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KR100610645B1 - Nitriding method and apparatus using post plasma - Google Patents

Nitriding method and apparatus using post plasma Download PDF

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KR100610645B1
KR100610645B1 KR1020040111185A KR20040111185A KR100610645B1 KR 100610645 B1 KR100610645 B1 KR 100610645B1 KR 1020040111185 A KR1020040111185 A KR 1020040111185A KR 20040111185 A KR20040111185 A KR 20040111185A KR 100610645 B1 KR100610645 B1 KR 100610645B1
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plasma
gas
furnace
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김성완
문경일
변상모
이재승
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 전처리 공정으로 질화 성능을 향상시키고, 질화 촉진제를 이용하여 신속한 질화 공정을 수행하며, 스크린망에 플라즈마를 생성하여 질화능을 향상시킬 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 질화 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a nitriding method and apparatus using a post plasma to improve nitriding performance by a pretreatment process, perform a rapid nitriding process using a nitriding accelerator, and improve the nitriding performance by generating plasma in a screen network. .

이를 위한, 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법은, 시편 외부에 설치된 스크린망에 플라즈마를 생성시킨 후, 산화 및 환원성 기체에 의해 시편 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하는 표면 활성화 공정과; 상기 표면 활성화 공정을 거친 시편에 질소와 수소와 질화 촉진제를 첨가한 질화제를 투입하여 질화시키는 질화층 형성 공정과; 상기 노 내부의 온도를 떨어뜨려 질화층 형성 공정을 거친 시편을 냉각시키는 냉각 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.To this end, the nitriding method using the post plasma of the present invention includes a surface activation process of generating a plasma in a screen network provided outside the specimen and then removing residual gas and impurities on the surface of the specimen by oxidizing and reducing gas; A nitride layer forming step of nitriding by injecting a nitriding agent to which nitrogen, hydrogen, and a nitriding accelerator are added to the specimens subjected to the surface activation process; It characterized in that it comprises a cooling step of cooling the specimen passed through the nitride layer forming process by lowering the temperature inside the furnace.

또한, 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화장치는, 노 내부에 시편을 장입하여 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 장치에 있어서, 상기 시편 외부에 플라즈마가 생성되는 스크린망을 설치하고, 상기 스크린망 외측에는 다수의 가스홀을 갖는 가스관을 설치한 것을 특징으로 한다.In addition, the nitriding apparatus using the post plasma of the present invention is a device for nitriding the specimen by passing a gas through a plasma generated outside the specimen when the specimen is loaded into the furnace and heated, whereby plasma is generated outside the specimen. A screen net is installed, and a gas pipe having a plurality of gas holes is installed outside the screen net.

질화, 플라즈마, 산화, 환원, 탄소, 스크린망Nitriding, Plasma, Oxidation, Reduction, Carbon, Screening

Description

포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치{Method and apparatus for nitriding by post-plasma}Nitriding method and apparatus using post plasma {Method and apparatus for nitriding by post-plasma}

도 1은 종래 기술에 따른 질화장치의 구조를 도시한 개략도,1 is a schematic diagram showing the structure of a nitriding device according to the prior art,

도 2는 본 발명에 따른 질화 방법의 순서를 나열한 블록도,2 is a block diagram listing the order of the nitriding method according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 표면 활성화 공정의 순서를 나열한 블록도,3 is a block diagram listing the sequence of the surface activation process according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 질화장치의 구조를 도시한 개략도,4 is a schematic view showing the structure of a nitriding device according to the present invention;

도 5는 본 발명의 표면 활성화 공정에 따른 시편의 표면 형상을 나타낸 실험사진,5 is an experimental photograph showing the surface shape of the specimen according to the surface activation process of the present invention,

도 6은 본 발명의 표면 활성화 공정에 따른 표면 에너지의 변화를 나타낸 표 및 그래프선도,6 is a table and a graph showing the change in surface energy according to the surface activation process of the present invention,

도 7a, 7b는 본 발명의 표면 활성화 공정의 유무에 따른 질화 특성을 비교하여 나타낸 그래프선도 및 실험사진,7a and 7b are graph diagrams and experimental photographs comparing and comparing the nitriding characteristics with and without the surface activation process of the present invention;

도 8은 본 발명의 질화 촉진제인 프로판 함량에 따라 질화처리 후 시편의 경도 및 경화 깊이를 비교하여 나타낸 그래프선도,8 is a graph showing the hardness and cure depth of the specimen after nitriding according to the propane content of the nitriding accelerator of the present invention;

도 9는 본 발명의 질화 촉진제인 프로판 함량에 따라 시편 표면을 비교하여 나타낸 실험사진.Figure 9 is a photograph showing the comparison of the specimen surface according to the propane content of the nitriding promoter of the present invention.

*도면중 주요 부호에 대한 설명** Description of Major Symbols in Drawings *

10 - 노 20 - 스크린망10-no 20-screen net

25 - 플레이트 30 - 가스관25-plate 30-gas pipe

35 - 가스홀 40 - 가스투입부35-gas hole 40-gas injection part

50 - 전원장치 S10 - 표면 활성화 공정50-Power Supply S10-Surface Activation Process

S11 - 균질화 처리단계 S12 - 산화 처리단계S11-Homogenization Step S12-Oxidation Step

S13 - 환원 처리단계 S20 - 질화층 형성 공정S13-reduction treatment step S20-nitride layer forming process

S30 - 냉각 공정 H - 히터S30-Cooling Process H-Heater

P - 시편 PS - 플라즈마P-Specimen PS-Plasma

Vp - 진공펌프Vp-Vacuum Pump

본 발명은 전처리 공정으로 시편의 질화 성능을 향상시키고, 질화 촉진제를 이용하여 신속한 질화 공정을 수행하는 한편, 스크린망에 플라즈마를 생성하여 질화능을 향상시킬 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 질화 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention improves the nitriding performance of a specimen by a pretreatment process, and performs a rapid nitriding process using a nitriding accelerator, while generating a plasma in a screen network to improve the nitriding performance. It is about.

일반적으로, 표면 처리라 함은 금속의 표면을 아름답게 보이게 하거나, 또는 표면의 내식성이나 내마모성을 개선할 때, 표면을 경화(硬化)처리할 때 등 다양한 목적을 위하여 처리하는 경우를 말한다. In general, the surface treatment refers to a case where the treatment is performed for various purposes such as making the surface of the metal look beautiful, improving the corrosion resistance or abrasion resistance of the surface, or curing the surface.

