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그림1 : 아크 PVD 코팅 공정을 위해 준비된 플라즈마 질화 압출기 나사. 출처: Busch (부쉬) 진공 솔루션.

아크 PVD 코팅용 스크류 진공 펌프

Dreistegen GmbH의 핵심 사업은 대형 금속 도구 및 부품의 표면 마감처리입니다. 여기에서는 저온 플라즈마를 통한 질화, 연질화 또는 산화와 같은 다양한 확산 레이어 처리와 물리적 증착(PVD) 및 화학기상증착(CVD)과 같은 코팅 기술이 사용됩니다.
진공 상태에서 아크 증발(아크 PVD)을 사용하여 경화된 얇은 층을 적용할 때 Dreistegen은 Busch (부쉬) 진공 솔루션의 COBRA NC 스크류 진공 펌프를 사용합니다. 이 펌프는 2대의 병렬 터보 진공 펌프와 함께 보조 펌프로 작동하여 코팅 챔버에서 진공을 생성합니다.
2008년 Oliver Kayser 박사는 독일 아이펠 지역의 몽샤우에 소재한 오래된 섬유 공장 건물에서 사업을 시작했습니다. 200년 전부터 사용된 이 오래된 산업 건물은 도구 및 구성 요소용 플라즈마 질화 및 PVD 코팅에 주력하는 Kayser에 의해 다시 살아났습니다. 부분적으로 낡은 건물에서 작게 시작된 사업이 현재는 40명의 직원이 근무하는 현대적인 중소기업으로 변모했으며, Dreistegen은 마모와 부식으로부터 보호하기 위해 작업 부품에 특별한 얇은 층을 적용합니다. 또한, 이러한 코팅은 표면에 잔류물이 형성되는 것을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 따라서 다른 물질과의 기생 반응이 방지됩니다. Dreistegen의 많은 고객은 플라스틱 공정 분야의 기업이며, Dreistegen에 사출 성형, 압출 또는 중공 성형 도구에 대한 코팅을 의뢰합니다. Oliver Kayser 박사는 공구 표면의 촉매 자극이 용융된 플라스틱을 분해하는 것을 방지하는 특수 코팅 형태를 개발했습니다. 그 결과, 플라스틱이 금형에 달라붙지 않습니다. 이는 작업자에게 압출 또는 사출 성형 시 재료와 색상을 빠르게 변경할 수 있음을 의미합니다. 또한, 이형제의 양을 줄이거나 제제의 사용을 완전히 없앨 수도 있습니다.
Dreistegen은 주로 자동차 산업과 업체를 위해 성형 도구와 다이캐스팅 몰드의 코팅도 수행합니다. Dreistegen은 다양한 질화, PVD 및 CVD 코팅 및 마감재도 공급합니다.
Oliver Kayser 박사는 최신 코팅 기술에 집중하고 있으며, 항상 얇은 층을 최적화하여 특정 응용 분야에서 고객에게 이점을 제공할 수 있는 방법을 실험하고 있습니다. 여기에는 플랜트 기술 최적화도 포함됩니다.
아크 PVD 코팅 시스템은 사용 가능한 회전 직경이 1,200mm이고 높이가 1,500mm였으며 원래는 윤활유 공급 로터리 베인 진공 펌프로 구성된 진공 시스템과 보조 펌프로 구성된 진공 시스템 및 2개의 진공 부스터로 설치되었습니다. 이 시스템은 병렬로 작동하는 두 개의 터보 진공 펌프에 필요한 진공을 생성했습니다. Kayser 박사는 이러한 전체 보조 진공 장치를 Busch (부쉬)의 COBRA NC 400 B로 교체했습니다. 이 스크류 진공 펌프는 단일 단계에서 0.05mbar(hPa)의 최대 진공도를 달성합니다. 따라서 최대 진공도 및 흡입 용량 측면에서 다른 제조사의 기존 3단계 진공 장치를 대체하는 동시에 훨씬 더 향상된 에너지 효율성을 달성할 수 있습니다.
Kayser 박사는 COBRA NC의 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능과 저소음 작동을 높이 평가합니다. 또한, 필요한 공간도 이전 진공 시스템보다 훨씬 작습니다.
