KR101303272B1 - 해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법 - Google Patents

해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법에 관한 것으로, 부품에 대해 예비처리를 하는 제1단계; 상기 부품을 보호 기체 용광로 내에서 예열하는 제2단계; 상기 예열된 부품을 도금액에 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시키는 제3단계; 계면의 원자가 확산되어 베이스 표면상에 확산층을 형성함으로써 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하도록, 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 800~950℃에서 1~3시간 동안 보온 후 점차 강온하여 취출하는 제4단계를 포함하며, 본 발명의 방법을 이용하여 처리된 부품은 해양 조건하에서 부품에 충분한 내부식 성능과 내침식 성능을 부여할 수 있다.

Description

해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법 {METHOD FOR CARRYING OUT DIFFUSION TREATMENT ON COATING OF ENGINEERING PARTS RESISTANT TO MARINE CLIMATE}
본 발명은 해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법에 관한 것이다.
과학기술의 급속한 발전에 따라, 근해와 해양에 응용되는 공정장비는 날로 늘어가고 있으나, 그 사용환경 조건은 ISO 9225 환경평가 기준에 따르면 일반적으로 C5급보다 크며 지극히 열악한 환경에 속한다. 상기 환경은 비가 많이 내리고, 기온이 높으며, 연무가 많고, 기류가 강하기에 외부에 노출된 부품은 강력한 대기부식, 전기화학부식 및 기류 세굴 부식(current scour corrosion) 등의 복합적인 작용을 받으므로 각종 강구조의 사용 수명은 일반 내륙의 야외환경에서보다 훨씬 짧다. 해양기후 조건하에서 사용되는 전형적인 공정장비의 하나인 풍력발전설비는 풍력발전유닛이 풍력을 이용하여 전기를 발생시키기 때문에 대부분의 풍력발전소는 해안선이나 해안에서 떨어진 앞바다와 같이 풍력자원이 풍부한 곳에 건설된다. 그러나 풍력발전유닛의 캐빈, 엔진케이스, 파일론 등과 같은 외부부재는 극단적인 부식성 대기에 직접적으로 노출되므로 통상적인 방호조치를 취하면 보통 몇 개월 만에 심각한 부식이 발생하여 거대한 손실을 초래한다. 통계에 따르면 해양부식 손실은 총 부식 손실의 1/3을 차지할 뿐만 아니라 해양부식에 의해 초래되는 사고의 손실은 계산할 수도 없이 크다. 예를 들면 1969년 일본의 5만 톤급 광석 전용 수송선이 부식에 의한 취성 파괴로 갑자기 침몰되었다. 따라서 부식 방지를 강화하여 금속재료 소모를 감소시키는 것은 해양환경에서 설비의 조기 또는 우발적인 손상을 방지하는데 중요한 전략적 의의를 갖는다.
현대 표면 공정 기술의 신속한 발전은 강철표면의 부식방지를 위해 전기도금, 화학도금, 용사코팅, 기상증착 등과 같은 다양한 해결방법을 제공하였다. 그러나 현재 상기 방법은 모두 일정한 문제가 존재하고, 문제의 공통점은 상기 기술 공정이 복잡하고 생산비용이 높다는 것이며, 더욱 심각한 것은 상기 기술을 응용하여 획득한 도금층은 환경과 응력의 작용하에 쉽게 벗겨져서 방호 효과를 잃게 된다. 그러므로 도금층과 베이스(基體)의 결합 강도를 효과적으로 개선하는 새로운 기술의 연구ㆍ개발이 현재 산업 발전에 절실히 필요하다.
종래 기술의 이러한 문제점을 고려하여, 본 발명은 해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법을 제공하여 종래기술에 존재하는 문제점을 완전히 해결하였다.
