KR20000053616A - 게이트 및 시트용 열분무 코팅물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열분무 분말 조성물, 상기 조성물의 분말을 사용하여 제조되는 코팅물, 및 상기 코팅물을 도포시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 분말의 화학적인 조성은 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질과 금속성 코발트 합금의 배합물을 포함한다.
Description
본 발명은 열분무 분말 조성물, 상기 조성물의 분말을 사용하여 제조되는 코팅물, 및 상기 코팅물을 도포하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 게이트 또는 볼 밸브 및 항공기 랜딩 기어의 마모 표면, 및 내마모성이 요구되는 그 밖의 요소들의 표면에 코팅물을 도포하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 높은 응력하에서 및 종종은 부식 조건에서 작동되는 요소에 대하여 내마모성의 저마찰 표면을 제공하는 것에 관한 것이다. 열처리, 탄소처리, 질소처리 또는 이온주입에 의한 강철 표면의 경화; 고체 세라믹 또는 서멧 성분의 사용; 열분무, 화학적인 증착, 물리적인 증착, 전기도금(특히 크롬의 경우)에 의해 생성된 코팅물의 적용; 및 그 밖의 기술을 포함하여 상기 요건들을 충족시키기 위해 다양한 수단이 사용되었다. 적용 분야에 따라서, 이들 모든 접근법에는 한계가 있다. 특히 어려운 적용분야는 오일중에서 고속으로 개폐되는 고압 게이트 밸브 분야 및 가스 제조 산업이다. 상기 요건들을 충족시키는데 어려운 또 다른 적용분야는 마모 및 마찰의 문제에 더하여 기재의 약화 특성이 특히 관심을 끄는 항공기 랜딩 기어 부재의 코팅이다. 본 발명의 목적은 상기 및 광범위한 다른 문제들을 충족시킬 수 있는 열분무 코팅물을 제공하는 데에 있다.
게이트 밸브는 조절하고자 하는 유체가 유동하는 파이프 또는 튜브에서 축방향으로 정위되어 있는 밸브체로 구성된다. 고체, 보통은 원형 홀을 갖는 금속성의 직선판 요소인 ″게이트″는 밸브체내에 있다. 게이트는 게이트내 홀의 직경과 거의 같은 내경을 갖는 원형 고리 금속, 세라믹 또는 서멧 성분인 두 개의 ″시트″ 사이에서 슬라이딩한다. 상기 시트는 밸브가 정위되는 파이프 또는 튜브의 단부와 동축으로 정렬되고, 직접 또는 간접적으로 상기 단부에 부착된다. 게이트내 홀이 시트내 홀과 일렬로 배열되는 경우에, 유체는 밸브를 통해 자유롭게 유동한다. 게이트내 홀이 시트와 부분적으로 또는 완전하게 잘못 정렬되는 경우에, 유체 유동은 방해 또는 저지된다. 즉, 밸브는 부분적으로 또는 완전하게 닫힌다. 유체 누출을 피하기 위해서는, 게이트와 시트 사이의 접촉 표면이 필수적으로 매우 평탄해야 하고 이들이 함께 타이트하게 유지되어야 한다. 밸브는 게이트에 대하여 시트를 견고하게 유지시키기 위해 내부에 스프링 또는 다른 장치를 지닐 수 있다. 밸브가 닫혀지는 경우, 밸브 상류부에서의 유체압력은 하류부에서 시트에 대하여 게이트를 또한 압착시킨다.
게이트 밸브는 보통 ″스템″이라 불리우는 로드 또는 샤프트와 함께 게이트에 부착된 액추에이터를 사용하여 시트 사이에서 게이트를 슬라이딩시킴으로써 작동된다. 수동식 액추에이터를 사용하게 되면 게이트의 운동은 비교적 느리게 되고, 수압식 액추에이터를 사용하게 되면 게이트 운동은 더 빨라지며, 공기식 액추에이터를 사용하게 되면 게이트의 운동은 매우 빨라진다. 액추에이터는 시트와 게이트 사이의 정적 및 동적 마찰력을 극복하기에 충분한 힘을 낼 수 있어야 한다. 마찰력은 밸브가 닫혀질 때 파이프내에서의 유체의 힘과 밸브 디자인의 함수이다. 이러한 마찰력은 유체 압력이 매우 높을 때 매우 높아질 수 있다. 밸브가 개폐될 때 일어날 수 있는 시트 및/또는 게이트의 접착성 마모는 또한 하나의 문제일 수 있으며 고압 조건하에서는 과도해질 수 있다. 또 다른 가능한 문제는 부식의 문제이다. 많은 웰로부터의 오일 및 가스는 매우 부식성인 성분을 함유할 수 있다. 이와 같이, 많은 웰의 경우에, 밸브, 특히 시트 및 게이트는 표면 부식이 마모 및 마찰 문제를 심화시키기 때문에 내부식성 물질로 만들어져야 한다.
