KR101519189B1 - Method and system for nitriding bore of pipe with hollow cathode discharge - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파이프와 같은 깊이가 있는 물체의 내벽 면을 질화 처리하는 기술에 관한 것으로, 할로우 캐소드 방전(Hollow Cathode Discharge:HCD)을 이용한 내경 질화 기술을 제공하고자 하였다.
그에 따라 본 발명은, 질화 처리하고자 하는 중공체 또는 음각 부재 자체를 음극으로 이용하고, 이러한 피처리물을 수천개 까지 고정할 수 있는 전도성 지그 시스템을 설계하고, 상기 지그시스템에 전원을 인가하여 중공체 또는 음각 부재 자체가 할로우 캐소드로 작용하여 그 안쪽 공간에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 생성된 플라즈마로 음극 부재 내벽면을 질화처리 하도록 하였다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique for nitriding an inner wall surface of an object having a depth such as a pipe, and is intended to provide an inner nitriding technique using a Hollow Cathode Discharge (HCD).
Accordingly, it is an object of the present invention to design a conductive jig system in which a hollow body or intaglio member itself to be nitrided is used as a cathode, and a plurality of such objects can be fixed, and a power supply is applied to the jig system, The body or the intaglio member itself acts as a hollow cathode, causing a hollow cathode discharge in the inner space, and nitriding the inner wall surface of the cathode member with the generated plasma.

Description

할로우 캐소드 방전을 이용한 내경 질화 방법 및 장치{METHOD AND SYSTEM FOR NITRIDING BORE OF PIPE WITH HOLLOW CATHODE DISCHARGE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method and apparatus for nitriding internal electrodes using a hollow cathode discharge,

본 발명은 파이프와 같은 깊이가 있는 물체의 내벽 면을 질화 처리하는 기술에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 할로우 캐소드 방전(Hollow Cathode Discharge:HCD)을 이용한 내경 질화 방법 및 장치에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique for nitriding an inner wall surface of a pipe-like object, and more particularly, to a method and apparatus for inner wall nitriding using Hollow Cathode Discharge (HCD).

자동차, 항공기 기타 기계 부속품 중에는 파이프, 튜브 형상으로 되어 있거나 음각 가공된 형상을 한 것들이 있으며, 이러한 부속품들의 내구성이 그 내벽면에도 요구되는 경우가 많다. 금속 부재에 경도와 내식성을 부여하는 표면처리로 질화처리가 대표적이며, 질화 공정은 실제 구현 공정상 고도의 공정 제어를 요하는 기술이기도 하다. 공정의 효율 및 질화 깊이 등의 품질면에서 플라즈마 질화처리가 바람직하다고 볼 수 있으나, 음각부분의 내경 질화는 용이하지 않다. Some automotive, aircraft, and other mechanical accessories are in the form of pipes, tubes, or engraved shapes, and the durability of these accessories is often required for the interior walls. Nitriding is a typical surface treatment that imparts hardness and corrosion resistance to metallic parts. Nitriding is also a technique that requires high-level process control in actual implementation. Plasma nitridation is desirable from the viewpoint of quality such as process efficiency and nitriding depth, but nitriding of the recessed portion is not easy.

일반적으로 질화처리는 금속 표면에 질소 확산에 의한 질화물을 형성시켜 표면 경도 및 내식성, 내마모성, 피로강도 등을 향상시키는 가공법으로, 침탄, 고주파 열처리 등 다른 표면 경화법과는 달리 강의 변태점(A1 변태점: 723℃) 이하의 온도(600℃ 미만)에서 처리되기 때문에 열처리 변형이 적어 정밀기계부품 및 자동차 부품, 금형 등에서 많이 사용되고 있다. 질화처리는 소재 표면에 경질 혹은 기능성 물질을 증착시켜 표면을 개질하는 표면 코팅법과는 분명히 구분되는 확산 침투법에 속한다. Generally, nitriding treatment to form a nitride with nitrogen diffused to the metal surface hardness and corrosion resistance, as processing methods for improving the wear resistance, fatigue strength and the like, carburization, high-frequency heat treatment, etc. Unlike other surface hardening method and the lecture transformation point (A 1 transformation point: 723 ° C) or less (less than 600 ° C), it is used in precision mechanical parts, automobile parts, and molds because of less heat treatment deformation. The nitriding process belongs to the diffusion penetration method which is distinct from the surface coating method of modifying the surface by depositing a hard or functional substance on the surface of the material.

질화처리는 크게 가스질화와 액체질화(염욕질화), 플라즈마 질화(이온 질화) 등으로 구분이 가능하다. 이 중 가스질화의 경우 약 560~580℃로 가열된 기상의 암모니아(NH3) 분위기에서 수십 시간가량 노출시켜 금속 제품에 질화층을 형성하는 방법으로, 제품 형상에 제약이 적고 대용량 처리에 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 상용화 특성 구현을 위해 장시간이 소요된다는 점과 전용 소재에만 적용이 가능하다는 점, 유해물질인 암모니아 가스의 사용으로 인해 후처리 장치가 필요하다는 단점이 있다. The nitrification treatment can be roughly divided into gas nitriding, liquid nitriding (salt bath nitriding), plasma nitriding (ion nitriding), and the like. In the case of gas nitriding, a nitriding layer is formed on a metal product by exposure to gaseous ammonia (NH 3 ) atmosphere heated to about 560 to 580 ° C. for about several hours, However, it has a disadvantage that it takes a long time to realize commercialization characteristics and it can be applied only to dedicated materials, and that a post-treatment device is required due to the use of ammonia gas, which is a harmful substance.

