KR102633626B1 - 표면코팅체 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 금속표면코팅체는 모재의 표면에 둘 이상의 표면코팅층이 각각 내부를 관통하는 기공을 포함하도록 형성되고, 두 표면코팅층이 서로 접촉하는 계면에서 각각의 표면코팅층을 관통한 기공이 서로 연결되지 않는 구간을 포함하여 외부 물질이 모재에 침투하기까지의 침투경로가 증가하고 침투시간을 늦춰 부품의 수명을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 일 실시예는 모재의 표면상에 형성되는 표면코팅체에 관한 것이다.
표면코팅체란 재료 표면의 특성을 개선하는 피복가공 방법인 코팅에 의해 모재의 표면에 형성되는 피복으로, 일반적으로 많이 사용되는 금속 모재의 표면코팅은 금속모재의 표면에 내마모, 경도 등의 특성이 우수한 박막을 침적해 표면의 경도를 향상시켜 외부의 충격으로 인한 손상을 방지하거나, 표면층에 금속의 산화막 또는 내부식성, 내화학성이 우수한 소재를 포함하는 코팅층으로 형성되어 공기, 물, 약품 등으로부터 모재를 보호하기 위해 사용되고 있다.
또한, 표면코팅은 특수한 조건에서 사용되는 장치 및 부품이 해당 조건에서 기능을 수행하기 적합하도록 표면에 형성되어 사용될 수 있다. 용융아연 도금조 중으로 강판을 연속적으로 유도하여 도금층을 형성시킨 후 빼어내는 역할을 하는 싱크롤(Sink roll)과 이것을 지지하는 축수부품인 슬리브(Sleeve)와 부쉬(Bush)등은 고온으로 유지되는 용융 아연의 용탕 중에서 작동하므로 용융 아연과 용융 아연 중에 혼입된 이물질인 드로스(dross) 등에 의한 마식과 부식이 심각하게 일어나는 부품이다.
위와 같은 부품들은 고온의 용융아연에 의해 침식, 마식 또는 부식이 심하게 발생하며 고온, 고하중 조건 하에서 연속적으로 장시간 사용됨에 따라 그 부품의 모재 및 코팅층의 수명이 짧아진다. 이러한 현상으로 인해 용융아연 도금 공정은 약 3~4주에 1회 라인을 멈추고 부품을 교환하는 과정을 필요로 하여 공정의 생산성이 감소하고 졍제적이지 못한 문제점이 있다.
이에, 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 용융금속의 드로스를 제거하여 마찰에 의한 마모를 감소시키는 방법, 도금 장치의 구조를 개선하는 방법 등의 연구가 진행되어 왔다.
삭제
본 발명의 일 실시예인 금속표면코팅체는 코팅층에 포함된 기공을 통해 코팅층으로 침투하는 외부물질의 침투경로가 직접 연결되지 않는 구간이 계면에 포함됨으로써 외부물질이 모재에 직접 접촉하기까지의 시간을 늦출 수 있어 모재의 수명을 연장시키는 다층구조의 금속표면코팅체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면인 금속표면코팅체는 모재;
상기 모재 상에 형성되며, 내부를 관통하는 적어도 1개 이상의 제1기공이 형성된 제1표면코팅층; 및
상기 제1표면코팅층 상에 구비되며, 내부를 관통하는 적어도 1개 이상의 제2기공이 형성된 제2표면코팅층을 포함하며,
상기 제1표면코팅층과 상기 제2표면코팅층의 제1계면에서 상기 제1기공과 상기 제2기공이 직접 연결되지 않는 구간을 포함할 수 있다.
이 , 상기 제2표면코팅층의 외부로부터 상기 제2기공을 통하여 상기 모재까지 외부물질이 침투하는 경우에 상기 제1기공, 상기 제1계면, 및 상기 제2기공을 통과하는 경로를 포함할 수 있고,
상기 제1계면에 상기 제1기공을 지나는 경로와 상기 제2기공을 지나는 경로를 연결하는 침투경로가 형성되는 것이 좋다.
또, 제1표면코팅층 및 제2표면코팅층은 기공이 존재하지 않거나 표면코팅층이 가지는 기공률이 0%를 초과하고 10% 이하인 것이 좋고,
상기 제2기공률은 상기 제1기공률보다 작거나 같을 수 있으며,
상기 제2기공의 직경은 제1기공의 직경보다 작거나 같을 수 있다.
또한, 상기 제2표면코팅층은 조성물 및 코팅방법 중 적어도 어느 하나 이상을 상기 제1표면코팅층과 다르게 하여 형성될 수 있고,
상기 제1표면코팅층의 두께는 0.01㎛내지 5㎜, 상기 제2표면코팅층의 두께는 0.01㎛내지 3㎜, 금속표면코팅체의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎜일 수 있다.
이 때, 상기 제2표면코팅층 상에 구비되며, 내부에 적어도 1개 이상의 제3기공이 형성된 제3표면코팅층을 포함하며,
상기 제3표면코팅층은 상기 제2기공률보다 작거나 같은 제3기공률을 가지는 것이 좋고,
상기 제3표면코팅층은 상기 제1표면코팅층 또는 상기 제2표면코팅층 중 적어도 어느 하나와 동일한 조성물을 포함하여 형성될 수 있으며,
상기 제1계면에서 상기 제1계면을 따라 상기 제1기공과 상기 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 1㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예인 금속표면코팅체는 모재의 표면상에 형성되는 제1 및 제2표면코팅층과 그 사이의 계면을 포함하고, 제2표면코팅층에 포함된 기공을 통해 제2표면코팅층을 침투하는 외부물질의 침투경로가 계면에서 제1표면코팅층의 기공과 직접 연결되지 않게함으로써 외부물질이 모재에 이르기까지의 침투경로가 증가하게 되어, 모재의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 제2표면코팅층의 기공률은 하부의 제1표면코팅층보다 작거나 같아지도록 형성되어 표면에서 외부물질의 침투를 방지할 수 있다.
도 1은 단일층의 금속표면코팅체 형성 시 용융금속의 침투경로를 나타낸 개략도이고,
도 2는 제1 및 제2표면코팅층을 가지는 다층구조의 금속표면코팅체 형성 시 용융금속의 증가된 침투경로를 나타낸 개략도이다.
도 2는 제1 및 제2표면코팅층을 가지는 다층구조의 금속표면코팅체 형성 시 용융금속의 증가된 침투경로를 나타낸 개략도이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
본 명세서에서 기공률이란, 코팅층의 입자 표면 또는 코팅층의 내부에 존재하는 기공의 정도를 나타내는 것으로, 전체 코팅층 부피에서 빈 공간이 차지하는 부피의 비율 또는 코팅층의 표면에서 기공이 형성된 위치의 넓이 비율을 의미하는 것으로 사용될 수 있다.
가스흡착법은 일반적으로 질소와 같은 가스를 흡착시켜 시료 표면의 비표면적, 기공의 크기 및 분포를 측정하는 방법으로 닫혀있는 미세 미세 기공까지 분석 가능하다. (기공의 크기 0.35~200nm) 수은 흡착법은 시료에 수은을 가압하여 그 관입량으로부터 시료의 기공률, 기공의 크기 및 겉보기 밀도 등을 분석하는 방법으로 가스흡착법에 비하여 큰 크기의 기공까지 분석이 가능하다.(기공의 크기 3.6nm ~ 900㎛)
또한 시편을 SiC 연마지와 다이아몬드 페이스트를 이용하여 미세연마 후 광학현미경 200배율로 촬영하여 이 이미지를 이미지 분석 장비 (Image-pro Analysis)로 분석하는 것도 가능하다.
기공의 크기나 기공의 양을 나타내는 기공률 (전체 면적 대비 기공의 비율)은 그 기공률이 높을수록 외부에서 기체, 액체, 용융된 고체와 같은 물질이 침투할 수 있는 기회를 넓히며, 이 기공률이 높다는 것은 기공을 통하여 다른 물질이 통과될 가능성이 높아 모제를 손상시킬 수 있는 기회가 많다는 것을 의미한다. 또한 기공들이 서로 연결되어 통로를 이루게 되면 외부에서 내부로 유체가 이동하는 통로인 침투경로가 된다.
