KR200415452Y1 - 표면에 탄소 이온 주입층을 형성한 밸브장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 압축성 또는 비압축성 유체 등 여러 종류의 유체의 유량과 압력을 제어하기 위해 유체의 유동을 개폐하거나 조절하는 장치인 밸브에 있어서, 유체의 유동을 완전히 폐쇄하기 위해 서로 접촉하는 디스크(Disc)와 시트(Seat) 사이의 상 호 작용에 따른 마멸, 찍힘(Galling), 눌러 붙음(Bonding) 이외에 유체와의 상호작용에 따른 마모 및 침부식 등에 의해 손상되지 않고, 디스크와 시트가 서로 밀착하여 유체의 유동을 폐쇄하는 위치에서 유체가 누설되지 않도록 하기 위해 디스크와 시트의 표면에 플라즈마 이온주입(Plasma Source Ion Implantation; PSII)으로 일정한 두께의 탄소 이온 주입층을 형성한 밸브 장치에 대한 것이다.

밸브, 디스크, 시트, 탄소 이온 주입층, 다이아몬드상 경질 탄소막, 플라즈마, 누설

Description

표면에 탄소 이온 주입층을 형성한 밸브장치{Valve Device with Plasma Source Ion Implantation}

도 1은 종래의 안전밸브의 부분 단면도,

도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 밸브 구성품의 하나인 디스크의 단면도,

도 3은 본 고안의 다른 실시예에 따른 밸브 구성품의 하나인 시트의 단면도,

도 4는 본 고안의 도 2와는 또 다른 실시시예에 따른 플러그의 단면도,

도 5는 본 고안의 도 3과는 또 다른 실시예로서의 시트의 단면도,

도 6은 도 2의 6-6선을 따라 취한 단면도,

도 7은 본 고안을 구현함에 적용되는 플라즈마 이온주입장치를 개략적으로 도시한 도면,

도 8은 소재 표면에 이온 주입층을 형성한 확대 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 몸체 2 : 디스크 3 : 시트

4 : 디스크 홀더 5 : 가이드 6 : 스핀들

7: 스프링 8 : 디스크 밀봉면 9 : 시트 밀봉면

11 : 디스크 12 : 디스크 밀봉면 13 : 이온 주입층

21 : 시트 22 : 시트 밀봉면 23 : 이온 주입층

31 : 플러그 32 : 플러그 밀봉면 33 : 이온 주입층

41 : 시트 42, 시트 밀봉면 43 : 이온 주입층

본 고안은 압축성 또는 비압축성 유체 등 여러 종류의 유체의 유량과 압력을 제어하기 위해 유체의 유동을 개폐하거나 조절하는 장치인 밸브에 있어서, 유체의 유동을 완전히 폐쇄하기 위해 서로 접촉하는 디스크(Disc)와 시트(Seat)와의 상호 작용 및 유체와의 상호작용에 따른 마모 및 침/부식 등에 의해 손상되지 않고, 디스크와 시트가 서로 밀착하여 유체의 유동을 폐쇄하는 위치에서 유체가 누설되지 않도록 표면에 탄소 이온주입 층을 형성한 밸브장치에 관한 것이다.

일반적으로 유체의 압력과 유량의 조절이 필요한 장치와 프로세스에서는 반드시 밸브가 사용되므로 밸브의 사용범위는 매우 광범위하다. 밸브의 디스크(또는 플러그(Plug)라고도 함. 이하 디스크와 같은 의미로 사용함)와 시트(또는 노즐(Nozzle)이라고도 함. 이하 시트와 같은 의미로 사용함)는 유체와 직접 접촉한다는 사실과 함께 유체 제어를 위한 기계적 운동을 동시에 수행하게 됨으로 밸브 부품중 가장 가혹한 환경에서 운전되는 부품이다. 따라서 밸브의 디스크와 시트의 재질은 기계적 운동에 의한 긁힘 또는 마모 등의 문제에 대하여 강한 특성을 가지는 것이 필요하다.

또한 밸브가 닫혀 있을 때는 유체의 유동이 완전히 폐쇄된 상태를 유지하면서 디스크와 시트를 통한 내부 누설(Internal Leakage)이 없어야 한다. 그러나 내부 누설이 발생하면 그 자체가 이미 문제가 되며 시간이 경과됨에 따라 누설이 증가하게 되고 경우에 따라서는 진동과 소음을 심하게 유발하게 되며 설비의 건전성을 해치게 된다. 특히 내부 누설은 유체의 불필요한 유동과 유체의 손실을 일으켜 플랜트나 프로세스의 효율을 감소시키는 요인이 된다.