액체질화(염욕질화)는 시안(CN-) 혹은 시안산(CN-) 염에 금속 제품을 넣고 액상에서 질화처리를 진행하는 방법으로, 짧은 시간에 상당히 깊은 질화층을 형성시킬 수 있다는 장점을 가지고 있으나 다공성(porous) 질소화합물층의 형성으로 인해 후처리가 반드시 필요하다는 점과 유독성 물질이 사용된다는 점에 있어 그 사용이 점차 줄어들고 있다. Liquid nitration (salt bath nitriding) is a method of adding a metal product to cyanide (CN - ) or cyanic acid (CN - ) salt and nitriding it in liquid phase. But their use is gradually diminishing in that they require post-treatment due to the formation of a porous nitrogen compound layer and that toxic substances are used.

플라즈마 질화(이온 질화)는 글로우 방전(glow discharge)에 의해 형성된 질소이온을 이용하여 금속 제품에 질화층을 형성시키는 방법으로, 조작이 까다롭고 높은 설비비용을 요구한다는 단점이 있으나 높은 에너지를 갖는 질소이온에 의해 처리됨으로써 처리시간을 단축시킬 수 있고 질화층의 구조 및 깊이 제어에 용이하며, 특히 유해물과 공해 발생이 없어 타 질화 기술 대비 그 비중이 점차 증가하고 있다. Plasma nitrification (ion nitridation) is a method of forming a nitride layer on a metal product by using nitrogen ions formed by glow discharge, and it is disadvantageous in that it is difficult to operate and high equipment cost is required. However, Ions, it is possible to shorten the treatment time and to easily control the structure and depth of the nitride layer. In particular, the ratio of the nitriding technology to the rutting technology is gradually increasing due to the absence of harmful substances and pollution.

한편, 플라즈마 표면처리기술 중 할로우 캐소드 방전 현상을 이용한 표면처리는 특유의 강한 방전으로 인하여 제품에 대한 국부적인 과열(over heating)이나 손상(damage)을 입혀 불량률이 높아 바람직하지 않다고 인식되어 왔다.On the other hand, among the plasma surface treatment techniques, it has been recognized that the surface treatment using the hollow cathode discharge phenomenon is undesirable because of the inherent strong discharge, resulting in local overheating or damage to the product, resulting in a high defect rate.

또한, 할로우 캐소드 방전 현상을 음각부분의 표면처리에 시도하는 경우, 대한민국 공개특허제10-2008-0098826호에서와 같이, 파이프 안에 방전용 음극을 설치하여 할로우 캐소드 방전을 일으키므로, 음극 자체의 가공, 설치에 따르는 설비비와 노력 등으로 양산처리에 부적합하여 산업상으로는 실익이 없는 상황이다.
In addition, when attempting to treat the hollow cathode discharge phenomenon on the surface of the engraved portion, as disclosed in Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0098826, a discharge cathode is disposed in the pipe to cause a hollow cathode discharge, , Installation cost and effort due to installation is not suitable for mass production, and there is no industrial benefit.

따라서 본 발명의 목적은 음각 부재의 내벽면에 대해 간소화된 설비로 할로우 캐소드 방전을 이용하여 고밀도 이온 집중과 발열로 추가적인 가열공정 없이 중공체 내경부 또는 음각부를 빠른 시간에 집중적으로 고품질의 질화 처리 기술을 제공하고자 하는 것이다. Therefore, an object of the present invention is to provide a high-quality nitriding treatment technology in a short time, intensively, in a short period of time, in a hollow body without any additional heating process due to high density ion concentration and heat generation by using a hollow cathode discharge, .

본 발명의 또 다른 목적은, 중공체를 포함한 금속 부품의 내경부 및 기타 음각 가공된 금속 제품들의 양산성 있는 질화처리 기술을 제공하고자 하는 것으로, 각각의 제품 내경부에 동일한 형상의 할로우 캐소드 방전을 챔버 내부 전체에 균일하게 형성하여, 단 한 번의 공정으로 수천 단위 물품의 질화 처리를 실시할 수 있게 하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a mass-production nitriding technique for the inner diameter portion of metal parts including a hollow body and other intaglio machined metal products, and to provide a hollow cathode discharge of the same shape So that the nitriding treatment of thousands of articles can be performed in a single step.

상기 목적에 따라 본 발명은, 질화 처리하고자 하는 음각 부재 자체를 음극으로 이용하고, 여기에 전원을 인가하여 중공체 또는 음각 부재 안쪽 공간에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 생성된 플라즈마로 음극 부재 내벽면을 질화처리 하도록 하였다. According to the above object, according to the present invention, a negative electrode to be nitrided is used as a negative electrode, a power is applied to the negative electrode to cause a hollow cathode discharge in a hollow space or a hollow space inside the negative electrode, Respectively.

즉, 본 발명은, That is,

진공 챔버;A vacuum chamber;

상기 진공 챔버 안에 설치되는 전도성 지그;A conductive jig installed in the vacuum chamber;

상기 전도성 지그에 접촉고정되되, 하나의 전도성 지그에 고정배치되는 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들;A plurality of conductive hollow bodies or engraved members fixed in contact with the conductive jig and fixed to one conductive jig;

상기 진공 챔버에 연결된 가스공급부;및A gas supply connected to the vacuum chamber;

전원장치;를 포함하고,A power supply device,

상기 전원장치의 양극과 음극 중 어느 하나는 상기 진공 챔버에 접속시키고, 나머지 다른 하나는 상기 전도성 지그에 접속시켜 전원을 공급하고,One of the positive electrode and the negative electrode of the power source device is connected to the vacuum chamber and the other is connected to the conductive jig to supply power,

상기 가스공급부를 통해 질소를 포함한 공정 가스를 공급하여, 상기 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들의 중공부 또는 음각부에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 중공부 내벽면 또는 음각부 내벽면을 질화처리 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다.And a process gas including nitrogen is supplied through the gas supply unit to cause a hollow cathode discharge in the hollow or depressed portions of the plurality of conductive hollow bodies or intaglio members to nitridize the inner wall surface of the hollow portion or the wall surface of the engraved portion The inner diameter nitriding treatment system can be provided.

