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열처리로 TUS, 왜 필요한가? CQI-9와 현장 불량 사례

열처리 공정을 평가하다 보면 Furnace Controller의 설정온도와 기록온도는 정상인데 제품의 경도, 조직, 가공성 또는 후속 열처리 결과에는 편차가 나타나는 경우가 있습니다.

이럴 때 제가 중요하게 확인하는 항목 중 하나가 TUS(Temperature Uniformity Survey, 온도 균일성 조사)입니다.

본 글은 CQI-9 4th Edition을 기준으로 합니다. CQI-9의 Pyrometry 관리에서 중요한 것은 TUS를 단순한 심사 서류로 보는 것이 아니라, 제품이 실제로 처리되는 Qualified Work Zone의 온도 균일성을 검증하는 활동으로 이해하는 것입니다.

열처리로 TUS 검증 필요 이유 인포그래픽스
열처리로 TUS 검증 필요 이유

1. Controller 온도가 정상인데 왜 TUS가 필요한가?

현장에서 흔히 듣는 말이 있습니다.

“Controller 온도가 정상이고 Calibration도 했는데 Furnace에 무슨 문제가 있습니까?”

하지만 Controller가 표시하는 온도와 Furnace 내부 모든 위치에서 제품이 실제로 경험하는 온도는 같은 개념이 아닙니다.

열처리로 내부 온도 분포는 Heating Element 또는 Burner 상태, Fan과 분위기 가스 순환, Door와 Seal의 열손실, 단열재 상태, Fixture와 Basket, 적재량과 Loading Pattern, 설비 노후화 등의 영향을 받습니다.

따라서 Control Thermocouple이 정상적인 값을 표시하더라도 Working Zone의 다른 위치에서는 온도 차이가 존재할 수 있습니다.

CQI-9 4판의 여러 Process Table에서는 Thermocouple 관리, Instrument Calibration, SAT(System Accuracy Test), TUS를 구분하여 관리하며, 적용되는 여러 공정에서 TUS를 연 1회(annually) 및 major rebuild 후 수행하도록 요구합니다. 허용 Temperature Uniformity Tolerance는 공정별 Process Table에 따라 달라지므로 해당 공정의 요구조건을 확인해야 합니다.

결국 열처리 품질에서 중요한 것은 단순한 Set Point가 아니라 제품이 실제로 경험한 Thermal History입니다.

2. TUS를 제대로 하지 않았을 때 실제로 어떤 문제가 나타났나?

제가 현장에서 경험한 사례 중 하나가 냉간단조품의 Annealing(풀림처리) 공정이었습니다.

냉간단조 후 후속 가공을 위해 적절한 조직과 경도 상태를 만들어야 했고 이를 위해 풀림처리를 실시했습니다. 공정기록만 보면 특별한 이상이 없어 보였습니다.

그런데 다음 선삭공정에서 일부 제품의 선삭가공성이 떨어지고 Cutting Tool의 부하와 마모가 증가하는 현상이 나타났습니다.

이런 문제가 발생하면 Cutting Tool이나 절삭조건을 먼저 의심하기 쉽습니다. 하지만 앞 공정까지 추적하면 “풀림처리가 제품 전체에 균일하게 이루어졌는가?”라는 질문이 필요합니다.

같은 Batch라도 Furnace 내부 위치에 따라 실제 Thermal History가 달라지면 제품의 최종 경도와 미세조직에도 차이가 생길 수 있습니다. 즉 선삭공정에서 발견된 가공성 문제의 시작점이 앞단의 열처리 공정일 수 있습니다.

Controller 기록온도만 확인했다면 놓치기 쉬운 문제입니다.

3. 풀림 불균일은 고주파 열처리 결과에도 영향을 줄 수 있다

문제는 선삭공정에서 끝나지 않았습니다.

후속 Induction Hardening(고주파 열처리) 공정에서 제품별 또는 위치별 경화깊이가 불규칙하게 나타나는 경우도 경험했습니다.

경화깊이 편차가 발생하면 Coil, Power, Frequency, Heating Time, Quenching Condition 등 고주파 공정조건을 먼저 확인해야 합니다. 하지만 동시에 고주파 열처리에 들어가기 전 소재의 초기 조직과 경도 상태가 동일했는가도 확인할 필요가 있습니다.

