 퀜칭 시 변형의 최적화 관리는 전체 공정비용 및 처리물의 산포 감소뿐만이 아니라 신뢰성 확보 측면에서 해결해야 할 과제임

퀜칭 측면에서 CFD를 활용한 유체의 해석과 실제 현장에의 적용이 필요함

1. 침탄열처리

강철의 탄소함유량을 증가시키기 위하여 탄소를 강철에 도입하는 방법으로 저탄소강 표면부를 단단하게 하기 위하여 탄소성분이 스며들게 하는 것으로 고체침탄, 가스침탄, 가스침탄 질화, 액체침탄이 있음

침탄열처리 일반공정

  • 입고검사
  • 단취
  • 전세정
  • 가열
  • 침탄 및 확산
  • 퀜칭
  • 후세정
  • 템퍼링
  • 공정 간 이동
  • 검사
* 각각의 공정을 클릭하시면 보다 상세한 정보를 확인해 보실 수 있습니다.
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공정설명 외관, 치수, 수량 등 제품의 이상유무를 파악하는 단계로 전처리 이력을 파악하고 기본적인 소재 경도, 치수 등을 측정하여 작업 부합여부를 확인함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 제품이상 유무, 외관, 치수, 수량

밀시트 확인 혹은 불꽃테스트로 재질이상 여부를 확인함

고객사와 협의된 표준에 의해 외관 및 치수를 확인함

입고 태그, 또는 입고장에 기록된 수량과의 차이를 확인함

입고검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

입고검사용 측정장비 구축

열처리 전의 이력이 열처리를 한 후의 결과에 지대한 영향을 미치므로 필히 경도, 치수 등 열처리전의 이력을 측정하고 기록유지함

육안 혹은 In-Line 검사 방안 구축 : 표면얼룩, 찍힘 및 이물질 등

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공정설명 후공정을 진행하기 위하여 제품을 지그에 균일하게 장착하는 단계로 적정 지그를 사용하여 적절한 적재방법을 적용하였는지 확인함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 지그 표준화, 적재방법, 적재수량

각 제품의 형상과 크기에 따른 전용지그를 설계 제작하여 사용하며, 주기적으로 지그의 변형 및 파손상태를 파악하여 관리하여야 함

작업표준에 정해진 대로 적재형상 및 수량을 맞추어 적재함

단취 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

단취 공정 고려사항

제품간격이 적절한지 주의하고 열전달, 온도균일성, 가스흐름, 퀜칭, 적재 하중의 지지 및 안정성 등을 고려함

구축사례 사업명 소물 부품의 열처리 세팅 작업 자동화 공정 개선
사업내용 추진내용

작은 처리품을 서로 닿지 않도록 하면서 다량 적재를 가능하게 하는 와샤 작업을 자동화

신규 처리품에 대한 지그를 제작하여, 처리품의 사양변경으로 인한 가동율이 저하된 자동화 설비의 가동율 증가

세부내용

신규 지그를 제작하여 설비에 적용

개선된 설비에 맞게 프로그램을 재수정하여 작업자의 설비운영 및 관리 용이

제품적재장치의 처리품을 적재방식을 MAGNETIC HOLDER에서 AIR CHUCK FINGER로 PICK-UP하여 적재할 수 있도록 개선

고정 BAR식 적재장치를 제작하여, 적재된 처리품을 열처리 JIG에 바로 세팅

신규 JIG를 제작하여 제품 공급방법 개선

개선 된 설비에 맞게 프로그램을 재수정하여 작업자의 설비운영 및 관리 용이

애로사항 및 해결방안
(1) 애로사항

제품공급 피더기의 소음이 발생

(2) 개선결과

내부에 방음스펀지 및 상부 아크릴커버 제작

작업자 안전을 위한 펜스 설치 추가로 진행

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공정설명 침탄 열처리가 잘 이루어지기 위해서 탄소가 표면을 통과하여 내부로 확산되어야 하므로 가공유 및 각종 이물질을 제거하여 깨끗한 표면을 준비하는 단계
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 세정제, 시간, 방법

전공정의 오염상태에 따라 온수, 알칼리계, 탄화수소계 등의 세정제를 선택하여 사용하며, 경우에 따라서 로 안에서 번오프(Burn-off)시켜서 전세정을 대신하는 방법도 있음