본 발명에 따른, 해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법은,
부품에 대해 예비처리를 하는 제1단계;
상기 부품을 보호 기체 용광로 내에서 예열하는 제2단계;
상기 예열된 부품을 도금액에 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시키는 제3단계;
계면(界面)의 원자가 확산되어 베이스 표면상에 확산층을 형성함으로써 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하도록, 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 800~950℃에서 1~3시간 동안 보온 후 점차 강온하여 취출하는 제4단계를 포함한다.
상기 제1단계에서의 예비처리는 오일 제거처리, 녹 제거처리 및 침식처리를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 침식처리는 오일 및 녹 제거 후의 부품을 염산과 불산의 혼합용액에 넣어 실온에서 1~3분 동안 침식시키고, 상기 염산과 불산의 혼합용액은 체적을 기준으로 염산(HCL)이 94~96%, 불산(HF)이 4~6%를 차지하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 제2단계에서는 상기 부품을 보호 기체 용광로 내에서 500~650℃에서 10~20분 동안 예열하는 것이 바람직하다.
상기 제3단계에서는 상기 예열된 부품을 도금액 중에서 1~5분 동안 침지시키고, 상기 도금액은 주로 Zn, Al, Si, RE, 마이크로 합금 원소와 산화물 나노입자 보강제로 구성되며, 상기 산화물 나노입자 보강제는 TiO2 및 CeO2중에서 선택되는 1종 또는 2종이고, 상기 마이크로 합금 원소는 Mg, Ti 및 Ni중에서 선택되는 1종 이상이며, 상기 도금액의 각 구성성분이 도금액 총 질량에서 차지하는 비율은 Zn이 35~58 질량%, Si가 0.3~4.0 질량%, RE가 0.02~1.0 질량%, 산화물 나노입자 보강제의 총 함량이 0.01~1.0 질량%, 마이크로 합금 원소 총 함량이 0.01~6.0 질량%이고, 잔부가 Al인 것이 바람직하다.
상기 산화물 나노입자 보강제의 평균입경은 15~60nm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 마이크로 합금 원소의 각 구성성분의 구체적으로 첨가되는 양은 Mg가 0.1~5.0 질량%, Ti가 0.01%~0.5 질량%, Ni가 0.1~3.0 질량%인 것이 더욱 바람직하다.
상기 제4단계에서 계면의 원자가 확산되어 베이스 상에 형성되는 확산층의 두께는 10~30㎛인 것이 바람직하다.
다른 구현예로서, 본 발명은 확산 처리된 코팅층을 구비한 해양 기후 저항성 부품을 제공한다. 상기 부품 표면의 코팅층 두께는 200~300㎛이고, 상기 코팅층은 계면의 원자를 확산시켜 베이스 상에 형성된 확산층을 더 포함하며, 상기 확산층을 통하여 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하고, 상기 확산층의 두께는 10~30㎛이다.
상기 확산층은,
부품에 대해 예비처리를 진행하는 제1단계;
상기 부품을 보호 기체 용광로 내에서 예열하는 제2단계;
상기 예열된 부품을 도금액에 침지시키며, 침지과정에서 부품을 회전시키는 제3단계;
계면의 원자가 확산되어 베이스 상에 확산층을 형성함으로써 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하도록, 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 800~950℃에서 1~3시간 동안 보온 후 점차 강온하여 취출하는 확산처리단계인 제4단계의 공정을 거쳐 형성된다.
본 발명은 침지 도금 전에 침지 도금하고자 하는 부품을 보호 기체 용광로 내에 일정한 시간 동안 넣어 예열함으로써, 코팅층과 베이스 재료 사이의 역학성능의 부정합을 감소시켜 코팅층이 프레팅 마멸에서 접촉 하중 작용 하에서도 벗겨지지 않게 한다.
한편, 본 발명의 도금액을 사용하여 형성된 코팅층은 대기 부식, 전기화학 부식 및 기류 세굴 부식(air current scouring erosion)에 대한 저항능력이 현저히 향상되고 코팅층의 강도, 경도, 내침식성도 현저하게 향상된다.
