KR100797822B1

KR100797822B1 - 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법

Info

Publication number: KR100797822B1
Application number: KR1020060090620A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 보 현 이; 이창엽
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 보 현 이
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-01-24

Abstract

본 발명에 따른 자용성 합금 용사코팅의 재융용 방법은 자용성 합금을 용사코팅에 의해 모재에 코팅하는 단계, 상기 코팅된 모재에 플럭스를 도포하는 단계, 및 상기 플럭스가 도포된 용사코팅을 재용융하는 단계를 포함한다.

자용성합금, 용사코팅, 플럭스, 재용융

Description

자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법{METHOD FOR REMELTING THERMAL SPRAYED SELF-FUSING ALLOY COATINGS}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자용성 합금의 용사코팅을 재용융하는 장치를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실험예 1에 따른 Ni계 합금에 35wt%의 WC를 첨가시킨 소재를 모재에 코팅 후 플럭스 처리하고 고주파 재용융 처리한 것의 단면 사진이다.

도 3은 본 발명의 실험예 3에 따른 Co계 합금에 15wt%의 CrC를 첨가시킨 소재를 모재에 코팅 후 플럭스 처리하고 고주파 재용융 처리한 것의 단면 사진이다.

도 4는 본 발명의 비교예 2에 따른 자용성 합금 용사코팅을 고주파 재용융 처리한 것의 단면 조직사진이다.

본 발명은 용사코팅 재용융 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화염 용사 또는 플라즈마 용사로 형성된 자용성 합금 코팅을 재용융하는 방법에 관한 것이다.

기계 부품의 내마모성 및 내부식성을 높이기 위하여 특수 처리된 합금으로서 자용성 합금(self-fusing alloy)을 사용한다. 자용성 합금은 Ni이나 Co계에 Si와 B 를 소량 첨가하여 융점을 약 1000℃ 부근으로 저하시킴으로써 용사코팅 및 재용융을 용이하게 하는 합금이다.

자용성 합금은 용사코팅을 이용하여 모재 표면에 코팅할 수 있다. 따라서 원하는 코팅재를 용융시켜 모재에 분사함으로써 용융입자가 비행하도록 하며, 모재의 표면에 충돌 접착시킨 후 응고함으로써 원하는 코팅막을 형성할 수 있다. 화염을 이용하는 용사코팅 방법은 산소와 아세틸렌을 열원으로 사용할 수 있으며, 화염 온도가 낮아서 Al 합금과 Zn 합금의 코팅으로 많이 사용된다.

자용성 합금을 화염 혹은 플라즈마 용사코팅하면 아직도 조직 내에 약 10~20%의 기공이 발생하고, 모재와의 접착력이 불완전하여 사용 중에 코팅이 쉽게 박리된다. 따라서 산소-아세틸렌 토치나 노안에서 코팅을 재용융 처리하여 코팅내의 기공을 제거하여 코팅층의 조직을 더 균일하게 하고, 모재와의 접착력을 증대시키는 것이 필요하다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 용사코팅 후 코팅층 표면에 플럭스를 도포한 후 재용융 처리하여 열원의 용량이 모자라 코팅층이 불완전하게 재용융되는 조건에서도 완전 재용융된 코팅층을 얻게 됨으로써 우수한 코팅층을 얻을 수 있고, 모재와 우수한 결합력을 지닌 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 자용성 합금 용사코팅의 재융용 방법은 자용성 합금을 용사 코팅에 의해 모재에 코팅하는 단계, 상기 코팅된 모재에 플럭스를 도포하는 단계, 및 상기 플럭스가 도포된 용사코팅을 재용융하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 플럭스를 도포하는 단계에서 상기 플럭스는 Ag분말의 비율이 부피비로 40% 내지 60%가 되도록 에폭시수지에 Ag분말을 혼합하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 플럭스의 도포는 붓이나 스프레이에 의해 수행될 수 있다. 또한, 상기 플럭스를 도포하는 단계는, 상기의 도포 후 열처리하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 또한, 상기 열처리하는 단계는 100℃ 내지 200℃에서 5분 내지 60분간 수행되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

