(57)【要約】  本発明の金属表面処理装置は、表面処理ができる温度に加熱された対象金属を表面処理する金属表面処理装置において、前記対象金属の外面形状に対応される形状からなり、前記対象金属の外面と一定間隔以内に配置され、前記対象金属の少なくとも一部を収容する反応チャンバー及び前記反応チャンバー内に収容された対象金属側へ自己触媒反応に必要な処理ガスを供給する処理ガス供給部を含む。そして、これを利用した金属表面処理方法は、対象金属の外面形状に対応される形状からなり、前記対象金属の外面と一定間隔以内に配置され、前記対象金属の少なくとも一部を収容する反応チャンバー内に対象金属を位置させる段階及び処理ガス供給部を通じて前記反応チャンバー内に処理ガスを供給して、前記対象金属に自己触媒反応による処理ガス層を形成する段階を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面処理ができる温度に加熱された対象金属を表面処理する金属表面処理装置において、
前記対象金属の外面形状に対応される形状からなり、前記対象金属の外面と一定間隔以内に配置され、前記対象金属の少なくとも一部を収容する反応チャンバー；及び
前記反応チャンバー内に収容された対象金属側へ自己触媒反応に必要な処理ガスを供給する処理ガス供給部；
を含む金属表面処理装置。
【請求項２】
前記反応チャンバーは、
前記対象金属が収容された状態で、前記反応チャンバーの内面と前記対象金属の外面が５０mm以下の間隔を有するように形成された、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項３】
前記反応チャンバーには前記処理ガスが通過する通過孔が形成された、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項４】
前記反応チャンバー内を加熱する加熱部をさらに含む、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項５】
前記対象金属が収容された状態で、前記反応チャンバーと前記対象金属の外面が配置された間隔を調節する間隔調節部をさらに含む、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項６】
前記反応チャンバーは上部プレートと、前記上部プレートと所定距離が離隔された下部プレートを含み、
前記間隔調節部は前記上部プレート及び前記下部プレートを上下にスライディング移動させるように形成された、請求項５に記載の金属表面処理装置。
【請求項７】
前記反応チャンバーが収容され、密閉可能な収容空間が形成された外部チャンバーをさらに含む、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項８】
前記対象金属が前記反応チャンバーに内に収容される前に、前記対象金属を予熱する予熱部をさらに含む、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項９】
前記対象金属が前記反応チャンバー内を通過するように移送させる移送部をさらに含む、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項１０】
前記反応チャンバーの両側は開放されるように形成され、
前記移送部は前記反応チャンバーの開放された両側に備えられる、請求項９に記載の金属表面処理装置。
【請求項１１】
前記移送部は前記反応チャンバーの開放された両側を密閉させるように備えられた、請求項１０に記載の金属表面処理装置。
【請求項１２】
前記移送部は、
前記対象金属に接触されて回転することによって前記対象金属を移送させる移送部材を含む、請求項１０に記載の金属表面処理装置。
【請求項１３】
前記移送部材は、
前記反応チャンバーに接触された状態で回転するように形成されて前記対象金属を移送させると同時に、前記反応チャンバーの両側を密閉する、請求項１２に記載の金属表面処理装置。
【請求項１４】
前記反応チャンバーは、
処理ガスが流動される流動空間と、前記流動空間と連通されて前記対象金属の方向へ処理ガスを供給する供給孔を含む、請求項１に記載の金属表面処理装置。
【請求項１５】
対象金属の外面形状に対応される形状からなり、前記対象金属の外面と一定間隔以内に配置され、前記対象金属の少なくとも一部を収容する反応チャンバー内に前記対象金属を位置させる段階；及び
処理ガス供給部を通じて前記反応チャンバー内に処理ガスを供給し、前記対象金属に自己触媒反応による処理ガス層を形成する段階；
を含む金属表面処理方法。
【請求項１６】
前記反応チャンバー内に前記対象金属を位置させる段階は、
