KR100467218B1 - 캐비테이션현상으로인한침식을방지하기위한내침식성코팅방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 내용은 물체의 표면에 경질재료를 코팅하여 내침식성을 향상시키기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 코팅분말을 용융또는 반용융시켜 형성한 코팅 액적을 러더에 고속분사함으로써 러더를 코팅하게 하는 열용사 코팅방법을 이용하도록 구성되어 있다. 따라서, 프로펠러의 고속회전으로 인한 캐비테이션에 의해 발생되는 러더의 침식현상에 어느 정도 내성을 줄 수 있다. 뿐만아니라, 코팅물질은 충분히 경화되어 따개비와 같은 해양생물이 붙지 않도록 방지해 주며, 독성 또한 없으므로 해양을 오염시킬 염려도 없게 된다는 장점이 있다.

Description

캐비테이션현상으로 인한 침식을 방지하기 위한 내침식성 코팅방법
본 발명은 물체의 표면을 코팅하여 캐비테이션에 의한 침식을 방지하기 위한 내침식성 코팅방법에 관한 것이다.
일반적으로, 캐비테이션에 의한 침식영향을 가장 많이 받는 것 중의 하나인 선박용 러더는 프로펠러에 근접 설치되어 있으며, 이러한 선박용 러더 및 프로펠러의 구조는 도1을 보면 자세히 알 수 있다. 도1은 러더 및 프로펠러를 구비한 종래의 선박중 일예를 도시한 구성도이다. 본 도에서 보는 바와같이, 선박(10)은 그 하측단에 프로펠러(12)가 내부의 엔진과 연결된 상태로 장착되어 있고, 프로펠러(12)는 엔진으로부터 동력을 전달받아 회동하게 된다. 이러한 프로펠러의 회동에 의해 유체는 후방쪽으로 이동하게 되고, 선박은 이러한 유체의 이동의 반작용으로 추진력을 얻게 됨으로써 전방으로 이동될 수 있는 것이다. 또한, 프로펠러(12)는 뒤쪽에 러더(14)가 근접 설치되어 있는데, 이 러더(14)는 어느 정도 회동될 수 있도록 선박(10)의 후단부에 축결합되어 있다. 따라서, 선박(10)은 프로펠러(12)의 회전에 의해 추진력을 얻고 이러한 추진력의 작용방향을 러더의 축회전에 의해 조정함으로써, 선박이 원하는 방향으로 이동될 수 있는 것이다.
종래의 저속 운항 선박은 그 러더에 캐비테이션에 의한 침식영향이 발생하지 않았으므로, 다만 부식을 대비한 방식처리와 해양미생물의 부착을 저해하기 위한 방오처리만을 한 상태로 지금까지 사용되어 왔다.
하지만, 이러한 종래의 선박은 기계성능이 향상됨에 따라 점점 고속으로 운항되게 되고, 이에따라 프로펠러의 회전에 의한 캐비테이션이 러더에도 상대적으로 더 많이 발생하게 되었다. 이에따라, 프로펠러와 러더는 이러한 캐비테이션에 의해 더욱 침식되게 되는 문제점이 발생하게 되었다. 이중, 캐비테이션에 의해 직접 침식을 받게 되는 프로펠러는 내침식 특성을 위한 코팅방법이 제공되기도 하였으나 러더에 대해서는 아무런 내침식방안이 없었다. 이에, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 물체의 표면에 침식에 강한 물질을 코팅하여 캐비테이션에 의한 침식을 방지할 수 있는 물체의 내침식 코팅방법을 제공함에 있다.
위와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 코팅되는 물체의 내침식성을 향상시키기 위한 코팅방법에 있어서, 캐비테이션 현상에 의한 침식이 발생하는 물체표면에 내침식 특성을 주기 위해 단단한 재료를 플라즈마 열용사코팅 기술로써 코팅하는 물체의 내침식성 코팅방법에 있다.