고온 고압의 극한 조건에서 사용되는 안전밸브(Safety Valve), 압력방출밸브(Pressure Relief Valve), 게이트 밸브(Gate Valve) 또는 비교적 장시간 폐쇄상태를 유지하는 기능의 밸브들은 디스크와 시트가 눌러 붙는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 경우 밸브의 구동력이 증대되고 작동기준에 대한 오차가 매우 커지는 결과를 초래한다. 이러한 재질간의 눌러 붙는 현상은 첫째, 친화력이 높을 수 밖에 없는 같은 종(種)의 재질 간과 둘째, 뚜렷하게 전위차가 큰 재질 셋째, 오스테나이트 스테인레스 강과 같은 동일 강종이거나 경도가 유사한 경우에는 친화력이 높을 경우 발생하게 된다. 이러한 현상은 디스크와 시트의 접촉면에 작용하는 높은 하중(또는 압력)과 동종 재질을 사용함에 따라 상호 재질 간의 미세한 전달 또는 형성된 산화막이 접합 기구로 작용하는 것에 기인하는 것으로 알려져 있다.

한편, 유체 계통의 운전에 있어서 밸브의 압력제어 범위가 크거나, 높은 차압을 밸브에서 제어해야 하는 제어밸브의 경우 제어 교축부인 디스크와 시트에서의 유속은 경우에 따라 음속을 뛰어넘는 엄청난 속도로 에너지가 변화된다. 이때 밸브 의 디스크나 시트에는 유체의 제반 에너지 변환 특성 즉, 캐비테이션(Cavitation)이나 플래싱(Flashing) 또는 쵸오킹(Chocking)이 수반되고 이 과정 중에 밸브 디스크와 시트는 유체 입자의 계속적인 충돌로 표피(表皮)에 손상을 입게 되며 이러한 현상을 침식이라고 한다, 대부분의 제어밸브 디스크와 시트는 정도의 차이는 있지만 침식에 의한 손상을 받을 수 밖에 없다. 특히 캐비테이션이나 플래싱 상태에서 운전되는 밸브는 침식 정도가 심하여 주기적으로 점검하여 정기적으로 디스크와 시트를 교체해야 하는 제어밸브의 사례는 자주 경험된다.

도 1은 고온 고압의 조건에서 사용하는 종래의 안전밸브의 부분 단면도이다. 몸체의 유체 유입구 측에 시트(3)가 장착되어 있고 이 시트 상부측에는 유체의 흐름을 단속할 수 있는 디스크(2)가 디스크 홀더(4)에 고정되어 있다. 디스크 홀더(4)는 스프링(7)의 힘을 전달하는 스핀들(6)과 연결되어 있다. 도 1은 유체의 힘이 스프링(7)의 힘을 극복함에 따라 디스크(2)와 시트(3)가 개방된 상태를 나타내고 있다. 이러한 밸브는 유체의 압력이 스프링의 힘에 미치지 않을 때는 디스크가 시트와 완전하게 접촉하여 유체의 밀봉 역할을 수행하게 된다.

유체의 압력이 스프링의 힘보다 커지면 디스크가 시트로부터 떨어지면서 유체가 시트를 거쳐 통과하게 된다. 이러한 밸브는 고온고압에서 시트와 디스크가 상호 작용함에 따라 디스크의 밀봉면(8)과 시트의 밀봉면(9)은 마멸, 찍힘(Galling), 눌러 붙음(Bonding)이 자주 발생하고 있다. 이러한 현상은 디스크와 시트의 접촉면에 작용하는 높은 하중(또는 압력)과 스텔라이트와 같은 동종 재질을 사용함에 따라 상호 재질간의 미세한 전달 또는 형성된 산화막이 접합 기구로 작용하는 것으로 알려져 있다.

이러한 문제점이 발생하면 밸브를 작동시키기 위한 구동력이 증대되고 작동 기준에 대한 오차가 매우 커지는 결과를 초래한다.

또한 시트와 디스크의 밀봉면에 손상이 발생하여 미세한 틈새가 존재하게 되면 유체의 내부누설이 일어나게 된다. 내부누설이 발생하게 되면 유체와의 상호작용에 의해 마모 및 침부식 등이 발생하게 되면서 손상이 가속화된다.

