KR101574256B1 - Surface treatment method of stainless steel for high temperature and pressure condition and parts using same method. - Google Patents

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차병철
허성보
권아람
정우창
김준호
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한국생산기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a surface treatment method of a stainless steel valve used in a power plant and a chemical plant and, more specifically, relates to a surface treatment method of a steel material capable of extending a usage life span of a valve by performing continuously a surface modification treatment and coating of the valve surface to provide functionality and wear resistance to the valve. The surface treatment method of a stainless part of the present invention comprises: (i) a step of charging a stainless part into a chamber; (ii) a step of reinforcing the surface of the stainless part by injecting reaction gases into the chamber which is heated in a fixated temperature; (iii) a step of forming an underlayer by injecting a coating reaction gas to form the underlayer into the chamber; and (iv) a step of forming a wear-resistant mixed coating layer by injecting a coating reaction gas to form a wear-resistant layer on an under combining layer.

Description

고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면 처리방법 및 이의 방법으로 제조된 스텐리스 부품. {SURFACE TREATMENT METHOD OF STAINLESS STEEL FOR HIGH TEMPERATURE AND PRESSURE CONDITION AND PARTS USING SAME METHOD.}A surface treatment method of high temperature and high pressure stainless steel, and a stainless steel part manufactured by the method. {SURFACE TREATMENT METHOD OF STAINLESS STEEL FOR HIGH TEMPERATURE AND PRESSURE CONDITION AND PARTS USING SAME METHOD.

본 발명은 발전소, 화학플랜트 등에서 사용되는 고온, 고압의 유체를 제어할 수 있는 스텐리스 강재로 된 각종 부품들의 표면 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스텐리스 강재 부품에 기능성 및 내마모성을 부여하기 위하여 스텐리스 강재 표면을 표면 개질처리하고 내마모성을 갖는 코팅층을 연속적으로 형성함으로써 스텐리스 강재 부품들의 사용수명을 연장시킬 수 있는 스텐리스 강재 표면처리 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a surface treatment method of various parts made of stainless steel which can control high-temperature and high-pressure fluids used in a power plant, a chemical plant, and the like. More particularly, To a surface treatment method of a stainless steel material which can extend the service life of stainless steel parts by continuously forming a coating layer having a wear resistance and surface-modifying the surface of the stainless steel material.

발전소 및 화학플랜트 설비와 같이 고온, 고압의 유체를 제어하기 위하여 경도, 내마모성과 같은 기계적 특성과 내식성 등이 요구되는 다양한 종류의 스텐리스 부품들이 사용되고 있다. 이 중 고온, 고압의 유체를 제어하기 위한 밸브는 기밀성이 큰 부품들을 요구하며, 이를 위하여 부품의 정밀한 가공과 표면을 경화처리하고 있으나, 이러한 처리에도 불구하고 밸브부품 소재 및 표면처리의 한계로 인하여 제품의 수명이 짧아지고 있다. 이와 더불어 사용되는 환경에 따라서 스크렛치(Scratch), 덴트(Dent) 및 부식 등 다양한 손상에 의해 부품을 교체하여야 하는 상황이 발생하게 되고 있고, 이를 교체하기 위해서는 공장의 일부분을 가동중지하고 정비하여야 하며, 이에 정비에 소요되는 인력, 시간 비용뿐만 아니라, 가동중지 발생으로 생산성이 저하되고 있다.
In order to control high-temperature and high-pressure fluids such as power plants and chemical plant facilities, various kinds of stainless steel parts requiring mechanical properties such as hardness and abrasion resistance and corrosion resistance are used. Among these valves, valves for controlling high-temperature and high-pressure fluids require highly air-tight parts. For this purpose, the precision machining of the parts and the hardening of the surface are performed. However, due to the limitations of the valve part material and surface treatment Product life is shortening. In addition, depending on the environment used, there are situations in which parts must be replaced due to various damages such as scratches, dents and corrosion. In order to replace them, parts of the factory must be shut down and maintained In addition to the manpower and time required for maintenance, productivity has been deteriorating due to shutdown.

대부분의 고압 및 고온에 사용되는 스텐리스 강재의 부품들은 내식성이 우수한 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 등의 스텐리스 강재를 주로 사용하고 있는데, 스텐리스 강재는 소재 표면에 생성되는 수 나노미터의 고 내식성 특성을 가진 크롬산화물(Cr2O3) 형태의 부동태 피막에 의하여 부식발생이 억제되기 때문이다. 이와 같이 스텐리스 강재의 표면에 생성되는 부동태 피막에도 불구하고 스텐리스 강재는 경도와 마모에 대한 저항성이 낮아, 밸브 구동 시 발생하는 기계적인 표면손상이 쉽게 발생되고 있어 이를 개선하기 위한 표면강화처리가 시행되고 있다. 표면을 강화시키기 위한 표면처리 방법으로는 가스, 염욕, 플라즈마 상태를 이용한 침탄, 질화법이 적용되고 있으나, 이러한 표면처리는 500℃ 이상의 고온과 장시간의 처리시간에 따른 표면조도와 제품형상과 치수변형이 발생함에 따라 후공정이 요구되어 진다.
Stainless steel materials such as austenitic, ferritic, and martensitic stainless steels, which are excellent in corrosion resistance, are mainly used for most high-pressure and high-temperature parts of stainless steel. Stainless steels have several nanometers (Cr 2 O 3 ) type passive film having a high corrosion resistance characteristic of the corrosion inhibiting layer. Despite the passive coating formed on the surface of the stainless steel, the stainless steel has low resistance to hardness and abrasion, and mechanical surface damage that occurs during valve operation is easily generated. Therefore, the surface strengthening treatment . As the surface treatment method for strengthening the surface, carburizing and nitriding methods using gas, salt bath and plasma state are applied. However, such surface treatment is required to be carried out at a high temperature of 500 ° C. or more and for a long time, As a result, post-processing is required.

또한, 질화 및 침탄 시 고온으로 가열함에 따라 발생하는 입계 내로의 크롬이 확산되어 입계 내 크롬 화합물 석출물이 생성되고, 이로 인해 내식성을 유지할 수 있는 13% 미만의 크롬 결핍층이 발생하게 됨에 따라 내식성이 크게 저하되어 실제품에 적용하기 어려운 실정이다. 이와 더불어 기능성 박막 증착을 위한 표면코팅 처리방법으로 사용하고 있는 스퍼터링, 아크이온 플레이팅 등의 표면처리법은 3차원의 정밀 제어밸브에는 적용하기 어려운 실정이다.
In addition, since chromium is diffused into the grain boundaries due to heating at high temperature during the nitriding and carburizing to form precipitates of chromium compounds in the grain boundaries, resulting in a chromium-depleted layer of less than 13% which can sustain corrosion resistance, It is difficult to apply it to actual products. In addition, surface treatment methods such as sputtering and arc ion plating, which are used as a surface coating treatment method for functional thin film deposition, are difficult to apply to a three-dimensional precision control valve.

최근에는 PVD(물리증착) 방법이나 CVD(화학증착) 방법 등의 기상 합성 증착법에 의해 강재나 부품의 표면에 경질의 세라믹 코팅층을 수 ㎛의 두께로 피복하고, 이들 부품의 장기 수명화를 도모하는 시도가 행해지고 있다. 그러나, 세라믹 코팅층을 형성하였을 경우 기재나 부품의 표면과의 열팽창율 차이나 약한 밀착력, 또는 기재의 표면 경도가 낮기 때문에 코팅층이 박리되는 현상이 나타나, 부품의 신뢰성에 문제가 발생하게 된다.        Recently, a hard ceramic coating layer is coated on the surface of a steel material or a part with a thickness of several micrometers by a vapor phase composite deposition method such as a PVD (physical vapor deposition) method or a CVD (chemical vapor deposition) method, Attempts are being made. However, when the ceramic coating layer is formed, the coating layer peels off due to a difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the surface of the component, weak adhesion, or surface hardness of the substrate.

이러한 문제를 해결하기 위해 표면처리와 코팅층을 형성하는 다양한 시도가 행해졌으며, 이러한 시도 중 스텐리스 밸브의 표면 위에 코팅처리한 밸브에 관한 발명인 US 5,222,521A(1993.07.29., 선행기술 1)는 스텐리스 기재 위에 직접 TiN 단층의 코팅층을 형성한 것으로 모재와 코팅층 사이에 중간층이나 질화층이 존재하지 않아 모재와 코팅층 간의 밀착력에 문제가 발견되는 것이다. 또한 스텐리스 기판을 질화, 침탄, 침탄질화시킨 후, 알루미늄이나 실리콘의 세라믹 또는 티타늄, 지르콘 등의 금속붕화물을 코팅하는 방법인 US 5,900,126A(1999.05.04., 선행기술 2)는 자기기록용 디스크에 관한 것으로, 단층의 세라믹 코팅에 불과하여 고온, 고압에 대한 저항성이 약한 단점이 발견되는 것이다. 이와 더불어 스텐라이트 재에 플라즈마 표면개질 복합 코팅층을 형성하는 방법인 공개특허공보 특1996-0023220호(1996.07.18., 선행기술 3)는 질화 처리하는 온도가 500℃ 이상으로 스텐리스의 내부식 특성 저하와 부품 형상에 변형이 발생될 여지가 있고, 스텐리스 등 철계 기재 표면을 질화처리한 후 Ti, Si, Al의 질화물, 탄화물 탄질화물 등 화합물을 코팅한 세라믹 코팅 구조에 관한 것인 일본 공개특허공보 특개평 5-98422호(1993.04.20., 선행기술 4)에 나타나 있으나, 플라즈마 질화처리 온도가 500℃ 이상이어서 스텐리스의 내부식 특성 저하와 부품이나 제품의 형상과 치수가 변형될 가능성이 있는 것이다.
In order to solve this problem, various attempts have been made to form a surface treatment and a coating layer, and US 5,222,521A (Prior Art 1, 1993.07.29, 1993), which is an invention relating to a valve coated on the surface of a stainless steel valve, A TiN monolayer coating layer is directly formed on the lithiated substrate, and there is no intermediate layer or nitrided layer between the base material and the coating layer, so that there is a problem in adhesion between the base material and the coating layer. Further, US 5,900,126A (Prior Art 2, May 05, 1999), which is a method for coating a stainless steel substrate with nitriding, carburizing, carbo-nitriding and then coating aluminum or silicon ceramics or metal borides such as titanium or zircon, As for the disk, it is only a single layer of ceramic coating, and a disadvantage that resistance to high temperature and high pressure is weak is found. In addition, a method of forming a plasma-surface-modified composite coating layer on a stenterite material is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 1996-0023220 (Prior Art 3, 1996.07.18) And there is a possibility that deformation may occur in the shape of the part. Japanese Patent Application Laid-Open No. H04-176858, which relates to a ceramic coating structure in which nitrides are treated on the surface of a ferrous base material such as stainless steel and then a compound such as nitride of Ti, Si, Al, However, since the plasma nitriding treatment temperature is higher than 500 ° C, there is a possibility that the deterioration of the stainless steel's internal characteristics and the shape and dimensions of parts and products are deformed. It is.