본 발명의 다른 특징은 코팅되는 물체의 내침식성을 향상시키기 위한 코팅방법에 있어서, 캐비테이션 현상에 의한 침식이 발생하는 물체표면에 내침식 특성을 주기 위해 단단한 물질을 연소가스를 이용하는 HVOF 열용사코팅 기술로써 코팅하는 물체의 내침식성 코팅방법에 있다.
이하에서 본 발명의 구성 및 작용을 자세히 설명하기로 한다.
본 발명은 프로펠러의 고속회전으로 인한 캐비테이션에 의해 발생되는 선박용 러더의 침식을 방지하기 위한 방법을 제시하는 것으로서, 러더의 표면을 경화시키는 방법에 관한 것이다. 경화방법에는 고주파 경화, 화염 경화와 같은 물리적경화법; 열처리를 병행하면서 침탄, 질화, 침질화 또는 금속 침투와 같은 처리를 하는 화학적경화법; 및 용사코팅이나 증착 등의 방법을 사용하는 기타경화법이 사용될 수 있다.
이중, 특히 기타경화법은 다양한 물성의 부여가 가능하고 재질의 종류에 구애됨이 없이 복잡한 형상의 제품에 대하여 처리가 가능하다는 장점 때문에, 본 발명에 따른 코팅작업에 가장 적합하리라 생각된다. 이러한 기타경화법에는 방전경화, 열용사코팅(Thermal Spray Coating), 육성, 화학증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 물리증착법(PVD; Physical Vapor Deposition) 등이 있으며, 이들중 모재와 코팅물질간의 공정조건에 알맞는 방법을 선정하여 시방하면 된다.
그럼, 이러한 기타경화법들중 러더에 대해 1차적으로 적용이 가능한 열용사코팅법을 택하여 상세히 설명하기로 한다. 열용사 코팅법은 내열성, 내마모성 및 내부식성이 우수한 물질을 고속 이동하는 가스에 실어 모재에 분사토록 하는 기법으로, 용사되는 재료로는 탄소강, 저합금강, 동 및 동합금, 알루미늄 등과 같은 금속재료와 내마모용의 Co-Wc(Tungsten carbide cobalt powder), 내열용의 Ni-Al, 그리고 세라믹 등 거의 모든 코팅재료가 사용될 수 있다. 더 자세하게는, 고속으로 분사되는 열원내에 코팅하고자 하는 분말상태의 물질을 주입하여 가열되게 하고, 가열되어 용융, 반용융상태로 형성된 액적을 모재인 러더 표면에 분사시켜 증착시킨다. 이때, 이러한 열용사 코팅법은 사용되는 열원의 종류에 따라 연소(COMBUSTION), 플라즈마(PLASMA) 및 전기(ELECTRIC) 코팅법의 3가지가 있는데, 이중 플라즈마 코팅법과 연소 코팅법중의 하나인 HVOF(High Velocity Oxygen Fuel)를 많이 사용한다.
