KR101579774B1

KR101579774B1 - 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성된 정밀기어펌프

Info

Publication number: KR101579774B1
Application number: KR1020140037642A
Authority: KR
Inventors: 안부환; 김승용
Original assignee: 인베스트세라믹(주)
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-12-23
Also published as: KR20150113545A

Abstract

본 발명은 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성된 정밀기어펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정밀기어펌프 표면에 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성되어 정밀기어펌프 사용시 표면에 부식 및 마모가 빨리 진행되는 문제를 개선할 수 있는 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성된 정밀기어펌프에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 과립 분말 대신에 세라믹 분말이 액상 상태로 분산된 현탁액으로 코팅을 실시함으로써 고밀도의 코팅막을 제조할 수 있다. 따라서 특수수지, 잉크, 주정, 식품, 페인트, 필름 코팅액, 경화제, 접착제, 우레탄, 에폭시 등 화학 액체를 맥동 없이 정량 이송하는 정밀기어펌프의 표면에 내마모성과 내부식성을 제공할 수 있게 된다.

Description

세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성된 정밀기어펌프{The precision gear pump that is coated with the ceramic suspension thermal spraying coating layer}

본 발명은 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성된 정밀기어펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정밀기어펌프 표면에 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성되어 정밀기어펌프 사용시 표면에 부식 및 마모가 빨리 진행되는 문제를 개선할 수 있는 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성된 정밀기어펌프에 관한 것이다.

정밀기어펌프는 회전(로터리) 펌프의 일종으로 SKD11, SUS420J2, 스텔라이트 등의 재질로 구성되며, 같은 모양의 2개의 기어(회전자)의 맞물림에 의하여 송액하는 펌프로서 경량이고 구조가 간단하며, 역류하지 않도록 되어 있기 때문에 밸브가 필요 없다. 상기 정밀기어펌프는 특수수지, 잉크, 주정, 식품, 페인트, 필름 코팅액, 경화제, 접착제, 우레탄, 에폭시 등 맥동 없이 정량이송을 요하는 액체이송에 적합하다.

하지만, 특수 용액을 이송하는 정밀기어펌프의 특성상 사용 중에 부식 및 마모가 빨리 진행하므로 주기적으로 표면을 세라믹으로 코팅하여 마모와 부식에 대응하여야 한다. 이러한 방안으로 용사 코팅법이 고려될 수 있다. 용사 코팅이란선재 및 분말재 형상의 코팅 소재를 용융 상태로 가열하여 피착체의 표면에 분사하여 코팅하는 것이다. 용사 코팅의 열원으로는 화염, 플라즈마, 아크 등이 사용된다. 용사 코팅의 재료로는 요구 성능에 따라 금속, 세라믹, 복합소재 등이 다양하게 사용될 수 있다.

용사 코팅은 최대 수 십 mm의 두께로 코팅층을 형성할 수 있고, 면적이 넓거나 복잡한 형상의 피코팅체를 코팅할 수도 있다. 또한, 용사 코팅은 현장 시공이 가능하므로 해양 구조물, 조선 기자재, 발전소, 보일러 설비, 송전탑, 교량 등 다양한 구조물의 코팅에도 적용될 수 있다. 용사 코팅의 중요한 요소는 열원 온도, 용융 입자의 분사 속도, 용사기와 피코팅체의 분사 거리 및 용사기의 이동 속도 등이다.

통상적으로, 용사 코팅은 대형의 기물에 고속으로 코팅막을 형성하기 위해 코팅하고자 하는 소재를 와이어(wire) 형상으로 공급하는 아크 플라즈마 용사법과 과립 분말(granule) 형상으로 공급하는 열 플라즈마 용사법이 있다.

