KR101015561B1

KR101015561B1 - 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡

Info

Publication number: KR101015561B1
Application number: KR1020100078040A
Authority: KR
Inventors: 김병두
Original assignee: 김병두
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2011-02-16
Also published as: CN102373394A; US20120037728A1; JP2012040539A

Abstract

본 발명은 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡에 관한 것으로 특히 Thermal Spray Coating 방식과 Kinetic Spray Coating 방식을 동시에 적용할 수 있도록 하는 2중 노즐 캡을 개시한다.
본 발명은 용사 건의 선단에 장착되는 노즐 캡에 있어서, 상기 노즐은 노즐의 중앙에 상기 용사 건의 선단이 삽입되는 건 삽입공과, 상기 노즐의 일면에 고압의 기체를 공급하는 기체연결구가 연결되는 연결공이 형성되며, 상기 내외측 노즐사이의 공간에 상기 연결공을 통해 유입된 고압의 기체를 고르게 분포시키는 기체 수집부와, 상기 기체 수집부에 채워진 고압의 기체를 가압, 가속시키는 병목부와, 상기 병목부에서 가압, 가속된 기체를 상기 용사 건의 분사체와 함께 분사되도록 하는 기체 분사구로 구성되어, 상기 기체 수집부, 병목부를 통해 분사의 방향성이 균일해지고 지속적으로 가압, 승압되어 기체 분사구를 통해 초고속으로 분사되는 초고속, 초고압의 기체가 용사 건으로부터 분사되는 분체를 둘러싸며 함께 분사되므로 분사되는 분체를 초고속으로 가속시키는 동시에 분사 방향을 일정하게 모아서 유지시키므로 온도조절이 가능하고, 산소와의 접촉을 차단할 수 있으므로 기존 열용사나 속도용사로 곤란한 상기의 재료들을 용사할 수 있고, 피사체의 선택도 다양해진다.

Description

용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡 {DUAL NOZZLE CAP FOR THERMAL SPRAY COATING}

본 발명은 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡(CAP)에 관한 것으로 특히 용사 Gun의 화염 분사구 주변에 부착되어 별도로 주입되는 보조 기체가 용사화염과 함께 분사되도록 하여 용사화염의 속도, 온도, 순도를 조절하게 하는 장치에 관한 것이다.

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주지하는 바와 같이, 용사(Thermal Spray, 溶射)에는 코팅재인 선형재료 또는 금속 분체(Metal Powder)를 고온으로 녹인 후 분사하여 코팅하는 Thermal Spray Coating 방식과 코팅용 분체를 코팅하고자 하는 모재의 표면에 고압, 고속으로 분사하여 충돌 시 발생되는 충격 에너지에 의해 분체가 용융되도록 하여 코팅하는 Kinetic Spray Coating 방식이 있고, 상기 Thermal Spray Coating 방식은 코팅재료를 가열하는 열원의 종류에 따라 가스식과 전기식으로 나뉘며, 가스식 용사에는 화염용사, 폭발용사, 초고속용사(HVOF:High Velocity Oxygen Fuel Spraying)가 있고, 전기식 용사에는 아크용사, 플라즈마용사, 선폭용사, LASER용사가 있으며, 최근에는 소형화가 가능하고 고열을 발생시킬 수 있어서 W, Mo와 같은 고융점의 코팅재료를 사용할 수 있는 장점이 있는 플라즈마용사에 대한 기술 개발이 활발하다. 대표적인 예로 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0082283호(발명의 명칭 : 플라즈마 용사 코팅 방법 ; 이하 '인용발명'이라 함)가 있다.
이러한 용사의 공정은 일반적으로 모재에 대한 용착성을 확보하기 위해 코팅하고자 하는 모재의 표면에 충격을 가하여 표면을 거칠게 하는 전처리 과정을 수행하고, 코팅재인 선형재료 또는 금속 분체를 용융시켜 분사하여 모재의 표면에 코팅층을 형성하는 과정 및 용사 후 코팅층의 코팅특성을 향상시키는 마감처리 과정으로 이루어지며, 전술한 용사 공정에 있어서 일반적인 결정금속으로 된 모재의 경우 전처리 과정 또는 용사 과정에서 충격이나 열로 인하여 결정과 결정 사이에 미세한 균열이나 미세한 금속의 결정이 떨어져 요철 등이 형성되어 이러한 균열이나 요철 부위에 용융되어 분사된 코팅재가 채워지도록 하므로 코팅되는 것이며, 인용발명에서는 플라즈마 용사 코팅을 수행하는 과정에서 모재 충돌되어 반사된 산란 입자가 재 흡착되지 않고 코팅 밀도를 높일 수 있도록 하기 위하여 기판의 일면이 중력의 방향과 실질적으로 평행하도록 기판을 제공하는 단계; 및 상기 기판의 일면에 음극 및 양극에 인가되는 전압차에 의해서 발생되고 용융된 세라믹 분말이 섞인 플라즈마 불꽃을 중력의 방향과 수직하게 상기 기판의 일면에 분사하는 단계를 더 포함하였다.

