강철 열처리 분위기 및 표면 보호

열처리 분위기가 실제로 제어하는 것

화학적 경계 조건으로서의 분위기

열처리 분위기는 단순히 노 내부를 채우고 있는 기체가 아닙니다. 이는 장입물이 가열되고, 유지되며, 냉각되는 동안 강철 표면에 형성되는 반응성 환경입니다. 분위기의 조성은 산화, 환원, 침탄, 탈탄 및 기타 표면 반응이 진행되는 화학적 경계 조건을 결정합니다. 강철은 노 제어기의 온도 표시값만이 아니라 해당 국소 환경에 반응합니다.

고온에서는 기체가 표면과 원자를 교환합니다. 산소를 포함하는 종은 산화철을 형성하여 스케일을 생성할 수 있습니다. 수증기는 산화를 촉진하고 탄소 손실에 기여할 수 있습니다. 탄소를 포함하는 종은 기체 반응과 강철 내 탄소 활성도의 균형에 따라 표면의 탄소를 보충할 수도 있고 제거할 수도 있습니다. 따라서 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 메탄, 산소 및 수증기는 단순히 “보호성” 기체를 나타내는 명칭이 아니라 반응에 참여하는 종으로서 중요합니다.

산화는 스케일을 생성하는 반면, 표면층에서 탄소가 손실되면 탈탄이 발생한다. Strong evidence

미국 상무부 국립표준국의 핸드북 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel (1966)은 표면에서 발생하는 두 가지 주요 위험을 직접적으로 제시합니다. 산화는 스케일을 생성하고, 표면층에서 탄소가 손실되면 탈탄이 발생합니다. 또한 연소 생성물에 포함된 수증기가 유해하다고 설명합니다. 이러한 영향은 서로 연관되어 있지만 동일하지는 않습니다. 표면에 눈에 띄는 스케일이 거의 없더라도 탄소 분포가 변할 수 있습니다. 반대로 부품이 탄소의 상당 부분을 유지하면서도 치수 관리, 검사, 용접 또는 후속 마무리 작업을 방해하는 산화 피막을 가질 수 있습니다.

탄소 포텐셜탄소 포텐셜 특정 온도에서 분위기가 부여하는 탄소 활성도로서, 탄소가 강철 표면으로 들어가려는지 또는 표면에서 빠져나가려는지를 나타낸다.

탄소 포텐셜은 지정된 온도에서 오스테나이트강에 탄소를 첨가하거나 강으로부터 탄소를 제거하려는 분위기의 경향을 실무적으로 나타낸 값입니다. 기체의 유효 탄소 활성도가 강철 표면보다 낮으면 탄소가 외부로 확산되어 탈탄이 진행됩니다. 기체의 유효 탄소 활성도가 더 높으면 탄소가 표면으로 유입되어 침탄이 발생할 수 있습니다. 두 활성도가 균형을 이루면 탄소 이동에 관해서 분위기는 대략 중성 상태가 됩니다. 그러나 그 결과는 시간, 온도, 합금 조성, 기체 유량 및 표면 상태에도 좌우됩니다.

ASM International의 Furnace Atmospheres for Heat Treating 자료는 기체 반응, 주요 기체와 증기, 그리고 분위기와 관련된 강철 탈탄을 열처리의 핵심 주제로 다룹니다. ASM Handbook Volume 4B 또한 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 측정값 또는 관계식을 통해 탄소 포텐셜을 제어하는 방법을 설명합니다. 따라서 탄소 포텐셜 설정값은 분위기 측정을 대신할 수 없습니다. 관련 화학 상태는 여러 모니터링 변수로부터 추정할 수 있지만, 해당 변수들은 실제로 장입물에 도달하는 기체를 나타내야 합니다.

표면 반응은 냉각 중에도 계속될 수 있습니다. 적절한 분위기에서 오스테나이트화했다고 해서 장입물이 이러한 반응이 중요해지는 온도 이하로 내려가기 전에 산화성 또는 탈탄성 조건을 통과하지 않는다는 보장은 없습니다. 담금질 과정에서 고온의 강철이 수증기, 산소 또는 제어가 불충분한 기체에 노출될 수도 있습니다. 따라서 분위기 제어는 유지 구간뿐 아니라 전체 열 사이클에 적용되어야 합니다.

벌크 온도만으로는 충분하지 않은 이유

온도는 반응 속도와 상변태를 결정하지만 표면 화학 상태를 규정하지는 않습니다. 두 노의 장입물이 모두 850 °C를 표시하고 노에서 배출되더라도 기체 조건이 다르면 야금학적 결과가 달라질 수 있습니다. 한쪽은 제어된 탄소 포텐셜과 낮은 산화 경향을 가질 수 있지만, 다른 쪽은 스케일을 생성하고 탄소를 제거할 만큼 충분한 산소 함유 종이나 수분을 포함할 수 있습니다. 열전대 표시값만으로는 이러한 결과를 구별할 수 없습니다.

요구되는 결과에 명확한 표면 탄소 구배가 포함되는 경우 이러한 차이는 특히 중요해집니다. 경화를 위해 아공석 페라이트강을 가열하는 경우를 생각해 보겠습니다. 짧은 탈탄층은 담금질 중 영향을 받지 않은 중심부와 다르게 변태하여, 중심부가 의도한 오스테나이트화 온도에 도달했더라도 표면이 더 연해질 수 있습니다. 스케일이 제한적이면 부품은 육안 검사를 통과할 수 있지만, 경도 측정, 금속조직 검사, 내마모성 요구사항 또는 피로 요구사항에서는 불합격할 수 있습니다. 침탄용 강종에서는 과도한 탄소 이동도 마찬가지로 허용되지 않을 수 있습니다. 표면 경화층이 공정 사양에서 허용하는 것보다 더 깊어지거나 탄소 농도가 높아질 수 있으며, 잔류 오스테나이트, 탄화물 형성, 변형 및 치수 안정성에 영향을 줄 수 있습니다.

온도 균일성은 또 다른 잘못된 안도감을 줄 수 있습니다. 노 내부의 측정 구역 간 온도 편차가 작더라도 장입 배치, 순환, 도어 누설, 버너 생성물 또는 배기 분위기로 인해 공작물 표면은 서로 다른 기체 조건에 노출될 수 있습니다. 차폐된 열전대는 의도한 온도를 표시하는 반면, 개구부 근처의 부품은 산화성 기류를 받을 수 있습니다. 이 경우 제어기는 온도에 대해서는 정확하지만 공정 결과에 대해서는 잘못된 판단을 하게 됩니다.[1][1] Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes. Cambridge University Press. Cambridge University Press chapter, 2012. Cambridge University Press publication

Cambridge University Press의 장 “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes” (2012)은 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구별합니다. 이러한 구별은 중요합니다. 단조 전에 허용되는 스케일은 이후 가공 중 제거될 수 있지만, 최종 경화 후의 스케일이나 탈탄은 납품되는 부품의 특성을 직접적으로 변화시킬 수 있기 때문입니다. 제어되지 않은 산화성 분위기는 어느 경우든 스케일을 생성할 수 있으며 강철에서는 탈탄도 일으킬 수 있지만, 그 결과가 허용되는 정도는 서로 다릅니다.

표면 반응은 시간에도 좌우됩니다. 장입 또는 이송 중 잠시 발생한 조건 이탈이 어떤 형상에는 무시할 만할 수 있지만, 다른 형상에는 손상을 줄 수 있습니다. 얇은 모서리, 나사산, 날카로운 모서리 및 표면적이 큰 부위는 두꺼운 단면보다 더 빠르게 반응할 수 있습니다. 합금 원소가 산화 거동을 변화시킬 수는 있지만, 경계 조건을 제어해야 할 필요성을 없애지는 않습니다. 따라서 “노가 목표 온도에 도달했다”는 기록만으로는 불완전한 공정 기록입니다.

보호와 공정 제어의 차이

보호란 눈에 보이는 산화, 스케일 및 관련 표면 손상을 제한하는 것을 의미합니다. 공정 제어는 그보다 더 나아가, 분위기가 지정된 표면 화학 상태를 반복적으로 생성하도록 요구합니다. 이러한 차이가 외관상 깨끗한 부품과 야금학적으로 유효한 부품을 구분합니다.

질소가 풍부하거나 그 밖에 산화가 적은 환경은 눈에 띄는 스케일을 억제하면서도 탄소 포텐셜이 잘못되면 탈탄을 허용할 수 있습니다. 따라서 변색을 방지한다는 이유만으로 선택한 기체는 경화, 소둔, 노멀라이징 또는 침탄에 적합하지 않을 수 있습니다. 필요한 질문은 “표면이 광택을 유지했는가?”가 아닙니다. “표면이 허용된 방향과 양에 따라 산소, 탄소, 질소 또는 수소를 기체와 교환했는가?”가 올바른 질문입니다.

ASM International의 2017년 노 분위기 제어 자료는 두 가지 주요 제어 그룹을 제시합니다. 노 분위기 제어와 공급 분위기 제어입니다. 공급 분위기 제어는 노에 공급되는 기체 또는 기체 혼합물의 생성, 혼합, 순도, 압력 및 관련 조성을 관리하는 것입니다. 노 분위기 제어는 누설, 연소, 해리, 치구와의 반응 및 장입물과의 반응으로 공급 기체가 변화한 후 가열실 내부와 작업물 표면에 실제로 존재하는 상태를 관리하는 것입니다. 올바르게 조제된 공급 기체도 잘못된 노 분위기를 만들 수 있습니다. 반대의 경우도 가능합니다. 가열실의 측정값은 허용 가능한 것처럼 보이지만 공급 시스템이 불안정하여 다음 장입물이 다른 조건에 노출될 수 있습니다.

측정과 검증은 의도한 결과에 부합해야 합니다. 산소 포텐셜 또는 이슬점 관련 측정값은 산화 경향을 보여 줄 수 있으며, 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 관계식은 탄소 포텐셜 제어를 뒷받침할 수 있습니다. 측정 위치도 중요하고 응답 시간도 중요합니다. 기체 유입구 근처의 센서가 조밀하게 적재된 부품 주변의 분위기를 대표하지 못할 수 있습니다.

이러한 이유로 분위기 제어를 코팅 또는 후처리 사양과 혼동해서는 안 됩니다. ISO 17834:2003은 최대 1000 °C (1273 K)에서 부식 및 고온 산화에 대한 보호를 목적으로 하는 용사 금속 코팅을 다룹니다. ISO 12944-4:2017은 무도장, 용사, 아연도금, 전기도금, 셰라다이징 및 도장 표면을 포함하여 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 처리 등급을 다룹니다. 이러한 표준은 보호 표면 또는 그 준비 작업을 다루며, 오스테나이트화 중 탄소 포텐셜 제어를 대신하지 않습니다.

용접 및 관련 공정과 연계된 열처리의 경우, ISO 17663:2023은 주로 페라이트계 강재와 작업장 또는 현장에서 수행되는 작업을 대상으로 공기 중 또는 제어 분위기에서의 열처리에 대한 품질 요구사항을 규정합니다. 이 표준의 적용 범위는 핵심 사항을 뒷받침합니다. 즉, 분위기는 품질 관리 대상 작업의 일부입니다. 노 온도 기록만으로는 산화가 제한되었는지, 탈탄이 사양 범위 내에 머물렀는지, 또는 의도한 표면 탄소 분포가 열 사이클 동안 유지되었는지를 입증할 수 없습니다.

산화, 스케일 및 강철 표면

가열 중 스케일이 형성되는 방식

스케일은 가열된 강 표면이 노 내부의 산소 함유 물질과 반응하여 형성되는 산화물이다. 이 반응에는 자유 산소 기체만 필요한 것은 아니다. 수증기, 이산화탄소, 그리고 연소 생성물과 함께 유입되거나 누설 공기를 통해 들어오는 산소가 모두 반응에 참여할 수 있으며, 반응 속도는 온도, 노출 시간, 가스 조성, 강의 조성, 가열 전 표면 상태에 의해 좌우된다.

고온에서 표면의 철은 산소 함유 종으로 전자를 전달한다. 그 결과 뷔스타이트(wüstite, FeO), 자철석(magnetite, Fe₃O₄), 적철석(hematite, Fe₂O₃)과 같은 철 산화물이 형성될 수 있다. 이러한 상들은 반드시 동일한 비율로 존재하는 것은 아니며, 눈에 보이는 어두운 막을 단지 색상만으로 하나의 조성으로 규정할 수도 없다. 가장 바깥쪽 산화물은 금속에 인접한 층과 다를 수 있고, 합금 원소는 스케일 구조를 변화시키거나 별도의 산화물을 형성할 수 있다. 얇고 밀착된 막과 두껍고 균열이 있으며 느슨하게 부착된 스케일은 모두 “산화물”이지만, 야금학적 의미는 동일하지 않다.

미국 상무부 산하 국립표준국의 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel (1966)은 산화를 스케일의 발생 원인으로, 표면에서 탄소가 손실되는 현상을 탈탄으로 규정한다. 또한 연소 생성물에 포함된 수증기를 유해한 요인으로 설명한다. 이러한 구분은 산화와 탈탄이 동시에 발생할 수 있지만 동일한 반응은 아니라는 점에서 중요하다. 산화는 표면 금속을 소모하거나 변환시키는 반면, 탈탄은 표면 바로 아래 강의 탄소 농도를 낮춘다. 따라서 노 조건에 따라 눈에 보이는 스케일층, 탄소 고갈 영역 또는 이 두 가지가 모두 형성될 수 있다.

가열 사이클이 진행됨에 따라 스케일 형성도 변화한다. 초기 산화에서는 비교적 연속적인 막이 형성될 수 있다. 성장이 계속되면 특히 열팽창, 노에서의 취급 또는 변태 응력으로 인해 스케일이 교란될 때 더 두껍고 접착력이 낮아질 수 있다. 반복적인 가열과 냉각은 균열과 박리를 일으킬 수 있다. 이후 스케일이 소재에서 떨어져 나가 신선한 강 표면을 노출시키면 또 다른 산화 사이클이 진행될 수 있다. 떨어져 나온 물질은 무해한 잔해가 아니다. 이는 롤에 자국을 남기고, 노상(爐床)을 막으며, 다이를 오염시키고, 이후 소재를 단조·압연 또는 기계가공할 때 치수 편차를 유발할 수 있다.

Cambridge University Press의 “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes”(2012) 장은 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분한다. 이러한 구분은 필수적이다. 단조 또는 압연을 위한 재가열 중에는 디스케일링, 변형, 산세, 블라스팅 또는 후속 기계가공을 통해 스케일 일부를 제거할 수 있다. 스케일과 영향을 받은 금속을 필요한 단면을 손상시키지 않고 제거할 수 있다면, 완성 부품에서는 허용되지 않을 표면 변화도 해당 공정에서는 허용될 수 있다.

최종 열처리는 허용 범위가 더 좁다. 오스테나이트화, 경화, 뜨임, 풀림 및 응력 제거는 벌크 미세조직뿐 아니라 특정 표면 상태를 형성하도록 규정될 수 있다. 스케일은 치수를 변화시키고, 담금질 중 접촉을 방해하며, 연삭 자국이나 균열을 가리고, 후속 기계가공 여유에 영향을 줄 수 있다. 또한 육안검사, 자분탐상검사 또는 기타 검사 방법의 결과를 변화시킬 수 있다. 심부에서 요구 경도에 도달한 부품이라도 산화물과 탄소 상태가 관리되지 않았다면 표면 요구사항을 충족하지 못할 수 있다.

산화성 종과 노 누설

분위기는 자신이 억제하는 반응에 대해서만 보호성 분위기이다. 따라서 노 분위기 제어에는 노에 공급되는 가스뿐 아니라 원치 않는 가스가 노 내부로 유입되지 않도록 하는 노의 능력도 포함된다. ASM International의 ASM Handbook, Volume 4B (2017)는 “노 및 공급 분위기 제어”를 두 가지 주요 제어 그룹으로 제시한다. 열린 문, 고장 난 실, 손상된 머플, 부적절하게 조정된 버너 또는 고온 영역으로 공기를 끌어들이는 압력 조건이 존재한다면 가스 품질만으로는 이를 보완할 수 없다.

공기 누설은 분자 산소, 질소 및 수분을 유입시킨다. 산소는 직접 산화를 촉진하며, 수증기는 철과 반응할 수 있고 강 표면의 탄소 포텐셜을 변화시키는 반응에도 참여할 수 있다. 이산화탄소도 또 다른 반응성 성분이다. 일산화탄소와 이산화탄소가 포함된 분위기에서는 이들 가스 사이의 균형에 따라 표면이 탄소를 흡수하는 경향을 보이는지, 탄소를 잃는 경향을 보이는지, 또는 강과 평형에 가까워지는지가 달라진다. 중요한 조건은 어떤 가스를 “보호성”이라고 부르는지가 아니라 소재 표면에서의 화학적 포텐셜이다.

ASM의 2017년 노 분위기 자료는 가스 반응, 주요 가스 및 증기, 분위기와 관련된 강의 탈탄을 열처리 기술의 핵심 분야로 다룬다. Steel Heat Treatment Handbook (CRC Press, 2014) 역시 산화 저항성과 표면 탄소 제어와 관련하여 이산화탄소, 암모니아 및 기타 반응성 가스를 논의한다. 예를 들어 암모니아는 적절한 공정에서 질소를 공급할 수 있지만, 암모니아의 분해 생성물과 그에 따른 수소 및 질소 균형 때문에 암모니아를 보편적인 방지 스케일 가스로 간주할 수는 없다. 각 분위기는 강종, 온도, 노 설계, 장입 패턴 및 요구되는 표면 탄소 상태에 맞추어야 한다.