이러한, 표면 처리 중 표면을 경화처리하는 방법으로는 침탄법, 질화법, 고 주파 열처리 등이 있는데, 이 중에서도 특히 질화법은 500~600℃ 온도범위에서 금속재료의 표면으로부터 내부로 질소를 확산 침투시켜 내마모성, 내피로성, 내식성 등을 높이는 경화 기술이다. Such hardening of the surface during surface treatment includes carburizing, nitriding, and high frequency heat treatment. Among them, in particular, nitriding method diffuses and penetrates nitrogen from the surface of the metal material to the inside in the temperature range of 500 to 600 ° C. It is a hardening technology which raises abrasion resistance, fatigue resistance, and corrosion resistance.

이와 같은 질화법은 다른 표면 경화법인 침탄법, 고주파 열처리와 달리 강의 변태점 이하의 저온에서 처리하기 때문에 열처리 변형이 적어 정밀기계부품 및 자동차 부품, 금형 등에 많이 사용되고 있다. 또한 최근에는 코팅층의 밀착력 향상과 하지층 경화에 우수한 성질을 보여 복합 열처리에 이용되는 등 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.Unlike other surface hardening methods such as carburization and high frequency heat treatment, the nitriding method is used in precision machine parts, automobile parts, molds, etc. due to less heat treatment deformation because it is processed at low temperature below the transformation point of steel. In recent years, many studies have been actively conducted, such as being used for composite heat treatment, showing excellent adhesion to the coating layer and curing of the underlying layer.

상기와 같은 특징을 갖는 질화법은 질화제 및 질화 특성에 따라 다시 가스질화, 염욕질화, 이온질화, 플라즈마 질화 등으로 나뉘어진다. Nitriding methods having the above characteristics are further divided into gas nitriding, salt bath nitriding, ion nitriding, plasma nitriding, and the like according to nitriding agents and nitriding properties.

이하 설명하면, 먼저 가스질화는 밀폐된 공간에 암모니아(NH3) 가스를 넣고 1~100시간 가량 유지하여 금속 재료에 화합물층과 질화층을 형성하는 방법으로, 제품 형상 제약이 적고 대용량에 쉽게 적용이 가능한 장점은 있으나, 전용 강종에만 적용이 가능하고 작업시간이 장시간 소요될 뿐만 아니라 유해한 암모니아 가스를 사용한다는 문제가 있다.In the following description, first, gas nitriding is a method of forming a compound layer and a nitride layer in a metal material by putting ammonia (NH 3 ) gas in a closed space for about 1 to 100 hours. There is a possible advantage, but it can be applied only to the dedicated steel grade, there is a problem that not only takes a long time working, but also uses harmful ammonia gas.

그리고, 염욕질화는 시안(CN-), 시안산(CNO-) 염을 이용하여 액상에서 금속 재료를 질화 처리하는 방법으로, 4시간 정도의 단시간에 높은 경도의 화합물층과 질화층을 상당 깊이까지 얻을 수 있고, 냉각속도가 빠르며, 강종의 제약이 없고, 설비비용이 매우 적게 드는 장점으로 인해 자동차 부품의 양산 공정에 많이 적용되 어 왔다. Then, the salt yokjil anger cyanide (CN -), cyanate (CNO -) in a way that the nitriding process is a metallic material in a liquid phase using a salt, the compound layer and the nitride layer of high hardness in a short period of time of about 4 hours to considerable depth It has been widely applied in the mass production process of automobile parts because of the advantages that can be obtained, fast cooling speed, no limitation of steel grade, and very low equipment cost.

그러나, 상기한 염욕질화는 시안(CN-), 시안산(CNO-)이 유독성 물질이므로, 환경을 오염시키는 문제가 있어 사용이 점차 줄어들고 있으며, 질화 처리된 제품에 기공이 많은 화합물층이 형성되므로 반드시 후처리가 필요한 문제가 있다.However, the salt yokjil anger cyanide (CN -) - since the toxicity characteristic material, there is a problem of environmental pollution, and is gradually reduced in use, a number of the pores in the nitriding product compound formed, cyanate (CNO) There is a problem that necessarily requires post-processing.

이에 비해, 이온질화는 환경 오염문제가 없는 질소(N) 가스를 이용하여 금속 재료를 질화 처리하는 방법으로, 공정제어가 용이하고 다양한 강종을 빠른 시간내에 질화시킬 수 있을 뿐만 아니라 가스 및 에너지 소비량이 적으며, 환경 친화적인 작업 환경으로 인해 계속하여 발전 및 사용되고 있다.On the other hand, ion nitriding is a method of nitriding metal materials using nitrogen (N) gas, which is free from environmental pollution. It is easy to control the process and can quickly nitrify various steel grades, as well as gas and energy consumption. Small, environmentally friendly working environment continues to be developed and used.

그러나, 상기한 이온질화는 처리 시편에 글로우를 직접 가하게 됨으로써, 아크에 의한 시편 표면의 손상이 있고, 시편 상호간 전계의 영향을 받게 되며, 작업 공간 내부의 온도를 균일화 시키지 못할 뿐만 아니라 미세 홀 내부에는 질화 처리가 어려운 문제가 있다.However, the ion nitriding is applied directly to the treated specimen, so that the surface of the specimen is damaged by the arc, the electric field between the specimens are affected, and not only the temperature inside the working space is uniform, but also inside the microholes. Nitriding treatment is difficult.

한편, 현대의 질화 기술은 이온질화의 품질과 가스 질화의 생산량을 목표로 발전하고 있고, 상기한 목표를 달성하기 위한 대표적인 질화 기술로는 포스트 플라즈마 질화를 들 수 있다.On the other hand, modern nitriding technology has been developed aiming at the quality of ion nitriding and the production of gas nitriding, and a representative nitriding technique for achieving the above-mentioned goal is post plasma nitriding.

상기 포스트 플라즈마(Post plasma) 질화를 설명하면, 첨부도면 도 1과 같이 시편(P) 외부에서 발생된 플라즈마에 질화용 기체를 통과시켜 시편(P)을 코팅 및 질화시키는 것으로, 노(1) 내부 중앙에 음극 전원을 갖는 기판(2)을 설치하고, 상기 기판(2) 위에 시편(P)을 구비하며, 노 내측에 히터(H)를 설치한다. 그리고, 노(1) 상부에 가스투입부(4)를 설치하고, 하부에 진공펌프(Vp)를 설치하여 시편(P) 주변에 플라즈마(PS)를 생성시킬 수 있도록 한다. 또한, 상기 기판(2)과 히터(H)에는 전원장치(5)를 통하여 전원을 공급한다.Referring to the post plasma nitriding, as illustrated in FIG. 1, the nitriding gas is passed through a plasma generated outside the specimen P to coat and nitride the specimen P, and the inside of the furnace 1. The board | substrate 2 which has a cathode power supply is installed in the center, the specimen P is provided on the board | substrate 2, and the heater H is installed in the furnace inside. In addition, the gas injection unit 4 is installed at the upper part of the furnace 1, and a vacuum pump Vp is installed at the lower part so as to generate plasma PS around the specimen P. In addition, power is supplied to the substrate 2 and the heater H through the power supply device 5.