이와 같이 종래의 기술들에는 기재의 표면을 질화나 침탄 처리할 때 온도가 높아 형상이나 치수에 변형이 발생하거나, 기재의 표면 위에 직접 세라믹의 코팅층을 형성하여 사용 중에 코팅층이 박리되는 현상이 나타나게 되어, 고온이나 고압의 환경 아래서 지속적으로 내마모성을 유지할 수 있는 스텐리스 강재 부품들을 제작하는데 어려운 문제점이 있었던 것이다.        As described above, in the conventional techniques, when the surface of the substrate is subjected to nitriding or carburizing treatment, the shape or size of the substrate may be deformed due to its high temperature, or a coating layer of ceramic may be formed directly on the surface of the substrate, , There were difficulties in manufacturing stainless steel parts that can maintain wear resistance continuously under high temperature or high pressure environment.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 발전소 및 화학플랜트 등 고온, 고압에서의 유체를 제어하는 밸브 등에 사용되는 스텐리스 강재를, 450℃ 보다 낮은 온도에서 플라즈마를 이용하여 표면을 개질처리를 할 뿐만 아니라 Ti계 화합물의 혼합 코팅층을 하나의 공정 내에서 연속적으로 단시간에 형성함으로써, 기능성 및 내구성을 부여하여 장시간 사용이 가능한 스텐리스 강재 부품들을 제공하기 위한 것이다.
In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention provides a method of manufacturing a stainless steel material for use in a valve for controlling fluid at high temperature and high pressure, such as a power plant and a chemical plant, And to provide stainless steel parts which can be used for a long time by imparting functionality and durability by continuously forming a mixed coating layer of a Ti-based compound in one process continuously in a short time.

위에서 설명된 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 예시의 목적을 위하여 개시된 것이고, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능한 것으로 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. But are not limited to, the technical issues mentioned in.

상기 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일실시예와 관련되는 표면 강화처리 및 코팅층을 형성하여 표면을 개질시키는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 있어서, ⅰ) 스텐리스 부품을 챔버에 장입하는 단계; ⅱ) 일정온도로 가열된 상기 챔버 내에 반응가스들을 주입하여 스텐리스 부품 표면을 강화처리하는 단계; ⅲ) 상기 챔버에 하지층을 형성하기 위한 코팅 공정가스를 주입하여 하지층을 형성하는 단계; ⅳ) 상기 하지 결합층 위에 내마모층을 형성하기 위한 코팅 공정가스를 주입하여 내마모 혼합 코팅층을 형성하는 단계:로 이루어진 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법을 특징으로 하고 있는 것이다.
A method for surface treatment of a high-temperature and high-pressure stainless steel material for surface modification and surface modification by surface-strengthening treatment and coating layer according to one embodiment of the present invention for realizing the above object, comprising the steps of: i) charging a stainless steel part into a chamber ; Ii) injecting reaction gases into the chamber heated to a predetermined temperature to strengthen the surface of the stainless steel part; Iii) implanting a coating process gas into the chamber to form a ground layer to form a ground layer; And iv) forming a wear-resistant mixed coating layer by injecting a coating process gas for forming an abrasion-resistant layer on the under-coupling layer. The present invention also provides a method for surface treatment of high-temperature and high-pressure stainless steel.

또한 구체적으로는, 상기 ⅱ)의 표면을 강화처리하는 단계 이전에 스퍼터링 공정으로 이물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the present invention further relates to a method for surface treatment of high-temperature and high-pressure stainless steel, characterized by further comprising the step of removing foreign matter by a sputtering process before the step of strengthening the surface of the step (ii).

또한, 구체적으로는, 상기 이물질을 제거하는 단계는 380~450℃에서 챔버 내로 수소, 아르곤 질소가스를 주입하고 스퍼터링하여 제거하는 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the step of removing the foreign matter includes a step of injecting hydrogen and argon nitrogen gas into the chamber at 380 to 450 ° C, and removing the foreign substance by sputtering the surface of the stainless steel material for high temperature and high pressure .

또한 구체적으로는, 상기 ⅱ)의 표면을 강화처리하는 단계는 진공도 1~6 mbar, 380~450℃에서 400~2000V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, in the step of strengthening the surface of the step (ii), a voltage of 400 to 2000 V is applied at a degree of vacuum of 1 to 6 mbar and a temperature of 380 to 450 ° C., .

또한 구체적으로는, 상기 표면을 강화처리하는 것이 침탄, 질화, 침탄질화 중의 하나인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the present invention relates to a surface treatment method of a high-temperature and high-pressure stainless steel material characterized in that the surface is one of carburizing, nitriding and carburizing.

또한 구체적으로는, 상기 표면을 강화처리하는 것이 하이브리드 표면 강화처리 방법인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the present invention relates to a surface treatment method of a high-temperature and high-pressure stainless steel material characterized in that the surface is subjected to a reinforcing treatment by a hybrid surface strengthening treatment method.

또한 구체적으로는, 상기 하이브리드 표면 강화처리 방법은 침탄 또는 침질을 연속적 또는 동시에 하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the hybrid surface strengthening treatment method relates to a surface treatment method of a high-temperature and high-pressure stainless steel material characterized by continuous or simultaneous carburization or sedimentation.

또한 구체적으로는, 상기 ⅲ)의 하지층을 형성하는 단계는 480~650℃에서 400~1000V의 전압을 인가하여 플라즈마로 하지층을 형성하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the step of forming the ground layer in the step (iii) includes a step of applying a voltage of 400 to 1000 V at 480 to 650 ° C to form a ground layer by plasma, and a surface treatment of a high-temperature and high- ≪ / RTI >

또한, 구체적으로는, 상기 ⅲ)의 단계에서 챔버 내에 TiCl4가스 1~10 slh, 수소가스 150~250 slh, 아르곤 0~20 slh에 질소가스 10~60 slh를 주입하여 하지층을 형성시키는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, in step iii), a base layer is formed by injecting TiCl 4 gas 1 to 10 slh, hydrogen gas 150 to 250 slh, argon 0 to 20 slh, and nitrogen gas 10 to 60 slh in the chamber The present invention relates to a surface treatment method for a high-temperature and high-pressure stainless steel material having a characteristic feature.

또한 구체적으로는, 상기 하지층은 TiN 코팅층인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the present invention relates to a surface treatment method of a high-temperature and high-pressure stainless steel material characterized in that the ground layer is a TiN coating layer.

또한 구체적으로는, 상기 ⅳ)의 혼합 코팅층을 형성하기 위하여 BCl3가스 3~10 slh, 질소가스 10~30 slh의 공정가스를 주입하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
Specifically, a surface treatment method of a high-temperature and high-pressure stainless steel material characterized by injecting a process gas of 3 to 10 slH of BCl 3 gas and 10 to 30 slh of nitrogen gas to form the mixed coating layer of iv) .

또한 구체적으로는, 상기 혼합 코팅층이 TiN, TiBN, TiB2 중 2 이상이 혼합된 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 관한 것이다.
More specifically, the present invention relates to a surface treatment method of a high-temperature and high-pressure stainless steel material characterized in that the mixed coating layer is a mixture of two or more of TiN, TiBN and TiB 2 .

이와 더불어 표면 강화처리 및 내마모성의 코팅층으로 표면처리된 고온, 고압용 스텐리스 제어밸브에 있어서, 스텐리스 강재; 상기 스텐리스 강재의 표면을 강화처리한 표면 강화층, 상기 스텐리스 강재의 강화층 위에 TiN으로 이루어진 하지층, 하지층 상부에 혼합 코팅층으로 이루어진 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
In addition, a high temperature and high pressure stainless steel control valve surface-treated with a coating layer of surface strengthening treatment and abrasion resistance, including stainless steel; A surface reinforcing layer reinforced on the surface of the stainless steel, a ground layer made of TiN on the reinforcing layer of the stainless steel, and a mixed coating layer on the ground layer. .

더욱 구체적으로는, 상기 표면 강화층은 질화 또는 침탄 중의 하나인 것에 특징이 있는 강화처리 및 표면 코팅된 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
More particularly, the surface strengthening layer is one of nitriding or carburizing, and relates to a hardened and surface coated high temperature, high pressure stainless steel part.

더욱 구체적으로는, 상기 표면 강화층이 하이브리드 표면 강화처리 방법으로 형성된 것에 특징이 있는 강화처리 및 표면 코팅된 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to reinforced and surface coated high temperature, high pressure stainless steel parts characterized in that the surface strengthening layer is formed by a hybrid surface strengthening treatment method.

더욱 구체적으로는, 상기 표면 강화층의 두께는 5~100 ㎛ 인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
More specifically, the present invention relates to a high-temperature and high-pressure stainless steel part characterized in that the thickness of the surface strengthening layer is 5 to 100 탆.

더욱 구체적으로는, 상기 하지층의 두께는 0.1~5 ㎛인 것에 특징이 있는 강화처리 및 표면 코팅된 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
More specifically, this invention relates to reinforced and surface coated high temperature, high pressure stainless steel parts characterized by a thickness of the underlying layer of 0.1 to 5 占 퐉.

