KR101289013B1 - The vacuum heat treatment apparatus which is possible to control a rapid temperature and the atmosphere - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 열처리 장치에 관한 것으로서, 특히 진공 챔버와 시편 거치대 및 가스공급노즐을 투명한 석영으로 형성함과 동시에 상기 가스공급노즐에 다수의 가스 배출 구멍을 형성하여 고진공 분위기 제어와 급속 온도제어가 자유롭도록 함으로써, 활성이 큰 다양한 금속과 비금속에 대해 신속한 고 청정의 열처리를 이룰 수 있도록 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치에 관한 것이다. 구성은 진공 열처리 장치로서, 급속 가열을 가능하게 하는 투명 석영 배관으로 이루어지는 히터가 형성된 가열로와; 상기 가열로의 내에 형성되며, 내측에 시편을 거치하기 위한 시편 거치대와 가스를 고르게 확산 공급하기 위해 다수의 가스 배출 구멍을 갖는 가스공급노즐을 수용하는 진공 챔버와; 상기 가스공급노즐과 연결되는 가스공급기를 제어하여 진공 챔버 내의 가스 분위기를 조절할 수 있도록 하는 가스제어기와; 상기 진공 챔버의 압력과 진공도를 측정하여 조절하도록 하는 진공제어기와; 상기 가열로의 승온 및 냉각속도 제어와 단계별 온도제어가 가능한 온도제어기; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a vacuum heat treatment apparatus, and in particular, the vacuum chamber, the specimen holder, and the gas supply nozzle are formed of transparent quartz, and at the same time, a plurality of gas discharge holes are formed in the gas supply nozzle, thereby allowing high vacuum atmosphere control and rapid temperature control. The present invention relates to a vacuum heat treatment apparatus capable of rapid temperature control and atmosphere control to achieve rapid and clean heat treatment for various highly active metals and nonmetals. The constitution is a vacuum heat treatment apparatus, comprising: a heating furnace having a heater formed of transparent quartz tubing for enabling rapid heating; A vacuum chamber formed in the heating furnace and accommodating a specimen holder for mounting the specimen therein and a gas supply nozzle having a plurality of gas discharge holes to diffuse and supply the gas evenly; A gas controller for controlling a gas atmosphere in the vacuum chamber by controlling a gas supplier connected to the gas supply nozzle; A vacuum controller configured to measure and adjust the pressure and the degree of vacuum of the vacuum chamber; A temperature controller capable of controlling the temperature increase and cooling rate of the heating furnace and stepwise temperature control; And a control unit.

Description

급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치{The vacuum heat treatment apparatus which is possible to control a rapid temperature and the atmosphere}The vacuum heat treatment apparatus which is possible to control a rapid temperature and the atmosphere}

본 발명은 진공 열처리 장치에 관한 것으로서, 특히 진공 챔버와 시편 거치대 및 가스공급노즐을 투명한 석영으로 형성함과 동시에 상기 가스공급노즐에 다수의 가스 배출 구멍을 형성하여 고진공 분위기 제어와 급속 온도제어가 자유롭도록 함으로써, 활성이 큰 다양한 금속과 비금속에 대해 신속한 고 청정의 열처리를 이룰 수 있도록 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a vacuum heat treatment apparatus, and in particular, the vacuum chamber, the specimen holder, and the gas supply nozzle are formed of transparent quartz, and at the same time, a plurality of gas discharge holes are formed in the gas supply nozzle, thereby allowing high vacuum atmosphere control and rapid temperature control. The present invention relates to a vacuum heat treatment apparatus capable of rapid temperature control and atmosphere control to achieve rapid and clean heat treatment for various highly active metals and nonmetals.

일반적으로 진공 열처리 장치(眞空熱處理裝置)는, 금속의 겉면이 산화(酸化)되거나 질화(窒化) 되는 현상을 없애기 위하여 진공 속에서 열처리를 하기 위한 장치이다.In general, a vacuum heat treatment apparatus is an apparatus for heat treatment in vacuum in order to eliminate the phenomenon that the outer surface of the metal is oxidized or nitrided.

한편, 진공 열처리 장치는 단열재가 갖는 열용량 때문에, 진공 챔버를 승온 및 냉각하면서 반복적인 열처리 공정을 실행할 경우 단열재에 내재된 잠열(潛熱 : 숨은 열을 뜻한다. 어떤 물체가 온도의 변화 없이 상태가 변할 때 방출되거나 흡수되는 열이다.)의 방출을 효율적으로 제거하지 못해 진공 챔버의 급속 승온 및 급속 냉각 효율을 저하시켜 전체적인 열처리 공정을 지연시키는 등의 주원인이 된다.On the other hand, the vacuum heat treatment device is a latent heat (潛 熱: hidden heat) inherent in the heat insulating material when the heat treatment is repeatedly carried out while heating and cooling the vacuum chamber due to the heat capacity of the heat insulating material. It is the heat that is released or absorbed at the time of discharge), and the main cause is to delay the overall heat treatment process by reducing the rapid temperature rising and rapid cooling efficiency of the vacuum chamber.

이에 따라 진공 챔버 단열재에 내재 되어 있는 잠열 피해를 최소화함은 물론 급속 승온 및 냉각을 이룰 수 있는 진공 열처리 장치가 요구되었고, 이에 부합하여 다양한 구성의 진공 열처리 장치가 제시되고 있다.Accordingly, there has been a demand for a vacuum heat treatment apparatus capable of minimizing the latent heat damage inherent in the vacuum chamber insulation, as well as rapid heating and cooling, and a vacuum heat treatment apparatus having various configurations has been proposed.