이와 같이, 가혹한 운전 조건에서의 디스크와 시트는 앞서 언급한 내마모성과 내부식성 뿐만 아니라 강력한 내침식성이 요구된다. 이를 위해 일반적으로 산업계에서는 스텔라이트(Stellite) 용접 경화 처리(Weld Hard-surfacing) 방법을 널리 쓰고 있으며, 특히 스텔라이트 No. 6 의 경우 비교적 저가이면서 용접성 및 가공성이 비교적 양호하여 디스크와 시트의 내마모 및 내침식 보강용으로 많이 사용하고 있다.

스텔라이트 No. 6는 중량%로 C: 1.2%, Ni: 2.1%, Cr: 28%, Co: 62.9%, Fe: 1.8%, W: 4.0%로 이루어져 있다. 스텔라이트 용접 경화 처리는 디스크와 시트의 상호간 접촉면 또는 밀봉면에 스텔라이트 재료를 약 1～2 mm 정도의 깊이로 용접하고 연삭 및 래핑 등 후처리 가공을 실시한 후 사용한다. 그러나 스텔라이트 용접 경화 처리는 용접성에 나쁜 영향을 주는 탄소 성분 및 텅스텐 성분의 함량이 많아 경화 처리 후의 용접부의 취성 또는 크랙 등에 예민한 편이므로 모재의 화학적 조성과 더불어 매우 조심스럽게 용접해야 하는 어려움이 있다.　또한 스텔라이트 재질은 고온 고압의 가혹한 조건에서 상호 마찰로 인한 마멸, 찍힘(Galling), 늘러붙음 (Bonding) 또는 산화막 형성 등에 의해 손상이 발생하며, 유체와의 상호작용에 의해서도 마모 및 침/부식 등에 의한 재료의 손상이 발생하게 된다. 이러한 경우 밸브의 닫힘 상태에서도 디스크와 시트의 손상 부위를 통해 유체의 내부 누설이 발생하게 되므로 주기적으로 디스크와 시트를 교체하고 있는 실정이다. 특히 원자로 설비에서 사용하는 스텔라이트 용접 경화처리를 한 밸브는 스텔라이트의 코발트 성분이 중성자 조사(照射)를 받아 방사화되는 특성이 있으므로 원자로 설비의 방사선 준위를 높아지게 하고 작업자의 방사선 피폭을 증가시킨다. 따라서 원자로 설비의 방사선 준위를 낮추고 작업자의 방사선 피폭량을 저감하기 위해서는 밸브의 구성품에 코발트 성분이 없어야 하므로 스텔라이트 용접 경화 처리를 다른 방법으로 대체하여야만 한다.

밸브 부품의 표면을 경화시키는 방법 중 다른 하나는 다이아몬드상(Diamond-like) 경질 탄소막(DLC)을 피착시키는 방법이 있으며, 이 방법은 대한민국 등록 특허 10-0417203호(발명의 명칭 : 디스크 밸브, 등록일 : 2004.1.19)에 소개되어 있다. 이 발명은 디스크 밸브에 있어서, 서로 미끄럼 운동을 하는 2개의 밸브 본체 중 적어도 한쪽의 밸브 본체를 세라믹으로 형성하고, 상기 세라믹의 표면에 Ti 막, Si 막의 순서로 적층한 중간층을 개재하여 다이아몬드상 경질 탄소막을 피착하는 것에 의하여 접합면을 구성하는 것을 특징으로 한다. 따라서 이 발명은 밸브 부품 표면에 다이아몬드상 경질 탄소막 간의 밀착력을 향상시키고 누수가 없으며 또한 안정한 미끄럼 운동 특성을 장기간에 걸쳐서 유지하는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나 이 발명은 다이아몬드상 경질 탄소막을 재료 표면에 피착하는 수단으로써 PVD(Physical Vapor Deposition)법이나 CVD(Chemical Vapor Deposition)법 등을 이용하여 박막을 형성하되 밸브 본체를 구성하는 금속이나 세라믹에 직접 피착할 경우 밀착성이 그다지 좋지 않기 때문에 세라믹 재질에 Ti막, Si막의 순서로 적층한 중간층을 개재하고 다이아몬드상 경질 탄소막을 피착하는 여러 과정을 취하고 있으므로 제작 방법이 매우 복잡하고 제작비와 제작시간이 많이 소요되는 결점을 가지고 있다.

