KR100321588B1 - 회전식분무건조기를이용한프라즈마용사용세라믹분말의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프라즈마 용사용 세라믹분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 중량%로 Cr₂O₃계 또는 Al₂O₃/TiO₂계 세라믹 분말 : 50∼70%, 결합제 : 0.8∼1.4%, 분산제 : 0.4∼0.8%, 잔부 물로 이루어진 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 슬러리를 회전식 분무건조기에 투입하여 건조분말을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전식 분무건조기를 이용한 프라프마 용사용 세라믹분말의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 상기 슬러리는 회전식 분무기에 70∼100g/min의 속도로 공급되고, 회전식 분무기 디스크는 14,000∼15,000 RPM 의 속도로 회전되며, 상기 건조분말을 프라즈마 화염과 함께 분사시켜 재용해하여 물속에 떨어뜨려 급속 응고시킨 후 건조시키는 치밀화 단계가 더 추가되는 것을 그 특징으로 한다.

Description

회전식 분무건조기를 이용한 프라즈마 용사용 세라믹분말의 제조방법

본 발명은 프라즈마 용사용 세라믹분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 회전식 분무건조기를 이용하여 프라즈마 용사용 세라믹 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

프라즈마용사는 용사건에서 발생하는 고온의 프라즈마 열원에 의해 공급되는 용사용 분말을 반용융상태로 만든 후 이송가스로 분사시켜 모재에 충돌, 용착시킴으로써 원하는 소재의 코팅층을 형성하는 공정으로써, 사용되는 분말은 Cr₂O₃계 및 Al₂O₃계 등의 세라믹재료가 주종을 이루고 있으며, 일부 고융점 금속재료도 적용되고 있다.

이러한 프라즈마 용사용 세라믹분말은 미분 또는 원재료를 아크, 프라즈마등으로 용해후 이를 다시 분쇄하여 용도에 따라 약 20∼100㎛크기로 제작하여 사용하고 있다.

상기와 같은 프라즈마 용사용 분말은 용사시 모든 분말이 균일한 용해상태로 분사되어 디스크 형태로 대상물에 용착되기 위해서는 양호한 유동성, 즉 균일한 분사거동을 해야한다.

만약 분균일한 분사거동이 발생하면 이는 단위시간당 분사량이 순간적으로 많은 것을 의미하기 때문에 비용융입자들의 약한 용착에 의해 코팅층에 국부적으로 큰 기공을 만들어 코팅층 특성 자체를 약화시키게 된다.

이러한 점에서 종래 용해, 분쇄공정을 거쳐 제조되던 용사용 분말은 입자의 모양이 불규칙한 다각형형태를 띠고 있어 유동성이 저하되고, 특히 입자의 크기가 작아질수록 유동성의 감소경향이 커서 상기와 같은 문제점을 가져올 수 있으며, 현재 국내에서 사용되고 있는 대부분의 용사용분말이 수입에 의존하고 있어 경제적인 측면에서의 대안이 시급한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 용사용 분말을 제조하기 위하여 세라믹 원료를 슬러리화 한후 이를 회전분무건조하여 분말을 제조함으로써 단순한 공정 및 입자의 구형화로 균일한 분사거동을 가질 수 있는 회전식 분무건조기를 이용한 프라즈마 용사용 세라믹분말의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명 및 종래법에 의해 제조된 프라즈마 용사용 세라믹 분말의 입도분포를 비교한 그래프 도,

도 2a 및 도 2b는 종래 용해/분쇄 공정을 거처 만들어진 용사용 분말의 SEM 조직 사진도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의해 제조된 프라즈마용사용 분무건조분말의 SEM조직 사진도,