그러나 종래의 결정금속에 비해 강도와 반발력이 월등히 높은 신소재인 비결정금속이 개발되고 있으며, 이러한 비결정금속은 코팅재에 세라믹 분말을 섞거나 분사 방향을 다양하게 한 인용발명과 같은 종래의 용사 방식을 적용할 경우 산화되어 비정질도가 급격히 떨어지는 문제점이 발생되었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2008-0082283호

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Thermal Spray Coating 방식의 용사 건에 Kinetic Spray Coating 방식을 추가하여 분사의 방향성 및 분사속도를 증가시킬 수 있도록 하는 2중 노즐 캡을 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여 용사 건의 선단에 장착되는 노즐 캡에 있어서, 상기 노즐 캡은 노즐의 중앙에 상기 용사 건의 선단이 삽입되는 건 삽입공과, 상기 노즐의 일면에 고압의 보조 기체를 공급하는 연결구가 형성되며, 상기 건 삽입공과 격리된 상기 노즐의 내부에 상기 연결구를 통해 주입된 고압의 보조 기체를 노즐의 내부에 고르게 분포시키는 기체 수집부와, 상기 기체 수집부에 채워진 고압의 보조 기체를 승압 및 가속시키고 분사의 방향성을 갖도록 하는 병목부와, 상기 병목부에서 승압 및 가속된 보조 기체를 상기 용사 건의 분사체와 함께 분사되도록 노즐의 끝단에 링 형의 공간으로 형성된 기체 분사구로 구성된 2중 노즐 캡을 제공한다.

이와 같이 하여 본 발명은 2중 노즐 캡의 기체 수집부, 병목부를 통해 분사의 방향성이 균일해지고 지속적으로 가압, 승압되어 기체 분사구를 통해 초고속으로 분사되는 초고속의 보조 기체가 용사 건으로부터 분사되는 분사체를 둘러싸며 함께 분사되므로 분사되는 상기 분사체를 초고속으로 가속시키는 동시에 분사 방향을 일정하게 모아서 유지시키므로 산소와의 결합을 억제하고 분사 압과 분사 속도를 증가시키고, 분사온도를 감소시켜 강도와 반발력이 높은 비결정금속의 용사가 가능하도록 하는 유용한 효과가 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡의 구체적인 구성을 예시하는 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡의 내부 구조를 구체적으로 예시하는 단면 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡의 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡을 용사 건과 결합한 사용예를 도시한 단면도.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 용사를 위한 2중 노즐 캡(CAP)의 구체적인 실시예의 전체적인 구성을 도 1 내지 도 3으로 도시하였다.

이에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명은 용사 건(10)의 선단에 장착되는 노즐 캡에 있어서,

중앙에 상기 용사 건(10)의 선단이 삽입되는 건 삽입공(41)이 형성된 내측 노즐(40)과, 상기 내측 노즐(40)의 외측둘레를 감싸며, 상기 내측 노즐(40)의 일측과 동심으로 결합되는 외측 노즐(50)과, 상기 내, 외측 노즐(40, 50)사이에 주입되는 보조 기체(21)를 가속시키는 환형의 공간이 형성되도록 구성될 수 있다.