우선, 플라즈마 코팅법에 대해 설명하기로 한다. 도2는 본 발명에 따른 내식 코팅방법중 프라즈마 코팅법을 설명하기 위한 구성도이다. 도2에서 보는 바와같이, 분말의 직경크기가 대략 0.5∼100μm인 코팅분말을 용융시켜 분사하기 위한 열용사장치(20)가 구성되고, 이 열용사장치(20)로부터 용사되는 액적상태의 코팅분말(24)이 러더 표면(22)에 증착되는 것이다. 이 열용사장치(20)는 음극인 텅스텐봉과 양극인 노즐 사이에서 아아크가 발생되게 하며, 이 아아크에 제공되는 전원은 정전류특성을 가진 정극성의 전류이고, 사용되는 가스는 불활성가스인 Ar, He, H2 등을 주로 사용한다. 또한, 코팅분말의 재료로는 탄소강, 저합금강, 동, 동합금 및 알루미늄 등과 같은 금속재료와 내마모용의 Co-WC, 내열용의 Ni-Al, 그리고 세라믹 등 거의 모든 코팅재료를 사용할 수 있으며, 그중 상온에서 내마모성이 우수한 알루미나계 세라믹분말, 크롬 산화물계 세라믹분말이 사용되어 러더의 내침식 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 알루미나계 세라믹분말로서 Al2O3 : TiO3 : SiO3 : Fe2O3 의 질량 구성비가 97 : 2 : 0.5 : 0.5인 혼합물 또는 Al2O3 : TiO3 의 질량 구성비가 87 : 13인 혼합물이 사용되고, 크롬 산화물계 세라믹분말로서 Cr2O3 : SiO3 : TiO3 의 질량 구성비가 92 : 5 : 3인 혼합물이 사용된다. 또한, 이러한 세라믹분말로 러더를 코팅한 실험결과, 비커스경도가 7750∼825, 접착강도가 7.5×103 psi∼10×103 psi, 탄성계수가 5.7×106 psi∼2.2×106 psi, 그리고 체적을 기준으로 한 기공의 함량이 2∼3% 인 코팅특성을 얻을 수 있었다. 일반적으로, 플라즈마 코팅법은 전기아아크가 불활성가스를 이온화시켜서 전자, 중성자, 양자로 구성되는 플라즈마를 형성케 하고, 이 이온화된 플라즈마가 재결합하면서 발생되는 16500℃ 이상의 고열을 이용하여 대상물을 코팅하는 방법이다. 이와같은 방식으로, 열용사장치가 고열을 발생시켜 코팅하고자 하는 코팅분말을 용융 또는 반용융상태로 형성케 하는 것이다. 따라서, 이렇게 발생된 고열은 열용사장치 끝단부의 노즐형상에 의해 압축효과를 발생시키게 하고, 이리하여 코팅분말이 용융 또는 반용융된 액적상태로 고압 용사하게 된다. 이에따라, 액적상태의 코팅분말이 러더 표면(22)에 용사되어 적층되고, 적층된 입자들은 모재에 열전달과정을 통해 응고됨으로써, 러더 표면에 원하는 내식성의 코팅을 얻을 수 있게 되는 것이다. 이와같이, 플라즈마 용사는 한정된 노즐내부의 공간에서 압축되기 때문에 열에너지를 집중시킬 수 있고, 아아크의 안정성이 우수하며, 이에따라 열에너지 함량과 화염의 속도가 높아진다는 장점이 있게 된다. 또한, 이러한 장점에 반하여, 높은 온도로 인해 모재가 가열되어 모재 특성이 떨어지는 단점도 있게 되는데, 이러한 단점은 용사거리를 11∼15cm로 유지시켜 코팅층 두께를 20μm∼100μm로 함으로써 모재의 과열을 최소화하여 극복될 수 있다. 게다가, 아르곤 또는 네온과 같은 불활성가스를 차폐용가스로 사용함으로써 용사되는 분말재료의 산화도를 0.2∼0.3% 수준에서 0.1% 이하로 현저히 감소시켜 입자간의 응집력을 높일 수 있게 되므로, 그에 따라 코팅된 러더의 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
