KR20110109392A

KR20110109392A - 연속식 수평형 이온질화장치

Info

Publication number: KR20110109392A
Application number: KR1020100029097A
Authority: KR
Inventors: 손명진; 류승철
Original assignee: (주)대성테크
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06

Abstract

본 발명은 이온질화장치에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 소재를 장입하여 예열하는 예열실과, 상기 예열실의 일측에 구비되는 이온질화실, 및 상기 이온질화실의 일측에 구비되는 가스냉각실이 수평으로 연속하여 배치되고, 상기 예열실과 상기 이온질화실은 예열실 중간도어에 의해 연통하며, 상기 이온질화실과 상기 가스냉각실은 냉각실 중간도어에 의해 연통하는 것을 특징으로 하는 연속식 수평형 이온질화장치를 제공한다.

Description

연속식 수평형 이온질화장치{CONTINUOUS HORIONTAL TYPE ION NITRIDING APPARATUS}

본 발명은 이온질화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 예열실, 이온질화실, 및 냉각실이 수평으로 연속하여 배치되는 연속식 수평형 이온질화장치에 관한 것이다.

일반적으로 표면처리라 함은 금속재료 표면에 내마모성, 내식성, 내열성 및 윤활성 등을 주기 위한 처리로서, 금속재료 표면의 경화처리, 방식(防蝕), 도금, 청정, 피복, 착색 및 도장을 위한 기타 조정처리까지 포함된다.

한편, 전술한 금속재료 표면의 경화처리에는 침탄법(浸炭法, Carburizing), 질화법(窒化法, Nitriding), 청화법(靑化法, Cyaniding) 및 금속침투법(金屬浸透法) 등이 있다.

전술한 금속재료 표면의 경화처리법 중 질화법은 다른 열처리 경화법에 비하여 처리 후 변형이 적기 때문에 기계부품의 수명연장 수단으로 전 산업분야에 활용되고 있다.

전술한 경화처리에서 질화라 함은 질소를 금속재료에 질소를 침투시켜 그 표면을 경화시키는 조작을 말하는 것으로, 이 질화에는 열처리에 의한 질화, 이온질화 및 플라즈마(Plasma)를 이용한 질화 등이 있다.

그리고, 이온질화(Ion Nitriding) 공정은 충분히 배기한 용기 중에 1∼10 Torr의 혼합가스를 도입하고 노벽(爐壁)을 양극, 금속재료를 음극으로 하여 수백 볼트의 직류 전압을 가해서 글로우 방전을 발생시킨다. 이 글로우 방전에 의해 생성된 N+ 를 금속재료의 표면에 충돌시킴으로써 가열과 동시에 질소를 침입시켜 금속재료의 표면을 경화처리 하는 것을 말한다.

한편, 플라즈마를 이용한 질화를 통해 금속재료 표면의 경화처리를 설명하기에 앞서 플라즈마 이론에 대해 소개하면, 플라즈마란 이온화된 기체 즉, 원자는 수백만∼수억도의 고온에서 원자핵과 전자가 분리되어 그대로의 상태로 격렬하게 운동을 하여 전기적으로는 중성인 가스 상태를 말한다.

플라즈마는 열적으로는 매우 고온의 성질을 갖으며, 전기적으로는 도체이고, 대전류를 흘릴 수 있으며, 큰 힘을 전자력에 의해 발생시킬 수 있고, 자체가 빛을 내며, 내부에 화학적으로 활성이 매우 강한 라디칼이나 이온을 많이 포함하고 있어 수억도의 온도를 갖는 초고온 핵융합에 이용되는 플라즈마로부터 반도체 공정, 신소재 합성 등에 이용되는 저온 글로우 플라즈마에 이르기까지 다양한 응용 범위를 가진다.

전술한 바와 같은 플라즈마를 이용한 질화는 플라즈마 방전에 의한 활성이온을 금속재료 표면에 침투시켜 경화처리 하는 것으로, 플라즈마를 이용한 종래 질화 공정 기술은 플라즈마의 상태를 변화시킬 수 있는 처리압력, 금속재료에 인가하는 음전압을 1kV 미만 그리고, 반응온도를 600℃ 미만 등의 변수를 두며, 질소와 수소가스를 사용하는 질화 공정을 사용하고 있다.

종래 이온질화 시스템에 대해 살펴보면 다음과 같다. 즉, 종래에 사용되고 있는 이온질화시스템은 로터리 펌프를 사용하여 초기 진공도를 10^-3 Torr로 유지한 후 반응가스인 수소와 질소를 반응로 내부에 수 Torr의 압력으로 투입한 상태에서 펄스형 음전압 발생기를 통해 플라즈마를 발생시켜 이온질화 한다.