Kayser 박사는 또한 다른 제조사의 스크류 진공 펌프도 면밀하게 조사했습니다. 그러한 펌프는 단면 베어링 시스템이 적용되어 교체하기 어려운 특수 모터로 구동되었습니다.
Kayser 박사는 2개의 스크류 로터에 양면 베어링 시스템이 장착된 COBRA의 모듈식 기능 설계와 언제든지 교체가 가능한 플랜지 장착 표준 모터로부터 깊은 인상을 받았습니다.
코팅 챔버 로딩부터 작업 부품 제거까지 실제 아크 PVD 공정에서는 14~18 시간이 걸립니다. COBRA NC 진공 펌프는 작업 부품 조립 및 제거를 위한 두 공정 사이에 짧은 휴식을 취한 후 연속 작동이 가능합니다. 이는 COBRA NC가 연중 상시 실행됨을 의미합니다. Kayser 박사는 COBRA NC 스크류 진공 펌프와 2대의 병렬 다운스트림 터보 진공 펌프의 조합으로 구성된 코팅 시스템에서 공정 진공을 생성하기 위한 현재 설정이 최적의 솔루션이라고 생각합니다.
작업 부품의 기본 재료는 아크 PVD 코팅을 하기 전 특정 표면 경도 수준을 충족해야 합니다. 이러한 이유로 Dreistegen은 일반적으로 플라즈마 질화 공정을 사용하여 코팅할 작업 부품을 준비합니다.
플라즈마 질화 작업 부품은 유리 비드로 블라스팅되거나 필요한 경우 약간 연마됩니다. 작업 부품의 청소가 완료되면 홀더에 고정되고 코팅 챔버에 로드됩니다. 밀폐 챔버는 10-5mbar(hPa)의 진공 레벨으로 배출됩니다. 챔버의 작업 부품은 최대 450°C까지 가열됩니다.
공정 온도에 도달하면 천연 산화물이 아르곤 발광 플라즈마에서 부식됩니다. 그러면 아크 증발기가 점화되어 이동할 수 있습니다. 그러나 후면에 장착된 영구 자석으로 인해 티타늄, 크롬 또는 그 합금의 도너 재료에 결합된 상태가 유지됩니다. 알루미늄 합금 또는 기타 금속도 사용하는 것이 가능합니다.
아크에서 도너 물질은 폭발 등의 공정을 통해 기화되며 개별 증기 입자는 거의 완전히 이온화됩니다. 전기 프라이밍(BIAS)은 작업 부품에 이온을 분사하는 데 사용됩니다. 질소, 아세틸렌, 메탄, 산소 및 수소와 같은 반응성 가스도 추가됩니다. 이러한 가스를 추가하면 코팅 챔버의 압력이 10-2mbar(hPa)까지 상승합니다. 플라즈마에서 방출되는 반응성 가스는 작업 부품 표면의 금속 이온과 결합하여 하드 코팅 층을 생성합니다. 일반적인 화합물로는 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 탄화 질화물(TiCN), 크롬 질화물(CrN), 알루미늄 티타늄 질화물(AlTiN) 및 크롬 산화물(Cr2O3) 등이 있습니다. 높은 입자 에너지와 투사력으로 인해 생성된 코팅은 복잡한 모양의 작업 부품에서도 점착성이 뛰어나며 균일합니다. 아크 증발을 사용하여 Dreistegen에서 생산하는 얇은 층은 2,000HV(Vickers 경도) 이상의 경도 수준을 달성합니다.
COBRA NC 스크류 진공 펌프를 사용함으로써 원래 진공 장치에 비해 진공 시스템에 필요한 유지보수 작업이 크게 감소합니다.
스크류 진공 펌프에서 필요한 유일한 작업은 매년 기어 오일을 교체하는 것입니다.
Oliver Kayser 박사는 스크류 진공 펌프의 절대적인 작동 안전성이 매우 중요한 요소라고 강조합니다. 공정 중에 진공 펌프가 손실되면 값 비싼 작업 부품을 사용할 수 없게 되어 막대한 손상이 발생합니다.
2년 동안 COBRA NC를 연속 운영한 후 Oliver Kayser 박사는 다음과 같이 말합니다.
“Dreistegen은 Busch (부쉬)에 만족하는 고객이며 기계의 품질에 깊은 인상을 받았습니다.“
Oliver Kayser 박사