플라즈마 침탄법(이온 침탄)의 원리와 공정 및 특징

플라즈마 침탄법의 원리

플라즈마 침탄은 0.1~10torr의 진공 용기내에 침탄가스를 공급하고 음극인 제품과 양극인 진공로 사이에 직류 고전압을 인가해서 발생하는 비정상 글로우방전을 이용하는 침탄법입니다.

기존 가열방식인 글로우방전을 사용하면 고온에서 제품의 모서리에 글로우방전이 집중되어 균일한 가열이 어렵고 아크방전도 일어나기 쉬워 침탄로내에 별도의 가열장치를 설치하는 외열법이 주로 사용되고 있습니다.

침탄가스의 종류: 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 천연가스

 

플라즈마 침탄법의 공정

먼저 진공로의 압력을 10-2~10-3 torr까지 감압하고 침탄 처리할 소재를 900°C 이상으로 가열 합니다.

  1. 수소이온을 통한 산화물과 이물질 제거
    -진공로 내부에 수소가스를 공급하여 압력을 0.5~1 torr 정도로 유지하고, 수백 V의 직류전압을 일정시간 동안 인가합니다.
    이때 수소가스는 글로우방전에 의해 해리되고 활성화된 수소이온이 제품 표면 전체에 충격을 가해 세정작업이 이루어 집니다.
  2. 표면의 촉매작용에 의한 탄소의 확산
    -진공로내에 메탄 또는 프로판 가스를 공급하고 수백 V의 직류전압을 인가해 비정상 글로우전압을 일으켜 플라즈마 상태를 만듭니다. 이때 탄소이온이 형성됩니다.
  3. 탄소이온의 표면 부착 및 내부 확산
    -탄소이온은 음극강하에 의해 높은 운동에너지를 얻어 제품의 표면에 충돌하여 내부로 확산하게 됩니다.
    이때 메탄 또는 프로판가스는 플라즈마 방전 중 일정량을 연속적으로 공급함과 동시에 같은 양의 가스를 배기시키며 필요한 탄소량, 침탄깊이에 맞추어 조절합니다.

 

플라즈마 침탄법의 특징

  1. 장치 및 탄소농도 관리가 간편합니다.
    구조적으로 침탄 및 담금질을 동일 장치내에서 할 수 있고 연속작업 및 자동화가 용이합니다.
    내부가열식 진공로이므로 열의 방산이 없으며 가스 누출이 전혀없어 폭발 등의 재해 발생 위험이 낮습니다.
    가스량 및 압력을 설정해 방전 전류의 밀도를 제어하므로 원하는 표면 탄소농도 및 경화깊이를 얻을 수 있습니다.
  2. 전처리 및 침탄 방지가 간단하고 표면 광택이 있습니다.
    수소이온을 통해 산화물과 이물질이 제거되기에 전처리는 간단한 탈지 정도만 하면 됩니다.
    침탄이 필요하지 않는 부분은 마스킹 처리로 막아주면 방지할 수 있습니다.
  3. 침탄속도가 빠르고 효율이 높습니다.
    짧은 시간내에 표면 탄소농도를 높일 수 있으며 가스침탄과 비교해서 농도 구배가 크기 때문에 확산속도가 증가하여 처리시간이 대폭 단축됩니다.
    소모된 가스와 확산 침투된 탄소량의 비를 침탄효율이라고 할때 플라즈마 침탄의 경우 55%이며 가스 침탄이나 진공침탄의 경우 20%이하입니다.
  4. 고농도, 복합침탄이 가능합니다.
    조업압력이 낮기 때문에 그을음 발생이 없어서 가스 침탄과 달리 탄소농도를 크게 높일 수 있습니다.
    진공로이기에 가스 치환 속도가 빠르며 가스종류, 공급량의 선택 폭이 넓어서 질화, 질화침탄 등의 다양한 표면경화에 적용할 수 있습니다.
  5. 경제적이고 환경친화적입니다.
    배기되는 가스는 대부분 수소이기에 공해가 없으며 미량이기 때문에 안전합니다.
  6. 탈탄 및 입계산화층의 형성을 방지 할 수 있습니다.
    제품 표면에 탈탄층 또는 입계산화층이 형성되면 내마모성, 내피로특성이 낮아지며 퀜칭능이 저하돼 불완전 조직이 발생할 수 있습니다.
    산소가 차단되는 진공로 작업이기에 침탄층이 균일하고 입계산화층이 발생하지 않습니다.
  7. 초기 설비투자가 크지만 운전비는 저렴합니다.
    운전비가 가스침탄법의 1/2 정도입니다.

가스 침탄의 경우 미량의 산소로인해 발생하는 산화피막이 침탄을 방해하기 때문에 스테인레스강의 경우 침탄이 매우 어려웠습니다.
그러나 플라즈마 침탄의 경우 아르곤과 수소혼합가스를 이욯한 이온충격을 통해 표면의 산화물이 제거되고 산소의 유입이 없기에 스테인레스강이나 고망간 비자성강 같이 침탄이 어려운 소재의 침탄이 가능합니다.

*참고 자료: 플라즈마 침탄기술 현황(이구현, 남기석)