KR100639117B1

KR100639117B1 - 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물 및용사코팅 방법

Info

Publication number: KR100639117B1
Application number: KR1020050096125A
Authority: KR
Inventors: 성병근; 백경호; 황순영; 오상록
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2006-10-31

Abstract

본 발명은 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 WC-Co 계 혹은 WC-Ni 성분을 기본으로 하고 Cu를 첨가함으로써 내마모성과 동시에 전기전도성을 향상시킬 수 있도록 하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물 및 용사코팅 방법에 관한 것이다.

상술한 본 발명의 내마모성 및 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물은, Co 또는 Ni 중 적어도 하나 이상의 금속 성분이 8 ~ 17 중량%인 WC-Co 분말 또는 WC-Ni 분말 중 어느 하나의 분말에 전체분말에 대하여 10 ~ 40 중량%가 되도록 Cu를 첨가한 혼합분말로 구성되어, 종래기술에서 환경적인 문제점을 가지는 Cr도금을 대체하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅을 가능하게 하는 효과를 제공하는 것을 특징으로 한다.

용사코팅, 내마모성, 전기전도성, 비저항, WC-Co-Cu, WC-Ni-Cu

Description

내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물 및 용사코팅 방법{Wear resistant thermal spray coating compound with high electrical conductivity and the method thereof}

도 1은 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 용사코팅 방법의 상세 처리과정을 나타내는 순서도이고,

도 2는 표1의 발명재 2의 단면 광학현미경 사진이며,

도 3은 표1의 발명재 5의 전자현미경 분석사진이다.

상술한 용사코팅 중에서 WC-Co 및 WC-Ni계를 기본성분으로 하는 코팅은 내마모성이 우수하여 산업계의 여러 분야에서 가장 많이 사용되는 용사코팅 소재들이다.

그런데 일부 산업계 부품 중에는 내마모성과 동시에 전기전도성이 필요한 분야가 있다. 강판의 연속 전기도금에 사용되는 롤이 대표적인 예로서 연속적으로 공급되는 강판에 의하여 마모가 일어나므로 내마모성과 전기전도성이 좋아야 하는 특성이 필요하다.

상술한 바와 같이 내마모성과 전기전도성의 우수한 특성을 얻기 위하여 현재는 주로 Cr 도금이 많이 사용되고 있다. 그러나 환경적인 문제로 Cr 도금의 사용에 대한 제약이 많아지게 됨에 따라 Cr 도금을 대체할 수 있는 코팅방안 요구되고 있다.

이에 따라 Cr 도금을 대체하는 방안으로 유력한 방법이 WC계 용사코팅이 제시되고 있는데, 전기도금용 롤에 사용되기 위해서는 전기전도성 또한 향상시켜야 하는 문제점을 가진다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 내마모성을 확보하기 위하여 기본적으로 내마모성이 우수한 WC-Co 혹은 WC-Ni의 성분을 기본으로 하고 여기에 전기전도성이 우수한 금속인 Cu를 첨가함으로써 용사코 팅층의 전기전도성을 향상시킬 수 있도록 하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물 및 용사코팅 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 내마모성 및 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물은, Co 또는 Ni 중 적어도 하나 이상의 금속 성분이 8 ~ 17 중량%인 WC-Co 분말 또는 WC-Ni 분말 중 어느 하나의 분말에 전체분말에 대하여 10 ~ 40 중량%가 되도록 Cu를 첨가한 혼합분말로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 혼합분말은 진공분위기 중에서 1080 ~ 1200℃ 온도로 소결한 후 분쇄하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 내마모성 및 전기전도성이 우수한 용사코팅 방법은, Co 혹은 Ni의 금속성분이 8 ~ 17 중량%인 WC-Co 또는 WC-Ni 분말에 전체분말에 있어 10 ~ 40 중량%가 되도록 Cu을 첨가한 혼합분말을 생성하는 혼합분말생성과정과; 상기 혼합분말을 용사코팅하는 용사코팅과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 용사코팅과정은 상기 용사코팅 이전에 상기 혼합분말을 진공분위기 중에서 1080 ~ 1200℃ 온도로 소결한 후 분쇄하여 용사코팅을 위한 소결분말을 생성하는 소결처리과정을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

그리고 상기 용사코팅과정은 고속화염용사방법 또는 저온용사(Cold Spray)방 법 중 어느 하나의 방법에 의해 수행될 수 있다.

즉, 상술한 본원 발명은 용사용으로 제조된 WC-Co 혹은 WC-Ni 분말에 Cu 분말을 혼합하여 사용하거나 혹은 WC-Co-Cu 혹은 WC-Ni-Cu의 3 성분계의 분말을 혼합하여 혼합분말을 생성한 후, 필요에 따라 진공분위기에서 소결한 후 분쇄하여 내마모성 및 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물을 얻을 수 있도록 하며, 상기 용사코팅 조성물을 고속화염용사기 등의 용사건을 이용하여 용사코팅하는 것에 의해 내마모성 및 전기전도성이 우수하도록 하는 용사코팅 방법을 제공한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 용사코팅 방법의 상세 처리과정을 나타내는 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본원 발명의 일 실시 예의 설명에서 WC-Co 및 WC-Ni에 Cu를 첨가하여 Cu를 포함하는 혼합분말을 생성한다.