더욱 구체적으로는, 상기 혼합 코팅층의 두께는 1~10 ㎛인 것에 특징이 있는 강화처리 및 표면 코팅된 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
More specifically, the present invention relates to reinforced and surface coated high temperature, high pressure stainless steel parts characterized in that the mixed coating layer has a thickness of 1 to 10 占 퐉.

더욱 구체적으로는, 상기 혼합 코팅층은 TiN, TiBN, TiB2 중 2 이상이 혼합된 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
More specifically, the mixed coating layer is characterized by a mixture of two or more of TiN, TiBN, and TiB 2 , and relates to a high temperature and high-pressure stainless steel part.

더욱 구체적으로는, 상기 혼합 코팅층이 2층 이상의 다층으로 형성된 것에 특징이 있는 강화처리 및 코팅된 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.
More specifically, the present invention relates to reinforced and coated high-temperature and high-pressure stainless steel parts characterized in that the mixed coating layer is formed in two or more layers.

더욱 구체적으로는, 상기 스텐리스 부품은 발전소 및 화학플랜트용 제어밸브인 것에 특징이 있는 강화처리 및 표면 코팅된 고온, 고압용 스텐리스 부품에 관한 것이다.More particularly, the stainless steel part is a tempered and surface coated high temperature, high pressure stainless steel part characterized by being a control valve for power plants and chemical plants.

위에서 제시하고 있는 스텐리스 강재 부품의 표면처리방법에 의하면, 스텐리스 모재 표면과 코팅층과의 밀착성과 경도,강도의 기계적 특성을 보다 향상시키는 질화, 침탄 또는 탄질화층을 450℃ 보다 낮은 온도에서 형성하여 결정입계 내로의 크롬 확산을 방지하여 입계주변으로 크롬이 결핍되는 것을 방지하여 내부식 특성을 유지할 수 있는 것이다. 이에 따라 모재 표면의 경도향상과 부품의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 코팅층과의 밀착성도 강화시킬 수 있다. 이와 더불어 질화, 침탄 등의 표면강화층 위에 중간 하지층과 내마모성의 Ti화합물 코팅층을 형성하여 밸브의 내구성 및 내마모성이 동시에 향상됨은 물론 발전소 및 화학플랜트의 고온, 고압에 대한 우수한 특성으로 장시간 사용할 수 있어, 생산성과 경제성을 향상시키는 밸브 부품을 제조할 수 있는 것이다.
According to the surface treatment method of a stainless steel part as described above, a nitriding, carburizing or carbonizing layer which improves the mechanical properties of the adhesion, hardness and strength of the surface of the stainless steel base material and the coating layer is formed at a temperature lower than 450 ° C. It is possible to prevent the diffusion of chromium into the crystal grain boundaries to prevent the chromium deficiency around the grain boundaries and to maintain the corrosion resistance. As a result, not only the hardness of the base material surface and the shape of the parts can be prevented from being deformed, but also the adhesion with the coating layer can be enhanced. In addition, a middle layer and a wear resistant Ti compound coating layer are formed on the surface strengthening layer such as nitriding and carburizing to improve the durability and wear resistance of the valve at the same time, and it can be used for a long time with excellent properties for high temperature and high pressure in power plants and chemical plants , It is possible to manufacture valve parts that improve productivity and economy.

본 발명의 도1은 스텐리스 밸브의 표면처리 단계를 순서대로 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 스텐리스 밸브의 코팅층 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명을 실시하기 위한 플라즈마 코팅장치에 대하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 의 (a)~(c)는 비교예 1 내지 3의 방법으로 표면처리한 스텐레스 강재의 단면을 나타낸 도면으로, (a)는 질화처리, (b)는 침탄처리, (c)는 침탄질화처리한 사진이며, (d)는 표면강화층 위에 TiN 코팅층과 TiN/TiB2 혼합코팅층이 다층으로 형성된 스텐리스 강재의 단면을 나타낸 사진이다.
도 5 (a)는 표면처리하지 않은 스텐레스 강재와 비교예 1 내지 3의 방법으로 표면처리한 스텐리스 강재의 표면을 XRD 분석한 결과이고, (b)는 TiN의 하지층과 TiN/TiB2 내마모성의 코팅층 표면을 각각 XRD 분석한 결과이다.
도 6의 (a)는 표면처리하지 않은 스텐리스 강재와 비교예 1 내지 3의 방법으로 표면처리한 스텐리스 강재의 동적분극 실험한 결과이고 (b)는 표면처리하지 않은 스텐레스 강재와 TiN의 하지층, TiN/TiB2 혼합코팅층으로 표면처리한 스텐리스 강재의 동적분극 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)는 표면처리하지 않은 스텐레스 강재와 비교예 1 내지 3의 방법으로 표면처리한 스텐레스 강재를 마모 시험한 결과이고 (b)는 표면처리하지 않은 스텐레스 강재와 TiN의 하지층, TiN/TiB2 혼합코팅층을 다층으로 코팅한 마모시험 결과를 나타낸 그래프이다.Fig. 1 of the present invention is a flowchart showing the sequential steps of surface treatment of a stainless steel valve.
2 is a cross-sectional view showing a coating layer of a stainless steel valve of the present invention.
3 is a schematic view of a plasma coating apparatus for practicing the present invention.
4A to 4C are cross-sectional views of a stainless steel surface treated with the methods of Comparative Examples 1 to 3, wherein FIG. 4A is a nitriding treatment, FIG. 4B is a carburizing treatment, (D) is a photograph showing a cross-section of a stainless steel material in which a TiN coating layer and a TiN / TiB 2 mixed coating layer are formed on the surface strengthening layer.
Figure 5 (a) is an analysis of the surface of the surface-treated stainless steel by the method of Comparative Examples 1 to 3 and the stainless steel material is not subjected to surface treatment XRD, (b) is not the TiN layer and the TiN / TiB 2 Abrasion resistance And XRD analysis of the surface of the coating layer.
6 (a) is a result of a dynamic polarization experiment of a stainless steel material not subjected to a surface treatment and a stainless steel material surface-treated by the methods of Comparative Examples 1 to 3. (b) Layer and a TiN / TiB 2 mixed coating layer on the surface of the stainless steel.
7 (a) is a result of abrasion test of a stainless steel material not subjected to a surface treatment and a stainless steel material surface-treated by the methods of Comparative Examples 1 to 3. (b) / TiB 2 mixed coating layer in a multilayer coating process.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시하였으며, 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 할 수 있는 공지의 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals as possible, and detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obviate the gist of the present invention are omitted.

도 1은 본 발명의 실시에 따른 스텐리스 강재 표면을 표면강화 처리하는 과정을 순서대로 나타낸 도면으로서 도 1에 도시한 바와 같이, 진공 챔버 내에 스텐리스 강재 장입단계, 스퍼터링하는 단계, 질화 또는 침탄처리 단계, 코팅층 형성단계의 순서대로 스텐리스 강재를 표면처리를 하였다. 본 발명의 스텐리스 강재의 표면처리 중 중요단계는 스텐리스 강재로 제조된 고온, 고압 밸브의 단점인 경도와 내마모성을 향상시키기 위하여, 450℃ 이하의 저온에서 플라즈마를 이용한 표면개질과 500℃ 이상의 고온에서 고경도 및 내마모성 등의 기능성을 부여하기 위한 고점착성(High Adhesion)의 Ti계 박막을 화학증착공정이 연속으로 이루어진 하나의 공정에서 단시간에 표면 처리하는 것이다.
FIG. 1 is a view showing a process of surface-strengthening a surface of a stainless steel according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a step of charging a stainless steel material into a vacuum chamber, a step of sputtering, a step of nitriding or carburizing The surface of the stainless steel was subjected to the surface treatment in the order of the coating layer forming step and the coating layer forming step. In order to improve hardness and abrasion resistance, which are disadvantages of high-temperature and high-pressure valves made of stainless steel, an important step in the surface treatment of the stainless steel of the present invention is to use a plasma- A high-adhesion Ti-based thin film for imparting functionality such as hardness and abrasion resistance in a short time in one continuous process of chemical vapor deposition process.

이러한 공정을 수행하는 본 발명의 질화처리를 위한 플라즈마 장치(100)에 대하여 도 3을 참고로 하여 자세히 설명하면, 플라즈마 장치(100)는 진공 챔버(110), 접지(120) 플레이트(120), 음극 전극(130) 전원(140), 가스 공급부(150), 진공 형성부(160), 가열 부재(170) 및 쉴드 부재(180)를 포함한다.
3, the plasma apparatus 100 includes a vacuum chamber 110, a ground 120 plate 120, and a grounding plate 120. The plasma apparatus 100 includes a vacuum chamber 110, The cathode electrode 130 includes a power supply 140, a gas supply unit 150, a vacuum forming unit 160, a heating member 170, and a shield member 180.

진공 챔버(110)는 플라즈마가 형성되는 공간을 제공할 수 있으며, 진공 챔버(110) 내에는 스텐리스 강재(190)가 장입되어 플라즈마 처리될 수 있다. 진공 챔버(110)는, 금속으로 스틸(Steel), 스텐리스 스틸(Stainless Steel) 및 알루미늄 등으로 구성될 수 있다. 진공 챔버(110)는 접지(112)와 연결되어 양극 전극으로서 기능할 수 있다. 플레이트(120)는 진공 챔버(110) 내부의 하측 부분에 평판 형상으로 위치할 수 있으며, 도전체로서 스텐리스 강재, 알루미늄, 티타늄, 또는 탄소를 포함할 수 있다.
The vacuum chamber 110 may provide a space in which the plasma is formed, and the stainless steel 190 may be charged into the vacuum chamber 110 to be plasma-treated. The vacuum chamber 110 may be made of steel, stainless steel, aluminum, or the like. The vacuum chamber 110 may be connected to the ground 112 and function as an anode electrode. The plate 120 may be positioned in the lower part of the vacuum chamber 110 in a flat plate shape and may include stainless steel, aluminum, titanium, or carbon as a conductor.