냉간단조 후 풀림처리가 균일하지 않았다면 제품별 초기 상태가 달라질 수 있습니다. 동일한 고주파 조건을 적용하더라도 열처리 반응에 차이가 생길 수 있으며, 이것이 불규칙한 경화깊이에 영향을 주는 요인 중 하나가 될 수 있습니다.

여기서 중요한 교훈을 얻었습니다.

문제가 발견된 공정과 문제의 원인이 만들어진 공정은 서로 다를 수 있습니다.

고주파 열처리에서 문제가 발견됐다고 해서 고주파 공정만 계속 조정하면 앞 공정에서 만들어진 원인을 놓칠 수 있습니다.

4. Atmosphere, Pit, Vacuum Furnace는 TUS를 어떻게 봐야 하나?

TUS 필요 여부를 단순히 Furnace 명칭만으로 판단하는 것은 적절하지 않습니다.

“Atmosphere Furnace니까 TUS가 필요하다” 또는 “Vacuum Furnace니까 TUS가 필요 없다”라고 단정하기보다 실제 적용되는 열처리 공정, CQI-9 Process Table 및 Pyrometry 요구사항을 확인해야 합니다.

CQI-9 4판은 일반적인 TUS가 Furnace 설계 특성 때문에 불가능하거나 실용적이지 않은 경우를 위한 추가 가이드도 포함하고 있습니다.

실무에서는 다음 항목을 확인하는 것이 중요합니다.

  • 이 Furnace에서 어떤 열처리 공정을 수행하는가?
  • 어떤 CQI-9 Process Table이 적용되는가?
  • Qualified Work Zone은 어떻게 정의되어 있는가?
  • 적용 Temperature Uniformity Tolerance는 얼마인가?
  • TUS가 요구 주기와 major rebuild 조건에 맞게 수행되는가?
  • Survey 조건이 실제 생산 Loading을 적절히 대표하는가?

핵심은 Furnace 종류 자체가 아니라 실제 제품이 처리되는 영역의 온도 균일성을 요구조건에 따라 검증하고 있는가입니다.

5. TUS는 심사용 서류가 아니라 공정 안정성의 Evidence다

현장에서 TUS를 거의 하지 않거나 형식적으로 관리하는 설비에서도 Controller 기록은 정상인 경우가 많았습니다. 바로 이것이 위험한 부분입니다.

Calibration, SAT, TUS는 확인하는 대상이 서로 다릅니다.

Calibration은 Sensor와 Instrument의 정확성을 확인하고, SAT는 실제 열처리 설비의 온도 측정 시스템 정확성을 확인합니다. 반면 TUS는 Qualified Work Zone의 공간적인 온도 균일성을 검증합니다.

따라서 Calibration 정상 = Furnace 내부 온도 균일성 정상이라고 판단할 수 없습니다.

제가 열처리 공정을 평가할 때는 Controller 기록만 보지 않고 다음을 확인합니다.

  1. 1. 적용되는 CQI-9 Process Table
  2. 2. Thermocouple 및 Instrument Calibration
  3. 3. SAT 수행 및 결과
  4. 4. TUS 수행 주기와 결과
  5. 5. Qualified Work Zone과 실제 생산 Loading의 대표성
  6. 6. Major rebuild 또는 온도 균일성에 영향을 주는 변경 이후 재검증 여부

냉간단조품의 풀림 불균일은 Annealing 공정에서 바로 불량으로 발견되지 않을 수 있습니다. 다음 선삭공정에서 가공성 문제로 나타나거나 더 뒤의 고주파 열처리에서 경화깊이 편차로 발견될 수도 있습니다.

그래서 저는 CQI-9의 TUS를 단순한 Audit Item으로 보지 않습니다.

TUS는 Furnace가 지금도 우리가 의도한 공정 상태를 유지하고 있는지를 확인하는 Evidence입니다.

열처리는 결과를 눈으로 직접 확인하기 어려운 Special Process입니다. 그렇기 때문에 “설정온도가 정상이다”라는 믿음보다 “실제 Working Zone의 온도 균일성을 검증했다”는 근거가 더 중요합니다.

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