KR101484014B1 - Method of alloy coating using cold spray - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저온분사를 이용한 합금코팅 방법에 관한 것으로, 저온분사 가능한 제 1 금속 분말과 제 2 금속 분말을 혼합 챔버 내에서 비활성 가스와 함께 혼합하여 혼합 분말을 생성하는 단계와, 상기 혼합 분말을 코팅하고자 하는 기판 표면에 저온분사노즐로 분사하여 코팅층을 형성하는 단계와, 상기 코팅층을 가열수단을 이용하여 용융시켜 합금화하는 단계를 포함하는 저온분사를 이용한 합금코팅 방법을 제공한다.The present invention relates to an alloy coating method using low temperature spraying, comprising the steps of mixing a first metal powder and a second metal powder capable of low-temperature spraying together with an inert gas in a mixing chamber to produce a mixed powder, Spraying the surface of the substrate with a low temperature spray nozzle to form a coating layer; and melting the coating layer by using a heating means to form an alloy. The present invention also provides an alloy coating method using low temperature spraying.
Description
본 발명은 저온분사를 이용한 합금코팅 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 합금화가 어려운 금속 분말을 혼합하여 저온분사 코팅함에 있어서 코팅층의 기계적 신뢰성을 제어하는 저온분사를 이용한 합금코팅 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an alloy coating method using low temperature spraying, and more particularly, to an alloy coating method using low temperature spraying, which controls mechanical reliability of a coating layer in low temperature spray coating by mixing metal powders difficult to alloy.
일반적으로 분사 코팅 방법에는 용융분사 코팅과 저온분사 코팅이 있다.Generally, spray coating methods include melt spray coating and low temperature spray coating.
용융분사 코팅법(용사코팅법, thermal spray coating)은 코팅할 재료를 미리 고온에서 용융시킨 후 피사체의 표면에 분사하는 기술이므로, 용융된 코팅액을 분사하기 때문에 코팅재가 용이하게 코팅될 수 있다. 보통 이러한 용사코팅법이 많이 사용되고 있으나 고온으로 용융시킬 경우 재료가 반응하거나, 고온조직이 형성되어 최종적으로 얻고자 하는 물성의 코팅층이 얻어지지 않는 등의 문제가 발생될 수 있다.Since the coating material is sprayed onto the surface of the subject after melting the material to be coated at a high temperature in advance, the coating material can be easily coated because the sprayed coating liquid is sprayed. Generally, such a spray coating method is widely used, but when it is melted at a high temperature, a problem may arise that a material reacts or a high temperature structure is formed and a coating layer having a physical property to be finally obtained is not obtained.
이러한 문제를 해소하기 위해 저온분사 코팅법이 제안되었으며, 저온분사 코팅법은 압축, 팽창으로 생기는 초음속 기체 기류를 이용하여 분말이 코팅 대상물에 충돌할 때 발생하는 에너지에 의해 점착되면서 코팅되는 기술이다.In order to solve this problem, a low temperature spray coating method has been proposed. The low temperature spray coating method is a technique in which the coating is adhered by the energy generated when the powder collides with the coating object by using a supersonic gas flow generated by compression and expansion.
이러한 저온분사 코팅법은 용융분사 코팅법과 달리 상온에서 코팅이 가능해져 소재의 변형 및 변질을 막을 수 있고, 내마모성, 내피로성, 내열성 및 내식성 등을 크게 향상시켜 자동차, 항공, 선박, 반도체 부품의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있다. 특히 플라스틱처럼 열에 약한 소재나 산화하기 쉬운 알루미늄, 구리 복합재 등 기존 고온 방식의 코팅을 적용하기 어려운 소재에도 사용할 수 있는 기술이다.Such a low temperature spray coating method can prevent the deformation and alteration of the material because it can be coated at room temperature unlike the melt spray coating method, and it can greatly improve wear resistance, fatigue resistance, heat resistance and corrosion resistance, And performance can be dramatically improved. Especially, it is a technology that can be applied to materials that are difficult to apply conventional high-temperature coatings such as heat-sensitive materials such as plastics, aluminum and copper composites which are easily oxidized.
관련 선행기술로는 한국공개특허 제 2008-0065480호(공개일: 2008년 07월 14일, 명칭:"저온분사공정을 이용한 텅스텐/구리 복합재료의 코팅방법")가 있다.
Related Prior Art Korean Patent Publication No. 2008-0065480 (published on July 14, 2008, entitled "Tungsten / Copper Composite Coating Method Using Low Temperature Injection Process") is available.
