KR101482776B1 - 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품 - Google Patents

내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실실시예에 따른 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품은, 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품의 재료가 되는 부품모재와, 상기 부품모재의 외면에 도금법으로 형성되어 내식성을 부여하는 내식성박막과, 상기 내식성박막의 외면에 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성되어 내열성을 부여하는 내열성박막과, 상기 내열성박막의 외면에 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성되어 내소착성을 부여하는 내소착성박막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품{A part having a corrosion resistance and thermal resistance and bruning resistance for nuclear power plant}
본 발명은 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부품모재에 내식성을 부여하기 위한 내식성박막과, 내식성박막 외측에 내열성을 부여하기 위한 내열성박막과, 내열성박막 외측에 내소착성을 부여하기 위한 내소착성박막을 순차적으로 구비하여 내식성과 내열성 및 내소착성을 갖도록 한 원자력발전소용 부품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 가동되고 있는 상용 원자로는 미국에서 개발한 가압경수로와 비등경수로가 있으며, 영국에서 개발한 고온가스 냉각로, 캐나다에서 개발한 가압중수로 등 크게 4종류로 나눌 수 있다.
우리나라는 월성원자력발전소를 제외한 모든 원자력발전소가 가압경수형으로, 가압경수형 원자로(Pressurized Water Reactor: PWR)는 우라늄-235의 함유율이 2∼5%정도 되는 저농축 우라늄을 연료로 사용하고, 냉각재와 감속재로는 물(경수)을 사용한다.
원자로계통을 약 150 기압으로 가압함으로써 원자로 내에서 물이 끓지 못하도록 하고 있으며, 고온으로 가열된 물은 증기발생기로 보내져 2차측의 물과 열교환을 통해 증기로 만들어진다.
열교환을 거친 1차측의 물은 다시 원자로 내로 순환되어 가열된 후 증기발생기로 보내지는 과정을 반복한다.
이때 각종 금속 산화물과 구리 등의 금속 혼합물로 이루어진 슬러지에 의해 화학적, 열적 환경이 부식을 조장하는 환경으로 바뀌게 되며 이러한 슬러지를 제거하기 위한 슬러지 랜스(lance)-흡입 방법이 대한민국공개특허 제1981-0000034호에 개시되어 있다.
그러나 가동 원자력발전소에는 냉각수에 의한 부식성 환경 및 전열관의 금속학적 응력부식균열 민감성 등이 복합적으로 작용하여 부품의 파손이나 부식이 빈번하게 발생하게 된다.
이에 따라 대한민국 등록특허 제 10-0964172호에는 Ni-금속 또는 Ni-합금의 도금에 의한 부식 손상 결합 방지 방법이 개시되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 원자력발전소에 사용되는 부품들은 원자로의 가동 시에 발생하는 열에 의해 소손되거나 크랙 및 파손이 빈번하게 야기되는 문제점이 있다.
따라서, 부식 환경을 대비한 내식성 뿐만 아니라, 내열성 및 내소착성도 요구된다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 상세하게는, 부품모재에 내식성을 부여하기 위한 내식성박막과, 내식성박막 외측에 내열성을 부여하기 위한 내열성박막과, 내열성박막 외측에 내소착성을 부여하기 위한 내소착성박막을 순차적으로 구비하여 내식성과 내열성 및 내소착성이 동시에 향상되도록 한 원자력발전소용 부품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실실시예에 따른 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품은, 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품의 재료가 되는 부품모재와, 상기 부품모재의 외면에 도금법으로 형성되어 내식성을 부여하는 내식성박막과, 상기 내식성박막의 외면에 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성되어 내열성을 부여하는 내열성박막과, 상기 내열성박막의 외면에 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성되어 내소착성을 부여하는 내소착성박막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품의 재료가 되는 부품모재와, 상기 부품모재의 외면에 니켈(Ni) 또는 주석(Sn)을 포함하는 금속이 도금법으로 형성되어 내식성을 부여하는 내식성박막과, 상기 내식성박막의 외면에 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성되어 내열성을 부여하는 내열성박막과, 상기 내열성박막의 외면에 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성되어 내소착성을 부여하는 내소착성박막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품은, 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품의 재료가 되는 부품모재와, 상기 부품모재의 외면에 도금법으로 형성되어 내식성을 부여하는 내식성박막과, 상기 내식성박막의 외면에 질화타이타늄(TiN), 질화크롬(CrN), 질화지르코늄(ZrN), 질화타이타늄알루미늄(TiAlN), 질화타이타늄크로뮴(TiCrN), 산화타이타늄(TiO2), 