KR100869346B1

KR100869346B1 - 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100869346B1
Application number: KR1020070057480A
Authority: KR
Inventors: 김성완; 김상권; 조용기; 최은석
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-11-19
Also published as: JP4644236B2; JP2008308759A

Abstract

본 발명은 질화처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 저에너지를 활용한 고밀도의 질화처리를 수행하므로, 제품 표면에 나노 크기의 질화물을 형성하거나, 제품 표면에 화합물 층 두께를 두껍게 형성하는 것이 가능하도록 한 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이를 위한, 본 발명의 질화방법은 노 내부에 스퍼터링을 위한 기체를 투입하여 시편 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하고, 노 내부 질소와 수소를 투입하되 다중 중공음극체에 저전류의 전력을 가해 고밀도의 플라즈마를 생성하며, 이로 인해 플라즈마 내 질소 플라즈마의 상태를 바꾸어 질화물 층을 나노크기로 만들 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 다중 중공음극체를 통과하는 이온의 운동량 및 반응을 최대로 하여 고밀도의 플라즈마를 생성함으로써, 시편 표면에 조도의 변화가 거의 없는 고경도의 질화층을 형성할 수 있는 효과가 있다.

질화, 플라즈마, 고밀도, 다중 중공음극체, 탄소강.

Description

저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법 및 그 장치{Method and apparatus for plasma nitriding used high-density formed by low-energy electrode}

도 1은 본 출원인에 의해 선출원된 질화장치의 구조를 도시한 개략도,

도 2는 본 발명에 의한 질화방법의 순서를 나열한 블록도,

도 3은 본 발명에 의한 질화장치의 구조를 도시한 개략도,

도 4는 본 발명에 의한 질화방법 중 질화조건 일실시예에 의해 질화처리된 시편의 표면사진,

도 5는 본 발명에 의한 질화방법 중 다른 질화조건 일실시예에 의해 질화처리된 시편의 표면사진,

도 6은 본 발명에 의한 질화방법 중 또 다른 질화조건 일실시예에 의해 질화처리된 시편의 표면사진,

도 7은 도 4 내지 도 6에 도시한 시편 표면사진과 대비하기 위해 탄화수소계의 가스를 첨가하여 질화처리한 시편의 표면사진,

도 8은 본 발명에 의한 질화방법 중 또 다른 질화조건 일실시예에 의해 질화처리된 시편의 표면 및 단면사진,

도 9는 도 8에 도시한 시편 표면사진과 대비하기 위해 프로판을 첨가하여 질화처리한 시편의 표면사진,

도 10a, 10b는 본 발명에 의한 질화처리에 의해 시편의 표면경도와 심부경도 변화를 나타낸 그래프선도.

*도면중 주요 부호에 대한 설명*

100 : 노 110 : 플레이트

120 : 히터 130 : 진공펌프

140 : 전원장치 200 : 다중 중공음극체

210 : 판재 220 : 커버재

230 : 홀 300 : 가스투입부

310 : 가스관 320 : 가스홀

S100 : 스퍼터링공정 S200 : 질화층 형성공정

S300 : 냉각공정 P : 시편

본 발명은 질화처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 독특한 구조의 다중 중공음극체를 통해 저에너지를 활용하여 고밀도의 질화처리를 가능하도록 함으로써, 제품 표면에 나노 크기의 질화물을 형성하여 후가공이 필요없는 고경도의 질화특성을 확보함과 아울러, 동일 장비 내에서 진공압력의 변환을 통해 플라즈마의 상태를 바꾸어 화합물 층 두께를 두껍게 형성하므로, 제품 특성을 향상시킬 수 있도록 한 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 표면 처리라 함은 금속의 표면을 아름답게 보이게 하거나, 또는 표면의 내식성이나 내마모성을 개선할 때, 표면을 경화(硬化)처리할 때 등 다양한 목적을 위하여 처리하는 경우를 말한다.

이러한, 표면 처리 중 표면을 경화처리하는 방법으로는 침탄법, 질화법, 고주파 열처리 등이 있는데, 이 중에서도 특히 질화법은 500~600℃ 온도범위에서 금속재료의 표면으로부터 내부로 질소를 확산 침투시켜 내마모성, 내피로성, 내식성 등을 높이는 경화 기술이다.

이와 같은 질화법은 다른 표면 경화법인 침탄법, 고주파 열처리와 달리 강의 변태점 이하의 저온에서 처리하기 때문에 열처리 변형이 적어 정밀기계부품 및 자동차 부품, 금형 등에 많이 사용되고 있다. 또한 최근에는 코팅 층의 밀착력 향상과 하지층 경화에 우수한 성질을 보여 복합 열처리에 이용되는 등 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 제품의 조도가 거칠어짐으로 코팅을 하여 사용하는 금형 제품의 경우 하지 층에 사용하기에는 반드시 후 랩핑 등의 공정을 해야만 가능하였다.

더욱이, 오스테나이트계 스테인리스 스틸의 경우에는 높은 내식성으로 인해 식품, 약품, 식기 등 다양한 분야에 사용되고는 있으나, 낮은 경도 특성 때문에 자동차, 기계, 전자 부품에는 사용에 심각한 제약이 따르고 있어 질화법을 이용한 오스테나이트계 스테인리스 스틸의 표면 경도 기술 또한 빠르게 개발되고 있는 실정에 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 질화법은 질화제 및 질화 방법에 따라 다시 가스질 화, 염욕질화, 플라즈마 이온질화 등으로 나뉘어진다.

