화염 경화는 연강, 합금강, 중탄소강, 그리고 주철로 제작된 부품에 널리 사용되는 열처리 공정입니다. 이 공정은 산소–가스 화염을 이용해 금속 표면을 직접 가열하여 오스테나이트화 온도에 도달하게 하는 방식입니다. 이 임계 온도에서 표면의 조직은 변형되지만, 내부는 상대적으로 부드러운 상태로 유지되어 변화가 거의 없습니다. 그 후 원하는 경도를 얻기 위해 즉각적인 급냉이 필요하며, 빠른 냉각 과정에서 단단한 표면층이 형성되어 금속의 내마모성과 내식성이 크게 향상됩니다. 경화 이전의 강 표면은 일반적으로 오스테나이트 또는 페라이트 조직으로 구성되어 있으며, 화염 경화 공정을 통해 마르텐사이트로 변환됩니다.
화염 경화는 특정 부위에만 선택적으로 적용할 수도 있고, 소재 전체 표면에 균일하게 적용할 수도 있습니다. 이 공정의 성공 여부는 화염의 강도, 가열 시간, 급냉 속도와 온도, 그리고 소재의 화학적 조성 등 여러 요인에 의해 결정됩니다. 화염은 고온을 안정적으로 발생시킬 수 있는 가스를 사용해 생성되며, 가장 일반적으로는 산소와 아세틸렌의 혼합 가스가 사용되고, 경우에 따라 프로판이 사용되기도 합니다.
화염 경화의 중요한 장점 중 하나는 비용 효율성을 유지하면서 내마모성을 향상시키고, 공정 시간을 단축하며, 변형을 최소화할 수 있다는 점입니다. 그러나 이 공정에는 몇 가지 중대한 과제도 존재합니다. 개방된 화염은 화재 위험을 수반하며, 경화된 마르텐사이트는 강인하지만 과열될 경우 취성이 증가해 균열이나 박리 현상이 발생할 수 있습니다. 또한 화염 경화는 유도 경화나 붕소화와 같은 다른 표면 경화 방법에 비해 본질적으로 정밀도가 낮고, 공정 중 소재의 산화나 탈탄이 발생할 수 있습니다.
정확한 온도 측정은 화염 경화 공정의 성공을 위해 중요할 뿐만 아니라 절대적으로 필수적인 요소입니다. 표면 온도를 정밀하게 제어하는 것은 경화층의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 그러나 기존의 적외선 센서는 화염이 적외선 신호에 간섭을 일으킬 수 있어 이 공정에서 한계를 보이는 경우가 많으며, 그로 인해 부정확한 온도 측정값이 발생할 수 있습니다. 또한 센서가 실제 소재가 아닌 화염의 온도를 잘못 인식할 위험도 존재합니다. 이처럼 정확한 온도 측정의 중요성을 강조함으로써, 원하는 경화 결과를 달성하고 결함을 방지하는 데 있어 이 요소가 얼마나 핵심적인 역할을 하는지 청중이 명확히 인식할 수 있습니다.
탄화수소 가스가 연소할 때 방출되는 적외선 에너지는 화염 자체뿐만 아니라 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂)와 같은 연소 부산물에서도 발생합니다. 이러한 가스들은 다양한 파장 대역에서 적외선 복사를 방출하며, 이로 인해 화염을 통과해 수행되는 정확한 열 측정에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 기존의 적외선 장비는 실제 부품이 아닌 화염의 온도를 측정하는 경우가 많습니다.
이러한 조건에서 정밀한 열 측정을 수행하려면 수증기와 CO₂ 모두에 대해 투과율이 높은 파장 영역을 사용하는 것이 매우 중요하며, 이를 통해 적외선 복사가 흡수 없이 거의 그대로 통과할 수 있습니다. 또한 이 파장은 화염에서 방출되는 강한 적외선 에너지 대역과 충분히 떨어져 있어야 간섭을 피할 수 있으며, 이를 통해 정확한 온도 측정을 보장할 수 있습니다.
약 3.7 µm에서 3.9 µm에 해당하는 파장 대역은 이러한 열 측정에 특히 적합합니다. 이 특정 범위가 선택되는 이유는 수증기(H₂O)와 이산화탄소(CO₂)에 대해 높은 투과율을 제공하면서도, 화염 자체에서 방출되는 복사 에너지의 영향을 비교적 적게 받기 때문입니다. 이러한 균형 덕분에 화염과 연소 가스에서 방출되는 적외선 복사로 인한 왜곡 없이, 화염을 통과한 보다 정확한 온도 측정이 가능해져 열 측정에 효과적인 선택이 됩니다.
비접촉 방식은 필수적이며, 3.9 µm 파장을 사용하는 파이로미터 또는 열화상 장비는 화염을 투과해 고온의 금속 표면을 측정할 수 있습니다.
이 특정 파장 대역의 적외선 복사를 감지하려면 일반적으로 냉각식 검출기를 사용해야 합니다. 이러한 카메라는 극저온 냉각을 통해 센서 노이즈를 줄여 고정밀 열화상을 제공하지만, 시스템이 복잡해 가격이 높고 정기적으로 비용이 많이 드는 유지보수가 필요합니다. 또한 시동 시간이 길고 크기와 무게가 커서, 대규모 공정 자동화 환경에서는 실용성이 떨어집니다.
반면 CTLaser MT 파이로미터는 화염을 투과해 정확한 온도 측정을 제공하며, 200 °C부터 1650 °C까지의 넓은 온도 범위를 지원합니다. 견고한 스테인리스 스틸 하우징과 이중 레이저 조준 시스템, 그리고 다양한 아날로그 및 디지털 출력 옵션을 통해 정밀한 타겟 설정과 향상된 화염 경화 공정 제어가 가능하며, 과열과 취성 발생을 예방하는 데 도움을 줍니다.
영상 기반 측정이 필요한 경우, 3.9 µm 필터가 장착된 Xi320 MT 적외선 카메라는 합리적인 비용의 대안이 됩니다. 비냉각식 장비이지만, 온도 정확도를 더욱 높이기 위해 Xi320 MT는 CTLaser MT 파이로미터와 함께 사용하는 것이 권장됩니다. PIX Connect 소프트웨어는 파이로미터의 4–20 mA 출력을 활용해 적외선 카메라의 온도 오프셋을 보정할 수 있도록 지원합니다.
화염 가스의 조성이 서로 다를 수 있으므로, 각 적용 분야별로 Optris 대리점이나 애플리케이션 엔지니어의 지원을 받아 CTLaser MT 또는 Xi320 MT를 사전에 테스트하는 것이 권장됩니다.