또한, 본 발명은, 상기 전도성 지그는 상기 진공 챔버 안에 절연체로 지지 되는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. The present invention also provides an internal nitriding processing system, wherein the conductive jig is supported by an insulator in the vacuum chamber.

또한, 본 발명은, 상기 질화처리는 상온에서 실시하고, 상기 진공 챔버 내에 별도의 열처리 장치를 설치하지 않는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. Further, in the present invention, it is possible to provide the internal nitriding processing system, wherein the nitriding treatment is performed at room temperature, and no separate heat treatment apparatus is provided in the vacuum chamber.

또한, 본 발명은, 상기 전도성 지그는, 플레이트형 지그 프레임을 포함하고, 상기 플레이트형 지그 프레임은, 다수의 홀(hole)을 구비하여, 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들은 상기 홀에 고정되는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. Further, the present invention is characterized in that the conductive jig includes a plate-shaped jig frame, the plate-shaped jig frame has a plurality of holes, and a plurality of conductive hollow bodies or engraved members are fixed to the holes The inner diameter of the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter-

또한, 본 발명은, 상기 질화 처리 공정을 위한 전원인가에 있어서, 피처리물인 중공체 또는 음각 부재들에 대한 질화 정도는 인가 전압을 조절하여 제어하고, 진공 챔버 내 피처리물의 개수 증가에 따라 인가 전류를 증가시켜 질화처리 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다.Further, in the present invention, in the power supply for the nitriding process, the nitriding degree of the hollow body or the intaglio members, which are the object to be processed, is controlled by controlling the applied voltage, And the nitriding treatment is performed by increasing the current.

또한, 본 발명은, 상기 진공 챔버 안에, 질소와 수소를 주입하고, 주입된 가스 중 질소의 분율은 10~100%로 하고, 공정 압력은 0.05 ~ 10 Torr의 범위를 유지하고, 5 ~ 100kW의 전력을 인가하여 질화 처리하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다.Further, the present invention is characterized in that nitrogen and hydrogen are injected into the vacuum chamber, the fraction of nitrogen in the injected gas is 10 to 100%, the process pressure is maintained in the range of 0.05 to 10 Torr, And a nitriding treatment is performed by applying electric power to the inner diameter nitriding treatment system.

또한, 본 발명은, 질화처리를 마친 후, 피처리물을 진공 챔버 안에서 냉각시시킨 후 진공 챔버로부터 언로딩 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. Further, the present invention can provide an internal nitriding processing system, characterized in that after the nitriding treatment, the object to be processed is cooled in a vacuum chamber and then unloaded from the vacuum chamber.

본 발명에 따르면, 중공체 형상을 이루는 파이프 등의 피처리물을 캐소드로 이용하여 할로우 캐소드 방전을 일으켜 중공체 내벽면을 고품질로 질화할 수 있으며, 별도의 캐소드 전극 구성을 요하지 않아 설비가 단순하며, 하나의 챔버에 다수의 피처리물을 전도성 지그에 고정하여 한번에 동시 처리하므로 양산성이 매우 높다는 장점을 지닌다. According to the present invention, a hollow cathode discharge can be generated by using a to-be-processed material such as a pipe having a hollow body shape as a cathode, thereby nitriding the inner wall surface of the hollow body with high quality. , It is advantageous in that the mass productivity is very high since a plurality of objects to be processed in one chamber are fixed to the conductive jig and simultaneously processed at the same time.

또한, 본 발명은 인가 전압을 조절하여 할로우 캐소드 방전을 제어함으로써 중공체 내벽면의 질화 특성을 원하는 수준으로 유도하므로, 질화 처리에서 흔히 실시하는 별도의 열처리 공정을 요하지 않아, 상온 질화 처리할 수 있어 공정상의 간소화 또한 장점이다.
Further, the present invention controls the applied voltage to control the hollow cathode discharge, thereby inducing the nitriding characteristic of the inner wall surface of the hollow body to a desired level, so that a separate heat treatment step, which is often performed in the nitriding treatment, Simplification of the process is also an advantage.

도 1은 본 발명의 질화 처리 장치를 설명하기 위한 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따라 다수의 중공체에 일으킨 할로우 캐소드 방전 형상을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 내경 질화처리 적용 후 단면 조직 관찰을 위해 가공 후 5% 나이탈에 의해 부식시킨 결과물의 대비 외관 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 내경부 단면 질화 조직 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 질화 처리 전ㅇ후 제품의 내경부 표면 경도 비교 사진(도 5a; 질화 처리 전 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 250.4 HV 0.3 kgf, 도 5b; 질화 처리 후 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 663.7 HV 0.3 kgf)이다.
도 6은 본 발명에 따른 질화 처리 후 내경부 표면으로부터 깊이 방향 심부 경도를 측정한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 질화 처리 후 내경부 깊이 방향 심부 경도 분포 그래프이다.
1 is a cross-sectional view for explaining a nitriding treatment apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a photograph of the shape of a hollow cathode discharge generated in a plurality of hollow bodies according to the present invention.
FIG. 3 is a contour appearance photograph of a result of corrosion after 5% of the processing and detachment to observe the cross-sectional structure after applying the inner nitriding treatment according to the present invention.
Fig. 4 is a photograph of the inner diameter portion cross-sectional nitrification structure according to the present invention.
5A and 5B are photographs showing the hardness of the inner diameter portion of the product after the nitriding treatment according to the present invention (FIG. 5A: the hardness of the surface portion of SCM415 hollow metal product before nitriding: 250.4 HV 0.3 kgf, Surface hardness in SCM415 hollow body metal product: 663.7 HV 0.3 kgf).
FIG. 6 is a photograph showing the depth hardness in the depth direction from the surface of the inner diameter portion after the nitriding treatment according to the present invention. FIG.
FIG. 7 is a graph of hardness distribution in the depth direction of the inner diameter portion after the nitriding treatment according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명의 할로우 캐소드 방전으로 질화 처리하는 장치의 구성을 단면도로 나타내고 있다. Fig. 1 is a sectional view showing a configuration of an apparatus for nitriding a hollow cathode discharge according to the present invention.