침투경로란, 코팅층의 외부에 존재하는 유체가 코팅층의 균열, 기공, 표면처리가 잘못된 부분 등을 통하여 내부로 침투하는 과정에서 지나게 되는 경로를 의미하며, 표면코팅체의 표면으로부터 모재의 표면까지 침투하여 모재와 직접 접촉하기위해 유체가 이동 하는 경로를 의미한다.
본 명세서에서 관통이라는 용어가 사용되는 경우, 대상의 양 말단 또는 두 부분을 직선 형태로 관통하는 경우와 곡선을 포함하는 경로로 지나는 경우를 포함하는 넓은 의미로 해석된다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
표면코팅층을 침투하는 외부 물질은 제한되지 않으나, 이하에서는 외부물질이 용융금속인 경우에 대하여 설명한다.
도 1은 단일층의 금속표면코팅체 형성시 용융금속의 침투 경로를 나타낸 개략도이다. 금속표면코팅체는 모재의 표면에 형성된다. 모재(母材)는 본 발명에서 코팅의 대상이 되는 자재를 의미한다.
모재의 용도는 제한되지 않으나 용융금속에 노출되는 환경에서 사용되는 금속재일 수 있고, 바람직하게는 용융금속도금강판의 제작 시 용융금속이 존재하는 도금조(Coating pot)내에 잠겨 작동하는 싱크롤, 가이드롤 등의 부품인 것이 좋다. 모재의 소재는 제한되지 않으나, 금속을 포함하는 소재 또는 내열성을 가지는 엔지니어링 플라스틱 (폴리에테르에테르케톤 (Polyether ether ketone, PEEK), 폴리에테르이미드 (Polyetherimide), 폴리아미드이미드(Polyamide-imide), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리벤지미다졸 (Polybenzimidazole) 등) 또는 엔지니어링 플라스틱을 기반으로 금속 소재 등과 혼합된 복합소재 등이 포함될 수 있다.
제1표면코팅층은 모재 상에 직접 형성되는 코팅층이다. 제1표면코팅층의 조성물은 제한되지 않으나 금속 조성물을 포함하여 이루어질 수 있고, 바람직하게는 텅스텐 (W), 니켈 (Ni), 크롬 (Cr) 등의 금속 탄화물을 기반으로 한 합금, 세라믹소재, 비정질합금, 인코넬, 팀켄내열합금 또는 니켈, 크롬, 아연 금속과 그 크로메이트 등 유도체가 사용될 수 있다.
세라믹소재는 천연 원료 소재와 알루미나 (산화 알루미늄, 규산 알루미늄)를 결합하여 만든 실리케이트 세라믹 또는 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 알루미늄 티탄산염과 금속 산화물을 기반으로 한 산화물 세라믹이 포함될 수 있고, 탄화 규소, 질화 규소 및 질화 알루미늄과 같은 탄소, 질소 및 규소 화합물을 기반으로 하는 비산화물 세라믹과 같은 세라믹 소재가 포함될 수 있다.
비정질합금은 주제를 철, 지르코늄, 티타늄 또는 알루미늄으로 하는 철계 비정질 합금, 지르코늄계 비정질 합금, 티타늄계 비정질 합금 또는 알루미늄계 비정질 합금 등이 포함될 수 있다.
인코넬은 니켈을 주체로 하여 15%의 크롬, 6∼7%의 철, 2.5%의 티타늄, 1% 이하의 알루미늄·망가니즈·규소를 첨가한 내열합금이며, 팀켄내열합금은 철을 기반으로 하고 15~17%의 크롬,20~27%의 니켈, 5~7%의 몰리브덴, 2%의 망간, 1%의 실리콘을 포함하는 합금이다.
제1표면코팅층의 코팅방법은 제한되지 않으며, 바람직하게는 전해 도금, 무전해 도금, 용융 도금, 화학 도금, 이온 도금, 액체 도장, 분체 도장, 소부 도장, 탄소나 질소 등을 침투시켜 표면을 경화시키는 표면 경화(Case Hardening), 화학 피막을 만들어주는 화성 처리(Chemical Coatings), 산화층을 향상시키는 양극산화처리(Anodizing), 유체를 흘려 코팅하는 라이닝(Lining), 화염이나 플라즈마 등 고온의 열원에 분말 또는 와이어 형태의 물질을 녹여 코팅하는 용사 코팅, 고체 물질을 기체 상태로 만들어 표면에서 고체 코팅층을 만드는 증착 등을 포함하는 방법이 사용될 수 있다.
제1표면코팅층은 모재 위에 균일한 두께로 형성될 수 있으며 두께는 0.01㎛내지 5㎜, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 500㎛ 범위일 수 있다. 두께가 해당 범위를 벗어나는 경우에는 전체 금속표면코팅체의 두께가 두꺼워지고 사용되는 조성물의 양이 많아져 경제성이 나빠지고, 밀착력이 나빠져 코팅층의 탈락이 발생할 수 있으며, 외부의 충격에 의해 탄성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 해당 범위에 미치지 못하는 경우에는 찍힘 등 물리적인 충격에 쉽게 파손되고, 오염이 쉬워 물성저하가 쉽게 발생하며, 액상 외부물질의 침투가 쉬워 모재의 손상을 가져올 수 있는 문제점이 있다.
제1표면코팅층은 조성물 또는 코팅방법에 따라 1개 이상의 제1기공을 구비할 수 있다. 제1기공은 제1표면코팅층의 표면에 존재할 수 있고, 제1표면코팅층의 내부에서 연결되어 제1표면코팅층의 상부면과 모재와 접촉되는 하부면을 관통할 수 있다.
제1표면코팅층의 기공률은 0% 또는 이에 가까운 것이 이상적이나, 실제 코팅과정에서 미세한 기공이 표면코팅층에 포함될 수 있다. 형성된 미세한 기공은 표면코팅층에 접촉되는 유체의 침투가 진행될 수 있는 경로를 형성할 수 있으므로 기공률이 낮을수록 유체의 침투를 방지하는 효과가 좋을 수 있다.
제1표면코팅층의 기공률은 표면코팅층을 구성하는 조성물 및 코팅방법에 따라 달라질 수 있으며, 동일한 조성물과 코팅방법을 사용하는 경우라도 실험 조건, 장비에 따라 다르게 나타날 수 있다.
제1표면코팅층은 기공이 존재하지 않거나 표면코팅층의 기공률이 0%를 초과하고 10% 이하가 되도록 조성물과 코팅방법을 선택하여 형성될 수 있으며, 기공이 존재하는 경우 바람직하게는 기공률이 0% 를 초과하고 2% 이하인 것이 좋다.
코팅의 조성물이 균일하게 이루어지지 않은 경우 형성되는 코팅층의 기공률이 높아질 수 있다.
코팅방법으로는 도금, 용사코팅, 산화, 도장, 증착, 표면 경화, 화성처리, 라이닝 등의 방법이 사용될 수 있으며, 기공률은 코팅방법별로 차이가 있으나 코팅방법의 공정, 온도, 속도, 코팅 물질과 혼합된 종류에 따라서 달라지고, 일반적으로 코팅 온도가 높고 속도가 빠를수록 기공률이 높게 측정되며, 온도가 낮고 속도가 느린 경우 기공률이 상대적으로 감소할 수 있으나, 특정 지점에 코팅층이 집중적으로 형성될 수 있어 두께의 편차가 발생하는 단점이 있다.
앞서 예시로 기재한 코팅방법에서 코팅방법에 따른 기공률은 산화, 표면 경화, 도금, 증착, 화성처리, 용사코팅, 도장, 라이닝의 순서로 낮게 나타날 수 있으며, 적정 두께의 확보와 산업적으로 안정적인 공정이 확보되고 필요한 두께의 확보가 용이한 용사코팅 방법 또는 산화, 도금 방법을 사용하여 제1코팅층을 형성하는 것이 바람직하다. 코팅층의 기공률을 감소시키기 위하여 진공 조건에서 코팅층을 형성하거나 상압 상태에서 열처리 공정을 추가할 수 있다.
