KR101736565B1 - 볼 밸브의 제조방법 및 그에 따른 볼 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 치수정밀도가 높아야 하는 볼 밸브를 좀 더 저비용으로 제작하되, 내식성, 내마모성과 극저온 내성 등, 요구되는 특성을 구비하게 함으로써 산업상 만족스러운 볼 밸브의 제조방법과 그에 따른 볼 밸브를 제공하고자 한다.
본 발명은, 상대적으로 저렴한 스테인레스스틸을 소재로 하여 볼 밸브와 밸브쉬트를 정밀가공한 다음, 이들의 표면에 60중량% 이상의 고농도 Cr층을 확산코팅 되게 하는 동시에 본래 소재인 스테인레스스틸에 함유된 Ni이 표층으로 확산 되게 공정조건을 제어함으로써, 고농도의 고크롬-고니켈 합금층이 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 제조방법을 제공하며, 그에 따른 볼 밸브를 제공한다.

Description

볼 밸브의 제조방법 및 그에 따른 볼 밸브{MANUFACTURING METHOD OF BALLVALVE AND BALLVALVE THEREBY}

본 발명은 볼 밸브에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 극저온 환경과 같이 열팽창을 심하게 경험할 수 있는 볼 밸브의 제조방법 및 그에 따른 볼 밸브에 관한 것이다.

통상의 스테인레스 소재의 경우 열팽창수축이 크고, 내식성이 높은 스테인레스의 경우 소재가 물러서 장시간 사용시 마모에 의해서 리크가 발생하는 문제가 빈번하다. 이와 같은 이유로 고니켈, 고크롬 소재를 사용하는데 이는 저온에서의 열팽창계수가 적게 하기 위한 소재의 선정방법이다. 그러나 이도 역시 마모에 의해서 리크가 발생하는 문제는 여전히 남아 있어 고가의 소재이지만 내구성은 떨어지는 한계를 가지고 있다. 이에 니켈을 다량 함유한 소재를 이용하여 표면에 고크롬 코팅층을 형성하고 이를 코팅온도에서 유지하여 상호확산(interdiffusion)이 일어나도록 하여 외부의 고농도 크롬은 내부에 크롬을 공급하고 내부의 철과 니켈등 합금원소는 외부로 확산되도록 하여 치환형 고용체(substitutional solid solution)을 형성 이로 인해 강도 및 경도는 올라가면서 모재에 없던 고농도의 내식성 층이 외부에 형성되므로 내식성과 내마모성 그리고 저온에서 사용가능한 층이 형성 되도록 하여 활용 가능한 제품을 제작하는 기술을 말한다.

볼 밸브는 산업설비에 매우 다양하게 그리고 빈번히 적용되고 있다.

석유화학 플랜트, 원자력발전소나 화력발전소의 유체 공급장치를 비롯한 각종 구동제어장치에 볼 밸브가 적용되며, 볼 밸브를 통해 정밀한 개폐 또는 구동 동작이 이루어진다. 저가의 산업용 볼밸브는 대부분 동, 황동, 스테인레스 재질로 제품화되고 있다. 그러나, 우주궤도환경과 같은 극저온 환경에 적용되거나 액화석유가스, LNG 등의 운송 선박에 적용되는 볼 밸브는 극저온 환경과 상온 환경에 모두 노출되므로 열팽창 문제를 지니게 된다. 정밀 제어를 요한다는 점에 비추어 볼 밸브의 열팽창은 의도하지 않은 오동작이나 오차를 일으키게 되어 매우 문제된다. 또한, 액화석유가스와 LNG등의 운송 선박에 적용될 경우 해수로 인한 내식성, 내산성 및 내마모성이 극저온 내성과 동시에 요구된다. 현재 이와 같은 요구조건으로 인해 볼 밸브는 고크롬, 고니켈합금인 인코넬 625, 인코넬 750, 또는 모넬합금 K-400, 모넬합금 K-500 등의 고가 소재로 제작되고 있다. 또한, 이러한 고가 소재의 볼 밸브는 내식성을 요하는 산업용 정밀 플랜트, 조선, 해양플랜트(주로 석유화학, 담수화설비, 구조물)과 화학플랜트의 유체의 이송라인에 사용되고 있다. 볼 밸브의 제작이 이와 같이 고가 소재를 이용하여야 한다는 점은 상술한 바와 같은 각종 설비의 제작비를 상승시키고 있으며, 교체가 필요할 경우, 유지비 역시 상당하다.