이하 설명하면, 먼저 가스질화는 소정의 압력으로 가압된 공간에 다량의 암모니아(NH₃) 가스를 넣고 1~100시간 가량 유지하여 금속 재료에 화합물 층과 질화 층을 형성하는 방법으로, 제품 형상 제약이 적고 대용량에 쉽게 적용이 가능한 장점은 있으나, 전용 강종에만 적용이 가능하고 작업시간이 장시간 소요될 뿐만 아니라 유해한 암모니아 가스를 사용하므로 후처리장치가 반드시 필요하다는 문제가 있다.

그리고, 염욕질화는 시안(CN^-), 시안산(CNO^-) 염을 이용하여 액상에서 금속 재료를 질화 처리하는 방법으로, 4시간 정도의 단시간에 높은 경도의 화합물층과 질화층을 상당 깊이까지 얻을 수 있고, 냉각속도가 빠르며, 강종의 제약이 없고, 설비비용이 매우 적게 드는 장점으로 인해 자동차 부품의 양산 공정에 많이 적용되고 있다.

그러나, 상기한 염욕질화는 시안(CN^-), 시안산(CNO^-)이 유독성 물질이므로, 환경을 오염시키는 문제가 있어 사용이 점차 줄어들고 있으며, 질화 처리된 제품에 기공이 많은 화합물층이 형성되므로 반드시 후처리가 필요한 문제가 있다.

또한, 상기한 가스질화와 염욕질화는, 질화 처리하고자 하는 금속이 오스테나이트계 스테인리스 스틸인 경우, 표면에 높은 경화층을 형성함으로써 표면 경도는 향상시킬 수 있으나, 500℃ 이상에서 질화 처리를 하는 질화공정의 특성상 CrN 을 석출하게 되어 물성을 저하시키고, 또한 내식성의 원인이 되는 Cr₂O₃층을 감소시켜 내식 특성을 현저하게 떨어뜨리는 문제가 있었다.

이에 비해, 플라즈마 이온질화는 환경 오염문제가 없는 질소(N₂) 가스를 이용하여 금속 재료를 질화 처리하는 방법으로, 최근에는 지구 온난화 문제, 에너지 문제 등이 대두되면서 상기한 플라즈마 질화기술이 지대한 관심의 대상이 되고 있는 실정에 있다.

이에, 상기한 플라즈마(PS)에 대해 간단하게 살펴보면, 원자 혹은 분자가 외부 전자 혹은 강한 에너지를 받아 이온화 혹은 활성화된 가운데 이온과 전자 혹은 활성원자 또는 분자에 의해 전도성을 가질 수 있는 상태를 플라즈마라고 한다.

이와 같은 플라즈마를 이용한 이온질화는 보통 제품의 내마모성, 내피로성, 경도향상 등이 필요한 부품에 사용되는데 이러한 목적에서 가장 사용량이 많은 것이 자동차 부품의 생산이다.

그 공정에 대해 간단하게 살펴보면 진공 중에서 제품에 직접 전극이 인가되어 알곤가스와 수소 및 질소가스가 활성화되고 이것의 제품의 표면을 스퍼터링하게 되는데, 이때 표면의 오염물 혹은 산화물과 반응하여 제품의 표면에서 떨어뜨리는 역할을 수행하게 된다. 이 때 표면에서 전자를 공급받으며 빛을 잃게 됨으로 글로우 방전이라고 한다. 이 후에 다시 다가오는 질소원자는 제품의 표면에서 스퍼터된 철원자와 결합하고 제품에 다시 흡착하여 철표면에 질소를 공급함으로써 질화 층을 형성하게 된다.

이러한, 플라즈마 이온질화는 사용가스가 단순한 장점이 있고, 사용되는 플라즈마 전원 역시 단순하다. 또한, 가스 및 에너지 소비량이 적으며, 배출가스도 중성으로 환경 친화적인 작업 환경으로 인해 계속하여 발전 및 사용되고 앞으로도 기술이 더욱 발전할 것으로 기대된다.

그러나, 상기한 플라즈마 이온질화는 스퍼터링과 재흡착의 원리에 의해 질화가 진행되므로, 제품의 표면 형상에 따라 혹은 미세홀의 내벽의 경우 글로우에 의해 정확한 온도 조절 및 원하는 깊이를 질화하기란 너무 어렵다는 단점이 있으며, 결정적으로 제품의 균일도와 재현성면에서 변수 제어가 매우 어렵다는 단점이 있다. 또한 장시간 공정을 진행하면 제품의 형상에 따라 표면 아크가 발생할 수 있고, 지속적인 에칭에 의해 제품의 국부 가열과 에칭에 의한 손상이 발생가능하고, 표면조도가 나빠지는 단점이 있었다.

더욱이, 상기한 플라즈마 이온질화는 질화 제품의 형상과 전류량, 전압, 진공도, 그리고 합금원소 등에 따라 스퍼터링과 재흡착 조절 정도가 달라지기 때문에 막연하게 에너지를 높이거나 진공도 혹은 가스 유량만으로 공정을 제어하여 원활한 생산을 수행하기가 어려운 단점이 있었다.