그러나, 종래의 진공 열처리 장치는 가스의 공급이 정밀하고 정량적으로 이루어지지 않고, 또 공급된 가스의 확산이 고르고 원활하게 이루어지지 않기 때문에 가스의 분위기 제어가 제대로 이루어지지 못해 열처리 효율이 좋지 못하는 문제점이 있었다.However, in the conventional vacuum heat treatment apparatus, the supply of gas is not precisely and quantitatively performed, and the diffusion of the supplied gas is not evenly and smoothly, so that the atmosphere control of the gas is not properly performed, and thus the heat treatment efficiency is not good. there was.

또한, 종래의 진공 열처리 장치는 진공 챔버와, 열처리 시편 거치대 및 가스공급노즐 등이 급속하게 열을 이동시킬 수 없는 구성이므로, 짧은 시간 내에 급속한 승온과 냉각을 이루지 못해 열처리 시간이 많이 소요되고, 열처리 시편의 전체로 열이 원활하고 고르게 공급되지 못하여 열처리 효율이 저하되는 문제점이 있다.In addition, since the vacuum chamber, the heat treatment specimen holder, the gas supply nozzle, and the like are not configured to rapidly move heat, the conventional vacuum heat treatment apparatus does not achieve rapid temperature rise and cooling within a short time, and thus requires a lot of heat treatment time. There is a problem that the heat treatment efficiency is lowered because the heat is not smoothly and evenly supplied to the entire specimen.

뿐만 아니라, 이러한 종래의 진공 열처리 장치는 냉각시 고가의 불활성 냉각가스를 지속적으로 흘리면서 냉각을 수행하고 있어서 냉각가스의 소모량을 극대화시키는 비효율적인 문제점이 있고, 또 완전한 진공 배기가 이루어진 후에 가열이 진행되도록 구성되어 있기 때문에 진공 배기에 소요되는 시간이 길어지며, 또한 진공 배기 조건에 따라 배기 시간이 달라짐으로써 이 역시 작업시간 지연에 따른 비용을 상승시키는 문제점이 있다.In addition, such a conventional vacuum heat treatment apparatus has an inefficient problem of maximizing the consumption of cooling gas by performing cooling while continuously flowing an expensive inert cooling gas during cooling, and heating is performed after a complete vacuum exhaust is performed. Since it is configured, the time required for evacuation becomes long, and since the evacuation time varies depending on the vacuum evacuation conditions, this also causes a problem of increasing the cost due to delay in working time.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스 분위기 제어가 용이하고, 승온속도 및 냉각속도의 제어가 짧은 시간 내에 가능하도록 함으로써, 고진공에서 금속 및 비금속에 대해 고 청정, 고순도의 열처리를 효율적으로 이룰 수 있도록 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to facilitate the control of the gas atmosphere, and to control the temperature increase rate and the cooling rate within a short time, so that the metal and the nonmetal in the high vacuum. It is to provide a vacuum heat treatment apparatus capable of rapid temperature control and atmosphere control to efficiently achieve a high clean, high purity heat treatment.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 진공 열처리 장치로서, 급속 가열을 가능하게 하는 투명 석영 배관으로 이루어지는 히터가 형성된 가열로와; 상기 가열로의 내에 형성되며, 내측에 시편을 거치하기 위한 시편 거치대와 가스를 고르게 확산 공급하기 위해 다수의 가스 배출 구멍을 갖는 가스공급노즐을 수용하는 진공 챔버와; 상기 가스공급노즐과 연결되는 가스공급기를 제어하여 진공 챔버 내의 가스 분위기를 조절할 수 있도록 하는 가스제어기와; 상기 진공 챔버의 압력과 진공도를 측정하여 조절하도록 하는 진공제어기와; 상기 가열로의 승온 및 냉각속도 제어와 단계별 온도제어가 가능한 온도제어기; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a vacuum heat treatment apparatus, comprising: a heating furnace including a heater formed of transparent quartz pipe to enable rapid heating; A vacuum chamber formed in the heating furnace and accommodating a specimen holder for mounting the specimen therein and a gas supply nozzle having a plurality of gas discharge holes to diffuse and supply the gas evenly; A gas controller for controlling a gas atmosphere in the vacuum chamber by controlling a gas supplier connected to the gas supply nozzle; A vacuum controller configured to measure and adjust the pressure and the degree of vacuum of the vacuum chamber; A temperature controller capable of controlling the temperature increase and cooling rate of the heating furnace and stepwise temperature control; And a control unit.

상기 진공 챔버와 시편 거치대 및 가스공급노즐은 투명 석영으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The vacuum chamber, the specimen holder and the gas supply nozzle are made of transparent quartz.

상기 가스공급기는 가스의 유량을 효율적으로 제어할 수 있도록 질량유량계를 구비하는 것을 특징으로 한다.The gas supplier is characterized in that it comprises a mass flow meter to efficiently control the flow rate of the gas.

상기 히터는 내부에 적외선 방출을 위한 니켈-크롬 열선이 형성된 석영 관으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The heater is characterized in that consisting of a quartz tube formed with nickel-chromium heating wire for infrared emission therein.

상기 가열로의 내벽 면에는 금으로 코팅된 반사판이 형성되는 것을 특징으로 한다.The inner wall surface of the heating furnace is characterized in that the reflective plate coated with gold is formed.

상기 온도제어기의 경우 승온 속도를 1/min~150/min의 범위내로, 냉각속도를 1/min~200/min의 범위 내에서 조절할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the case of the temperature controller is characterized in that it is made to adjust the temperature increase rate within the range of 1 / min ~ 150 / min, the cooling rate within the range of 1 / min ~ 200 / min.

상기 온도제어기는 승온 속도 및 냉각속도의 제어를 단계(step)별로 혼용하여 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.The temperature controller is characterized in that it is configured to adjust the control of the temperature increase rate and cooling rate by mixing (step).