자용성 합금의 용사코팅 과정은 자용성 합금분말을 산소와 아세틸렌의 화염을 열원으로 하여 용융 분사함으로써 용사층을 형성한 후, 1010℃~1180℃에서 재용융함으로써, 모재와의 경계에서 합금층을 형성함과 동시에 코팅 합금으로 된 피막을 형성하는 방법이다. 자용성 합금에 함유된 B 및 Si는 용사층내의 금속 산화물을 B₂O 및 SiO₂로 환원하여 용사층의 표면으로 부상시키기 때문에, 기공이 없는 치밀한 피막을 얻을 수 있다. 또한, 자용성 합금에 함유된 B와 C는 코팅 공정 중에 Ni 또는 Cr과 반응하여 니켈-보라이드, 크롬-보라이드 또는 크롬탄화물과 같은 강한 석 출물을 생성시켜 높은 내마모성을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법은 먼저, 자용성 합금을 용사코팅을 이용하여 모재에 코팅하게 된다. 이때, 여전히 조직내에 약 10~20%의 기공이 발생하고, 모재와의 접착력은 부족하므로, 코팅을 재용융 처리하는 것이 필요하다. 본 발명의 실시예에 따른 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법에서는 이러한 재용융 처리 전에 플럭스를 도포하여 재용융 열량 및 시간을 줄이게 된다.

플럭스의 소재로는 염화물, 플루오르화물, 수지 또는 에폭시 수지와 은 분말을 혼합한 플럭스를 사용할 수 있다. 상기 에폭시 수지와 은 분말을 혼합한 플럭스를 사용할 경우의 혼합비는 Ag 분말의 비율이 40% 내지 60%가 되도록 한다. 플럭스를 도포하는 방법은 페인트를 칠하듯이 붓으로 도포하거나, 스프레이하고 100℃ 내지 200℃에서 5분 내지 60분 정도 열처리하여 플럭스의 도포를 완료한다.

상기한 범위보다 낮은 온도와 짧은 시간에서는 플럭스 도포의 효과가 나타나기 힘들고, 상기한 범위보다 높은 온도와 긴 시간에서는 플럭스가 기화되어 역시 좋은 효과를 기대하기 힘들다.

만약 종래의 방법과 같이 플럭스를 사용하지 않는 경우에는 재용융시 대개 자용성 합금의 융점보다 50℃ 정도 높은 온도에서 처리하므로, 상대적으로 Ni계에 비하여 고융점인 Co계를 재용융하는 경우에는 더 높은 용량의 고주파 열원이 필요하거나, 재용융 시간이 더 많이 소요된다. 또한 재용융하고자 하는 롤의 직경이 큰 경우는 같은 Ni계를 재용융하더라도 고주파 열원의 용량이 모자라서 재용융 시간이 많이 걸릴 뿐만 아니라, 심지어 재용융이 불가능한 경우도 발생하게 된다.

다음으로, 플럭스를 도포한 자용성 합금의 용사코팅을 재용융한다.

도 1은 자용성 합금의 용사코팅을 재용융하는 장치를 나타낸다. 도 1의 재용융 장치는 고주파코일(1), 고주파출력원(2), 적외선온도계(3), 이동레일(4), 컨트롤패널(5) 및 지그(7)를 포함하며, 고주파코일(1)이 이동레일(4)을 따라 이동하면서 용사코팅된 봉재(6)을 재용융하면서 균일하게 가열한다.

도 1에서 자용성 합금을 용사에 의해 코팅한 봉재(6)에 적당한 고주파코일(1)을 감은 후 화살표 방향으로 이동레일(4)을 통하여 진행하면서 봉재(6) 전체를 균일하게 재용융 처리한다. 고주파코일(1)과 봉재(6)의 간격은 고주파코일(1)이 지나가면서 봉재(6)와 접촉하지 않고, 재용융 효율이 떨어지지 않는 범위에서 형성된다.

이동레일(4)을 통하여 이동하는 고주파코일(1)의 이동 속도는 봉재(6)에 코팅된 자용성 합금의 조성 및 융점에 따라 변하는 데, 이동 속도는 이동시 감지되는 비접촉식 적외선 온도계(3)의 온도 감지에 따라 결정되어 이에 따라 입력한다.

초기에는 코팅층의 온도가 상온이고, 고주파 출력이 즉각적으로 최대로 상승하지 않으므로, 바로 이동시 초기에는 코팅층이 재용융되지 않는다. 따라서 고주파를 최대 출력으로 하여 일정시간(수초 내지 수분) 정지시켜 가열한 후에 이동하면, 충분한 열을 받아서 초기에도 봉재의 코팅층의 재용융이 일어난다. 점차 이동하면서, 코팅된 봉재(6)가 열을 받아 초기의 고주파 출력보다는 낮은 출력으로 적외선 온도계(3)에 의해 자동 조절되어 균일한 온도로 균일하게 코팅층이 재용융된 다.

