KR101554047B1

KR101554047B1 - 금속 분말

Info

Publication number: KR101554047B1
Application number: KR1020097006818A
Authority: KR
Inventors: 위르겐 피셔; 알로이스 아일링; 프랑크 쉬룸프; 스테판 짐머만; 페터 티넬; 롤란드 숄
Original assignee: 하.체. 스타르크 게엠베하
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2015-09-17
Also published as: PL2066822T3; MX2009002908A; US20100047622A1; CN101517109A; CN104745998A; DE102006045481B3; WO2008034902A1; KR20090053941A; ES2690126T3; IL197368A0; JP5502481B2; ZA200901578B; EP2066822B1; RU2009114860A; EP2066822A1; AU2007298940A1; JP2010504426A; DK2066822T3; US9856546B2

Abstract

본 발명은 코팅의 제조를 위한 신규의 금속 분말에 관한 것이다.

Description

금속 분말{METAL POWDER}

본 발명은 플라즈마 용사 또는 고속 화염 용사(HVOF), 화염 용사, 전기 아크 용사, 레이저 용사와 같은 용사 공정에 의한 금속 기판의 표면 코팅이나, 예컨대 PTA법과 같은 응용 용접을 위한 신규의 분말 혼합물, 특히 서멧 분말에 관한 것이다.

이러한 분말은 WC, Cr₃C₂, TiC, B₄C, TiCN, Mo₂C 등과 같은 적어도 하나의 미세 분할 경질 재료 분말, 및 미세 분할 금속 또는 합금의 기지 분말을 포함한다. 경질 재료 분말 및 기지 분말은 보통 유기 결합제 용액이 존재하는 상태에서 적절하다면 동시분쇄(comilling)하면서 강하게 혼합하고, 무화(atomizing)하고 건조시켜 시빙(sieving)하고, 이어서 수소 함유 분위기하에서 가열하여, 유기 결합제를 제거하고 소결 결합을 생성함으로써, 10 내지 100 ㎛의 입자 크기를 갖는 비교적 큰 덩어리로 형성된다.

DE-B2-1446207은, 경질 재료로서 금속 카바이드를 함유하고 금속으로서 10 내지 45%의 알루미늄 및 니켈을 함유하는 화염 용사 분말을 개시하고 있다.

기지 금속 분말로서, 특히, 코발트 및 니켈 함유 분말이 산업 현장에서 사용 되어 왔다.

본 발명의 제1 목적은, 코발트가 그 광범위한 용도 때문에 수요가 공급을 초과하는 원료라는 점에서 코발트의 이용을 더 줄이는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 종래의 Co-Cr 기지 합금과 비교하여 동등하거나 증가한 내마모성 및 캐비테이션 저항성을 갖는 저 코발트 서멧 코팅을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 서멧 코팅의 내부식성을 증가시키는 것, 특히 코팅으로부터 기지 금속의 용해도를 감소시키는 것이다.

본 발명은, 75 내지 90 중량%의 적어도 하나의 경질 재료 분말, 10 내지 25 중량%의 하나 이상의 기지 금속 분말 및 3 중량% 이하의 개질제를 함유하는 서멧 분말로서, 기지 금속 분말은,

0 내지 38 중량%의 코발트,

0 내지 38 중량%의 니켈,

0 내지 20 중량%의 알루미늄,

0 내지 90 중량%의 철 및

10 내지 35 중량%의 크롬을 함유하고,

철 및 크롬 함량의 합은 10 내지 95 중량% 범위 내에 있고, 코발트, 니켈 및 철 함량의 합은 65 내지 95 중량% 범위 내에 있는 것인 서멧 분말을 제공한다.

유리한 서멧 분말은 75 내지 90 중량%의 적어도 하나의 경질 재료 분말, 10 내지 25 중량%의 하나 이상의 기지 금속 분말 및 3 중량% 이하의 개질제를 함유하는 분말로서, 기지 금속 분말은 38 중량% 이하의 코발트, 38 중량% 이하의 니켈, 20 중량% 이하의 알루미늄, 90 중량% 이하의, 유리하게는 75 중량% 이하의 철 및 20 내지 35 중량%의 크롬을 함유하고, 철 및 크롬 함량의 합은 25 내지 95 중량%의 범위에 있고, 코발트, 니켈 및 철 함량의 합은 65 내지 95 중량% 범위, 유리하게는 65 내지 75 중량% 범위 내에 있다.