이어, 가스를 사용하는 연소 코팅법중의 하나인 HVOF에 대해 설명하기로 한다. 본 용사법에서는 1차가스로서 산소를, 2차가스로서 프로틸렌이나 수소, 프로판을 사용한다. 이중, 1차가스는 2차가스의 연소를 용이하게 해 주고, 2차가스는 용사에 필요한 화염을 형성해 주는 역할을 한다. 이때, 이러한 화염의 온도는 3100℃ 정도이고, 입자의 비산속도는 1350m/sec의 고속으로 분사되기 때문에 높은 접착강도와 낮은 기공율을 나타내게 한다. 이와같이, 용착효율이 양호하게 되므로 용사재료의 손실을 최소화할 수도 있게 되며, 또한 용사장치는 들고 이동될 수 있도록 구성되어 있으므로 높이가 10m이상인 대형 러더의 경우도 적용이 가능하게 된다. 게다가, HVOF 코팅법에 사용되는 코팅재료로는 탄소강, 저합금강,동, 동합금, 알루미늄 등과 같은 금속재료와 세라믹 및 금속을 혼합한 형태인 CERMET재료를 사용할 수 있다. 이러한 CERMET재료중 텅스텐 카바이드 계통의 것은 본 코팅법에 매우 적합하며, 특히 상온에서 내마모성이 우수한 재료로 선정할 수 있는 것에는 WC-17Co(Tungsten carbide cobalt powder), Nicel base fusible alloy powder/Tungsten carbide cobalt powder의 혼합분말, Ni 17Cr 6Al 0.5Y(Fusible nickel base alloy powder), Cobalt base super alloy powder 등과 CERMET계열의 Cr : Ni : Co : C : Al : Mo : B : Si의 질량 구성비가 48 : 28 : 12 : 6 : 2 : 2 : 1 : 1인 금속및천이원소의 혼합물, MgZrO3 : 35NiCr 의 질량구성비가 65 : 35인 혼합물, Cr3C2 : NiCr 의 질량 구성비가 75 : 25인 혼합물이 적합하게 사용될 수 있다. 이와같은 코팅재질과 용사방법에 의해, 본 러더의 표면을 내식성을 갖도록 코팅할 수 있는 것이다.
한편, 이러한 코팅방법으로 코팅되는 코팅층과 모재간의 접착력을 향상시키기 위해서는 코팅 전처리공정을 거쳐야 한다. 이러한 전처리공정은 용제를 이용하여 모재인 러더표면에 묻어있는 기름때와 녹 등을 제거하고, 샌드 블레스팅으로 표면을 요철가공하며, 그런다음 습기를 제거한 후 잔류응력에 의한 변형을 방지하도록 모재를 예열해 줌으로써 코팅재료와 모재간의 접착력을 향상시키기 위한 것이다. 이런 공정을 거친 후, 여러 용사방법들에 의해 액적상태의 코팅분말이 선박용 러더 표면에 용사되어 적층됨으로써 러더를 코팅할 수 있게 되는데, 그러한 코팅된 러더 표면의 조직구조에 대해서는 도3을 보면 자세히 알 수 있다. 도3은 도2의 A부분 확대도이다. 도3에서 보는 바와같이, 러더(22) 표면에 적층된 액적은 그 내부에 기공(32), 산화물(34) 및 용융되지 못한 미용융입자(36)를 함유하게 된다. 이중, 특히 기공(32)은 가스나 유체가 침투되는 통로역할을 하게 되어 모재를 부식시키거나 누유되게 하는 결함을 야기시킨다. 따라서, 필히 코팅후에는 후처리로서 표면가공이나 실링(sealing)처리를 하여야 하는데, 이러한 실링처리를 위한 재료로는 러더와 같이 상온에서 사용되는 구조물에는 왁스나 에폭시 또는 페놀과 같은 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 실링재료를 기공안으로 완전히 침투시키기 위해서는 진공챔버를 이용하기도 하지만, 러더와 같은 큰 구조물에 있어서는 이를 적용할 수 없다. 이에, 이러한 단점을 극복하기 위해, 실링재료를 용착금속의 표면에 분사시켜 모세관 현상에 의해 기공내로 침투되도록 하거나, 또는 코팅표면을 레이져로 용융시켜 코팅면의 기공을 막고 산화물의 함유 정도를 감소시켜 코팅면의 경도와 내침식성을 향상시키도록 할 수 있다.
게다가, 본 발명은 비단 선박용 러더에만 국한 되는 것은 아니며, 유압펌프/모타의 샤프트, 임펠라, 슬리브, 플런져 그리고 터빈엔진의 팬 블레이드, 터빈 블레이드 및 각종 베인류 자동차 엔진의 피스톤링, 밸브페이스, 크랭크축 등에 적용될 수 있다.