본 발명의 목적은, 합금화가 어려운 금속 분말을 혼합하여 저온 분사코팅 후 재용융 시킴으로써, 균질함이 향상된 합금 코팅층을 형성시킬 수 있는 저온분사를 이용한 합금코팅 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide an alloy coating method using a low-temperature spray capable of forming an alloy coating layer having improved homogeneity by mixing metal powders which are difficult to be alloyed and then re-melting after low-temperature spray coating.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 저온분사를 이용한 합금코팅 방법은, 저온분사 가능한 제 1 금속 분말과 제 2 금속 분말을 혼합 챔버 내에서 비활성 가스와 함께 혼합하여 혼합 분말을 생성하는 단계와, 혼합 분말을 코팅하고자 하는 기판 표면에 저온분사노즐로 분사하여 코팅층을 형성하는 단계와, 코팅층을 가열수단을 이용하여 용융시켜 합금화하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an alloy coating method using low temperature spraying, comprising: mixing a first metal powder and a second metal powder capable of low-temperature spraying together with an inert gas in a mixing chamber to produce a mixed powder; Spraying the powder onto the surface of the substrate to be coated with a low-temperature spray nozzle to form a coating layer, and melting and alloying the coating layer using a heating means.
제 1 금속 분말은 Mo 분말이고, 제 2 금속 분말은 Ti 분말일 수 있다.The first metal powder may be a Mo powder and the second metal powder may be a Ti powder.
Mo 분말은 1wt% 이상 50wt% 이하, Ti 분말은 50wt% 이상 99wt% 이하가 포함될 수 있다.The Mo powder may be contained in an amount of 1 wt% or more and 50 wt% or less, and the Ti powder may be contained in an amount of 50 wt% or more and 99 wt% or less.
Mo 분말 및 Ti 분말은 입도가 1㎛ 이상 63㎛ 이하일 수 있다.The Mo powder and the Ti powder may have a particle size of 1 탆 or more and 63 탆 or less.
Mo 분말은 1㎛ 이상 26㎛ 이하, Ti 분말은 26㎛ 이상 63㎛ 이하일 수 있다.The Mo powder may be 1 占 퐉 or more and 26 占 퐉 or less, and the Ti powder may be 26 占 퐉 or more and 63 占 퐉 or less.
가열수단은, 유도가열, 아크멜팅, 레이저, 플라즈마, 전기로 중 선택된 어느 하나일 수 있다.
The heating means may be any one selected from induction heating, arc melting, laser, plasma, and electric furnace.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 저온분사를 이용한 합금코팅 방법에 따르면, 저온분사된 혼합 분말 코팅층의 합금화를 통하여 조성비가 균질한 코팅층을 얻을 수 있다.
According to the alloy coating method using the low temperature spraying according to the present invention, a coating layer having a homogeneous composition ratio can be obtained through alloying of the mixed powder coating layer sprayed at a low temperature.
도 1은 본 발명의 저온분사를 이용한 합금코팅 방법을 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 저온분사를 이용한 합금코팅 방법을 순서에 따라 나타낸 순서도 이다.
도 3은 본 발명의 저온분사를 이용하여 형성한 기판 코팅층의 모습을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 가열수단을 이용하여 코팅층을 용융시켜 합금화한 기판 코팅층의 모습을 나타낸 광학현미경 사진이다.1 is a conceptual view briefly showing an alloy coating method using the low-temperature spraying of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing an alloy coating method using low-temperature spraying according to an embodiment of the present invention.
3 is an optical microscope photograph showing a substrate coating layer formed using the low-temperature spraying of the present invention.
4 is an optical microscope photograph showing a substrate coating layer formed by melting a coating layer using the heating means of the present invention and alloying the same.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저온분사를 이용한 합금코팅 방법에 대하여 첨부한 도면 및 사진을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일 유사한 구성에 대해서는 동일 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.Hereinafter, a method for coating an alloy using a low-temperature spray according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the drawings. In the present specification, the same reference numerals are assigned to the same components in different embodiments, and the description thereof is replaced with the first explanation.
일반적으로 저온분사 코팅은 압축ㅇ팽창으로 생기는 초음속 기체 기류를 이용하여 분말이 코팅 대상물에 충돌할 때 발생하는 에너지에 의해 점착되면서 코팅되는 기술이다. 주로 분말야금법으로 합금화가 어려운 금속 분말을 혼합하여 저온분사 코팅한다.Generally, low-temperature spray coating is a technique in which a coating is adhered by energy generated when a powder collides with a coating material by using a supersonic gas flow generated by compression expansion. Powder metallurgy, which is difficult to alloy by powder metallurgy, is mixed with low temperature spray coating.
