KR100427975B1 - Aluminum alloys with improved wear-resistance, and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄(Al) 분말과 실리콘카바이드(SiC) 입자, 또는 그라파이트(Graphite) 입자가 혼련된 분말을 플라즈마 용사에 의하여 알루미늄 합금의 표면에 적층시킴으로써 내마모성을 향상시킬 수 있는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention is an aluminum alloy excellent in wear resistance that can improve the wear resistance by laminating powders of aluminum (Al) and silicon carbide (SiC) particles, or graphite (Graphite) particles on the surface of the aluminum alloy by plasma spraying and It relates to a manufacturing method.
이를 위하여, 본 발명은 20∼50부피%의 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드 분말과 잔여부가 평균입도 43㎛의 알루미늄 분말로 이루어지도록 혼합하거나, 또는 20∼50부피%의 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드(SiC) 분말과 3∼10부피%의 평균입도 75㎛의 그라파이트 분말 및 잔여부가 평균입도 43㎛의 알루미늄분말로 이루어지도록 혼합하여 혼련된 분말을 다양한 알루미늄 합금의 표면에 플라즈마 용사하여 내마모 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공한다.To this end, the present invention is 20 to 50% by volume of the average particle size of 20㎛ silicon carbide powder and the remainder is mixed so that the average particle size of 43㎛ aluminum powder, or 20 to 50% by volume of the average particle size 20㎛ silicon carbide (SiC) powder, graphite powder having an average particle size of 3 to 10% by volume and graphite powder having an average particle size of 43 μm were mixed to be plasma-sprayed and kneaded powder on the surfaces of various aluminum alloys to form an anti-wear coating layer. Provided is an aluminum alloy having excellent wear resistance and a method for producing the same, which are formed.
이와 같이, 본 발명은 알루미늄 합금의 벌크소재인 모재의 특성과는 독립적으로 부품의 내마모성을 향상시키고 제조 비용은 줄여서 산업적 이용 가치를 극대화할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of maximizing industrial wear value by improving the wear resistance of parts and reducing manufacturing costs independently of the properties of the base material, which is a bulk material of aluminum alloy.
Description
본 발명은 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄(Al) 분말과 실리콘카바이드(SiC) 입자, 또는 그라파이트(Graphite) 입자가 혼련된 분말을 플라즈마 용사에 의하여 알루미늄 합금의 표면에 적층시킴으로써 내마모성을 향상시킬 수 있는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an aluminum alloy having excellent abrasion resistance and a method of manufacturing the same, and more particularly, an aluminum alloy obtained by plasma spraying a powder in which aluminum (Al) powder, silicon carbide (SiC) particles, or graphite particles are kneaded. The present invention relates to an aluminum alloy having excellent wear resistance and a method for manufacturing the same, which can be improved by laminating it on the surface of the alloy.
일반적으로 자동차 부품인 피스톤, 회전 브레이크, 실린더 라이너와 같은 부품들은 높은 내마모성을 필요로 하면서, 연료 효율을 극대화할 수 있도록 내마모성 대비 부품무게의 절감이 요구되고 있다.In general, parts such as pistons, rotary brakes, and cylinder liners, which are automotive parts, require high wear resistance, and are required to reduce component weight compared to wear resistance to maximize fuel efficiency.
상기와 같은 요구에 부합하도록 내마모성을 향상시킴과 동시에 무게 절감을 통한 연료의 효율 향상을 위한 재료 개발에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있으며, 현재 무게절감을 통한 연료의 효율 향상을 도모하기 위하여 종래의 주철재는 알루미늄합금으로 대체가 이루어지고 있으며, 내마모성을 향상시켜서 회전부체의 사용 수명을 연장하기 위하여 알루미늄 기지 복합재료가 부분적으로 사용되고 있다.In order to improve the wear resistance to meet the above requirements and at the same time research on the development of materials to improve the efficiency of fuel through weight saving is ongoing, and in order to improve the efficiency of fuel through weight reduction The cast iron is replaced by aluminum alloy, and aluminum base composite is partially used to improve wear resistance and prolong the service life of the rotating body.
그러나, 부품 전체를 알루미늄 기지 복합재료로 구성하는 종래의 알루미늄 기지 복합재료는 그 제조방법에 있어서 난해할 뿐 아니라 소재 비용측면에 있어서도 제조비용이 증가하는 문제점이 발생한다.However, the conventional aluminum matrix composite material composed of the aluminum matrix composite material as a whole is not only difficult in its manufacturing method but also causes a problem that the manufacturing cost increases in terms of material cost.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 플라즈마 용사 기술을 이용하여 다양한 알루미늄 합금의 재료 표면에 알루미늄 분말과 실리콘카바이드 분말, 또는 그라파이트 분말이 혼련된 분말을 플라즈마 용사하여 내마모층을 형성함으로써 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention uses a plasma spray technology to form a wear-resistant layer by plasma-spraying a powder mixed with aluminum powder and silicon carbide powder, or graphite powder on the material surface of various aluminum alloys The object is to provide this excellent aluminum alloy and its manufacturing method.
