KR100921628B1 - 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료의 표면처리에 사용되는 금속, 세라믹 및 서멧소재를 이용한 초고속 화염용사 코팅용 노즐에 관한 것으로서, 연료와 용사 분말을 용사 건의 혼합실에서 혼합시킨 후 노즐 및 배럴을 통하여 용사하는 원형 슈라우드 노즐에 있어서,

초고속 화염 용사 건의 선단에 매시가 부착된 원형 슈라우드 노즐을 설치하고, 상기 노즐의 형상은 매시가 부착된 나팔형상의 상부직경을 가지며 하부로 갈수록 점점 작아지는 일정한 직경과 일정한 길이를 이루는 원통형이며, 상기 상부 직경의 매시로부터 노즐 벽면을 따라 흡입되는 주위공기가 가스화염과 충돌하지 않도록 경계층을 형성하여 층류유동을 하는 것을 특징으로 한다.

원형 슈라우드, 노즐, 매시, 초고속 화염용사

Description

초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐{Circle shroud nozzle for high velocity oxygen fuel thermal spray coating system}

도 1은 종래의 초고속 화염용사 코팅용 노즐에 의한 용사상태를 나타낸 개략도.

도 2는 본 발명의 초고속 화염용사 코팅용 노즐을 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명의 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐에 대한 상세도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 용사 분말 2 : 용사 건 3 : 주위 공기

4 : 이물질 5 : 용융입자 6 : 매시

7 : 층류 8 : 석영 9 : 경계층

본 발명은 재료의 표면처리에 사용되는 금속, 세라믹 및 서멧소재를 이용한 초고속 화염용사 코팅용 노즐에 관한 것으로서, 특히 노즐 주위 공기의 흡입에 따른 가스화염 및 용융입자의 충돌완화와 용사코팅 주위 이물질의 혼입을 차단함으로써 코팅 제품의 고급화, 수명연장 및 코팅특성의 재현성을 얻을 수 있는 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐(shroud nozzle)에 관한 것이다.

일반적으로 초고속 화염(HVOF; High Velocity Oxygen Fuel)용사 코팅방법은 화염의 속도를 음속의 2배∼5배의 고속으로 만들어서 코팅 대상 재료표면에 용사시켜 코팅하는 기술로서 금속합금 뿐만 아니라 크롬 카바이드-니켈 크롬(Cr₃C₂-NiCr), 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)와 같은 탄화물-금속의 서멧계의 코팅도 가능하다. 또한 코팅입자의 비행속도가 고속이어서 코팅의 밀착도가 좋고, 비행하는 시간이 짧아서 코팅성분의 산화도 적게 일어나는 장점이 있다.

이와 같이 재료의 수명연장 및 고급화를 위해 사용되는 HVOF 용사코팅 기술은 도 1에서 보는 바와 같이 연료를 용사 건(2)의 혼합실에서 혼합시킨 후, 점화 플러그에 의해 화염이 생성되어 축소-확대 노즐 및 배럴을 통하여 대기중에 분출된다. 이때 코팅 소재인 금속, 세라믹 및 서멧 구조의 나노 및 마이크로 사이즈의 용사 분말(1)을 배럴 내 가스 화염 속에 공급된다. 공급된 용사 분말(1)은 가스화염의 열 및 운동에너지를 흡수하여 용용된 상태로 모재와 충돌하여 코팅된다.

고부가가치 및 고품질의 코팅을 얻기 위한 용사코팅은 주위 공기(3)나 이물질(4)등 주위환경의 제어가 필요하지만, 일반적으로 산업현장에서의 용사코팅은 대기중에서 실시되기 때문에, 용사코팅 공정에서 기공이 포함된 용융입자(5), 입자표면과 기공의 내면에 존재하는 산화물, 입자와 입자사이에 존재하는 공동현상, 입자궤적에 따른 불충분한 용융입자, 입자중심에 발생한 미 용융의 고체 핵이 존재하여 코팅의 표면균열 및 모재와의 밀착상태가 나빠지는 현상이 발생한다.

