KR100794294B1 - 내마모성 금속-세라믹 복합체 코팅 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성 코팅 부재의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재에 열변형 등의 손상을 발생하지 않으면서 그 표면에 내마모성 및 열 피로 균열에 대한 저항성이 우수한 코팅막을 제공하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 모재를 제공하는 단계, 금속 입자와 세라믹 입자를 포함하는 혼합 분말을 제공하는 단계, 상기 혼합 분말에 고압 가스를 제공하는 단계 및 상기 가스-분말의 혼합물을 초음속 노즐로 분사하여 상기 모재에 금속-세라믹 복합체를 코팅하는 단계를 포함하는 내마모성 코팅층 형성 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 내마모성이 우수하며 열 피로 균열에 대한 저항성이 우수한 코팅을 얻을 수 있다.

Description

내마모성 금속-세라믹 복합체 코팅 형성 방법{METHOD FOR FORMING WEAR-RESISTANT COATING COMPRISING METAL-CERAMIC COMPOSITE}

본 발명은 내마모성 코팅 부재의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재에 열변형 등의 손상을 발생하지 않으면서 그 표면에 내마모성 및 열 피로 균열에 대한 저항성이 우수한 코팅막을 제공하는 방법에 관한 것이다.

마찰, 침식 또는 부식 등 마모성 환경에서 사용되는 기계 부품의 수명 연장을 위해 부품 표면을 경화하거나 내마모성 물질을 코팅하는 등의 방법이 사용되어 왔다. 코팅 물질로는 경도가 높은 물질, 즉 알루미나 등의 산화물, SiC 또는 TiC 등의 탄화물, Si₃N₄, TiN 등의 질화물 등 세라믹 재료가 선호되고 있다.

내마모성 코팅 구조를 갖는 대표적인 기계 부품으로는 자동차 엔진 블록 및 관련 콤포넌트를 들 수 있는데, 특히 실린더 보어 내벽의 마모를 억제하기 위해 많은 기술들이 개발되어 왔다. 그 예로, 한국특허공개공보 제1997-0045010호 및 동 제1998-017171호, 동 제2003-0095739 등을 들 수 있다.

구체적으로, 한국특허공개공보 제1997-0045010호는 실린더 보어 내벽에 기존의 주철재 라이너 대신 코팅 피막을 형성하는 방법을 제시하고 있는데, 이 방법은 플라즈마 또는 아크를 열원으로 한 용사법에 의해 메탈 또는 세라믹 및 그들의 혼합물로 이루어지는 코팅 분말을 보어 내벽에 형성함으로써 내마모성을 향상시킨다.

한국특허공개공보 제1998-017171호는 탄화규소 등의 입자를 이용하여 플라즈마 용사에 의해 알루미늄 실린더 블록의 보어면에 내마모성 코팅층을 형성하는 방법을 사용하고 있다.

또, 한국특허공개공보 제2003-0095739호는 스테인레스 재질의 실린더 보어 구성면에 용사 코팅용 분말 합금 조성물을 고온의 열원으로 용융시키면서 분사하여 피막을 형성하는 방법을 제시하고 있는데, 이 때 사용되는 용사 코팅용 분말 합금 조성물은 알루미나 및 지르코니아의 혼합물이다.

이와 같이, 내마모성이 우수한 세라믹 재질로 금속 모재 상에 내마모성 코팅을 형성하려는 많은 시도가 있었으나, 이들 방법은 대부분 플라즈마 또는 전기 아크를 이용한 용사법이 주류를 이루고 있다. 용사법은 코팅될 분말 입자를 거의 용융점 부근 또는 그 이상으로 가열하여 분말 입자의 최소한 일부분을 용융시켜 모재에 제공한다.

일반적으로 세라믹 입자를 용융시키기 위해서는 섭씨 수천도의 고온이 요구되는데, 고온의 용융 입자는 코팅시 모재 표면에 열충격에 의한 손상 또는 잔류 열응력을 유발하여 부품의 수명을 단축시킬 위험이 크다. 또한, 고온의 분출 입자로 인해 용사 장비의 운용에 따르는 위험성도 증가하며, 작업이 복잡해진다는 단점을 피하기 힘들다. 이밖에도, 고온의 용융된 입자는 금속 기지상 또는 불순물과 반응하여 새로운 화합물을 형성함으로써 재료의 특성에 악영향을 끼칠 수도 있다.

