KR102383576B1 - 고온, 고압용 콘트롤밸브의 pvd 코팅방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법에 있어서, 콘트롤밸브의 트림파트 표면에 질소기체를 침투 및 확산시켜 질화층을 형성하는 질화층 형성단계; 상기 질화층의 상부에 크롬/니켈 합금을 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)을 이용하여 증착시켜 제1합금층을 적층하는 제1합금층 적층단계; 상기 제1합금층의 상부에 알루미늄/티타늄/질소/몰리브데넘/카본 합금을 물리기상증착법을 이용하여 증착시켜 제2합금층을 적층하는 제2합금층 형성단계; 및 상기 제2합금층의 상부에 몰리브데넘 미립자를 포함하는 고체 윤활제를 적층시켜 윤활층을 형성하는 윤활층 형성단계;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 콘트롤밸브의 내열, 내압, 내마모 및 내고착성을 증가시키기 위하여 콘트롤밸브의 표면을 다층코팅하는 것으로, 각종 산업현장의 악조건 상에서 콘트롤밸브의 오작동을 미연에 방지하고 수명연장이 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 콘트롤밸브의 내열, 내압, 내마모 및 내고착성을 증가시키기 위하여 콘트롤밸브의 표면을 다층코팅하는 것으로, 각종 산업현장의 악조건 상에서 콘트롤밸브의 오작동을 미연에 방지하고 수명연장이 가능하도록 하는 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법에 관한 것이다.
일반적으로 밸브는 관속을 흐르는 유체의 유량, 유속, 압력 등을 제어하면서 유체의 흐름을 개폐하고 유량을 조절하는 기계부품으로써, 사용 목적에 따라 다양한 종류가 있다. 그 중 가장 널리 사용되고 있는 것이 정지밸브이며, 그 밖에도 슬루스밸브, 체크밸브, 감압밸브, 콘트롤밸브 등이 알려져 있다.
이와 같이 다양한 밸브들 중 콘트롤밸브(control valve)는 발전소, 가스, 화학, 국방 등의 국가기반 산업의 현장에서 고온 및 고압의 배관과 연결되어 배관을 흐르는 유체의 유량, 압력 등을 제어하는 역할을 한다. 상세하게 콘트롤밸브는 밸브의 손상 원인을 억제하거나 방지하는 수단으로 유체가 통과하는 밸브 내에 압력을 점차적으로 낮추고 완화하여 유체가 증기압 이하로 낮아지지 않도록 복수 개의 유동공이 형성된 케이지를 구비하거나 유체의 흐름 경로를 변경하도록 구비된다.
이러한 콘트롤밸브 중 밸브 트림파트(valve trim part)는 제어되는 유체와 접촉하는 밸브의 내부 부분으로, 상세한 구조로는 밸브스템(valve stem), 밸브플러그(valve plug), 케이지(cage), 시트링(seat ring) 등과 같은 구성으로 이루어져 있다. 이와 같은 대부분의 트림파트는 고온, 저온, 고압 등과 같은 현장의 악조건 속에서 사용하게 되는데, 시중에 사용되고 있는 트림파트는 현장 조건에 부합되는 재료의 선정, 가공, 열처리 및 크롬코팅 공정을 통해 제조된 후 밸브본체와 조립되어진다.
하지만 크롬코팅이 이루어진 콘트롤밸브의 트림파트는 극한 산업현장의 악조건에서 수명이 1년을 넘기지 못하며, 저온, 고온 및 고압에 의해 부식되거나 파손되는 등 내구성이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 콘트롤밸브의 내열, 내압, 내마모 및 내고착성을 증가시키기 위하여 콘트롤밸브의 표면을 다층코팅하는 것으로, 각종 산업현장의 악조건 상에서 콘트롤밸브의 오작동을 미연에 방지하고 수명연장이 가능하도록 하는 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적은, 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법에 있어서, 콘트롤밸브의 트림파트 표면에 질소기체를 침투 및 확산시켜 질화층을 형성하는 질화층 형성단계; 상기 질화층의 상부에 크롬/니켈 합금을 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)을 이용하여 증착시켜 제1합금층을 적층하는 제1합금층 적층단계; 상기 제1합금층의 상부에 알루미늄/티타늄/질소/몰리브데넘/카본 합금을 물리기상증착법을 이용하여 증착시켜 제2합금층을 적층하는 제2합금층 형성단계; 및 상기 제2합금층의 상부에 몰리브데넘 미립자를 포함하는 고체 윤활제를 적층시켜 윤활층을 형성하는 윤활층 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 질화층 형성단계는, 500 내지 600℃의 온도에서 순도 99.99%의 질소기체(N2)를 상기 트림파트의 표면에 침투시켜 10 내지 20㎛ 두께의 상기 질화층을 형성하는 것이 바람직하며, 상기 제1합금층 적층단계는, 400 내지 500℃ 온도 및 진공상태의 증착 챔버에 상기 질화층이 형성된 상기 트림파트를 배치한 후, 상기 크롬/니켈 합금을 기체 상태로 증발시킴과 동시에 코로나방전을 이용하여 상기 크롬/니켈 합금을 상기 질화층에 증착시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 트림파트는, 밸브스템(valve stem), 밸브플러그(valve plug), 케이지(cage), 시트링(seat ring) 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 콘트롤밸브의 내열, 내압, 내마모 및 내고착성을 증가시키기 위하여 콘트롤밸브의 표면을 다층코팅하는 것으로, 각종 산업현장의 악조건 상에서 콘트롤밸브의 오작동을 미연에 방지하고 수명연장이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법의 순서도이고,
도 2는 PVD 코팅방법을 통해 코팅된 콘트롤밸브의 단면도이고,
도 3은 PVD 코팅방법을 통해 코팅된 콘트롤밸브의 트림파트를 나타낸 사진이다.
