KR101859116B1 - 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품 - Google Patents

철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철계 합급 코팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팩 시멘테이션으로 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하고, 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 상기 크롬계 코팅층 상에 질화층을 형성하는 방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명은 철계 합금에 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 크롬계 코팅층 및 질화층을 형성함으로써, 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품을 제조할 수 있는 특징이 있다.

Description

철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품{Methods for coating surface of iron-based alloy and products with high corrosion resistance and high conductivity manufactured thereby}
본 발명은 철계 합금의 코팅 방법 및 이에 의하여 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철계 합금 표면에 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층을 형성한 후, 크롬계 코팅층이 형성된 철계 합금 상에 스크린 플라즈마 질화법으로 고농도 질소 확산층을 형성하는 방법 및 이에 의하여 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품에 관한 것이다.
일반적으로 팩 시멘테이션(pack cementation)은 일종의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 기술로서, 팩 내에 철계 합금 및 팩 혼합물 분말을 장입한 후 상기 팩을 가열하여 상기 철계 합금을 코팅하는 방법이다. 상기 팩 혼합물 분말은 크로뮴(Cr), 알루미늄(Al), 규소(Si) 등과 같은 코팅의 대상의 원료인 반응 금속과 염화암모늄(NH4Cl) 등의 할로겐화 활성제 및 반응 금속과 할로겐화 활성제의 급속한 반응에 의한 응집을 방지하는 알루미나(Al2O3) 같은 불활성 필러를 포함하는 분말이다.
일반적인 팩 시멘테이션의 방법은, 먼저, 팩 내에 철계 합금 및 반응 금속, 활성제 및 불활성 필러를 포함한 팩 혼합물 분말을 장입한다. 다음으로, 상기 팩을 가열시키면, 상기 반응 금속 및 활성제가 반응하여 할로겐화 금속 가스가 형성된다. 가스 상태가 된 상기 반응 금속은 상기 철계 합금 표면에 흡착 및 확산되어, 상기 반응 금속의 조성에 따른 주성분비에 영향을 받는 코팅층이 형성된다. 이 때, 상기 불활성 필러는 코팅이 진행되는 동안 상기 팩 자체의 반응 금속과 활성제의 급속한 반응을 제어하며 동시에 철계 합금과의 융착을 방지한다.
팩 시멘테이션은 간단하고 경제적이며 밀착력이 우수하며 원료의 조성이 일정한 경우 재현성이 우수한 코팅층을 형성할 수 있는 장점이 있다. 그리고 팩 시멘테이션에 의해 코팅된 철계 합금은 개선된 경도, 내식성, 내마모성, 내산화성 등과 같은 기계적 물성을 가진다. 또한 팩 시멘테이션에 의해 3차원 형상의 철계 합금에 대해서도 전면적으로 균일한 코팅층이 형성될 수 있다.
팩 시멘테이션은 반응 금속의 종류에 따라 크로마이징(chromizing), 알루미나이징(aluminizing), 실리코나이징(siliconizing) 등으로 분류될 수 있다. 상기 크로마이징과 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1384374호(발명의 명칭: 팩 시멘테이션으로 금속 소결 부품을 코팅하는 방법 및 팩 시멘테이션 코팅한 금속 소결 부품, 특허문헌 1)가 개시되어 있다. 상기 알루미나이징과 관련하여, 미국 공개특허 제2011-0293365호(발명의 명칭: Cement plant refractory anchor, 특허문헌 2)가 개시되어 있다. 그리고 상기 실리코나이징과 관련하여, 미국 등록특허 제5275983호(발명의 명칭: Pack mixture composition for SiC pack cementation coating of carbonaceous substrates, 특허문헌 3)가 개시되어 있다.
팩 시멘테이션에 의해 금속 물질이 코팅된 철계 합금을 공기 중에 노출시키면 표면에 자연적으로 금속 산화막이 형성되는데, 상기 금속 산화막은 시간이 지날수록 점점 더 두꺼워져서 상기 철계 합금의 전도도를 저하시키는 원인이 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 스크린 플라즈마 질화 방법을 이용하여 질소를 철계 합금에 고농도로 확산시켜서 질화물을 석출시켜 전도성을 유지하고자 하였다.
그러나 일반적인 플라즈마 질화 방법은 철계 합금에 직접적인 아크(arc)가 발생하여 철계 합금의 표면이 손상되고, 철계 합금 표면에 생성되는 글로우(glow) 때문에 내부 온도가 균일하지 않아 질화층의 편차가 심한 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질소 원자를 확산시켜 철계 합금의 표면에 새로운 질화물의 복합 형성으로 철계 합금의 전도성을 유지하고자 하였다.
스크린 플라즈마 질화 방법은, 철계 합금의 표면에 직접 플라즈마를 발생시켜 질화층을 제조하는 방법인 통상의 플라즈마 방법과 달리, 철계 합금으로부터 이격된 스크린에 플라즈마를 발생시켜 질화층을 제조하는 방법이다.
도 1은 종래의 일반적인 스크린 플라즈마 장치를 도시한다. 상기 스크린 플라즈마 장치는 진공 챔버(10), 스크린(20), 히터(30), 진공 펌프(40), 캐소드 전원부(50) 및 히터 전원부(60)를 구비한다. 도 1이 참조되어 일반적인 스크린 플라즈마 질화 방법이 설명된다.