한편, 주입 연료를 주기적으로 연소함으로써 에너지를 얻는 열기관의 관련 부품들은 엔진 동작 중 가열 및 냉각을 지속적으로 경험하게 된다. 주기적인 가열 및 냉각으로 인해 부품에 국부적으로 발생하는 열응력은 열기관의 관련 부품들에 열 피로 균열을 발생시키며, 결과적으로 부품 수명을 단축시키게 된다. 예를 들어, 디젤 엔진 블록에는 실린더 홈 주위에 글로우 플러그를 삽입하는 인서트 홈이 형성되어 있는 데, 인서트 홈과 실리던 홈 사이는 짧아진 간격으로 인해 열 피로 균열에 의한 파괴의 우려가 매우 높은 취약 지점이다.

이와 같이, 열기계적 부품의 경우 내마모성 뿐만 아니라 열 피로 균열에 대한 저항성이 우수할 것이 요구되는 경우가 많다. 그러나, 전술한 종래의 코팅 기술은 내마모성의 향상에만 주목할 뿐, 피로 균열에 대한 고려가 전혀 없다.

본 발명은 모재에 열적 변형 또는 열충격에 의한 손상을 유발할 염려가 없도록 저온에서 양질의 내마모성 코팅층을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 높은 열전도도를 갖는 금속과 세라믹의 복합체 코팅을 제공함으로써 열 피로 균열에 대한 저항성이 높은 코팅층의 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 모재를 제공하는 단계, 금속 입자와 세라믹 입자를 포함하는 혼합 분말을 제공하는 단계, 상기 혼합 분말에 고압 가스를 제공하는 단계 및 상기 고압 가스에 의해 비용융 상태의 상기 혼합 분말을 초음속 노즐로 분사하여 상기 모재에 금속-세라믹 복합체를 코팅하는 단계를 포함하는 내마모성 코팅층 형성 방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 금속은 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹에서 선택되는 1종의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 상기 금속은 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄 및 티타늄으로 이루어진 그룹에서 선택되는 2종 이상의 금속의 혼합물 또는 선택된 2종 이상의 금속 상호간의 합금일 수 있으며, 이와 달리 통상의 열적 기계적 부재로 자주 사용되는 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금일 수 있다.

본 발명에서 상기 세라믹은 금속 산화물, 금속 탄화물 또는 질화물을 포함한다. 보다 상세하게는 상기 세라믹은 알루미나 또는 SiC인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 상기 금속은 응집 분말 형태로 제공될 수 있으며, 이 경우 상기 코팅 단계에서 상기 분말 입자가 기판 등과 충돌할 때 미세한 입자로 분쇄되므로, 미세한 세라믹 입자가 골고루 분산된 코팅층을 형성할 수 있다는 점에서 유리하다. 본 발명의 실시예에 따르면, 약 1 ~ 200㎛ 범위의 세라믹 분말 입자의 사용이 가능하다.

본 발명에서 사용 가능한 상기 혼합 분말의 금속:세라믹의 중량비는 매우 넓은 범위에 있으며, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 범위는 10:1 내지 1:1인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 코팅 단계는 상기 세라믹 입자가 상기 기판 또는 이미 코팅된 금속 입자에 충돌하여 그 전부 또는 일부가 상기 기판 또는 금속 입자 내부로 침투하는 것을 특징으로 한다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명에서 금속-세라믹 복합체 코팅층을 형성하기 위해 사용되는 저온 분사 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 코팅 방법에 따라 세라믹-금속 복합체 코팅을 형성하는 각 단계를 도시한 절차도이다.