수증기는 노가 밀폐된 것처럼 보여도 존재할 수 있으므로 특히 주의해야 한다. 연소 가열에서는 정상적인 반응 생성물로 물이 발생하며, 습윤한 장입재, 냉각 시스템의 누설, 습한 공급 가스 또는 불충분한 건조 작업으로 인해 수분이 추가될 수 있다. 따라서 이슬점, 산소 분압, 이산화탄소 및 관련 측정값은 단순한 가스 명칭보다 공정 정보를 더 유용하게 제공할 수 있다. ASM Volume 4B는 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 측정값 또는 관계식을 통한 탄소 포텐셜 제어를 설명한다. 이러한 변수는 표면이 산화, 탈탄, 침탄되는지 또는 의도한 강의 화학 조성에 가깝게 유지되는지를 판단하는 데 도움이 된다.

필요한 분위기는 작업 목적에 따라서도 달라진다. 열간가공용 재가열로는 제어된 산화 후 기계적인 스케일 제거를 허용할 수 있지만, 침탄 부품 또는 고탄소 부품의 최종 경화로는 일반적으로 스케일과 탄소 활성을 모두 훨씬 엄격하게 제어해야 한다. 두 공정을 동일한 것으로 취급하면 이후 검사 또는 사용 요구사항을 무효화하는 표면 상태를 허용할 위험이 있다.

ISO 17663:2023은 주로 페라이트계 강을 대상으로 공기 또는 제어 분위기에서의 열처리에 관한 품질 요구사항을 규정하며, 용접 및 관련 공정과 연계하여 작업장과 현장에서 수행되는 작업을 다룬다. 이 표준이 분위기 제어를 하나의 가스 배합식으로 정하는 것은 아니다. 대신 분위기, 장비, 모니터링, 기록 및 규정된 결과가 서로 일치해야 한다는 공정 관점을 강화한다.

스케일 제거와 그 야금학적 영향

스케일을 제거하는 것은 원래의 강 표면을 복원하는 것과 동일하지 않다. 기계적 디스케일링은 건전한 금속을 노출시킬 수 있지만, 피트 내부에 산화물을 남기거나, 긁힘을 발생시키거나, 방향성 자국을 만들 수도 있다. 쇼트 블라스팅과 연마재 블라스팅은 표면 거칠기를 변화시키고 모서리를 둥글게 만들 수 있다. 산세는 화학적 공격을 통해 산화물을 용해하지만, 과도하거나 제대로 제어되지 않은 산세는 거칠기를 증가시키거나 취약한 고강도 강에서 수소 관련 문제를 유발할 수 있다. 연삭은 스케일과 인접한 영향을 받은 금속을 제거하지만 치수를 변화시키고 국부적인 가열을 일으킬 수 있다.

가장 심각한 오류는 눈에 보이는 산화물을 제거한 뒤 야금학적 영향도 사라졌다고 가정하는 것이다. 산화와 함께 탈탄이 발생했다면 탄소 고갈층은 스케일 아래쪽까지 이어질 수 있다. 디스케일링만으로는 탄소 함량을 복원할 수 없다. 강종과 처리 조건에 따라 영향을 받은 층을 기계가공으로 제거하거나, 재처리하거나, 시험을 통해 규격 내에 있음이 입증된 경우에만 허용해야 할 수 있다. 표면 경도, 경화층 깊이, 피로 성능 및 균열 민감도는 모두 세척된 표면 아래에 무엇이 남아 있는지에 따라 달라질 수 있다.

스케일 제거는 검사 결과에도 영향을 줄 수 있다. 두꺼운 산화물층은 불연속부를 가릴 수 있는 반면, 공격적인 세척은 미세한 결함을 열어 검출을 쉽게 만들 수 있다. 표면 거칠기는 자분탐상검사 또는 침투탐상검사에서 지시를 증가시킬 수 있으며, 잔류 연마재나 화학적 오염물은 도장 또는 도금에 방해가 될 수 있다. 따라서 검사 방법, 합격 기준 및 세척 절차는 서로 별개의 작업 단계로 취급하지 말고 함께 고려해야 한다.

모든 어두운 표면을 동일한 이유로 제거해야 하는 것은 아니다. 얇고 밀착된 산화물 막, 층상 고온 스케일, 뜨임 색 및 처리 분위기에서 발생한 잔류물은 조성, 두께, 접착력 및 성능에 미치는 영향이 서로 다를 수 있다. 외관만으로는 충분한 증거가 되지 않는다. 표면 상태가 중요한 경우에는 표면 검사, 경도 측정, 금속조직학적 확인 또는 화학적·치수 검증이 필요할 수 있다.

후속 보호를 다루는 별도의 표준은 노 분위기 자체와는 다른 사항을 다룬다. ISO 17834:2003은 최대 1000 °C (1273 K)에서 부식 및 고온 산화 방지를 위한 용사 금속 코팅을 규정한다. ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 처리 등급을 정의하며, 무도장 표면, 용사 표면, 아연도금 표면, 전기도금 표면, 셰라다이징 표면 및 도장 표면을 구분한다. 이러한 분류가 부적절한 노 제어를 정당화하는 것은 아니다. 코팅은 준비된 표면을 보호할 수 있지만, 측정되지 않은 탈탄층, 치수 손실 또는 결함 내부에 갇힌 산화물을 신뢰성 있게 교정할 수는 없다. 표면 보호는 가열 중 강과 분위기 사이의 반응을 제어하는 것에서 시작된다.

탈탄 및 표면 탄소 제어

탈탄은 가열 중 강 표면에서 탄소가 손실되는 현상이다. 이는 산화와 동일하지 않다. 산화는 철 및 합금 원소와 반응하여 스케일을 형성하는 반면, 탈탄은 스케일 아래에서 또는 때로는 스케일 형성과 동시에 강의 화학 조성을 변화시킨다. 따라서 노는 외관상 밝은 표면을 만들면서도 허용할 수 없는 탄소 손실을 발생시킬 수 있으며, 반대로 스케일이 형성된 표면이라도 그 아래의 탄소 함량은 규격에 가까운 상태로 유지될 수 있다.

미국 국립표준국의 편람 철과 강의 열처리 및 특성(Heat Treatment and Properties of Iron and Steel, 1966)은 두 가지 위험을 모두 직접적으로 지적한다. 보호 분위기는 표면 산화 또는 스케일 형성과 표면층의 탄소 손실 또는 탈탄을 방지하기 위해 사용된다. 또한 연소 생성물 중 수증기를 유해한 물질로 설명한다. 이러한 구분이 중요한 이유는 처리 후 스케일을 제거하더라도 강에서 확산되어 빠져나간 탄소가 복원되지는 않기 때문이다.

전체 탈탄, 부분 탈탄 및 국부 탈탄

전체 탈탄은 원래 탄소를 함유하던 조직이 영향을 받은 층 전체에 걸쳐 사실상 제거되거나 변태된 표면 영역을 의미한다. 아공석강에서는 가열 후 펄라이트 또는 기타 탄소 함유 조직이 존재해야 할 위치에 페라이트 표면층이 남을 수 있다. 담금질 후 이 층은 탈탄되지 않은 재료와 같은 탄소 농도의 마르텐사이트를 형성할 수 없다. 여기서 “전체”라는 표현은 부품 전체 단면이 아니라 탈탄 영역 내부의 상태를 가리킨다.

부분 탈탄은 농도 구배를 형성한다. 탄소 함량은 중심부에서 표면으로 갈수록 감소하며, 그에 따라 미세조직도 전이 영역을 거치면서 연속적으로 변화한다. 담금질 시 외부에 가까운 영역에는 저탄소 마르텐사이트가 형성되고, 더 안쪽에는 고탄소 마르텐사이트, 베이나이트 또는 의도된 중심부 조직이 형성될 수 있다. 표면은 육안 검사를 통과하더라도 규정된 경도나 내마모성을 확보하기에 탄소가 부족할 수 있다.

국부 탈탄은 부품 전체에 균일하게 분포하지 않고 특정 영역에 국한된다. 원인으로는 노의 누설, 밀폐가 불량한 도어, 버너 화염의 직접 충돌, 부품 사이의 틈, 오염된 치구, 노출된 모서리 또는 국부적인 가스 순환 차이 등이 있다. 얇은 단면과 날카로운 모서리는 표면적 대 체적비와 열전달 조건이 다르기 때문에 넓은 면과 다르게 반응할 수 있다. 대형 부품을 가로질러 한 번만 측정하는 경도 분포 시험으로는 이러한 결함을 놓칠 수 있다.

상대적 탄소 농도

탈탄의 깊이와 심각도는 온도, 시간, 강의 조성, 표면 상태, 분위기 화학 조성 및 가스 유량에 따라 달라진다. 따라서 보편적인 한계값을 적용하기보다 실제 공정에 대해 이를 설정해야 한다. 금속조직 검사, 미소경도 분포 시험, 탄소 분석 및 탈탄되지 않은 것으로 알려진 영역과의 비교를 통해 얕은 조성 구배와 더 깊은 조직 변화를 구분할 수 있다. 중심부에서만 측정한 경도값은 표면이 보호되었다는 증거가 아니다.

케임브리지 대학교 출판부는 생산 공정 중 금속 보호를 위한 분위기 제어(Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes, 2012)에서 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분한다. 통제되지 않은 산화성 조건은 이후 단조 공정 중에는 어느 정도 허용될 수 있지만, 표면 화학 조성이 완제품의 특성에 직접 영향을 미치는 최종 경화 사이클에서는 다르게 취급되어야 한다. 따라서 허용 가능한 탄소 변화는 공정의 목적에 따라 규정해야 한다.

탄소 포텐셜과 평형 반응

탄소 포텐셜은 특정 온도에서 분위기가 부여하는 탄소 활성도이다. 실무적으로는 기준 철 또는 강 표면이 해당 가스와 평형에 도달할 경우 접근하게 되는 탄소 함량을 의미한다. 이는 노 내 일산화탄소의 비율만을 뜻하지 않는다. 온도, 압력, 수증기, 이산화탄소 또는 가스 혼합 조건이 변하면 명목상 동일한 가스 조성에서도 서로 다른 표면 상태가 나타날 수 있다.

침탄에서는 분위기의 탄소 포텐셜이 강 표면의 탄소 활성도보다 높다. 온도와 노출 시간이 이를 허용하는 경우 탄소는 오스테나이트로 유입되어 내부로 확산된다. 중성 처리에서는 표면이 상당량의 탄소를 얻거나 잃지 않도록 분위기를 조정한다. 탈탄 조건에서는 가스의 탄소 포텐셜이 강 표면보다 낮으므로 탄소가 외부로 확산되고 산화성 종과 반응한다.

이러한 제어를 설명하는 몇 가지 가역 반응이 있다. 일산화탄소는 다음과 같은 표면 반응에 관여할 수 있다.

\[ 2CO \rightleftharpoons CO_2 + C \]

이때 석출된 탄소는 오스테나이트로 유입될 수 있다. 수성가스 반응

\[ CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2, \]

은 일산화탄소와 이산화탄소의 상대량을 변화시키며, 그에 따라 분위기의 탄소 활성도도 변화시킨다. 이산화탄소는 강 표면의 탄소와도 반응한다.

\[ CO_2 + C \rightleftharpoons 2CO. \]

이러한 반응은 서로 독립적으로 일어나지 않는다. 강, 스케일, 그을음, 노 내 내화물 및 제품 형상은 국부 평형과 반응 속도를 변화시킬 수 있다.

ASM International의 ASM 편람 제4B권: 철계 합금의 열처리(ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys)는 노 분위기 제어와 공급 분위기 제어를 두 가지 주요 제어 그룹으로 규정한다. 전자는 노 내부의 조건을 다루며, 후자는 가스가 고온 영역으로 유입되기 전에 가스를 생성·정제·혼합·건조·공급하는 과정을 다룬다. 노의 설정 온도를 올바르게 지정했더라도 습한 가스, 불안정한 발생기, 공기 누설 또는 결함이 있는 센서의 문제를 보상할 수는 없다.[2][2] ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys. ASM International. ASM Handbook, 2017. ASM International, ASM Handbook Volume 4B

ASM은 또한 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 관계식을 통해 탄소 포텐셜을 제어하는 방법을 설명한다. 수증기와 이산화탄소 측정은 가스 비율로부터 평형 상태를 추정한다. 산소 프로브는 산소 분압을 측정하며, 기준 시스템 및 온도 보정과 함께 탄소 포텐셜을 계산할 수 있게 한다. 프로브, 샘플링 장치, 가스 순환 및 교정 상태가 노의 조건에 적합하게 유지될 때에만 이 측정은 의미가 있다. 한 지점에서 얻은 측정값은 가스 순환이 불량한 작업 영역을 대표하지 못할 수 있다.

산소 분압산소 분압 분위기에 대한 산소 성분의 열역학적 기여를 나타내는 척도로서, 강철을 산화시키려는 경향을 평가하는 데 사용된다.

산소 분압이 특히 중요한 이유는 작은 산화성 포텐셜만으로도 표면의 탄소가 소모될 수 있기 때문이다. 다음과 같은 단순화된 반응식은

$$C+H_{2}O\to \mathrm{CO}+H_2$$

및

$$C+{\mathrm{CO}}_2\to 2\mathrm{CO}$$

수증기와 이산화탄소가 탄소 손실을 유발할 수 있는 이유를 보여준다. 철의 산화가 동시에 일어나 스케일을 형성하고, 탄소가 확산해야 하는 계면을 변화시킬 수도 있다. 따라서 유리 산소가 거의 포함되지 않아 “보호성”으로 보이는 가스라도 수증기 또는 이산화탄소 함량 때문에 강을 탈탄시킬 수 있다.

표면 경도가 중심부 경도와 달라질 수 있는 이유

경도는 탄소 함량, 상변태, 냉각 속도 및 뜨임 이력에 따라 달라진다. 표면과 중심부는 서로 다른 탄소 활성도와 열적 조건을 경험하므로 동일한 결과를 나타낼 필요가 없다. 관통 경화 사이클에서는 탈탄된 표면이 저탄소 마르텐사이트 또는 페라이트-마르텐사이트 조직으로 변태하는 동안, 중심부에는 의도한 고탄소 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 중심부 경도는 도면의 요구사항을 충족하더라도 작업 표면은 요구사항을 충족하지 못할 수 있다.

이는 경화강에서 심각한 결과를 초래한다. 표면 탄소가 감소하면 얻을 수 있는 마르텐사이트 경도가 낮아지고 내마모성, 압입 저항성 및 구름 접촉 손상에 대한 저항성이 저하될 수 있다. 공구강은 절삭날과 접촉면이 제어된 탄소 함량과 합금 탄화물 형성에 의존하므로 특히 민감하다. 공구 자루의 시험 결과가 정상이어도 탈탄된 절삭날은 경도를 잃을 수 있다.

SAE 52100과 같은 베어링강은 구름 접촉 응력이 궤도면과 구름 요소 표면 부근에서 작용하므로 표면 탄소를 정밀하게 제어해야 한다. 연질층 또는 조성 구배를 가진 층은 잔류 응력, 잔류 오스테나이트, 탄화물 용해 및 균열 민감도에 영향을 줄 수 있다. 중심부 경도만으로는 베어링 열처리의 적합성을 검증할 수 없다.

저합금강에서도 동일한 차이가 나타날 수 있다. 다만 저합금강은 경화능에 의해 탄소가 고갈된 외부 표면 아래에 상당히 경화된 중심부가 형성될 수 있다. 따라서 표면 미소경도 분포, 에칭한 단면 및 탄소 구배 측정이 한 번의 전체 경도 측정보다 더 유용하다.

ISO 17663:2023은 주로 용접 및 관련 공정에서 페라이트계 강을 대상으로 공기 또는 제어 분위기 중 열처리에 관한 품질 요구사항을 규정하며, 작업장과 현장에서 수행되는 작업을 포함한다. 이 표준은 품질 체계를 제공하는 것이지 보편적인 탄소 포텐셜 조리법을 제시하는 것은 아니다. 마찬가지로 ISO 17834:2003은 최대 1000 °C(1273 K)의 부식 및 고온 산화 방지를 위한 용사 금속 코팅을 다루며, ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 처리 상태를 분류한다. 어느 표준이나 코팅 관행도 오스테나이트화, 침탄, 중성 경화 또는 뜨임 중 탄소 활성도 제어를 대신할 수는 없다. 표면 보호와 표면 탄소 제어는 별도의 검증 가능한 공정 요구사항으로 규정해야 한다.

주요 노 분위기 계열

노 분위기는 작업물을 둘러싼 단순한 가스가 아니라 열처리 시스템의 일부이다. 분위기 조성은 강 표면에서의 화학적 퍼텐셜을 결정하고, 온도는 반응 속도, 확산, 스케일 형성 및 탄소 이동을 결정한다. 따라서 동일한 명목상의 가스라도 냉간의 소량 장입 노와 오일, 스케일, 바인더 또는 다량의 강재가 들어 있는 고온의 노에서 서로 다른 결과를 낼 수 있다. ASM International의 ASM Handbook 제4B권은 분위기 제어를 두 가지 주요 그룹, 즉 노 분위기 제어와 공급 분위기 제어로 나눈다. 전자는 노, 실, 버너, 순환, 센서 및 장입을 다루며, 후자는 가스 발생, 정제, 혼합, 공급 및 모니터링 시스템을 다룬다.