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 가스 분위기 제어가 탁월하고, 특히 고진공 하에서 열처리 시편의 승온 속도와 냉각속도를 매우 큰 범위 내에서 자유롭게 제어할 수 있으며, 또 승온 속도 및 냉각속도의 제어를 단계(step)별로 혼용하여 조절할 수 있으므로 활성이 큰 다양한 금속과 비금속에 대해 고 청정의 고온 진공 열처리를 용이하게 함으로써, 우수한 열처리 및 표면처리 효과를 얻을 수 있다.As described in detail above, the present invention is excellent in gas atmosphere control, and in particular, it is possible to freely control the temperature increase rate and the cooling rate of the heat treated specimen under a high vacuum within a very large range, and control the temperature increase rate and the cooling rate (step Because it can be mixed to adjust by step) by high temperature vacuum heat treatment of high cleanness for various active metals and non-metals, it is possible to obtain excellent heat treatment and surface treatment effect.

또한, 본 발명은 내열성과 열 전달이 직접적이고 순간적으로 이루어지게 되어 짧은 시간 내에 급속한 온도 조절이 가능하여 열처리 시간을 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect that the heat resistance and heat transfer is made directly and instantaneously to enable rapid temperature control within a short time to significantly reduce the heat treatment time.

도 1은 본 발명에 따른 진공 열처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공 열처리 장치의 시편 거치대와 가스공급노즐이 일체로 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 진공 열처리 장치의 시편 거치대와 가스공급노즐이 분리 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 진공 열처리 장치의 가열로에 진공 챔버가 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a vacuum heat treatment apparatus according to the present invention.
2 is a view schematically showing a state in which the specimen holder and the gas supply nozzle of the vacuum heat treatment apparatus according to the present invention are integrally formed.
3 is a view schematically showing a state in which the specimen holder and the gas supply nozzle of the vacuum heat treatment apparatus according to the present invention are separated.
4 is a view schematically showing a state in which a vacuum chamber is installed in a heating furnace of a vacuum heat treatment apparatus according to the present invention.

이하, 본 발명에 따른 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the vacuum heat treatment apparatus capable of rapid temperature control and atmosphere control according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.Hereinafter, the same reference numerals will be used to denote the same or similar elements in all of the following drawings, and repetitive descriptions will be omitted. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention. It should be interpreted as meaning.

도 1 내지, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 진공 열처리 장치(100)는 가열로(110)와 진공챔버(120)와 가스제어기(130)와 진공제어기(140) 및 온도제어기(150)로 대별되어 이루어진다.1 to 4, the vacuum heat treatment apparatus 100 according to the present invention includes a heating furnace 110, a vacuum chamber 120, a gas controller 130, a vacuum controller 140, and a temperature controller 150. This is done roughly.

상기 가열로(加熱爐, heating furnace)(110)는, 시편(금속 또는 비금속 재료)를 열처리하기 위해 내화물(耐火物)을 사이에 두고 가열하는 머플식으로서 예컨대, 바닥에는 상기 진공 챔버(120)의 바깥(외측)면과 간격을 두고 적외선(赤外線, infrared ray : 태양이 방출하는 빛을 프리즘으로 분산시켜 보았을 때 적색선의 끝보다 더 바깥쪽에 있는 전자기파를 적외선이라 한다.)을 생성하는 발열체인 니켈-크롬 열선을 내장한 투명 석영 관(quartz pipe)으로 이루어지는 히터(111)가 다수의 라인으로 설치되고, 내벽과 바닥 면으로는 내구성과 내식성 및 반사율을 높일 수 있도록 금으로 코팅된 반사판(112)이 형성된다.The heating furnace 110 is a muffle type that heats a refractory material to heat the specimen (metal or nonmetallic material), for example, the vacuum chamber 120 at the bottom. Nickel, a heating element that generates infrared rays at intervals from the outer (outer) surface of the surface, which produce infrared rays outside the end of the red line when the light emitted by the sun is dispersed by a prism. Heater 111 made of a transparent quartz pipe (quartz pipe) with a built-in chrome heating wire is installed in a plurality of lines, the inner wall and the bottom surface of the reflector plate 112 coated with gold to increase the durability, corrosion resistance and reflectance Is formed.

여기서, 상기 히터(111)는 내부에 적외선을 생성하는 니켈-크롬 열선이 형성된 투명 석영 관(石英 管)(111a)에 의해 복사열((輻射熱, radiant heat : 물체에서 방출하는 전자기파를 직접 물체가 흡수하여 열로 변했을 때의 에너지를 말한다)로 형성되므로 대류나 전도와 같은 현상을 거치지 않고 열이 직접 이동하게 된다.Herein, the heater 111 directly absorbs electromagnetic waves emitted from radiant heat by a transparent quartz tube 111a having nickel-chromium heating wires generating infrared rays therein. Energy when transformed into heat), so heat moves directly without going through convection or conduction.

따라서, 중간 공기나 진공과는 관계없이 공간을 통과하기 때문에 열전달이 직접적이고 순간적으로 일어나게 되므로 상기 가열로(110)의 내부에 설치되는 진공 챔버(120)로 급속하게 열을 이동시킬 수 있게 되어 진공 챔버(120)의 급속한 승온과 표면부와 중심부의 온도차이를 없애 균일한 팽창과 수축을 이룰 수 있을 뿐만 아니라, 질소(N)와 같은 냉각가스의 공급시에도 급속한 냉각을 용이하게 이룰 수 있으므로, 짧은 시간 내에 고온의 열처리 공정과 냉각공정 등을 더욱더 효율적으로 이룰 수 있다.Therefore, since the heat transfer occurs directly and instantaneously because the space passes regardless of the intermediate air or vacuum, the heat can be rapidly moved to the vacuum chamber 120 installed inside the heating furnace 110. It is possible to achieve uniform expansion and contraction by eliminating the rapid temperature rise of the chamber 120 and the temperature difference between the surface portion and the center portion, and to achieve rapid cooling even when supplying a cooling gas such as nitrogen (N). High temperature heat treatment process and cooling process can be achieved more efficiently in a short time.