제1기공의 크기는 수십 ㎚ 내지 수십 ㎛의 범위일 수 있고, 10㎚ 내지 50㎛ 범위 또는 10㎚ 내지 100㎚범위일 수 있으며, 바람직하게는 해당 범위에서 10nm에 가까우며, 작을수록 좋다.
제 1기공의 크기는 바람직하게는 철계 비정질 합금 조성물의 용사코팅으로 코팅을 실시하여 수십 ㎚내지 수㎛의 범위로 얻어질 수 있다. 제1기공의 크기가 해당 범위보다 클 경우 외부물질이 제 1계면에서 1기공으로 침투하기 용이해져 코팅층 형성의 효과가 감소할 수 있다.
도 2는 제1 및 제2표면코팅층을 가지는 다층구조의 금속표면코팅체 형성 시 용융금속의 증가된 침투경로를 나타낸 개략도이다. 제2표면코팅층은 제1표면코팅층 상에 형성되고, 제1표면코팅층과 제2표면코팅층의 사이에 제1계면이 형성된다.
제2표면코팅층의 조성물은 제한되지 않으나 금속 조성물을 포함하여 이루어질 수 있고, 바람직하게는 텅스텐 (W), 니켈 (Ni), 크롬 (Cr) 등의 금속 탄화물을 기반으로 한 합금, 세라믹소재, 비정질합금, 인코넬, 팀켄내열합금 또는 니켈, 크롬, 아연 금속과 그 크로메이트 등 유도체가 사용될 수 있다.
세라믹소재는 천연 원료 소재와 알루미나 (산화 알루미늄, 규산 알루미늄)를 결합하여 만든 실리케이트 세라믹 또는 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 알루미늄 티탄산염과 금속 산화물을 기반으로 한 산화물 세라믹이 포함될 수 있고, 탄화 규소, 질화 규소 및 질화 알루미늄과 같은 탄소, 질소 및 규소 화합물을 기반으로 하는 비산화물 세라믹과 같은 세라믹 소재가 포함될 수 있다.
제2표면코팅층의 코팅방법은 제한되지 않으며, 제1표면코팅층과 동일한 코팅방법이 사용될 수 있고, 바람직하게는 도금, 증착, 용사코팅, 산화, 도장, 표면 경화, 화성처리, 라이닝 등의 방법이 사용될 수 있다.
제2표면코팅층은 제1표면코팅층 상에 균일한 두께로 형성될 수 있으며 두께는 0.01㎛내지 3㎜, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 300㎛ 범위일 수 있다.
제2표면코팅층의 기공률은 0% 또는 이에 가까운 것이 이상적이나, 실제 코팅과정에서 제2기공이 표면코팅층에 포함될 수 있다. 형성된 미세한 제2기공은 제2표면코팅층의 내부에서 연결되어 제2표면코팅층을 관통할 수 있고, 표면코팅층에 접촉되는 유체의 침투가 진행될 수 있는 경로를 형성할 수 있으므로 기공률이 낮을수록 유체의 침투를 방지하는 효과가 좋을 수 있다.
제2표면코팅층의 기공률은 코팅층을 구성하는 조성물 및 코팅방법에 따라 달라질 수 있으며, 동일한 조성물과 코팅방법을 사용하는 경우라도 실험 조건, 장비에 따라 다르게 나타날 수 있다.
제2표면코팅층은 기공이 존재하지 않거나 제2표면코팅층의 기공률이 0%를 초과하고 10% 이하가 되도록 조성물과 코팅방법을 선택하여 형성될 수 있으며, 기공이 존재하는 경우 바람직하게는 기공률이 0% 를 초과하고 1% 이하인 것이 좋다.
코팅방법으로는 도금, 증착, 용사코팅, 산화, 도장, 표면 경화, 화성처리, 라이닝 등의 방법이 사용될 수 있으며, 코팅방법에 따른 기공률은 코팅 공정 중의 온도, 코팅의 속도, 코팅 공정 중의 온도, 코팅에 사용되는 입자의 크기 등에 의하여 영향을 받으며 산화, 표면 경화, 도금, 증착, 화성처리, 용사코팅 등에서 기공률이 낮게 나타날 수 있으며, 도장, 라이닝에서 기공률이 높게 나타날 수 있다. 예시로 나타낸 코팅방법에서의 코팅방법에 따른 기공률은 산화, 표면 경화, 도금, 증착, 화성처리, 용사코팅, 도장, 라이닝의 순서로 낮게 나타날 수 있어, 경제성과 안정적인 용융금속의 차단효과를 고려하면 도금 또는 용사코팅을 사용하여 제2표면코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.
제2표면코팅층의 기공률은 제1표면코팅층의 기공률보다 낮거나 같을 수 있다. 제2표면코팅층은 제1표면코팅층보다 상부에 위치하고, 용융금속과 더 먼저 접촉하므로, 제2표면코팅층의 기공률이 제1표면코팅층보다 낮은 경우에 금속표면코팅체의 용융금속 침투 지연 효과가 높으며, 제1표면코팅층의 내구도 및 금속모재의 수명이 더 연장될 수 있다.
용융금속의 침투 지연 효과는 물리적인 코팅층에서 산업적으로 생산성을 확보할 수 있는 수준의 경제성을 확보하는 공정들을 통하여 서로 다른 두 개의 코팅층을 형성하고, 이러한 코팅층을 형성하는 과정에서 발생하는 기공들이 계면에서 서로 다른 위치에 형성됨으로써 물리적으로 용융된 금속이 침투하는 경로의 길이를 길게 하여 코팅층의 내구성을 향상시킴으로써 얻어질 수 있다. 또한, 서로 다른 위치에 기공이 형성된 코팅층이 형성되는 것과 더불어 제1표면코팅층의 형성시 표면에 발생된 기공에 대하여 제2표면코팅층이 형성될 때, 제1표면코팅층의 기공을 제2표면코팅층의 입자가 가리거나 막을 수 있으므로 용융금속이 침투할 때 제1표면코팅층에서 투과가 시작될 수 있는 지점의 수가 상대적으로 줄어들수 있어 침투 지연 효과가 보다 높아진다.
제2기공의 크기는 수십 ㎚ 내지 수십 ㎛의 범위일 수 있고, 10㎚ 내지 50㎛ 범위 또는 10㎚ 내지 100㎚범위로 형성될 수 있다. 다.제 2기공의 크기는 바람직하게는 도금, 증착, 용사코팅의 공정을 통하여 수십 ㎚ 내지 1㎛의 범위에서 얻어질 수 있다. 제2기공의 크기가 해당 범위를 벗어날 경우 외부물질이 제2기공을 침투하기 용이해져 효과가 감소할 수 있다. 제2기공의 크기는 제1기공의 크기에 비하여 작을수록 침투 지연 효과가 높다.
제2표면코팅층과 제1표면코팅층의 관계에서 기공률은 제2표면코팅층에서 작거나 같은 것이 바람직하고, 기공의 크기 또한 제2표면코팅층에서 작거나 같은 것이 바람직하다. 기공의 크기가 커질수록 기공률이 증가함과 더불어 외부물질의 침투가 용이해지므로 동일한 기공률인 경우라도 기공의 평균 크기가 작은 경우에 외부물질의 침투 차단효과가 좋을 수 있다. 기공의 크기가 큰 경우 표면코팅층을 관통하는 경로가 단순화되어 경로가 짧아지지만 기공의 크기가 작은 경우 표면코팅층 내에 형성되는 광통경로가 복잡해질 수 있어 침투 차단이 용이하다.
제1계면은 제1표면코팅층과 제2표면코팅층 사이에 형성되어 도 2에 나타난 것과 같이 용융금속의 침투경로를 연장하여 침투시간을 지연시키는 역할을 수행할 수 있다. 제2표면코팅층의 외부로부터 모재까지 용융금속이 침투하는 경우에 제1표면코팅층과 제2표면코팅층이 접촉하는 제1계면에 제1기공과 제2기공이 직접 연결되지 않는 구간이 포함되어 제1기공을 지나는 경로와 제2기공을 지나는 경로를 연결하는 침투경로가 형성될 수 있다.