도 1은 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법의 제조공정을 나타내는 공정흐름도;1 is a process flow diagram showing a manufacturing process of an aluminum alloy excellent in wear resistance according to the present invention and a manufacturing method thereof;
도 2는 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법의 장치를 개략적으로 나타낸 장치 개략도;Figure 2 is a schematic view showing the device of the aluminum alloy excellent in wear resistance according to the present invention and a device of the manufacturing method thereof.
도 3은 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 내마모층의 대한 수평 단면의 미세조직도;Figure 3 is a microstructure of the horizontal cross-section of the wear-resistant layer prepared according to the aluminum alloy excellent in wear resistance according to the present invention and a method for producing the same;
도 4는 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 내마모층의 수직 단면의 미세조직도;Figure 4 is a microstructure of the vertical cross-section of the wear-resistant layer prepared according to the aluminum alloy excellent wear resistance according to the present invention and a method for producing the same;
도 5는 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 다양한 내마모층이 형성된 알루미늄 합금의 미끄럼 마모시험 비교그래프도;Figure 5 is a comparison graph of the sliding wear test of the aluminum alloy formed with a variety of wear-resistant layers prepared according to the aluminum alloy excellent wear resistance according to the present invention and a manufacturing method thereof;
도 6은 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 다양한 내마모층이 형성된 알루미늄 합금의 마모량 속도 비교그래프도이다.Figure 6 is a graph of the wear rate of the aluminum alloy excellent in wear resistance according to the invention and the aluminum alloy formed with a variety of wear-resistant layers prepared according to the manufacturing method thereof.
♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣♣ Explanation of symbols for main part of drawing ♣
1:핫플레이트 2:플라즈마가스 3:활성가스 4:제어기 5:분배기1: hot plate 2: plasma gas 3: active gas 4: controller 5: distributor
6:플라즈마건 7:전원공급장치 8:플라즈마건 조절컴퓨터 9:냉각기6: Plasma Gun 7: Power Supply 8: Plasma Gun Control Computer 9: Cooler
10:이동대 11:타겟재(벌크소재) 12:알루미늄 합금소재 13:내마모층10: mobile stand 11: target material (bulk material) 12: aluminum alloy material 13: wear-resistant layer
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알루미늄 합금 표면에 20∼50부피%의 실리콘카바이드(SiC) 입자 및 잔여부가 알루미늄(Al) 기지조직으로 이루어지는 내마모층이 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the wear resistance layer is formed on the surface of the aluminum alloy 20 to 50% by volume silicon carbide (SiC) particles and the remaining portion of the aluminum (Al) matrix structure Provides an excellent aluminum alloy.
또한, 본 발명은 알루미늄 합금 표면에 20∼50부피%의 실리콘카바이드(SiC) 입자와 3∼10부피% 그라파이트(Graphite) 입자 및 잔여부가 알루미늄(Al) 기지조직으로 이루어지는 내마모층이 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금을 제공한다.In addition, the present invention is characterized in that a wear resistant layer is formed on the surface of the aluminum alloy 20 to 50% by volume of silicon carbide (SiC) particles, 3 to 10% by volume of graphite (Graphite) particles and the remainder of the aluminum (Al) matrix structure. An aluminum alloy excellent in wear resistance is provided.
한편, 본 발명은 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드 분말이 20∼50부피%이고 잔여부가 평균입도 43㎛의 알루미늄 분말로 이루어지도록 혼합하거나, 또는 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드(SiC) 분말이 20∼50부피%이고 평균입도 75㎛의 그라파이트 분말이 3∼10부피%이며 잔여부가 평균입도 43㎛의 알루미늄분말로 이루어지도록 혼합하여 혼련하는 단계와; 상기 혼련된 혼합분말에 함유된 수분을 건조하는 단계와; 상기 건조된 혼합분말을 알루미늄 합금의 벌크재료 표면에 플라즈마 용사하여 내마모층을 형성하는 단계와; 상기 플라즈마 용사에 의해서 내마모층이 형성된 알루미늄 합금을 냉각하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 내마모성이 우수한 알루미늄 합금의 제조방법을 제공하게 된다.On the other hand, the present invention is 20 to 50% by volume of the silicon carbide powder having an average particle size of 20㎛, and the remainder is mixed to be made of aluminum powder with an average particle size of 43㎛, or 20 to 20㎛ silicon carbide (SiC) powder is 20 ~ Mixing and kneading the graphite powder having an average particle size of 3 to 10% by volume and 50% by volume to form an aluminum powder having an average particle size of 43 μm; Drying the moisture contained in the kneaded mixed powder; Plasma spraying the dried mixed powder on a surface of a bulk material of an aluminum alloy to form a wear resistant layer; It provides a method of producing an aluminum alloy excellent in wear resistance, characterized in that consisting of the step of cooling the aluminum alloy with a wear-resistant layer formed by the plasma spray.