또한, 상기와 같은 구성의 히터(111)는, 내열성이 우수하여 일반적인 코일이나 파이프로 이루어지는 히터에 비해 히터의 표면온도가 낮아도 피가열체의 표면 온도는 파이프로 이루어지는 히터에 비해 훨씬 높아 열 공급 효율이 월등히 좋으므로 가열로(110)의 가열 시간을 단축하여 신속한 열처리를 행할 수 있다.In addition, the heater 111 having the above-described configuration is excellent in heat resistance, and even though the surface temperature of the heater is lower than that of a heater made of a general coil or a pipe, the surface temperature of the heated object is much higher than that of a heater made of pipe. Since this is much better, the heating time of the heating furnace 110 can be shortened and rapid heat treatment can be performed.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 상기 히터(111)는 고온에서 내구성이 강하고 열 팽창성이 작으며 적외선의 투과성이 높은 석영 관과 니켈-크롬 열선을 사용하므로 열선 산화에 따른 저항 변화가 적고 수명이 길다.In addition, since the heater 111 according to the present invention uses a quartz tube and a nickel-chromium hot wire having high durability at a high temperature, low thermal expandability, and high infrared ray permeability, the resistance change due to the hot wire oxidation is small and the life is long.

그리고, 상기 반사판(112)은, 금(Au)을 도금하여 형성함으로써, 일반적으로 사용되는 스테인리스나 은과 같은 반사판에 비해 높은 내구성, 내식성 및 반사율을 도모할 수 있다. The reflecting plate 112 is formed by plating gold (Au), thereby achieving high durability, corrosion resistance, and reflectance as compared with a reflecting plate such as stainless steel or silver that is generally used.

따라서, 상기 가열로(110)의 수명을 향상시킴과 동시에 온기 또는 냉기의 확산을 상기 진공 챔버(120) 전체로 고르고 신속하게 이루어지도록 하여 열처리를 효율적으로 이룰 수 있다.Therefore, the heat treatment can be efficiently performed by improving the life of the heating furnace 110 and at the same time spreading the hot or cold air to the entire vacuum chamber 120 evenly.

상기 진공 챔버(120)는, 일단 부분이 개방되고 대향 하는 타 일단 부분은 폐쇄된, 가로로 긴 원통 형상의 내열성을 가진 예를 들면 투명 석영으로 형성되고, 상기 가열로(110)의 내에 위치하도록 형성되며, 내측에는 열처리 시험용 시편을 거치하기 위한 시편 거치대(121)와 가스를 공급하기 위한 가스공급노즐(122)이 배치된다.The vacuum chamber 120 is formed of, for example, transparent quartz having a heat resistance of a horizontally long cylindrical shape in which one end portion is opened and the other end portion is closed, and is located in the heating furnace 110. It is formed, the inside of the specimen holder 121 for mounting the specimen for heat treatment test and the gas supply nozzle 122 for supplying the gas is disposed.

여기서, 상기 진공 챔버(120)와 시편 거치대(121) 및 가스공급노즐(122)은 모두 고온에서 내구성이 강하고 열팽창이 적은 투명 석영(石英, quartz : 실리카 또는 이산화규소(SiO2)로 주로 구성되어 많은 변종이 존재하는 광물로서, 화학식은 SiO2이며, 두 가지 형태를 갖는다. 즉, 573℃ 이하의 온도에서는 저온형(α) 석영(삼방정계)이 존재하며, 573℃ 이상의 온도에서는 고온형(β) 석영(육방정계)이 존재하여, 석영유리의 제조, 페로규소의 제조에 사용된다.)으로 이루어지는 것이 바람직하다.Here, the vacuum chamber 120, the specimen holder 121, and the gas supply nozzle 122 are mainly composed of transparent quartz (石英, quartz: silica or silicon dioxide (SiO2)) having high durability and low thermal expansion at high temperatures. As a mineral in which a variant exists, the chemical formula is SiO 2 and has two forms: a low temperature (α) quartz (trigonal) exists at a temperature below 573 ° C., and a high temperature (β) at a temperature above 573 ° C. Quartz (hexagonal system) is present and used for the production of quartz glass and the production of ferrosilicon).

따라서, 상기 히터(111)에 의해 공급되는 열을 중간 공기나 진공과는 관계없이 공간을 통과하여 직접적이고 순간적으로 받아들이게 되므로 열 효율이 아주 우수하여 진공 챔버(120)의 급속한 승온과, 질소(N)와 같은 냉각가스에 의해 급속한 냉각을 용이하게 이룰 수 있으므로, 짧은 시간 내에 고온의 열처리 공정과 냉각공정 등을 더욱더 효율적으로 이룰 수 있다.Therefore, since the heat supplied by the heater 111 is directly and instantaneously received through the space regardless of the intermediate air or vacuum, the thermal efficiency is very excellent, and the rapid temperature rise of the vacuum chamber 120 and nitrogen (N Rapid cooling can be easily achieved by using a cooling gas such as), and thus a high temperature heat treatment process and a cooling process can be achieved more efficiently within a short time.