침투경로는 제2표면코팅층의 제2기공을 지나는 경로를 포함하고, 제1표면코팅층에서 제1기공을 지나는 경로를 포함하며, 제1계면을 통과하는 경로를 포함한다. 제1계면을 통과하는 경로는 제1계면에서 제1계면을 따라 제1기공과 제2기공을 연결하는 경로를 포함하며, 제1표면코팅층의 내부 및 제2표면코팅층의 내부를 지나지 않는 경로를 포함한다.
침투경로는 하나 이상일 수 있으며 제1기공을 지나는 경로, 제1계면을 지나는 경로, 제2기공을 지나는 경로를 복수개 포함할 수 있으나, 하나의 침투경로에서 제1기공을 지나는 경로 및 제2기공을 지나는 경로는 1개씩 포함되는 것이 바람직하다.
침투경로가 제1계면에서 제1기공과 제2기공을 연결하는 경로를 포함함으로써 전체 침투경로가 연장되는 효과가 발생한다.
제1표면코팅층에 존재하는 제1기공과 제2표면코팅층에 존재하는 제2기공은 서로 다른 제1표면코팅층과 제2표면코팅층의 사이에서 직접 연결될 확률이 매우 낮다. 제1표면코팅층과 제2표면코팅층의 기공률로부터 제1계면에서 각 표면코팅층의 기공이 연결될 확률을 계산하면 0.1% 내지 10% 범위이다. 이 때, 해당 확률은 제1계면에서 기공과 기공이 서로 연결될 수 있는 확률로, 계면에 존재하는 모든 기공이 표면코팅층을 관통하지 않는다고 볼 때, 이 때의 기공은 제1 및 제2표면코팅층을 관통하지 않는 기공을 포함하게 되므로 제1 및 제2표면코팅층을 관통하는 제1 및 제2기공이 서로 연결되는 확률은 이보다 더 낮아져 0%를 초과하고 0.1% 이하로 나타날 수 있다.
제1기공 및 제2기공은 각각 제1 및 제2표면코팅층을 관통하여 제1계면까지 이어질 수 있고, 제1계면에서 제1계면을 따라 제1기공과 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 1㎛ 내지 30㎛일 수 있고, 바람직하게는 15㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다. 제1계면에서 제1계면을 따라 제1기공과 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 금속표면코팅체 두께의 0.1배 내지 100배 일 수 있다. 제1계면에서 제1계면을 따라 제1기공과 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 계면이 형성되지 않는 단일한 표면코팅층에서의 침투경로보다 1.1배 내지 2배 일 수 있다.
제1계면에서 제1계면을 따라 제1기공과 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 제1표면코팅층에서 제1기공을 지나는 경로의 평균거리의 0.1 내지 10배일 수 있다.
제1표면코팅층과 제2표면코팅층의 제1계면에서 제1 기공과 다른 위치에 제2기공이 형성될 수 있다. 제1기공과 제2기공이 직접 연결되지 않은 경우에, 제2기공을 침투한 용융금속은 제1계면에 도달하여 제1계면을 따라 이동하게 되고, 침투한 용융금속은 제1계면에서 제1표면코팅층의 제1기공 또는 표면 처리 불량 부분까지 모재 방향(직경방향) 침투가 아닌 계면 방향(접선 방향)으로 침투를 진행한다. 해당 과정에서 제1 및 제2표면코팅층의 내부 기공에서 일어나는 직경방향 침투경로에 비해 계면에서 일어나는 접선방향 침투경로는 상대적으로 길어지고, 또한 제2기공을 통하여 침투한 용융금속은 제1기공의 방향으로만 계면 방향으로 이동하는 것이 아니라 무작위로 이동하게 된다.
이러한 계면에서의 용융금속의 이동은 상대적으로 제2기공에서 제1기공으로 이동하는 경로가 선택될 가능성을 줄여줌으로써 침투 시간의 지연 효과가 나타난다. 이러한 침투경로의 연장으로 용융금속이 제2표면코팅층의 외부로부터 침투하여 제1기공을 지나 모재에 접촉하기 까지 걸리는 시간이 지연되므로 모재의 수명이 향상된다.
직경방향 침투경로를 늘리기 위해서는 전체 금속표면코팅체의 두께를 증가시켜야 하는 한계점이 있지만, 접선방향 침투 경로는 금속표면코팅체가 계면을 포함하도록 형성됨으로써 증가될 수 있다.
또한, 직경방향 침투는 용융금속이 진행방향으로 침투하기 쉬운 반면, 계면에서 일어나는 접선방향 침투는 용융금속이 2차원의 계면을 따라 넓게 퍼져나가므로 용융금속에 의한 자극이 감소하여 제2표면코팅층에서의 직경방향 침투속도 대비 제1표면코팅층에서의 직경방향 침투속도 감소를 감소시키는 효과 또한 얻어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 제2표면코팅층 상에 형성되는 제3표면코팅층을 포함하는 금속표면코팅체이다.
제3표면코팅층의 조성물은 제한되지 않으나 금속 조성물을 포함하여 제1표면코팅층 또는 제2표면코팅층에 사용될 수 있는 조성물이 사용될 수 있다. 제3표면코팅층의 코팅방법은 제한되지 않으며, 제1표면코팅층 또는 제2표면코팅층에 사용될 수 있는 코팅방법이 사용될 수 있다.
제3표면코팅층은 제2표면코팅층 상에 균일한 두께로 형성될 수 있으며 두께는 0.01㎛내지 3㎜, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 300㎛ 범위일 수 있다.
제3표면코팅층의 기공률은 0% 또는 이에 가까운 것이 바람직하나, 실제 코팅과정에서 제3기공이 표면코팅층에 포함될 수 있다. 형성된 미세한 제3기공은 제3표면코팅층의 내부에서 제3표면코팅층을 지나도록 연결되어 제3표면코팅층을 관통하여 제3표면코팅층의 상부면과 제2표면코팅층과 접촉하는 하부면인 제2계면을 연결하도록 형성될 수 있다.
제3표면코팅층의 기공률은 코팅층을 구성하는 조성물 및 코팅방법에 따라 달라지며, 동일한 조성물과 코팅방법을 사용하는 경우라도 실험 조건, 장비에 따라 다르게 나타날 수 있다.
제3표면코팅층은 기공이 존재하지 않거나 제3표면코팅층의 기공률이 0%를 초과하고 10% 이하가 되도록 조성물과 코팅방법을 선택하여 형성될 수 있으며, 기공이 존재하는 경우 바람직하게는 기공률이 0% 를 초과하고 1% 이하인 것이 좋다.
제3표면코팅층의 기공률은 제2표면코팅층의 기공률보다 낮거나 같을 수 있다. 제3표면코팅층은 제2표면코팅층보다 상부에 위치하고, 용융금속과 더 먼저 접촉하므로, 제3표면코팅층의 기공률이 제2표면코팅층보다 낮은 경우에 금속표면코팅체의 용융금속 침투 지연 효과가 높으며, 제1표면코팅층의 내구도 및 금속모재의 수명이 더 연장될 수 있다.
제2계면은 제2표면코팅층과 제3표면코팅층 사이에 형성되어 용융금속의 침투경로를 더 연장하여 침투를 지연시키는 역할을 수행한다.
제2표면코팅층에 존재하는 제2기공과 제3표면코팅층에 존재하는 제3기공은 제2계면에서 직접 연결될 확률이 매우 낮고, 그 확률은 제2표면코팅층과 제3표면코팅층의 기공률로부터 계산될 수 있으며, 그 범위는 제1기공과 제2기공이 직접 연결될 확률과 동일한 방법으로 계산된다.
제2계면에서 제2기공과 제3기공의 평균거리는 제1기공과 제2기공의 평균거리와 동일한 방법으로 계산될 수 있고, 제2계면에서 제2계면을 따라 제2기공과 제3기공을 연결하는 경로의 평균거리는 1㎛ 내지 30㎛일 수 있으며, 바람직하게는 15㎛ 내지 30㎛ 일 수 있다. 제2계면에서 제2계면을 따라 제3기공과 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 금속표면코팅체 두께의 0.1배 내지 100배 일 수 있다. 제2계면에서 제2계면을 따라 제3기공과 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 계면이 형성되지 않는 단일한 표면코팅층에서의 침투경로 거리의 1.1배 내지 2배 일 수 있다.