산화크로뮴(Cr2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화주석(SnO2) 중 하나 이상을 포함하도록 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성되어 내열성을 부여하는 내열성박막과, 상기 내열성박막의 외면에 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성되어 내소착성을 부여하는 내소착성박막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품은, 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품의 재료가 되는 부품모재와, 상기 부품모재의 외면에 도금법으로 형성되어 내식성을 부여하는 내식성박막과, 상기 내식성박막의 외면에 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성되어 내열성을 부여하는 내열성박막과, 상기 내열성박막의 외면에 은(Ag), 주석(Sn), 인듐(In), 타이타늄(Ti), 크로롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인레스스틸 중 하나 이상을 포함하도록 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성되어 내소착성을 부여하는 내소착성박막을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 내식성박막은 0.3 내지 30㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 내열성박막은, 0.1 내지 1.0㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 내소착성박막은, 0.1 내지 3㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품의 제조방법은, 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품의 재료가 되는 부품모재를 준비하는 모재준비단계와, 상기 부품모재의 외면에 내식성을 부여하는 내식성박막을 도금하여 형성하는 내식성박막형성단계와, 상기 내식성박막의 외면에 내열성을 부여하는 내열성박막을 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성하는 내열성박막형성단계와, 상기 내열성박막의 외면에 내소착성을 부여하는 내소착성박막을 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성하는 내소착성박막형성단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 내식성박막형성단계는, 상기 부품모재의 외면에 니켈(Ni) 또는 주석(Sn)을 포함하는 금속으로 이루어지고 0.3 내지 30㎛의 두께를 갖는 내식성박막을 형성하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 내열성박막형성단계는, 상기 내식성박막의 외면에 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법을 사용하여 질화타이타늄(TiN), 질화크롬(CrN), 질화지르코늄(ZrN), 질화타이타늄알루미늄(TiAlN), 질화타이타늄크로뮴(TiCrN), 산화타이타늄(TiO2), 산화크로뮴(Cr2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화주석(SnO2) 중 하나 이상을 포함하는 0.1 내지 1.0㎛의 두께의 내열성박막을 형성하는 과정임을 특징으로 한다.
상기 내소착성박막형성단계는, 상기 내열성박막의 외면에 스퍼터링법 또는 진공증착법을 사용하여 은(Ag), 주석(Sn), 인듐(In), 타이타늄(Ti), 크로롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인레스스틸 중 하나 이상을 포함하는 0.1 내지 3㎛의 두께의 내소착성박막을 형성하는 과정임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 부품모재에 내식성을 부여하기 위한 내식성박막과, 내식성박막 외측에 내열성을 부여하기 위한 내열성박막과, 내열성박막 외측에 내소착성을 부여하기 위한 내소착성박막이 순차적으로 구비된다.
따라서, 원자력발전소용 부품의 내식성과 내열성을 향상시킬 수 있으며, 부품의 노후로 인해 교체시에 소착을 방지하여 편의성이 향상되는 이점이 있다.
도 1 은 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품의 구성을 개략적으로 보인 단면도.
도 2 는 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3 은 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품의 부품모재 실물 사진.
도 4 는 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품에서 내식성박막이 형성된 외관을 보인 실물 사진.
도 5 는 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품에서 내열성박막이 형성된 외관을 보인 실물 사진.
도 6 은 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품에서 내소착성박막이 형성된 부품의 외관을 보인 실물 사진.
이하 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품(이하 '부품(100)이라 칭함)의 구성을 설명한다.
도 1에는 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품(100)의 구성을 개략적으로 보인 단면도가 도시되어 있다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면과 같이 상기 부품(100)은 원자력발전소에 사용되는 다양한 부품(100), 예컨대 볼트, 너트, 와샤 등에 채택될 수 있도록 구성된 것으로, 내식성과 내열성 및 내소착성을 갖도록 구성된다.
