KR200235003Y1 - 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 질소 플라즈마(plasma)를 사용하여 철강재를 질화처리하는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 시료의 표면에 손상을 입히는 음극주위의 아크를 방지하도록 구조를 개선한 음극장치에 관한 것이다.

본 고안의 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치에 의하면, 시료대를 지지하는 지지대가 외부에 피복된 절연부와, 진공조 내부 부분에 일정간격을 두고 수평으로 적층시킨 다수개의 절연판을 구비하고 있으므로, 진공조내부에서 스퍼터링(sputtering)된 입자들이 시료대나 지지대에 들러붙어서 발생하는 아크로 인한 국부방전을 방지할 수 있으며, 아크발생에 의하여 전원공급장치에 과전류가 흐르게 되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 이온질화장치가 정상적으로 가동될 수 있는 일정온도까지 상승하는 승온시간을 단축할 수 있으며, 시료대 내부에 열선을 설치함으로 인하여 시료대의 제작과 전기회로구성의 어려움을 해결함으로써 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치

본 고안은 질소 플라즈마(plasma)를 사용하여 철강재를 질화처리하는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 시료의 표면에 손상을 입히는 음극주위의 아크를 방지할 뿐만 아니라 시료표면에 온도분포를 균일하게 하고 히터의 효율을 높이도록 구조를 개선한 음극장치에 관한 것이다.

플라즈마를 이용한 이온질화장치는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 진공중에 플라즈마를 발생시켜 시료의 표면에 질화막을 형성시켜 재료의 내마모성 및 내식성을 증가시켜 부품의 수명과 성능을 향상시키는데 사용된다.

질화처리시에 진공조(1)내부에는 기저진공압력이 부족하여 함유하고 있는 입자와 시료(100)표면에서 스퍼터(sputter)된 입자 등이 아크발생의 원인이 되기 때문에 기저진공압력은 적을수록 좋으며 시료장입시 시료표면의 세척도 중요하다. 또한, 아크를 방지하기 위하여 전원공급을 직류대신 펄스직류로 운용하기도 한다.

플라즈마를 이용하여 금속재료의 표면을 경화시키기 위해서는 진공조(1)안에 질소를 포함하는 혼합가스에 메탄과 같은 가스를 주입시켜 질화처리를 하는 방법이 사용되는데, 이러한 방법에 의하여 질화처리를 할 경우 진공조(1)안에 투입된 가스가 플라즈마에 의하여 이온화되어 시료(100)의 표면에 확산됨으로써 표면의 경도를 증가시킨다.

더욱 상세히 살명하면, 플라즈마를 발생시키기 위하여 음의 고전압을 시료대(2)에 인가하게 되는데, 여기서 시료대(2)와 시료(100) 자체가 캐소드(cathode)로 사용되고 진공조(1)의 벽이 애노드(anode)가 되며 상기 진공조(1)의 벽은 접지된다.

즉, 진공조(1)의 벽은 전압이 영이 되고 시료(100)와 시료대(2)는 음전압을 띄게 되어 전압차에 의해 진공조(100)에 플라즈마가 발생하게 되고 이렇게 발생된 플라즈마는 가스를 이온화시킨다.

따라서, 글로우방전(glow discharge) 에너지에 의하여 양의 극성을 갖게 되는 이온들은 음극인 시료(100)와 시료대(2)의 표면에 집중되어 이것이 플라즈마 시스(sheath)를 형성하게 되고 여기에서 시료(100) 표면으로의 확산이 이루어져 질화막을 형성하여 금속표면의 경도를 강화시키게 된다.

여기서, 시료대(2) 및 지지대(3)는 전도체로 형성되어 있어서 직류공급장치(6)로부터 공급되는 전류는 상기 지지대(3) 및 시료대(2)를 따라 진공조(1)내부로 인가되어 내부에 고전압이 걸릴 수 있도록 되어 있다.

이 때, 고전압에 의해 진공조 내부에서 스퍼터링(sputtering)된 입자들이 전도체인 시료대 및 지지대에 들러붙게 되고, 그에 따라 이곳에서 아크가 발생하게 되어 아크발생으로 인한 국부방전에 의하여 시료에 손상을 주는 문제점이 있었다.

또한, 아크발생시에 전원공급장치에 과전류가 흐르게 되어 전원공급장치의 고장의 원인이 되어 수리에 소요되는 시간의 낭비와 작업능률의 감소를 초래하는 문제점이 있었다.

다음에, 직류펄스를 전원으로 사용하는 플라즈마 이온질화장치에서 중요한 문제는 처리하는 시료(100)의 표면에 균일하게 질화막을 형성시켜야 하기 때문에 진공조(1) 내부의 작업영역에서의 온도분포를 균일하게 유지해야 하는 것이다.