공기 및 연소 유래 분위기

공기는 가장 단순한 노 분위기이며, 일반적으로 제어 수준이 가장 낮다. 산소, 질소, 수증기, 그리고 노, 치구, 윤활제 및 작업물 표면에서 유입되는 오염물은 고온의 강과 반응한다. 산화 조건에서는 산화철이 형성되고 성장하여 스케일이 된다. 적절한 온도와 가스 조성에서는 탄소도 일산화탄소 또는 이산화탄소의 형태로 강 표면에서 이탈하여 탈탄층을 형성한다. 미국 국립표준국의 1966년 핸드북 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel은 스케일과 탈탄을 모두 주요 표면 위험으로 규정하고, 특히 연소 생성물에 포함된 수증기가 유해하다고 설명한다.

그럼에도 표면 산화가 허용되거나 후속 공정으로 기계가공, 연마 세정 또는 희생 표면층 제거가 이루어지는 경우에는 공기를 의도적으로 선택할 수 있다. Cambridge University Press는 2012년 장 “생산 공정 중 금속 보호를 위한 분위기 제어”에서 열간가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분한다. 재가열 중 발생하는 스케일은 제조 공정상의 결과로 허용될 수 있지만, 경화, 뜨임 또는 어닐링 중 발생하는 스케일과 탄소 손실은 요구되는 표면 상태를 무효화할 수 있다. 이러한 구분은 EN 10083-2에서 1.0503으로 지정된 C45와 같은 탄소강 및 1.7225로 지정된 42CrMo4와 같은 합금강에 중요하다. 열처리 사양서에는 표면 화학 조성이 합격 판정의 일부인지 여부를 명시해야 한다.

연소 유래 분위기는 강한 산화성 생성물부터 연료, 공기, 과잉 산소 및 수분을 제어하여 의도적으로 조정한 혼합물까지 다양하다. 그 거동은 “연소 가스” 또는 “연소 분위기”라는 표현만으로 추론할 수 없다. 연료 조성, 버너 조정, 노 내부로의 공기 누설, 이슬점, 노 온도 및 가스 유량과 노 장입량의 비율은 모두 강 표면의 산소 퍼텐셜과 탄소 퍼텐셜을 변화시킨다. 기밀성이 불량한 노에서는 명목상 환원성인 연소 생성물도 문, 균열 또는 배기 경로 부근에서 국부적으로 산화성으로 변할 수 있다.

흡열성, 발열성, 질소 기반 및 진공 환경

생성형 보호 분위기는 일반적으로 흡열성 및 발열성 유형으로 분류된다. 흡열성 가스는 촉매 위에서 탄화수소 연료와 공기를 반응시켜 생성하며, 침탄, 중성 경화 또는 탄소 복원을 위해 조정되는 경우가 많다. 발열성 가스는 공기와 연료의 비율을 다르게 하여 생성하며, 비교적 건조하고 산소 농도가 낮은 환경이 필요한 경우 사용할 수 있다. 이러한 명칭은 생성 경로를 나타낼 뿐, 금속학적 결과를 보장하지는 않는다. 동일하게 “흡열성 가스”를 공급받는 두 노라도 발생기, 이슬점, 탄소 퍼텐셜 제어, 순환 패턴 또는 누설 조건이 다르면 표면 반응이 달라질 수 있다.

강의 경우 처리 과정에서 표면 탄소를 유지하거나 변화시켜야 할 때 탄소 퍼텐셜이 결정적인 문제이다. ASM의 2017년 노 분위기 자료는 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 관계식을 탄소 퍼텐셜을 평가하거나 제어하는 방법으로 제시한다. 측정값과 제어 계산은 노 온도 및 실제 가스 화학 조성과 연계되어야 한다. 탄소 퍼텐셜이 낮은 분위기는 고탄소 공구강을 탈탄시킬 수 있으며, 반대로 탄소 퍼텐셜이 지나치게 높으면 저탄소 표면을 침탄시키거나 원치 않는 탄소 농화층을 형성할 수 있다. 가스를 “보호성”이라고 부르는 것만으로는 어느 결과도 방지할 수 없다.

질소 기반 환경은 산업용 질소 또는 질소에 수소, 일산화탄소, 메탄이나 기타 첨가 가스를 포함한 혼합물로 공급된다. 질소는 산화성 종의 농도를 낮추지만, 모든 강 공정에서 자동으로 불활성인 것은 아니다. 잔류 산소와 수분은 여전히 산화 스케일을 형성할 수 있다. 고온에서는 질소가 합금 원소 및 표면 반응과 상호작용할 수 있으며, 소량의 수소는 환원 거동을 변화시키고 안전 제어에 영향을 줄 수 있다. 질소가 풍부한 가스는 노 분석기가 안정적인 산소 측정값을 표시하더라도 침탄 분위기 또는 중성 분위기를 충분히 희석하여 탄소 퍼텐셜을 변화시킬 수 있다.

진공 노는 공기를 일정한 보호 혼합물로 대체하는 것이 아니라 대부분의 기체상을 제거한다. 이로 인해 가열 중 산화가 크게 감소하지만, 결과는 최종 압력, 누설률, 펌핑 컨덕턴스, 노의 청정도, 오일과 바인더에서 방출되는 가스 및 장입물의 노출 표면적에 좌우된다. 내화 재료 또는 오염된 작업물에서 방출된 수증기는 챔버로 다시 유입되어 고온의 강과 반응할 수 있다. 또한 진공은 표면에서 이미 손실된 탄소를 복원하지 않는다. EN ISO 4957에서 1.2379로 지정된 X153CrMoV12와 같은 강종의 경우, 진공 경화는 오스테나이트화 중 표면을 보호할 수 있지만 탄소 제어는 여전히 재료의 사전 상태와 전체 공정 순서에 좌우된다.

이산화탄소 또는 암모니아를 포함하는 반응성 첨가물

일부 분위기는 단순히 보호성인 것이 아니라 화학적으로 활성을 지닌 가스를 포함한다. 이산화탄소가 대표적인 예이다. 열처리 온도에서 CO₂는 일산화탄소, 탄소 및 산소 함유 종 사이의 평형에 관여한다. 그 효과는 온도, 농도, 가스 체류 시간, 강 표면 상태 및 함께 존재하는 CO, H₂, H₂O와 탄화수소의 농도에 좌우된다. 과잉 CO₂는 탄소 퍼텐셜을 낮추고 탈탄을 촉진할 수 있으며, 다른 조건에서는 목표 표면 탄소 수준을 설정하기 위해 제어되는 반응계의 일부로 기능할 수 있다. 따라서 가스 분석기의 CO₂ 측정값만으로는 탄소 퍼텐셜을 측정할 수 없다.

암모니아는 서로 다른 반응을 일으킨다. 해리 암모니아는 질소와 수소를 공급하며, 암모니아 함유 분위기는 온도, 해리도, 유량 및 강의 화학 조성을 제어할 경우 질화 또는 질화침탄을 가능하게 한다. 표면의 질소 활성도는 질화물이 형성되는지와 질소가 어느 깊이까지 확산되는지를 결정한다. 크롬, 몰리브덴, 알루미늄 및 바나듐을 함유한 강은 서로 다르게 반응하는데, 이는 각 합금 질화물의 안정성과 경도 및 인성에 미치는 영향이 서로 다르기 때문이다. 암모니아는 분해 생성물을 통해 산화 및 환원 반응에도 영향을 줄 수 있다. Steel Heat Treatment Handbook(CRC Press, 2014)은 이산화탄소, 암모니아 및 기타 반응성 가스를 산화 저항성과 표면 탄소 제어 모두에 영향을 미치는 분위기 구성 성분으로 다룬다.

반응성 첨가물은 의도적으로 도입될 수도 있고, 연소 생성물, 누설, 세정 잔류물 또는 노 장입물의 분해를 통해 우연히 유입될 수도 있다. 노 장입은 균형을 변화시킨다. 다량의 유성 작업물은 반응성 종을 소모하고 추가적인 탄소 함유 가스를 발생시킬 수 있는 반면, 빈 노에서는 동일한 제어기 설정에서도 강이 화학적으로 다른 분위기에 노출될 수 있다. 따라서 ISO 17663:2023은 공기 또는 제어 분위기에서의 열처리를 주로 페라이트계 강 및 작업장이나 현장에서 수행되는 작업에 대한 품질 요구사항으로 규정하며, 단순한 가스 선택 문제로 다루지 않는다.

노 외부의 표면 보호는 별도로 제어해야 하는 대상이다. ISO 17834:2003은 최대 1000 °C(1273 K)까지 부식 및 고온 산화 방지를 위한 열분사 금속 코팅을 다루며, ISO 12944-4:2017은 무도장, 열분사, 아연도금, 전기도금, 셰러다이징 및 도장 표면을 포함하여 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 준비 등급을 분류한다. 이러한 시스템은 오스테나이트화, 어닐링, 침탄, 질화 또는 뜨임 중 분위기 제어를 대신할 수 없다. 분위기는 공정 조건으로 지정하고 검증해야 한다. 가스 종류, 온도, 유량, 수분, 누설, 장입량 및 탄소 퍼텐셜은 모두 금속학적 결과를 구성하는 요소이다.

노 분위기 반응의 화학

노 분위기는 고온의 강철을 둘러싼 수동적인 담요가 아니다. 이는 기체–금속 반응, 기체–기체 반응, 물질 전달 및 표면 확산이 동시에 일어나는 반응계이다. 그 결과는 온도, 압력, 기체 조성, 유량, 노 누설, 공작물 장입량 및 강철의 현재 표면 상태에 따라 달라진다. 따라서 노 온도가 정확하게 유지되고 있더라도 수분이나 이산화탄소가 조금만 변하면 스케일 형성이나 최외층 금속의 탄소 함량이 달라질 수 있다.

ASM International이 2017년에 다룬 노 분위기 제어에서는 이 주제를 두 가지 주요 제어군, 즉 노 분위기 제어와 공급 분위기 제어로 구분한다. 전자는 노 내부에 존재하는 조건을 다루고, 후자는 노로 유입되는 기체와 그 공급의 일관성을 다룬다. 두 가지 모두 중요하다. 사양에 맞게 지정된 기체라도 도어 씰, 압력 불균형 구역 또는 균열이 있는 레토르트를 통해 공기가 유입되면 유해한 분위기를 만들 수 있다.

수증기, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소

수증기는 철을 산화시키는 동시에 표면 탄소를 변화시킬 수 있기 때문에 특히 중요하다. 수증기에 의한 철 산화는 다음과 같이 간략히 나타낼 수 있다.

단순화된 반응식: \[ \mathrm{Fe + H_2O(g) \rightleftharpoons FeO + H_2(g)} \]

이 식은 노에서 일어나는 현상을 완전하게 설명하지 않는다. 실제 산화에서는 온도와 산소 포텐셜에 따라 뷔스타이트(FeO), 자철석(Fe₃O₄) 및 적철석(Fe₂O₃)이 생성될 수 있다. 합금 원소는 추가적인 산화물을 형성할 수 있으며, 스케일은 여러 층으로 발달할 수 있다. 이 식은 중요한 경쟁 관계를 보여 준다. 수증기와 수소의 비가 증가하면 산화가 촉진되고, 다른 기체가 제어되는 조건에서 수소가 풍부하고 건조한 분위기는 산화 경향을 낮춘다.

따라서 수소는 단순한 불활성 희석제가 아니다. 수소–수증기 비는 산소 포텐셜의 지표로 흔히 사용되는데, 다음 반응이

단순화된 반응식: \[ \mathrm{H_2(g) + \tfrac{1}{2}O_2(g) \rightleftharpoons H_2O(g)} \]

수소, 수증기 및 산소의 화학 퍼텐셜을 서로 연결하기 때문이다. 수소는 일부 산화물을 환원할 수도 있지만, 그렇다고 해서 깨끗한 표면이 보장되는 것은 아니다. 강철 온도에서 중요한 것은 해당 강종, 온도 및 표면 반응에 대해 전체 기체 혼합물의 산소 포텐셜이 충분히 낮은지 여부이다. 스테인리스강과 합금강은 일반 탄소강과 다르게 거동할 수 있다. 크롬, 규소, 망가니즈 및 기타 원소가 서로 다른 안정성을 지닌 산화물을 형성하기 때문이다.

수증기는 탈탄에도 영향을 미친다. 오스테나이트에 용해된 탄소는 수증기와 간접적으로 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있다.

단순화된 반응식: \[ \mathrm{C_{(dissolved)} + H_2O(g) \rightleftharpoons CO(g) + H_2(g)} \]

탄소 원자는 강철 표면에서 공급되므로, 강철 내부가 원래 조성에 가깝게 유지되는 동안에도 이 반응은 표면 탄소를 감소시킬 수 있다. 1966년 미국 국립표준국의 편람은 열처리에서 산화와 탄소 손실을 주요 표면 위험으로 규정하며, 연소 생성물에 포함된 수증기가 유해하다고 구체적으로 설명한다. 눈에 보이는 결과는 스케일일 수 있지만, 눈에 잘 띄지 않는 결과는 담금질 후 경도 응답을 변화시키는 탈탄층이다.

일산화탄소와 이산화탄소는 탄소 이동에 직접 관여한다. 이들의 핵심 평형은 다음과 같다.

단순화된 반응식: \[ \mathrm{2CO(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + C_{(surface)}} \]

기체가 탄소 석출을 선호하는 조건에서는 탄소가 오스테나이트 내부로 들어갈 수 있다. 반대로 강철의 탄소 활성이 주변 분위기가 지지할 수 있는 수준보다 높으면 탄소가 표면에서 빠져나와 일산화탄소 또는 이산화탄소를 형성한다. 이 반응식은 단순화된 것이다. 일반적인 침탄 조건에서 석출되거나 흡수된 탄소는 자유 흑연막으로 존재하는 것이 아니라, 강철에 용해된 탄소와 이루는 화학 퍼텐셜 교환의 형태로 존재하기 때문이다.

또 다른 유용한 표현은 이산화탄소에 의한 탄소의 산화이다.

단순화된 반응식: \[ \mathrm{C_{(steel)} + CO_2(g) \rightleftharpoons 2CO(g)} \]

따라서 적절한 조건에서는 이산화탄소 함량이 높을수록 탈탄이 촉진될 수 있다. 일산화탄소는 일부 철 산화물을 환원할 수도 있지만, 이산화탄소 및 강철 표면과의 평형 관계가 탄소 이동을 선호하면 동일한 기체가 강철을 침탄시킬 수도 있다. 반응 방향은 “보호성 기체”라는 명칭이 아니라 기체 비와 온도에 의해 결정된다.

암모니아는 질소와 수소로 해리될 수 있기 때문에 또 다른 반응 경로를 추가한다. 2014년 CRC Press에서 발행한 Steel Heat Treatment Handbook은 산화 저항성과 표면 탄소 제어의 관점에서 이산화탄소, 암모니아 및 기타 반응성 기체를 다룬다. 이러한 분위기는 고정된 레시피가 아니라 화학계로 취급해야 한다. 해리, 수분, 누설 공기 및 노 내 내화물과의 반응은 공작물에 도달하기 전에 유효 분위기를 변화시킬 수 있다.

산소 포텐셜과 탄소 활성도

산소 분압 $p_{{\mathrm{O}}_2}$은 분위기가 표면을 산화시키려는 열역학적 경향을 나타낸다. 일정한 온도에서 산소 분압이 낮으면 일반적으로 산화철보다 금속 철이 안정해지고, 값이 높으면 산화물 형성이 선호된다. 산소 포텐셜은 더 넓은 의미의 화학적 개념이며, 산소 분압은 이를 나타내는 측정값 또는 계산값 중 하나이다.

탄소 포텐셜은 이와 다르다. 이는 오스테나이트와 같은 수용 상이 존재하는 지정된 조건에서 분위기가 강철 표면으로 탄소를 이동시키거나 표면에서 탄소를 제거하려는 경향을 나타낸다. 산소 포텐셜이 낮은 분위기라도 필요한 탄소 포텐셜을 유지하지 못할 수 있다. 반대로 기체 혼합물이 적절한 탄소 포텐셜을 제공하면서도 원치 않는 산화물을 형성할 만큼 충분히 산화성일 수도 있다. 이러한 측정값들은 기체 평형을 통해 서로 관련되지만, 서로 바꾸어 사용할 수 있는 것은 아니다.

일산화탄소와 이산화탄소의 경우 탄소 이동 경향은 $\mathrm{CO}/{\mathrm{CO}}_2$ 비와 온도에 크게 좌우된다. 수소를 포함하는 분위기에서는 ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}/{\mathrm{H}}_2$ 비가 산소 포텐셜을 나타내는 데 도움을 주며, 탈탄 조건을 시사할 수도 있다. 산소 프로브는 산소 활성도와 관련된 전기화학적 응답을 측정하고, 이슬점 측정기는 수분을 간접적으로 평가한다. 그러나 장입된 노에서 일어나는 모든 표면 반응을 어느 하나의 기기만으로 확정할 수는 없다.

강종이 중요하다. EN ISO 683-1에 따라 지정된 C45와 같은 탄소강은 EN ISO 683-2에 따른 42CrMo4와 같은 합금강과 다르게 반응한다. 합금 원소가 산화물 안정성, 탄소 활성도, 확산 및 상변태에 영향을 미치기 때문이다. 따라서 제어값은 온도, 강 조성, 처리 사이클 및 요구되는 표면 상태와 연계되어야 한다. 이러한 변수가 배제된 명목상 기체 조성은 유효한 공정 설명이 아니다.

