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열처리 산업의 뿌리 강화 방안
 
친환경으로 거듭나는 열처리
 
김유리기자 | 2013.02.01 | 2013년 2월호
 
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‘뿌리산업 알아가기’ 연재가 어느덧 마무리를 앞두고 있다. 그간 공정환경을 개선하는 주조, 기술경쟁력을 강화하는 단조, IT와 결합한 용접•접합, 무역 흑자를 내는 금형을 차례로 다뤘다. 이번 열처리 편에서는 친환경이 라는 키워드로 뿌리산업에 다가가려 한다. 최근 열처리산업은 환경규제로 에너지 저감과 환경친화적 공정으로의 전환 요구를 받고 있다. 이에 열처리 산업의 친환경화에 대해 알아보았다.
열처리의 정의
‘참구이’. 재벌구이라고도 하는 이 작업은 도자기를 만들 때 가장 중요한 작업이다. 고온으로 구워내는 과정에서 도자기의 강도와 빛깔이 결정되기 때문이다. 이처럼 금속에 열을 가하는 열처리 역시 재료의 최종 물성을 좌우하는 중요한 과정이다. 열을 가하고 냉각하는 사이클을 통해 제품의 최종 품질수준을 결정하는 고부가가치 기술이 바로 열처리다. 열처리는 단순히 온도만 올렸다 내리는 것이 아니라 온도를 얼만큼 올렸다가 유지하고 얼마나 빨리 냉각하느냐에 따라 다른 결과물이 나오기 때문에 어렵고 까다로운 작업이다.
 열처리는 열을 가하는 부분이 전체인지 표면인지, 소재가 무엇이고 어디에 쓰이느냐에 따라 방법이 다르다. 열처리 방법은 전체를 단단하게 하는 전경화와 표면 경도만 강화하는 표면열처리로 나뉜다.
 QT(Quenching & Tempering), 침탄, 질화가 대표적이다. 여기서 QT는 전경화에, 침탄과 질화는 표면열처리에 해당된다. 열처리 공정은 자동차산업에서 많이 쓰이며, 특히 기어나 금형 등 마모되거나 깨지기 쉬운 부품의 강도를 높이기 위해 열처리를 한다. 최근 에너지소비가 높고 유해물질 발생이 많은 열처리 산업에 친환경화에 대한 요구가 강해지면서 고주파 열처리 등 친환경 요소를 도입한 공법들이 등장하고 있다.
열처리 방법
QT(Quenching & Tempering)
 퀀칭은 금속을 고온에서 가열한 후 기름이나 물에 넣어 급속히 식히는 담금질이다. 템퍼링은 담금질 후 적당한 온도로 다시 가열하는 뜨임을 뜻한다. 다시 가열하는 이유는 담금질후 취성이 강해져 잘 깨질 수 있기 때문이다. 이처럼 담금질과 뜨임은 짝을 이뤄 작업 하기 때문에 이를 QT라고 한다.
 
 침탄(浸炭)
 강철의 탄소 함유량을 높이기 위해 탄소를 스며들게 하는 작업이다. 표면은 단단하게, 내부는 일반 경도에 맞춰 인성을 준다. 처리 온도가 높고 추가 열처리가 필요한 작업이다. 표면 경도는 질화보다 낮고 변형이 큰 편이다.
 
 질화(窒化)
 질소를 강에 침투시켜 표면을 단단하게 하는 방법이다. 공작물을 다듬질한 다음 500℃의 암모니아 가스에서 18~19시간 가열해 자연 냉각시킨다. 침탄보다 표면 경도가 높고 변형이 잘 생기지 않으며 내마모성과 내식성이 침탄보다 높다.
열처리와 친환경
열처리 산업의 친환경화가 절실한 이유는 에너지 다소비 산업이면서 오염물질 배출도가 높기 때문이다. 열처리 작업 시 주로 전기가 사용되는데, 전체 기계부품제조분야에서 소비되는 전기에너지의 20~50%는 열처리 산업이 차지한다. 이러한 상황에 전기 값이 올라 제조원가의 30~40%를 전기세로 지출하게 되었다(2012년 기준). 열처리에서 전기소비가 높은 이유는 가열로(爐)의 온도를 높게 유지 해야 하기 때문이다. 뿐만 아니라 유해가스 발생 문제 역시 시급하다. 침탄 공정에서 가스를 태울 때 이산화탄소가, 질화에서는 암모 니아가스가 발생해 문제가 된다. 우리나라 열처리 산업의 온실가스 배출 증가율은 98.7%(’00~’05)로 세계 1위이며 OECD 평균의 여섯 배에 달한다.
 이 문제를 해결하기 위해서는 고효율 열처리 공정 개발이 필요하다. 그 구체적 대안은 다음과 같다. 고효율 장비 개발, 후공정 생략,로 개폐와 사용중단 최소화, 전 공정의 잠열 사용 방안 등이 그것이다. 이밖에 열처리 공정에서 에너지 소비를 최소화하기 위해 가벼운 형태의 박판 제품을 열처리하고 대형품의 경우에는 국부 열처리를 하는 방안도 있다. 또한 QT나 침탄보다 고주파, 가스 질화가 유리하며 플라즈마 공정을 이용한 표면열처리 공정이 친환경적이다. 실제로 일본 W사의 경우 침탄으로 47m의 라인에 470분이 걸리던 작업 시간을 진공침탄과 고주파소입공정이 융합된 하이브리드 열처리를 이용해 라인을 26m로, 처리시간을 180분으로 줄인 사례도 있다.
친환경 열처리 기업 체험 – (주)영풍열처리
1친환경 열처리 공정으로 작업환경이 깨끗하다.2공정단계 별 작업 정보를 전산화하여 문제 발생 시 추적이 가능하다.
실제로 열처리 업체에서 어떤 고효율·친환경 공정이 이루어지고 있는지 알아보기 위해 (주)영풍열처리를 찾았다. 영풍열처리는 진공 침탄·질화와 고주파 열처리를 하는 열처리 전문 기업이다. 이 업체에서는 친환경 열처리 공정뿐 아니라 전기사용량에 대한 자동제 어시스템을 구축하여 에너지 다소비에 대응하고 있었다. 또한 열처 리업계에서는 처음으로 각 공정마다 바코드 시스템을 도입하여 각작업 과정의 생산 날짜, 생산인 등의 정보를 전산화하여 문제 발생시 추적을 가능케 하기도 했다. 친환경, 고효율, 에너지 저감을 모두 고려한 열처리 기술의 고급화가 이루어지고 있었다. 이에 영풍열처 리의 대표적인 두 공정을 소개해 본다.
 
