KR20010010584A - 코팅막 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코팅막 형성방법에 관한 것으로서, 피처리물의 표면에 액상의 금속융체를 분사에 의해 코팅시켜서 다공질 코팅막을 형성시킨 다음, 그 다공질 코팅막의 일부를 가열 및 냉각시켜 다공질 코팅막을 기밀화시키며, 이어서 기밀화된 다공질 코팅막을 왁스코팅하여 왁스코팅막을 형성시키는 방법을 제공한다.

이에 따라, 코팅막의 코팅시간을 단축시키고 다공질 코팅막의 두께 조절이 용이하여 제품 생산성이 향상되며, 또한 피처리물에 형성된 마르텐사이트 조직의 두께를 두껍게 할 수 있기 때문에 내마모성을 크게 향상시키고 큰 면압이 요구되는 부품에 사용할 수 있으며, 다공질 코팅막에 왁스코팅시킴으로써 내부식성을 향상시켰다. 아울러, 코팅제를 용융시킨 후 분사하기만 하면 되기 때문에 코팅제의 선택폭이 넓어 다양한 코팅막의 형성에 유리하다.

Description

코팅막 형성방법{FORMING METHOD OF COATING LAYER}

본 발명은 코팅막 형성방법에 관한 것으로서, 특히 경질크롬막을 대체할 수 있는 내마모성과 내부식성이 우수한 코팅막을 형성할 수 있는 코팅막 형성방법에 관한 것이다.

강력한 내마모특성과 내부식특성을 요구하는 부품에 사용되는 경질크롬 도금피막 대체 공정기술로는 다양하게 제시된 바 있지만 대부분의 공정기술들은 다웨스(Dawes)등이 고안한 니트로텍(Nitrotec) 기술에 근거를 둔다.(미국특허:4,496,401, 논문:Heat Treatment of Metals, 1985, Vol. 3, P.70-76)

니트로텍 공정기술은 크게 4가지의 공정단계인 연질화(軟質化)공정, 산화공정, 냉각공정 및 왁스코팅공정을 거침으로써 내마모특성과 내부식특성이 우수한 질화물 및 산화피막을 형성할 수 있다.

연질화공정은 합금성분이 적게 포함된 철강재료를 550℃ 내지 720℃에서 4시간정도 연질화처리함으로써 피처리물의 표면에 질화물층을 형성한다. 연질화처리시 사용되는 공정용 챔버에는 암모니아를 주성분으로 하는 몇가지의 가스들이 사용된다.

산화공정은 공기나 산화성 분위기에 2초 내지 120초 동안 노출시킴으로써 연질화층의 바깥에 산화물층을 형성하는 것으로, 산화물층은 윤활성을 증가시키고 염수분무 시험시 내부식특성을 향상시킨다고 알려져 있다.

냉각공정은 주로 물과 기름을 함유한 냉각액에 피처리물을 디핑(dipping)시킴으로써 질화물층의 미세조직을 조절하는 공정이다.

왁스코팅공정은 윤활성과 내부식특성을 향상시키기 위해서 피처리물의 표면에 왁스코팅을 하는 공정이다.

이러한 니트로텍 공정기술을 이용하여 피처리물인 합금성분이 적은 철강재료에 경질크롬 도금막을 형성하는 과정은 다음과 같다.

일반적으로 사용하는 피처리물은 탄소성분이 0.45중량%로 함유된 S45C인 철강재료이고, 연질화처리를 하지 않을 경우 경도는 대략 300HV(Vickers Hardness)정도를 갖는다.

이러한 피처리물을 대략 570℃에서 4시간 연질화처리하면 확산층과 질화물층이 생성되고, 이로 인하여 피처리물의 표면경도는 400HV 내지 800HV로 증가시킬 수 있다. 이 때, 질화물층을 구성하는 화합물은 2가지가 있는데, 하나는 ε상(Fe_2-3N)이고, 다른 하나는 γ'상(Fe₄N)이 있다.

