KR20090102442A

KR20090102442A - 고온용 부품의 윤활코팅장치

Info

Publication number: KR20090102442A
Application number: KR1020080027893A
Authority: KR
Inventors: 최상훈; 김동일; 이동민
Original assignee: 한전케이피에스 주식회사
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-09-30
Also published as: JP2009235560A; CN101545092B; EP2105517A1; KR100977613B1; JP4875049B2; CN101545092A; DE602008001873D1; EP2105517B1; ATE474940T1

Abstract

본 발명은 고온용 부품의 마모 및 표면 벗겨짐(galling)으로 인한 손상을 방지하기 위해 스퍼터링 공법을 이용하여 고온용 부품의 표면에 윤활층을 형성하는 고온용 부품의 윤활코팅장치에 관한 것이다.

본 발명은, 고온용 부품이 세팅되는 세팅부와 상기 고온용 부품을 상대로 스퍼터링 공간을 형성하는 도어를 구비한 챔버, 상기 세팅부에 세팅된 고온용 부품을 회전 구동시키는 회전구동수단, 상기 챔버의 스퍼터링 공간을 진공으로 유지시키는 진공펌프, 상기 챔버의 스퍼터링 공간을 불활성 기체 분위기로 조성하는 불활성 기체 공급부, 상기 도어의 상면부와 전·후면부에 상기 고온용 부품을 향해 복수 개 설치된 타겟, 상기 타겟에 대응하도록 상기 도어의 상면부와 전·후면부에 설치되며 타겟의 원자를 방출시켜 상기 고온용 부품에 증착시키는 복수 개의 스퍼터 건, 상기 회전구동수단과 진공펌프와 불활성 기체 공급부 및 스퍼터 건을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

고온용 부품의 윤활코팅장치 {A Lubricant coating apparatus for high temperature parts}

본 발명은 발전소 등에서 사용되는 고온용 부품의 마모 및 표면 벗겨짐(galling)으로 인한 손상을 방지하기 위해 스퍼터링 공법을 이용하여 고온용 부품의 표면에 윤활층을 형성하는 고온용 부품의 윤활코팅장치에 관한 것이다.

화력발전소의 보일러관, 가스 터빈, 원자로의 스터드 볼트 등은 고온에서 사용되는 부품들이다. 이들 고온용 부품은 결합부의 높은 하중과 온도, 접촉면의 단단한 입자, 정체시간의 증가 등으로 인해 마모 및 표면 벗겨짐(galling)과 같은 손상이 발생하게 된다.

이러한 마모 및 표면 벗겨짐으로 인한 손상을 완화하기 위해, 종래에는 고착방지제(Anti-seize compound)를 고온용 부품의 표면에 도포하는 방법을 적용하고 있다. 고착방지제는 금속과 고체 윤활제의 함량이 높은 구리 베이스의 페이스트인데, 이와 같은 고착방지제의 도포만으로는 고온용 부품의 손상을 방지할 수 있는 근본적인 대책은 되지 못하고 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 그 목적은, 발전소 등의 고온 환경에서 사용되는 부품의 마모 및 표면 벗겨짐과 같은 손상을 효과적으로 방지할 수 있는 고온용 부품의 윤활코팅장치를 제공하는 데에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 구성은, 고온용 부품이 세팅되는 세팅부와 상기 고온용 부품을 상대로 스퍼터링 공간을 형성하는 도어를 구비한 챔버, 상기 세팅부에 세팅된 고온용 부품을 회전 구동시키는 회전구동수단, 상기 챔버의 스퍼터링 공간을 진공으로 유지시키는 진공펌프, 상기 챔버의 스퍼터링 공간을 불활성 기체 분위기로 조성하는 불활성 기체 공급부, 상기 도어의 상면부와 전·후면부에 상기 고온용 부품을 향해 복수 개 설치된 타겟, 상기 타겟에 대응하도록 상기 도어의 상면부와 전·후면부에 설치되며 타겟의 원자를 방출시켜 상기 고온용 부품에 증착시키는 복수 개의 스퍼터 건, 그리고 상기 회전구동수단과 진공펌프와 불활성 기체 공급부 및 스퍼터 건을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명은, 다른 부품과 접촉하는 고온용 부품의 표면에 화학적 성분 및 기계적 특성이 다른 윤활층을 형성함으로써, 고온용 부품의 마모 및 표면 벗겨짐과 같은 손상을 방지하게 된다. 따라서, 본 발명은 고온용 부품의 수리 및 복구 비용을 절감할 수 있도록 함은 물론 고온용 부품의 수명 증가와 설비 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 원자력 발전소에 설치되는 고온용 부품에 적용될 경우, 기존에 고방사선 구역에서 작업을 해야하는 어려움과 방사선 피폭의 위험성을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 윤활코팅장치의 외관을 나타낸 사시도이다.

