KR100256426B1 - 접착력이 우수한 니켈계 용사층의 후열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접착력이 우수한 니켈계 용사층의 후열처리 방법에 관한 것으로, 후열처리 방법에 있어서, 니켈이 50%이상 함유된 합금용사층의 접착력을 증대시키기 위하여 후열처리시, 일반적인 열처리로를 이용하여 공기중에서 혹은 질소나 아르곤 등의 불활성 분위기 하에서 600∼800℃의 온도범위로 1∼5시간 열처리하는 것이다.

Description

접착력이 우수한 니켈계 용사층의 후열처리 방법

도 1는 본 발명의 후열처리 온도에 따른 접착력 시험 결과도.

도 2는 Ni-5Al용사층의 주사 전자현미경 단면 조직 사진으로써,

도 2a는 열처리 전 상태의 조직사진.

도 2b는 1100℃로 열처리한 상태의 조직사진

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 접착력이 우수한 니켈계 용사층의 후열처리 방법에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 플라즈마 용사, 화염용사, 아크용사, 고속용사(High velocity oxygen fuel),그리고 데토네이션(detonation)용사 등의 방법으로 금속표면의 내산화성을 증대시키기 위하여, 단열 코팅의 본드코팅 등으로 널리 사용되는 니켈계 합금 용사층에 관한 것이다.

일반적으로 용사층은 금속 기판 위에 개개의 용융입자들이 충돌하여 형성된 것으로서, 금속 기판과는 금속적인 결합이 아닌 기계적인 결합 으로 이루어져 있으며, 용시층 내에서도 소위 라멜라라고 불리우는 형태의 각각의 층으로 구성되어 있다.

따라서 이러한 라멜라 층내와 층간에는 수많은 기공을 함유하고 있으며, 불균일한 조직으로 구성되어 있으므로, 이러한 용사층은 낮은 용사층의 접착력 때문에 사용에 많은 제약을 받게 된다.

종래의 용사층 후열처리에 관한 특허로는 우선 연료 전지의 허메틱코팅을 만들기 위하여 용사층을 형성하고, 후열처리하는 일본국특허 제62404435호와 디스크 브레이크 로터 생산을 위하여 브레이크 표면에 용사층을 형성하고, 후열처리하는 미국특허 제5407035호가 있다.

또한, 알루미나와 알루미늄 나이트라이드의 복합체를 형성하기 위하여 알루미나와 알루미늄을 용사한 후 질소 분위기하에서 후열처리하는 일본국특허 제5051285호가 있다.

특수 전자 부품 사용 목적을 위하여 금속을 아크용사한 후 불활성 분위기하에서 후열처리하는 일본국특허 제4243106호가 있다.

또한, 초전도체 물질을 만들기 위하여 특수 조성을 용사한 후 후열처리 하는 미국특허 제5273957호 등이 있다.

상기의 특수 목적에 사용하기 위하여 실시되는 후열처리 방법 외에 일반적인 용사층에 관한 특허로는 금속 기판과 용사층의 금속적인 결합을 위하여 기판 금속을 용사 전에 전기화학적으로 청소한 후 용사한 다음, 진공이나 불활성 가스 분위기하에서 후열처리 하게 되면 용사층과 금속기판 사이에 상호 확산이 일어나서 우수한 접착력을 가지는 용사층을 가지게 된다고 명시하고 있다(미국특허 제5268045호).

이상과 같은 종래의 기술들은 모두 진공 분위기나 불활성 기체 분위기하에서 후열처리를 행함으로써 열처리시 발생하는 용사층의 산화 현상을 최대로 억제하려고 하고 있다.

용사층을 후열처리 하는 가장 큰 목적은 기공을 감소시키고, 조직을 균일화하여 용사층 내의 접착력을 증가시키는 것이 가장 큰 목적이다.

그러나, 용사층에서 산화물이 형성되게 되면 용사층 자체의 고유 특성도 저하할 뿐만 아니라, 산화물 형성에 의하여 기공 감소와 조직 균일화 효과를 상쇄하고 오히려 접착력은 감소하게 된다.

특히, 니켈계 합금(니켈이 50%이상 함유한 합금)을 용사하게 되면 용사층 형성 과정에서 공기와 반응하여 용이하게 NiO가 형성되며, 후열처리하게 되면 NiO등의 산화물이 급격히 증가하여 이러한 NiO등의 산화물은 용사층의 접착력을 저하시키게 된다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은 진공이나 불활성 분위기가 아닌 공기중에서 열처리시 니켈계 용사층의 적정 후열처리 온도 및 후열처리 시간을 설정하였다.

즉, 너무 낮은 온도에서 열처리하면 기공 감소와 조직 균일화 효과가 미흡하여 접착력 상승이 미미하고, 너무 높은 온도에서 열처리하면 산화 형성에 의한 나쁜 효과가 좋은 효과를 상쇄하여 접착력은 오히려 감소하게 된다.