여기서, 상기한 플라즈마(PS)를 간단하게 설명하면 원자는 수백만~수천만 온도에서 원자핵과 전자가 분리하여 그대로의 상태로 격렬하게 운동을 하여 전기적으로는 중성인 가스 상태가 되는데, 이것을 플라즈마라고 한다.Here, if the plasma (PS) is described briefly, the atoms are separated from the nucleus and the electrons at a temperature of millions to tens of millions, and are vigorously moved as they are, so that they are electrically neutral gas, which is called plasma.

이와 같이 설명된 포스트 플라즈마 질화는 플라즈마에 질화 가스를 통과시켜 시편을 질화 처리하게 됨으로써, 처리 시편에 글로우를 직접 가하지 않고 질화를 할 수 있게 된다. 따라서, 아크 등에 의한 시편의 표면 손상이 없고, 시편 형상의 제약이 없어 상기한 이온질화법의 단점을 해결할 수 있는 것이다.The post plasma nitriding described above allows nitriding treatment of the specimen by passing a nitriding gas through the plasma, thereby allowing nitriding without directly applying a glow to the treated specimen. Therefore, there is no surface damage of the specimen by the arc or the like, and there is no limitation of the shape of the specimen, so that the above-mentioned disadvantages of the ion nitriding method can be solved.

그러나, 상기 포스트 플라즈마 질화는 시편 표면에 직접 전하가 가해지지 않게 됨으로써, 이온질화법에서와 같은 이온들의 스퍼터링 효과에 의한 표면 산화막 제거 및 활성화 과정이 없기 때문에 질화의 성능이 떨어지는 문제가 있었다.However, since the post plasma nitriding is not directly applied to the surface of the specimen, there is a problem that the performance of nitriding is deteriorated because there is no surface oxide film removal and activation process due to the sputtering effect of ions as in the ion nitriding method.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 시편의 질화 처리 이전에 시편 표면을 활성화시킬 수 있는 전처리를 시행하여 질화 성능을 향상시킬 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치를 제공하는 데 있다.The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, nitriding method using a post plasma to improve the nitriding performance by performing a pre-treatment that can activate the surface of the specimen before nitriding the specimen and To provide a device.

본 발명의 다른 목적은 질화 촉진체를 첨가하여 시편을 질화 처리함으로써, 표면 경화 처리에 따른 경도값 및 경도 깊이 등을 증가시키는 동시에 보다 신속하 게 질화 공정을 수행할 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to nitrate the specimen by adding a nitride accelerator, thereby increasing the hardness value and the hardness depth according to the surface hardening treatment and simultaneously performing the nitriding process using the post plasma. A method and apparatus are provided.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마를 통과하는 라디칼들이 질화에 바로 사용되도록 함으로써, 질화의 효능을 향상시킬 수 있도록 한 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치를 제공하는 데 있다.Still another object of the present invention is to provide a method and apparatus for nitriding using a post plasma, by which radicals passing through the plasma are directly used for nitriding, thereby improving the efficacy of nitriding.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법의 구성은, 노 내부에 시편을 장입 및 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 방법에 있어서, 상기 시편 외부에 설치된 스크린망에 플라즈마를 생성시킨 후, 산화 및 환원성 기체에 의해 시편 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하는 표면 활성화 공정과; 상기 표면 활성화 공정을 거친 시편에 질소와 수소와 질화 촉진제를 첨가한 질화제를 투입하여 질화시키는 질화층 형성 공정과; 상기 노 내부의 온도를 떨어뜨려 질화층 형성 공정을 거친 시편을 냉각시키는 냉각 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.The configuration of the nitriding method using the post plasma of the present invention for achieving the above object, in the method for nitriding the specimen by passing a gas through the plasma generated outside the specimen when charging and heating the specimen inside the furnace A surface activation process of generating plasma in a screen network provided outside the specimen and then removing residual gas and impurities on the surface of the specimen by oxidizing and reducing gases; A nitride layer forming step of nitriding by injecting a nitriding agent to which nitrogen, hydrogen, and a nitriding accelerator are added to the specimens subjected to the surface activation process; It characterized in that it comprises a cooling step of cooling the specimen passed through the nitride layer forming process by lowering the temperature inside the furnace.

또한, 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화장치의 구성은, 노 내부에 시편을 장입하여 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 장치에 있어서, 상기 시편 외부에 플라즈마가 생성되는 스크린망을 설치하고, 상기 스크린망 외측에는 다수의 가스홀을 갖는 가스관을 설치한 것을 특징으로 한다.In addition, the structure of the nitriding apparatus using the post plasma of the present invention is a device for nitriding the specimen by passing a gas through a plasma generated outside the specimen when the specimen is loaded into the furnace and heated. The screen net is generated is installed, and the outside of the screen net is characterized in that the gas pipe having a plurality of gas holes is installed.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용하여 질화시키는 방법을 순서대로 나열한 것으로, 크게 표면 활성화 공정(S10)과 질화층 형성 공정(S20)과 냉각 공정(S30)으로 나뉘어진다.2 is a sequence of a method of nitriding using a post plasma of the present invention in order, and is largely divided into a surface activation step (S10), a nitride layer forming step (S20), and a cooling step (S30).

이하 설명하면, 먼저 표면 활성화 공정(S10)은 시편(P) 외부에 설치된 스크린망(20)에 플라즈마(PS)를 생성시킨 후, 산화 및 환원성 기체를 스크린망(20) 외부의 가스관을 통해 상기 플라즈마(PS)에 통과시켜 시편(P) 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하는 공정으로, 상기한 표면 활성화 공정(S10)은 3단계를 거쳐 전처리된다.Hereinafter, the surface activation process (S10) first generates a plasma (PS) in the screen net 20 installed outside the specimen (P), and then the oxidizing and reducing gas through the gas pipe outside the screen net 20 Passing through the plasma PS to remove residual gas and impurities on the surface of the specimen (P), the surface activation step (S10) is pre-treated in three steps.

즉, 상기 표면 활성화 공정(S10)은 균질화 처리단계(S11), 산화 처리단계 (S12), 환원 처리단계(S13)를 거쳐 전처리되는 것이다.That is, the surface activation step (S10) is a pretreatment through a homogenization treatment step (S11), an oxidation treatment step (S12), a reduction treatment step (S13).