도 2는 도 1의 윤활코팅장치에서 도어가 개방된 상태를 나타낸 사시도이다.

도 3은 도 2의 윤활코팅장치에 고온용 부품이 세팅된 상태를 나타낸 사시도이다.

도 4는 도 2의 윤활코팅장치에 설치되는 대형 부품용 세팅부와 회전구동수단을 나타낸 평면도이다.

도 5는 도 2의 윤활코팅장치에 설치되는 소형 부품용 세팅부와 회전구동수단을 나타낸 사시도이다.

도 6은 도 1의 윤활코팅장치에 고온용 부품을 이송하는 호이스트를 함께 나타낸 사시도이다.

도 7a는 도 6의 호이스트에 고온용 부품이 인양된 상태를 나타낸 도면이다.

도 7b는 도 6의 호이스트에 구비된 핸들링 클램프 부위를 확대 도시한 도면이다.

도 8은 도 6의 호이스트에 의해 고온용 부품이 윤활코팅장치에 세팅되는 상태를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 챔버 110 : 세팅부

111 : 프레임 112 : 이동패널

113 : 지그 120 : 도어

200 : 진공펌프 300 : 불활성 기체 공급부

400 : 제어부 500 : 플랫폼

600 : 회전구동수단 610 : 구동모터

620 : 구동롤러 630 : 가이드 롤러

700 : 유공압기구 810 : 접착층 타겟

820 : 윤활층 타겟 910,920 : 스퍼터 건

P : 고온용 부품

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 윤활코팅장치의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 윤활코팅장치에서 도어가 개방된 상태를 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 고온용 부품의 윤활코팅장치는, 고온용 부품(P)에 대한 스퍼터링 공정이 수행되는 챔버(100)와, 챔버(100)의 스퍼터링 공간을 진공 분위기로 유지시키는 진공펌프(200), 챔버(100)의 스퍼터링 공간을 불활성 기체 분위기로 조성하는 불활성 기체 공급부(300), 그리고 챔버(100)에서의 스퍼터링 공정을 제어하는 제어부(400) 등이 플랫폼(500)에 설치된 구성으로 이루어져 있다.

상기 구성 요소들 중에 스퍼터링 공정이 수행되는 챔버(100)는, 스퍼터링에 의해 윤활코팅이 이루어질 고온용 부품이 세팅되는 세팅부(110)와, 이 세팅부(110)에 세팅된 고온용 부품(P)을 상대로 스퍼터링 공간을 형성하게 되는 도어(120)에 의해 구성된다. 또, 챔버(100)에는 상기 세팅부(110)에 세팅된 고온용 부품(P)의 표면에 균일하게 윤활코팅이 이루어질 수 있도록 고온용 부품(P)을 회전 구동하는 회전구동수단(600)이 설치되어 있다.

상기 세팅부(110)의 구체적인 구성은, 도 4에 자세히 나타난 것처럼 프레임(111)과 이동패널(112) 및 지그(113)로 이루어진 것을 예로 들 수 있다. 프레임(111)은 고온용 부품(P)의 길이만큼 좌우로 길게 형성되어 있는데, 이 프레임(111) 상에 상기 이동패널(112)이 설치되고, 프레임(111)의 좌우 양단에 지그(113)가 설치되어 있다. 그리고, 이동패널(112)은 도면에 3개로 예시된 것처럼 복수 개로 구비되어 있으며, 이들 이동패널(112)에 상기 회전구동수단(600)이 설치된다. 특히, 이동패널(112)들이 프레임(111) 상에서 좌우로 슬라이딩 이동할 수 있도록 프레임(111)에는 좌우활주레일(111a)이 형성되어 있다. 그리고, 각각의 이동패널(112)에는 회전구동수단(600)이 전후방향으로 슬라이딩 이동할 수 있도록 전후활주레일(112a)이 형성되어 있다. 또, 상기 지그(113)는 고온용 부품(P)의 양단부를 회전가능하게 지지한다. 이와 같이, 이동패널(112)이 프레임(111) 상에서 좌우로 이동할 수 있고, 회전구동수단(600)은 이동패널(112) 상에서 전후로 이동할 수 있기 때문에, 지그(113)에 의해 지지되는 고온용 부품(P)의 크기와 형태에 따라 회전구동수단(600)의 배치 상태를 조정함으로써 고온용 부품(P)을 안정적으로 지지하면서 회전 구동할 수 있게 된다.

