KR20140045072A - Method and system for nitriding bore of pipe with hollow cathode discharge - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 파이프와 같은 깊이가 있는 물체의 내벽 면을 질화 처리하는 기술에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 할로우 캐소드 방전(Hollow Cathode Discharge:HCD)을 이용한 내경 질화 방법 및 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for nitriding an inner wall surface of an object having a depth such as a pipe, and more particularly, to a method and an apparatus for internal nitridation using Hollow Cathode Discharge (HCD).
자동차, 항공기 기타 기계 부속품 중에는 파이프, 튜브 형상으로 되어 있거나 음각 가공된 형상을 한 것들이 있으며, 이러한 부속품들의 내구성이 그 내벽면에도 요구되는 경우가 많다. 금속 부재에 경도와 내식성을 부여하는 표면처리로 질화처리가 대표적이며, 질화 공정은 실제 구현 공정상 고도의 공정 제어를 요하는 기술이기도 하다. 공정의 효율 및 질화 깊이 등의 품질면에서 플라즈마 질화처리가 바람직하다고 볼 수 있으나, 음각부분의 내경 질화는 용이하지 않다. Automotive, aircraft, and other mechanical parts are in the form of pipes, tubes, or engraved shapes, and the durability of these parts is often required on their inner walls. Nitriding is a typical surface treatment that gives hardness and corrosion resistance to metal parts, and nitriding is a technology that requires high process control in actual implementation. Plasma nitridation may be preferable in terms of process efficiency and quality of nitriding depth, but internal diameter nitriding of the intaglio portion is not easy.
일반적으로 질화처리는 금속 표면에 질소 확산에 의한 질화물을 형성시켜 표면 경도 및 내식성, 내마모성, 피로강도 등을 향상시키는 가공법으로, 침탄, 고주파 열처리 등 다른 표면 경화법과는 달리 강의 변태점(A1 변태점: 723℃) 이하의 온도(600℃ 미만)에서 처리되기 때문에 열처리 변형이 적어 정밀기계부품 및 자동차 부품, 금형 등에서 많이 사용되고 있다. 질화처리는 소재 표면에 경질 혹은 기능성 물질을 증착시켜 표면을 개질하는 표면 코팅법과는 분명히 구분되는 확산 침투법에 속한다. In general, nitriding is a processing method of forming nitrides by diffusion of nitrogen on metal surfaces to improve surface hardness, corrosion resistance, abrasion resistance, fatigue strength, and the like. Unlike other surface hardening methods such as carburization and high frequency heat treatment, the transformation point of steel (A 1 transformation point: Because it is processed at a temperature of 723 ° C. or less (less than 600 ° C.), heat deformation is small, so it is widely used in precision machine parts, automobile parts, and molds. Nitriding is a diffusion penetration method that is clearly distinct from the surface coating method of modifying the surface by depositing a hard or functional material on the surface of the material.
질화처리는 크게 가스질화와 액체질화(염욕질화), 플라즈마 질화(이온 질화) 등으로 구분이 가능하다. 이 중 가스질화의 경우 약 560~580℃로 가열된 기상의 암모니아(NH3) 분위기에서 수십 시간가량 노출시켜 금속 제품에 질화층을 형성하는 방법으로, 제품 형상에 제약이 적고 대용량 처리에 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 상용화 특성 구현을 위해 장시간이 소요된다는 점과 전용 소재에만 적용이 가능하다는 점, 유해물질인 암모니아 가스의 사용으로 인해 후처리 장치가 필요하다는 단점이 있다. Nitriding can be classified into gas nitriding, liquid nitriding (salt nitriding), and plasma nitriding (ion nitriding). Among these, in the case of gas nitriding, a nitride layer is formed on a metal product by exposing it for several tens of hours in a gaseous ammonia (NH 3 ) atmosphere heated to about 560 to 580 ° C. It has the advantages, but it takes a long time to realize the commercialization characteristics, and can be applied only to a dedicated material, there is a disadvantage that a post-treatment device is required due to the use of ammonia gas, a harmful substance.
액체질화(염욕질화)는 시안(CN-) 혹은 시안산(CN-) 염에 금속 제품을 넣고 액상에서 질화처리를 진행하는 방법으로, 짧은 시간에 상당히 깊은 질화층을 형성시킬 수 있다는 장점을 가지고 있으나 다공성(porous) 질소화합물층의 형성으로 인해 후처리가 반드시 필요하다는 점과 유독성 물질이 사용된다는 점에 있어 그 사용이 점차 줄어들고 있다. The advantage that into the metal product to a salt can be a way to have the nitriding process in the liquid phase, to form a fairly deep nitride layer in a short time the liquid nitride (salt yokjil screen) is cyanide (CN - -) or cyanate (CN) However, due to the formation of a porous nitrogenous compound layer, its use is gradually decreasing in that post-treatment is necessary and that toxic substances are used.
