KR100323494B1 - 분말강화재 분사용 플라즈마건 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분말강화재 분사용 플라즈마건 장치에 관한 것으로서, 노즐덮개(2)에 의해 싸여진 양극부 노즐(1)과; 이 노즐(1)의 입구에 일정 간격을 두고 설치되는 음극부 전극(6)과; 이 전극(6)을 뒷 쪽에서 고정시키는 홀더(7)와; 상기 전극(6)과 전극홀더(7)를 일체로 결합시키는 너트(5)와; 전극(6)을 상기 양극부와 절연시키기 위해 상기 전극(6), 전극홀더(7) 및 너트(5)를 감싸는 절연체(4)와; 냉각을 위해 냉각수가 통과하는 통로(12)가 형성되어 있는 워터 채널링 헤드(3)로 구성되도록 하되; 내면의 일부분이 돌출된 노즐(1)을 통해 강화분말이 공급되도록 분말공급장치(9)가 상기 워터 채널링 헤드(3)의 외면으로부터 노즐(1) 내면까지 분사방향 축에 대하여 경사지게 연장되어 형성되고, 상기 절연체(4)의 측면에는 상기 너트(5)와 전극홀더(7)의 연결부위에서 원주방향으로 플라즈마용 가스가 통과하는 복수의 구멍이 형성되며, 상기 너트(5)의 외면에는 분사방향 축에 대하여 경사진 홈(11)이 다수 형성되어 있음을 특징으로 하므로; 2차 가스를 사용하지 않고도 플라즈마제트의 출력전력을 상승시킬 수 있어 제조비용을 절감시킬 수 있고, 분말을 플라즈마건 내부로 공급하게 함으로써 강화분말을 용탕에 투입하거나 모재에 도포할 경우 분말이 외부로 비산하는 양을 줄일 수 있으므로 기설정된 강화재의 부피분율이나 피막의 도포량을 보다 정확하게 제어할 수 있는 플라즈마건 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 분말강화재 분사용 플라즈마건 장치에 관한 것으로서, 특히 분말공급장치를 통해 공급되는 강화입자분말을 내부로부터 발생된 고온, 고속의 플라즈마 제트를 이용하여 금속용탕이나 모재에 분사하는 플라즈마건 장치에 관한 것이다.
금속이나 합금의 특성을 향상시키기 위해서, 강화입자(强化粒子)인 금속분말(metal powder)이나 세라믹분말(ceramic powder)을 금속기지(metal matrix) 내에 투입하여 제조한 합금을 금속기지복합재료라 한다. 그 예로서, 알루미늄합금에 융점이 높은 티타늄, 지르코늄, 망간 등을 첨가하거나, 순금속 및 합금(알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리 등)내에 이종(異種)의 세라믹입자(SiC, Al2O3등)를 강제로 혼합하여 용융금속의 기지내에 균일하게 분산시켜 제조한 복합재료 등을 들 수 있다.
금속기지복합재료 제조방법의 하나로서, 아크 방전에 의해 발생된 고온으로 가스를 플라즈마(plasma) 상태로 만들어 분말강화입자를 용융기지금속에 고속투입하는 것이 있다.
또한, 이 방법은 플라즈마를 이용하여 강화입자를 모재(母材)에 분사하여 도포하는 용사기술로 응용되기도 한다.
특히, 발생된 플라즈마의 온도는 20,000。K에 가까운 고에너지원이므로 고융점금속분말 및 세라믹 분말등 보다 광범위한 종류의 강화재료를 투입 및 분사할 수 있다.
도 3에 이러한 플라즈마 아크 및 플라즈마 제트를 발생시키는 종래의 플라즈마건 장치가 도시되어 있다.
이 장치의 구조는 크게 노즐(nozzle, 1), 노즐덮개(nozzle shell, 2), 전극(electrode, 6), 절연체(insulator, 4), 전극홀더(electrode holder, 7), 너트(nut, 5), 워터 채널링 헤드(water channeling head, 3), 분말공급장치(powder port, 9) 및 지지대(8)로 구성되어 있다. 절연체(4)의 앞 부분에는 플라즈마용 가스가 통과하기 위한 구멍이 형성되어 있다.
플라즈마제트(plasma jet)가 발생되는 노즐(1)은 노즐덮개(2)와 함께 전기적으로 양극부에 속한다. 또한 노즐(1)의 입구부에 일정한 간격을 유지하면서 음극부인 전극(6)이 설치되어 있다.