그리고, 상기 시편 거치대(121)와 가스공급노즐(122)은 모두 투명한 석영(石英)을 관(管) 형태를 이루도록 하여 일체로 형성하거나, 또는 분리가능하도록 형성함으로써, 열처리 시편의 바로 주변에서 가스를 공급할 수 있게 되어 열처리 시편 전체로 분위기 제어용 가스가 원활하고 고르게 공급되므로 시편과 가스와의 반응 등 열처리에 불균일을 최소화시킬수 있어 고온 및 고진공에서 균일 열처리 성능을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 석영 관 형태의 시편 거치대(121)와 가스공급노즐(122)에 의해 급속하고 고른 열 이동을 이룰 수 있어 짧은 시간 내에 급속한 승온과 냉각으로 열처리 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.In addition, both the specimen holder 121 and the gas supply nozzle 122 are integrally formed by forming a tubular transparent tube or formed to be detachable. Since the gas for controlling the atmosphere is smoothly and evenly supplied to the entire heat treated specimen, it is possible to minimize the unevenness in heat treatment such as the reaction between the specimen and the gas, thereby improving the uniform heat treatment performance at high temperature and high vacuum. In addition, it is possible to achieve a rapid and even heat transfer by the specimen holder 121 and the gas supply nozzle 122 of the quartz tube form to improve the heat treatment efficiency by rapid temperature rising and cooling in a short time.

또, 상기 가스공급노즐(122)은 질량유량계(MFC :Mass Flow Controllor)(131a)를 형성한 가스공급기(131)와 연결되어 열처리 공정에 필요한 가스들을 정량적으로 정밀하게 공급할 수 있도록 다수의 가스 배출 구멍(122a)이 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 다수의 가스 배출 구멍(122a)에 의해 공급되는 가스는 한쪽으로 몰려 공급되지 않고 진공 챔버(120)의 내부 전체로 고르게 분산되어 가스의 분위기 조절을 효율적으로 이루어 열처리시 분위기 제어 가스와의 반응 등을 최대화하여 원하는 분위기에서 고청정, 고순도의 열처리를 이룰 수 있다.In addition, the gas supply nozzle 122 is connected to the gas supplier 131 forming a mass flow controller (MFC) 131a to discharge a plurality of gases so as to quantitatively and precisely supply the gases necessary for the heat treatment process. It is preferable that the hole 122a is formed. That is, the gas supplied by the plurality of gas discharge holes 122a is uniformly dispersed throughout the vacuum chamber 120 without being fed to one side to efficiently control the atmosphere of the gas, and thus, the gas supplied to the atmosphere control gas during heat treatment. By maximizing the reaction, it is possible to achieve a high clean, high purity heat treatment in the desired atmosphere.

또한, 상기 가열로(110)의 내측으로는 냉각 파이프가 냉각 벽(cold wall) 방식으로 형성되어 냉각수를 유동시키는 냉각기(123)가 형성된다. 따라서, 가열로(110) 전체의 과도한 과열을 방지할 수 있다.In addition, a cooling pipe 123 is formed inside the heating furnace 110 in a cooling wall manner to flow the cooling water. Therefore, excessive overheating of the entire heating furnace 110 can be prevented.

상기 가스제어기(130)는, 상기 진공 챔버(120) 내에 가스 분위기 제어를 위해 아르곤 가스(Ar Gas)나 질소가스 등을 정량적으로 정밀하게 공급하는 장치로서, 일 측에는 가스공급기(131)로부터 공급되는 가스의 양을 원하는 만큼만 정확히 주입하기 위해 상기 가스공급기(131)의 질량유량계(MFC :Mass Flow Controllor)(131a)를 제어하도록 구성된다.The gas controller 130 is a device for quantitatively and precisely supplying argon gas (Ar gas) or nitrogen gas for controlling the gas atmosphere in the vacuum chamber 120, and is supplied from the gas supplier 131 to one side. It is configured to control a mass flow controller (MFC) 131a of the gas supplier 131 to accurately inject only the amount of gas as desired.

따라서, 상기 가스제어기(130)는 질량유량계(131a)를 제어하여 가스공급노즐(122)로 가스를 정밀하고 정량적으로 공급할 수 있어 원하는 가스 분위기에서 고진공 가스 열처리가 가능하다.Accordingly, the gas controller 130 may control the mass flow meter 131a to supply the gas to the gas supply nozzle 122 precisely and quantitatively, so that high vacuum gas heat treatment may be performed in a desired gas atmosphere.

여기서, 가스의 양은 sccm 이라는 단위로 들어가게 되는데, sccm은 Standard Cubic Centimeter per Minute를 의미한다. 예컨대, 아르곤 가스(Ar gas) 1sccm 이라고 하면, 1분 동안 가로-세로-높이가 각 1cm 인 부피만큼 아르곤 가스가 공급되는 것이다.Here, the amount of gas enters the unit of sccm, where sccm means Standard Cubic Centimeter per Minute. For example, 1 sccm of argon gas (Ar gas), the argon gas is supplied by a volume of 1 cm each horizontal-vertical-height for 1 minute.

이에 따라, 열처리할 때 반응성 유무에 따라 반응가스를 정밀하게 정량적으로 가감 공급하여 우수한 열처리 및 표면 처리 효과를 얻을 수 있다.Accordingly, when the heat treatment is performed, the reaction gas can be precisely and quantitatively added or subtracted according to the presence or absence of reactivity to obtain excellent heat treatment and surface treatment effects.

상기 진공제어기(140)는, 진공챔버(120) 내의 압력과 진공도를 조절하기 위해 대기압 이하의 압력에서 기체를 흡입하여 대기압에서 배출하는 데 사용되는 압축기인 로터리 펌프와 확산펌프로 이루어지는 진공펌프(vacuum pump)(141)를 제어하도록 구성되며, 진공챔버(120)의 고진공 상태를 측정하기 위한 진공도측정기와 초고진공 상태를 측정하기 위한 이온게이지(미도시)를 포함하고 있다.The vacuum controller 140 is a vacuum pump (vacuum) consisting of a rotary pump and a diffusion pump, which is a compressor used to suck the gas at atmospheric pressure below the atmospheric pressure and discharge it at atmospheric pressure to adjust the pressure and the degree of vacuum in the vacuum chamber 120. It is configured to control the pump 141, and includes a vacuum gauge for measuring the high vacuum state of the vacuum chamber 120 and an ion gauge (not shown) for measuring the ultra-high vacuum state.