플라즈마 질화(이온 질화)는 글로우 방전(glow discharge)에 의해 형성된 질소이온을 이용하여 금속 제품에 질화층을 형성시키는 방법으로, 조작이 까다롭고 높은 설비비용을 요구한다는 단점이 있으나 높은 에너지를 갖는 질소이온에 의해 처리됨으로써 처리시간을 단축시킬 수 있고 질화층의 구조 및 깊이 제어에 용이하며, 특히 유해물과 공해 발생이 없어 타 질화 기술 대비 그 비중이 점차 증가하고 있다. Plasma nitriding (ion nitriding) is a method of forming a nitride layer in a metal product using nitrogen ions formed by glow discharge, which is difficult to operate and requires high installation cost, but has high energy nitrogen Treatment with ions can shorten the treatment time, control the structure and depth of the nitride layer, and in particular, there is no harmful substances and pollution, and the proportion thereof is gradually increasing compared to other nitriding technologies.
한편, 플라즈마 표면처리기술 중 할로우 캐소드 방전 현상을 이용한 표면처리는 특유의 강한 방전으로 인하여 제품에 대한 국부적인 과열(over heating)이나 손상(damage)을 입혀 불량률이 높아 바람직하지 않다고 인식되어 왔다.On the other hand, the surface treatment using the hollow cathode discharge phenomenon of the plasma surface treatment technology has been recognized to be unfavorable because of the high failure rate due to local overheating or damage to the product due to the unique strong discharge.
또한, 할로우 캐소드 방전 현상을 음각부분의 표면처리에 시도하는 경우, 대한민국 공개특허제10-2008-0098826호에서와 같이, 파이프 안에 방전용 음극을 설치하여 할로우 캐소드 방전을 일으키므로, 음극 자체의 가공, 설치에 따르는 설비비와 노력 등으로 양산처리에 부적합하여 산업상으로는 실익이 없는 상황이다.
In addition, when attempting the surface treatment of the intaglio portion of the hollow cathode discharge phenomenon, as shown in the Republic of Korea Patent Application Publication No. 10-2008-0098826, since the cathode for the discharge is provided in the pipe to produce a hollow cathode discharge, the processing of the cathode itself However, it is unsuitable for mass production processing due to equipment cost and effort due to installation.
따라서 본 발명의 목적은 음각 부재의 내벽면에 대해 간소화된 설비로 할로우 캐소드 방전을 이용하여 고밀도 이온 집중과 발열로 추가적인 가열공정 없이 중공체 내경부 또는 음각부를 빠른 시간에 집중적으로 고품질의 질화 처리 기술을 제공하고자 하는 것이다. Therefore, an object of the present invention is to simplify the inner wall surface of the intaglio member by using hollow cathode discharge and high-density nitriding treatment technology in a fast time intensively without the additional heating process by high density ion concentration and heat generation Is to provide.
본 발명의 또 다른 목적은, 중공체를 포함한 금속 부품의 내경부 및 기타 음각 가공된 금속 제품들의 양산성 있는 질화처리 기술을 제공하고자 하는 것으로, 각각의 제품 내경부에 동일한 형상의 할로우 캐소드 방전을 챔버 내부 전체에 균일하게 형성하여, 단 한 번의 공정으로 수천 단위 물품의 질화 처리를 실시할 수 있게 하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a mass-produced nitriding technique for the inner diameter of metal parts including hollow bodies and other engraved metal products. It is formed uniformly throughout the chamber, so that it is possible to carry out nitriding treatment of thousands of units in a single process.
상기 목적에 따라 본 발명은, 질화 처리하고자 하는 음각 부재 자체를 음극으로 이용하고, 여기에 전원을 인가하여 중공체 또는 음각 부재 안쪽 공간에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 생성된 플라즈마로 음극 부재 내벽면을 질화처리 하도록 하였다. In accordance with the above object, the present invention uses the intaglio member itself to be nitrided as a cathode, and applies a power thereto to nitride the inner wall surface of the cathode member with a plasma generated by generating a hollow cathode discharge in the hollow body or the space inside the intaglio member. To be treated.
