KR102244897B1 - 부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 코팅을 형성하는 장치 - Google Patents

부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 코팅을 형성하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 코팅을 형성하는 장치에 관한 것이며 적어도 하나의 와이어형 또는 밴드형 물질(2.1 및/또는 2.2)은 코팅을 형성하기 위해 사용되고 직류 전류원에 연결되고, 전기 아크는 와이어형 물질(2.1 및 2.2) 사이 또는 하나의 와이어형 또는 밴드형 물질 및 하나의 애노드 또는 캐소드 사이에 형성되고, 와이어형 또는 밴드형 물질(2.1 및/또는 2.2)은 공급 장치에 의해 공급받을 수 있고; 와이어형 또는 밴드형 물질(2.1 및/또는 2.2)의 용융 및/또는 증발된 물질은, 가스 또는 가스 혼합물의 가스 제트(3)에 의해, 코팅에 사용되는 적어도 하나의 물질 또는 각각의 최고 증발 온도를 가진 물질의 증발온도에 적어도 동일한 온도로 가열될 수 있는 챔버(4)의 내부로 입구를 통해 흐르고, 물질(들)은 완전히 증발되어 챔버(4)에 존재하는 적어도 하나의 개구부(5)를 통해 나가서 각각의 코팅을 형성하는 부품 또는 도구(6)의 코팅될 표면에 충돌한다.

Description

부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 코팅을 형성하는 장치{DEVICE FOR FORMING COATINGS ON SURFACES OF A COMPONENT, BAND-SHAPED MATERIAL, OR TOOL}
본 발명은 부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 코팅을 형성하는 장치에 관한 것이다. 내고온성, 내마모성 또는 내부식성 층을 형성하는 상이한 코팅이 특히 형성될 수 있다.
지금까지 코팅이 기상 증착 수단에 의해 코팅이 발생하는 대형 표면의 연속적인 코팅을 위한 연속적인 물질 공급, 예를 들어 신속히 흐르는 스틸 밴드 물질의 공급을 위한 제어 가능한 좋은 코팅 방법이 없었고, 그런 방법은 종래의 코팅 방법과 고융점 물질로부터 코팅을 형성할 수 있게 하는 것에 비해 경제적으로 경쟁력이 있다.
따라서, 수십 년 동안, 코팅은 고기능성 층(내마모성, 광학 및 자기 응용분야, 마이크로일렉트로닉스)를 가진 부품 및 도구를 마무리하는 배치(batch) 공정에서, 부압과 함께 작동하는 기상 증착 방법, 예를 들어, 알려진 화학 기상 증착(CVD) 및 물리 기상 증착(PVD) 방법을 사용하여 수행되었다. 선구 물질을 취급하고 폐가스를 처리하는 것과 관련된 어려움으로 인해 CVD 방법이 연속 공정에 널리 보급되지는 않았지만, 오늘날 많은 분야에서 편평 제품(거울, 건축 유리), 시트 및 롤 제품(포장 필름, 구리 및 알루미늄 시트)을 마무리하기 위해서 PVD 방법이 절대적으로 필요하다.
코팅 물질이 물리적 방법을 사용하여 증기로 전환되는 PVD방법의 중요한 이점은, 예를 들어, 표적화된 층 설계를 허용하는 층 구성 및 구조에 대한 매우 높은 유연성이다. 따라서 히스테리시스 손실을 줄이기 위해, 예를 들어, 연속적인 공정으로 질화티타늄을 전기 밴드에 코팅하기 위한 노력과, 이에 상응하는 특허가 1980년대 이래로 계속되어왔다.
일반적으로(고체 또는 액체 금속으로 채워지고 전자빔 건(electron beam gun)으로 증발되는) 도가니는 더 높은 융점 금속, 예를 들어 티타늄의 기상 증착 동안에 사용된다. 이러한 경우에, 도가니로의 연속적인 물질 공급은 문제가 된다. 전자빔에 대한 접근성 문제로 인해, 도가니 위의 물질은 낮은 손실을 갖는 핫 채널을 통해 코팅될 각각의 부품 또는 도구의 표면에 전도되지 않을 수 있다. 따라서 산란 코팅은 짧은 기간 후에 청소되어야 하며 재활용 공정에 공급되어야 하고, 큰 복잡성을 가지고 있어 생산적으로 사용될 수 없는 시간을 잃게 된다.