도 2는 PVD 코팅방법을 통해 코팅된 콘트롤밸브의 단면도이고,
도 3은 PVD 코팅방법을 통해 코팅된 콘트롤밸브의 트림파트를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법의 순서도이고, 도 2는 PVD 코팅방법을 통해 코팅된 콘트롤밸브의 단면도이고, 도 3은 PVD 코팅방법을 통해 코팅된 콘트롤밸브의 트림파트를 나타낸 사진이다.
본 발명에 따른 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법은, 도 1에 도시된 바와 같이 질화층 형성단계(S100), 제1합금층 적층단계(S200), 제2합금층 적층단계(S300) 및 윤활층 형성단계(S400)를 포함한다.
먼저 질화층 형성단계(S100)는, 도 2에 도시된 바와 같이 콘트롤밸브의 트림파트(100) 표면에 질소기체를 침투 및 확산시켜 질화층(200)을 형성하는 단계를 의미한다.
콘트롤밸브 중 내열, 내압, 내마모, 내윤활성 등의 증가가 필요한 트림파트(trim part, 100)의 내구성을 우수하게 하기 위해 먼저 트림파트(100)를 준비하고, 이러한 콘트롤밸브의 트림파트(100) 표면에 질소를 침투 및 확산시켜 질화층(200)을 형성하는 과정이 이루어진다.
여기서 콘트롤밸브의 트림파트(100)는 밸브스템(valve stem), 밸브플러그(valve plug), 케이지(cage), 시트링(seat ring) 등과 같은 구성에 해당하며, 트림파트(100)의 소재는 스테인리스스틸(stainless steel)로 이루어지는 것이 바람직하다. 스테인리스스틸의 경우 크롬(Cr)이 주 성분으로 대부분을 이루고 있으며, 크롬 이외에도 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 콜론뮴(Cb), 구리(Cu), 카본(C), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 및 실리콘(Si)을 포함하는 A276-410 소재로 이루어진 트림파트(100)를 PVD코팅하는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
이러한 트림파트(100)의 표면에 질소기체를 침투 및 확산시켜 트림파트(100)의 표면에 질화반응을 일으키게 되며, 이를 통해 트림파트(100)의 표면에 질화층(200)을 형성시키게 된다. 여기서 질화층(200)을 형성하는 방법으로는 500 내지 600℃의 온도에서 순도 99.99%의 질소기체(N2)를 H2 센서를 이용한 공기제어 방식으로 트림파트(100)의 표면에 침투시키고, 침투된 질소기체는 트림파트(100)의 표면에 근접한 내부까지 확산되어 트림파트(100)의 표면에 질화층(200)이 형성된다. 이때 투입되는 질소기체의 양은 10 내지 20m3/h이며, 침투되는 질소기체의 깊이는 0.2mm에 해당한다.
이와 같은 과정을 통해 형성되는 질화층(200)은 10 내지 20㎛ 두께가 되는데, 해당 범위를 벗어나 질화층(200)이 10㎛ 미만이 될 경우 트림파트(100)의 내구성을 증가시키기 어려우며, 20㎛를 초과할 경우 트림파트(100)의 전체 두께 중 변성되는 두께 비율이 커서 오히려 콘트롤밸브의 구동에 영향을 줄 수 있다.
이와 같이 트림파트(100)의 표면에 적층이 아닌 표면에 직접적으로 질소기체를 침투시켜 질화층(200)을 형성함에 의해 트림파트(100)의 변형이 최소화되면서 트림파트(100) 표면의 불순물을 제거할 수 있으며, 동시에 강도, 고부하, 내피로성 및 내구성 등을 향상시킬 수 있게 된다.
