KR101967422B1 - 금속 용사코팅된 알루미늄 소재 및 그 용사코팅방법 - Google Patents

금속 용사코팅된 알루미늄 소재 및 그 용사코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 용사코팅된 알루미늄 소재 및 그 용사코팅방법에 관한 것으로, 위 알루미늄 소재(1)는 알루미늄 모재(3); 상기 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 고융점 금속(5`)을 용사코팅하여 형성하는 중간층(5); 및 상기 중간층(5) 위에 코팅금속을 용사코팅하여 형성하는 피복층(7);을 포함하여 이루어지되, 용사코팅되는 상기 고융점 금속(5`)에 의해 상기 코팅 대상면(11) 상에 존재하는 알루미늄 산화피막을 제거하도록 되어 있고, 위 용사코팅방법은 중간층 형성단계(S10); 및 피복층 형성단계(S20);를 포함하여 이루어지는 바, 코팅 대상면 상에 용사코팅되는 고융점 금속에 의해 코팅 대상면 상의 알루미늄 산화피막을 제거하므로, 알루미늄 모재의 코팅 대상면 상에 용사코팅되는 코팅금속의 피복층 두께를 상대적으로 두껍게 형성할 수 있게 된다.

Description

금속 용사코팅된 알루미늄 소재 및 그 용사코팅방법{Metal Thermal Sprayed Aluminum Products And Metal Thermal Spraying Method Thereon}
본 발명은 금속 용사코팅된 알루미늄 소재 및 그 용사코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화피막이 존재함에도 불구하고 알루미늄 모재의 코팅 대상면 상에 상대적으로 두꺼운 금속 피복층을 형성할 수 있도록 한 금속 용사코팅된 알루미늄 소재 및 이러한 알루미늄 소재를 만들기 위해 알루미늄 모재에 두꺼운 금속 피복층을 형성하는 용사코팅방법에 관한 것이다.
알루미늄 합금은 여러 가지 물리적 장점으로 인해, 공업분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 표면 경도가 낮아, 내마모(wear resistance) 및 내표면충격성(surface impact resistance)이 부족하고, 따라서 사용 상의 한계를 갖는다. 실제로 가장 강도가 높은 알루미늄 합금인 7075-T6 합금의 경도가 170HB(브리넬경도)에 불과하지만, 강도가 낮은 강계(ferrous) 금속인 열처리된 연강(mild steel) 조차도 700HB에 이른다. 일반적으로 알루미늄 합금의 표면경도를 확보하기 위해서는, 화성처리, 전기도금, 양극산화피막처리, 그리고 플라즈마전해 산화피막처리(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO) 등 습식의 화학 및 전기화학적 방법을 적용하거나, 또는 스퍼터링과 화학증착(PVD 및 CVD)과 같은 건식의 물리 또는 화학적 방법을 채택하여 내마모성을 위한 표면층의 경도를 확보한다.
비록 산화물, 질화물, 탄화물 등에 대한 물리증착(PVD) 경우의 예에서, 약 3000HV(비커스경도)에 이르는 매우 높은 경도를 얻을 수 있어, 우수한 내마모성과 내부식성을 확보할 수 있으나, 이들 대부분의 코팅 층의 두께가 10㎛를 넘지 못하며, 가장 두꺼운 코팅을 얻을 수 있는 PEO처리에 의해서도 산화세라믹 피막의 두께는 300㎛를 넘지 못한다. 이와 같은 기존 코팅방법으로 얻어진 피복층은 높은 취성(brittleness)을 갖거나 두께 한계로 인해서, 외부 충격에 의해 표면층이 박리되거나 또는 얇은 피복층으로 인해서 외부 충격을 가할 시에 알루미늄 기지금속이 함몰될 수 있는 문제점이 있었다.
또, 알루미늄 표면의 내마모성과 내표면 충격성을 얻기 위해서 경도가 높은 강계(ferrous) 금속과 같은 금속을 두껍게 코팅하는 것을 고려할 수 있는데, 상업적으로, 이에 적합한 코팅 방법으로 용사코팅(Thermal Spray coating)을 들 수 있다. 더욱이, 금속 와이어를 사용하고, 생산성이 높아 경제적인 금속 용사코팅의 방법으로는 화염용사(Flame Thermal Spray)와 아크용사(Arc Thermal Spray) 그리고 두 가지 용사 원리를 결합한 복합용사를 들 수 있는데, 이 복합용사를 채택함으로써 공업적인 목적에 맞는 강과 같은 금속 피복층을 얻을 수 있다. 물론, 플라즈마 용사(Plasma Thermal Spray)나 HVOF 용사(High-Velocity Oxy-Fuel Spray) 등은 고속의 분사 용융입자를 생성하여, 알루미늄 표면의 산화피막을 충분히 파괴시키면서 코팅입자를 결합시킬 수 있는 장점이 있지만, 용사 원료가 분말이어야 하며, 생산성이 낮고, 기지금속에 대한 열 공급량이 과다하여, 경제적이지 못할 뿐만 아니라, 두꺼운 피복층을 얻기 어렵다는 문제점이 있었다.
일반적으로 알루미늄 위에 용사방법으로 강과 같은 금속 소재를 코팅하기 매우 어려운 것으로 알려져 있으며, 실제로 알루미늄 위에 300㎛ 이상의 강 소재를 코팅하여 상업용으로 사용하는 사례는 찾아보기 어렵다. 대표적인 이유는, 알루미늄 표면은 대기 중에 노출된 상태에서 자연적으로 형성된 산화피막이 존재하며, 강도 등의 물성확보를 위해 열처리(균질화처리, 용체화처리, 시효처리 등)를 진행할 경우에는 더 치밀하고 두꺼운 산화피막을 갖게 되고, 이들 산화막이 용사코팅 소재가 알루미늄의 기지금속과 결합하는 것을 적극적으로 방해하게 되기 때문이다.
알루미늄 합금 상에 강과 같은 금속의 용사코팅을 두껍게 할 수 없는 또 다른 이유는, 산화피막으로 인해 알루미늄과 강 계면의 결합강도가 완전하지 못한 상태에서 기지금속인 알루미늄과 코팅금속인 강 소재의 열전도도, 열팽창계수 그리고 비열 등의 중요 물성이 크게 차이가 나기 때문이며, 피복층이 약 300㎜ 두께 이상이 되면, 피복층에 균열이 발생하거나, 피복층 전부가 박리가 되어, 실질적으로 두꺼운 피복층을 얻기가 불가능하게 된다.
따라서, 알루미늄 위에 강계 금속과 같은 금속을 용사코팅하기 위해서는, 표면의 산화막을 전부 또는 부분적으로 제거하거나, 또는 산화피막이 존재한다 하더라고, 용사코팅 중의 고속의 고온 금속분사 용융입자가 기지조직과 충돌하여 결합되기에 충분히 얇은 상태가 되어야 한다.
일반적으로 알루미늄 산화피막을 제거하는 방법으로, 무기 수용액(inorganic aqueous solutions)인 질산 등의 강산 또는 가성소다 등의 강알칼리 수용액을 표면에 분사하거나, 또는 그 수용액 욕조에 수 초에서 수 분간 담가 산화피막을 용해시킴으로써 제거하는 방법을 사용하거나, 또는 샌드블래스팅 과정 중에 샌드입자(세라믹 또는 주철분말 등)와 PFPE(perfluoropolyether)계 유기산(organic acid)을 혼합하여 표면 연마를 진행함으로써 연마로 산화피막이 제거되는 동시에 유기산이, 들어난 알루미늄 금속 표면에 얇게 도포되어 추가 산화를 억제하도록 하는 방법을 취한다.
