KR20180019137A - 유체이송용 메탈블럭 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 복잡한 형상을 갖는 메탈 블럭에 대해 반복적인 조립을 실시하여도 지속적으로 견고한 실링을 유지할 수 있는 새로운 메탈 블럭의 제조방법과 그에 따른 메탈 블럭을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 산화크롬층이 존재하는 스테인레스스틸로 된 메탈 블럭을 1차 전해연마한 다음, 이온 질화 공정을 실시하여 이온질화층을 형성하고, 다시 2차 전해연마하여 이온질화층의 일부를 효율적으로 제거하면서 고농도의 표면 N,C 복합 확산을 유도하여, 석출상이 존해하는 층을 표면경화처리 하는 것으로 내식성을 유지한 상태로 메탈 블럭의 실링부 경도를 Hv400 이상으로 높여 메탈 실링을 효과적으로 할 수 있도록 하였다.

Description

유체이송용 메탈블럭{METAL BLOCK FOR FLUID TRANSPORTATION}

본 발명은 반도체 장비, 발전 설비, 해양 플랜트, 항공기 등에 적용되는 유체제어용 메탈 블럭에 관한 것으로 좀 더 상세하게는 메탈 블럭의 표면처리에 관한 것이다.

가스 또는 액체와 같은 유체제어시스템에서 메탈 블럭은 각종 밸브, 레귤레이터, 가스킷 등을 연결하는 블럭으로, 독성, 부식성 등을 가진 유체를 사용하는 장비에서 매우 중요한 실링용 부품이라 할 수 있다(도 7 참조). 특히, 반도체 공정 중 반응 가스를 공급 및 차단하도록 제어하는 밸브패키지의 제어부와 배관부를 연결하는 중요부품이다. 종래 제품의 경우는 도 1과 같이 메탈 블럭(Metal Block)을 전해연마 공정으로 산화크롬층의 비율을 높여 내식성을 향상시키고 있으며, SS316L 금속 모재에 전해연마를 하여 CrO : FeO 층을 2:1 이상의 두께로 유지한다.

이러한 구조를 가지는 메탈 블럭의 실링부는 전해연마 후 Hv300 정도로 관리하여 반복 체결이 가능하도록 하고 있지만, 전해연마에 의해 석출된 석출물 중 질소 농도 구배에 의해 부식이 일어날 수 있어, 메탈 블럭에서 반복된 조립을 실시하게 되면 실링부위에서 리크(Leak)가 발생하는 문제가 있다. 특히, 소재의 특징상 단조나 인발로 심하게 처리된 소재는 석출에 의해 결정입자가 늘어나면서, 이로 인해 국부적으로 내식성 저하부위가 나타난다.

최종적으로 메탈실링부는 물리적 툴(Burnishing tool)에 의한 표면경화처리를 하여 실링의 견고성으로 진공도를 유지하지만 반복적 조립에 의해 고진공 실링 성능 구현에 문제가 발생된다.

이를 해결하기 위한 기존 기술로서 이온질화를 적용한 사례가 있지만 상술한 문제점을 해결하지 못하였고, 이는 도 2와 같이 고온에서 스테인레스스틸(Stainless Steel) 모재에 질화공정을 실시하여 이온질화층을 형성하여 제품화를 시도한 것이다. 공정상 표면을 추가로 연마해야 하지만, 메탈 블럭에서 실링부(Sealing)부의 형상이 복잡할 경우에는 적용하기 어렵다.

등록특허 10-1237915호에는 질화처리 후 쇼트피닝 처리를 공개하고 있으나 상술한 바와 같이 복잡한 형상으로 가공된 제품에는 적용할 수 없다.

따라서 본 발명의 목적은 복잡한 형상을 갖는 메탈 블럭에 대해 반복적인 조립을 실시하여도 지속적으로 견고한 실링을 유지할 수 있는 새로운 메탈 블럭의 제조방법과 그에 따른 메탈 블럭을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 산화크롬층이 존재하는 스테인레스스틸로 된 메탈 블럭에 대해 이온질화 공정을 실시한 다음 전해연마를 실시하여 이온질화층의 일부를 효율적으로 제거하면서 고농도의 표면 N,C 복합 확산을 유도하여, 석출상이 존해하는 층을 표면경화처리 하는 것으로 내식성을 유지한 상태로 메탈 블럭의 실링부 경도를 Hv400 이상으로 높여 메탈 실링을 효과적으로 할 수 있도록 하였다.

상기에서 이온질화층 형성 이전에도 전해연마를 실시하여 더욱 우수한 품질의 표면처리를 이룰 수 있다.