공정을 통해 아연-마그네슘 합금으로 만들어진 내부식성 층을 생산하는 분야에서도 이미 잘 정립된 많은 기술적인 솔루션이 있다. 예를 들어, Zn 및 Mg의 공동 기상 증착 또는 Zn 및 Mg의 복수의 교호하는 연속 층을 포함하는 층 시스템의 기상 증착이 사용된다. 추가적인 열 후속 처리를 사용하는 것도 제안되었다.
또한, 아연 코팅 및 아연 합금 코팅으로 PVD 코팅 방법을 사용하는 것이 알려져 있다. 두 개의 제트 증발기 및 하나의 혼합 챔버를 포함하는 시스템이 사용될 수 있다. 증발기 내의 금속은 유도적으로 가열되고, 형성된 금속 증기는 흐르는 밴드형 부품의 표면에서 혼합 챔버로 보내진다. 이 방법은 다량의 용융 물질로 인해 높은 속도를 허용하지만 열적으로 매우 느려 산업 공정의 규제를 훨씬 어렵게 만든다. 또한, 모든 증기 접촉 표면은 사용되는 금속의 응축 온도 이상으로 유지되어야 하며, 특히 더 높은 융점 금속의 경우 처리가 어려울 수 있다. 게다가, 정의된 조성을 갖는 금속 합금 층의 제조는 기술적인 공정상의 이유로 어렵다. 또한, 증발기에 연속적으로 물질을 공급하는 것도 문제가 된다. 따라서 액체 마그네슘을 오랫동안 견딜 수 있는 물질은 없다.
다른 방법은 전자기 부상(electromagnetic levitation)을 기반으로 한다. 이 방법에서, 와이어 물질은 석영 튜브 내로 측 방향으로 공급되고, 현수 상태로 유지되는 동안 석영 튜브를 둘러싸는 코일에 의해 용융 및 증발된다. 이 방법은 저융점 금속에서 성공적으로 테스트 되었지만 고온에서 용융되는 금속의 경우 표면에 균일하게 층을 증착할 수 없다. 또한, 용융 방울(더 큰 입자)이 각각의 표면에 형성된 층에 혼입되고, 이는 내부식성 층, 내마모성층 및 미끄럼 마모를 겪는 층에 허용 가능하지 않다.
과열된 판에 잘린 금속 와이어 조각을 도포하고 즉시 증발시키는 방법, 즉 플래시 기상 증착법(flash vapor deposition)은 물질 공급 문제를 해결한다. 그러나 물질이 고체상으로 공급되고 각각의 와이어 조각에서 증발 온도보다 상당히 높은 온도가 필요하기 때문에 적절한 증발 속도를 달성할 수 없다.
동일하게 잘 정립된 열 스프레이 방법, 특히 와이어 아크 스프레이 방법의 공정 변형은 부품의 배치 아연 도금에 비용 효율적이고 유연한 방법이다. 이 방법에서, 전기 아크는 양극 및 음극으로 스위칭 된 와이어 또는 이러한 전극 사이에 유지되고 와이어의 단부에서 물질의 작은 부분을 증발시키고 더 큰 부분을 액화시킨다. 가스 제트는 와이어 말단에서 액체 물질을 뚫어서 코팅될 표면 위로 가속시킨다. 용융 방울은 매우 작기 때문에, 이들은 차가운 기판 표면에 충돌할 때 매우 빠르게 경화되고 이전에 기술된 방법에 비해 상당히 다공성인 라멜라 구조를 형성한다. 따라서, 충분한 부식 방지 효과를 얻기 위해서는, 70㎛와 150㎛ 사이의 두께를 갖는 층이 증착되어야 한다. 따라서 필요한 층 두께는 밴드 방법에서 일반적으로 사용되는 방법보다 10~20배 더 많으므로 열 스프레이는 단순히 자원 효율의 이유로 밴드 코팅이나 대형 표면에 사용하기는 적합하지 않다. 또한, 일반적으로 열 스프레이에 의해 생성된 표면은 자동차 용도로는 너무 거칠기 때문에 후처리가 필요할 수 있다. 또한 많은 물질 배합으로 부족한 접착이 문제가 된다.
본 발명의 기본적인 목적은, 구체적으로 고융점 물질 또는 철-마그네슘-아연과 같은 합금 시스템에 대해서도, 연속적인 물질 공급으로, 쉽게 제어 및/또는 조절되는 기상 증착을 사용하여 표면을 코팅하는 코팅 방법에서, 높은 코팅 속도를 갖는 옵션을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 장치로 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예 및 개량은 종속항에 기술된 특징으로 실현될 수 있다.