한편, 밸브가 폐쇄 상태로 전후단에 높은 차압이 작용하는 조건에서 밸브의 디스크와 시트에 마멸이나 손상 등에 의한 미세한 틈새가 발생하면 이 틈새로 유체가 유동하면서 내부 누설이 시작되고, 이와 더불어 유체가 디스크와 시트 밀봉면에 계속적인 응력을 가하면서 마멸 또는 침식을 유발하게 되고 이에 따라 내부 누설은 점차 층류 유동에서 난류 유동으로 바뀌게 된다. 내부 누설이 난류 유동으로 전환됨에 따라 급속한 압력과 속도의 변화로 디스크와 시트의 밀봉면은 유체와의 상호작용에 따라 손상은 더욱 급격히 진전되는 유체역학적 손상 매카니즘(Damage Mechanism)의 특성을 가진다. 따라서 밸브의 디스크와 시트의 밀봉면은 밸브의 작동 회수와 유체의 상호작용에 의해 장시간 손상되지 않아야 한다.

일반적으로 두 물체의 접촉시 마멸에 관계된 인자들은 접촉면의 온도, 접촉돌기의 분포, 접촉면의 거칠기 등의 접촉상태와, 재료의 경도, 작용하는 수직압력, 미끄럼 길이 등에 의해 결정된다. 밸브의 디스크와 시트의 표면에 발생하는 마멸 정도는 아차드(Archard)의 마멸 모델을 적용할 수 있으며, 두 물체의 접촉으로 인한 마멸 깊이는 아래 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

δd = kPL/3h

여기서 δd는 δt동안 발생한 마멸 깊이이며, k는 마멸 계수, P는 접촉면에서의 수직 압력, L은 접촉면에서의 미끄럼 길이, h는 경도이다.

이 마멸 모델을 적용하면 밸브의 디스크와 시트에서의 마멸을 감소하기 위해서는 마멸계수가 작고 경도가 높은 재질을 적용해야 함을 알 수 있다. 또한 표면 재질의 입자가 보다 치밀하여 마찰계수가 작아지도록 하면 디스크와 시트간 상호 작용에 따른 마멸, 찍힘, 늘러 붙음과 같은 부작용을 개선할 수 있다.

본 고안은 상기와 같은 원리에 기초하여 이루어진 것이다.

따라서 본 고안에서는 밸브의 디스크와 시트에 대한 종래 기술의 문제점과 손상 매카니즘을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 고안의 목적은 제작 방법이 비교적 간단하고 제작비와 제작시간이 적게 소요되면서 밸브를 구성하는 디스크와 시트의 표면의 마찰계수 및 경도를 개선하기 위해 표면에 탄소 이온주입층을 형성한 밸브 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 고안은 상온에서 표면 경화 처리를 함으로써 고온 공정에서 발생하는 열변형과 열응력이 없고 PVD 법이나 CVD 법에서와 같이 모재와의 접착력에 의한 코팅층이 벗겨지는 결점을 개선하여 플라즈마 이온 주입으로 표면에 탄소 이온주입 층을 형성한 밸브 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위하여 본 고안에서는, 서로 접촉하는 디스크 혹은 플러그와 시트를 구비하는 유체의 유량과 압력을 제어하기 위해 유체의 유동을 개폐하거나 조절하는 밸브 장치에 있어서, 유체의 유동을 완전히 폐쇄하기 위해 서로 접촉하는 디스크 혹은 플러그와 시트의 표면에 유체의 누설을 방지하도록 플라즈마 이온주입에 의하여 두께가 0.1～0.2 μm인 탄소 이온 주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 표면에 탄소 이온주입층이 형성된 밸브장치를 제공한다.

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 고안에 따른 표면에 탄소 이온주입층을 형성한 밸브장치가 상세하게 설명된다.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시예로서 도 1 도시와 같은 밸브 구성품의 하나인 디스크의 단면도로서, 본 고안을 밸브장치를 구성하는 대표적인 부품인 디스크에 적용한 실시예이며, 도 6은 도 2의 6-6선을 따라 취한 단면도이다.