먼저, 상기 진공 챔버(10)를 1×10-3 Torr 정도의 진공 압력 분위기가 조성되도록 진공 펌프(40)를 가동시킨 후, 스크린(20)과 연결되어 있는 캐소드 전원부(50)을 가동시켜 스크린(20)을 가열시키고, 히터(30)와 연결되어 있는 히터 전원부(60)를 가동시켜 히터(30)가 가열되서 진공 챔버(10) 내의 온도를 공정 온도로 상승시킨다. 이 때, 진공 챔버(10) 내벽은 플러스(+) 상대 전하가 나타나고, 스크린(20)은 마이너스(-) 상대 전하가 나타나서, 진공 챔버(10) 내벽과 스크린(20) 사이에 전기장이 생성된다.
그 다음으로는, 질소 및 수소 가스를 진공 챔버(10) 내부에 주입시킨다. 이 때, 수소 가스는 진공 챔버(10) 내부가 고온 및 진공 분위기로 형성되어 있어 진공 챔버(10)에 주입되자마자 온도 및 압력의 에너지를 받아 플라즈마화 되고, 수소 플라즈마는 스크린(20) 주변에 밀집된다.
질소 가스는 이온화 에너지가 수소 가스보다 상대적으로 커서 플라즈마화가 원활히 이루어지지 않는다. 그러나, 이미 플라즈마화 된 수소 플라즈마가 질소 가스와 충돌하여 질소 플라즈마가 원활히 생성될 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
상기 질소 플라즈마는 진공 챔버(10) 중심부에 위치하는 철계 합금(2)에 확산되어 철계 합금 상에 질화층이 형성된다.
상기와 같은 스크린 플라즈마 장치를 이용한 스크린 플라즈마 질화 방법은 진공 챔버의 온도를 공정 온도까지 높이기 위해 추가 장치인 히터를 이용하여 진공 챔버를 가열해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 스크린 플라즈마 장치는 고전류의 전원을 인가하며 캐소딕(cathodic)을 걸어주어야 함으로 인해 글로우(glow) 내에서 질소 가스의 반응에 의해 침투형 원소의 고밀도 투입공정이 불가능하여 입자 가속기나 고전압을 장치에 투입하여 철계 합금에 질화층을 형성해야 하는 문제점이 있었다.
따라서, 철계 합금의 내식성을 높이고 전도도를 유지시키면서, 철계 산화막을 제어할 수 있으면서 추가 가열과정이 필요하지 않는 철계 합금 코팅 방법에 대한 기술개발이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제 10-1384374호 미국 공개특허 제2011-0293365호 미국 등록특허 제5275983호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 산세 작업 등 외부에서 처리해야만 제거 가능했던 스테인리스 소재 등에 자연적으로 형성되는 Cr2O3 등 강력한 산화막을 제거할 수 있으면서 가열과정에서 별도의 외부 히터 없이 매우 적은 양의 가스 투입 및 전력량으로 스크린에 형성되는 글로우 방전(glow discharge)를 이용한 가열, 고밀도의 원자질소 및 활성질소의 형성 및 투입 공정을 이용한 철계 합금 코팅 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로는 원자단위의 질소를 이용하여 코팅층의 최표면에 새로운 합금 코팅을 부여하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품을 제공하는 것을 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 단계를 포함하는 철계 합금 코팅 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 철계 합금은 베어링 강 또는 스테인리스 강을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계는, 팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입하는 단계, 상기 팩을 진공 챔버에 장입하는 장입 단계, 상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열하는 가열 단계 및 상기 가열 단계에서 가열이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성되는 크롬계 코팅층 형성 단계를 포함하고, 상기 팩 혼합물은 크롬계 분말, 활성제 및 불활성 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물의 크롬계 분말은 크롬(Cr) 분말, 크롬(Cr) 분말 및 철(Fe) 분말 또는 크롬(Cr) 분말, 철(Fe) 분말 및 바나듐(V) 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물은 상기 크롬계 분말 10.5 wt% 내지 52.9 wt%, 상기 활성제 0.1 wt% 내지 3 wt% 및 상기 불활성 필러 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 단계는, 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금을 진공 챔버에 장입하고 상기 철계 합금을 이중 스크린으로 커버하는 단계, 상기 진공 챔버 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원하는 이온 클리닝 단계, 상기 이중 스크린에 공정 전류를 인가하고, 상기 진공 챔버 내에 제2수소 가스 및 질소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 혼합 플라즈마가 철계 합금 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 질소 확산되어 질화층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이온 클리닝 단계는, 상기 이중 스크린에 제1전류를 인가하여 상기 진공 챔버를 가열하는 단계, 상기 진공 챔버 내에 제1수소 가스를 주입하는 단계, 상기 이중 스크린에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린 주위에 수소 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1전류는 3 A 내지 5 A이고 상기 제2전류는 5 A 내지 15 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 산화막은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 공정 전류는 20 A 내지 30 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 질소 가스 대 수소 가스의 함량비는 1:3 내지 4:1인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 질화층을 형성할 때, 상기 질화층 상에 미세 질화물이 형성되는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 미세 질화물은 Cr2N 또는 CrN을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일실시예는 철계 합금 코팅 방법으로 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품을 제공한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 팩 시멘테이션으로 크로마이징된 철계 합금 상에 스크린 플라즈마를 이용하여 질화층을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스크린 플라즈마 공정에서 스크린을 이중 구조로 사용하여 스크린 주위에 글로우 방전(glow discharge)이 고밀도로 형성될 수 있어서 히터 없이도 충분히 진공 챔버 내부를 공정 온도까지 올릴 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 스크린 플라즈마 공정에서 이온클리닝 공정을 이용하여 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 제거하여 질화 공정이 저해되지 않을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 질화층이 형성될 때 Cr2N 또는 CrN을 포함하는 미세 질화물이 형성되어 철계 합금의 전도성이 저하되지 않을 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 일반적인 스크린 플라즈마 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스크린 플라즈마 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 스크린을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Cr-Fe 코팅층 및 질화층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴 및 Cr-Fe 