본 발명의 장치에서, 각각의 코팅을 형성하기 위해 사용되는 적어도 하나의 와이어형 또는 밴드형 물질은 두 개의 와이어형 또는 밴드형 요소 사이에서 또는 직류 전류원에 연결되는 캐소드 및 애노드 사이에서 형성되는 전기 아크의 영향 영역에 공급될 수 있다. 아크는 코팅을 형성하는데 사용되는 물질(들)로 형성된 와이어형 또는 밴드형 요소 사이에 형성될 수 있다.
따라서 이 장치는 스프레이 헤드와 유사하게 구현될 수 있다. 아크로부터의 에너지에 의해 용융 및/또는 증발된 물질은, 가스 또는 가스 혼합물의 가스 제트에 의해, 입구를 통해 챔버의 내부로 흐르고, 챔버는 코팅을 위해 사용될 적어도 하나의 물질 또는 각각의 최고 증발 온도를 가진 물질의 증발 온도와 적어도 동일한 온도로 가열될 수 있다. 이로써, 물질(들)은 챔버 내에서 완전히 증발하고 챔버에 존재하는 개구부를 통해 빠져나간다. 이로써, 증발한 물질(들)은 각각의 코팅을 형성하는 부품, 밴드형 물질 또는 도구의 코팅될 표면에 충돌한다.
부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면 온도가 훨씬 낮은 온도이기 때문에, 충돌 물질이 고체 응집 상태로 전환된다. 복수의 물질이 이러한 방식으로 사용되는 경우, 제자리에서 합금 형성이 발생할 수 있으며, 이는 특히 합금을 형성할 수 없거나, 다른 방법과 함께 매우 어렵게 합금을 형성하는 금속에만 가능할 것이다.
산화물을 함유한 코팅을 원하지 않는다면 챔버내의 환경은 무산소여야 한다. 무산소를 보장하고 공급된 물질의 증발 온도를 낮추기 위해, 챔버 내의 압력은 주위 압력에 비해 감소되어야 하고, 바람직하게는 물이 증발하는 최소 압력에 대응하는 압력으로 감소되어야 한다. 이런 식으로 먼지에 민감하지 않은 저렴한 워터 링 펌프를 사용할 수 있다.
물질은 제어 가능한 구동 롤러를 통해 코팅될 물질(들)의 하나 또는 복수의 와이어(들) 또는 밴드(들)로 유리하게 공급될 수 있다. 물질은 주위 조건하에 저장될 수 있고, 바람직하게는 연속 에어록 기술에 의해 진공 상태 또는 무산소 상태하에서 발생하는 아크 용융 또는 기상 증착 공정에 공급될 수 있다.
여기서, 플럭스 코드 와이어를 포함하여, 상이한 두께 및 조성을 갖는 와이어형 또는 밴드형 물질이 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 거의 모든 원하는 물질 조성을 갖는 균질한 합금 층 시스템이 부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 형성될 수 있다. 사용된 합금의 양 및 개수는 가스 제트 공급 및 챔버에 첨가된 와이어형 또는 밴드형 물질의 공급과 함께 복수의 아크를 사용하여 실질적으로 원하는 대로 확장될 수 있다. 몇 주 동안의 연속적인 작동은 준 연속 와이어(quasi-continuous wire)를 만들기 위해 대기 상태에서 와이어형 또는 밴드형 물질을 함께 용접함으로써 보장될 수 있다.
코팅을 형성하기 위해 사용되는 와이어형 또는 밴드형 물질은 와이어 물질 또는 밴드 물질과 수냉 캐소드 또는 애노드 사이에 형성된 전기 아크를 사용하여 용융되거나 부분적으로 증발될 수 있다. 와이어형 물질(들)은 아크 와이어 스프레이 헤드와 유사하게, 서로에 대해 또는 애노드나 캐소드에 대해, 편평한 각도(예각)로 공급되어야 한다. 각도는 바람직하게 30° 범위 내에 있어야 한다. 그러나 와이어형 또는 밴드형 물질을 용융 및/또는 증발시키는 아크는 또한 적어도 두 개의 와이어형 또는 밴드형 물질 사이에 형성될 수 있다. 그 다음, 와이어형 또는 밴드형 물질은 직류 전류원에 연결된 음극 및 양극을 형성한다.
