KR101145514B1 - 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법에 관한 것으로, 그 목적하는 바는 소량의 전주도금을 행한 후 생산속도가 전주도금에 비하여 월등히 우수한 콜드스프레이방법으로 전주도금층의 일부를 형성함으로서, 환경적인 측면, 시간적인 측면, 비용적인 측면에서 매우 우수한 도금방법을 제공하고자 하는데 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 목적하는 제품 형상의 도금용 모재를 준비하는 단계; 상기 모재상에 하나 또는 둘이상의 단일금속, 또는 그 합금을 이용하여 소정의 두께로 전주도금을 행하는 단계; 하나 또는 둘이상의 단일금속 분말, 또는 그 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하는 단계; 상기 코팅용 분말을 콜드 스프레이 방법으로 상기 전주도금에 의해 형성된 도금층상에 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전주도금, 금속, 코팅, 콜드 스프레이, 저온분사

Description

콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법{A method for forming plating using cold spray}

본 발명은 콜드 스프레이방법을 이용하여 도금층을 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소량의 전주도금을 행한 후 콜드 스프레이방법을 이용하여 원하는 두께의 도금층을 형성하는 방법에 관한 것이다.

전주도금은 전착에 의해 금속제품의 제조 또는 복제품을 만드는 방법이다. 금속염용액의 전해에 의해 모형(원형)에 소요의 두께로 금속을 석출시킨 후 이 전착층을 모형에서 떼어내면 모형과 완전히 반대의 모양인 음형의 전도가 얻어진다. 이 전도를 그대로 이용하기도 하지만 다시 떼어낸 표면에 박리막처리를 하고 같은 조작을 하면 모형과 완전히 똑같은 제품이 얻어지며, 경우에 따라서는 모형에 금속을 두껍게 도금을 하여 그대로 제품화 하기도 한다. 일반적으로 도금과 전주도금은 그 두께에 의해 구분을 하는데 보통 도금은 0.001 mm 에서 0.05 mm 인데 반해 전주도금은 0.025 내지 25mm 까지로서 그 차이를 보인다.

하지만 이같은 전주 도금법으로 내마모성이나 내식성을 향상시키는 코팅막을 제조하여 부품을 제작하는 방법은, 도금에 필요한 용액이 매우 비싸고, 코팅속도 즉, 생산속도가 매우 낮은 단점을 가지고 있다. 또한, 강산을 사용하여 코팅하는 공정이므로, 환경적인 면에서도 매우 부정적인 견해를 가지고 있는 코팅방법이다. 이러한 이유로, 해외에서는 이미 전주 도금법으로 Cr을 코팅하여 제품을 생산하는 것을 법으로 엄격히 규제하고 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 연구와 실험을 거듭한 결과 환경적으로 무해하고, 경제적으로 생산성이 우수한 코팅방법인 저온분사 코팅방법에 의해 형성된 코팅층을 전주도금층의 일부로 대용할 수 있음을 알아내어 이를 제안하게 된 것으로, 본 발명은 소량의 전주도금을 행한 후 생산속도가 전주도금에 비하여 월등히 우수한 콜드스프레이방법으로 전주도금층의 일부를 형성함으로서, 환경적인 측면, 시간적인 측면, 비용적인 측면에서 매우 우수한 도금방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 목적하는 제품 형상의 도금용 모재를 준비하는 단계; 상기 모재상에 하나 또는 둘이상의 단일금속, 또는 그 합금을 이용하여 소정의 두께로 전주도금을 행하는 단계; 하나 또는 둘이상의 단일금속 분말, 또는 그 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하는 단계; 상기 코팅용 분말을 콜드 스프레이 방법으로 상기 전주도금에 의해 형성된 도금층상에 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

기존의 전주도금에 의한 도금층의 형성은 도금시 매우 비싼 용액을 사용하여야 하며, 생산속도가 시간당 약 50㎛정도의 두께로 상당히 느리고, 강산을 많이 사용하여 환경적인 측면에서도 매우 불리하다는 문제가 있었는데, 본 발명의 도금층 형성방법에 의하면 이러한 전주도금의 문제점을 많은 부분에서 보완할 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면 소량의 전주도금을 먼저 행한 후, 생산속도가 시간당 약 500㎛정도의 두께로 전주도금에 비하여 월등히 우수한 콜드스프레이방법으로 전주도금층의 일부를 대체함으로서, 기존 전주도금의 장점인 표면 정밀도나 내식성, 내마모성 등과 같은 물성은 그대로 유지하면서, 생산속도가 빨라 시간적으로 우수하고, 비싼 도금용액을 적게 사용하여 비용적으로 우수하고, 강산을 적게 사용하여 환경적으로 우수하다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 기존의 전주도금에 의해 생산되어지는 제품을 대상으로 하며, 콜드 스프레이 방법에 의해 코팅층을 형성할 수 있는 형상이면 어느 제품이라도 적용가능하다. 예를 들면, 플라스틱 나사 사출용 금형, 라이트 반사경 등을 들 수 있다.