도시와 같이, 디스크(11)에는 밀봉면(12)이 형성되어 있으며, 이 밀봉면(12)은 도 3의 또 다른 밸브장치를 구성하는 주요 부품인 시트(21)에 형성되어 있는 밀봉면(22)과 서로 면 접촉이 되도록 평면으로 되어 있으며, 디스크(11)는 밸브 시트의 상부측에 스템(Stem)이나 가이드(Guide)에 의해 고정되도록 구성된다.

이와 같은 구조의 고온 고압에서 사용하는 디스크의 재질은 기계적 특성을 고려하여 일반적으로 마르텐사이트계 스테인레스강 A422과 같은 재질을 많이 사용 한다.

본 고안에서는 이러한 재질의 디스크(11)를 도 2와 같은 형상이 되도록 최종 치수대로 가공 및 연마를 하고, 그 다음에 플라즈마 이온 주입 방법으로 표면에 탄소 이온을 주입하여 탄소 이온주입층(13)을 일정한 두께만큼 형성하여 표면을 경화 처리한다. 도 6 도시와 같이, 디스크 표면의 탄소 이온주입층(13)의 두께는 약 0.1～0.2 μm로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 탄소 이온주입층의 두께가 0.1 μm 보다 얇으면 충분한 경도를 얻기 어려우며, 두께가 0.2 μm 보다 두꺼워도 경도와 마멸계수는 크게 개선되지는 않는다.

한편, 이 때 형성되는 탄소 이온주입층(13)은 다이아몬드상 경질 탄소막(DLC)으로 이루어짐이 바람직하다.

이와 같이 플라즈마 기술을 이용하여 탄소 이온주입층을 형성하게 되면 치수의 변화가 없으므로 후가공이 필요하지 않게 된다. 또한 스텔라이트 표면 경화처리나 CVD 법과 같은 높은 온도를 필요로 하지 않아 열변형이나 열응력의 영향이 없다. 종래의 CVD 법을 이용한 다이아몬드 코팅시 코팅층의 벗겨짐 현상도 없게 되므로 수명이 매우 길어지는 장점이 있다. 디스크(11)의 세부적인 형상은 이를 적용하는 밸브의 전체적인 작용과 기능에 따라 다소 달라질 수는 있으나 본 고안의 목적에 영향을 미치지는 않는다.

본 실시예에서와 같이 밸브를 구성하는 부품인 디스크의 표면에 탄소 이온주입층(13)을 형성하는 것은 널리 알려진 바와 같은 플라즈마 이온주입 기술을 이용하게 되는 데, 이는 재료의 표면에 탄소와 같은 이온을 주입(注入)(Implantation) 함으로써 표면의 화학 및 물리적 상태를 변화시키는 것으로써 재료 표면의 내마모성, 내식성, 피로 특성, 마찰 특성 등을 향상시키는데 큰 효과를 나타낸다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 플라즈마 이온주입이란 전기장을 이용하여 주입하고자 하는 이온들을 높은 운동에너지를 갖도록 가속시켜서 고체 상태인 재료의 표면에 충돌시킴으로써 이온을 주입시키는 기술이다. 이온주입은 열역학적 평형 상태에서 일어나는 과정이 아니므로 침탄(浸炭)이나 질화(窒化) 등의 기술과는 달리 열역학적으로는 성립되기 어려운 새로운 성분의 표면층을 형성할 수 있다.

이와 같은 플라즈마 이온 주입 기술은 도 7 도시와 같은 장치를 사용하여 실시되는 데, 별도의 이온 발생원과 가속장치를 사용하지 않으며, 처리하고자 하는 소재를 플라즈마 반응실(Plasma Source Chamber)에 장입하고 진공을 형성한 후 20 kV 이상의 고전압을 펄스 DC 형태로 인가한다. 2차원 이온 주입 방법인 입자 빔 가속 주입(Ion Beam Ion Implantation 또는 IBII))과는 달리 소재를 회전시키는 특별한 치구는 필요로 하지 않는다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 플라즈마 반응실에 소재(100)를 거치후에 주입하고자 하는 반응가스를 도입하고 플라즈마(300)를 발생시키면, 소재 주위에는 고전압 펄스 발생기(400)로부터 인가된 고전압 펄스로 인하여 플라즈마 시스(Sheath)(200)가 형성되며 플라즈마(300) 중의 양이온들은 시스(200) 경계에 수직 방향으로 소재(100) 표면에 입사(入射)하게 된다. 소재 표면에 입사된 이온들은 높은 운동에너지로 소재 표면을 뚫고 침투하게 되어 이온주입이 일어나게 되며, 소재 표면에 개질층을 형성한다.