그 이유는, 가스의 압력 제어는 한계가 있고, 해당되는 압력에서 제품의 표면적이 커지게 되면 동일한 조건으로 질화하기 위해 막대한 이온밀도가 필요하기 때문에 매우 큰 플라즈마전원장치와 전력이 요구되고, 필요 이상의 전기가 필요하게 되면 플라즈마질화의 장점이 줄어들게 되며, 동시에 대형 전원장치제작은 현재까지 개발 및 적용하기가 어려운 문제점이 있다.

또한, 상기한 플라즈마 이온질화는 글로우 방전영역에서 일어나는 공정이기 때문에, 제품에 질화되는 화합물 층의 두께조절 및 제어가 어려운 문제점이 있었다. 첨부 도면 도 1은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 출원인에 의해 선출원되어 특허 등록된 특허 제10-0610645호 "포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치"에 대한 것으로, 그 구조에 대해 간단히 살펴보면 노(10) 양 내측에는 히터(H)를 내장하고, 하부에 진공펌프(Vp)를 설치하며, 상기 노(10) 상부에 가스관(30)으로 작용 기체를 투입하기 위한 가스투입부(40)를 설치한다.

그리고, 상기 노(10)의 중앙 내부에는 플레이트(25)를 설치하고, 상기 플레이트(25) 상부에 질화 처리하고자 하는 시편(P)을 구비한다. 그리고, 상기 시편(P) 외부에는 시편(P)을 커버하도록 스크린망(20)을 설치하게 되는데, 상기 스크린망(20)은 상부스크린망(20a)과 복수(본 발명에서는 2개를 적용)의 측부스크린망(20b)으로 분리 설치하여 각각의 스크린망(20)에 DC 전원을 공급한다.

이러한, 상기 스크린망(20)은 음극전원을 띄도록 하여 플라즈마(PS)를 생성시키고, 상기 스크린망(20) 외부에는 산화 및 환원성 기체와 질화제가 투입되는 나선형의 가스관(30)을 설치하되, 상기 가스관(30)에는 다수의 가스홀(35)을 형성한다.

즉, 음극의 스크린망에 생성된 플라즈마를 통해 보조가열효과를 발생함과 더불어 질화에 필요한 반응가스가 플라즈마를 통과해 제품 표면에 흡착됨으로써, 제품의 표면조도가 우수한 질화처리를 수행할 수 있는 것이다.

그러나, 상기한 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치는 제품 표면의 질소농도를 올리고자 경우 제품에 바이어스를 걸거나 질소의 농도를 매우 높게 하고 스크린망에 고전력을 가하는 등 다량의 에너지가 소요되는 단점이 있었다.

한편, 최근에는 용접과 같은 후공정 등의 이유로 구동에 필요한 부품 일부분만 질화하는 국부질화 기술이나, 복잡한 형태의 일반 탄소강 등에 질화하는 기술이 절실히 요구되고 있는 실정에 있다. 또한 금형의 경우 제품의 요구 스펙이 강화되어 제품의 표면경화를 위해 코팅을 실시하게 되는데, 이 때 경사코팅의 형태로 하지층으로 질화 층이 사용되나 하지층으로 사용할 면에 화합물 층이 형성되고 조도가 좋지 않아 반드시 연마를 해야 하는 어려움이 있다.

또한, 자동차 미션의 고속화 및 소형화에 따라 고강도 강판에 대한 피로강도와 저변형 특히 평면도를 요구하고 있으나, 침탄, 침탄질화, 고주파, 오스템퍼링 공정 등은 특성에서는 어느 정도 만족되나 변형과 용접 등의 목적으로 필요부위만 처리하는 부분의 요구를 만족시키지 못하고 있어, 변형이 적으면서 내피로성과 내마모성이 우수하고, 이와 동시에 후가공이 용이하도록 균일한 공정제어가 가능함과 아울러 친환경적인 질화기술이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 독특한 구조의 다중 중공음극체를 통해 저에너지를 활용하여 고밀도의 질화처리를 가능하도록 함으로써, 금형 등의 코팅 하지 층으로 사용하기 위한 제품 표면의 질화물을 나노정도의 크기를 만들어 표면조도가 우수하고 후가공이 필요 없는 고경도의 질화특성을 확보하거나, 공정 중 진공압력의 변환을 통해 플라즈마의 상 태를 바꾸어 화합물층의 두께를 두껍게 형성하므로 탄소강을 사용하는 자동차부품의 제품 특성을 향상시킬 수 있도록 한 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법은, 노 내부에 제품을 장입 및 가열하는 경우 제품 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 제품을 질화시키는 방법에 있어서, 1×10^-2torr의 진공도를 유지시킨 후, 노 내부에 Ar과 H₂의 혼합 기체를 투입하면서 시편에 전극을 가해 제품 표면의 산화물 및 불순물을 제거하는 스퍼터링 공정과; 상기 스퍼터링 공정을 거친 노 내부의 진공도를 조절하고 질소와 수소를 일정 비율로 투입하되, 노 내부에 구비된 다중 중공음극체에 전력을 가해 고밀도의 플라즈마를 생성시켜 상기 다중 중공음극체 내부의 시편을 질화시키는 질화층 형성공정과; 상기 노 내부에 질소를 투입하여 상기 시편을 냉각시키는 냉각공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화장치의 구성은, 노 내부에 시편을 장입하여 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 장치에 있어서, 다수의 판재를 일정 간격으로 이격 적층하고 상기 최외측 판재 일측 각각에 커버재를 구비한 다중 중공음극체를 상기 시편 외부에 구비하고, 상기 각각의 판재와 커버재에 다수의 홀을 관통 형성하며, 상기 다중 중공음극체 외측 둘레에 다수의 가스홀을 갖는 가스관을 나선 형태로 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법을 순서대로 나열한 것으로, 크게 스퍼터링 공정(S100)과 질화층 형성공정(S200)과 냉각공정(S300)으로 나뉘어진다.