그러나, 이와 같이 무기 수용액을 이용한 습식방법은 용액의 온도설정, 욕조설비 그리고 해당 용액을 표면에서 완전히 제거하기 번거로울 뿐만 아니라, 코팅 대상인 알루미늄 부품이 거대하거나 복잡한 형상의 경우에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 유기산을 도포하는 방법은 상대적으로 고가이며, 표면층의 도포를 균일하게 제어하기 어렵고, 고온의 용사코팅 중에 연소되어 탄화물을 발생시킬 수 있고, 그로 인해 환경오염 등을 야기하는 문제점이 있었다.
또한, 상온 중의 알루미늄 표면에 존재하는 산화피막의 주요 성분은 산화알루미늄(감마 알루미나(γ-Al2O3), 알파 알루미나(α-Al2O3) 등) 또는 수산화알루미늄(베이어라이트(Bayerite, α-Al(OH)3) 또는 보헤마이트(Boehmite, γ-AlOOH) 등)이다. 이들 중에서 용사코팅 시의 고온 용사 입자의 융착을 방해할 수 있는 성분은 산화알루미늄 계통의 세라믹 성분이다. 알루미나(Al2O3)의 융융온도(melting point, Tm)는 약 2100℃이다. 화염용사나 아크용사 방법의 용사코팅 시에, 용사 종류에 따라 다르지만, 용사 토치 바로 앞에서 용사 원료가 용융되는 시점의 온도는 2,000 내지 6,000 ℃ 범위에 존재한다. 그러나 토치에서 분출되어 피 코팅 소재의 표면에 도달하면, 표면과 충돌하기 직전에 해당 용사 금속입자는 용융상태이므로 피 코팅 소재의 융점(Tm)보다 다소 높은 상태가 될 것이지만, 강계 용사 재료의 경우에는 약 1,500℃ 이하로서, 결코 2,000℃를 넘지 못하고, 알루미늄 피 코팅 소재 표면과 만나는 즉시 고체 상태로 응고되므로, 알루미늄 산화피막을 융융시키거나 태울 수 있는 조건이 될 수 없다. 뿐만 아니라, 일반적인 화염 또는 아크용사의 입자는 비교적 질량이 크지만, 속도가 상대적으로 낮아, 충돌에너지가 크지 않기 때문에, 알루미늄 산화피막을 파괴하여, 알루미늄의 금속조직을 노출시키기에는 운동에너지가 부족한 조건이다. 결과적으로 알루미늄 위에 강과 같은 금속 소재를 코팅할 시에는 알루미늄 표면에 고융점 알루미나가 그대로 상존하게 되며, 이 물질이 코팅금속 분사 용융입자와 알루미늄 간의 결합 즉 코팅을 방해하는 역할을 하게 되는 문제점이 있었다.
만약, 분사되어 알루미늄 표면과 충돌하는 금속입자가 알루미늄 산화피막의 용융온도 보다 높다면, 알루미늄 상에 코팅을 방해하는 산화피막을 용융(또는 소각) 등으로 제거하거나, 또는 분사 용융입자가 충분한 운동에너지를 갖게 하여, 해당 금속입자가 산화피막을 물리적으로 파괴하여 알루미늄 금속조직을 노출시키도록 하는 방법을 고려할 할 수 있다. 여기서 후자의 충돌에너지에 의한 산화피막의 기계적 파괴를 유도하고자 할 시에는, 분사 용융입자를 크기를 더 크게 하여 질량을 증가시키고, 분사속도 또한 증가시켜 입자충돌 속도를 높임으로써 큰 충돌에너지를 얻어야 할 것이다. 그러나 용사코팅 시에 분사 용융입자가 큰 경우, 내부 기공이 증가하여 치밀한 피복층을 얻기 어렵고, 용사 소재의 손실이 커질 뿐만 아니라, 분사속도가 지나치게 높아지면 충돌에너지가 크게 증가하며, 기지조직에 손상을 가할 수 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같이 알루미늄 위에 코팅금속을 용사코팅하는 종래의 코팅 방법이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 알루미늄 표면에 존재하는 산화피막이 용사코팅하는 금속입자의 부착을 방해하지 않도록 하고, 이로써 강과 같은 금속 피복층과 알루미늄 기지금속 간의 결합력이 증대되도록 하여, 건전한 금속코팅 층의 두께를 충분히 두껍게 만들 수 있는 간편하고 경제적인 초기 알루미늄 표면제어 기술을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 알루미늄의 자연 또는 인공적으로 형성된 표면 산화피막을, 용사와는 다른 별도의 공정에 의해 제거하지 않고, 용사 공정 시에 용융되어 분사되는 금속의 종류를 달리하여 연속 공정으로 진행함으로써, 피복층의 신뢰성은 물론, 경제성과 생산성을 동시에 제고할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 비록 고융점 금속의 분사 용융입자 크기가 충분히 작아 충돌에너지가 작다 하더라도, 해당 금속 입자의 융점이 산화알루미늄 보다 높다면 이들의 용융 금속입자가 산화물 표면과 접촉되는 과정에서 충분한 열에너지로 인해 효과적으로 산화물을 제거할 수 있을 것이므로, 이를 유도하는 고융점 금속의 열에너지를 얻을 수 있도록 용사코팅된 고융점 금속을 중간층(intermediate layer)으로 활용할 수 있도록 하는 데 또 다른 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 알루미늄 모재; 상기 알루미늄 모재의 코팅 대상면 상에 고융점 금속을 용사코팅하여 형성하는 중간층; 및 상기 중간층 위에 코팅금속을 용사코팅하여 형성하는 피복층;을 포함하여 이루어지되, 용사코팅되는 상기 고융점 금속에 의해 상기 코팅 대상면 상에 존재하는 알루미늄 산화피막을 제거하도록 되어 있는 금속 용사코팅된 알루미늄 소재를 제공한다.
또한, 상기 고융점 금속은 운반금속과 함께 용융되어 물리적으로 혼합된 가합금(假合金, Pseudo Alloy)의 상태로 상기 코팅 대상면 상에 용사코팅되어 상기 혼합 중간층을 형성하되, 상기 운반금속은 상기 고융점 금속을 제외한 일군의 저융점 금속 중에서 선택된 금속인 것이 바람직하다.
또한, 상기 운반금속이 상기 코팅금속과 동일 금속인 때, 상기 혼합 가합금은 상기 고융점 금속과 상기 코팅금속의 용융 및 물리적 혼합에 의해 형성됨으로써, 용사코팅된 상기 코팅 대상면 상에 상기 고융점 금속과 상기 코팅금속으로 이루어진 혼합 중간층을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고융점 금속과 상기 코팅금속을 함께 용융하여 물리적으로 혼합함으로써 형성한 상기 혼합 가합금은 용사코팅된 상기 코팅 대상면 상에 상기 중간층을 생략하고, 혼합피복층을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고융점 금속은 상기 코팅 대상면 상의 적어도 일부분에 용사코팅되어 상기 중간층을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고융점 금속은 니오븀, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 테크네튬, 레늄, 루테늄, 오스뮴, 및 이리듐으로 이루어진 일군의 금속 중 선택된 어느 하나의 금속인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 알루미늄 모재의 상기 코팅 대상면 상에 고융점 금속을 용사코팅하는 중간층 형성단계; 및 상기 중간층 형성단계에서 형성된 상기 중간층 상에 코팅금속을 용사코팅하는 피복층 형성단계;를 포함하여 이루어지되, 상기 중간층 형성단계에서 상기 코팅 대상면 상에 상기 고융점 금속을 용사코팅할 때, 상기 고융점 금속에 의해 상기 코팅 대상면 상에 존재하는 알루미늄 산화피막을 제거하도록 되어 있는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법을 제공한다.