前記反応チャンバーの内面と前記対象金属の外面が５０mm以下の間隔を有するようにする、請求項１５に記載の金属表面処理方法。
【請求項１７】
前記処理ガス層を形成する段階は、
処理ガスを０.５ないし２０kg/cm２の圧力で供給する、請求項１５に記載の金属表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属表面処理装置及びこれを利用した金属表面処理方法に関するもので、より詳細には、対象金属に自己触媒反応による処理ガス層を形成して耐磨耗性及び耐蝕性が優秀で、高い表面硬度を有する金属表面処理装置及びこれを利用した金属表面処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
未来の有望技術である先端ハイブリッド加工技術分野は、最近多様な観点からの研究及び開発が進められており、これは既存製品の性能を向上させるための改良を行ったり、または新しい概念の製品開発に用いられている。
【０００３】
また、このような先端ハイブリッド加工技術分野の中には、金属の表面特性を改善して耐磨耗性、耐蝕性及び耐火性を強化するための表面処理技術が活発に研究されており、これによって自動車、金型などの産業分野において、その需要が爆発的に増加されると予想される。
【０００４】
従来は、金属の表面処理のためにガス窒化法が広く適用されていた。現在まで商業的に多く使われている方式は低温窒化法であるが、これは長い処理時間が要されるので、収率が大きく落ちるし、また、金属の表面処理効果が微々たるものであるという問題がある。特に、ステンレス鋼の場合、自然酸化膜による窒化能低下が発生することもある。
【０００５】
よって、このような問題点を解決するための方案が要求されているが、現在までは高い生産性を維持すると同時に優秀な表面処理品質を持つようにする金属の表面処理技術が提示されていない実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は前述した従来技術の問題点を解決するために案出された発明であって、現在までは高い生産性を維持すると同時に優秀な表面処理品質を持つようにする金属表面処理装置及びこれを利用した金属表面処理方法を提供するためである。
【０００７】
本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、また、言及されなかった他の課題は以下の記載から当業者が明確に理解できるのであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための本発明の金属表面処理装置は、表面処理ができる温度に加熱された対象金属を表面処理する金属表面処理装置において、前記対象金属の外面形状に対応される形状からなり、前記対象金属の外面と一定間隔以内に配置され、前記対象金属の少なくとも一部を収容する反応チャンバー及び前記反応チャンバー内に収容された対象金属側へ自己触媒反応に必要な処理ガスを供給する処理ガス供給部を含む。
【０００９】
そして前記反応チャンバーは、前記対象金属が収容された状態で、前記反応チャンバーの内面と前記対象金属の外面が５０mm以下の間隔を有するように形成されることができる。
【００１０】
また、前記反応チャンバーには前記処理ガスが通過する通過孔が形成されることができる。
【００１１】
そして、前記反応チャンバー内を加熱する加熱部をさらに含むことができる。
【００１２】
また、前記対象金属が収容された状態で、前記反応チャンバーと前記対象金属の外面が配置された間隔を調節する間隔調節部をさらに含むことができる。
【００１３】
そして、前記反応チャンバーは上部プレートと、前記上部プレートと所定距離が離隔された下部プレートを含み、前記間隔調節部は前記上部プレート及び前記下部プレートを上下にスライディング移動するように形成されることができる。
【００１４】
また、前記反応チャンバーが収容され、密閉可能な収容空間が形成された外部チャンバーをさらに含むことができる。
【００１５】
そして、前記対象金属が反応チャンバー内に収容される前に、前記対象金属を予熱する予熱部をさらに含むことができる。
【００１６】
また、前記対象金属が前記反応チャンバー内を通過するように移送させる移送部をさらに含むことができる。
【００１７】
そして、前記反応チャンバーの両側は開放されるように形成され、前記移送部は前記反応チャンバーの開放された両側に備えられることができる。
【００１８】
また、前記移送部は前記反応チャンバーの開放された両側を密閉するように備えられることができる。
【００１９】
そして、前記移送部は、前記対象金属に接触されて回転することによって前記対象金属を移送させる移送部材を含むことができる。
【００２０】