도 3a 내지 도 3c는 도 2의 분사 장치에 의해 본 발명의 실시예에 따라 금속-세라믹 복합체 코팅층이 형성되는 원리를 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 코팅 분말로 알루미늄 분말과 응집 알루미나 분말을 사용한 본 발명의 실시예로서, 도 4a는 알루미나의 중량비에 따라 실리콘 기판상에 형성된 각 코팅 샘플의 단면 주사 전자현미경 사진이고, 도 4b는 일부 단면을 확대한 주사 전자현미경 사진이다.

도 5는 코팅 분말로 알루미늄 분말과 응집 알루미나 분말을 사용한 본 발명의 실시예로서, 알루미나의 중량비에 따라 알루미늄 기판상에 형성된 각 코팅 샘플의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이다.

도 6은 코팅 분말로 알루미늄 분말과 용융 알루미나 분말을 사용한 본 발명의 실시예로서, 알루미나의 중량비에 따라 알루미늄 기판상에 형성된 각 코팅 샘플의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이다.

도 7은 코팅 분말로 알루미늄과 SiC 분말을 사용한 본 발명의 실시예로서, SiC의 입자 크기가 약 10 ~ 15 ㎛일 때 SiC의 중량비에 따라 알루미늄 기판상에 형성된 각 코팅 샘플의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이다.

도 8 은 코팅 분말로 알루미늄과 SiC 분말을 사용한 본 발명의 실시예로서, 그 중량비가 10 : 1 일 때 SiC 분말의 입자 크기에 따라 알루미늄 기판상에 형성된 각 코팅 샘플의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이다.

도 9a 는 각각 325 메쉬의 Al 입자에 대해 SiC 입자의 크기를 변화시켜 제조된 각각의 복합 코팅층의 마찰 계수를 나타낸 그래프이고, 도 9b 는 200 메쉬의 Al 입자에 대해 SiC 입자의 크기를 변화시켜 제조된 각각의 복합 코팅층의 마찰 계수를 나타낸 그래프이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상술한다.

도 1은 본 발명에서 기판(S)에 코팅층을 형성하기 위한 저온 분사 장치(100)의 개략도를 도시한 도면이다.

상기 분사 장치(100)는 코팅층을 형성할 분말을 아음속 또는 초음속으로 가속하여 기판(S)에 제공한다. 이를 위해 상기 분사 장치(100)는 가스 압축기(compressor, 110), 가스 히터(120), 분말 공급기(powder feeder, 130) 및 분사 노즐(140)로 구성된다.

가스 압축기(100)로부터 제공된 약 5 내지 20 kgf/cm²의 압축 가스는 분말 공급기(130)으로부터 제공되는 약 1 ~ 200 ㎛의 분말을 분사 노즐(140)을 통해 약 300 ~ 1200 m/s의 속도로 분출한다. 본 발명에서 상기 분사 노즐로는 축소 확대형의 초음속 노즐이 사용된다.

상기 장치(100)에서 압축 가스 공급 경로상의 가스 히터(120)는 압축 가스의 운동 에너지를 증가시켜 분사 노즐의 분사 속도를 높이기 위해 압축 가스를 가열하기 위한 부가적인 장치이다. 또한, 도시된 바와 같이, 분사 노즐(140)로 분말의 공급을 보다 원활히 하기 위해 상기 가스 압축기(110)의 압축 가스 일부는 상기 분말 공급기(130)로 공급될 수 있다.

상기 장치에서 압축 가스로는 상용의 가스, 예컨대 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있으며, 사용 가스의 종류는 분사 노즐(140)에서의 분사 속도 및 경제성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

도시된 장치의 동작 및 구조에 대한 보다 구체적인 설명은 알키모프(Anatoly P. Alkimov) 등에 의한 미국특허 제5,305,414호에 상세히 기술되어 있으며, 여기서는 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명에 따라 금속 모재의 표면을 개질하는 방법을 도시한 절차도이다.

도 2를 참조하면, 먼저 코팅층을 형성할 모재를 제공한다(S210). 상기 모재는 임의의 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 모재는 열적 기계적 부재로 널리 사용되는 알루미늄, Al-Si 또는 Al-Mg계 알루미늄 합금, 주철 등의 금속 재질일 수 있으며, 실리콘 등의 반도체 재질일 수 있다.

