KR102461089B1

KR102461089B1 - 내부식성이 우수한 메탈스프레이 코팅방법

Info

Publication number: KR102461089B1
Application number: KR1020220068351A
Authority: KR
Inventors: 오동우
Original assignee: 유성엠앤씨 주식회사
Priority date: 2022-06-03
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2022-11-03

Abstract

내부식성이 우수한 메탈스프레이 코팅방법이 제공된다.
본 발명의 메탈스프레이 코팅방법은, 탄소강판을 마련하는 공정; 상기 탄소강판의 표면에, 중량%로, Al을 99.9% 및 잔여 불가피한 불순물로 이루어진 와이어를 이용하여 메탈스프레이함으로써 250~500㎛ 두께를 가지는 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하는 공정; 및 상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층상에, 포드컵 점도 5~12초 이고 분자량이 1만 ~ 1만 5천 범위의 실리콘계 수지를 코팅한 후, 상온에서 자연 경화시킴으로써 두께 40~60㎛의 실러층을 형성하는 공정;을 포함하고, 상기 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성함에 있어서, 초기 두께 60~70% 까지는 7~8bar의 분사압력을 이용하고, 이후 잔여 30~40% 두께에는 5~6bar의 분사압력을 이용하여 메탈스프레이함으로써 그 표면조도가 Sa 3 이상인 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성한다.

Description

내부식성이 우수한 메탈스프레이 코팅방법{METAL SPRAY COATING METHOD HAVING ECCELLENT CORROSION RESISTANCE}

본 발명은 내부식성이 우수한 메탈스프레이 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 강판의 표면에 Al층을 형성한 후, 그 위에 실러층인 실리콘계 수지층을 소정의 두께로 형성함으로써 저비용으로 내부식성이 우수한 메탈스프레이 코팅층을 형성할 수 있는 방법에 관한 것이다.

조선 산업에는 철강재의 부식을 방지하기 위해 다양한 코팅이 적용되고 있다. 도장, 도금 및 메탈스프레이 등이 그 예로 들 수 있다. 상기 메탈스프레이는 주로 고도의 내부식성 및 내마모성을 확보해야 하는 해양플랜트 위주로 적용되어 왔으며, 가장 널리 사용되는 것은 Aluminum arc thermal spray 방식이나, 메탈스프레이 공정의 특성 상 다양한 금속 소재를 코팅 소재로 적용할 수 있다는 장점이 있다. 한편 상기 메탈스프레이 코팅은 두 개의 선재 형태의 소재를 전기적 Arc로 액화시킨 후 고압의 압축에어로 분사시켜 금속 모재에 부착하는 코팅기법이며, 도장 방식의 경우도 다양한 물질계가 존재하며 코팅되는 소지면과 부착력이 확보된다면 설계된 물질계의 내구 수명을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

해양플랜트의 경우 유지 보수가 힘든 셀라데크 하부 및 플래어타워 대부분에 시공 소재의 종류에 따라 내마모 및 내부식에 모두 적용 가능한 메탈스프레이 코팅법의 개발이 대두 되고 있다. 이러한 메탈스프레이 코팅법에는 니켈 크롬 등 내마모에 사용되는 소재 등이 코팅재로 이용되고 있으나, 내부식 코팅의 경우 40년 이상의 Life time을 보장되고, 시공 이후 유지 보수 비용 절감 등이 요구되고 있다.

따라서 고열 및 자외선, 극한의 온도상황에서의 강한 저항성을 지닐 것이 요구되는 해양플랜트 구조물의 경우, 기존의 코팅을 단독으로 적용하여 예측되는 극심한 부식 환경에서 내구연한을 확보하기는 사실상 불가능하므로, 이를 극복할 수 있는 코팅기술에 대한 개발 필요성이 증대되고 있다.