저압에서 수동으로 작동되는 밸브에 있어, 경화된 강철 시트 및 게이트는 마모 및 마찰 문제를 억제하기에 충분할 수 있다. 고압에서 유압식 및 공기식 밸브에 있어, 게이트 및 시트 표면상에 텅스텐 카바이드 또는 크롬 카바이드 기재 코팅물과 같은 열분무 코팅물이 충분할 수 있다. 이러한 유형의 최선의 코팅물중의 세 개의 코팅물은 디토네이션 건(gun) 코팅물 UCAR LW-15, 즉, 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 코팅물, UCAR LW-5, 즉, 텅스텐 카바이드-니켈-크롬 코팅물, 및 UCAR LC-1C, 즉, 크롬 카바이드+니켈-크롬 코팅물이다. 일부 적용분야의 경우에, 경화된 강철 게이트와 함께 시트용으로 고체 코발트 기재 합금, 스텔라이트 3 또는 6의 사용은 적합할 수 있다. 그 밖의 접근법은 스텔라이트 6의 레이저 또는 플라즈마 전달 아크 오버레이 및 분무 및 용융된 합금을 포함하였다.
웰이 깊으면 깊을수록, 압력은 증가하였고, 상기한 방법은 부적합하게 되었다. 산업의 기준이 된 두 가지 새로운 코팅물이 개발되었다. 그중 하나는 미국특허 제 4,173,685호에 보다 완전하게 기술되어 있는 텅스텐 카바이드 기재 코팅물인 UCAR LW-26이다. 상기 코팅물은 보통 플라즈마 분무 후에 열처리함으로써 도포된다. 이것은 성능면에서는 우수하나 생산비용이 비교적 많이 든다. 나머지 다른 하나는 오늘날의 오일 및 가스 웰의 가장 거친 조건에서도 성능을 잘 발휘할 수 있는 독특한 미세구조를 갖는 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 디토네이션 건 코팅물인 UCAR LW-45이다. 그러나, 웰이 깊어지면 깊어질수록 압력이 더욱 더 높아지기 때문에, 이들 기준 코팅물이라도 이와 같은 극단적인 조건에 대한 요건들을 충족시킬 수 없으며, 현재의 기술 수준으로 볼 때 다른 해결책은 없다.
종종, 코팅물은 피로에 매우 민감한 성분에 대한 내마모성을 위해 사용되어야 한다. 하나의 예로는 항공기 랜딩 기어 실린더에서의 실린더가 있다. 작동중에 휨모멘트로 인해 실린더에 가해지는 인장응력하에 분해되어질 어떠한 코팅물이 실린더로 전파되어 실린더의 피로 파괴를 야기하여 재난을 불러일으킬 수 있다. 실린더상에의 현재의 코팅물은 과다하게 두꺼운 실린더벽으로 인해 보상되어야 하는 피로에 대하여 부정적인 영향을 미치는 전기도금된 경질의 크롬이다. 크롬 도금은 알루미늄-청동 부싱 또는 베어링에 충돌하므로, 크롬 도금에 대한 어떠한 대체물도 마찬가지로 상기 물질과의 결합(접착 마모) 특성을 가져야 한다. 또한, 어떠한 코팅물도 모래 또는 그 밖의 경질 입자가 베어링에 트래핑되는 경우에 우수한 내마모성을 지녀야 한다. 현재 사용되고 있는 크롬 전기도금은 가장자리에만 적합하다. 크롬의 전기도금이 환경에 매우 바람직하지 않기 때문에 이러한 분야 및 다른 분야에서 크롬 전기도금을 대체시킨다면 유리할 것이라는 점에 또한 주목해야 한다. 비교적 연성 부싱 또는 베어링 표면에 충돌하는 실린더상에의 경성 코팅물의 현재 시스템에 대한 대안은 경성 코팅물로 코팅되는 표면 둘 모두를 지녀야 할 것이다. 이러한 시스템은 내마멸성을 지닐 것이지만, 코팅된 표면은 서로 충돌할 때 적게 마찰되어야 하고 접착 마모에 내성적이어야 한다.
코팅물의 피로 효과는 종종 코팅물의 응력에 의한 파괴(STF), 즉, 코팅물이 분열없이 스트레칭될 수 있는 정도와 종종 관련되어 왔다. STF는 부분적으로 코팅물에서의 잔여 응력과 관련되었다. 잔여 인장응력은 코팅물을 분열시키기 위해 코팅물에 부과되는 추가된 외부 인장응력을 감소시키는 반면에, 잔여 압축 응력은 코팅물을 분열시키기 위해 코팅물에 부과되는 추가된 인장응력을 증가시킨다. 전형적으로, 코팅물의 STF가 높으면 높을수록, 기재의 피로 특성에 대한 부정적인 영향을 덜 미칠 것이다. 이것은 잘 결합되어진 코팅물에서의 분열이 기재내로 전파되어 피로 분열 및 궁극적으로는 피로 파괴를 개시시킬 수 있기 때문에 그러하다. 불행하게도, 대부분의 열분무 코팅물은 이들이 매우 연성이며 분열되기 보다는 오히려 용이하게 가소적으로 변형되는 것으로 예기되는 순수한 물질로 만들어지는 경우에도 매우 한정된 STF를 갖는다.