강철 표면에서의 반응 속도론

열역학적 평형은 반응이 선호하는 방향을 예측하지만, 표면이 얼마나 빠르게 변화하는지는 말해 주지 않는다. 반응 속도론은 그 부족한 부분을 보완한다. 기체 분자는 노의 경계층을 통과하여 스케일 또는 노출된 금속 표면에 도달하고, 흡착한 뒤 반응해야 하며, 생성물이 표면에서 빠져나가도록 해야 한다. 이후 탄소와 합금 원소가 강철 내부로 확산되거나 강철에서 빠져나간다. 이 단계들 가운데 어느 하나라도 전체 반응 속도를 제한할 수 있다.

가열 초기에는 새롭게 노출된 표면에 아직 형성된 스케일이 없기 때문에 빠르게 반응할 수 있다. 산화물이 두꺼워지면 스케일을 통한 확산이 속도 결정 단계가 될 수 있다. 스케일의 다공성, 균열 및 박리는 표면을 다시 노출시켜 불규칙한 산화를 일으킬 수 있다. 노 내 순환은 경계층에 영향을 미치며, 공작물 간격은 수증기, 이산화탄소 및 반응 생성물이 얼마나 빠르게 제거되는지에 영향을 준다.

탈탄 역시 순간적이고 균일한 손실이 아니라 농도 프로파일의 형태로 진행된다. 탄소는 내부에서 표면으로 확산하며, 표면의 평형 탄소 활성도는 더 낮아진다. 영향을 받는 층의 깊이는 온도, 시간, 강 조성, 초기 미세조직 및 분위기의 유효 탄소 포텐셜에 따라 달라진다. 담금질은 이러한 프로파일을 보존할 수 있으므로, 짧은 표면 반응도 나중에 경도 구배로 나타날 수 있다.

Cambridge University Press가 2012년에 다룬 분위기 제어에서는 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분한다. 제어되지 않은 산화성 조건은 단조 작업 중에는 최종 경화 사이클에서와 다르게 허용될 수 있다. 최종 경화에서는 스케일과 탈탄이 지정된 표면에 직접 영향을 미치기 때문이다. ISO 17663:2023 역시 주로 페라이트계 강과 작업장 또는 현장에서 수행되는 작업을 대상으로, 공기 또는 제어 분위기에서의 열처리를 품질 체계 안에 포함한다. 따라서 분위기 화학은 공정 유효성의 일부이다. 필요한 변태가 일어나기 전에 산소 포텐셜, 수분 수준 또는 탄소 포텐셜이 표면을 변화시킨 사이클은 정확한 온도와 유지 시간만으로는 보완할 수 없다.

분위기 제어: 로, 공급 및 측정

분위기 제어는 단일한 가스 유량 설정이 아니다. 이는 로의 외함과 그 외함으로 유입되는 분위기를 조정하고, 의도한 화학적 조건이 강재에 도달했는지를 측정으로 확인하는 통합적인 제어이다. ASM International의 Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating (2017)은 이를 두 가지 주요 제어 그룹, 즉 로 분위기 제어와 공급 분위기 제어로 구분한다. 이러한 구분이 중요한 이유는 올바르게 혼합된 가스라도 누설부, 버너, 레토르트, 순환 경로 또는 작업물이 빽빽하게 적재된 작업 영역을 통과한 후에는 잘못된 표면 결과를 초래할 수 있기 때문이다.

ASM이 규정한 두 가지 제어 그룹

로 분위기 제어는 분위기를 수용하고 분배하는 장비와 관련된다. 도어 실, 전실, 레토르트, 버너 시스템, 배기 댐퍼, 팬, 노상 및 내부 배플은 모두 장입물 주변의 가스 상태에 영향을 미친다. 로 압력도 이 그룹에 포함된다. 약간의 양압은 도어 틈을 통한 외부 공기의 유입을 제한할 수 있지만, 과도한 압력은 공정 가스를 실을 통해 밀어내어 안전하지 않거나 화학적으로 불안정한 배기 상태를 만들 수 있다. 음압은 특히 도어가 움직일 때나 실이 손상된 경우 공기를 로 안으로 끌어들일 수 있다.

온도 분포와 가스 순환 역시 로 측면의 제어 문제에 해당한다. 로의 평균 온도가 만족스러워도 정체 영역은 더 낮은 온도에 머물거나 수증기가 더 많거나 반응성 성분이 고갈된 상태로 남을 수 있다. 팬 속도, 유동 방향, 장입물 간격, 바스켓, 치구 및 강재의 노출 표면적은 국부 경계층을 변화시킨다. 레토르트는 또 다른 물질전달 저항을 추가한다. 특히 퍼지, 가열 또는 조성의 급격한 변화가 진행되는 동안 레토르트 외부에서 측정한 분위기는 내부의 가스를 나타내지 않을 수 있다.

공급 분위기 그룹은 상류에서 시작된다. 여기에는 원료 가스, 흡열식 또는 발열식 발생기, 질소-메탄올 시스템, 농화 가스, 해리 암모니아, 프로판, 공기, 증기 및 이들을 계량·혼합·건조·가열·공급하는 장비가 포함된다. 유량 제어기는 수요가 변하더라도 의도한 비율을 유지해야 한다. 압력은 유지하지만 조성은 유지하지 못하는 조절기는 분위기 제어를 제공하지 못한다. 막혔거나 부분적으로 제한된 배관은 잘못된 레시피와 동일한 증상을 일으킬 수 있다. 즉, 로 제어기가 목표 탄소 포텐셜을 지시하더라도 작업물에는 다른 가스 혼합물이 공급될 수 있다.

가스 반응은 혼합이 끝난 후에도 계속된다. 일산화탄소와 이산화탄소는 강재 표면 반응에 참여할 수 있으며, 침탄 조건에서는 메탄과 기타 탄화수소가 탄소를 공급할 수 있다. 수증기는 철을 산화시키고 탄소 함유 반응의 균형을 변화시킬 수 있다. 미국 National Bureau of Standards의 핸드북 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel (1966)은 스케일을 생성하는 산화와 탈탄을 일으키는 표면 탄소 손실을 주요 표면 위험으로 규정하며, 연소 생성물에 포함된 수증기도 유해하다고 설명한다. ASM의 2017년 로 분위기 관련 내용은 가스 반응, 주요 가스 및 증기, 그리고 분위기와 관련된 탈탄을 강재 열처리 제어의 핵심으로 다룬다.

로 그룹과 공급 그룹은 지속적으로 상호작용한다. 도어의 누설은 산소를 유입시킬 수 있지만, 그 결과로 나타나는 측정값은 로 압력과 순환에 따라 달라진다. 장입물의 표면적이 변하면 반응성 종을 소비하거나 생성하여 공급 유량계가 변하지 않았더라도 분위기가 달라질 수 있다. 버너 조정은 투입 열량을 변화시키는 동시에 수증기와 이산화탄소를 변화시킬 수 있다. 두 그룹을 서로 대체 가능한 것으로 취급하면 이러한 원인이 가려진다.

센서, 샘플링 및 제어 루프

제어 루프제어 루프 센서가 변수를 측정하고, 제어기가 이를 목표값과 비교하며, 조작 입력을 조정하는 공정 제어 구성이다.

제어 루프는 일반적으로 공정 변수, 센서, 제어기 및 조작 변수를 포함한다. 탄소 포텐셜 제어에서 공정 변수는 산소 분압으로부터 추정될 수 있으며, 산소 프로브로 측정하거나 일산화탄소, 이산화탄소 및 수증기와 관련된 관계식으로 계산할 수 있다. 이슬점 측정은 수증기에 관한 정보를 제공한다. 적외선 분석기는 이산화탄소 또는 일산화탄소를 측정할 수 있으며, 산소 분석기는 산화성 오염을 직접적으로 나타낸다. 이러한 기기들은 “분위기”를 하나의 보편적인 양으로 측정하는 것이 아니다. 각각 특정 화학종, 온도, 압력 및 교정 상태에 반응한다.

고온 작업 영역에 설치된 산소 프로브는 신속한 전기화학적 신호를 제공할 수 있지만, 그 해석은 프로브 온도, 기준 공기, 센서 상태 및 가스 반응 평형에 대한 가정에 좌우된다. 냉각된 샘플 캐비닛에 설치된 이슬점 센서는 로 온도의 가스가 아니라 이송되고 조절된 샘플을 측정한다. 샘플링 라인에서 응축이 발생하면 샘플에서 물이 제거되어 실제보다 건조한 결과가 나타난다. 반응성 가스는 분석기에 도달하기 전에 배관 벽, 필터 또는 응축수와 반응할 수도 있다. 따라서 라인 재질, 길이, 직경, 열 추적, 여과 및 샘플 유량은 모두 측정 시스템의 일부가 된다.

교정은 기기와 공정에 맞아야 한다. 영점 및 스팬 점검, 기준 가스, 프로브 검증 및 드리프트 기록은 변화가 실제 변화인지 기기상의 변화인지를 확인한다. 산소 프로브의 밀리볼트 신호로 계산되는 탄소 포텐셜 표시값은 프로브에 피막이 형성되거나 기준 공기 경로가 막히거나 계산에 사용된 로 온도가 잘못되어도 안정적으로 유지될 수 있다. 그러면 제어기는 잘못된 측정값에 대해 올바른 보정을 수행할 수 있다.

응답 시간도 똑같이 중요하다. 혼합 스테이션에서 가스 조성이 먼저 변하고, 다음으로 공급 라인이 변하며, 새로운 가스가 기존 체적을 치환한 후 로 분위기가 변한다. 강재 표면은 온도, 형상 및 반응 속도론에 의해 결정되는 추가 지연 후에 반응한다. 유입구 근처의 짧은 샘플 라인은 수초 만에 단계적인 변화를 보일 수 있지만, 작업물 근처의 프로브는 수분 동안 거의 변하지 않을 수 있다. 제어기가 공정의 응답 속도보다 빠르게 작동하면 오버슈트와 헌팅이 발생할 수 있다. 반대로 너무 느리게 작동하면 실제 탈탄 이상이 경보 임계값을 넘은 후에도 계속될 수 있다.

따라서 피드백은 정의된 제어 체적을 기반으로 해야 한다. 레시피 설정값은 명령이지 표면 보호가 이루어졌다는 증거가 아니다. 지시된 탄소 포텐셜, 산소 수준 또는 이슬점은 독립적인 측정값 및 가능한 경우 강재의 결과와 대조하여 확인해야 한다. 표면 탄소, 스케일, 미세경도 및 금속조직학적 증거는 원격 분석기가 놓친 분위기 문제를 드러낼 수 있다. 지정된 유효 경화 깊이, 경도 또는 표면 탄소에 탈탄 허용 여지가 거의 없는 강종에서는 특히 중요하다.

측정 위치가 해석을 바꾸는 이유

동일한 가스라도 위치에 따라 서로 다른 측정값을 낼 수 있다. 공급 유입구 근처의 샘플은 장입물과 접촉하기 전의 혼합 상태를 나타낼 수 있다. 조밀한 바스켓 위의 샘플은 정체된 포켓을 나타낼 수 있다. 배기구 근처에서는 누설로 희석되거나 반응 생성물에 의해 농축될 수 있다. 레토르트 내부에서는 가스 교환이 제한되므로 개방된 로 내부와 다른 상태가 될 수 있다. 고온 영역에 장착된 프로브는 프로브 주변의 분위기를 나타낼 수 있지만, 강재 표면은 치구 뒤에 있거나 빽빽하게 적재된 장입물 내부에 있을 수 있다.

샘플링 위치는 측정값이 예측용인지 진단용인지도 결정한다. 상류 분석기는 공급 시스템이 무엇을 전달하고 있는지를 확인한다. 작업 영역 프로브는 이송과 로 내 반응을 거친 후에도 남아 있는 상태를 나타낸다. 배기 샘플은 누설, 연소 및 장입물 반응의 종합적인 결과를 보여줄 수 있지만, 변화가 어디에서 발생했는지는 식별하지 못할 수 있다. 어느 위치가 자동으로 옳은 것은 아니다. 각각 서로 다른 질문에 답한다.

강재 장입물은 이러한 해석의 일부이다. 깨끗하거나 기름이 묻었거나 젖었거나 스케일이 있거나 심하게 산화된 부품은 가열 중 증기를 방출하고 반응성 가스를 소비한다. 넓은 표면적은 작은 시험편보다 국부 탄소 균형을 더 크게 변화시킬 수 있다. 치구와 내화물도 분위기와 반응할 수 있다. 따라서 무부하 교정만으로는 생산 사이클을 완전히 검증할 수 없다.

ISO 17663:2023은 공기 또는 제어 분위기에서 수행되는 열처리의 품질 요구사항을 규정하며, 주로 페라이트계 강재와 작업장 또는 현장에서 수행되는 작업에 적용된다. 이 표준의 중요성은 금속학적 측면뿐 아니라 절차적 측면에도 있다. 즉, 제어 조건을 정의하고 모니터링하며 작업 결과와 연계해야 한다. Cambridge University Press의 2012년 분위기 제어 관련 논의도 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분하며, 제어되지 않은 산화성 분위기가 스케일을 유발하고 강재에서는 탈탄을 일으킨다고 경고한다. 따라서 유효한 결과는 가스 패널 옆에 표시된 값이 아니다. 유효한 결과는 공급 조성, 로 상태, 측정된 작업 영역 분위기, 노출 이력 및 최종적으로 나타난 강재 표면 사이의 관계가 입증된 결과이다.

강종 및 열처리 작업에 따른 분위기 선택

분위기 선택은 강재 계열과 수행하는 작업을 모두 따라야 한다. 풀림 중 저탄소강을 보호하는 가스가 오스테나이트화 중 고탄소 베어링 링의 표면을 변질시킬 수 있다. 요구되는 결과도 달라질 수 있다. 단조를 위한 재가열은 이후 제거될 스케일을 허용할 수 있지만, 완성된 침탄·경화 또는 연삭 부품은 측정 가능한 산화나 탄소 손실을 허용하지 않을 수 있다.

미국 국립표준국(National Bureau of Standards)의 핸드북 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel은 표면에서 발생하는 두 가지 주요 위험을 직접적으로 규정한다. 산화는 스케일을 형성하고, 표면에서 탄소가 손실되면 탈탄이 발생한다. 또한 연소 생성물에 포함된 수증기를 유해한 요소로 설명한다. ASM International의 2017년 노 분위기 제어 관련 자료는 노 제어와 공급 분위기 제어를 구분한다. 두 가지 모두 중요하다. 가스가 올바르게 규정되어 있어도 유량, 이슬점, 산소 포텐셜, 탄소 포텐셜, 누설, 버너 조정 또는 노 장입이 잘못되면 불량한 결과가 발생할 수 있다.

탄소강 및 저합금강

일반 탄소강과 저합금강은 강종 기호만으로 분위기가 결정되는 것처럼 논의되는 경우가 많다. 그러나 그렇지 않다. AISI/SAE 1018, AISI/SAE 1045, AISI/SAE 4140 및 AISI/SAE 4340은 모두 “중성”으로 설명되는 노에서 가열할 수 있지만, 허용 가능한 표면 상태는 작업, 단면 크기 및 후속 가공 여유에 따라 달라진다.

AISI/SAE 1018과 같은 저탄소강에서는 탄소 농도가 이미 낮기 때문에 소량의 표면 탄소 손실이 전체 인장 특성에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다. 그러나 얇은 침투경화 영역, 가공된 모서리 또는 이후 침탄, 유도경화나 질화에 표면이 균일하게 반응해야 하는 경우에는 문제가 될 수 있다. AISI/SAE 1045에서는 축이나 기어 표면의 탈탄으로 마르텐사이트 형성에 이용 가능한 탄소가 감소할 수 있다. 그 결과, 겉보기에는 스케일 제거 작업이 적절하게 수행된 것처럼 보여도 그 아래에 더 연한 표면층이 남을 수 있다.

AISI/SAE 4140 및 AISI/SAE 4340과 같은 저합금 경화강에서는 우려되는 사항이 다르다. 크롬, 몰리브덴, 망가니즈 및 규소는 산화 반응과 경화능에 영향을 미치지만, 합금 원소의 첨가가 표면을 탄소 손실로부터 보호해 주는 것은 아니다. 표면에서 탄소가 고갈되면 심부가 지정 경도에 도달하더라도 담금질 후 표면이 더 약할 수 있다. 산화막은 치수 검사, 자분탐상검사, 코팅 접착력 또는 이후 가공에도 영향을 줄 수 있다.

이러한 강종에서는 요구되는 탄소 평형에 따라 분위기를 선택한다. 중성 분위기 또는 제어 분위기는 표면 탄소 활성이 강재의 의도된 값에 가깝게 유지되도록 해야 한다. 의도적인 탄소 증가가 규정된 경우에만 침탄성 조건이 적절하다. 탄소 포텐셜은 가스의 종류를 명명하는 것만으로 설정되지 않는다. ASM Handbook Volume 4B는 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 제어 관계와 직접 또는 간접 측정 방법을 설명한다. 실제로는 노 제어 시스템과 센서가 명시된 분위기가 작업물에서 실제로 형성되는지를 결정한다.