이어서, 상기 모재상에 코팅될 세라믹 분말과 금속 분말로 이루어진 혼합물을 제공한다(S220). 상기 세라믹 분말로는 이산화규소, 지르코니아, 알루미나 등의 산화물, TiN, Si₃N₄ 등의 질화물, TiC, SiC 등의 탄화물이 사용될 수 있다. 비록 열거하지 않았지만, 이밖에도 당업계에 알려진 다양한 산화물, 탄화물 및 질화물 세라믹 입자가 사용될 수 있음은 이 분야의 당업자라면 이하 설명하는 본 발명의 기술적 사상으로부터 잘 알 수 있을 것이다.

상기 금속 분말로는 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄 또는 티타늄으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종의 금속 또는 상기 그룹에서 선택된 2종 이상의 금속의 혼합물 또는 합금이 사용될 수 있다. 또한, 상기 금속 분말은 Al-Si 또는 Al-Mg과 같은 알루미늄 합금계 분말일 수 있다.

상기 세라믹 분말과 금속 분말의 혼합물은 통상의 방법에 의해 제조될 수 있다. 가장 간단한 방식으로는 세라믹 분말과 금속 분말을 브이 밀(v-mill)에 의해 건식 혼합하는 방식을 들 수 있다. 건식 혼합된 분말은 별도의 처리없이 그대로 분말 공급기에서 사용될 수 있다. 상기 혼합물 중 세라믹 분말과 금속 분말의 혼합 비율은 용도에 따라 적절히 조절될 수 있다. 후술하는 본 발명의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 상기 혼합 비율에 관한 공정 영역은 매우 넓다. 예컨대, 사용되는 금속과 세라믹의 비중에 따라 다소의 차이는 있으나, 본 발명에서 상기 혼합물 중 상기 세라믹 입자가 차지하는 중량비가 약 50％에 이르더라도 양질의 코팅층 형성이 가능하다. 그러나, 상기 세라믹 입자의 중량비가 50％를 초과할 때에는 코팅층이 일정 두께 이상으로 증가되지 않는다는 문제점이 발생할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 혼합 분말에 약 5 ~ 20 kgf/cm²의 압축 가스가 공급된다(S230). 상기 압축 가스로는 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있다. 상기 가스는 콤프레셔와 같은 가스 압축기로 약 5 ~ 20 kgf/cm²으로 압축되어 제공된다. 필요에 따라, 상기 압축 가스는 도 1의 가스 히터(120)와 같은 가열 수단에 의해 약 200 ~ 500 ℃의 온도로 가열된 상태로 제공될 수 있다. 그러나, 이와 같은 일실시예에 따라 압축 가스를 가열 상태로 제공하더라도 가스의 비열이 매우 작은 점을 고려할 때 금속-세라믹 혼합 분말의 온도 변화는 그다지 크지 않으며, 이로 인한 분말의 용융은 전혀 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 분사 단계는 저온 분사라는 점에서 거의 융점 부근 또는 융점 이상으로 분말을 가열하여 분말을 용융시켜 코팅하는 용사법과는 다르다.

한편, 상기 압축 가스 제공 단계(S230)에서 공급되는 압축 가스의 일부는 상기 금속 분말의 지속적이고 안정적인 공급을 위한 캐리어 가스로 사용될 수 있음은 전술한 바와 같다.

이어서, 초음속 분사 노즐로 상기 가스와 비용융 상태의 상기 혼합 분말을 분사한다(S240). 상기 노즐을 통해 분사되는 가스-분말 혼합물의 속도는 유입되는 가스의 온도, 압력 및 분말의 입자 크기 및 비중에 따라 속도가 결정된다. 전술한 유입 가스의 압력, 온도 조건 및 약 1 ~ 50 ㎛ 입자 크기에서 상기 가스-분말 혼합물은 통상 약 300 ~ 1200 m/s의 분사 속도를 나타낸다.