즉, 본 발명은, That is, the present invention,
진공 챔버;A vacuum chamber;
상기 진공 챔버 안에 설치되는 전도성 지그;A conductive jig installed in the vacuum chamber;
상기 전도성 지그에 접촉고정되되, 하나의 전도성 지그에 고정배치되는 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들;A plurality of conductive hollow bodies or intaglio members fixed in contact with the conductive jig and fixedly disposed in one conductive jig;
상기 진공 챔버에 연결된 가스공급부;및A gas supply unit connected to the vacuum chamber; and
전원장치;를 포함하고,A power supply;
상기 전원장치의 양극과 음극 중 어느 하나는 상기 진공 챔버에 접속시키고, 나머지 다른 하나는 상기 전도성 지그에 접속시켜 전원을 공급하고,One of the anode and the cathode of the power supply device is connected to the vacuum chamber, the other is connected to the conductive jig to supply power,
상기 가스공급부를 통해 질소를 포함한 공정 가스를 공급하여, 상기 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들의 중공부 또는 음각부에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 중공부 내벽면 또는 음각부 내벽면을 질화처리 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다.By supplying a process gas including nitrogen through the gas supply unit, the hollow cathode discharge to the hollow or intaglio of the plurality of conductive hollow body or intaglio member to nitriding the hollow inner wall surface or the intaglio inner wall surface An internal hardening treatment system can be provided.
또한, 본 발명은, 상기 전도성 지그는 상기 진공 챔버 안에 절연체로 지지 되는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. In another aspect, the present invention, it is possible to provide an internal nitriding treatment system, characterized in that the conductive jig is supported by an insulator in the vacuum chamber.
또한, 본 발명은, 상기 질화처리는 상온에서 실시하고, 상기 진공 챔버 내에 별도의 열처리 장치를 설치하지 않는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. In addition, the present invention, the nitriding treatment is carried out at room temperature, it is possible to provide an internal nitriding treatment system, characterized in that no separate heat treatment apparatus is provided in the vacuum chamber.
또한, 본 발명은, 상기 전도성 지그는, 플레이트형 지그 프레임을 포함하고, 상기 플레이트형 지그 프레임은, 다수의 홀(hole)을 구비하여, 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들은 상기 홀에 고정되는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. In addition, the present invention, the conductive jig, the plate-shaped jig frame, the plate-shaped jig frame, has a plurality of holes (hole), a plurality of conductive hollow body or intaglio members are fixed to the hole An internal diameter nitriding treatment system can be provided.
또한, 본 발명은, 상기 질화 처리 공정을 위한 전원인가에 있어서, 피처리물인 중공체 또는 음각 부재들에 대한 질화 정도는 인가 전압을 조절하여 제어하고, 진공 챔버 내 피처리물의 개수 증가에 따라 인가 전류를 증가시켜 질화처리 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention, in the power supply for the nitriding treatment process, the degree of nitriding for the hollow body or the intaglio member to be treated is controlled by adjusting the applied voltage, and applied according to the increase in the number of the workpieces in the vacuum chamber It is possible to provide an internal diameter nitriding treatment system characterized in that the nitriding treatment is performed by increasing the current.
또한, 본 발명은, 상기 진공 챔버 안에, 질소와 수소를 주입하고, 주입된 가스 중 질소의 분율은 10~100%로 하고, 공정 압력은 0.05 ~ 10 Torr의 범위를 유지하고, 5 ~ 100kW의 전력을 인가하여 질화 처리하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the present invention, in the vacuum chamber, nitrogen and hydrogen are injected, the fraction of nitrogen in the injected gas is 10 to 100%, the process pressure is maintained in the range of 0.05 to 10 Torr, and 5 to 100 kW An internal diameter nitriding treatment system may be provided by applying electric power to nitriding treatment.
또한, 본 발명은, 질화처리를 마친 후, 피처리물을 진공 챔버 안에서 냉각시시킨 후 진공 챔버로부터 언로딩 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템을 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide an inner diameter nitriding treatment system characterized in that after the nitriding treatment is finished, the workpiece is cooled in the vacuum chamber and then unloaded from the vacuum chamber.
본 발명에 따르면, 중공체 형상을 이루는 파이프 등의 피처리물을 캐소드로 이용하여 할로우 캐소드 방전을 일으켜 중공체 내벽면을 고품질로 질화할 수 있으며, 별도의 캐소드 전극 구성을 요하지 않아 설비가 단순하며, 하나의 챔버에 다수의 피처리물을 전도성 지그에 고정하여 한번에 동시 처리하므로 양산성이 매우 높다는 장점을 지닌다. According to the present invention, by using a workpiece such as a pipe forming a hollow body as a cathode to produce a hollow cathode discharge to nitriding the inner wall of the hollow body with high quality, and does not require a separate cathode electrode configuration, the installation is simple For example, since a plurality of objects to be treated in one chamber are fixed to the conductive jig and processed simultaneously at once, the mass productivity is very high.
또한, 본 발명은 인가 전압을 조절하여 할로우 캐소드 방전을 제어함으로써 중공체 내벽면의 질화 특성을 원하는 수준으로 유도하므로, 질화 처리에서 흔히 실시하는 별도의 열처리 공정을 요하지 않아, 상온 질화 처리할 수 있어 공정상의 간소화 또한 장점이다.