이때, 초기 진공도가 10^-3 Torr이기 때문에 반응로 내부에는 산소가 극히 미량으로 존재하게 된다. 이러한 반응로의 초기 진공도에서 처리할 시편의 재료 표면에 처리 전에 형성되어 있던 산화막 및 이물질을 제거하기 위하여 수 Torr의 반응가스 압력에서 아르곤과 수소가스를 사용 산화막층을 제거하기 위한 스퍼터링 공정을 수행한다.

한편, 반응로 내부의 온도를 높이면서 반응가스인 질소와 수소의 혼합가스를 사용, 수 Torr의 압력에서 펄스형 음전압 발생기를 통해 플라즈마를 발생시켜 플라즈마내 질소이온과 금속재료 표면에서의 반응을 질소 입자들이 금속재료 표면 내부로 침투하는 과정을 통하여 이온질화가 진행된다.

일반적으로 이온질화 열처리는 처리의 특성상 진공장치와 플라즈마 발생장치를 필요로 하기 때문에 작동방식이 장치가 완전히 상온으로 된 상태에서 문을 열고 처리할 물건을 장입한 후 진공 퍼지를 하고 온도를 올려서 처리를 한다. 또한, 처리가 끝난 후에는 로의 온도를 전체적으로 모두 상온까지 내린 후 처리품을 꺼낸다.

따라서, 열처리시에는 처리품의 온도만을 올리고 내리는 것이 아니라 로의 온도도 함께 올리고 내려야 하므로 열적으로도 손실이 크고 흐름생산에 부적합하여 특수한 부품인 금형이나 선박부품 등에만 사용되어 왔다.

유럽에서는 생산성을 향상시키기 위해 로의 크기를 크게 만드는 방법을 사용하여 왔으나, 이것 또한 자동차와 같은 생산체계에는 부적절하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는 소재를 장입하여 예열하는 예열실과, 상기 예열실의 일측에 구비되는 이온질화실, 및 상기 이온질화실의 일측에 구비되는 가스냉각실이 수평으로 연속하여 배치되고, 상기 예열실과 상기 이온질화실은 예열실 중간도어에 의해 연통하며, 상기 이온질화실과 상기 가스냉각실은 냉각실 중간도어에 의해 연통하는 것을 특징으로 하는 연속식 수평형 이온질화장치와 관련된다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 소재를 장입하여 예열하는 예열실과, 상기 예열실의 일측에 구비되는 이온질화실, 및 상기 이온질화실의 일측에 구비되는 가스냉각실이 수평으로 연속하여 배치되고, 상기 예열실과 상기 이온질화실은 예열실 중간도어에 의해 연통하며, 상기 이온질화실과 상기 가스냉각실은 냉각실 중간도어에 의해 연통하는 것을 특징으로 하는 연속식 수평형 이온질화장치가 제공된다.

이때, 상기 예열실에는 진공퍼지 후 질소가스를 투입하여 대류가열이 가능하게 하는 가열장치가 부착되고, 소재가 상기 예열실, 이온질화실, 및 가스냉각실을 이동할때에는 진공이 유지되며, 상기 가스냉각실에서는 1.5bar의 질소 압력으로 강제 냉각이 실시된다.

또한, 상기 이온질화실에는 전기 히터가 내장된 질화포트에 양극이 연결되고, 상기 소재의 밑면에는 음극 전극이 접촉 연결되어, 글로우 방전에 의해 소재가 이온질화 처리되되, 상기 소재의 일측에 이격하여 온도제어를 위한 열전대가 설치된다.

본 발명의 일실시예에 따른 연속식 수평형 이온질화장치에 의하면, 소재에 대한 이온질화처리가 자동으로 연속하여 진행되므로, 불량발생이 감소하고 생산성 향상의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속식 수평형 이온질화장치의 전체 조립도.
도 2는 도 1의 이온질화실의 상세도.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 연속식 수평형 이온질화장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

실시예

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연속식 수평형 이온질화장치의 전체 조립도, 도 2(a)는 도 1의 이온질화실의 정단면도, 도 2(b)는 도 1의 이온질화실의 측단면도이다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 로의 형태를 기존의 수직식인 피트 타입이나 벨 타입에서 수평식의 장치로 변경하여, 리프트 앤드 캐리(Lift & Carry) 방식에 의한 로내에서의 자동반송이 가능하게 하였다.

연속 자동화를 위해서는 특히 진공 플라즈마 장치에서 가열, 플라즈마 처리, 냉각이 하나의 장치 내에서 이루어져야 할 필요가 있다. 따라서, 수직형으로 제작을 해서는 거의 불가능하고, 가능하다 하더라도 장치가 너무 복잡하고 제작비가 고가여서 비용대비 생산효율이 떨어진다.