증착 동안 낮은 또는 중간 정도의 입자 속도로 생성되는 열분무 코팅물은 지나친 경우에 전형적으로 코팅물을 분열시키거나 파편화할 수 있는 인장응력을 갖는다. 잔여 인장응력은 또한 일반적으로 코팅물의 STF를 감소시킴으로써 코팅된 요소의 피로 특성을 감소시킨다. 높은 입자 속도로 생성된 일부 코팅물, 특히 증착 동안에 매우 높은 입자 속도로 생성된 디토네이션 건 및 수퍼 D-건 코팅물은 중간 정도 내지 높은 잔여 압축응력을 가질 수 있다. 이것은 특히 텅스텐 카바이드 기재 코팅물에서 그러하다. 높은 압축응력은 코팅된 요소의 피로 특성에 유리하게 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 높은 압축응력은 날카로운 에지부 또는 유사한 기하학적인 형상을 코팅하려고 할 때 코팅물의 단편화를 유발시킬 수 있다. 이와 같이, 상기 형태를 코팅할 때 디토네이션 건 및 수퍼 D-건 코팅물의 경도, 밀도 및 내마모성과 같은 우수한 물리적인 특성의 장점을 취하는 것이 곤란할 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 및 광범위한 다른 문제들을 충족시킬 수 있는 열분무 코팅물을 제공하는 데에 있다.
발명의 요약
본 발명은 상기한 게이트 및 볼 밸브 요소 및 항공기 랜딩 기어 요소를 포함하며 이에 국한되지 않는 많은 분야에서 내마모성 및 내부식성 요건을 충족시키는 코팅물을 제공한다. 내마모성 및 내부식성 이외에도, 이들 코팅물은 코팅된 요소의 피로 특성에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않으며 두꺼운 코팅물을 생성시키고 복잡한 모양을 코팅시킬 수 있도록 낮은 잔여 응력 및 높은 STF를 지녀야 한다.
본 발명은 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질과 금속성 코발트 합금의 배합물의 열분무된 코팅물이 공기식 액추에이터로 매우 높은 압력에서 작동되는 게이트 밸브, 항공기 랜딩 기어 실린더 및 그 밖의 많은 적용분야에 요구되는 낮은 마찰력 및 보다 우수한 내마모성 및 내부식성을 제공하는 발견에 기초한다. 증착된 코팅물은 탁월한 마찰, 마모 및 부식 특성을 지녀야 할뿐만 아니라 다양한 금속성 기재상에 매우 높은 결합 강도를 지녀야 하고 비교적 낮은 잔여 응력을 지녀야 한다. 적합한 입자 속도를 내게 하여 잘 결합된 조밀한 코팅물을 생성시키는 어떠한 열분무 증착 방법도 사용될 수 있다.
본 발명의 코팅물은 열분무 증착에 의해 생성된다. 물질이 열에 의해 분무될 때 이들이 기재상에서 빠르게 켄칭된다는 것은 널리 공지되어 있다. 이로 인해 일부 경우에 준안정한 결정상 또는 심지어 비정질의 물질이 형성된다. 예를 들어, 알파 알루미나 분말은 분무 공정 동안 보통은 완전하게 용융된 후, 감마, 알파 및 그 밖의 상의 혼합물로서 증착된다. 분무되는 물질 성분 중의 한 성분의 미분 증발의 결과로서 열분무 공정 중에 약간의 조성 변화가 일어날 수도 있다. 가장 흔하게는, 반응은 연료 가스가 디토네이션 건 증착 또는 고속 옥시 연료 증착에서와 같이 사용되는 경우에 공기에의 노출로부터의 산화 또는 탄소 첨가 중의 하나이다. 열분무 증착에 대한 보다 완전한 설명은 하기 문헌에서 발견할 수 있다[참고문헌: Thermal Spray Coatings, R. C. Tucker, Jr., in Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, Second Edition, R. F. Bunshah, ed., Noyes Publications, 1994, pp. 591 to 639; Thermal Spray Coatings, R. C. Tucker, Jr., in Surface Engineering ASM Handbook Volume 5, 1994, ASM international, pp. 497 to 509; M. L. Thorpe, Journal of Thermal Spray Technology, Volume 1, 1992, pp. 161 to 171].