이러한, 상기 표면 활성화 공정(S10)을 도 3을 통하여 설명하면, 먼저 균질화 처리단계(S11)는 노(10)내의 온도를 1×10-2 Torr의 진공 압력에서 산화 온도까지 상승시킨 후, 시편(P)의 표면을 5~10분간 균질화 처리하는 것이다.Such a surface activation step (S10) will be described with reference to FIG. 3, and the homogenization treatment step (S11) first raises the temperature in the furnace 10 to a oxidation temperature at a vacuum pressure of 1 × 10 -2 Torr, and then the specimen. The surface of (P) is homogenized for 5 to 10 minutes.

그리고, 산화 처리단계(S12)는 상기 시편(P)의 표면을 균질화 처리한 이후 즉시 10~30분간 산화성 기체(일예:아산화질소(N20))를 이용하여 산화 처리하는 것이다. 또한, 환원 처리단계(S13)는 노(10)내의 온도를 질화 온도까지 상승시킨 후, 산화 처리한 상기 시편(P)의 표면을 10~30분간 환원성 기체(일예:수소(H2))를 이용하여 환원 처리하는 것이다.In the oxidation treatment step S12, the surface of the specimen P is homogenized and immediately oxidized using an oxidizing gas (eg, nitrous oxide (N 2 O)) for 10 to 30 minutes. In addition, the reduction treatment step (S13) after raising the temperature in the furnace 10 to the nitriding temperature, the surface of the oxidized specimen (P) for 10 to 30 minutes to reduce the reducing gas (for example: hydrogen (H 2 )) It is to reduce by using.

여기서, 상기 산화 환원성 기체는 아산화질소(N20)나 물(H2O) 이외에도 공기를 적용할 수도 있으며, 동일한 역할을 하는 활성화 가스로서 삼플루오르질소(NF3) 등을 사용할 수도 있다.Here, the redox gas may be applied to air other than nitrous oxide (N 2 O) or water (H 2 O), and nitrogen trifluoride (NF 3 ) or the like may be used as an activating gas having the same role.

한편, 질화층 형성 공정(S20)은 상기 표면 활성화 공정(S10)을 거친 시편(P)에 질소와 수소와 질화 촉진제를 첨가한 질화제를 투입하여 질화 처리하는 것으로, 상기 질화제는 가스관(30)을 통해 스크린망(20)에 생성된 플라즈마(PS)에 통과시켜 시편(P)을 질화시키게 된다.On the other hand, the nitride layer forming step (S20) is a nitriding treatment by adding a nitrogen, hydrogen and nitriding promoter to the specimen (P) through the surface activation step (S10), the nitriding treatment, the nitriding agent is a gas pipe (30) By passing through the plasma (PS) generated in the screen net 20 through the) to nitriding the specimen (P).

여기서, 상기한 질화촉진제는 탄소(C)를 함유한 가스로써, 프로판(C3H8), 아세틸렌(C2H2), 메탄(CH4) 중 어느 하나를 사용하게 된다. 이 중에서 프로판(C3H8)을 사용하는 경우, 후술될 실험 결과에 따라 1.0~1.5wt%의 중량이 함유된 프로판(C3H8)을 사용하는 것이 적절하다.Here, the nitriding accelerator is a gas containing carbon (C), and any one of propane (C 3 H 8 ), acetylene (C 2 H 2 ), methane (CH 4 ). Among them, it is appropriate to use a propane (C 3 H 8), according to the experimental results which will be described later, 1.0 ~ 1.5wt% of propane (C 3 H 8) by weight is contained in the case of using a.

한편, 도 4는 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화장치를 개략적으로 도시한 것으로, 이하 설명하면, 노(10) 내측에는 히터(H)를 내장하여 시편(P)을 가열하고, 하부에는 진공펌프(Vp)를 설치하여 노(10) 내부의 분위기를 진공 상태로 변형시킨다. On the other hand, Figure 4 schematically shows a nitriding device using a post plasma of the present invention, will be described below, the furnace (10) inside the heater (H) built-in to heat the specimen (P), the lower part of the vacuum pump Vp is provided to deform the atmosphere inside the furnace 10 to a vacuum state.

그리고, 상기 노(10) 상부에는 후술될 가스관(30)으로 작용 기체를 투입하기 위한 가스투입부(40)를 설치하고, 상기 가스투입부(40)와 노(10) 사이에는 노(10) 내부의 진공도를 유지 및 측정하기 위한 바라트론 게이지(Baratron gauge)(G)와, 노(10)에 투입되는 가스의 양을 조절하기 위한 스로틀밸브(Thv)를 각각 설치한다. 또한, 상기 노(10)는 PC 등과 전기적으로 연결하여 플라즈마(PS) 및 전원 공급 상태를 실시간으로 측정함으로써, 질화 공정을 전반적으로 제어할 수 있도록 한다.In addition, a gas inlet 40 for injecting a working gas into the gas pipe 30 to be described later is installed on the furnace 10, and a furnace 10 is provided between the gas inlet 40 and the furnace 10. Baratron gauge (G) for maintaining and measuring the degree of vacuum inside, and a throttle valve (Thv) for adjusting the amount of gas to be injected into the furnace (10), respectively. In addition, the furnace 10 is electrically connected to a PC or the like to measure the plasma (PS) and the power supply state in real time, thereby allowing overall control of the nitriding process.

계속해서, 상기 노(10)의 중앙 내부에는 플레이트(25)를 설치하고, 상기 플레이트(25) 상부에 질화 처리하고자 하는 시편(P)을 구비한다. 그리고, 상기 시편(P) 외부에는 시편(P)을 커버하도록 스크린망(20)을 설치하게 되는데, 상기 스크린망(20)은 상부스크린망(20a)과 복수(본 발명에서는 2개를 적용)의 측부스크린망(20b)으로 분리 설치하여 각각의 스크린망(20)에 DC 전원의 공급이 가능하도록 한다. Subsequently, a plate 25 is installed in the center of the furnace 10, and a specimen P to be nitrided on the plate 25 is provided. Further, the screen net 20 is installed outside the specimen P to cover the specimen P. The screen net 20 is the upper screen net 20a and a plurality (in the present invention, two) Separately installed by the side screen net (20b) of each of the screen net 20 to enable the supply of DC power.

이때, 상기 스크린망(20)에 전원을 공급하는 전원장치(50)를 다수 구비하여 스크린망(20) 각각에 개별적으로 전원을 공급함으로써, 상기 스크린망(20)에 보다 높은 전류를 흐를 수 있도록 하였다. At this time, by providing a plurality of power supply device 50 for supplying power to the screen net 20 to supply power to each of the screen net 20, so that a higher current can flow to the screen net 20 It was.