또한, 상기 중간층 형성단계에서 상기 고융점 금속은 운반금속과 함께 용융되어 물리적으로 혼합된 혼합 가합금의 상태로 상기 코팅 대상면 상에 용사코팅되어 혼합 중간층을 형성하되, 상기 운반금속은 상기 고융점 금속을 제외한 일군의 저융점 금속 중에서 선택된 금속인 것이 바람직하다.
또한, 상기 중간층 형성단계에서 상기 운반금속으로 상기 코팅금속을 선택하면, 상기 혼합 가합금은 상기 고융점 금속과 상기 코팅금속의 용융 및 물리적 혼합에 의해 형성되며, 상기 혼합 가합금이 상기 코팅 대상면 상에 용사코팅된 때, 상기 혼합 중간층은 상기 중간층과 마찬가지로 상기 고융점 금속과 상기 코팅금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 중간층 형성단계에서 상기 중간층은 상기 코팅 대상면 상의 적어도 일부분에 상기 고융점 금속을 용사코팅하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 중간층은 평균 두께가 3 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고융점 금속은 니오븀, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 테크네튬, 레늄, 루테늄, 오스뮴, 및 이리듐으로 이루어진 일군의 금속 중 선택된 어느 하나의 금속인 것이 바람직하다.
또한, 상기 중간층 형성단계를 수행하기 전에 상기 코팅 대상면에 요철을 형성하여, 상기 피복층의 결합력을 증가시키도록 되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 고융점 금속과 코팅금속을 함께 용융하는 동시에 물리적으로 혼합하여 형성한 혼합 가합금을 알루미늄 모재의 코팅 대상면 상에 용사코팅하는 혼합피복층 형성단계를 포함하여 이루어지되, 상기 혼합피복층 형성단계에서 상기 코팅 대상면 상에 상기 혼합 가합금을 용사코팅할 때, 상기 고융점 금속에 의해 상기 코팅 대상면 상에 존재하는 알루미늄 산화피막을 제거하도록 되어 있는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법을 제공한다.
본 발명의 금속 용사코팅된 알루미늄 소재 및 그 용사코팅방법에 따르면, 알루미늄 모재의 코팅 대상면에 존재하는 산화피막을 중간층 형성을 위한 고융점 금속의 용사코팅 시 제거할 수 있으므로, 강계 금속을 포함하는 각종 금속을 용사코팅하여 피복층을 형성할 때 피복층과 알루미늄 모재 간의 결합력을 극대화시켜 알루미늄 모재 상에 1.0㎜ 이상의 두껍고 건전한 강계 금속을 포함하는 다양한 금속의 피복층을 간단하고도 경제적으로 형성할 수 있게 된다.
또한, 이와 같이 산화피막을 제거하기 위해 고융점 금속을 용사코팅하는 공정과, 코팅금속을 용사코팅하는 공정 또는 혼합 가합금을 용사코팅하는 공정을 용사코팅용 토치에 의해 연속해서 진행할 수 있으므로, 코팅금속 피복층의 신뢰성 및 건전성을 향상시킬 수 있고, 또 공정시간과 공수를 줄여 생산 효율성을 배가시킬 수 있게 된다.
또한, 용사코팅되는 고융점 금속에 의해 부분적으로 산화피막을 제거하더라도, 제거된 주변의 알루미늄 조직도 코팅금속의 피복층 형성에 적합한 조건이 되므로, 코팅금속 피복층의 건전성을 해치지 않는 범위 내에서 고융점 금속의 용사코팅 양을 줄일 수 있고, 또 그에 따라 공정시간을 줄일 수 있어 생산 효율성을 배가시킬 수 있게 된다.
아울러, 용사코팅을 개시하기 전에 알루미늄 모재의 코팅 대상면에 요철을 형성하므로, 요철에 의해 코팅 대상면과 코팅금속 피복층의 결합력을 더욱 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 소재의 단면을 도시한 개념도.
도 2a는 고융점 금속의 분사 용융입자가 산화피막을 갖는 알루미늄 모재의 코팅 대상면과 맞닿은 순간을 도식적으로 나타낸 도면.
도 2b는 도 2a의 분사 용융입자에 의한 온도 분포를 나타낸 도면.
도 3은 도 2a의 분사 용융입자의 크기에 따른 열량의 변화를 나타낸 도면으로, A는 산화피막의 용융에 필요한 열량, N은 니오븀의 열량, M은 몰리브데늄의 열량, W는 텅스텐의 열량을 각각 나타낸다.
도 4a는 샌드블래스팅용 알루미나 분말입자(grit)를, 도 4b는 샌드블래스팅에 의해 알루미늄 모재의 코팅 대상면에 형성된 요철을 각각 나타낸 사진.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄 소재의 단면을 도시한 개념도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄 소재의 단면을 도시한 개념도.
도 7은 용사코팅용 토치의 단면과 용사코팅의 개념을 도식적으로 나타낸 도면.
도 8a 및 도 8b는 스테인리스 스틸이 용사코팅된 알루미늄 소재를 나타낸 사진.
도 9a는 도 8a에 나타난 소재 1-1의 단면으로, 알루미늄 6061 합금에 고융점 텅스텐 금속을 용사코팅하여 중간층을 형성한 후 스테인리스 스틸(STS 440C)을 용사코팅하여 피복층을 형성한 결과를 나타낸 사진, 이때 두께는 평균 1.5㎜.
도 9b는 도 9a의 (b) 부분 확대 사진.
도 10a 및 도 10b는 도 8a에 나타난 소재 2-1 및 3-1 각각의 단면으로, 알루미늄 6061 합금에 고융점 텅스텐 금속을 용사코팅하여 중간층을 형성한 후 소재 2-1에는 스테인리스 스틸(STS 440C)을, 소재 3-1에는 스테인리스 스틸(STS 420)을 각각 용사코팅하여 피복층을 형성한 결과를 나타낸 사진, 이때 소재 2-1의 두께는 평균 1.5㎜, 소재 3-1의 두께는 평균 3.1㎜.
도 11a 및 도 11b는 고융점 금속과 코팅금속을 혼합하여 알루미늄 모재에 용사코팅한 혼합 중간층을 나타낸 도면으로, 도 11a는 알루미늄 모재로 A384합금을, 코팅금속으로는 STS440C를 채용한 것이고, 도 11b는 알루미늄 모재로 6061합금을, 코팅금속으로는 STS420 스테인리스 스틸을 채용한 것이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 소재 및 코팅방법을 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면, 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 금속 용사코팅된 알루미늄 소재는 도 1 및 도 7에 도면부호 1로 도시된 바와 같이, 알루미늄 모재(3), 중간층(5) 및 피복층(7)을 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 알루미늄 모재(3)는 다양한 형태의 외관을 갖는 알루미늄 소재의 몸체로서, 도 1 및 도 7에 개략적으로 도시된 것처럼 공기 중에 노출되는 외면을 가지며, 전체 외면 중 용사코팅의 대상이 되는 면이 코팅 대상면(11)이 된다.