한편, 아르곤(Ar)이나 질소(N2) 등의 플라즈마용 가스를 불어넣어 주면서 노즐(1)과 전극(6) 사이에 아크를 발생시키면, 이 때 발생되는 고열에 의해 상기 가스가 해리되면서 플라즈마제트가 형성된다. 이 고온, 고속의 플라즈마제트는 노즐(1) 입구를 통해 출구로 분사된다. 이 때, 노즐(1)의 내부벽 쪽 아크가 발생되는 양극점(anode spot)은 상당히 고온이 되므로 워터 채널링 헤드(3) 및 노즐덮개(2) 내부에 형성된 통로(12)를 따라 냉각수를 흐르게 하여 냉각시키도록 되어 있다.
여기서, 아크가 발생되는 노즐(1) 내부 양극점의 위치에 따라 출력전압의 차이가 발생되는데, 전극과 양극점 사이가 멀수록 전압은 상승하게 되어 플라즈마제트의 출력이 증가된다.
전기적으로 음극부에 속하는 전극몸체는 전극(6), 전극홀더(7) 및 너트(5)로 구성되어 있는데, 전극(6)은 후부에 있는 전극홀더(7)에 의해 고정되고 너트(5)에 의해 전극(6)과 전극홀더(7)가 일체로 체결되는 구성을 갖는다. 이 전극몸체 외부는 세라믹으로 형성된 중공 통형(筒形)의 절연체(4)에 의해 양극부와 절연되어 있다.
가장 바깥쪽은 플라즈마건 전체의 냉각을 위한 워터 채널링 헤드(3)가 절연체(4)에 싸여진 전극몸체(5,6,7)와 노즐(1)을 연결하는 형태로 설치되어 있고, 냉각수통로(12)가 분사방향으로 형성되어 있다.
공급가스는 절연체(4)와 워터 채널링 헤드(3) 사이로 공급되어, 절연체(4) 앞 쪽에 관통된 구멍을 통해 전극(6)과 노즐(1) 내면 사이로 통과되면서 아크와 반응하여 플라즈마제트가 발생되는 것이다.
분말공급장치(9)는 지지대(8)를 경유하여 노즐(1)의 앞 쪽 외부에 설치된다. 상기 분말공급장치(9)를 통해 강화분말이 공급되면, 이 분말은 노즐(1) 입구로부터 나오는 고온, 고속의 플라즈마제트와 만난다. 이와 같이 강화분말은 플라즈마제트에 실려 고속으로 용탕(미도시)에 투입되거나 모재에 분사된다.
여기서, 강화입자 분말이 용탕으로 용이하게 투입되거나 모재표면에 견고한 피막을 이루기 위해서는 분사되는 강화입자의 운동에너지(½mv2, m은 분말의 질량, v는 분말의 속도) 및 열전달이 클 것이 요구된다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같은 종래의 플라즈마건 장치에서는, 분말공급장치(9)가 플라즈마제트의 속도 및 에너지가 약하고 안정적이지 않은 노즐(1)의 외부에 장착되어 있기 때문에, 분사되는 분말에 열전달이 잘 이루어지지 않을 뿐만 아니라 운동에너지가 약하게 되고 분말이 다른 방향으로 비산하기 쉬워 용탕에 용이하게 투입하거나 모재에 피막을 견고히 도포하기 어려운 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 추가로 질소, 산소, 수소등의 분자성 가스를 2차 가스로 혼합사용하여 출력전압을 향상시킴으로써 플라즈마제트의 에너지를 증가시키기도 하지만, 이 경우에는 2차 가스의 추가로 인한 제조비용이 증가하고 가스공급장치가 복잡해지는 등 다른 문제가 발생되었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 강화재 분말을 노즐내부의 적절한 위치에서 경사지게 공급하고 플라즈마용 가스를 회전시키면서 주입함으로써, 플라즈마제트의 출력을 증대시켜서 분사되는 분말의 운동에너지를 증가시키고 열전달을 용이하게 할 뿐 아니라 분사되는 분말의 비산도 방지하여 용탕으로의 용이한 투입 및 모재로의 견고한 피막을 형성하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 플라즈마건 장치를 도시하는 측단면도,
도 2는 본 발명과 종래 플라즈마건 장치에서 가스유량에 대한 출력전압을 비교, 도시한 선도,
도 3은 종래의 플라즈마건 장치를 도시하는 측단면도.