이러한, 상기 스크린망(20)은 금속재로 형성하여 음극전원을 띄도록 함으로써, 상기 스크린망(20)에 플라즈마(PS)를 생성시킨다. 그리고, 상기 스크린망(20) 외부에는 산화 및 환원성 기체와 질화제가 투입되는 나선형의 가스관(30)을 설치하되, 상기 가스관(30)에는 다수의 가스홀(35)을 형성한다. 또한, 상기 가스관(30)은 노(10) 외부의 가스투입부와 연결되어 가스를 공급받는다.The screen net 20 is formed of a metal material so that the cathode power is applied to generate the plasma PS in the screen net 20. The outside of the screen net 20 is provided with a spiral gas pipe 30 into which oxidative and reducing gas and nitriding agent are injected, and a plurality of gas holes 35 are formed in the gas pipe 30. In addition, the gas pipe 30 is connected to the gas inlet outside the furnace 10 to receive the gas.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation and effect of the present invention configured as described in detail as follows.

본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치를 통하여 시편(P)에 질화 처리를 하기 위해서는 먼저, 시편(P)을 질화로 내부에 장입하게 되는데, 본 발명에서 사용된 시편(P)은 금형강 재료 STD 11, STD 61, S20C, S45C, SCM440종 중 어느 하나로 담금질(quenching) 및 뜨임(tempering) 가공하여, 경도를 일정하게 유지시킨 후, 0.3㎛의 알루미나로 경면 연마한 것이다.In order to nitrate the specimen P through the nitriding method and apparatus using the post plasma of the present invention, the specimen P is first charged into the nitriding furnace, and the specimen P used in the present invention is a mold steel material. Quenching and tempering with any one of STD 11, STD 61, S20C, S45C, and SCM440 to maintain a constant hardness, and then mirror polished with 0.3 μm of alumina.

상기 시편(P)의 장입 이후에, 노(10) 내부의 진공도를 진공펌프(Vp)를 이용하여 1×10-2 Torr로 유지시키고, 히터(H)에 전원을 공급하여 노(10) 내부의 온도를 산화 온도인 450~500℃까지 승온시킨 후, 5~10분간 시편(P)의 표면을 균질화 처리(S11)한다. 그리고, 가스홀(35)에서 유입되는 산화성 기체(일예:N2O)를 스크린망(20)에 생성된 플라즈마(PS)에 통과시켜 시편(P)의 표면을 10~30분간 산화 처리(S12)한다.After charging the specimen P, the degree of vacuum inside the furnace 10 is maintained at 1 × 10 −2 Torr using a vacuum pump Vp, and power is supplied to the heater H to supply the inside of the furnace 10. After raising the temperature to 450-500 degreeC which is an oxidation temperature, the surface of the specimen P is homogenized (S11) for 5 to 10 minutes. Then, the oxidizing gas (for example, N 2 O) flowing from the gas hole 35 passes through the plasma PS generated in the screen network 20 to oxidize the surface of the specimen P for 10 to 30 minutes (S12). )do.

상기 산화 처리 이후에 노(10) 내의 온도를 질화 온도인 400~570℃까지 승온시킨 후, 가스홀(35)에서 유입되는 환원성 기체(일예:H2)를 스크린망(20)에 생성된 플라즈마(PS)에 통과시켜 시편(P)의 표면을 10~30분간 환원 처리(S13)함으로써, 시편(P)의 표면 활성화 공정(S10)의 수행을 마치게 된다.After the oxidation treatment, the temperature in the furnace 10 is raised to 400 to 570 ° C., which is a nitriding temperature, and then a reducing gas (for example, H 2 ) flowing from the gas hole 35 is generated in the screen net 20. By passing through (PS) and reducing the surface of the specimen (P) for 10 to 30 minutes (S13), the surface activation step (S10) of the specimen (P) is completed.

이에 따른 실험결과인 도 5는 상기와 같은 표면 활성화 공정(S10)을 거친 시편(P)의 표면을 관찰한 사진으로, 표면 활성화 공정(S10)이 진행되면서 시편(P)의 표면에는 과립(granular)형태의 새로운 표면이 증가하게 되고, 이처럼 새롭게 증가한 표면의 활성화 정도를 확인하기 위해 산화 환원 시간의 경과에 따른 물에 대한 접촉각을 나타냈으며, 이에 따라 산화 환원 시간이 증가하면서 물방울은 넓게 퍼지 는 것이다.5 is a photograph of the surface of the specimen P which has undergone the surface activation process (S10) as described above. As the surface activation process (S10) proceeds, the surface of the specimen (P) is granular (granular). The new surface in the form of) is increased, and the contact angle with water is shown as the redox time elapses to confirm the activation degree of the newly increased surface. As a result, the water droplets spread widely as the redox time is increased. .

도 6은 이처럼 얻어진 물방울의 접촉각을 표면에너지 공식(

Figure 112004060933245-pat00001
)에 대입하여 얻어진 결과를 도시한 것으로, 상기한 실험예에 따르면 표면 활성화 공정(S10)을 거치기 전에 약 37mN/m였던 표면 에너지 값이 표면 활성화 공정(S10)을 거친 이후에 약 70mN/m로 대략 2배 정도 증가하게 됨을 알 수 있다. 6 is a surface energy formula (
Figure 112004060933245-pat00001
), The surface energy value of about 37mN / m before the surface activation process (S10) is about 70mN / m after the surface activation process (S10). It can be seen that about two times increase.

특히, 산화 과정을 통해 포화 값을 보이다가 환원 과정을 통해 표면에너지가 다시 상승하게 되는 상기 실험예를 통하여, 최적의 표면 활성화 공정(S10)은 적절한 산화와 환원과정으로 구성되어야 더욱 효과적임을 알 수 있는 것이다.In particular, through the above experiments in which the saturation value is shown through the oxidation process and the surface energy is increased again through the reduction process, it can be seen that the optimal surface activation process (S10) is more effective when the proper oxidation and reduction process is configured. It is.

첨부도면 도 7a는 상기와 같은 표면 활성화 공정(S10)의 유무에 따라 질화되는 특성을 비교한 그래프선도로, 먼저 표면 활성화 공정(S10)을 거치지 않은 시편(P)의 표면 경도는 770Hv이고, 경화 깊이는 30㎛이다. 반면, 표면 활성화 공정(S10)을 거친 시편(P)의 표면 경도는 1100Hv이상이고, 경화 깊이는 55㎛로, 표면 활성화 공정(S10)을 거치지 않은 시편(P)과 비교하였을 때, 표면 활성화 공정(S10)을 거친 시편(P)의 경도값이 50% 이상 증가하며, 경화 깊이도 약 2배 정도 증가하게 되는 것이다.FIG. 7A is a graph illustrating a characteristic of nitriding according to the presence or absence of the surface activation process (S10) as described above. First, the surface hardness of the specimen P without undergoing the surface activation process (S10) is 770 Hv, and cured. The depth is 30 μm. On the other hand, the surface hardness of the specimen (P) after the surface activation process (S10) is 1100Hv or more, the curing depth is 55㎛, compared to the specimen (P) without the surface activation process (S10), surface activation process The hardness value of the specimen (P) subjected to (S10) is increased by 50% or more, and the curing depth is also increased by about 2 times.