이 때, 소재 표면에 인가하는 전압의 크기를 조절해서 이온의 침투 깊이를 제어하며, 플라즈마 밀도를 조절함으로써 단위시간당 이온의 주입량(Ion Dose)을 제어한다.

탄소의 플라즈마 이온 주입은 메탄(CH4)이나 아세틸렌(C2H2) 가스를 이용하며, 높은 표면 경화 효과를 나타낸다. 탄소는 표면에 증착되려는 경향성이 강하므로 공정 조건을 적절히 제어함으로써 탄소를 표면에 증착시킬 수도 있고 표면층에 침투시킬 수도 있다. 이온들의 입사 에너지를 적절히 제어하면 이온의 증착과 주입이 함께 일어나며, 어느 정도 높은 에너지에서는 탄소의 주입 현상이 지배적으로 일어나므로 결과적으로 DLC(Diamond-like carbon) 박막이 형성된다. 따라서 탄소 이온 주입층과 탄소 이온 증착층의 두께는 모두 0.1 μm 이상 되어야 충분한 경도를 얻을 수 있다.

플라즈마 이온주입은 표면 개질에 충분한 주입량(Concentration)과 주입 깊이(Depth)를 효과적으로 얻을 수 있으며 2차원 이온 주입 방법인 입자 빔 가속 주입 공정과 비교할 때 3차원적인 공정이므로 처리해야 할 표면적이 넓고 표면 형상이 복잡한 경우에 쉽게 적용이 가능하다는 장점을 갖는다.

따라서 본 고안에 적용한 플라즈마 이온주입은 PVD 및 CVD 방법에 비해서 처리 비용이 훨씬 저렴하고 소재의 형상 및 크기에 대한 수용 범위가 월등히 큰 장점이 있으므로 본 고안과 같이 다양한 밸브의 디스크 및 시트의 표면에 대해 이온 주입층을 형성할 수 있다. 표 1은 플라즈마 이온 주입(PSII)과 유사한 표면 경화 처리 기술을 비교한 것으로써 플라즈마 이온 주입은 두께 0.1 ㎛ 정도에서도 우수한 경도와 열적 안정도를 갖고 있음을 알 수 있다. 도 8은 소재 표면에 탄소 이온을 약 0.2 ㎛ 까지 주입한 탄소 이온주입층(13)의 확대 사진이다.

여러 가지 표면 경화처리 기술의 비교

구 분	경도(Vickers)	두께(㎛)	열적 안정도(℃)	부착력(psi)
전기 도금 Hard Cr Ni	1100 600	0.25~520 2.5~125	500 1350	(강에 대해) 10,000 10,000
PVD TiN (Ti,Al)N	2200 2800	2~4 2~4	550 750	(고속공구강에 대해) 17,000 이상 17,000 이상
CVD TiN TiCN/TiN/Al2O3	2100 2300	3~5 10	550 1000	(on cemented carbide) 24,000 이상 24,000 이상
PSⅡ N-주입Cr도금 C-주입Cr도금	1800 2150	0.1 0.1	1050 1810	해당 사항 없음

플라즈마 이온 주입에 의해 경도는 기존 재질에 대비하여 3배 이상 증가함을 알 수 있었다. 이렇게 경도가 증가하는 이유는 주입된 이온에 의해 재료 내부의 격자 변형이 발생하여 내부의 슬립과 전위의 이동이 방해를 받아 표면 경도가 향상되고 피로수명이 증가하기 때문이다. 또한 탄소 이온 주입에 의해 입자간의 응착 특성이 개선됨으로써 마찰계수는 기존 재료의 마찰계수보다 1/2 이하로 감소하게 된다. 플라즈마 이온 주입과 유사한 다른 표면 경화처리 방법의 장단점을 비교하면, 플라즈마 이온주입 기술에 의하면, 높은 온도를 필요로 하지 않고 상온에서 처리할 수 있으며 소요시간이 매우 단축되므로 공정이 간단하며, 표면 처리된 이온 주입층이 벗겨지지 않는 장점이 있다.

이하에서는 본 고안의 밸브장치를 구성하는 다른 부품들인 시트, 플러그에 적용한 실시예와 관련하여 추가적으로 본 고안을 설명한다.