코팅층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 Cr-Fe-V 코팅층 및 질화층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴 및 Cr-Fe-V 코팅층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUS316-Cr-SPN)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUS316-Cr)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUS316-Cr-Fe-SPN)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 2(SUS316-Cr-Fe)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUS316-Cr-Fe-V-SPN)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 3(SUS316-Cr-Fe-V)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUS316-Cr-SPN)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUS316-Cr-SPN)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUS316-Cr)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUS316-Cr)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUS316-Cr-Fe-SPN)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUS316-Cr-Fe-SPN)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 2(SUS316-Cr-Fe)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 2(SUS316-Cr-Fe)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUS316-Cr-Fe-V-SPN)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUS316-Cr-Fe-V-SPN)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 3(SUS316-Cr-Fe-V)의 단면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 3(SUS316-Cr-Fe-V)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 다양한 실시예를 설명하기 위한 것이지, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 제1구성요소가 제2구성요소에 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 표현될 때, 이는 상기 제1구성요소가 상기 제2구성요소에 "직접적으로 연결"되거나 또는 제3구성요소를 통해 "간접적으로 연결"될 수 있다는 것을 의미한다. 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현들을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하지, 하나 또는 그 이상의 다른, 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성이 배제된다는 것을 의미하지 않는다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하, 철계 합금 코팅 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 철계 합금 코팅 방법은 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 크롬계 코팅층 상에 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 방법은, 팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입하는 단계, 상기 팩을 진공 챔버에 장입하는 장입 단계, 상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열하는 가열 단계 및 상기 가열 단계에서 가열이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성되는 크롬계 코팅층 형성 단계를 포함할 수 있다.
팩 시멘테이션으로 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하기 위해서는 먼저 팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입한다.
팩 시멘테이션은 팩 혼합물 속에 처리하고자 하는 금속 부품을 넣고 고온에서 일정 시간 가열하여 금속 부품 상에 표면층을 형성하고 동시에 금속 부품의 표면층에 확산 코팅층을 얻을 수 있는 코팅층 제조방법이다.
본 발명의 팩 시멘테이션은 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하기 위한 방법으로 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 철계 합금은 베어링 강 또는 스테인리스 강을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
베어링 강은 고탄소크롬 특수강이며, 스테인리스 강은 철의 내식성을 보완하기 위해 니켈 및 크롬 등을 함유한 합금강이다.
예를 들어, 본 발명의 철계 합금은 SUJ2 베어링 강 또는 SUS316 스테인리스 강일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물은 크롬계 분말, 활성제 및 불활성 필러를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 팩 혼합물의 크롬계 분말은 크롬(Cr) 분말, 크롬(Cr) 분말 및 철(Fe) 분말 또는 크롬(Cr) 분말, 철(Fe) 분말 및 바나듐(V) 분말을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
통상적으로 크롬 금속은 경도, 내식성 및 윤활성이 우수한 특성을 나타내기 때문에, 본 발명의 상기 크롬계 분말은 크롬계 코팅층을 제조할 때 사용되는 반응물로, 철계 합금의 경도, 내식성 및 윤활성을 향상시킬 수 있는 효과가 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 활성제는 크롬계 코팅층을 이루게 될 크롬계 분말과 반응하면서 크롬계 코팅층 형성에 기여할 수 있으며, 할로겐화합물계염을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 할로겐화합물계염은 테트라플루오르붕산칼륨(KBF4), 염화암모늄(NH4Cl), 플루오르암모늄(NH4F), 플루오르소듐(NaF) 또는 염화소듐(NaCl)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
예를 들어, 본 발명의 활성제는 테트라플루오르붕산칼륨(KBF4)일 수 있다.
또한, 본 발명의 불활성 필러는 크롬계 코팅층이 형성되는 과정에서 철계 합금의 소결을 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 불활성 필러는 산화알루미늄(Al2O3), 실리카(SiO2), 탄화규소(SiC) 또는 산화크롬(Cr2O3)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
예를 들어, 본 발명의 불활성 필러는 산화알루미늄(Al2O3)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 팩 혼합물은 상기 크롬계 분말 10.5 wt% 내지 52.9 wt%, 상기 활성제 0.1 wt% 내지 3 wt% 및 상기 불활성 필러 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
여기서, 상기 크롬계 분말의 함량은 상기 팩 혼합물의 전체 함량 중 10.5 wt% 내지 52.9 wt%를 포함할 수 있다. 크롬계 분말의 함량이 10.5 wt% 미만일 경우에는 크롬계 코팅층이 너무 얇게 형성되거나 크롬계 코팅층의 내식성 정도가 목표치에 미달될 수 있어 바람직하지 않다. 반면 크롬계 분말의 함량이 52.9 wt%를 초과하면, 크롬계 분말이 불활성제와 뭉쳐지면서 철계 합금의 표면에 불필요한 물질이 첨가되고, 이에 따라 철계 합금에 지나치게 기공이 생길 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 크롬 금속 분말의 함량은 30 wt%일 수 있다.