침지, 분사 상하요동, 초음파 등의 방법을 사용함

전세정 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 제품을 침탄열처리 온도(대부분 오스테나이트 온도 이상)까지 승온하는 단계로 제품의 형상 및 재질에 따라 열전도율과 같은 물리적 상수 값들이 다르므로 모든 배치를 동일한 가열 프로파일을 적용할 수 없으므로 가열완료후 온도계상의 온도와 처리품 위치별 편차를 고려하여 약 30분 정도 균열시간을 가짐
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 가열속도, 가열원

제품의 형상 및 크기에 따라 가열속도를 지정할 수 있고 일반적인 경우는 설비의 가열용량에 따라 가열속도가 정해지므로 가열속도가 너무 빠른 경우에는 인버터에 의한 가열속도 조절, 다단 가열 등을 이용할 수 있음

가열원은 주료 전기, 가스 등을 사용하며 직접가열과 간접가열 방식이 있으므로 설비 사양 선정 시 용도에 맞는 가열원을 선정하여야 함

가열(승온) 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

가열로 내 위치별 온도편차를 측정할 수 있도록 설비 구축

통상 ±7.5℃로 규정하고 있으나, ±5℃ 이내로 유지하기 위해 소위 9점 테스트를 실시해 보는 것이 필요함

벨트식 연속로의 경우는 좌, 우, 중앙 등 3점 연속 측정(가열시작부터 가열완료까지)할 필요가 있음

효율화 방안 : 하이브리드 절전형 열처리로

가스와 전기의 두가지 열원을 갖는 하이브리드 절전형 열처리로가 있음

연속로의 경우 2/5 위치까지 가스를 열원으로 하여 제품의 차가운 부분을 빠르게 가열하고, 3/5부분은 전기로 열처리 하므로 약30% 에너지 절감되는 시스템

금속열처리부재를 자동공급부로부터 이송되어 디핑(Dipping)과 스프레이(Spray)방식으로 세정하는데 로의 앞부분에서 나오는 열을 집합하여 디핑이나 스프레이로 사용하므로 에너지를 절감함

분위기 가스 변경을 통한 효율성 확보

열처리 시 재료의 산화방지를 위해 열처리분위기 보호가스로 RX 가스의 사용은 예전부터 이용되어 왔음

그러나 RX가스의 생성에는 변성을 위해 변성로와 1050℃까지 승온을 유지할 수 있는 열원이 필요함

반면, 메탄올을 직접 로 내에 주입하는 적주타입의 분위기 관리법에서는 변성로가 필요치 않아 열처리 시 생산 원단위를 줄일 수 있음

로체 소재 관리 기술

로체를 기존 벽돌에서 세라믹 계열의 고효율 소재로 개선

로의 치구를 고밀도 소재 및 가벼운 소재로 변경하여 전체 열처리 중 처리 부품의 무게가 차지하는 비중 향상 가능
㉠지그의 칼로라이징(Calorizing)처리
㉡탄소섬유강화재료(CFC, Carbon-Fiber-reingorced Composites) 지그 사용

로 내벽에 단열 코팅 처리(열방사 코팅재)를 통한 내부로부터 복사열 최소화 기술

SCR을 활용한 전력제어

다이리스러(Thyristor)라 불리는 실리콘 소자인 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여 전력을 제어함

