KR102508455B1 - manufacturing method for propeller having plasma nano nitride layer - Google Patents

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Abstract

내식성 및 내마모도가 개선되도록, 본 발명은 중앙부에 동력축이 연결되는 회전몸체부 및 상기 회전몸체부의 외주면에 원주방향을 따라 방사상으로 연장되는 복수개의 날개부를 포함하는 프로펠러본체가 챔버 내부에 구비된 지그에 안착되고, 상기 챔버 내부에 질소 이온이 생성되도록 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 상기 프로펠러본체가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열되는 제1단계; 상기 프로펠러본체가 기설정된 시간동안 상기 제1온도로 지속 가열되되 상기 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 질소 이온이 생성되고 상기 프로펠러본체의 표면에 나노질화층이 적층 형성되는 제2단계; 및 상기 프로펠러본체가 상기 제1온도에서 상기 제1온도보다 낮은 제2온도로 냉각됨에 따라 상기 프로펠러본체 표면에 상기 나노질화층이 최종 형성되는 제3단계를 포함하는 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법을 제공한다.In order to improve corrosion resistance and abrasion resistance, the present invention is a jig provided inside the chamber with a propeller body including a rotary body to which a power shaft is connected to the central portion and a plurality of wings extending radially along the circumferential direction on the outer circumferential surface of the rotary body. A first step in which nitrogen gas is injected into the chamber to generate nitrogen ions in the chamber and heated until the propeller body reaches a predetermined first temperature; While the propeller body is continuously heated to the first temperature for a predetermined time, nitrogen ions are generated by the plasma generated by applying a voltage to the electrode provided in the chamber, and a nano-nitride layer is laminated on the surface of the propeller body. Step 2; and a third step of finally forming the nano-nitride layer on the surface of the propeller body as the propeller body is cooled from the first temperature to a second temperature lower than the first temperature. A manufacturing method is provided.

Description

플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법{manufacturing method for propeller having plasma nano nitride layer}Manufacturing method for propeller having plasma nano nitride layer {manufacturing method for propeller having plasma nano nitride layer}

본 발명은 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내식성 및 내마모도가 개선되는 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer, and more particularly, to a method for manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer having improved corrosion resistance and wear resistance.

일반적으로 선박용 프로펠러는 염수에 의한 전기화학적 부식뿐만 아니라 추진력 확보 과정에서 자연적으로 생기는 압력차에 의한 캐비티(Cavity)가 발생하고 캐비티의 성장과 활성화에 의해 캐비테이션(Cavitation) 현상이 발생한다.In general, ship propellers generate cavities due to pressure differences that occur naturally in the process of securing propulsion as well as electrochemical corrosion by salt water, and cavitation occurs due to the growth and activation of cavities.

여기서, 캐비테이션은 국부적으로 1만 켈빈(K) 온도 이상의 에너지와 충격파를 가지고 있어 프로펠러 금속 표면이 순간적으로 고온 및 이온화와 같은 활성상태가 되고 부식과 노화에 의해 쉽게 떨어져 나가게되는 현상이 발생한다.Here, cavitation locally has energy and shock waves with a temperature of 10,000 Kelvin (K) or higher, so that the propeller metal surface instantly becomes active such as high temperature and ionization, and is easily separated by corrosion and aging.

이에 따라, 캐비테이션과 침식에 의한 표면 거칠기 가속화와, 부식된 금속이 표면으로부터 떨어져 나간 프로펠러는 물과의 마찰력 및 토크 증가에 의하여 출력 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 에너지 비용이 증가되는 심각한 문제점이 있었다. Accordingly, there are serious problems in that the surface roughness is accelerated by cavitation and erosion, and the output efficiency of the propeller in which corroded metal is separated from the surface is reduced due to increased friction and torque with water, as well as increased energy cost.

더욱이, 프로펠러 유동 및 캐비테이션에 의한 소음으로 인해 수중 소음이 발생하여 해양생태계에 악영향을 미치는 문제점이 있었다. Moreover, there is a problem in that underwater noise is generated due to noise caused by propeller flow and cavitation, which adversely affects the marine ecosystem.

따라서, 프로펠러 금속표면을 보호하여 에너지 효율을 향상시키고 프로펠러에 의한 수중 소음을 감소시키기 위한 반영구적인 프로펠러 표면처리 기술 확보가 시급한 실정이다. Therefore, it is urgent to secure a semi-permanent propeller surface treatment technology for improving energy efficiency by protecting the metal surface of the propeller and reducing underwater noise caused by the propeller.