고속으로 분사된 혼합 분말은 모재에 충돌하여 코팅된다(S250). 도 3a 내지 도 3c는 상기 분사 장치(100)에 의해 본 발명의 금속-세라믹 복합체로 구성되는 코팅층이 형성되는 원리를 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 3a는 금속 입자가 코팅되는 원리를 모식적으로 도시하고 있다. 분사 노즐(140)로부터 고속으로 분사된 금속 분말(M)이 가진 운동 에너지는 기판(S)에 충돌시 분말을 소성 변형시키고 기판에 대한 결합력을 제공한다. 분말의 소성 변형은 기판 표면에서의 분말의 충진성을 향상시켜 결과적으로 매우 높은 밀도의 코팅층을 형성할 수 있게 한다.

도 3b는 세라믹 입자가 기판에 코팅되는 원리를 모식적으로 도시한 도면이다. 분사 노즐(140)에서 고속으로 분사된 세라믹 입자(C)는 그 운동에너지에 의해 입자 전체 또는 일부가 기판(S) 표면을 뚫고 들어가 기판과 결합한다. 이 때의 충격으로 인해 상기 세라믹 입자의 일부가 떨어져 나가 미세한 분말을 형성할 수 있으며, 이러한 현상은 상기 세라믹 분말이 응집 분말(agglomerated powder)인 경우 두드러지게 나타난다. 따라서, 이를 이용하여 미세한 분말이 코팅내에 골고루 분산된 미세 구조를 갖는 복합체 코팅을 형성하는 것이 가능하다.

도 3c는 금속 분말과 세라믹 분말의 혼합물을 분사 노즐로 분사하여 코팅층을 형성하는 원리를 모식적으로 도시한 도면이다. 혼합물의 코팅은 전술한 도 2a와 도 2b가 혼합된 방식으로 이루어진다. 즉, 분사된 혼합물 입자 중 세라믹 입자는 기판 또는 상기 기판상에 코팅된 금속 입자를 뚫고 들어가 단단히 결합하며, 금속 입자는 기판이나 이미 결합된 세라믹 입자 및/또는 금속 입자상에 결합된다. 코팅된 금속 입자는 세라믹 입자에 대해 새로운 결합 영역을 제공하게 되며, 이와 같은 방식으로 매우 두꺼운 코팅층의 형성이 가능하게 된다. 또한, 금속 입자의 소성 변형에 의해 전체 코팅층은 매우 조밀한 미세 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 얻어진 세라믹-금속 복합 코팅은 모재 또는 코팅 자체의 물성을 향상시킨다.

먼저, 높은 경도의 세라믹 입자를 코팅중에 포함함으로써, 부재의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

두번째로, 본 발명에 의해 제조된 코팅층은 부재가 열 피로 파괴에 대해 높은 저항성을 갖도록 한다. 엔진과 같은 열기관에 사용되는 부재에서 균열의 발생과 전파의 주된 원인으로 국부적인 온도차에 기인한 열응력을 들 수 있다. 예컨대, 엔진 블록에서 엔진의 연소에 의해 실린더로부터 가까운 쪽은 높은 온도 상태에 있고, 실린더로부터 먼 쪽은 낮은 온도 상태에 있게 된다. 이와 같은 온도차는 엔진 블록 표면에서 균열 생성의 원인이 되는 열응력을 발생시킨다. 특히, 엔진과 같이 주기적인 연소와 냉각이 동반되는 경우 주기적인 열응력에 의한 열 피로 파괴 특성을 제어하는 것이 매우 중요하다. 본 발명에서는 금속으로 알루미늄이나 알루미늄 합금, 세라믹으로 SiC와 같은 높은 열전도도를 갖는 입자를 사용하여 코팅층을 형성함으로써 부재의 열전도 특성을 향상시킬 수 있다. 열전도 특성의 향상은 부재에 발생하는 국부적인 온도차를 감소시키므로, 결국 부재의 열 피로 파괴 특성을 향상시킨다. 부가적으로 본 발명의 금속-세라믹 코팅은 통상의 금속-세라믹 복합체가 갖는 미세 구조상의 특이성으로 인해 피로 파괴에 대한 저항성을 향상시킬 것으로 예상된다.