 첫 번째 공정은 진공 퍼지식 가스 연질화(Vacuum Purge Type Gas Softnitri ding)열처리다. 작업물을 480~600℃로 가열하여 표면에 질소와 탄소를 확산시키는 원리로 이루어진다. 이 공법의 특징은 표면경도와 피로한도를 짧은 시간 안에 향상시킬 수 있다는 것이다. 저온에서 처리하기 때문에 변형이 적어 후가공이 필요 없고 내식성, 내마모성, 내열성, 내구성이 향상된다. 침탄과 질화의 효과를 얻을 수 있기 때문에 조직이 안정적인 고품질 열처리 방법이다. 또한 환경적 부담을 줄이면서 동등 이상의 품질을 얻을 수 있어 효율 적이다. 공정 순서는 다음과 같다. 수입검사 후 제품 세척을 한 다음 용접 부위에 연질화 방지제를 발라 가스 연질화 작업을 거친다.
 완성품은 제품 외관은 물론 표면 경도 등 품질 검사를 한다. 마지막으로 연질화 방지제 잔존 여부를 확인하는 샌딩 과정을 거친 후 출하한다.
 
 두 번째 공정은 진공 퍼지식 가스 침탄(Vacuum Purge Type Gas Carburizing)열처리다. 이 공정은 기존 방식에 비해 침탄 속도와 제어 정밀도가 좋다. 침탄보다 강도가 높아 고급재료의 열처리 작업에 적용되는 공법이다. 일반 침탄 공정에 비해 가스 사용량이 1/10으로 줄어 원가를 절감할 수 있고 환경친화적이다. 침탄 열처리를 거친 후에는 두 번째 열처리로 고주파 열처리를 한다. 고주파 공정에서 가스 없이 열만 올렸다 내리기 때문에 유해가스가 감소해 이역시 친환경적이다. 전체 작업 공정의 마지막에는 열처리로 인한 변형 혹은 이상 유무를 검사한다. 검사 시 비커스 경도계, 2차원 측정 기, Mounting press 등 열처리 결과에 대한 측정 장비를 이용하여 품질 검사를 한다. 검사 결과는 생산부와 검사부의 주기적인 회의를 통해 공유되며 서로 영향을 주고 받는다.
뿌리산업의 친환경화 가능한가?
열처리는 금속제품의 품질을 높이는 데 필수불가결한 작업이다. 그러나 열처리 산업은 높은 에너지 비용에 따른 경영의 어려움, 고급 소재의 수입단가로 인한 원가상승, 열악한 장비제작능력이라는 문제를 안고 있다. 물론 개선의 여지는 있다. 특히 열처리는 자동차 산업과 밀접한 만큼 이와 동반 발전할 가능성이 있어, 자동차 산업의 호황으로 열처리 역시 기술력 상승과 산업 성장에 대한 기대가 크다. 열처리 산업은 중국을 앞서는 로 제작 기술이 국산화되어 있으며 생산성 역시 일본과 미국에 이은 세계 5위로, 선진국의 기술 이전이 상당한 수준이다. 이처럼 가공과 생산에 대한 인프라가 갖춰져 있으므로 기술력이 받쳐준다면 충분한 성장이 가능하다.
 이를 위해 필요한 기술력이 바로 친환경이다. 열처리 산업에서의 친환경화를 위해서는 열처리 변형을 줄여 재료를 아끼고 기계수명을 늘리는 것, 에너지와 CO₂ 저감 기술을 확보하는 것이 관건이다. 선진국의 경우 친환경·고효율·에너지 저감이라는 3E기술(High Efficiency, Environmental Friendly, Energy saving)로 열처리 기술의 고급화를 진행하고 있다. 중국 역시 무서운 속도로 성장하고 있다. 이러한 상황에서 경쟁력을 갖기 위해서는 앞서 언급한 3E, 즉친환경·고효율·에너지 저감 공정으로의 재편이 필요하다.
도움 주신 분
한국생산기술연구원 인천본부
 문경일 공학박사
 Tel : 032–8500–263
 E-mail : kimoon@kitech.re.kr
 이원범 공학박사
 Tel : 032–8500–267
 E-mail : Wbeom70@kitech.re.kr
 
 영풍열처리
 김용달 상무
 Tel : 053–592–2271
 E-mail : dyspace@hanmail.net

 
TAG :  뿌리산업  열처리
 
 
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