본 실시예의 회전구동수단(600)은 구동모터(610)와 구동롤러(620) 및 가이드 롤러(630)로 구성되어 있는데, 구동모터(610)에서 발생된 회전구동력에 의해 구동롤러(620)가 회전구동되어 고온용 부품(P)을 회전시키게 되며, 가이드 롤러(630)는 고온용 부품(P)의 회전시 이를 안정적으로 지지하게 된다. 도 4에 나타난 바와 같이, 구동롤러(620)는 중앙부의 이동패널(112)에 한 쌍이 설치되고, 가이드 롤러(630)는 좌·우측 이동패널(112)에 각각 한 쌍씩 설치된다.

상기와 같이 도 4에 예시된 세팅부(110)는 원자로 스터드 볼트와 같이 대형 부품에 적합한 구조인데, 증기발생기의 맨웨이 스터드 볼트와 같은 소형 부품에 대해서는 도 5에 예시된 세팅부(110')가 적용될 수 있다. 즉, 도 5의 세팅부(110')는 프레임(111')에 설치된 이동패널(112') 상에 소형의 고온용 부품(P')을 지지하는 지주(114')들을 구비하고 있으며, 이 지주(114')와 프레임(111') 양단부의 지그(113')에 의해 지지되는 소형의 고온용 부품(P')을 회전시키는 구동롤러(620')가 구동모터(610')와 함께 설치된 구조로 이루어져 있다. 도 4 및 도 5에 각각 예시된 세팅부(110,110')들은 볼트와 같은 통상적인 고정수단에 의해 챔버(100)에 설치되므로, 고온용 부품의 크기와 형태에 따라서 적합한 것으로 챔버(100)에 교체 설치될 수 있다.

챔버(100)의 도어(120)는 도 1 내지 도 3에 예시된 것처럼 직육면체 형태로 이루어짐으로써, 세팅부(110) 위에 닫힌 상태에서 스퍼터링 공간을 형성하게 된다. 이 도어(120)는 틸팅 힌지(121)에 의해 회전하면서 개폐되며, 도어(120)의 개폐는 플랫폼(500)의 좌우 양측에 설치된 유압실린더와 같은 통상적인 유공압기구(700)에 의해 이루어진다. 도어(120)의 개폐 여부와 개방각도의 조절을 위한 유공압기구(700)의 작동은 상기 제어부(400)에 의해 제어된다.

상기 도어(120)의 상면부와 전·후면부에는 세팅부(110)에 세팅된 고온용 부품(P)을 향해 스퍼터링을 하기 위한 타겟(810,820)들과 스퍼터 건(910,920)들이 복수 개 설치되어 있다. 즉, 도 1과 도 2에 나타난 바와 같이, 도어(120)의 내측 상면부에 총 6개의 타겟(820)이 2열로 배치되어 있고, 도어(120)의 내측 전·후면부에도 각 3개씩의 타겟(810)이 배치되어 있다. 각각의 타겟(810,820)들은 볼트(B)와 같은 체결수단에 의해 도어(120)에 조립이 된다. 이들 타겟(810,820) 중에 상면부와 전·후면부의 가운데에 각각 위치하는 타겟은 고온용 부품(P)의 좌우 길이를 따라 위치가 변경될 수 있는데, 볼트(B)를 제거한 상태에서 타겟의 프레임을 180도 회전시켜 다시 볼트(B)로 도어(120)에 조립하면 된다. 이러한 타겟(810,820)에 대응하여 타겟(810,820)으로부터 원자가 방출되어 고온용 부품(P)에 증착되도록 하는 스퍼터 건(910,920)들이 타겟(810,820)의 위치와 개수에 일치하도록 도어(120)의 상면부와 전·후면부에 구비되어 있다.