이와 같은 재용융 장치를 사용하여 봉재(6)의 코팅층을 재용융하게 된다. 이때, 고융점인 Co계 또는 Ni계라도 롤의 직경이 커서 높은 용량의 고주파 열원이 필요한 경우라도 플럭스를 도포하게 되면 고주파 용량이 모자라서 불완전 재용융 코팅층을 형성하는 조건 또는 재용융이 불가능한 조건에서도 완전히 재용융된 코팅층을 얻을 수 있으므로 우수한 코팅층을 형성할 수 있고, 모재와의 우수한 결합력을 지닐 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명은 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

[실험예]

외경이 80 mm이고 길이가 30 cm인 S45C 모재에 아래의 표 1에 나타낸 조성을 함유한 코팅 소재를 화염용사 방법을 사용하여 모재 표면에 약 1.5 mm 두께로 코팅하였다. 따라서, 이와 같이 코팅된 봉재의 외경은 83mm이다.

여기서 표 1의 코팅재 A는 Ni계 합금이고, 코팅재 B는 코팅재 A 성분에 35wt%의 WC가 함유된 것이며, 코팅재 C는 Co계 합금이며, 코팅재 D는 코팅재 C에 15wt%의 CrC가 함유된 것이다.

내마모성을 향상시키기 위해서 기존의 Ni계나 Co계 자용성 합금에 WC나 CrC를 5~40% 정도 혼합하는 경우에는 코팅소재의 융점은 20~50^oC 정도 상승하게 되고, 고 온 특성을 향상시키기 위하여 Co 계 코팅재를 사용하는 경우 융점은 100^oC 정도 상승하게 된다.

코팅재	C	Si	B	Fe	Cr	Cu	Mo	Ni	Co	융점 (^oC)	WC
A	0.5	4.0	4.0	2.5	16.0	3.0	3.0	Bal.	-	1010	-
B	0.5	2.5	2.5	2.5	11	-	-	46	-	1040	35
C	0.2	3.3	3	2.5	18	-	6	27	40	1120	-
D	C + 15%CrC										-

또한, 본 발명의 실험예에서 사용한 고주파의 사양은 최대 출력 35 kW, 주파수 25 kHz로서 최대 온도 깊이는 표면에서 약 2~3 mm 정도이고, 코팅 표면은 그보다는 약 10℃ 정도 온도가 낮다. 따라서 코팅면과 S45C 모재와의 경계면에서의 온도가 최대로 되므로, 코팅층과 모재 경계에서 금속 결합이 용이하게 이루어진다.

본 발명의 실험예 및 비교예에서는 도 1에 도시한 재용융 장치를 사용하였으며, 길이 30cm의 봉재를 실험 전에 200 mm/min로 예열하여 사용하였다.

실험예 1

코팅재 B를 이용하여, 설정온도를 1220℃로 하였고, 이송 속도는 80mm/min으로 하였다.

실험예 2

코팅재 C를 이용하여, 설정온도를 1280℃로 하였고, 이송 속도는 70mm/min으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하다.

실험예 3

코팅재 D를 이용하여, 설정온도를 1280℃로 하였고, 이송 속도는 60mm/min으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하다.

비교예 1

플럭스를 도포하지 않고, 코팅재 A를 이용하여, 설정온도를 1180℃로 하였고, 이송 속도는 90mm/min으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하다.

비교예 2

플럭스를 도포하지 않고, 코팅재 B를 이용하여, 설정온도를 1220℃로 하였고, 이송 속도는 80mm/min으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하다.

비교예 3

플럭스를 도포하지 않고, 코팅재 C를 이용하여, 설정온도를 1280℃로 하였고, 이송 속도는 70mm/min으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하다.

다음의 표 2에서는 각 소재별 재용융 조건을 나타낸다. 열처리로에서 처리시의 재용융 온도보다는 처리속도가 빠르므로 설정 온도가 높아야 하며, WC, CrC 탄화물을 함유한 경우에도 설정 온도를 높여야 한다.

표 2에 나타낸 조건은 수차례의 예비실험을 통하여 결정된 것으로서, 입력에 의하여 자동으로 코팅된 봉재를 재용융한다. 이와 같은 재용융에 있어서는 코팅층과 함께 일부 모재층도 용융될 정도로 고주파를 제어한다.