음극 전극(130)은 진공 챔버(110) 내부에 위치하여 플레이트(120)를 이격되어 설치되어 음의 전압이 인가되며, 양극 전극의 기능을 수행하는 진공 챔버(110)와 함께 플라즈마를 형성할 수 있다. 음극 전극(130)은, 도전체로 스텐리스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 또는 탄소를 포함할 수 있다. 음극 전극(130)은 플레이트(120)로부터 측 방향으로 이격되어 플레이트(120)를 둘러싸는 측벽 요소(131) 및 플레이트(120)로부터 상측 방향으로 이격되어 플레이트(120)의 상측을 덮는 덮개 요소(132)를 포함할 수도 있다. 덮개 요소(132)는 측벽 요소(131)의 상측에 안착될 수 있으며, 선택적인 것으로 생략될 수 있다. 음극 전극(130)의 측벽 요소(131) 및 덮개 요소(132)는 중공관(hollow tube) 단위체(133)가 조립 결합되어 구성되며, 음극 전극(130)은 중공관 단위체(133)를 이용하여 플라즈마를 형성할 수 있다. 또한, 가스 공급부(150)로부터 공급되는 가스가 중공관 단위체(133)의 중공을 통과하여 플레이트(120)와 음극 전극(130) 사이에 도달할 수 있고, 이에 따라 상기 가스를 이용하여 플라즈마를 형성할 수 있다.
The cathode electrode 130 is disposed inside the vacuum chamber 110 and is spaced apart from the plate 120. A negative voltage is applied to the cathode electrode 130. A plasma can be formed with the vacuum chamber 110 performing the function of the anode electrode have. The cathode electrode 130 may include a conductive material such as stainless steel, aluminum, titanium, or carbon. The cathode electrode 130 includes a side wall element 131 spaced laterally from the plate 120 and surrounding the plate 120 and a lid element 130 spaced upward from the plate 120 to cover the top of the plate 120 132 < / RTI > The lid element 132 may be seated above the sidewall element 131 and may optionally be omitted. The side wall element 131 and the lid element 132 of the cathode electrode 130 are formed by assembling a hollow tube unit 133 and the cathode electrode 130 is formed by using a hollow tube unit 133 A plasma can be formed. The gas supplied from the gas supply unit 150 may pass through the hollow of the hollow tube unit 133 and reach between the plate 120 and the cathode electrode 130, can do.

플라즈마는 전원(140)으로부터 공급된 전력에 의하여, 진공 챔버(110)와 음극 전극(130) 사이에 발생되며, 이에 따라 스텐리스 강재(190)가 플라즈마 처리될 수 있다. 전원(140)은 진공 챔버(110)의 외측에 설치되어 상기 플라즈마를 형성하도록, 음극 전극(130)에 음의 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, 전원(140)은 음극 전극(130)에 약 - 500 V 내지 약 - 2000 V의 전압을 인가할 수 있다. 이때에, 전원(140)은 플라즈마 챔버(110)에 연결될 수 있고, 플라즈마 챔버(110)는 접지(112)에 의하여 0 V의 전위를 가질 수 있다. 전원(140)으로부터 공급되는 전력은 직류 전력, 펄스(pulse) 전력 또는 교류 전력일 수 있다. 상기 전력이 교류 전력인 경우에는, 전원(140)은 직류/교류 변환기(AC/DC Converter)를 더 포함할 수 있다. 전원(140)에 의하여 공급되는 전류, 전압, 크기 및 주파수 등은 다양하게 변화할 수 있다. 플레이트(120) 및 스텐리스 강재(190)는 양극을 나타내는 진공 챔버(110)와 음극을 나타내는 음극 전극(130)과 절연되어, 질화 처리될 수 있다. 경우에 따라서는, 스텐리그 강재(190)에 플라즈마를 유도하기 위하여, 스텐리스 강재(190)에 바이어스 전압을 공급할 수도 있으며, 플라즈마 장치(100)는 바이어스 전압을 공급하는 바이어스 전원(142)을 더 포함할 수 있다. 바이어스 전원(142)은 전원(140)과 별도의 장치이거나 또는 전원(140) 내에 포함되는 장치로 상기 바이어스 전압은 음의 전압일 수 있고, 음극 전극(130)에 인가되는 전압과 동일하거나 작을 수 있다.
The plasma is generated between the vacuum chamber 110 and the cathode electrode 130 by the electric power supplied from the power source 140 so that the stainless steel material 190 can be plasma-treated. The power source 140 may be provided outside the vacuum chamber 110 to supply a negative voltage to the cathode electrode 130 to form the plasma. For example, the power source 140 may apply a voltage of about-500 V to about -2000 V to the cathode electrode 130. At this time, the power source 140 may be connected to the plasma chamber 110, and the plasma chamber 110 may have a potential of 0 V by the ground 112. The power supplied from the power supply 140 may be DC power, pulse power or AC power. When the power is AC power, the power source 140 may further include a DC / AC converter. The current, voltage, size, and frequency supplied by the power supply 140 may vary. The plate 120 and the stainless steel 190 are insulated from the vacuum chamber 110 representing the anode and the cathode electrode 130 representing the cathode and can be nitrided. In some cases, a bias voltage may be applied to the stainless steel 190 to induce plasma to the stainless steel 190. The plasma apparatus 100 may further include a bias power supply 142 for supplying a bias voltage . The bias power source 142 may be a separate device from the power source 140 or may be a device included in the power source 140. The bias voltage may be a negative voltage and may be equal to or less than a voltage applied to the cathode electrode 130 have.

가스 공급부(150)는 진공 챔버(110) 내부에 상기 플라즈마를 형성하는 가스를 공급하는 구성부로 질소가스, 탄화수소가스 등과 같은 질화 또는 침탄용 가스를 진공 챔버(110) 내부에 공급할 수 있다. 또한, 가스 공급부(150)는 헬륨가스, 아르곤가스와 같은 불활성 가스를 진공 챔버(110) 내부에 공급할 수도 있다. 또한, 가스 공급부(150)는 수소가스와 같은 플라즈마 형성 가스를 진공 챔버(110) 내부에 공급할 수 있다. 가스 공급부(150)는 가스의 종류에 따라 다수의 탱크, 공급관, 밸브 등으로 구성되며, 도 3의 가스 공급부(150)가 진공 챔버(110)의 상측에 위치하는 것은 예시적으로 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 가스 공급부(150)는 가스 공급관(152)을 통하여 진공 챔버(110) 내부에 상기 플라즈마를 형성하는 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급관(152)은 다양한 갯수의 노즐을 가질 수 있다. 가스 공급관(152)은 가스를 전체적으로 균일한 유량으로 공급하기에 적절한 형상 및 배열로 되어 일자형 관과 반원 관이 조립된 구불구불한 형상으로 구현되거나, 메쉬 형상으로 구현되거나, 원형 관들이 연결된 동심원 형상으로 구현되거나, 또는 노즐이 배열된 판형으로 구현될 수 있다.
The gas supply unit 150 may supply a gas for nitriding or carburizing, such as a nitrogen gas, a hydrocarbon gas, or the like, into the vacuum chamber 110 as a component for supplying a gas for forming the plasma into the vacuum chamber 110. In addition, the gas supply unit 150 may supply an inert gas such as helium gas or argon gas into the vacuum chamber 110. In addition, the gas supply unit 150 may supply a plasma forming gas such as hydrogen gas into the vacuum chamber 110. The gas supply unit 150 is composed of a plurality of tanks, a supply pipe, a valve, and the like depending on the type of gas. The gas supply unit 150 of FIG. 3 is located above the vacuum chamber 110, The idea is not limited to this. The gas supply unit 150 can supply the gas forming the plasma into the vacuum chamber 110 through the gas supply pipe 152. The gas supply pipe 152 may have various numbers of nozzles. The gas supply pipe 152 may be formed in a serpentine shape in which a straight pipe and a semicircular pipe are assembled in a shape and arrangement suitable for supplying the gas at a uniform overall flow rate, Or may be realized in a plate shape in which nozzles are arranged.

진공 형성부(160)는 진공 챔버(110)에 연결되어 진공 챔버(110)의 외측에 설치될 수 있다. 진공 형성부(160)는 진공 챔버(110) 내부를 진공으로 형성할 수 있다. 진공 형성부(160)는 진공 펌프나, 원하는 진공의 정도에 따라 로터리 펌프 또는 확산 펌프 등으로 구성될 수 있다. 도 1에서는 진공 형성부(160)가 플라즈마 챔버(110)의 하측에 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
The vacuum forming part 160 may be connected to the vacuum chamber 110 and installed outside the vacuum chamber 110. The vacuum forming unit 160 may form a vacuum inside the vacuum chamber 110. The vacuum forming unit 160 may be constituted by a vacuum pump or a rotary pump or a diffusion pump depending on the degree of vacuum desired. In FIG. 1, the vacuum forming unit 160 is illustrated as being located below the plasma chamber 110, but the present invention is not limited thereto.

가열 부재(170)는 플라즈마 챔버(110) 내부에 위치할 수 있다. 가열 부재(170)는 진공 챔버(110) 내부를 가열하여 상기 플라즈마를 형성하는 가스를 활성화할 수 있고, 또한 스텐리스 강재(190)의 질화 및 침탄처리를 활성화하는 기능을 수행할 수 있다. 가열 부재(170)는 진공 챔버(110)의 측면에 위치하거나, 경우에 따라 음극 전극(130)의 외측에도 위치할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 가열 부재(170)는 진공 챔버(110)의 상부에 더 위치할 수 있으며, 이러한 가열 부재(170)의 위치는 예시적으로 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 가열 부재(170)는 금속 열선, 세라믹 히터, 광학 히터 등으로 구성되어 선택적(optionally)인 구성요소로 생략될 수 있다.
The heating member 170 may be located inside the plasma chamber 110. The heating member 170 can heat the inside of the vacuum chamber 110 to activate the gas forming the plasma and can also perform the function of activating the nitriding and carburizing treatment of the stainless steel 190. [ The heating member 170 may be located on the side surface of the vacuum chamber 110 or may be located outside the cathode electrode 130 as the case may be. Further, although not shown, the heating member 170 may be further positioned above the vacuum chamber 110, and the position of the heating member 170 is illustratively not limited to the technical idea of the present invention . The heating member 170 may be formed of a metallic hot wire, a ceramic heater, an optical heater, or the like, and may be omitted as an optional component.