제2계면에서 제2계면을 따라 제3기공과 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 제2표면코팅층에서 제2기공을 관통하는 경로의 평균거리의 0.1 내지 10배일 수 있다.
제2계면은 제1계면보다 상부에 위치하고 제2계면에서 인접하는 제2표면코팅층및 제3표면코팅층은 제1계면에서 인접하는 제1표면코팅층 및 제2표면코팅층보다 낮은 기공률을 가질 수 있으므로 침투금속 방지 효과가 제1계면보다 좋을 수 있다.
용융금속의 침투경로가 길어질수록 최외곽의 표면코팅층(제3표면코팅층)의 표면에서 용융금속이 유입되는 제3기공과 침투경로의 말단 사이의 거리가 멀어지고 침투경로의 말단이 여러 방향으로 분산되므로 하나의 침투경로의 말단에서 용융금속의 침투속도는 감소된다. 또한 제2기공과 제3기공 사이를 연결하는 계면 방향으로의 용융금속의 이동 경로가 길어져 침투속도의 감소가 나타난다.
본 발명의 또 다른 측면은 복수개의 표면코팅층을 포함하는 금속표면코팅체이다. 금속표면코팅체는 모재 표면에 형성되는 제1표면코팅층을 포함하고, 2이상이고 5이하인 자연수 n에 대하여 제(n-1)표면코팅층 상에 형성되는 제n표면코팅층을 포함하며, 제n표면코팅층과 제(n-1)표면코팅층의 사이에는 제(n-1)계면이 형성된다.
제n표면코팅층의 조성물은 제한되지 않으나 금속 조성물을 포함하여 이루어질 수 있고, 바람직하게는 텅스텐 (W), 니켈 (Ni), 크롬 (Cr) 등의 금속 탄화물을 기반으로 한 합금, 천연 원료 소재와 알루미나 (산화 알루미늄, 규산 알루미늄)을 결합하여 만든 실리케이트 세라믹 / 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 알루미늄 티탄산염과 금속 산화물을 기반으로 한 산화물 세라믹 / 탄화 규소, 질화 규소 및 질화 알루미늄과 같은 탄소, 질소 및 규소 화합물을 기반으로 하는 비산화물 세라믹과 같은 세라믹 소재, 니켈을 주체로 하여 15%의 크롬, 6∼7%의 철, 2.5%의 티타늄, 1% 이하의 알루미늄·망가니즈·규소를 첨가한 내열합금인 인코넬, 주제를 철/지르코늄/티타늄/알루미늄으로 하는 철계 비정질 합금 / 지르코늄계 비정질 합금 / 티타늄계 비정질 합금 / 알루미늄계 비정질 합금 등 비정질 합금이 사용될 수 있고, 철을 기반으로 하고 15~17%의 크롬,20~27%의 니켈, 5~7%의 몰리브덴, 2%의 망간, 1%의 실리콘을 포함하는 팀켄내열합금, 니켈 / 크롬 / 아연 금속과 그 크로메이트 등 유도체 등이 사용될 수 있으며, 제1표면코팅층의 조성물과 동일한 조성물을 포함하여 형성될 수 있다.
제n표면코팅층의 코팅방법은 제한되지 않으며, 제1표면코팅층과 동일한 코팅방법이 사용될 수 있고, 바람직하게는 도금, 증착, 용사코팅, 산화, 도장, 표면 경화, 화성처리, 라이닝 등의 방법이 사용될 수 있으며, 코팅방법에 따른 기공률은 코팅 공정 중의 온도, 코팅의 속도, 코팅 공정 중의 온도, 코팅에 사용되는 입자의 크기 등에 의하여 영향을 받으며 산화, 표면 경화, 도금, 증착, 화성처리, 용사코팅 등에서 기공률이 낮게 나타날 수 있으며, 도장, 라이닝에서 기공률이 높게 나타날 수 있다.
예시로 나타낸 코팅방법에서의 코팅방법에 따른 기공률은 산화, 표면 경화, 도금, 증착, 화성처리, 용사코팅, 도장, 라이닝의 순서로 낮게 나타날 수 있어, 경제성과 안정적인 용융금속의 차단효과를 고려하면 도금 또는 용사코팅을 사용하여 제2표면코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.
제n표면코팅층은 제2표면코팅층 상에 균일한 두께로 형성될 수 있으며 두께는 0.01㎛내지 3㎜, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 300㎛ 범위일 수 있다. 제n표면코팅의 두께는 전체 금속표면코팅체에 포함되는 표면코팅층의 수에 따라 달라질 수 있으며, 코팅의 수가 증가하면 제n표면코팅의 두께는 더 감소하여 0.1㎛ 내지 200㎛ 범위로 형성될 수 있다.
금속표면코팅체의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎜일 수 있고, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 2㎜인 것이 좋다. 금속표면코팅체의 두께가 해당 범위보다 얇은 경우 기공이나 균열에 의해 용융금속이 침투하기 쉬우며, 내구성 및 내마모성이 감소하여 외부의 충격이나 진동에 의해 사후적으로 균열이 생기기 쉽다. 또, 표면코팅층의 수를 증가시키기 어려워 본 발명의 효과를 충분히 얻기 어렵고, 두께가 해당 범위보다 두꺼운 경우 코팅 물질의 사용량이 증가하여 경제성이 떨어지고, 밀착력이 약해져 외부의 충격에 의하여 코팅층이 탈락되는 문제점이 있다.
제n표면코팅층은 내부에 적어도 1개 이상의 제n기공을 포함할 수 있으며, 제n기공률을 갖는다. 제n표면코팅층은 기공이 존재하지 않거나 제n표면코팅층의 기공률이 0%를 초과하고 10% 이하가 되도록 조성물과 코팅방법을 선택하여 형성될 수 있으며, 기공이 존재하는 경우 바람직하게는 기공률이 0% 를 초과하고 1% 이하인 것이 좋다. 제n기공률은 제(n-1)기공률보다 작거나 같을 수 있다. 제n기공의 크기는 수십 ㎚ 내지 수십 ㎛일 수 있고, 10㎚ 내지 50㎛ 범위 또는 10㎚ 내지 100㎚범위로 형성될 수 있다. 제n기공의 크기는 제(n-1)기공의 크기에 비하여 작을수록 금속 표면코팅체의 침투 지연 효과가 높다.
제n표면코팅층이 인접한 제(n-1)코팅층과 동일한 조성물을 사용하여 동일한 코팅방법으로 형성되는 경우, 제(n-1)계면에서 인접하는 두 표면코팅층의 성질이 유사하여 조성물 또는 코팅방법이 다른 두 표면코팅층의 계면 대비 발명의 효과가 충분히 얻어지지 않을 수 있다. 이는, 동일한 성질을 가지는 두 표면코팅층이 형성하는 계면이 서로 다른 성질을 가지는 두 표면코팅층이 형성하는 계면보다 표면 에너지의 차이가 적어 계면을 형성하기 어렵고, 이에 따라 제(n-1)코팅층에서 형성된 기공이 제n코팅층에서 연속적으로 이어져 용융금속 같은 외부물질이 침투할 때 연결된 기공이 외부물질의 이동에 대한 통로 역할을 하기 때문으로 볼 수 있다.
제n표면코팅층은 인접한 제(n-1)코팅층과 다른 조성물로 이루어질 수 있고, 인접한 코팅층과 다른 코팅방법으로 형성될 수 있으며, 다른 조성물을 사용하여 다른 코팅방법으로 형성될 수 있다.
제n표면코팅층은 제1표면코팅층 내지 제(n-1)표면코팅층 중 적어도 어느 하나와 동일한 코팅방법으로 형성될 수 있다. 또한, 금속표면코팅체를 구성하는 조성물의 종류는 제1표면코팅층 내지 제n표면코팅층에 대하여 n종류 이하이며, (n-1)종류 이하일 수 있고, 제n표면코팅층은 제1표면코팅층 내지 제(n-1)표면코팅층 중 적어도 어느 하나와 동일한 조성물로 형성될 수 있다.
