KR100282537B1 - 고온 임펄스 플라즈마에의한 금속 표면개질방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질방법 및 그 장치에 관한 것으로, 종전의 도금처리방식을 탈피하여 높은 경도가 요구되는 기계공구나 기계부품 등의 피처리금속을 진공조건하 또는 반응가스하에 두고 약 10∼1,000J/㎠의 에너지 밀도를 갖는 임펄스 플라즈마를 피처리금속에 10∼100μ초 동안 조사하여 피처리금속 내부의 성질은 변화시키지 않고 표면전체를 약 1,000,000℃이내의 온도로 순간적으로 용융시킨후, 자연냉각 또는 강제냉각시키도록 하므로써 금속표면의 기계,화학적 특성을 향상시켜 내마모성, 내부식성, 피로수명, 도전성, 경도 및 강도 등을 향상시킬 수 있도록 한 것이며, 이는 교류/직류 변환기(12) 및 병렬접속된 다수개의 콘덴서(14)로 이루어져 저전압(약 380V)교류를 고전압(약 25,000V)의 직류로 변환.저장하는 고전압 전원부(10); 고전압의 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기(22)와 진공스위치(24)로 이루어진 스위칭부(20); 이 스위칭부(20)의 스위칭동작에 의하여 고 에너지의 플라즈마가 발생하여 금속의 표면처리를 행하는 플라즈마 발생부(30) 및 이들을 제어하는 제어부(40)로 구성된 장치에 의하여 처리된다.

Description

고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질방법 및 그 장치

본 발명은 고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질방법 및 그 장치에 관한 것으로, 높은 경도가 요구되는 기계공구나 부품 등의 피처리금속을 플라즈마에 의하여 순간적으로 가열.용융시키므로써 금속내부의 성질은 변화시키지 않고 금속표면의 기계적,화학적 특성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명과 관련된 금속표면의 경화처리방법 또는 그 장치에 관한 종래의 기술로는 국내 특허공고 제96-7632호의 재용융 경화처리방법 및 그 장치, 동공고 제95-6270호의 전자빔을 이용한 탄소강의 표면경화방법, 동공개 제96-37845호의 강부재의 표면처리방법 등을 들 수 있다.

상기 특허공고 제96-7632호의 재용융 경화처리방법 및 그 장치는 주철제나 주강제 가공물의 내마모성 및 내충격성을 높이기 위하여 행해지는 것으로, 이는 예를 들면 자동차 엔진의 캠 외부 원주면에 가열용 토오치를 대향배치하고, 캠을 그 캠의 축선 주위로 회전시키면서 그 캠의 축선 방향으로 그 캠과 토오치를 상대왕복운동시켜서 행하는 것으로서 이는 아주 원시적인 금속표면의 경화처리방법이다.

또, 최근의 기술로는 동공고 제95-6270호의 대기중에서 전자빔을 이용하여 탄소강의 표면을 경화시키는 방법이 있는데, 이는 표면경화처리될 탄소강을 전자빔의 출구로부터 일정거리 이격시킨 상태에서 출력 74∼84㎾범위의 전자빔을 대기중에서 상기 탄소강에 주사하도록 한 것으로, 이는 고에너지의 가속전자빔을 에너지원으로 사용하게 되므로 필수적으로 고가의 전자빔 가속기가 요구되는 문제점이 있었다.