また、前記移送部材は、前記反応チャンバーに接触された状態で回転するように形成され、前記対象金属を移送させると同時に、前記反応チャンバーの両側を密閉することができる。
【００２１】
そして、前記反応チャンバーは、処理ガスが流動される流動空間と、前記流動空間と連通されて前記対象金属の方向へ処理ガスを供給する供給孔を含むことができる。
【００２２】
また、前記課題を解決するための本発明の金属表面処理方法は、対象金属の外面形状に対応される形状からなり、前記対象金属の外面と一定間隔以内に配置され、前記対象金属の少なくとも一部を収容する反応チャンバー内に対象金属を位置させる段階、及び処理ガス供給部を通じて前記反応チャンバー内に処理ガスを供給して、前記対象金属に自己触媒反応による処理ガス層を形成する段階を含む。
【００２３】
そして、前記反応チャンバー内に対象金属を位置させる段階は、前記反応チャンバーの内面と前記対象金属の外面が５０mm以下の間隔を有するようにする。
【００２４】
また、前記処理ガス層を形成する段階は、処理ガスを０.５ないし２０kg/cm2の圧力で供給することができる。
【発明の効果】
【００２５】
前記課題を解決するための本発明の金属表面処理装置及びこれを利用した金属表面処理方法は、次のような効果がある。
第一、耐磨耗性及び耐蝕性が優秀で、高い表面硬度を有する金属を提供することができる長所がある。
第二、短い時間内に集中的に金属表面処理を行うことができる長所がある。
第三、収率が大幅に増大されて生産性が増加され、大量生産が可能であるという長所がある。
第四、金属表面処理装置の構造が簡単で、設備構築に要される費用が減少し、また、その維持費用も節減される長所がある。
【００２６】
本発明の効果は、以上で言及した効果に制限されず、言及されなかった他の効果は請求範囲の記載から当業者が明確に理解できるのであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施例による金属表面処理装置の姿を示した斜視図
【図２】本発明の第１実施例による金属表面処理装置の断面を示した断面図
【図３】本発明の第２実施例による金属表面処理装置の姿を示した斜視図
【図４】本発明の第２実施例による金属表面処理装置の断面を示した断面図
【図５】本発明の第３実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図
【図６】本発明の第４実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図
【図７】本発明の第５実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図
【図８】本発明の第６実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図
【図９】本発明の第７実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図
【図１０】本発明の第７実施例による金属表面処理装置において、移送部の姿を詳細に示した断面図
【図１１】本発明による金属表面処理方法において、対象金属に処理ガスが提供された時、自己触媒反応を示す概念図
【図１２】本発明による金属表面処理方法において、処理ガスが窒素である場合、離隔距離による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡写真
【図１３】本発明による金属表面処理方法において、処理ガスが窒素である場合、温度による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡写真
【図１４】本発明による金属表面処理方法において、処理ガスが窒素である場合、処理時間を短く設定した場合による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡写真
【図１５】本発明の実施例４によって窒化処理されたSEM断面写真と、窒化層を構成する要素である窒素、クロム、鉄の成分を示した図面
【図１６】本発明による金属表面処理方法において、処理ガスがアンモニアである場合、温度による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡写真
【図１７】本発明による金属表面処理方法において、処理ガスがアンモニアである場合、処理時間を短く設定した場合による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡写真
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は本発明の第１実施例による金属表面処理装置の姿を示した斜視図であり、図２は本発明の第１実施例による金属表面処理装置の断面状を示した断面図である。