상기 타겟(810,820)들은 접착층 타겟(810)과 윤활층 타겟(820)으로 구분되어 있는데, 특히 접착층 타겟(810)은 윤활층 타겟(820)의 소재가 갖는 접착력이 약하기 때문에 고온용 부품(P)의 표면에 직접 접착되기 어려우므로 이를 보완하기 위해 고온용 부품(P)의 표면에 박막의 접착층을 형성하도록 구비되는 것이다. 접착층 타겟(810)의 소재로는 접착력이 우수한 니켈(Ni)이 사용되며, 윤활층 타겟(820)의 소재로는 마찰계수가 낮은 은팔라듐(AgPd) 합금이 사용된다. 고온용 부품(P)에 대한 스퍼터링은 접착층의 형성에 이어서 윤활층이 형성되는 순서로 이루어지는데, 상기 제어부(400)의 제어에 의해 접착층 형성시에는 윤활층 타겟(820)에 대한 스퍼터 건(920)의 파워 인가가 정지되며, 윤활층 형성시에는 접착층 타겟(810)에 대한 스퍼터 건(910)의 파워 인가가 정지된다.

한편, 상기 진공펌프(200)는 예컨대 로터리 펌프와 터보 펌프로 구성될 수 있으며, 최대 1×10^-6 torr까지 배기함으로써 챔버(100)의 스퍼터링 공간을 진공상태로 유지하게 된다. 그리고, 상기 불활성 기체 공급부(300)는 아르곤(Ar)이나 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)과 같은 순도 99.999%의 불활성 기체를 진공상태의 챔버(100) 내부로 공급함으로써, 불활성 기체에 의해 백열방전(glow discharge)이 형성되고 양이온들이 음극 바이어스된 타겟(810,820)에 충돌하여 타겟(810,820)의 원자가 고온용 부품(P)의 표면에 증착될 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성된 회전구동수단(600)과 진공펌프(200) 및 불활성 기체 공급부(300), 그리고 스퍼터 건(910,920) 등은 제어부(400)에 의해 작동이 제어됨으로써 고온용 부품(P)에 대한 윤활코팅이 이루어지게 되는데, 본 실시예의 윤활코팅장치에 의해 이루어지는 스퍼터링 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 6 및 도 7a에 예시된 것처럼, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 구성된 윤활코팅장치로 스퍼터링을 할 고온용 부품(P)을 이송하고 로딩하기 위한 호이스트(H)가 준비된다. 또한, 고온용 부품(P)의 표면에 존재하는 기름이나 먼지 등을 제거함과 아울러 스퍼터링에 의한 접착층이 고온용 부품(P)의 표면에 적절하게 형성될 수 있도록, 고온용 부품(P)은 RMS(Root Mean Square Roughness : 제곱평균 거칠기) 약 600nm 정도의 거칠기로 전처리 가공된 상태로 준비된다.

호이스트(H)는, 예컨대 챔버(100)의 세팅부에 세팅되는 개수만큼의 고온용 부품(P)을 한꺼번에 인양하여 로딩할 수 있도록 클램프(C)들을 구비하고 있다. 도 7b에는 작업자가 수작업으로 고온용 부품을 클램핑할 수 있는 통상적인 핸들링 클램프가 예시되어 있다. 클램프(C)에 의해 고정된 고온용 부품(P)은 호이스트(H)에 구비된 윈치(W)에 의해 일정한 높이로 들어올려져 윤활코팅장치의 챔버(100)로 이송된다.

이어서, 도 8에서와 같이 챔버(100)의 도어(120)가 개방된 상태에서, 세팅부(110) 위의 회전구동수단(600)에 고온용 부품(P)이 로딩된다. 그리고, 도어(120)가 닫힌 상태에서 제어부(400)의 제어에 따라 진공펌프(200)가 작동하여 챔버(100)의 스퍼터링 공간 내의 공기가 모두 배기되고, 불활성 기체 공급부(300)로부터 스퍼터링 공간으로 아르곤과 같은 불활성 기체가 공급되어 스퍼터링에 적합한 분위기가 조성된다.

챔버(100) 내의 불활성 기체 분위기 하에서 접착층 타겟(810)을 상대로 스퍼터 건(910)이 작동하면 접착층 타겟(810)의 원자들이 방출되어 고온용 부품(P)의 표면에 증착이 됨으로써 접착층이 형성된다. 이때, 윤활층 타겟(820)에 대응하는 스퍼터 건은 작동하지 않도록 제어되기 때문에 접착층 타겟(810)의 원자들만이 방출된다.

접착층 타겟(810)에 의한 접착층 형성이 완료되면, 접착층 타겟(810)을 상대로 하는 스퍼터 건(910)들은 작동이 정지되고, 윤활층 타겟(920)을 상대로 하는 스퍼터 건들이 작동되어 윤활층 타겟(920)의 원자들을 방출시킴으로써 고온용 부품(P)의 표면에 윤활층을 형성하게 된다.