특히 유리하게는, 서멧 분말은 청구항 1에 따른 분말로서, 75 내지 90 중량%의 적어도 하나의 경질 재료 분말, 10 내지 25 중량%의 하나 이상의 기지 금속 분말 및 3 중량% 이하의 개질제를 함유하며, 기지 금속 분말은,

0 내지 38 중량%의 코발트,

0 내지 38 중량%의 니켈,

0 내지 20 중량%의 알루미늄,

0 내지 75 중량%의 철 및

20 내지 35 중량%의 크롬을 함유하고,

철 및 크롬 함량의 합은 25 내지 95 중량% 범위 내에 있고, 코발트, 니켈 및 철 함량의 합은 65 내지 75 중량% 범위 내에 있는 분말이다.

본 발명의 다른 실시예는, 75 내지 90 중량%의 적어도 하나의 경질 재료 분말, 10 내지 25 중량%의 하나 이상의 기지 금속 분말 및 3 중량% 이하의 개질제를 함유하는 서멧 분말로서, 기지 금속 분말은,

0 내지 38 중량%의 코발트,

0 내지 38 중량%의 니켈,

0 내지 20 중량%의 알루미늄,

30 내지 90 중량%의 철, 유리하게는 30 내지 75 중량%의 철, 및

10 내지 35 중량%의 크롬을 함유하고,

철 및 크롬 함량의 합은 10 내지 95 중량%, 유리하게는 60 내지 95 중량% 범위 내에 있고, 코발트, 니켈 및 철 함량의 합은 65 내지 95 중량% 범위 내에 있는 것인 서멧 분말을 제공한다.

본 발명에 따른 바람직한 서멧 분말에서, 기지 금속 니켈 및 코발트는 적어도 2 : 3의 중량비, 더 바람직하게는 1 : 1의 중량비, 특히 바람직하게는 3 : 2의 중량비로 존재한다.

본 발명에 따른 특히 바람직한 서멧 분말에는 코발트가 존재하지 않는다. 더 바람직한 서멧 분말에는 코발트와 니켈이 존재하지 않는다.

본 발명에 따른 더 바람직한 서멧 분말, 특히 저코발트 또는 무코발트 서멧 분말은 기지 금속 분말 내에서 적어도 30 중량%의 철 함량을 갖고, 기지 금속 분말 내의 철 및 크롬 함량의 합은 적어도 60 중량%이다. 이러한 서멧 분말에서, 기지 금속 분말은,

0 내지 10 중량%의 코발트,

0 내지 38 중량%의 니켈,

0 내지 20 중량%의 알루미늄,

30 내지 90 중량%의 철, 유리하게는 30 내지 75 중량%의 철, 및

10 내지 35 중량%의 크롬

을 함유한다.

본 발명의 서멧 분말, 특히 본 발명의 무코발트 서멧 분말에서, 중량부로 나타낸 크롬 및 알루미늄 함량의 합 대 철, 니켈 및 크롬 함량의 합의 비율은 중량비로 바람직하게는 1 : 2.2 내지 1 : 3.7 이고, 특히 바람직하게는 1 : 2.7 내지 1 : 3.6 이다.

바람직한 조성은 20 내지 26 중량%의 크롬, 64 내지 72 중량%의 철 및 5 내지 16 중량%의 알루미늄을 가질 수 있다.

이용 가능한 경질 재료 분말은 서멧 코팅의 통상의 경질 재료 조성물, 예컨대 WC, Cr₃C₂, VC, TiC, B₄C, TiCN, SiC, TaC, NbC, Mo₂C 및 이들의 혼합물이다. 바람직하게는 WC 및 Cr₃C₂, 특히 WC가 제공된다.

기지 분말은, 금속 또는 합금 또는 부분 합금 용융물의 무화(atomization)에 의해 공지의 방식으로 제조될 수 있다. 부분 합금 분말 또는 예비합금되지 않은 금속 분말이 이용될 때, 합금화가 서멧 분말의 이용중에(예컨대 용사 적용중에) 일어난다.

바람직한 코발트, 니켈 및/또는 철 부분 합금 기지 분말은, DE 198 22 663 A1 또는 US 6,554,885 B1에 기술한 것처럼, 과다 옥살산과 적절한 염의 반응에 의해 화학적 침전시키고, 건조시켜 열처리함으로써 얻어지고, 크롬이 금속 분말로서 혼합된다.

