KR100695324B1 - 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그코팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그 코팅 방법에 관한 것으로, 밸브 및 배관류와 같은 제품의 내마모성, 저마찰성 등과 같은 기계적 특성을 향상시키는 동시에 내식성 및 내열성을 개선할 수 있는 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그 코팅 방법을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 황동 또는 청동으로 이루어진 제품에 있어서, 상기 제품의 표면에 형성되며 금속물질로 이루어진 중간층과; 상기 중간층위에 형성되며 고경질 세라믹으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 밸브 및 배관류와 같은 부품의 내마모성과 저마찰성 등과 같은 기계적 특성을 향상시켜 제품의 수명을 연장시킬 수 있고, 높은 온도에서의 탈아연을 억제하며 황동소재의 열화를 방지하여 발전소를 비롯한 산업용 냉·난방기기 부품으로의 활용범위를 확대시킬 수 있으며, 암모니아 분위기나 해수와 같은 부식이 우려되는 극한 환경에서 이용가능한 황동 또는 청동 부품을 제작할 수 있는 효과가 있다.

황동, 청동, 세라믹 코팅, 진공증착, 경도, 내마모성, 내부식

Description

세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그 코팅 방법{Article composed of brass or bronze coated ceramic and coating method}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 코팅층 단면을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 세라믹-금속 다층반복구조의 코팅층 단면을 나타낸 도면.

본 발명은 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그 코팅 방법에 관한 것으로, 특히, 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면에 진공증착법을 이용하여 고경질의 세라믹 코팅층을 형성하여, 밸브 및 배관류와 같은 제품의 내마모성, 저마찰성 등과 같은 기계적 특성 향상을 향상시키는 동시에 내식성을 개선할 수 있는 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그 코팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로 구리(Cu)와 아연(Zn)을 주성분으로 하는 황동 또는 구리와 주석(Sn)을 주성분으로 하는 청동을 원료로 사용하는 밸브 및 배관류 부품은 단조나 주 물 공정을 통해 성형된 후, 연마공정과 표면처리를 통해 제품 외관을 완성한다.

이러한 황동 또는 청동은 공기 중의 암모니아, 기타의 염소(Cl)류에 의해 입자 사이가 부식되는데, 이는 가공 중에 발생한 내부 응력이 그 원인이다. 이와 같은 종류의 응력 부식 균열을 때로는 자연 균열이라고 하는데, 응력 부식 균열을 일으키기 쉬운 분위기로는 암모니아, O₂, CO₂, 습기, 수은 및 화합물 등이 있다.

또한, 황동은 불순물 또는 부식성 물질이 녹아 있는 수용액에서는 그 표면 또는 그 내면의 일정부분까지 탈아연되는 현상이 발생하는데, 이러한 탈아연 부식은 특히 염소(Cl)를 함유한 물을 쓰는 배관에서 흔히 볼 수 있다.

이와 같은 탈아연 부식을 방지하기 위하여 Zn이 30중량% 이하의 α황동을 쓰거나, 0.1∼0.5중량%의 As 또는 Sb에 1중량% 정도의 Sn을 첨가한 황동을 사용한다.

이와 더불어, 높은 온도에서 사용하는 황동으로 이루어진 제품의 경우, Zn의 증발에 의해 황동의 표면으로부터 아연이 탈출되는 현상이 나타나는데, 높은 온도일수록 또한 그 표면이 깨끗할수록 이러한 현상이 심하며, 산화 없는 분위기 중에서도 Zn 증발이 많이 발생한다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 황동의 표면에 산화물 피막을 형성시키기도 한다.

한편, 황동 또는 청동의 내부식성을 향상시키고, 장식효과를 제공하기 위한 표면처리에 있어서는 지금까지 주로 전기화학적 방법을 이용하여 Cu/Ni/Cr, Cu/Ni, Ni/Cr과 같은 금속물질을 피복하는 도금 기술이 적용되고 있다.

이러한 도금공정은 인체나 환경에 유해한 중금속 오염이 수반되므로, 친환경 적 청정도금 기술개발과 더불어 대체 공정 기술개발이 요구된다.