SUS 등의 전도성 금속으로 된 진공 챔버(100)는 가스공급부(200), 진공배기관(300) 및 전원(400)이 설치되어 있고, 진공 챔버(100) 내부에는 전도성 지그 시스템이 설치된다. 상기 전도성 지그 시스템은 지그 프레임(600, 610)이 연결되어 전체적으로 전기적인 폐쇄 루프형태를 이루며, 하나의 폐 루프 안에 다수의 폐 루프를 갖게 구성할 수 있다. 상기 전도성 지그 시스템은 전원(400)의 한쪽 극성 단자가 연결되는 플레이트 형태의 지그 베이스(620)를 기반으로 구축되며, 상기 지그 베이스(620)는 절연체(700)에 의해 챔버(100) 몸체로부터 격리된다. 중공체 또는 음각부를 구비한 피처리물(900)은 상기 지그 프레임(600)에 고정되어 질화 처리되며, 다수의 피처리물(900)을 장입할 수 있어 양산에 매우 적합하다. 공정 실시 후 피처리물(900)의 냉각 또한 챔버(100) 안에서 실시하는 것은 특별한 이익이 있기 때문에 냉각팬(800) 또한 구비하는 것이 바람직하다. A vacuum chamber 100 made of a conductive metal such as SUS is provided with a gas supply unit 200, a vacuum exhaust pipe 300 and a power supply 400, and a conductive jig system is installed in the vacuum chamber 100. The conductive jig system may be configured such that the jig frames 600 and 610 are connected to form an electrical closed loop as a whole and have a plurality of closed loops in one closed loop. The conductive jig system is constructed on the basis of a plate type jig base 620 to which one polar terminal of the power source 400 is connected and the jig base 620 is insulated from the body 100 of the chamber 100 by an insulator 700. [ do. The object to be processed 900 having a hollow body or an engraved portion is fixed to the jig frame 600 and nitrided, and a large number of objects 900 can be charged, which is suitable for mass production. It is preferable that the cooling fan 800 is also provided because it is of special advantage to perform the cooling of the object 900 in the chamber 100 after the process.

진공배기관(300)은 진공 챔버(100)로부터 진공 펌프(310)까지 연결시켜 주며, 대기압 상태로부터 초기 진공(10 Torr 이하)을 구현하는 로터리 펌프, 공정 진공도를 구현하는 부스터 펌프로 진공 펌프(310)를 구성할 수 있다. The vacuum exhaust pipe 300 connects the vacuum chamber 100 to the vacuum pump 310. A rotary pump for realizing an initial vacuum (10 Torr or less) from the atmospheric pressure state and a booster pump for realizing process vacuum are connected to a vacuum pump 310 ).

이하, 질화 처리 공정에 대하여 그 원리와 함께 상세히 설명한다.Hereinafter, the nitriding process will be described in detail with reference to the principle thereof.

먼저, 중공체 또는 음각 가공된 다수의 금속 피처리물(900)들을 플레이트상 의 상기 지그 프레임(600)에 일정 간격으로 고정하여 챔버(100) 내에 장입시킨다. 상기 지그 프레임(600)은 원형 또는 사각형의 플레이트를 기본 구조로 하고, 여기에 적절한 홀(hole)이 다수 뚫려있어, 중공체 피처리물(900)을 꽂아 고정하며, 이같은 플레이트형 지그 프레임(600)들을 간격을 두고 층층이 쌓아 기둥형 지그프레임(610)에 고정한다. First, a plurality of metal objects 900 to be machined with a hollow body or engraved are fixed to the jig frame 600 on a plate at predetermined intervals and charged into the chamber 100. The jig frame 600 has a circular or square plate as a basic structure and a plurality of holes suitable for the jig frame 600 are inserted therein to fix and fix the hollow object 900. The plate jig frame 600 Are stacked at intervals and fixed to the columnar jig frame 610 by stacking layers.

상기 지그 시스템이 진공 챔버(100) 내부에 배치될 때 지그 시스템과는 반대편 전극이 접촉되는 동시에 그라운드 상태로 되는 진공 챔버(100)와는 절연이 유지되어야 하므로, 이를 위해 진공 챔버(100)와 지그 시스템의 지그 베이스(620) 사이에는 지그 절연체(700)를 위치시켜 지그 시스템은 진공 챔버(100)과는 절연 상태를, 전원(500)과는 통전 상태를 유지하게 한다. 지그 절연체(700)의 구성은 세라믹을 포함한 기타 절연체로 만들 수 있으며, 지그 시스템 및 질화처리를 적용하고자 하는 중공체 피처리물(900)의 하중을 버틸 수 있는 충분한 내구성을 가져야 한다. When the jig system is disposed inside the vacuum chamber 100, the electrode opposite to the jig system must be kept in contact with the vacuum chamber 100 which is in a ground state. For this purpose, the vacuum chamber 100 and the jig system The jig insulator 700 is placed between the jig base 620 of the vacuum chamber 100 so that the jig system maintains the insulation state with respect to the vacuum chamber 100 and maintains the electric connection with the power source 500. The structure of the jig insulator 700 may be made of other insulators including ceramics and should have sufficient durability to bear the load of the jig system and the hollow object 900 to be nitrided.

다음, 챔버(100) 내부를 진공 펌프(310)로 약 0.05 Torr 내지 10-4Torr의 진공도로 진공화한다. Next, the interior of the chamber 100 is evacuated to a vacuum degree of about 0.05 Torr to 10 -4 Torr by a vacuum pump 310.