여기서, 수평식으로 구성할 경우 예열실, 이온질화실, 및 냉각실이 별도의 작업실로 서로 구획되고 각각의 작업실 사이는 게이트 장치에 의해 압력 및 온도 차단이 확실히 이루어져야 한다.

또한, 장치의 구동방식은 리프트 앤드 캐리 방식에 의해, 온도가 상대적으로 저온인 작업실에서 고온이면서 플라즈마가 발생하는 작업실로 소재가 인입되는 형태일 것이 필요하다.

이온질화실의 경우 기존의 방식이 수동으로 소재를 장입한 후 수작업으로 소재에 열전대를 꽂아 넣고 덮개를 덮는 방식을 이용하고 있으나, 이러한 방식으로는 자동화가 불가능하므로, 소재 가까이에 열전대를 설치하여 분위기 온도를 측정하고 작업실 내의 전체 온도를 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 플라즈마의 연결방식 또한 리프트 앤드 캐리에 의해 로내로 옮겨진 소재의 하단부가 직접 전극에 얹혀지도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연속식 수평형 이온질화장치(10)는 소재를 장입하여 예열하는 예열실(20)과, 상기 예열실(20)의 일측에 구비되는 이온질화실(30), 및 상기 이온질화실(30)의 일측에 구비되는 가스냉각실(40)이 수평으로 연속하여 서로 맞닿게 배치되고, 상기 예열실(20)과 상기 이온질화실(30)은 예열실 중간도어(21)에 의해 연통하며, 상기 이온질화실(30)과 상기 가스냉각실(40)은 냉각실 중간도어(31)에 의해 연통하게 된다.

이때, 상기 예열실 중간도어(21)와 냉각실 중간도어(31)는 각각의 작업실 사이에 압력 및 온도를 차단하게 되며, 상기 예열실(20)에는 진공퍼지 후 질소가스를 투입하여 대류가열이 가능하게 하는 가열장치가 부착되는데, 이 가열장치는 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 발생을 위한 플라즈마 전원장치(22)와 플라즈마 전원제어장치(23)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 소재가 상기 예열실(20), 이온질화실(30), 및 가스냉각실(40)을 이동할때에도 진공이 유지될 수 있도록, 예열실(20)과 이온질화실(30)을 개폐하는 예열실 중간도어(21)와, 이온질화실(30)과 가스냉각실(40)을 개폐하는 냉각실 중간도어(31)는 개폐작동시 기밀성이 유지되는 것이 바람직하다.

한편, 예열실(20)은 철판의 내압구조로 이루어져 소재가 장입된 후 진공퍼지시 압력에 견딜 수 있도록 설계되는 것이 바람직하고, 예열실(20)의 하부에는 소재를 이온질화실(30)로 이동시킬 수 있는 소재반송장치(50)와, 소재반송장치(50)를 구동하는 랙-피니언 장치(미도시)가 설치되며, 외부로부터 장입대차에 의해 운송되는 소재를 들어올려서 내부에 장입할 수 있도록, 예열실(20)의 일측에 구비되는 입구도어(24) 쪽에는 리프터(미도시)가 설치되는 것이 바람직하다.

아울러, 이온질화실(30)은 두 장의 철판 사이에 냉각수가 통하여 냉각시키는 외부 챔버와 그 내부에 단열재, 히터 장치가 설치된 내부 챔버를 포함하여 이루어지며, 글로우 방전을 일으키기 위한 전극장치(32)가 설치되는데, 상부 일측에는 진공배기구(34)가 구비되고 타측에는 질소가스 주입장치(35)가 연결되며, 내부 챔버에는 양극(아노드)의 전원이 연결되어 후술하는 질화포트(33)에 전원을 공급하게 된다.

즉, 상기 이온질화실(30)에는 전기 히터(미도시)가 내장된 질화포트(33)에 양극 전극이 연결되고, 상기 소재의 밑면 즉, 후술하는 받침대에는 음극(캐소드) 전극이 접촉 연결되어, 글로우 방전에 의해 질소가스가 이온화되면서 소재의 이온질화 처리가 진행되는데 이때, 상기 소재의 일측에 이격하여 열전대(36)가 설치되어 분위기 온도의 측정 및 제어가 가능하다.

한편, 상기 가스냉각실(40)에서는 1.5bar의 질소 압력으로 강제 냉각이 실시되는데, 외부에 냉각수가 흐르는 2중 챔버의 구조로 이루어지며, 상부에는 소재를 강제 냉각시키는 냉각팬(41)이 설치되고, 바닥에는 소재를 이온질화실(30)에서 꺼내는 소재반송장치(50)와 소재반송장치를 구동시키는 랙-피니언 장치가 설치된다.