이와 같은 구성의 진공제어기(140)에 대해서는 통상적으로 사용되는 것이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Since the vacuum controller 140 having such a configuration is commonly used, a detailed description thereof will be omitted.

상기 온도제어기(temperature controller)(150)는, 상기 가열로(110)에 형성된 니켈-크롬 열선을 내장한 석영 배관으로 이루어지는 하나 이상의 히터(111)로 구성된다.The temperature controller 150 includes one or more heaters 111 made of quartz tubing having nickel-chromium heating wires formed in the heating furnace 110.

또, 상기 니켈-크롬 열선에 공급되는 전원은 예컨대, 3상 380볼트의 전원이 상기 온도제어기(150)에 의해서 제어되는 실리콘 제어(制御) 정류기(整流器)(略 SCR : Silicon Controlled Rectifier)(미도시)에서 조절된 후 변압기를 거쳐 열선에 적합한 전압으로 변환된다. 그런 다음 니켈-크롬 열선에 공급되어 충분한 열량을 낼 수 있도록 구성된다.In addition, the power supplied to the nickel-chromium heating wire is, for example, a silicon controlled rectifier (SCR) in which a three-phase 380 volt power is controlled by the temperature controller 150. After adjustment, it is converted into a voltage suitable for heating wire through a transformer. It is then configured to supply enough heat to the nickel-chromium hot wire.

여기서, 상기 온도제어기(150)는 예컨대, 니켈-크롬 열선을 수용하는 석영 관으로 이루어지는 하나 이상의 히터(111)를 제어하고 있으며, 열전대(thermo couple)(미도시)를 통해서 시편거치대 부근의 온도를 입력받아서 제어를 통해서 실리콘제어정류기(미도시)로 출력한다. 상기 가열로(110) 내부의 온도 분포를 알기 위해 열전대(Thermo-couple)가 다량 설치된다. 이러한 열전대는 가열로(110) 내부의 고온의 온도를 측정할 수 있는 온도센서의 역할을 수행한다.Here, the temperature controller 150 controls one or more heaters 111 made of, for example, a quartz tube accommodating nickel-chromium hot wires, and controls the temperature near the specimen holder through a thermocouple (not shown). It receives the input and outputs it to the silicon controlled rectifier (not shown) through the control. In order to know the temperature distribution inside the heating furnace 110, a large amount of thermocouples are installed. Such a thermocouple serves as a temperature sensor capable of measuring the temperature of the high temperature inside the heating furnace 110.

또한, 상기 가열로(110) 내부의 온도를 원하는 온도로 조절하기 위해서는 열전대로부터 신호를 받아 설정한 온도보다 온도가 낮으면 상기 히터(111)에 전류를 더 많이 인가해 온도를 올리고, 반대로 온도가 높으면 상기 히터(111)에 전류를 적게 인가하는 피드백 제어를 수행해야한다.In addition, in order to adjust the temperature inside the heating furnace 110 to a desired temperature, if the temperature is lower than the temperature set by receiving a signal from the thermocouple, the current is applied to the heater 111 to increase the temperature, and conversely, If high, feedback control to apply a small current to the heater 111 should be performed.

즉, 상기 온도제어기(150)의 제어를 통해 히터(111)의 전류를 늘렸다 줄였다 함으로써, 온도를 제어할 때 전류를 늘렸다 줄였다 하는 역할을 한다.That is, by increasing and decreasing the current of the heater 111 through the control of the temperature controller 150, it serves to increase and decrease the current when controlling the temperature.

일례로 온도가 설정 값보다 낮다면(열전대로 판단) 온도제어기(150)는 온도를 높여야 한다고 판단하여 실리콘제어정류기(SCR)에 신호를 보내 전류가 더 많이 인가될 수 있도록 명령한다.For example, if the temperature is lower than the set value (determined as a thermocouple), the temperature controller 150 determines that the temperature should be increased, and sends a signal to the silicon controlled rectifier (SCR) to command more current.

이러한 구성의 온도제어기(150)는, 승온 속도를 1/min~150/min의 범위 내로, 냉각속도를 1/min~200/min의 범위 내에서 각각 단계별로 조절할 수 있다.The temperature controller 150 of such a configuration can adjust the temperature increase rate within the range of 1 / min-150 / min, and the cooling rate step by step within the range of 1 / min-200 / min, respectively.

즉, 예컨대 상기 진공 후 열처리는 P = 1.3×10-5Pa ∼ P = 1.3×10-3Pa 진공도에서 1∼150℃/분(min)의 승온 속도로 800℃까지 단계별로 승온 시킨 후 1∼60분 동안 유지되게 한다. 그리고, 냉각속도 1∼200℃/분(min)의 냉각 속도로 100∼600℃로 단계별로 가스 냉각시킨다.That is, for example, the vacuum post-heat treatment is stepped up to 800 ℃ step by step at a temperature increase rate of 1 ~ 150 ℃ / min (min) at P = 1.3 × 10 -5 Pa ~ P = 1.3 × 10 -3 Pa vacuum degree 1 ~ Allow for 60 minutes. Then, the gas is cooled step by step at 100 to 600 ° C at a cooling rate of 1 to 200 ° C / min (min).

여기서, 상기 온도제어기(150)는 가스공급기(131)와 히터(111)를 필요에 따라 선택하여 독립적으로 제어하도록 전기적으로 구성되어 있다. 이러한 구성은 일반적으로 채용하는 구성이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Here, the temperature controller 150 is electrically configured to independently select and control the gas supplier 131 and the heater 111 as necessary. Since such a configuration is generally adopted, a detailed description thereof will be omitted.

이와 같이, 본 발명은 진공유지 및 가스공급, 그리고 열처리시 분위기 제어 가스와의 반응 등을 최대화할 수 있다.As such, the present invention can maximize vacuum holding and gas supply, and reaction with an atmosphere control gas during heat treatment.