도 3을 참조하여 설명하면, 먼저 스퍼터링공정(S100)에서는 노(100) 내부에 Ar과 H₂의 혼합 기체를 투입하면서 시편(P)에 전극을 가해 시편(P) 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거한다.

보다 구체적으로 설명하면, 먼저 노(100) 내부의 압력을 진공펌프(130)를 이용하여 1×10^-3torr로 진공 배기시킨다. 이 후, 상기 노(100) 내부의 압력을 진공펌프(130)를 이용하여 다시 1×10^-2torr의 진공도로 유지시킨 상태에서, 가스투입장치부와 연결된 가스관(310)을 통해 노(100) 내부에 1:3의 비율로 Ar 100sccm과 H₂300sccm을 투입하면서 시편(P)에 700~1000V의 바이어스 전압을 인가해 시편(P) 표면의 부착물, 산화물, 기체, 오일 등과 같은 잔류가스 및 불순물을 모두 제거한다.

질화층 형성공정(S200)에서는 질화하고자 하는 질화층 특성에 따라 노(100) 내부의 진공을 조절하고 질소와 수소를 일정 비율로 투입하되, 노(100) 내부에 구 비된 다중 중공음극체(200)에 전력을 가해 고밀도의 플라즈마를 생성시켜 상기 다중 중공음극체(200) 내부의 시편(P) 표면을 질화시킨다.

이에, 미세 질화물 흡입을 통해 표면조도가 우수한 질화층을 확보하기 위한 질화층 형성공정(S200)의 일실시예에 대해 설명하면, 노(100) 내부의 압력을 진공펌프(130)를 이용하여 0.05~0.2torr의 압력으로 유지시키고, 히터(120)를 이용하여 온도를 약 500℃로 승온 유지시킨 상태에서 가스관(310)을 통해 질소와 수소를 1:3의 비율로 노(100) 내부에 투입한다.

이와 동시에, 다중 중공음극체(200)를 구성하는 다수의 판재(210)에 3~5㎾의 전력을 인가하여 음극화시켜, 고밀도의 플라즈마를 생성시키고, 이로써 상기 질소와 수소를 상기 판재(210)와 커버재(220)에 형성된 홀(230)을 통과시켜 시편(P)을 2~5시간 정도 질화 처리함으로써, 시편(P) 표면에 표면조도가 우수한 질화층을 형성한다.

아울러, 질소 화합물의 뭉침을 통해 시편(P) 표면에 두꺼운 화합물층을 확보하기 위한 질화층 형성공정(S200)의 다른 일실시예에 대해 설명하면, 노(100) 내부의 압력을 진공펌프(130)를 이용하여 1~4torr의 압력으로 유지시키고, 히터(120)를 이용하여 온도를 약 500℃로 승온 유지시킨 상태에서 가스관(310)을 통해 질소와 수소를 3:1의 비율로 노(100) 내부에 투입한다.

이와 동시에, 다중 중공음극체(200)를 구성하는 다수의 판재(210)에 3~5㎾의 전력을 인가하여 음극화시켜, 고밀도의 플라즈마를 생성시키고, 이로써 상기 질소와 수소를 상기 판재(210)와 커버재(220)에 형성된 홀(230)을 통과시켜 시편(P)을 2~5시간 정도 질화 처리함으로써, 시편(P) 표면에 두께가 두꺼운 화합물층을 형성한다.

냉각공정(S300)에서는 노(100) 내부에 질소를 투입하여 상기 시편(P)을 냉각시킨다.

한편, 도 3은 본 발명의 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화장치를 개략적으로 도시한 것으로, 이하 설명하면, 노(100) 양 내측에 히터(120)를 내장하고, 하부에는 진공펌프(130)를 설치하여 노(100) 내부의 압력을 제어한다.

그리고, 상기 노(100) 상부에는 가스관(310)으로 작용 기체를 투입하기 위한 가스투입부(300)를 설치하고, 상기 가스투입부(300)와 노(100) 사이에는 노(100) 내부의 진공도를 유지 및 측정하기 위한 바라트론 게이지(Baratron gauge)(G)와, 노(100)에 투입되는 가스의 양을 조절하기 위한 스로틀밸브(Thv)를 각각 설치한다. 또한, 상기 노(100)는 PC 등과 전기적으로 연결하여 플라즈마 및 전원 공급 상태를 실시간으로 측정함으로써, 질화 공정을 전반적으로 제어할 수 있도록 한다.

또, 상기 노(100)의 중앙 내부에는 플레이트(110)를 설치하고, 상기 플레이트(110) 상부에 질화 처리하고자 하는 시편(P)을 구비한다. 그리고, 상기 시편(P) 외부에는 시편(P)을 커버하도록 다중 중공음극체(200)를 설치하게 되는데, 상기 다중 중공음극체(200)는 복수의 좌, 우 중공음극체(200a)(200b)로 분리 설치하여 각각 펄스 전원의 공급이 가능하도록 구성한다.