위의 설명과 같이 접착 및 윤활의 증착층을 형성할 때, 타겟(810,820)으로부터 방출되어 챔버(100) 내에서 자유롭게 운동하는 원자들 중 고온용 부품에 입사된 원자들이 증착층을 형성한다. 특히, 스퍼터링된 원자들은 운동량 전달에 의해 비교적 높은 운동에너지를 가지므로, 고온용 부품의 표면에서 증착층을 형성할 때 열역학적으로 안정적인 위치로 표면확산되기 때문에 치밀한 조직을 형성하게 된다. 이렇게 형성되는 접착층 및 윤활층의 두께는 증착시간을 조절함으로써 제어할 수 있다.

한편, 도 3에서와 같이 고온용 부품(P)은 회전구동수단(600)에 의해 회전하기 때문에 고온용 부품(P)의 표면에 접착층과 윤활층이 균일하게 증착 형성된다.

일반적으로 서로 접촉하는 금속제 부품의 두 면이 금속학적으로 같은 재질로 이루어져 있으면 고온 고압에서 서로 붙으려고 하는 성질이 있는데, 본 발명에 따라 고온용 부품(P)의 표면에 형성된 윤활층은 같은 성질의 다른 부품과 직접 접촉하는 것을 원천적으로 차단하게 되므로 부품들 간에 고착되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

고온용 부품(P)의 표면에 접착층과 윤활층의 증착이 완료되면, 상기 호이스트(H)에 의해 고온용 부품(P)이 다시 클램핑되어 설치될 장소로 이송된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

고온용 부품이 세팅되는 세팅부와 상기 고온용 부품을 상대로 스퍼터링 공간을 형성하는 도어를 구비한 챔버;

상기 세팅부에 세팅된 고온용 부품을 회전 구동시키는 회전구동수단;

상기 챔버의 스퍼터링 공간을 진공으로 유지시키는 진공펌프;

상기 챔버의 스퍼터링 공간을 불활성 기체 분위기로 조성하는 불활성 기체 공급부;

상기 도어의 상면부와 전·후면부에 상기 고온용 부품을 향해 복수 개 설치된 타겟;

상기 타겟에 대응하도록 상기 도어의 상면부와 전·후면부에 설치되며 타겟의 원자를 방출시켜 상기 고온용 부품에 증착시키는 복수 개의 스퍼터 건;

상기 회전구동수단과 진공펌프와 불활성 기체 공급부 및 스퍼터 건을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어진 고온용 부품의 윤활코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 세팅부는,

상기 회전구동수단이 전후방향으로 이동할 수 있도록 설치되는 전후활주레일을 구비한 이동패널;

상기 이동패널이 좌우방향으로 이동할 수 있도록 설치되는 좌우활주레일을 구비한 프레임; 및

상기 프레임의 좌우 양단에서 상기 고온용 부품을 회전가능하게 지지하는 지그를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고온용 부품의 윤활코팅장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 세팅부는 상기 고온용 부품의 크기와 형태에 맞는 것으로 교체 가능한 것을 특징으로 하는 고온용 부품의 윤활코팅장치.
제1항에 있어서,

상기 도어를 회전 개폐하도록 상기 제어부의 제어에 의해 작동하는 유공압기구를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고온용 부품의 윤활코팅장치.
제1항에 있어서, 상기 회전구동수단은,

회전구동력을 발생시키는 구동모터;

상기 구동모터에 의해 회전되는 중앙의 구동롤러; 및

상기 구동롤러의 좌우에 위치하는 가이드 롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고온용 부품의 윤활코팅장치.
제1항에 있어서,

상기 타겟 중 일부가 상기 고온용 부품의 축방향을 따라 위치가 변경될 수 있도록 상기 도어 상에 볼트 체결되는 것을 특징으로 하는 고온용 부품의 윤활코팅장치.
제1항에 있어서,

상기 타겟 중 일부는 접착층 타겟이고, 나머지는 윤활층 타겟인 것을 특징으로 하는 고온용 부품의 윤활코팅장치.
제7항에 있어서,

상기 접착층 타겟의 소재는 니켈(Ni)이고, 상기 윤활층 타겟의 소재는 은팔라듐(AgPd) 합금인 것을 특징으로 하는 고온용 부품의 윤활코팅장치.