상기 중간층(5)은 도 1 및 도 7에 도시된 것처럼, 위와 같은 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅되는 고융점 금속에 의해 형성되는 코팅층으로서, 도 2a에 도시된 바와 같이 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅되는 고융점 금속(5`)에 의해 형성되며, 고융점 금속(5`)은 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅되는 과정에서 코팅 대상면(11) 상에 존재하는 알루미늄 산화피막(13)을 제거한다. 단, 여기에서 산화피막(13)의 구성 성분은 모두 알파 알루미나(α-Al2O3)인 것으로 가정한다.
여기에서, 고융점 금속은 융점이 산화피막(13)보다 높아, 용사코팅되어 분사 용융입자(5`)의 형태로 산화피막(13)과 접촉하는 과정에서 충분한 열에너지에 의해 산화피막(13)을 제거할 수 있는 금속으로서, 주기율표 상의 금속 중에서 융점이 산화피막(13) 즉, 알루미늄 산화물의 융점(Tm=2345 K) 보다 높은 금속은, 니오븀(Nb, Niobium, Tm=2750K), 하프늄(Hf, Hafnium, Tm=2506K), 탄탈륨(Ta, Tantalum, Tm=3290K), 몰리브데늄(Mo, Molybdenum, Tm=2896K), 텅스텐(W, Tungsten, Tm=3695K), 테크네튬(Tc, Technetium, Tm=2430K), 레늄(Re, Rhenium, Tm=3459K), 루테늄(Re, Ruthenium, Tm=2607K), 오스뮴(Os, Osmium, Tm=3306K), 이리듐(Ir, Iridium, Tm=2739K) 등이며, 이들은 주로 내화금속(Refractory metal)으로 분류되는 금속들이다. 다시 말해, 용사코팅 시에 분사되어 알루미늄 산화피막(13)에 도달한 해당 금속의 분사 용융입자(5`)는 이어서 진행하는 코팅금속 용사입자들을 알루미늄 금속과 우수한 융착 결합을 할 수 있도록 알루미늄 산화피막(13)을 효과적으로 제거한다.
본 발명에서는 상기의 고융점 금속을 용사할 경우에, 분사되어 알루미늄 산화피막(13)에 도달한 분사 용융입자(5`) 하나가 기지조직(알루미늄) 표면에 도달하여 형성하는 온도 분포와 해당 분사 용융입자(5`)의 직경에 따른 열량의 변화를 다음과 같이 이론적으로 유추하였다.
분사 용융입자(5`)는 준 무한(semi-infinite) 크기의 모재(3)에 맞닿은 원형의 열원이고, 열은 접촉점(O)으로부터 모재(3)의 평면 및 하부로 전달되며, 열원 주변의 경계선은 변형되지 않고, 원형 또는 타원을 유지한다고 가정하면, 분사 용융입자(5`)에 의한 열량(q)과 온도(T)의 관계는 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112017024175573-pat00001
여기에서, R은 접촉점(O)에서 모재(3) 표면까지의 거리, t는 시간, a는 열확산 계수, c는 비열, ρ는 모재(3)의 비중를 나타낸다. 시간(t) 동안 생성된 열량(q)과 거리(R)에서의 온도(T)에 대한 수학식 1에서, 만약 모재(3) 내부의 온도는 일정하고, 대기 중으로 전달되는 열량을 무시한다면, 수학식 1은 다음 수학식 2와 같이 변형될 수 있다.
Figure 112017024175573-pat00002
여기서, R은 분사 용융입자가 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 모재(3)와 접촉하여 납작해진 타원 형태에서의 원점(O)으로부터의 거리를 의미하며, τ는 분사 용융입자가 모재(3)와 접촉한 순간부터의 시간, 그리고 τ0 는 열이 모재(3) 내부방향(OZ)으로 이동되기 시작할 때의 시간을 의미한다. 수학식 2는 다시 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112017024175573-pat00003
상기 수학식 3을 이용하여, 분사 용융입자의 초기 크기(D)에 따른 열량 변화를 계산할 수 있다. 도 3은 니오븀(Nb)과 몰리브데늄(Mo) 그리고 텅스텐(W)에 대한 열량 변화를 나타낸다. 이 그래프에서, 분사 용융입자(5`)의 열량과 비교하기 위해서 두께 0.2㎛ 피막인 산화알루미늄(Al2O3)을 용융시킬 수 있는 열량을 함께 나타내었다.
도 3에서, 고융점 금속의 열량변화 곡선과 산화알루미늄의 융용 기준선과의 교차점은 해당 분사 용융입자(5`)가 산화피막을 용융시킬 수 있는 열량의 임계점을 표시한다. 만약 교차점에서의 분사 용융입자(5`)의 크기, 즉 임계크기 보다 입자가 큰 경우에, 해당 입자가 산화피막(13)을 용융시켜 알루미늄 모재(3)를 외부로 노출시킬 수 있다는 의미를 갖는다. 니오븀과 몰리브데늄의 경우 분사 용융입자(5`)의 임계크기는 35㎛이며, 텅스텐은 25㎛가 된다. 이들 크기는 일반적인 용사코팅 시 분사되는 분사 용융입자(5`)의 크기 범위 내에 있는 것이기 때문에, 현실 상황에서 기대할 수 있는 의미 있는 수치로 해석할 수 있다. 본 발명에서 이론적으로 얻은 도 3의 결과로부터, 임계 분사 용융입자(5`)는 텅스텐이 다른 금속에 비해서 작으므로, 용사 시에, 작은 입자로 효과적인 산화피막(13) 제거가 가능하다는 것을 의미한다.
또한, 후술하는 중간층(5)에 적합한 고융점 금속, 예를 들면, 텅스텐이 용사된, 분사 용융입자(5`) 하나가 산화피막(13)의 알루미늄 표면 즉, 코팅 대상면(11)에 도달하여 산화피막(13)을 제거한 상태는, 이어지는 코팅금속 용사코팅 시에 모재(3)의 알루미늄 금속과 코팅금속의 바람직한 결합을 유도할 수 있는 환경을 만들 수 있다. 이 경우를 실질 환경에 적용하여 상세히 설명하면, 텅스텐 입자가 알루미늄의 산화물 즉, 산화피막(13)을 용융시킨다는 의미는 산화물의 용탕을 만든다는 의미보다는 연소시켜 제거한다는 의미로 해석해야 할 것이다. 이렇게 산화물의 연소에 의해 알루미늄 금속 즉, 코팅 대상면(11)을 노출시키게 되면, 희박하지만, 주변 공기에 의해 해당 알루미늄 코팅 대상면(11)은 다시 산화물 또는 수산화물들이 형성될 것이다. 그러나, 이 피막층은 기 존재하던 알루미늄 산화피막(13) 보다는 훨씬 얇고 치밀하지 못할 것이며, 이어 진행되는 금속 코팅의 금속소재와 알루미늄과의 결합을 방해하지 못할 것이다.
또한, 산화피막(13) 제거를 위한 텅스텐 금속 입자가 중간층(5)을 형성하여 도포된 영역에서는, 이어지는 코팅금속 용사 시에, 분사된 코팅금속 분사 용융입자가 텅스텐 표면에 도포되는 것을 고려할 수 있다. 몰리브데늄, 니오븀, 텅스텐 등의 고융점 금속은 일반적으로 내산화성이 우수하기 때문에, 용사 환경 중에, 코팅금속의 용사 피복층(7) 결합을 방해할 산화물은 존재하기 어렵다. 따라서, 코팅금속 강 분사 용융입자들은 중간층(5)인 고융점 금속 즉, 텅스텐 등의 중간층(5) 위에 우수한 결합력으로 결합된다.