뿐만 아니라, 도 7b와 같이 표면 활성화 공정(S10)을 수행한 시편(P)의 표면은 질화물이 매우 두껍고 균일하게 형성되는 것이다. 따라서, 본 발명의 질화방법 및 장치는 산화 및 환원성 기체를 이용한 간단한 표면 활성화 공정(S10)을 통해 시편(P)의 표면층의 잔류가스 및 불순물을 제거하여 시편(P)의 표면 반응성을 높이게 됨으로써, 질화의 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.In addition, as shown in FIG. 7B, the surface of the specimen P, which has undergone the surface activation process S10, is formed with a very thick and uniform nitride. Therefore, the nitriding method and apparatus of the present invention increases the surface reactivity of the specimen P by removing residual gas and impurities from the surface layer of the specimen P through a simple surface activation process (S10) using oxidizing and reducing gas. It can improve the performance of nitriding.

한편, 상기한 표면 활성화 공정(S10) 이후에는 노(10)내의 온도를 450~570℃로 유지시킨 상태에서 노(10)내의 압력을 1∼5torr로 한 후, 1:1에서 3:1 비율의 질소와 수소와 함께 탄소 함유 가스를 첨가한 질화제를 스크린망(20)에 생성된 플라즈마(PS)에 통과시켜 약 2∼8시간 가량 시편(P)의 질화층 형성 공정(S20)을 수행하게 된다.On the other hand, after the surface activation step (S10) described above, after setting the pressure in the furnace 10 to 1-5torr while maintaining the temperature in the furnace 10 at 450 to 570 ° C, the ratio is 1: 1 to 3: 1. Nitriding agent to which the carbon-containing gas together with nitrogen and hydrogen was passed through the plasma (PS) generated in the screen net 20 to perform the nitride layer forming process (S20) of the specimen P for about 2 to 8 hours. Done.

그리고, 상기 질화층 형성 공정(S20)을 마치게 되면 노(10) 내부의 온도를 떨어뜨리는 냉각 공정(S30)을 거치게 됨으로써, 시편(P)의 질화 처리를 완성하게 되는 것이다. 이때, 질화물이 형성되는 질화층 형성 공정(S20)은 시편(P)에 핵 생성 및 성장의 거동을 보이는 것으로, 표면 활성화 공정(S10) 이후에 높아진 표면 에너지를 통하여 핵 생성을 촉진하게 되는 것이다.When the nitride layer forming step S20 is completed, the nitriding treatment of the specimen P is completed by passing through the cooling step S30 of lowering the temperature of the furnace 10. At this time, the nitride layer forming process (S20) in which the nitride is formed shows the behavior of nucleation and growth on the specimen (P), it is to promote the nucleation through the surface energy increased after the surface activation process (S10).

여기서, 질화 촉진제로 사용되는 탄소는 질화시에 강내의 질소 확산 속도를 촉진시키는 역할을 하게 됨으로써, 질화 처리속도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다. 상기한 탄소 함유 가스는 프로판(C3H8)을 적용하여 실험하였고, 프로판(C3H8)의 첨가량에 따라 질화의 특성은 달라지게 된다.Here, the carbon used as the nitriding accelerator plays a role of promoting the rate of nitrogen diffusion in the steel during nitriding, thereby significantly improving the nitriding treatment rate. Wherein a carbon-containing gas was test by applying a propane (C 3 H 8), properties of the nitride, depending on the amount of propane (C 3 H 8) is dependent.

이에 따른 실험결과인 도 8은 프로판(C3H8) 함량에 따른 표면 경도와 질화층의 두께를 비교하여 나타낸 실험사진으로, 상기한 실험예에 의해 프로판(C3H8)의 함량이 1.0~1.5wt% 중량일 때에 최고의 표면 경도와 경화 깊이를 나타내게 됨을 알 수 있다.As a result of the experiment FIG. 8 is a photograph showing the comparison of the surface hardness and the thickness of the nitride layer according to the propane (C 3 H 8 ) content, the content of propane (C 3 H 8 ) by the above experimental example is 1.0 It can be seen that when the weight is ˜1.5 wt%, the highest surface hardness and depth of cure are obtained.

더욱이, 도 9는 프로판(C3H8) 함량에 따라 시편(P)의 표면에 형성된 질화물의 특성을 비교하여 나타낸 실험사진으로, 이 또한 프로판(C3H8)의 함량이 1.0~1/5wt% 중량일 때에 가장 조밀하게 질화처리 되는 것이다. Furthermore, FIG. 9 is an experimental photograph showing the characteristics of nitrides formed on the surface of the specimen P according to the content of propane (C 3 H 8 ), and also the content of propane (C 3 H 8 ) is 1.0 ~ 1 / The most densified nitriding is at 5 wt%.

따라서, 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치는 탄소를 함유한 최적의 프로판(C3H8) 첨가량을 결정하여 시편(P)을 질화처리함으로써, 시편(P)의 질화능을 향상시킬 수 있고, 난질화재인 금형강 및 탄소강의 질화 특성을 개선할 수 있는 것이다. Therefore, the nitriding method and apparatus using the post plasma of the present invention determine the optimum amount of propane (C 3 H 8 ) addition containing carbon to nitrate the specimen (P), thereby improving the nitriding ability of the specimen (P). It is possible to improve the nitriding properties of the mold steel and carbon steel which is a refractory material.

또한, 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치는 다양한 첨가 가스와 그 가스 비율을 조절하여 질화처리함으로써, 화합물층이 없고, 표면 조도의 변화가 거의 없는 시편(P)의 질화 기술을 확보할 수 있는 것이다.In addition, the nitriding method and apparatus using the post plasma according to the present invention can secure the nitriding technique of the specimen P having no compound layer and little change in surface roughness by nitriding by adjusting various additive gases and their gas ratios. It is.

더욱이, 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치는 금속으로 된 스크린망(20)이 시편(P) 주위를 커버하고 히터(H)를 사용하여 시편(P)을 가열하므로, 에너지밀도와 온도균일도를 높이는 것은 물론 플라즈마(PS)를 통과한 활성 라디칼들이 질화에 곧바로 사용되어 질화의 효율성을 높일 수 있는 것이다.Furthermore, the nitriding method and apparatus using the post plasma of the present invention, since the metal screen net 20 covers around the specimen P and uses the heater H to heat the specimen P, energy density and temperature In addition to increasing the uniformity, the active radicals that have passed through the plasma PS are directly used for nitriding, thereby increasing the efficiency of nitriding.