제1합금층 적층단계(S200)는, 질화층(200)의 상부에 크롬/니켈 합금을 물리기상증착법을 이용하여 증착시켜 제1합금층(300)을 적층하는 단계를 의미한다.
트림파트(100)의 표면에 형성된 질화층(200)의 상부에 크롬과 니켈이 혼합된 크롬/니켈 합금을 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)을 이용하여 증착시켜 제1합금층(300)을 적층하는 과정을 거치게 된다. 물리기상증착법은 400 내지 500℃ 온도 및 진공상태의 증착 챔버에 질화층(200)이 형성된 트림파트(100)를 배치한 후, 크롬/니켈 합금 또는 크롬과 니켈을 각각 기체 상태로 증발시킴과 동시에 코로나방전을 이용하여 크롬과 니켈의 원자를 이온화 시킨다. 이온화된 크롬과 니켈은 질화층(200)과 부딪혀 고체화되면서 질화층(200)의 상부에 증착되는 방식으로 제1합금층(300)이 형성된다. 여기서 코로나방전 전압을 20,000V를 1 내지 3초 동안 가하여 순간적으로 크롬과 니켈을 이온화하게 되며, 이를 통해 빠른시간 내에 질화층(200)에 크롬과 니켈의 증착이 가능하다.
물리기상증착법을 이용하여 질화층(200)의 상부에 적층된 제1합금층(300)은 크롬(Cr) 60중량부 및 니켈(Ni) 40중량부가 혼합되며, 제1합금층(300)의 두께는 10 내지 20㎛으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 제1합금층(300)의 하부에 존재하는 질화층(200)과, 제1합금층(300)의 상부에 적층될 제2합금층(400) 간의 밀착성을 높일 수 있는 혼합비 및 두께에 해당한다. 다만 제1합금층(300)의 경우 비교적 연성이 좋은 니켈을 포함하고 있기 때문에 강도저하가 우려되며, 이에 의해 후술할 제2합금층(400)을 통해 경도를 증가시키고자 한다.
제2합금층 형성단계(S300)는, 제1합금층(300)의 상부에 알루미늄/티타늄/질소/몰리브데넘/카본 합금을 물리기상증착법을 이용하여 증착시켜 제2합금층(400)을 적층하는 단계를 의미한다.
질화층(200) 및 제1합금층(300)이 적층된 트림파트(100)에서 제1합금층(300)의 상부에 알루미늄/티타늄/질소/몰리브데넘/카본 합금을 물리기상증착법을 이용하여 증착시켜 제2합금층(400)을 적층하는 과정을 거치게 된다. 여기서 물리기상증착법은 제1합금층 형성단계(S200)와 마찬가지로 400 내지 500℃ 온도 및 진공상태의 증착 챔버에 트림파트(100)를 배치한 후, 알루미늄/티타늄/질소/몰리브데넘/카본 합금을 기체 상태로 증발시킴과 동시에 코로나방전을 이용하여 알루미늄/티타늄/질소/몰리브데넘/카본 합금을 이온화시켜 제1합금층(300)에 적층시킨 제2합금층(400)을 형성하게 된다. 여기서 코로나방전 전압은 20,000V이며, 1 내지 3초 동안 방전시켜 제2합금층(400)의 적층이 이루어진다.
제2합금층(400)은 연성이 풍부한 알루미늄 20중량부, 강도가 높고 내부식성이 강한 티타늄 20중량부, 금속의 공기중 산화성이 강한 질소 20중량부, 녹는점과 끓는점이 매우 높으며 소량으로도 단단한 합금을 형성가능한 몰리브데넘 10중량부, 높은 인장강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창율의 특성을 가지는 카본 30중량부를 조합하여 적층한 층으로, 이러한 제2합금층(400)은 트림파트(100)의 자기윤활성, 내마모성, 내산화성, 내열성을 우수하게 만드는 역할을 한다. 여기서 제2합금층(400)의 두께는 제1합금층(300)과 마찬가지로 10 내지 20㎛으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같이 물리기상증착법을 이용하여 제2합금층(400)을 형성할 경우 얇은 두께로 제2합금층(400)을 형성할 수 있기 때문에 제1합금층(300) 및 후술할 윤활층 (500)과의 밀착성이 증가하게 된다.
윤활층 형성단계(S400)는, 제2합금층(400)의 상부에 몰리브데넘 미립자를 포함하는 고체 윤활제를 적층시켜 윤활층(500)을 형성하는 단계를 의미한다.