금속표면코팅체가 n개의 층으로 이루어진 경우 코팅층의 수보다 적은 (n-1)개의 계면이 형성될 수 있다. 제(n-1)계면은 상부와 하부에서 인접하는 제(n-1)표면코팅층과 제n표면코팅층의 조성물 및 코팅방법에 따라 구별될 수 있으며, 상부와 하부의 표면코팅층의 순서만 바뀌는 경우는 동일한 계면으로 볼 수 있다. 즉, A층과 B층 사이에 위치하는 계면으로서 A층이 하부이고 B층이 상부인 경우와 B층이 하부이고 A층이 상부인 경우에는 두 계면은 서로 동일한 계면이다.
예를들어 3이상의 n에 대하여 제(n-2)표면코팅층과 제n표면코팅층이 동일한 조성물을 동일한 코팅방법으로 형성하는 경우, 제(n-1)계면은 제(n-1)표면코팅층과 제n표면코팅층의 사이에 형성되고, 제(n-2)계면은 제(n-1)표면코팅층과 제(n-2)표면코팅층의 사이에 형성되므로 제(n-1)계면과 제(n-2)계면은 동일한 성질을 가지는 계면으로 볼 수 있다.
이 때, 제(n-1)계면과 제(n-2)계면은 동일한 성질을 가지는 계면이지만, 제(n-1)기공과 제(n-2)기공은 서로 연결되어 있지 않고, 외부 물질의 침투 시에 계면을 이동해야하는 경로가 추가되어 용해 금속의 침투 속도 지연 효과가 발생한다.
금속표면코팅체에 포함되는 계면의 수는 제한되지 않으나, 금속표면코팅체는 동일한 성질의 계면을 2 이상 포함할 수 있다.
금속표면코팅체는 제n표면코팅층의 접착력을 향상시키기 위한 본딩층을 포함하지 않을 수 있다. 본딩층은 인접한 코팅층과의 결합력이 향상되어 존재하는 계면을 통하여 액체의 침투를 방지하는 효과가 적어 본 발명의 목적을 달성하기 어렵다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 금속표면코팅체의 다층코팅구조는 인접하는 표면코팅층 사이에 형성되는 계면의 수가 많으면서 표면코팅층의 기공률이 최소화 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면인 금속표면코팅체는 각 코팅층의 전기적 성질 또는 자기적 성질 등의 특성에 구애받지 않고 전체 금속표면코팅체의 계면 수 및 기공률, 계면에서 기공의 일치비율에 의해 아래와 같은 유리한 효과를 얻을 수 있는 특징이 있다.
이하에서는 구체적인 실시예를 들어 본발명을 상세히 설명한다.
실시예
실시예 1
10cm Ⅹ 10cm 탄소강 시편에 대구텍의 텅스텐 카바이드 분말 (WC250H)을 용사코팅하여 시료를 만들었다.
용사 코팅은 Praxair JP8000 장비에 TAFA Model 8200 gun과 TAFA Model 1288 Powder Feeder를 이용하여 각각 텅스텐 카바이드 분말의 코팅층이 50㎛가 되도록 제1표면코팅층을 형성하였다.
제1표면코팅층위에 아토메탈테크코리아의 철계 비정질 합금 분말(AA02)을 동일한 장비를 이용하여 용사코팅 실시하여 제1표면코팅층과 기공률이 동일하고 코팅층이 50㎛가 되도록 제2표면코팅층을 형성하였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 33㎛의 제1표면코팅층을 형성하였고, 실시예 1과 동일한 철계 비정질 합금을 용사코팅하여 33㎛의 제2표면코팅층을 형성하였으며, 동일한 텅스텐 카바이드를 용사코팅하여 제2표면코팅층과 기공률이 동일한 33㎛의 제3표면코팅층을 형성하였다.
실시예 3
동일한 텅스텐카바이드를 용사코팅하여 25㎛의 제1표면코팅층 및 제3표면코팅층을 형성하였고, 동일한 철계 비정질 합금을 용사코팅하여 25㎛의 제2표면코팅층 및 제4표면코팅층을 형성하였다.
실시예4
동일한 텅스텡 카바이드를 용사코팅하여 50㎛의 제1표면코팅층을 형성하였고, 경질 크롬 전기도금으로 50㎛의 제2표면코팅을 형성하였다.
실시예5
동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 33㎛의 제1표면코팅층을 형성하였고, 실시예 4와 동일한 경질 크롬 전기도금으로 33㎛의 제2표면코팅층을 형성하였으며, 동일한 텅스텐 카바이드를 용사코팅하여 33㎛의 제3표면코팅층을 형성하였다.
실시예 6
동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 33㎛의 제1표면코팅층을 형성하였고, 실시예 4와 동일한 경질 크롬 전기도금으로 33㎛의 제2표면코팅층을 형성하였으며, 철계 비정질 합금 분말을 용사코팅하여 33㎛의 제3표면코팅층을 형성하였다.
실시예 7
동일한 텅스텐 카바이드 분말을 용사코팅하여 50㎛의 제1표면코팅층을 형성하였고, 동일한 텅스텐 카바이드 분말을 전기도금하여 50㎛의 제2표면코팅층을 형성하였다.
실시예 8
실시예 7과 같은 조성의 제1표면코팅층 및 제2표면코팅층을 33㎛로 형성하였으며, 텅스텐 카바이드 분말을 용사코팅하여 제2표면코팅층보다 기공률이 낮은 33㎛의 제3표면코팅층을 형성하였다.
실시예 9
실시예 8과 같은 조성의 제1표면코팅층, 제2표면코팅층 및 제3표면코팅층을 각각 25㎛로 형성하였으며, 텅스텐 카바이드 분말을 전기도금하여 제3표면코팅층보다 기공률이 낮은 25㎛의 제4표면코팅층을 형성하였다.
실시예 10
실시예 1과 동일한 조건에서 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 75㎛의 제1표면코팅층을 형성하고, 동일한 철계 비정질 합금 분말을 용사코팅하여 75㎛의 제2표면코팅층을 형성하였다.
실시예 11
실시예 1과 동일한 조건에서 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 85㎛의 제1표면코팅층을 형성하고, 동일한 철계 비정질 합금 분말을 용사코팅하여 15㎛의 제2표면코팅층을 형성하였다.
실시예 12
실시예 1과 동일한 조건에서 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 15㎛의 제1표면코팅층을 형성하고, 동일한 철계 비정질 합금 분말을 용사코팅하여 85㎛의 제2표면코팅층을 형성하였다.
실시예 13
실시예 2와 동일한 표면코팅층을 형성하고, 각 표면코팅층의 형성시에 상부에 형성되는 표면코팅층이 하부의 표면코팅층보다 낮은 기공률을 가지도록 형성하였다.
실시예 14
실시예 5와 동일한 표면코팅층을 형성하고, 각 표면코팅층의 형성시에 상부에 형성되는 표면코팅층이 하부의 표면코팅층보다 낮은 기공률을 가지도록 형성하였다.
실시예 15
실시예 8과 동일한 표면코팅층을 형성하고, 각 표면코팅층의 형성시에 상부에 형성되는 표면코팅층이 하부의 표면코팅층보다 낮은 기공률을 가지도록 형성하였다.