본 발명에서는 내마모층의 실리콘카바이드의 체적비를 20∼50으로 한정하였는데, 내마모층의 알루미늄 기지조직에 석출될 수 있는 실리콘카바이드 입자상의 총 체적비를 20∼50%로 제어하여 기지조직과의 실리콘카바이드 입자간의 결합력을 유지하도록 하여 기계적인 강도를 유지함과 동시에 내마모성을 향상시키고자 하였다.In the present invention, the volume ratio of silicon carbide of the wear resistant layer is limited to 20 to 50, but the total volume ratio of silicon carbide particles that can be deposited on the aluminum matrix of the wear resistant layer is controlled to 20 to 50% to control the silicon with the matrix. By maintaining the bonding force between the carbide particles to maintain the mechanical strength and to improve the wear resistance.
즉, 실리콘카바이드 입자가 형성된 내마모층에 있어서, 알루미늄 가지조직에 체적비 50% 이상 실리콘카바이드(SiC)가 형성되는 경우는 알루미늄 기지조직과 실리콘카바이드 입자상과의 결합력이 현저히 감소하고 또한 제조상의 어려움으로 실용화하기가 힘들다.That is, in the wear resistant layer on which silicon carbide particles are formed, in the case where silicon carbide (SiC) is formed in the aluminum branched structure with a volume ratio of 50% or more, the bonding force between the aluminum matrix and the silicon carbide particles is significantly reduced, and also due to manufacturing difficulties. Difficult to put into practical use
반면, 알루미늄 기지조직에 체적비 20% 이하로 실리콘카바이드 입자가 형성되는 내마모층의 경우 내마모 특성이 현저히 감소하게 되기 때문에 본 발명에서는 실리콘카바이드 입자의 총 체적비를 20∼50%로 한정하였다.On the other hand, in the wear resistant layer in which silicon carbide particles are formed at a volume ratio of 20% or less in the aluminum matrix, since the wear resistance is significantly reduced, the total volume ratio of the silicon carbide particles is limited to 20 to 50%.
또한, 상기 알루미늄 기지조직에 실리콘카바이드 입자를 일정 분율 형성된 내마모층에 그라파이트 입자를 3∼10부피%로 형성시키는데, 이 때 형성되는 그라파이트 입자가 체적비 3% 미만이면 그라파이트의 윤활효과가 미미하여 내마모성 증대에 효과적이지 못하며, 체적비 10%를 초과하게되면 그라파이트 입자의 과도형성으로 인한 코팅층의 기계적 특성인 강도가 현저히 저하되는 단점으로 인하여 윤활제로서 첨가되는 그라파이트 분말의 량을 3∼10부피%로 제한하였다.또한, 본 발명의 실리콘카바이드(SiC) 분말의 평균입도는 20μm이고 그라파이트 분말의 평균입도는 75μm이며, 알루미늄 분말의 평균입도는 43μm인데 이는 이 정도의 평균입도에서 각 분말을 제조하기 용이하며, 혼합성이 가장 우수하기 때문이다In addition, graphite particles are formed in a wear resistant layer having a predetermined fraction of silicon carbide particles formed in the aluminum matrix, with 3 to 10% by volume of graphite particles being less than 3% by volume. When the volume ratio exceeds 10%, the amount of graphite powder added as a lubricant is limited to 3 to 10% by volume due to the disadvantage that the strength, which is a mechanical property of the coating layer due to the excessive formation of graphite particles, is significantly lowered. In addition, the average particle size of the silicon carbide (SiC) powder of the present invention is 20μm and the average particle size of the graphite powder is 75μm, the average particle size of the aluminum powder is 43μm it is easy to prepare each powder at this average particle size, it is easy to mix Because sex is the best
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 내마모성이 향상된 알루미늄 합금의 제조방법의 제조공정을 나타내는 공정흐름도이며, 도 2는 본 발명에 따른 내마모성이 향상된 알루미늄 합금의 제조방법의 장치를 개략적으로 나타낸 장치 개략도이다.1 is a process flow diagram showing a manufacturing process of the manufacturing method of the aluminum alloy with improved wear resistance according to the present invention, Figure 2 is a schematic view of the apparatus of the manufacturing method of the aluminum alloy with improved wear resistance according to the present invention.