본 발명의 코팅물의 일차 성분중의 한 성분은 텅스텐 카바이드이다. 열분무시에 가장 많이 사용되는 텅스텐 카바이드 분말은 WC 또는 WC와 W2C의 조합물이다. 다른 상이 존재할 수도 있다. 텅스텐 카바이드는 소량의 코발트와 분말 형태로 가장 흔하게 조합되어 용이하게 용융시키고 결합 강도를 코팅물에 더한다. 경우에 따라서, 내부식성 또는 그 밖의 목적을 위해 크롬이 첨가되기도 한다. 일례로서, 코발트 또는 코발트 플러스 크롬이 금속으로서 여전히 존재하는 대부분의 코발트 또는 코발트 플러스 크롬으로 분무 건조되고 소결된 분말과 단순한 방식으로 조합될 수 있다. 이들은 카바이드와 반응하는 약간의 코발트 또는 코발트 플러스 크롬으로 주조되고 분쇄된 분말 형태로 카바이드와 조합될 수 있다. 열에 의해 분무될 때, 이들 물질은 다양한 조성물 및 결정 형태로 증착될 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 텅스텐 카바이드 또는 WC는 텅스텐 카바이드의 어떠한 결정 또는 조성물 형태를 의미한다. 용어 텅스텐 카바이드 코발트, 텅스텐 카바이드-코발트-크롬, WC-Co 또는 WC-Co-Cr은 코발트 또는 코발트 플러스 크롬과 텅스텐 카바이드의 조합체의 어떠한 결정 또는 조성물 형태를 의미한다. 본 발명의 코팅물의 또 다른 성분은 코발트 합금이다. 본원에서 사용되는 용어 코발트 합금은 어떠한 결정 형태 또는 어떠한 코발트 합금도 포함한다.
발명의 상세한 설명
본 발명의 분말의 화학적인 조성은 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질과 금속성 코발트 합금의 배합물을 포함한다. 본원에서 사용되는 모든 조성물은 불가피한 미량 오염물질을 포함하지 않는 중량%라는 사실에 유의해야 한다. 바람직하게는, 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질은 텅스텐 카바이드-5 내지 20중량%의 코발트 및 0 내지 12중량%의 크롬, 가장 바람직하게는 약 8 내지 13중량%의 코발트 또는 4 내지 10중량%의 크롬을 포함한다. 금속성 합금은 27 내지 29중량%의 크롬, 7 내지 9중량%의 텅스텐, 0.8 내지 1.2중량%의 탄소 및 나머지 중량%의 코발트를 포함하는 조성물을 갖는 코발트 합금이 바람직하고, 코발트-28 크롬-8 텅스텐-1 탄소를 포함하는 조성물을 갖는 코발트 합금(스텔라이트 6)이 특히 바람직하거나; 25 내지 31중량%의 몰리브덴, 14 내지 20중량%의 크롬, 1 내지 5중량%의 규소, 0.08중량% 미만의 탄소 및 나머지 중량%의 코발트를 포함하는 조성물을 갖는 코발트 합금이 바람직하고, 코발트-28 몰리브덴-17 크롬-3 규소-0.08미만의 탄소를 포함하는 조성물을 갖는 코발트 합금(트리바브알로이(Tribaballoy) 800)이 특히 바람직하다. 바람직하게는, 배합물은 5 내지 35중량%의 금속성 코발트 합금, 가장 바람직하게는 10 내지 30중량%의 금속성 코발트 합금을 포함한다. 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질은 크롬 함량이 거의 0인 경우에는 주조 및 분쇄 분말 제조 기술에 의해서 제조되는 것이 바람직하고, 크롬 함량이 2 내지 12중량%인 경우에는 소결 방법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 금속성 코발트 합금은 진공 용융 및 불활성 가스 원자화에 의해 바람직하게 생성된다. 디토네이션 건 증착 방법이 코팅물을 생성시키는데 사용되는 경우에, 텅스텐 카바이드-코발트 분말의 크기는 바람직하게는 325 미국 표준 스크린 메쉬(44㎛) 미만이어야 하고, 금속성 코발트 합금의 크기는 270메쉬(60㎛) 미만이어야 하지만 선별작업에 의해 325메쉬(44㎛) 보다 커야 한다. 다른 열분무 증착 기술이 사용되어야 하는 경우에, 분말은 적합한 크기로 되어야 한다.
본 발명은 하기 단계를 포함하여 낮은 마찰력, 내마모성 및 내부식성 코팅물을 제조하기 위한 방법을 추가로 제공한다:
a) 텅스텐 카바이드-코발트 물질과 금속성 코발트 합금의 배합물을 포함하는 분말 공급 조성물을 형성시키는 단계; 및
b) 바람직하게는 500m/초 보다 큰 입자 속도로 상기 단계 a)의 분말 공급물을 특정 요소상에 가열증착시켜 금속성 코발트 합금과 혼합된 텅스텐 카바이드-코발트를 포함하는 코팅물을 형성시키는 단계.
WC-Co-Cr 물질과 코발트 합금의 혼합과정은 열분무 증착 시스템의 분말 디스펜서내로 로딩시키기 전에 일반적으로 분말 형태로 수행된다. 그러나, 상기 혼합과정은 각각의 성분에 대하여 별도의 분말 디스펜서를 사용하고 적합한 속도로 각각의 성분을 공급하여 코팅물에서 요망되는 조성을 달성함으로써 수행될 수도 있다. 이러한 방법이 사용되는 경우에, 분말은 노즐을 통해 노즐의 상류부에 있는 열분무 장치에 주입되거나 노즐의 하류부에 있는 방출부에 주입될 수 있다.