도 3은 본 고안의 한 실시예로써 밸브장치의 구성품의 하나인 시트의 단면도이다. 시트(21)에는 밀봉면(22)이 형성되어 있으며 이 밀봉면은 도 2의 디스크(11)에 형성되어 있는 밀봉면(12)과 서로 면 접촉이 되도록 평면으로 되어 있다. 시트(21)는 도 1에서 설명한 바와 같이 밸브의 몸체에 고정된다. 고온 고압에서 사용하는 시트의 재질은 기계적 특성을 고려하여 일반적으로 오스테나이트계 스테인레스강 A316과 같은 재질을 많이 사용한다. 시트(21)는 도 3과 같은 형상이 되도록 최종 치수대로 가공 및 연마를 하고, 그 다음에 플라즈마 이온 주입 방법으로 표면에 탄소 이온을 주입하여 탄소 이온주입층(23)을 일정한 두께만큼 형성하여 표면을 경화 처리한다. 시트(21) 표면에 형성하는 탄소 이온주입층(23)의 두께는 디스크(11) 표면에 형성하는 탄소 이온주입층(13)의 두께와 같이 약 0.1～0.2 μm로 형성한다. 시트(21)의 세부적인 형상은 이를 적용하는 밸브의 전체적인 작용과 기능에 따라 다소 달라질 수는 있으나 본 고안의 목적에는 영향을 미치지는 않는다.

도 4는 본 고안의 도 2와는 또 다른 실시예로써 밸브 장치를 구성하는 플러그의 단면도이다. 이와 같은 플러그(31)는 글로우브 밸브(Globe Valve)에서 많이 사용하며, 안전밸브의 디스크(2)와 같이 유체의 유동에 대해 폐쇄 및 조절 기능을 갖는다. 다시 말하면 플러그(31)는 도 5의 시트(41)와 함께 유체의 유동을 폐쇄하거나 적절하게 조절하게 된다. 플러그(31)는 밀봉면(32)을 형성하여 이 밀봉면이 도 5의 시트(41)에 형성되어 있는 밀봉면(42)과 서로 접촉이 되도록 형성되어 있다. 밸브가 유체의 유동을 폐쇄하는 상태일 때 플러그(31)의 밀봉면(32)은 도 5의 시트(41)의 밀봉면(42)과 상호 접촉하며, 일반적으로 플러그(31)의 밀봉면(32)이 이루는 각도(A)와 시트(41)의 밀봉면(42)이 이루는 각도(B)가 서로 약간씩 달라 이들은 선접촉(Line Contact)을 하게 된다.

따라서 우수한 밀봉 성능을 가지지 위해서는 정확한 치수와 가공이 필요하며, 밸브 내부에 조립할 때 동일한 중심축 선상에서 플러그(31)와 시트(41)가 배치되어야 한다. 플러그(31)는 도 4와 같은 형상으로 하여 최종 치수대로 가공 및 연마를 하고, 그 다음에 플라즈마 이온 주입 방법으로 표면에 탄소 이온을 주입하여 탄소 이온주입층(33)을 일정한 두께만큼 형성하여 표면을 경화 처리한다. 플러그의 탄소 이온주입층의 두께도 도 2의 디스크(11)의 탄소 이온주입층(13)의 두께와 같이 약 0.1～0.2 μm로 형성한다. 플러그(31)의 세부적인 형상은 이를 적용하는 밸브의 전체적인 작용과 기능에 따라 다소 달라질 수는 있으나 본 고안의 목적에는 영향을 미치지는 않는다.

도 5는 본 고안의 도 3과는 또 다른 실시예로서 밸브 장치를 구성하는 시트의 단면도이다. 이 시트(41)는 도 4에서 설명한 것처럼 플러그(31)와 상호 작용하며 플러그의 밀봉면(32)과 상호 접촉하였을 때 유체 유동에 대한 밀봉 기능을 가진다. 시트(41)는 일정한 각도(B)를 이루는 밀봉면(42)을 형성하고 이 밀봉면이 도4의 플러그(31)에 형성되어 있는 밀봉면(32)과 서로 접촉이 되도록 형성되어 있다. 시트(41)는 도 5와 같은 형상으로 최종 치수대로 가공 및 연마를 하고, 그 다음에 플라즈마 이온 주입 방법으로 표면에 탄소 이온을 주입하여 탄소 이온주입층을 일정한 두께만큼 형성하여 표면을 경화 처리한다. 플러그의 이온 주입층의 두께도 디스크의 탄소 이온주입층의 두께와 같이 약 0.1～0.2 μm로 형성한다. 시트(41)의 세부적인 형상은 이를 적용하는 밸브의 전체적인 작용과 기능에 따라 다소 달라질 수는 있으나 본 고안의 목적에는 영향을 미치지는 않는다.