In addition, since the present invention induces the nitriding characteristics of the inner wall of the hollow body to a desired level by controlling the hollow cathode discharge by controlling the applied voltage, it is possible to perform nitriding treatment at room temperature without requiring a separate heat treatment process that is commonly performed in nitriding treatment. Process simplification is also an advantage.
도 1은 본 발명의 질화 처리 장치를 설명하기 위한 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따라 다수의 중공체에 일으킨 할로우 캐소드 방전 형상을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 내경 질화처리 적용 후 단면 조직 관찰을 위해 가공 후 5% 나이탈에 의해 부식시킨 결과물의 대비 외관 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 내경부 단면 질화 조직 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 질화 처리 전ㅇ후 제품의 내경부 표면 경도 비교 사진(도 5a; 질화 처리 전 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 250.4 HV 0.3 kgf, 도 5b; 질화 처리 후 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 663.7 HV 0.3 kgf)이다.
도 6은 본 발명에 따른 질화 처리 후 내경부 표면으로부터 깊이 방향 심부 경도를 측정한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 질화 처리 후 내경부 깊이 방향 심부 경도 분포 그래프이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing for demonstrating the nitriding treatment apparatus of this invention.
2 is a photograph of a hollow cathode discharge shape generated in a plurality of hollow bodies according to the present invention.
Figure 3 is a photograph of the appearance of the contrast of the results corroded by 5% nital after processing to observe the cross-sectional structure after the internal nitridation treatment according to the present invention.
Figure 4 is an internal diameter cross-sectional nitriding tissue photograph according to the present invention.
5a and 5b is a comparison of the internal diameter surface hardness of the product before and after the nitriding treatment according to the present invention (Fig. 5a; surface hardness of the internal diameter of the SCM415 hollow metal product before nitriding treatment; 250.4 HV 0.3 kgf, Figure 5b; nitriding treatment SCM415 hollow metal product inner diameter surface hardness; 663.7 HV 0.3 kgf).
6 is a photograph of depth-depth core hardness measured from the inner diameter surface after nitriding treatment according to the present invention.
7 is a graph of inner diameter depth direction core hardness distribution after nitriding treatment according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에는 본 발명의 할로우 캐소드 방전으로 질화 처리하는 장치의 구성을 단면도로 나타내고 있다. 1, the structure of the apparatus for nitriding by the hollow cathode discharge of this invention is shown by sectional drawing.
SUS 등의 전도성 금속으로 된 진공 챔버(100)는 가스공급부(200), 진공배기관(300) 및 전원(400)이 설치되어 있고, 진공 챔버(100) 내부에는 전도성 지그 시스템이 설치된다. 상기 전도성 지그 시스템은 지그 프레임(600, 610)이 연결되어 전체적으로 전기적인 폐쇄 루프형태를 이루며, 하나의 폐 루프 안에 다수의 폐 루프를 갖게 구성할 수 있다. 상기 전도성 지그 시스템은 전원(400)의 한쪽 극성 단자가 연결되는 플레이트 형태의 지그 베이스(620)를 기반으로 구축되며, 상기 지그 베이스(620)는 절연체(700)에 의해 챔버(100) 몸체로부터 격리된다. 중공체 또는 음각부를 구비한 피처리물(900)은 상기 지그 프레임(600)에 고정되어 질화 처리되며, 다수의 피처리물(900)을 장입할 수 있어 양산에 매우 적합하다. 공정 실시 후 피처리물(900)의 냉각 또한 챔버(100) 안에서 실시하는 것은 특별한 이익이 있기 때문에 냉각팬(800) 또한 구비하는 것이 바람직하다. The
진공배기관(300)은 진공 챔버(100)로부터 진공 펌프(310)까지 연결시켜 주며, 대기압 상태로부터 초기 진공(10 Torr 이하)을 구현하는 로터리 펌프, 공정 진공도를 구현하는 부스터 펌프로 진공 펌프(310)를 구성할 수 있다. The
이하, 질화 처리 공정에 대하여 그 원리와 함께 상세히 설명한다.Hereinafter, the nitriding treatment step will be described in detail with the principle thereof.