대한민국 등록특허 제 10-0859672 호에는 "용융된 세라믹 물질을 상기 모재를 향하여 분사하여 상기 모재에 코팅막을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 열원 가스는 20 내지 40의 부피 혼합비를 갖는 아르곤, 5 내지 20의 부피 혼합비를 갖는 수소 및 여분의 헬륨 가스를 포함하고, 상기 세라믹 물질은 탄소를 첨가물로 포함하고, 상기 모재를 마련하는 단계는 상기 모재의 피코팅면과 상기 코팅막의 부착력을 향상시키기 위하여 상기 피코팅면을 전처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 코팅 방법"에 관한 기술이 제시되었고,

또한 대한민국 등록특허 제 10-0863699 호에는 "모재 상에 형성되고, 10~95㎛의 입경을 가지면서 탄화 규소, 이트리아 및 알루미나 중 어느 하나의 재질을 포함하는 제1 세라믹 분말을 용사 코팅함에 의해 수득한 제1 코팅막; 및 상기 제1 코팅막 상에 형성되고, 0.08~0.2㎛의 입경을 가지면서 탄화 규소, 이트리아 및 알루미나 중 어느 하나의 재질로 이루어진 제2 세라믹 분말을 용사 코팅함에 의해 수득한 제2 코팅막을 포함하는 용사 코팅막"에 대한 기술을 제시하고 있다.

그러나, 상기 기술은 과립 형상의 세라믹을 사용하기 때문에 코팅막 내부에 큰 기공이 존재하여 코팅막의 밀도가 낮아지고, 모재와의 부착력이 저하되며, 층상 형태의 미세 구조가 형성되므로 코팅막의 물성을 저하시키게 된다. 따라서 액체를 수송하는 정밀기어펌프의 표면에는 적합하지 못하다.

그러므로 정밀기어펌프의 표면을 부식, 마모 등으로부터 보호하기 위해서는 고밀도의 코팅막을 제조하여 모재와의 부착력을 증진시킬 수 있는, 내부식성 및 내마모성이 개선된 세라믹 코팅에 관한 기술의 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록 특허번호 : 10-0859672 대한민국 등록 특허번호 : 10-0863699

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 세라믹 분말을 현탁시킨 현탁액을 열 플라즈마 용사법을 이용하여 정밀기어펌프에 표면에 코팅함으로써, 내부식성 및 내마모성을 획기적으로 개선한 정밀기어펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 표면에 형성된 정밀기어 펌프로서, 상기 세라믹 현탁액에는 세라믹 입자로서 Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃및 YSZ로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 입자; 및 용매로서 물이 포함되고, 상기 용사 코팅은 주입된 열원 가스를 플리즈마 불꽃으로 분사하는 플라즈마 열용사 코팅법으로 수행되며,상기 열용사 코팅법에서 사용되는 열원 가스는 아르곤 가스, 수소 가스 및 질소 가스이고, 상기 아르곤 가스, 수소 가스 및 질소 가스의 유체 속도는 각각 40∼50L/M(liter/minute), 7∼13L/M(liter/minute), 40∼ 50L/M(liter/minute)이며, 상기 불꽃 온도는 12000~17000k이고, 상기 세라믹 현탁액 용사 코팅층은 30 ~ 100회 반복 코팅으로 형성되고, 상기 정밀기어 펌프는 15 ∼ 30 um(마이크로미터) 두께로 표면에 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 표면에 형성된 정밀기어 펌프를 제공할 수 있다.

상기 현탁액에는 세라믹 입자로서 Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃ 및 YSZ로 이루어진 혼합 조성물이 포함될 수 있다.

상기 세라믹 입자의 입도는 0.4 ~ 8um(마이크로미터)일 수 있다.

상기 세라믹입자와 물로 이루어진 현탁액(첨가제를 첨가하지 않은 상태)의 pH 값은 7.5 ∼ 8일 수 있다. 상기 범위일 때, 서스펜션 용액의 최적화가 가능하다.

상기 현탁액은 첨가제로서 분산제를 더 포함할 수 있다.

상기 분산제는 PAA, PEI 및 PBTCA로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 세라믹 입자의 함량은, 상기 분산제가 포함된 현탁액 전체 기준으로 15vol% ∼ 25vol%일 수 있다.