그러나 아크는 직류 전류원의 전극 및 캐소드 또는 애노드에 연결되는 와이어형 또는 밴드형 물질 사이에서 형성될 수도 있으며, 물질은 아크에 의해 증발되거나 용융되지 않는다. 직류 전류원의 전극에 연결된 와이어형 또는 밴드형 물질은 애노드 또는 캐소드를 형성하고 상보적인 전극, 즉 캐소드 또는 애노드는 비 용융 물질로 형성된다.
동시에, 바람직하게는 무산소 가스 제트(바람직하게는 질소 또는 아르곤)가 와이어형 또는 밴드형 물질의 단부 또는 전기 아크의 영향 영역 내에 배치된 와이어형 또는 밴드형 물질의 단부에서 세로 방향으로 통과될 수 있다. 가스 제트는 물질의 말단부에서 작은 용융 방울들을 분해하고 그들을 구동하며, 결과물 물질은 노즐과 같은 개구부 및 챔버의 내부로 들어가는 입구를 통해 빠져 나온다.
증발될 와이어형 또는 밴드형 물질 또는 증발될 물질(예를 들어, Fe, Zn, Al, Mg 또는 이들의 합금)는 수 밀리미터 범위에서 밴드 폭 또는 직경을 갖는 와이어형으로 존재할 수 있다. 와이어형 또는 밴드형 물질 중 하나는 10V와 80V 사이의 전압에서 20A와 200A 사이의 전류를 공급할 수 있는 직류 전류원의 캐소드에 다른 하나는 애노드에 연결될 수 있다. 선택된 전압 및 전류는 증발될 물질에 따라 달라진다. 예를 들어, Fe의 경우 U = 30V 및 I = 80A가 사용될 수 있다. 접촉은 와이어형 물질이 보어(bore)를 통해 유도될 수 있도록 스루홀을 갖는 막대 형태의 전도성이 좋은 물질(구리)로 유리하게 구현된다. 이는 와이어형 물질의 양단이 만나도록 양호한 전기 접촉 및 유도를 허용한다. 밴드형의 물질의 경우 보어(bore) 대신에 슬릿을 사용할 수 있다.
전기 전압이 인가되면, 전기 아크는 와이어형 또는 밴드형 물질의 단부가 직류 전류원의 애노드 및 캐소드에 연결된 경우, 그 사이에서 점화한다. 이 때문에 와이어형 또는 밴드형의 물질은 적어도 부분적으로 용융되어 부분적으로 증발될 수 있다. 따라서, 광 아크를 유지하기 위해, 와이어형 또는 밴드형의 물질이 계속 공급되어야 하며, 이는 공급 장치에 의해 달성될 수 있다. 와이어형 또는 밴드형 물질 및 이를 둘러싸는 전기 접촉부는 유리하게는 내열성 및 전기적 절연성 세라믹으로 제조된 블록 내에 유지될 수 있다. 부분적으로 용융되어 부분적으로 증발된 물질을 완전히 증발시키기 위해, 부분적으로 증발된 물질은 증발될 물질, 예를 들어 아르곤과 반응하지 않고, 가열 장치에서 또는 가열 장치를 통해 운반되는 가스의 스트림에 의해 챔버 쪽을 향하여 전방으로 분해된다. 세라믹 블록은 가스, 용융 물질 및 증발된 물질을 가열 장치 내로 손실 없이 전달하기 위해 튜브에 의해 가열 장치에 유리하게 연결된다.
가열 장치는 유리하게는 내고온성 전기 전도성 물질을 포함할 수 있고, 구체적으로 흑연을 유리하게 포함할 수 있고, 원통형(도가니/챔버)일 수 있다. 세라믹 블록에 연결되는 튜브는 물질이 도가니 내로 공급된 후에 원형 흐름 형태로 원형을 그리도록 접선방향으로 공급될 수 있게 부착되어야 한다. 아직 증발되지 않은 용융된 물질 입자는 기체로 증발된 물질보다 높은 밀도를 갖는다. 물질 입자는 원형 흐름에 의해 내부 도가니 벽을 향하여 바깥쪽으로 가압 될 수 있으며, 이 도가니 벽을 따라서 도가니의 열로부터 완전한 증발에 필요한 에너지를 흡수한다. 도가니에 덮개가 있을 수 있으며, 덮개의 중앙에는 도가니 내부(딥 튜브)에 축 방향으로 들어가고 양쪽 끝이 열린 원형 튜브가 추가된다. 이미 증기 형태로 존재하는 물질의 일부는 위쪽 방향으로 도가니를 떠날 수 있다.