먼저, 중공체 또는 음각 가공된 다수의 금속 피처리물(900)들을 플레이트상 의 상기 지그 프레임(600)에 일정 간격으로 고정하여 챔버(100) 내에 장입시킨다. 상기 지그 프레임(600)은 원형 또는 사각형의 플레이트를 기본 구조로 하고, 여기에 적절한 홀(hole)이 다수 뚫려있어, 중공체 피처리물(900)을 꽂아 고정하며, 이같은 플레이트형 지그 프레임(600)들을 간격을 두고 층층이 쌓아 기둥형 지그프레임(610)에 고정한다. First, a plurality of
상기 지그 시스템이 진공 챔버(100) 내부에 배치될 때 지그 시스템과는 반대편 전극이 접촉되는 동시에 그라운드 상태로 되는 진공 챔버(100)와는 절연이 유지되어야 하므로, 이를 위해 진공 챔버(100)와 지그 시스템의 지그 베이스(620) 사이에는 지그 절연체(700)를 위치시켜 지그 시스템은 진공 챔버(100)과는 절연 상태를, 전원(500)과는 통전 상태를 유지하게 한다. 지그 절연체(700)의 구성은 세라믹을 포함한 기타 절연체로 만들 수 있으며, 지그 시스템 및 질화처리를 적용하고자 하는 중공체 피처리물(900)의 하중을 버틸 수 있는 충분한 내구성을 가져야 한다. When the jig system is disposed inside the
다음, 챔버(100) 내부를 진공 펌프(310)로 약 0.05 Torr 내지 10-4Torr의 진공도로 진공화한다. Next, the inside of the
가스 공급은 밸브(210)를 통해 유량을 조절하며 공급하여 공급관(220)을 거쳐 가스 분사구(230)로 공급한다. 즉, 가스공급부(200)를 통해 N2와 H2 혼합 가스를 일정비로 주입하여 0.05~10 Torr의 압력 분위기로 만들고, 상기 지그 베이스(620)에 피드 스루(500)를 통해 전원(400)의 한쪽 극성의 전극, 바람직하게는 음극을 연결하고 나머지 전극은 챔버(100)에 연결한다. 주입된 N2와 H2 혼합 가스 중 N2 가스의 비중은 10~100체적%로 하며, 공정 압력도 0.05 ~ 10 Torr의 범위까지 질화 처리를 적용하고자 하는 중공체 피처리물(900)의 직경에 따라 혹은 제품이 요구하는 질화 층 특성에 따라 공정 압력을 바꾸어 제어할 수 있다. The gas supply is supplied by adjusting the flow rate through the
전원(400)을 동작시켜 일정 전력을 가하면, 각각 직렬로 연결된 다수의 피처리물(900)들은 그 형상으로 인해 하나의 할로우 캐소드로 작용하여 할로우 캐소드 방전이 일어나, 중공체 내벽면으로 플라즈마를 유도하는 별도의 노력 없이 중공 또는 음각부에 플라즈마가 형성된다. 따라서 피처리물(900)의 내벽면 쪽에 직접 형성시킨 할로우 캐소드 방전(HCD)의 효과를 통해 챔버 내 주입된 질소를 원자상태로 만들어 중공체 또는 음각 부재 내벽면에 균일한 질화층을 형성할 수 있다. When a predetermined power is applied by operating the
이때 인가되는 전력의 값은 5 ~ 100 kW로 할 수 있다. 인가되는 전력의 값은 장입 되는 피처리물(900)의 수량 및 전체 표면적에 비례하여 증가시키게 된다. 피처리물의 소재 종류 및 열처리 조건 등에 따라 인가되는 전력 값이 바뀔 수 있으나, 동일 소재의 중공체 피처리물(900)에 있어서는 그 장입 수량이 증가함에 따라 각 소재별로 적정한 전압의 값을 일정하게 유지시키고, 전류 값을 상승시키는 방법으로 전체 전력 값을 상승시키도록 함이 바람직하다. At this time, the value of the applied power may be 5 to 100 kW. The value of the applied power is increased in proportion to the quantity and the total surface area of the
지그시스템에 인가되는 음극은 직류(DC) 또는 펄스 전압이며, 지그 프레임(620)에 고정된 중공체 피처리물(900)에 도달되어 내경부 표면에서 글로우 방전 및 할로우 캐소드 방전을 형성하며, 이때 발생하는 발열 현상과 높은 이온 밀도로 인해 질소가 중공체의 내경 표면부 안쪽으로 침투·확산, 질소화합물층 및 질소확산층을 형성하게 된다. The cathode applied to the jig system is a direct current (DC) or a pulse voltage, and reaches the