쉴드 부재(180)는 플라즈마로부터 진공 챔버(110)를 보호하는 기능가진 구성부로 진공 챔버(110) 내부에 위치한다. 또한, 상기 플라즈마가 음극 전극(130)에 의하여 형성된 공간 내부에 국한하여 플라즈마가 발생하도록 유도할 수 있다. 쉴드 부재(180)는 진공 챔버(110)의 측면 또는 음극 전극(130)의 외측, 가열 부재(170)의 외측에 위치할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 쉴드 부재(180)는 진공 챔버(110)의 상부에 더 위치할 수 있으며, 이러한 쉴드 부재(180)의 위치는 이에 한정되는 것은 아니다. 쉴드 부재(180)는 금속으로 스틸, 스텐리스 스틸, 알루미늄 등으로 구성될 수 있다. 쉴드 부재(180)는 진공 챔버(110)와 동일한 재질로 구성되거나 또는 다른 재질로 구성되어 선택적(Optionally)으로 생략될 수도 있다.
The shield member 180 is located within the vacuum chamber 110 with a functioning component that protects the vacuum chamber 110 from the plasma. In addition, the plasma can be induced to generate plasma only within the space formed by the cathode electrode 130. [ The shield member 180 may be located on the side of the vacuum chamber 110 or on the outside of the cathode electrode 130 or outside the heating member 170. Further, although not shown, the shield member 180 may be further disposed on the upper portion of the vacuum chamber 110, and the position of the shield member 180 is not limited thereto. The shield member 180 may be made of steel, stainless steel, aluminum, or the like. The shield member 180 may be made of the same material as the vacuum chamber 110 or alternatively may be optionally omitted.

스텐리스 강재(190)는 질화나 침탄 처리가 요구되는 대상체로 본 발명에서는 발전소 또는 화학 플랜트에 사용되는 볼, 소켓, 버터플라이 등 다양한 형태의 밸브뿐만 아니라 설비에 적용되는 여러 가지의 부품일 수 있다. 도 1 및 2에 도시된 표면강화 및 코팅된 스텐리스 강재(190)의 단면 형상은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
The stainless steel material 190 may be various objects applicable to equipment as well as various types of valves such as balls, sockets, and butterfly used in a power plant or a chemical plant in the present invention in which nitriding or carburizing treatment is required . The cross-sectional shapes of the surface-strengthened and coated stainless steel 190 shown in Figs. 1 and 2 are illustrative, and the technical idea of the present invention is not limited thereto.

이하, 본 발명의 표면강화 및 코팅층을 형성하는 과정을 도 1의 공정 순서대로 자세하게 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, the process of forming the surface strengthening and coating layer of the present invention will be described in detail with reference to the process sequence of FIG.

스텐리스 강재(190)를 반응 챔버(110) 내에 장입한 후, 0.001~0.1 mbar의 진공으로 하여 진공 챔버(110) 내에 잔류하는 가스를 최소화 하였으며, 표면강화 처리하는 온도인 380~450℃까지 승온한 후, 스퍼터링 공정을 실시하였다. 스텐리스 강재는 반응하는 진공 챔버 장입 전에 알코올 등의 세척수를 이용하여 절삭유 및 이물질 등을 제거하지만, 다량의 절삭유 및 미처리된 오염물 등을 제거하기 위해 승온하는 중간에 진공을 유지한 채 250℃ 미만의 온도에서 5시간 이하로 유지하여 탈지 처리를 실시할 수도 있다.
After the stainless steel material 190 is charged into the reaction chamber 110, the gas remaining in the vacuum chamber 110 is minimized by setting the vacuum to 0.001 to 0.1 mbar, and the temperature is raised to 380 to 450 ° C Then, a sputtering process was performed. In order to remove a large amount of cutting oil and untreated contaminants, the stainless steel is vacuumed at a temperature of less than 250 ° C. Degreasing treatment may be carried out at a temperature of not more than 5 hours.

스퍼터링 공정은 처리대상물에 플라즈마를 생성시켜 표면에 잔존하는 무기물, 유기물을 제거하는 공정으로 이를 위한 플라즈마 생성은 1~6 mbar의 진공도와 380~450℃의 온도에서 처리대상물인 스텐리스 강재에 음극의 고전압을 인가하여 발생시키는 것으로 초기부터 고전압을 인가하게 되면, 오염물에 의한 아크발생으로 스텐리스 강재(190) 표면이 손상될 가능성이 있어 시간에 따라 인가전원을 상승시켜 아크발생을 최소화 하였다. 반응 챔버 내의 장입량에 따라 인가전압과 처리시간이 다르게 되나, 통상적으로 400~2000V의 전압을 0.5~4시간 동안 유지하여 오염물을 제거하게 된다. 이 때 반응 챔버 내로 주입되는 가스는 수소가스, 아르곤가스, 질소가스이며, 최대 수소가스 400 slh(Standard Liter per Hour), 아르곤가스 60 slh, 질소가스 60 slh로 주입할 수 있으나, 통상적으로 수소가스 100~250 slh, 아르곤가스 10~20 slh, 질소가스 20 slh 이하의 비율로 주입하여 처리한다.
The sputtering process is a process of generating plasma on the object to be treated and removing the inorganic and organic materials remaining on the surface. Plasma generation is performed at a vacuum degree of 1 to 6 mbar and at a temperature of 380 to 450 ° C., When a high voltage is applied from the beginning, the surface of the stainless steel 190 may be damaged due to generation of an arc due to contaminants. As a result, the generation of the arc is minimized by increasing the applied power according to time. The applied voltage and the treatment time are different according to the amount of the charge in the reaction chamber, but the voltage of 400 to 2000 V is maintained for 0.5 to 4 hours to remove contaminants. At this time, the gas injected into the reaction chamber is a hydrogen gas, an argon gas, a nitrogen gas, and can be injected with a maximum hydrogen gas of 400 slh (Standard Liter per Hour), argon gas of 60 slh and nitrogen gas of 60 slh, 100 to 250 slh, argon gas 10 to 20 slh, and nitrogen gas 20 slh or less.

스텐리스 강재의 표면을 침탄 또는 침질하는 경우 스퍼터링 공정과 유사한 조건을 유지하면서 표면처리를 하는 것으로, 1~6 mbar의 진공도와 크롬이 입계로 확산되는 것을 방지할 수 있는 380~450℃의 낮은 처리온도에서 강재의 형상과 장입량에 따라 400~2000V의 전압을 가면서 20시간 이하로 실시한다. 챔버 내로 주입되는 가스는 통상적인 질화 공정 시 수소가스 0~200 slh, 아르곤가스 10~20 slh, 질소가스 10~60 slh를 주입하고, 침탄 시에는 수소가스 150~250 slh, 아르곤가스 10~20 slh, 질소가스 대신에 CxHy 가스를 10 slh 이하로 주입하여 공정을 실시한다.
When the surface of the stainless steel is carburized or soaked, the surface treatment is performed while maintaining the conditions similar to those of the sputtering process. The surface treatment is performed at a vacuum of 1 to 6 mbar and a low treatment of 380 to 450 ° C Depending on the shape of the steel and the amount of charge it is carried out at a temperature of 400-2000 V for 20 hours or less. The gas to be injected into the chamber is injected with a hydrogen gas of 0 to 200 slh, an argon gas of 10 to 20 slh and a nitrogen gas of 10 to 60 slh in a typical nitriding process, hydrogen gas of 150 to 250 slh, argon gas of 10 to 20 Instead of slh and nitrogen gas, CxHy gas is injected below 10 slh and the process is carried out.

스텐리스 강재의 표면강화 공정은 질화 및 침탄을 별도의 공정으로 진행할 수 있고, 경우에 따라서는 질화, 침탄 공정을 연속적인 교번으로 또는 동시에 처리할 수 있는데 이를 하이브리드 표면개질 처리라고 하며, 동시에 처리할 경우에는 통상적으로 수소가스 150~250 slh, 아르곤가스 10~20 slh, 질소가스 10~60 slh, CxHy 가스를 10 slh 이하로 주입하여 1~6 mbar의 진공도, 380~450℃의 온도에서 스텐리스 강재의 형상과 장입량에 따라 20시간 이하동안 400~2000V의 전압을 인가하여 표면 강화공정을 실시한다.
In the surface strengthening process of the stainless steel, the nitriding and carburizing can be carried out in separate processes. In some cases, the nitriding and carburizing processes can be successively alternated or simultaneously processed. This process is called hybrid surface modification, In general, hydrogen gas of 150 to 250 slh, argon gas of 10 to 20 slh, nitrogen gas of 10 to 60 slh and CxHy gas of less than 10 slh are injected at a vacuum level of 1 to 6 mbar and at a temperature of 380 to 450 ° C, Depending on the shape and the amount of steel, the surface strengthening process is performed by applying a voltage of 400 ~ 2000V for 20 hours or less.

본 발명에서 표면강화 및 코팅된 스텐리스 강재를 도 2를 참조로 하여 설명하면, 본 발명에서의 표면강화 처리된 질화, 침탄 또는 침탄질화된 표면 강화층(10)의 두께는 5~100㎛ 정도로 형성시키는 것이 바람직하다. 그 이유로는 상기한 질화나 침탄층의 두께가 5㎛ 이하인 경우에는 표면 강화층(10)의 두께가 너무 얇아 스텐리스 밸브의 사용수명이 짧고, 100㎛ 이상의 두께는 질화나 침탄, 침탄질화 시간이 너무 길게 소요되어 비경제적이기 때문이다.
2, the surface-strengthened nitrided, carburized or carbo-nitrided surface-strengthening layer 10 according to the present invention has a thickness of about 5 to 100 mu m . The reason is that when the thickness of the nitriding or carburizing layer is 5 μm or less, the thickness of the surface strengthening layer 10 is too thin, the service life of the stainless steel valve is short, and the thickness of 100 μm or more is nitriding, carburizing, It takes too long and it is uneconomical.