이어서, 산화공정으로써 연질화된 피처리물을 550℃ 이상에서 공기 혹은 산화성 분위기에 수십초간 노출시키면 피처리물의 표면은 산화되어 1㎛내외의 산화피막이 형성된다. 산화피막의 구성은 마그네타이트(Fe₃O₄)가 대부분이며 소량의 헤마타이트(Fe₂O₃)가 질화물과 혼재한다.

냉각공정은 피처리물을 산화시킨 후 550℃부근에서 물 혹은 기름을 주성분으로 하는 냉각액에 신속하게 디핑하는 공정을 말하며, 냉각공정을 변화시킴으로써 질화물층의 미세구조를 조절하여 경도가 높은 마르텐사이트 조직을 만들 수 있다. 너무 냉각속도를 크게 하면 피처리물이 열변형이 생기기 때문에 조심스럽게 작업한다.

마지막으로, 왁스코팅공정은 피처리물의 표면에 유기실런트(Organic Sealant)를 코팅하는 것으로 내부식특성과 윤활특성을 크게 향상시키게 된다.

한편, 스프레이 방법을 이용하여 다공질 코팅막을 형성하는 기술이 미국특허 5,482,554호에 개시된 바 있다. 이 기술은 Perings등이 고안한 것으로 금속융체(molten metal)를 스프레이 코팅방법으로 피처리물에 분사하여 다공질 코팅막이 피처리물의 표면에 생성되는 방법이다.

즉, 금속융체를 피처리물에 스프레이하면 스프레이시 사용하는 고압가스의 흐름에 의해서 금속융체가 작은 구형으로 분해되어 날아가 피처리물에 적층된다. 피처리물에 적층된 다공질 코팅막의 두께는 피처리물의 이동속도, 회전속도 등을 변화시킴으로써 조절이 가능하다.

이러한 다공질 코팅막에 실런트를 채우는 기술은 미국특허 4,866,116호와 5,153,032호에 상세히 기술되어 있다.

그러나, 상술한 니트로텍으로 대표되는 종래기술은 피처리물의 선택에 제한성을 갖는다. 즉, 니트로텍 공정기술에는 반드시 연질화공정으로 10~30㎛ 두께를 갖는 화합물층을 형성시켜야 하지만 마르텐사이트상(martensite phase)위에서는 화합물층의 성장속도가 너무 느리다.

이에 따라, 종래의 경질크롬 도금공정에서 가열과 냉각공정에 의해 경도가 높아진 마르텐사이트 조직을 만든 후에는 경제적인 측면에서 볼 때 니트로텍 공정기술을 적용하기가 어렵다.

이런 이유로 인해서 니트로텍 공정기술로 제작한 피처리물은 표면처리 효과는 기껏해야 표면에서부터 0.2mm를 넘지 못하기 때문에 큰 면압(high load)이 걸리는 부품에는 사용이 불가능하다.

또한, 니트로텍공정으로 부품을 처리한 후 나중에 마르텐사이트 변태를 시키게 되면 이전에 형성된 질화물층이 열화(degradation)되기 때문에 이 방법을 적용하기도 어렵다.

아울러, 다공질 코팅막에 실란트를 코팅하는 경우에도 실란트의 대부분이 열경화성 에폭시 계통이기 때문에 이 또한 큰 면압이 요구되는 부품에는 적용이 불가능하다.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위해서 본 발명은 내마모성과 내부식성이 뛰어나고, 생산성이 우수하며, 다양한 코팅막 형성에 유리하고, 큰 면압이 요구되는 부품에 적합한 코팅막 형성방법을 제공하는 것이 목적이다.

도 1은 본 발명의 코팅막을 형성하기 위한 분사장치의 일례를 도시한 개략도,

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코팅막의 형성과정을 도시한 순서도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

2 : 피처리물 10 : 다공질 코팅막

10' : 치밀화 코팅막 12 : 마르텐사이트조직

14 : 왁스층

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 다음과 같은 형성방법들을 제공하고자 한다.