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모성이 향상된 알루미늄 합금의 제조방법의 공정은 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드(SiC) 분말과, 평균입도 43㎛의 알루미늄(Al) 분말을 체적비 20∼50 : 80∼50으로 혼합하거나, 또는 평균입도 20㎛의 실리콘카바이드 분말과 평균입도 75㎛의 그라파이트(Graphite) 분말을 체적비 20∼50 : 3∼10 및 잔여 체적비를 평균입도 43㎛의 알루미늄 분말이 차지하도록 혼합하여, 이를 기계적인 방법으로 2∼3시간 동안 혼련한 후, 150℃에서 약 1시간 동안 건조시켜서 플라즈마 용사용 분말로 혼합하였다.As shown in Figures 1 to 2, the process of the production method of the aluminum alloy with improved wear resistance according to the present invention is a silicon carbide (SiC) powder having an average particle size of 20㎛ and aluminum (Al) powder of an average particle size of 43㎛ A volume ratio of 20 to 50:80 to 50, or a silicon carbide powder having an average particle size of 20 µm and a graphite powder having an average particle size of 75 µm are used as a volume ratio of 20 to 50: 3 to 10 and a residual volume ratio of 43 µm. The aluminum powder was mixed so as to occupy, it was kneaded for 2 to 3 hours by a mechanical method, dried at 150 ° C. for about 1 hour, and mixed into a plasma spray powder.
한편, 다양한 알루미늄 합금의 벌크재료 표면은 이물질 제거 및 피막층의 밀착성 향상을 위하여 실리콘카바이드의 그릿트를 사용하여 쇼트 블라스트 작업을 행하였으며, 벌크 소재는 100∼300℃ 정도의 온도로 예열하였다.On the other hand, the bulk material surface of various aluminum alloys were shot blasted using a grit of silicon carbide to remove foreign substances and improve adhesion of the coating layer, and the bulk material was preheated to a temperature of about 100 ~ 300 ℃.
상기와 같이 준비된 플라즈마 용사용 혼합분말은 도 2에 도시된 장치에서 알루미늄 합금 표면에 플라즈마 용사를 실시하여 내마모층을 형성하는데, 플라즈마 아크를 발생시키기 위해 용도에 따라 아르곤이나 질소 등의 불활성 가스를 플라즈마 가스(2)로 사용한다. 플라즈마 가스(2)의 유량과 속도는 가스의 유량과 속도, 입력전류 및 입력전압을 동시에 모두 통제할 수 있는 제어기(4)를 통해 제어하며 플라즈마 아크가 발생되는 플라즈마 건(6)으로 공급하여 플라즈마 젯(Jet)을 발생시킨다. 그리고 공급되는 불활성 가스를 사용하여 초기 플라즈마 젯이 안정이 되면 혼련한 분말을 플라즈마 건(6)으로 동시에 투입하여 플라즈마 젯에 함께 실어 타겟재(11)인 알루미늄 벌크소재(12)의 표면으로 투입되며, 플라즈마 용사 전에 용사 타겟재의 예열은 핫플레이트(Hot Plate;1)에 의해서 예열된다. 공급되는 불활성 가스(2)와 활성가스(3)는 제어기(4)를 통해 조절되고 분배기(5)를 거치면서 이온상태의 플라즈마 가스로 플라즈마 건(6)에 공급된다. 플라즈마 건(6)은 알루미늄 벌크소재의 표면의 위쪽에 위치하며, 전력공급장치(7)와 분배기(5)를 통해 전력이 공급된다.Plasma sprayed mixed powder prepared as described above in the apparatus shown in Figure 2 by performing a plasma spray on the surface of the aluminum alloy to form a wear-resistant layer, in order to generate a plasma arc inert gas such as argon or nitrogen depending on the application It is used as the plasma gas 2. The flow rate and velocity of the plasma gas 2 are controlled by the controller 4 which can simultaneously control the flow rate and velocity of the gas, the input current and the input voltage, and supply the plasma to the plasma gun 6 where the plasma arc is generated. Generate a Jet. When the initial plasma jet is stabilized by using the supplied inert gas, the kneaded powder is simultaneously introduced into the plasma gun 6 and loaded together with the plasma jet to the surface of the aluminum bulk material 12 which is the target material 11. Before the thermal spraying, the preheating of the thermal spray target material is preheated by a hot plate 1. The supplied inert gas 2 and the active gas 3 are controlled by the controller 4 and supplied to the plasma gun 6 as the plasma gas in an ionic state while passing through the distributor 5. The plasma gun 6 is located above the surface of the aluminum bulk material and is supplied with power through the power supply 7 and the distributor 5.