실시예 1 내지 15의 표면코팅층 조성, 코팅방법 및 두께를 아래 표 1에 정리하여 나타내었다.
| 제1표면코팅층 | 제2표면코팅층 | 제3표면코팅층 | 제4표면코팅층 | |||||||||
| 조성물 | 코팅방법 | 두께(㎛) | 조성물 | 코팅방법 | 두께(㎛) | 조성물 | 코팅방법 | 두께(㎛) | 조성물 | 코팅방법 | 두께(㎛) | |
| 실시예 1 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 50 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 50 | ||||||
| 실시예 2 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | |||
| 실시예 3 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 25 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 25 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 25 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 25 |
| 실시예 4 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 50 | 경질 크롬 | 전기도금 | 50 | ||||||
| 실시예 5 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 경질 크롬 | 전기도금 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | |||
| 실시예 6 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 경질 크롬 | 전기도금 | 33 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 33 | |||
| 실시예 7 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 50 | 텅스텐 카바이드 | 전기도금 | 50 | ||||||
| 실시예 8 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 전기도금 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | |||
| 실시예 9 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 25 | 텅스텐 카바이드 | 전기도금 | 25 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 25 | 텅스텐 카바이드 | 전기도금 | 25 |
| 실시예 10 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 75 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 75 | ||||||
| 실시예 11 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 85 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 15 | ||||||
| 실시예 12 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 15 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 85 | ||||||
| 실시예 13 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | |||
| 실시예 14 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 경질 크롬 | 전기도금 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | |||
| 실시예 15 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 전기도금 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | |||
비교예
비교예 1
실시예 1과 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 50㎛의 제1표면코팅층을 형성하고 동일한 방법과 두께의 제2표면코팅층을 형성하였다.
비교예 2 내지 4
실시예 1과 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 각각 30㎛, 50㎛, 100㎛ 두께의 제1표면코팅층을 형성하였다.
비교예 5 내지 7
실시예 1과 동일한 철계 비정질 합금 분말을 용사코팅하여 각각 30㎛, 50㎛, 100㎛ 두께의 제1표면코팅층을 형성하였다.
비교예 8 내지 10
모재에 경질 크롬 전해 도금을 실시하여 각각 30㎛, 50㎛, 100㎛ 두께의 제1표면코팅층을 형성하였다.
비교예 11
실시예 1과 동일한 코팅층을 형성하면서 제2표면코팅층의 기공률이 0.6% 보다 크도록 코팅체를 형성하였다.
비교예 12
실시예 1과 동일한 조건에서 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 97㎛의 제1표면코팅층을 형성하고, 동일한 철계 비정질 합금 분말을 용사코팅하여 3㎛의 제2표면코팅층을 형성하였다.
비교예 13
실시예 1과 동일한 조건에서 동일한 텅스텐카바이드 분말을 용사코팅하여 3㎛의 제1표면코팅층을 형성하고, 동일한 철계 비정질 합금 분말을 용사코팅하여 97㎛의 제2표면코팅층을 형성하였다.
비교예 14
실시예 2와 동일한 표면코팅층을 형성하고, 각 표면코팅층의 형성시에 상부에 형성되는 표면코팅층이 하부의 표면코팅층보다 높은 기공률을 가지도록 형성하였다.
비교예 15
실시예 5와 동일한 표면코팅층을 형성하고, 각 표면코팅층의 형성시에 상부에 형성되는 표면코팅층이 하부의 표면코팅층보다 높은 기공률을 가지도록 형성하였다.
비교예 16
실시예 8과 동일한 표면코팅층을 형성하고, 각 표면코팅층의 형성시에 상부에 형성되는 표면코팅층이 하부의 표면코팅층보다 높은 기공률을 가지도록 형성하였다.
비교예 1 내지 16의 표면코팅층 조성, 코팅방법 및 두께를 아래 표 2에 정리하여 나타내었다.
| 제1표면코팅층 | 제2표면코팅층 | 제3표면코팅층 | |||||||
| 조성물 | 코팅방법 | 두께 (㎛) |
조성물 | 코팅방법 | 두께(㎛) | 조성물 | 코팅방법 | 두께 (㎛) |
|
| 비교예 1 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 50 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 50 | |||
| 비교예 2 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 30 | ||||||
| 비교예 3 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 50 | ||||||
| 비교예 4 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 100 | ||||||
| 비교예 5 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 30 | ||||||
| 비교예 6 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 50 | ||||||
| 비교예 7 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 100 | ||||||
| 비교예 8 | 경질 크롬 | 전기도금 | 30 | ||||||
| 비교예 9 | 경질 크롬 | 전기도금 | 50 | ||||||
| 비교예 10 | 경질 크롬 | 전기도금 | 100 | ||||||
| 비교예 11 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 50 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 50 | |||
| 비교예 12 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 97 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 3 | |||
| 비교예 13 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 3 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 97 | |||
| 비교예 14 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 철계 비정질 합금 | 용사코팅 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 |
| 비교예 15 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 경질 크롬 | 전기도금 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 |
| 비교예 16 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 전기도금 | 33 | 텅스텐 카바이드 | 용사코팅 | 33 |
실험예
실시예 1 내지 12 및 비교예 1 내지 13에 따른 시료 시편의 기공률 (%)을 측정한 후, 코팅된 시편 위에 두께가 3mm이고 크기가 1cm Ⅹ 1cm인 아연 시편을 두고, 온도 600℃의 오븐에 1시간 방치하였다.
오븐에서 꺼낸 시편은 상온으로 식힌 후, 시편 연마기 (나노텍 NA-P2000N)을 이용하여 코팅층을 연마하고, 탄소강 시편의 상부를 SEM-EDS (Scanning Electron Microscopy - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 분석하여 아연이 검출되는 지점의 수를 기록하였다.
실시예 13 내지 15, 비교예 14 내지 16에 대하여 각 표면코팅층의 형성 후에 기공률을 각각 측정하여 기록하였고, 오븐 방치 실험 시간을 1시간에서 2시간으로 변경하고 동일하게 진행하였다.
실험예 1
실시예1의 시료 시편의 기공률을 측정하여 0.6%의 기공률을 얻었다. 아연이 검출되는 지점을 4곳 발견하여 기록하였다.
실험예 2
실시예 2의 시료 실험 결과, 기공률은 0.6%, 아연 검출 부위는 2곳이었다.
실험예 3
실시예 3의 시료 실험 결과, 기공률은 0.6%, 아연 검출 부위는 0곳이었다.
실험예 4
실시예 4의 시료 실험 결과, 기공률은 0.3%, 아연 검출 부위는 3곳이었다.
실험예 5
실시예 5의 시료 실험 결과, 기공률은 0.4%, 아연 검출 부위는 0곳이었다.
실험예 6
실시예 6의 시료 실험 결과, 기공률은 0.3%, 아연 검출 부위는 0곳이었다.
실험예 7
실시예 7의 시료 실험 결과, 기공률은 0.6%, 아연 검출 부위는 4곳이었다.
실험예 8
실시예 8의 시료 실험 결과, 기공률은 0.4%, 아연 검출 부위는 0곳이었다.
실험예 9
실시예 9의 시료 실험 결과, 기공률은 0.3%, 아연 검출 부위는 0곳이었다.
실험예 10
실시예 10의 시료 실험 결과, 기공률은 0.7%, 아연 검출 부위는 2곳이었다.
실험예 11
실시예 11의 시료 실험 결과, 기공률은 0.7%, 아연 검출 부위는 3곳이었다.
실험예 12
실시예 12의 시료 실험 결과, 기공률은 0.7%, 아연 검출 부위는 3곳이었다.
실험예 13
실시예 13의 시료 실험 결과, 표면코팅층의 기공률은 각각 제1표면코팅층부터 제3표면코팅층의 순서대로 0.6, 0.2, 0.08% 였고, 아연 검출 부위는 0곳 이었다.
실험예 14
실시예 1４의 시료 실험 결과, 표면코팅층의 기공률은 각각 제1표면코팅층부터 제3표면코팅층 순서대로 0.5, 0.2, 0.1% 였고, 아연 검출 부위는 0곳 이었다.
실험예 15
시예 15의 시료 실험 결과, 표면코팅층의 기공률은 각각 제1표면코팅층부터 제3표면코팅층 순서대로 0.3, 0.1, 0.06% 였고, 아연 검출 부위는 0곳 이었다.
실험예 16
비교예 1의 시료 실험 결과, 기공률은 0.7%, 아연 검출 부위는 24곳이었다.
실험예 17 내지 19
비교예 2 내지 4의 시료 실험 결과, 기공률은 각각 0.8%, 0.8%, 0.7% 였고, 아연 검출 부위는 각각 17, 15, 13곳이었다.
실험예 20 내지 22
비교예 5 내지 7의 시료 실험 결과, 기공률은 0.6%, 0.5%, 0.5% 였고, 아연 검출 부위는 각각 17, 12, 11곳이었다.