뿐만 아니라, 상기한 스크린망(20)을 상부스크린망(20a)과 복수의 측부스크린망(20b)으로 각각 설치하고, 개별적인 전원장치(50)를 이용하여 상기 각각의 스크린망(20)에 DC 전원을 공급함으로써, 기존에서와 같이 하나의 전원장치로 구성되었을 때보다 높은 전류를 흐르게 하여 에너지 밀도와 에너지 효율을 더욱 높일 수 있는 것이다. 또한, 상술한 바와 같이 개별적인 전원장치(50)를 이용하여 스크린망(20)에 전원을 각각 공급하므로 전력량이 적은 전원장치(50)로도 높은 경도과 경화 깊이를 갖는 질화 시편을 확보할 수 있는 것이다.In addition, the screen net 20 is installed as an upper screen net 20a and a plurality of side screen nets 20b, respectively, and each of the screen nets 20 is connected to each of the screen nets 20 using a separate power supply device 50. By supplying power, it is possible to increase the energy density and energy efficiency by flowing a higher current than when configured as a single power supply as in the past. In addition, as described above, since power is supplied to the screen net 20 by using the individual power supply devices 50, the nitriding specimen having high hardness and hardening depth can be obtained even with the power supply device 50 having a small amount of power.

뿐만 아니라, 본 발명의 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법 및 장치는 처리 시편(P)에 글로우를 직접 가하지 않으므로, 시편(P)의 표면 손상이 없고, 또한 시편(P) 형상의 제약도 없어, 다양한 형태의 시편(P)을 동시에 처리 가능하고 좁은 홀 내부까지도 질화처리가 가능한 것이다.In addition, the nitriding method and apparatus using the post plasma of the present invention do not directly apply the glow to the treated specimen P, so that the surface of the specimen P is not damaged and there is no restriction in the shape of the specimen P. It is possible to process the specimen (P) at the same time and nitriding treatment even in the narrow hole.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.On the other hand, the present invention has been described in detail only with respect to the specific examples described above it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, it is natural that such variations and modifications belong to the appended claims. .

이상에서와 같이 본 발명은 산화 및 환원성 기체를 이용한 간단한 표면 활성화 공정을 통해 시편 표면층의 잔류가스 및 불순물을 제거하여 시편의 표면 반응성을 높이게 됨으로써, 질화물 형성을 촉진하여 질화의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention improves the surface reactivity of the specimen by removing residual gas and impurities from the surface layer of the specimen through a simple surface activation process using an oxidizing and reducing gas, thereby promoting nitride formation to improve the performance of nitriding. It works.

또한, 최적의 탄소를 함유하여 질화처리함으로써, 시편의 질화능을 향상시킬 수 있고, 난질화재인 금형강의 질화 특성을 개선할 수 있는 효과가 있으며, 화합물층이 없고, 표면 조도의 변화가 거의 없는 시편의 질화 기술을 확보할 수 있는 효과도 있다. In addition, by nitriding the carbon containing the optimum carbon, it is possible to improve the nitriding performance of the specimen, and to improve the nitriding characteristics of the mold steel, which is a hard nitriding material, and there is no compound layer, and the specimen has little change in surface roughness. It is also effective to secure nitriding technology.

즉, 0.3㎛의 알루미나나 다이아몬드로 경면 연마된 시편의 표면 조도가 0.007∼0.009㎛인데 비해, 질화처리 후에는 0.010∼0.018㎛의 표면 조도값을 유지하므로, 기존의 이온질화가 0.18㎛, 라디칼 질화가 0.03∼0.05㎛의 표면 조도값을 보이는 것에 비해 매우 우수한 조도를 보이고 있는 것이다. That is, the surface roughness of the specimen mirror-polished with 0.3 μm of alumina or diamond is 0.007 to 0.009 μm, whereas the surface roughness value of 0.010 to 0.018 μm is maintained after nitriding, so that the conventional ion nitriding is 0.18 μm and radical nitridation. Shows a very good roughness compared to showing a surface roughness value of 0.03 to 0.05 µm.

더욱이, 금속으로 된 스크린망이 시편 주위를 커버하고 히터를 사용하여 시편을 가열하므로, 에너지밀도와 온도균일도를 높이는 것은 물론 플라즈마를 통과한 활성 라디칼들이 질화에 곧바로 사용되어 질화의 효율성을 높일 수 있는 효과도 있다. Furthermore, the metal screen net covers the specimen and uses a heater to heat the specimen, increasing the energy density and temperature uniformity, as well as increasing the efficiency of nitriding because active radicals that pass through the plasma are immediately used for nitriding. It also works.

뿐만 아니라, 처리 시편에 글로우를 직접 가하지 않으므로, 시편의 표면 손상이 없고, 또한 시편 형상의 제약도 없어, 다양한 형태의 시편을 동시에 처리 가능하고 좁은 홀 내부까지도 질화처리가 가능한 효과도 있는 것이다.In addition, since the glow is not directly applied to the treated specimen, there is no surface damage of the specimen and there is no limitation of the shape of the specimen, so that various types of specimens can be processed simultaneously and the nitriding treatment can be performed even inside the narrow hole.

Claims (9)