볼 밸브의 정밀성, 치수안정성 그리고 상기한 바와 같은 내식성, 내산성, 내마모성, 극저온 내성을 모두 만족시키면서도 가공성도 좋은 대체 소재를 찾기가 어려운 상황이다. 대한민국 공개특허 제10-2004-0019137호는 볼밸브의 사용수명 연장을 위해 용접봉 코팅층을 형성하고 있다. 상기 공보에서는 볼 밸브의 크기를 1mm 정도 작게 만든 후 용접봉 코팅으로 본래 사이즈를 갖도록 하고 있으나, 이러한 방법은 볼밸브의 치수정밀도를 나쁘게 할 위험이 있으며, 양산성도 좋지 못하다.

따라서 본 발명의 목적은 치수정밀도가 높아야 하는 볼 밸브를 좀 더 저비용으로 제작하되, 내식성, 내마모성과 극저온 내성 등, 요구되는 특성을 구비하게 함으로써 산업상 만족스러운 볼 밸브의 제조방법과 그에 따른 볼 밸브를 제공하고자 한다.

또한, 상기에서 볼 밸브의 제조방법은 양산성을 갖추도록 한다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 상대적으로 저렴한 스테인레스스틸을 소재로 하여 볼 밸브와 밸브쉬트를 정밀가공한 다음, 이들의 표면에 60중량% 이상의 고농도 Cr층을 확산코팅 되게 하는 동시에 본래 소재인 스테인레스스틸에 함유된 Ni이 표층으로 확산 되게 공정조건을 제어함으로써, 고농도의 고크롬-고니켈 합금층이 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 볼 밸브의 제조방법을 제공하며, 그에 따른 볼 밸브를 제공한다.

상기에 있어서, 볼 밸브와 밸브 쉬트의 원 소재는 저온충격성이 강한 STS309, STS309Mo, STS310, STS316L, STS316Cu, STS317 중 어느 하나를 택할 수 있다.

또한, 상기에 있어서, 스테인레스 스틸을 원 소재로 한 볼 밸브와 밸브 쉬트의 표면처리는 팩 세멘테이션을 이용하여 고크롬 코팅과 동시에 니켈의 역확산을 이루어 별도의 니켈 공급원 없이 간편하게 고성능 코팅층을 형성하였다.

본 발명에 따르면, 정밀도가 높은 볼 밸브를 저렴하고 가공성 좋은 스테인레스 스틸 소재로 제작한 다음 고크롬-고니켈 코팅층으로 표면처리함으로써 저렴한 가격대에 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 볼 밸브 제작방법으로 팩 세멘테이션을 적용함으로써, 고크롬층 코팅과 동시에 니켈 공급원 없이 스테인레스 스틸에 함유된 니켈을 표층으로 역확산되게 함으로써 고크롬-고니켈 합금 코팅층을 형성하여 고가 소재품과 동일한 내식성과 내화학성, 극저온 내성을 구비하게 할 수 있다.