본 발명은 피처리물(900) 내벽면에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 방전에 의해 피처리물 내벽면의 질화에 필요한 에너지를 모두 공급함에 따라 기존에 질화 공정에서 흔히 제공하던 열처리 공정을 별도로 실시하지 않아도 충분한 질화 품질을 얻을 수 있고, 공정 챔버(100) 안에 별도의 히터를 설치할 필요가 없이 상온에서 공정을 진행한다. The present invention generates a hollow cathode discharge on the inner wall of the
질화 공정 직후 공정 챔버(100) 내부에 질소가스를 100~400 Torr까지 주입하며, 질화 처리 후 질소가스의 잔류분을 챔버 내부에 장착된 냉각 팬(800)을 가동하여 대류를 일으키며 120분 이하의 시간 동안 피처리물(900)을 냉각시킨다. 가스 주입부(200)를 통해 불활성 N2 가스를 주입하면서 대류분위기 하에 열 전달 매질로 활용 중공체 피처리물(900), 지그 시스템 및 진공 챔버(100) 내부에 잔류된 분위기 가스를 빠르게 냉각한다. Immediately after the nitriding process, nitrogen gas is injected into the
이와 같이 챔버(100) 내에서 냉각시키는 것이 질화 된 피처리물(900)의 질화막의 품질을 우수하게 유지할 수 있게 하며, 이는 고온 상태로 대기중에 노출될 경우, 피막이 산화하거나 다른 성분과 반응하여 변색 등의 변성을 방지할 수 있기 때문이다. 따라서 질화 공정 직후부터 챔버 내부 온도가 적어도 약 150℃ 미만까지 도달하도록 자연 냉각시키는 냉각공정을 포함하는 것을 특징으로 한다. Cooling in the
질화처리 및 냉각 공정이 완료되면, 상온·상압으로 진공 챔버(100) 내부에 대기 가스 및 저 순도 N2 가스를 주입하여 진공도를 풀어주는 통기(vent)와 중공체 피처리물(900)을 밖으로 꺼내는 언로딩(unloading)을 진행한다. After the nitriding and cooling process is completed, the vent and the
이하, 시편 제작에 대한 실시 예를 통하여 본 발명의 작용 및 효과를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the operation and effects of the present invention will be described in more detail with reference to the embodiment for preparing the specimen as follows.
본 발명의 할로우 캐소드 방전효과를 이용한 중공체의 내경부 질화 처리가 진행되는 피처리물(900)은 SCM415 및 SUS, STD 강종을 포함한 철(Fe)계 금속과 알루미늄(Ai), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 등 비철 금속계 질화물 형성이 가능한 금속 소재일 수 있다. The
할로우 캐소드 방전 효과를 이용한 중공체의 내경부 질화 처리가 진행되는 피처리물(900)의 형태는 직경이 수 내지 수백 mm에 길이 50 내지 1,000mm까지의 원통형 또는 그와 유사한 형태의 중공체, 음각 가공된 금속 제품이며, 본 실시예는 직경 20mm에 길이 170mm인 파이프 형태의 단조 가공된 SCM415강을 피처리물로 하여 질화처리를 진행하였다. The shape of the
SCM415 강 시편 1,000개를 준비하여 진공 챔버(100) 내부에 장입하며, 각각의 시편들을 일정한 간격으로 상기 지그 시스템에 고정하였고, 이때 중공체 형태의 시편들은 내경부 안쪽까지 공정 가스의 이동이 원활하도록 양쪽 홀(hole)은 개방되어 있는 상태였고, 질화처리를 적용하고자 하는 중공체 피처리물(900) 시편의 측면 혹은 양쪽 홀(hole)이 개방될 수 있게 하는 위치로 지그 프레임(600)에 고정시켜야 한다. 1,000 specimens of SCM415 steel were prepared and loaded into the
지그 시스템의 각 지그 프레임(600)은 플레이트형이고, 하나의 지그 프레임(600)에 중공체 피처리물(900) 시편을 각각 200개씩 고정시켜 다섯 개의 지그프레임(600)을 지지시켜 전체적으로 하나의 챔버에서 1,000개의 시편을 처리하였다. Each
전 범위에 있어 균일하게 구현되는 압력으로 공정 압력은 500~700mTorr로 하였으며, 이와 같은 적정 압력은 다수의 시편에 균일한 품질의 질화에 상당히 중요한 변수가 된다. The process pressure was 500 ~ 700mTorr with uniform pressure in the whole range. This proper pressure is a very important variable for uniform quality nitriding on many specimens.