충분한 분말 속도(일반적으로 약 500m/초 초과 속도)를 발생시켜 높은 접착 강도를 갖는 잘 결합되어진 치밀한 코팅물 미세구조를 달성시키는 어떠한 열분무 증착 방법이 사용되어 본 발명의 코팅물을 생성시킬 수 있다. 바람직한 열분무 기술은 약 750m/초 보다 높은 입자 속도를 갖는 디토네이션 건 방법(예를 들어, 미국특허 제 2,714,563호 및 2,972,550호에 기술된 바와 같은 방법)이고, 가장 바람직한 열분무 기술은 약 1000m/초 보다 높은 입자 속도를 갖는 수퍼 D-건 방법(예를 들어, 미국특허 제 4,902,539호에 기술된 바와 같은 방법)이다. 후자의 방법은 전자보다 증착시에 보다 평탄한 높은 접착 강도의 다소 더 치밀하며 우수하게 결합된 코팅물을 생성시킨다. 두 가지 방법 모두 금속학적으로 측정한 바, 매우 높은 결합 강도 및 98% 보다 높은 밀도를 갖는 코팅물을 생성시킨다. 열분무 증착의 대안적인 방법은 플라즈마 분무 증착, 고속 옥시 연료 및 고속 공기 연료 방법을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 시트 및/또는 볼 또는 게이트 밀봉 표면이 코팅되는 게이트 또는 볼 밸브, 및 실린더 또는 이들의 결합 표면이 적어도 부분적으로 코팅되는 항공기 랜딩 기어 요소를 포함하며 이에 국한되지 않는 본 발명의 내마모성 코팅물을 갖는 요소들을 포함하며, 상기 코팅물은 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질과 금속성 코발트 합금의 배합물을 포함하는 저마찰의 내마모성 및 내부식성 코팅물이다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 추가로 설명된다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
실시예 1
실험실 마모 시험은 시트 또는 게이트 물질 또는 코팅물로서 게이트 밸브에서 사용하기 위한 물질을 평가하기 위해 개발되었다. 길이가 약 152mm이고 폭이 76mm이고 두께가 13mm인 플레이트는 게이트를 나타낸다. 직경이 약 6.35mm인 세 개의 핀은 시트를 나타낸다. 플레이트 또는 핀은 시트 및 게이트가 만들어지거나 이들이 이들의 결합 표면(플레이트 또는 핀의 평평한 단부의 표면 76x152mm)상에 코팅될 수 있는 동일한 고형 물질로 만들어질 수 있다. 핀을 각각의 핀의 일측 단부가 각각의 핀상에 112.47MPa(16,300psi)의 동일 압력으로 약 75mm의 직경을 갖는 환상 배열의 플레이트에 대하여 확실하게 유지되는 고정물에 유지시킨다. 그런 다음, 상기 고정물을 약 100°의 호를 통해 진동시킨다. 센서를 사용하여 핀의 속도 및 동력학적인 마찰 계수를 계산한다. 각각의 오실레이션을 하나의 사이클로 간주한다. 핀과 플레이트를 시험 동안 주기적으로 평가한다. 시험은 전형적으로 25 사이클을 지속시킨다. 핀과 플레이트 둘 모두에 대한 일반적인 마모 흠집 양상을 기초한 본 시험에서 내마모성을 정성적으로 평가한다. 수치는 동력학적인 마찰 계수에 대하여 수득된 것이지만, 이것은 본 실험에 특이적인 상대치인 것으로 간주된다. 이 시험에서 성취되는 플레이트에 상대적인 핀의 속도는 마모로 인한 마찰력 및 일반적인 거칠기를 나타낸다. 이와 같이, 속도가 높으면 높을수록, 마찰력은 낮아지고 표면은 평탄화된다.
실험실의 시험 결과와 실제 생산에의 적용 또는 현장 사용 사이에서의 상관관계는 현장 사용용 물질을 스크리닝하는 이와 같은 시험을 사용하는 경우에 필요하다. UCAR LW-45로 코팅되는 게이트에 충돌하는 주조물 스텔라이트 3 시트의 실행은 현장에서는 잘 확립되어 있다. 따라서, 이러한 커플링은 실험실 시험에서 기준으로서 사용되었다. 이러한 커플링이 서비스 산업의 현재 기준인 것으로 간주되기 때문에, 추가의 기준은 핀과 플레이트 둘 모두에 대한 UCAR LW-45 코팅물이다.