본 발명에 따르면 과립 분말 대신에 세라믹 분말이 액상 상태로 분산된 현탁액으로 코팅을 실시함으로써 고밀도의 코팅막을 제조할 수 있다. 따라서 특수 수지, 잉크, 주정, 식품, 페인트, 필름 코팅액, 경화제, 접착제, 우레탄, 에폭시 등 화학 액체를 맥동 없이 정량 이송하는 정밀기어펌프의 표면에 내마모성과 내부식성을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 정밀기어펌프의 원리를 나타낸 도면이다.
도 2는 열 플라즈마 용사 코팅용 장비를 나타낸 도면이다.
도 3은 각각의 다양한 분산제의 농도에 따라 제조된 서스펜션 용액에 대한 측정된 점도값을 나타낸 도면이다.
도 4은 PEI 분산제 함유에 따른 점도의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 정밀기어펌프에서 기어 부분에 실제로 코팅된 모습을 나타낸 사진이며, 도 6은 정밀기어펌프에서 케이스 부분에 실제로 코팅된 모습을 나타낸 사진이다.
도 7a ~ 7c는 정밀 기어 펌프의 표면에 50회를 코팅한 단면층을 SEM을 이용해 관찰한 사진이다.
도 8a ~ 8c는 정밀 기어 펌프의 표면에 100회 코팅한 단면층을 SEM을 이용해 관찰한 사진이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 형성된 정밀기어펌프에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

도 1은 정밀기어펌프의 원리를 나타낸 도면이다.

외접기어펌프라고도 하는 로터리펌프로서, 펌핑 동작은 로브펌프와 비슷하지만 허용오차를 임의로 결정할 수 있다. 그 결과, 수백 바 정도의 압력수두를 얻을 수 있고 사용될 수 있는 유체의 점도는 0.05∼100000 cP 정도이다.

고압고온에서 기어(90a)(90b)의 마모가 상당하여 저압측으로의 누수를 일으킨다. 두가지 스타일의 로터리펌프 모두 밀폐된 케이스(100)에 격리되고 자기결합 모터로 구동된다. 이 펌프는 유동씰을 사용하지 않고도 외부로의 누수를 방지한다는 점에서 큰 장점을 갖는다. 자기결합은 직접구동보다 낮은 토크제한을 갖지만, 기어펌프는 대개 30~50 바 미만의 차압에만 이용할 수 있다. 로브펌프와 기어펌프의 다른 장점은 연속적이면서 진동이 없다는 것이다.

그 밖에 정밀기어펌프의 기능에 대한 특성을 나타내면 아래와 같다,

- 유 량 : 0.16cc/rv~60ℓ/min(이 이상도 가능)

- 압 력 : 0~700kg/㎤

- 사용온도 : 0~MAX 500℃

- 점 도 : 0.05∼100000 cP

- 이송정도 : ± 0.5％이내

하지만, 정밀기어펌프의 다양한 장점에도 불구하고, 기어 자체가 끊임없이 유동성 화학 액체에 노출됨으로써, 기어의 마모 및 부식이 많이 발생하는 실정이다. 또한, 액체를 정밀하게 제어하는 정밀 기어 펌프이므로 마모된 기어를 수시로 바꾸어 주어야 하게 된다.

도 2는 열 플라즈마 용사 코팅용 장비를 나타낸 실시예의 도면이다.

즉, 용사 코팅 방법을 구현하기 위한 플라즈마 건의 단면도로서, 플라즈마 건은 음극(20), 양극(40), 외주부(50), 현탁액 주입구(60)를 포함한다. 그리고 플라즈마 건의 내부에 형성되는 가스 주입구(10)를 통해서 열원 가스가 주입된다. 구체적으로 가스 주입구는 외주부(50)와 음극(20)사이에 형성되며 최종적으로 양극(40) 사이의 좁은 공간까지 연장된다. 가스 주입구로 주입된 열원 가스는 음극(20)과 양극(40) 사이에 걸리는 고전압 직류 고전력에 의해서 플라즈마 불꽃으로 변화되어 플라즈마 건으로부터 분사(70)된다.

이 때 상기 고전압 직류 고전력은 열원 가스를 플라즈마 불꽃으로 변화시킬 수 있을 만큼 충분한 수치를 가져야 하며 일반적으로 약 30kV 내지 약 100kv의 전압 조건과 약 400A 내지 약 1000A의 전류 조건으로 인가되게 된다. 도면에도시된 바와 같이, 음극(20)의 끝부분은 플라즈마 불꽃을 용이하게 발생시키기 위하여 날카로운 형상을 갖는다. 또한 음극(20)의 끝부분은 플라즈마 불꽃의 발생으로 인한 침식과 같은 손상을 방지하기 위하여 통상적으로 물리적으로 높은 강도 및 경도를 갖는 물질을 포함한다. 예를 들면, 음극(20)의 끝부분은 텅스텐 또는 텅스텐 강화 금속 등을 포함한다.