한국 공개특허 제10-2012-0072584호Korean Patent Publication No. 10-2012-0072584

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 내식성 및 내마모도가 개선되는 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer having improved corrosion resistance and wear resistance.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 중앙부에 동력축이 연결되는 회전몸체부 및 상기 회전몸체부의 외주면에 원주방향을 따라 방사상으로 연장되는 복수개의 날개부를 포함하는 프로펠러본체가 챔버 내부에 구비된 지그에 안착되고, 상기 챔버 내부에 질소 이온이 생성되도록 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 상기 프로펠러본체가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열되는 제1단계; 상기 프로펠러본체가 기설정된 시간동안 상기 제1온도로 지속 가열되되 상기 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 질소 이온이 생성되고 상기 프로펠러본체의 표면에 나노질화층이 적층 형성됨과 동시에, 상기 챔버 내부에 크롬 분말을 포함하는 혼합제가 투입되어 상기 프로펠러본체의 표면이 크롬카바이드 코팅 처리되어 상기 나노질화층에 질소 이온 및 크롬 입자가 동시에 적층 형성되는 제2단계; 및 상기 프로펠러본체가 상기 제1온도에서 상기 제1온도보다 낮은 제2온도로 냉각됨에 따라 상기 프로펠러본체 표면에 상기 나노질화층이 최종 형성되는 제3단계를 포함하되, 상기 제2단계에서, 상기 나노질화층은 상기 프로펠러본체 표면에 배치된 메탈 입자 사이로 상기 질소 이온 및 상기 크롬 입자가 혼합 침투된 확산층과, 상기 확산층의 표면에 상기 질소 이온 및 상기 크롬 입자가 혼합된 표면층을 포함하고, 상기 제1단계에서 상기 프로펠러본체는 스테인레스스틸 재질로 구비되며 상기 제1온도는 1,000~1,100℃로 설정되되, 상기 제2단계에서 상기 기설정된 시간은 28~32시간으로 설정되며, 상기 챔버 내부의 압력이 10~30bar로 설정되고, 상기 제3단계에서 상기 제2온도는 300℃ 이하로 설정되며, 상기 제1단계는, 상기 챔버 내부가 진공화되는 진공화 단계와, 상기 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계와, 상기 불활성기체가 충진된 상태의 상기 챔버 내부에 질소 가스가 주입되는 단계를 포함하고, 상기 제1단계는, 상기 챔버 내부가 상기 제1온도보다 높은 제3온도로 예열되는 예열 단계를 더 포함하되, 상기 제3온도는 530~550℃로 설정됨을 특징으로 하는 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention has a propeller body including a rotating body portion connected to a power shaft in the central portion and a plurality of wings extending radially along the circumferential direction on the outer circumferential surface of the rotating body portion provided inside the chamber A first step of being seated on a jig, injecting nitrogen gas into the chamber to generate nitrogen ions in the chamber, and heating the propeller body until it reaches a predetermined first temperature; While the propeller body is continuously heated to the first temperature for a predetermined time, nitrogen ions are generated by plasma generated by applying a voltage to an electrode provided in the chamber, and a nano-nitride layer is laminated on the surface of the propeller body; At the same time, a second step in which a mixture containing chromium powder is introduced into the chamber and the surface of the propeller body is coated with chromium carbide to form nitrogen ions and chromium particles simultaneously on the nano-nitride layer; And a third step of finally forming the nano-nitride layer on the surface of the propeller body as the propeller body is cooled from the first temperature to a second temperature lower than the first temperature, wherein in the second step, the The nano-nitride layer includes a diffusion layer in which the nitrogen ions and the chromium particles are mixed and permeated between metal particles disposed on the surface of the propeller body, and a surface layer in which the nitrogen ions and the chromium particles are mixed on the surface of the diffusion layer. In the first step, the propeller body is made of stainless steel, the first temperature is set to 1,000 to 1,100 ° C, and the preset time is set to 28 to 32 hours in the second step, and the pressure inside the chamber is It is set to 10 to 30 bar, and in the third step, the second temperature is set to 300 ° C or less, and the first step is a vacuum step of vacuuming the inside of the chamber, and containing argon inside the chamber A purging step of filling with an inert gas, and a step of injecting nitrogen gas into the chamber filled with the inert gas, wherein the first step includes a third temperature in which the inside of the chamber is higher than the first temperature. It further includes a preheating step of preheating to, but the third temperature is set to 530 ~ 550 ℃ provides a method for manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer formed thereon.

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상기의 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.Through the above solution, the present invention provides the following effects.

첫째, 진공에서 프로펠러본체가 기설정된 시간동안 제1온도로 가열되고 플라즈마화된 질소 이온이 표면에 침투됨에 따라 나노질화층이 적층 형성되어 운항시 유체 속도 및 압력 변화에 의한 캐비테이션 발생시에도 프로펠러본체의 표면에 형성된 나노질화층에 의해 보호되므로 내식성 및 내마모성이 현저히 개선될 수 있다. First, in a vacuum, the propeller body is heated to a first temperature for a predetermined time, and as plasma-generated nitrogen ions penetrate the surface, a nano-nitride layer is laminated to form a propeller body even when cavitation occurs due to fluid velocity and pressure change during operation. Since it is protected by the nano-nitride layer formed on the surface, corrosion resistance and wear resistance can be remarkably improved.

둘째, 제1온도가 1,000~1,100℃로 설정되며 기설정된 시간이 28~32시간으로 설정됨에 따라 최적의 생산성 및 경제성을 가지면서도 프로펠러본체 표면에 형성된 나노질화층의 표면경도 및 두께가 증가되므로 제조정밀성이 개선될 수 있다.Second, as the first temperature is set to 1,000 ~ 1,100 ℃ and the preset time is set to 28 ~ 32 hours, the surface hardness and thickness of the nano-nitride layer formed on the surface of the propeller body increase while having optimal productivity and economy. Precision can be improved.