스텐리스 강재의 코팅층 형성공정은 1~6 mbar의 진공도에서 480~560℃의 온도에서 제품형상과 장입량에 따라 400~1000V의 전압을 인가하여 플라즈마를 형성시킨 후 10시간 이내로 실시한다. Ti계 화합물을 코팅하기 위하여 TiCl4 가스 1~10 slh, 수소가스 150~250 slh, 아르곤가스 20 slh 이하의 분위기에서 질소 10~60 slh를 주입하여 TiN의 하지층(20)을 표면 강화층(10) 위에 형성시킨다. 형성된 TiN 하지층(20)은 0.1~5 ㎛로 제한하는 것이 바람직하며, 0.1 ㎛ 이하의 경우에는 두께가 너무 얇아 중간층으로서의 역할수행이 어렵고 5 ㎛를 초과하면 박리될 우려가 있으므로 일정한 두께로 TiN 코팅층을 하지층(20)으로 형성한다.
The coating layer formation process of stainless steel is performed at a temperature of 480 ~ 560 ℃ under 1 ~ 6 mbar of vacuum and within 10 hours after plasma is formed by applying a voltage of 400 ~ 1000V according to the product shape and loading amount. To deposit the Ti-based compound, 10 to 60 slh of nitrogen was injected in an atmosphere of TiCl 4 gas 1 to 10 slh, hydrogen gas 150 to 250 slh, and argon gas 20 slh or less to form the TiN underlayer 20 as a surface strengthening layer 10). The thickness of the formed TiN underlayer 20 is preferably 0.1 to 5 μm, and when the thickness is less than 0.1 μm, the thickness of the TiN undercoat layer 20 is too small to function as an intermediate layer. If the thickness exceeds 5 μm, Is formed as a base layer (20).

일정한 두께의 TiN 하지층(20)이 형성된 다음에는, 진공챔버 내로 BCl3 가스를 3~10 slh의 유량으로 주입시키면서 질소가스를 30~10 slh로 조절하여, TiBN과 TiB2 혼합 코팅층(30)을 형성시키며, 이때 원료가스인 BCl3 가스를 TiCl4와 0.25 : 1 내지 1:2의 가스비로 혼합하여 공급한다. TiN, TiBN, TiB2 중 2 이상이 혼합된 코팅층인 혼합 코팅층(30)의 두께는 1~10 ㎛로 제한하는 것이 바람직하며, 그 두께를 한정한 이유는 1㎛ 이하의 경우에는 두께가 너무 얇아 내마모 코팅층의 기능이 나타나기 어렵고, 10㎛를 초과하는 경우에는 코팅시간이 많이 소요되어 비경제적이므로, 용도에 따라 일정한 두께의 TiN, TiBN, TiB2 중 2 이상이 혼합된 혼합 코팅층(30)을 형성한다.
After the TiN underlayer 20 having a constant thickness is formed, the TiBN and TiB 2 mixed coating layer 30 is formed by controlling the nitrogen gas at 30 to 10 slh while injecting BCl 3 gas at a flow rate of 3 to 10 slh into the vacuum chamber, And BCl 3 gas as a raw material gas is mixed with TiCl 4 at a gas ratio of 0.25: 1 to 1: 2. The thickness of the mixed coating layer 30, which is a coating layer formed by mixing two or more of TiN, TiBN and TiB 2 , is preferably limited to 1 to 10 탆. The reason for limiting the thickness is that when the thickness is 1 탆 or less, It is difficult to show the function of the abrasion-resistant coating layer. When the thickness exceeds 10 탆, the coating time is too long to be economical. Therefore, the mixed coating layer 30 having two or more of TiN, TiBN and TiB 2 .

이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명토록 하겠다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.

(실시예 1)
(Example 1)

오스테나이트계 스텐리스 강재(STS 316L)를 선택하여 도면 3의 진공 챔버 내에서 표면 강화층(10) 및 하지층(20) 혼합 코팅층(30)을 연속적으로 실시하였다. 이들 스텐리스 강재(190)를 진공 챔버(110)의 플레이트(120) 위에 위치시킨 다음, 챔버 내부의 압력을 0.1mbar로 감압시켰다. 진공 챔버(110)의 내부를 일정한 압력으로 감압한 후, 수소가스를 주입하면서 가열부재(170)를 이용하여 400℃까지 가열시킨 다음, 수소가스, 아르곤가스, 질소가스의 혼합가스를 진공 챔버 내부로 공급하는 동시에 전원(140)으로부터 전원을 인가하여 스텐리스 강재(190)의 표면을 90분 동안 클리닝 하였다.
Austenitic stainless steel (STS 316L) was selected and the surface strengthening layer 10 and the undercoat layer 20 mixed coating layer 30 were successively carried out in the vacuum chamber of FIG. These stainless steel members 190 were placed on the plate 120 of the vacuum chamber 110 and then the pressure inside the chamber was reduced to 0.1 mbar. After the inside of the vacuum chamber 110 is reduced in pressure to a predetermined pressure, a hydrogen gas is injected and heated to 400 ° C. by using a heating member 170, and a mixed gas of hydrogen gas, argon gas and nitrogen gas is introduced into the vacuum chamber And the surface of the stainless steel material 190 was cleaned for 90 minutes by applying power from the power source 140. [

스텐리스 강재의 표면의 오염물을 제거하는 스퍼터링 단계 종료 후, 질소가스와 CH4가스의 유량이 50 slh이 되도록 주입하였다. 질화와 침탄을 연속적으로 하는 하이브리드 표면강화처리를 하기 위하여 질소가스와 CH4가스를 각각 1:9에서 9:1가스비로 교번으로 주입하여 표면 강화층(10)을 침탄질화층으로 하였다. 이 때, 주입하는 가스 각각의 양은 수소가스 100 slh로, 아르곤가스는 10 slh를 유지하면서 주입하였으며, 챔버 내부의 압력은 2~5 mbar를 유지하도록 하였다.
After the sputtering step for removing the contaminants on the surface of the stainless steel, the flow rate of nitrogen gas and CH 4 gas was 50 slh. Nitrogen gas and CH 4 gas were injected alternately at a gas ratio of 1: 9 to 9: 1, respectively, in order to carry out the hybrid surface-strengthening treatment continuously for nitriding and carburizing, thereby forming the surface strengthening layer 10 as a carbo-nitriding layer. In this case, the amount of each gas to be injected was maintained at 100 slh of hydrogen gas and 10 slh of argon gas, and the pressure inside the chamber was maintained at 2 to 5 mbar.

진공 챔버 내에서 플라즈마로 스텐리스 강재(190) 표면을 8시간 동안 침탄질화 처리한 다음, CH4가스 공급을 중단하고 TiN의 하지층(20)을 형성하기 위해 필요한 원료가스인 TiCl4가스와 질소가스 비를 1:10으로 하면서, 수소가스 180 slh, 아르곤가스 10 slh, 각각 2시간 동안 공급하여 TiN 하지층(20)을 형성하였다. TiN 하지층(20)을 형성한 다음 아르곤가스 주입을 8 slh로 감소시키면서 원료가스인 TiCl4가스를 4 slh로 일정하고 공급하였다. 이때, BCl3가스를 2 slh 및 10 slh 교번으로 공급하여 TiBN과 TiB2 의 혼합 코팅층(30)이 형성되도록 하였다.
The surface of the stainless steel 190 was subjected to carbo-nitriding treatment with plasma in the vacuum chamber for 8 hours, and then the supply of the CH 4 gas was interrupted and the TiCl 4 gas and the nitrogen (N 2), which are necessary for forming the ground layer 20 of TiN, Hydrogen gas 180 slh and argon gas 10 slh, respectively, for 2 hours while the gas ratio was 1:10, thereby forming the TiN underlayer 20. The TiN underlayer 20 was formed, and the argon gas injection was reduced to 8 slh, and the source gas TiCl 4 gas was supplied at a constant rate of 4 slh. At this time, BCl 3 gas was supplied in alternation of 2 slh and 10 slh to form a mixed coating layer 30 of TiBN and TiB 2 .

(비교예 1)
(Comparative Example 1)

상기 스텐리스 강재의 표면의 오염물을 제거하는 스퍼터링 단계 종료 후, 질소가스의 유량이 35 slh이 되도록 주입하면서, 수소가스 100 slh로, 아르곤가스는 10 slh를 주입하였으며, 챔버 내부의 압력은 2~5 mbar를 유지하도록 하였다. 전체 질화처리 시간을 20시간으로 하여 표면강화층의 두께와 표면경도를 측정하였다.
After the completion of the sputtering step for removing the contaminants on the surface of the stainless steel, 10 slh of argon gas and 100 slh of hydrogen gas were injected while the flow rate of nitrogen gas was 35 slh. 5 mbar was maintained. The total nitriding treatment time was 20 hours, and the thickness and surface hardness of the surface strengthening layer were measured.

(비교예 2)
(Comparative Example 2)

상기 비교예 1에서 질소가스 대신에 CH4 가스를 5 slh 주입하며 수소가스 100slh, 아르곤가스 30 slh로서, 챔버 내부의 압력은 2~5mbar를 유지하도록 하였다. 표면 강화층(10)을 질화에서 침탄처리로 변경한 것을 제외하고는, 비교예 1과 실질적으로 동일하게 스텐리스 부품을 제조하였다.
In Comparative Example 1, instead of nitrogen gas, CH 4 gas was injected at a rate of 5 slh, hydrogen gas at 100 slh and argon gas at 30 slh, and the pressure inside the chamber was maintained at 2 to 5 mbar. A stainless steel part was manufactured in substantially the same manner as in Comparative Example 1, except that the surface strengthening layer 10 was changed from nitriding to carburizing.

(비교예 3)
(Comparative Example 3)

상기 스텐리스 강재의 표면의 오염물을 제거하는 스퍼터링 단계 종료 후, 8시간 동안 침탄질화 처리하여 표면강화층(10)만 형성한 후 표면강화층의 두께와 표면경도를 측정하였다.
After completion of the sputtering step for removing contaminants on the surface of the stainless steel, carburizing nitriding treatment was performed for 8 hours to form only the surface strengthening layer 10, and then the thickness and surface hardness of the surface strengthening layer were measured.