즉, 열팽창에 대해 매우 안정적이어서 극저온 내성을 크게 향상시키는 희토류 원소인 Ni 성분을 별도의 추가 공정 없이도 팩 세멘테이션 과정에서 원 소재에 포함된 Ni이 표면 쪽으로 역 확산 되어 코팅층이 자연적으로 합금성분이 되어 요구되는 물성을 갖추게 되는 유리함이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 팩 세멘테이션으로 코팅층을 형성하고자 하는 볼 밸브와 밸브쉬트의 사진이다.
도 2는 본 발명의 팩 세멘테이션 공정에 탄화수소를 공급하고 열사이클을 여러 가지로 조절한 경우를 보여주는 그래프들이다.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 볼 밸브와 벨브쉬트의 코팅층 깊이를 측정한 결과를 보여주는 표이다.
도 4는 본 발명에 따라 제작된 볼 밸브와 벨브쉬트의 경도 측정 결과를 보여주는 표이다.
도 5는 도 2의 A1로 본 발명을 실시 한 결과 조직도이고, 도 6은 모재와 코팅층을 볼 수 있는 절단 조직도이다.
도 7은 도 2의 A2로 본 발명을 실시 한 결과 조직도이고, 도 8은 모재와 코팅층을 볼 수 있는 절단 조직도이다.
도 9는 도 2의 A3으로 본 발명을 실시 한 결과 조직도이고, 도 10은 모재와 코팅층을 볼 수 있는 절단 조직도이다.
도 11은 도 2의 A4로 본 발명을 실시한 결과 조직도이고, 도 12는 모재와 코팅층을 볼 수 있는 절단 조직도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 스테인레스스틸 소재를 이용하여 볼 밸브와 밸브쉬트를 정밀가공한다. 가공방법은 기존에 널리 알려진 방법을 이용하며, 스테인레스스틸은 STS309, STS309Mo, STS310, STS316L, STS316Cu, STS317 중 어느 하나를 택할 수 있다. 도 1과 같은 볼 밸브와 밸브쉬트가 이후, 팩 세멘테이션에 의해 고 크롬-고 니켈 코팅층을 형성하게 된다.

정밀하게 가공된 볼 밸브와 밸브 쉬트는 챔버에 넣고 10^-2Torr 내외로 진공화한 후, 크롬을 포함한 원료분말, 활성제 및 충진제를 채워 팩 세멘테이션 방법으로 고 농도의 크롬을 밸브와 쉬트 표면에 흡착시키고 침투시켜 고 크롬 코팅을 실시한다. 여기서 코팅 조성물은 크롬(Cr) 분말 5~15중량%, 활성제 0.05~5중량% 및 불활성 충진제 80~90중량%를 포함할 수 있다. 활성제로는 메탈 할라이드 가스를 생성할 수 있도록 할로겐 족 원소를 포함하는 물질로 구성된 것을 사용한다.

본 실시 예는 NH₄Cl, NaCl, NaF 중 하나 이상으로 된 활성제를 사용하였다. 또한,

충진제로는 알루미나(Al₂O₃)를 사용하였다. 챔버 내로 수소(H₂) 및 아르곤(Ar) 가스를 불어 넣고 700 내지 1200 ℃, 바람직하게는 700 내지 1050 ℃로 승온시키면 금속 원료 분말(Cr)과 활성 가스가 반응하여 철-크롬 복합 할라이드 가스(FeCl2, CrCl2)를 생성하게 된다. 이러한 공정은 밸브와 쉬트 표면과 홀의 내벽면 등에서 물질의 분해/교환으로 확산 반응이 일어나면서 3차원적인 코팅이 이루어지는 일종의 인-시츄(insitu) CVD이다. 이러한 과정을 통해 볼 밸브와 밸브쉬트의 표층에는 Cr함량이 60중량%가 넘는 고크롬층이 형성된다. 또한, 팩 세멘테이션의 고온 상태와 반응성 가스의 작용으로 인해 볼 밸브와 밸브쉬트의 원 소재인 스테인레스 스틸 자체에 함유되어 있던 Ni 성분이 표층으로 역확산 되는 현상이 일어난다. 스테인레스 스틸은 본래 약 13중량% 정도의 Ni이 포함되어 있기 때문에 고온 공정이 지속되면 표층으로 확산된다. 이로 인해, 표층은 Ni의 함량이 10 내지 30% 정도 되는 Ni-Cr 합금 코팅층이 만들어진다. 이와 같이 Ni이 포함된 코팅층은 열팽창에 매우 안정된 극저온 내성을 갖추게 된다. 팩 세멘테이션의 처리 시간은 1 시간 내지 24시간일 수 있으며, 제작된 볼 밸브와 밸브쉬트의 경도는 1000HV정도로 향상된다.

