미래창조과학부 산하 한국기계연구원 극한기계연구본부 열공정극한 기술연구실 이정호 책임연구원 연구팀이 친환경적인 방법으로 금속재의 품질을 향상시키는 ‘초급속냉각(UIQ, Ultra Intensive Quenching) 열처리 기술 개발’에 성공했다.

연구팀은 금속재의 성질을 향상시키기 위해 필요한 냉각과정(Quenching·담금

질)에 기존의 오일이나 폴리머 대신 냉수를 이용하는 친환경 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 금속 표면을 초당 600℃ 이상 급속냉각 시킬 수 있어 표면에 ‘마르텐사이트(martensite)’ 조직이 효과적으로 생성된다. 마르텐사이트 조직은 금속 조직이 매우 촘촘한 상태로 금속 표면을 매우 단단하게 만든다. 이와 같이 초급속냉각 열처리를 통해 금속재의 인성이 최대 200%까지 향상된다.

*인성(toughness)=물체의 단단한 정도.

핵심기술은 냉각 대상을 둘러싸고 사방에서 냉각수를 분사해 금속재를 균일하게 냉각시키는 것이다. 금속재를 열처리 하는 동안 냉각능을 일정하게 하는 ‘다중 제트냉각 기술’을 이용하면 열처리 단면의 냉각능을 개별적으로 제어할 수 있다. 기존에는 금속재의 물성을 향상시키기 위해 고온으로 달군 금속재를 주로 오일이나 폴리머에 담가 냉각시키는 방법을 썼는데 이 과정에서 폐오일이 발생하는 등 환경오염 우려가 제기돼왔다.

**냉각능(severity of quenching)=담금질 작업에 있어서의 냉각의 정도.

또한 냉각재에 담글 때 닿는 부위에 따라 냉각되는 정도가 달라지면서 냉각편차가 커져 열처리 이후 금속표면의 조직이 불균일해지는 어려움이 있었다. 2000년 초반 미국에서 개발한 기존의 ‘급속냉각 기술’은 냉각수가 한 방향으로만 고속으로 흐르는 방식이어서 금속재의 냉각 정도가 불균일한 문제를 해결하지 못했다.

연구팀이 이번에 개발한 기술의 냉각능은 초당 600℃ 수준으로 현재 세계 최고수준으로 꼽히는 미국 ‘Intensive Quench’사의 냉각능 초당 400℃ 보다 훨씬 빠르게 급속냉각이 가능하면서도 균일하게 냉각할 수 있다.

이정호 박사는 “국내 금속표면의 열처리 냉각기술은 대부분 해외 설비를 도입하고 복제한 수준으로, 주로 냉각재로 오일을 사용하는 보편적인 열처리 냉각 수준에 머물러있다”며 “초급속냉각 기술을 활용하면 향후 풍력발전소의 날개를 비롯한 고부가가치 고급 단조강의 기계적 성능을 더욱 향상 시킬 수 있을 것”이라고 말했다.

또 “나아가 자동차, 조선, 플랜트, 중공업 등에 사용되는 핵심 기계부품의 성능향상에 기여해 국내 제조업 경쟁력을 강화시킬 수 있을 것”이라며 “초급속냉각 열처리 기술을 통해 국내 중소기업이 세계 강소기업이 될 수 있도록 기업기술지원도 아끼지 않겠다”고 덧붙였다.

한편 산업통상자원부의 전망에 따르면 세계 열처리 임가공 시장은 2015년 기준 모두 264조 원 규모에 달한다. 이번 연구는 산업통상자원부의 “고효율 급속냉각 열처리 제어 기술 개발” 연구 지원을 받아 수행됐다.