뿐만 아니라, 알루미늄 금속의 코팅 대상면(11)을 노출시키기 위한 텅스텐 중간층(5)을 알루미늄 모재(3) 전체의 코팅 대상면(11)에 도포할 필요가 없다. 중간층(5)은 부분적으로 산화피막(13)을 연소시켜 제거하면, 그 주변은 금속코팅에 적합한 조건이 된다. 따라서, 중간층(5)의 역할은 직접 코팅금속과 접합되는 것은 물론, 주변에 알루미늄 금속조직이 코팅금속과 맞닿을 수 있도록 환경을 제공하는 것에 있다. 이와 같이, 고융점 금속의 중간층(5)을 코팅 대상면(11) 전체에 용사코팅하여 도포하지 않고 일부분에만 도포하더라도 건전한 금속 피복층을 확보할 수 있다면, 고융점 금속의 소모량도 감소시킬 수 있으며, 작업 공정 시간도 단축되어, 경제성과 생산성을 동시에 확보할 수 있다.
상기 피복층(7)은 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이, 위 중간층(5) 상에 용사코팅되는 강계 금속과 같은 코팅금속에 의해 형성되는 코팅층으로서, 내마모성과 내충격성을 확보할 수 있도록 충분히 두꺼운 두께로 도포된다. 예컨대, 알루미늄 모재(3)로서 알루미늄 합금 6061 판재를, 코팅금속으로서 스테인리스 스틸을 선택하는 경우 피복층(7)은 아래 표 4에서 확인할 수 있듯이 건전하고 두꺼운 두께를 갖는다.
이와 같이, 코팅 대상면(11) 상에 건전하고 두꺼운 피복층(7)을 형성하기 위해서 사용되는 용사코팅용 강계 금속소재로는 예컨대, 경도와 강도가 상대적으로 높은 마르텐사이트(Martensite) 계통의 스테인리스 스틸인 STS440C와 STS420 합금이 사용될 수 있으며, 이 합금은 후술하는 용사코팅용 토치(30)에 사용할 수 있도록 와이어(직경 2.0㎜) 형태를 취한다. 아울러, 고융점 금속으로는 마찬가지로 와이어(직경 1.6㎜) 형태를 취하는 순수 텅스텐(W)이 사용되는 바, 본 실시예에서 사용된 소재의 성분을 정리하면 다음 표 1 및 표 2와 같다.
알루미늄 합금 화학성분 wt%, 나머지는 알루미늄 Al
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
6061 0.40-0.8 0.7 0.15-0.4 0.15 0.8-1.2 0.04-0.35 0.25 0.15
A384 (ADC12) 9.6-12.0 1.3 1.5-3.5 0.5 0.3 - 1.0 -
스테인리스 화학성분 wt%, 나머지는 철 Fe
C Cr Ni Ti Mn Si F S Cu
STS 440C 0.9-1.0 17.0-19.0 0.60 0.20 0.80 0.80 0.030 0.025 0.30
STS 420 0.36-0.45 12.0-14.0 0.60 0.20 0.80 0.80 0.025 0.030 0.30
주석 1) STS 440C 동등규격: AISI 440C (미국), 95Х18 (러시아); SUS440C (일본); Z100CD17 (프랑스)
2) STS 420 동등규격: AISI 420(미국), 40Х13 (러시아); SUS420 (일본); Z40C13 (프랑스)
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 용사코팅된 알루미늄 소재가 도 5에 도면부호 1로 도시된다.
이 알루미늄 소재(1)는 고융점 금속(5`)이 토치(30)를 통해 운반금속과 함께 용융되어 물리적으로 혼합된 혼합 가합금(假合金, Pseudo Alloy)의 상태로 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅되어 혼합 중간층(6)을 형성한다.
여기에서, 혼합 중간층(6)은 도 5에 도시된 바와 같이, 위에서 언급한 고융점 금속 중 선택된 어느 하나의 금속을 운반금속과 함께 토치(30) 내에서 용융하여 물리적으로 혼합함으로써 얻은 혼합 가합금을 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅하여 형성하는 바, 운반금속이란 금속 중에서 위에서 언급한 고융점 금속을 제외한 나머지 금속을 저융점 금속이라고 할 때, 이 저융점 금속 중에서 선택된 어느 하나의 금속을 이르는 것으로, 고융점 금속과 함께 혼합 가합금을 형성하는 역할을 한다.
또, 혼합 가합금(假合金, pseudo ally)이란 도 7에 도시된 용사코팅용 토치(30)와 같은 장치로 공급되는 융점(Tm)이 현저히 서로 다른 두 이종금속을 극성을 달리하여 만나게 함으로써 발생하는 아크에 의해 두 금속을 용융시킨 때 순간적으로 형성되는 상태를 이르는 것으로, 가합금 상태에서 두 금속은 겉보기에는 합금이지만, 두 금속 각자의 물성을 잃지 않고 물리적으로 섞인 것에 다름 아니며, 화학적 혼합 형태인 통상의 '합금'과는 구별된다. 따라서, 위와 같이 토치(30)에 형성된 가합금이 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11)에 분사되면, 예컨대 텅스텐과 같은 고융점 금속은 코팅 대상면(11) 위의 산화피막(17)을 제거하며, 이와 동시에 예컨대 강계 금속과 같은 코팅금속의 용융입자는 더욱 효과적으로 코팅 대상면(11) 위에 피복된다.
또한, 본 발명에 따른 금속 용사코팅된 알루미늄 소재는 또 다른 실시형태로서, 운반금속으로 코팅금속과 동일한 금속을 선택함으로써, 고융점 금속과 코팅금속을 함께 용융하여 물리적으로 혼합함으로써 혼합 가합금을 형성한다. 따라서, 코팅 대상면(11)에 용사코팅된 혼합 중간층은 도 1에 도시된 중간층(5)과 마찬가지로 고융점 금속(5`)과 코팅금속에 의해 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 금속 용사코팅된 알루미늄 소재는 또 다른 실시형태로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 알루미늄 모재(3)와 그 위에 코팅되는 혼합피복층(9)으로 이루어지는 바, 이 혼합피복층(9)은 위와 같이 토치(30) 내에서 고융점 금속(5`)과 코팅금속을 함께 용융하여 물리적으로 혼합함으로써 형성한 혼합 가합금을 코팅 대상면(11)에 용사코팅하여 형성된다. 따라서, 혼합 가합금 중의 고융점 금속(5`)에 의해 코팅 대상면(11)에 형성되어 있던 산화피막(13)이 제거되므로, 중간층이 생략된 상태로 혼합 가합금에 의해 직접 혼합피복층(9)이 형성된다.