한국 등록특허 제10-1599335호

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 탄소 강판에 해수 및 황산 등의 복합적인 부식 환경에서 낮은 비용으로 우수한 내구성을 가지는 메탈스프레이 코팅층을 형성할 수 있는 메탈스프레이 코팅방법을 제공함을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면는,

탄소강판을 마련하는 공정;

상기 탄소강판의 표면에, 중량%로, Al을 99.9% 및 잔여 불가피한 불순물로 이루어진 와이어를 이용하여 메탈스프레이함으로써 250~500㎛ 두께를 가지는 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하는 공정; 및

상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층상에, 포드컵 점도 5~12초 이고 분자량이 1만 ~ 1만 5천 범위의 실리콘계 수지를 코팅한 후, 상온에서 자연 경화시킴으로써 두께 40~60㎛의 실러층을 형성하는 공정;을 포함하고,

상기 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성함에 있어서, 초기 두께 60~70% 까지는 7~8bar의 분사압력을 이용하고, 이후 잔여 30~40% 두께에는 5~6bar의 분사압력을 이용하여 메탈스프레이함으로써 그 표면조도가 Sa 3 이상인 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하는, 내부식성이 우수한 알루미늄 스프레이 코팅방법에 관한 것이다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 탄소강판의 표면에 1차적으로 Al계 소재를 arc spray 방식으로 코팅층을 형성함으로서 강판의 내부식성을 개선함과 아울러, 상기 코팅층상에 2차적으로 메탈스프레이 코팅으로 형성된 기공을 메우기 위한 실러층을 형성함으로써 탄소강판의 수명을 40년까지 유효하게 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 복합코팅강판에서 알루미늄 스프레이 코팅층에 대한 실리콘 수지층의 부착력을 테스트한 결과를 나타내는 사진이다.
도 2는 도 1 복합코팅강판의 단면을 보이는 SEM 사진이다.
도 3은 도 1의 복합코팅강판에, I cut 스크래치를 형성하여 5wt% NaCl과 2.5wt% H2SO4 환경의 가속부식 시험을 60일간 진행한 결과를 나타내는 사진이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

스크러버등과 같은 설비의 경우, 배출 가스의 inlet 부분 배관은 부식성 물질은 없으나, 약 200도의 온도에서 견뎌야 하며, outlet 배관은 대부분의 부식성 물질을 함유하나 온도가 약 0~30도 정도의 환경을 가진다. 그리고 종래에는 이러한 환경에 이용되는 소재로서, 6% Mo STS, Ti, Inconel 등이 개발되어 오고 있었다.

그런데 상기 소재들은 모두 고가여서, 제작에 많은 비용이 소요되므로, 본 발명자들은 Al계 소재를 메탈스프레이법을 이용하여 탄소강 모재에 코팅층을 형성한 후, 그 위에 실리콘계 수지 실러층 형성하는 방법을 모색하였다. 이때 고려되어야 할 점은 메탈스프레이 코팅층과 실러층과의 부착력 확보 부분이며, 특히, 실리콘계 수지는 도장으로 밀착강도가 상대적으로 떨어지는 도장 물질이므로 더욱더 밀착 강도 향상에 신경을 써야 한다.

따라서 본 발명자는 탄소강판에 표면조도 Sa 3 이상의 Al계 메탈스프레이 코팅층 형성한 후, 그 상부에 실리콘계 수지 도장을 형성함으로써 탄소강판 적용 고내식성 코팅 기술을 확보할 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

이러한 관점에서 출발한 본 발명의 내부식성이 우수한 메탈 스프레이 코팅방법은, 탄소강판을 마련하는 공정; 상기 탄소강판의 표면에, 중량%로, Al을 99.9% 및 잔여 불가피한 불순물로 이루어진 와이어를 이용하여 메탈스프레이함으로써 250~500㎛ 두께를 가지는 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하는 공정; 및 상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층상에, 포드컵 점도 5~12초 이고 분자량이 1만 ~ 1만 5천 범위의 실리콘계 수지를 코팅한 후, 자연 경화시킴으로써 두께 40~60㎛의 실러층을 형성하는 공정;을 포함하고, 상기 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성함에 있어서, 초기 두께 60~70% 까지는 7~8bar의 분사압력을 이용하고, 이후 잔여 30~40% 두께에는 5~6bar의 분사압력을 이용하여 메탈스프레이함으로써 그 표면조도가 Sa 3 이상인 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성한다.