이러한 원인은 용사조건의 부적절, 용융입자의 수밀도 분포 및 비행시간, 난류 제트류, 공급된 가스와 입자의 중량비, 입자의 충돌 각, 변형과정, 피복내의 잔류응력, 용융 입자내의 가스의 확산 등의 원인이 있지만, 우선적으로 엔트라이먼트의 영향으로 주위 공기(3)와 이물질(4)이 가스 화염 및 용융입자 사이로 흡입되어 3차원 유동이 일어나서 코팅층 내부의 입자와 입자사이에 기공이 생겨 부착력 및 균열을 쉽게 일으키는 원인을 제공하게 된다.

특히, 용사노즐의 중심 축으로부터 반경방향으로 갈수록 용융입자 및 가스화염의 온도 및 속도가 상대적으로 중심 축보다 현저히 떨어지기 때문에 미 용융입자가 발생하여 균일한 코팅을 기대할 수 없다. 또한 용사 건 선단 부분은 주위공기와의 급격한 마찰로 인하여 경계층에 가스화염의 볼텍스가 발생하여 입자를 가스화염 외부로 이동시키기 때문에 경제적인 손실을 초래하게 된다.

본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 초고속 화염 용사 건의 선단에 매시가 부착된 원형 슈라우드 노즐을 설치하여 주위 이물질의 혼입을 방지하고, 가스화염의 2차원 유동을 유도하여 안정화 시키며, 화염길이를 최대한 늘여서 노즐 축 중심 및 반경방향 비행입자의 용융온도 및 속도편차를 최대한 제어함으로써 고품질 및 수명연장이 가능한 코팅특성과 산업현장에서 발생하는 코팅특성의 재현성 문제를 해결할 수 있는 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료와 용사 분말을 용사 건의 혼합실에서 혼합시킨 후 노즐 및 배럴을 통하여 용사하는 원형 슈라우드 노즐에 있어서,

초고속 화염 용사 건의 선단에 매시가 부착된 원형 슈라우드 노즐을 설치하고, 상기 노즐의 형상은 매시가 부착된 나팔형상의 상부직경을 가지며 하부로 갈수록 점점 작아지는 일정한 직경과 일정한 길이를 이루는 원통형이며, 상기 상부 직경의 매시로부터 노즐 벽면을 따라 흡입되는 주위공기가 가스화염과 충돌하지 않도록 경계층을 형성하여 층류유동을 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 초고속 화염용사 코팅용 노즐을 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐에 대한 상세도이다.

본 발명은 연료와 용사 분말을 용사 건의 혼합실에서 혼합시킨 후 노즐 및 배럴을 통하여 초고속으로 용사할 때 주위공기나 이물질등이 가스화염과 충돌하지 않도록하기 위해 용사 건의 선단에 매시를 부착하고 상부직경이 나팔형상을 가지며 하부로 갈수록 점점 작아지는 일정한 직경과 일정한 길이를 이루는 원통형의 슈라우드 노즐을 제공하는 데 특징이 있다.

종래의 초고속 화염 용사코팅은 대기중에서 주위환경의 제어가 이루어지지 않는 상태에서 코팅하기 때문에 용사화염과 주위공기의 직접적인 충돌로 인한 난류성분이 발달하여, 용사화염 및 용융입자의 불안정한 유동이 발생하여 미 용융입자의 발생으로 고품질의 코팅특성을 얻을 수 없지만, 본 발명의 원형 슈라우드 노즐은 초고속 화염 용사 건(2)의 선단에 매시(6)를 부착하고 노즐 상부직경이 하부로 갈수록 점점 작아진 후 일정한 직경을 이루는 원통형을 가지도록 식(1) 및 (2)를 이용하여 기하학적으로 제어하였다.