<도면부호의 설명>
1... 노즐(nozzle) 2... 노즐덮개(nozzle shell)
3... 워터 채널링 헤드(water channeling head)
4... 절연체(insulator) 5... 너트(nut)
6... 전극(electrode) 7... 전극홀더(electrode holder)
8... 분말공급장치 지지대 9... 분말공급장치
10... 절연체 구멍 11... 너트 표면홈
12... 냉각수통로
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 노즐덮개에 의해 싸여진 양극부 노즐과; 이 노즐의 입구에 일정 간격을 두고 설치되는 음극부 전극과; 이 전극을 뒷 쪽에서 고정시키는 홀더와; 상기 전극과 전극홀더를 일체로 결합시키는 너트와; 전극을 상기 양극부와 절연시키기 위해 상기 전극, 전극홀더 및 너트를 감싸는 절연체와; 냉각을 위해 냉각수가 통과하는 통로가 형성되어 있는 워터 채널링 헤드로 구성되는 플라즈마건 장치에 있어서,
내면의 일부분이 돌출된 노즐(1)을 통해 강화분말이 공급되도록 분말공급장치가 상기 워터 채널링 헤드의 외면으로부터 노즐 내면까지 분사방향 축에 대하여 경사지게 연장되어 형성되고, 상기 절연체의 측면에는 상기 너트와 전극홀더의 연결부위에서 원주방향으로 플라즈마용 가스가 통과하는 복수의 구멍이 형성되며, 상기 너트의 외면에는 분사방향 축에 대하여 경사진 홈이 다수 형성되어 있음을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.
본 발명에 따른 플라즈마건 장치가 도 1에 도시되어 있다. 상술한 종래 플라즈마건 장치와 일치하는 부분의 설명은 생략하고 핵심 특징에 대해서만 다음과 같이 설명한다.
종래 플라즈마건에서는 플라즈마용 가스가 절연체(4)의 앞쪽에 형성된 구멍(10)을 통해 아크 발생영역으로 공급되었지만 본 발명에서는 전극홀더(7)와 너트(5)가 연결되는 부위로 플라즈마용 가스가 공급되도록 절연체(4)에 구멍(10)을 형성한다. 여기서 종래의 너트(5)는 단지 전극(6)과 전극홀더(7)를 결합하는 역할 만을 수행했으나, 본 발명에서는 너트(5)의 표면에 분사방향 축에 대하여 일정한 각도로 경사가 형성된 일정 크기의 홈(11)을 내어, 통과하는 가스가 소용돌이 형태로 회전할 수 있도록 되어 있다. 이로 인해 전극(6)과 아크가 일어나는 노즐(1) 내면의 양극점 사이의 거리가 멀어져 아크의 길이가 길어짐으로써, 출력 전압이 증가되는 효과를 가져온다. 이에 따라 플라즈마제트의 출력이 증가하여 분사되는 분말의 운동에너지가 증가되고 열전달이 용이하게 이루어진다.
또한 종래에는 노즐(1) 내면의 직경이 일정하게 유지되어 있으나, 본 발명에서의 노즐(1)은 일부분이 안으로 돌출형성되어 있어 내경(A)을 줄여서 가스의 유속을 증가시킬 수 있다.
분말을 공급하는 분말공급장치(9)는 워터 채널링 헤드(3)의 외면으로부터 플라즈마가 가장 고온, 고속이며 난류유동이 적은 노즐(1) 내부의 아크 발생영역까지, 분사방향 축에 대하여 경사지게 구멍을 연장시킴으로써 형성된다. 이로 인해, 강화분말은 열전달이 용이하게 이루어지고 운동에너지가 증가하며 비산이 방지된다.
강화분말의 분사과정을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서와 같이, 상기 절연체(4)와 워터 채널링 헤드(3)사이로 플라즈마용 가스를 불어넣어 절연체(4)에 형성된 구멍(10)을 통해 흐를 수 있게 한다. 이렇게 통과된 가스는 너트(5)의 표면에 형성된 경사 홈(11)을 따라 흐르므로 분사방향 축에 대하여 회전하게 된다. 다음, 가스가 최소 내경(A)을 갖는 부분을 통과하는 순간, 노즐(1)과 전극(6)사이에서 아크가 발생되고, 이 아크에 의한 고열이 통과하는 플라즈마용 가스를 해리시켜 플라즈마제트상태를 형성한다.
이와 동시에 분말공급장치(9)를 통해 강화분말을 노즐(1)내의 아크 발생영역에 공급하게 되면, 이 분말은 플라즈마제트에 실려 노즐(1) 출구를 통해 용탕이나 모재상에 분사된다. 이 때, 상기 플라즈마제트는 고온, 고속이므로 용탕내에 투입될 경우에는 보다 용이하게 혼합되고, 모재상에 분사할 때에는 보다 견고한 피막을 형성할 수 있다.
도 2에, 상술한 바와 같은 본 발명 구성의 플라즈마건과 종래의 플라즈마건의 구성 차이에 따른 출력전압을 비교하는 실험결과가 도시되어 있다.