한편, 도 7은 본 실시예에서 용사코팅을 위해 사용한 용사코팅용 토치(30)의 개념도이다. 이 용사코팅용 토치 즉, 용사토치(30)는 아크용사와 화염용사의 특징을 모두 갖춘 복합용사 토치로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 외부케이스(31), 외부케이스(31)의 중심에 관통, 삽입된 용사노즐(33), 와이어(W1,W2) 형태의 동종 또는 이종의 금속 재료가 용사되기 위해 공급되었을 때 두 와이어(W1,W2)가 용사노즐(33) 중앙에 위치하도록 잡아 주고 공급장치(feeder)와 연결되어 있는 용접봉 홀더(35), 위 용접봉 홀더(35)를 둘러싸며 외부케이스(31)와 사이에 공기유입공(41)과 연소가스유입공(43)을 각각 형성하는 내부케이스(37), 및 위 유입공(41,43)과 용사노즐(33) 사이에 연소실(45)을 형성하도록 내외부케이스(37,31) 사이에 개재되어, 공기와 연소가스의 혼합가스가 연소실(45) 내부 전체로 균일하게 주입되도록 하는 다수의 미세 채널들을 구비한 일정 두께의 세라믹 격막(39)을 포함하여 구성된다.
이때, 연소가스로는 예컨대 부탄이나 프로판가스(P)가 사용될 수 있으며, 따라서 연료로는 프로판가스(P)과 공기(A)의 혼합가스가 사용된다. 따라서, 용사토치(30)는 공급되는 극성(polarity)이 다른 두 개의 금속 와이어(W1,W2)가 용사노즐(33)의 입구에서 만나 아크(F)를 발생시킨다. 이로 인해 금속 용융이 발생되는 동시에 그 주변인 연소실(45)에서 프로판가스(P)와 공기(A)의 혼합가스가 연소되며, 이때 발생하는 열 에너지를 분사 용융입자(5`)에 추가 공급함으로써, 용사토치(30)는 분사 용융입자(5`)의 크기와 분사 속도를 넓은 범위에서 제어할 수 있다. 또한 프로판가스(P)가 분사 용융입자(5`)의 산소 접촉을 차단함으로써, 상대적으로 일반 아크 및 일반 화염용사의 분사 용융입자에 비해 산화가 억제되는 효과를 발휘하여, 금속 피복층(7) 내의 산화물 유입을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 본 실시예에서 사용한 용사토치(30)의 용사 조건은 다음 표 3과 같다.
항 목 사용 조건
공급된 와이어의 직경(텅스텐, STS440C, STS420) W 1.6㎜, STS 440C/420 2.0㎜
와이어 공급속도 m/min 3.0 내지 4.8 m/min
아크 작동전류 200 내지 350A
공급 소재 사용수율 85%
샌드블래스팅 공기 소모량(압력조건 0.6 Mpa) 60 m3/h
연소가스의 유입속도(프로판 또는 부탄 등) 0.011 kg/min
이제, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 용사코팅방법은 크게 중간층 형성단계(S10) 및 피복층 형성단계(S20)를 포함하여 이루어지며, 중간층 형성단계(S10)를 수행하기 전에 용사코팅을 준비하는 과정을 거칠 수 있다. 이 과정에서, 알루미늄 모재(3) 즉, 기지소재로 예컨대, 알루미늄 합금 6061-T6 판재를 알루미늄 모재(3)를 준비하고, 준비된 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11)을 아세톤 등의 유기용제로 세정하여 코팅 대상면(11)에 존재하는 오일 등의 성분을 제거한다. 또한, 거시적인 관점에서의 피복층 결합력을 증가시키기 위해, 코팅 대상면(11)을 예컨대, 도 4a에 도시된 100 내지 200 ㎛ 크기의 알루미나 분말입자(grit)로 샌드블래스팅(Abrasive Sand Blasting)하여, 도 4b에 도시된 것처럼, 코팅 대상면(11) 상에 인위적으로 표면 요철을 형성한다.
상기 중간층 형성단계(S10)는 알루미늄 모재(3) 상에 고융점 금속으로 된 중간층(5)을 형성하는 단계로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 고융점 금속을 용사코팅하는 것으로 이루어진다.
이를 위해, 먼저 도 4b와 같이 코팅 대상면(11) 상에 미세 요철을 형성시킨 알루미늄 모재(3)를 특정 장치에 고정하고, 로봇을 이용한 자동 또는 수동으로 용사코팅을 실시한다. 이에 따라, 도 2a에 도시된 것처럼, 위에서 언급된 고융점 금속(5`) 중에서 선택된 예컨대 텅스텐이 코팅 대상면(11)으로 용사하여 코팅 대상면(11)에 형성된 산화피막(13)을 먼저 제거한다.
그리고 나서, 코팅 대상면(11)에 코팅되는 고융점 금속은 중간층(5)을 형성하며, 이때 중간층의 두께는 3㎛ 내지 100㎛ 범위에 있도록 조절하는 것이 바람직하다. 중간층이 3㎛ 미만이면, 산화막 제거를 위한 고융점 금속(후술하는 가금속 포함)의 양이 충분하지 않을 수 있다. 예컨대, 산화피막 제거를 위해 표면에 공급되어야 할 열량은 고융점 금속인 텅스텐의 경우 용융입자의 크기가 25㎛ 이상이어야 한다. 일반적으로 용사코팅 시의 분사된 용융입자는 코팅 대상면(11)에 도달할 때 직경의 1/10로 납작해지고 상대적으로 넓은 팬 케이크 형태가 된다. 따라서, 중간층(5)의 역할이 가능한 최소 직경 25㎛의 용융입자가 형성할 수 있는 중간층(5)의 두께는 3㎛ 미만이 될 것이고 이는 충분히 산화피막을 제거할 수 없다는 것을 의미한다. 따라서 중간층(5)은 추가되는 용사 공정으로 최소 3㎛ 이상이 되어야 충분한 열량을 표면 산화층에 전달하여 산화피막(13)을 제거시킬 수 있게 된다. 반대로, 중간층(5) 형성을 위해 용사코팅을 반복하여 100㎛ 초과의 두께를 형성할 경우에는 너무 많은 열량이 알루미늄 기지조직에 전달되므로, 모재(3)의 손상을 유발할 수 있고, 중간층(5) 형성을 위한 시간 및 비용을 증가시킨다.
또한, 고융점 금속으로서 텅스텐 소재를 토치(30)에 의해 코팅 대상면(11)에 용사코팅할 경우에는 분사 용융입자의 크기를 25㎛ 이상이 되도록 텅스텐 와이어의 공급속도와 아크전류 그리고 연소가스 유입량을 조절하는 것이 바람직하다. 다만, 토치(30)에서 분사되어 코팅 대상면(11)에 도달하기 직전의 용융입자는 도포 즉시 팬 케이크 형태로 납작하게 되므로 중간층(5)을 형성하는 코팅의 두께는 도포 양에 의존한다. 또한, 코팅 대상면(11)에 용사코팅되는 고융점 금속은 위에서 언급한 바 있듯이, 코팅 대상면(11) 전체에 도포될 수도 또는 코팅 대상면(11) 일부분에만 도포될 수도 있다.
상기 피복층 형성단계(S20)는 중간층(5)이 형성된 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11)에 피복층(7)을 형성하는 단계로서, 위 중간층 형성단계(S10)에서 코팅 대상면(11)에 형성된 중간층(5) 상에 도 7에 도시된 용사코팅용 토치(30)에 의해 강과 같은 코팅금속을 용사코팅한다. 즉, 텅스텐 중간층(5)의 용사코팅이 완료된 후, 곧 이어, 예컨대 내마모용 강계 소재인 STS440C와 STS420의 용사가 실시된다.
따라서, 예컨대, 알루미늄 모재(3)로서 선택된 알루미늄 합금 6061 판재에 코팅금속으로서 스테인리스 스틸을 용사코팅한 결과는 도 8a 및 도 8b와 같으며, 코팅 소재별 조건 및 측정 결과는 다음 표 4와 같다. 측정을 위해 도 8a 및 도 8b에 도시된 것처럼, 각 소재에서 일부를 절취하여, 절단면을 연마하고, 주사전자현미경(FE-SEM)으로 계면에서의 코팅 건전성을 확인하였다.