또한, 냉각실 중간도어(31)의 맞은편에는 냉각된 소재를 꺼낼 수 있도록 출구도어(42)가 마련된다.

각 작업실로의 소재 이동은 소재반송장치(50)에 의해 이루어지는데, 이때 예열실 중간도어(21)의 일측 즉, 이온질화실(30) 쪽에는 리프터(미도시)가 설치되어 소재반송장치(50)에 의해 이동된 소재를 들어올린 후, 이온질화실(30)의 바닥에 구비되는 받침대에 내리게 되고, 소재반송장치(50)는 다시 원위치로 돌아간다. 이때, 이온질화실(30)의 받침대에는 음극의 전원이 연결됨은 전술한 바와 같다.

본 발명의 일실시예에 따른 연속식 수평형 이온질화장치(10)는 이온질화작업이 연속적으로 자동처리되도록 함으로써 생산성 및 품질을 향상시키기 위해 고안된 것으로, 그 작동은 아래와 아래와 같이 이루어진다.

소재를 지그(미도시)에 적재하여 장입대차(미도시)에 올려놓고 예열실의 입구도어(24)를 개방한다.

이후, 리프터에 의해 장입대차에서 예열실(20) 내부로 소재가 장입되고, 입구도어(24)가 폐쇄된 다음 진공퍼지가 실시된다.

이때, 예열실(20)에 질소를 투입하여 압력을 500Torr까지 복압한 후 예열을 시작하며, 설정된 온도(예를 들어 400℃)로 예열되면 다시 진공퍼지를 실시하고, 예열실 중간도어(21)를 열어서 소재반송장치(50)에 의해 소재가 이온질화실(30)로 이동되게끔 한다.

이온질화실에서는 스퍼터링-이온질화 작업이 실시되며, 이온질화 작업이 끝나면 냉각실 중간도어(31)가 개방되고 소재는 가스냉각실(40)로 이동한다.

가스냉각실(40)에서는 질소가 투입되어 압력이 약 1.5bar까지 승압되고, 냉각팬(41)이 작동하면서 냉각이 실시된다. 이때, 가스냉각실(40)의 온도가 약 100℃에 도달하면 냉각을 중지하고 대기압으로 압력을 조절한 후, 출구도어(42)를 열어 추출대차(미도시)의 포크(미도시)로 냉각된 소재를 꺼내게 된다.

한편, 소재가 이온질화실(30)에 장입되어 이온질화시간이 약 1시간 정도 남았을 때, 다음 소재가 예열실로 장입되면서 상기 공정이 연속하여 되풀이된다.

미설명된 도면부호 60은 본 발명의 일실시예에 따라 연속식 수평형 이온질화장치(10)의 일측에 설치되는 진공배기장치를 도시한 것이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 연속식 수평형 이온질화장치
20 : 예열실
21 : 예열실 중간도어
22 : 플라즈마 전원장치
23 : 플라즈마 전원제어장치
24 : 입구도어
30 : 이온질화실
31 : 냉각실 중간도어
32 : 전극장치
33 : 질화포트
34 : 진공배기구
35 : 질소가스 주입장치
36 : 열전대
40 : 가스냉각실
41 : 냉각팬
42 : 출구도어
50 : 소재반송장치
60 : 진공배기장치

Claims

소재를 장입하여 예열하는 예열실과, 상기 예열실의 일측에 구비되는 이온질화실, 및 상기 이온질화실의 일측에 구비되는 가스냉각실이 수평으로 연속하여 배치되고, 상기 예열실과 상기 이온질화실은 예열실 중간도어에 의해 연통하며, 상기 이온질화실과 상기 가스냉각실은 냉각실 중간도어에 의해 연통하는 것을 특징으로 하는 연속식 수평형 이온질화장치.
청구항 1에 있어서,
상기 예열실에는 진공퍼지 후 질소가스를 투입하여 대류가열이 가능하게 하는 가열장치가 부착되고, 소재가 상기 예열실, 이온질화실, 및 가스냉각실을 이동할때에는 진공이 유지되며, 상기 가스냉각실에서는 1.5bar의 질소 압력으로 강제 냉각이 실시되는 것을 특징으로 하는 연속식 수평형 이온질화장치.
청구항 1에 있어서,
상기 이온질화실에는 전기 히터가 내장된 질화포트에 양극이 연결되고, 상기 소재의 밑면에는 음극 전극이 접촉 연결되어, 글로우 방전에 의해 소재가 이온질화 처리되되, 상기 소재의 일측에 이격하여 온도제어를 위한 열전대가 설치되는 것을 특징으로 하는 연속식 수평형 이온질화장치.