튜브의 상부 개구부 위에 코팅된 표면이 유리하게 배치되고; 이것은 예를 들어 개구부 위로 연속적으로 이동되는 밴드형 물질일 수 있다. 증기의 범위를 증가시키고 물질의 재응축을 방지하기 위해, 전술한 장치는 유리하게 부압이 있는 챔버에서 작동될 수 있다.
원칙적으로 도가니는 다양한 방식으로 가열될 수 있다. 유도 가열은 유리하다. 이 목적을 위해, 도가니는 적합한 임피던스를 갖는 인덕터에 의해 둘러싸일 수 있고 유리하게는 수 kHz 범위에서 작동될 수 있다. 인덕터는 인덕터의 열 및 전기 절연을 보장하는 물질로 완전히 둘러싸이는 것이 유리하다. 이것은 예를 들어 콘크리트일 수 있다. 방열에 의한 열 손실을 방지하기 위해 도가니는 단열재로 둘러싸여야 한다. 도가니 온도는 증발될 물질의 끓는점이 초과되도록 선택되어야 한다. 즉, 예를 들어 Zn에 대해 1200℃, 또는 증발될 물질은 이미 지배적인 부압에서 현저한 증기압을 갖는다. (예를 들어 Fe에 대해 2600 ℃)
증발 속도를 증가시키기 위해 및/또는 상이한 물질들을 증발시키기 위해, 도가니는 용융되고 증발된 물질을 공급하기 위해 전술한 복수의 장치를 유리하게 구비할 수 있다.
와이어 아크 스프레이로 알려진 높은 용융 용량을 갖는 전류원은 전기 아크를 형성하는데 사용될 수 있다. 전기 아크의 종류는 사용된 물질(들)에 따라 다를 수 있다. 종래의 스프레이 공정과 달리 목표는 증발 물질의 가능한 한 가장 높은 증발 속도이다. 이것은 또한 가스 제트의 공급 중에 선택된 체적 유량을 최소화함으로써 지지 되어야 한다. 가스 제트가 형성되는 가스 또는 가스 혼합물은 후속 증발 공정에서 필요한 가스 및 에너지를 최소화하기 위해 챔버 내에서 예열되어 공급되어야 한다. 예를 들어, 인덕터의 가열 영역에서 나선형을 사용할 수 있다. 따라서, 가스 제트는 인덕터의 영향 영역을 통해 흐르고 이에 의해 가열될 수 있다.
가스 제트, 증발된 물질 및 매우 미세한 용융 방울의 혼합물은 가열된 챔버에 첨가된다. 물질의 작은 용융 방울 나머지가 챔버 내에서 완전히 증발될 수 있도록 챔버 내의 온도는 코팅을 형성하는데 사용되는 각각의 최고 증발 온도를 갖는 증발된 물질의 증발 온도와 적어도 동일해야 한다. 증발 온도 및 따라서 요구되는 챔버 온도는 부압을 사용함으로써 상당히 감소될 수 있다. 이는 챔버 벽에 적합한 물질이 없기 때문에 몇 가지 고융점 물질에 필요하고 유리하다. 물이 증발하는 압력에 최소로 부합하는 부압은 먼지에 견딜 수 있는 비용 효율적인 수중 링 펌프를 사용하여 진공을 생성하는 데 유리하다.
적어도 하나의 스프레이 헤드가 챔버에 존재할 수 있거나 적어도 하나의 스프레이 헤드가 챔버에 연결될 수 있다. 따라서 스프레이 헤드에는 아크 및 가스 제트를 형성하는 데 필요한 요소가 있어야 한다. 와이어형 또는 밴드형 물질을 공급하는 요소는 또한 스프레이 헤드의 부품일 수 있다.
스프레이 헤드는 스프레이 헤드의 노즐이 챔버에 배치되거나 인젝터 튜브가 스프레이 헤드와 챔버 벽 사이에 배치될 수 있다. 물론, 복수의 스프레이 헤드가 챔버에 배열될 수도 있다.
