KR20180131035A - 플라즈마 나노질화 처리방법 및 그에 따른 캠 펌프 부재 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 고 경도 내마모성을 크게 강화할 수 있으며, 표면조도가 우수하게 유지될 수 있는 표면처리 기술을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기한 표면처리 기술을 캠 펌프 부재에 적용하여 캠 펌프를 장기간 구동할 수 있게 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 고진공에서 저전압 고밀도의 질소 원자 이온을 발생시켜 나노사이즈의 질화물을 표면에 생성시켜 표면 조도의 변화 없이 완제품 형태로 처리할 수 있는 플라즈마 나노질화 표면처리 방법을 제공한다.

Description

플라즈마 나노질화 처리방법 및 그에 따른 캠 펌프 부재{Plasma Nano Nitride Process and Cam Pump Members thereby}

본 발명은 고경도 및 내마모성을 강화하는 표면처리 기술에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 플라즈마 나노질화처리 방법 및 그 응용에 관한 것이다.

질화처리는 칩입형 원소인 질소를 이용하여 표면경도와 마모 등의 기계적 특성을 향상시키는 표면처리법으로 수송기계 부품 등 다양한 산업분야에 적용하고 있다. 플라즈마를 이용한 이온질화는 염욕, 가스질화에 비해 처리시간이 짧고 폐수 및 독성가스와 같은 오염물질 발생이 거의 없어 친환경적이며, 600℃ 이하의 낮은 온도에서 처리가 가능하기 때문에 변형 및 금속학적 특성의 큰 변화가 없는 것이 특징이다. 하지만 기존의 이온질화법은 처리물에 음극의 고전압을 인가시켜 표면조도가 나쁘고 틈 또는 작은 구멍에 발생되는 공음극효과(Hollow cathode effect)에 의한 국부적인 열 발생으로 인해 기계적 특성이 불균일한 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 스크린을 이용한 금속재료의 나노질화 처리에 대한 연구가 진행되고 있다. 나노질화 처리는 처리물이 아닌 챔버내 타공판에 음극의 고전압을 인가하여 생성된 글로우 방전을 이용하는 것으로 챔버내 주입되는 질소가스가 이온화 되며 발생된 활성질소의 확산에 의해 질화가 일어난다. 이러한 이유로 질화처리후 처리물의 표면조도가 기존에 비해 향상되며 복잡한 형상의 제품에도 적용될 수 있다는 장점을 갖는다.

특히, 고 경도 내마모성 향상을 위한 적용 분야의 일례로, 캠 펌프를 들 수 있다. 스크류, 기어, 편심모터 등의 회전운동에 의해 액체를 압송하는 펌프를 캠 펌프라고 하며 다양한 산업에 사용되고 있다. 펌프 내부의 로터와 로터와 맞닿는 부싱 부분은 핵심 부품으로 로터 부분은 펌프의 구동상 마찰 및 마모가 극심하여 고압 적용 시 마찰면 마찰부하에 의한 출력 저하 및 손상이 발생된다. 이에 대해 다양한 표면처리 기술을 접목하여 시도하고 있으나 마땅한 대안을 찾지 못하고 있어, 해당 제품에 적용할 수 있는 표면처리 기술의 개발이 절실한 상황이다.

한편, 관련 기술로서, 대한민국 등록특허 10-0899578호는 고온 진공 질화법을 제안하며, 등록특허 10-1456685호는 질화 처리 후, 금속분말을 코팅하여 금속질화층을 형성하는 방법을 제안한다. 전자는 고온 진공에서 상당한 시간 동안 질화처리 되어야 하며, 후자의 경우, 질화처리된 피처리물을 다시 코팅 챔버에 넣고 코팅을 실시하여야 하기 때문에 생산성을 해칠 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 고 경도 내마모성을 크게 강화할 수 있으며, 표면조도가 우수하게 유지될 수 있는 표면처리 기술을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기한 표면처리 기술을 캠 펌프 부재에 적용하여 캠 펌프를 장기간 구동할 수 있게 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 고진공에서 저전압 고밀도의 질소 원자 이온을 발생시켜 나노사이즈의 질화물을 표면에 생성시켜 표면 조도의 변화 없이 완제품 형태로 처리할 수 있는 플라즈마 나노질화 표면처리 방법을 제공한다.

즉, 본 발명은, 스테인리스 스틸과 같이 질화가 어려운 모재로 된 펌프 부재를 진공 챔버에 넣고, 상기 진공 챔버 내에 플라즈마 발생장치를 설치하고, 챔버 내부를 10^-4 내지 10^{- 3}torr의 고진공으로 형성하고, 여기에 수소 가스 및 질소 가스를 100 내지 200ml/분의 속도로 공급하고, 챔버 내 온도를 400 내지 550℃로 유지하며, 상기 플라즈마 발생장치에 1 내지 5kV의 전압을 인가하여 플라즈마를 방전시켜, 질소 이온을 고밀도로 얻어 이들을 피 처리물의 표면에 흡착시켜 표면에 나노사이즈의 질화물이 형성되게 하였다.