이때, 상기 다중 중공음극체(200)에 펄스 전원을 공급하는 전원장치(140)와 함께 상기 시편과 노에 스퍼터 전원을 공급하는 전원장치(부호생략)를 구비할 수 있고, 여기서 상기 펄스 전원장치(140)는 하나를 구비할 수도 있으나, 복수 이상 구비하여 좌, 우측 중공음극체(200a)(200b) 각각에 개별적으로 전원을 공급하도록 할 수도 있다.

그리고, 상기 다중 중공음극체(200) 외부 둘레에는 상기한 질화처리에 필요한 중성가스가 투입되는 나선형의 가스관(310)을 설치하되, 상기 가스관(310)에는 다수의 가스홀(320)을 형성한다. 또한, 상기 가스관(310)은 노(100) 외부의 가스투입부(300)와 연결되어 가스를 공급받는다.

여기서, 상기 다중 중공음극체(200)에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 상기 다중 중공음극체(200)는 일정 간격으로 이격된 다수의 판재(210)를 적층 구비하고, 상기 판재(210) 중 최외측에 구비된 판재(210) 일측에 각각 커버재(220)를 이격 구비한다. 그리고, 상기 각각의 판재(210)와 커버재(220)에 다수의 홀(230)을 관통 형성하되, 상기 판재(210)는 금속재로 형성하여 음극전원을 인가함으로써, 고밀도의 플라즈마를 생성시킨다.

이때, 상기 다수의 홀(230)은 그 직경을 3~8㎜의 넓이로 형성하고, 각각의 판재(210)와 커버재(220)의 간격은 약 30㎜만큼 이격 형성하되, 각각의 판재(210)는 전극으로 연결 구성한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법을 통해 질화 처리되는 시편(P)은, 금형강 재료 STD11, STD61종 또는 S45C와 같은 금속 재료 중 어느 하나 로써 담금질(quenching) 및 뜨임(tempering) 가공하여, 경도를 일정하게 유지시킨 후, 0.3㎛의 알루미나로 경면 연마한 것을 사용한다.

상기 시편(P)을 노(100) 내부에 장입한 이 후에, 노(100) 내부의 진공도를 진공펌프(130)를 이용하여 1×10^-2torr로 유지시키고, 히터(120)에 전원을 공급하여 노(100) 내부의 온도를 반응 온도인 450~500℃까지 승온시킨다. 그리고, 가스홀(320)을 통해 Ar과 H2를 노(100) 내부에 투입함과 동시에 시편(P)에 바이어스 전압을 인가하여 시편(P) 표면의 잔류가스와 불순물을 제거하는 스퍼터링공정(S100)을 수행한다.

이 후, 질화하고자 하는 질화층의 특성에 따라 노(100) 내부의 진공도와 중성 가스의 비율을 적절하게 조절하여 질화층 형성공정(S200)을 수행하게 되는데, 표면조도가 우수한 질화층을 형성하기 위해서는 노(100) 내부의 온도를 약 500℃로 유지시킨 상태에서 노(100) 내의 진공도를 0.05~0.2torr로 조절하고, 질소 100sccm과 수소 300sccm을 노(100) 내부에 투입하며, 이와 동시에 다중 중공음극체(200)에 3~5㎾의 전력을 인가하여 이온의 밀도를 증가시켜 고밀도의 플라즈마를 생성한다.

그리고, 상기 다중 중공음극체(200)의 홀(230)을 통해 상기 질소와 수소를 고밀도로 통과시켜 약 2∼5시간 가량 시편(P)을 질화시키게 됨으로써, 상기 시편(P)에 표면조도가 우수한 질화층을 형성할 수 있게 된다.

이 후, 상기 질화층 형성공정(S200)을 마치게 되면 노(100) 내부에 질소를 투입하여 시편(P)의 온도를 떨어뜨리는 냉각공정(S300)을 거치게 됨으로써, 시 편(P)의 질화 처리를 완성하게 된다.

이에, 상기와 같은 질화층 형성공정(S200)의 질화작용에 대해 아래에서 보다 구체적으로 설명한다.

다중 중공음극체(200) 외부에 플라즈마가 생성되고, 전자가 다중 중공음극체(200) 내부에 구속되면, 상기 다중 중공음극체(200) 내부에 전하를 가속함으로써, 다중 중공음극체(200)에서 중성가스의 충돌회수가 증가하게 되고, 이온빔가속의 원리인 electro-magnetic force로 인해 같은 에너지가 가해져도 플라즈마의 밀도가 전자의 이동에 의해 이온화되는 종이 많아지고 이에 따라 고밀도의 플라즈마를 형성하게 된다.

그리고, 다중 중공음극체(200)를 통과하는 중성가스가 존재하는 마그넷 필드 내에서 전자와 자장의 형성이 패러데이 로렌츠안 원리에 따라 E×B=F 로 다중 중공음극체(200) 내부에 형성되어 가속전위가 발생하여 이온이 내부로 가속 이동된다. 이로 인해, 추가적인 전원을 가하지 않게 되더라도 내부에서 다량의 활성화 전하가 발생하게 되고, 이때 N₂과 H₂의 압력이 낮으면 평균자유에너지가 커진 상태에서 충돌하게 됨으로 원자화된 이온들이 많아지고 이것들은 N2+. N, N+등으로 되고 수소가운데서 충돌하면 NH_x를 다수 만들게 된다. 이러한 이온의 밀도 상승작용에 의해 플라즈마 내에 반응성 라디칼들이 점점 많아지고, 이것이 진공펌프의 유속에 따라 시편(P)의 표면과 스크린의 가속원리로 헤리칼 형태로 회전되면서 포물선 운동을 하여 중앙부로 이동되어 질화가 일어나게 된다.