시료번호 알루미늄모재 중간층 소재 중간층 평균 두께 스틸 소재 스테인리스 스틸의 코팅 평균두께
1-1 A6061 텅스텐 60 ㎛ STS 440C 1.5 mm
2-1 A6061 텅스텐 40 ㎛ STS 420 2.7 mm
2-2 A6061 텅스텐 40 ㎛ STS 440C 2.3 mm
3-1 A6061 텅스텐 70 ㎛ STS 420 3.1 mm
3-2 A6061 텅스텐 70 ㎛ STS 440C 2.8 mm
4-1 A384 (ADC12) 텅스텐+STS440C 50 ㎛ STS 440C 3.2 mm
4-2 A384 (ADC12) 텅스텐+STS440C 50 ㎛ STS 440C 4.1 mm
5-1 A6061 텅스텐+STS420 30 ㎛ STS 420 2.3 mm
5-2 A6061 텅스텐+STS420 40 ㎛ STS 420 2.2 mm
도 9a 및 7b는 소재 1-1에 대한 코팅 단면층을 관찰한 결과로서, 도시된 것처럼, 텅스텐과 알루미늄의 계면, 스테인리스 스틸 STS440C와 텅스텐의 계면 그리고 알루미늄과 스테인리스 스틸 STS440C의 계면에서 기공이나, 이격이 발생하지 않은 것이 확인되어, 매우 건전하게 금속 간의 결합이 이루어진 것을 알 수 있다. 특히 도 9b의 확대 촬영에서, 텅스텐 중간층(5) 주변 지역의 코팅 대상면(11)에서 코팅금속과 양호하게 밀착된 접합면이 확인됨으로써, 고융점 금속의 중간층(5)은 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 전체에 도포되지 않더라고 용사에 의한 코팅금속 소재가 코팅 대상면(11) 상에 바람직한 접합을 이룰 수 있는 환경을 제공한다는 사실을 알 수 있다.
또한, 중간층의 도포 상태를 거시적 관점에서 관찰한 도 10a 및 도 10b에서도 위와 같은 사실이 타당함을 다시 확인할 수 있다. 도 10a 및 도 10b는 스테인리스 스틸 STS440C가 코팅된 소재 2-1과 스테인리스 스틸 STS420가 코팅된 소재 3-1의 단면을 관찰한 결과이다. 사진에서, 텅스텐 중간층(5)은 알루미늄 전체 면에 도포되지 않은 상태이며, 단속적으로 이어진 중간층(5)의 존재에도 불구하고, 이들 중간층(5)로 인해, 뒤이어 진행된 코팅금속의 용사코팅에 의해 형성된 피복층(7)이 건전하게 이루어진 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서와 같이 예컨대 강계 금속을 코팅금속으로서 코팅하기 전에, 알루미늄 계면 조정을 위한 고융점 금속의 중간층(5)을 도입하지 않고, 일반적인 아크용사와 복합용사 등의 상업용 용사공법(Thermal Spray Process)으로, 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 위에, 스테인리스 스틸 피복층(7)을 1.0㎜(1000㎛) 이상 도포하는 것은 현실적으로 불가능하다. 또한, 이와 같이 중간층(5)을 형성하고자 하더라도, 용사 시에 용사 온도가 금속을 용융시키기에 충분하게 높아야 하므로, 용사토치(30)에서의 최대 온도가 3000℃ 이하인 일반 화염용사(Flame Spray)로는 고융점 금속의 중간층(5)을 만들 수 없고, 따라서 본 발명에서와 같이 1.0㎜ 이상의 두꺼운 피복층(7)을 얻을 수 없다. 본 발명의 실시예에서와 같이, 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 1.0㎜ 이상의 두꺼운 강계 피복층을 확보할 수 있는 것은, 강계 금속과 알루미늄의 열 팽창계수 등의 물성차이로 피복층(7)이 분리될 수 있는 잔류응력이 존재함에도, 금속 사이의 결합을 방해할 수 있는 알루미늄 산화물 즉, 산화피막(13)이 효과적으로 제거됨으로써, 계면에서 기포(porosity) 등의 발생이 없고, 부분 박리 등이 발생하지 않아, 피복층(7)과 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 사이의 계면이 충분한 결합력으로 부착되기 때문이고, 이와 같이 지속적으로 강계 소재를 용사코팅할 수 있어, 두꺼운 피복층(7)을 확보할 수 있는 것이다. 이와 같이 두꺼워진 강계 금속의 피복층(7)은 알루미늄 모재(3)의 내마모와 내표면 충격성을 혁신적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법은 위 실시예의 중간층 형성단계(S10)에서 고융점 금속(5`)을 단독으로 용사하지 않고, 운반금속과 함께 용융하여 물리적으로 혼합한 뒤 용사하도록 되어 있다. 이를 위해, 운반금속은 토치(30) 내에서 고융점 금속(5`)과 함께 용융되어 물리적으로 혼합됨으로써 혼합 가합금의 상태로 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅되어 혼합 중간층(6)을 형성한다. 여기에서, 운반금속이나 혼합 가합금은 위에서 이미 정의된 바 있다.
다만, 위 중간층 형성단계(S10)에서 운반금속으로서 코팅금속을 선택하게 되면, 혼합 가합금은 고융점 금속과 코팅금속의 용융 및 물리적 혼합에 의해 형성되며, 따라서, 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅된 혼합 가합금은 도 1에 도시된 중간층(5)과 마찬가지로 고융점 금속(5`)과 코팅금속에 의해 형성된다. 이 경우, 용사코팅 작업은 최초 중간층(5)을 용사코팅하는 동안 토치(30)에 고융점 금속과 함께 운반금속으로서 코팅금속을 각각 와이어 형태로 동시에 공급하여, 혼합 가합금 상태로 용사하면 되고, 중간층(5) 코팅이 완료된 뒤에는 고융점 금속 와이어를 제거하고 코팅금속만을 용사하면 피복층(7)을 코팅할 수 있게 된다.
이때, 알루미늄 모재(3)로는 예컨대, 주조합금인 A384(ADC12종)과 6061판재를 사용할 수 있으며, 코팅금속의 소재로는 전술한 바와 같이 마르텐사이트계 스테인레스 스틸인 STS440C와 STS420을 사용할 수 있다. 이 경우 알루미늄 모재(3) 위에 형성된 혼합 중간층(6)은 알루미늄과 박리없이 매우 두껍게 코팅된다.
다만, 혼합 가합금을 용사코팅용 토치(30)에 의해 분사할 때, 토치(30)에 공급되는 운반금속과 고융점 금속 와이어(W1,W2)의 공급속도를 늦추거나, 토치(30)의 이동속도를 빠르게 함으로써, 분사되는 용융입자의 양을 줄일 수 있는 등 다양한 방식으로 코팅 대상면(11) 상에 도포되는 용융입자의 분포패턴을 변경할 수 있다.