상기에서, 질화 처리 시간은 6 내지 8시간으로 종래 기술에 비해 크게 단축된다.

본 발명에 따르면, 나노사이즈 질화물에 의한 높은 표면적과 흡착률로 질소이온 확산 속도를 극대화하여 기존의 이온질화처리와 비교하여 질화속도가 빠르며, 우수한 표면조도 및 고경도층을 형성하여 신속질화가 가능하며 생산시간이 단축된다.

본 발명에 의해 나노질화 된 SUS431의 경도는 1,200Hv 이상이고, 40㎛ 정도의 경화층을 확보하여 고경도 내마모성이 크게 향상됨을 알 수 있다.

또한, 본 발명은, 400 내지 500℃ 내외의 저온에서 질화 처리되기 때문에 제품 변형의 우려가 없다.

또한, 본 발명의 플라즈마 나노 질화 처리를 캠 펌프의 로터와 부싱에 적용하여 펌프의 기능을 향상시키고 수명을 장기화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 나노질화 처리 공정을 설명하기 위한 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 나노질화 처리에 따른 시편과 종래 질화처리에 의한 시편에 대한 SEM 사진과 표면조직을 보여주는 사진이다.
도 3은 SUS431 시편에 대해 본 발명의 플라즈마 나노질화 처리를 실시하여 단면을 관찰한 사진들이다.
도 4는 도 3의 시편들에 대해 경화 깊이에 따른 비커스 경도 측정 결과 그래프이다.
도 5는 캠 펌프의 구조를 보여주는 단면구성도이다.
도 6은 캠 펌프의 부재인 로터와 부싱의 마모현상을 보여주는 사진이다.

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

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 나노질화 처리 공정을 설명하기 위한 개략적 구성도이다.

고밀도 플라즈마 발생을 위한 전극을 설치하며, 전극 형상은 플라즈마 챔버 벽면을 따라 배치하였다. 전극이 울타리와 같이 배치된 곳 상단에는 커버가 놓여져 방전되는 플라즈마 입자들을 가두고 하방으로 향하게 하여 고밀도 플라즈마와 질소 원자 이온을 형성하게 한다. 상기 커버는 세라믹, 유리, 석영과 같은 절연체이거나, 그러한 절연체를 전극과 접하게 하고 그 위에 고온 내열성 금속을 더 배치하여 구성될 수도 있다. 전극과 접하는 커버 자체가 전극과 같은 금속재일 경우, 인가전압을 교류로 하여 플로팅 방식의 방전을 일으킬 수도 있다.

전압을 전극에 인가하면 상기 전극으로 에워싸인 부분에 고밀도 플라즈마 및 질소이온이 형성되며 피 처리물은 그 하방에 배치되어 효율적인 질화처리가 일어나게 된다.

특히, 본 발명은 별도의 히터를 사용하지 않고 전극에 전력을 가하여 발생되는 온도만으로 질화 처리에 필요한 온도에 이르게 하였으며, 전극은 상술한 바와 같은 스크린 타입으로 구성하였다.

챔버 내부 기저 압력을 10^-4 내지 10^-3torr의 고진공으로 만든 다음, 여기에 수소 가스 및 질소 가스를 100 내지 200ml/분의 속도로 공급한다.

챔버 내 온도를 400 내지 500℃(본 실시예의 경우, 465℃로 설정)로 유지하면서, 상기 플라즈마 발생장치 전극에 1 내지 5kV의 전압을 인가하여 플라즈마를 방전시킨다. 플라즈마 방전으로 인해 고밀도의 질소 이온이 생성되고, 하방에 놓인 피 처리물의 표면으로 흡착되고 확산되어 질화처리 된다. 이러한 플라즈마 질화처리 과정에서 질소 이온은 나노사이즈의 질화물을 형성하기 때문에 우수한 표면조도를 얻을 수 있다. 즉, 나노사이즈의 질화물층 형성은 종래의 질화처리와 같이 공음극효과(Hollow cathode effect)에 의한 국부적인 열 발생이 없어 표면조도를 향상시킨다.

또한, 플라즈마 나노질화 처리는 상기와 같이 기존 질화공정 온도에 비해 상대적으로 저온에서 실시되지만 고밀도 질소이온이 생성되기 때문에 질화처리 속도가 더 빠르다.

본 실시예는 일반적으로 질화가 어렵지만 가격면에서나 다른 물성면에서 선택하기 좋은 SUS431을 모재로 선택하여 플라즈마 나노질화 실험을 실시하였다.