즉, 상기 부품(100)은 부품모재(120)의 외면에 내식성을 부여하기 위한 내식성박막(140)이 구비되고, 상기 내식성박막(140)의 외면에는 내열성을 부여하기 위한 내열성박막(160)이 구비되며, 상기 내열성박막(160)의 외면에는 내소착성을 부여하기 위한 내소착성박막(180)이 구비된다.
상기 부품모재(120)는 탄소강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나가 채택될 수 있으며, KS, JIS, DIN, ISO, ASTM, ASME, AISI 등의 국제 규격에 만족하는 재료로 형성됨이 바람직하다.
상기 내식성박막(140)은 부품(100)에 내식성을 부여함과 동시에 상기 내열성박막(160)과의 밀착성을 높이기 위한 구성이다.
상기 내식성박막(140)은 부품모재(120)의 외면에 니켈(Ni) 또는 주석(Sn)을 포함하는 금속을 전해도금 또는 무전해도금법으로 형성한 것으로, 0.3 내지 30㎛의 두께로 형성됨이 바람직하다.
상기 내식성박막(140)의 외면에는 내열성박막(160)이 구비된다. 상기 내열성박막(160)은 내식성박막(140)의 외면에 아크 이온플레이팅법(Arc Ion-plating) 또는 스퍼터링법(Sputtering)을 이용하여 형성한 것으로, 질화타이타늄(TiN), 질화크롬(CrN), 질화지르코늄(ZrN), 질화타이타늄알루미늄(TiAlN), 질화타이타늄크로뮴(TiCrN), 산화타이타늄(TiO2), 산화크로뮴(Cr2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화주석(SnO2) 중 하나 이상을 포함하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에서 상기 내열성박막(160)은 0.1 내지 1.0㎛의 두께를 갖도록 형성됨이 바람직하다.
상기 내열성박막(160)의 외면에는 내소착성박막(180)이 구비된다. 상기 내소착성박막(180)은 부품(100)과 대상물이 소착되지 않도록 하여 부품(100)의 분리가 보다 용이하도록 하는 구성이다.
상기 내소착성박막(180)은 내열성박막(160)의 외면에 은(Ag), 주석(Sn), 인듐(In), 타이타늄(Ti), 크로롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인레스스틸 중 하나 이상을 포함하도록 스퍼터링법(Sputtering) 또는 진공증착법(Evaporation)으로 형성되어 상기 부품(100)에 내소착성을 부여하는 구성이다.
상기 내소착성박막(180)은 본 발명의 실시예에서 0.1 내지 3㎛의 두께를 갖도록 구성하였다.
이하 첨부된 도 2를 참조하여 상기 부품(100)의 제조방법을 설명한다.
도 2에는 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품(100)의 제조방법을 나타낸 공정 순서도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 상기 부품(100)은 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품(100)의 재료가 되는 부품모재(120)를 준비하는 모재준비단계(S100)와, 상기 부품모재(120)의 외면에 내식성을 부여하는 내식성박막(140)을 도금하여 형성하는 내식성박막형성단계(S200)와, 상기 내식성박막(140)의 외면에 내열성을 부여하는 내열성박막(160)을 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성하는 내열성박막형성단계(S300)와, 상기 내열성박막(160)의 외면에 내소착성을 부여하는 내소착성박막(180)을 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성하는 내소착성박막형성단계(S400)를 순차적으로 실시하여 제조된다.
상기 모재준비단계(S100)에서 상기 부품모재(120)는 KS, JIS, DIN, ISO, ASTM, ASME, AISI 등의 국제 규격에 만족하는 재료가 채택됨이 바람직하다.
상기 내식성박막형성단계(S200)는 도금법을 이용하여 부품모재(120) 외면에 니켈(Ni) 또는 주석(Sn)을 포함하는 금속으로 이루어진 내식성박막(140)을 형성하는 과정으로서, 본 발명의 실시예에서는 니켈(Ni)을 채택하였고, 내식성박막(140)의 두께는 0.3 내지 30㎛의 두께를 갖도록 하였다.