이에 따라 스프레이 헤드의 노즐을 통해 유출되는 가스-증기 용융 방울 스트림은 증발된 물질이 스프레이 헤드 내로 침투되는 것을 방지한다. 노즐에서의 축적을 방지하기 위해, 스프레이 헤드 노즐의 온도는 적어도 공급된 고융점 물질의 융점과 같아야 한다. 증발 온도는 여기서도 달성되어야 한다. 따라서 노즐과 스프레이 헤드, 가능하게는 인젝터 튜브는 내고온성 절연성 세라믹 물질 또는 흑연 성분과 절연체 세라믹 물질의 혼합물로 바람직하게 제조되어야 한다. 질화 붕소는 세라믹 물질에 바람직하다. 바람직하게는 구리로 제조된, 수냉 접촉 요소는 밴드형 또는 와이어형 물질에 전기적으로 접촉하는 스프레이 헤드로 통합되어야 한다. 유출 가스-증기 용융 방울 스트림의 기하학적 형태 또는 기계적 에너지는 원추형으로 감소하는 형태 또는 확장된 노즐의 형태로 개구부를 구현함으로써 영향을 받을 수 있다.
내열성, 열전도도 및 전기 전도성이 우수하기 때문에, 흑연은 바람직하게 챔버 벽면에 물질로 사용된다. 증발되는 물질(들)에 따라, 코팅을 형성하기 위해 용융에 견디는 내고온성 세라믹 물질, 예를 들어 질화 붕소를 바람직하게는 부분 또는 완전한 라이닝의 형태로 철 및 알루미늄과 결합하는 것이 가능하다. 바람직하게는 부분 또는 완전한 라이닝의 형태로 존재한다.
챔버는 바람직하게는 유도 가열을 사용하여 증발 온도 이상으로 가열될 수 있다. 2000°C 이상의 온도에서 절연을 위해, 흑연 울과 산화물로 덮인 알루미늄이 배합된 수냉 구리 인덕터는 바람직하다. 그러나 챔버 내부 또는 외부의 CFC 저항 열원을 사용하여 가열을 수행할 수도 있다.
필요한 챔버 온도를 최소화하고 동시에 용융 방울이 챔버의 내부를 나가는 것을 방지하고 용융 방울이 가열된 챔버의 외벽을 따라 가능한 한 오래 흐르게 하거나 남아있는 것을 보장하기 위해, 챔버의 벽은 용융 및/또는 증발된 물질이 긴 경로를 통해 장시간 동안 흐르는 채널을 형성할 수 있다. 챔버 벽은 유리하게는 사이클론 분리기의 형태로 구현될 수 있다. 코팅될 물질은 에어 쿠션과 같이 챔버 내에서 가스 및/또는 증기 스트림을 따라 미끄러져야 하며 챔버 내부에 형성된 증기는 모두 코팅될 표면에 증착될 수 있도록 유도되어야 한다. 이는 증발된 물질이 밖으로 유도되는 적절한 개구부 또는 노즐 형태를 사용하여 유리하게 조절되고 영향받을 수 있다. 어떤 경우에도, 챔버 벽과 코팅될 물질 사이의 직접적인 접촉은 형성될 코팅 및/또는 챔버 벽의 코팅을 손상시킬 수 있기 때문에 방지되어야 한다.
증기의 직접 충돌 영역에서 부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 코팅으로서의 기상 스트림 증착이 불가한 경우, 코팅에 사용되는 물질은 핫 채널에서 챔버의 개구부 위로 유도될 수 있다.
턴온과 턴오프에 의해 와이어형 또는 밴드형 물질이 적절한 아크 파라미터와 함께 전기 아크에 공급됨으로 인한 상이한 진행 속도를 이용하여 챔버의 개구부 위에 기상 증착된 코팅의 합금 조성은 원하는 대로 제어 또는 조절될 수 있다. 이러한 방식으로, 코팅을 형성하기 위해 사용되는 증발된 물질(들)의 양은 코팅될 표면이 이동되는 진행 속도에 적합할 수 있다.
더 큰 표면 영역 또는 특정 표면 영역이 코팅되는 경우, 복수의 개구부가 하나의 챔버에 존재할 수 있고, 증발된 물질은 개구부를 통해 코팅될 표면으로 지향될 수 있다. 또한, 하나의 챔버 내에 가스 제트 및 와이어형 또는 밴드형 물질(들)에 대한 공급으로 복수의 아크가 있을 수 있다. 또한, 복수의 챔버가 예를 들어, 종 방향 압력 챔버를 사용하여 서로 연결될 수 있다.
전자빔 기상 증착 분야에서 알려진 바와 같이, 부품, 밴드형 물질, 또는 도구의 표면에 코팅이 형성되는 특정 적층 구성 시스템의 경우, 유출되는 증기의 추가 이온화로 인해 층 특성이 향상될 수 있다.
부품, 밴드형 물질, 또는 도구가 충분히 가열되는 경우 및/또는 증기가 이온화되고 가속되는 경우, 기상 증착된 물질은 합금 될 수 있거나 또는 코팅은 기판을 통해 합금된다.