이용 가능한 개질제는, 특히, Mo, Nb, Si, W, Ta 및/또는 V와 같은 강철 기재의 개선 원소이다.

바람직하게는, 기지 금속 또는 기지 합금 분말은 불가피한 불순물을 제외하고 다른 조성물을 함유하지 않는다.

또한, 본 발명은 상기한 조성을 갖는 서멧 및 이러한 서멧으로 코팅된 성형 물품을 제공한다.

이러한 서멧 분말을 제조하기 위해서, 적절하게는, 각 경우에 10 ㎛ 미만의 직경을 가져야 하는 상이한 평균 입자 크기를 갖는 경질 재료 분말, 기지 분말 및 개질제가 유기 결합제의 수용액에서 공지 방식으로 현탁 상태로 되고 볼 밀, 어트리터(attritor) 또는 교반 용기 내에서 혼합 분쇄에 의해 균질화되며, 이러한 현탁물이 분사 건조기에서 무화되며, 물은 분사된 액적에서 증발된다. 얻어진 분말 덩어리는 분류 공정[시빙(sieving), 시프팅(sifting)]에 의해서 의도된 입자 크기를 갖는 분말로 변화되고 그 덩어리 내의 유기 결합제는 약 1300℃ 이하의 온도, 특히 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 소결함으로써 수소 함유 분위기로 배출된다. 얻어진 소결 덩어리는 물리적 처리[파쇄(crushing), 분쇄(milling), 시빙, 시프팅)에 의해 의도된 입자 크기 범위를 갖는 분말로 다시 변화된다.

본 발명에 따른 서멧은, 기술한 서멧 분말의 가압 성형 및 소결에 의해 얻어지거나 용사, 즉 고속 화염 용사, 저온 가스 용사, 플라스마 용사 또는 유사한 공정과 같은 용사 공정에 의해서 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 마찬가지로 상기한 조성을 갖는 서멧 또는 물품의 제조 방법으로서,

- 용사에 적합한 형태 또는 조제품으로 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 분말을 제공하는 단계;

- 이 분말을 이용하여 용사 공정을 실시하는 단계;

- 서멧 또는 물품을 얻는 단계

를 포함하는 방법을 제공한다.

따라서, 본 발명은 마찬가지로 상기한 조성을 갖는 서멧 또는 물품의 제조 방법으로서,

- 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 분말을 제공하는 단계;

- 가압하여 분말을 성형하여 생형(green body)을 제공하는 단계;

- 생형을 가열하여 서멧 또는 물품을 제공하는 단계

를 포함한다.

도 1은 예 1(도 1a), 예 2(도 1b) 및 예 3(도 1c)의 분말을 이용하여 제조된 코팅의 미세구조의 광학 현미경사진을 도시한다.

도 2는 예 7의 분말을 이용하고 용사 파라미터 "표준"(도 2a), "저온 급속"(도 2b) 및 "고온 저속"(도 2c) 각각을 이용하여 제조된 코팅의 미세구조의 광학 현미경사진을 도시한다.

예 1 내지 예 7:

FSSS에 의해 결정되는 0.9 ㎛의 입자크기, 6.1 중량%의 탄소 함량 및 0.05 중량%의 유리 탄소 함량을 갖는 텅스텐 카바이드 분말이 각 경우에 이용되었다.

표 1에 나타난 조성을 갖는 예 1 내지 예 5의 기지 분말(1)은, DE 198 22 663 A1의 예 2와 유사한 방법을 이용한 화학적 침전에 의해 제조되었다. 입자 크기는 1.8 내지 2.6 m²/g의 비표면적(BET법으로 측정)에서 1.4 내지 2.2 ㎛(FSSS)였다. 예 1 내지 예 3의 기지 분말(2)은 3.1 ㎛의 입자 크기 D50(레이저 광 산란법)을 갖는 전해에 의해 제조된 분말이다.

예 6 및 예 7의 기지 금속 분말이 Fe, Cr 및 Al의 합금 용융물의 무화에 의해 얻어졌다. 입자 크기 D90는 각각 10.8 ㎛ 및 10.2 ㎛였다(레이저 광 산란법).