즉, 노즐 상부는 대기중의 먼지나 이물질의 혼입을 방지하고 흡입공기의 유량을 최대한 줄이기 위하여 두께 1~3 mm, 크기 5×5 mm의 금속 매시(6)를 사용하였다. 상기 금속매시가 부착된 상부는 원통 지름(D)의 1.6D로 하였으며, 노즐의 상부 둘레는 원통 지름(D)의 0.2D와 0.33D로 완만한 곡선을 그리며 그 높이를 0.2D와 0.305D로 하여 줄어드는 형상으로 제작하여, 주위 공기(3)가 혼입되어도 가스화염과 충돌이 일어나지 않고 층류(7) 유동을 할 수 있도록 하였다. 또한, 용사 분말(1)의 종류 및 코팅특성을 고려하여, 원형 슈라우드 노즐의 직경(D)은 100~150 mm로 하였으며, 길이(x)는 원통 지름(D)의 1.3~2D로 하여 화염이 충분히 길어지도록 하였으며, 노즐의 재료는 용사화염의 온도에 견딜 수 있는 석영(8)으로 하였다.

또한, 상기의 원형 슈라우드 노즐 형상은, 실제 산업현장에서의 용사코팅거리(200~400 mm) 및 용사화염 중심부로 혼입되는 주위 공기의 흡입속도(0.1~5 m/s )를 고려하여 제작하였다. 즉, 식 (1) 및 (2)를 이용하여 경계층(9)의 두께(δ)를 계산해 보면, 흡입공기는 원형 슈라우드 노즐 벽면을 따라 수직 하방으로 200 mm 떨어진 지점에 5.15~8.71 mm의 두께가 발생하므로, 200 mm 지점에서의 용사화염의 폭(16.98~59.11 mm)과 충돌하지 않은 층류상태로 슈라우드 노즐을 통과하게 된다.

상기 본 발명의 노즐은 초고속 화염용사 코팅 뿐만 아니라, 화염용사 코팅, 폭발용사 코팅 및 플라즈마 용사 코팅 시스템에 적용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 원형 슈라우드 노즐은 초고속 화염 용사노즐로부터 분출되는 가스화염 및 용융입자와 주위공기와의 마찰을 줄여 가스화염을 길게하며, 일정한 온도 및 속도를 유지할 수 있게 하고, 화염의 안정화를 가져올 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 원형 슈라우드 노즐 상부에 매시를 설치하고 노즐형상을 개선함으로써 주위 공기의 흡입에 따른 가스화염 및 용융입자의 충돌완화와 용사코팅 주위 이물질의 혼입을 차단하고, 주위공기가 흡입속도를 낮춰 줌으로서 용사화염의 길이를 길게하고, 가스화염이 코팅입자에의 충분한 열전달로 코팅에 적합한 용융입자 및 속도를 얻을 수 있으며, 모재의 코팅 층에 포함된 기공률을 줄일 수 있다. 또한, 혼입된 공기는 층류상태로 원형 슈라우드 노즐을 통과하기 때문에 비행하는 용융입자의 균일한 온도와 속도를 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 연료와 용사 분말을 용사 건의 혼합실에서 혼합시킨 후 노즐 및 배럴을 통하여 용사하는 원형 슈라우드 노즐에 있어서,

   초고속 화염 용사 건의 선단에 매시가 부착된 원형 슈라우드 노즐을 설치하고, 상기 노즐의 형상은 매시가 부착된 나팔형상의 상부직경을 가지며 하부로 갈수록 점점 작아지는 일정한 직경과 일정한 길이를 이루는 원통형이며, 상기 상부 직경의 매시로부터 노즐 벽면을 따라 흡입되는 주위공기가 가스화염과 충돌하지 않도록 경계층을 형성하여 층류유동을 시키는 것을 특징으로 하는 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐.
2. 제 1항에 있어서, 상기 매시는 대기중의 먼지나 이물질의 혼입을 방지하고 흡입공기의 유량을 줄일 수 있는 두께가 1~3 mm, 크기가 5×5 mm의 금속 매시인 것을 특징으로 하는 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐.
3. 제 1항에 있어서, 상기 노즐의 직경(D)은 100~150 mm로 하고, 상기 노즐의 길이(x)는 원통 지름(D)의 1.3~2D로 하는 것을 특징으로 하는 초고속 화염용사 코팅용 원형 슈라우드 노즐.

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