여기에서 전술한 용사 건(10)은 열용사 건, 플라즈마용사 건, FLAME GUN, 아크용사건 등 종래 모든 용사 건(10)일 수 있으며, 이러한 용사 건(10)의 선단과 본 발명에 의한 2중 노즐 캡을 결합하기 위하여 중간에 연결 노즐을 구성할 수 있음은 물론이다.

이를 각 구성요소별로 더욱 상세하게 설명하면,

전술한 내측 노즐(40)과 외측 노즐(50) 중 어느 하나의 일면에 고압의 보조기체(21)를 공급하는 기체 공급관과 같은 연결구(20)가 연결되는 연결공(42)이 형성될 수 있다. 상기 연결공(42)은 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 연결구(20)로부터 주입되는 고압의 보조기체(21)의 주입력이 그대로 상기 병목부(70)에 가해져 승압을 더욱 높이도록 상기 건 삽입공(41)과 나란한 방향으로 형성될 수 있고, 반대로 노즐의 내부에 주입된 고압의 보조기체(21)가 순간적으로 고르게 분포되도록 상기 건 삽입공(41)과 수직하도록 형성될 수 있으며, 필요에 따라 2개 또는 다수의 연결공(42)을 형성할 수 있음은 물론이다.

아울러, 본 발명에 의한 2중 노즐 캡은 도 3에서 보는 바와 같이, 전술한 내측 노즐(40)과 외측 노즐(50) 사이에 상기 연결공(42)을 통해 주입된 고압의 보조기체(21)를 노즐 내부에 고르게 분포시키는 기체 수집부(60)와, 상기 기체 수집부(60)에 채워진 고압의 기체(21)를 가압/승압 및 가속시키는 병목부(70)와, 상기 병목부(70)에서 가압/승압 및 가속된 보조 기체(21)(Air)를 상기 용사 건(10)의 분사체의 난 분사를 방지하며 일정한 분사의 방향성을 갖고 분사되도록 내측 노즐(40)과 외측 노즐(50)의 타단 사이의 둘레에 환형단면 공간이 형성된 기체 분사구(80)가 순차적으로 형성되도록 내측 노즐(40)과 외측 노즐(50)이 결합된 것이다.

또한 내측 노즐(40)과 외측 노즐(50)은 별도로 구성하지 않고 하나로 통합된 노즐로 구성하면서 노즐의 내부에 전술한 건 삽입공(41), 연결공(42), 에어 수집부(60), 병목부(70), 기체 분사구(80)가 구성되도록 형성할 수 있다.

여기에서 전술한 병목부(70)는 도 3으로 도시한 바와 같이, 상기 기체 수집부(60) 내부의 보조기체(21) 압력을 높이도록 기체 수집부(60)의 일측에서 일제히 좁아지는 제1병목부(71)를 두며, 상기 제1병목부(71)로 승압되어 유입된 보조기체(21)의 난분사를 방지하고 분사의 방향성이 일정하게 유지되도록 제1병목부(71)로부터 기체 분사구(80)까지 점점 좁아지다가 다시 점점 넓어지는 제2병목부(72)로 구성되어 상기 연결공(42)을 통해 노즐의 내부에 고압으로 주입된 보조기체(21)가 기체 수집부(60)를 체우고도 지속적으로 주입되면 기체 수집부(60)의 일측에 형성된 병목부(70)로 진행하게 되며, 이 때 일제히 좁아지는 제1병목부(71)에 의해 고압의 보조 기체(21)는 제트 엔진을 통과하는 것과 같이 더욱 승압되면서 가속되어 초고속으로 진행하게 된다.