가스 공급은 밸브(210)를 통해 유량을 조절하며 공급하여 공급관(220)을 거쳐 가스 분사구(230)로 공급한다. 즉, 가스공급부(200)를 통해 N2와 H2 혼합 가스를 일정비로 주입하여 0.05~10 Torr의 압력 분위기로 만들고, 상기 지그 베이스(620)에 피드 스루(500)를 통해 전원(400)의 한쪽 극성의 전극, 바람직하게는 음극을 연결하고 나머지 전극은 챔버(100)에 연결한다. 주입된 N2와 H2 혼합 가스 중 N2 가스의 비중은 10~100체적%로 하며, 공정 압력도 0.05 ~ 10 Torr의 범위까지 질화 처리를 적용하고자 하는 중공체 피처리물(900)의 직경에 따라 혹은 제품이 요구하는 질화 층 특성에 따라 공정 압력을 바꾸어 제어할 수 있다. The gas supply regulates the flow rate through the valve 210 and supplies the gas to the gas injection port 230 via the supply pipe 220. That is, the mixed gas of N 2 and H 2 is injected at a predetermined ratio through the gas supply unit 200 to a pressure atmosphere of 0.05 to 10 Torr, and the gas is supplied to the jig base 620 through the feed- The electrode of one polarity, preferably the cathode, is connected and the other electrode is connected to the chamber 100. The specific gravity of the N 2 gas in the injected N 2 and H 2 mixed gas is 10 to 100% by volume, and the diameter of the hollow object 900 to be nitrided to a process pressure in the range of 0.05 to 10 Torr Or by changing the process pressure according to the characteristics of the nitride layer required by the product.

전원(400)을 동작시켜 일정 전력을 가하면, 각각 직렬로 연결된 다수의 피처리물(900)들은 그 형상으로 인해 하나의 할로우 캐소드로 작용하여 할로우 캐소드 방전이 일어나, 중공체 내벽면으로 플라즈마를 유도하는 별도의 노력 없이 중공 또는 음각부에 플라즈마가 형성된다. 따라서 피처리물(900)의 내벽면 쪽에 직접 형성시킨 할로우 캐소드 방전(HCD)의 효과를 통해 챔버 내 주입된 질소를 원자상태로 만들어 중공체 또는 음각 부재 내벽면에 균일한 질화층을 형성할 수 있다. When a power source 400 is operated to apply a constant electric power, a plurality of workpieces 900 connected in series serve as one hollow cathode due to the shape thereof, causing a hollow cathode discharge to induce a plasma to the inner wall surface of the hollow body A plasma is formed in the hollow or engraved part without any extra effort. Therefore, the nitrogen injected into the chamber can be made into an atomic state through the effect of the hollow cathode discharge (HCD) formed directly on the inner wall surface of the object 900 to form a uniform nitride layer on the inner surface of the hollow body or the intaglio member have.

이때 인가되는 전력의 값은 5 ~ 100 kW로 할 수 있다. 인가되는 전력의 값은 장입 되는 피처리물(900)의 수량 및 전체 표면적에 비례하여 증가시키게 된다. 피처리물의 소재 종류 및 열처리 조건 등에 따라 인가되는 전력 값이 바뀔 수 있으나, 동일 소재의 중공체 피처리물(900)에 있어서는 그 장입 수량이 증가함에 따라 각 소재별로 적정한 전압의 값을 일정하게 유지시키고, 전류 값을 상승시키는 방법으로 전체 전력 값을 상승시키도록 함이 바람직하다. At this time, the value of the applied power may be 5 to 100 kW. The value of the applied electric power is increased in proportion to the quantity and total surface area of the object 900 to be charged. The electric power value to be applied may vary depending on the material type of the material to be processed and the heat treatment conditions. However, in the case of the hollow body 900 to be processed of the same material, the proper voltage value is kept constant , And the total power value is increased by a method of increasing the current value.

지그시스템에 인가되는 음극은 직류(DC) 또는 펄스 전압이며, 지그 프레임(620)에 고정된 중공체 피처리물(900)에 도달되어 내경부 표면에서 글로우 방전 및 할로우 캐소드 방전을 형성하며, 이때 발생하는 발열 현상과 높은 이온 밀도로 인해 질소가 중공체의 내경 표면부 안쪽으로 침투·확산, 질소화합물층 및 질소확산층을 형성하게 된다. The negative electrode applied to the jig system is a direct current (DC) or pulse voltage and reaches the hollow object 900 to be fixed to the jig frame 620 to form a glow discharge and a hollow cathode discharge on the inner diameter surface, Due to the exothermic phenomena and the high ion density, nitrogen penetrates and diffuses into the inside surface of the hollow body, and a nitrogen compound layer and a nitrogen diffusion layer are formed.

본 발명은 피처리물(900) 내벽면에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 방전에 의해 피처리물 내벽면의 질화에 필요한 에너지를 모두 공급함에 따라 기존에 질화 공정에서 흔히 제공하던 열처리 공정을 별도로 실시하지 않아도 충분한 질화 품질을 얻을 수 있고, 공정 챔버(100) 안에 별도의 히터를 설치할 필요가 없이 상온에서 공정을 진행한다. Since the present invention provides a hollow cathode discharge in the wall surface of the object 900 to supply the energy required for nitriding the wall surface in the object to be treated by the discharge, it is unnecessary to separately perform the heat treatment process, A sufficient nitriding quality can be obtained, and the process is carried out at room temperature without the need to provide a separate heater in the process chamber 100.

질화 공정 직후 공정 챔버(100) 내부에 질소가스를 100~400 Torr까지 주입하며, 질화 처리 후 질소가스의 잔류분을 챔버 내부에 장착된 냉각 팬(800)을 가동하여 대류를 일으키며 120분 이하의 시간 동안 피처리물(900)을 냉각시킨다. 가스 주입부(200)를 통해 불활성 N2 가스를 주입하면서 대류분위기 하에 열 전달 매질로 활용 중공체 피처리물(900), 지그 시스템 및 진공 챔버(100) 내부에 잔류된 분위기 가스를 빠르게 냉각한다. Immediately after the nitriding process, nitrogen gas is injected into the process chamber 100 up to 100 to 400 Torr. After the nitriding process, the nitrogen gas is circulated through the cooling fan 800 mounted in the chamber, The object to be processed 900 is cooled. And the introduction of an inert N 2 gas through the gas injection unit 200 utilized under convection atmosphere in the heat transfer medium the hollow body to be processed 900, the jig system and rapidly cooling the remaining atmospheric gas in the vacuum chamber 100 .