다시 도 2를 참조하면, 전술한 각 단계에 의해 형성된 코팅층은 필요에 따라 적절한 후처리 단계(S260)를 거칠 수 있다. 후처리 단계는 예컨대 표면 조도 조절을 위한 기계 가공이나 코팅층의 접착력 향상을 위한 열처리를 포함할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

아래의 각 실시예의 분사 조건은 다음과 같다.

- 노즐 : 표준 라발형(standard laval type)

애퍼쳐 : 4×6 mm

쓰로트 갭(throat gap) : 1 mm

- 압축 가스 : 종류 : 공기

압력 : 7 kgf/cm²

온도 : 330 ℃

- 금속 분말 사이즈 : 〈 44 ㎛(325 메쉬)(실시예 1~4)

실시예 1

Al과 Al₂O₃을 건식 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 이를 노즐로 분사하여 실리콘 기판상에 Al-Al₂O₃ 복합 코팅을 제조하였다. 여기서 Al₂O₃는 입자 크기가 77 ㎛ 이하인 응집형 분말(agglomerated powder)이며, 혼합 분말에서 Al과 Al₂O₃의 함량을 중량비로 10:1, 4:1, 2:1 및 1:1로 달리하여 각각에 대해 코팅 샘플을 제조하였다. 제조된 코팅 샘플 표면을 X선 회절 분석하였고, 그 단면을 주사 전자 현미경으로 관찰하였다.

X선 회절 패턴으로부터 각 코팅 샘플에서 Al(111), Al(200) 피크와 Al₂O₃(104) 및 Al₂O₃(113) 피크를 관찰할 수 있었다.

도 4a는 각 코팅 샘플에 대한 단면에 대한 주사 전자 현미경 사진이다. 각각의 샘플에서 Si 기판과 양호한 접착력을 갖는 코팅층을 얻을 수 있었다. 이것은 Si 기판과 같이 취성 물질에도 본 발명의 방법이 적용 가능함을 보여주고 있다. 도 4b는 Al:Al₂O₃의 비가 1:1인 샘플의 단면을 확대한 사진이다. 확대 사진의 화살표가 지시하는 바와 같이 조대한 Al 입자 주변에 다수의 미세한 Al₂O₃ 분말이 분산되어 있음을 확인할 수 있다. 이것은 응집 Al₂O₃ 입자가 기판과 충돌하여 미세한 입자로 분쇄된 것에 기인한 것으로 판단된다.

실시예 2

Si 기판 대신 Al 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 분말 조성 및 실험 조건으로 코팅층을 형성하였다. 도 5는 Al과 Al₂O₃의 중량비에 따라 각 코팅 샘플의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이다.

각 사진에서 어둡게 보이는 부분은 Al₂O₃ 영역을, 밝게 보이는 부분은 Al 영역을 나타낸다. 혼합 분말 내의 Al₂O₃의 함량이 증가됨에 따라 코팅층 내의 Al₂O₃ 함량도 증가함을 알 수 있다. 또한, Al₂O₃가 Al에 대해 1:1의 중량비로 첨가되는 경우에도 조밀하고 기판과의 결합력이 우수한 코팅층을 얻을 수 있었다. 한편, 코팅된 Al₂O₃ 입자는 최초 분말 크기보다 매우 작아져 있음을 알 수 있는데, 이것은 충돌시 응집 분말이 여러개의 미세한 입자로 분쇄된 것에 기인한다.

실시예 3

Al 분말과 용융 Al₂O₃(fused alumina) 분말을 사용하여, Al 기판상에 Al-Al₂O₃ 코팅층을 형성하였다. 여기서, Al₂O₃ 분말은 입자 크기가 약 200 ㎛ 이하인 것을 사용하였다. Al₂O₃의 함량의 변화 및 실험 조건은 전술한 실시예들과 동일하였다.

도 6은 Al₂O₃의 함량에 따라 각 코팅 샘플의 단면 구조를 보여주는 광학 현미경 사진이다.