다수의 강철판을 디토네이션 건 코팅 UCAR LW-45로 코팅한 후, 100 내지 200㎛ (0.004 내지 0.008인치)의 두께 및 8㎛ 미만의 표면 거칠기(Ra)로 그라인딩 및 연마하였다. 다수의 강철핀을 UCAR LW-45, UCAR LC-1C, 스텔라이트 6 합금의 수퍼 D-건 코팅물(SDG 스텔라이트 6) 및 본원에서 SDG A로 명명된 본 발명의 수퍼 D-건 코팅물로 코팅하였다. 이들 물질의 특정 조성은 다음과 같다:
스텔라이트 3 코팅 Co- 30.5_Cr- 12.5_W
UCAR LW-45 WC-10Co-5Cr
UCAR LC-1C 크롬 카바이드-20 (Ni-20Cr)
SDG 스텔라이트 6 Co-28Cr-8W-1C
SDG A WC-9Co + 25(Co-28Cr-8W-1C)
핀 및 주조물 스텔라이트 3 핀상의 코팅물을 또한 100 내지 200㎛(0.004 내지 0.008인치) 및 8㎛ 미만의 표면 거칠기(Ra)로 그라인딩 및 연마하였다.
UCAR LW-45로 코팅된 플레이트에 대하여 이들 핀 물질을 사용하여 실험실 시험을 수행하고, 그 결과를 하기 표에 기재하였다.
| 마찰 | |||
| 핀 물질 | 속도 | 값 | 마모 |
| 주조물 스텔라이트 3 | 100100 | 2.32.1 | 기준선-중간기준선-중간 |
| UCAR LW-45 | 180160 | 1.81.9 | 기준선기준선 |
| SDG 스텔라이트 6 | 150 | 2.1 | 기준선에 유사 |
| UCAR LC-1C | 170 | 2.1 | 기준선 |
| SDG A | 160200* | 1.30.5* | 〈〈 기준선-약간 적음〈〈 기준선-약간 적음 |
| * 플레이트는 본 시험에서 약간 더 평평하였다. |
속도 측정 단위는 피트(ft)/초이다. 상기 표에 나타내어진 속도 측정치 및 상대적인 동력학적 마찰 계수 둘 모두 12 내지 25 사이클 동안의 대략적인 평균치이며, 마모 커플의 안정화된 거동을 나타낸다. 상기 표를 통해 수퍼 D-건 스텔라이트 6 코팅물의 성능이 이 이 시험에서 기준 코팅물 보다 우수함이 입증되었다. 그러나, 본 발명의 새로운 코팅물인 SDG A의 성능은 기준선 및 스텔라이트 6 코팅물 보다 훨씬 우수하였다.
실시예 2
물질의 내부식성을 알아보기 위한 일반적인 시험은 아메리칸 써사이어트 포 테스팅 앤 머티어리얼스(American Society for Testing and Materials)의 표준인 ASTM B 117에 의해 정의된 염 분무 시험이다. 이 시험에서는, 샘플을 33.3 내지 36.7℃(92 내지 98℉)에서 30일 동안 염 분무 연무에 노출시킨다. 76×127mm 표면상에서 폭이 76mm이고 길이가 127mm이고 두께가 12.5mm인 AISI 4140 강철 샘플을 코팅함으로써 실시예 1에 기술되어진 본 발명의 코팅물인 SDG A의 성능을 평가하였다. 표면의 일부를 코팅시키지 않은 상태로 유지시켜 많은 밸브 게이트상에 존재하는 차단 또는 마스킹 라인을 시뮬레이션하였다. 두 가지 두께의 코팅물을 사용하였다. 그런 다음, 에폭시 기재 씰런트를 사용하여 코팅물을 밀봉시켰다. 마지막으로, 코팅물을 새로운 부분에 대한 전형적인 두께를 나타내는 100 내지 130㎛의 두께로, 또는 재가공된 부분에 대한 두께를 나타내는 250 내지 280㎛의 두께로 그라인딩하였다. 그런 다음, 샘플을 시험하였다. 30일 노출 후, 샘플을 세척하고 검사하였다. 코팅물의 어떠한 일반적인 점부식 또는 틈부식도 없었다. 이와 대조적으로, 강철의 비코팅된 영역은 예기된 바와 같이 심하게 부식되었다.
앞서의 염 분무 시험이 많은 부식 적용을 위한 물질을 스크리닝하는데 매우 유용하지만, 상당히 많은 양의 염산이 존재한 경우에는 그러하지 아니하다. 이러한 상황에서는, SDG A에서 사용되는 코발트 기재 합금이 공격을 받을 수 있다. 이러한 상황에서 우수한 선택은 SDG A와 유사하지만 4 내지 12중량%의 Cr을 포함하도록 변형된 WC-Co 물질을 갖는 코팅물이거나, WC-Co-Cr + 25 (Co - 28Mo - 17Cr - 3Si - 〈 0.08C)를 포함하는 코팅물일 수 있다.