그리고, 상기 활성제의 함량은 상기 팩 혼합물의 전체 함량 중 0.1 wt% 내지 3 wt%를 포함할 수 있다. 활성제의 함량이 0.1 wt% 미만이거나 3 wt%를 초과하면, 전술한 크롬계 분말의 함량을 고려할 때, 불균일한 크롬계 코팅층이 형성되거나 크롬계 코팅층 내부에 얼룩이 발생하여 크롬계 코팅층의 기계적 물성이 저하되는 문제가 생길 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 활성제의 함량은 1 wt%일 수 있다.
또한, 상기 불활성 필러의 함량은 상기 팩 혼합물의 전체 함량 중 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함할 수 있다. 불활성 필러의 함량이 47 wt% 미만이면 크롬계 코팅층을 이루게 될 크롬의 침투 및 확산이 원하는 정도로 이루어지지 않을 수 있고, 불활성 필러의 함량이 89.4 wt%를 초과하면, 크롬계 코팅층의 형성이 늦어져 크롬계 코팅층의 기계적 물성이 목표치에 미달될 수 있어 바람직하지 않다.
예를 들어, 본 발명의 불활성 필러의 함량은 69 wt%일 수 있다.
그 다음으로는, 상기 팩을 진공 챔버에 장입한 후, 상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열한다.
그 다음으로는, 상기 가열 과정이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성된다.
본 발명에서 크롬계 코팅층은 가열 온도가 유지되는 동안, 팩 혼합물을 이루는 성분 중 크롬계 분말이 활성제와 반응하여 크롬계 할로겐화합물 기체로 형성될 수 있고, 상기 크롬계 할로겐화합물 기체들이 철계 합금의 표면에 흡착되어 상기 철계 합금의 내부로 침투 및 확산되면서 형성될 수 있다.
본 발명에서 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성한 다음으로, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스크린 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다. 상기 스크린 플라즈마 장치는 진공 챔버(10), 이중 스크린(70), 진공 펌프(40) 및 캐소드 전원부(50)를 구비한다. 도 2가 참조되어 본 발명의 스크린 플라즈마 공정을 이용한 질화층 형성이 설명된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 방법은 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)을 진공 챔버(10)에 장입하고 상기 철계 합금(2)을 이중 스크린(70)으로 커버하는 단계, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원하는 이온 클리닝 단계, 상기 이중 스크린(70)에 공정 전류를 인가하고, 상기 진공 챔버(10) 내에 제2수소 가스 및 질소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 혼합 플라즈마가 철계 합금(2) 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 질소 확산되어 질화층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)을 진공 챔버(10)에 장입하고 상기 철계 합금(2)을 이중 스크린(70)으로 커버한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 스크린(70)을 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 이중 스크린(70)은 스크린 플라즈마 공정에서 사용하는 스크린으로서, 외통(71) 및 내통(72)으로 구성되어 있으며, 하부가 개방된 원통형의 구조를 가지고 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 이중 스크린(70)은 진공 챔버(10) 내에서 글로우 방전(glow discharge)을 발생시키는 전극 역할을 할 수 있다.
본 발명의 진공 챔버(10) 내의 철계 합금(2)을 이중 스크린(70)으로 커버하는 과정 이후에, 진공 펌프(40)을 작동시켜 진공 챔버(10) 내부의 분위기를 1×10-3 Torr 내지 1×10-1 Torr 수준의 진공도로 조성할 수 있다. 이 때, 진공 챔버(10) 내벽은 플러스(+) 상대 전하가 나타나고, 이중 스크린(70)은 마이너스(-) 상대 전하가 나타나서, 진공 챔버(10) 내벽과 이중 스크린(70) 사이에 전기장이 생성된다.
진공 챔버(10)의 진공도가 1×10-1 Torr 미만일 경우에는, 진공 챔버(10) 내의 불순물이 충분히 제거되기 어려워 바람직하지 않고, 1×10-3 Torr 이내로 진공 분위기를 조성하여도 불순물이 충분히 제거될 수 있기 때문에, 1×10-3 Torr 초과로 진공 분위기를 조성하는 것은 공정상 불필요 하므로 바람직하지 않다.
그 다음으로는, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시키는데, 이 과정을 이온클리닝이라고 한다.
구체적으로, 상기 이온클리닝 방법은, 상기 이중 스크린(70)에 제1전류를 인가하여 상기 진공 챔버(10)를 가열하는 단계, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소 가스를 주입하는 단계, 상기 이중 스크린(70)에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린(70) 주위에 수소 플라즈마를 발생시키는 단계 및 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저 이중 스크린(70)에 제1전류를 인가하면, 진공 챔버(10)의 내부 온도가 100 ℃까지 상승된다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제1전류를 인가하여 진공 챔버(10)를 100 ℃로 예열하면, 스크린 사이에서 발생하는 고밀도의 글로우(glow)를 이용하여 진공 챔버(10)가 저온에서 고온으로 온도 변화가 일어날 때 열팽창에 의한 균열을 방지할 수 있고, 상기 진공 챔버(10) 내부에 있는 탄소를 태우면서 산소 및 수분을 배출시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1전류는 3 A 내지 5 A이다. 제1전류가 상기 이중스크린(70)에 인가되어 진공 챔버(10)의 내부 온도를 100 ℃까지 가열시키는 제1전류의 세기는 3 A 내지 5 A가 바람직하다.