도 6으로부터 Al₂O₃의 함량이 1:1로 증가하더라도 고밀도의 코팅층이 얻어지며, 기판과 코팅층과의 부착력도 양호함을 알 수 있다. 또한, 실시예 2와 비교할 때 코팅층 내에 100 ㎛ 이상인 매우 큰 Al₂O₃ 입자가 존재함을 알 수 있다. 이것은 본 발명의 방법에 의해 100 ㎛ 이상의 조대한 세라믹 입자의 코팅에도 적용될 수 있음을 보여준다. 또한, 용융 알루미나의 경우 응집 알루미나 입자에 비해 미세한 입자로의 분쇄성은 떨어지는 것을 알 수 있다.

한편, 도 6에서 Al 기판과 코팅층과의 계면에는 코팅층 내부로 함몰된 입자(점선 원안 참조)들을 확인할 수 있는데, 이것은 실제 코팅층 형성 과정이 앞서 설명한 코팅 메커니즘과 일치하는 것을 보여준다.

실시예 4

Al과 SiC를 건식 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 이를 노즐로 분사하여 알루미늄 기판상에 Al-SiC 복합 코팅을 제조하였다. 혼합 분말에서 Al과 SiC 함량은 중량비로 10:1, 4:1, 2:1 및 1:1로 달리하였으며, SiC의 입자 크기를 약 20 ~ 25 ㎛(800#), 약 10 ~ 15 ㎛(2000#), 약 3 ~ 5 ㎛(6000#) 및 약 1 ~ 2 ㎛(8000#)로 달리하여 각각의 경우에 대해서 코팅 샘플을 제조하였다. 나머지 코팅 조건은 위 실시예들과 동일하였다.

제조된 각 코팅 샘플의 단면을 관찰한 결과, Al 기판에 대한 부착성이 양호하며, 매우 조밀한 코팅층을 생성됨을 확인하였다. 그 일례로, 도 7 은 약 10 ~ 15 ㎛의 SiC 분말을 사용할 때, Al:SiC 의 중량비가 10:1, 4:1, 2:1 및 1:1 인 각 코팅 샘플의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이며, 도 8 은 Al:SiC 의 중량비가 10:1 일 때, SiC 분말의 입자 크기에 따른 각 코팅 샘플의 단면을 촬영한 광학 현미경 사진이다. 이들 사진에서 SiC 분말의 경우에도 알루미나 분말과 마찬가지로 중량비 및 입자 크기에 무관하게 부착성이 양호하고 조밀한 미세 구조를 갖는 코팅이 얻어짐을 알 수 있다.

실시예 5

실시예 4 와 마찬가지로, Al 과 SiC 를 건식 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 이를 노즐로 분사하여 알루미늄 기판상에 Al-SiC 복합 코팅을 제조한 뒤, 제조된 코팅의 마찰 특성을 관찰하였다. 마찰 특성에 미치는 Al 과 SiC 입자 크기의 영향을 살펴보기 위해, Al 입자 325 메쉬(〈44 ㎛)와 200 메쉬(〈 77 ㎛) 각각에 대하여, SiC 입자로 150 메쉬(〈104 ㎛), 400 메쉬(〈 35 ㎛), 1000 메쉬(〈 13 ㎛) 및 2000 메쉬(〈 6.5 ㎛) 입자를 사용하여 각각의 코팅을 형성하였다. 이 때, Al 과 SiC 의 중량비는 1:1 로 하였다.

형성된 코팅층을 플린트(Plint) TE 97 로 핀온 디스크법(Pin on Disk)에 의한 마찰 계수를 측정하였다. 이 때, 상대재로는 알루미나 핀을 사용하였다.

도 9a 는 325 메쉬의 Al 입자와 SiC 입자로 150 메쉬(150S50％), 400 메쉬(400S50％), 1000 메쉬(1000S50％) 및 2000 메쉬(2000S50％) 입자를 사용하여 각각 제조된 복합 코팅층의 마찰 계수를 나타낸 그래프이고, 도 9b 는 200 메쉬의 Al 입자와 SiC 입자로 150 메쉬(150S50％), 400 메쉬(400S50％) 및 1000 메쉬(1000S50％) 입자를 사용하여 각각 제조된 복합 코팅층의 마찰 계수를 나타낸 그래프이다.