구분division 생성물product 인가전압(V)The applied voltage (V) 압력(mbar)Pressure (mbar) 기판온도(℃)Substrate temperature (캜) 수소 (slh)Hydrogen (slh) CH4 (slh)CH 4 (slh) 질소
(slh)nitrogen
(slh) 아르곤(slh)Argon (slh) TiCl4 (slh)TiCl 4 (slh) BCl3 (slh)BCl 3 (slh) 질화nitrification 질화층Nitride layer 500500 2~52 to 5 420420 100100 -- 3535 1010 -- -- 침탄Carburizing 침탄층Carburizing layer 500500 2~52 to 5 420420 100100 55 55 3030 -- -- 코팅층Coating layer TiNTiN 520520 2~42 to 4 480~530480-530 180180 -- 3535 1010 33 -- TiBN,TiBN, 580580 2~42 to 4 480~530480-530 180180 -- 3030 88 44 22 TiB2 TiB 2 -- 1010

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3은 위의 표 1과 같은 조건으로 플라즈마 질화, 침탄 및 침탄질화 처리하였으며, 침탄질화한 표면 강화층(10) 위에 중간층의 TiN 하지층(20)과 내마모성을 갖는 혼합 코팅층(30)을 형성하여 물리적 특성을 측정하였다.Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to plasma nitriding, carburizing and carbo-nitriding under the same conditions as in Table 1, and the intermediate layer of TiN underlayer 20 and the abrasion resistance of the carburized nitrided surface- The physical properties of the mixed coating layer 30 were measured.

각각 제조된 스텐리스 밸브의 물리적 특성을 비교해 보기 위하여, 스텐리스 밸브 부품의 경도 마모시간, 두께를 측정하였으며, 그 값을 아래의 표 2에 나타내었다.
In order to compare the physical properties of each manufactured stainless steel valve, the hardness wear time and thickness of the stainless steel valve part were measured and the values are shown in Table 2 below.

구분division 표면강화층 두께(㎛)Surface strengthening layer thickness (탆) 표면경도(Hv)Surface Hardness (Hv) 실시예 1Example 1 침탄질화처리+하지층+혼합코팅층
(8시간+1.5시간+5시간)Carburizing nitriding + underlying layer + mixed coating layer
(8 hours + 1.5 hours + 5 hours) 8+0.5+4.08 + 0.5 + 4.0 29302930 비교예 1Comparative Example 1 질화처리(20시간)Nitriding treatment (20 hours) 2929 10291029 비교예 2Comparative Example 2 침탄처리
(20시간)Carburizing treatment
(20 hours) 3838 13411341 비교예 3Comparative Example 3 침탄질화처리(침탄4시간+질화 4시간)Carburizing nitriding (carburizing 4 hours + nitriding 4 hours) 88 16401640

위의 표 2에 나타낸 바와 같이, 스텐리스 강재를 표면강화처리만 한 경우의 표면경도는 질화처리 1029Hv, 침탄처리 1341Hv, 하이브리드로 침탄질화 처리한 경우는 1640Hv를 나타내었으며, TiN의 하지층(20)과 TiB2 와 TiBN으로 혼합된 내마모성의 혼합코팅층(30)을 형성한 경우에는 2930Hv로 표면강화층(10)만 형성된 스텐리스 강재에 비해 매우 높은 것을 알 수 있다. 또한, 도 4의 실시예 1과 비교예 1 내지 3의 스텐리스 강재의 단면인 도 4의 (a) ~(c)에서 볼 수 있듯이, 질화나 침탄 하이브리드 처리 시 표면 강화층의 두께는 처리시간에 따라 증가하며, 하지층(20) 및 혼합 코팅층(30)의 두께도 표면 강화층(10)의 두께와 같이 코팅시간에 비례하여 두꺼워지는 것을 알 수 있다. 동일한 시간동안 침탄이나 질화처리한 경우에는 침탄처리한 표면강화층(10)(도 4의 (b))이 질화처리한 표면강화층(10)(도 4의 (a)) 보다 더 깊이 형성되는 것으로 나타났다. As shown in the above Table 2, the surface hardness of the stainless steel with only surface strengthening treatment was 1029 Hv for nitriding treatment, 1341 Hv for carburizing treatment, 1640 Hv for carburizing nitriding with hybrid, and the surface hardness of TiN base layer 20 ) And the abrasion-resistant mixed coating layer 30 mixed with TiB 2 and TiBN were formed, the strength was 2930 Hv, which is much higher than that of the stainless steel formed with only the surface strengthening layer 10. 4 (a) to 4 (c), which are cross sections of the stainless steel of Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 in FIG. 4, the thickness of the surface strengthening layer in the nitriding or carburizing hybrid treatment was set to the processing time And the thicknesses of the ground layer 20 and the mixed coating layer 30 are increased in proportion to the coating time as the thickness of the surface-strengthening layer 10. The carburized or nitrided surface treatment layer 10 (FIG. 4 (b)) is formed more deeply than the nitrided surface strengthening layer 10 (FIG. 4 (a)) Respectively.

도 5의 (a)는 실시예 1과 비교예 1 내지 3으로 표면처리한 스텐레스 강재의 표면 각각을 XRD 분석한 결과이다. 표면처리한 스텐리스 강재는 XRD 결과와 같이 S상 또는 확장된 오스테나이트라고 알려져 있는 상이 형성되었음을 알 수 있다. 이 상은 스텐리스 강재를 450℃ 이하의 저온에서 침탄, 질화처리를 했을 때 나타나는 상으로 내부식 특성이 우수하며 높은 경도를 가지는 것이 특징이다. (b)는 하지층(20)과 혼합코팅층(30)을 형성한 스텐리스 강재의 표면을 XRD 분석한 결과로서 특정한 결정면의 갖는 TiN과 TiB2 상 피크가 형성되는 것을 인지할 수 있다. Fig. 5 (a) is a result of XRD analysis of each of the surfaces of the stainless steel surface treated by Example 1 and Comparative Examples 1 to 3. Fig. As a result of the XRD, the surface treated stainless steel can be found to have an S phase or an augmented austenite phase. This phase is a phase that appears when the stainless steel is subjected to carburizing and nitriding treatment at a low temperature of 450 ° C or less, and is characterized by having excellent corrosion resistance and high hardness. (b) shows that a TiN and TiB 2 phase peak having a specific crystal plane is formed as a result of XRD analysis of the surface of the stainless steel material having the foundation layer 20 and the mixed coating layer 30 formed thereon.

도 6의 (a)는 표면처리하지 않은 STS 316L과 비교예 1 내지 3의 방법으로 표면처리한 스텐리스 강재(STS 316L)에 대한 동적분극 실험한 결과를 비교한 그래프이고, (b)는 표면처리하지 않은 STS 316L과 실시예 1 및 표면강화층(10)과 TiN의 하지층(20)만 형성된 스텐리스 강재(STS 316L)에 대한 동적분극 실험한 결과를 비교한 그래프이다. 이와 관련하여 동적분극 실험결과 처리하지 않은 스텐리스 강재(STS316L)에 비해 비교예 1 내지 3의 침탄, 질화, 하이브리드 처리된 스텐리스 강재뿐만 아니라 하지층(20) 또는 내마모성의 혼합코팅층(30)을 형성한 스텐리스 강재의 내부식 특성이 우수하며 이는 앞에서 설명한 저온 표면처리 과정에서 생성되는 S상에 의하여 내부식 특성이 향상된 것을 보여주고 있다.       6 (a) is a graph comparing dynamic polarization experiments on STS 316L not subjected to surface treatment and STS 316L surface-treated with the methods of Comparative Examples 1 to 3, and FIG. 6 (b) (STS 316L), and Example 1, a surface strengthening layer 10, and a stainless steel material (STS 316L) formed of only a ground layer 20 of TiN. As a result of the dynamic polarization experiment, it was found that the undercoat layer 20 or the abrasion-resistant mixed coating layer 30 as well as the carburized, nitrided, and hybrid-treated stainless steel of Comparative Examples 1 to 3 as compared with the untreated stainless steel (STS316L) It is shown that the corrosion resistance of the formed stainless steel is excellent and that the corrosion resistance is improved by the S phase generated in the low temperature surface treatment described above.

도 7은 도 6과 같이 (a)는 표면처리하지 않은 STS 316L과 비교예 1 내지 3의 방법으로 표면강화 처리한 스텐리스 강재(STS 316L)에 대해 마모 시험한 결과를 비교한 그래프이고, (b)는 표면처리하지 않은 STS 316L과 실시예 1 및 표면강화층(10)과 TiN의 하지층(20)만 형성된 스텐리스 강재(STS 316L)에 대하여 동적분극 실험한 결과를 비교한 그래프이다. 이러한 표면 처리된 시편의 내마모 특성을 Ball-on-Disk 방식의 마모시험기를 이용하여 10N의 하중으로 200m 이상 평가하여 그 결과를 나타내었다. 도 7 (a)의 마모시험 그래프에서 볼 수 있듯이 표면처리되지 않은 스텐리스 강재는 0.8 정도의 마찰계수를 보이고 있으나 침탄, 질화처리 된 각각의 스텐리스 강재는 미처리 시험편에 비해 낮은 마찰계수인 0.6 정도를 보이며, 경도가 가장 우수한 하이브리드 표면 처리된 침탄질화 표면강화층(10)을 갖는 스텐리스 강재는 0.4로 가장 낮은 마찰계수를 타내었다. 또한 도 7 (b)에서 볼 수 있듯이 TiN의 하지층(20)만 가지는 스텐리스 강재와 TiN의 하지층(20)과 TiN/TiB2의 혼합된 혼합코팅층(30)을 갖는 스텐리스 강재는 각각 0.3, 0.25이며, 특히 TiN/TiBN/TiB2 중 2개 이상의 Ti화합물이 혼합된 혼합 코팅층이 2 층 이상 다층으로 적층되어 형성된 스텐리스 강재는 0.1 정도에 불과한 매우 낮은 마찰계수를 나타내고 있는바, 침탄, 질화, 하이브리드의 침탄질화 표면강화층(10)만 갖는 스텐리스 강재의 시험편에 비해 TiN의 하지층(20)이나 TiN의 하지층(20) 상부에 혼합 코팅층(30)이 형성된 스텐리스 강재는 더욱 우수한 내마모성을 가지고 있음을 알 수 있다.FIG. 7 is a graph comparing the results of the abrasion test on the STS 316L not subjected to the surface treatment and the STS 316L surface-strengthened by the methods of Comparative Examples 1 through 3 as shown in FIG. 6 ((a) b) is a graph comparing the results of the dynamic polarization test with STS 316L which is not surface treated, and Example 1, and the surface strengthening layer 10 and the STS 316L formed of only the ground layer 20 of TiN. The abrasion resistance of the surface-treated specimens was evaluated by a ball-on-disk type abrasion tester over 200 m under a load of 10 N, and the results are shown. As can be seen from the abrasion test graph of FIG. 7 (a), the non-surface-treated stainless steel showed a friction coefficient of about 0.8, but each of the carburized and nitrided stainless steels had a lower friction coefficient of 0.6 And the stainless steel material having the carburized nitrided surface strengthening layer 10 having the hybrid surface treatment with the highest hardness showed the lowest friction coefficient of 0.4. As shown in FIG. 7 (b), the stainless steel having only the TiN undercoat layer 20, the base layer 20 of TiN, and the mixed coating layer 30 of TiN / TiB 2 , 0.3, and 0.25. In particular, the stainless steel material formed by laminating two or more layers of mixed coating layers in which two or more Ti compounds among TiN / TiBN / TiB2 are mixed has a very low coefficient of friction of only about 0.1, Compared with the test piece of the stainless steel having only the carburized nitrided surface strengthening layer 10 of nitriding and hybrid, the stainless steel material having the mixed coating layer 30 formed on the foundation layer 20 of TiN or the foundation layer 20 of TiN It can be seen that it has excellent abrasion resistance.