【００２９】
図１及び図２に図示されたように、本発明の第１実施例による金属表面処理装置は反応チャンバー１００と、処理ガス供給部を含む。
【００３０】
前記反応チャンバー１００は、対象金属Ｍの外面形状に対応される形状からなり、前記対象金属Ｍの外面と一定間隔以内に配置され、前記対象金属の少なくとも一部を収容するように備えられる。
【００３１】
すなわち、反応チャンバー１００の内面は対象金属Ｍが内部に挿入された状態で対象金属Ｍの外面から所定の距離が離隔された状態で対象金属Ｍを包むように備えられるし、その形状は対象金属Ｍの形状によって決まることができる。
【００３２】
本実施例の場合、対象金属Ｍは断面が円型に形成され、反応チャンバー１００の内部も対応される形状に形成されて、反応チャンバー１００の内面は対象金属Ｍが挿入された状態で対象金属Ｍの各表面と全体的に一定の離隔距離を有するように形成される。
【００３３】
このような状態で前記処理ガス供給部は、前記反応チャンバー１００内に収容された対象金属Ｍ側へ自己触媒反応に必要な処理ガスを供給し、前記処理ガス供給部の形態はその制限がない。
【００３４】
例えば、前記処理ガス供給部は反応チャンバー１００の開放された側の方向を介して処理ガスを反応チャンバー１００の内部へ流入させることもでき、または、反応チャンバー１００に備えられた形態で反応チャンバー１００の所定の位置から処理ガスを対象金属Ｍに直接伝えることもできる。
【００３５】
一方、前記処理ガスは、金属の表面処理のために使われる多様な気体であることができる。例えば、前記処理ガスとしては窒素、アンモニア、炭素などがある。
【００３６】
本実施例の場合、図示されていないが、前記反応チャンバー１００が収容され、密閉可能な収容空間が形成された外部チャンバーをさらに含み、前記反応チャンバー１００には前記処理ガスが通過する通過孔１１０が形成される。つまり、前記処理ガス供給部は前記外部チャンバーの密閉された収容空間に処理ガスを供給し、前記収容空間内を処理ガス雰囲気で形成することができる。これによって処理ガスは反応チャンバー１００の通過孔１１０を介して対象金属Ｍ側に流入される。
【００３７】
この時、前記通過孔１１０は反応チャンバー１００の表面に沿って均一な間隔で複数個が配列されることができ、これによって対象金属Ｍの全体表面に処理ガスを均一に供給できるようになる。
【００３８】
また、本発明による金属表面処理装置は、前記反応チャンバー１００内を加熱する加熱部をさらに含むことができる。前記加熱部は対象金属Ｍを加熱して表面処理に適した温度に昇温させることができ、または、対象金属Ｍが予め加熱された状態で反応チャンバー１００内に流入された場合、その温度を維持させることができる。そして、前記加熱部は前記反応チャンバー１００の内部や外部、または両側に備えられることもできる。
【００３９】
さらに、本発明による金属表面処理装置は、前記対象金属Ｍが反応チャンバー１００内に収容される前に前記対象金属を予熱する予熱部をさらに含むこともできる。
【００４０】
この時、前記反応チャンバー１００内の温度は、対象金属Ｍの材料物性によって調節することができる。例えば、処理ガスが窒素であり、対象金属Ｍがステンレス鋼である場合は、約９００ないし約１２００℃と加熱することができる。約９００℃未満の温度で表面処理を行う場合、窒素の活性化エネルギー障壁を超えることができず、約１２００℃が超過される場合には材料の物性及び熱消耗の側面で経済的ではない面があるためである。また、対象金属Ｍの温度によって対象金属Ｍの処理時間を調節することができる。
【００４１】
そして、前記処理ガス供給部は前記反応チャンバー１００内に処理ガスを約０.５ないし約２０kg/cm２の圧力で供給することができる。処理ガスを約０.５kg/cm２未満の圧力で供給する場合、低いガス圧によって自然に対象金属Ｍの内部へ処理ガスが拡散しにくくなり、圧力の勾配による駆動力(Driving Force)が低くて処理ガスの浸透が難しくなる。また、処理ガスを約２０kg/cm２超過の圧力で供給する場合、高いガス圧によって対象金属Ｍが窒化されることを妨害する問題が発生することがある。
【００４２】
同時に、前記対象金属Ｍは反応チャンバー１００内に固定された状態で表面処理が進められることもでき、または別途の移送部を通じて反応チャンバー１００内を移動しながら表面処理が進められることもできる。前記移送部もその形態に制限がないことは勿論である。
【００４３】
一方、本実施例で前記反応チャンバー１００は、前記対象金属Ｍが収容された状態で、前記反応チャンバー１００の内面と前記対象金属Ｍの外面との距離を多様に調節することで、前記対象金属Ｍの処理ガスの浸透層の深さや濃度、領域の調節を容易に行うことができる。