SCR은 고전압 대전류 제어가 용이하고 신뢰성이 높기 때문에 가열 중 설정 온도가 저하되지 않도록 할 수 있음

SCR로 출력이 저하됨에 따라 에너지 비용을 절감할 수 있음

에너지 효율 관리방안

현재 에너지 사용량에 대한 주기적 확인

과도한 분위기 가스 사용 및 분위기 가스 방출 최소화

처리제품 조직 관리에 기초한 열처리 공정 최적화

로체의 주기적 관리 및 입구부 개선

로 개폐시간 최소화

회수한 폐열을 승온이 필요한 공정에 활용하여 에너지를 효율적으로 사용

단열재를 이용한 열처리로 외벽 열 손실 방지

전기히터를 가스버너로 변경 시 에너지 효율 30% 향상 가능

가스버너를 활용한 온도 유지관리 및 분위기 열처리 시 유지 공정 확보

가스버너의 사용 효율을 높이기 위한 연료와 산소비율 관리

스마트화 방안

에너지 예측 시스템 : 설비별 Heat Pattern 분석을 통한 기업의 사용전력 예측, 최적의 설비 가동안 제시

작업자에 의한 관리를 원격으로 관리하기 위한 자동화 및 원격제어 시스템 구축

IoT, H2M, M2M 등 기술조합

문제발생 대응시스템 구축

구축사례 사업명 설비의 첨단화와 자동화를 이루는 자동 공정제어 복합열처리 시스템 구축
사업내용 추진내용

기존 10개 이상으로 나누어져 있는 열처리 공정을 4개로 줄임

설비의 첨단화와 자동화를 이루는 자동제어 복합열처리 시스템을 구축함

세부내용

진공을 기반으로 한 열처리 장비로 고압Q/T처리, 침탄, 질화, 사전 질화 후 침탄 등 4개의 공정을 진행하는 설비 제작

퀜칭가스를 일반적인 질소가스 외에 특수가스 헬륨 및 아르곤을 보강하여 다양한 강종의 열처리에 활용

보안 라우터를 통해 모바일 및 PC로 설비를 제어하여 관리 용이

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공정설명 가스침탄의 경우 침탄로 내의 분위기를 제어하여 처리품의 표면에 탄소를 침투시킨 후, 이를 내부로 확산하여 소정의 침탄 깊이를 얻는 공정이며, 진공침탄의 경우 진공 중에서 가스 투입 방법에 따라 일정유량 투입상, 펄스침탄식이 있으며 설비적으로 콜드월 타입, 핫월 타입으로 구분함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 분위기, 설정값

분위기는 변성가스법, 메탄올적주법, 이를 응용한 분위기 열처리법과 진공침탄법, 플라즈마 침탄법 등이 있음

대기압 중의 분위기 침탄법에는 산소센서를 이용한 분위기 측정제어가 가장 많이 사용되고 있으며, 그 외에 노점측정법, CO2분석법 등도 일부 사용함

침탄 시의 CP를 다소 높게(1.1~1.3%)로 하고 확산 시에는 0.6~0.7% 등으로 하여 침탄시간을 단축시키고, 품질을 향상시킬 수 있는 방법도 있음

침탄 및 확산 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

공정 싸이클 시뮬레이션

열처리 공정 중 상변화 과정을 모델링하고 최적의 재료를 선택함. 선택된 재료에 대한 특성을 예측하고 열처리 공정 설계에 사용할 수 있음

특성예측프로그램(Property Prediction Program)과 공정설계프로그램(Process Planning Program 혹은 Recipe Program)으로 나눌 수 있음

시뮬레이션을 통해 제품의 품질 및 에너지 사용 등을 손쉽게 최적화 할 수 있음

그 외 재료선택, 열처리비용 산출 등 여러 효과가 있으며, 숙련된 기술자에 대한 의존도도 낮출 수 있게 됨

분위기 가스 변경을 통한 효율성 확보

분위기 가스를 최소화하기 위한 진공열처리 및 저압분위기 열처리 기술 개발

열처리 시 재료의 산화방지를 위해 열처리분위기 보호가스로 RX 가스의 사용은 예전부터 이용되어 왔음

그러나 RX가스의 생성에는 변성을 위해 변성로와 1050℃까지 승온을 유지할 수 있는 열원이 필요함

반면, 메탄올을 직접 로 내에 주입하는 적주타입의 분위기 관리법에서는 변성로가 필요치 않아 열처리 시 생산 원단위를 줄일 수 있음

변성로 방식의 분위기 제어방식을 적주식 등 신규 분위기 가스를 이용한 방식으로 변경하여 효율 향상

분위기 가스 최소화를 위한 Zero flow 기술 구체화

산질화 기술 등 대체공정 기술 확보(6가 크롬 도금 등 습식표면처리기술 2020년부터 EU 수입 전면 금지)

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공정설명 침탄 및 확산이 완료된 처리품은 오스테나이트 조직으로 되어 있으므로 이를 급랭하여 마르텐사이트화함으로서 경화층을 얻는 공정임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 냉매의 종류 및 온도 선정, 퀜칭 시간 및 방법

냉매의 종류는 물, 수용성퀜칭유, 일반퀜칭유, 염욕, 납욕, 고압가스 등이 있음

냉매의 온도는 요구사양 및 재질, 형상에 따라 상온, 콜드유(약 60℃), 세미핫유(약 100℃), 핫유(약 130℃), 염욕 및 납욕(200~500℃) 등이 있음