본 발명에서는 상기한 바와 같은 목적하는 제품 형상의 도금용 모재를 준비하는 단계를 거친다.

상기 도금용 모재는 전주도금에 사용하는 일반적인 모재를 사용할 수 있으며, 목적하는 제품을 생산할 수 있는 형상으로 제조한다.

또한, 본 발명에서는 상기 모재상에 하나 또는 둘이상의 단일금속, 또는 그 합금을 이용하여 소정의 두께로 전주도금을 행하는 단계를 거친다.

상기 전주도금용 금속은 단일성분의 금속뿐만 아니라 합금을 포함하는 광의의 금속을 의미한다. 상기 단일금속은 1성분의 금속을 의미하며, 상기 합금은 둘이상의 금 속이 포함되는 금속을 의미한다. 상기 합금에는 석출물이나 분산강화물이 포함되는 합금을 포함함은 물론이다. 이와 같은 금속은 하나의 단일금속도 가능하지만, 둘이상의 단일금속을 혼합하여 사용할 수도 있다. 또는 필요에 따라서 하나의 합금, 둘이상의 합금을 각각 도금용액으로 만든 둘이상의 합금, 단일금속과 합금의 혼합물, 하나의 단일금속과 둘이상의 합금의 혼합물, 둘이상의 단일금속과 하나의 합금의 혼합물, 둘이상의 단일금속과 둘이상의 합금의 혼합물 등의 다양한 조합을 적용하여 사용할 수 있다. 상기 전주도금용 금속의 조합에 관한 예로는 바람직하게는 상기 도금용 금속은 구리, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 단일금속이거나, 그 합금인 것을 들 수 있다.

상기 전주도금의 두께는 목적하는 물성에 맞게 적절하게 조절할 수 있기 때문에 특정하지는 않지만, 표면의 정밀도나 내식성 등의 물성을 고려하고 작업성이나 생산성을 고려했을 때 30~300㎛의 두께로 행하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 전주도금의 두께가 30㎛미만이면 도금층이 손상되기 쉽고 두께가 300㎛를 초과하면 전주도금의 대체효과가 적기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 하나 또는 둘이상의 단일금속 분말, 또는 그 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하는 단계를 거친다.

상기 코팅용 분말은 상기에서 설명한 전주도금에 사용하는 단일금속이나 합금과 동일한 것을 사용할 수도 있으며, 서로 다른 성분의 금속을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 전주도금을 니켈을 이용하여 행하였을 경우, 코팅용 분말을 니켈을 이용하여 동일한 성분으로 도금층을 얻을 수도 있고, 코팅용 분말을 보다 저렴한 알루미늄을 이용하여 코팅을 행할 수도 있다.

상기 단일금속과 합금의 의미는 상기에서 설명한 바와 동일하게 각각 단일금속은 1성분의 금속을 의미하며, 합금은 둘이상의 금속이 포함되는 금속을 의미한다. 또 상기 합금에는 석출물이나 분산강화물이 포함되는 합금을 포함함은 물론이다. 또한 상기 코팅용 분말은 하나의 단일금속분말도 가능하지만, 둘이상의 단일금속분말을 혼합하여 사용할 수도 있다. 필요에 따라서 하나의 합금분말, 둘이상의 합금을 각각 분말로 만든 둘이상의 합금 분말, 단일금속분말과 합금분말의 혼합물, 하나의 단일금속분말과 둘이상의 합금분말의 혼합물, 둘이상의 단일금속분말과 하나의 합금분말의 혼합물, 둘이상의 단일금속분말과 둘이상의 합금분말의 혼합물 등의 다양한 조합을 적용하여 사용할 수 있다. 상기 코팅용 분말의 예를 들면 구리, 알루미늄, 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 단일금속이거나, 그 합금인 것을 들 수 있다.

상기 코팅용 분말의 입자크기는 공지의 콜드 스프레이에 사용되는 다양한 크기의 입자가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 사용되는 분말의 종류에 따라 그 코팅효율 및 반응성이 다르므로 최적입자 크기가 달라 질 수 있으므로 이를 고려하여 적정한 입자크기를 선정하는 것이 필요하고 일반적으로 1 내지 200 ㎛의 크기를 가지는 것이 분산 및 혼합측면에서 좋다. 또한 더욱 바람직하게는 1 내지 50 ㎛의 크기를 가지는 것이 좋다.