피처리물의 표면에 코팅제를 분사시켜서 다공질 코팅막을 형성하고, 이 다공질 코팅막을 형성한 다음 다공질 코팅막의 일부를 가열 및 냉각시켜 다공질 코팅막을 기밀화시키고 나서, 기밀화된 다공질 코팅막의 표면을 왁스코팅하여 왁스코팅막이 형성되도록 하여 이루어진다.

그리고, 기밀화 단계 이후에 다공질 코팅막의 표면을 연마시키는 단계가 더 추가되는 것이 바람직하다.

피처리물의 재질은 저탄소강인 것이 바람직하다.

여기서, 코팅제는 액체상태로 용융하여 노즐을 통해 분사시키는 것이 바람직하다.

코팅제는 금속, 세라믹, 및 카아바이드 또는 이들 코팅제를 적어도 2종류 이상 혼합한 것을 사용할 수 있다.

그리고, 코팅제는 분말 또는 와이어의 고체상태인 것을 용융하여 고압가스로 분사시킨다.

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 코팅막을 형성하기 위한 분사장치의 일례를 도시한 개략도이다.

참고로 본 발명의 원활한 설명을 위하여 본 발명의 코팅막 형성방법으로 제조된 부품으로 자동차용 쇽업서버(shock absorber)에 사용된 피스톤로드(piston rod)를 예를 들어 설명한다.

피처리물(2)의 원재료는 합금함유량이 적은 철강재료를 사용하며, 가격이 싸고 가공이 쉬운 S25C, S34C, S45C등의 저탄소강이 사용된다. 여기서, 이들 피처리물(2)을 나타내는 숫자가 의미하는 것을 중량당 탄소의 함유량을 나타낸 것으로 각각 0.25wt%, 0.34wt%, 0.45wt%가 함유됨을 의미한다.

이러한 피처리물(2)은 지름이 22mm이고, 길이가 대략 5m인 봉상으로 제작한 것을 피스톤로드에 적합한 길이인 대략 30cm로 절단한다.

봉상의 피처리물(2)을 도 1에 도시한 바와 같이 코팅제가 채워진 챔버(4)의 하방에서 수평방향으로 이동시키면서 챔버(4)의 하부에 설치된 노즐(6)을 통해 코팅제를 분사시킨다. 이렇게 분사가 가능하기 위해서는 챔버의 내부에 채워진 코팅제가 용융된 상태의 액상이 되어야 하며, 특히 코팅제는 철이 함유된 것을 사용함이 바람직하고, 순금속에 2가지 이상의 물질을 혼합한 합금이어도 무방하다.

또한, 코팅제를 분말이나 와이어로 된 고체의 것을 2500℃이상의 불꽃인두로 녹임과 동시에 고압가스로 분사시킬 수 있다.

이 때, 코팅제는 금속, 세라믹, 및 카아바이드 또는 이들 코팅제를 적어도 2종류 이상 혼합한 것을 사용할 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 코팅막의 형성과정을 도시한 순서도이다.

분사된 코팅제는 피처리물(2)의 표면에 적층되면서 다공질 코팅막(10)을 형성하고, 이때 다공질 코팅막(10)의 두께는 10㎛ 내지 100㎛정도가 바람직하나 두께에 제한을 받는 것은 아니다.

다음으로, 다공질 코팅막(10)이 형성된 피처리물(2)을 가열 및 냉각시키는 단계를 거치게 되는바, 다공질 코팅막(10)은 용융된 다음 경화되어 기밀화됨으로써 수많은 미세공을 갖는 치밀화 코팅막(10')으로 되고, 고주파유도에 의한 가열 및 산화성 분위기에서 급냉공정을 통해서 피처리물(2)의 표면은 마르텐사이트변태(變態)되어 표면경도가 700HV정도로 높아진 마르텐사이트조직(12)으로 변화됨에 따라 큰 면압이 걸리는 제품에 사용될 수 있다.