제품의 크기 형상에 따라 퀜칭 시간은 10분에서 30분 정도까지 소요되며, 제품이 충분히 퀜칭되었을 때는 가능한 빨리 종료시키는 것이 좋으나, 오스템퍼링 등의 경우에는 30분에서 4시간 까지 유지시간이 길어질 수 있음

퀜칭방법은 침지, 분사, 냉매침지 중 분사, 상하방향 가스분사, 원주방향 가스분사 등이 있음

퀜칭 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 공정 싸이클 시뮬레이션

열처리 공정 중 상변화과정을 모델링하고 최적의 재료를 선택함. 선택된 재료에 대한 특성을 예측하고 열처리 공정 설계에 사용할 수 있음

특성예측프로그램(Property Prediction Program)과 공정설계프로그램(Process Planning Program 혹은 Recipe Program)으로 나눌 수 있음

시뮬레이션을 통해 제품의 품질 및 에너지 사용 등을 손쉽게 최적화 할 수 있음

그 외 재료선택, 열처리 비용 산출 등 여러 효과가 있으며, 숙련된 기술자에 대한 의존도도 낮출 수 있게 됨

효율화 방안 : 퀜칭공정 최적화

각 담금질 퀜칭제의 종류, 교반, 온도, 열화, 오염 등의 조건에 따라서 처리물의 품질 및 그 산포가 결정됨

퀜칭제별 열전달 계수의 측정과 D/B화는 이미 일본, 미국, 유럽 등지에서 수행하여 시뮬레이션 프로그램이 개발된 상황임

한국의 경우 시뮬레이션 프로그램은 산, 학 1개소에서 개발된 상황이나 프로그램 구현을 위한 퀜칭제의 종류별 퀜칭특성과 열전달계수의 여러 조건별, 실제 처리물을 이용한 측정과 DB구축은 부족한 상황임

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공정설명 제품에 부착된 열처리 유 등을 제거하는 단계임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 세정제, 시간, 방법

퀜칭 냉매상태에 따라 온수, 알칼리계, 탄화수소계 등의 세정제를 선택하여 사용하며, 가스 퀜칭의 경우에는 후세정이 생략될 수도 있음

침지, 분사 상하요동, 초음파 등의 방법을 사용함

후세정 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 퀜칭처리한 강은 급냉으로 인해 내부에 응력이 남아 있고, 또 새롭게 형성된 마르텐사이트 조직은 강하지만 부서지기 쉽기 때문에 템퍼링(변태점 이하로 가열 유지)을 통해서 필요로 하는 물성을 부여함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 온도 및 시간, 냉각방법

템퍼링 온도는 응력제거의 경우 150~200℃ 내외, 인장강도를 얻기 위해서는 500~600℃의 온도에서 템퍼링을 수행함

최종 요구경도에 적합한 온도을 설정하여야 하며, 다음 공정으로 질화처리를 하는 경우는 질화온도보다 30~50℃ 높게 템퍼링을 실시해야 질화 후의 변형을 방지할 수 있음

냉각방법은 공랭을 원칙으로 하지만 탄소강을 500℃ 이상의 고온으로 템퍼링하는 경우는 저온취성을 방지하기 위해 물에 급랭시키는 것이 좋음

템퍼링 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 열처리 각 공정은 별도의 장치에서 수행되므로 각 장치간 이동이 필요함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 자동 무인화

공정의 안정 및 공장 안전 효율화를 위해 자동 무인화 공정의 도입이 필요함

공정간 이동 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 처리가 완료된 제품은 요구되는 미세조직과 경도, 외관, 변형 등의 고객 요구사항을 만족시키기 위한 검사를 실시하여 출하함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 자동화

검사를 신속하고 정확하게 하기 위해 자동화를 도입하는 사례가 증가하고 있음

크랙검사 자동화, 경화깊이 측정의 자동화가 일부 소개되고 있으며 앞으로 계속 연구해 나가야 할 항목임

검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 변형 최적화 기술

열처리공정 시 변형은 가열과 퀜칭 시에 발생하는 열응력 및 변태응력과 더불어 제강·단조·기계가공 등 일련의 가공방법, 열처리 준비 작업 등의 여러 변수를 수반하고 있음