또한, 유출 기상-가스 흐름의 운동 에너지의 수단에 의해, 적어도 개구부 영역 내에서 챔버의 표면에 코팅될 밴드형 물질의 표면을 조정하는 유리한 옵션이 있다. 이는 마찰을 상당히 감소시키는 가스 쿠션을 생성할 수 있고, 따라서 더 작은 거리가 유지될 수 있어서 코팅 물질의 손실이 감소되거나 심지어 완전히 방지될 수 있다.
본 발명은 이하에서 실시예를 통해 보다 상세히 설명된다.
도 1은 부품의 표면에 코팅을 형성하는 본 발명의 장치의 예이다.
도 1은 부품(7)의 표면에 코팅을 형성하는 장치를 도시하며, 이 경우에는 스틸로 제조된 밴드형 물질이다.
하나의 와이어가 직류 전류 원에 의해 캐소드(2.1)로 형성되고, 하나의 와이어가 애노드(2.2)에 의해 형성되면, 두 와이어 사이에 아크(2)가 형성될 수 있도록 구동 롤러(도시되지 않음)를 사용하여 와이어형 물질(2.1 및 2.2)가 공급된다. 이것은 말단부를 증발 및/또는 적어도 용융한다.
바람직하게는 적어도 600°C로 가열되고 산소를 포함하지 않는 가스 혹은 가스 혼합물의 가스 제트(1)는, 체적 흐름(volume flow)을 가지는 영역으로 공급된다. 체적 흐름은 인젝션 튜브(3)를 통해 용융 및/또는 증발된 물질(2.1 및 2.2)을 사이클론으로서 구현된 챔버(4) 내로 유도하는데 충분하다.
가스-증기 용융 방울 혼합물은 챔버(4)벽과 딥 튜브(9) 사이의 적어도 하나의 채널(6)에서 회전 유동이 형성되도록 사이클론으로서 구현된 챔버(4) 내로 구동된다. 이는 존재하는 용융 방울을 챔버(4)의 가열된 외벽에 증착되어 그곳에서 증발하게 하고, 가스-증기 스트림은 딥 튜브(9)의 영역에 배치된 개구부(5)로 운반된다.
코팅될 부품(7)의 표면은 개구부(5)로부터 약간의 거리를 두고 챔버(4)의 외 측에 배치되고, 코팅의 형성 중에 적당한 진행 속도로 병진 운동 또는 회전 운동을 하여 전체 표면을 코팅할 수 있게 한다.
적어도 하나가 구동 가능해야 하는 적어도 두 개의 롤러에 의해 공급되는 와이어형 물질의 공급 장치에 대한 설명은 제공되지 않는다.
채널(들)(6)은 벽과 증발된 물질(들) 사이의 접촉 시간을 연장하고 챔버(4)에서 체류 시간을 연장하기 위해, 전기 아크(2)로부터 개구부(5)까지의 경로가 연장되고 회전 유동으로 가열된 벽에 용융 방울이 유지되도록 구현된다. 외부로부터 챔버(4)를 둘러싸는 유도 가열기(8)에 의해 코팅이 형성될 물질(2.1 및 2.2)의 증발 온도보다 더 크게 챔버(4)에 유지된 압력으로 챔버(4)의 벽이 가열되기 때문에, 물질이 개구부(5)에서 나와 코팅될 부품(7)의 표면에 충돌하기 전에 코팅에 사용되는 물질(2.1 및 2.2)모두를 증발시키는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 챔버(4)벽을 코팅시키고, 코팅을 형성하는데 사용되는 물질을 적어도 거의 완전히 소모할 수 있다. 완전한 증발을 위해, 코팅에 증착되고 표면 품질을 악화시키는 용융 방울이 나오는 것을 방지하는 것 또한 가능하다. 챔버 바닥(10)의 원추형의 실시예를 사용하면, 온도가 부정확하게 선택되더라도, 용융 방울이 전혀 나오지 않게 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 물질의 완전한 증발을 위해 필요한 온도를 가능한 한 많이 감소시키기 위해, 챔버(4) 내의 압력은 주위 압력에 비해 감소되어야 한다.
이 예에서, 챔버(4)의 벽은 흑연으로 만들어진다.
흑연에 용융물이 작용하는 물질의 경우, 챔버(4)의 적어도 일부는 세라믹 물질, 예를 들어 질화 붕소로 라이닝될 수 있다. 이러한 방식으로 코팅을 형성하기 위해 순수한 흑연과 함께 사용될 수 없는 물질을 사용할 수도 있다.