이상에서와 같이 본 고안의 예시로 안전밸브에 적용할 수 있는 디스크와 시트, 글로우브 밸브에 적용할 수 있는 플러그와 시트에 대해서만 나타내었지만, 밸브의 디스크와 시트의 표면에 플라즈마 이온 주입 방법으로 탄소 이온을 주입하여 일정한 두께의 탄소 이온주입 층을 형성하는 것은 게이트 밸브, 역지밸브, 로타리 밸브(Rotary Valve), 버터플라이 밸브(Butterfly Valve), 니들 밸브(Needle Valve), 플러그 밸브(Plug Valve) 등 유체의 폐쇄 기능을 하는 고온 고차압 조건에서 사용되는 모든 종류의 밸브의 디스크와 시트에 모두 적용할 수 있다.

따라서, 상기와 같은 본 고안의 표면에 탄소 이온주입층이 형성된 밸브 장치에 의하면, 유체의 유량과 압력을 제어하기 위해 유체의 유동을 개폐하거나 조절하는 장치인 밸브에 있어서, 유체의 유동을 완전히 폐쇄하기 위해 서로 접촉하게 되는 디스크와 시트의 표면에 플라즈마 이온 주입으로 일정한 두께의 탄소 이온주입 층을 형성함으로써 마멸계수와 경도를 개선하고, 비교적 간단한 제작 방법으로 제작비 및 제작시간을 절약할 수 있음과 동시에 다음과 같은 효과가 달성된다.

첫째, 스텔라이트 용접 경화 처리 또는 CVD 법을 적용할 때보다 본 고안에 의한 디스크와 시트의 표면 처리 방법이 제작 비용을 절감하면서도 재질 특성을 개선할 수 있다. 또한 플라즈마 이온 주입으로 탄소 이온주입층을 형성하면 종래의 스텔라이트 재질의 코발트 성분이 원자로 설비에서 방사화되는 문제점을 개선할 수 있다.

둘째, 본 고안에 의한 디스크와 시트의 표면 처리 방법은 디스크와 시트 표면의 경도, 내마모성, 기밀성, 내열성을 향상시키고, 마찰계수는 낮아지게 되므로 디스크와 시트의 건전성과 동작성은 향상된다.

셋째, 디스크와 시트의 제작 규격에 구애 받지 않으며, 플라즈마 이온 주입후 후가공이 필요하지 않으므로 모든 밸브 형식의 디스크와 시트에 적용할 수 있다.

넷째, 본 고안은 스텔라이트 용접 경화 처리 또는 CVD 법과 같이 고온 공정을 필요로 하지 않고 상온 공정으로 이루지기 때문에 디스크와 시트의 열변형과 열응력이 없으며, CVD 법에서는 코팅층이 벗겨지는 단점이 있으나 본 고안에서는 표면의 벗겨짐 현상이 없으므로 디스크와 시트의 수명이 매우 길어지게 된다.

이상 본 고안이 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었으나, 이 기술 분야의 당업자들은 첨부의 청구범위에 표현된 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양하게 변형하고 수정할 수 있을 것인 바, 이는 모두 본 고안에 속함은 자명하다.

Claims (4)

1. 서로 접촉하는 디스크 혹은 플러그와 시트를 구비하는 유체의 유량과 압력을 제어하기 위해 유체의 유동을 개폐하거나 조절하는 밸브 장치에 있어서, 유체의 유동을 완전히 폐쇄하기 위해 서로 접촉하는 디스크 혹은 플러그와 시트의 표면에 유체의 누설을 방지하도록 탄소 이온 주입층을 형성하는 것을 특징으로 하는 표면에 탄소 이온주입층이 형성된 밸브장치.
2. 제 1항에 있어서, 탄소 이온 주입층은 두께가 0.1～0.2 μm인 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 탄소 이온주입층은 플라즈마 이온 주입에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 탄소 이온주입층은 다이아몬드상 경질 탄소막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브 장치.

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