WC-Co 및 WC-Ni에 Cu를 첨가하는 방법에 있어서는 용사용으로 제조된 WC-Co 및 WC-Ni 분말에 용사에 적합한 크기를 갖는 Cu 분말을 혼합한다.

WC-Co 혹은 WC-Ni 용사용 분말의 성분에 있어서는 Co 혹은 Ni의 함량이 8 ~ 17 중량%인 성분계를 사용할 수 있다. 이러한 조성범위는 용사용으로 일반적으로 많이 사용되는 것이며 이 성분범위를 벗어나는 경우에는 금속함량이 너무 적어서 용사효율이 떨어지거나 혹은 금속함량이 너무 많아서 내마모성이 저하될 수 있다.

위와 같은 성분을 갖는 WC-Co 혹은 WC-Ni 분말에 대하여 첨가하는 Cu의 양은 전체 혼합분말 양에 대하여 10 중량% 이상 40 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. Cu의 양이 10 중량 % 이하가 되는 경우에는 내마모성은 좋아지지만 전기전도성이 크게 향상되지 않기 때문이며 40 중량% 이상이 되는 경우에는 경도가 낮은 Cu의 함량이 너무 많아져서 내마모성이 크게 떨어지기 때문이다(혼합분말 생성과정)(S1).

상기한 혼합분말은 용사를 하기 위한 전처리 단계로써 소결처리를 하여 사용할 수도 있다. 소결을 실시함으로써 각 성분의 분포를 균일하게 할 수 있다. 소결온도 조건에 있어서 Cu의 용융온도인 1080℃ 이하로 하면 단순 혼합분말을 사용한 경우와 비교하여 조직적으로 뚜렷한 차이가 나지 않지만 그 이상의 온도에서 소결하면 전체 코팅층 중에 Cu를 미세하게 분산시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 혼합분말을 소결하여 코팅층 전반적으로 Cu성분을 미세하게 분산시키고자 할 경우 Cu의 용융점 이상인 1080℃ 이상으로 하되 1200℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 소결한 분말은 서로 단단하게 결합되기 때문에 용사에 사용하기 위해서는 다시 파쇄(분쇄)하여 분급한 다음 적당 크기의 분말을 사용하여야 한다.

상기 소결온도에서 1200℃로 소결 상한 온도를 설정하는 이유는 그 이상의 온도로 설정하여도 동일한 효과를 얻을 수 있지만 소결온도가 높아질수록 입자 간 결합력이 증대되어 파쇄하기가 힘들기 때문에 지나치게 높은 온도에서 소결할 필요는 없다.

그리고 상술한 소결열처리시에는 분말의 산화를 방지하기 위하여 진공분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 산화방지를 위하여 수소분위기를 사용할 수도 있지만 수소분위기 중에서는 탈탄이 일어나 W₃Co₃C, W₆Co₆C와 같은 취성이 큰 에타상이 형성되기 때문에 바람직하지 못하다(소결처리과정)(S2).

위와 같이 제조한 용사코팅 조성물을 사용하여 용사코팅층을 형성함에 있어 고속화염용사건을 사용하여 용사코팅층을 형성하는 것이 바람직하다. 용사방법 중에는 화염용사, 플라즈마 용사 등 분말을 사용하여 용사하는 방법이 여러 종류가 있지만 고속화염용사(HVOF; High Velocity Oxygen Fuel) 방법을 사용하면 용사과정 중에 산화가 적게 일어나고 더욱 치밀한 코팅층을 얻을 수 있다. 최근에는 화염이 없는 고속의 가스에 용사분말을 분사하여 모재에 고속으로 충돌시켜 용사층을 형성하는 저온용사(Cold Spray 혹은 Kinetic Spray) 방법이 사용되고 있는데 저온용사방법을 사용하여 코팅층을 형성하면 고속화염에 비하여 산화가 더 적고 더욱 치밀한 코팅층을 얻을 수 있다(용사코팅과정)(S3).

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

<실시예>

표 1. 발명재 및 비교재의 특성비교 (%는 중량%를 표시함)

명칭	성분	분말 전처리	마모량(10^-6cm³)	비저항(mW.cm)
발명재 1	(WC-12%Co)+10%Cu	혼합	0.7	27.6
발명재 2	(WC-12%Co)+20%Cu	혼합	1.2	14.6
발명재 3	(WC-12%Co)+30%Cu	혼합	2.4	9.1
발명재 4	(WC-12%Co)+20%Cu	소결, 1050℃	1.9	30
발명재 5	(WC-12%Co)+20%Cu	소결/파쇄, 1150℃	1.0	54
비교재 1	WC-12%Co	-	0.4	92
비교재 2	WC-30%Cu	소결/파쇄	5.4	-
비교재 3	Cr 도금	-	1.5	52

표 1은 본 발명에 의한 발명재 및 비교재의 특성을 비교한 것이다. 발명재 1 ~ 5와 비교재 1, 2는 모두 고속화염용사기의 일종인 JP5000 용사시스템을 이용하여 동일한 용사조건에서 용사코팅하여 준비된 것이다.