독일의 경우 이러한 상기 공정의 영향에 대한 조사와 연구가 여러 산·학·연 단위로 진행되어 변형에 대한 대응방안을 강구하고 있음

담금질 퀜칭 시 변형의 최적화 관리는 전체 공정비용 및 처리물의 산포 감소뿐만이 아니라 신뢰성 확보 측면에서 해결해야 할 과제임

퀜칭 측면에서 CFD를 활용한 유체의 해석과 실제 현장에의 적용이 필요함

구축사례 사업명 불량률 저감 및 표면 품질 향상 쇼트 공정 최적화를 위한 자동화
사업내용 추진내용
쇼트 작업시 슬롯부의 찍힘을 방지하기 위한 쇼트방법 개선
세부내용
(1) MESH TYPE 방식을 적용하여 구동하는 MESH 위에 제품을 적재시키면 MESH가 적재된 제품을 이송하여 쇼트볼이 타격되는 지점에 제품이 도달하였을 때 제품 표면을 타격하여 스케일을 제거하는 방식으로 제품의 찍힘 및 변형 최소화
(2) 인터버를 설치하여 제품의 특성에 맞도록 쇼트볼의 속도를 제어하여 찍힘 최소화 및 변형 최소화를 동시에 만족시킴
※ 애로사항 및 해결방안
(1) 애로사항
1. 쇼트볼 이동통로(스크류)의 간섭으로 인하여 하단에 부착할 임펠러의 조립 불가
- (원인) 설계시 CAD 프로그램에서 임펠러 모터의 부착위치 간섭여부 확인 못함
2. 쇼트중에 벌생하는 미세먼지를 필터링하는 집진기와 쇼트기와의 단차로 조립 불가
- (원인) 실제 도면과 실제품의 가공편차 발생

(2) 개선결과
1. 쇼트볼 이동 통로의 최소 간섭구간 절개하여 임펠러 부착
2. 세라믹포 제작 후 집진기 배관과 쇼트기 배관 연결
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1. 질화열처리

철강제품 표면에 질소를 공급할 수 있는 분위기를 조성하여 미리 정한 온도에서 정해진 시간동안 유지시켜 미세조직을 변화시키는 조작을 함

질화열처리 일반공정

  • 입고검사
  • 단취
  • 전세정
  • 가열
  • 질화
  • 퀜칭
  • 후세정
  • 후가공
  • 공정간이동
  • 검사
* 각각의 공정을 클릭하시면 보다 상세한 정보를 확인해 보실 수 있습니다.
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공정설명 외관, 치수, 수량 등 제품의 이상유무를 파악하는 단계로 전처리 이력을 파악하고 기본적인 소재 경도, 치수 등을 측정하여 작업 부합여부를 확인함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 제품이상 유무, 외관, 치수, 수량, 전열처리

밀시트 확인 혹은 불꽃테스트로 재질이상 여부를 확인함

고객사와 협의된 표준에 의해 외관 및 치수를 확인함

입고 태그, 또는 입고장에 기록된 수량과의 차이를 확인함

입고 제품의 경도를 측정하여 Q/T 열처리가 적합하게 실시되었는지 확인함

입고검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

입고검사 용 측정장비 구축

열처리 전의 이력이 열처리를 한 후의 결과에 지대한 영향을 미치므로 필히 경도, 치수 등 열처리전의 이력을 측정하고 기록유지함

육안 혹은 In-Line 검사 방안 구축 : 표면얼룩, 찍힘 및 이물질 등

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공정설명 후공정을 진행하기 위하여 제품을 지그에 균일하게 장착하는 단계로 적정 지그를 사용하여 적절한 적재방법을 적용하였는지 확인함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 지그 표준화, 적재방법, 적재수량

각 제품의 형상과 크기에 따른 전용지그를 설계 제작하여 사용하며, 주기적으로 지그의 변형 및 파손상태를 파악하여 관리하여야 함

작업표준에 정해진 대로 적재형상 및 수량을 맞추어 적재함

단취 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

단취 공정 고려사항

제품간격이 적절한지 주의하고 열전달, 온도균일성, 가스흐름, 퀜칭, 적재 하중의 지지 및 안정성 등을 고려함

구축사례 사업명 소물 부품의 열처리 사전준비 작업 자동화
사업내용 추진내용

작은 처리품(소물)을 서로 닿지(겹치지) 않도록 하면서 다량 적재를 가능하게 하는 와샤(Washer) 작업(SUS봉에 처리품과 와샤를 하나씩 교대로 끼어넣는 작업)을 자동화