예를 들어, 제1전류는 5 A일 수 있다.
그 다음으로는, 상기 진공 챔버(10) 내에 제1수소를 주입한다.
본 발명의 제1수소는 수소 플라즈마를 발생시키기 위한 가스원일 수 있다.
그 다음으로는, 상기 이중 스크린(70)에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린(20) 주위에 수소 플라즈마를 발생시킨다.
구체적으로, 상기 이중 스크린(70)에 제2전류를 인가하면, 이중 스크린(70)의 외통(71) 및 내통(72) 사이에 글로우 방전(glow discharge)이 발생하여, 상기 수소 플라즈마는 이중 스크린(70)의 외통(71) 및 내통(72) 사이에 존재하는 공간(S)에 수집될 수 있다. 이에 따라, 수소 플라즈마의 밀도는 단일의 스크린 플라즈마 장치보다 고밀도로 형성될 수 있다. 따라서, 별도의 외부 히터 없이 매우 적은 양의 가스 투입 및 전력량으로 스크린에 형성되는 글로우 방전(glow discharge)을 이용하여 공정 온도까지 진공 챔버(10)의 온도를 높이는 가열 과정을 진행할 수 있다.
예를 들어, 수소 플라즈마는 Hα, Hβ 또는 Hγ를 포함하는 수소 플라즈마종을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2전류는 5 A 내지 15 A이다. 제2전류가 상기 이중스크린(70)에 인가되어 진공 챔버(10)의 내부 온도를 250 ℃까지 가열시켜 수소 플라즈마를 발생시킬 수 있는 제2전류의 세기는 5 A 내지 15 A가 바람직하다.
예를 들어, 제1전류는 15 A일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수소 플라즈마는 진공 펌프에 의한 힘으로 진공 챔버의 중심부에 위치할 수 있다.
그 다음으로는, 상기 철계 합금(2) 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거한다.
본 발명에서 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)은 진공 챔버(10)에 장입되기 전 외부 공기와 접촉하였을 때 표면에 크롬계 산화막이 형성될 수 있다.
상기 크롬계 산화막은 질화 공정을 저해하는 원인이 될 수 있으며, 철계 합금의 내식성은 좋아질 수 있으나 자기 전도성을 저하시키는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서 진공 챔버(10)의 중심부에 위치된 수소 플라즈마가 상기 크롬계 산화막과 반응하여 크롬계 산화막을 환원시켜 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 산화막은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
본 발명의 이온 클리닝 공정 다음으로는, 이중 스크린(70)에 공정 전류를 인가하고, 진공 챔버(10) 내에 제2수소 가스 및 질소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시킨다.
예를 들어, 상기 혼합 플라즈마는 질소 플라즈마 및 수소 플라즈마일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 공정 전류는 20 A 내지 30 A일 수 있다. 공정 전류가 상기 이중스크린(70)에 인가되어 진공 챔버(10)의 내부 온도를 400 ℃ 내지 500 ℃까지 가열시켜 상기 혼합 플라즈마를 발생시킬 수 있는 공정 전류의 세기는 20 A 내지 30 A가 바람직하다.
본 발명에서 상기 진공 챔버(10) 내에 제2수소 가스가 주입되면, 제2수소 가스는 진공 챔버(10) 내부가 고온 및 진공 분위기로 형성되어 있어 진공 챔버(10)에 주입되자마자 온도 및 압력의 에너지를 받아 플라즈마화 되고, 수소 플라즈마는 이중 스크린(70) 주변에 밀집된다.
예를 들어, 수소 플라즈마는 Hα, Hβ 또는 Hγ를 포함하는 수소 플라즈마종을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 질소 가스는 이온화 에너지가 수소 가스보다 상대적으로 커서 플라즈마화가 원활히 이루어지지 않는다. 그러나, 이미 플라즈마화 된 수소 플라즈마가 질소 가스와 충돌하여 질소 플라즈마를 원활히 생성할 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 수소 플라즈마는 질소 플라즈마의 유동성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어 본 발명의 질소 플라즈마는 N+, N, N2 + 또는 NH3를 포함하는 질소종을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 질소 가스 대 수소 가스의 함량비는 1:3 내지 4:1일 수 있다. 더욱 바람직하게는 철계 합금이 스테인리스 강일 경우에는 질소 가스 대 수소 가스의 함량비가 1:1 내지 4:1이 바람직하다.
상기 철계 합금이 스테인리스 강일 경우, 질소를 함유하는데 유리한 철계 합금으로, 질소 확산을 보다 더 고밀도로 수행하기 위해 질소의 함량이 수소의 함량보다 높은 1:1 내지 4:1의 질소 가스 대 수소 가스의 함량비가 바람직하다.
마지막으로, 상기 혼합 플라즈마가 철계 합금(2) 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 질소 확산되어 질화층을 형성한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 질소 플라즈마는 진공 펌프(40)의 영향력으로 진공 챔버(10)의 중심부에 위치하고, 상기 질소 플라즈마는 진공 펌프(40)가 기체를 빨아들이는 방향으로 이동하여 진공 챔버(10) 중심부에 위치하는 크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금(2)에 질화층이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성할 때, 상기 질화층 상에 미세 질화물이 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 미세 질화물은 상기 질화층이 형성될 때 자연적으로 형성되는 물질로서, 상기 크롬계 코팅층 상에 침투되지 못한 질소 플라즈마가 상기 크롬계 코팅층 표면의 크롬과 반응하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 미세 질화물은 Cr2N 또는 CrN을 포함할 수 있다.