이와 같이 챔버(100) 내에서 냉각시키는 것이 질화 된 피처리물(900)의 질화막의 품질을 우수하게 유지할 수 있게 하며, 이는 고온 상태로 대기중에 노출될 경우, 피막이 산화하거나 다른 성분과 반응하여 변색 등의 변성을 방지할 수 있기 때문이다. 따라서 질화 공정 직후부터 챔버 내부 온도가 적어도 약 150℃ 미만까지 도달하도록 자연 냉각시키는 냉각공정을 포함하는 것을 특징으로 한다. Cooling in the chamber 100 as described above makes it possible to maintain the quality of the nitrided film of the nitrided object 900 to be excellent. When exposed to the atmosphere at a high temperature, the film is oxidized or reacted with other components, And the like can be prevented. And a cooling step in which the internal temperature of the chamber is naturally cooled so as to reach at least about 150 캜 or less immediately after the nitriding process.

질화처리 및 냉각 공정이 완료되면, 상온·상압으로 진공 챔버(100) 내부에 대기 가스 및 저 순도 N2 가스를 주입하여 진공도를 풀어주는 통기(vent)와 중공체 피처리물(900)을 밖으로 꺼내는 언로딩(unloading)을 진행한다. After the nitriding process and the cooling process are completed, the vent and the hollow body 900 to be vacuumed are introduced into the vacuum chamber 100 by injecting atmospheric gas and low-purity N 2 gas into the vacuum chamber 100 at room temperature and atmospheric pressure, Proceed with unloading.

이하, 시편 제작에 대한 실시 예를 통하여 본 발명의 작용 및 효과를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the operation and effect of the present invention will be described in more detail with reference to examples of specimen production.

본 발명의 할로우 캐소드 방전효과를 이용한 중공체의 내경부 질화 처리가 진행되는 피처리물(900)은 SCM415 및 SUS, STD 강종을 포함한 철(Fe)계 금속과 알루미늄(Ai), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 등 비철 금속계 질화물 형성이 가능한 금속 소재일 수 있다. The object 900 on which the inner diameter portion nitriding process of the hollow body using the hollow cathode discharge effect of the present invention proceeds includes SCM415 and an iron (Fe) based metal including SUS and STD steel, aluminum (Ai), titanium (Ti) , Chrome (Cr), and the like.

할로우 캐소드 방전 효과를 이용한 중공체의 내경부 질화 처리가 진행되는 피처리물(900)의 형태는 직경이 수 내지 수백 mm에 길이 50 내지 1,000mm까지의 원통형 또는 그와 유사한 형태의 중공체, 음각 가공된 금속 제품이며, 본 실시예는 직경 20mm에 길이 170mm인 파이프 형태의 단조 가공된 SCM415강을 피처리물로 하여 질화처리를 진행하였다. The shape of the object 900 to be subjected to the inner diameter portion nitriding process of the hollow body using the hollow cathode discharge effect may be a cylindrical shape with a diameter of several to several hundreds of mm and a length of 50 to 1,000 mm, The present embodiment is a process for nitriding the forged SCM415 steel having a diameter of 20 mm and a length of 170 mm as a material to be processed.

SCM415 강 시편 1,000개를 준비하여 진공 챔버(100) 내부에 장입하며, 각각의 시편들을 일정한 간격으로 상기 지그 시스템에 고정하였고, 이때 중공체 형태의 시편들은 내경부 안쪽까지 공정 가스의 이동이 원활하도록 양쪽 홀(hole)은 개방되어 있는 상태였고, 질화처리를 적용하고자 하는 중공체 피처리물(900) 시편의 측면 혹은 양쪽 홀(hole)이 개방될 수 있게 하는 위치로 지그 프레임(600)에 고정시켜야 한다. 1,000 SCM415 steel specimens were prepared and charged into the vacuum chamber 100. The specimens were fixed to the jig system at regular intervals. The hollow specimens were moved to the inside of the neck to facilitate the movement of the process gas Both holes are open and are fixed to the jig frame 600 at the side or both of the holes of the specimen 900 for the hollow body to be nitrided to be applied, .

지그 시스템의 각 지그 프레임(600)은 플레이트형이고, 하나의 지그 프레임(600)에 중공체 피처리물(900) 시편을 각각 200개씩 고정시켜 다섯 개의 지그프레임(600)을 지지시켜 전체적으로 하나의 챔버에서 1,000개의 시편을 처리하였다. Each of the jig frames 600 of the jig system is plate-shaped and supports five jig frames 600 by fixing 200 specimens of the hollow body 900 to one jig frame 600 to form one 1,000 specimens were processed in the chamber.

전 범위에 있어 균일하게 구현되는 압력으로 공정 압력은 500~700mTorr로 하였으며, 이와 같은 적정 압력은 다수의 시편에 균일한 품질의 질화에 상당히 중요한 변수가 된다. The process pressure is set to 500 to 700 mTorr with uniform pressure throughout the entire range, and such an appropriate pressure is a very important parameter for uniform quality nitriding in many specimens.