【００４４】
特に、前記対象金属Ｍと前記反応チャンバー１００の内面は、５０mm以下の間隔を有するように形成されることができる。これは前記対象金属Ｍと前記反応チャンバー１００の内面の間隔が５０mmを超過する場合、処理ガスの密度が低くなって処理効果が減少する問題が生じることがあるためである。
【００４５】
図３は本発明の第２実施例による金属表面処理装置の姿を示した斜視図であり、図４は本発明の第２実施例による金属表面処理装置の断面を示した断面図である。
【００４６】
図３及び図４に図示されたように、本実施例の場合、対象金属Ｍの断面はＨ字の形態で形成される。この場合も反応チャンバー２００の内部は対象金属Ｍに対応される形状で形成され、反応チャンバー２００の内面は対象金属Ｍが挿入された状態で対象金属Ｍの各表面と全体的に一定の離隔距離を有するように形成される。そして、反応チャンバー２００には複数の通過孔２１０が形成される。
【００４７】
これによって表面処理の効果を増大できることはもちろん、全体的に均一な品質の表面処理を行うことができる。
【００４８】
また、本実施例の場合、前述の処理ガス供給部、加熱部、移送部などの事項は同一に適用されることがあり、これは以下で説明される実施例の場合にも同一であるため、重複される説明は省略する。
【００４９】
図５は本発明の第３実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図である。
【００５０】
本発明の第３実施例の場合、対象金属Ｍが板状に形成され、反応チャンバー３００は上部プレートと、前記上部プレートと所定距離離隔された下部プレートを含む。そして処理ガス供給部は、上部プレート及び下部プレートに形成された流動流路３１０を通じて処理ガスを対象金属Ｍの表面に供給するようになる。この時、前記流動流路３１０は複数の経路に分岐され、処理ガスを対象金属Ｍの全表面に均一に供給することができる。
【００５１】
すなわち、このような場合には反応チャンバー３００の両側をシーリングすることで別途の外部チャンバーが備えられることを省略することができるので、設備が簡単になる長所がある。
【００５２】
図６は本発明の第４実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図である。
【００５３】
本発明の第４実施例の場合、前述の第３実施例の場合のように、対象金属Ｍが板状に形成される。また、反応チャンバー４００も上部プレートと、前記上部プレートと所定距離が離隔された下部プレートを含む。
【００５４】
また、本実施例では、前記反応チャンバー４００と前記対象金属Ｍの外面が配置された間隔を調節する間隔調節部４２０がさらに含まれる。具体的に、前記間隔調節部４２０は前記上部プレート及び前記下部プレートを上下にスライディング移動させるように形成されることができる。
【００５５】
つまり、このような場合、前記反応チャンバー４００と前記対象金属Ｍの外面が配置された間隔を流動的に調節した状態で通過孔４１０を通じて処理ガスを供給して望む結果を誘導したり、金属の特性または処理ガスの濃度などによって適した配置間隔を設定することができる。また、対象金属の形態または厚さが不規則な場合にも前記間隔調節部４２０を利用して上部プレートと下部プレートの間隔を調節することができる。
【００５６】
図７は本発明の第５実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図である。
【００５７】
図７に図示されたように、本発明の第５実施例による金属表面処理装置は反応チャンバー５００と、処理ガス供給部と、移送部５３０とを含む。
【００５８】
移送部５３０は前記対象金属Ｍが前記反応チャンバー５１０内を通過するように移送させる構成要素である。移送部５３０はその形態及び移送方法に制限がなくて、対象金属Ｍを移送させることができる如何なる形態でも適用されることができる。
【００５９】
本実施例において、前記反応チャンバー５００の両側は開放されるように形成され、前記移送部５３０は前記反応チャンバー５００の開放された両側に備えられる。特に、移送部５３０は対象金属Ｍに直接接触されて回転することによって、対象金属Ｍを移送させる移送部材を含む。
【００６０】
このように移送部５３０が形成される場合、移送部５３０で対象金属の移送を精密に制御することができるので、均一な表面処理結果を得られる長所がある。
【００６１】
図８は本発明の第６実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図である。
【００６２】