또한, 본 발명은 침지 도금 후에 확산처리하는 단계를 추가하여 코팅층과 베이스가 견고하게 결합하도록 함으로써, 도금층이 환경, 응력의 협동작용 하에서도 쉽게 벗겨지지 않도록 하여 우수한 방호효과를 나타내고, 해양 등 열악한 환경에 충분히 적응할 수 있도록 한다.
결론적으로 본 발명은 종래기술에 비해 생산공정이 간소화되고, 비용이 낮으며, 도금층 두께의 조절가능 범위가 넓고, 도금층의 내식성, 내마모성이 좋은 효과를 가진다. 또한 도금층과 베이스의 결합이 견고하여 쉽게 박리되지 않고, 다양한 크기의 부품 처리에 적합하다. 상기 방법은 공정이 간단하고 생산원가가 낮으며 또한 임의의 형상, 임의의 사이즈의 부품에 적합하고, 본 발명을 이용하여 처리된 부품은 해양기후 조건하에서 내부식 성능과 내침식 성능을 충분히 보유할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법은,
부품에 대해 예비처리를 하는 제1단계;
상기 부품을 보호 기체 용광로 내에서 예열하는 제2단계;
상기 예열된 부품을 도금액에 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시키는 제3단계;
계면(界面)의 원자가 확산되어 베이스 표면상에 확산층을 형성함으로써 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하도록, 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 800~950℃에서 1~3시간 동안 보온 후 점차 강온하여 취출하는 제4단계를 포함한다.
이하에서는 강철 구조 부품 표면에 해양 기후 저항성 내부식 코팅층을 형성하기 위한, 본 발명의 확산처리방법의 바람직한 실시예들을 예시하였다. 그러나 하기 구체적인 실시예에서 제시한 조건은 필수 구성 요소로서 기술한 것이 결코 아니다. 당업자는 하기 실시예를 기초로 합리적인 범위에서 일반화 및 추론을 수행할 수 있다.
실시예 1
(1) 부품을 세척하고, 오일을 제거한 후, 산 세척을 통하여 녹을 제거 처리하고, 탈이온수로 헹군다.
(2) 상기 오일 제거와 녹 제거를 마친 후의 부품을 염산(HCL) 94 체적% 및 불산(HF) 6 체적%를 포함하는 혼합용액 중에서 실온에서 1분 동안 에칭하고, 탈이온수로 헹군다.
(3) 상기 (1)~(2)단계를 거쳐 처리된 부품을 보호 기체 용광로 내에 넣고 500℃에서 20분 동안 예열한다.
(4) 상기 보호 기체 용광로 내에서 예열된 강철 부품을 도금액에 1분 동안 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시킨다.
(5) 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 800℃에서 3시간 동안 보온 후 점차 강온하고 취출하여 부품 도금층 하부에 확산층이 형성되도록 한다. 상기 공정을 거쳐 부품의 표면에 확산 코팅 복합층이 형성된다.
실시예 2
(1) 부품을 세척하고, 오일을 제거한 후, 산 세척을 통하여 녹을 제거 처리하고, 탈이온수로 헹군다.
(2) 상기 오일 제거와 녹 제거를 마친 후의 부품을 염산(HCL) 95 체적% 및 불산(HF) 5 체적%를 포함하는 혼합용액 중에서 실온에서 2분 동안 에칭하고, 탈이온수로 헹군다.
(3) 상기 (1)~(2)단계를 거쳐 처리된 부품을 보호 기체 용광로 내에 넣고 600℃에서 15분 동안 예열한다.
(4) 상기 보호 기체 용광로 내에서 예열된 강철 부품을 도금액에 3분 동안 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시킨다.
(5) 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 880℃에서 2시간 동안 보온 후 점차 강온하고 취출하여 부품 도금층 하부에 확산층이 형성되도록 한다. 상기 공정을 거쳐 부품의 표면에 확산 코팅 복합층이 형성된다.