이 중에서 진공증착공정을 이용한 코팅기술을 살펴보면, 직류나 교류 전원을 인가하는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)이나 음극아크 방전(cathodic arc discharge)을 이용하여 코팅하게 되는데, 다양한 금속물질뿐만 아니라 산소나 질소의 반응성 가스를 투입하여 세라믹 코팅층을 얻을 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면에 진공증착법을 이용하여 세라믹 코팅층을 형성시킴으로써, 밸브 및 배관류와 같은 제품의 내마모성, 저마찰성 등과 같은 기계적 특성을 향상시키는 동시에 내식성 및 내열성을 개선할 수 있는 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그 코팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 황동 또는 청동으로 이루어진 제품에 있어서, 상기 제품의 표면에 형성되며 금속물질로 이루어진 중간층과; 상기 중간층위에 형성되며 고경질 세라믹으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 금속물질이 Ti, Cr, Zr, Cu 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 고경질 세라믹이 TiN, TiAlN, CrN, ZrN중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 중간층은 그 두께가 0.1 내지 1.0㎛일 수 있다.

바람직하게는 상기 코팅층은 그 두께가 0.5 내지 5.0㎛일 수 있다.

바람직하게는 상기 중간층과 상기 코팅층이 교대로 다수의 층으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따른 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 세라믹 코팅 방법은 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 코팅 방법에 있어서, 상기 제품의 표면에 금속물질로 이루어진 중간층을 형성하는 중간층형성 단계와; 상기 중간층위에 고경질 세라믹으로 이루어진 코팅층을 형성하는 코팅층형성 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 증간층형성 단계는 상기 금속물질이 Ti, Cr, Zr, Cu 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 코팅층형성 단계는 상기 고경질 세라믹이 TiN, TiAlN, CrN, ZrN중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 중간층형성 단계가 상기 중간층을 0.1 내지 1.0㎛의 두께로 형성할 수 있다.

바람직하게는 상기 코팅층형성 단계가 상기 코팅층을 0.5 내지 5.0㎛의 두께로 형성할 수 있다.

본 발명은 상기 중간층과 상기 코팅층을 교대로 다수의 층을 형성하는 반복형성 단계를 추가로 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 중간층형성 단계 및 상기 코팅층형성 단계가 스퍼터링 또 는 음극아크 방전을 이용한 물리기상증착법(PVD)에 의해 각 층을 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 코팅층 단면을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제품의 표면에 형성되며 금속물질로 이루어진 중간층과, 상기 중간층위에 형성되며 고경질 세라믹으로 이루어진 코팅층으로 구성된다.

상기 중간층은 바람직하게는 Ti, Cr, Zr, Cu 중 어느 하나로 이루어진 금속물질로 형성되고, 더욱 바람직하게는 그 두께가 0.1 내지 1.0㎛로 형성된다.

이와 같이 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면에 형성되는 금속물질의 중간층은 고경질 세라믹으로 이루어진 코팅층이 양호하게 접합되도록 하는 중간매체로서, 그 두께는 얇게 형성된다.

보다 구체적으로는 상기 중간층의 두께가 0.1㎛ 미만으로 형성되는 경우에는 세라믹 코팅층의 접합이 양호하게 달성되지 못하므로, 상기 중간층은 0.1㎛ 이상으로 형성되어야 한다.

또한, 상기 중간층의 두께가 1.0㎛이상인 경우에는 별다른 특성을 나타내지 않으므로, 1.0㎛로 제한하였다.

상기 코팅층 바람직하게는 TiN, TiAlN, CrN, ZrN중 어느 하나로 이루어진 고 경질 세라믹으로 형성되고, 더욱 바람직하게는 그 두께가 0.5 내지 5.0㎛로 형성된다.

이와 같은 세라믹 코팅층은 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 기계적 특성을 향상시키는 동시에 내식성을 개선하기 위한 것으로, 이를 위해서는 그 두께가 최소 0.5㎛로 형성되어야 한다.

또한 상기 코팅층의 두께가 5.0㎛이상인 경우에는 별다른 특성을 나타내지 않으므로, 5.0㎛로 제한하였다.

여기서, 상기와 같은 금속물질의 중간층은 또는 경질 세라믹의 코팅층은 스퍼터링이나 음극아크 방전을 이용한 물리기상증착(PVD)공정을 이용하여 진공증착 된다.

이러한 구성에 의해, 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면 경도와 내마모성 및 내부식성의 특성을 향상시킬 수 있어, 고온 및 극저온 산업설비 분야 또는 해수를 비롯한 부식환경에서 사용가능한 황동 또는 청동으로 이루어진 배관 및 밸브류의 부품을 제작할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 세라믹-금속 다층반복구조의 코팅층 단면을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 중간층과 상기 코팅층이 교대로 다수의 층으로 형성될 수 있는데, 이는 경질의 세라믹 코팅층이 두꺼워지면서 나타날 수 있는 응력에 의한 틈새(crack) 발생을 억제할 수 있고, 이에 따라 세라믹 코팅층의 내식성을 향상하기 위한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 세라믹 코팅 방법을 설명한다.