제1합금층(300) 및 제2합금층(400)의 코팅에 의해 강성이 증가하게 된 트림파트(100)의 구동이 용이하도록, 제2합금층(400)의 상부에 윤활층(500)을 추가로 형성하게 된다. 여기서 윤활층(500)은 몰리브데넘 미립자를 포함하는 고체윤활제를 적층시켜 형성하게 되는데, 이는 강성이 높은 몰리브데넘 미립자를 포함할 경우 윤활층(500)이 단순히 윤활 역할만을 하는 것이 아니라 몰리브데넘의 강성을 통해 제2합금층(400)을 보호할 수 있게 된다. 이를 통해 트림파트(100)의 최상부에 윤활층(500)이 형성될 경우 콘트롤밸브의 외부로부터 유입되어 점착되는 슬러리나 외부의 충격 요인으로부터 트림파트(100)-질화층(200)-제1합금층(300)-제2합금층(400)을 보호할 수 있게 된다.
이때 몰리브데넘 미립자의 경우 0.1 내지 1㎛의 직경을 가지도록 하여 윤활층(500)을 형성함에 있어 외부로 돌출되는 현상을 일으키지 않도록 하며, 이러한 몰리브데넘 미립자를 포함하는 윤활층은 10 내지 20㎛ 두께로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 윤활층(500)은 고체윤활제 90중량부에 대해 몰리브데넘 미립자가 10중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 만약 몰리브데넘 미립자가 10중량부 미만일 경우 윤활층의 강성을 충분히 증가시키지 못하게 되며, 10중량부를 초과할 경우 몰리브데넘 미립자가 윤활층(500)의 외부로 돌출되거나 또는 오히려 윤활 성능을 방해할 우려가 있다.
이와 같이 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법을 통해 표면에 질화층(200)-제1합금층(300)-제2합금층(400)-윤활층(500)이 형성된 콘트롤밸브의 트림파트(100)는 도 3을 통해 확인할 수 있다. 이러한 콘트롤밸브의 트림파트(100)는 표면 코팅을 통해 콘트롤밸브의 내열, 내압, 내마모 및 내고착성을 증가시킬 수 있으며, 각종 산업현장의 악조건 상에서 콘트롤밸브의 오작동을 미연에 방지하고 수명연장이 가능한 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
S100: 질화층 형성단계
S200: 제1합금층 적층단계
S300: 제2합금층 적층단계
S400: 윤활층 형성단계
100: 트림파트
200: 질화층
300: 제1합금층
400: 제2합금층
500: 윤활층
S200: 제1합금층 적층단계
S300: 제2합금층 적층단계
S400: 윤활층 형성단계
100: 트림파트
200: 질화층
300: 제1합금층
400: 제2합금층
500: 윤활층
Claims (4)
- 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법에 있어서,
콘트롤밸브의 트림파트 표면에 질소기체를 침투 및 확산시켜 질화층을 형성하는 질화층 형성단계;
상기 질화층의 상부에 크롬/니켈 합금을 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD)을 이용하여 증착시켜 제1합금층을 적층하는 제1합금층 적층단계;
상기 제1합금층의 상부에 알루미늄/티타늄/질소/몰리브데넘/카본 합금을 물리기상증착법을 이용하여 증착시켜 제2합금층을 적층하는 제2합금층 형성단계; 및
상기 제2합금층의 상부에 몰리브데넘 미립자를 포함하는 고체 윤활제를 적층시켜 윤활층을 형성하는 윤활층 형성단계;를 포함하며,
상기 질화층 형성단계는,
500 내지 600℃의 온도에서 순도 99.99%의 질소기체(N2)를 상기 트림파트의 표면에 침투시켜 10 내지 20㎛ 두께의 상기 질화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제1합금층 적층단계는,
400 내지 500℃ 온도 및 진공상태의 증착 챔버에 상기 질화층이 형성된 상기 트림파트를 배치한 후, 상기 크롬/니켈 합금을 기체 상태로 증발시킴과 동시에 코로나방전을 이용하여 상기 크롬/니켈 합금을 상기 질화층에 증착시키는 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법. - 제 1항에 있어서,
상기 트림파트는,
밸브스템(valve stem), 밸브플러그(valve plug), 케이지(cage), 시트링(seat ring) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고온, 고압용 콘트롤밸브의 PVD 코팅방법.
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| KR1020220015230A KR102383576B1 (ko) | 2022-02-07 | 2022-02-07 | 고온, 고압용 콘트롤밸브의 pvd 코팅방법 |
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2022
- 2022-02-07 KR KR1020220015230A patent/KR102383576B1/ko active IP Right Grant
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