실시예 3
(1) 부품을 세척하고, 오일을 제거한 후, 산 세척을 통하여 녹을 제거 처리하고, 탈이온수로 헹군다.
(2) 상기 오일 제거와 녹 제거를 마친 후의 부품을 염산(HCL) 96 체적% 및 불산(HF) 4 체적%를 포함하는 혼합용액 중에서 실온에서 3분 동안 에칭하고, 탈이온수로 헹군다.
(3) 상기 (1)~(2)단계를 거쳐 처리된 부품을 보호 기체 용광로 내에 넣고 650℃에서 10분 동안 예열한다.
(4) 상기 보호 기체 용광로 내에서 예열된 강철 부품을 도금액에 5분 동안 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시킨다.
(5) 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 950℃에서 1시간 동안 보온 후 점차 강온하고 취출하여 부품 도금층 하부에 확산층이 형성되도록 한다. 상기 공정을 거쳐 부품의 표면에 확산 코팅 복합층이 형성된다.
상기 실시예 1-3에서 도금액의 구성과 함량은 하기 표 1에 나타난 바와 같으나, 표 1은 단지 본 발명 도금액의 일부 바람직한 실시예를 보여주는 것이다. 비록 표 1의 마이크로 합금 원소는 동시에 Mg, Ti 및 Ni의 3종 원소를 포함하지만, 이는 필수 기술 특징으로서 기술된 것은 아니다. 본 발명의 마이크로 합금 원소는 Mg, Ti 및 Ni 중에서 임의로 1종, 2종 또는 3종이 선택된다. 마찬가지로 표 1에 열거된 산화물 나노입자 보강제는 TiO2이지만, 본 발명의 산화물 나노입자 보강제는 CeO2 또는 TiO2와 CeO2를 동시에 포함할 수 있다.
Figure 112013023106606-pct00003
상기 산화물 나노입자 보강제의 평균 입경은 15~60nm인 것이 바람직하다.
상기 마이크로 합금 원소의 각 구성성분의 구체적인 첨가량은 Mg가 0.1~5.0 질량%, Ti가 0.01%~0.5 질량%, Ni가 0.1~3.0 질량%인 것이 바람직하다.
다른 실시예로서, 본 발명은 확산처리를 거친 코팅층을 구비한 해양 기후 저항성 부품도 제공한다. 상기 부품 표면의 코팅층 두께는 200~300㎛이고, 상기 코팅층은 계면의 원자를 확산시켜 베이스 상에 형성된 확산층을 더 포함하며, 상기 확산층을 통하여 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하고, 상기 확산층의 두께는 10~30㎛이다. 이하 본 발명의 확산처리를 거친 코팅층의 일부 바람직한 실시예를 표 2에 나타낸다.
Figure 112011042104524-pct00002
(주): 도금층 결합력의 측정 방법은 GB1720-79를 참조하여 수행한다.