한편, 코팅금속으로 된 운반금속과 고융점 금속을 함께 용융하여 물리적으로 혼합한 혼합 가합금에 의해 혼합 중간층(5)을 형성한 결과는 도 11a와 도 11b와 같다. 여기에서, 도 11a에 도시된 시료번호 4-1과 4-2는 다이케스팅용 알루미늄합금인 A384합금을 모재로 하여, STS440C를 용사코팅하였으며, 도 11b에 도시된 시료번호 5-1과 5-2는 단련합금 6061합금을 모재로, STS420 스테인리스 스틸을 코팅하였다. 이들 시료의 평균 코팅두께는 2.2 내지 4.1mm 범위로 매우 두꺼운 코팅층 즉, 혼합 중간층(5)이 얻어짐을 알 수 있다.
끝으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법에 따르면, 도 6에 도시된 것처럼, 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11)에 혼합피복층(9)을 형성하는 바(S110), 토치(30) 내에서 함께 용융되어 물리적으로 혼합된 고융점 금속(5`)과 코팅금속에 의해 형성되는 혼합 가합금을 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅함으로써, 혼합 가합금에 의해 직접 혼합피복층(9)을 형성하게 된다. 이때, 혼합 가합금 중의 고융점 금속(5`)이 용사된 코팅 대상면(11) 상에 형성되어 있던 알루미늄 산화피막(13)을 제거하므로, 위에서 언급한 바 있듯이 혼합 가합금 중 코팅금속은 코팅 대상면(11)에 효과적으로 융착 결합된다.
1 : 알루미늄 소재 3 : 알루미늄 모재
5 : 중간층 5` : 고융점 금속(분사 용융입자)
6 : 혼합 중간층 7 : 피복층
9 : 혼합 피복층 11 : 코팅 대상면
13 : 산화피막 30 : 용사(코팅용)토치

Claims (14)

  1. 알루미늄 모재(3);
    상기 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 고융점 금속(5`)을 용사코팅하여 형성하는 중간층(5); 및
    상기 중간층(5) 위에 코팅금속을 용사코팅하여 형성하는 피복층(7);을 포함하여 이루어지되,
    용사코팅되는 상기 고융점 금속(5`)에 의해 상기 코팅 대상면(11) 상에 존재하는 알루미늄 산화피막(13)을 제거하도록 되어 있으며, 여기에서 상기 고융점 금속(5')은 상기 알루미늄 산화피막(13)보다 융점이 높아, 용사코팅되어 상기 알루미늄 산화피막(13)과 접촉한 때 상기 알루미늄 산화피막(13)을 제거할 수 있는 금속을 의미하는 것을 특징으로 하는 금속 용사코팅된 알루미늄 소재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고융점 금속(5`)은 운반금속과 함께 용융되어 물리적으로 혼합된 혼합 가합금의 상태로 상기 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅되어 혼합 중간층(6)을 형성하되, 상기 운반금속은 상기 고융점 금속(5`)을 제외한 일군의 저융점 금속 중에서 선택된 금속이며, 여기에서 상기 저융점 금속은 금속 중에서 상기 고융점 금속(5')을 제외한 나머지 금속을 의미하는 것을 특징으로 하는 금속 용사코팅된 알루미늄 소재.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 운반금속이 상기 코팅금속과 동일 금속인 때, 상기 혼합 가합금은 상기 고융점 금속과 상기 코팅금속의 용융 및 물리적 혼합에 의해 형성됨으로써, 용사코팅된 상기 코팅 대상면(11) 상에 상기 고융점 금속(5`)과 상기 코팅금속으로 이루어진 혼합 중간층(6)을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 용사코팅된 알루미늄 소재.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고융점 금속과 상기 코팅금속을 함께 용융하여 물리적으로 혼합함으로써 형성한 상기 혼합 가합금은 용사코팅된 상기 코팅 대상면(11) 상에 상기 중간층(5)을 생략하고, 혼합피복층(9)을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 용사코팅된 알루미늄 소재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고융점 금속(5`)은 상기 코팅 대상면(11) 상의 적어도 일부분에 용사코팅되어 상기 중간층(5)을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 용사코팅된 알루미늄 소재.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고융점 금속은 니오븀, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 테크네튬, 레늄, 루테늄, 오스뮴, 및 이리듐으로 이루어진 일군의 금속 중 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 금속 용사코팅된 알루미늄 소재.
  7. 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 고융점 금속(5`)을 용사코팅하여 중간층(5)을 형성하는 중간층 형성단계(S10); 및
    상기 중간층 형성단계(S10)에서 형성된 상기 중간층(5) 상에 코팅금속을 용사코팅하는 피복층 형성단계(S20);를 포함하여 이루어지되,
    상기 중간층 형성단계(S10)에서 상기 코팅 대상면(11) 상에 상기 고융점 금속(5`)을 용사코팅할 때, 상기 고융점 금속(5`)에 의해 상기 코팅 대상면(11) 상에 존재하는 알루미늄 산화피막(13)을 제거하도록 되어 있으며, 여기에서 상기 고융점 금속(5')은 상기 알루미늄 산화피막(13)보다 융점이 높아, 용사코팅되어 상기 알루미늄 산화피막(13)과 접촉한 때 상기 알루미늄 산화피막(13)을 제거할 수 있는 금속을 의미하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 중간층 형성단계(S10)에서 상기 고융점 금속(5`)은 운반금속과 함께 용융되어 물리적으로 혼합된 혼합 가합금의 상태로 상기 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅되어 혼합 중간층(6)을 형성하되, 상기 운반금속은 상기 고융점 금속(5`)을 제외한 일군의 저융점 금속 중에서 선택된 금속이며, 여기에서 상기 저융점 금속은 금속 중에서 상기 고융점 금속(5')을 제외한 나머지 금속을 의미하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 중간층 형성단계(S10)에서 상기 운반금속으로 상기 코팅금속을 선택하면, 상기 혼합 가합금은 상기 고융점 금속과 상기 코팅금속의 용융 및 물리적 혼합에 의해 형성되며, 상기 혼합 가합금이 상기 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅된 때, 상기 혼합 중간층(6)은 상기 중간층(5)과 마찬가지로 상기 고융점 금속(5`)과 상기 코팅금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 중간층 형성단계(S10)에서 상기 중간층(5)은 상기 코팅 대상면(11) 상의 적어도 일부분에 상기 고융점 금속(5`)을 용사코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
  11. 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층(5)은 평균 두께가 3 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
  12. 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고융점 금속은 니오븀, 하프늄, 탄탈륨, 몰리브데늄, 텅스텐, 테크네튬, 레늄, 루테늄, 오스뮴, 및 이리듐으로 이루어진 일군의 금속 중 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
  13. 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간층 형성단계(S10)를 수행하기 전에 상기 코팅 대상면(11)에 요철을 형성하여, 상기 피복층(7)의 결합력을 증가시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
  14. 고융점 금속(5`)과 코팅금속을 함께 용융하는 동시에 물리적으로 혼합하여 형성한 혼합 가합금을 알루미늄 모재(3)의 코팅 대상면(11) 상에 용사코팅하는 혼합피복층 형성단계(S110)를 포함하여 이루어지되,
    상기 혼합피복층 형성단계(S110)에서 상기 코팅 대상면(11) 상에 상기 혼합 가합금을 용사코팅할 때, 상기 고융점 금속에 의해 상기 코팅 대상면(11) 상에 존재하는 알루미늄 산화피막(13)을 제거하도록 되어 있으며, 여기에서 상기 고융점 금속(5')은 상기 알루미늄 산화피막(13)보다 융점이 높아, 용사코팅되어 상기 알루미늄 산화피막(13)과 접촉한 때 상기 알루미늄 산화피막(13)을 제거할 수 있는 금속을 의미하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 소재의 금속 용사코팅방법.
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