본 발명은 진공장치 내부에 장착된 금속물질을 직류나 교류 마그네트론 스퍼터링이나 음극아크 방전에 의해 황동 또는 청동의 표면에 전달하여 금속층을 증착한 다음, 반응성 기체를 공급하여 세라믹 코팅층을 형성한다.

이러한 물리기상증착법은 비교적 저온의 공정이 가능하고 유해물질의 배출이 거의 없는 환경친화적인 코팅 방법으로, 우수한 피복성과 균일성을 지닌 세라믹 코팅층을 유해물질의 배출 없이도 형성할 수 있다.

이와 같은 세라믹 코팅 방법을 보다 상세히 설명하면, 먼저, 경질의 세라믹 코팅이 양호하게 접합되도록 하기 위하여, 진공 분위기에서 플라즈마를 발생시키거나 열, 전자빔 또는 아크를 이용하여 Ti, Cr, Zr, Cu중 어느 하나로 이루어진 금속물질을 증발시켜 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면에 전달함으로써 금속물질의 중간층을 형성한다.

이때, 상기 중간층은 그 두께가 0.1~1.0㎛가 되도록 얇게 증착된다.

그 다음, 산소나 질소 기체를 투입하면 금속이온들과의 물리화학적 반응을 통해 고경도 및 고밀착력을 지닌 질화물 세라믹 코팅층을 형성한다.

즉, 금속물질로 이루어진 상기 중간층 위에 금속물질과 질소가스가 반응하여 증착되는 TiN, TiAlN, CrN, ZrN 중 어느 하나로 이루어진 경질의 세라믹 코팅층을 0.5~5.0㎛의 두께로 형성한다.

이와 같은 물리기상증착법을 이용하여 얻어진 질화물 세라믹 코팅층은 고밀 도의 조직을 가진 고경도 물질로 저마찰성 및 내마모성의 특성이 우수하고 화학적으로 안정되어 내식성이 좋고 소착 및 융착을 억제하는 특성을 가진다.

한편, 경질의 세라믹 코팅층이 두꺼워짐에 따라 응력에 의한 틈새가 발생할 수 있는데, 이를 억제하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 중간층과 상기 코팅층이 교대로 다수의 층으로 형성되도록 상기 중간층 및 상기 코팅층을 반복적으로 형성할 수 있다.

이와 같은 세라믹-금속 다층반복구조에 의해 세라믹 코팅층의 내식성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품 및 그 코팅 방법은 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면을 고경질의 세라믹으로 코팅함으로써, 밸브 및 배관류와 같은 부품의 내마모성과 저마찰성 등과 같은 기계적 특성을 향상시켜 제품의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 황동 또는 청동으로 이루어진 밸브 및 배관류와 같은 부품의 표면에 내열성이 우수한 세라믹을 코팅함으로써 높은 온도에서의 탈아연을 억제하고 소재의 열화를 방지하여 발전소를 비롯한 산업용 냉·난방기기 부품으로의 활용범위를 확대시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면에 내부식성이 뛰어난 세라믹을 코팅함으로써, 암모니아 분위기나 해수와 같은 부식이 우려되는 극 한 환경에서 이용가능한 황동부품 또는 청동부품을 제작할 수 있다.

Claims (13)

1. 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면에 형성되며 금속물질로 이루어진 중간층과; 상기 중간층위에 형성되며 고경질 세라믹으로 이루어진 코팅층을 포함하여 이루어지는 황동 또는 청동으로 이루어진 제품에 있어서,

   상기 중간층과 상기 코팅층은 교대로 다수의 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹이 코팅된 황동 또는 청동으로 이루어진 제품.
2. 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 표면에 금속물질로 이루어진 중간층을 형성하는 중간층형성 단계와; 상기 중간층위에 고경질 세라믹으로 이루어진 코팅층을 형성하는 코팅층형성 단계를 포함하여 이루어지는 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 세라믹 코팅 방법에 있어서,

   상기 중간층과 상기 코팅층을 교대로하여 다수의 층을 형성하는 반복형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 황동 또는 청동으로 이루어진 제품의 세라믹 코팅 방법.
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