이같이 형성된 질화물은 나노 사이즈로 작아져 입계가 많아짐으로써, 표면에너지가 높아지게 되고, 이에 따라 흡착율이 높아지게 된다. 따라서, 시편(P) 내부로 질소가 많이 흡입되는 반면 시편(P) 표면에는 질소화합물 층이 두껍게 형성되지 않으면서 내부로는 짧은 시간에 깊게 들어가면서 경화가 되고 동시에 표면조도는 우수한 질화 층을 형성할 수 있는 것이다.

여기서, 노(200) 내부에 투입되는 질소는 N₂형태이지만, 다중 중공음극체를 통과하면서 이온과 전자의 이동에 의해 에너지상태가 다른 N⁺, N₂ ⁺, N₂ ^*, NH_X ^*과 같이 표기되는 다양한 라디칼이 형성됨으로써, 금형강과 탄소강과 같은 금속 재료의 표면에 매우 높은 에너지 상태의 질화층을 형성할 수 있고, SUS재질의 밸브, 피스톤링 등에도 생산성 높은 저온질화 및 고온질화가 가능하며, 이너레이스 기어, 미션의 판재부품 등에 질화 처리가 가능한 것이다. 특히, 금형의 코팅하지층으로도 연마가 필요없을 정도의 나노표면조도를 형성하면서 경도는 향상시키는 것이 가능하게 된다.

도 4는 상기한 질화층 형성공정(S200)을 수행함에 있어서, 일정 조건으로 질화 처리 실험한 시편(P)의 표면사진을 나타낸 것으로, 0.1torr의 진공도와, 500℃의 온도 하에서 질소 100sccm, 수소 300sccm을 투입하고, 다중 중공음극체(200)에 DC 5㎾의 전력을 인가하여 질화처리를 실시하였고, 시편(P)은 S45C을 사용하여 나타내었다. 즉, 상기한 조건을 통해 질화된 시편(P)은 그 표면에 미세한 질화물을 형성하게 됨으로써, 표면 조도가 우수한 질화층을 확보할 수 있고, 표면 경도가 810HV_0.1로 높게 나타나게 된다.

도 5는 상기한 도 4의 질화 처리조건과 다소 상이한 실험조건을 통해 질화 처리한 시편(P)들의 표면사진을 나타낸 것으로, 0.1torr의 진공도와, 500℃의 온도 하에서 질소 100sccm, 수소 300sccm을 투입하고, 다중 중공음극체(200)에 DC 3㎾의 전력을 인가하여 질화처리를 실시하였고, 시편(P)은 S45C, SKD11, SKD61을 사용하여 나타내었다.

즉, 전력의 크기를 3㎾의 저전력을 사용하게 되더라도 표면 조도가 우수한 질화층을 확보할 수 있고, 표면 경도가 810HV_0.1로 높게 나타나게 될 뿐만 아니라, SKD11종과 SKD61종과 같은 금형강의 경우에도 매우 미세한 질화물 형성으로 표면 조도가 우수한 질화층을 확보할 수 있고, 표면 경도가 SKD11종의 경우 1050HV_0.1, SKD61종의 경우 1200HV_0.1로 높게 나타나게 된다.

도 6은 상기한 도 4의 질화 처리조건과 다소 상이한 실험조건을 통해 질화 처리한 시편(P)들의 표면사진을 나타낸 것으로, 0.05torr의 진공도와, 500℃의 온도 하에서 질소 100sccm, 수소 300sccm을 투입하고, 다중 중공음극체(200)에 DC 5㎾의 전력을 인가하여 질화처리를 실시하였고, 시편(P)은 S45C, SKD11, SKD61을 사용하여 나타내었다.

즉, 진공도를 0.05torr로 낮추게 되더라도 표면 조도가 우수한 질화층을 확보할 수 있고, 표면 경도가 810HV_0.1로 높게 나타나게 될 뿐만 아니라, SKD11종과 SKD61종과 같은 금형강의 경우에도 매우 미세한 질화물 형성으로 표면 조도가 우수한 질화층을 확보할 수 있고, 표면 경도가 SKD11종의 경우 1050HV_0.1, SKD61종의 경우 1200HV_0.1로 높게 나타나게 된다.

도 7은 상기한 도 4 내지 도 6의 실험결과와 대비하기 위해 본 발명의 질화처리 실험조건에 탄화수소계 가스를 더 첨가하여 질화 처리한 시편(P)의 표면사진을 나타낸 것으로, 0.15torr의 진공도와, 500℃의 온도 하에서 질소 100sccm, 수소 300sccm, 메탄(CH₄) 6sccm을 투입하고, 다중 중공음극체(200)에 DC 5㎾의 전력을 인가하여 질화처리를 실시하였고, 시편(P)은 S45C을 사용하여 나타내었다.

이를 통해 살펴보면, 메탄(CH₄)를 첨가하여 질화 처리한 시편(P) 역시 도 4 내지 도 6에 실험결과와 유사한 표면 조도를 보이고 표면 경도 역시 810HV_0.1로 높게 나타나고 있는 바, 이는 결과적으로 본 발명의 질화방법을 통해 질화 처리한 시편(P)은 탄화수소계의 첨가 없이도 우수한 표면 조도를 확보할 수 있음을 확인할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명의 질화방법을 통해 질화처리된 제품은 통상의 플라즈마 이온질화영역보다 낮은 구간인 0.05~0.2torr구간에서 제품 표면에 나노 크기의 화합물층 입자를 균일하게 형성하므로, 표면 조도가 우수한 질화처리가 가능한 것이다.