이를 위하여 도 2에서와 같이 내부에 히터(11)를 부가하여 설치하고 히터(11)바깥쪽에 열차단판(12)을 설치하여 히터(11)의 효율을 높이는 방법을 사용하며, 히터(11)와 열차단판(12)은 봉이나 판 형상으로 형성하여 진공조(1)의 외벽(9)과 평행하게 설치한다.

상기와 같이 진공조(1)내에 히터(11)와 열차단판(12)을 설치하더라도 시료대(2)의 온도분포를 균일하게 하기 위해서는 어느 정도의 소요시간이 필요하여 이온질화장치가 정상적으로 가동될 수 있는 일정온도까지 상승하는 승온시간이 길어지게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같이 부가적으로 설치하는 히터(11) 외에 시료대(2)를 직접 가열하기 위하여 시료대(2) 내부에 열선을 설치하기도 하는데, 이러한 경우 시료대(2)의 제작과 전기회로의 구성에 어려움이 있을 뿐만 아니라 비용도 많이 소요되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로써, 본 고안의 목적은 진공조내부에서 스퍼터링(sputtering)된 입자들이 시료대나 지지대에 들러붙어서 발생하는 아크로 인한 국부방전을 방지하는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 아크발생에 의하여 전원공급장치에 과전류가 흐르게 되는 것을 방지하는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 이온질화장치가 정상적으로 가동될 수 있는 일정온도까지 상승하는 승온시간을 단축할 수 있는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 시료대 내부에 히터라인을 설치함으로 인하여 시료대의 제작과 전기회로구성의 어려움을 해결함으로써 비용을 절감할 수 있는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 이온질화장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 2는 도 1의 장치에 히터와 열차단판이 설치된 종래의 이온질화장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 3은 이온질화장치의 음극인 지지대에 본 고안의 일 실시예인 아크방지 및 열차단장치를 설치한 것을 도시한 일부 단면구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1:진공조 2:시료대

3:지지대 4:가스공급장치

5:진공펌프 6:직류공급장치

7:전원공급선 8:진공조바닥

9:외벽 10:접지부

11:히터 12:열차단판

20:절연판 30:절연판

100:시료

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치는 질화가스 플라즈마로 시료를 질화시키도록 내부가 밀폐되며 외벽의 전압이 영이 되도록 일측에서 접지되는 진공조와, 시료에 음전압을 인가하며 상기 시료를 받치도록 상기 진공조내에 설치된 시료대와, 상기 시료대에 음전압을 인가하며 시료대를 지지하도록 상기 진공조내에서 외부로 연장설치된 지지대와, 상기 진공조내로 질화가스를 공급하는 가스공급장치와, 플라즈마가 발생할 수 있는 기압으로 유지하도록 상기 진공조내의 기체를 외부로 배출시키는 진공펌프와, 상기 진공조내에 플라즈마가 발생하도록 상기 지지대 및 시료대에 음전압을 인가하는 직류공급장치로 구성되어 있는 이온질화장치에 있어서, 상기 지지대는 외부에 피복된 절연부와, 진공조 내부 부분에 일정간격을 두고 수평으로 적층시킨 다수개의 절연판을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안의 일실시예에 의한 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 이온질화장치의 음극인 지지대에 본 고안의 일 실시예인 아크방지 및 열차단장치를 설치한 것을 도시한 일부 단면구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 고안의 일 실시예에 의한 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치는 질화가스 플라즈마로 시료(100)를 질화시키도록 내부가 밀폐되며 외벽(9)의 전압이 영이 되도록 일측에 접지부(10)를 가진 진공조(1)와, 시료(100)에 음전압을 인가함과 함께 상기 시료(100)를 받치도록 상기 진공조(1)내에 설치된 시료대(2)와, 상기 시료대(2)에 음전압을 인가함과 함께 시료대(2)를 지지하도록 상기 진공조(1)내로부터 외부로 연장되어 설치된 지지대(3)와, 상기 진공조(1)내로 질화가스를 공급하는 가스공급장치(4)와, 상기 진공조(1)의 내부를 플라즈마가 발생할 수 있는 기압으로 유지하도록 진공조(1)내부의 기체를 외부로 배출시키는 진공펌프(5)와, 상기 진공조(1)내에 플라즈마가 발생하도록 상기 지지대(3) 및 시료대(2)에 음전압을 인가하는 직류공급장치(6)로 구성되어 있는 이온질화장치에 있어서, 상기 지지대(3)는 외부에 피복된 절연부(20)와, 진공조(1)내부 부분에 일정간격을 두고 수평으로 적층시킨 다수개의 절연판(30)을 구비하고 있다.