얇은 단면은 빠르게 가열되고 표면적 대 체적비가 크다. 따라서 장입물이 목표 온도에 도달하기 전에 탄소를 함유한 표면층의 더 큰 비율을 잃을 수 있다. 용접물은 더욱 민감할 수 있다. 용접 금속, 열영향부 및 모재는 서로 다른 조성과 이전 미세조직을 가질 수 있으며, 잔류응력과 산화막도 접합부를 따라 달라진다. ISO 17663:2023은 용접 및 관련 공정과 연계하여 공기 또는 제어 분위기에서 수행되는 열처리의 품질 요구사항을 규정하며, 주로 페라이트계 강과 작업장 또는 현장에서 수행되는 작업에 적용된다. 따라서 용접 열처리를 비공식적인 노 노출이 아니라 문서화된 공정으로 취급해야 한다는 근거를 제공한다.

공구강, 베어링강 및 고탄소강

고탄소강은 표면 탄소 농도가 경도, 내마모성, 잔류 오스테나이트 및 치수 안정성에 직접 영향을 미치므로 더 엄격한 제어가 필요하다. 예로는 AISI/SAE 52100 베어링강, AISI D2 공구강, AISI O1 및 AISI W1이 있다. 오스테나이트화 후의 표면 상태는 단순한 외관상의 문제가 아니다.

AISI/SAE 52100에 탈탄층이 형성되면 베어링 궤도면 아래에 연한 영역이 생길 수 있다. 가벼운 세척으로 스케일을 제거한다고 해서 이 층까지 반드시 제거되는 것은 아니다. AISI D2와 같은 공구강에서는 표면 탄소 손실로 인해 의도된 마르텐사이트 및 탄화물 함유 조직을 형성하는 데 필요한 탄소가 감소할 수 있다. 과도한 산화는 연삭 여유를 변화시키고 마무리 가공 중 결함을 촉진할 수도 있다. AISI O1과 AISI W1도 마찬가지로 표면에 유지되는 탄소에 성능이 크게 좌우되므로 경화 중 취약하다.

고탄소 부품은 단순히 분위기를 “탄소가 풍부하게” 만든다고 보호되는 것이 아니다. 과도한 탄소 포텐셜은 제어된 결과 대신 그을음, 탄화물 석출 또는 변화된 표면 화학 조성을 초래할 수 있다. 요구되는 분위기는 강종, 오스테나이트화 온도, 노출 시간 및 노의 응답 특성에 맞춰야 한다. 진공, 저압 공정, 염욕, 중성 제어 가스 또는 의도적으로 탄소를 조정한 분위기는 각각 기술적으로 적용될 수 있지만, 선택은 규정된 표면 상태와 설비 능력에 따라 달라진다.

베어링 링과 정밀 공구에서는 치수 문제도 발생한다. 산화는 표면 금속을 소모하며 모서리, 구멍 및 접촉 지그에 스케일을 형성할 수 있다. 열 구배와 불균일한 가스 순환으로 인해 한 영역이 다른 영역보다 더 많이 산화되거나 탈탄될 수 있다. 따라서 단면 두께, 적재 방식, 장입 밀도, 이전의 구상화 또는 풀림 상태 및 노 라이닝의 상태도 분위기 결정에 포함되어야 한다. 강종 표기는 출발점일 뿐이다.

같은 논리는 스프링강과 고탄소 와이어에도 적용된다. 얇은 와이어는 처리 온도에 빠르게 도달할 수 있으므로, 표면 탄소가 변하기 전에 작업자가 분위기 이탈을 감지할 시간이 거의 없을 수 있다. 경화된 부품은 특히 민감하다. 최종 특성이 이미 가열, 담금질 및 뜨임의 좁은 공정 순서에 의해 결정되기 때문이다. 오스테나이트화 중 형성된 표면 결함은 뜨임으로 신뢰성 있게 교정할 수 없다.

오스테나이트화, 풀림, 불림, 뜨임 및 응력 제거

오스테나이트화는 일반적으로 분위기에 가장 민감한 작업이다. 강재는 오스테나이트 영역까지 가열되며, 이때 산화와 탄소 이동이 빠르게 진행될 수 있다. 고탄소강과 공구강은 표면 탄소를 보존하는 제어가 필요하며, 저탄소강도 표면을 이후 경화하거나 침탄할 경우 탄소 보호가 필요할 수 있다. 장입물은 균일하게 가열되어야 하며, 노 설정 온도를 작업물 온도나 표면 상태의 증거로 간주해서는 안 된다.

풀림은 일반적으로 경화보다 더 긴 노 노출을 허용하므로 스케일과 탈탄이 발생할 기회가 증가한다. 완전 풀림, 아임계 풀림 및 구상화 풀림은 온도와 시간이 서로 다르므로 하나의 “풀림 분위기”만으로는 충분하지 않다. AISI/SAE 1045 또는 AISI/SAE 4140에서는 가공을 통해 표면을 제거할 경우에만 표면 탄소 손실이 허용될 수 있지만, AISI/SAE 52100 또는 AISI D2에서는 동일한 가공 여유가 허용되지 않을 수 있다. 서냉은 변질된 표면을 복구하지 못한다.

불림은 스케일 제거가 예정된 단조품과 구조 부품에 대해 대기 중에서 수행되는 경우가 많다. 이는 생산상의 결정이지, 공기가 중성이라는 증거가 아니다. Cambridge University Press가 2012년에 다룬 분위기 제어 관련 내용은 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분하고, 제어되지 않은 산화성 분위기를 스케일 형성 및 강재 탈탄과 연관시킨다. 따라서 직접 사용, 검사 또는 유도경화를 목적으로 하는 불림 축은 단조 소재를 공기 중에서 불림할 수 있는 경우에도 제어된 보호 분위기가 필요할 수 있다.

뜨임은 오스테나이트화 온도 범위보다 낮은 온도에서 수행되지만, 특히 장시간 노출 또는 반복 뜨임 사이클 중에는 산화가 여전히 발생할 수 있다. 청정하고 산화가 적은 분위기는 치수와 표면 마무리를 보호하지만, 오스테나이트화 중 사용되는 것과 동일한 탄소 포텐셜 전략이 필요한 것은 아니다. 뜨임 색상은 특히 장입물 전체에서 산화막 두께가 서로 다를 때 신뢰할 수 있는 분위기 제어 측정값으로 간주해서는 안 된다.

용접물과 가공 부품의 응력 제거는 대기 중에서 수행되는 경우가 많지만, 대기에 노출되면 표면에 스케일이 형성되고 준비된 접합부나 완성 부품이 변질될 수 있다. 열처리가 용접과 관련되어 있고 현장 작업을 포함하는 경우 ISO 17663:2023이 관련된다. 청정한 표면이 필요한 부품이라면 노출된 노보다 제어 분위기, 진공, 국부 차폐 또는 보호 인클로저를 선택하는 것이 바람직할 수 있다.

마지막으로 노 분위기와 이후의 표면 보호는 서로 별개의 제어 항목이다. ISO 17834:2003은 최대 1000 °C(1273 K)에서 부식 및 고온 산화 방지를 위한 열분사 금속 코팅을 다루며, ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 처리 등급을 분류한다. 어느 표준도 가열 중 제어를 대신하지 않는다. 분위기는 먼저 규정된 야금학적 표면을 형성해야 하며, 코팅과 후처리 표면 준비는 다른 단계에 해당한다.

공기 중 열처리와 제어 분위기 열처리의 비교

공기는 편리하지만, 편리하다고 해서 금속공학적으로 중립적인 것은 아니다. 고온에서는 산소와 수증기가 강과 반응할 수 있으며, 주변 가스는 표면의 탄소 활성도를 변화시킬 수 있다. 그 결과 스케일, 탈탄, 침탄 또는 이러한 현상의 조합이 발생할 수 있다. 그 결과가 허용 가능한지는 이후 표면에 어떤 일이 일어나는지, 그리고 부품이 사용 중 어떤 기능을 수행해야 하는지에 따라 달라진다.

미국 상무부 산하 국립표준국의 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel (1966)은 두 가지 주요 표면 위험을 직접적으로 제시한다. 산화는 스케일을 생성하고, 표면에서 탄소가 손실되면 탈탄이 발생한다. 또한 연소 생성물에 포함된 수증기가 유해하다고 설명한다. 따라서 로 분위기는 단순히 장입물 주위의 공간을 채우는 수단이 아니라, 열처리 사양의 일부이다.

공기 가열이 표면상 불이익을 초래하는 경우

탄소강이나 저합금강을 공기 중에서 가열하면 온도와 국부적인 가스 조건에 따라 조성이 달라지는 산화철이 형성된다. 스케일은 금속을 소모하고 치수를 변화시키며, 후속 가공, 용접, 도장 또는 검사에 지장을 줄 수 있다. 취급 중 스케일이 떨어져 나가 불균일한 표면을 남길 수도 있다. 그러나 우려해야 할 것은 산화물 자체만이 아니다. 산화성이고 탄소가 부족한 환경에 노출된 표면에서는 강 내부의 탄소가 가스로 확산되어 탄소가 손실될 수 있다.

이러한 탄소 손실로 탈탄층이 형성된다. 경화된 부품에서는 영향을 받은 영역의 경도와 내마모성이 내부보다 낮아질 수 있다. 피로 하중을 받는 부품에서는 모재의 경도가 도면 요구사항을 충족하더라도, 변화된 표면 화학 조성과 이에 수반되는 미세조직 변화가 의도된 성능에 영향을 줄 수 있다. 탈탄의 깊이와 정도는 강의 조성, 온도, 유지 시간, 표면 상태, 가스 조성 및 계면에서 형성되는 탄소 활성도에 따라 달라진다.

제어 분위기라고 해서 “공기가 아닌 임의의 가스”를 의미하는 것은 아니다. ASM International의 Furnace Atmosphere Controls in Heat Treating (2017)은 제어를 두 가지 주요 그룹, 즉 로 분위기 제어와 공급 분위기 제어로 구분한다. 전자는 로 내부에 어떤 상태가 존재하는지와 그 상태를 어떻게 측정하는지에 관한 것이며, 후자는 그러한 상태를 만들어 내는 가스, 발생기, 혼합 장비, 정제 및 공급에 관한 것이다. 두 가지 모두 중요하다. 수분이 공급 계통으로 유입되거나, 로에서 누설이 발생하거나, 측정 시스템이 장입 영역을 대표하지 못한다면 가스를 올바르게 선택했더라도 잘못된 결과가 발생할 수 있다.

탄소강에서는 표면 탄소를 안정적으로 유지해야 하는 처리 중 탄소 포텐셜 제어가 핵심이다. ASM은 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 관계를 탄소 포텐셜을 평가하거나 제어하는 수단으로 설명한다. 이러한 성분들은 모든 로 설계에서 서로 바꾸어 사용할 수 있는 지표가 아니며, 설정값은 측정 방법, 온도, 가스 유량 및 로의 응답 특성이 정의되어 있을 때에만 의미를 갖는다. Steel Heat Treatment Handbook (CRC Press, 2014) 역시 분위기 화학이 산화 저항성과 표면 탄소 제어 모두에 영향을 줄 수 있기 때문에 이산화탄소, 암모니아 및 기타 반응성 가스를 다룬다.

공정 사양에는 허용 가능한 표면 상태가 명시되어야 한다. “공기 중 가열”이라는 표현은 그 결과로 생기는 스케일과 표면 화학 상태를 사양에서 허용하는지, 또는 이를 제거하거나 수정하기 위한 후속 공정을 요구하는지 함께 명시하지 않는 한 불완전하다. 광택 표면, 탈탄의 지정된 최대 깊이, 치수 정확도의 유지 또는 기능성 경화층이 요구된다면 더욱 엄격한 분위기 제어가 필요하다.

성형을 위한 재가열과 최종 열처리의 차이

흔히 발생하는 범주 오류는 모든 고온 공정이 동일한 표면 요구사항을 갖는 것처럼 취급하는 것이다. Cambridge University Press의 “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes” (2012)는 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분한다. 이러한 구분은 공정 계획에 반영되어야 한다.

단조, 압연 또는 다른 성형 작업을 위한 재가열에서는 일부 스케일이 허용될 수 있다. 디스케일링, 변형, 트리밍 또는 가공을 통해 영향을 받은 재료를 제거할 수 있기 때문이다. 이 가열 단계의 주된 목적은 소재를 소성 변형에 적합한 상태로 만드는 것이다. 따라서 산화층을 관리하고 최종 치수나 특성이 확정되기 전에 제거하는 공정이라면 공기 중 가열이 허용될 수 있다. 그렇다고 분위기를 무시해도 된다는 뜻은 아니다. 과도한 스케일은 수율을 낮추고, 공구를 손상시키며, 결함을 가리고, 표면 겹침이나 기타 제조상의 문제를 일으킬 수 있다.

최종 열처리는 다르다. 담금질 및 뜨임, 노멀라이징, 풀림, 용체화 처리 또는 응력 제거는 사용 중 남아 있는 표면의 특성을 결정할 수 있다. 부품을 열처리 후 완성하는 경우에는 스케일이나 탈탄을 제거할 수 있는 가공 여유가 거의 없을 수 있다. 베어링 레이스, 기어 이, 스프링, 축 저널 또는 마모 표면은 이후 가공될 단조용 소재와 동일한 기준으로 평가할 수 없다.

이러한 구분은 용접 관련 작업에도 적용된다. ISO 17663:2023은 용접 및 관련 공정과 연계하여 공기 중 또는 제어 분위기에서 수행되는 열처리에 대한 품질 요구사항을 규정하며, 주로 페라이트계 강과 작업장 또는 현장에서 수행되는 작업을 대상으로 한다. 이 표준의 적용 범위는 실무적인 핵심 사항을 뒷받침한다. 즉, 허용 가능한 분위기와 표면 결과는 정의된 작업, 재료, 장비 및 검사 요구사항과 연계되어야 한다.

최종 열처리 사양에는 스케일의 허용 여부, 열처리 후 세정의 필요 여부, 탈탄 또는 기타 표면 변화의 측정 방법이 명시되어야 한다. 또한 C45, 42CrMo4 또는 특정 제품 표준에 따라 지정된 강종과 같이 관련 강종을 정의해야 한다. 조성이 산화와 탄소 이동에 대한 반응에 영향을 주기 때문이다. 모호한 합격 기준은 분위기 제어로 보완할 수 없다.

진공 및 불활성 가스 대안

진공로는 가열 전에 로 내부 가스의 대부분을 제거하여 반응성 가스의 분압을 낮춘다. 불활성 가스 시스템은 선택한 가스가 강종, 온도 및 처리 조건과 양립하는 경우 아르곤이나 질소와 같은 가스로 공기를 대체한다. 이러한 방법은 원치 않는 표면 반응을 제한한다는 점에서 제어 분위기 로와 동일한 광범위한 목적을 갖지만, 모든 반응을 불가능하게 만드는 것은 아니다.

진공 품질, 누설, 잔류 수분, 로의 청정도, 장입 상태 및 압력 이력은 모두 표면 결과에 영향을 준다. 불활성 가스에도 산소나 수분 오염이 포함될 수 있으며, 질소는 일부 합금계나 표면 상태와 상호작용할 수 있다. 한 강종과 공정에서 불활성인 가스가 다른 강종과 공정에서도 실질적으로 동일한 의미의 불활성 가스인 것은 아니다. 침탄, 질화 또는 탄소 포텐셜 보정이 필요한 경우에는 반응성 첨가 가스를 의도적으로 사용할 수도 있다.

따라서 선택은 로 유형의 우열을 가리는 문제가 아니라 공정상의 결정이다. 제어 분위기는 스케일을 제한하면서 표면 탄소를 유지할 수 있고, 진공은 기상 오염과 스케일 형성을 줄일 수 있으며, 불활성 환경은 그 순도와 화학 조성이 관리되는 경우 적절한 장벽을 제공할 수 있다. 그러나 어떠한 방법도 조건을 명시하지 않은 채 모든 표면 반응을 제거한다고 설명해서는 안 된다.

열처리 후 표면 보호는 별도의 주제이다. ISO 17834:2003은 1000 °C (1273 K)까지 부식과 고온 산화로부터 보호하기 위한 용사 금속 코팅을 다루며, ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 준비 등급을 분류하고 무도장 표면, 용사 표면, 아연도금 표면, 전기도금 표면, 셰러다이징 표면 및 도장 표면을 구분한다. 이러한 표준은 열처리 분위기 요구사항을 대체하지 않는다. 최종 공정 문서에는 표면을 처리 상태 그대로 유지할 것인지, 세정할 것인지, 가공할 것인지 또는 후속 보호 시스템을 적용할 것인지 명시해야 하며, 합격으로 인정되는 상태도 정의해야 한다.

노 분위기를 넘어선 표면 보호

코팅과 노 분위기는 강재의 수명 주기에서 서로 다른 시점에 보호 기능을 수행한다. 노 분위기는 산화, 침탄 또는 탈탄 반응이 진행될 만큼 강재가 고온인 동안 작용한다. 반면 코팅은 일반적으로 보관, 사용 또는 부식성·고온 환경에 노출되는 이후 단계에서 작용한다. 이러한 기능을 혼동하면 완성 부품이 깨끗해 보이더라도 열처리의 유효성이 훼손될 수 있다.

미국 상무부 국가표준국은 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel (1966)에서 가열 중 발생하는 두 가지 주요 표면 위험을 산화에 의한 스케일 생성과 표면 탄소 손실에 의한 탈탄으로 규정한다. 연소 생성물에 포함된 수증기는 유해한 것으로 설명된다. Cambridge University Press도 Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes (2012)에서 동일한 공정상의 구분을 제시하며, 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 분리하고, 제어되지 않은 산화성 분위기를 스케일 생성 및 강재 탈탄과 연관시킨다.