또한, 팩 세멘테이션 공정에서 크롬 분말과 활성제 외에 탄화수소가스(예를 들면, C₂H₂)를 공급하여 줄 경우, 크롬 카바이드층이 니켈과 합금된 코팅층이 형성될 때 스테인레스 스틸에 들어있지 않은 탄소를 탄화수소가스가 분해되면서 공급하여 미세 석출되어 카바이드를 형성하는 것과 동시에 분해되어 형성하는 수소는 코팅층의 표면에서 미분해되는 철 크롬 할라이드 가스의 완전분해를 시킴으로 표면경도의 저하를 방지하는 복합적인 효과가 있다.

본 실시 예에서, 크롬 95~99.9%, 활성제 0.1~5%를 팩에 공급하고, 챔버 내에 아르곤 가스를 0.5~1.5ℓ/min.으로 공급하고, C₂H₂를 5~10cc/min.(0.5~1%)를 공급하여 850~1000℃에서 1 내지 20시간 동안 팩 세멘테이션 코팅을 실시한 결과 1.5 내지 20μm 두께의 크롬카바이드층이 니켈과 합금된 코팅층을 얻었다. 이 때 탄화수소계 가스를 넣는 범위는 초기 가열온도까지는 알곤가스만을 넣고 철 크롬 할라이드 가스가 주로 형성되는 반응 온도에 도달하면 알곤 가스와 부피비로 0.5~1%를 혼합하여 주입하도록 구성하는 것으로 총량은 반응 챔버의 크기에 비례하여 가스량이 증가할 수 있다.

즉, 도 2의 그래프는, Cr을 99%, 활성제를 1%, C₂H₂를 0.5~1% 중 어느 하나의 상태로 일정하게 공급한 경우(A1), 활성제를 각각 0.4%(A2), 1%(A3), 3%(A4)로 조절한 경우(그에 따라 Cr은 99.6%, 99%, 97%)를 보여주며, 온도제어도 각각 달리하고 있다. 열사이클의 변화와 활성제 조성의 변화를 조합시킨 결과, 도 3과 도 4에서 보이는 바와 같이 물성이 달라진다.

이하, 본 발명에 의해 제작된 볼 밸브와 밸브쉬트에 대한 물성시험 결과를 설명한다.

도 3은, 활성제를 1%로 고정하고, 코팅 온도를 800℃, 900℃, 1000℃에서 코팅 시간을 1시간, 10시간, 20시간으로 달리한 경우, 코팅층의 두께 변화를 보여주는 것(상), 활성제를 0.4%, 3.0%로 달리한 경우의 코팅층 두께 변화(중), 도 2에서와 같이 탄화수소공급량과 열 사이클을 조합제어 한 경우별 코팅층 두께 변화(하)를 보여준다. 코팅층의 두께는 1.2μm에서 20μm가 형성되었으며, 생산성과 볼 밸브의 특수성을 고려하여 코팅층의 두께를 택하고 공정을 택할 수 있다.

도 4는 상기 도 3에서 설명한 바와 동일하게 공정 조건을 달리하였을 때, 제작된 코팅층의 경도를 측정한 표이다. 235 내지 1149HV의 경도를 나타내었다. 탄화수소가 공급되어 크롬카바이드와 니켈 합금코팅층의 경우 경도 측면에서 매우 우수함을 알 수 있다.

도 5 내지 도 12에서는 도 2의 A1, A2, A3, A4로 구별된 공정을 거친 시료에 대한 조직도와 절단조직도를 각각 보여준다. 절단조직도는 모재층과 코팅층의 경계면을 볼 수 있으며, 경계면이 균일할수록 밀착력이 우수한 코팅층이 얻어진 것이다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구 범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면부호 없음.