이하, 철계 합금의 코팅 방법으로 제조된 고내식성 및 고전도도 특성을 갖는 제품에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제품은 내식성이 높은 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제품은 철계 합금에 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층이 형성되어 있어서, 내식성이 높은 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 철계 합금이 스테인리스 강일 경우, 스테인리스 강은 철의 내식성을 보완하기 위해 니켈 및 크롬 등을 함유한 합금강으로서, 이와 같은 원리를 이용하여 스테인리스 강의 내식성을 보완하기 위해 크롬계 코팅층을 형성시키면, 크롬 성분이 스테인리스 강의 내식성을 향상시킬 수 있을 것으로 추측할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제품은 전도도가 우수한 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 제품은 철계 합금에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층이 형성되어 있어, 전도도가 우수한 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 철계 합금이 스테인리스 강일 경우, 스테인리스 강 표면에는 금속 산화막이 자연적으로 형성되면서 자기보호필름(self-protective film) 역할을 한다. 상기 금속 산화막은 시간이 지날수록 점차 두꺼워지는데, 일반적인 금속 산화막은 일반적인 금속보다 전도도가 낮기 때문에 스테인리스 강의 전도도를 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 상기 금속 산화막을 제거한 후 스테인리스 강 표면에 질화층을 형성하면, 상기 금속 산화막으로 인해 전도도가 저하되는 문제가 개선될 수 있을 것으로 추측할 수 있다.
하지만, 상기 금속 산화막은 스테인리스 강의 내식성을 향상시켜주는 역할을 하는데, 스테인리스 강 상에 질화층을 바로 형성하면 스테인리스 강의 내식성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명의 철계 합금 코팅 방법인 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하고, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 방법을 이용하면, 팩 시멘테이션에 의해 내식성이 향상되고, 스크린 플라즈마 공정으로 인해 전도도가 유지되는 특성을 가지는 제품이 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 제조예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 제조예 및 실험예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
[제조예 1]
스테인리스 강(SUS316) 철계 합금에 크롬( Cr ) 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 질화 ( SPN , Screen Plasma Nitriding )층이 코팅된 철계 합금( SUS316 - Cr -SPN) 제조
1-1. 팩 시멘테이션을 이용한 크롬 코팅층 코팅
철계 모재로 SUS316을 준비한 후, 크롬 분말 30 wt%, 테트라플루오르붕산칼륨 1 wt% 및 산화알루미늄 69 wt%를 포함하는 팩 혼합물을 제조하였다. 다음으로, SUS316 및 팩 혼합물을 팩에 투입하고, 팩을 진공 챔버에 장입한 후 진공 챔버 내부를 1 Torr의 진공도로 진공화하였다. 다음으로, 진공 챔버 내부에 아르곤 가스를 3회 공급하여 퍼징을 수행하고, 공급되는 아르곤 가스의 유량을 낮추어 진공 챔버 내부가 1 기압으로 유지되게 하였다. 다음으로, 진공 챔버 내부의 온도를 1050 ℃로 설정한 상태로 10 시간을 유지하여 크롬 코팅층을 코팅하였다.
1-2. 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 크롬 코팅층이 코팅된 SUS316에 질화층 코팅
상기 크롬 코팅층이 제조된 SUS316을 진공 챔버에 장입한 후, 장입된 SUS316을 이중 스크린으로 커버하고, 상기 진공 챔버 내의 진공도를 5×10-3 Torr 수준으로 30 분간 유지한다. 이후 진공 챔버에 제1수소 가스를 500 sccm 투입하여 진공도를 0.1 Torr로 유지하도록 한다. 다음으로, 스크린에 5 A의 전류를 인가하여 스크린 사이에서 발생하는 고밀도의 글로우 방전(glow discharge)을 이용하여 진공 챔버가 저온에서 고온으로 온도 변화가 일어날 때 열팽창에 의한 균열 방지를 위해 예열한다. 다음으로, 15 A의 전류를 30 분간 인가하여 진공 챔버 내부의 온도를 250 ℃까지 상승시킨다. 연속적으로 챔버에 20 A 전류를 인가하여 진공 챔버 내부의 온도를 430 ℃까지 상승시킨 후 같은 전류를 인가한 상태에서 질소 가스 250 sccm, 제2수소 가스 250 sccm을 1 시간 동안 투입 한다. 질소 가스 및 제2수소 가스를 투입하는 과정을 1 시간 동안 수행하여 크롬 코팅층이 제조된 SUS316에 질화층이 코팅된 SUS316을 제조하였다.
[제조예 2]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철( Cr -Fe) 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 질화층이 코팅된 철계 합금( SUS316 - Cr -Fe- SPN ) 제조
상기 제조예 1에서 크롬 분말 대신 크롬 및 철 분말을 사용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철 코팅층이 코팅된 SUS316에 질화층이 코팅된 SUS316을 제조하였다.