상기 플라즈마 용사는 아크전류 및 전압, 일차 가스유량 및 이차 가스유량, 노즐과 벌크 소재 표면간의 거리, 플라즈마 토치 이송속도, 혼합분말 이송속도 등의 조업 변수를 설정하여 플라즈마 용사를 5∼7회 반복적으로 행하여 벌크 소재 표면에 두께 약 1∼2mm의 일정한 경량 고강도 내마모성 알루미늄기지 복합재료 내마모층(13)을 얻었다. 내마모층(13)의 용사 작업이 완료된 알루미늄 합금의 벌크재료(12)는 공기 냉각을 실시하였다.Plasma spraying is repeatedly performed 5 to 7 times by setting operating variables such as arc current and voltage, primary gas flow rate and secondary gas flow rate, distance between nozzle and bulk material surface, plasma torch feed rate, and mixed powder feed rate. The light-weight high-strength wear-resistant aluminum base composite material wear-resistant layer 13 having a thickness of about 1 to 2 mm was obtained on the bulk material surface. The bulk material 12 of aluminum alloy by which the thermal spraying operation of the wear-resistant layer 13 was completed was air-cooled.
도 3은 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에따라 제조된 내마모층에 대한 수평 단면의 미세조직도이며, 도 4는 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 내마모층의 수직 단면의 미세조직도이다.Figure 3 is a microstructure of the horizontal cross-section of the wear-resistant aluminum alloy according to the invention and the wear-resistant layer according to the present invention, Figure 4 is a wear-resistant aluminum alloy according to the invention and the method It is a microstructure of the vertical cross section of the wear-resistant layer produced.
도 3에는 본 발명에 따라 플라즈마 용사에 의해 얻어진 80부피%의 알루미늄 기지조직과 20부피%의 실리콘카바이드 입자로 이루어진 내마모층(a)과, 75부피%의 알루미늄 기지조직과 20부피% 실리콘카바이드 입자 및 5부피%의 그라파이트 입자로 이루어진 내마모층(b)과, 60부피%의 알루미늄 기지조직과 40부피% 실리콘카바이드 입자로 이루어진 내마모층(c)과, 55부피%의 알루미늄 기지조직과 40부피% 실리콘카바이드 입자 및 5부피%의 그라파이트 입자로 이루어진 내마모층(d)의 수평단면에 따른 미세조직이 도시되어 있다.Figure 3 shows a wear resistant layer (a) consisting of 80% by volume aluminum matrix and 20% by volume silicon carbide particles obtained by plasma spraying, 75% by volume aluminum matrix and 20% by volume silicon carbide Wear-resistant layer (b) consisting of particles and 5% by volume graphite particles, wear-resistant layer (c) consisting of 60% by volume aluminum matrix and 40% by volume silicon carbide particles, and 55% by volume aluminum matrix The microstructure along the horizontal cross section of the wear resistant layer (d) consisting of 40% by volume silicon carbide particles and 5% by volume graphite particles is shown.
도 3에 도시된 바와 같이, 알루미늄+실리콘카바이드 입자 또는 알루미늄+실리콘카바이드 입자+그라파이트 입자의 알루미늄기지 복합재료의 피막층 모두에 실리콘카바이드 입자가 균일하게 분포되어 있음을 관찰할 수가 있다.As shown in FIG. 3, it can be observed that the silicon carbide particles are uniformly distributed in both the coating layer of the aluminum base composite material of aluminum + silicon carbide particles or aluminum + silicon carbide particles + graphite particles.
반면에 그라파이트 입자는 알루미늄 기지조직에 불균일하게 분산되어 형성되는데, 이는 이미지 분석을 통해서 전체의 약 5부피.%의 그라파이트 입자가 피막층에 형성되어 있음을 알 수 있다.On the other hand, the graphite particles are formed unevenly dispersed in the aluminum matrix, which shows that about 5% by volume of graphite particles are formed in the coating layer.
도 4는 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 형성된 내마모층의 수직 단면의 미세조직도이다.Figure 4 is a microstructure of the vertical cross-section of the wear-resistant layer formed according to the aluminum alloy excellent wear resistance according to the present invention and a method for producing the same.