셋째, 챔버 내부에 질소 가스가 주입되기 전에, 챔버 내부가 진공화되는 진공화 단계와, 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계가 수행되므로 챔버 내부의 불순물이 제거되어 프로펠러본체 표면에 적층 형성되는 나노질화층의 순도 및 품질이 현저히 개선될 수 있다.Third, before nitrogen gas is injected into the chamber, a vacuuming step in which the inside of the chamber is evacuated and a purging step in which an inert gas containing argon is filled in the chamber are performed, so that impurities inside the chamber are removed to remove the surface of the propeller body. The purity and quality of the nano-nitride layer formed on the stack can be remarkably improved.

넷째, 프로펠러본체가 제1온도로 지속 가열시, 플라즈마에 의해 생성된 질소 이온과, 투입된 크롬 입자가 프로펠러본체의 표면의 메탈 입자 사이로 혼합 침투된 확산층이 형성되어 프로펠러본체와 나노질화층 간의 밀착력이 증가되므로 기공 및 크랙이 최소화된 치밀한 나노질화층을 형성하여 제조정밀성이 개선될 수 있다. Fourth, when the propeller body is continuously heated to the first temperature, a diffusion layer in which the nitrogen ions generated by the plasma and the injected chromium particles are mixed and penetrated between the metal particles on the surface of the propeller body is formed, so that the adhesion between the propeller body and the nano-nitride layer is improved. Therefore, manufacturing precision can be improved by forming a dense nano-nitride layer with minimized pores and cracks.

다섯째, 프로펠러본체의 표면이 예열된 챔버 내에서 가열되므로 스크린 타입으로 구비되는 전극 표면에 탄화물의 발생이 최소화되며 프로펠러본체의 표면에 나노질화층의 형성이 더욱 치밀하게 형성될 수 있다. Fifth, since the surface of the propeller body is heated in the preheated chamber, the generation of carbides on the surface of the screen-type electrode is minimized, and the nano-nitride layer can be more densely formed on the surface of the propeller body.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법에 따라 제조된 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법에서 공정단계에 따른 가열온도를 나타낸 예시도.1 is a flow chart showing a method of manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exemplary view showing a propeller having a plasma nano-nitride layer formed according to the method for manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an exemplary view showing the heating temperature according to the process step in the manufacturing method of the propeller on which the plasma nano-nitride layer is formed according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법에 따라 제조된 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러를 나타낸 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법에서 공정단계에 따른 가열온도를 나타낸 예시도이다. 1 is a flow chart showing a method of manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a manufacturing method of a propeller having a plasma nano-nitride layer according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is an exemplary view showing a heating temperature according to process steps in a method for manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법은 프로펠러본체가 챔버 내부에 구비된 지그에 안착되고 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 프로펠러본체가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열(s10), 프로펠러본체가 기설정된 시간동안 제1온도로 지속 가열되되 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 질소 이온이 생성되고 프로펠러본체의 표면에 나노질화층이 적층 형성(s20) 및 프로펠러본체가 제1온도에서 제1온도보다 낮은 제2온도로 냉각(s30)의 일련의 단계를 포함한다. As shown in FIGS. 1 to 8, in the method of manufacturing a propeller having a plasma nano-nitride layer according to an embodiment of the present invention, the propeller body is seated on a jig provided inside the chamber, nitrogen gas is injected into the chamber, and the propeller The main body is heated until it reaches the first predetermined temperature (s10), the propeller body is continuously heated to the first temperature for a predetermined time, and nitrogen ions are generated by the plasma generated by applying a voltage to the electrode provided in the chamber, A series of steps of forming a nano-nitride layer on the surface of the propeller body (s20) and cooling the propeller body from a first temperature to a second temperature lower than the first temperature (s30) are included.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러(100)는 중앙부에 동력축이 연결되는 회전몸체부(10) 및 상기 회전몸체부(10)의 외주면에 원주방향을 따라 방사상으로 일체로 연장되는 복수개의 날개부(20)를 포함하는 프로펠러본체(10,20)와, 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 적층 형성되는 나노질화층(30)을 포함한다. 즉, 상기 회전몸체부(10) 및 상기 날개부(20)의 각 표면에 상기 나노질화층(30)이 연속적으로 코팅된다. 이때, 본 발명의 일실시예에서 상기 회전몸체부(10) 및 상기 날개부(20)를 포함하는 상기 프로펠러본체(10,20)가 스테인레스스틸(SUS) 재질로서 구비되는 경우를 예로써 도시 및 설명한다. 물론, 경우에 따라 프로펠러본체가 스테인레스 스틸 재질 이외의 금속 재질로 구비될 수도 있으며, 가장 바람직하게는 플라즈마화된 상태에서 질소 이온의 침투성이 우수한 금속 재질로 구비될 수 있다. In addition, the propeller 100 having a plasma nano-nitride layer according to an embodiment of the present invention has a rotating body portion 10 to which a power shaft is connected to the central portion and a radial shape along the circumferential direction on the outer circumferential surface of the rotating body portion 10. It includes a propeller body (10, 20) including a plurality of wing parts (20) extending integrally, and a nano-nitride layer (30) laminated on the surface of the propeller body (10, 20). That is, the nano-nitride layer 30 is continuously coated on each surface of the rotating body 10 and the wing 20 . At this time, in one embodiment of the present invention, the case where the propeller bodies 10 and 20 including the rotating body 10 and the wing 20 are provided as a stainless steel (SUS) material is shown as an example and Explain. Of course, in some cases, the propeller body may be made of a metal material other than stainless steel, and most preferably, it may be made of a metal material having excellent permeability of nitrogen ions in a plasmaized state.