Claims (7)

1. 저온충격성이 강한 스테인레스스틸인 STS309, STS309Mo, STS310, STS316L, STS316Cu, STS317 중 어느 하나를 택하여 볼 밸브를 정밀가공하고,
   가공된 볼 밸브를 진공 챔버에 넣고,
   상기 볼 밸브를 둘러싸는 팩을 구성하고,
   상기 팩에는 코팅층의 원료가 되는 Cr 분말, 상기 Cr 분말과 반응하여 금속화합물 가스를 생성할 수 있는 활성제 및 상기 코팅원료 분말이 소결되지 않게 하는 불활성 충진제를 포함시키며,
   코팅 조성물은 크롬(Cr) 분말 5~15중량%, 활성제 0.05~5중량% 및 불활성 충진제 80~90중량%를 포함하고,
   상기 챔버를 진공화하고, 챔버에 반응성 가스와 비활성 가스를 공급하면서 상기 챔버 내부를 700 내지 1200℃로 유지하도록 가열하며,
   반응성 가스는 탄화수소를 포함하고,
   상기 Cr 분말과 활성제가 반응하여 생성된 금속화합물 가스가 볼 밸브 표면에서 화학반응을 일으켜 Cr이 볼 밸브 표면에 흡착되게 하고 고상 확산 되게 하여 성형부품 표면에 코팅층을 형성함과 동시에, 볼 밸브의 원 소재인 스테인레스스틸에 포함되어 있는 Ni 성분이 볼 밸브 표층으로 역확산 되게 함으로써, Ni-Cr 합금 코팅층이 볼 밸브 표면에 형성되고, 볼 밸브 표층에 카바이드를 포함하게 하는 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제조방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 팩 세멘테이션 공정의 지속시간은 1 내지 24시간으로 하는 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제조방법.
4. 저온충격성이 강한 스테인레스스틸인 STS309, STS309Mo, STS310, STS316L, STS316Cu, STS317 중 어느 하나를 택하여 볼 밸브를 정밀가공하고,
   가공된 볼 밸브를 진공 챔버에 넣고,
   상기 볼 밸브를 둘러싸는 팩을 구성하고,
   상기 팩에는 코팅층의 원료가 되는 Cr 분말, 상기 Cr 분말과 반응하여 금속화합물 가스를 생성할 수 있는 활성제 및 상기 코팅원료 분말이 소결되지 않게 하는 불활성 충진제를 포함시키며,
   코팅 조성물에서 크롬(Cr)은 97 내지 99.6%이고 활성제는 0.4 내지 3%를 포함되고,
   상기 챔버를 진공화하고, 챔버에 반응성 가스와 비활성 가스를 공급하면서 상기 챔버 내부를 700 내지 1200℃로 유지하며 가열하고,
   반응성 가스는 탄화수소를 포함하고,
   상기 Cr 분말과 활성제가 반응하여 생성된 금속화합물 가스가 볼 밸브 표면에서 화학반응을 일으켜 Cr이 볼 밸브 표면에 흡착되게 하고 고상 확산 되게 하여 성형부품 표면에 코팅층을 형성함과 동시에, 볼 밸브의 원 소재인 스테인레스스틸에 포함되어 있는 Ni 성분이 볼 밸브 표층으로 역확산 되게 함으로써, Ni-Cr 합금 코팅층이 볼 밸브 표면에 형성되게 하며, 볼 밸브 표층에 탄소성분이 추가되게 하는 것을 특징으로 하는 볼 밸브 제조방법.
   
5. 삭제
6. 제1항 또는 제4항의 방법에 의해, 스테인레스스틸 소재를 가공하여 형성된 볼 밸브 표층에 60중량% 이상의 고농도 Cr층이 Ni과 함께 합금을 이루어 코팅된 것을 특징으로 하는 볼 밸브.
7. 제6항에 있어서, 상기 볼 밸브 표층에 탄소성분이 추가된 것을 특징으로 하는 볼 밸브.
   
   
   

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