고주파유도 가열시 사용된 코일의 재질은 냉각수가 흐르는 구리튜브가 바람직하여 가열시 피처리물조직의 두께는 제한을 받지 않으나, 1mm정도가 적당하다.

냉각액의 주성분은 물 혹은 기름의 현탄액(emulsion)이 적당하며, 대표적인 냉각액으로는 영국석유회사(British Petrolem)사의 상품명인 ILOTEMP4, EVOCQUENCH GV등이 있으며, 국내의 건설화학에서 공급하는 흑색착염 효과가 있는 냉각액도 있다.

전술한 가열 및 냉각공정을 거치면서 피처리물은 형상이 뒤틀어질 수 있기 때문에(distortion) 최종적으로 사용할 피스톤로드의 치수에 부합되도록 표면가공을 하며, 이 때 가열시 휘어진 피스톤로드의 부분은 가공해서 곧게 만들고 표면조도를 엄격하게 맞춘다.

이어서, 치밀화 코팅막(10')의 표면을 연마하여 미세한 표면거칠기를 갖도록 하는데, 표면연마방법으로는 그라인딩(grinding)과 슈퍼피니싱(super finishing)을 채택한다. 이러한 연마공정은 제품의 용도에 따라 선택적으로 적용될 수 있다.

마지막으로, 연마된 치밀화 코팅막(10')의 표면에 윤활성이 뛰어난 물질을 추가로 침투 또는 코팅시키는 왁스코팅과정을 거친다. 왁스코팅제의 주성분은 왁스 지방질(waxy aliphatic), 탄화수소(hydrocarbon), 및 칼슘 비누(calcium soap) 외에 몇가지가 더 있으며, 왁스성분은 액화탄화수소(liquid petroleum hydrocarbon)에 녹여져 있다. 당업계에 알려진 대표적인 왁스재료로는 Castrol V409, Castrol V407, 및 Castrol V428 등이 있다.

이렇게 치밀화 코팅막(10')에 왁스가 채워지면서 왁스층(14)을 형성하면 내부식특성이 증가하며, 윤활성이 뛰어난 왁스를 사용하기 때문에 쇽업소버로 조립해서 사용할 때 내마모특성이 크게 향상된다.

이와같은 방법을 통해 얻게 된 효과로는 연질화공정으로 20㎛내외의 두께를 갖는 화합물층을 형성시켜야 하는 니트로텍 공정기술에 비해서 본 발명은 스프레이 코팅에 의해 치밀화 코팅막을 형성시키기 때문에 치밀화 코팅막의 두께조절이 용이하다.

코팅시간이 오래걸리는 연질화공정에 비해 짧은 시간에 코팅이 가능하기 때문에 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 코팅제의 선택범위가 매우 넓기 때문에 코팅제의 선택에 따라 복합기능을 갖는 코팅막을 형성할 수 있다.

아울러, 피처리물의 표면을 마르텐사이트변태 시킴으로써 표면에서 1mm정도의 깊이까지 표면경도를 높일 수 있기 때문에 큰 면압이 요구되는 부품에서 응용할 수 있다.

한편, 코팅제를 금속, 비금속인 세라믹, 및 카바이드 계통의 물질이 사용될 경우를 좀 더 상세히 살펴본다.

앞서 기술한 바와 같이 코팅제는 금속, 비금속인 세라믹, 및 카바이드 계통의 물질이 사용될 수 있으며 이들을 혼합하여 사용할 수가 있다. 금속코팅제의 선택기준은 융점이 1000℃이하로 비교적 낮아서 고주파유도에 의한 가열시 최소한 부분적으로 녹는 것을 사용한다.

이러한 코팅제를 피처리물로 분사되기에 앞서 용융시키게 되는데, 열원에 따라 열적스프레이, 아아크 스프레이, 및 플라즈마 스프레이 등이 있다. 이렇게 스프레이된 코팅제는 피처리물의 표면에서 굳게 되고 후술하는 가열 및 냉각공정을 거치게 된다.