표 1에 나타난 조성의 WC 및 기지 합금으로 이루어진 약 50 kg의 서멧 분말이, 결합제로서 약 1%의 폴리비닐 알코올(PVA, Shin-Etsu, GP05) 및 습윤제로서 약 0.5%의 Nalco(Deutsche Nalco GmbH)를 함유하는 물 10 ℓ의 초기 충전물 내로 도입되었고 볼 밀에 의해서 균질화되었으며, 균질화된 현탁물이 공업용 분사 건조기에서 무화되었고 물이 분사 액적에서 증발되었다. 이러한 방식으로 얻어진 덩어리 분말이 열처리되어 결합이 소결 결합으로 변화된다. 이러한 방식으로 얻어진 소결 덩어리는 파쇄, 분쇄, 시빙 및 시프팅에 의해 의도된 입자 크기 범위 내의 분말로 변화된다. 서멧 분말의 탄소 함량, 레이저 광 산란법에 의해 측정된 평균 입자 크기, 입자 크기 분포 및 벌크 밀도가 표 1에 기록되어 있다.

	예 No.	1	2	3	4	5	6	7
WC	중량%	86	86	86	88	83	88	88
기질 분말 1	중량%	10	10	10	12	17	12	12
Co 함량	중량부	5	1	0	2.4	0	0	0
Ni 함량	중량부	5	2	5	4.8	3.1	0	0
Fe 함량	중량부	0	7	5	4.8	13.9	8.5	8
Cr 함량	중량부	0	0	0	0	0	2.75	3
Al 함량	중량부	0	0	0	0	0	0.75	1
기질 분말 2: Cr	중량%	4	4	4	0	0	0	0
서멧 분말:
C 함량	중량%	5.49	5.4	5.5	5.43	5.15	5.78	5.82
소결 온도	℃	1140	1150	1160	1150	1150	1140	1140
평균 입자 크기	㎛	35.3	34.4	33.6	35.8	36.4	28.1	26.5
D90%	㎛	57.1	56.7	55.4	57.9	57.7	44.8	43.2
D50%	㎛	33.7	32.5	31.6	34.1	35.1	25.7	24.6
D10%	㎛	18.4	17.3	17.0	18.3	19.5	13.6	13.0
벌크 밀도	g/cm³	4.22	4.11	4.15	3.93	3.95	3.92	3.96

빌딩 스틸 ST37(building steel ST37)상의 코팅이 고속 화염 용사(HVOF 시스템 다이아몬드 제트 하이브리드 2600)에 의해 분말로부터 제조되었다.

표 2는 코팅의 특성을 기록한다.

도 1은 예 1(도 1a), 예 2(도 1b) 및 예 3(도 1c)에서의 분말을 이용하여 제조된 코팅의 미세구조의 광학 현미경사진을 도시한다. 도 2는 예 7의 분말을 이용하고 용사 파라미터 "표준"(도 2a), "저온 급속"(도 2b) 및 "고온 저속"(도 2c) 각각을 이용하여 제조된 코팅의 미세구조의 광학 현미경사진을 도시한다.

분말예		1	2	3	6	7
표면 거칠기
Ra	㎛	3.9	3.33	3.88	3.74	3.65
Rz	㎛	22.44	21.05	22.49	21.52	20.52
경도 HV 0.3 ¹⁾		1388±82	1275±117	1329±90	1386±112	1393±139
캐비테이션 속도 ²⁾	mg/h	3.3±0.5	4.7±0.9	4.7±0.7	6.1±1.8	6.3±2.2
마모 ³⁾	mg	33.5	33.5	23.3	18.1	17.8
O 함량	중량%	0.30	0.47	0.37	0.68	0.75
C 함량	중량%	4.42	4.23	4.29	4.68	4.70
C 손실	중량%	19	22	22	19	19
내부식성/염수 분무 시험		++	++	+	+++	+++

1) DIN EN ISO 6507에 따름

2) ASTM G 32에 따름

3) ASTM G 65에 따름

Claims

고속 화염 용사(high-velocity flame spraying: HVOF)에 의한 금속 기판 표면 코팅을 위하여 응집 및 소결되는 서멧 분말로서:

75 내지 90 중량%의 경질 재료 분말,

10 내지 25 중량%의 하나 이상의 기지 금속 분말(matrix metal powder), 및

3 중량% 이하의 개질제를 함유하며,

상기 경질 재료 분말은 탄화 텅스텐이며,

상기 서멧 분말의 성분들과 불가피한 불순물의 총 중량은 상기 서멧 분말의 총량에 기초하여 100 중량%로 첨가되고,

상기 기지 금속 분말은, 상기 기지 금속 분말의 총량에 대해

0 내지 38 중량%의 코발트,

0 내지 38 중량%의 니켈,

0 내지 20 중량%의 알루미늄,

0 내지 90 중량%의 철, 및

10 내지 35 중량%의 크롬을 함유하며, 철 및 크롬 함량의 합은 10 내지 95 중량% 범위 내에 있고, 코발트, 니켈 및 철 함량의 합은 65 내지 95 중량% 범위 내에 있고, 상기 기지 금속 분말에서의 금속 성분들과 불가피한 불순물의 총 중량은 기지 금속 분말의 총량에 기초하여 100 중량%로 첨가되며,