한편, 제품 표면에 화합물층의 두께가 두꺼운 질화층을 형성하기 위해서는, 노(100) 내부의 온도를 약 500℃로 유지시킨 상태에서 노(100) 내의 진공도를 1~4torr로 조절하고, 질소 300sccm과 수소 100sccm을 노(100) 내부에 투입하며, 이와 동시에 다중 중공음극체(200)에 3~5㎾의 전력을 인가하여 음극화시켜 고밀도의 플라즈마를 생성한다.

그리고, 상기 다중 중공음극체(200)의 홀(230)을 통해 상기 질소와 수소를 고밀도로 통과시켜 약 2∼5시간 가량 시편(P)을 질화시키게 됨으로써, 상기 시편(P)에 두께가 두꺼운 화합물층을 형성할 수 있게 된다.

이 후, 상기 질화층 형성공정(S200)을 마치게 되면 노(100) 내부에 질소를 투입하여 시편(P)의 온도를 떨어뜨리는 냉각공정(S300)을 거치게 됨으로써, 시편(P)의 질화 처리를 완성하게 된다.

상기와 같은 질화층 형성공정(S200)의 질화작용 중 고밀도 플라즈마 생성 및 전하 가속과 관련된 작용 설명은 전술한 바 있으므로, 실질적인 화합물 층 형성과 관련된 작용부분에 대해서만 간단하게 설명하면, 질소와 수소의 첨가량에 따라 질소가 수소에 충분한 전자를 공급하면서, 다중 중공음극체에 형성되는 플라즈마의 밀도는 높이되, 에너지 준위를 낮게 제어한다. 이로 인해, 질소에게는 전자를 충분히 공급하고, 수소에게 주지는 않는 N₂ ^*, N₂ ⁺ 전위량이 늘게 되면서 제품 표면에 질소 화합물을 빨리 만들게 되고, 이로 인해 화합물 층의 두께를 두껍게 형성할 수 있는 것이다.

즉, 활성화 및 다중 중공음극체(200) 내에 구속시킨 이온의 중성가스 N₂, H₂의 가속운동에 의해 활성화도를 높여 고밀도의 플라즈마를 생성하고, 이때 생성된 고밀도의 NH가 반응에 참여하며, 특히 에너지 상태가 높은 N₂ ^*, N₂ ⁺ 가 질화반응에 참여하게 됨으로써, 제품 표면에 두꺼운 화합물 층을 갖는 질화 층을 형성하게 되는 것이다.

도 8은 상기한 질화층 형성공정을 수행함에 있어서, 상기한 도 4의 조건과 다소 상이한 실험조건으로 질화 처리한 시편(P)들의 표면 및 단면사진을 나타낸 것으로, 1torr의 진공도와, 500℃의 온도 하에서 질소 300sccm, 수소 100sccm을 투입하고, 다중 중공음극체(200)에 DC 5㎾의 전력을 2시간 인가하여 질화처리를 실시하였고, 시편(P)은 S45C, SKD11, SKD61을 사용하여 나타내었다. 즉, 시편(P) 표면에 질소 화합물이 뭉쳐 커지게 되어 화합물층이 20미크론의 두께로 두껍게 형성되고, 표면 경도가 810HV_0.1로 높게 나타나게 된다.

도 9는 상기한 도 8의 실험결과와 대비하기 위해 본 발명의 적절한 실험조건 일예에 탄화수소계를 더 첨가하여 질화 처리한 시편(P)의 표면사진을 나타낸 것으로, 1torr의 진공도와, 500℃의 온도 하에서 질소 100sccm, 수소 300sccm, 프로판(C₃H₈) 6sccm을 투입하고, 다중 중공음극체(200)에 DC 5㎾의 전력을 인가하여 질화처리를 실시하였고, 시편(P)은 S45C을 사용하여 나타내었다.

이를 통해 살펴보면, 프로판(C₃H₈)를 첨가하여 질화 처리한 시편(P) 역시 도 8의 실험결과와 유사한 화합물층의 형태를 보이고, 표면 경도 역시 810HV_0.1로 높게 나타나고 있는 바, 이는 결과적으로 본 발명의 질화방법을 통해 질화 처리한 시 편(P)은 탄화수소계의 첨가 없이도 일정 두께의 화합물층을 확보할 수 있음을 확인할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명의 질화방법을 통해 질화처리된 시편(P)은 1~4torr구간에서 고밀도의 저에너지 상태의 질화처리를 실시함으로써, 시편(P)의 화합물층이 두껍게 형성되도록 하여 자동차 부품의 질화처리에 사용할 수 있는 것이다.