이 실험에 사용되는 플라즈마 발생장치의 최대출력은 40kW이다. 노즐(1)의 경우, 종래의 플라즈마건 장치의 노즐(1) 내경(A)은 6.3mm이고 본 발명의 플라즈마건 장치의 노즐(1)은 일부분이 내부로 돌출형성되어 있어 최소내경(A)은 4.5mm 이다. 종래 장치에서는 너트(5) 앞부분에서 절연체(4)에 2mm 직경의 2개 구멍이 형성되어 공급가스가 바로 노즐(1)로 흐르게 되어 있으나, 본 발명의 장치에서는 너트(5)와 전극홀더(7)의 연결지점에 직경 1.6mm인 4개의 구멍을 형성하였다. 여기서 본 발명 장치의 상기 너트(5)에는 약 1mm 높이의 나사산으로서 45°의 경사가 있는 홈(11)이 형성되어 있어, 공급되는 가스가 회전하면서 아크 발생영역에 흐르 수 있게 하였다.
또한, 종래 및 본 발명의 워터 채널링 헤드(3)에는 직경 3.5mm인 6개의 냉각수 통로(12)가 순차적으로 구성되어 있다. 단, 본 발명에서는 냉각수 통로(12)의 중도 위치에 분말공급장치(9)로부터 연장되는 직경 1.6mm의 구멍이 노즐(1) 내면까지 경사지게 뚫려있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 최대출력 40kW의 플라즈마 발생장치에서 2차 가스를 사용하지 않고 1차 가스로 아르곤(Ar)을 사용했을 경우, 300, 400 및 500A의 각 사용전류에서 가스유량에 따른 출력전압의 변화형태를 알 수 있다. 도시된 바와 같이 동일한 가스 유량(gas flow rate)에 대하여, 종래 플라즈마건에 비해 약 20∼35%의 출력전압이 상승되었음을 알 수 있었다. 즉, 플라즈마제트의 출력이 그만큼 향상되므로 분말의 운동에너지를 보다 크게 하여 용탕에 투입시킬 수 있음을 의미한다.
상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 1차 가스만에 의해서도 플라즈마제트의 출력전압을 향상시킬 수 있어 제조비용을 절감시킬 수 있고, 분말을 플라즈마건 내부로 경사지게 공급하게 함으로써 강화분말을 용탕에 투입하거나 모재에 도포할 경우 분말의 속도가 증가할 뿐 아니라, 외부로 비산하는 양을 줄일 수 있으므로 기설정된 강화재의 부피분율을 정확하게 조절하고 피막의 도포량을 보다 견고하게 유지할 수 있다는 잇점이 있다.
Claims (1)
- 노즐덮개(2)에 의해 싸여진 양극부 노즐(1)과, 이 노즐(1)의 입구에 일정 간격을 두고 설치되는 음극부 전극(6)과, 이 전극(6)을 뒷 쪽에서 고정시키는 홀더(7)와, 상기 전극(6)과 전극홀더(7)를 일체로 결합시키는 너트(5)와, 전극(6)을 상기 양극부와 절연시키기 위해 상기 전극(6), 전극홀더(7) 및 너트(5)를 감싸는 절연체(4)와, 냉각을 위해 냉각수가 통과하는 통로(12)가 형성되어 있는 워터 채널링 헤드(3)로 구성되는 플라즈마건 장치에 있어서,내면의 일부분이 돌출된 노즐(1)을 통해 강화분말이 공급되도록 분말공급장치(9)가 상기 워터 채널링 헤드(3)의 외면으로부터 노즐(1) 내면까지 분사방향 축에 대하여 경사지게 연장되어 형성되고, 상기 절연체(4)의 측면에는 상기 너트(5)와 전극홀더(7)의 연결부위에서 원주방향으로 플라즈마용 가스가 통과하는 복수의 구멍이 형성되며, 상기 너트(5)의 외면에는 분사방향 축에 대하여 경사진 홈(11)이 다수 형성되어 있음을 특징으로 하는 분말강화재 분사용 플라즈마건 장치.
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019990044985A KR100323494B1 (ko) | 1999-10-18 | 1999-10-18 | 분말강화재 분사용 플라즈마건 장치 |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20010037439A KR20010037439A (ko) | 2001-05-07 |
| KR100323494B1 true KR100323494B1 (ko) | 2002-02-07 |
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ID=19615669
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210106216A (ko) * | 2020-02-20 | 2021-08-30 | 주식회사 싸이노스 | 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비 |
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-
1999
- 1999-10-18 KR KR1019990044985A patent/KR100323494B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR102330431B1 (ko) * | 2020-02-20 | 2021-11-25 | 주식회사 싸이노스 | 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20010037439A (ko) | 2001-05-07 |
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