한편, 중앙부에 동력축이 연결되는 상기 회전몸체부(10)와, 상기 회전몸체부(10)의 외주면에 원주방향을 따라 방사상으로 연장되는 복수개의 상기 날개부(20)를 포함하는 상기 프로펠러본체(10,20)가 챔버 내부에 구비된 지그에 안착되고, 상기 챔버 내부에 질소 이온이 생성되도록 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열된다(s10).On the other hand, the propeller body including the rotating body portion 10 to which the power shaft is connected to the central portion and a plurality of wing portions 20 radially extending along the circumferential direction on the outer circumferential surface of the rotating body portion 10 (10, 20) is seated on a jig provided inside the chamber, nitrogen gas is injected into the chamber so that nitrogen ions are generated inside the chamber, and the propeller body (10, 20) reaches a preset first temperature. It is heated until (s10).

여기서, 상기 챔버에 고밀도 플라즈마 발생을 위한 전극이 구비되되, 상기 전극은 상기 챔버 내벽면을 따라 배치될 수 있으며, 상기 챔버의 상단에는 커버가 놓여져 방전되는 플라즈마 입자들을 가두고 하방으로 향하게 하여 고밀도 플라즈마와 질소 원자 이온을 형성하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 커버는 세라믹, 유리, 석영과 같은 절연체이거나, 그러한 절연체를 전극과 접하게 하고 그 위에 고온 내열성 금속을 더 배치하여 구성될 수도 있다. 더욱이, 전극과 접하는 커버가 전극과 같은 금속재일 경우, 인가전압을 교류로 하여 플로팅 방식의 방전을 일으킬 수도 있다.Here, an electrode for generating high-density plasma is provided in the chamber, the electrode may be disposed along the inner wall surface of the chamber, and a cover is placed on the top of the chamber to confine the discharged plasma particles and direct them downward to produce high-density plasma and nitrogen atom ions. At this time, the cover may be an insulator such as ceramic, glass, or quartz, or may be configured by contacting the insulator with the electrode and further disposing a high-temperature heat-resistant metal thereon. Furthermore, when the cover in contact with the electrode is made of a metal material such as the electrode, a floating discharge may be generated by applying an AC voltage.

그리고, 별도의 전압인가장치를 통해 전압을 전극에 인가하면 상기 전극으로 에워싸인 부분에 고밀도 플라즈마가 형성되고 상기 챔버 내부로 주입되는 질소가 질소 이온으로 형성되며 피처리물인 상기 프로펠러본체(10,20)는 상기 지그에 안착되어 질화처리가 수행될 수 있다. 이때, 별도의 히터를 사용하지 않고 전극에 전력을 가하여 발생되는 온도만으로 질화 처리에 필요한 온도에 도달될 수 있으며, 전극은 스크린 타입으로 구성될 수 있다.In addition, when a voltage is applied to the electrodes through a separate voltage application device, high-density plasma is formed in a portion surrounded by the electrodes, and nitrogen injected into the chamber is formed as nitrogen ions, and the propeller body (10, 20) ) may be seated on the jig and subjected to nitriding treatment. At this time, the temperature required for the nitriding process can be reached only with the temperature generated by applying electric power to the electrode without using a separate heater, and the electrode can be configured as a screen type.

한편, 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되기 이전 단계로써, 상기 챔버 내부가 진공화되는 진공화 단계가 수행될 수 있다. 이때, 펌프 등으로 구비될 수 있는 별도의 진공형성수단을 통해 상기 챔버 내부에 잔존하는 기체가 제거됨에 따라 상기 챔버 내부가 진공화될 수 있다. On the other hand, as a step before nitrogen gas is injected into the chamber, a vacuuming step in which the inside of the chamber is evacuated may be performed. At this time, the inside of the chamber may be evacuated as the gas remaining in the chamber is removed through a separate vacuum forming unit that may be provided as a pump or the like.

이어서, 상기 챔버 내부가 진공화되는 진공화 단계가 수행된 후, 상기 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계가 수행될 수 있다. 여기서, 상기 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계는 상기 진공화 단계 이후부터, 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열(s10), 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 시간동안 제1온도로 지속 가열되되 상기 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 질소 이온이 생성되고 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 나노질화층이 적층 형성(s20) 및 상기 프로펠러본체(10,20)가 제1온도에서 제1온도보다 낮은 제2온도로 냉각(s30)되는 단계 동안 동시에 수행될 수 있다.Subsequently, after a vacuuming step in which the inside of the chamber is evacuated, a purging step in which an inert gas containing argon is filled in the chamber may be performed. Here, in the purging step of filling the inside of the chamber with an inert gas containing argon, nitrogen gas is injected into the chamber after the vacuuming step, and the propeller bodies 10 and 20 reach a preset first temperature. (s10), the propeller bodies 10 and 20 are continuously heated to a first temperature for a predetermined time, and nitrogen ions are generated by the plasma generated by applying a voltage to the electrode provided in the chamber, and the propeller Simultaneously during the steps of forming a nano-nitride layer on the surfaces of the main bodies 10 and 20 (s20) and cooling the propeller bodies 10 and 20 from a first temperature to a second temperature lower than the first temperature (s30) It can be.