양극(40)은 일반적으로 구리 또는 구리 합금과 같은 도전성 물질을 포함한다. 또한 양극(40)의 내부에는 냉각 통로(30)가 형성된다. 냉각 통로(30)를 통해서 양극(40)에 가해지는 열이 외부로 방출될 수 있다. 따라서, 냉각 통로(30)가 그 내부에 형성된 양극(40)은 인가되는 열적 손상을 최소화시킬 수 있으며 결과적으로 양극(40)의 수명을 연장시킬 수 있다.

외주부(50)는 플라즈마 건의 외각에 위치하는 부분으로서 그 내부에는 음극(20)이 위치하며 양극(40)을 지지하는 기능을 한다. 외주부(50) 역시 플라즈마 불꽃의 발생으로 인한 열적 손상을 최소화 할 수 있는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.

세라믹 현탁액 주입구(60)를 통해서 플라즈마 불꽃에 세라믹 현탁액이 제공될 수 있다. 세라믹 현탁액 주입구(60)를 통해서 플라즈마 불꽃에 제공된 세라믹 분말은 용융되어 플라즈마 건을 통하여 분사(70)되게 된다.

따라서, 서스펜션(현탁액) 플라즈마 용사 코팅은 열 플라즈마 용사 코팅법과 유사한 구조를 가지지만 열 플라즈마 용사법의 단점을 극복하기 위하여 과립 분말 대신에 세라믹 분말이 액상 상태로 분산된 서스펜션 상태로 원료의 공급이 가능하기 때문에 고밀도의 코팅막 제조가 가능하며 나노 구조의 미세구조 형성이 가능하기 때문에 매우 우수한 특성의 코팅막 제조가 가능하게 된다.

상기 분사된 세라믹 현탁액은 정밀기어펌프 표면에에 접착되어 코팅막을 형성하게 된다. 이때, 수분을 증말되어 결과적으로는 세라믹 분말로서 코팅막을 형성하게 된다.

- 세라믹 분말의 제조 -

본 발명에서 사용되는 세라믹 분말의 조성물은 Y₂O₃(이트리아), TiO₂(티타니아), ZrO₂(지르코니아), Al₂O₃(알루미나), YSZ(이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia))등이며, 각각의 소재들이 사용되는 비율은 wt%로 Y₂O₃ :10∼50%, TiO₂: 50∼70%, ZrO₂: 5∼15%, Al₂O₃ :5∼15%, YSZ :10∼50% 일 수 있다. 한편, YSZ는 단독 세라믹 재료로도 사용할 수 있고, 마찬가지로 Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂ 및 Al₂O₃ 등도 단독 세라믹 재료로 사용가능하다.

TiO₂은 모재와의 열팽창계수를 줄이고 코팅 시 금속 바인더 역할을 하는 것으로서, TiO₂함량은 50-70%일 수 있다. 50%미만인 경우, 코팅층과 모재사이 열응력의 완화가 충분치 못하여 코팅층의 박리 발생과 코팅 후 베어링의 가동 온도 및 로드 조건에 제대로 견디지 못하여 산화 또는 박리가 발생하고, 70%초과의 TiO₂ 함량은 코팅 후 다른 성분들이 갖고 있는 윤활특성 및 분산강화 역할을 기대하기가 어려울 수 있다.

경한 소재인 Y₂O₃는 코팅 내에서 산강화 역할 및 약 800℃정도에서 윤활특성을 가지고 있는 물질로서 많은 양의 Y₂O₃는 오히려 저온영역에서 마찰특성을 저하시킬 수 있기 때문에 Y₂O₃의 함량은10-50 wt.%인 것이 바람직할 수 있다.

ZrO₂ 및 Al₂O₃계 성분은 각각 윤활특성이 뛰어난 소재로이지만, 비용의 문제로 최소의 양으로 윤활작용을 하기 위하여 5-15%로 한정하였다.