실시예 3
물질의 내연마마모성은 건조모래 ″고무″ 휠 시험 ASTM G 65-94를 사용하여 종종 특성화된다. 이러한 시험은 연마 입자가 씰 또는 베어링 표면에 포함될 수 있는 경우에 씰 또는 베어링과 같은 적용분야에서 연마마모에 대한 이들의 내성에 대하여 상대적으로 등급이 매겨진 물질에 유용하다. 이와 같이, 이러한 시험의 결과는 모래 또는 그 밖의 경질 입자가 청동 함유 표면에 포함될 수 있는 경우에 항공기 랜딩 기어 실린더용 물질을 선택하는데 유용할 수 있다. WC - 9Co + 25 (Co -28Cr -8W - 1C)의 조성을 갖는 하나의 단일 분말을 사용하여 AISI 1018 강철 시험 샘플에 본 발명의 6개의 디토네이션 건 코팅물을 적용하였다. 증착 파라미터를 변화시킴으로써 코팅물의 미세구조 및 기계적 특성을 다소 변화시켰다. 코팅물을 SDG B, C, D, E, F 및 G로 명명하였다. 코팅된 시험 샘플과 접촉 상태에 있는 폴리우레탄 외부층을 갖는 휠의 3000 회전 동안 130N (30 lb)의 하중하에 144m/분의 속도로 마모 시험을 수행하였다. 공칭 크기가 212㎛(0.0083인치)인 오타와 실리카 모래를 휠과 시험 샘플 사이의 닙(nip)에 공급하였다. 용적 손실로 전환된 코팅된 샘플의 중량 손실에 의해 마모 흠집 정도를 측정하고, 1000 회전 당 평균 손실로서 기록하였다.
| 코팅물 | 흠집 용적 mm3/1000 회전 |
| SDG B | 3.61 |
| SDG C | 3.69 |
| SDG D | 4.83 |
| SDG E | 4.85 |
| SDG F | 4.96 |
| SDG G | 4.69 |
| UCAR LW-45 | 1.5 |
| UCAR LC-1C | 3.88 |
| 플라즈마 분무된 WC-Co | 5.6 |
| 전기도금된 Cr | 8 내지 10 |
상기 표는 본 발명의 코팅물이 전기도금된 경성 크롬의 내연마마모특성 보다 실질적으로 더 큰 내연마마모 특성을 가짐을 입증한다. 이와 같이, 본 발명의 코팅물은 이러한 토대에서 볼 때, 다른 제한에 직면하게 되는 경우에 항공기 랜딩 기어에서 실린더에 대한 코팅물과 같은 적용분야에서 전기도금된 경성 크롬에 대한 우수한 대체물이어야 한다. 이러한 시험에서, 본 발명의 코팅물은 디토네이션 건 코팅물인 UCAR LW-45의 내마모 특성 보다 작은 내마모 특성을 가지며, 이것은 UCAR LW-45에서 텅스텐 카바이드의 용적 비율이 높기 때문인 것으로 예상된다. 놀랍게도, 본 발명의 코팅물은 UCAR LW-45의 플라즈마 분무된 유사체 보다 실질적으로 더 큰 내성을 갖는다. 본 발명의 코팅물은 디토네이션 카바이드 코팅물인 UCAR LC-1C에 대한 내마모 특성과 유사하다.
실시예 4
실시예 3에 기술된 본 발명의 코팅물의 잔여 응력 특성을 평가하고 알멘 스트립(Almen strip)을 코팅하고 이들의 휜 정도를 측정함으로써 다른 코팅물과 비교하였다. 이 시험은 짧은 피이닝(peening) Mil F-13165B에 대하여 US 밀리터리 스페시피케이션(Military Specification)에 기술된 시험의 변형예이다. 양의 휨 값은 코팅물에서 잔여 인장응력을 나타내는 반면에, 음의 휨 값은 압축응력을 나타낸다. 알멘 시험 샘플은 HRA 72.5 내지 76의 강도로 열처리된 AISI 1070 강철로 만들어졌다. 이들은 약 300mm 두께의 코팅물을 갖는 하나의 76.2 x 19.05 표면상에서 76.2 x 19.05 x 0.79 mm (3 x 0.75 x 0.031인치)가 코팅되었다. 300㎛의 두께로 하나의 25.4 x 1.27cm 표면상에서 HRC 40으로 열처리된 AISI 4140 강철막대 25.4 x 1.27 x 0.635cm (10 x 0.5 x 0.25인치)를 코팅한 후, 4개 지점 굴곡부 시험 고정물에서 상기 막대를 구부림으로써 상기 코팅물의 변형 파괴(STF)를 평가하였다. 상기 막대에 부착된 음향 센서를 사용하여 파괴의 개시를 검출하였다. STF는 mm/인치 또는 1%의 1/10로 보고된 단위 없는 값이다.