즉, 본 발명은 탄소강판-알루미늄 스프레이 코팅층-실리콘계 수지층이 적층된 복합코팅 강판을 제조하는 기술로서, 이하, 이를 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에서는 해양플랜트 구조물 제조에 이용될 수 있는 모재인 탄소강판을 마련한다. 이러한 탄소강판은 해양플랜트 구조물 제조에 이용될 수 있는 강도 등과 같은 제반 기계적 특성을 갖는 것이라면 특정한 강 조성성분에 제한없이 사용할 수 있으며, 냉연강판 내지 열연강판 모두를 이용할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에서 상기 모재인 탄소강판은, 중량%로, C:0.25%, Si; 0.45%, Mn:1.40% 이하와 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 것이다.

이어, 본 발명에서는 상기 탄소강판의 표면에, 중량%로, Al: 99.9% 및 잔여 불가피한 불순물을 포함하는 와이어를 이용하여 메탈스프레이 코팅함으로써 250~500㎛ 두께를 가지며 Sa 3 이상 표면 조도를 갖는 알루미늄 스프레이코팅층을 형성한다.

본 발명의 알루미늄 스프레이 코팅에서는, 경제성 확보를 위해 Arc spraying 공정을 적용하였으며, 심각한 부식 환경에서 일정 기간의 내부식성을 확보하기 위해 Al계 메탈코팅을 실시하였다. 이때, 본 발명에서는 상기 Al은 순도가 99.6%인 Al 와이어를 Arc spraying 공정을 이용하여 용융 분사시켜 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성한다.

이어, 본 발명에서는 상기 알루미늄 스프레이 코팅층의 두께를 250~500㎛ 범위로 제어함이 바람직하다. 만일 그 두께가 250㎛ 미만이면 내구성이 저하되는 반면에, 500㎛를 초과하면 층간 박리가 발생하거나 비경제적이기 때문이다.

한편, 본 발명에서는 상기 알루미늄 스프레이 코팅층과 후술하는 실러 도장층과의 부착력을 제고함이 중요하다. 따라서 이를 위하여 본 발명에서는 상기 알루미늄 스프레이 코팅층의 표층의 표면조도를 Sa 3 이상으로 제어함으로써 상술한 부착력을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 코팅 품질 영향을 최소화할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층 두께 중 상부층 30~40%가 하부층 60~70%에 비하여 상대적으로 조밀하지 않도록 하여 표면 조도를 크게 하는 것이 바람직하며, 이를 위하여, 알루미늄 스프레이 코팅층 형성과정에서 상기 하부층은 7~8bar의 분사 압력으로 형성하고, 상기 상부층은 5~6bar의 분사 압력으로 형성함으로써 코팅층 표층의 표면조도를 크게 할 수 있다.

이어, 본 발명에서는 상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층에, 실리콘계 수지를 코팅한 후, 상온에서 자연 경화시킴으로써 두께 40~60㎛의 실러층을 형성한다.

즉, 본 발명에서 상기 실리콘계 수지층은 알루미늄 스프레이 코팅층의 기공을 매꾸어 보수하는 실러 역할을 한다. 본 발명에서, 상기 알루미늄 스프레이 코팅층의 기공 사이즈가 ㎛ 수준이므로, 수지의 분자량 등을 적절히 제어함으로써 실리콘계 수지 실러층의 내구성을 효과적으로 확보할 수 있다.

한편 종래에는 내후, 내열, 내마모 및 내오염등 모든 방면에서 우수하나 값비싼 도료인 불소계 수지를 실리층을 형성함에 이용하였으나, 본 발명에서는 불소계 수지 보다 저렴할 뿐만 아니라 내식성도 우수한 실리콘계 수지를 실러층으로 이용함을 특징으로 한다. 즉, 종래의 니켈합금 코팅은 내마모성에 초점을 둔 코팅으로서, 값비싼 불소계 수지를 실러층으로 이용함에 반하여, 본 발명은 내식성에 중점을 둔 기술로서, 이는 알루미늄 스프레이 코팅층으로 1 차적으로 내부식성을 부여함과 아울러, 나아가, 저렴하면서도 내부식성을 배가할 수 있는 실리콘계 수지를 실러층으로 형성하는 본 발명과는 큰 차이가 있다. 　