또한, 동공개 제96-37845호의 강부재 표면처리방법은 고밀도 에너지 빔 조사에 의하여 강부재의 피처리부를 표층만이 용융한 상태로 하고, 계속하여 해당 용융부의 급냉을 행하여 강부재의 표면처리를 행하도록 한 것으로, 이는 고밀도 에너지 빔이 피처리금속에 국부적으로 조사되므로써 피처리금속의 전체적인 가공처리를 위하여는 피처리금속의 전 표면을 골고루 고밀도 에너지 빔에 조사시키기 위한 가동장치가 요구되고, 이에 따라 처리시간이 다소 길게 소요되는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 금속표면처리의 공정을 단축하여 별도의 열처리와 연마공정을 거치지 않고도 짧은 시간내에 피처리금속의 표면 전체를 일시에 경화처리하여 금속내부의 성질은 변화시키지 않고 표면경도를 향상시키고, 표면조도와 내부식성 향상 및 도전성 향상 등 피처리금속의 기계적, 화학적인 특성을 개량.개질시킬 수 있는 방법 및 이에 적합한 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고경도와 내마모성이 요구되는 고가의 소재를 사용하지 않고도 저가의 일반적인 탄소강 소재자체 및 그 위에 고경도의 소재를 도금 또는 코팅한 재료를 표면처리하므로써 사용목적에 적합한 기계적, 화학적 특성을 갖는 기계공구 및 각종 용도의 부품을 제공할 수 있도록 하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피처리금속의 종류에 따라 피처리금속을 진공조건 또는 수소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성가스나 질소 이산화탄소 또는 산소 등 각종 반응가스하에서 순간 아크 발생 전력 15,000V이상의 전압으로 약 10∼1,000J/㎠의 에너지 밀도를 갖는 임펄스 플라즈마 아크를 발생시키고, 이 펄스 플라즈마 내에 피처리금속이 10∼100μ초 동안 노출되게하여 피처리금속 표면을 순간 용융시킨후, 자연냉각 또는 강제냉각시키도록 하므로써 피처리금속 표면의 기계적, 화학적 특성을 향상시켜 내마모성, 내부식성, 피로수명 및 도전성 등을 향상시킬 수 있도록 한 고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질방법을 제공한다.

본 발명은 또 상기한 금속표면 개질방법에 적합한 장치로서, 저전압의 교류를 직류로 변환시키는 교류/직류 변환기 및 직류로 변환된 전압을 저장할 수 있도록 병렬접속된 다수개의 콘덴서로 이루어져 저전압(약 380V)교류를 고전압(약 25,000V)의 직류로 변환.저장하는 고전압 전원부, 고전압의 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기와 진공스위치로 이루어진 스위칭부, 이 스위칭부의 스위칭동작에 의하여 고 에너지의 플라즈마가 발생하여 피처리금속의 표면을 순간적으로 용융시키고 다시 냉각이 이루어지는 플라즈마 발생부(30) 및 이들을 제어하는 제어부(40)를 포함하여 이루어진 고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질장치를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속표면 개질장치의 개략구성도,

도 2a,2b는 본 발명에 의한 플라즈마 처리 전,후의 탄소강 표면의 광학사진,

도 3a,3b는 본 발명에 의한 플라즈마 처리후 표면에 은층(white layer)이 형성된 탄소강의 단면조직 및 그 확대사진,

도 4a,4b는 플라즈마 처리 전,후 표면조도가 개선된 상태를 도시한 단면도,

도 5는 플라즈마 처리 전,후 금속 표면의 미세경도 증가량을 도시한 그래프,

도 6은 플라즈마 처리 전,후 티타늄합금의 부식상태를 도시한 그래프,

도 7은 플라즈마 처리 전,후 자동차 엔진 밸브의 마모율 테스트결과를 도시한 막대그래프.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 고전압 전원부 12 : AC/DC 변환기

14 : 콘덴서 20 : 스위칭부

22 : 펄스발생기 24 : 진공스위치

25,26 : 전극판 27 : 절연체

28 : 진공펌프 29 : 점화플러그

30 : 플라즈마 발생부 31,32 : 전극판

33 : 절연체 34 : 진공펌프

35 : 반응가스 공급탱크 40 : 제어부

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질장치의 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 본 발명의 금속표면 개질장치는 AC/DC 변환기(12) 및 병렬접속된 다수개의 콘덴서(14)로 이루어져 저전압(약 380V)의 교류를 고전압(약 25,000V)의 직류로 변환.저장하는 고전압 전원부(10)와, 고전압의 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기(22)와 진공스위치(24)로 이루어진 스위칭부(20)와, 이 스위칭부(20)의 스위칭동작에 의하여 내부에서 고 에너지의 플라즈마가 발생하여 금속의 표면을 순간적으로 용융시키는 플라즈마 발생부(30) 및 이들을 전체적으로 제어하는 제어부(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 진공스위치(24)는 양단의 전극판(25)(26)사이에 공간이 형성되도록 전극판(25)(26)의 외측에 방열형구조를 갖도록 외기와의 표면적이 넓은 절연체(27)를 매개로 상호 일정거리 이격된 구조로 이루어지고, 그 내부공간은 진공상태를 유지할 수 있도록 진공스위치(24)의 외측에 진공펌프(28)가 부설되며, 그 내부에는 고전압 펄스발생기(22)에 전기적으로 접속된 점화플러그(29)가 설치된 구조로 이루어진다.