이는 코팅용 분말을 가열해 코팅하는 기존 방식(용융분사 코팅)과 달리 상온에서 코팅이 가능해져 소재의 변형 및 변질을 막을 수 있고, 내마모성, 내피로성, 내열성, 내식성 등을 크게 향상킬 수 있다. 이로써 자동차, 항공, 선박, 반도체 부품의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있으며, 특히 플라스틱처럼 열에 약한 소재나 산화하기 쉬운 알루미늄, 구리 복합재 등 기존 고온 방식의 코팅을 적용하기 어려운 소재에도 사용할 수 있는 기술이다.Unlike the conventional method (melt spray coating) in which a coating powder is heated and coated, it is possible to coat at room temperature, thereby preventing deformation and deterioration of the material and greatly improving abrasion resistance, fatigue resistance, heat resistance and corrosion resistance. This makes it possible to dramatically improve the life and performance of automobiles, aviation, ships and semiconductor components. Especially, it can be used in materials that are difficult to apply conventional high temperature coatings such as heat-sensitive materials such as plastics, Technology.
저온분사를 이용한 합금코팅 방법은 여러 가지 분야에 사용가능 하지만, 본 발명에서는 낮은 온도로 코팅소재 분말을 분사하여 소재의 변형 및 변질을 막고, 내마모성, 내피로성, 내열성, 내식성을 향상시킬 수 있는 스퍼터링 타겟의 코팅층 제조를 위한 합금 코팅 방법을 개시한다.The alloy coating method using low temperature spraying can be used in various fields. However, in the present invention, sputtering which can prevent deformation and deterioration of a material by spraying a coating material powder at a low temperature and improve abrasion resistance, fatigue resistance, heat resistance and corrosion resistance Discloses an alloy coating method for producing a coating layer of a target.
도 1은 본 발명의 저온분사를 이용한 합금코팅 방법을 간략하게 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual view briefly showing an alloy coating method using the low-temperature spraying of the present invention.
먼저, 저온분사 가능한 제 1 금속 분말(11)과 제 2 금속 분말(13)을 혼합 챔버 내에서 비활성 가스와 함께 혼합하여 혼합 분말(10)을 생성한다(S10). First, the mixed
저온분사가 가능한 금속의 예로는, 제 1 금속 분말(11)은 Mo, Al, Ni 등이 선택적으로 사용될 수 있으며, 제 2 금속 분말(13)은 Ti, Cu, Zn, Cr, Ni, Si, Fe, Zr 중 선택된 어느 하나 일 수 있다. 본 발명에서는 특징적으로 제 1 금속 분말(11)로서 Mo 분말을, 제 2 금속 분말(13)은 Ti 분말을 사용한다.The
본 발명의 저온분사 코팅에 사용되는 Mo 분말 및 Ti 분말은 입도가 1㎛ 이상 63㎛ 이하이다. 왜냐하면 Mo 분말 및 Ti 분말의 입도가 63㎛를 초과하면, 각각의 분말 크기가 과도하게 크고 무거워 분말의 혼합이 고르게 되지 않기 때문이다. 이와 같이 입도가 과도하게 큰 경우, 코팅 후 가열수단(50)을 이용하여 용융시킬 때 합금화가 고르지 못하게 되는 원인이 될 수 있다. The Mo powder and the Ti powder used in the low temperature spray coating of the present invention have a particle size of 1 탆 or more and 63 탆 or less. This is because, when the particle size of the Mo powder and the Ti powder exceeds 63 탆, the respective powder sizes are excessively large and heavy and the mixing of the powders is not uniform. If the particle size is excessively large as described above, alloying may be uneven when melted using the post-coating heating means 50.
본 발명과 관련된 저온분사 방법에서 가장 효과적인 Mo 분말 입도는 1㎛ 이상 26㎛ 이하, Ti 분말 입도는 26㎛ 이상 63㎛ 이하이다. In the low-temperature spraying method related to the present invention, the most effective Mo powder particle size is 1 占 퐉 or more and 26 占 퐉 or less, and the Ti powder particle size is 26 占 퐉 or more and 63 占 퐉 or less.