즉, 상기 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계는 상기 진공화 단계 이후부터 상기 프로펠러본체(10,20)가 가열된 후 상기 제1온도에서 상기 제2온도로 냉각되는 시점까지 지속적으로 수행될 수 있다.That is, the purging step of filling the inside of the chamber with an inert gas containing argon is performed from the vacuuming step to the point at which the propeller bodies 10 and 20 are heated and then cooled from the first temperature to the second temperature. can be performed continuously.

이에 따라, 상기 챔버 내부에 질소 가스가 주입되기 전에, 상기 챔버 내부가 진공화되는 진공화 단계와, 상기 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계가 수행되므로 상기 챔버 내부의 불순물이 제거되어 상기 프로펠러본체(10,20) 표면에 형성되는 나노질화층(30)의 순도 및 품질이 현저히 개선될 수 있다.Accordingly, before nitrogen gas is injected into the chamber, a vacuuming step in which the inside of the chamber is evacuated and a purging step in which an inert gas containing argon is filled in the chamber are performed, so that impurities in the chamber are removed. The purity and quality of the nano-nitride layer 30 formed on the surfaces of the propeller bodies 10 and 20 can be significantly improved.

그리고, 상기 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계 이후에 상기 불활성기체가 충진된 상태의 상기 챔버 내부에 질소 가스가 주입되는 단계가 수행될 수 있다. After the purging step of filling the chamber with an inert gas containing argon, a step of injecting nitrogen gas into the chamber filled with the inert gas may be performed.

여기서, 상기 불활성기체가 충진된 상기 챔버 내부에 질소 이온이 생성되도록 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열된다. Here, nitrogen gas is injected into the chamber so that nitrogen ions are generated in the chamber filled with the inert gas, and the propeller bodies 10 and 20 are heated until reaching a predetermined first temperature.

이때, 상기 제1온도는 1,000~1,100℃로 설정됨이 바람직하다.At this time, the first temperature is preferably set to 1,000 ~ 1,100 ℃.

상세히, 상기 제1온도가 1,000℃ 미만인 경우 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 형성되는 나노질화층(30)의 표면경도가 저하될 우려가 있으며, 상기 제1온도가 1,100℃ 초과인 경우 표면경도 증가정도에 비해 가열을 위해 소요되는 전력량이 급격히 증가되므로 생산성 및 경제성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 제1온도가 1,000~1,100℃로 설정됨에 따라 최적의 생산성 및 경제성을 가지면서도 높은 표면경도를 갖는 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 형성된 나노질화층(30)이 형성될 수 있다. In detail, when the first temperature is less than 1,000 ° C, there is a possibility that the surface hardness of the nano-nitride layer 30 formed on the surface of the propeller body 10, 20 is reduced, and when the first temperature exceeds 1,100 ° C Since the amount of power required for heating increases rapidly compared to the degree of increase in surface hardness, productivity and economic feasibility may deteriorate. Therefore, as the first temperature is set to 1,000 to 1,100 ° C., the nano-nitride layer 30 formed on the surfaces of the propeller bodies 10 and 20 having optimal productivity and economic feasibility and high surface hardness can be formed. there is.

한편, 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 시간동안 상기 제1온도로 지속 가열되되 상기 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 질소 이온이 생성되고 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 나노질화층(30)이 적층 형성된다(s20).Meanwhile, while the propeller bodies 10 and 20 are continuously heated to the first temperature for a predetermined time, nitrogen ions are generated by plasma generated by applying a voltage to an electrode provided in the chamber, and the propeller body 10, 20), a nano-nitride layer 30 is laminated on the surface (s20).

이때, 상기 기설정된 시간은 28~32시간으로 설정되며, 상기 챔버 내부의 압력이 10~30bar로 설정되되, 상기 전압의 크기는 1~5kV로 설정될 수 있다. At this time, the preset time is set to 28 to 32 hours, the pressure inside the chamber is set to 10 to 30 bar, and the magnitude of the voltage may be set to 1 to 5 kV.

상세히, 상기 기설정된 시간이 28시간 미만인 경우 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 형성되는 나노질화층(30)의 경화층이 얇게 형성될 우려가 있으며, 상기 기설정된 시간이 32시간 초과인 경우 경화층 증가정도에 비해 가열을 위해 소요되는 전력량이 급격히 증가되므로 생산성 및 경제성이 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 기설정된 시간이 28~32시간으로 설정됨에 따라 최적의 생산성 및 경제성을 가지면서도 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 형성되는 나노질화층(30) 두께가 증가될 수 있다. In detail, when the predetermined time is less than 28 hours, there is a concern that the hardened layer of the nano-nitride layer 30 formed on the surface of the propeller body 10, 20 may be formed thin, and the predetermined time is greater than 32 hours. In this case, since the amount of electricity required for heating is rapidly increased compared to the degree of increase in the hardened layer, productivity and economic efficiency may be lowered. Therefore, as the predetermined time is set to 28 to 32 hours, the thickness of the nano-nitride layer 30 formed on the surfaces of the propeller bodies 10 and 20 can be increased while maintaining optimum productivity and economy.