또한, 본 발명에서는 상기 코팅용 분말을 콜드 스프레이 방법으로 상기 전주도금에 의해 형성된 도금층상에 코팅하는 단계를 거친다.

상기와 같이 준비된 코팅용 분말을 융사법이나 소결온도에 비하여 상대적으로 낮은 저온에서 콜드 스프레이 방법을 통하여 분사하여 코팅층을 형성한다. 상기 콜드 스프레이 방법 자체는 공지의 기술로서 바람직하게는 상기 콜드 스프레이 방법은 상기 준비된 코팅용 분말을 코팅용 분사노즐에 주입하는 단계, 및 상기 분사노즐 내에 흐르는 운반가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 코팅용 분말을 코팅하는 단계를 포함하여 구성할 수 있고, 이와 같은 콜드 스프레이를 위한 장치의 개략도는 도 1에 도시한 바와 같다.

즉, 도 1은 본 발명에서 모재(S)에 코팅층을 형성하기 위한 저온 분사(콜드 스프레이) 장치(100)의 개략도를 도시한 도면이다. 상기 분사 장치(100)는 코팅층을 형성할 분말을 아음속 또는 초음속으로 가속하여 모재(S)에 제공한다. 이를 위해 상기 분사장치(100)는 가스 압축기(compressor, 110), 가스히터(120), 분말 공급기(powder feeder, 130) 및 분사용 노즐(140)로 구성된다. 가스 압축기(110)로부터 제공된 약 5 내지 20 kgf/cm2의 압축가스는 분말 공급기(130)로부터 제공되는 분말을 분사용 노즐(140)을 통해 약 300 ~ 1200 ㎧의 속도로 분출하여 코팅한다. 상기와 같은 아음속 내지 초음속의 유동을 발생시키기 위해서는 통상적으로는 상기 도 1에 도시한 바와 같이 상기 분사용 노즐(140)은 수렴-발산형 노즐 (de Laval-Type)이 사용되고 이러한 수렴 및 발산 과정을 통하여 초음속 유동을 발생시킬 수 있다.

상기 분사장치(100)에서 압축가스 공급 경로상의 가스히터(120)는 압축가스의 운동에너지를 증가시켜 분사용 노즐에서의 분사속도를 높이기 위해 압축가스를 가열하 기 위한 부가적인 장치로서 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 도시된 바와 같이, 분사용 노즐(140)로 분말의 공급을 보다 원활히 하기 위해 상기 가스압축기(110)의 압축가스 일부는 상기 분말 공급기(130)로 공급될 수 있다.

상기 장치에서 압축가스로는 상용의 가스, 예컨대 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있으며, 사용 가스의 종류는 분사용 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 제5,302,414호에 상세히 기술되어 있으며, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 콜드 스프레이 코팅단계에서 상기 모재와 상기 전주도금에 의해 형성된 도금층은 상온 또는 저온에서 진행할 수도 있으며, 바람직하게는 일정온도 이상으로 가열한 상태에서 진행하는 것이 코팅용 분말의 충돌에 따른 변형에너지(strain energy)축적과 코팅용 분말의 심도 깊은 충돌을 유도하므로 좋다.

상기한 바와 같은 방법으로 전주도금층에 코팅층을 형성할 때, 그 두께는 300㎛이상으로 형성하는 것이 보다 바람직한데, 그 이유는 전주도금과 콜드스프레이방법을 모두 동원하여 300㎛미만의 제품을 생산하기에는 비용이나 생산성 등에 있어 효과가 미미하기 때문이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 방법에 의하면 전주도금에 의한 도금층과 콜드스프레이방법에 의한 코팅층을 손쉽게 형성할 수 있는데, 이와 같이 얻어진 두층은 기존의 전주도금방법으로 모두를 형성한 도금층에 비하여 물성이 전혀 뒤떨어지지 않는 다. 나아가, 상기 콜드 스프레이 방법으로 코팅을 행한 후, 도금용 모재를 제거하고, 400~800℃의 온도범위에서 열처리를 행하여 금속간 화합물을 형성하면, 두층의 결속력을 높이면서 내식성이나 내마모성 같은 물성을 보다 높일 수도 있다. 상기 열처리 온도가 400℃미만이면 열처리 효과가 미미하고 800℃를 초과하면 변형될 염려가 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

<실시예>

지름 10cm, 깊이 7cm인 라이트 반사경 형상의 모재를 준비하였다. 일반적인 전주도금방법으로 상기 모재상에 두께 50㎛의 니켈도금을 행하였다.