[제조예 3]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철-바나듐( Cr -Fe-V) 코팅층을 형성한 후, 상기 코팅층 상에 질화층이 코팅된 철계 합금( SUS316 - Cr -Fe-V- SPN ) 제조
상기 제조예 1에서 크롬 분말 대신 크롬, 철 및 바나듐 분말을 사용한 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철-바나듐 코팅층이 코팅된 SUS316에 질화층이 코팅된 SUS316을 제조하였다.
[비교예 1]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬 코팅층이 코팅된 철계 합금( SUS316 - Cr ) 제조
상기 제조예 1에서 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬 코팅층이 코팅된 SUS316을 제조하였다.
[비교예 2]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철 코팅층이 코팅된 철계 합금( SUS316 - Cr -Fe) 제조
상기 제조예 2에서 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철 코팅층이 코팅된 SUS316을 제조하였다.
[비교예 3]
스테인리스 강 철계 합금에 크롬-철-바나듐 코팅층이 코팅된 철계 합금(SUS316-Cr-Fe-V) 제조
상기 제조예 3에서 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 것을 제외하고는 동일한 조건으로 수행하여 크롬-철-바나듐 코팅층이 코팅된 SUS316을 제조하였다.
[실험예 1]
SUS316 -크롬계 코팅층- SPN 및 SUS316 -크롬계 코팅층의 결정구조 분석
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정으로 제조된 코팅층이 존재하는 SUS316의 결정구조를 확인하기 위하여 X-선 회절분석을 실시하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Cr-Fe 코팅층 및 질화층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴 및 Cr-Fe 코팅층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 Cr-Fe-V 코팅층 및 질화층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴 및 Cr-Fe-V 코팅층이 형성된 SUS316의 X-선 회절패턴을 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층을 형성한 후 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정으로 질화층을 코팅한 SUS316은 크롬계 코팅층만 형성된 SUS316과 상이한 결정구조를 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 결과로, 본 발명의 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 팩 시멘테이션으로 형성된 크롬계 코팅층 표면에 코팅되는 질화층을 형성할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정을 SUS316에 코팅층을 제조하기 위한 공정으로 함께 수행할 수 있는 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 2]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정으로 제조된 코팅층을 포함하는 SUS316의 표면 형상 분석
코팅층이 형성된 SUS316의 표면 형상을 분석하기 위하여, 코팅층이 형성되어 있는 SUS316을 마운팅(mounting)하고 연마하여 샘플을 제작한 후 광학 현미경(Optical Microscope)을 사용하여 상기 샘플을 관찰하였다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUS316-Cr-SPN)의 표면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUS316-Cr)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다. 또한, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUS316-Cr-Fe-SPN)의 표면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 2(SUS316-Cr-Fe)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다. 또한, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUS316-Cr-Fe-V-SPN)의 표면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 3(SUS316-Cr-Fe-V)의 표면 형상을 나타낸 이미지이다.
도 6 내지 도 11을 참조하면, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 코팅층이 형성된 제조예 1, 제조예 2 및 제조예 3의 결정립 크기가 팩 시멘테이션만으로 코팅층이 형성된 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 3보다 각각 작은 것을 확인하였다.
이러한 결과로, 팩 시멘테이션으로 크롬계 코팅층을 형성한 후, 상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층이 형성된 SUS316이 팩 시멘테이션만으로 크롬계 코팅층만 형성된 SUS316보다 표면이 치밀하게 형성되는 것으로 판단할 수 있다.
[실험예 3]
팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정으로 제조된 코팅층을 포함하는 SUS316의 단면 형상 및 코팅층의 원소 함량 분석
코팅층이 형성된 SUS316의 단면 형상 및 깊이에 따른 원소 함량을 분석하기 위하여 코팅층을 포함하는 SUS316을 마운팅(mounting)한 후 왕수로 에칭하여 단면이 드러난 샘플을 제작하였다. 상기 샘플의 단면 형상을 광학 현미경(Optical Microscope)을 사용하여 분석하였고, 글로우 방전 분광분석법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GD-OES)으로 원소 함량 분석을 실시하였다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUS316-Cr-SPN)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 1(SUS316-Cr-SPN)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUS316-Cr)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 1(SUS316-Cr)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, SUS316 표면에 존재하는 코팅층의 두께는 차이가 없지만, 크롬 코팅층 및 질화층이 존재하는 제조예 1의 최표면에서 질소 원소의 함량이 10 wt% 이상 존재하는 것을 확인하였다. 또한, 팩 시멘테이션으로 SUS316에 크롬 코팅층을 제조하면 40 μm 이상의 두께로 형성되는 것을 확인하였다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUS316-Cr-Fe-SPN)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 2(SUS316-Cr-Fe-SPN)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 2(SUS316-Cr-Fe)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 2(SUS316-Cr-Fe)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 16 내지 도 19를 참조하면, SUS316 표면에 존재하는 코팅층의 두께는 차이가 없지만, 크롬-철 코팅층 및 질화층이 존재하는 제조예 2의 코팅층이 크롬-철 코팅층만 존재하는 비교예 2의 코팅층보다 더 치밀하게 형성되어 있는 것을 확인하였다. 또한, 크롬-철 코팅층 및 질화층이 존재하는 제조예 2의 최표면에서 질소 원소의 함량이 10 wt% 이상 존재하며, 팩 시멘테이션으로 SUS316에 크롬-철 코팅층을 제조하면 20 μm 이상의 두께로 형성되는 것을 확인하였다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUS316-Cr-Fe-V-SPN)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 제조예 3(SUS316-Cr-Fe-V-SPN)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 3(SUS316-Cr-Fe-V)의 단면 형상을 나타낸 이미지이고, 도 23은 본 발명의 일실시예에 따른 비교예 3(SUS316-Cr-Fe-V)의 깊이에 따른 원소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 20 내지 도 23을 참조하면, SUS316 표면에 존재하는 코팅층의 두께는 차이가 없지만, 크롬 코팅층 및 질화층이 존재하는 제조예 3의 최표면에서 질소 원소의 함량이 10 wt% 이상 존재하며, 질화층의 두께는 3 μm 이상인 것으로 확인하였다. 또한, 팩 시멘테이션으로 SUS316에 크롬-철-바나듐 코팅층을 제조하면 5 μm 이상의 두께로 형성되는 것을 확인하였다.