한편, 도 10a, 도 10b는 본 발명의 질화방법을 거친 S45C 소재 시편(P)의 표면 강도 및 심부 경도 변화를 도시한 각각의 그래프 선도로써, 0.1torr영역의 고진공에서 질화를 실시한 경우, 표면경도가 약 800HV₀ _.1로 압자의 하중에 따라서도 변화가 거의 없는 것을 알 수 있고, 이때 록크웰 경도로 약 52~45HRC 정도의 높은 경도값을 얻을 수 있게 된다. 또한, 질화처리 후 심부 경도의 변화 역시 약 40HRC로 매우 우수한 강도를 유지함을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법 및 그 장치는 다중으로 형성된 중공음극체(200) 내부의 음전극을 이용하여 전하이동과 충돌이 활발하게 일어나도록 진공도를 낮추고, 낮은 전류에서도 반응이 일어나도록 공정을 개선하였고, 이로 인해 다중 중공음극체(200) 내부에 이온을 구속하여 운동량 및 반응을 최대로 함으로써, 고밀도의 플라즈마 생산이 가능하게 된다.

따라서, 상기와 같은 분위기에서, 질화에 필요한 진공도와 중성가스 비율의 조절을 통해 시편(P) 표면에 미세한 질화물을 형성하여 표면조도가 우수한 질화층을 형성할 수도 있고, 또한 시편(P) 표면에 질소화합물을 뭉치게 하여 화합물층이 두꺼운 질화층을 형성할 수도 있는 한편, 고경도의 질화층을 형성할 수도 있는 것이다.

또한, 저진공의 스퍼터링과 이온 세척효과가 우수하고, 시편(P) 표면의 활성도가 높아 탄소강 및 스테인리스 스틸 등의 질화가 매우 용이하며, 금형강 역시 쉽게 조도변화 없이 질화시킬 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은, 다중 중공음극체를 통과하는 이온의 운동량 및 반응을 최대로 하여 고밀도의 플라즈마를 생성함으로써, 시편 표면에 조도의 변화가 거의 없는 고경도의 질화층을 형성할 수 있는 효과가 있다.

특히, 0.05~0.2torr의 진공영역에서는 시편 표면에 나노 크기의 화합물층 입자를 균일하게 형성하므로, 표면 조도가 우수한 질화처리를 수행하고, 1~4torr의 진공영역에서 고밀도 저에너지 상태의 질화처리를 실시함으로써, 시편의 화합물층이 두껍게 형성되도록 하여 자동차 부품의 질화처리에 적용할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims

노 내부에 시편을 장입 및 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 방법에 있어서,

1×10^-2torr의 진공도를 유지시킨 후, 노(100) 내부에 Ar과 H₂의 혼합 기체를 투입하면서 시편(P)에 전극을 가해 시편(P) 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하는 스퍼터링공정(S100)과;

질화하고자 하는 질화층 특성에 따라 노(100) 내부의 진공도를 조절하고 질소와 수소를 정해진 비율로 투입하되, 다수의 판재(210)를 일정 간격으로 이격 적층하고 상기 최외측 판재(210) 일측 각각에 커버재(220)로 구성되어 노(100) 내부에 구비된 다중 중공음극체(200)에 전력을 가해 고밀도의 플라즈마를 생성시켜 상기 다중 중공음극체(200) 내부의 시편(P)을 질화시키는 질화층 형성공정(S200)과;

상기 노(100) 내부에 질소를 투입하여 상기 시편(P)을 냉각시키는 냉각공정(S300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법.
제 1항에 있어서, 상기 스퍼터링공정(S100)은, 노(100) 내부의 압력을 1×10^-3torr로 진공 배기시킨 후, 상기 노(100) 내부를 다시 1×10^-2torr의 진공도로 유지시키고, 노(100) 내부에 1:3의 비율로 Ar과 H₂의 혼합 기체를 투입하면서 시편(P) 에 전극을 가해 시편(P) 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하는 것을 특징으로 하는 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법.
제 1항에 있어서, 상기 질화층 형성공정(S200)은, 노(100) 내부의 압력을 0.05~0.2torr의 압력으로 유지시키고, 질소와 수소를 1:3의 비율로 투입하며, 다중 중공음극체(200)에 3~5㎾의 전력 인가를 통해 음극화시켜 2~5시간 질화 처리하는 것을 특징으로 하는 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법.
제 1항에 있어서, 상기 질화층 형성공정(S200)은, 노(100) 내부의 압력을 1~4torr의 압력으로 유지시키고, 질소와 수소를 3:1의 비율로 투입하며, 다중 중공음극체(200)에 3~5㎾의 전력 인가를 통해 음극화시켜 2~5시간 질화 처리하는 것을 특징으로 하는 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화방법.
노 내부에 시편을 장입하여 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 장치에 있어서,

다수의 판재(210)를 일정 간격으로 이격 적층하고 상기 최외측 판재(210) 일측 각각에 커버재(220)를 구비한 다중 중공음극체(200)를 상기 시편(P) 외부에 구비하고, 상기 각각의 판재(210)와 커버재(220)에 다수의 홀(230)을 관통 형성하며, 상기 다중 중공음극체(200) 외측 둘레에 다수의 가스홀(320)을 갖는 가스관(310)을 나선 형태로 설치한 것을 특징으로 하는 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화장치.
제 5항에 있어서, 상기 다중 중공음극체(200)는 양측의 좌, 우측 중공음극체(200a)(200b)를 포함하여 구성되고, 상기 다중 중공음극체(200)에 전원을 공급할 수 있도록 전원장치(140)를 연결 설치한 것을 특징으로 하는 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화장치.
제 5항에 있어서, 상기 다중 중공음극체(200) 내부의 판재(210)는 음극전원을 갖도록 금속 재질로 구비한 것을 특징으로 하는 저전류 고밀도에 의한 플라즈마 질화장치.