도 4에는 60부피%의 알루미늄 기지조직과 40부피% 실리콘카바이드 입자로 이루어진 내마모층(a)과, 55부피%의 알루미늄 기지조직과 40부피% 실리콘카바이드 입자 및 5부피%의 그라파이트 입자로 이루어진 내마모층(b)의 수직단면에 따른 미세조직도가 도시되어 있는데, 실리콘카바이드 입자들이 용사된 방향을 따라서 알루미늄 벌크재료 표면에 일정하게 분산되어 있음을 관찰할 수가 있으며, 어둡고 불규칙한 모양의 그라파이트 입자가 플라즈마 용사 후에 불균일하게 분산된 것은 용융 알루미늄에 그라파이트의 습윤성이 좋지 않기 때문이다.Figure 4 shows a wear resistant layer (a) consisting of 60% by volume aluminum matrix and 40% by volume silicon carbide particles, 55% by volume aluminum matrix, 40% by volume silicon carbide particles and 5% by volume graphite particles. The microstructure according to the vertical section of the wear resistant layer (b) is shown, it can be observed that the silicon carbide particles are uniformly dispersed on the surface of the aluminum bulk material along the sprayed direction, and the dark and irregular graphite particles The non-uniform dispersion after plasma spraying is due to the poor wettability of graphite in molten aluminum.
따라서, 도 3 내지 도 4에 도시된 도면에서, 벌크 모재와 피막층 사이의 접합면의 밀착성이 아주 양호함을 관찰할 수 있었고, 알루미늄 기지와 실리콘카바이드 입자 계면과 알루미늄 기지와 그라파이트 입자 계면은 기공이 없이 양호한 결합을 하고 있음을 관찰할 수 있었다. 또한 이들 계면에는 다른 반응 생성물들을 전혀 관찰할 수 없었다. 이상의 본 발명에서 관찰할 수 있는 사항 중 가장 중요한 사항 중에 한가지는 전처리하지 않은 그라파이트 분말을 플라즈마 용사에 의해서 피막층의 구성 원소로 활용할 수 있음을 알 수 있었다.Accordingly, in the drawings shown in FIGS. 3 to 4, it was observed that the adhesion between the bulk base material and the coating layer was very good, and the pores of the aluminum matrix and silicon carbide particle interface and the aluminum matrix and graphite particle interface were pores. Good binding could be observed without. In addition, no other reaction products could be observed at these interfaces. One of the most important matters that can be observed in the present invention described above was that the pre-treated graphite powder can be utilized as a constituent element of the coating layer by plasma spraying.
상기 알루미늄 기지조직에 실리콘카바이드 입자가 일정 분율 형성된 내마모층에 그라파이트 입자를 형성시키는 이유는 그라파이트가 고체윤활제로서 아주 뛰어난 특성을 갖기 때문이다. 일례로 주철에 있어서 그라파이트는 고체 윤활제로써 작용하여 주철 기지의 흐름을 아주 좋게 하므로, 주철은 아주 뛰어난 내마모성을 가진다.The reason why the graphite particles are formed in the wear resistant layer in which silicon carbide particles are formed in a predetermined fraction in the aluminum matrix is because graphite has excellent characteristics as a solid lubricant. For example, in cast iron, graphite acts as a solid lubricant, making the cast iron matrix flow very good, so cast iron has very good wear resistance.
따라서, 본 발명에서는 알루미늄 기지조직에 실리콘카바이드 입자가 형성된 알루미늄기지 복합재료 코팅층의 내마모성을 향상시키기 위하여 그라파이트 입자를 플라즈마 용사용 혼합 분말에 첨가하여 내마모용 소재에서 윤활제 역할을 하도록하였다.Therefore, in the present invention, in order to improve the wear resistance of the aluminum base composite coating layer in which silicon carbide particles are formed on the aluminum matrix, graphite particles are added to the plasma thermal spray powder to act as a lubricant in the wear resistant material.
이하, 본 발명의 실시예를 들어 본 발명은 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples of the present invention.
[실시 예][Example]
본 발명에서 알루미늄합금 벌크재료의 표면에 알루미늄+20부피% 실리콘카바이드 입자, 알루미늄+20부피% 실리콘카바이드 입자+그라파이트 입자, 알루미늄+40부피% 실리콘카바이드 입자, 알루미늄+40부피% 실리콘카바이드 입자+그라파이트 입자의 4가지 복합재료 피막층을 얻고자 하였다. 사용 분말은 평균 크기가 각각 43, 20, 75㎛인 알루미늄 분말, 실리콘카바이드 입자, 그라파이트 입자들로써 이들 입자를 목표 조성의 분말로 기계적으로 2∼3시간동안 혼련한 후, 이들 분말을 150℃ 오븐에서 1시간동안 건조시켰다.Aluminum + 20% by volume silicon carbide particles, aluminum + 20% by volume silicon carbide particles + graphite particles, aluminum + 40% by volume silicon carbide particles, aluminum + 40% by volume silicon carbide particles + graphite on the surface of the aluminum alloy bulk material Four composite film layers of particles were obtained. The powder used was aluminum powder, silicon carbide particles and graphite particles having an average size of 43 μm, 20 μm and 75 μm, respectively, and these particles were mechanically kneaded with a powder having a target composition for 2 to 3 hours, and then the powder was It was dried for 1 hour.