세부내용

준비공정에서 작업대 정렬작업을 자동화

완전 자동화 된 공정을 통해 인력관리 및 제품품질관리 안정성 강화

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공정설명 질화 열처리가 잘 이루어지기 위해서 질소가 표면을 통과하여 내부로 확산되어야 하므로 표면의 이물질을 제거하여 깨끗한 표면을 준비하는 단계임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 세정제, 시간, 방법

전공정의 오염상태에 따라 온수, 알칼리계, 탄화수소계 등의 세정제를 선택하여 사용하며, 경우에 따라서 로 안에서 번오프(Burn-off)시켜서 전세정을 대신하는 방법도 있음

침지, 분사 상하요동, 초음파 등의 방법을 사용함

전세정 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

구축사례 사업명 자동차,기계 부품의 열처리 전,후 세척 및 쇼트라인 자동화
사업내용 추진내용

작업환경 개선을 위한 세척 및 쇼트 라인 자동화

기존 수작업 공정을 컨베이어 이송장치를 이용해 자동화

세부내용

기존 수작업 환경에서 작업 유해물질 노출로 인한 기피공정인 세척공정에 자동화 시스템과 함께 밀폐형 세척실을 도입하여 공정 및 작업환경 개선

세척 바스켓에 제품 적취 후 4개의 세척조별 제품을 이송하는 일련의 이송공정을 실린더 구동방식으로 자동화함으로써 세척공정을 일정하게 유지하여 세척 균일성을 확보하고 품질향상을 위한 기반 마련

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공정설명 제품을 질화처리 온도까지 미리 정한 온도 프로파일을 따라 승온하는 단계로 처리품의 형상 및 재질에 따라 열전도율과 같은 물리적 상수 값들이 다르므로 모든 배치를 동일한 가열 프로파일을 적용할 수 없으므로 350~400도 부근에서 잠시 유지하여 온도의 편차를 줄인 후 작업온도인 500~580도로 상승하는 것이 일반적인 형태임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 가열속도, 가열원, 활성화

제품의 형상 및 크기에 따라 가열속도를 지정할 수 있고 일반적인 경우는 설비의 가열용량에 따라 가열속도가 정해지므로 가열속도가 너무 빠른 경우에는 인버터에 의한 가열속도 조절, 다단 가열 등을 이용할 수 있음

가열원은 주료 전기, 가스 등을 사용하며 직접가열과 간접가열 방식이 있으므로 설비 사양 선정 시 용도에 맞는 가열원을 선정하여야 함

활성화 : 화합물층 생성과 질화반응을 촉진하기 위하여 표면상태를 조정하는 기능을 하며 보통 가열 중 300~400℃의 온도 범위에서 일정시간 공기등을 투입하여 실시함

가열(승온) 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

가열로 내 위치별 온도편차를 측정할 수 있도록 설비 구축

통상 ±7.5℃로 규정하고 있으나, ±5℃ 이내로 유지하기 위해 소위 9점 테스트를 실시해 보는 것이 필요함

벨트식 연속로의 경우는 좌, 우, 중앙 등 3점 연속 측정(가열시작부터 가열완료까지)할 필요가 있음

하이브리드 절전형 열처리로

가스와 전기의 두가지 열원을 갖는 하이브리드 절전형 열처리로가 있음

연속로의 경우 2/5 위치까지 가스를 열원으로 하여 제품의 차가운 부분을 빠르게 가열하고, 3/5부분은 전기로 열처리 하므로 약30% 에너지 절감되는 시스템

금속열처리부재를 자동공급부로부터 이송되어 디핑(Dipping)과 스프레이(Spray)방식으로 세정하는데 로의 앞부분에서 나오는 열을 집합하여 디핑이나 스프레이로 사용하므로 에너지를 절감함

로체 소재 관리 기술

로체를 기존 벽돌에서 세라믹 계열의 고효율 소재로 개선

로의 치구를 고밀도 소재 및 가벼운 소재로 변경하여 전체 열처리 중 처리 부품의 무게가 차지하는 비중 향상 가능
㉠지그의 칼로라이징(Calorizing)처리
㉡탄소섬유강화재료(CFC, Carbon-Fiber-reingorced Composites) 지그 사용