따라서, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명의 일 구현예를 예시한 것에 불과하며, 본 발명의 구성이 실시예 범위로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 상기 실시예에 기초하여 본 발명에 대해 실시된 비필수적인 변경 또한 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (10)

  1. 해양 기후 저항성 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법으로서,
    부품에 대해 예비처리를 하는 제1단계;
    상기 부품을 보호 기체 분위기 하에서 예열하는 제2단계;
    상기 예열된 부품을 도금액에 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시키는 제3단계;
    계면(界面)의 원자가 확산되어 베이스 표면상에 확산층을 형성함으로써 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하도록, 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 800~950℃에서 1~3시간 동안 보온 후 강온하여 취출하는 제4단계를 포함하며,
    상기 제3단계에서는 상기 예열된 부품을 도금액 중에서 1~5분 동안 침지시키고, 상기 도금액은 Zn, Al, Si, RE, 마이크로 합금 원소와 산화물 나노입자 보강제로 구성되며, 상기 산화물 나노입자 보강제는 TiO2 및 CeO2중에서 선택되는 1종 또는 2종이고, 상기 마이크로 합금 원소는 Mg, Ti 및 Ni중에서 선택되는 1종 이상이며, 상기 도금액의 각 구성성분이 도금액 총 질량에서 차지하는 비율은 Zn이 35~58 질량%, Si가 0.3~4.0 질량%, RE가 0.02~1.0 질량%, 산화물 나노입자 보강제의 총 함량이 0.01~1.0 질량%, 마이크로 합금 원소의 총 함량이 0.01~6.0 질량%이고, 잔부가 Al인 것을 특징으로 하는 확산처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계에서 부품에 대한 예비처리는 오일 제거처리, 녹 제거처리 및 침식처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 침식처리는 오일 및 녹 제거 후의 부품을 염산과 불산의 혼합용액에 넣어 실온에서 1~3분 동안 침식시키고, 상기 염산과 불산의 혼합용액은 체적을 기준으로 염산(HCL)이 94~96%, 불산(HF)이 4~6%를 차지하는 것을 특징으로 하는 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서는 상기 부품을 보호 기체 분위기 하에서 500~650℃에서 10~20분 동안 예열하는 것을 특징으로 하는 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 나노입자 보강제의 평균 입경이 15~60㎚인 것을 특징으로 하는 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 합금 원소의 각 구성성분의 첨가량은 Mg가 0.1~5.0 질량%, Ti가 0.01%~0.5 질량%, Ni가 0.1~3.0 질량%인 것을 특징으로 하는 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제4단계에서 계면 원자의 확산에 의해 베이스 상에 형성되는 확산층의 두께가 10~30㎛인 것을 특징으로 하는 공정 부품의 코팅층에 대한 확산처리방법.
  9. 확산처리를 거친 코팅층을 구비한 해양 기후 저항성 부품에 있어서,
    상기 부품 표면의 코팅층 두께가 200~300㎛이고, 상기 코팅층은 계면의 원자를 확산시켜 베이스 상에 형성된 확산층을 더 포함하며, 상기 확산층을 통하여 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하고, 상기 확산층의 두께는 10~30㎛이며,
    상기 확산층은,
    부품에 대해 예비처리를 하는 제1단계;
    상기 부품을 보호 기체 분위기 하에서 예열하는 제2단계;
    상기 예열된 부품을 도금액에 침지시키고, 침지 과정에서 부품을 회전시키는 제3단계; 및
    계면(界面)의 원자가 확산되어 베이스 표면상에 확산층을 형성함으로써 코팅층과 베이스의 야금학적인 결합을 실현하도록, 상기 침지 도금된 부품을 진공로 내에 넣고 800~950℃에서 1~3시간 동안 보온 후 강온하여 취출하는 제4단계를 거쳐 형성되며,
    상기 제3단계에서는 상기 예열된 부품을 도금액 중에서 1~5분 동안 침지시키고, 상기 도금액은 Zn, Al, Si, RE, 마이크로 합금 원소와 산화물 나노입자 보강제로 구성되며, 상기 산화물 나노입자 보강제는 TiO2 및 CeO2중에서 선택되는 1종 또는 2종이고, 상기 마이크로 합금 원소는 Mg, Ti 및 Ni중에서 선택되는 1종 이상이며, 상기 도금액의 각 구성성분이 도금액 총 질량에서 차지하는 비율은 Zn이 35~58 질량%, Si가 0.3~4.0 질량%, RE가 0.02~1.0 질량%, 산화물 나노입자 보강제의 총 함량이 0.01~1.0 질량%, 마이크로 합금 원소의 총 함량이 0.01~6.0 질량%이고, 잔부가 Al인 것을 특징으로 하는 해양 기후 저항성 부품.
  10. 삭제
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