상기 절연부(20)와 절연판(30)은 몰리브덴 등의 절연 및 열차단물질로 이루어져 있으며, 상기 다수개의 절연판(30)은 적어도 1㎜ 이하의 일정한 간격을 갖도록 적층되어 있다.

다음에, 이와 같이 구성되어 있는 본 고안의 일 실시예에 의한 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치의 작용에 대하여 설명한다.

먼저, 처리하고자 하는 시료(100)를 진공조(1)안의 시료대(2)위에 놓고 진공펌프(5)를 작동시켜 내부압력을 적정한 상태로 유지한 후 가스공급장치(4)로부터 이온화시킬 혼합가스를 일정한 비율로 진공조(1)안에 투입한다. 이 때, 처리하고자 하는 시료(100)는 전원공급선(7)을 통하여 직류공급장치(6)의 마이너스단자에 연결되고 플러스단자는 진공조의 외벽(9)에 연결되어 접지부(10)로 접지된다.

따라서, 시료대(2)와 시료(100)에 인가된 음전압과 영전압인 외벽(9)의 전압차에 의해 발생하는 글로우방전(glow discharge)으로 진공조(1)의 내부에 투입된 가스들이 이온화되고 활성화된 이온들은 음극쪽으로 운동하게 된다.

이 때 시료(100)뿐만 아니라 시료대(2)와 지지대(3)도 음극을 띠므로 종래의 기술의 경우 이온들은 이러한 부분에도 달라붙어 시스(sheath)를 형성하게 되어 아크를 발생하게 되나, 본 고안의 일 실시예에 의할 경우 지지대(3)의 표면에 피복된 절연부(20)에 의해 지지대(3)에는 시스가 형성되지 않으며, 시료대(2)의 하부에 설치된 다수개의 절연판(30)들은 각각 등전위면을 형성하여 시료대(2)와 진공조바닥(8)사이에 전위차를 발생시켜 시스가 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 도 2와 같이 히터(11)와 열차단판(12)이 설치된 이온질화장치에 있어서는, 본 고안의 일 실시예인 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치에 의하면, 히터(11)의 대향쪽 뿐만 아니라 진공조(1)의 바닥면(8)에도 열차단판을 설치한 것이 되어 히터(11)로부터 방출된 열이 진공조(1)의 외부로 유출되는 것을 차단하여 일정온도를 유지하기가 더욱 용이해질 뿐만 아니라 승온시간을 단축할 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 고안의 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치에 의하면, 시료대를 지지하는 지지대가 외부에 피복된 절연부와, 진공조 내부 부분에 일정간격을 두고 수평으로 적층시킨 다수개의 절연판을 구비하고 있으므로, 진공조내부에서 스퍼터링(sputtering)된 입자들이 시료대나 지지대에 들러붙어서 발생하는 아크로 인한 국부방전을 방지할 수 있으며, 아크발생에 의하여 전원공급장치에 과전류가 흐르게 되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 이온질화장치가 정상적으로 가동될 수 있는 일정온도까지 상승하는 승온시간을 단축할 수 있으며, 시료대 내부에 열선을 설치함으로 인하여 시료대의 제작과 전기회로구성의 어려움을 해결함으로써 비용을 절감할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Claims (3)

1. 질화가스 플라즈마로 시료를 질화시키도록 내부가 밀폐되며 외벽의 전압이 영이 되도록 일측에서 접지되는 진공조와, 시료에 음전압을 인가하며 상기 시료를 받치도록 상기 진공조내에 설치된 시료대와, 상기 시료대에 음전압을 인가하며 시료대를 지지하도록 상기 진공조내에서 외부로 연장설치된 지지대와, 상기 진공조내로 질화가스를 공급하는 가스공급장치와, 플라즈마가 발생할 수 있는 기압으로 유지하도록 상기 진공조내의 기체를 외부로 배출시키는 진공펌프와, 상기 진공조내에 플라즈마가 발생하도록 상기 지지대 및 시료대에 음전압을 인가하는 직류공급장치로 구성되어 있는 이온질화장치에 있어서, 상기 지지대는 외부에 피복된 절연부와, 진공조 내부 부분에 일정간격을 두고 수평으로 적층시킨 다수개의 절연판을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연부와 절연판은 몰리브덴 등의 절연 및 열차단물질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절연판은 적어도 1㎜ 이하의 일정한 간격을 갖도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 이온질화장치의 아크방지 및 열차단장치.