지그에 전원을 인가하여 5 ~ 100kW 전력을 공급하며, 상기 질화처리 공정 중 바람직한 공정진행 여부를 확인하였으며, 할로우 캐소드 방전 균일분포 여부와 할로우 캐소드 방전 및 플라즈마가 나타내는 색상, 밝기 판별을 통해 질화처리 진행 여부를 확인할 수 있으며, 본 실시 예의 좀더 명확한 구현을 위한 SCM 415 중공체 금속제품 질화처리의 경우 도 2에 도시 한 것과 같은 할로우 캐소드 방전 및 플라즈마 형상이 나타났다. 이때의 할로우 캐소드 방전 형상에 있어 소재의 종류보다는 중공체 피처리물(900)의 형상이 더 큰 지배력을 갖는 것을 알 수 있었다.The power was applied to the jig to supply 5 ~ 100kW power, and it was confirmed whether or not the desired process progressed during the nitriding treatment process, and the nitriding process was performed by determining whether the hollow cathode discharge was uniformly distributed, and the color and brightness indicated by the hollow cathode discharge and the plasma. In the case of SCM 415 hollow metal product nitriding treatment for a more clear implementation of the present embodiment, the hollow cathode discharge and the plasma shape as shown in FIG. 2 appeared. In the hollow cathode discharge shape at this time, it was found that the shape of the
도 2와 같이 적정 할로우 캐소드 방전이 형성되었음이 확인되면, 이를 유지시킴으로써 구현하고자 하는 질화 깊이 및 질화 형태에 따라 질화처리 공정을 진행하게 된다. 질화 침투 깊이는 질화처리 시간에 비례하게 되며, 중공체 피처리물(900)의 사용용도 및 요구특성에 맞추어 적정한 시간 동안 질화처리를 진행한다. 본 실시예의 SCM 415 중공체 금속제품의 질화처리는 2시간 진행하였으며, 출력 전압을 300 내지 650V 범위에서 유지하도록 공전 전력 값을 인가, 공정 압력과 주입 가스 조성비는 일정하게 유지시키며 공정을 진행하였다. When it is confirmed that an appropriate hollow cathode discharge is formed as shown in FIG. 2, the nitriding treatment process is performed according to the nitriding depth and the nitriding form to be maintained by maintaining it. The nitriding penetration depth is proportional to the nitriding treatment time, and nitriding treatment is performed for an appropriate time in accordance with the intended use and required characteristics of the hollow object to be processed 900. Nitriding treatment of the SCM 415 hollow metal product of the present embodiment was carried out for 2 hours, the idle power value was applied to maintain the output voltage in the range of 300 to 650V, and the process pressure and injection gas composition ratio were kept constant.
질화처리 공정 완료 후 저 순도의 N2 가스를 진공 챔버(100) 내부로 주입, 내부 압력 약 200에서 400 Torr까지 불활성의 N2 가스를 채워, 냉각 팬(800)을 가동시켜 대류 분위기로 냉각을 진행하였다. 진공 챔버(100) 내부에 채워진 N2 가스는 열 전달 매질로 작용되며, 냉각 팬(800)에 의한 대류 분위기에서 중공체 피처리물(900) 및 지그 시스템, 기타 가열된 구역의 열을 내부에 냉각라인을 구비한 진공 챔버(100) 외벽으로 전달·교환하여 빠른 냉각이 가능하도록 한다.After completion of the nitriding process, low-purity N 2 gas is injected into the
SCM 415 중공체 금속제품에 있어서도 냉각 팬(800) 활용에 의한 냉각을 1시간 적용하였으며, 이후 100℃ 이하로 내려간 챔버 내부 온도를 확인 한 후 통기를 진행, 진공 챔버(100) 밖으로 꺼내어 대표 시편에 대한 분석을 진행하였다. In the SCM 415 hollow metal products, cooling by using the cooling
상기 실시 한 SCM 415 중공체 금속제품의 내경 질화처리 결과물에 있어 도 3 내지 도 6에 도시하였으며, 도 4, 5, 6은 각각 내경부 질화처리 적용 후 단면 조직 관찰을 위해 가공 후 5% 나이탈에 의해 부식시킨 중공체의 외관 사진(도 3)과 내경부 단면 질화 조직 사진(도 4; 내경부 단면 질화 조직 사진, 육안상 구분되는 전체 질화 침투 깊이에 있어 약 360μm까지 구분 가능), 질화 처리 전·후 제품의 내경부 표면 경도 비교 사진(도 5a; 질화 처리 전 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 250.4 HV 0.3 kgf, 도 5b; 질화 처리 후 SCM415 중공체 금속 제품 내경부 표면 경도; 663.7 HV 0.3 kgf), 내경부 표면으로부터 깊이 방향 심부 경도 측정 사진(도 6; 질화 처리 후 SCM415 중공체 단면 경도분포 측정 사진, 경도 측정 하중 0.05kgf) 및 도 7의 그래프(SCM 415 중공체 질화처리 적용 후 내경부 깊이 방향 심부 경도 분포 그래프)로 본 실시예에 따른 분석 결과이다. 3 to 6 show the internal diameter nitriding treatment of the SCM 415 hollow metal product, and FIGS. 4, 5, and 6 are 5% nital after processing to observe the cross-sectional structure after internal nitriding treatment, respectively. The external photograph of the hollow body corroded by (Fig. 3) and the internal diameter cross section nitrided tissue picture (Fig. 4; internal diameter cross section nitrided tissue picture, can be distinguished up to about 360μm in the total nitride penetration depth visually distinguished), nitriding treatment Comparison of the surface hardness of internal diameter of the product before and after (Fig. 5a; Internal hardness of SCM415 hollow metal product before nitriding; 250.4 HV 0.3 kgf, Fig. 5b; Internal hardness of SCM415 hollow metal product after nitriding; 663.7 HV 0.3 kgf), depth depth measurement from the inner diameter surface (Fig. 6; SCM415 hollow body cross-sectional hardness distribution measurement after nitriding treatment, hardness measurement load 0.05kgf) and the graph of Fig. 7 (SCM 415 hollow body nitriding application After In diameter depth direction deeper hardness distribution graph) it is the analysis result according to the embodiment.