ASM International의 2017년 노 분위기 제어 관련 자료는 이 문제를 “노 분위기 제어”와 “공급 분위기 제어”로 구분한다. 별도의 표면 코팅이 존재하는 경우에도 이러한 구분은 중요하다. 코팅은 금속과 노 가스의 접촉을 줄일 수 있지만, 장입물 전체에 걸쳐 알려진 탄소 포텐셜을 형성하거나 누설을 보상하거나 노가 규정된 화학적 상태에 도달했음을 입증하지는 못한다. 탄소 포텐셜은 가스 반응과 이산화탄소, 수증기 및 산소 분압 사이의 관계에 좌우된다. ASM은 또한 분위기와 관련된 탈탄을 강재 열처리에서 핵심 주제로 규정한다.

열분사 금속 코팅

열분사 금속 코팅은 금속 원료를 가열한 뒤 용융 또는 반용융 상태의 입자를 준비된 모재 표면에 분사하여 형성한다. 증착층은 서로 겹쳐진 입자로 구성되므로, 그 기공률, 산화물 함량, 접착력, 두께 및 실링 상태는 분사 공정과 모재 표면의 준비 상태에 따라 달라진다. 알루미늄, 아연, 아연-알루미늄 계 및 기타 분사 금속은 부식 또는 열 노출 조건에 따라 선택할 수 있지만, 코팅은 독립적인 차폐막으로 취급하기보다 하나의 시스템으로 규정해야 한다.

ISO 17834:2003은 최대 1000 °C (1273 K)의 온도에서 부식 및 고온 산화에 대한 보호를 목적으로 하는 열분사 금속 코팅을 다룬다. 이 표준의 적용 범위는 중요하지만, 제시된 온도 값이 모든 사용 조건을 보장하는 보편적 기준은 아니다. 실제 한계는 코팅 금속, 모재의 강종, 열사이클, 분위기, 코팅 두께, 접착력, 그리고 분사층 위에 적용된 실러 또는 마감재에 따라 달라진다. 예를 들어 아연이 풍부한 분사 표면은 두 재료가 모두 금속이라는 이유만으로 고온 노출 시 알루미늄 코팅과 동일하게 거동한다고 가정할 수 없다.

분사 시점은 결정적으로 중요하다. 오스테나이트화 전에 코팅을 적용하면 코팅의 바인더, 기공, 산화물 또는 모재와의 계면이 가열 중 반응할 수 있다. 코팅층은 연화되거나 휘발하거나 균열이 발생할 수 있으며, 강재와 합금화되거나 노 치구에 오염물을 전달할 수도 있다. 코팅이 부착된 상태로 남더라도 표면의 열전달을 변화시키고 스케일 또는 탈탄 검사를 복잡하게 만들 수 있다. 따라서 전체 열사이클과 코팅의 적합성이 검증되지 않은 경우, 일반적으로 코팅은 열처리 후 적용하는 표면 보호 시스템으로 취급한다.

분사 코팅은 또한 분위기 제어를 대체할 수 없다. 탄소강 또는 저합금강을 경화할 때 필요한 표면 탄소 상태는 강재와 가스의 계면에서 형성되거나 유지된다. 가스 접촉을 차단하는 코팅은 탄소 교환을 제어하기보다 의도된 탄소 교환 자체를 방해할 수 있다. 코팅층에 반응성 산화물이 포함되어 있거나 기공을 통해 국부적으로 가스가 접근할 수 있다면 부품 전체에서 결과가 달라질 수 있다. 노는 여전히 규정된 산화 포텐셜과 탄소 포텐셜을 유지해야 하며, 처리된 표면은 여전히 스케일, 탈탄 및 코팅 관련 결함에 대해 검사해야 한다.

아연도금, 전기도금, 셰라다이징 및 도장 표면

ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 범주와 표면 준비 상태를 구분한다. 그 범주에는 무코팅 표면, 열분사 표면, 아연도금 표면, 전기도금 표면, 셰라다이징 표면 및 도장 표면이 포함된다. 이러한 명칭은 서로 다른 코팅 상태와 표면 준비 요건을 설명하는 것이며, 방식 실무를 열처리 규격의 대체 수단으로 바꾸는 것은 아니다.

아연도금은 일반적으로 용융 아연에 침지하여 강재에 아연을 입히는 공정이며, 전기도금은 전해 공정을 통해 금속을 석출시키는 공정이다. 셰라다이징은 아연 분말과 함께 강재를 가열하여 아연 기반 확산 코팅을 형성한다. 도장 시스템은 유기 또는 무기 코팅막을 사용하며, 대개 표면을 준비하고 프라이머를 도포한 모재 위에 형성된다. 이들의 열적 거동은 크게 다르다. 아연을 함유한 코팅은 오스테나이트화 중 용융, 증발 또는 반응할 수 있다. 전기도금층은 부풀어 오르거나 모재 내부로 확산될 수 있다. 셰라다이징층은 이미 철-아연 확산 구조를 포함하고 있으므로 추가 가열 중 변화할 수 있다. 도료는 분해되어 연기, 침착물 또는 반응성 가스를 생성할 수 있다.

이러한 구분은 표면 탄소가 규격의 일부인 강종에서 특히 중요하다. AISI 1045, EN 10083-2 C45E 및 AISI 4140은 최종 공정이 경화, 뜨임, 질화 또는 단순 응력 제거인지에 따라 서로 다른 표면 변화를 허용할 수 있다. 눈에 보이는 아연층이나 도료층이 존재한다고 해서 그 아래 강재가 요구되는 탄소 구배를 유지했다는 의미는 아니다. 또한 외관이 깨끗하다고 해서 산화가 제어되었다는 뜻도 아니다. 스케일은 얇고 치밀하게 부착되어 있을 수 있으며, 탈탄은 금속성으로 보이는 표면 아래까지 진행될 수 있다.

반대의 문제는 열처리 후에 발생한다. 경화된 AISI 4140 부품에는 방식 코팅이 필요할 수 있지만, 그 코팅은 사용 환경에 맞게 선정하고 담금질, 뜨임, 세척 및 검사 후에만 적용한다. 노 사이클 전에 코팅을 적용하면 열처리 화학 조건이 변할 수 있으며, 열처리 후에 적용한다고 해서 이미 탈탄된 층을 복구하거나 손실된 치수 정확도를 회복할 수는 없다.

열처리 전후의 표면 준비

열처리 전에 표면은 그 상태가 명확히 규정되어 있어야 한다. 오일, 인발 윤활제, 지문, 염류, 기존 도료, 산화물 및 블라스팅 잔류물은 노 안에서 분해되거나 반응할 수 있다. 염화물을 함유한 오염은 특히 바람직하지 않다. 잔류물이 냉각 중 부식을 촉진하거나 이후 코팅의 접착을 방해할 수 있기 때문이다. 세척은 탈탄 제어와 혼동해서는 안 된다. 오일을 제거한다고 해서 이전 열처리에서 이미 형성된 탄소 고갈층이 교정되는 것은 아니다.

표면 준비는 계획된 공정 순서에 따라서도 달라진다. 침탄, 탄질화 또는 질화를 실시할 부품은 마스킹이나 선택적 표면 처리가 필요할 수 있지만, 마스킹 재료는 노의 온도와 분위기에 적합한지 검증해야 한다. ISO 12944-4:2017에 따라 도장을 위해 준비된 표면이 오스테나이트화를 위해 자동으로 적합한 것은 아니다. 요구되는 거칠기, 청정도, 잔류응력 및 허용 가능한 산화물 상태가 서로 다를 수 있다.

열처리 후에는 강재와 요구되는 마감 상태에 적합한 방법으로 스케일과 잔류물을 제거한다. 연마재 블라스팅, 알칼리 세척, 산세, 기계가공 또는 가벼운 연삭을 사용할 수 있지만, 각각 제거하는 재료의 양이 다르고 표면 조직도 변화시킨다. 연삭은 국부적인 열을 발생시키면서 새로운 금속 표면을 드러낼 수 있으며, 과도한 블라스팅은 모서리를 둥글게 만들거나 거친 표면 형상 아래의 얕은 결함을 감출 수 있다. 탈탄이 의심되는 경우에는 금속조직학적 검사, 경도 분포 시험 또는 규정된 표면 탄소 시험이 필요하다. 해당 부위를 코팅한다고 해서 변화된 야금학적 상태가 허용 가능한 상태로 바뀌는 것은 아니다.

최종 표면 보호 공정은 열처리 상태를 검사한 후에 실시해야 한다. 이러한 순서는 스케일, 산화, 치수 변화, 경도 및 탈탄을 평가하는 데 필요한 증거를 보존한다. ISO 17663:2023은 주로 페라이트계 강재와 작업장 또는 현장에서 수행되는 작업을 대상으로, 공기 또는 제어 분위기에서의 열처리에 대한 품질 요구사항을 규정함으로써 공정 제어 원칙을 강화한다. 가열 중 분위기 제어를 통해 보호하든, 이후 아연도금, 열분사, 도금, 셰라다이징 또는 도장을 통해 보호하든, 각 조치는 의도한 기능을 실제로 수행할 수 있는 단계에 배정되어야 한다.

용접 및 제작과 관련된 열처리

ISO 17663:2023의 적용 범위

ISO 17663:2023은 제공된 연구에서 용접 및 관련 공정과 연계된 열처리를 위한 주요 품질 프레임워크이다. 이 표준은 공기 중 또는 제어된 분위기에서 수행되는 처리에 대한 품질 요구사항을 규정하며, 주로 페라이트계 강에 적용되고, 작업장에서 수행되는 작업뿐 아니라 현장에서 수행되는 작업도 다룬다. 따라서 그 대상은 단순한 노 운전보다 넓다. 이 표준은 열처리 작업이 용접 부품 또는 제작 부품에 영향을 미칠 때 해당 작업을 어떻게 규정하고, 준비하고, 관리하고, 측정하고, 기록하며, 승인할 것인지에 관한 것이다.

이 표준은 모든 용접 부품에 하나의 분위기를 적용하도록 규정하지 않는다. 탄소-망간 압력용기 용접부, 저합금 구조용 강의 보수 용접부, 페라이트계 스테인리스강 제작품은 서로 다른 위험과 공정 요구사항을 가질 수 있다. 필요한 분위기는 강종, 용접 절차, 열 사이클, 표면 상태, 허용 가능한 산화 정도, 치수상의 제약, 그리고 해당 작업이 응력 제거, 예열, 용접 후 열처리, 뜨임 또는 기타 처리인지에 따라 달라진다. ISO 17663:2023은 이러한 변수를 관리하기 위한 품질 요구사항을 제공하는 것이며, 보편적인 가스 선택표가 아니다.

이러한 구분은 중요하다. “공기 중 열처리”가 “분위기 제어 없이 수행하는 열처리”를 의미하는 것은 아니기 때문이다. 공기에는 산소와 수증기가 포함되어 있으며, 두 성분 모두 가열된 표면에 영향을 줄 수 있다. 미국 National Bureau of Standards의 핸드북 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel은 표면에서 발생하는 두 가지 대표적인 결과를 제시한다. 산화는 스케일을 형성하고, 표면에서 탄소가 손실되면 탈탄이 발생한다. 또한 연소 생성물에 포함된 수증기도 유해한 요인으로 규정한다. 부품이 명목상 노 온도에 도달했더라도 열 사이클 중 표면 화학 조성이 변하면 허용할 수 없는 처리가 될 수 있다.

Cambridge의 “Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes”라는 장에서는 또 다른 유용한 구분을 제시한다. 가공을 위한 재가열은 최종 열처리와 동일한 작업이 아니다. 한 제조 단계에서 이후의 가공 여유가 확보되는 경우에는 제어되지 않은 산화 조건이 허용될 수 있지만, 완성된 용접부 또는 치수가 관리되는 부품에는 허용되지 않을 수 있다. 따라서 열처리 사양에는 단순히 목표 온도만이 아니라 가열 후 허용되는 표면 상태도 명시되어야 한다.

노에서 처리하는 경우 ASM International의 2017년 노 분위기 제어 관련 자료는 두 가지 주요 제어 그룹을 제시한다. 즉, 노 분위기 제어와 공급 분위기 제어이다. 전자는 작업물 주변에 실제로 존재하는 조건을 다루며, 후자는 그러한 조건을 형성하는 가스, 증기, 연소 생성물, 누설, 혼합 및 공급 장비를 다룬다. 명목상의 가스 명칭만으로는 제어된 분위기임을 입증할 수 없다. 가스 반응은 온도에서 계속 진행되며, 그 영향은 조성, 유량, 수분, 노 누설, 장입물 배치 및 노출 시간에 따라 달라진다.

탄소 포텐셜은 이를 잘 보여주는 사례이다. ASM Handbook Volume 4B는 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 측정 또는 관계식을 통한 제어를 논의한다. The Steel Heat Treatment Handbook 역시 이산화탄소, 암모니아 및 기타 반응성 가스를 산화 저항성과 표면 탄소 제어에 영향을 미치는 요인으로 다룬다. 이러한 관계식은 표면 탄소를 유지하거나 조정해야 하는 처리에서 유용하지만, 모든 용접 부품의 열처리를 침탄 분위기 또는 중성 분위기에서 수행해야 하는 작업으로 바꾸는 것은 아니다. 분위기는 규정된 야금학적 결과에 부합해야 한다.

작업장 및 현장 열처리

작업장 열처리는 일반적으로 노, 고정된 열전대 설치 위치, 확립된 장입 절차, 그리고 반복 가능한 가스 또는 연소 제어를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점은 편차를 줄이지만, 실제 부품이 요구된 열 사이클을 거쳤음을 입증해야 할 필요성을 없애지는 않는다. 대형 용접 조립품에는 두꺼운 부분과 얇은 부분, 부착물, 구속부 및 서로 다른 열손실 조건이 존재할 수 있다. 노 내부 공기 온도만으로는 용접부, 열영향부 또는 관련 최저 온도부의 온도를 대표하지 못할 수 있다.

현장 열처리도 고정된 자원이 더 적다는 점을 제외하면 동일한 품질 문제를 제기한다. 국부 저항 가열기, 유도가열 장비, 가스 버너, 세라믹 패드 또는 기타 가열 시스템을 용접부나 보수 영역 주변에 설치할 수 있다. 이 경우 가열 밴드, 온도 구배, 단열, 인클로저 및 모재가 형성하는 열 싱크가 모두 공정의 일부가 된다. 국부 열처리는 규정된 영역과 열 사이클이 설정되고 유지되는 경우에만 야금학적으로 적절할 수 있다.

인클로저와 차폐에는 특별한 주의가 필요하다. 단열재는 열손실을 줄일 수 있지만, 틈새를 통해 공기가 유입되어 국부 산화를 일으킬 수 있다. 퍼지 또는 차폐 장치는 산화성 가스와의 접촉을 줄일 수 있으나, 그 효과는 인클로저 형상, 밀봉 상태, 유량 및 모니터링에 따라 달라진다. 또한 오일, 수분, 도료, 스케일 또는 제작 잔류물이 추가적인 반응을 일으키거나 손상을 가리지 않도록 표면을 충분히 청결하게 유지해야 한다. 표면 준비는 분위기 제어와 동일한 주제가 아니다. ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 준비 등급을 규정하고, 무도장 표면, 열분사 표면, 아연도금 표면, 전기도금 표면, 셰라다이징 표면 및 도장 표면을 구분한다. 반면 ISO 17834:2003은 최대 1000 °C (1273 K)까지의 부식 및 고온 산화 방지를 위한 열분사 금속 피복을 다룬다. 이러한 표준은 표면 보호 조건을 설명하는 데 도움이 되지만, 어느 표준도 ISO 17663:2023의 열처리 요구사항을 대체하지는 않는다.

현장에서 용접 보수를 수행하는 경우, 절차서에는 가열기 배치, 단열 배치, 인클로저 또는 차폐 방법, 허용되는 표면 상태, 규정된 경우 가열 및 냉각 속도, 온도 센서의 위치를 명시해야 한다. 또한 작업 중단, 전원 손실, 비, 바람 또는 예상하지 못한 온도 이탈을 어떻게 처리할지도 규정해야 한다. 요구되는 열 영향이 용접 금속, 열영향부 및 인접 모재 전체에 미치는 경우에는 용접 중심선만 표시한 도면으로는 충분하지 않다.

분위기, 온도 균일성 및 기록

분위기, 온도 균일성 및 기록은 서로 연결된 하나의 품질 시스템을 구성한다. 이들을 분리하면 잘못된 확신이 생긴다. 노의 기록 차트에는 한 개의 열전대가 설정값에 도달한 것으로 나타나더라도, 산화성 누설, 불충분한 순환 또는 과도하게 빽빽한 장입으로 인해 부품의 일부가 다른 조건에 노출될 수 있다. 반대로 제어된 가스 공급도 센서 위치가 부적절하거나 국부 가열기로 인해 반대쪽이 요구 온도 이하로 남는 문제를 보완할 수는 없다.