또한, 본 발명에서는 또 다른 방법의 세라믹 조성물 분말은 Cr₂O₃(산화크로뮴), NiCr, Ag, BaF₂/CaF₂(불화바륨/불화칼슘)등을 사용할 수 있이며, 각각의 소재들이 사용되는 비율은 wt%로 Cr₂O₃ :10∼50%, NiCr: 50∼70%, Ag: 5∼15%, BaF₂/CaF₂ :5∼15%일 수 있다.

아울러, 본 발명의 금속 표면에 세라믹 서스펜션 용사 코팅을 하기 위한 세라믹 현탁액 조성물에 대하여 각 실시예 별로 설명하고자 한다.

- 세라믹 현탁액 제조 -

서스펜션 분산액 제조를 위해서는 용매로 물을 사용하여 파우더의 함유량을 1에서 20 부피 퍼센트로 제조한다.

이때, 실시예1의 세라믹 소재는 YSZ를 단독 사용하거나, 혹은 세라믹 조성물(wt%로 Y₂O₃ :10∼50%, TiO₂: 50∼70%, ZrO₂: 5∼15%, Al₂O₃ :5∼15%, YSZ :10∼50%)을 사용할 수 있고, 경우에 따라서는 Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂ 및 Al₂O₃ 등도 단독 사용할 수 있다.

초기 파우더 준비를 위하여, 세라믹 혼합 분말을 사용하고 볼 밀링(ball milling)을 실시하여 고형분(solid contents)을 제조하고 증류수를 혼합한다. 첨가제로 분산제 등을 첨가하여 서스펜션 용액을 제조한다. 이때, 볼 밀링(ball milling)의 조건은 표 1 과 같다.

볼 밀링(ball milling) 조건

원료	세라믹 혼합 분말
밀링 방법	볼 밀링
밀링 시간	3hr
RPM	120

원료분말의 형상 및 입도분석을 위해 주사전자현미경과 레이저 회절 입도분석법을 이용하여 분말의 분석을 실시하였다.

본 발명에서 사용한 분말의 형상과 입도분석의 데이터를 분석한 결과 분말은 탑 다운(top down) 방식의 제조과정을 거쳐서 제조된 것으로 매우 다각형의 형상을 가지고 있는 것을 알 수 있었으며 입도분포는 0.4에서 8um의 분포를 보이며 평균값은 1.17um의 값을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 본 발명에서 서스펜션 용액의 최적화를 위해, 첨가제를 첨가하지 않은 상태에서 pH 조절에 따른 응집화를 이루기 위해, 각각의 pH 농도의 용액을 제조하여 제타 포텐셜(zeta potential) 분석 장비를 이용하여 본 분말의 등전점(isoelectric point:IEP)를 분석하였다. 본 분말의 등전점은 약 7.5-8사이의 pH농도인 것으로 확인되었다.

또한, 서스펜션 용액 분산 분산제를 첨가하지 않은 상태에서 파우더의 함유량을 1-20% 첨가함에 따라 점도를 측정한 결과 점도가 2 ∼ 25 mPa.s 이었으며, 예상한 것과 같이, 파우더의 양이 증가할수록 점도가 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 파우더의 함유량이 15vol % 이상인 경우에는 점도가 급격하게 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

서스펜션 점도에 미치는 분산제의 영향을 알아보기 위해서 YSZ에 사용되는 3가지의 각기 다른 분산제를 사용하여 실험을 하였다.

1. PAA(ammonium polyacrylic acid)

2. PEI(Polyethylene imine)

3. PBTCA(2-phosphonobutane tricarboxylic acid)

서스펜션용액의 분산을 안정화시키기 위해서 3개의 다른 분산제를 사용하여 실험을 하였다. 즉, 본원 발명에서는 다양한 분산제의 농도에 따라 서스펜션을 제조하였다.

도 3은 각각의 다양한 분산제의 농도에 따라 제조된 서스펜션 용액에 대한 측정된 점도 값을 나타낸 도면이다.

즉, 도 3의 도면에서 도시된 바와 같이. PAA인 경우는 0.005wt%, PEI인 경우 0.05%, PBTCA인 경우에는 0.05wt%일 때까지 유사한 점도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

3가지 타입의 분산제는 20vol% 파우더 함량의 서스펜션 용액에 대해서 각각 8에서 23 mPa까지 점도를 감소시키는 것을 확인 할 수 있었다. 이때, 파우더의 변화 범위는 15vol% ∼ 25vol% 까지 변화를 줄 수 있다. 즉, 15vol% 미만으로 내려가면 충분한 입자 코팅이 이루어지기 어려우며, 25vol% 초과할 경우 점도가 너무 높아 용사 코팅이 잘 이루어지지 않게 된다.