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의해 제조된 프라즈마 용사용 치밀화 분말(분무건조 분말을 화염에서 용해처리한 분말) 의 SEM조직 사진도이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중량%로 Cr₂O₃계 또는 Al₂O₃/TiO₂계 세라믹 분말 : 50∼70%, 결합제 : 0.8∼1.4%, 분산제 : 0.4∼0.8%, 잔류 물로 이루어진 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 슬러리를 회전식 분무건조기에 투입하여 미분 응집형 구형 건조분말을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전식 분무건조기를 이용한 프라즈마 용사용 세라믹분말의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 슬러리는 회전식 분무기에 70∼100g/mim의 속도로 공급되고, 회전식 분무기 디스크는 14,000∼15,000 RPM 의 속도로 회전되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 건조분말을 프라즈마 화염내로 분사시켜 재용해하여 물속으로 급속응고시킨 후 물을 건조시켜 응고 분말을 회수하는 방법인, 고기능성 프라즈마용사용 치밀화 분말을 제조하는 단계가 더 추가되는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 수치한정의 이유에 대하여 설명한다.

먼저 본 발명에서 제조된 슬러리중 세라믹분말을 중량%로 50∼70%로 한정한이유는 그 양이 50%미만일 경우는 단위 분사액적 크기당 원료 분말 함유량이 적어 건도된 응집입자의 크기가 감소하고 술러리의 점도가 적어 분산제가 필요없는 장점은 있으나, 생산속도가 너무 낮아 산업화하기에는 절대적으로 부적합하며 건전한 수분증발이 어려운 관계로, 입자미세화에 의한 유동도의 저하를 초래할 수 있기 때문이고, 그 양이 70%를 초과할 경우 생산속도가 크고 겉보기 밀도가 높아지는 장점은 있으나, 분무건조 입자의 크기가 너무 커져 용사용분말로 부적합하기 때문이다.

또한, 바인더는 응집입자를 구성하는 원료입자들끼리의 결합력을 제공하는데 그 목적이 있는 바, 슬러리중의 절합제양을 0.8∼1.4중량%로 한정한 이유는 0.8%미만일 경우 그 양이 부족하여 고유의 역할을 상실할 수 있어 그로인해 분말이 쉽게 분래되거가 분쇄되지 않더라도 표면에서 원료입자들이 쉽게 떨어져나와 표면요철을 형성시킴으로써 유동도를 저하시키기 때문이고, 1.4%를 초과한 경우 재료의 손실 즉, 더 이상의 유동도 향상효과가 없기 때문이다.

한편, 상기 슬러리중 분산제를 0.4∼0.8중량%로 한정하는 이유는 0.4% 미만으로 첨가시 슬러리내의 국부적 불균일응집 방지 및 점도저하에 의한 유동성을 향상시키고자하는 목적을 이를 수가 없으며, 0.8%를 초과하여 첨가하면 더 이상의 효과가 증대하지 않기 때문이다.

그리고, 회전식 분무기로의 슬러리 공급속도를 70∼100g/min로 한정하는 이유는 70g/min 미만일 경우 입자는 미세화살 수 있지만 생산속도가 저하되고, 100g/min을 초과할 경우 생산속도는 증가하지만 기포가 내재되어 있는 중공형 과립 분말이 발생하는 문제점이 있다.

또, 회전식 분무건조시 디스크 회전속도가 증가하면 분사액적 크기의 감소로 분무건조 분말의 크기가 감소하게 되는데, 일반적으로 약 8,000RPM∼11,000RPM 으로 적용하며 이때 분무건조 평균 입자크기는 약 50∼100㎛ 로 제조된다.

그러나 본 발명에서 회전식 분무기 디스크의 회전속도를 14,000∼15,000RPM로 한정하는 이유는 14,000RPM의 속도로 디스크를 회전시킬 경우 약 ∼120㎛정도의 입자크기를 갖는 분말이 제조되어 용사용으로는 사용할 수가 없기 때문이며, 15,000RPM 이상의 속도로 디스크를 회전시킬 경우 회전식 분무기의 수명이 짧아지는 단점이 있기 때문이다.

또한 미분 응집형 분무건조 분말분무건조 분말을, 입자 자체를 구형으로 유지하면서 치밀화 하면 겉보기 밀도와 유동도의 현저한 증가로 프라즈마용사용으로 더욱 유리한 고기능화가 이루어지는데, 이를 위한 한 방법으로 프라즈마 화염내에서 분사시켜 용해에의해 치밀화한 후 물 속으로 자유낙하 시켰다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

<실시예>

회전분무건조를 위한 초기 슬러리 제조조건과 분무건조 조업조건은 하기 표1과 같다.