상술한 스프레이 방법에 의해 피처리물에 다공질 코팅막이 형성되면, 고주파유도에 의해 피처리물을 가열시킨다. 다공질 코팅막이 금속 단독으로 사용될 경우에는 고주파유도 가열에 의해 다공질 코팅막으로 된 금속은 용융되어 고체에서 액체로 변화하면서 피처리물의 표면에 강하게 부착되어 치밀화 코팅막으로 전환된다.

이 때, 가열과정과 냉각과정에서 피처리물의 표면에 마르텐사이트조직이 동시에 형성되어 큰 면압에서도 무리없이 사용할 수 있고 내마모성이 향상된다.

또한, 다공질 코팅막이 금속, 세라믹, 또는 카바이드 계통을 혼합하여 사용할 경우에는 고주파유도 가열에 의해 녹은 금속코팅제는 주변에 존재하는 세라믹 혹은 카바이드 계통의 코팅제를 결합함과 동시에 피처리물에 강하게 부착된다.

이후 앞서 기술한 실시예와 동일한 공정으로 진행되는 냉각공정, 표면연마공정, 및 왁스코팅고정을 거쳐 치밀화 코팅막의 표면에 왁스층이 형성된다.

이렇게 코팅제를 혼합하여 사용할 경우에 나타나는 효과는 크게 두가지인데, 첫번째는 세라믹, 카바이드 계통의 코팅제 사용으로 인해서 내마모성과 내부식성이 크게 향상된다. 두번째는 가열시 금속코팅제가 녹아서 이웃하는 물질들을 결합시키기 때문에 코팅층과 피처리물 사이의 부착력이 강해지고, 코팅층의 밀도가 높아진다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예들은 종래의 문제점들을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 피처리물에 코팅막을 형성시킬 때 스프레이 방법을 이용해서 코팅막을 형성하기 때문에 코팅시간을 단축시키고, 다공질 코팅막의 두께 조절이 용이하여 제품 생산성을 향상시켰다.

또한, 피처리물에 형성된 마르텐사이트 조직의 두께를 두껍게 할 수 있기 때문에 내마모성을 크게 향상시키고 큰 면압이 요구되는 부품에 사용할 수 있으며, 치밀화 코팅막에 왁스코팅시킴으로써 내부식성을 향상시켰다.

아울러, 코팅제를 용융시킨 후 분사하기만 하면 되기 때문에 코팅제의 선택폭이 넓어 다양한 코팅막의 형성에 유리하다.

Claims (7)

1. 피처리물의 표면에 코팅제를 분사시켜서 다공질 코팅막을 형성하는 단계;

   상기 다공질 코팅막의 일부를 가열 및 냉각시켜 상기 다공질 코팅막을 기밀화시키는 단계; 및

   상기 기밀화된 다공질 코팅막의 표면을 왁스코팅하여 왁스코팅막이 형성되도록 하는 단계로 이루어진 코팅막 형성방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기밀화 단계 이후에 다공질 코팅막의 표면을 연마시키는 단계가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 코팅막 형성방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 피처리물의 재질은 저탄소강인 것을 특징으로 하는 코팅막 형성방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅제는 액체상태로 용융하여 노즐을 통해 분사되는 것을 특징으로 하는 코팅막 형성방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 코팅제는 금속, 세라믹, 및 카아바이드 또는 이들 코팅제를 적어도 2종류 이상 혼합한 것을 특징으로 하는 코팅막 형성방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 코팅제는 고체상태의 분말을 용융시켜서 고압가스를 이용하여 분사시키는 것을 특징으로 하는 코팅막 형성방법.
7. 제 4항에 있어서, 상기 코팅제는 고체상태의 와이어를 용융시켜서 고압가스를 이용하여 분사시키는 것을 특징으로 하는 코팅막 형성방법.