이어서 제1병목부(71)로부터 기체 분사구(80)까지 점점 좁아지다가 다시 점점 넓어지는 제2병목부(72)의 점점 좁아지는 구간을 진행하면서는 지속적으로 가압/승압 및 가속이 이루어지고, 다시 점점 넓어지는 구간을 진행하면서는 난 분사되는 보조 기체(21)를 분사 방향으로 모아주며 분사의 방향성을 일정하게 유지시키므로 기체 분사구(80)를 통해 지금까지 가압/승압 및 가속되고 분사의 방향성을 갖게 된 초고속/초고압의 보조 기체(21)를 분사하게 되는 것이다.

또한 이러한 제2병목부(72)의 끝에 형성된 전술한 기체 분사구(80)는 도 2에서 보는 바와 같이, 외경이 좁은 내측 노즐(40)의 타단 둘레 전체에 링 형의 공간으로 형성되어 있어서, 도 4로 도시한 바와 같이, 기체 분사구(80)에서 분사되는 전술한 초고속/초고압의 보조 기체(21)는 용사 코팅을 위해 용사 건(10)에서 분사되는 분사체를 감싸며 분사되어 공기중의 산소와의 결합을 억제하고, 일정한 방향성을 가지며, 분사체의 분사 속도보다 월등히 높은 속도로 분사되므로 난 분사되는 분사체를 분사 방향으로 모아주고 분사체를 초고속으로 가속시켜, 산화에 의해 비정질도가 급격히 떨어지는 비결정금속의 산화를 억제하여 비결정도가 높은 고품질의 용사 코팅층을 얻게 되는 것이다.

도 4에서는 금속 분체(30)와 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 아세틸렌 등과 같은 연료가스(31) 및 산소를 공급받아 연소시키는 연소열로 분체(30)를 용융시켜 분사하는 열용사 건의 선단에 본 발명에 의한 콘 형의 2중 노즐을 장착한 예를 도시하였으나 플라즈마용사 건과 같은 다른 용사 방식의 건에도 적용할 수 있음은 물론이다.

여기에서 전술한 분체(30)는 금속뿐만 아니라 용사 코팅을 위한 코팅재를 대표하는 것으로 심각한 열화(degradation)없이 용융될 수 있는 열가소성 폴리머 물질(thermoplastic polymeric material)일 수 있다. 그러한 서모폴리머(thermopolymers)는 폴리에틸렌(저밀도 및 고밀도), 폴리프로필렌(저밀도 및 고밀도), 폴리우레탄(저밀도 및 고밀도), 나일론(예를 들어 나일론 6, 나일론 11), 나일론 코폴리머, EVA, EEA, ABS, PVC, PEEK, PVDF, PTFE(예를 들어, Teflon@) 및 기타 플루오로카본 폴리머, 폴리카보네이트(polycarbonate), 아크릴(acrylics), 폴리에테르, 폴리에스테르, 에폭시 레진(epoxy resins), 실리콘(silicones) 및 그들의 화학적 또는 물리적 조합(combinations)을 포함한다. 그외 아연, 알루미늄, 아연-알루미늄 합금, 철금속 합금(ferrous metal alloys), 구리 및 구리 합금 등의 클래드분말(clad powder), 세라믹, 탄소, 그라파이트(graphite), 또는 전자기 차폐재, 전기 전도재, 형광 또는 인광재, 반사재(reflectant materials), 전파 흡수재(radar absorbent materials), 또는 자외선 차단재(UV protectors), 항균재(anti-microbials) 등과 같은 기능성 성분(functional components)도 포함된다.

또한 코팅재가 도포되는 모재는 다공성 또는 비다공성 금속(예를 들어, 스틸, 알루미늄), 목재, 코르크, 유리, 세라믹, 고형 또는 발포 폴리머 물질(solid or foamed polymeric material), 종이함유재료 등이 될 수 있다.

본 발명에 의한 2중 노즐 캡을 이용할 수 있는 기타 용사 코팅 용도(applications)는 교량, 교통기관, 빌딩, 도로표지, 또는 선창 또는 부두와 같은 해양 환경에서의 여러 가지 건조물에 적용할 수 있다. 즉, 본 2중 노즐 캡을 기존 열용사 건에 부착하면, 온도조절이 가능하고, 산소와의 접촉을 차단할 수 있으므로 기존 열용사나 속도용사로 곤란한 상기의 재료들을 용사할 수 있고, 피사체의 선택도 다양해진다.