상기 플라즈마 발생부(30)는 그 내부에서 피처리금속(M)이 플라즈마에 의하여 표면경화처리되는 가공공간으로서, 이는 상,하에 일정거리 이격설치된 전극판(31)(32)사이의 둘레를 절연체(33)로 완전밀봉시킨 폐쇄구조로 제작하고, 그 내부공간은 진공상태가 되도록 진공펌프(34)를 외측에 부설하며, 이 내부공간에는 필요에 따라 각종 반응가스(수소, 아르곤, 헬륨, 질소, 이산화탄소, 산소)를 충진할 수 있도록 반응가스 공급탱크(35)를 접속시킨다.

또, 상기 플라즈마 발생부(30)는 그 내부공간에 피처리금속(M)을 투입하기 위하여 개폐가능한 구조를 갖는 덮개(36)가 설치되며, 이 덮개(36)에는 피처리금속(M)을 내부공간의 허공에 고정시키기 위한 홀더(도시안됨)를 설치한다.

상기 스위칭부(20) 및 플라즈마스 발생부(30)는 그 동작의 개시와 종료가 제어부(40)에 의하여 적절히 제어되도록 하므로써 일련의 금속표면 처리작업이 수행될 수 있도록 한다.

이때, 이와같은 본 발명의 전원을 이용한 온도발생 개념은 펄스파의 작동에 의해 발생하는 피처리물 내부 원자에 대한 상호 저항개념으로 가능한것으로서, 전력선을 통해 공급된 전원이 콘덴서(14)에 축적되고, 콘덴서에 축적된 전원은 휘스톤 브릿지 회로를 거쳐 정류함으로써 일방향 흐름을 가지도록 하며, 이 정류된 전력은 트랜스에서 고전압으로 1차 증폭되고, 다시 유도 코일을 거쳐 2차 증폭되면서 약15,000V의 고전압으로 인가된다.

또한, 이 고전압은 싸이리스터 및 펄스 증폭장치를 거치면서 주파수를 가지는 펄스 형태의 파형을 가지게 되고, 이후 피뢰침 현상에 의해 아크 방전판에서 이격되어 있는 피처리 물에 일순간 방전되고, 이와같이 방전될시 펄스파형을 가지는 고에너지 전력이 피처리물의 표면 구성원자를 초 고진동 상태로 만들어 극표면 표층만 가열 용융상태로 되게 하는 것이다.

상기 스위칭부(20)및 플라주마 발생부(30)에는 별도의 냉각장치를 설치할 수도 있으나, 본 발명은 고온의 플라즈마가 아주 짧은 시간동안만 가해지기 때문에 자연냉각에 의하더라도 충분한 냉각이 가능하다.

이와같이 구성된 본 발명의 방법 및 장치를 사용하여 피처리금속의 표면을 처리하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상온상태 또는 일정온도로 에열시킨 피처리금속 또는 부품을 플라즈마 발생부(30)의 내부공간에 홀더로 매달아 놓은 상태에서 진공펌프(34)를 작동시켜 내부공간을 진공화시키고, 상기 스위칭부(20)의 진공스위치(24)도 그 내부가 진공상태가 되도록 진공펌프(28)를 가동시킨다.

이와같은 상태에서 제어부(40)에서 스위칭부(20)의 고전압 펄스 발생기(22)로 작동신호를 보내면, 이 고전압 펄스 발생기(22)에서 일정주기를 갖는 고전압의 펄스가 발생되어 양 전극판(25)(26)이 전기적으로 접속되는 것이며, 이에 따라 진공스위치(24)가 온(ON)되므로써 고전압 전원부(10)에 저장된 약 25,000V의 고전압이 플라즈마 발생부(30)의 전극판(31)(32)사이에 인가되어 내부공간에서 고 에너지의 플라즈마가 발생하여 내부공간에 있는 피처리금속(M)의 표면 전체를 감싸게된다.