| 코팅물 | 알멘 (mm) | STF (mm/인치) |
| SDG B | +1.0 | 3.7 |
| SDG C | -7.0 | 5.4 |
| SDG D | -7.0 | 5.7 |
| SDG E | -2.5 | 4.6 |
| SDG F | -9.5 | 5.9 |
| SDG G | -9.0 | 5.8 |
| SDG WC-15Co | -24.5 | 6 |
| SDG WC-10Co | -6.5 | 2.8 |
| D-Gun WC-15Co | -1.6 | 2.8 |
먼저, 잔여 응력의 지시로서 알멘 휨 데이터를 고려하자. 본 발명의 코팅물에서의 잔여 응력이 매우 낮으며 적어도 수퍼 D-건 증착을 사용할 때 증착 파라미터를 변화시킴으로써 매우 약간 인장된 상태에서 다소 압축된 상태로 변화될 수 있음은 자명하다. 이것은 날카로운 에지와 같은 코팅물의 복잡한 형상이 문제가 될 수 있으며 두꺼운 코팅물이 분열 또는 쪼개짐 없이 증착될 수 있음을 암시한다. 다음으로, 기재의 피로 특성에 대한 코팅물의 영향을 나타내는 STF 데이터를 고려하자. 즉, 높은 STF는 일반적으로 코팅물이 기재의 피로 특성에 거의 영향을 미치지 않을 것이라는 것을 나타낸다. D-건 WC-15Co 코팅물이 낮은 STF를 가지며(심지어 매우 낮은 잔여 압축응력을 갖는 경우에도 그러하다) 강철, 알루미늄 및 티타늄 기재의 피로 특성에 대하여 상당히 불리한 효과를 갖는 것으로 공지되어 있다는 점을 주목해야 한다. 수퍼 D-건 WC-10Co 코팅물은 다소 높은 잔여 압축응력을 갖지만, 우수한 STF를 갖지 않는다. 수퍼 D-건 WC-15Co 코팅물은 상당히 높은 STF를 가지며, 강철, 알루미늄 또는 티타늄 기재의 피로 특성에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않는 것으로 공지되어 있다. 그러나, 이것은 코팅물의 형상을 복잡하게 하거나 두꺼운 코팅물의 생성을 어렵게 하는 매우 높은 잔여 압축응력에 의해서만 달성된다. 이와 대조적으로, 본 발명의 코팅물은 높은 STF 및 비교적 낮은 잔여 압축응력을 갖는 코팅물을 생성시키는 조건하에서 증착될 수 있다. 이러한 사실은 본 발명의 코팅물이 기재의 피로 특성에 영향을 거의 미치지 않을 것이며 어려움 없이 복잡한 형상 및 매우 두꺼운 코팅물에 적용될 수 있음을 암시한다. 이들의 속성은 항공기 랜딩 기어 요소와 같은 피로에 민감한 요소에 매우 유용하게 되어야 한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 기술된 구체예의 그 밖의 다양한 변형 및 그 밖의 구체예는 본 명세서를 참조할 때 당업자에게는 자명하거나, 특허청구의 범위에 정의된 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있다.
이상에서와 같이, 고속으로 열분무 증착에 의해 생성된 본 발명의 코팅물을 사용하게 되면 저마찰력, 내마모성 및 내부식성 요건이 충족되고, 기재와의 접착력이 증대된다.
Claims (10)
- 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질과 5 내지 35중량%의 코발트 합금의 배합물을 포함하는 열분무 분말 조성물.
- 제 1항에 있어서, 배합물이 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 및 10 내지 30중량%의 코발트 합금을 포함함을 특징으로 하는 분말 조성물.
- 제 1항에 있어서, 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질이 텅스텐 카바이드, 8 내지 13중량%의 코발트 및 4 내지 10중량%의 크롬을 포함함을 특징으로 하는 분말 조성물.
- 제 1항에 있어서, 코발트 합금이 25 내지 31중량%의 크롬 및 0.5 내지 1.5중량%의 탄소를 포함함을 특징으로 하는 분말 조성물.
- 제 1항에 있어서, 코발트 합금이 25 내지 31중량%의 크롬, 5 내지 11중량%의 텅스텐, 0.5 내지 1.5중량%의 탄소 및 나머지 중량%의 코발트를 포함함을 특징으로 하는 분말 조성물.
- 제 1항에 있어서, 코발트 합금이 25 내지 31중량%의 몰리브덴, 14 내지 20중량%의 크롬, 1 내지 5중량%의 규소, 0.08중량% 미만의 탄소 및 나머지 중량%의 코발트를 포함함을 특징으로 하는 분말 조성물.
- (A) 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질과 5 내지 35중량%의 코발트 합금의 배합물을 포함하는 분말 공급 조성물을 형성시키는 단계; 및(B) 상기 분말 공급 조성물을 특정 요소상에 가열증착시켜 금속성 코발트 합금과 배합된 텅스텐 카바이드-코발트를 포함하는 코팅물을 형성시키는 단계를 포함하여, 코팅물을 제조하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 가열증착 동안 입자 속도가 500m/초 보다 큼을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질 및 코발트 합금 분말이 열분무 증착용 분말 디스펜서에 놓여지기 전에 배합됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 텅스텐 카바이드-코발트-크롬 물질 및 코발트 합금 분말이 열분무 증착용의 별도의 분말 디스펜서에 놓여짐을 특징으로 하는 방법.
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