상기 내열성박막형성단계(S300)는, 상기 내식성박막(140)의 외면에 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법을 사용하여 질화타이타늄(TiN), 질화크롬(CrN), 질화지르코늄(ZrN), 질화타이타늄알루미늄(TiAlN), 질화타이타늄크로뮴(TiCrN), 산화타이타늄(TiO2), 산화크로뮴(Cr2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화주석(SnO2) 중 하나 이상을 포함하는 0.1 내지 1.0㎛의 두께의 내열성박막(160)을 형성하는 과정이다.
본 발명의 실시예에서 상기 내열성박막(160)은 질화타이타늄(TiN)과 질화크롬(CrN)이 채택되었다.
상기 내열성박막형성단계(S300) 이후에는 내소착성박막형성단계(S400)가 실시된다. 상기 내소착성박막형성단계(S400)는, 상기 내열성박막(160)의 외면에 스퍼터링법 또는 진공증착법을 사용하여 은(Ag), 주석(Sn), 인듐(In), 타이타늄(Ti), 크로롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인레스스틸 중 하나 이상을 포함하는 0.1 내지 3㎛의 두께의 내소착성박막(180)을 형성하는 과정이다.
본 발명의 실시예에서 상기 내소착성박막(180)은 은(Ag)이 채택되었다.
이하 첨부된 도 3 내지 도 6을 참조하여 상기 단계별 부품모재(120)의 외관 변화를 살펴본다.
도 3은 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품(100)의 부품모재(120) 실물 사진이고, 도 4는 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품(100)에서 내식성박막(140)이 형성된 외관을 보인 실물 사진이다.
도 5는 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품(100)에서 내열성박막(160)이 형성된 외관을 보인 실물 사진이며, 도 6은 본 발명에 의한 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품(100)에서 내소착성박막(180)이 형성된 부품(100)의 외관을 보인 실물 사진이다.
도 3과 같이 부품모재(120)는 볼트 형상을 갖도록 준비하였으며, 내식성박막형성단계(S200)는 아래 실시예와 같이 실시하였다.
(실시 예 : Ni 무전해 도금 )
- Bath 용액 조성
· Nickel Chloride (NiCl2) - 30g/l
· Sodium Hypophosphite (NaPO2H2) - 10g/l
· Ammonium Citrate ((NH4)2C6H6O7 - 65g/l
· Ammonium Chloride (NH4Cl) - 50g/l
· Ammonium Hydroxide (NH4OH) - pH 조정제
- pH : 8 ~ 10으로 조정
- Bath 온도 : 80 ~ 90℃ 유지
- 도금 시간 : 30분
- 도금 두께 : 3.5 ~ 4㎛
상기와 같이 내식성박막(140)이 형성된 부품모재(120)는 도 4와 같은 외관을 나타내었다.
상기 내식성박막(140)을 형성한 이후에는 내열성박막형성단계(S300)를 실시하게 된다.
상기 내열성박막형성단계(S300)는 원자력발전소용 부품(100)의 내열성을 향상시키기 위해 세라믹물질을 피복시키는 단계로서, 외부의 고온으로부터 부품(100)을 보호할 수 있도록 하며 반응성 아크 이온플레이팅법 또는 반응성 스퍼터링법을 통해 실시하였다.
반응성 스퍼터링법은 화학반응을 유발할 수 있는 반응성 가스를 알곤(Ar)가스와 동시에 유입시키는 피복 방법이다. 산화물 박막을 형성시키고자 할 경우 반응성 가스로 산소(O2)를 주입시키며 질화물 박막을 형성시키기 위해서는 고순도 질소 가스를 알곤 가스와 함께 주입시킨다.
이 방법으로는 질화티타늄(TiN), 질화지르코늄(ZrN)등 질화물계 박막을 형성시킬 수 있다. 이때 알곤과 질소 유입량의 비에 의해 화학양론비가 결정되어 박막의 특성을 결정하며 본 발명에서는 알곤과 질소 유량의 비가 9:1일 때 가장 특성이 우수한 박막을 얻을 수 있었다.