한편, 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 시간동안 상기 제1온도로 지속 가열되는 단계에서, 상기 챔버 내부에 크롬 분말을 포함하는 코팅원료, 활성제 및 충진제를 혼합한 혼합제가 투입되어 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면이 크롬카바이드 코팅 처리되는 코팅 단계가 더 수행될 수 있다. On the other hand, in the step of continuously heating the propeller bodies 10 and 20 to the first temperature for a predetermined time, a mixture of a coating raw material containing chromium powder, an activator, and a filler is introduced into the chamber, and the propeller A coating step in which the surfaces of the bodies 10 and 20 are treated with chromium carbide coating may be further performed.

즉, 상기 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 질소 이온이 생성되고 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 나노질화층(30)이 적층 형성되는 공정과, 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면이 크롬카바이드 코팅 처리되는 공정이 동시에 수행될 수 있다. 이에 따라, 상술한 두 가지의 표면처리 공정을 동시에 시행함으로서 표면처리 공정 중 발생하는 문제점을 상호 보완할 수 있는 새로운 개념의 표면처리 방법을 제공할 수 있다. That is, a process in which nitrogen ions are generated by plasma generated by applying a voltage to electrodes provided in the chamber and a nano-nitride layer 30 is laminated on the surfaces of the propeller bodies 10 and 20, and the propeller body A process in which the surface of (10, 20) is coated with chromium carbide may be performed simultaneously. Accordingly, it is possible to provide a surface treatment method of a new concept that can compensate for problems occurring during the surface treatment process by simultaneously performing the above two surface treatment processes.

상세히, 도 2를 참조하면, 스테인레스스틸 재질로서 구비된 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 상기 나노질화층(30)이 적층 형성되되, 상기 나노질화층(30)에 질소 이온(N) 뿐만 아니라 크롬 입자(C)가 동시에 적층 형성될 수 있다. 이때, 상기 나노질화층(30)은 상기 프로펠러본체(10,20) 표면에 배치된 메탈 입자(M) 사이로 상기 질소 이온(N) 크롬 입자(C)가 혼합 침투된 확산층과, 상기 혼합층의 표면에 상기 질소 이온(N) 및 상기 크롬 입자(C)가 혼합된 표면층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 질소 이온(N) 및 상기 크롬 입자(C)는 스테인레스스틸 재질의 상기 메탈 입자(M)의 크기보다 작게 형성됨으로 이해함이 바람직하다. In detail, referring to FIG. 2, the nano-nitride layer 30 is laminated on the surfaces of the propeller bodies 10 and 20 made of stainless steel, and nitrogen ions (N) are formed on the nano-nitride layer 30. In addition, the chromium particles (C) may be laminated at the same time. At this time, the nano-nitride layer 30 includes a diffusion layer in which the nitrogen ions (N) and chromium particles (C) are mixed and penetrated between the metal particles (M) disposed on the surfaces of the propeller bodies (10, 20), and the surface of the mixed layer. It may include a surface layer in which the nitrogen ions (N) and the chromium particles (C) are mixed. Here, it is preferable to understand that the size of the nitrogen ions (N) and the chromium particles (C) is smaller than that of the metal particles (M) made of stainless steel.

따라서, 스테인레스스틸 재질의 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 시간동안 상기 제1온도로 지속 가열되며 상기 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 생성된 질소 이온이 상기 프로펠러본체(10,20) 표면에 침투됨과 동시에 상기 챔버 내부에 크롬 분말을 포함하는 혼합제가 투입되어 상기 프로펠러본체의 표면이 크롬카바이드 코팅 처리됨에 따라 크롬 입자가 혼합 침투되어 상기 프로펠러본체(10,20)와 상기 나노질화층(30) 간의 밀착력이 증가됨에 따라 기공 및 크랙이 최소화된 치밀한 나노질화층(30)을 형성할 수 있다. 이를 통해, 상기 프로펠러본체(10,20)의 수중 동작시 물과의 마찰이 저감되어 에너지 효율이 개선될 수 있다. Therefore, the propeller bodies 10 and 20 made of stainless steel are continuously heated to the first temperature for a predetermined time, and nitrogen ions generated by plasma generated by applying a voltage to electrodes provided in the chamber are transferred to the propeller. At the same time as it permeates into the surface of the main bodies 10 and 20, a mixture containing chromium powder is introduced into the chamber, and as the surface of the propeller body is coated with chromium carbide, chromium particles are mixed and penetrated into the propeller body 10 and 20. As the adhesion between the nano-nitride layer 30 and the nano-nitride layer 30 increases, a dense nano-nitride layer 30 with minimized pores and cracks can be formed. Through this, friction with water is reduced during underwater operation of the propeller bodies 10 and 20, and energy efficiency can be improved.