한편 알루미늄 합금 벌크재료는 표면의 밀착성 향상을 위하여 쇼트 작업을 행하였고, 모재는 플라즈마 토치에 의해 250℃로 미리 가열시켰으며, 플라즈마건은 이동대에서 컴퓨터로 조절하여, 대기 중에서 플라즈마 용사작업을 행하였다. 알루미늄 합금 벌크재료 위의 용사 피막층의 두께는 1∼2㎜로서, 5∼7층으로 이루어졌다. 알루미늄 합금 벌크재료의 코팅층이 형성되지 않는 반대면은 용사작업 중에 공기로 냉각시켰으며, 표 1에는 플라즈마 용사 시 조업 변수를 나타내었다.On the other hand, the aluminum alloy bulk material was shorted to improve the adhesion of the surface, the base material was preheated to 250 ° C. by the plasma torch, and the plasma gun was controlled by a computer at the moving table to perform plasma spraying in the air. It was. The thickness of the sprayed coating layer on the aluminum alloy bulk material was 1-2 mm, and consisted of 5-7 layers. The opposite surface where the coating layer of the aluminum alloy bulk material was not formed was cooled by air during the spraying operation, and Table 1 shows the operating parameters during the plasma spraying.
상기와 같이 제조된 본 발명에 따른 플라즈마 용사에 의한 알루미늄기지 복합재료의 내마모층 및 그 제조방법에 따라 제조된 내마모층의 내마모성 시험을 위하여 미끄럼 마모를 측정할 수 있는 마모시험기를 사용하였으며, 상기 미끄럼 마모시험편은 직경 8㎜에 길이 15㎜의 실린더 블록형으로 마모되는 면에 본 발명에 따른 내마모층을 플라즈마 용사로 형성하였다. 상기 마모시험편의 조성은 순 알루미늄 재료, 알루미늄+20부피% 실리콘카바이드 입자, 알루미늄+20부피% 실리콘카바이드 입자+그라파이트 입자, 알루미늄+40부피% 실리콘카바이드 입자, 알루미늄+40부피% 실리콘카바이드 입자+그라파이트 입자 의 5가지를 준비하였다. 마모 상대재료는 디스크판 형태를 갖는 냉간가공된 AISI D2 강으로, 경도는 마이크로 비커스(Hv)로 730±10이다. 마모시험은 마모하중 25∼150N, 미끄럼 속도 1 m/s, 미끄럼 거리 1.5㎞의 조건에서 행하였으며, 마모시험중의 중량 감소는 전자저울을 사용하여 측정을 하여 마모속도를 측정하였다.For the wear resistance test of the wear-resistant layer and the wear-resistant layer of the aluminum base composite material prepared by the plasma spray according to the present invention prepared as described above was used a wear tester that can measure the sliding wear, In the sliding wear test piece, the wear-resistant layer according to the present invention was formed by plasma spraying on a surface worn in a cylinder block shape having a diameter of 8 mm and a length of 15 mm. The composition of the abrasion test piece is a pure aluminum material, aluminum + 20% by volume silicon carbide particles, aluminum + 20% by volume silicon carbide particles + graphite particles, aluminum + 40% by volume silicon carbide particles, aluminum + 40% by volume silicon carbide particles + graphite Five kinds of particles were prepared. The wear counterpart is a cold-worked AISI D2 steel in the form of a disc, with a hardness of 730 ± 10 in micro-Vickers (Hv). The abrasion test was carried out under the conditions of 25 to 150 N abrasion load, 1 m / s sliding speed and 1.5 km sliding distance, and the weight loss during the abrasion test was measured using an electronic balance to measure the abrasion speed.
도 5는 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 다양한 코팅층의 미끄럼 마모시험 비교그래프도이다.5 is a comparative graph of the sliding wear test of the various coating layers prepared according to the aluminum alloy excellent in wear resistance according to the present invention and a method for manufacturing the same.
도 5에 도시된 비교그래프도는 본 발명에 따라 플라즈마 용사에 의해 제조된 알루미늄+20부피% 실리콘카바이드 입자(B), 알루미늄+20부피% 실리콘카바이드 입자+5부피% 그라파이트 입자(C), 알루미늄+40부피% 실리콘카바이드 입자(D), 알루미늄+40부피% 실리콘카바이드 입자+5부피% 그라파이트 입자(E)의 4가지의 복합재료 내마모 피막층과 순 알루미늄(A)에 대하여 마모하중 25∼150N, 마모속도 1m/s의 조건하에서 행한 미끄럼 마모시험 결과이다.The comparative graph shown in Figure 5 is aluminum + 20% by volume silicon carbide particles (B), aluminum + 20% by volume silicon carbide particles + 5% by volume graphite particles (C), aluminum produced by the plasma spray Abrasion load 25 to 150 N for four composite wear resistant coating layers of + 40% by volume silicon carbide particles (D) and aluminum + 40% by volume silicon carbide particles + 5% by volume graphite particles (E) This is the result of sliding wear test under the condition of 1m / s wear rate.
