플라즈마 열처리란?

1. 플라즈마란?

1) 물질의 3가지 상태인 고체, 액체, 기체와 더불어 제 4의 물질상태로 불리어지는 상태의 물질이다.

2) 강의 침탄법

 - 고체법, 액체법, 가스법으로 발전하고 있다.

 - 현재는 최신 기술인 플라즈마를 이용한 이온 침탄법이 적용되고 있다.

 - 최근에는 플라즈마 열처리의 개발에 의하여 표면경화기술의 진보가 현저하게 이루어 지고 있다.

 - 플라즈마 장비와 처리기술의 개발이 급속하게 이루어지고 있다.

 

2. 플라즈마 열처리란?

1) 낮은 진공상태의 가스 분위기에서 glow 방전을 발생시키는 것이다.

플라즈마로된 가스 이온의 충돌에너지로서 피처리물을 가열과 동시에 표면에서 화학반응을 얻는 방법이다.

아주 깨끗한 환경에서도 열처리가 가능한 무공해열처리 방법이다.

 

3. 플라즈마 질화법이란?

1) 플라즈마에 의한 질화기구이다.

-직류 전압을 furnace wall과 플라즈마 질화되는 시료에 인가해서 시료를 음극, furnace wall을 양극으로 결합한다.

 이 potential의 차이에 의해 처리 가스의 분자 및 원자는 이온화되고, glow 방전이라고 알려진 전형적인 발광현상이 일어납니다.

 처리가스인 양이온은 음극 측의 시료 쪽으로 가속되어 거대한 운동에너지를 지닌 채 시료의 표면에 충돌한다.

- N2 + H2가스를 1∼10 Torr의 희박한 분위기의 vacuum furnace 에서 처리부품을 음극(-), furnace wall을 양극(+)으로 하여 수백 Volt의 직류전압을 가하여 glow 방전을 일으켜 N+, H+ 이온을 발생시켜, 이들 이온이 처리부품의 표면에 높은 운동 에너지를 갖고 충돌하여 처리온도까지 가열과 동시에 질화를 행하는 방법이다.

- 다른 질화법에 비하여 복잡하고 이온충격에 의해 처리부품의 표면에서 Fe원자가 튀어나와 이것이 플라즈마 중에서 고도로 활성화된 N과 결합하여 FeN이 되어 표면에 흡착된다.

- 이 FeN은 불안정하므로 점차 저 농도의 질화물 FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N의 변화를 일으켜 질화가 진행되고, 이 과정 중에서 방출된 N은 처리부품의 표면에서 내부로 확산하여 FeN을 생성하며 질화가 계속된다.

 

2) 플라즈마 질화의 특징.

- 공정상의 특징

 밀폐된 용기 내에서 1~10torr의 질소와 수소가 반응하여 질화층을 형성한다.

 폭발위험성이 없고, 배기, 배수, 폐수 등의 공해문제 발생 염려가 전혀 없다.

- 재료상의 특징

 H2와 N2 혼합가스를 조절, γ상만의 단상 생성이 가능하며 층의 두께조절이 용이하다.

 표면다공질이 없는 치밀한 조직이다.

 

3) 플라즈마 질화법의 장점 및 단점

 ◎ 장점

  - 무공해이다.

  - 작업환경, 작업성이 좋다.

  - 표면의 화합물 층의 자유로운 조정이 가능하고, 기공 층이 전혀 없다.

  - 질화속도가 가스질화와 비교하여 대단히 빠르다

  - 350℃이상의 저온이므로 열처리 변형이 적다.

  - 피처리품의 기능적인 효과로서 피로강도, 내마모성, 내식성을 향상시킬 수 있다.

 

 ◎ 단점

  - 형상, 크기에 제한이 있다.

  - 질화온도에서의 급냉은 불가능하다.

  - 생산성이 낮다.

 

4) 플라즈마 질화의 적용사례

- 무공해 표면경화처리법으로서, 다른 질화법에 비해 running cost가 적게 들며, 작업 환경이 청결하고 처리 조건에 따라 질화층을 조절할 수 있는 등 여러 가지 장점이 있다. 그리고 종래의 질화법보다 우수한 표면조직 및 질화층 생성으로 주철과 저탄소강부터 스테인리스강까지 전 범위에 걸쳐 선택적으로 여러 분야에 활발히 적용한다.

- 오스테나이트계 스테인리스강
- 비철재료
- 자동차 부품에 사용되는 Al과 Al합금

 

4. 플라즈마 침탄법이란?

- 이온 침탄이라고도 불린다.

- 약 900도 이상의 고온이 필요하기 때문에 외부 히터로서 가열된다.