즉, 플라즈마에 의해 생성된 상기 질소 이온(N)과, 상기 크롬 입자(C)가 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면의 메탈 입자 사이로 혼합 침투된 확산층이 형성되어 상기 프로펠러본체(10,20)와 상기 나노질화층(30) 간의 밀착력이 증가되므로 기공 및 크랙이 최소화된 치밀한 나노질화층을 형성하여 제조정밀성이 개선될 수 있다. That is, a diffusion layer in which the nitrogen ions (N) generated by the plasma and the chromium particles (C) are mixed and penetrated between the metal particles on the surface of the propeller body (10, 20) is formed, thereby forming the propeller body (10, 20). ) and the nano-nitride layer 30, since the adhesion between the nano-nitride layer 30 is increased, manufacturing precision can be improved by forming a dense nano-nitride layer with minimized pores and cracks.

그리고, 상기 전극에 1~5kV의 전압을 인가하여 플라즈마를 방전시키고, 플라즈마 방전으로 인해 고밀도의 질도 이온이 생성되어 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 흡착 및 확산되어 질화처리된다. 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 기존 질화공정 온도에 비해 상대적으로 저온에서 실시되지만 고밀도 질소이온이 생성되기 때문에 질화처리 속도가 더 빠르다. 즉, 본 발명은 공음극효과를 이용한 높은 에너지의 활성질소를 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 침투 확산시키는 질화 처리 방법으로, 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 질소화합물을 만들어 강도와 내마모성을 증가시키는 표면처리 방법을 제공할 수 있다.Then, a voltage of 1 to 5 kV is applied to the electrode to discharge plasma, and high-density nitride ions are generated due to the plasma discharge, adsorbed and diffused to the surfaces of the propeller bodies 10 and 20 to nitride. In this plasma nitriding process, since nitrogen ions form nano-sized nitrides, excellent surface roughness can be obtained. That is, the formation of the nano-sized nitride layer improves the surface roughness because there is no local heat generation due to the hollow cathode effect like the conventional nitriding treatment. In addition, the plasma nano-nitriding treatment is performed at a relatively low temperature compared to the existing nitriding process temperature, but the nitriding treatment speed is faster because high-density nitrogen ions are generated. That is, the present invention is a nitriding treatment method in which active nitrogen of high energy using the air-cathode effect permeates and diffuses into the surface of the propeller body 10 or 20, by making a nitrogen compound on the surface of the propeller body 10 or 20. It is possible to provide a surface treatment method for increasing strength and wear resistance.

그리고, 상기 프로펠러본체(10,20)가 상기 제1온도에서 상기 제1온도보다 낮은 제2온도로 냉각됨에 따라 상기 프로펠러본체(10,20) 표면에 상기 나노질화층(30)이 최종 형성된다(s30). 여기서, 상기 제2온도는 300℃ 이하로 설정됨이 바람직하다. 또한, 적층 형성된다 함은 경화층의 깊이가 증가된다는 의미로 이해함이 바람직하다. And, as the propeller bodies 10 and 20 are cooled from the first temperature to a second temperature lower than the first temperature, the nano-nitride layer 30 is finally formed on the surface of the propeller bodies 10 and 20. (s30). Here, the second temperature is preferably set to 300 °C or less. In addition, it is preferable to understand that the layered formation means that the depth of the cured layer is increased.

한편, 경우에 따라 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 상기 프로펠러본체(10,20)가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열되는 단계 이전에, 상기 챔버 내부가 상기 제1온도보다 높은 제3온도로 예열되는 예열 단계를 더 포함할 수도 있다. 이때, 상기 제3온도는 530~550℃로 설정됨이 바람직하다. On the other hand, in some cases, nitrogen gas is injected into the chamber, and prior to the step of heating the propeller bodies 10 and 20 until reaching the preset first temperature, the inside of the chamber is a third temperature higher than the first temperature. A preheating step of preheating to a temperature may be further included. At this time, the third temperature is preferably set to 530 ~ 550 ℃.

이를 통해, 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면이 예열된 상기 챔버 내에서 가열되므로 스크린 타입으로 구비되는 전극 표면에 탄화물의 발생이 최소화되며 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 상기 나노질화층(30)의 형성이 더욱 치밀하게 형성될 수 있다. Through this, since the surfaces of the propeller bodies 10 and 20 are heated in the preheated chamber, generation of carbides on the surface of electrodes provided in a screen type is minimized and the nano-nitridation is formed on the surfaces of the propeller bodies 10 and 20. Formation of the layer 30 may be formed more densely.

이처럼, 진공환경에서 상기 프로펠러본체(10,20)가 제1온도로 가열되고 플라즈마화된 질소 이온이 표면에 침투됨에 따라 상기 나노질화층(30)이 적층 형성된 후 냉각되어 최종 제조되어 운항시 유체 속도 및 압력 변화에 의한 캐비테이션 발생시에도 상기 프로펠러본체(10,20)의 표면에 형성된 상기 나노질화층(30)에 의해 보호되므로 내식성 및 내마모성이 현저히 개선될 수 있다. In this way, as the propeller bodies 10 and 20 are heated to a first temperature in a vacuum environment and plasma-generated nitrogen ions permeate the surface, the nano-nitride layer 30 is laminated and then cooled to finally manufacture the fluid during operation. Even when cavitation occurs due to changes in speed and pressure, since the nano-nitride layer 30 formed on the surfaces of the propeller bodies 10 and 20 is protected, corrosion resistance and wear resistance can be remarkably improved.