또한, 평균입도가 3 ㎛인 니켈분말, SiC분말을 준비하였다. 준비된 분말들을 이용하여, 표준 라발형(standard laval type) 노즐로서 어퍼쳐는 4× 6 ㎜이고, 목부 갭(throat gap)은 1 ㎜인 노즐을 이용하여 압축가스로는 공기를 사용하여, 15기압, 380℃의 운반가스 유동에 상기 분말을 주입하여 전주도금층상에 450㎛두께의 코팅층을 형성하였다. 이때, 코팅층의 형성은 100% 니켈분발만을 이용한 경우와, 니켈분말 70%와 SiC분말 30%를 이용한 경우와, 니켈분말 50%와 SiC분말 50%를 이용한 경우로 나누어서 행하였다.

이후에 모재를 제거하고 얻어진 라이트 반사경들에 대하여 밀도를 측정하여 그 값을 도 2와 같은 그래프로 나타내어, 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층의 밀도 와 비교하였다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 방법에 의해 얻어진 코팅층의 밀도는 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층의 밀도에 비하여 거의 비슷한 수준이었다.

그리고 얻어진 라이트 반사경들에 대하여 경도를 측정하여 그 값을 도 3a에 나타내어, 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층의 경도와 비교하였으며, 또한, 얻어진 라이트 반사경들 및 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층을 500℃정도에서 열처리한 후 경도를 측정하여 그 값을 도 3b에 나타내었다. 도 3a 및 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 방법에 의해 얻어진 코팅층의 경도는 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층에 비하여 거의 비슷하거나 그 이상의 수준이었다.

또한, 상기 니켈분말과 SiC분말을 이용하여 형성한 코팅층을 절단하여 각각 50배, 100배의 광학현미경으로 촬영하여, 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 각각 나타내었다. 도 4a 및 도 4b에서 알 수 있는 바와 같이, 전주도금층 위에 두껍게 코팅되었고, 코팅막의 밀도도 매우 우수한 것을 확인하였다.

도 1은 본 발명의 방법에 의해 금속 표면을 형성하기 위해 사용되는 저온 분사(Cold Spray) 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 방법에 의해 얻어진 코팅층 및 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층에 대한 밀도를 측정하여 비교한 그래프이다.

도 3a는 본 발명의 방법에 의해 얻어진 코팅층 및 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층에 대한 경도를 측정하여 비교한 그래프이다.

도 3b는 본 발명의 방법에 의해 얻어진 코팅층 및 기존의 전주도금에 의해 얻어진 도금층을 각각 500℃에서 열처리한 후 경도를 측정하여 비교한 그래프이다.

도 4a는 본 발명의 방법에 의해 얻어진 코팅층의 절단면에 대한 50배율 광학현미경 사진이다.

도 4b는 발명의 방법에 의해 얻어진 코팅층의 절단면에 대한 100배율 광학현미경 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 가스 압축기 120 : 가스히터

130 : 분말 공급기 140 : 노즐

Claims (10)

1. 목적하는 제품 형상의 도금용 모재를 준비하는 단계;

   상기 모재상에 하나 또는 둘이상의 단일금속, 또는 그 합금을 이용하여 30~300㎛의 두께로 전주도금을 행하는 단계;

   하나 또는 둘이상의 단일금속 분말, 또는 그 합금의 분말로 이루어진 코팅용 분말을 준비하는 단계;

   상기 코팅용 분말을 콜드 스프레이 방법으로 상기 전주도금에 의해 형성된 도금층상에 300㎛이상의 두께로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전주도금을 행하는 금속은 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 크롬, 티타늄, 및 은으로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 단일금속이거나, 그 합금인 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 코팅용 분말은 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 크롬, 티타늄, 및 은으로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 단일금속이거나, 그 합금인 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 콜드 스프레이 방법은

   상기 준비된 코팅용 분말을 코팅용 분사노즐에 주입하는 단계;

   상기 분사노즐 내에 흐르는 운반가스의 유동에 의해 상기 코팅용 분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 전주도금에 의한 도금층의 표면에 코팅용 분말을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 콜드 스프레이 방법의 압력 조건은 3 ~ 20 kg/cm2 사이에서 수행되는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 콜드 스프레이 방법의 기체 온도 조건은 상온부터 700℃ 사이에서 수행되는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 콜드 스프레이 방법에 의해 코팅하는 단계에서 전주도금에 의해 성형된 도금층에 가열하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 콜드 스프레이 방법으로 코팅을 행한 후, 도금용 모재를 제거하고, 400~800℃의 온도범위에서 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 콜드 스프레이방법을 이용한 도금층의 형성방법.

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