Claims (19)

  1. 부품, 또는 도구의 표면에 코팅을 형성하는 장치로서, 코팅을 형성하기 위해 사용된 적어도 하나의 와이어형 또는 밴드형 물질(2.1 또는 2.2)은 캐소드 또는 애노드를 형성하고, 상기 캐소드 또는 애노드는 직류 전류원에 연결되어 전기 아크를 형성하고, 와이어형 또는 밴드형 물질(2.1 또는 2.2)은 공급 장치에 의해 공급받을 수 있고;
    상기 와이어형 또는 밴드형 물질(2.1 또는 2.2)의 용융 또는 증발된 물질은, 가스 또는 가스 혼합물의 가스 제트(3)에 의해, 코팅에 사용되는 적어도 하나의 물질 또는 각각의 최고 증발 온도를 가진 물질의 증발온도에 적어도 동일한 온도로 가열될 수 있는 챔버(4)의 내부로 입구를 통해 흐르고,
    상기 물질(들)은 완전히 증발되어 상기 챔버(4)에 존재하는 적어도 하나의 개구부(5)를 통해 나가서 상기 각각의 코팅을 형성하는 상기 부품 또는 도구(6)의 코팅될 상기 표면에 충돌하고,
    상기 챔버는 사이클론 분리기의 형태로 구현되는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 및 상기 개구부(5)의 환경은 무산소로 유지되고 이 경우, 산화물을 포함하는 코팅이 형성되지 않는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발 온도를 감소시키기 위해 또는 무산소를 보장하기 위해, 챔버(4) 내의 압력은 주위 기압에 비해 감소되는장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버(4)는 상기 챔버(4) 주위에 형성된 또는 상기 챔버 벽의 물질에 통합된 유도 가열기(8)로 가열될 수 있는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 또는 가스 혼합물은 인덕터의 가열 영역을 통과하여 가열되는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    내온성 세라믹 물질로 구성된 스프레이 헤드 또는 수냉 구리 요소인 상기 밴드형 또는 와이어형 물질(들)을 위한 접촉 요소를 더 포함하는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    채널(6)은 상기 챔버(4)의 벽으로 형성되고, 증발된 물질 및 증발될 물질은 연장된 시간 내에 연장된 경로를 가진 상기 개구부(5)로부터 나오도록 유도될 수 있는 장치.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    두 개의 밴드형 또는 와이어형 물질(2.1, 2.2)은 적어도 두 개의 상이한 물질 또는 플럭스 코드 와이어로부터 형성되는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 벽은 흑연 또는 세라믹 물질로부터 형성되는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    복수의 개구부(5)는 챔버(4)에 존재하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    복수의 아크(2)는 챔버(4) 내의 스프레이 헤드에 구현되고 또는 복수의 챔버(4)는 종 방향 압력 챔버에 의해 서로 연결된 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    코팅의 두께 및 조성에 영향을 미치기 위해, 공급된 와이어형 또는 밴드형 물질(2.1, 2.2)의 양에 영향을 미치는 것, 하나 또는 복수의 아크(2)의 턴 온 및 턴 오프에 영향을 미치는 것 또는 챔버에 영향을 미치는 것이 가능한 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    아크 용융 공정 동안 상기 용융 물질의 양에 대해 증발될 물질의 양은 상기 가스 제트의 체적 흐름(volume flow)에 영향을 미침으로써 영향을 받을 수 있는 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버(4)의 상기 개구부(들)(5) 및 스프레이 헤드의 노즐은 적어도 가장 높은 융점(melting point)을 갖는 물질의 용융 온도를 갖는 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    2000°C 이상의 온도에서 상기 챔버(4)를 절연하기 위해, 상기 챔버 벽에 대한 흑연 울 및 산화물로 덮인 알루미늄이 배합된 수냉 구리 인덕터는 유도 가열 장치에 사용되는 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구부(5)는 원추형으로 감소하거나 확장된 노즐의 형태로 구현되는 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    코팅될 밴드형 물질(7)의 표면(들) 및 상기 챔버(4)의 표면 사이의 거리는 적어도 상기 개구부(5)영역에서 유출 기상-가스 스트림의 운동 에너지를 사용하여 조절 가능한 장치.
  19. 제 3 항에 있어서,
    상기 챔버(4) 내의 압력은 물이 증발하는 최소 압력에 대응하는 압력으로 감소되는 장치.
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