図８に図示されたように、本発明の第６実施例による金属表面処理装置は反応チャンバー６００と、処理ガス供給部と、移送部６３０と、間隔調節部６４０とを含む。
【００６３】
本実施例において、前記移送部６３０は一つ以上の移送部材６３４を含む。前記移送部材６３４は前記対象金属Ｍに接触されて回転することによって前記対象金属を移送させるように形成される。
【００６４】
そして、前記移送部材６３４は移送部ハウジング６３２内に収容され、前記反応チャンバー６００に接触された状態で回転するように形成されて、前記対象金属Ｍを移送させると同時に、前記反応チャンバー６００の両側を密閉するように形成される。
【００６５】
また、本実施例で反応チャンバー６００は上部プレートと、前記上部プレートと所定距離が離隔された下部プレートを含み、前記反応チャンバー６００と前記対象金属の外面が配置された間隔を調節する間隔調節部６４０がさらに含まれる。具体的に前記間隔調節部６４０は前記上部プレート及び前記下部プレートを上下にスライディング移動させるように形成されることがある。
【００６６】
すなわち、このような場合、前記反応チャンバー６００と前記対象金属の外面が配置された間隔を流動的に調節した状態で、供給孔６１０を通じて処理ガスを供給して望む結果を誘導したり、金属の特性または処理ガスの濃度などによって適した配置間隔を設定することができる。また、対象金属の形態または厚さが不規則な場合にも前記間隔調節部６４０を利用して上部プレートと下部プレートの間隔を調節することができる。
【００６７】
図９は本発明の第７実施例による金属表面処理装置の構造を示した断面図である。
【００６８】
図９に図示されたように、本発明の第１実施例による金属表面処理装置は反応チャンバー７００と、処理ガス供給部とを含む。
【００６９】
本実施例において、反応チャンバー７００は前記対象金属の自己触媒反応に必要な処理ガスが流動される流動空間Ｓと、前記流動空間Ｓと連通され前記対象金属Ｍの方向へ処理ガスを供給する供給孔７１０を含む。
【００７０】
すなわち、本実施例の場合、反応チャンバー７００内に流動空間Ｓが形成されるので、供給孔７１０を通じて対象金属Ｍと配置された空間だけを処理ガス雰囲気で形成することができ、別途の外部チャンバーが必要ないという長所がある。
【００７１】
また、本実施例の場合、対象金属Ｍは板状に形成され、反応チャンバー７００の内部もこれに対応される形状に形成される。そして、反応チャンバー７００の内面は、対象金属Ｍが挿入された状態で対象金属Ｍの各表面と全体的に一定の離隔距離を有するように形成される。
【００７２】
このような状態で前記処理ガス供給部は前記流動空間Ｓ側へ自己触媒反応に必要な処理ガスを供給し、前記処理ガス供給部の形態は制限がない。本実施例の場合、前記処理ガス供給部は供給流路７２０を通じて処理ガスを流動空間Ｓに供給することができる。
【００７３】
図１０は本発明の第７実施例による金属表面処理装置において、移送部の姿を詳細に示した断面図である。
【００７４】
図１０に図示されたように、本実施例による金属表面処理装置の移送部は一つ以上の移送部材７３４を含む。前記移送部材７３４は前記対象金属Ｍに接触されて回転することによって前記対象金属を移送させるように形成される。
【００７５】
また、本実施例の場合、前記移送部材７３４は移送部ハウジング７３２内に収容され、前記反応チャンバー７００に接触された状態で回転するように形成されて、前記対象金属Ｍを移送させると同時に、前記反応チャンバー７００の両側を密閉するように形成される。
【００７６】
以上、本発明の金属表面処理装置の各実施例について説明したが、以下では表面処理の原理及びこれに基づいて行った実験結果について説明する。
【００７７】
図１１は本発明による金属表面処理方法において、対象金属に処理ガスが提供された時、自己触媒反応を示す概念図である。本図面では処理ガスが窒素の場合を例示した。
【００７８】
処理ガス供給部から供給された窒素ガスは、昇温された対象金属及び反応チャンバーの間で反復的にぶつかるようになり、この時自己触媒の役割をする対象金属が窒素の活性化エネルギーを超えるようにする役割をして、窒素ガス(Ｎ２)を窒素基(Ｎ)に分解させる。そして、窒素基(Ｎ)は対象金属の表面に入って窒化層が形成されることがある。
【００７９】
以後、持続的に供給される窒素ガス(Ｎ２)は、前記対象金属に窒化層を形成することができる窒素基(Ｎ)に変わって、窒化処理の速度が速くなる。したがって、窒化層の形成速度が速くなり、前記対象金属の既知元素または添加元素に会って耐蝕性及び機械的特性を向上することができる長所がある。また、短い時間内に集中的に金属表面処理を行うことができて、生産効率を極大化することができる。
【００８０】