이상과 같이, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명이 의도하는 요지 및 개념 내에서 다양하게 변화시켜 실시하는 것이 가능하다.

10:용사 건 20:기체연결구 21:보조 기체
30:분체 31:연료가스 40:내측 노즐
41:건 삽입공 42:연결공 50:외측 노즐
51:나사산 60:기체 수집부 70:병목부
71:제1병목부 72:제2병목부 80:기체 분사구

Claims

용사 건의 선단에 장착되는 노즐 캡에 있어서,
중앙에 상기 용사 건의 선단이 삽입되는 건 삽입공이 형성된 내측 노즐과,
상기 내측 노즐의 외측둘레를 감싸며, 내측 노즐의 일측과 결합되는 외측 노즐과, 상기 내외측 노즐사이에 주입되는 보조 기체를 가속시키는 병목부가 구비된 환형의 공간이 구성되되,
상기 병목부는 환형의 공간 내에서 상기 내외측 노즐사이에 주입되는 보조 기체의 압력을 높이도록 좁아진 제1병목부와, 상기 제1병목부의 일단에 연속되며, 상기 제1병목부로 승압되어 유입된 기체의 난분사를 방지하고 분사의 방향성이 일정하게 유지되도록 점점 좁아지다가 다시 점점 넓어지는 제2병목부로 구성됨을 특징으로 하는 용사 코팅보조를 위한 2중 노즐 캡.
제 1 항에 있어서,
전술한 내측 노즐과 외측 노즐 중 어느 하나의 일면에 고압의 기체를 공급하는 기체 연결공이 형성됨을 특징으로 하는 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡.
제 2 항에 있어서,
결합된 전술한 내측 노즐과 외측 노즐 사이에는 상기 기체 연결공을 통해 주입된 고압의 기체를 고르게 분포시키는 환형의 기체 수집부와, 상기 기체 수집부에 채워진 고압의 기체를 승압 및 가속시키고 분사의 방향성을 갖도록 하는 병목부와, 상기 병목부에서 승압 및 가속된 기체를 상기 용사 건의 분사체와 함께 분사되도록 상기 내측 노즐의 타단 둘레에 형성된 기체 분사구가 순차적으로 형성됨을 특징으로 하는 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡.
용사 건의 선단에 장착되는 노즐 캡에 있어서,
상기 노즐은 내외측 2중의 노즐로서 노즐의 중앙에 상기 용사 건의 선단이 삽입되는 건 삽입공과, 상기 노즐의 일면에 고압의 기체를 공급받기 위한 기체 연결공이 형성되며,
상기 내외측 2중 노즐사이의 공간에 상기 기체 연결공을 통해 주입된 고압의 기체를 노즐의 내부에 고르게 분포시키는 기체 수집부와, 상기 기체 수집부에 채워진 고압의 기체를 승압 및 가속시키고 분사의 방향성을 갖도록 하는 병목부와, 상기 병목부에서 승압 및 가속된 기체를 상기 용사 건의 분사체와 함께 분사되도록 노즐의 끝단의 내외측 노즐사이에 환형의 공간으로 형성된 기체 분사구가 구성되되,
상기 병목부는 상기 기체 수집부 내 기체 압력을 높이도록 기체 수집부의 일측에서 일제히 좁아지는 제1병목부와,
상기 제1병목부와 기체 분사구 사이의 노즐 캡 내에 형성되며, 제1병목부로 승압되어 유입된 기체의 난분사를 방지 분사의 방향성이 일정하게 유지되도록 제1병목부로부터 기체 분사구 까지 점점 좁아지다가 다시 점점 넓어지는 제2병목부로 구성됨을 특징으로 하는 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡.
제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
전술한 기체 연결공은 건 삽입공과 나란한 방향으로 형성됨을 특징으로 하는 용사 코팅을 위한 2중 노즐 캡.
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