도 9a 및 도 9b 의 그래프로부터 Al 입자의 크기가 작은 경우(즉 325 메쉬) Al 입자의 크기가 큰 경우(즉 200 메쉬)보다 SiC 입자의 크기 변화에 따라 마찰 계수의 변화가 큰 것을 알 수 있다. 또한, 특정 SiC 입자 크기(예컨대, 400S50％ 및 1000S50％)에서는 Al 입자의 크기가 작을수록 마찰 계수가 커짐을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 Al-SiC 코팅은 Al 과 SiC 의 입자 크기를 조절함으로써 마찰 계수를 다양하게 변화할 수 있으며, 이에 따라 마찰성 부재로 사용시 상대재가 갖는 경도 등의 기계적 특성에 따라 적절한 마찰 계수를 갖는 기계 부재를 제공할 수 있다.

예컨대, 도 9a 로부터 알 수 있는 바와 같이, Al 의 최대 입자 크기가 325 메쉬 이상이며, SiC 의 최대 입자 크기가 400 메쉬 ~ 1000 메쉬인 경우에는 높은 마찰 계수를 갖는 코팅 부재를 제공할 수 있으며, Al 의 최대 입자 크기가 325 메쉬 이상이며, SiC 의 최대 입자 크기가 150 메쉬 이하 또는 1000 메쉬 이상인 경우에는 낮은 마찰 계수를 갖는 코팅 부재를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 내마모성이 우수하며 열 피로 균열에 대한 저항성이 우수한 코팅을 얻을 수 있다. 이와 같이 제조된 코팅층은 마찰성 환경에 사용되는 기계 부품의 표면 코팅으로 사용되거나, 주기적인 열응력 환경하에서 동작하는 엔진 부품에서 부품의 열전도 특성을 향상시켜 열 피로 균열 특성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 코팅 메커니즘은 코팅되는 금속이 세라믹 입자의 결합 사이트를 지속적으로 제공함으로써 두꺼운 코팅층을 형성할 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 코팅층 내에 함유되는 금속과 세라믹의 중량비를 자유로이 조절할 수 있기 때문에, 부재가 요구하는 경도 조건에 적합한 코팅층을 제공할 수 있다. 특히, 금속과 세라믹 입자의 크기 제어를 통해 마찰 계수를 제어할 수 있으므로, 상대재의 기계적 특성에 맞는 마찰 특성을 나타내는 기계 부재로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은 열에너지가 아니라 코팅 입자의 운동에너지에 의해 코팅층을 형성한다. 따라서, 모재에 열충격을 가하거나 열변형을 발생할 우려가 없으며, 모재와의 반응에 의해 모재의 특성에 악영향을 미칠 새로운 상을 형성할 염려도 없다.

더욱이, 전술한 실시예와 같이 본 발명의 방법에 의하면 100 ㎛ 이상의 조대한 세라믹 입자의 코팅이 가능하며, 세라믹 입자를 플라즈마 또는 레이저빔에 의해 용융시키지 않기 때문에 사용 가능한 입자 종류에도 제한이 거의 없다. 이러한 특성으로 인해 모재 표면에 다양한 종류 및 크기의 세라믹 입자를 포함하는 금속-세라믹 코팅을 제공할 수 있으며, 그 응용 분야가 매우 넓다.

Claims (14)

1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 모재를 제공하는 단계;

   325 메쉬 이상의 입자크기를 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 금속 입자에 대하여 400 내지 1000 메쉬의 입자크기를 갖는 탄화규소 또는 알루미나의 세라믹 입자를 10:1 내지 1:1의 혼합비로 포함하는 혼합 분말을 제공하는 단계;

   상기 혼합 분말에 고압 가스를 제공하는 단계; 및

   상기 고압 가스에 의해 비용융 상태의 상기 혼합 분말을 초음속 노즐로 분사하여 상기 모재에 금속-세라믹 복합체를 코팅하는 단계를 포함하는 내마모성 코팅층 형성 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 혼합 분말 제공 단계에서 상기 세라믹은 응집 분말로 제공되며,

   상기 코팅 단계에서 상기 분말 입자가 상기 기판에 충돌하여 분쇄됨으로써 미세한 입자로 이루어진 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내마모성 코팅층 형성 방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제

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