표 1의 마모량은 #320번 SiC 연마재를 사용하여 JIS H8503에 규정된 방법을 따라서 마모실험을 수행하여 코팅 시편이 1회 왕복할 때 일어나는 감육량을 부피로 나타낸 것이다. 각 코팅의 비저항은 4 point probe method를 이용하여 측정하였다.

표 1에서 발명재 1, 2, 3은 WC-12%Co 용사분말과 용사용 Cu 분말을 10%, 20%, 30% (이하 %는 중량 %)혼합한 분말을 사용한 경우이다.

표 1에 나타난 바와 같이 Cu의 함량이 증가할수록 WC-12%Co 코팅에 비하여 마모량은 증가하지만 비저항은 감소하는 것을 알 수 있다. 용사하기 전에 소결된 소결분말을 사용한 경우인 발명재 4, 5는 마모량은 동일한 성분인 발명재 2와 유사한 수준이라고 할 수 있지만 비저항은 증가하는 경향을 보인다. 그러나 발명재 1 ~ 5 모두 Cu를 첨가하지 않은 비교재 1에 비하여 비저항이 감소하였으며 특히 발명재 3의 경우에는 1/10로 감소한 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 현재 주로 사용되고 있는 Cr 도금과 비교하여 비저항이 동등수준 혹은 낮은 수준인 것을 알 수 있다.

비교재 2의 경우는 WC-Cu의 이성분계 코팅으로 WC-Co-Cu 코팅에 비하여 비저항은 낮을 것으로 예상이 되지만 다른 비교재 및 발명재에 대하여 마모량이 너무 큰 문제점이 있다.

도 2는 표 1의 발명재 2의 단면을 광학현미경을 이용하여 촬영한 사진이다. 도 2에서 회색으로 보이는 부분은 WC-12%Co 영역이고 약간 붉은 색으로 보이는 부분은 Cu이다.

발명재 1, 3의 경우에도 Cu의 양이 달라지지만 도 1과 같은 형태의 성분분포를 보인다.

도 3은 표 1의 발명재 5의 단면을 전자현미경을 이용하여 분석한 결과를 보여주는 사진들이다.

BEI는 코팅층 단면의 BEI(Back Scattered Electron Image)이고 그 아래 Co,Cu로 표기된 사진은 각각 코팅층 중에서의 Co 와 Cu의 분포를 보여주는 사진이다. 발명재 2와는 달리 Cu 성분이 아주 미세하고 균일하게 코팅층 내에 분포되어 있음을 알 수 있다. 이와 같은 발명재 5는 동일성분의 발명재 2에 비하여 비저항이 높지만 표면에서 전류의 분포가 마이크로적으로 균일해야 하는 경우에 사용할 수 있다.

상술한 본원 발명에 따르는 용사코팅 조성물 및 상기 용사코팅 조성물을 이용한 용사코팅 방법에 의하면, 종래기술에서 내마모성과 전기전도성이 우수한 특성을 얻기 위해 환경적인 문제점을 가지는 Cr 도금을 대체하여 내마모성과 함께 전기전도성이 우수한 용사코팅을 가능하도록 하는 효과를 제공한다.

Claims

Co 또는 Ni 중 적어도 하나 이상의 금속 성분이 8 ~ 17 중량%인 WC-Co 분말 또는 WC-Ni 분말 중 어느 하나의 분말에 전체분말에 대하여 10 ~ 40 중량%가 되도록 Cu를 첨가한 혼합분말로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 혼합분말은,

진공분위기 중에서 1080 ~ 1200℃ 온도로 소결한 후 분쇄하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 조성물.
Co 혹은 Ni의 금속성분이 8 ~ 17 중량%인 WC-Co 또는 WC-Ni 분말에 전체분말에 있어 10 ~ 40 중량%가 되도록 Cu을 첨가한 혼합분말을 생성하는 혼합분말생성과정과;

상기 혼합분말을 용사코팅하는 용사코팅과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 방법.
제 3항에 있어서, 상기 용사코팅과정은,

상기 용사코팅 이전에 상기 혼합분말을 진공분위기 중에서 1080 ~ 1200℃ 온도로 소결한 후 분쇄하여 용사코팅을 위한 소결분말을 생성하는 소결처리과정을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 방법.
제 3항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용사코팅과정은,

고속화염용사방법 또는 저온용사(Cold Spray)방법 중 어느 하나의 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 내마모성과 전기전도성이 우수한 용사코팅 방법.