이러한 결과를 바탕으로, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 크롬계 코팅층 및 질화층을 형성할 수 있는 것을 확인하였다. 또한, 스크린 플라즈마 공정에 의해 제조된 질화층은 매우 얇게 형성되어 있어서 광학 현미경 수준으로 판단하기 어려운 것으로 확인하였다. 이는, 스테인리스 강의 내부 조직에 열적 변형 등의 영향을 주지 않게 하기 위해 스크린 플라즈마를 430 ℃ 수준의 낮은 온도로 진행하여 질화층의 두께가 얇은 것으로 판단할 수 있다. 상기 질화층은 광학 현미경 수준으로 존재의 유무를 판단하기 어렵지만, 글로우 방전 분광분석법을 이용한 코팅층의 두께에 따른 원소 함량 분석을 실시한 결과, 질소 원소의 함량이 코팅층 최표면에 존재하는 것으로 보아, 철계 합금의 크롬계 코팅층 상에 질화층이 형성된 것으로 판단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조예 및 실험예를 참조하면, 팩 시멘테이션 및 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 철계 합금 상에 크롬계 코팅층 및 질화층을 제조할 수 있고, 상기 크롬계 코팅층은 40 μm 이상의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 질화층은 매우 얇은 두께로 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 스크린 플라즈마 장치
10 : 진공 챔버
20 : 스크린
30 : 히터
40 : 진공 펌프
50 : 캐소드 전원부
60 : 히터 전원부
70 : 이중 스크린
71 : 외통
72 : 내통
2 : 철계 합금

Claims (15)

  1. 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성하는 단계는,
    크롬계 코팅층이 코팅된 철계 합금을 진공 챔버에 장입하고 상기 철계 합금을 이중 스크린으로 커버하는 단계;
    상기 진공 챔버 내에 제1수소 가스를 주입하여 상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원하는 이온 클리닝 단계;
    상기 이중 스크린에 공정 전류를 인가하고, 상기 진공 챔버 내에 제2수소 가스 및 질소 가스를 주입하여 혼합 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    상기 혼합 플라즈마가 철계 합금 표면에 형성된 크롬계 코팅층 상에 질소 확산되어 질화층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 철계 합금은 베어링 강 또는 스테인리스 강을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 크롬계 코팅층은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 팩 시멘테이션을 이용하여 철계 합금 표면에 크롬계 코팅층을 형성하는 단계는,
    팩(pack)에 철계 합금 및 팩 혼합물을 투입하는 단계;
    상기 팩을 진공 챔버에 장입하는 장입 단계;
    상기 진공 챔버에 장입된 팩을 가열하는 가열 단계; 및
    상기 가열 단계에서 가열이 유지되는 동안 상기 철계 합금에 크롬계 코팅층이 형성되는 크롬계 코팅층 형성 단계;를 포함하고,
    상기 팩 혼합물은 크롬계 분말, 상기 크롬계 분말과 반응하면서 상기 크롬계 코팅층 형성에 기여하는 활성제 및 상기 철계 합금의 소결을 방지하는 불활성 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 팩 혼합물의 크롬계 분말은 크롬(Cr) 분말, 크롬(Cr) 분말 및 철(Fe) 분말 또는 크롬(Cr) 분말, 철(Fe) 분말 및 바나듐(V) 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 팩 혼합물은 상기 크롬계 분말 10.5 wt% 내지 52.9 wt%, 상기 활성제 0.1 wt% 내지 3 wt% 및 상기 불활성 필러 47 wt% 내지 89.4 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 클리닝 단계는,
    상기 이중 스크린에 제1전류를 인가하여 상기 진공 챔버를 가열하는 단계;
    상기 진공 챔버 내에 제1수소 가스를 주입하는 단계;
    상기 이중 스크린에 제2전류를 인가하여 상기 이중 스크린 주위에 수소 플라즈마를 발생시키는 단계; 및
    상기 철계 합금 상에 존재하는 크롬계 산화막을 환원시켜 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1전류는 3 A 내지 5 A이고 상기 제2전류는 5 A 내지 15 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 크롬계 산화막은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 및 철(Fe) 또는 크롬(Cr), 철(Fe) 및 바나듐(V)을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 공정 전류는 20 A 내지 30 A인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 질소 가스 대 제2 수소 가스의 함량비는 1:3 내지 4:1인 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 크롬계 코팅층 상에 스크린 플라즈마 공정을 이용하여 질화층을 형성할 때, 상기 질화층 상에 미세 질화물이 형성되는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 미세 질화물은 Cr2N 또는 CrN을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 합금 코팅 방법.
  15. 삭제
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