이상과 같은 구성으로 이루어지는 열처리장치(100)는 미리 원하는 열처리방법의 프로그램 레시피가 입력된 제어장치(도시생략)에 의해, 가스제어기(130), 진공제어기(140), 온도제어기(150)의 제어부 등이 제어되어, 원하는 열처리방법을 자동으로 실시하도록 구성되어 있다.The heat treatment apparatus 100 having the above-described configuration is controlled by the gas controller 130, the vacuum controller 140, and the temperature controller 150 by a control device (not shown) to which a program recipe of a desired heat treatment method is input in advance. And the like are controlled to automatically perform a desired heat treatment method.

이에 따라, 승온속도와 냉각속도의 제어가 용이하여 고진공하에서도 시편의 승온속도는 물론 냉각속도를 매우 큰 범위 내에서 자유롭게 제어할 수 있다.Accordingly, it is easy to control the temperature increase rate and the cooling rate, and even under high vacuum, the temperature increase rate as well as the cooling rate can be freely controlled within a very large range.

이하에서는 본 발명에 따른 진공 열처리 장치의 열처리 공정을 일 실시 예로 설명하기로 한다.Hereinafter, the heat treatment process of the vacuum heat treatment apparatus according to the present invention will be described as an embodiment.

먼저, 10×10×10m㎥ 크기의 순수 타이타늄(Ti) 열처리 시편을 세척 후, 투명석영(quartz, SiO2)으로 형성된 시편 거치대(121)에 거치한 후, 진공 챔버(120) 내에 로드하고, 상기 진공 챔버(120) 내를 진공제어기(140)로 확산펌프와 로터리펌프로 이루어지는 진공펌프(141)를 제어하여 요구하는 압력과 진공도 예컨대, P = 1.3×10-5Pa까지 고진공 배기하고, 또 분위기 제어를 위해 가스제어기(130)의 질량유량계(131a)를 제어하여 상기 진공 챔버(120) 내에 예컨대 질소가스의 공급과 정지를 교대로 반복하여 진공도를 P = 1.3×10-3Pa까지 유지하면서 가스 분위기를 제어하였다.First, the pure titanium (Ti) heat treated specimens having a size of 10 × 10 × 10 m㎥ are washed and then placed in a specimen holder 121 formed of transparent quartz (quartz, SiO 2 ), and then loaded into the vacuum chamber 120. In the vacuum chamber 120, the vacuum controller 140 controls the vacuum pump 141 including the diffusion pump and the rotary pump, and the required pressure and the vacuum degree are also high vacuum exhausted to, for example, P = 1.3 x 10 -5 Pa. By controlling the mass flow meter 131a of the gas controller 130 to control the atmosphere, the supply and stop of nitrogen gas are alternately repeated in the vacuum chamber 120 while maintaining the vacuum degree to P = 1.3 × 10 -3 Pa. The gas atmosphere was controlled.

이때, 상기 가스제어기(130)는, 상기 진공 챔버(120) 내에 가스 분위기 제어를 위해 공급되는 아르곤 가스(Ar Gas)나 질소가스 등을 질량유량계(131a)를 제어하여 정량적으로 정밀하게 공급하게 되면, 상기 가스공급노즐(122)에 형성된 다수의 가스 배출 구멍(122a)에 의해 가스는 한쪽으로 몰려 공급되지 않고 고르게 분산되어 가스의 분위기 조절을 효율적으로 이루어 열처리시 원하는 가스 분위기를 조성하게 된다.In this case, when the gas controller 130 controls the mass flow meter 131a to supply argon gas (Ar gas) or nitrogen gas supplied to the vacuum chamber 120 to control the gas atmosphere, the gas controller 130 may be quantitatively and precisely provided. By the plurality of gas discharge holes 122a formed in the gas supply nozzle 122, the gas is dispersed evenly without being supplied to one side to efficiently control the atmosphere of the gas, thereby forming a desired gas atmosphere during heat treatment.

이와 동시에 상기 온도제어기(150)를 이용하여 상기 히터(111)의 제어를 통해, 가열로(110) 내를 소정의 처리온도 예를 들면 800℃까지 단계별로 승온 하고, 800℃로 1시간 유지되도록 하였다. 이때 승온 시간은 10분으로 하였으며 이 상태에서 원하는 열처리를 수행하였다.At the same time, through the control of the heater 111 using the temperature controller 150, the temperature in the heating furnace 110 to a predetermined processing temperature, for example 800 ℃ step by step, and to maintain at 800 ℃ 1 hour It was. At this time, the temperature increase time was 10 minutes, and desired heat treatment was performed in this state.

계속해서, 상기 열처리를 수행한 후, 다시 상기 온도제어기(150)로 가스공급기(131)를 제어하여 냉각 가스인 아르곤 가스를 정량적이고 정밀하게 공급하여 진공 챔버(120)의 내부를 원하는 온도로 단계별로 빠르게 냉각시켰다.Subsequently, after performing the heat treatment, the temperature controller 150 controls the gas supplier 131 again to supply argon gas, which is a cooling gas, quantitatively and precisely, thereby stepping the inside of the vacuum chamber 120 at a desired temperature. Cooled rapidly.

이와 같이 본 발명에 따른 진공 열처리 장치(100)를 이용할 경우, 열처리 시편을 장착하고 고진공으로 분위기를 제어하는데 걸리는 시간을 포함하여 1회 공정의 열처리를 수행하는데 총 3시간 정도의 시간이 소요되었으며, 이 모든 공정이 높은 진공도에서 수행되어 고청정의 열처리를 가능토록 하였다. As such, when using the vacuum heat treatment apparatus 100 according to the present invention, it took a total of about 3 hours to perform the heat treatment in one process, including the time required for mounting the heat treatment specimens and controlling the atmosphere with a high vacuum. All of these processes were carried out at high vacuums to enable high clean heat treatment.