[발명의 구성]

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판상에 5% Al이 함유된 Ni-Al 합금 또는 20% Cr이 함유된 Ni-Cr 합금이 용사코팅된 합금용사층의 접착력을 증대시키기 위하여 열처리로를 이용하여 대기 중에서 600∼800℃의 온도범위에서 1∼5시간 열처리하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

세 종류의 니켈계 합금 분말을 준비하였다. 5% Al이 함유된 것, 20% Cr 이 함유된 것, 그리고 19% Cr과 6% Al이 함유된 것으로서, 이하 Ni-5Al, Ni- 20Cr, Ni-19 Cr-6Al으로 표시한다.

상기의 분말을 화염 용사기를 사용하여 약 0.3mm정도의 용사층을 만들었다.

이때 기판은 회주철을 사용하였으며, 용사 전에 그리트 브레스팅을 하고 약 150℃정도 예열하였다.

용사된 코팅층을 원하는 온도의 전기로에 장입하여 약 1∼5시간 열처리 하였다. 열처리 한 시편과 열처리하지 않은 시편을 ASTM C633-79의 용사층 접착력 시험방법에 따라 접착력 시험을 실시하였다.

접착력 시험 결과는 도 1에서 보이고 있으며, 각 결과는 3번 측정의 평균이다.

파괴되는 지점은 용사층과 금속 기판과의 경계에서 나타나지 않고 모두 용사층 내에서 나타났으므로 측정된 결과는 모두 용사층 내의 접착력으로 평가되며, 용사층과 금속 기판과의 접착력은 이보다 큰 것으로 평가된다.

도 1에서 보면, 후열처리 온도가 증가함에 따라 기공 감소와 조직균일화에 의해 접착력이 증가하나 어떤 온도 이상에서는 산화물 형성에 기인하여 오히려 접착이 감소함을 보이고 있다.

비교예로 나타낸 알루미나 계통의 용사층의 경우는 세라믹으로 1100℃의 열처리 온도로는 기공 감소 효과와 산화물 형성이 거의 미미하여 접착력에는 거의 변화를 보이지 않게 된다.

도 2에서는 Ni-5Al 용사층의 주사 전자현미경 단면 조직 사진을 보이고 있는데, 도 2a의 사진에서는 열처리 전 상태로서 약 10%정도의 기공을 보이고 약간 검은색을 띠는 산화물이 약 13%정도 나타나고 있다 (표 1).

또한, 도 2b의 사진에서는 기공도가 약 1.3%정도로 감소하나, 검은 부분으로 나타나는 산화물이 약 28%로 증가하고, 산화물이 라멜라층 위 아래로 연결되어 있어, 이러한 산화물은 취약하므로 접착력은 감소하게 된다.

[표 1]

영상분석기에 의한 기공도와 산화물 분율 측정 결과.

상기 표 1에서는 각 열처리 온도에 따른 영상 분석기에 의한 기공도와 산화물 분율 측정 결과로서 20군데 측정 결과의 평균이다.

즉, 온도가 상승함에 따라 기공도는 감소하나 산화물 분율은 증가함을 보이고 있다. 하기 표 2에서는 X선 정성 분석결과를 최대 피크를 100으로 하였을 때의 상대적인 피크 높이를 보이는 결과로서 상대적 양의 근사치로 볼 수 있다.

즉, 용사된 상태에서도 약간의 NiO나 Cr₂O₃가 함유되어 있다가 500℃로 열처리 시킨 결과에서는 산화물 형성이 미미하다가 1100℃로 열처리 시킨 경우에 있어서는 NiO와 다른 산화물의 양이 급격히 증가함을 보이고 있다.

[표 2]

X선 정량 분석 결과

가공이 감소되고 산화물이 형성되는 정도는 확산에 따른 현상으로서 일반적으로 확산은 시간과 온도의 함수로 볼 수 있다.

그러나, 확산되는 정도는 온도의 익스포넨셜함수이고, 시간의 로그 함수이므로 온도가 가장 중요한 변수로 사료된다.

따라서 가장 적당한 조건은 낮은 온도인 600℃에서 열처리 하면 약 5시간 정도가 적당하고, 높은 온도인 800℃에서 열치리하면 1시간 정도가 가장 적절한 조건이다.

상기의 결과들은 아르곤이나 질소 등의 불활성 분위기 하에서도 적용이 가능한데, 단지 산화물 형성 정도가 작으므로 높은 도 조건과 긴 시간 조건이 더 적절한 조건이 된다.

[발명의 효과]

이상과 같은 본 발명은 기공 감소와 조직 균일화로 인하여 용사층 자체의 산화와 부식 특성이 증가하고, 기공 감소로 인하여 그속 기판의 산화와 부식 특성이 증가하며, 고가의 진공로나 분위기로가 필요하지 않고, 용사층의 접착력 증대로 인하여 마모 특성 증대와 사용 수명 연장을 도모하게 되었다.

Claims (1)

1. 기판상에 5% Al이 함유된 Ni-Al 합금 또는 20% Cr이 함유된 Ni-Cr합금이 용사코팅된 합금용사층의 접착력을 증대시키기 위하여 열처리로를 이용하여 대기 중에서 600∼800℃의 온도범위에서 1∼5시간 열처리 하는 것을 특징으로 하는 접착력이 우수한 니켈계 용사층의 후열처리 방법.