혼합 분말(10)을 만들기 위한 금속 분말의 혼합비는 Mo 분말이 1wt% 이상 50wt% 이하, Ti 분말이 50wt% 이상 99wt% 이하가 포함된다. Mo 분말보다 Ti 분말의 혼합비가 커지는 이유는 Mo의 비중이 Ti보다 커 결국에는 무게가 무거워 균질한 코팅층이 형성되지 않을 수 있기 때문이다. 또한, 추후 가열수단(50)을 이용하여 혼합 분말 코팅층(40)을 용융시킬 때 균질하게 용융되지 못하여 합금의 조성이 고르지 못하게 되는 원인이 될 수 있다. 따라서 Mo 분말보다 Ti 분말의 혼합비가 커지는 것이 바람직하다.The mixing ratio of the metal powder for forming the mixed
이러한 제 1 금속 분말(11)과 제 2 금속 분말(13)을 비활성 가스와 혼합한다. 비활성 가스는 다른 원소와 반응을 일으키지 않는 안정된 기체로서, 비활성 가스의 종류로는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온 등이 있다. 비활성 가스는 제 1 금속 분말(11)과 제 2 금속 분말(13)의 혼합 시 제 1 금속 분말(11) 혹은 제 2 금속 분말(13)이 산화 되는 것을 막기 위하여 사용된다. 이러한 비활성 가스와 함께 혼합 분말(10)이 만들어진다. The first metal powder (11) and the second metal powder (13) are mixed with an inert gas. The inert gas is a stable gas that does not react with other elements, and examples of the inert gas include nitrogen, helium, argon, and neon. The inert gas is used to prevent the
다음으로, 혼합된 혼합 분말(10)을 코팅하고자 하는 기판(20) 표면에 저온분사노즐(30)로 분사하여 코팅층(40)을 형성한다(S20).Next, the mixed
코팅하고자 하는 기판(20)은 사용자의 요청에 따라 다양하게 바뀔 수 있으며, 일반적으로 BP-Cu, Al, Ti, Ti 합금, STS XXX계, BT-STS 등이 사용 될 수 있다. 코팅하고자 하는 기판(20)에 저온분사 장치의 저온분사노즐(30)로 혼합 분말(10)을 분사하여 코팅을 한다. 이와 같이 본 발명에서는 기판(20) 표면에 Mo-Ti 코팅층(40)을 형성시킬 수 있다.The
본 발명에서 저온분사 장치 저온분사노즐(30)의 메인 온도는 700℃ 이상이고, 분말라인 온도는 450℃ 이상이며, 메인 압력은 30bar이고, 분말라인 압력은 33bar의 조건에서 저온분사 코팅이 진행된다. 여기서, 메인 온도 및 압력은 비활성 가스가 분사되는 라인의 온도 및 압력을 의미하며, 분말라인 온도 및 분말라인 압력은 혼합 분말이 분사되는 라인의 온도 및 압력을 의미한다.In the present invention, the low
이와 같이 형성된 본 발명의 코팅층(40)은 3mm 내지 15mm로 형성될 수 있다. 왜냐하면 스퍼터링 타겟 표면의 코팅층(40) 두께가 3mm 미만이면 스퍼터링 타겟의 교환시기가 짧아지고, 15mm 초과이면 스퍼터링 시 이온화된 가스가 타겟에 충돌할 때 타겟이 원자를 잃어 부식되는 부분이 한정되어 있으므로 효율성에 영향을 미치게 된다.The
다음으로, 코팅층(40)을 가열수단(50)을 이용하여 용융시켜 코팅층(40)에 포함된 혼합 분말을 합금화한다(S30).Next, the
이렇게 합금화 하는 것은 도 3과 같이 스퍼터링 타겟 표면의 코팅층(40)에 혼합 분말(10)이 균질하게 도포되지 않으므로, 균질하지 않은 코팅층(40)을 균질화 시킴으로써 기계적 신뢰성을 높일 필요가 있다. 3, the mixed
코팅층(40)을 균질화 시키기 위한 가열수단(50)은 유도가열, 아크멜팅, 레이저, 플라즈마, 전기로 중 어느 하나에 의하여 실시될 수 있으며, 바람직하게는 유도가열, 레이저에 의해 실시된다. 저온분사된 코팅층(40)에 가열수단(50)을 이용하여 가열을 시켜주면, 혼합 분말(10) 코팅층(40)은 열에 의해 용융되며 용융된 혼합 분말(10)은 도 4와 같이 합금화가 이루어진다. 이로써 합금 코팅층(60)은 균질성 및 기계적 신뢰성이 높아질 수 있다.The heating means 50 for homogenizing the
한편, 제 1 금속 분말(11)이 Al일 경우, Al 0.5~50wt% Cu, Al 0.5~50wt% Zn, Al 95wt% Cr, Al 90wt% Cr, Al 80wt% Cr, Al 90wt% Ni, Al 80wt% Ni, Al 75wt% Ni, Al 31wt% Ni, Al 99wt% Si, Al 90wt% Si, Al 50wt% Ti, Al 30 wt% Ti 등의 혼합 분말(10)이 만들어 질 수 있다. 또한 제 1 금속 분말(11)이 Ni일 경우, Ni 15wt% Fe, Ni 50wt% Fe, Ni 60wt% Fe, Ni 70wt% Fe, Ni 80wt% Fe, Ni 1~99wt% Ti, Ni 30wt% Zr, Ni 50t% Zr, Ni 70wt% Zr등의 혼합 분말(10)이 만들어 질 수 있다.In the case where the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 저온분사를 이용한 합금코팅 방법에 따르면, 저온분사된 혼합 분말 코팅층의 합금화를 통하여 조성비가 균질한 코팅층을 얻을 수 있다.According to the alloy coating method using the low temperature spraying according to the present invention, a coating layer having a homogeneous composition ratio can be obtained through alloying of the mixed powder coating layer sprayed at a low temperature.