이와같이, 피처리금속(M)의 표면에 고 에너지의 플라즈마가 면접되면서 피처리금속 표면이 고온 플라즈마 중심 온도가 최고 20,000℃에 의해 순간적으로 가열 용융되며,

이때 음이온의 플라즈마가 피처리 금속(M)의 표면에 침투하여 금속과의 화학적반응에 의해 금속과 합금성분의 혼합현상이 발생하게 되며, 표면 그레인(grain)의 크기가 미세해지며 조직이 세밀하고 치밀해진다.

본 발명은 순간적으로 금속표면이 가열되고 또한 순간적으로 급속 냉각되므로 많은 기공이 발생하게 되며, 그레인의 외각에는 합금성분으로 이루어진 석출물이 형성되고 금속의 합금성분이 변하게 되는 것이며, 이로 인해 금속표면의 특성이 변화된다.

본 발명에서 처리시간에 따른 금속피막의 깊이(D)는 재료에 따라 다르나, 금속의 열전도율과 플라즈마 처리시간에 비례하고 금속의 비열과 금속의 밀도에는 반비례한다.

이하에서는 본 발명에 의해 표면처리된 피처리금속의 기계적, 화학적 특성을 살펴보기로 한다.

도 2a,2b는 본 발명에 의한 플라즈마 처리 전,후의 탄소강 표면의 광학사진으로서, 도 2a에 도시된 플라즈마 처리전의 탄소강 원래표면에는 표면경도가 약해 절단도구 등에 의해 긁힌 자국이 선명하게 보임을 알 수 있는 반면, 도 2b에 도시된 프라즈마 처리후의 탄소강 표면사진을 보면 표면에 세포조직이 형성되어 있음을 알 수 있으며, 이러한 세포조직에 의해 탄소강의 표면경도가 향상되엇음을 확인할 수 있었다.

도 3a,3b는 본 발명에 의한 플라즈마 처리후 표면에 은층(white layer)이 형성된 탄소강의 단면조직 및 그 확대사진으로서, 표면처리된 표면의 색깔은 흰색으로 변화되어 나타남을 알 수 있었다.

또한, 도 4a,4b는 플라즈마 처리 전,후의 표면거칠기 상태를 도시한 것으로, 탄소강의 최초 표면거칠기는 도 4a에 도시된 바와 같이 약 2.5정도이었으나, 임펄스 플라즈마 처리후의 표면거칠기 도 4b에 도시된 바와 같이 0.63 내지 0.32정도로 플라즈마 처리전보다 탄소강의 표면조도가 약 4배이상 향상되었음을 알 수 있다.

한편, 도 5는 플라즈마 처리 전,후의 표면 미세경도 증가량을 도시한 그래프로서, 미세경도는 처리전보다 약 1.5∼2배정도 증가됨을 알 수 있으며, 도 6은 플라즈마 처리 전,후의 티타늄합금의 부식상태를 도시한 그래프로서, 황산(H₂SO₄)용액에서의 플라즈마 처리된 티타늄합금과 처리되지 않은 티타늄함금의 화학적 부식속도에 커다란 차이가 있음을 보여주고 있는데, 처리전의 티타늄합금은 황산의 농도증가에 따라 부식속도가 비례하여 증가되는 반면, 플라즈마 처리후의 티타늄합금은 황산의 농도가 증가하여도 부식속도는 그다지 변화되지 않음을 확인할 수 있다.

또한, 도 7은 플라즈마 처리 전,후의 자동차(차종; 피아트) 엔진 밸브의 마모율 테스트결과를 도시한 막대그래프로서, 건식마찰 및 오일마찰에서 공히 마모율이 2배 내지는 4배 정도 낮아져 그만큼 제품의 내구성과 수명이 증가됨을 보여주고 있다.

한편, 본 발명은 종래 탄소강 표면에 내부식성과 외관을 고려하여 주석 티타늄, 크롬드을 도금하였을 때 도금불량 또는 밀착성 부족으로 도금층이 박리될 수 있었으나, 도금된 상태에서 임펄스 플라즈마 표면처리를 하면 표면의 도금층과 내부의 소재가 순간적으로 용융되었다 급속 냉각되므로 건의 단일소재처럼 변화하여 박리되는 현상이 없어지고 화학적인 표면변화로 인해 내마모성과 내부식성이 향상되며 고경도로 변화됨을 실험적으로 확인할 수 있었다.