로 내벽에 단열 코팅 처리(열방사 코팅재)를 통한 내부로부터 복사열 최소화 기술

SCR을 활용한 전력제어

다이리스러(Thyristor)라 불리는 실리콘 소자인 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용하여 전력을 제어함

SCR은 고전압 대전류 제어가 용이하고 신뢰성이 높기 때문에 가열 중 설정 온도가 저하되지 않도록 할 수 있음

SCR로 출력이 저하됨에 따라 에너지 비용을 절감할 수 있음

에너지 효율 관리방안

현재 에너지 사용량에 대한 주기적 확인

과도한 분위기 가스 사용 및 분위기 가스 방출 최소화

처리제품 조직 관리에 기초한 열처리 공정 최적화

로체의 주기적 관리 및 입구부 개선

로 개폐시간 최소화

회수한 폐열을 승온이 필요한 공정에 활용하여 에너지를 효율적으로 사용

단열재를 이용한 열처리로 외벽 열 손실 방지

전기히터를 가스버너로 변경 시 에너지 효율 30% 향상 가능

가스버너를 활용한 온도 유지관리 및 분위기 열처리 시 유지 공정 확보

가스버너의 사용 효율을 높이기 위한 연료와 산소비율 관리

스마트화 방안

에너지 예측 시스템 : 설비별 Heat Pattern 분석을 통한 기업의 사용전력 예측, 최적의 설비 가동안 제시

작업자에 의한 관리를 원격으로 관리하기 위한 자동화 및 원격제어 시스템 구축

IoT, H2M, M2M 등 기술조합

문제발생 대응시스템 구축

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공정설명 절화 열처리 공정은 특히 순질화 공정은 로 내에 암모니아 혹은 질소+암모니아 혼합 가스를 투입하여 제품 표면에 질소를 공급 내부로 확산시키는 공정이며, 주요 공정변수는 온도, 시간 및 질화포텐셜(KN)이 있음
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 분위기 제어 및 측정방법, 설정값

분위기는 암모니아, 암모니아와 분해된 암모니아를 투입하여 질화포텐셜을 제어하고, 수소센서 혹은 뷰렛방식으로 측정함

표면 화합물층의 종류와 두께를 제어하기 위해서는 Lehrer Diagram을 이용하여 적절한 질화포텐셜을 선정할 수 있음

질화 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 질화시뮬레이션

고객 요구사항에 대해 질화 시뮬레이션을 통해 5분 내로 작업 조건 및 예상 결과를 도출할 수 있음

또한 유사 재질을 이용한 경우가 있다면 더욱 경제적인 공법 혹은 재질 선택이 가능함

질화시뮬레이션 세부기능
㉠최대 3단 질화 열처리 가능
㉡템퍼링 해석 기능(500~700℃ 범위)
㉢주요국 한국/일본/미국/독일의 약 70개 강종 계산
㉣시뮬레이터, 레시피, 분위기 해석 모듈
㉤실험데이터 비교 기능
㉥주요 파라미터 데이터베이스 보정 기능
㉦보고서 출력기능

효율화 방안 : 상제어 질화기술

질화에 의해 형성되는 질화층의 대표적인 두 상(ε상, г 상)은 각각 고유한 특성을 지니고 있으며, 부품의 적용 환경에 따라 이 두 상의 형성을 제어할 수 있다면 부품의 우수한 성능 확보 및 품질 고도화가 가능하게 됨

각 상의 안정범위는 질화로 내 질화포텐셜(Kn), 공정 온도, 그리고 소재의 합금원소(탄소)에 따라 상이하게 되며, 이 변수들의 정확한 제어 및 최적화를 통해 원하는 상의 형성을 제어할 수 있음

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공정설명 빠른퀜칭이 전체적인 공정시간을 줄이기 되므로 퀜칭 중 열교환기를 사용하여 제품을 퀜칭시키는 방식을 주로 사용하며, 그 외 리토르트(retort)를 로에서 크레인 등을 이용 직접 제거하여 빠른 퀜칭을 하는 방법도 사용함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 퀜칭방법