(실시 예 : 질화 타이타늄 (TiN) 피복 방법)
- 초기 진공도 : 1 × 10-5torr
- 플라즈마 전력 : 420V × 12A ( 4.8㎾)
- Target Size 및 물질 : 130㎜ × 1200㎜, Ti(99.7%)
- 작업 진공도 : 2 × 10-3torr
- 유입 가스 : 알곤(순도 99.999%), 질소 (순도 99.999%)
- 가스 유입량비 : 알곤(70%~90%), 질소(30%~10%)
- 피복층 두께 : 0.3 ~1㎛
- 증착속도 : 5㎚/min
반응성 아크 이온플레이팅법으로 세라믹 박막을 형성시키는 공정은 아크 이온플레이팅 방법에 반응성 가스를 동시에 주입시킴으로서 이루어 질 수 있다. 반응성 스퍼터링법과 같이 이 방법으로도 질화티타늄(TiN), 질화지르코늄(ZrN) 질화물계 색상을 띠는 박막을 형성시킬 수 있으며 반응성 스퍼터링 공정보다 증착속도가 빠르며 코팅층이 치밀한 박막을 피복시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 본 발명에서 내열성 향상을 위한 세라믹 박막 형성 방법은 아크 이온플레이팅법을 위주로 질화티타늄(TiN) 박막을 피복시키는 방법으로 진행하였으며 자세한 내용은 아래 실시예와 같다.
( 실시 예 : 질화 타이타늄(TiN) 피복층 형성 )
- 초기 진공도 : 1 × 10-5torr
- 플라즈마 전력 : 40V × 60A ( 2.4㎾)
- Target Size 및 물질 : 80㎜(지름) × 40㎜(높이), Ti(99.7%)
- 작업 진공도 : 1.5 × 10-3torr
- 작업 가스 : 알곤(순도 99.999%), 질소(순도 99.999%)
- 유입 가스량 : 알곤 (50%이하), 질소 (50% 이상)
- 가스 유입량비 : 알곤(0%~50%), 질소(100%~50%)
- 피복층 두께 : 0.3 ~ 10㎛
- 증착속도 : 20㎚/min
( 실시 예 : 질화크롬(CrN) 피복층 형성 )
- 초기 진공도 : 1 × 10-5torr
- 플라즈마 전력 : 40V × 60A ( 2.4㎾)
- Target Size 및 물질 : 80㎜(지름) × 40㎜(높이), Cr(99.7%)
- 작업 진공도 : 5 × 10-3torr
- 작업 가스 : 알곤(순도 99.999%), 질소(순도 99.999%)
- 유입 가스량 : 알곤 (30%이하), 질소 (70% 이상)
- 가스 유입량비 : 알곤(10%~50%), 질소(90%~50%)
- 피복층 두께 : 0.3 ~ 10
- 증착속도 : 30㎚/min
이상에서와 같이 우수한 내열 특성을 띠는 세라믹 물질을 피복시킨 후 내소착 특성을 증대시켜 줄 수 있는 금속 박막을 형성시켰으며 아래와 같다.
스퍼터링 장치는 진공 챔버, 진공펌핑장치, 플라즈마 발생장치, 가스 주입장치 그리고 스퍼터 타겟으로 구성되어 있다. 이러한 스퍼터링 장치를 이용하여 금속 박막을 피복시키는 것을 스퍼터링이라 한다.
본 방법은 챔버 내의 초기 진공도를 10-5torr~10-6torr 정도로 유지시켜 준 후 스퍼터 타겟에 플라즈마를 발생시키기 위해 정밀 가스 주입 장치를 통해 비활성 기체인 알곤(Ar)을 주입하여 챔버의 진공도를 10-2torr ~ 10-3torr 정도로 유지시키며 플라즈마 발생 전원 장치(Power Supply)를 사용하여 음전압(Negative Potential)을 스퍼터 타겟에 인가시켜 플라즈마 에너지를 이용하여 타겟 물질을 증발시켜 모재 상에 피복층을 형성시키는 기술이다.