이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In this case, terms such as "include", "comprise" or "have" described above mean that the corresponding component may be present unless otherwise stated, excluding other components. It should be construed as being able to further include other components. All terms, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, should be interpreted as being consistent with the contextual meaning of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, they are not interpreted in an ideal or excessively formal meaning.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is possible to modify and implement the present invention by those skilled in the art without departing from the scope claimed in the claims of the present invention. And, such modifications fall within the scope of the present invention.

100: 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러
10: 회전몸체부 20: 날개부
30: 나노질화층100: Propeller with plasma nano-nitride layer formed
10: rotating body part 20: wing part
30: nano nitride layer

Claims (5)

중앙부에 동력축이 연결되는 회전몸체부 및 상기 회전몸체부의 외주면에 원주방향을 따라 방사상으로 연장되는 복수개의 날개부를 포함하는 프로펠러본체가 챔버 내부에 구비된 지그에 안착되고, 상기 챔버 내부에 질소 이온이 생성되도록 상기 챔버 내부로 질소 가스가 주입되며 상기 프로펠러본체가 기설정된 제1온도에 도달시까지 가열되는 제1단계;
상기 프로펠러본체가 기설정된 시간동안 상기 제1온도로 지속 가열되되 상기 챔버에 구비된 전극에 전압을 인가하여 발생된 플라즈마에 의해 질소 이온이 생성되고 상기 프로펠러본체의 표면에 나노질화층이 적층 형성됨과 동시에, 상기 챔버 내부에 크롬 분말을 포함하는 혼합제가 투입되어 상기 프로펠러본체의 표면이 크롬카바이드 코팅 처리되어 상기 나노질화층에 질소 이온 및 크롬 입자가 동시에 적층 형성되는 제2단계; 및
상기 프로펠러본체가 상기 제1온도에서 상기 제1온도보다 낮은 제2온도로 냉각됨에 따라 상기 프로펠러본체 표면에 상기 나노질화층이 최종 형성되는 제3단계를 포함하되,
상기 제2단계에서, 상기 나노질화층은 상기 프로펠러본체 표면에 배치된 메탈 입자 사이로 상기 질소 이온 및 상기 크롬 입자가 혼합 침투된 확산층과, 상기 확산층의 표면에 상기 질소 이온 및 상기 크롬 입자가 혼합된 표면층을 포함하고,
상기 제1단계에서 상기 프로펠러본체는 스테인레스스틸 재질로 구비되며 상기 제1온도는 1,000~1,100℃로 설정되되, 상기 제2단계에서 상기 기설정된 시간은 28~32시간으로 설정되며, 상기 챔버 내부의 압력이 10~30bar로 설정되고, 상기 제3단계에서 상기 제2온도는 300℃ 이하로 설정되며,
상기 제1단계는, 상기 챔버 내부가 진공화되는 진공화 단계와, 상기 챔버 내부에 아르곤을 포함하는 불활성기체가 충진되는 퍼징 단계와, 상기 불활성기체가 충진된 상태의 상기 챔버 내부에 질소 가스가 주입되는 단계를 포함하고,
상기 제1단계는, 상기 챔버 내부가 상기 제1온도보다 높은 제3온도로 예열되는 예열 단계를 더 포함하되, 상기 제3온도는 530~550℃로 설정됨을 특징으로 하는 플라즈마 나노질화층이 형성된 프로펠러의 제조방법.A propeller body including a rotary body to which a power shaft is connected to the central portion and a plurality of blades extending radially along the circumferential direction from an outer circumferential surface of the rotary body is seated on a jig provided inside the chamber, and nitrogen ions are placed inside the chamber. a first step of heating the propeller body until it reaches a predetermined first temperature;
While the propeller body is continuously heated to the first temperature for a predetermined time, nitrogen ions are generated by plasma generated by applying a voltage to an electrode provided in the chamber, and a nano-nitride layer is laminated on the surface of the propeller body; At the same time, a second step in which a mixture containing chromium powder is introduced into the chamber and the surface of the propeller body is coated with chromium carbide to form nitrogen ions and chromium particles simultaneously on the nano-nitride layer; and
A third step of finally forming the nano-nitride layer on the surface of the propeller body as the propeller body is cooled from the first temperature to a second temperature lower than the first temperature,
In the second step, the nano nitride layer is a diffusion layer in which the nitrogen ions and the chromium particles are mixed and penetrated between metal particles disposed on the surface of the propeller body, and a diffusion layer in which the nitrogen ions and the chromium particles are mixed on the surface of the diffusion layer. Including the surface layer,
In the first step, the propeller body is made of stainless steel, the first temperature is set to 1,000 to 1,100 ° C, and the preset time in the second step is set to 28 to 32 hours. The pressure is set to 10 to 30 bar, and the second temperature is set to 300 ° C or less in the third step,
The first step includes a vacuuming step in which the inside of the chamber is evacuated, a purging step in which an inert gas containing argon is filled in the chamber, and nitrogen gas is introduced into the chamber in a state in which the inert gas is filled. Including the step of injecting,
The first step further includes a preheating step in which the inside of the chamber is preheated to a third temperature higher than the first temperature, wherein the third temperature is set to 530 to 550 ° C. Manufacturing method of propeller. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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