실험예 23 내지 25
비교예 8 내지 10의 시료 실험 결과, 기공률은 0.5%, 0.5%, 0.6% 였고, 아연 검출 부위는 각각 16, 13, 12곳이었다.
실험예 26
비교예 11의 시료 실험 결과, 기공률은 1.5%, 아연 검출 부위는 17곳이었다.
실험예 27
비교예 12의 시료 실험 결과, 기공률은 1.4%, 아연 검출 부위는 19곳이었다.
비교예 12의 시료 실험 결과, 기공률은 0.7%, 아연 검출 부위는 9곳이었다.
실험예 28
비교예 13의 시료 실험 결과, 기공률은 1.6%, 아연 검출 부위는 21곳이었다.
비교예 13의 시료 실험 결과, 기공률은 0.7%, 아연 검출 부위는 10곳이었다.
실험예 29
비교예 14의 시료를 각 표면코팅층의 형성 시 기공률을 측정하였고, 오븐 방치 실험의 시간을 2시간으로 변경하여 실험하였다. 실험 결과, 표면코팅층의 기공률은 각각 제1표면코팅층부터 제3표면코팅층 순서대로 0.6, 0.8, 1.1% 였고, 아연 검출 부위는 16곳 이었다.
실험예 30
비교예 15의 시료를 실험예 29와 동일한 방법으로 실험하였다. 실험 결과, 표면코팅층의 기공률은 각각 제1표면코팅층부터 제3표면코팅층 순서대로 0.5, 0.8, 1.0% 였고, 아연 검출 부위는 15곳 이었다.
실험예 31
비교예 16의 시료를 실험예 29와 동일한 방법으로 실험하였다. 실험 결과, 표면코팅층의 기공률은 각각 제1표면코팅층부터 제3표면코팅층 순서대로 0.5, 0.6, 1.1% 였고, 아연 검출 부위는 17곳 이었다.
실험예 1 내지 31의 기공률 및 아연 검출 부위의 수를 아래 표 3과 같이 정리하여 나타내었다.
| 측정대상 | 기공률 | 아연 검출 부위 (개) |
측정대상 | 기공률 | 아연 검출 부위 (개) |
| 실험예1 | 0.6% | 3 | 실험예 16 | 0.7% | 13 |
| 실험예2 | 0.6% | 1 | 실험예 17 | 0.7% | 24 |
| 실험예3 | 0.6% | 0 | 실험예 18 | 0.8% | 17 |
| 실험예4 | 0.3% | 3 | 실험예 19 | 0.8% | 15 |
| 실험예5 | 0.4% | 0 | 실험예 20 | 0.6% | 17 |
| 실험예6 | 0.3% | 0 | 실험예 21 | 0.5% | 12 |
| 실시예 7 | 0.6% | 4 | 실험예 22 | 0.5% | 11 |
| 실험예 8 | 0.4% | 1 | 실험예 23 | 0.5% | 16 |
| 실험예 9 | 0.3% | 0 | 실험예 24 | 0.5% | 13 |
| 실험예 10 | 0.7% | 2 | 실험예 25 | 0.6% | 12 |
| 실험예 11 | 0.7% | 3 | 실험예 26 | 1.5% | 17 |
| 실험예 12 | 0.7% | 3 | 실험예 27 | 0.7% | 9 |
| 실험예 13 | 0.6% 0.2% 0.08% |
0 | 실험예 28 | 0.7% | 10 |
| 실험예 14 | 0.5% 0.2% 0.1% |
0 | 실험예 29 | 0.6% 0.8% 1.1% |
16 |
| 실험예 15 | 0.3% 0.1% 0.06% |
0 | 실험예 30 | 0.5% 0.8% 1.0% |
15 |
| 실험예 31 | 0.5% 0.6% 1.1% |
17 |
표 3에서 실험예 1내지 6의 결과를 살펴보면 조성물 또는 코팅방법 중 적어도 어느 하나가 다르게 형성되는 표면코팅층의 형성 시 계면의 수의 증가에 따라 용융금속의 침투가 방지되는 효과가 있었다.
실험예 7 내지 9의 결과에서 조성물이 동일하고 코팅방법이 달리 형성되는 표면코팅층의 사용시에 계면의 수가 증가함에 따라 용융금속의 침투가 방지되는 효과가 있었다.
실험예 16의 결과에서 동일한 조성물을 동일한 코팅방법으로 형성하는 경우 발명의 효과가 상대적으로 적은 것으로 나타났다.
실험예 13 내지 15의 실험에서 상부에 형성되는 표면코팅층의 기공률이 낮을수록 더 좋은 용융금속 차단 효과를 얻을 수 있었다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 제1표면코팅층 2 : 제2표면코팅층
3 : 제1계면 10 : 모재
20 : 용융금속
3 : 제1계면 10 : 모재
20 : 용융금속
Claims (14)
- 모재;
상기 모재 상에 형성되며, 내부를 관통하는 적어도 1개 이상의 제1기공이 형성된 제1표면코팅층; 및
상기 제1표면코팅층 상에 구비되며, 내부를 관통하는 적어도 1개 이상의 제2기공이 형성된 제2표면코팅층을 포함하며,
상기 제2표면코팅층 상에 구비되며, 내부에 적어도 1개 이상의 제3기공이 형성된 제3표면코팅층을 포함하며,
상기 제2표면코팅층은 제1표면코팅층과 코팅방법을 다르게 하여 형성되고,
상기 제3표면코팅층은 제2표면코팅층과 코팅방법을 다르게 하여 형성되고,
상기 제1표면코팅층을 형성하는 조성물은 텅스텐카바이드이고,
상기 제2표면코팅층을 형성하는 조성물은 철계 비정질 합금, 경질 크롬 또는 텅스텐 카바이드이고,
상기 제3표면코팅층을 형성하는 조성물은 텅스텐카바이드 또는 철계 비정질 합금이고,
상기 제1 표면코팅층은 용사 코팅으로 형성되고,
상기 제2 표면코팅층은 전기도금으로 형성되고,
상기 제3 표면코팅층은 용사코팅으로 형성되고,
상기 제1표면코팅층과 상기 제2표면코팅층의 제1계면에서 상기 제1기공과 상기 제2기공이 직접 연결되지 않는 구간을 포함하는 금속표면코팅체. - 제1항에 있어서,
상기 제2표면코팅층의 외부로부터 상기 제2기공을 통하여 상기 모재까지 외부물질이 침투하는 경우에 상기 제1기공, 상기 제1계면, 및 상기 제2기공을 통과하는 경로를 포함하는 금속표면코팅체. - 제2항에 있어서,
상기 제1계면에 상기 제1기공을 지나는 경로와 상기 제2기공을 지나는 경로를 연결하는 침투경로가 형성되는 금속표면코팅체. - 제3항에 있어서,
상기 제1표면코팅층이 가지는 제1기공률은 0%를 초과하고 10% 이하인 금속표면코팅체. - 제4항에 있어서,
상기 제2표면코팅층이 가지는 제2기공률은 0%를 초과하고 10% 이하인 금속표면코팅체. - 제5항에 있어서,
상기 제2기공률은 상기 제1기공률보다 작거나 같은 금속표면코팅체. - 제6항에 있어서,
상기 제2기공의 직경은 상기 제1기공의 직경보다 작거나 같은 금속표면코팅체. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1표면코팅층의 두께는 0.01㎛내지 5㎜인 금속표면코팅체. - 제1항에 있어서,
상기 제2표면코팅층의 두께는 0.01㎛내지 3㎜인 금속표면코팅체. - 제1항에 있어서,
상기 금속표면코팅체의 두께는 0.1㎛ 내지 10㎜인 금속표면코팅체. - 제1항에 있어서,
상기 제3표면코팅층은 상기 제2표면코팅층이 가지는 제2기공률보다 작거나 같은 제3기공률을 가지는 금속표면코팅체. - 삭제
- 제3항에 있어서,
상기 제1계면에서 상기 제1계면을 따라 상기 제1기공과 상기 제2기공을 연결하는 경로의 평균거리는 1㎛ 내지 30㎛인 금속표면코팅체.
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