이와같이, 본 발명은 코팅분말을 용융또는 반용융시켜 형성한 코팅 액적을 고속분사하여 러더를 코팅시키도록 하는 열용사 코팅방법과 이러한 열용사 코팅방법에 의해 코팅된 코팅면의 후처리방법을 이용함으로써, 프로펠러의 고속회전으로 인한 캐비테이션에 의해 발생되는 러더의 침식현상에 어느 정도 내성을 줄 수 있다. 뿐만아니라, 코팅물질은 충분히 경화되어 따개비와 같은 해양생물이 붙지 않도록 방지해 주며, 독성 또한 없으므로 해양을 오염시킬 염려도 없게 된다는 장점이 있다.
도1은 러더 및 프로펠러를 구비한 종래의 선박중 일예를 도시한 구성도,
도2는 본 발명에 따른 내식 코팅방법중 프라즈마 코팅법을 설명하기 위한 구성도,
도3은 도2의 A부분 확대도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 선박 12: 프로펠러
14: 러더 20: 열용사장치
22: 러더 표면 24: 코팅분말
32: 기공(porosity) 34: 산화물
36: 미용융입자

Claims (7)

  1. 코팅되는 물체의 내침식성을 향상시키기 위한 코팅방법에 있어서,
    캐비테이션 현상에 의한 침식이 발생하는 물체표면에 내침식 특성을 주기 위해 단단한 재료를 플라즈마 열용사코팅 기술로써 코팅하는 물체의 내침식성 코팅방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 열용사코팅 기술에 사용되는 재료로는 상온에서 내마모성이 우수한 알루미나계 세라믹분말로서 Al2O3 : TiO3 : SiO3 : Fe2O3 의 질량 구성비가 97 : 2 : 0.5 : 0.5인 혼합물 또는 Al2O3 : TiO3의 질량 구성비가 87 : 13인 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 물체의 내침식성 코팅방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 열용사코팅 기술에 사용되는 재료로는 크롬 산화물계 세라믹분말로서 Cr2O3 : SiO3 : TiO3의 질량 구성비가 92 : 5 : 3인 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 물체의 내침식성 코팅방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 단단한 물질로 코팅층의 두께가 20μm∼100μm이고 용사거리는 11∼15cm인 것을 특징으로 하는 물체의 내침식성 코팅방법.
  5. 코팅되는 물체의 내침식성을 향상시키기 위한 코팅방법에 있어서,
    캐비테이션 현상에 의한 침식이 발생하는 물체표면에 내침식 특성을 주기 위해 단단한 물질을 연소가스를 이용하는 HVOF 열용사코팅 기술로써 코팅하는 물체의 내침식성 코팅방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 HVOF 열용사코팅 기술에서 사용되는 재료로는 Tungsten carbide cobalt powder(WC-17Co), Nicel base fusible alloy powder/Tungsten carbide cobalt powder의 혼합분말, Fusible nickel base alloy powder(Ni 17Cr 6Al 0.5Y), Cobalt base super alloy powder, Cr : Ni : Co : C : Al : Mo : B : Si의 질량 구성비가 48 : 28 : 12 : 6 : 2 : 2 : 1 : 1인 금속및천이원소의 혼합물, MgZrO3 : 35NiCr 의 질량구성비가 65 : 35인 혼합물 또는 Cr3C2 : NiCr 의 질량 구성비가 75 : 25인 혼합물인 것을 특징으로 하는 물체의 내침식성 코팅방법.
  7. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 물체는 선박용러더, 유압펌프/모타의 샤프트, 임펠라, 슬리브, 플런져 그리고 터빈엔진의 팬 블레이드, 터빈 블레이드 및 각종 베인류 자동차 엔진의 피스톤링, 밸브페이스, 크랭크축 등인 것을 특징으로 하는 물체의 내침식성 코팅방법.
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