지그에 전원을 인가하여 5 ~ 100kW 전력을 공급하며, 상기 질화처리 공정 중 바람직한 공정진행 여부를 확인하였으며, 할로우 캐소드 방전 균일분포 여부와 할로우 캐소드 방전 및 플라즈마가 나타내는 색상, 밝기 판별을 통해 질화처리 진행 여부를 확인할 수 있으며, 본 실시 예의 좀더 명확한 구현을 위한 SCM 415 중공체 금속제품 질화처리의 경우 도 2에 도시 한 것과 같은 할로우 캐소드 방전 및 플라즈마 형상이 나타났다. 이때의 할로우 캐소드 방전 형상에 있어 소재의 종류보다는 중공체 피처리물(900)의 형상이 더 큰 지배력을 갖는 것을 알 수 있었다.The power was applied to the jig to supply 5 to 100 kW power, and it was confirmed whether or not the process was favorably proceeded in the nitriding process. The nitriding process was carried out by discriminating whether the uniformity of the discharge was uniform and the color and brightness represented by the hollow cathode discharge and plasma. And in the case of the SCM 415 hollow metal product nitriding process for a more precise implementation of the present embodiment, a hollow cathode discharge and a plasma shape as shown in Fig. 2 appeared. At this time, it is found that the shape of the hollow body 900 to be processed has a greater dominance than the type of the material in the hollow cathode discharge shape.

도 2와 같이 적정 할로우 캐소드 방전이 형성되었음이 확인되면, 이를 유지시킴으로써 구현하고자 하는 질화 깊이 및 질화 형태에 따라 질화처리 공정을 진행하게 된다. 질화 침투 깊이는 질화처리 시간에 비례하게 되며, 중공체 피처리물(900)의 사용용도 및 요구특성에 맞추어 적정한 시간 동안 질화처리를 진행한다. 본 실시예의 SCM 415 중공체 금속제품의 질화처리는 2시간 진행하였으며, 출력 전압을 300 내지 650V 범위에서 유지하도록 공전 전력 값을 인가, 공정 압력과 주입 가스 조성비는 일정하게 유지시키며 공정을 진행하였다. When it is confirmed that a proper hollow cathode discharge is formed as shown in FIG. 2, the nitriding process is performed according to the depth of nitridation and the type of nitridation to be realized. The nitriding depth is proportional to the nitriding time, and the nitriding process is carried out for a suitable time in accordance with the intended use and required characteristics of the hollow body 900 to be processed. The nitriding process of the SCM 415 hollow metal product of the present example was conducted for 2 hours and the process was performed while keeping the output voltage constant in the range of 300 to 650 V while maintaining the process pressure and the gas composition ratio constant.

질화처리 공정 완료 후 저 순도의 N2 가스를 진공 챔버(100) 내부로 주입, 내부 압력 약 200에서 400 Torr까지 불활성의 N2 가스를 채워, 냉각 팬(800)을 가동시켜 대류 분위기로 냉각을 진행하였다. 진공 챔버(100) 내부에 채워진 N2 가스는 열 전달 매질로 작용되며, 냉각 팬(800)에 의한 대류 분위기에서 중공체 피처리물(900) 및 지그 시스템, 기타 가열된 구역의 열을 내부에 냉각라인을 구비한 진공 챔버(100) 외벽으로 전달·교환하여 빠른 냉각이 가능하도록 한다.After completion of the nitriding process, N 2 gas of low purity is injected into the vacuum chamber 100, inert N 2 gas is injected at an internal pressure of about 200 to 400 Torr, the cooling fan 800 is operated, . The N 2 gas filled in the vacuum chamber 100 acts as a heat transfer medium and flows in the convection atmosphere by the cooling fan 800 to the inside of the hollow body 900, And is transferred to and exchanged with the outer wall of the vacuum chamber 100 provided with the cooling line to enable rapid cooling.

SCM 415 중공체 금속제품에 있어서도 냉각 팬(800) 활용에 의한 냉각을 1시간 적용하였으며, 이후 100℃ 이하로 내려간 챔버 내부 온도를 확인 한 후 통기를 진행, 진공 챔버(100) 밖으로 꺼내어 대표 시편에 대한 분석을 진행하였다. In SCM 415 hollow metal products, cooling by the use of cooling fan (800) was applied for 1 hour. After confirming the internal temperature of the chamber which was lowered to 100 ° C or less, ventilation was performed and taken out of the vacuum chamber (100) .

상기 실시 한 SCM 415 중공체 금속제품의 내경 질화처리 결과물에 있어 도 3 내지 도 6에 도시하였으며, 도 4, 5, 6은 각각 내경부 질화처리 적용 후 단면 조직 관찰을 위해 가공 후 5% 나이탈에 의해 부식시킨 중공체의 외관 사진(도 3)과 내경부 단면 질화 조직 사진(도 4; 내경부 단면 질화 조직 사진, 육안상 구분되는 전체 질화 침투 깊이에 있어 약 360μm까지 구분 가능), 질화 처리 전·후 제품의 내경부 표면 경도 비교 사진(도 5a; 질화 처리 전 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 250.4 HV 0.3 kgf, 도 5b; 질화 처리 후 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 663.7 HV 0.3 kgf), 내경부 표면으로부터 깊이 방향 심부 경도 측정 사진(도 6; 질화 처리 후 SCM415 중공체 단면 경도분포 측정 사진, 경도 측정 하중 0.05kgf) 및 도 7의 그래프(SCM 415 중공체 질화처리 적용 후 내경부 깊이 방향 심부 경도 분포 그래프)로 본 실시예에 따른 분석 결과이다. The results of the internal nitriding treatment of the above-mentioned SCM 415 hollow metal product are shown in FIGS. 3 to 6, and FIGS. 4, 5 and 6 show the result of the internal nitriding treatment after 5% (Fig. 3) and photographs of the inner diameter portion of the nitrided tissue (Fig. 4, photographs of the inner diameter portion of the nitrided tissue, the total depth of penetration of the nitrified nitrifying agent can be divided to about 360 탆) The hardness of the inner diameter portion of the product before and after the product (FIG. 5a: the hardness of the surface portion of the SCM415 hollow metal product before the nitriding treatment: 250.4 HV 0.3 kgf, FIG. 5b: the surface hardness of the SCM415 hollow metal product after the nitriding process: 663.7 HV 0.3 kgf), a photograph of the depth-direction deepness hardness measurement from the inner diameter surface (FIG. 6: photograph of SCM415 hollow core section hardness distribution measurement after nitriding, hardness measurement load 0.05 kgf) and graph of FIG. 7 (SCM 415 hollow body nitriding treatment After In diameter depth direction deeper hardness distribution graph) it is the analysis result according to the embodiment.