종래의 열처리 장치의 경우 본 발명에 따른 실시 예와 유사한 열처리를 수행하기 위해서는 진공공정, 가열공정 및 열처리 유지, 그리고 냉각공정을 포함하여 평균 5시간 이상이 소요될 뿐만 아니라 승온 및 냉각속도의 제어에 한계를 갖고 있다.In the case of the conventional heat treatment apparatus, in order to perform a heat treatment similar to the embodiment according to the present invention, it takes not only 5 hours or more on average, including a vacuum process, a heating process, a heat treatment maintenance, and a cooling process, but also limits the control of the temperature rising and cooling rate. Have

따라서, 본 발명에 따른 진공 열처리 장치를 통해 가스 분위기 제어에 탁월한 성능을 갖추고 있어 고진공 분위기 제어가 자유롭고, 승온속도 및 냉각속도 제어와 단계별 온도제어가 가능한 고청정 고진공 고온 열처리를 효율적으로 수행할 수 있어 활성이 큰 다양한 금속 및 비금속의 열처리에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.Therefore, the vacuum heat treatment apparatus according to the present invention has excellent performance in controlling the gas atmosphere, so that the high vacuum atmosphere can be freely controlled, and the high clean high vacuum high temperature heat treatment capable of controlling the temperature increase rate and cooling rate and step temperature control can be efficiently performed. It may be very useful for heat treatment of various metals and nonmetals having high activity.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. And will be apparent to those skilled in the art to which the invention pertains.

100 : 진공 열처리 장치 110 : 가열로
111 : 히터 112 : 반사판
120 : 진공 챔버 121 : 시편 거치대
122 : 가스공급노즐 122a : 가스 배출 구멍
123 : 냉각기 130 : 가스제어기
131 : 가스공급기
131a : 질량유량계(MFC :Mass Flow Controllor)
140 : 진공제어기 141 : 진공펌프
150 : 온도제어기100: vacuum heat treatment apparatus 110: heating furnace
111 heater 112 reflector
120: vacuum chamber 121: specimen holder
122: gas supply nozzle 122a: gas discharge hole
123: cooler 130: gas controller
131: gas supplier
131a: Mass Flow Controller (MFC)
140: vacuum controller 141: vacuum pump
150: temperature controller

Claims (7)

진공 열처리 장치로서,
급속 가열을 가능하게 하는 투명 석영 배관으로 이루어지는 히터가 형성된 가열로와;
상기 가열로의 내에 형성되며, 내측에 시편을 거치하기 위한 시편 거치대와 가스를 고르게 확산 공급하기 위해 다수의 가스 배출 구멍을 갖는 가스공급노즐을 수용하는 진공 챔버와;
상기 가스공급노즐과 연결되는 가스공급기를 제어하여 진공 챔버 내의 가스 분위기를 조절할 수 있도록 하는 가스제어기와;
상기 진공 챔버의 압력과 진공도를 측정하여 조절하도록 하는 진공제어기와;
상기 가열로의 승온 및 냉각속도 제어와 단계별 온도제어가 가능한 온도제어기; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치.Vacuum heat treatment apparatus,
A heating furnace having a heater formed of transparent quartz tubing for enabling rapid heating;
A vacuum chamber formed in the heating furnace and accommodating a specimen holder for mounting the specimen therein and a gas supply nozzle having a plurality of gas discharge holes to diffuse and supply the gas evenly;
A gas controller for controlling a gas atmosphere in the vacuum chamber by controlling a gas supplier connected to the gas supply nozzle;
A vacuum controller configured to measure and adjust the pressure and the degree of vacuum of the vacuum chamber;
A temperature controller capable of controlling the temperature increase and cooling rate of the heating furnace and stepwise temperature control; Vacuum heat treatment apparatus capable of rapid temperature control and atmosphere control comprising a. 청구항 1에 있어서, 상기 진공 챔버와 시편 거치대 및 가스공급노즐은 투명석영으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치.The vacuum heat treatment apparatus of claim 1, wherein the vacuum chamber, the specimen holder, and the gas supply nozzle are made of transparent quartz. 청구항 1에 있어서, 상기 가스공급기는 가스의 유량을 효율적으로 제어할 수 있도록 질량유량계를 구비하는 것을 특징으로 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치.The vacuum heat treatment apparatus of claim 1, wherein the gas supplier includes a mass flow meter so as to efficiently control the flow rate of the gas. 청구항 1에 있어서, 상기 히터는 내부에 적외선 방출을 위한 니켈-크롬 열선이 형성된 석영 관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치.The vacuum heat treatment apparatus of claim 1, wherein the heater is formed of a quartz tube having nickel-chromium hot wires formed therein for infrared emission. 청구항 1에 있어서, 상기 가열로의 내벽 면에는 금으로 코팅된 반사판이 형성되는 것을 특징으로 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치.The vacuum heat treatment apparatus of claim 1, wherein a reflection plate coated with gold is formed on an inner wall surface of the heating furnace. 청구항 1에 있어서, 상기 온도제어기의 경우 승온 속도를 1/min~150/min의 범위내로, 냉각속도를 1/min~200/min의 범위 내에서 조절할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치.The method of claim 1, wherein the temperature controller is a rapid temperature control, characterized in that the temperature increase rate in the range of 1 / min ~ 150 / min, the cooling rate can be adjusted within the range of 1 / min ~ 200 / min and Atmosphere controlled vacuum heat treatment device. 청구항 6에 있어서, 상기 온도제어기는 승온 속도 및 냉각속도의 제어를 단계(step) 별로 혼용하여 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 급속 온도 제어 및 분위기 제어 가능한 진공 열처리 장치.The vacuum heat treatment apparatus of claim 6, wherein the temperature controller is configured to control the temperature increase rate and the cooling rate by mixing step by step.
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