본 발명에 따르면, 메탈 블럭을 가공성이 좋은 스테인레스스틸 소재로 가공하기 때문에 정교한 형상을 정밀하게 비교적 쉽게 제작할 수 있고, 이를 1차 전해연마함으로써 표면청정도를 확보하며, 여기에 이온질화층을 형성하여 이후 다시 2차 전해연마를 실시하여 이온질화층의 표층을 약간 연마하여 부식을 일으킬 수 있는 석출물을 제거하여 갈바닉 부식을 방지하고 잔류하는 크롬(Cr)을 산화크롬층으로 만들어 내식성을 크게 향상시킬 수 있다. 그에 따라 본 발명의 메탈 블럭은 독성 가스나 부식을 일으키는 유체를 취급하는 경우에도 우수한 내식성으로 높은 신뢰도를 유지할 수 있으며, 메탈 블럭에 대해 각종 유닛들을 반복적으로 조립하여도 고경도 특성과 더불어 고내식성으로 인해 여전히 안정적이고도 안전하게 동작할 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따라 제조된 메탈 블럭의 표면처리 결과 형성된 층상 구조를 보여준다.
도 3은 전해연마에 의해 형성되는 산화크롬층의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 메탈 블럭의 제조방법에 의한 메탈 블럭의 모재와 표면처리된 층상 구조를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 메탈 블럭의 제조방법과 그에 따른 표면처리 결과를 보여주는 순서도이다.
도 6은 메탈 블럭의 실링 부위를 보여주는 단면도이며 본 발명에 따른 버니싱 처리에 대한 설명을 위한 것이다.
도 7은 유체제어시스템에 적용되는 메탈 블럭의 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 메탈 블럭의 제조는 가공성이 좋지만 경도가 떨어지는 스테인레스스틸을 모재로하여 메탈 블럭의 형태를 갖추도록 가공한 다음, 1차 전해여마와 이온질화 및 2차 전해연마를 통해 고경도와 내식성을 모두 구비하게 하는 것이다. 스테인레스스틸에 대한 전해연마(EP:Electric Polishing) 처리는 도 3과 같이 표층에 산화크롬층을 갖는 스테인레스스틸 표층을 연마하여 산화크롬층의 두께를 얇게 만들어 표면청정도를 좋게한다. 단조처리된 소재에 대한 전해연마는 S-phase 석출상이 있어 부식을 일으킬 수 있다. 특히, 소재의 특징상 단조나 인발로 심하게 처리된 소재는 결정입자가 늘어나면서, 이로 인해 국부적으로 내식성 저하부위가 나타난다.

이에 본 발명은 고경도 스테인레스 단조 소재를 메탈 블럭으로 가공 한 후 EP를 이용해 산화층을 일부 연마한 후에 이온질화 공정으로 탄소 및 질화복합 확산을 일으켜 탄소, 질소 석출물이 일부 확산되더라도 두꺼운 질화층을 형성 한 다음, 다시 표면층을 전해연마하였다. 2차 전해연마는 석출물이 형성된 표층을 제거하고 확산경화층과 혼합된 층을 유지하며 광택을 내게한다.

즉, 1차 전해연마를 통해 스테인레스스틸의 산화크롬층을 얇게 다듬고 그 상태에서 이온질화층을 두껍게 형성하여 고경도화하고, 이온질화 공정에 의해 표면에 표출되어 부식을 일으킬 수 있는 석출물들을 다시 2차 전해연마를 통해 제거함과 동시에 이온질화층 표면에 잔류하는 크롬을 산화크롬으로 만들어 산화크롬층을 형성함으로써 내식성을 강화하였다.

본 발명의 메탈 블럭은 빅커스 경도 300gram의 하중으로 표면을 측정하였을 때, 표면경도가 Hv400 ~ Hv600으로 유지하여 고진공의 실링을 확보하며, 독성 가스나 부식성 유체를 운반하는 유닛을 반복적으로 조립하여도 유체에 의해 부식을 일으키지 않아 실링 기능을 유지하는 수명이 매우 길어진다. 즉, 경도가 낮은 경우, 고진공 실링 동작에 의해 개스킷에 의해 가압된 부분이 함몰변형되어 고진공 실링 기능이 상실되어 메탈 블럭의 수명이 짧아지는데, 본 발명에 의해 고경도화된 부분의 두께가 두껍게 형성되어 이러한 문제가 해결된다.

다시말해, 도 4는 종래의 제품인 도 1과 다르게 실링 부위에 이온질화법을 적용하여 스테인레스스틸의 내부에 N, C을 최대 고농도로 과량 침입시켜서 결정 격자는 최대한 그대로 유지시키면서 내식성을 떨어뜨리지 않도록 표층에 산화크롬층을 형성한 것이다.

이온질화공정에서 필요이상의 고농도 침입형 원소인 N, C에 의해 (Cr,Fe)xNy가 석출되어 나오게 된다. 상기 과정은 본 발명의 공정 상의 특징으로서, 오히려 강제로 고농도로 이온질화층 (N,C 고농도 확산층) 두께를 두껍게 형성하여 고경도층의 두께로 인해 고경도 유지 수명을 장기화하며, 두꺼운 이온질화층의 최 표층에 표출된 석출물 고용층을 2차 전해연마로 제거하는 동시에 (Cr,Fe)xNy 석출물을 산화크롬층으로 만들어 내부식성까지 향상시킨 것이다.

이렇게 제조된 메탈 블럭 제품은 우수한 내식성 및 내구성을 확보함으로서 반복 조립에 의해서도 실링 기능을 우수하게 유지할 수 있어 반도체 장비의 조립시간과 비용절감이 가능하며, 이는 반도체 장비의 수명 증가로 이어지게 된다.