- 방법: 처리할 부품을 진공로에 장입하고 탄화수소계 가스를 감압 분위기 중에서 가열, 음극에 놓여 있는 처리물과 전극 사이에 높은 전압을 걸어 그로우 방전이 생기게 하여 플라즈마를 발생 시킴. 이때 그로우 방전에 의해 분위기 중의 탄소는 이온화 되면서 큰 운동 에너지를 가진 양이온([C]+)으로 되며, 이 탄소 이온이 처리물 표면에 충돌하여 내부로 침투하게 되면 침탄이 되는 것이다. 

최근에는 반도체 제조 기술에 이온 주입이 응용된다.

 

1) 침탄법(이온충돌에 의한 표면 세척법)

이온충돌에 의한 표면 세척(클리닝)

플라즈마 내의 수소이온(H2+)이 음극강하에 의해 가속되어 피 처리재의 표면에 충돌하면 피 처리재 표면의 산화물이나 부착물이 제거, 이 처리에 의하여 스텐인레스강과 티탄 등 침탄재료의 침탄이 가능하게 된다.

 실제로 플라즈마 침탄 프로세스를 보면, 침탄처리를 행하기 전에 (Ar + H2)가스만을 흘려서, H2+와 Ar+에 의한 이온충돌을 일정시간 실시하여 표면 클리닝처리를 실시한 후에, CH2 가스를 도입하여 침탄처리를 실시한다.

 

2) 침탄법(강의 촉매작용에 의한 탄소의 포획)

일반적인 가스 침탄과 마찬가지로, 열적으로 활성화된 탄소(C)가 열에너지에 의해 표면에 충돌하고, 강의 촉매작용에 의해 표면에 포획되어 강의 내부로 확산된다.

3) 침탄법(탄소이온의 부착과 침투)

탄소이온(C+)이 음극강하에 의해 가속되어 강의 표면에 충돌할 때, 탄소이온이 직접 강의 내부로 침투되기도 하고 격자결함을 유발하기도 한다. 또한, 표면에 부착된 것은 내부로 확산해 들어간다.

 

4) 침탄법(Argon이온의 스퍼터링 효과)

Argon이온이 음극효과에 의해 가속되어 강의 표면에 충돌할 때, 표면의 철 원자(Fe)를 튕겨낸다. 튕겨져 나간 철 원자가 플라즈마 내의 탄소와 결합하여 [FeC]가 생성되고, 강의 촉매작용에 의해 표면에 포획되어 탄소가 내부로 확산해 들어간다.

플라즈마 침탄의 경우에는 플라즈마 상태의 활성화로 인한 반응의 촉진과 함께, 전술한 바와 같은 작용이 첨가되어 가속 침탄이 이루어진다.

5) 플라즈마 침탄 특성

- 장치 및 탄소농도 관리가 간편하다

- 전처리 및 침탄 방지가 간단하고 표면이 광택을 갖는다.

- 침탄 속도가 빠르고 침탄 효율이 높다.

-  고탄소 및 복합 침탄이 가능하다.

-  경제적이며, 환경이 개선된다.

-  탈탄 및 입계 산화층의 형성을 방지할 수 있다.

- 변형의 발생이 적고 침탄층이 균일하다.

 

6) 플라즈마 침탄 적용사례

 ◎ 고농도 침탄법

   -마르텐사이트의 기지에 구상의 탄화물을 분산 강화 시키는 것이다.

   -마모, 피로 및 고온연화에 우수한 기계적 성질을 얻을 수 있다.

 ◎ 고심도 침탄

   -인쇄기 압연기등과 같은 대형 베어링에는 고부하가 걸리기 때문에 3~4mm정도에 깊은 침탄이 요구된다.

   -난침탄재에 적용한다.

5. 향후 기술개발과 동향(질화,침탄)

1) 플라즈마 질화

- 선진국의 기술개발 동향: 플라즈마 질화법의 선진국의 기술개발 동향은 장치 개발 및 질화층 제어 및 제품 적용 사례를 중심으로 하는 soft-ware 개발을 동시에 추진하고 있다.

- 국내의 기술개발 동향: 아직은 초기 시설 투자비의 부담과 플라즈마 질화에 대한 전문인력 부족으로 외국에서 도입된 장치도 완전하게 활용되지 못하고 있다. 그러나 플라즈마 질화법의 중요성이 점차 인식 하고 있으며 장치 개발과 제품적용에 힘쓰고 있으며 향후 그 응용범위는 크게 증가될 전망이다.

- 타원편광 반사 측정법: 피처리재의 표면을 손상하지 않고, 표면에서 반사된 편광을 측정하여 피처리재의 표면에 대한 광학적 변수들을 얻기 위한 광학적 방법이다.

6. 참고 문헌

1) 플라즈마 물리공학 – 박덕규/청문각 

2) 플라즈마 및 핵융합 물리학 – 박덕주/상운출판사