また、本発明の表面処理された金属は、表面の硬度が高くて高荷重に耐えることができるし、摩擦によっても傷があまり生じないので、発電タービン、自動車用鋼板、風力プロペラなどの素材として長期間使っても優秀な状態を保つことができる。また、表面処理時に形成された優秀な耐蝕性によって、腐食環境に露出される海洋プラント、淡水化設備、化学設備などの救助用材料などに適用することもできる。
【００８１】
以下では、各条件によって金属の表面処理を行って得た実験結果について説明する。
【００８２】
[実験例１]
図１２は本発明による金属表面処理方法において、処理ガスが窒素である場合、離隔距離による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡の写真である。
【００８３】
本実験では、処理ガスを窒素に、対象金属をステンレス４３０のものにし、１kg/cm２の分圧で、１１００℃の温度条件で６０分間表面処理を行った。そして対象金属と反応チャンバー内面の離隔距離を０.１mmと０.５mmに変化させて金属表面の深さによる硬度を測定した。
【００８４】
グラフに図示されたように、本発明による金属表面処理方法によって表面処理をした場合、従来の一般的な表面処理方法に比べて顕著に硬度が向上されたことが確認できる。つまり、対象金属と反応チャンバー内面の離隔距離が０.１mmと０.５mmの場合、いずれも金属表面の深さが４００μｍ以下で顕著に硬度が向上し、４００μｍを超える深さでも従来の表面処理方法に比べて高い硬度を維持することを確認できる。
【００８５】
また、本図面の下部に図示された光学顕微鏡写真の中で、左側は従来の表面処理方法によって表面処理をした金属の表面を表したものであり、右側は本発明による表面処理方法によって表面処理をした金属の表面を表したものである。
【００８６】
図示されたように、左側の場合は金属表面にマルテンサイト組職が確認されないが、右側の場合は金属表面にマルテンサイト組職が形成されたことを確認することができる。つまり、本実験によると、従来の一般的な金属表面処理に比べて本発明の金属表面処理方法で金属の表面硬度が著しく向上されることを証明できる。
【００８７】
[実験例２]
図１３は本発明による金属表面処理方法において、処理ガスが窒素である場合、温度による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡の写真である。
【００８８】
本実験では、処理ガスを窒素に、対象金属をステンレス４３０のものにし、１kg/cm２の分圧で、対象金属と反応チャンバー内面の離隔距離を０.１mmに設定した条件で６０分間表面処理を行った。
【００８９】
そして、対象金属の温度を９００℃、１０００℃、１１００℃へと変化しながら金属表面の深さによる硬度を測定した。
【００９０】
グラフに図示されたように、９００℃で実験を行った結果と比べて１０００℃以上で顕著に硬度が向上されたことが確認できる。すなわち、対象金属の温度が１０００℃、１１００℃である場合、いずれも金属表面の深さが２００μm以下で著しく硬度が向上したものと表れ、特に１１００℃の場合には２００μmを超える深さでも他の実験に比べて高い硬度を維持することが確認できる。
【００９１】
また、本図面の下部に図示された光学顕微鏡写真の中で、左側は対象金属の温度が９００℃である場合の金属表面を表したものであり、右側は対象金属の温度が１０００℃である場合の金属表面を表したものである。
【００９２】
図示されたように、左側の場合は金属表面のマルテンサイト組職の深さが３０μm程度であり、右側の場合は金属表面のマルテンサイト組職の深さが１５０μm程度であることを確認できる。つまり、本実験によると、１０００℃以上の温度で金属の表面硬度が著しく向上することを証明できる。
【００９３】
[実験例３]
図１４は本発明による金属表面処理方法において、処理ガスが窒素である場合、処理時間を短く設定した時の表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡の写真である。
【００９４】
本実験では、処理ガスを窒素に、対象金属をステンレス４３０のものにし、１kg/cm２の分圧で、対象金属と反応チャンバー内面の離隔距離を０.１mmに設定した条件で１０分間表面処理をした。
【００９５】
そして対象金属の温度を１１００℃及び１２００℃の高温に設定して金属表面の深さによる硬度を測定した。
【００９６】
グラフに図示されたように、１１００℃及び１２００℃のいずれにおいても、従来の金属表面処理方法に比べて著しく硬度が向上したことが確認できる。すなわち、対象金属の温度が１０００℃、１１００℃である場合、いずれも金属表面の深さが２００μm以下で著しく硬度が向上されたことが確認できる。