상술한 바와 같이 공정을 진행하여 모재 표면으로부터 상당한 깊이에 이르는 질화층을 만들면서 표면에 나노사이즈 질화물층이 형성되게 하였다.

상기 실시예에 의해 나노질화 된 SUS431의 경도는 1,200Hv 이상이고, 40㎛ 정도의 경화층을 확보하여 고경도 내마모성이 크게 향상됨을 알 수 있었다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 나노질화 처리에 따른 시편과 종래 이온질화처리에 의한 시편에 대한 SEM 사진과 표면조직을 보여주는 사진이다.

일반 질화 처리된 것은 질화층이 10 내지 12마이크론(um) 정도 깊이에 형성되고 그 위에 화합물층이 있어 표면조도가 매우 나쁘다는 것을 알 수 있다. 이에 비해 본 발명의 플라즈마 나노질화에 의한 시편은 화합물층이 없고 질화층이 120마이크론 정도에 이르고 있으며, 표면조도가 훨씬 더 우수함을 확인할 수 있다.

도 3은 SUS431 시편에 대해 본 발명의 플라즈마 나노질화 처리를 실시하여 단면을 관찰한 사진이다.

8시간 처리된 피처리물의 경화층이 40㎛ 내외로 형성된 것을 알 수 있어 질화처리 속도가 이온질화처리에 비해 크게 향상된 것을 알 수 있다. 질화처리 시간을 조절하여 피처리물의 경화층 깊이를 조절할 수 있으며, 그에 따라 생산성도 크게 향상시킬 수 있다.

도 4는 도 3의 시편들에 대해 경화 깊이에 따른 비커스 경도 측정 결과 그래프이다.

그래프를 보면, 나노질화 된 SUS431의 경도가 40㎛ 내외까지 1,000Hv 이상의 고경도를 유지하는 것을 나타내며, 피처리물의 심부까지 경화효과가 뛰어난 것을 알 수 있다.

이와 같이 고경도 내마모성 향상에 적합한 플라즈마 나노질화 처리를 캠 펌프 부재에 적용하였다.

도 5는 캠 펌프의 구조를 보여주는 단면구성도이다.

캠 펌프는 로터의 기울기변화로 작동하는 펌프로 펌프 내부의 로터와 로터와 맞닿는 부싱 부분은 핵심 부재라 할 수 있다.

도 6은 캠 펌프의 핵심 부재인 로터와 부싱의 마모현상을 보여주는 사진이다.

종래에는 바이톤 코팅 등을 적용하여 왔는데, 도 6과 같이 심한 마모로 인해 6개월 정도 지나 교체를 요하여 사용상의 불편은 물론, 유지비 상승 문제가 있다.

따라서 본 발명의 플라즈마 나노질화 처리를 상기 캠 펌프의 로터와 부싱에 대해 실시하였다.

본 발명은, 400 내지 500℃ 내외의 저온에서 질화 처리되기 때문에 가공이 완성된 로터와 부싱에 대해 실시되어도 열변형 등의 제품 변형 우려가 없다. 상술한 공정을 그대로 로터와 부싱에 대해 적용하여 캠 펌프의 기능을 향상시키고 수명을 장기화할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구 범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면부호 없음.

Claims (7)

1. 진공 챔버 내부에 플라즈마 발생장치를 설치하고,
   모재를 상기 챔버에 반입하고,
   상기 챔버 내부를 진공화하고,
   질소이온을 생성할 수 있는, 수소 가스와 질소 가스를 공급하고,
   상기 챔버 내부의 온도를 올리고,
   상기 플라즈마 발생장치의 전극에 전압을 인가하여 상기 수소 가스와 질소 가스를 방전가스로 하여 플라즈마를 발생시켜 질소 원자 이온을 생성하고,
   상기 질소 원자 이온이 상기 모재 표면에 질화층을 형성하는 동시에 나노사이즈 질화물을 형성하며 질화 처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 나노질화 표면처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 챔버 내 온도를 400 내지 500℃로 유지하며 질화 처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 나노질화 표면처리 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 발생장치의 전극에 1 내지 5kV의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 나노질화 표면처리 방법.
4. 제3항에 있어서, 플라즈마 나노질화 표면처리는 6 내지 8시간 동안 지속되어 완료되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 나노질화 표면처리 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 표면처리 된 것을 특징으로 하는 캠 펌프용 로터.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 표면처리 된 것을 특징으로 하는 캠 펌프용 부싱.
7. 진공 챔버;
   상기 진공 챔버의 벽면을 따라 배치되어 울타리 형상을 이루는 플라즈마 발생용 스크린 전극;
   울타리 형상의 상기 플라즈마 발생용 전극 위에 놓이는 커버; 및
   상기 커버와 마주보는 하방에 놓이는 모재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 나노질화 표면처리 장치.
   
   
   

Images