도 5에 도시된 바와 같이, 알루미늄 합금의 표면에 알루미늄+실리콘카바이드 입자를 플라즈마 용사하여 얻은 피막층은 내마모성이 순 알루미늄(A) 보다 현저하게 향상됨을 알 수 있었으며, 40부피% 실리콘카바이드로 구성된 피막층(D,E)은 20부피% 실리콘카바이드로 구성된 피막층(B,C) 보다 내마모성이 훨씬 향상됨을 알 수가 있다. 알루미늄기지 복합재료의 피막층에 그라파이트 입자가 있으면(C,E), 60N까지의 낮은 마모 하중 영역에서 그라파이트 입자가 없는 피막층(B,D) 보다 내마모성이 훨씬 향상되는 것을 관찰할 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the coating layer obtained by plasma-spraying aluminum + silicon carbide particles on the surface of the aluminum alloy has significantly improved wear resistance than pure aluminum (A), and has a coating layer composed of 40% by volume silicon carbide ( It can be seen that D and E have much improved wear resistance than the film layers B and C composed of 20% by volume silicon carbide. If graphite particles are present in the coating layer of the aluminum base composite material (C, E), it can be observed that the wear resistance is much improved than the coating layers (B, D) without graphite particles in the low wear load region up to 60N.
도 6은 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 다양한 코팅층의 마모량 속도 비교그래프도이다.6 is a graph showing a comparison of wear rates of various coating layers manufactured according to an aluminum alloy having excellent wear resistance and a method of manufacturing the same according to the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 25N과 50N의 마모하중을 가했을 때의 비교그래프도를 보면, 20부피% 및 40부피%의 실리콘카바이드 입자를 함유하는 피막층에 5부피%의 그라파이트 입자가 첨가되면, 20부피% 실리콘카바이드 입자만 함유하는피막층(B)에 대해서는 약 25%의 내마모성 향상(C)을 가져오고, 40부피% 실리콘카바이드 입자만 함유하는 피막층(D)에 대해서는 100%의 내마모성 향상(E)을 관찰할 수 있다.As shown in FIG. 6, when a comparative graph of 25N and 50N of abrasion load is applied, when 5% by volume of graphite particles are added to the coating layer containing 20% by volume and 40% by volume of silicon carbide particles, Abrasion resistance improvement of about 25% is achieved for the coating layer (B) containing only 20% by volume silicon carbide particles, and 100% abrasion resistance improvement for the coating layer (D) containing only 40% by volume silicon carbide particles (E) ) Can be observed.
그 이유는 상기 설명한 바와 같이, 그라파이트는 고체윤활제로서 아주 뛰어난 특성을 갖기 때문이며, 본 발명에서는 그라파이트 입자를 플라즈마 용사용 혼합 분말에 첨가하여 내마모용 소재에서 윤활제 역할을 하도록 함으로서 알루미늄+실리콘카바이드 입자로 구성된 알루미늄기지 복합재료의 내마모성을 향상시키는데 효과적으로 사용할 수 있음을 보였다.The reason for this is that, as described above, graphite has excellent characteristics as a solid lubricant, and in the present invention, graphite particles are added to the plasma thermal spray powder to act as a lubricant in the wear-resistant material, thereby making it an aluminum + silicon carbide particle. It has been shown that it can be effectively used to improve the wear resistance of the constructed aluminum base composite.
본 발명에 따른 다양한 알루미늄 합금의 벌크재료 표면에 플라즈마 용사에 의해 고강도 실리콘카바이드 및 그라파이트 입자가 알루미늄 기지조직에 형성된 내마모층이 형성된 알루미늄 합금과 이를 제조하는 방법을 제공함으로써, 벌크재인 모재의 특성과는 독립적으로 부품의 내마모성을 향상시키고 제조 비용은 줄여서 산업적 이용 가치를 극대화할 수 있는 효과가 있다.By providing the aluminum alloy with a wear resistant layer formed of high-strength silicon carbide and graphite particles formed on the aluminum matrix by plasma spraying on the surface of the bulk material of various aluminum alloys according to the present invention, the characteristics of the base material as the bulk material and Independently improves wear resistance of components and reduces manufacturing costs, maximizing industrial value.
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