【００９７】
また、本図面の下部に図示された光学顕微鏡写真の中で、左側は対象金属の温度が１１００℃である場合の金属表面を表したものであり、右側は対象金属の温度が１２００℃である場合の金属表面を表したものである。
【００９８】
図示されたように、左側の場合は金属表面のマルテンサイト組職の深さが１３０μm程度であり、右側の場合は金属表面のマルテンサイト組職の深さが２００μm程度であることが確認できる。つまり、本実験によると１１００℃以上の高温で表面処理を行う場合、１０分ぐらいの短い時間内でも、金属の表面硬度が著しく向上されることが証明できる。これは従来に比べて処理時間が圧倒的に短縮されたものとして、数倍の収率増加を期待することができる。
【００９９】
図１５は本実験によって窒化処理されたSEM断面写真と、窒化層を構成する要素である窒素、クロム、鉄の成分を示した図面である。これを通じて板状ステンレス４３０の表面だけでなく、内部まで窒素が含まれていることを確認することができる。
【０１００】
[実験例４]
図１６は本発明による金属表面処理方法において、処理ガスがアンモニアである場合、離隔距離による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡の写真である。
【０１０１】
本実験では、処理ガスをアンモニアに、対象金属をステンレス４３０のものにし、１kg/cm２の分圧で、６００℃の温度条件で６０分間表面処理をした。そして、対象金属と反応チャンバー内面の離隔距離を０.１mmと０.５mmに変化させて金属表面の深さによる硬度を測定した。
【０１０２】
グラフに図示されたように、本発明による金属表面処理方法によって表面処理をした場合、従来の一般的な表面処理方法に比べて著しく硬度が向上されたことが確認できる。つまり、対象金属と反応チャンバー内面の離隔距離が０.１mmと０.５mmの場合、いずれも金属表面の深さが２５μm以下で著しく硬度が向上されたことが確認できる。
【０１０３】
また、本図面の下部に図示された光学顕微鏡写真の中で、左側は従来の表面処理方法によって表面処理をした金属の表面を表したものであり、右側は本発明による表面処理方法によって表面処理をした金属の表面を表したものである。
【０１０４】
図示されたように、左側の場合は金属表面にマルテンサイト組職が確認されないが、右側の場合は金属表面にマルテンサイト組職が形成されたことが確認できる。すなわち、本実験によると、従来の一般的な金属表面処理に比べて、本発明の金属表面処理方法で金属の表面硬度が著しく向上することを証明できる。
【０１０５】
[実験例５]
図１７は本発明による金属表面処理方法において、処理ガスがアンモニアである場合、温度による表面処理結果を示したグラフ及び光学顕微鏡の写真である。
【０１０６】
本実験では、処理ガスをアンモニアに、対象金属をステンレス４３０のものにし、１kg/cm２の分圧で、対象金属と反応チャンバー内面の離隔距離を０.１mmに設定した条件で６０分間表面処理をした。
【０１０７】
そして、対象金属の温度を４００℃、５００℃、６００℃に変化しながら深さによる金属表面の硬度を測定した。
【０１０８】
グラフに図示されたように、４００℃、５００℃で実験を行った結果と比べて、６００℃で著しく硬度が向上されたことが確認できる。すなわち、対象金属の温度が６００℃である場合、いずれも金属表面の深さが２５μm以下で著しく硬度が向上され、２５μmを超える深さでも他の実験に比べて高い硬度を維持することが確認できる。
【０１０９】
また、本図面の下部に図示された光学顕微鏡写真の中で、左側は対象金属の温度が４００℃である場合の金属表面を表したものであり、右側は対象金属の温度が５００℃である場合の金属表面を表したものである。
【０１１０】
図示されたように、左側の金属表面のマルテンサイト組職の深さに比べて、右側の金属表面のマルテンサイト組職の深さが深いことが確認できる。すなわち、本実験によると温度が増加することにつれ、金属の表面硬度が著しく向上することを証明できる。
【０１１１】
以上のように本発明による好ましい実施例を見たが、前述した実施例の他にも本発明がその趣旨や範疇から脱することなく、他の特定形態に具体化されることがあるという事実は当該の技術に対して通常の知識を有する者には自明なことである。よって、前述された実施例は制限的ものではなく例示的ものとして受け入れられるべきであり、これによって本発明は前述の説明に限定されず、請求項の範疇及びそれに同等な範囲内で変更されることもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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