보통 합금강의 경우 열교환기를 사용하여 1기압 가스퀜칭을 실시함으로써 퀜칭시간을 단축할 수 있음

저탄소강 질화 후에는 오일퀜칭이 일반적이며, 화합물층의 관리를 위해서는 퀜칭 중 질화포텐셜을 유지하면서 퀜칭되어야 함

퀜칭 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 공정 싸이클 시뮬레이션

열처리 공정 중 상변화과정을 모델링하고 최적의 재료를 선택함. 선택된 재료에 대한 특성을 예측하고 열처리 공정 설계에 사용할 수 있음

특성예측프로그램(Property Prediction Program)과 공정설계프로그램(Process Planning Program 혹은 Recipe Program)으로 나눌 수 있음

시뮬레이션을 통해 제품의 품질 및 에너지 사용 등을 손쉽게 최적화 할 수 있음

그 외 재료선택, 열처리 비용 산출 등 여러 효과가 있으며, 숙련된 기술자에 대한 의존도도 낮출 수 있게 됨

효율화 방안 : 퀜칭공정 최적화

각 담금질 퀜칭제의 종류, 교반, 온도, 열화, 오염 등의 조건에 따라서 처리물의 품질 및 그 산포가 결정됨

퀜칭제별 열전달 계수의 측정과 D/B화는 이미 일본, 미국, 유럽 등지에서 수행하여 시뮬레이션 프로그램이 개발된 상황임

한국의 경우 시뮬레이션 프로그램은 산, 학 1개소에서 개발된 상황이나 프로그램 구현을 위한 퀜칭제의 종류별 퀜칭특성과 열전달계수의 여러 조건별, 실제 처리물을 이용한 측정과 DB구축은 부족한 상황임

구축사례 사업명 중요 기간산업용 장비 부품의 열처리 냉각 공정
사업내용 추진내용

규격의 대형화 및 제품의 다양화라는 수요에 부흥하고, 대형 제품의 고품질 열처리 요구에 대응하기 위해 대형 열처리 냉각제어설비와 관련한 통합 스마트제조공정시스템 구축

세부내용

제품의 재질, 형상별 제어시스템을 통해 부품별 정밀한 시간 제어

신 냉각제 적용과 제어 및 장비설계구축을 통한 조직 확보

탈탄 및 스케일 방지 시스템을 통해 공정시간 단축과 변형방지를 위한 설비와 관리 시스템 개발

구축사진
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공정설명 제품에 부착된 열처리 유 등을 제거하는 단계임
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 세정제, 시간, 방법

퀜칭 냉매상태에 따라 온수, 알칼리계, 탄화수소계 등의 세정제를 선택하여 사용하며, 가스 퀜칭의 경우에는 후세정이 생략될 수도 있음

침지, 분사 상하요동, 초음파 등의 방법을 사용함

후세정 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 필요시 고객의 요구에 따라 표면조도를 일정하게 제어함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 표면조도

요구 표면조도에 따라 사포, 브러쉬 등을 사용하여 실시함

후가공 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 열처리 각 공정은 별도의 장치에서 수행되므로 각 장치간 이동이 필요함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 자동 무인화

공정의 안정 및 공장 안전 효율화를 위해 자동 무인화 공정의 도입이 필요함

공정간 이동 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

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공정설명 처리가 완료된 제품은 요구되는 미세조직과 경도, 외관, 변형 등의 고객 요구사항을 만족시키기 위한 검사를 실시하여 출하함
설비 구축시 고려사항 관리요소 : 자동화 건조시간, 열풍순환

측정항목으로 화합물층 두께 및 종류, 기공률, 표면경도, 심부경도, 질화층 깊이, 제품치수 등이 있음

광학현미경(X200 이상) 및 미소경도계를 사용하여 미리 정한 표준검사항목 및 방법대로 실시함

검사 관리요소에 부합하는 설비 구축을 고려해야 함

효율화 방안 : 변형 최적화 기술

열처리공정 시 변형은 가열과 퀜칭 시에 발생하는 열응력 및 변태응력과 더불어 제강·단조·기계가공 등 일련의 가공방법, 열처리 준비 작업 등의 여러 변수를 수반하고 있음

독일의 경우 이러한 상기 공정의 영향에 대한 조사와 연구가 여러 산·학·연 단위로 진행되어 변형에 대한 대응방안을 강구하고 있음

담금질 퀜칭 시 변형의 최적화 관리는 전체 공정비용 및 처리물의 산포 감소뿐만이 아니라 신뢰성 확보 측면에서 해결해야 할 과제임

퀜칭 측면에서 CFD를 활용한 유체의 해석과 실제 현장에의 적용이 필요함