온도 측정은 부품과 규정된 처리 영역을 대표해야 한다. 센서 종류, 부착 방법, 식별 정보, 교정 상태, 위치 및 기록 간격은 가열 시작 전에 정해져야 한다. 국부 작업의 경우 용접 토우, 두께 변화부, 부착물, 구속부 및 열을 빠르게 잃을 것으로 예상되는 영역 인근에 추가 센서가 필요할 수 있다. 가열기의 대칭성만으로 균일성이 확보되었다고 간주해서는 안 된다. 균일성은 절차와 관련된 위치에서 측정된 온도를 통해 입증되어야 한다.

기록에는 부품, 용접부 또는 보수 식별 정보, 장비, 절차서 개정 번호, 작업자, 분위기 또는 차폐 배치, 센서 위치, 교정 정보, 가열 사이클, 유지 시간, 냉각 사이클, 중단 및 편차가 서로 연계되어야 한다. 분위기 제어가 요구되는 경우에는 가스 또는 연소 시스템 점검, 퍼지 또는 유량 정보, 인클로저 상태 및 처리 후 표면을 검사했다는 증거도 기록해야 할 수 있다. 기록은 단순히 노가 켜졌음을 확인하는 것이 아니라 실제로 어떤 일이 발생했는지를 판단할 수 있도록 해야 한다.

유효한 온도 기록이 산화 또는 탈탄이 없었음을 입증하는 것은 아니므로 표면 검사는 여전히 필요하다. 스케일, 변색, 표면 거칠기 및 탄소 손실은 후속 가공, 용접, 피로 성능, 치수 맞춤 또는 부식 방지에 영향을 줄 수 있다. 검사 방법과 합격 기준은 부품 사양 및 적용 가능한 품질 계획에 따라야 한다.

따라서 ISO 17663:2023은 특정 가스를 선택하라는 지침이라기보다 공정 관리 표준으로 읽을 때 가장 유용하다. 이 표준은 준비, 가열 장비, 분위기 또는 차폐, 온도 측정, 균일성, 표면 상태, 인력의 역량 및 기록을 서로 연결한다. 이러한 연결이 있기 때문에 작업장 및 현장 열처리는 단순한 온도 도달 주장에 그치지 않고 입증 가능한 야금학적 작업이 된다.

불량한 분위기 제어로 발생하는 결함

분위기 결함은 단순한 외관상의 얼룩이 아니라 공정 결함이다. 산화는 표면에서 금속을 제거하고, 탄소 이동은 강의 조성을 변화시키며, 침착물은 가열, 담금질, 검사 또는 이후의 코팅을 방해할 수 있다. 미국 국립표준국(National Bureau of Standards)의 핸드북 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel (1966)은 산화로 인한 스케일과 탄소 손실로 인한 탈탄을 두 가지 주요 표면 위험으로 규정하며, 연소 생성물에 포함된 수증기도 유해하다고 경고한다. Cambridge University Press 역시 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분한다. 단조 작업에는 허용될 수 있는 분위기라도 최종 표면 탄소 함량과 치수 정확도를 유지해야 하는 경우에는 부적합할 수 있다.

ASM International의 ASM Handbook Volume 4B (2017)는 노 분위기 제어와 공급 분위기 제어를 구분한다. 두 가지 모두 중요하다. 노에 적절한 가스 조성이 설정되어 있어도 누설, 불량한 순환, 센서 고장, 유입구 막힘 또는 장입물과 함께 유입된 오염 때문에 불량 부품이 생산될 수 있다.

스케일, 피팅 및 치수 변화

스케일은 산화가 가시적으로 나타난 결과이다. 온도, 노출 시간, 강의 조성 및 가스 화학 조성에 따라 산화물은 검은색, 청색, 회색, 적색 또는 여러 층의 형태로 나타날 수 있다. 얇고 밀착된 막은 취급 또는 담금질 중 떨어져 나가는 두껍고 박리성인 스케일과 동일하지 않다. 후자는 신선한 금속을 노출시켜 피트를 남길 수 있으며, 떨어져 나온 산화물은 치구에 끼이거나 담금질액을 오염시킬 수 있다.

산화성 분위기는 명백한 원인이지만, 육안으로 보이는 스케일만으로 고장 원인을 특정할 수는 없다. 노의 누설로 인해 문, 씰, 균열 또는 압력 변동 부위를 통해 공기가 유입될 수 있다. 특히 가스 균형이 이미 잘못되어 있는 경우 과도한 수분은 노 가스의 산화 가능성을 높일 수 있다. 1966년 국립표준국 핸드북은 수증기를 포함한 연소 생성물을 유해한 것으로 명시한다. 분위기가 사이클의 일부 동안에는 적절했더라도 과도하게 긴 유지 시간으로 상당한 스케일이 생성될 수 있다. 순환이 불량하면 국부적인 산화 영역이 형성될 수 있으므로, 장입물의 한쪽 면에는 스케일이 심하게 발생하는 반면 차폐된 표면은 비교적 밝은 상태로 남을 수 있다.

피팅은 국부적인 산화, 스케일 박리, 응축성 오염물 또는 냉각 중 작은 전기화학적 또는 화학적 셀을 형성하는 침착물로 인해 발생할 수 있다. 염분, 오일, 작업장 오염물 및 이전 장입물에서 남은 잔류물은 국부적인 표면 반응을 변화시킬 수 있다. 피트는 얕고 분산된 형태일 수도 있고, 침착물이 강과 반응한 부위에서는 경계가 뚜렷하게 나타날 수도 있다. 스케일 제거 후의 표면 거칠기만으로 노 분위기가 단독 원인이라고 단정할 수는 없다. 선행 가공 자국, 단조 스케일, 쇼트 블라스팅 및 기계적 세척도 유사한 외관을 만들 수 있다.

산화는 치수도 변화시킨다. 표면에서 소모된 금속은 측정된 직경, 모서리 두께 또는 나사산과 정밀 면의 치수를 감소시킨다. 맞물리는 표면 사이에 끼인 스케일은 제거되기 전까지 반대로 치수가 증가한 것처럼 보이게 할 수 있다. 불균일한 산화는 진원도와 평면도를 변화시킬 수 있으며, 열 구배와 변태 응력은 산화와 무관하게 변형을 일으킬 수 있다. 따라서 밝은 표면이라고 해서 치수 안정성이 보장되는 것은 아니며, 어두운 표면이라고 해서 손실된 금속의 양을 알 수 있는 것도 아니다.

탈탄층 및 경도 손실

탈탄은 가열 중 강 표면에서 탄소가 빠져나갈 때 발생한다. 영향을 받은 층은 온도, 시간, 강종 및 분위기의 탄소 포텐셜에 따라 페라이트층, 부분 탈탄층 또는 조성이 점진적으로 변하는 층이 될 수 있다. AISI 1045와 같은 아공석강에서는 표면 부근의 탄소 손실로 냉각 후 펄라이트 분율이 감소할 수 있다. 담금질된 AISI 4140 부품에서는 중심부가 규정된 마르텐사이트 경도에 도달하더라도 표면에 더 연한 영역이 형성될 수 있다.

이 결함은 흔히 연한 표면층, 낮은 내마모성, 저하된 피로 성능 또는 예상보다 얕은 경화층으로 검출된다. 탈탄은 심한 스케일 없이도 발생할 수 있으므로 표면이 깨끗해 보일 수 있다. 반대로 가벼운 스케일과 낮은 경도가 함께 나타날 수도 있지만, 어느 한쪽이 다른 쪽을 입증하는 것은 아니다. 누설, 과도한 수분, 잘못된 탄소 포텐셜 설정, 불충분한 농화 가스, 불량한 순환 또는 과도한 노출 시간은 각각 탄소 손실을 일으킬 수 있다. 노 온도와 체류 시간이 정확하더라도 장입물 위치의 국부적인 가스 조성이 잘못되어 있을 수 있다.

탄소 포텐셜은 가스 화학 조성과 무관하게 조정하는 단일 다이얼이 아니다. ASM International은 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 측정값 또는 관계식을 이용한 제어 방법을 설명한다. 관련 반응의 균형에 따라 분위기가 강을 산화시키는지, 탄소를 제거하는지 또는 강으로 탄소를 이동시키는지가 결정된다. Steel Heat Treatment Handbook (CRC Press, 2014)은 이산화탄소, 암모니아 및 기타 반응성 가스를 다루는데, 이러한 구성 성분이 산화 저항성과 표면 탄소 제어 모두에 영향을 미치기 때문이다.

따라서 경도 시험은 접근하기 쉬운 한 면에서 한 번 측정하는 것이 아니라 표면에서 중심부로 진행하는 트래버스 방식으로 수행해야 한다. 깊이에 따라 경도가 점진적으로 증가하면 탄소 구배에 의한 결함 진단을 뒷받침하지만, 경도만으로 정확한 가스 이상을 식별할 수는 없다. 금속조직 검사는 표면의 페라이트, 변화된 펄라이트, 탄화물의 변화 또는 영향을 받은 재료와 영향을 받지 않은 재료 사이의 경계를 보여줄 수 있다. 표면에서 중심부까지의 화학적 평가와 같은 탄소 구배 분석은 규격에서 명확한 탈탄 한도를 요구하는 경우 더욱 강력한 확인 방법이 된다.

탄소 침탄, 그을음 및 비정상적인 표면 화학 조성

반대되는 결함은 탄소 침탄이다. 과도하게 침탄성이 높은 분위기에 노출된 강 표면은 탄소를 흡수할 수 있으며, 이로 인해 의도한 것보다 탄소 함량이 높은 층이 형성될 수 있다. 이 층은 필요 이상으로 경화되거나 잔류 오스테나이트를 형성하거나, 담금질 후 취성 또는 균열 민감성이 높은 조직을 발달시킬 수 있다. 저탄소강 또는 중탄소강이 의도적인 침탄 처리를 받는 것이 아니라 제어된 표면 조성을 유지해야 하는 경우 이러한 영향은 특히 중요하다.

그을음은 가시적인 경고 신호일 뿐 완전한 진단은 아니다. 과도한 탄화수소 활성, 불량한 가스 분해, 잘못된 가스 균형, 불충분한 순환, 노 내부의 저온 영역 또는 오일과 유기 잔류물에 의한 오염으로 발생할 수 있다. 검은 침착물은 탄소일 수 있지만, 응축된 공정 생성물 또는 탄소질 물질이 섞인 산화물을 포함할 수도 있다. 침착물은 스케일을 가리고, 균일한 열전달을 방해하며, 온도 측정을 교란하고, 다른 부품으로 전이될 수 있다.

비정상적인 표면 화학 조성은 탄소에만 국한되지 않는다. 암모니아 함유 분위기는 질소를 도입할 수 있으며, 이산화탄소와 수증기는 산화 및 탄소 이동 반응을 변화시킬 수 있고, 공기 유입은 산소와 질소를 추가할 수 있다. 그 결과 예상되는 색상을 보이지만 조성은 잘못된 표면이 형성될 수 있다. 회색이고 거칠거나 비정상적으로 단단한 층은 단일한 분위기 조건이 아니라 탄소 침탄, 질화, 산화 또는 침착 화합물을 반영할 수 있다.

진단에서는 부품의 증거와 노 기록을 연계해야 한다. 노 온도, 해당되는 경우 이슬점 또는 수분 지시값, 산소 포텐셜 또는 탄소 포텐셜 측정값, 가스 유량, 압력, 경보, 문 개방, 장입 위치 및 유지보수 작업을 기록해야 한다. 영향을 받은 위치와 영향을 받지 않은 위치를 비교한다. 단면을 금속조직학적으로 검사하고, 경도 트래버스를 실시하며, 표면 화학 조성이 의심되는 경우 탄소 또는 기타 화학 성분의 구배 측정을 의뢰해야 한다. ISO 17663:2023은 주로 페라이트계 강에 대해 작업장 또는 현장에서 수행되는 공기 분위기 또는 제어 분위기 열처리의 품질 요구사항을 규정한다. 이 표준의 중점 사항은 분위기 기록과 검증을 품질 증거로 취급해야 한다는 점을 뒷받침한다.

표면 외관은 선별 검사에 여전히 유용하다. 그러나 그것이 증거가 되는 것은 아니다. 동일한 스케일, 피트, 거칠기 양상, 연한 층 또는 검은 침착물이 여러 가지 고장으로 인해 발생할 수 있으므로, 육안 판단만으로 열처리 로트를 출하하거나 불합격 처리하는 것은 부적절한 관행이다.

검증, 합격 판정 및 문서화

온도 기록만으로는 분위기 상태나 최종 표면 합격 여부를 확립할 수 없다. Strong evidence

열처리 결과는 기록이 재료, 열 사이클, 분위기 및 완성 부품에서 얻은 증거를 연결할 때에만 방어 가능한 결과가 된다. 노 차트만으로는 강이 의도된 처리를 받았다는 사실을 입증할 수 없다. 기록에는 강종과 적용 재료 규격, 히트 또는 용강 번호, 장입 식별 정보, 부품 도면 또는 작업 지시서, 노 식별 정보, 적재 배열, 사이클 사양, 분위기 또는 진공 조건, 측정된 공정 변수, 경보, 편차 및 검사 결과가 포함되어야 한다. 어느 한 연결고리라도 누락되면, 이후 검토에서 노가 무엇을 했는지는 확인할 수 있어도 어떤 제품이 그 노출을 받았는지 또는 해당 제품이 요구사항을 충족했는지는 확인하지 못할 수 있다.[3][3] Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes. International Organization for Standardization. ISO Standard, 2023. ISO 17663:2023

ISO 17663:2023은 용접 및 관련 공정과 연계하여 공기 분위기 또는 제어 분위기에서 수행되는 열처리에 대한 주요 품질 체계를 제공한다. 적용 범위는 주로 페라이트계 강에 해당하며, 작업장과 현장에서 수행되는 작업을 포함한다. 이 표준은 품질 요구사항을 규정하지만, 모든 강종과 공정에 적용되는 하나의 보편적인 경도, 탈탄, 치수 또는 금속조직 합격 한도를 정하지는 않는다. 이러한 한도는 적용 제품 규격, 도면, 용접 절차서, 열처리 절차서, 계약서 또는 엔지니어링 사양에서 정해야 한다.

공정 적격성 평가 및 정기 점검

공정 적격성평가는 정의된 강종, 단면 치수, 장입 패턴, 노, 사이클 및 분위기의 조합이 요구되는 상태를 만들어낼 수 있음을 확립하는 절차이다. 적격성평가 기록에는 사용된 장비, 열전대 배치, 제어기 및 기록계 식별 정보, 분위기 생성 장치 또는 진공 시스템, 교정 상태, 그리고 적격성평가 시편에 적용한 검사 방법이 명시되어야 한다. 또한 해당 시편이 생산 부품을 어떻게 대표하는지도 설명해야 한다. 얇은 쿠폰은 온도 균일성을 입증할 수 있지만, 두꺼운 부품의 탄소 확산 거리나 열 지연을 대표하지 못할 수 있다.

적격성평가는 분위기를 불특정 보호 가스가 아니라 반응성 공정 매체로 다루어야 한다. ASM International은 2017년에 “노 분위기 및 공급 분위기 제어”를 두 가지 주요 제어 그룹으로 구분했다. 노 그룹에는 밀봉, 순환, 혼합, 배기, 누설 및 분배가 포함되며, 공급 그룹에는 가스, 증기, 발생기, 정제 장비, 유량 제어 및 관련 측정이 포함된다. 두 그룹 모두 결과를 변화시킬 수 있다. 노가 올바르게 설정되어 있어도 공급 가스에 과도한 수증기가 포함되어 있거나 발생기의 상태가 변동하면 스케일 또는 탈탄이 발생할 수 있다.

탄소 포텐셜 표시값은 자체적으로 검증되는 것이 아니며, 측정 및 교정 기록으로 뒷받침되어야 한다. Limited evidence

공정 기록에는 해당 강종과 열처리에 중요한 제어 변수가 식별되어야 한다. 공정에 따라 여기에는 온도, 시간, 노 압력, 진공도, 가스 유량, 이슬점, 산소 분압, 이산화탄소 또는 계산된 탄소 포텐셜이 포함될 수 있다. ASM Handbook Volume 4B는 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 측정값 또는 관계식을 이용한 탄소 포텐셜 제어를 설명한다. 따라서 표시된 탄소 포텐셜 값에는 이를 뒷받침하는 측정 및 교정 정보가 필요하며, 해당 값 자체가 자동으로 유효성을 입증한다고 보아서는 안 된다.

정기 점검은 적격성평가를 완료한 공정이 계속 관리 상태에 있음을 확인한다. 정기 점검에는 계측기 검증, 열전대 점검, 누설 점검, 분위기 센서 점검, 발생기 점검, 가스 유량 확인 및 출하 승인 전 기록계 추세 검토가 포함될 수 있다. 점검 주기와 합격 기준은 절차서 및 적용 가능한 품질 시스템에 따라 정의되어야 한다. 프로젝트 요구사항을 일반적인 값으로 대체해서는 안 된다.

공정 모니터링과 제품 검증은 서로 다른 질문에 답한다. 모니터링은 노가 규정된 온도 및 분위기 이력을 따랐는지를 확인한다. 제품 검증은 실제 강재가 요구된 경도, 조직, 표면 화학 조성, 치수 및 상태를 갖추었는지를 확인한다. 기준을 만족하는 차트가 있더라도 경도 프로파일 불합격, 과도한 스케일 또는 규정 한계를 벗어난 탄소 구배를 보완할 수는 없다. 반대로 허용 가능한 경도 측정값만으로는 사이클 전체에 걸쳐 분위기가 올바르게 제어되었다는 것을 입증할 수 없다.