상기 표 1과 같이 원료분말, 물, 바인더 및 분산제가 잘 혼합된 슬러리는 튜브를 통하여 고속으로 회전하는 회전식 분무건조기내로 공급되어 회전디스크의 기계적인 분사력에 의해 작은 액적으로 분사된 후 챔버내에서 건조되어 건조분말을 제조하였다.

또한, 상기 건조분말을 프라즈마 건에서 플라즈마 화염과 함께 분사시켜 재용해 처리하여 물속에 떨어뜨려 응고시킨 후 물만을 건조하여 프라즈마 용사용 고기능형 치밀화 세라믹분말을 회수하였다.

도 1은 상기와 같은 본 발명에 의해 만들어진 프라즈마 용사용 세라믹분말과 종래 용해, 분쇄하여 만들어진 프라즈마 용사용 세라믹 분말의 입도분포를 비교한 그래프이다.

상기 그래프에서 알 수 있듯이, 본발명과 종래방법은 그 입도분포가 유사함을 알 수 있다.

한편, 본발명과 종래방법의 겉보기밀도 및 유동도는 하기 표 2와 같다.

상기 표 2에서 본발명에 의한 분말중 치밀화를 행한 분말의 경우 종래법보다 겉보기밀도 및 유동도에 있어 종래법보다 향상되었음을 알 수 있지만, 치밀화를 행하지 않은 분무건조분말은 종래법에 의한 분말에 비해 약 1/2 정도로 낮게 측정되었음을 알 수 있다.

그 이유는 치밀화를 행한 분무건조분말의 경우 미분응집형으로 만들어진 건조분말을 다시 완전히 용해하여 치밀화를 행하였으므로 종래 용해/분쇄과정을 거쳐 만들어진 분말과의 비교 평가가 가능하지만 치밀화를 거치지 않은 건조분말은 도 3에 나타낸 바와 같이 미분응집형 구형분말로써 단위입자당 그 무게가 종래의 용해/분쇄 분말에 비해 크게 떨어지므로, 분무건조 분말에 대한 유동도와 겉보기 밀도의 특성을 종래 용해/분쇄 분말의 경우와 절대적으로 비교할 수가 없기 때문이다.

이에 종래 및 본발명에 의한 분말을 이용하여 프라즈마 용사 코팅을 행하고,그 코팅층의 SEM 조직 및 특성을 하기 표 3과 같이 구할 수 있었다.

상기 표 3에서 보여지듯이 본발명에 의해 치밀화를 거친 분무건조분말에 의한 코팅층은 종래법에 의해 경도 및 접착강도에서 훨씬 우수함을 알 수 있으며, 치밀화를 거치지 않은 상태인 분무건조분말에 의한 코팅층의 경우에도 경도는 약간 떨어지나, 접착강도에 있어 우수함을 알 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 그 공정이 단순하고 다양한 분말소재 적용할 수 있으므로 적용분말소재의 확대에 대한 파급효과가 매우 크고, 저렴한 가격으로 용사용분말을 제조할 수 있어 종래 수입에 의존하던 용사용분말을 대체할 수 있음으로해서 파생되는 경제적 효과가 크다.

Claims (1)

1. 중량%로 Cr₂O₃계 또는 Al₂O₃/TiO₂계 세라믹 분말이 50∼70%, 결합제가 0.8 ∼1.4%, 분산제가 0.4∼0.8%, 나머지가 물로 이루어진 슬러리를 제조하는 단계와;

   상기 슬러리를 회전식 분무건조기에 투입하여 건조분말을 형성하는 단계와;

   상기 건조분말을 플라즈마 화염과 함께 분사시켜 재용해하여 물 속에 떨어뜨려 금속 응고시킨 후 건조시키는 치밀화 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 회전식 분무건조기를 이용한 플라즈마 용사용 세라믹분말의 제조방법.