상술한 바와 같이, 알루미늄 스프레이 코팅층의 표면조도를 극대화하면 실리콘계 수지 실러층과의 부착력은 향상되나 알루미늄 스프레이 코팅층에 형성된 다수의 기공 등으로 인해 복합코팅층의 내구성이 저하되는 문제가 있다. 그러므로 본 발명에서는 내식성/내화학성을 가진 실리콘계 수지를 도장할 때 수지의 점도 및 분자량을 제어하여 코팅층의 기공을 매꾸는 것이 바람직하다. 구체적으로, 알루미늄 스프레이 코팅층 표층에 형성된 기공은 지름이 수 ㎛ 단위로 매우 작으므로, 이 기공을 용이하게 매꾸기 위해서는 실리콘계 수지의 흐름성을 좋게 할 필요가 있다.

이러한 관점에서, 본 발명에서는 상기 실리콘계 수지는 포드 cup 점도로 5~12초 사이의 점도를 가지며, 1만~1만 5천 사이의 분자량을 가진 것이 바람직하다. 스프레이 코팅층 표층에 형성된 기공을 메우기 위해서는, 실리콘계 수지의 점도가 낮은 것이 바람직하지만, 점성이 크게 낮을 경우 도장층 형성이 어려우며, 내구성 또한 저하될 수 있으므로 주의를 요한다.

그리고 이때, 본 발명에서는 상기 알루미늄 스프레이 코팅층 상에 형성된 실리콘계 수지층의 두께를 40~60㎛ 범위로 관리함이 바람직하다. 만일 상기 두께가 너무 얇으면, 기공을 충분히 메우지 못하는 문제가 있으며, 너무 두꺼우면 상부 코팅층과의 박리 문제가 있다. 상기와 같이 형성된 실리콘계 수지층은 이후 경화되어, 이어 자연건조됨으로써 최종 내식성이 우수한 복합코팅층을 갖는 강판을 제조할 수 있다.

한편 본 발명의 복합코팅층은 상술한 바와 같이, 실리콘계 수지층을 실러층으로 이용하므로, 상기 복합코팅층이 형성된 강판의 오퍼레이팅 온도를 400℃ 미만의 온도범위로 제한함이 바람직하다. 만일 상기 온도가 400℃를 초과하면 실리콘수지의 내열 한계점을 벗어나 BURN DAMAGE로 인한 박리문제가 있기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

탄소 강판 표면에, 중량%로 Al 99.9%를 포함하는 와이어를 이용하여 메탈스프레이 코팅하여 250~500㎛ 두께의 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하였다. 구체적으로, 알루미늄 스프레이 코팅층의 하부층(초기 코팅층 두께의 60%까지)에는 탄소강판 표면에 7~8bar의 분사압력을 부여하여 용융된 알루미늄을 분사함으로써 조밀한 코팅층을 형성하였으며, 알루미늄 스프레이 코팅층의 상부층(잔여 40% 두께까지)에는 5~6bar의 분사 압력으로 메탈스프레이 코팅하여 그 표층의 표면조도가 Sa 3 이상으로 크게 되도록 제어하였다.

이어, 상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층상에 포드 cup 점도로 5~12초 사이의 점도를 가지며, 1만~1만 5천 사이의 분자량을 가진 실리콘 수지를 50㎛의 두께로 형성한후 자연건조 경화시켜 최종 복합코팅강판을 제조하였다.

도 1은 상기 제조된 복합코팅강판에서 알루미늄스프레이 코팅층에 대한 실리콘 수지층의 부착력을 테스트한 결과를 나타내는 사진이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성한 후, 실러층으로 소정의 요건을 충족하는 실리콘 수지층을 형성하여 복합코팅강판을 제조할 경우, 밀착 강도가 매우 우수함을 알 수 있다.

한편 도 2는 도 2는 도 1 복합코팅강판의 단면을 보이는 SEM 사진이다.