경보, 공정 중단, 센서 고장, 가스 변경, 장입 오류, 전원 손실, 예기치 않은 냉각 사건 또는 승인된 사이클에서 벗어난 모든 편차에는 기록된 처분 결정이 필요하다. 처분에는 재처리, 추가 검사, 엔지니어링 검토 또는 불합격 판정이 포함될 수 있지만, 기록에는 해당 사건을 평가한 사람과 그 결정을 뒷받침한 증거가 명시되어야 한다. 기록 없이 조용히 수정하는 것은 추적성을 확보하지 못한다.

표면 및 표면하부 검사

표면 검사는 규정된 조명 및 세척 조건에서 직접 관찰하는 것으로 시작한다. 검사자는 스케일, 변색, 피트, 그을음, 침착물, 침탄 또는 탈탄 영역, 균열, 변형 및 취급 중 손상을 기록해야 한다. 산화는 스케일을 생성하며, 표면에서 탄소가 손실되면 탈탄이 발생한다. 1966년에 발행된 U.S. National Bureau of Standards의 핸드북은 연소 생성물 중 수증기가 강재 표면 보호에 유해하다고 구체적으로 명시한다. Cambridge University Press 역시 2012년에 발간한 분위기 제어 관련 자료에서 제어되지 않은 산화성 분위기가 스케일을 유발하고 강재에서는 탈탄을 일으킬 수 있다고 설명한다.

육안 검사만으로는 탄소 손실의 깊이나 심각도를 확정할 수 없다. 표면에서 중심부 방향으로 수행하는 경도 트래버스는 연화된 탈탄층이나 비정상적으로 경화된 침탄 영역을 나타낼 수 있지만, 경도는 강종, 미세조직, 시험 방법, 측정 간격 및 국부 형상에 따라 달라진다. 따라서 트래버스는 정의된 절단 계획과 연계되어야 하며, 가정된 보편적 프로파일이 아니라 적용 가능한 요구사항을 기준으로 해석해야 한다.

금속조직 검사는 다른 종류의 증거를 제공한다. 연마 및 부식 처리한 단면은 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 탄화물, 산화 침투, 결정립 성장, 퀜칭 균열 및 변질된 표면 재료와 영향을 받지 않은 중심부 사이의 경계를 드러낼 수 있다. 또한 경도 변화가 탄소 손실에 의한 것인지, 아니면 변태 또는 뜨임 효과에 의한 것인지도 보여줄 수 있다. 보고서에는 시편 위치, 방향, 준비 방법, 부식액, 배율 및 관찰 결과가 명시되어야 한다. 대표 사진은 그 배율, 위치 및 합격 기준과의 관계가 기록되어 있을 때에만 유용하다.

표면 탄소가 마모, 피로 또는 변태 거동을 좌우하는 경우 탄소 구배 평가는 특히 중요하다. 규격에 따라 화학 분석, 미소경도 프로파일링, 금속조직 검사 또는 기타 승인된 방법을 사용할 수 있다. 보고서에는 방법, 표면 기준점, 깊이별 측정 간격, 필요한 경우 측정 불확도 및 결과를 명시해야 한다. 단일 벌크 탄소 분석으로는 표면 구배를 확정할 수 없다. 또한 중심부 경도 결과만으로는 표면이 의도된 탄소 포텐셜을 유지했다는 것을 입증할 수 없다.

치수 점검은 제품에 대한 증거를 완성한다. 해당되는 경우 평탄도, 런아웃, 동심도, 길이, 보어 크기 및 변형을 포함하여 가열, 퀜칭 또는 응력 제거에 민감한 특징부를 측정해야 한다. 측정에는 식별 가능한 기기, 교정 상태, 기준면 체계 및 검사 단계가 필요하다. 비파괴검사는 균열 또는 표면 근처 불연속부에 대한 이러한 점검을 보완할 수 있으며, 표면하부 검사를 위해서는 절단, 초음파검사, 방사선투과검사 또는 기타 지정된 방법이 필요할 수 있다. 각 기법은 서로 다른 검출 능력을 가진다.

코팅 규격을 분위기 합격 기준과 혼동해서는 안 된다. ISO 17834:2003은 최대 1000 °C (1273 K)의 부식 및 고온 산화 방지를 위한 용사 금속 코팅에 관한 규격이다. ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 준비 등급을 정의하며, 무코팅 표면, 용사 표면, 아연도금 표면, 전기도금 표면, 셰러다이징 표면 및 도장 표면을 구분한다. 어느 규격도 열처리된 강재의 노 탈탄에 대한 일반적인 합격 한계를 제시하지 않는다.

분위기 조건의 추적성

분위기 추적성은 먼저 분위기 경로를 식별하는 것에서 시작한다. 즉, 공기, 명칭이 지정된 제어 분위기, 흡열식 또는 발열식 발생기 가스, 질소 기반 혼합 가스, 진공 또는 기타 지정된 조건을 식별해야 한다. 기록에는 해당 조건을 노, 장입물, 날짜 및 시간, 가스 공급원 또는 발생기, 제어 기기, 센서 식별 정보 및 기록값과 연결해야 한다. 진공 처리의 경우 절차와 관련이 있는 압력 이력, 누설 시험 상태, 펌프 상태 및 백필 가스도 기록해야 한다.

시간이 표시된 데이터는 필수적이다. 평균 온도와 단 하나의 분위기 측정값만 표시된 최종 차트로는 사이클의 중요한 구간에서 발생한 일시적 누설, 이슬점 이탈, 탄소 포텐셜 변동 또는 진공 상실을 확인하지 못할 수 있다. 기록에는 측정 간격, 경보 발생, 설정값, 실제값, 센서 교체, 교정 상태 및 작업자의 대응이 보존되어야 한다. 값이 직접 측정된 것이 아니라 계산된 것이라면 계산 방법과 입력 측정값도 이용할 수 있어야 한다.

재료 기록과 분위기 기록은 서로 연결되지 않은 상태로 별도 보관하기보다 상호 참조해야 한다. 장입 번호는 노 운전 기록에, 운전 번호는 검사 보고서에 기재되어야 하며, 검사 보고서에는 검사한 부품 위치가 식별되어야 한다. 디지털 기록에는 통제된 개정 관리, 접근 관리, 보존 및 기록되지 않은 변경을 방지하기 위한 보호가 필요하다. 종이 차트에는 판독 가능한 식별 정보와 수정 방법에 대한 문서화가 필요하다.

이러한 연결 체계를 통해 감사자 또는 엔지니어는 다음 사항을 재구성할 수 있다. 어떤 강재가 어떤 노에 투입되었는지, 어떤 사이클과 분위기에서 처리되었는지, 계측기가 무엇을 감지했는지, 어떤 편차가 발생했는지, 그리고 그 결과 생성된 표면 및 표면하부 조직, 치수 및 경도가 관련 요구사항을 충족했는지를 확인할 수 있다. 이것이 노 운전의 증거와 열처리된 강재가 적합하다는 증거의 차이이다.

강재 표면 보호를 위한 실무적 의사결정 프레임워크

표면 보호는 가스의 이름이 아니라 금속학적 사양에서 시작됩니다. 온도, 체류 시간, 누설, 이슬점, 탄소 포텐셜 및 강재 조성이 달라지면 질소, 아르곤, 흡열성 가스, 발열성 가스, 수소 함유 혼합가스 및 진공은 서로 매우 다른 결과를 낼 수 있습니다. 따라서 로 분위기는 열처리 공정의 일부입니다. 로 분위기는 표면이 출발 강재와 화학적으로 유사한 상태를 유지하는지, 탄소 또는 질소를 흡수하는지, 탄소를 잃는지, 또는 이후 제거해야 하는 산화물을 형성하는지를 결정합니다.

미국 국립표준국(U.S. National Bureau of Standards)의 핸드북 Heat Treatment and Properties of Iron and Steel (1966)은 표면에서 발생하는 두 가지 주요 위험을 명확히 제시합니다. 산화는 스케일을 생성하고, 탄소 손실은 탈탄을 일으킵니다. 또한 연소 생성물에 포함된 수증기도 유해한 요인으로 규정합니다. 실무적으로 중요한 질문은 분위기가 불활성처럼 들리는지 여부가 아닙니다. 강재 표면에서 전체 열 사이클 동안 해당 분위기가 규정된 금속학적 상태를 만들어 내는지가 핵심입니다.

요구되는 최종 표면 상태 정의

첫 번째 결정은 스케일과 탄소 변화가 허용되는지 여부입니다. 단조, 압연 또는 업세팅 전에 수행하는 재가열 공정에서는 변형이나 기계가공으로 제거될 표면층을 허용할 수 있습니다. 반면 완성된 공구, 베어링 부품, 기어, 스프링 또는 내마모 표면을 위한 오스테나이트화는 다릅니다. 부품을 담금질한 후 외관상 문제가 없어 보여도 탈탄은 경도와 피로 저항을 낮출 수 있습니다.

표면 요구사항은 측정 가능한 용어로 작성해야 합니다. 여기에는 눈에 보이는 스케일의 부재, 최대 탈탄 깊이, 규정된 표면 탄소 농도, 표면 및 그 하부의 경도 범위, 또는 후속 연삭을 위한 허용 여유가 포함될 수 있습니다. “광택”은 충분한 기술 사양이 아닙니다. “비산화성”이라는 표현도 마찬가지입니다. 분위기는 눈에 보이는 스케일을 억제하면서도 표면 탄소를 변화시킬 수 있기 때문입니다.

강종 표기는 적용 표준을 포함하여 정확하게 기록해야 합니다. 1.3505 (100Cr6)에 대한 처리는 C45, 42CrMo4, AISI 52100 또는 오스테나이트계 스테인리스 강종에 적용하는 것과 동일한 가정으로 규정할 수 없습니다. 탄소 활성도, 합금 원소, 기존 표면 상태 및 의도한 상변태는 모두 허용 가능한 분위기에 영향을 미칩니다. 침탄강에서는 탄소 포텐셜이 공정 변수입니다. 보통 탄소강과 저합금강에서는 과도한 탄소 손실이 산화만큼 심각한 손상을 일으킬 수 있습니다.

최종 표면과 코팅 또는 후처리는 구분해야 합니다. ISO 17834:2003은 최대 1000 °C (1273 K)까지 부식 및 고온 산화 방지를 위한 열분사 금속 코팅을 다룹니다. ISO 12944-4:2017은 탄소강 및 저합금강 구조물의 표면 처리 등급을 다루며, 무코팅 표면, 열분사 표면, 아연도금 표면, 전기도금 표면, 셰러다이징 표면 및 도장 표면을 구분합니다. 이러한 표준은 경화, 풀림, 노멀라이징 또는 단조 재가열 중의 분위기 제어를 대체하지 않습니다.

위험을 분위기 및 로 설비 역량에 맞추기

분위기를 선택하기 전에 작업을 분류해야 합니다. Cambridge University Press가 2012년에 다룬 분위기 제어에서는 가공을 위한 재가열과 최종 열처리를 구분합니다. 이러한 구분에 따라 스케일과 탄소 변화에 대한 허용 수준을 결정해야 합니다. 외층을 제거하기 위한 소재 재가열에는 완성 치수 부품의 최종 열처리와 다른 분위기 전략을 적용할 수 있습니다.

그 다음 주요 위험을 파악해야 합니다. 산화에는 산소 함유 종, 연소 조건, 누설 및 체류 시간의 제어가 필요합니다. 탈탄에는 단순히 낮은 산소 농도가 아니라 강재 표면에서의 화학적 포텐셜 제어가 필요합니다. ASM International의 ASM Handbook, Volume 4B (2017)는 “로 및 공급 분위기 제어”를 두 가지 주요 제어 그룹으로 제시합니다. 두 요소 모두 중요합니다. 누설되는 플랜지, 습한 발생기, 오염된 배관, 막힌 유로 또는 잘못 배치된 작업물이 로 환경을 변화시키면 적절히 혼합된 가스도 제 기능을 하지 못할 수 있습니다.

탄소 포텐셜은 직접 측정하거나 수증기, 이산화탄소 및 산소 분압과 관련된 관계식을 통해 설정할 수 있습니다. 선택한 제어 방법은 로에 적합해야 합니다. 프로브가 작업물에서 멀리 떨어져 있거나, 장입물의 영향을 받지 않도록 차폐되어 있거나, 오염되어 있거나, 다른 유동 패턴에 노출되어 있다면 프로브의 측정값이 작업 영역의 결과를 자동으로 나타내는 것은 아닙니다. 이산화탄소, 암모니아, 수소 및 기타 반응성 가스를 포함하는 분위기는 각각의 특정 반응에 주의를 기울여야 합니다. Steel Heat Treatment Handbook (CRC Press, 2014)은 이러한 가스를 산화 저항성 및 표면 탄소 제어와 관련하여 다룹니다.

로의 설비 역량은 사양의 한계를 결정합니다. 설비가 온도 균일성, 분위기 유량, 압력, 이슬점, 산소 포텐셜, 탄소 포텐셜 및 배기를 제어할 수 있는지 확인해야 합니다. 발생기가 기동 및 장입량 변화 중에도 조성을 유지할 수 있는지 점검해야 합니다. 씰, 도어, 레토르트, 치구 및 이송 경로를 통해 공기나 수분이 유입되지 않는지 확인해야 합니다. 가스 값을 표시할 수는 있지만 작업물 위치에서 그 값을 유지할 수 없는 로는 해당 처리를 검증할 수 없습니다.

용접 제작물과 페라이트계 강재의 경우 ISO 17663:2023은 공기 또는 제어 분위기에서 수행되는 열처리에 대한 품질 요구사항을 제시하며, 작업장에서 수행되는 작업과 현장 작업을 모두 포함합니다. 열처리가 용접 또는 관련 공정의 일부를 이루는 경우 유용하지만, 해당 부품에 적용되는 재료, 절차, 검사 및 합격 요구사항은 여전히 별도로 명시해야 합니다.

편차를 체계적으로 조사하기

표면 결함은 먼저 설명하려 하지 말고 분포를 파악해야 합니다. 스케일 또는 탈탄이 장입물 전체에 균일하게 발생했는지, 아니면 한쪽 면, 모서리, 랙 위치 또는 로의 특정 구역에 국부적으로 발생했는지를 확인해야 합니다. 배치가 달라져도 장입 위치를 따라 결함이 나타납니까? 장시간 유지 후, 기동 중, 도어 개방 후 또는 담금질조로 이송하는 동안에만 결함이 나타납니까? 이러한 관찰은 화학적 문제를 순환, 밀봉, 온도 또는 취급 문제와 구분하는 데 도움이 됩니다.

결함 분포를 독립적인 측정 결과와 비교해야 합니다. 측정된 분위기는 작업 영역을 나타냅니까, 아니면 공급 배관, 환류 덕트 또는 로 벽만을 나타냅니까? 가스 분석기, 산소 프로브, 이슬점 측정기 및 탄소 포텐셜 제어기가 교정되어 있으며 요구되는 속도로 반응합니까? 프로브는 깨끗하고 올바른 위치에 설치되어 있습니까? 기준 시험편, 심, 박 또는 금속조직 시편을 통해 기기 표시값을 확인했습니까?

또한 분위기가 안정되기 전에 로가 목표 온도에 도달했는지, 장입물이 유동을 방해했는지, 수요 변화에 따라 발생기 조성이 변했는지, 그리고 연소 생성물, 누설, 세척 잔류물 또는 젖은 장입물로 인해 물이 유입되었는지를 확인해야 합니다. 스케일의 형태를 검사하고, 필요에 따라 금속조직 검사, 경도 분포 측정, 미세경도 측정 또는 탄소 분석을 통해 변질층을 측정해야 합니다. 표면이 어둡다는 사실만으로 탈탄이 확인되는 것은 아니며, 표면이 밝다는 사실만으로 탄소가 유지되었다고 입증되는 것도 아닙니다.

활용 가능한 작업 절차는 다음과 같습니다.

1. 강종 표기, 단면 크기, 기존 상태 및 작업 내용을 확인한다. 2. 스케일과 탄소 변화의 허용 여부를 정의하고 측정 가능한 한계값을 설정한다. 3. 사이클이 가공을 위한 재가열인지 최종 열처리인지 결정한다. 4. 산화 제어와 필요한 경우 탄소 포텐셜 제어를 포함한 분위기 제어 전략을 선정한다. 5. 가스 공급, 발생기 성능, 씰, 유량, 압력, 센서, 교정 상태 및 작업 영역 대표성을 검증한다. 6. 육안 스케일 평가, 치수 검토, 경도, 금속조직 검사, 탈탄 깊이 측정 또는 표면 화학 분석 등 검사 항목을 규정한다. 7. 장입 위치, 사이클 기록, 분위기 기록, 경보 상태, 이송 시간 및 영향을 받은 재료를 포함하여 모든 편차를 문서화한다.

이 순서는 표면 보호를 제어 가능한 금속학적 결과로 취급합니다. 가스의 이름은 여러 입력 요소 중 하나일 뿐입니다.

참고 문헌

1. [1]Cambridge University Press. Atmosphere Control for the Protection of Metals During Production Processes. Cambridge University Press chapter, 2012. Cambridge University Press publication
2. [2]ASM International. ASM Handbook, Volume 4B: Heat Treating of Ferrous Alloys. ASM Handbook, 2017. ASM International, ASM Handbook Volume 4B
3. [3]International Organization for Standardization. Welding — Quality requirements for heat treatment in connection with welding and allied processes. ISO Standard, 2023. ISO 17663:2023