PEI와 PBTCA 분산제인 경우에는, PAA 분산제와 달리 0.005 wt%까지 최소의 점도를 나타내었다.

한편, 도 4는 PEI 분산제 함유에 따른 점도의 변화를 나타낸 도면이다. 파우더의 함유량 및 PEI 분산제에 따른 점도의 값을 나타낸다.

파우더의 함유량이 많은 경우, 분산제는 서스펜션 용액의 점도를 급격하게 감소시킨다. 그러나 파우더의 함량이 적은 경우에, 점도의 값은 분산제에 관계없이 일정한 비슷한 값을 가진다.

이와 같은 현상은 파우더의 함유량이 많은 경우에 입자와 입자간의 상호작용이 크게 일어나기 때문으로 판단된다. 따라서 첨가된 분산제가 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 서스펜션 용액에서 파우더의 함유량이 적은 경우에도 분산제가 없는 서스펜션 용액은 빨리 침전할 수 있다. 침전 후에 입자층을 형성하여 재분산이 어려울 수 있다. 반면 분산제를 포함하는 서스펜션용액은 매우 천천히 침전되며, 침전 후에도 재분산시키기가 용이할 수 있다.

- 세라믹 용사 코팅의 공정 -

정밀 기어 펌프 표면에 세라믹 열용사 코팅을 실시하기 위한 공정은 매우 냉각속도가 빠른 공정에 해당된다. 플라즈마 열용사 코팅의 경우 약 12000 ∼ 17000k에 이르고, 가장 최적 온도는 15000k에 이르는 불꽃(flame)이 사용되며, 플라즈마 용사조건에서 코팅거리인 100∼120mm 떨어진 거리에서도 flame의 온도는 약 1000-2000K에 이르기 때문에 고온공정으로 이해될 수 있으나 단위시간당 모재표면에 적층되는 분말의 유입속도가 낮고, 반면 모재를 통한 냉각이 용이하게 이루어져 가스 분무공정보다 상대적으로 냉각속도가 높다. 따라서 열용사 공정에 의해 제조된 코팅은 소재의 종류에 관계없이 나노-마이크로의 미세한 조직을 나타내게 된다.

코팅을 하기위해 서스펜션용액은 스프레이 코팅이 이루어지는 동안에 파우더의 침전을 방지하기 위하여 마그네틱 교반기를 이용하여 교반을 한다. 그리고, 서스펜션 용액은 바늘타입의 노즐을 통해 공급되고 플라즈마 용사코팅이 위의 그림의 용사코팅 장비를 이용하여 수행하고, 토치(Torch)건은 수직으로 작동하며, 모재(substrate)는 400rpm의 속도로 회전을 하도록 한다.

그리고, 표 2에서는 플라즈마 스프레이 조건을 나타내었다

(단위 : L/M(liter/minute) )

Ar gas flow rate	40 ∼ 50
H₂ gas flow rate	7 ∼ 13
N₂ gas flow rate	40 ∼ 50
Current	170 ∼ 190
Nozzle(in)	2/8 ∼ 4/8
Feed rate	40 ∼ 50
TGF(lpm)	180
carrier slpm	15
SOD mm	50

즉, 아르곤 가스(Ar gas)의 유체 속도는 40 ∼ 50 L/M(liter/minute), 수소 가스(H₂gas)의 유체 속도는 7 ∼ 13L/M(liter/minute), 질소 가스(N₂gas)의 유체 속도는 40 ∼ 50L/M(liter/minute) 정도가 된다. 코팅 대상은 정밀 기어 펌프 표면이며, 분산이 불량한 서스펜션 용액으로 제조된 샘플을 가지고 용사코팅을 진행할 경우 용사코팅이 불량하게 나올 수도 있다. 그리고, 정밀 기어 펌프의 재질은 SKD11, SUS420J2, 스텔라이트 등이며, 따라서, 코팅 대상 재질은 SKD11, SUS420J2, 스텔라이트 등이 된다.