(실시예 2)

실시예에서 제조된 복합코팅강판에 대하여 내부식 실험을 수행하였다. 구체적으로, 상기 제조된 복합코팅강판에, I cut 스크래치를 형성하여 5wt% NaCl과 2.5wt% H2SO4 환경의 가속부식 시험을 60일간 진행하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3은 도 1의 복합코팅강판을 제조한 후, I cut 스크래치를 형성하여 5wt% NaCl과 2.5wt% H2SO4 환경의 가속부식 시험을 60일간 진행한 결과를 나타내는 사진이다.

도 3에 나타난 바와 같이, 탄소강판 모재에 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성한 후, 상부 도장으로서 실리콘계 수지층을 실러층으로 형성할 경우 우수한 내부식 특성을 보임을 알 수 있다.

(실시예 3)

탄소 강판 표면에, 중량%로 Al 99.9%를 포함하는 와이어를 이용하여 메탈스프레이 코팅하여 400㎛ 두께의 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하였다. 이때, 비교를 위하여, 1차로 형성되는 형성되는 하부 코팅층과 2차로 형성되는 상부 코팅층의 두께를 하기 표 1과 같이 달리하였으며, 아울러, 이때 적용된 용융 알루미늄 분사압력 또한 각각 다르게 설정하였다. 그리고 상기와 같이 형성된 알루미늄 코팅층의 표면조도를 각각 측정하여 이를 또한 하기 표 1에 나타내었다.

이후, 상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층상에 포드 cup 점도로 5~12초 사이의 점도를 가지며, 1만~1만 5천 사이의 분자량을 가진 실리콘 수지를 50㎛의 두께로 형성한후 자연건조 경화시켜 최종 복합코팅강판을 제조하였으며, 각각의 경우 실리콘 수지층의 부착력(PSI)을 테스트하여 그 결과를 또한 하기 표 1에 나타내었다

구분	1차(하부) 코팅층 형성		2차(상부) 코팅층 형성		표면조도 (Sa)	부착력 (PSI)	비고
구분	두께(㎛)/두께비(%)	압력(bar)	두께(㎛)/두께비(%)	압력(bar)	표면조도 (Sa)	부착력 (PSI)	비고
1	240/60%	7	160/40%	5	3	3625	발명예1
2	280/70%	7.5	120/30%	6	3	3150	발명예2
3	260/65%	7	140/35%	5	3	3480	발명예3
4	200/50%	7	200/50%	6	2.5	2856	비교예1
5	280/70%	5	120/30%	8	2.5	2573	비교예2
6	160/40%	7	240/60%	5	2.5	2775	비교예3

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건으로 알루미늄 코팅층을 형성한 발명예 1-3의 경우, 알루미늄 코팅층의 표면조도(Sa)가 3 이상이며, 제조된 복합코팅강판에서 실리콘 수지층의 부착력 또한 우수함을 알 수 있다.

이에 반하여, 상부 코팅층과 하부 코팅층의 두께 범위가 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 1 및 비교예 3은 본 발명의 부착력 보다 낮음을 확인 할 수 있다.

또한 상부 코팅층과 하부 코팅층의 두께 범위는 본 발명범위내이나 분사 압력이 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 2 또한 본 발명 대비 부착력이 낮음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

탄소강판을 마련하는 공정;
상기 탄소강판의 표면에, 중량%로, Al을 99.9% 및 잔여 불가피한 불순물로 이루어진 와이어를 이용하여 메탈스프레이함으로써 250~500㎛ 두께를 가지는 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하는 공정; 및
상기 형성된 알루미늄 스프레이 코팅층상에, 포드컵 점도 5~12초 이고 분자량이 1만 ~ 1만 5천 범위의 실리콘계 수지를 코팅한 후, 상온에서 자연 경화시킴으로써 두께 40~60㎛의 실러층을 형성하는 공정;을 포함하고,
상기 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성함에 있어서, 초기 두께 60~70% 까지는 7~8bar의 분사압력을 이용하고, 이후 잔여 30~40% 두께에는 5~6bar의 분사압력을 이용하여 메탈스프레이함으로써 그 표면조도가 Sa 3인 알루미늄 스프레이 코팅층을 형성하는, 내부식성이 우수한 알루미늄 스프레이 코팅방법.