삭제delete 노 내부에 시편을 장입 및 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시킬 수 있도록, 상기 시편 외부에 설치된 스크린망에 플라즈마를 생성시킨 후, 산화 및 환원성 기체에 의해 시편 표면의 잔류가스 및 불순물을 제거하는 표면 활성화 공정과, 상기 표면 활성화 공정을 거친 시편에 질소와 수소와 질화 촉진제를 첨가한 질화제를 투입하여 질화시키는 질화층 형성 공정과, 상기 노 내부의 온도를 떨어뜨려 질화층 형성 공정을 거친 시편을 냉각시키는 냉각 공정을 포함하여 이루어지는 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법에 있어서,In the case of charging and heating the specimen inside the furnace, plasma is generated in a screen net installed outside of the specimen so as to pass the gas through the plasma generated outside the specimen to nitride the specimen, and then the specimen is oxidized and reduced by gas. A surface activation process for removing residual gas and impurities on the surface, a nitriding layer formation process for nitriding by adding a nitriding agent added with nitrogen, hydrogen, and a nitriding promoter to the specimen which has undergone the surface activation process, and a temperature inside the furnace In the nitriding method using a post-plasma comprising a cooling step of dropping and cooling the test piece subjected to the nitride layer forming step, 상기 표면 활성화 공정(S10)은 1×10-2 Torr의 진공 압력에서 노(10)내의 온도를 산화 온도까지 상승시킨 후, 시편(P)의 표면을 5~10분간 균질화 처리하는 단계(S11)와;The surface activation step (S10) is to increase the temperature in the furnace 10 to the oxidation temperature at a vacuum pressure of 1 × 10 -2 Torr, and then homogenizing the surface of the specimen P for 5 to 10 minutes (S11). Wow; 균질화 처리한 상기 시편(P)의 표면을 산화성 기체에 의해 10~30분간 산화 처리하는 단계(S12)와;Oxidizing the surface of the specimen (P) homogenized by an oxidizing gas for 10 to 30 minutes (S12); 노(10)내의 온도를 질화 온도까지 상승시킨 후, 산화 처리한 상기 시편(P)의 표면을 환원성 기체에 의해 10~30분간 환원 처리하는 단계(S13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법.After raising the temperature in the furnace (10) to the nitriding temperature, the post-plasma comprising the step (S13) of reducing the surface of the oxidized specimen (P) with a reducing gas for 10-30 minutes (S13) Nitriding method used. 제 2항에 있어서, 상기 산화 및 환원성 기체는 아산화질소 (N2O), 물(H2O), 공기, 삼플루오르질소(NF3), 수소(H2) 중 어느 하나가 적용됨을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법.The method of claim 2, wherein the oxidizing and reducing gas is characterized in that any one of nitrous oxide (N 2 O), water (H 2 O), air, nitrogen trifluoride (NF 3 ), hydrogen (H 2 ) is applied. Nitriding method using a post plasma. 제 2항에 있어서, 상기 질화 촉진제는 탄소 함유 가스인 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법.The nitriding method using a post plasma according to claim 2, wherein the nitriding accelerator is a carbon-containing gas. 제 4항에 있어서, 상기 탄소 함유 가스는 프로판(C3H8), 아세틸렌(C2H2 ), 메탄(CH4) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법.The method of claim 4, wherein the carbon-containing gas uses propane (C 3 H 8 ), acetylene (C 2 H 2 ), or methane (CH 4 ). 제 5항에 있어서, 상기 탄소 함유 가스 중 프로판(C3H8)의 경우에는 1.0~1.5wt%의 중량이 함유되는 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 질화방법.The method of claim 5, wherein in the case of propane (C 3 H 8 ) of the carbon-containing gas, a weight of 1.0 ~ 1.5wt% is contained. 노 내부에 시편을 장입하여 가열하는 경우 시편 외부에서 발생된 플라즈마에 기체를 통과시켜 상기 시편을 질화시키는 장치에 있어서,In the apparatus for nitriding the specimen by charging the gas into the plasma generated outside the specimen when charging the specimen inside the furnace, 상기 시편(P) 외부에 플라즈마(PS)가 생성되는 스크린망(20)을 설치하되 상기 스크린망(20)은 상부스크린망(20a)과 복수의 측부스크린망(20b)으로 구성하고, 상기 스크린망(20) 외측에는 다수의 가스홀(35)을 갖는 가스관(30)을 설치한 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 질화장치.Install a screen net 20 in which plasma PS is generated outside the specimen P, but the screen net 20 includes an upper screen net 20a and a plurality of side screen nets 20b, and the screen Nitriding apparatus using a post plasma, characterized in that the gas pipe (30) having a plurality of gas holes (35) is provided outside the network (20). 삭제delete 제 7항에 있어서, 상기 스크린망(20)은 음극전원을 갖도록 금속 재질로 형성한 것을 특징으로 하는 포스트 플라즈마를 이용한 질화장치.8. The nitriding apparatus using post plasma according to claim 7, wherein the screen net (20) is formed of a metal material to have a cathode power source.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100661130B1 (en) * 2006-01-20 2006-12-22 한국생산기술연구원 Nitriding of Stainless Steel Using Post Plasma
KR100846285B1 (en) * 2006-02-01 2008-07-16 전해동 Roll for surface rolling and manufacturing method thereof
KR100791210B1 (en) * 2007-02-09 2008-01-03 창원대학교 산학협력단 Ion Nitriding Treatment for Gray Cast Iron
KR100869346B1 (en) * 2007-06-12 2008-11-19 한국생산기술연구원 Plasma Nitriding Method by Low Current High Density and Its Apparatus
KR100899578B1 (en) * 2007-10-01 2009-05-27 한국생산기술연구원 Hardening Process by High Temperature Vacuum Nitriding
KR101414253B1 (en) * 2012-07-04 2014-07-11 주식회사 하이박 pressure nitriding heat treatment process

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6158240A (en) 1984-08-29 1986-03-25 Oki Electric Ind Co Ltd Plasma direct-nitriding device
JPS6333553A (en) 1986-07-24 1988-02-13 Masanobu Nunogaki Nitriding method with plasma source
KR970072053A (en) * 1996-04-09 1997-11-07 장진 Remote plasma chemical vapor deposition equipment
KR19990080122A (en) * 1998-04-13 1999-11-05 이상율 Compound Surface Treatment
KR20010048116A (en) * 1999-11-25 2001-06-15 김덕중 High density plasma ion nitriding method and apparatus
KR20030010834A (en) * 2001-07-27 2003-02-06 주식회사 선익시스템 Apparatus for modifying surface of object using plasma and method for modifying surface using said apparatus
US6649538B1 (en) * 2002-10-09 2003-11-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. Method for plasma treating and plasma nitriding gate oxides
KR20030089201A (en) * 2002-05-17 2003-11-21 김 종 근 Producting method of radical nitriding on fin cutter

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6158240A (en) 1984-08-29 1986-03-25 Oki Electric Ind Co Ltd Plasma direct-nitriding device
JPS6333553A (en) 1986-07-24 1988-02-13 Masanobu Nunogaki Nitriding method with plasma source
KR970072053A (en) * 1996-04-09 1997-11-07 장진 Remote plasma chemical vapor deposition equipment
KR19990080122A (en) * 1998-04-13 1999-11-05 이상율 Compound Surface Treatment
KR20010048116A (en) * 1999-11-25 2001-06-15 김덕중 High density plasma ion nitriding method and apparatus
KR20030010834A (en) * 2001-07-27 2003-02-06 주식회사 선익시스템 Apparatus for modifying surface of object using plasma and method for modifying surface using said apparatus
KR20030089201A (en) * 2002-05-17 2003-11-21 김 종 근 Producting method of radical nitriding on fin cutter
US6649538B1 (en) * 2002-10-09 2003-11-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. Method for plasma treating and plasma nitriding gate oxides

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1019970072053 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101074164B1 (en) 2009-02-06 2011-10-17 한국생산기술연구원 Method for nitriding by post-plasma

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