상기 질화처리 후 분석 결과를 보면, 단조에 의한 SCM 415 강(질화 전 소재 경도: 약 250 HV 0.05 kgf) 중공체 제품의 경우 냉각시간 포함 약 3시간(질화 2시간, 냉각 1시간)의 질화처리 공정 적용만으로 전체 질화 침투 깊이는 300μm이상, 550 HV 이상의 경도 값을 갖는 유효 침투 깊이는 60μm이상의 질화층이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 이는 기존에 수십 시간까지 요구되던 내경부 질화처리 공정들과 비교할 때 질화처리 효율과 양산성, 소모 에너지 절감 및 친환경 공정 활용이라는 점에 있어 큰 장점으로 작용할 수 있으며, 철계 금속 및 Al, Ti와 같은 비철 금속 등 다양한 소재에도 적용이 가능하여 향후 그 활용 범위는 상당할 것으로 예측된다.
In the analysis result after the nitriding treatment, the nitriding treatment of SCM 415 steel (material hardness before nitriding: about 250 HV 0.05 kgf) by forging about 3 hours (2 hours nitriding, 1 hour cooling) including cooling time Through the application alone, it was confirmed that a nitride layer having an overall penetration depth of 300 μm or more and an effective penetration depth of 60 μm or more having a hardness value of 550 HV or more was formed. This can be a great advantage in terms of nitriding efficiency, mass productivity, energy consumption reduction, and eco-friendly processes compared with internal nitriding processes that required up to several tens of hours. It can be applied to various materials such as non-ferrous metals, and its range of use is expected to be considerable in the future.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiment, but is capable of many modifications and variations within the scope of the appended claims. It is self-evident.
100: 챔버
200: 가스공급부
210: 밸브
220: 공급관
230: 가스 분사구
300: 진공배기관
310: 진공펌프
400: 전원
500: 피드 스루
600, 610: 지그 프레임
620: 지그 베이스
700: 지그 절연체
800: 냉각팬
900: 피처리물100: chamber
200: gas supply unit
210: valve
220: supply pipe
230: gas nozzle
300: vacuum exhaust pipe
310: vacuum pump
400: power
500: feed through
600, 610: jig frame
620: jig base
700: jig insulator
800: cooling fan
900: object to be processed
Claims (6)
상기 진공 챔버 안에 설치되는 전도성 지그;
상기 전도성 지그에 접촉고정되되, 하나의 전도성 지그에 고정배치되는 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들;
상기 진공 챔버에 연결된 가스공급부;및
전원장치;를 포함하고,
상기 전원장치의 양극과 음극 중 어느 하나는 상기 진공 챔버에 접속시키고, 나머지 다른 하나는 상기 전도성 지그에 접속시켜 전원을 공급하고,
상기 가스공급부를 통해 질소를 포함한 공정 가스를 공급하여, 상기 다수의 전도성 중공체 또는 음각 부재들의 중공부 또는 음각부에 할로우 캐소드 방전을 일으켜 중공부 내벽면 또는 음각부 내벽면을 질화처리 하는 것을 특징으로 하는 내경 질화 처리 시스템.A vacuum chamber;
A conductive jig installed in the vacuum chamber;
A plurality of conductive hollow bodies or intaglio members fixed in contact with the conductive jig and fixedly disposed in one conductive jig;
A gas supply unit connected to the vacuum chamber; and
A power supply;
One of the anode and the cathode of the power supply device is connected to the vacuum chamber, the other is connected to the conductive jig to supply power,
By supplying a process gas including nitrogen through the gas supply unit, the hollow cathode discharge to the hollow or intaglio of the plurality of conductive hollow body or intaglio member to nitriding the hollow inner wall surface or the intaglio inner wall surface Internal nitriding treatment system.
According to claim 3, Into the vacuum chamber, nitrogen and hydrogen are injected, the fraction of nitrogen in the injected gas is 10 to 100%, the process pressure is maintained in the range of 0.05 to 10 Torr, 5 to 100 kW of Internal nitriding treatment system, characterized in that the nitriding treatment by applying electric power.
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