실험예는 코팅후 재용융 전에 플럭스 (flux)를 도포한 경우이고, 비교예는 플럭스를 도포하지 않은 경우이다. 플럭스 소재는 염화물, 플루오즈화물, 혹은 수지를 사용하고, 도포하는 방법은 페인트를 칠하듯이 붓으로 도포하거나, 스프레이한다.

	코팅재	설정온도 (℃)	이송 속도 (mm/min)	재용융정도
실험예 1	B	1220	80	양호
실험예 2	C	1280	70	양호
실험예 3	D	1280	60	양호
비교예 1	A	1180	90	양호
비교예 2	B	1220	80	불량
비교예 3	C	1280	70	불량

[실험결과]

실험예

재용융이 불량한 조건에서도 본 발명의 실험예 1 내지 3은 재용융이 양호함을 알 수 있다.

도 2는 실험예 1에 따라 B 소재를 모재에 코팅 후 플럭스 처리하고 고주파 재용융 처리한 후의 단면 사진이다. 도시한 바와 같이, 좌측의 저배율 사진에서는 코팅층이 균일하게 재용융되어 코팅 시 발생한 기공과 소위 라멜라 (lamella)층이라고 하는 입자의 징후가 사라졌다. 또한, 우측의 고배율 사진에서는 코팅층과 모재와의 경계면이 완벽하게 금속 결합을 이룬 것을 관찰할 수 있다.

또한, 열처리로에서 재용융시 종종 발생하는 코팅층과 모재와의 경계면에서의 기공 징후가 발견되는 않는다. 따라서, 매우 양호한 자용성 합금 용사코팅의 재용융층을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 3은 실험예 3에 따라 D 소재를 모재에 코팅 후 플럭스 처리하고 고주파 재용융 처리한 후의 단면 사진이다. 좌측의 저배율 사진에서는 우선 코팅층이 균일하게 재용융 되었으나, 코팅 표면 온도가 경계면 온도보다 낮으므로 표면 쪽에 약간 재용융이 미완성되어 기공이 약간 보인다. 그러나 우측의 고배율 사진에서는 상부의 코팅과 하부의 S45C 탄소강 모재와의 확산이 일어나 코팅시 처리하여 모재와의 경계면을 구분하기 힘들 정도로 잘 결합되어 있음을 보이고 있다.

비교예

표 2의 비교예 1에서는, 코팅재 A를 재용융이 잘되도록 설정 온도를 높이고, 이송 속도도 느리게 하였으므로 재용융이 양호했으나, 비교예 2 및 3에서의 융점이 올라가는 코팅소재는 재용융이 불량하였다.

도 4는 비교예 2에 따른 자용성 합금 용사코팅을 고주파 재용융 처리한 후의 단면 조직사진이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 재용융이 불완전하여 많은 기공을 보이고 있다.

이와 같은 실험예에 의해 알 수 있는 바와 같이, 자용성 합금의 용사코팅을 재용융하는 경우에 용사코팅 후 플럭스 처리를 선행함으로써, 봉재에 용사코팅을 보다 완전하게 재용융 처리할 수 있다.

플럭스 처리를 통하여 자용성 합금 용사코팅의 재용융 시간을 단축할 수 있고 작은 용량의 고주파 열원으로도 재용융 처리가 가능하므로 경제성이 뛰어나다.

또한, 코팅 표면의 산화 작용을 완화하고 우수한 재용융 코팅층을 얻을 수 있다.

Claims

자용성 합금을 용사코팅에 의해 모재에 코팅하는 단계,

상기 코팅된 모재에 플럭스를 도포하는 단계, 및

상기 플럭스가 도포된 용사코팅을 재용융하는 단계

를 포함하고,

상기 플럭스를 도포하는 단계에서, 상기 플럭스는 Ag분말의 비율이 부피비로 40% 내지 60%가 되도록 에폭시수지에 Ag분말을 혼합하여 형성하는 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법.
삭제
제1 항에 있어서,

상기 플럭스의 도포는 붓이나 스프레이에 의해 수행되는 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법
제3 항에 있어서,

상기 플럭스를 도포하는 단계는, 상기 플럭스의 도포 후 열처리하는 단계를 더욱 포함하는 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법.
제 4항에 있어서,

상기 열처리하는 단계는, 100℃ 내지 200℃에서 5분 내지 60분간 실시되는 자용성 합금 용사코팅의 재용융 방법.