상기와 같은 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
The surface treatment method of the high-temperature and high-pressure stainless steel as described above is not limited to the configuration and the operation method of the embodiments described above. The above embodiments may be configured so that all or some of the embodiments may be selectively combined to make various modifications.

10 : 표면 강화층
20 : TiN 하지층
30 : TiBN 및 TiB2 혼합 코팅층
100: 질화처리용 플라즈마 장치, 110: 진공 챔버,
112: 접지, 120: 플레이트,
130: 음극 전극, 131 : 측벽요소, 132 : 덮개요소, 133 : 중공관 단위체
132: 덮개 요소,
140: 전원, 142: 바이어스 전원,
150: 가스 공급부, 152: 가스 공급관,
160: 진공 형성부, 170: 가열 부재,
180: 쉴드 부재,
190: 스텐리스 강재10: Surface strengthening layer
20: TiN underlayer
30: TiBN and TiB2 mixed coating layer
100: plasma apparatus for nitriding treatment, 110: vacuum chamber,
112: ground, 120: plate,
130: cathode electrode, 131: side wall element, 132: lid element, 133: hollow tube unit
132: cover element,
140: power source, 142: bias power source,
150: gas supply unit, 152: gas supply pipe,
160: vacuum forming unit, 170: heating member,
180: shield member,
190: Stainless steel

Claims (21)

표면처리로 표면을 개질시키는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법에 있어서,
ⅰ) 스텐리스 강재를 챔버에 장입하는 단계;
ⅱ) 가열된 상기 챔버 내에 반응가스들을 주입하여 플라즈마로 스텐리스 강재의 표면을 강화 처리하는 단계;
ⅲ) 상기 챔버에 하지층을 형성하기 위한 코팅 공정가스를 주입하여 화학증착공정으로 하지층을 형성하는 단계;
ⅳ) 상기 하지층 위에 내마모층을 형성하기 위한 공정가스 주입으로 TiN, TiBN, TiB2 중 2 이상이 혼합되어 이루어진 내마모 혼합 코팅층을 형성하는 단계:로 이루어진 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
A surface treatment method of a high-temperature and high-pressure stainless steel material for surface modification by surface treatment,
I) charging the stainless steel into the chamber;
Ii) injecting reaction gases into the heated chamber to enrich the surface of the stainless steel with plasma ;
Iii) implanting a coating process gas into the chamber to form a ground layer by chemical vapor deposition ;
And iv) forming an abrasion-resistant mixed coating layer formed by mixing at least two of TiN, TiBN and TiB 2 by a process gas injection for forming an abrasion layer on the undercoating layer. The surface of the stainless steel material for high temperature and high- Processing method.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅱ)의 표면을 강화 처리하는 단계 이전에 스텐리스 강재 표면상태에 따라 스퍼터링 공정으로 이물질을 제거하는 단계를 선택적으로 더 추가하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of optionally removing the foreign substance by a sputtering process according to the surface state of the stainless steel before the step of strengthening the surface of the step (ii).
청구항 2에 있어서,
상기 이물질을 제거하는 단계는 380~450℃에서 챔버 내로 수소, 아르곤 질소가스를 주입하고 스퍼터링하여 이물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method of claim 2,
Wherein the step of removing the foreign matter comprises injecting hydrogen and argon nitrogen gas into the chamber at a temperature of 380 to 450 DEG C and sputtering the foreign substance to remove the foreign substance.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅱ)의 표면을 강화 처리하는 단계는 진공도 1~6 mbar, 380~450℃에서 400~2000V의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of strengthening the surface of the step (ii) comprises applying a voltage of 400 to 2000 V at a degree of vacuum of 1 to 6 mbar and a temperature of 380 to 450 ° C.
청구항 4에 있어서,
상기 표면을 강화 처리하는 단계가 침탄, 침질, 침탄질화 중의 하나인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method of claim 4,
Wherein the step of strengthening the surface is one of carburizing, dipping, and carbo-nitriding.
청구항 1 또는 4에 있어서,
상기 표면을 강화 처리하는 것이 하이브리드 표면 강화처리 방법인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method according to claim 1 or 4,
Characterized in that the surface is subjected to a reinforcing treatment by a hybrid surface strengthening treatment method.
청구항 6에 있어서,
상기 하이브리드 표면 강화처리 방법은 침탄 또는 질화를 교번으로 또는 동시에 하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method of claim 6,
Wherein the hybrid surface strengthening treatment method is characterized by alternately or simultaneously carburizing or nitriding the surface of the stainless steel material for high temperature and high pressure.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅲ)의 하지층을 형성하는 단계는 480~650℃에서 400~1000V의 전압을 인가하여 하지층을 형성하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method according to claim 1,
And forming a ground layer by applying a voltage of 400 to 1000 V at 480 to 650 ° C in the step of forming the ground layer in the step iii).
청구항 1 또는 8에 있어서,
상기 ⅲ)의 단계에서 챔버 내에 TiCl4가스 1~10 slh, 수소가스 150~250 slh, 아르곤 0~20 slh에 질소가스 10~60 slh를 주입하여 하지층을 형성시키는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method according to claim 1 or 8,
Characterized in that in step (iii), a base layer is formed by injecting TiCl 4 gas 1 to 10 slh, hydrogen gas 150 to 250 slh, and argon 0 to 20 slh with nitrogen gas 10 to 60 slh in the chamber, (EN) METHOD FOR SURFACE TREATMENT OF STAINLESS STEEL.
청구항 9에 있어서,
상기 하지층은 TiN 코팅층인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method of claim 9,
Wherein the underlayer is a TiN coating layer.
청구항 1에 있어서,
상기 ⅳ)의 혼합 코팅층을 형성하기 위하여 BCl3 공정가스를 더 주입하는 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 강재의 표면처리방법.
The method according to claim 1,
And further injecting a BCl 3 process gas to form the mixed coating layer of iv).
삭제delete 표면 강화처리 및 내마모성의 코팅층이 형성된 고온, 고압용 스텐리스 부품에 있어서,
스텐리스 강재;
상기 스텐리스 강재의 표면을 플라즈마로 강화처리한 표면강화층,
상기 스텐리스 강재의 강화층 위에 TiN으로 이루어진 하지층, 하지층 상부에 TiN, TiBN, TiB2 중 2 이상이 혼합되어 이루어진 혼합 코팅층으로 이루어진 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품.
In a high temperature and high-pressure stainless steel part having a surface strengthening treatment and a wear resistant coating layer formed thereon,
Stainless steel;
A surface strengthening layer obtained by reinforcing the surface of the stainless steel with a plasma ,
And a mixed coating layer formed by mixing at least two of TiN, TiBN, and TiB 2 on the foundation layer and a foundation layer made of TiN on the reinforcement layer of the stainless steel.
청구항 13에 있어서,
상기 표면강화층은 질화, 침탄, 침탄질화 중의 하나인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품.
14. The method of claim 13,
Wherein the surface strengthening layer is one of nitriding, carburizing and carburizing nitrides.
청구항 14에 있어서,
상기 침탄질화는 하이브리드 표면 강화처리 방법으로 형성된 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품.
15. The method of claim 14,
Wherein said carburizing and nitriding is formed by a hybrid surface strengthening treatment method.
청구항 13에 있어서,
상기 표면 강화층의 두께는 5~100 ㎛ 인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품.
14. The method of claim 13,
Wherein the surface strengthening layer has a thickness of 5 to 100 占 퐉.
청구항 13에 있어서,
상기 하지층의 두께는 0.1~5㎛ 인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품.
14. The method of claim 13,
Wherein the base layer has a thickness of 0.1 to 5 占 퐉.
청구항 13에 있어서,
상기 혼합 코팅층의 두께는 1~10㎛인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품.
14. The method of claim 13,
Wherein the mixed coating layer has a thickness of 1 to 10 占 퐉.
삭제delete 청구항 13에 있어서,
상기 혼합 코팅층이 2층 이상 다층으로 적층된 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품.
 14. The method of claim 13,
Characterized in that the mixed coating layer is laminated in two or more layers.
청구항 13 내지 18, 20 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스텐리스 강재는 발전소 및 화학플랜트용 제어밸브인 것에 특징이 있는 고온, 고압용 스텐리스 부품. The method according to any one of claims 13 to 18, 20,
Wherein said stainless steel is a control valve for a power plant and a chemical plant.
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