이하는 좀 더 상세한 공정에 대한 설명이다.

도 5는 본 발명의 공정을 개략적으로 설명한 순서도이다.

스테인레스스틸 모재로 메탈 블럭을 가공한다.

가공된 메탈 블럭을 1차 전해연마 처리한다.

전해 연마 공정의 조건은 다음과 같다.

5~ 20A/cm² 의 전류밀도, 5 내지 40초, 바람직하게는, 10 ~ 30sec 공정시간, 40 내지 80℃, 바람직하게는, 60 ~ 70℃의 전해액 온도, 0.5 내지 3mm, 바람직하게는, 0.5 ~ 1mm 전극 간격을 유지한다.

1차 전해 연마가 끝나면 스테인레스스틸의 산화크롬층의 두께가 얇아지고 표면청정도가 좋아진다.

다음, 이온질화를 실시한다. 이온질화는 저온 플라즈마를 이용한 이온 플라즈마 공정으로 실시한다. 공정 온도는 300 내지 600℃, 바람직하게는, 400 ~ 540℃의 저온에서 질소를 400 내지 800sccm으로(본 실시예는 600sccm) 주입하여 고농도 확산층을 형성시킨다. 공정 진공도는 0.1 내지 1Torr(본 실시예는 0.4Torr), 전력량은 10 내지 30kW(본 실시예의 경우, 18kw)로 한다.

이온질화 공정은 질소의 고농도 고속확산을 위해 100 내지 350℃에서 수소 기체를 400 내지 800LPM의 속도로 흘려준다. 이때, 온도는 점진적 및 단계적으로 상승시키며, 그에 따라 이온소스에 흘려주는 전류도 5 내지 20A 범위에서 점진적 및 단계적으로 상승시킨다. 온도를 400℃로 승온하면서부터 수소와 질소를 동시에 흘려주며 두 기체의 유량이 전체적으로 400 내지 800LPM의 속도가 되게한다. 전류량은 좀 더 높여 20 내지 25A가 되게 한다. 이와 같은 상태로 200 내지 400분 정도 유지한 후 500℃로 승온하여 수소를 흘려주고 전류량을 다소 낮춘 상태로 60 내지 100분 정도 유지한다. 이후 질소를 흘려주며 10 내지 60분 공정을 진행하다가 온도를 300℃ 정도로 낮추어 10 내지 40분 정도 유지한다. 공정의 마지막 단계는 수소를 흘려주면서 온도를 상온 내지 80℃ 정도로 낮추어 40 내지 80분 정도 유지하여 종료한다. 상기에서 공정온도와 인가전류량은 양의 상관관계가 되도록 제어하며, 수소와 질소를 동시에 흘려주는 단계에서 가장 긴 시간동안 공정을 실시한다.

이와 같이 형성된 이온 질화층을 10 내지 40um로 형성한 후 내부식성을 향상하기 위하여 2차 전해연마 공정으로 이온질화층의 일부를 산화크롬층으로 형성하며, 산화크롬층의 두께는 1 내지 5um 정도로 하여 표면 경도 및 내부식성을 향상한다. 2 차 전해연마 공정의 조건은 상기한 1차 전해연마에서와 같다.

2차 전해연마를 통해 내식성의 향상과 함께 고광택을 얻게된다.

상기에서, 1차 전해연마는 경우에 따라 생략할 수 있다. 또한, 전해연마 전에 버니싱 처리를 함으로써 조도와 경도를 향상시킬 수 있다. 이는 1차 전해연마 전 그리고 2차 전해연마 전에 모두 적용될 수 있다. 즉, 메탈 블럭의 블럭 실링 부위(도 6 참조)는 가공 후 물리적으로 버니싱 처리하여 조도와 경도를 올린다. 이때, 조도는 Ra 0.15 이내로 하고, 경도는 Hv300 이내로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 공정은 메탈 블럭 외에 고경도와 내식성을 요하면서 형상이 정교하게 되어야 하는 각종 금속 부품에 적용될 수 있다.

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.

Claims (6)

1. 산화크롬층이 존재하는 스테인레스스틸 모재로 소정 형상의 실링용 부품을 가공하는 단계;
   이온 질화 공정을 실시하여 이온질화층을 형성하는 단계; 및
   이온질화층이 형성된 부품을 전해연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내식성 실링용 부품의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 이온질화층을 형성하는 단계 이전에 1차적으로 전해연마하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내식성 실링용 부품의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 1차적으로 전해연마하는 단계 또는 이온질화층이 형성된 부품을 전해연마하는 단계를 실시하기 전에 버니싱을 실시하는 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내식성 실링용 부품의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 이온 질화층을 10 내지 40um로 형성하고, 이후 전해연마를 실시하여 산화크롬층의 두께를 1 내지 5um로 형성하는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내식성 실링용 부품의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 이온 질화층의 형성은 질소(N) 및 탄소(C)의 복합 확산층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내식성 실링용 부품의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 메탈 블럭.
   
   
   
   

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