상기와 같은 저온분사를 이용한 합금코팅 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
The method of coating the alloy using the low temperature spray is not limited to the construction and operation of the embodiments described above. The embodiments may be configured so that all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made.
10 : 혼합 분말 11 : 제 1 금속 분말
13 : 제 2 금속 분말 20 : 기판
30 : 저온분사노즐 40 : 코팅층
50 : 가열수단 60 : 합금 코팅층10: mixed powder 11: first metal powder
13: second metal powder 20: substrate
30: low-temperature spray nozzle 40: coating layer
50: heating means 60: alloy coating layer
Claims (6)
저온분사 가능한 Mo 분말과 Ti 분말을 혼합 챔버 내에서 비활성 가스와 함께 혼합하여 혼합 분말을 생성하는 단계;
상기 혼합 분말을 코팅하고자 하는 스퍼터링 타겟 표면에 저온분사노즐로 분사하여 3~15mm의 두께의 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층을 가열수단을 이용하여 용융시켜 혼합분말을 균질화 하는 합금화 단계;를 포함하는 스퍼터링 타겟 표면에 저온분사를 이용한 합금코팅 방법.
A method for coating an alloy on a surface of a sputtering target by a low temperature spraying method,
Mixing the low-temperature injectable Mo powder and the Ti powder together with an inert gas in a mixing chamber to produce a mixed powder;
Spraying the mixed powder onto a surface of a sputtering target to be coated with a low temperature spraying nozzle to form a coating layer having a thickness of 3 to 15 mm; And
And an alloying step of homogenizing the mixed powder by melting the coating layer by using a heating means.
상기 Mo 분말은 1wt% 이상 50wt% 이하, 상기 Ti 분말은 50wt% 이상 99wt% 이하가 포함되는 스퍼터링 타겟 표면에 저온분사를 이용한 합금코팅 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the Mo powder is contained in an amount of 1 wt% or more and 50 wt% or less, and the Ti powder is contained in an amount of 50 wt% or more and 99 wt% or less.
상기 Mo 분말 및 상기 Ti 분말은 입도가 1㎛ 이상 63㎛ 이하인 스퍼터링 타겟 표면에 저온분사를 이용한 합금코팅 방법.
The method according to claim 1 or 3,
Wherein the Mo powder and the Ti powder have a particle size of 1 占 퐉 or more and 63 占 퐉 or less, wherein the surface of the sputtering target is subjected to low-temperature spraying.
상기 Mo 분말은 입도가 1㎛ 이상 26㎛ 이하, 상기 Ti 분말은 입도가 26㎛ 이상 63㎛ 이하인 스퍼터링 타겟 표면에 저온분사를 이용한 합금코팅 방법.
The method of claim 4,
Wherein the Mo powder has a particle size of 1 탆 or more and 26 탆 or less and the Ti powder has a particle size of 26 탆 or more and 63 탆 or less.
상기 가열수단은,
유도가열, 아크멜팅, 레이저, 플라즈마, 전기로 중 선택된 어느 하나인 스퍼터링 타겟 표면에 저온분사를 이용한 합금코팅 방법.The method according to claim 1,
The heating means,
Wherein the surface of the sputtering target is selected from the group consisting of an induction heating, an arc melting, a laser, a plasma, and an electric furnace.
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