이때 음전압은 -300V부터 -1000V까지 조절해 주며 알곤 (Ar) 가스 주입에 의한 챔버의 진공도는 1 × 10-3torr ~ 2 ×10-2torr 범위 내에서 조절해 준다. 스퍼터 타겟의 재질은 은 (Ag), 주석(Sn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인레스스틸 등을 사용할 수 있다. 증착속도는 인가되는 플라즈마 전력과 진공도 그리고 물질의 종류에 따라 차이가 있으며 본 발명에서는 5㎚/min ~ 30㎚/min의 증착속도로 내열성박막(160)을 형성하였다.
이하 내소착성박막형성단계(S400)의 실시예를 설명한다.
( 실시 예 : Ag 피복층 형성 )
- 초기 진공도 : 1 × 10-5torr
- 플라즈마 전력 : 300V × 9A ( 2.7kW)
- Target Size 및 물질 : 130㎜ × 1200㎜, Ag(99.9%)
- 작업 진공도 : 2.0 × 10-3torr
- 유입 가스 : 알곤(순도 99.999%)
- 피복층 두께 : 100㎚ ~ 200㎚
- 증착속도 : 5 ~ 10㎚/min
진공 증착법은 진공 챔버 내의 진공도를 10-5torr ~ 10-6torr로 유지시킨 상태에서 가열원에 내소착성을 증대시킬 수 있는 은(Ag), 주석(Sn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인레스스틸 등 금속 물질을 장착시킨 후 전기적 에너지나 전자충돌, 레이저 가열 등을 이용하여 증발시켜 모재에 피복시키는 방법이다.
이때 증발시키고자 하는 물질에 따라 가열원을 보트(Boat)형태를 사용하기도 하고 코일 형태를 사용하기도 하며 가열원 재질은 텅스텐(W) 이나 몰리브데늄(Mo)을 사용한다.
증착속도는 물질의 종류에 따라 그리고 가열원의 온도에 따라 결정되며 본 발명에서는 Ag 물질을 약 5~ 10㎚/min 증착 속도로 금속 박막을 피복시켰다.
금속 박막의 증착속도는 코팅 제품 제조에 큰 변수는 아니나 너무 빠른 속도로 피복시킬 경우 모재과 금속 박막과의 박리 현상이 발생될 수 있어 주의가 요망된다.
상기와 같은 실시예에 따라 제조된 부품(100)은 도 6과 같은 외관을 나타내었다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
100. 부품 120. 부품모재
140. 내식성박막 160. 내열성박막
180. 내소착성박막 S100. 모재준비단계
S200. 내식성박막형성단계 S300. 내열성박막형성단계
S400. 내소착성박막형성단계

Claims (11)

  1. 철-탄소 합금강, 저합금강, 고합금강 중 어느 하나로 이루어지고 원자력발전소용 부품의 재료가 되는 부품모재와,
    상기 부품모재의 외면에 니켈(Ni) 또는 주석(Sn)을 포함하는 금속이 도금법으로 형성되어 내식성을 부여하는 내식성박막과,
    상기 내식성박막의 외면에 질화타이타늄(TiN), 질화크롬(CrN), 질화지르코늄(ZrN), 질화타이타늄알루미늄(TiAlN), 질화타이타늄크로뮴(TiCrN), 산화타이타늄(TiO2), 산화크로뮴(Cr2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화주석(SnO2) 중 하나 이상을 포함하도록 이온플레이팅법 또는 스퍼터링법으로 형성되어 내열성을 부여하는 내열성박막과,
    상기 내열성박막의 외면에 은(Ag), 주석(Sn), 인듐(In), 타이타늄(Ti), 크로롬(Cr), 니켈(Ni), 스테인레스스틸 중 하나 이상을 포함하도록 스퍼터링법 또는 진공증착법으로 형성되어 내소착성을 부여하는 내소착성박막을 포함하여 구성되며,
    상기 내식성박막은 내열성박막과 부품모재의 밀착성을 높이는 것을 특징으로 하는 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내식성박막은 0.3 내지 30㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 내열성박막은, 0.1 내지 1.0㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 내소착성박막은, 0.1 내지 3㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 내식성과 내열성 및 내소착성을 가지는 원자력발전소용 부품
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