본 발명의 응용분야로는 첫째, 기계공구분야로서 이는 엔드 밀, 드릴, 홀 컷터나 기타 절삭공구 및 절단공구 등 고경도, 내마모성이 요구되는 공구를 본 발명의 임펄스 플라즈마에 의하여 금속표면처리를 하게 되면 고가의 소재를 사용하지 않아도 되고, 특히, 1회용 소모공구는 일반적인 탄소강 또는 탄소강에 도금이나 고경도의 소재를 코팅한 재료를 사용하여 공구를 제조하더라도 높은 생산성을 유지할 수 있고, 종전과 같이 열처리와 연마공정을 거치지 않아도 요구하는 칫수 및 표면조도를 얻을 수 있다.

둘째, 자동차용 부품은 전체적인 내부강도나 경도 등이 부품수명에 크게 영향을 미치지는 않으나, 침탄, 질화 등의 열처리를 거쳐 제조되고 이런 열처리는 작업공정상 표면 크랙 등 각종 불량률이 높을 수 있는데, 본 발명의 임펄스 플라즈마 표면처리는 금속내부의 강도나 경도는 변하지 않고 그 표면만 약 5㎛∼100㎛까지 고경도, 내마모, 내부식성이 우수한 층을 도입하여 이런 특성을 향상시킬 수 있으므로 가공공정을 단축시킬 수 있고 저렴한 소재사용도 가능하다.

셋째, 제트 엔진이나 각종 항공기 부품은 진공열처리나 침탄 열처리 또는 염욕 열처리는 그 처리과정에서 소재의 형상변화가 일어나지만 본 발명의 임펄스 플라즈마 표면처리방식은 형상변화가 없이 표면의 성질만 변화시킬 수 있으므로 형상이 복잡한 부품에 적합하고 가공비가 절약된다.

본 발명은 기계공구나 부품 등의 피처리금속을 진공조건 또는 피처리금속에 따른 각종 반응가스하에 두고 약 10∼1,000J/㎠의 고 에너지 밀도를 갖는 펄스 플라즈마를 피처리금속에 10∼100μ 초 동안 노출되게 하여 피처리금속 표면을 순간적으로 가열용융시킨후, 자연냉각 또는 강제냉각시키도록 하므로써 금속표면의 내마모성, 내부식성, 피로수명 및 도전성 등 기게적, 화학적 성질을 향상시킬 수 있으며, 본 발명의 방법 및 장치는 종전과 같은 도금이나 코팅처리시 발생하던 2차적인 환경공해문제를 전혀 유발하지 않으며, 그 처리속도가 빠르고 공정도 간단함은 물론 소요인력도 최소화 할 수 있어 여타 방법보다도 경제적이고, 저가의 소재를 사용하여 고가의 소재가 갖는 품질을 구현할 수 있는 등의 유용한 효과를 갖는다.

Claims (2)

1. 피처리금속의 표면을 가열 재용융시켜서 경화처리하는 방법에 있어서,

   상기 피처리금속을 진공조건 또는 각종 반응가스하에 두고 약 10∼1,000J/㎠의 에너지 밀도를 갖는 임 펄스 플라즈마내에 10∼100μ 초 범위동안 노출시켜 피처리금속 표면전체가 순간, 용융되고, 냉각되도록 한 고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질방법.
2. 교류/직류 변환기(12) 및 병렬접속된 다수개의 콘덴서(14)로 이루어져 저전압의 교류를 고전압의 직류로 변환.저장하는 고전압 전원부(10); 고전압의 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기(22)와 진공스위치(24)로 이루어진 스위칭부(20); 상기 스위칭부(20)의 스위칭동작에 의하여 고 에너지의 플라즈마가 발생하여 금속의 표면처리를 행하는 플라즈마 발생부(30) 및 이들을 제어하는 제어부(40)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로하는 고온 임펄스 플라즈마에 의한 금속표면 개질장치.