상기 개질제는 Mo, Nb, Si, W, Ta, V 및 이들의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것인, 서멧 분말.
제1항에 있어서,

75 내지 90 중량%의 경질 재료 분말,

10 내지 25 중량%의 하나 이상의 기지 금속 분말, 및

3 중량% 이하의 개질제를 함유하며,

상기 서멧 분말의 성분들과 불가피한 불순물의 총 중량은 상기 서멧 분말의 총량에 기초하여 100 중량%로 첨가되며,

상기 기지 금속 분말은,

0 내지 38 중량%의 코발트,

0 내지 38 중량%의 니켈,

0 내지 20 중량%의 알루미늄,

0 내지 75 중량%의 철, 및

20 내지 35 중량%의 크롬을 함유하고, 철 및 크롬 함량의 합은 25 내지 95 중량% 범위 내에 있고, 코발트, 니켈 및 철 함량의 합은 65 내지 75 중량% 범위 내에 있으며, 상기 기지 금속 분말에서의 금속 성분들과 불가피한 불순물의 총 중량은 기지 금속 분말의 총량에 기초하여 100 중량%로 첨가되는 것인, 서멧 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기지 금속 분말은 0 내지 75 중량%의 철을 함유하는 것인, 서멧 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코발트, 니켈 및 철 함량의 합은 65 내지 75 중량% 범위 내에 있는 것인, 서멧 분말.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기지 금속 분말에는 코발트가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는, 서멧 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기지 금속 분말에는 코발트와 니켈이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는, 서멧 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기지 금속 분말 내의 철 함량은 적어도 30 중량%인 것을 특징으로 하는, 서멧 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기지 금속 분말의 철 및 크롬 함량의 합은 적어도 60 중량%인 것을 특징으로 하는, 서멧 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서, 중량부로 나타낸 크롬 및 알루미늄 함량의 합 대 철, 니켈 및 크롬 함량의 합의 비는, 1 : 2.2 내지 1 : 3.7인 것을 특징으로 하는, 서멧 분말.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기지 금속 분말은 20 내지 26 중량%의 크롬, 64 내지 72 중량%의 철 및 5 내지 16 중량%의 알루미늄 조성을 갖는 것을 특징으로 하는, 서멧 분말.
삭제
삭제
삭제
제1항에 따른 서멧 분말의 조성을 갖는, 서멧.
제15항에 따른 서멧을 포함하는 코팅을 구비하는, 성형 물품.
제15항에 따른 서멧을 제조하는 제조 방법으로서,

- 고속 화염 용사를 위한 형태 또는 조제품으로 제1항에 따른 서멧 분말을 제공하는 단계;

- 이 분말을 이용하여 용사 공정을 실시하는 단계; 및

- 서멧을 얻는 단계;를 포함하는, 서멧 제조 방법.
제16항에 따른 성형 물품을 제조하는 제조 방법으로서,

- 고속 화염 용사를 위한 형태 또는 조제품으로 제1항에 따른 서멧 분말을 제공하는 단계;

- 이 분말을 이용하여 용사 공정을 실시하는 단계; 및

- 성형 물품을 얻는 단계;를 포함하는, 성형 물품 제조 방법.
제15항에 따른 서멧을 제조하는 제조 방법으로서,

- 제1항에 따른 서멧 분말을 제공하는 단계;

- 압력하에서 분말을 성형하여 생형(green body)을 제공하는 단계; 및

- 상기 생형을 가열하여 서멧을 제공하는 단계;를 포함하는, 서멧 제조 방법.
제16항에 따른 성형 물품을 제조하는 제조 방법으로서,

- 제1항에 따른 서멧 분말을 제공하는 단계;

- 압력하에서 분말을 성형하여 생형을 제공하는 단계; 및

- 상기 생형을 가열하여 성형 물품을 제공하는 단계;를 포함하는, 성형 물품 제조 방법.