그리고, 도 5는 정밀기어펌프에서 기어 부분에 실제로 코팅된 모습을 나타낸 사진이며, 도 6은 정밀기어펌프에서 케이스 부분에 실제로 코팅된 모습을 나타낸 사진이다.

그리고, 정밀 기어 펌프에 코팅된 표면의 미세조직을 관찰하기 위해서 SEM을 이용하여 각각 50회, 100회 및 200회 코팅 횟수에 의해 제작된 시편을 관찰하였다.

최적으로 분산된 서스펜션 용액으로 코팅한 용사코팅은 일반 그래뉼(granule)을 이용한 코팅에 비해 치밀한 코팅막이 형성됨을 확인 할 수 있었다.

즉, 본원 발명의 실시예를 통하여 만들어진 세라믹 현탄액을 사용하여 금속 정밀 기어 펌프의 표면에 세라믹 용사 코팅을 실시하였으며, 도 7과 도 8 에서처럼 치밀한 단면 구조를 보여주고 있어, 치밀한 고밀도의 코팅막을 제조하여 모재와의 부착력을 증진시킴으로써 내부식성 및 내마모성이 개선된 세라믹 코팅이 이루어지게 되었다.

즉, 도 7a ~ 7c는 정밀 기어 펌프의 표면에 50회를 코팅한 단면층을 SEM을 이용해 관찰한 사진으로, 약 25um(micro miter)정도의 두께로 코팅막이 입혀졌으며 치밀한 단면구조를 가지고 있음을 알 수 있다. 그리고, 도 8a ~ 8c는 금속 표면에 100회 코팅한 단면층을 SEM을 이용해 관찰한 사진으로, 약 50um의 두께로 코팅층이 형성이 되어있으며, 또한 기공이 없는 치밀한 코팅막이 형성됨을 확인할 수 있었다.

한편, 회수를 반복하여 실험한 결과, 코팅횟수와 두께는 거의 비례하였으며, 본원 발명이 코팅하고자 하는 정밀기어펌프를 위해서는 최소 30회 정도 반복 코팅을 하였을 경우 15 um 정도의 두께로 코팅막이 형성되었고, 이 경우에도 충분한 내식성과 내마모성을 확보할 수 있었다. 그리고 100 회 반복 코팅하면 얻어지는 50 um 정도의 코팅 두께로는 매우 충분한 내식성과 내마모성을 확보할 수 있었다.

따라서, 30회에서 100회 정도의 반복 코팅을 하거나, 15 ∼ 30 um 두께의 코팅막을 형성할 경우 정밀기어펌프의 내마모성과 내식성을 확보할 수가 있다는 것을 알 수 있다.

Claims

세라믹 현탁액 용사 코팅층이 표면에 형성된 정밀기어펌프로서,
상기 세라믹 현탁액에는 세라믹 입자로서 Y₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃ 및 YSZ의 혼합 조성물; 및 용매로서 물이 포함되고,
상기 세라믹 입자의 입도는 0.4 ~ 8um이고, 상기 세라믹 입자와 물로 이루어진 현탁액의 pH 값은 7.5 ∼ 8이며, 상기 현탁액은 첨가제로서 분산제를 더 포함하고, 상기 분산제는 PAA, PEI 및 PBTCA 중에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 세라믹 입자의 함량은 상기 분산제가 포함된 현탁액 전체 기준으로 15vol% ∼ 25vol%이며,
상기 용사 코팅은 주입된 열원 가스를 플리즈마 불꽃으로 분사하는 플라즈마 열용사 코팅법으로 수행되며,
상기 열용사 코팅법에서 사용되는 열원 가스는 아르곤 가스, 수소 가스 및 질소 가스이고, 상기 아르곤 가스, 수소 가스 및 질소 가스의 유체 속도는 각각 40∼50L/M(liter/minute), 7∼13L/M(liter/minute), 40∼ 50L/M(liter/minute)이며, 상기 불꽃 온도는 12000~17000k이고,
상기 세라믹 현탁액 용사 코팅층은 30 ~ 100회 반복 코팅으로 형성되고,
상기 정밀기어펌프는 15 ∼ 30 um 두께로 표면에 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 현탁액 용사 코팅층이 표면에 형성된 정밀기어펌프.
삭제