상기 질화처리 후 분석 결과를 보면, 단조에 의한 SCM 415 강(질화 전 소재 경도: 약 250 HV 0.05 kgf) 중공체 제품의 경우 냉각시간 포함 약 3시간(질화 2시간, 냉각 1시간)의 질화처리 공정 적용만으로 전체 질화 침투 깊이는 300μm이상, 550 HV 이상의 경도 값을 갖는 유효 침투 깊이는 60μm이상의 질화층이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 이는 기존에 수십 시간까지 요구되던 내경부 질화처리 공정들과 비교할 때 질화처리 효율과 양산성, 소모 에너지 절감 및 친환경 공정 활용이라는 점에 있어 큰 장점으로 작용할 수 있으며, 철계 금속 및 Al, Ti와 같은 비철 금속 등 다양한 소재에도 적용이 가능하여 향후 그 활용 범위는 상당할 것으로 예측된다.
The analysis results after the nitriding treatment show that the nitriding treatment of SCM 415 steel (hardness before nitriding: about 250 HV 0.05 kgf) for forging is about 3 hours including cooling time (2 hours of nitriding, 1 hour of cooling) It was confirmed that the nitriding layer having a total penetration depth of 300 μm or more and a hardness value of 550 HV or more and an effective penetration depth of 60 μm or more was formed only by the process application. This can be a great advantage in terms of nitriding efficiency, mass productivity, energy consumption, and eco-friendly process compared with the inner diameter nitriding processes which have been required for several tens of hours. It can be applied to various materials such as nonferrous metals.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiment, but is capable of many modifications and variations within the scope of the appended claims. It is self-evident.

100: 챔버
200: 가스공급부
210: 밸브
220: 공급관
230: 가스 분사구
300: 진공배기관
310: 진공펌프
400: 전원
500: 피드 스루
600, 610: 지그 프레임
620: 지그 베이스
700: 지그 절연체
800: 냉각팬
900: 피처리물
100: chamber
200: gas supply part
210: Valve
220: supply pipe
230: Gas nozzle
300: Vacuum exhaust pipe
310: Vacuum pump
400: Power supply
500: Feedthrough
600, 610: jig frame
620: jig base
700: jig insulator
800: Cooling fan
900: the material to be treated

Claims (6)

진공 챔버;
상기 진공 챔버 안에 설치되는 전도성 지그;
상기 전도성 지그에 접촉고정되되, 하나의 전도성 지그에 고정배치되는, 중공부 또는 음각부를 구비한 다수의 전도성 피처리물;
상기 진공 챔버에 연결된 가스공급부;및
전원장치;를 포함하고,
상기 전원장치의 양극과 음극 중 어느 하나는 상기 진공 챔버에 접속시키고, 나머지 다른 하나는 상기 전도성 지그에 접속시켜 전원을 공급하고,
상기 가스공급부를 통해 질소를 포함한 공정 가스를 공급하여, 상기 다수의 피처리물들 자체의 각 중공부 또는 음각부에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 중공부 내벽면 또는 음각부 내벽면을 질화처리 하되,
질화처리를 위하여 별도의 가열장치에 의한 열처리를 하지 않는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템.
A vacuum chamber;
A conductive jig installed in the vacuum chamber;
A plurality of conductive objects to be contacted with and fixed to the conductive jig, the conductive objects having a hollow portion or an engraved portion;
A gas supply connected to the vacuum chamber;
A power supply device,
One of the positive electrode and the negative electrode of the power source device is connected to the vacuum chamber and the other is connected to the conductive jig to supply power,
A process gas containing nitrogen is supplied through the gas supply unit to cause a hollow cathode discharge in each hollow or intaglio part of the plurality of to-be-processed objects, thereby nitriding the inner wall surface of the hollow part or the wall surface of the intaglio part,
Wherein the heat treatment is not performed by a separate heating device for the nitriding treatment.
제1항에 있어서, 상기 전도성 지그는 상기 진공 챔버 안에 절연체로 지지 되는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템. The inner diameter nitriding system according to claim 1, wherein the conductive jig is supported by an insulator in the vacuum chamber. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 전도성 지그는, 플레이트형 지그 프레임을 포함하고, 상기 플레이트형 지그 프레임은, 다수의 홀(hole)을 구비하여, 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들은 상기 홀에 고정되는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템. [2] The apparatus of claim 1, wherein the conductive jig includes a plate-shaped jig frame, the plate-shaped jig frame has a plurality of holes, and a plurality of conductive hollow bodies or engraved members are fixed to the holes And the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter of the inner diameter portion. 제1항에 있어서, 상기 질화 처리 공정을 위한 전원인가에 있어서, 피처리물인 중공체 또는 음각 부재들에 대한 질화 정도는 인가 전압을 조절하여 제어하고, 진공 챔버 내 피처리물의 개수 증가에 따라 인가 전류를 증가시켜 질화처리 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템. The method of claim 1, wherein, in the power supply for the nitriding process, the nitriding degree of the hollow body or the intaglio members, which are the object to be processed, is controlled by controlling the applied voltage, Wherein the nitriding treatment is performed by increasing the current. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버 안에, 질소와 수소를 주입하고, 주입된 가스 중 질소의 분율은 10~100체적%로 하고, 공정 압력은 0.05 ~ 10 Torr의 범위를 유지하고, 5 ~ 100kW의 전력을 인가하여 질화 처리하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템.

2. The method of claim 1, wherein nitrogen and hydrogen are introduced into the vacuum chamber, the nitrogen fraction in the injected gas is 10 to 100% by volume, the process pressure is maintained in the range of 0.05 to 10 Torr, Of the inner diameter of the inner diameter portion of the inner diameter of the inner diameter portion of the inner diameter portion of the inner diameter portion.

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