KR20010055811A - 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법 - Google Patents

산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법에 관한 것으로,
질화물을 용사코팅하는 방법에 있어서, 바인더 역할을 하는 산화물 분말을 질화물 분말과 함께 혼합하는 단계와; 상기 혼합된 혼합물을 봉 형상으로 성형하는 단계와; 상기 성형된 세라믹 봉을 용봉식 화염용사기를 사용하여 코팅함으로써, 피용사물의 표면에 질화물-산화물의 복합 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하며,
단독으로는 용사코팅이 곤란한 질화물을 산화물 바인더와 혼합하여 세라믹 봉을 만들어서, 용봉식 화염용사기로 연소가스비를 적절히 조절하고, 질소가스를 캐리어 가스로 하여 피용사물을 용사코팅함으로써, 질화물과 산화물의 복합 코팅층을 양호하게 형성하는 효과를 제공한다.

Description

산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법{Thermal spraying method for Nitride by mixing oxides as binder}
본 발명은 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화물을 산화물과 혼합하여 용사코팅이 가능한 세라믹 봉으로 성형하여, 용봉식 화염용사기를 이용하여 용사코팅하는 방법에 관한 것이다.
질화 실리콘, 질화 보론, 사이알론, 질화 티타늄 등 대부분의 질화물은 용융금속에 대한 내침식성이 큰 소재이다. 특히 질화 실리콘은 세라믹 소재 중에서는 인성이 뛰어나 고온에서의 구조용 소재로 유망할 뿐만 아니라, 용융 아연, 알루미늄 등과 같은 반응성이 큰 용융 금속에 대하여 내침식성이 우수하고, 용융 금속이 잘 젖지 않는 특성이 우수하므로, 용융 금속을 다루는 산업분야에서의 응용가능성이 큰 소재이다.
이러한 특성으로 인해 종래에 용융 금속을 사용하는 업계에서는 질화물 소결체 등으로 부품을 제조하여 사용하는 예가 많이 있었다. 그러나 소형 부품의 경우에는 소결 등의 방법으로 부품을 제조하기가 용이하지만, 롤과 같이 대형의 부재를 제조하기에는 많은 기술적인 어려움이 있을 뿐만 아니라, 제조 경비가 많이 들기 때문에 실제 적용이 곤란하였다.
상기와 같은 곤란함을 해결하기위해서 질화물을 원 소재에 결합시키는 여러가지 다른 방법들이 시도되었는데, 그중 질화물 조각을 롤에 부착하는 방법(JP 97-346208)이 있다. 그런데, 이러한 방법을 사용할 경우, 질화물 조각이 잘 떨어지지 않게 부착하는 것이 어려우며, 질화물 조각들 사이에 작은 공간이 생겨서 그 부분과 접촉하는 제품면에 불량을 유발시키는 문제점이 있었다.
다른 방법으로서, 질화물의 특성이 부품의 표면 특성에만 요구되는 경우에는 질화물로 코팅을 하는 방법이 사용될 수 있는데, 이러한 코팅법은 여러가지 장점을 갖고 있으나, 다음과 같은 문제점을 발생시켰다.
즉, 질화물을 형성하는 방법으로 소재자체를 이온 질화하는 방법을 사용할 경우, 챔버 중에 소재를 넣어서 처리를 하여야 하기 때문에 대형의 부품에 적용하는 것이 역시 곤란하게 되는 문제점이 발생한다.
다른 방법으로서 용사법이 사용될 수 있는데, 용사법을 사용하여 코팅하는 경우 대형의 부품도 형상에 관계없이 용이하게 코팅이 가능하여, 상기와 같은 문제점을 해결할 수는 있는데, 용사법의 특성상 또 다른 문제점을 발생시키게 된다.
즉, 질화물을 단독으로 용사하는 경우 고온의 화염에 노출되면서 질화물이 분해 또는 산화되는 문제가 발생한다. 일부 공지기술(JP 97-25583, JP 95-62516)에서는 하부 코팅층위에 상부 코팅으로써 탄화물 혹은 질화물을 단독으로 코팅하는 기술이 출원된 바 있지만, 실용가능한 정도의 특성을 갖는 코팅층을 형성할 수 없었다.
한편, 일부에서는 질화물의 분해를 방지하기 위해서 고압의 질소로 충진된 챔버에서 질화물 용사코팅을 시도한 바가 있지만 건전한 코팅을 얻지는 못하였다.
이러한 이유로, 실질적으로는 질화물이 포함된 물질을 용사코팅층위에 도포하여 봉공재의 형태로 하여 사용하기도 하며(JP 97-235666), 금속을 바인더로 사용하여 코팅하는 방법이 사용되기도 하였다.
질화물을 단독으로 용사하는 방법은 실용성이 결여되기 때문에, 바인더를 사용하여 용사하는 상기의 방법이 상술한 여러가지 용사법 중에서 가장 실현성이 있다고 할 수 있다. 그러나 금속을 바인더로 사용하는 경우에는 용융 금속이 금속바인더를 우선적으로 침식시키기 때문에, 용융 금속에 대한 내식성 측면에서 특성이 크게 떨어지게 되는 문제점이 발생한다. 그러므로 바인더를 사용하여 질화물을 용사코팅하고자 하는 경우에는 용융 금속에 침식을 당하지 않는 소재를 사용하여야한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 질화물의 용사코팅법의 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 그 목적은 용융 금속에 대하여 내침식성이 우수하면서 질화물보다 융점이 낮은 산화물을 바인더로 사용함으로써, 용융 금속에 대한 내침식성과 이형성이 우수한 질화물의 특성을 살리면서, 바인더가 침식되지 않는 코팅층을 형성할 수 있는 용사코팅방법을 제공하는 것이다.
도 1은 용봉식 화염용사기의 작동원리를 나타낸 구조도,
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 형성된 코팅층의 성분을 보여주는 X선 회절분석결과로서, A는 아세틸렌:산소의 비를 완전연소조건으로 한 경우이고, B는 아세틸렌:산소의 비를 불완전연소조건으로 한 경우이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 세라믹 봉 2 : 연료가스, 산소 주입구
3 : 캐리어 가스 주입구 4 : 노즐 캡
5 : 용융된 세라믹 입자
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 질화물을 용사코팅하는 방법에 있어서, 바인더 역할을 하는 산화물 분말을 질화물 분말과 함께 혼합하는 단계와; 상기 혼합된 혼합물로 세라믹 봉을 성형하는 단계와; 상기 세라믹 봉을 용봉식 화염용사기를 사용하여 코팅함으로써, 피용사물의 표면에 질화물-산화물의 복합 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 바인더 역할을 하는 산화물 분말로서, 알루미늄, 지르코늄, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 이트리움, 하프늄, 실리콘, 세리움 또는 보론의 산화물 분말중에서 1 종을 사용하거나, 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용하며, 상기 질화물 분말로서, 질화 실리콘, 질화 보론, 사이알론 또는 질화 티타늄 분말중에서 1 종을 사용하거나, 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용한다.
또한 본 발명은, 상기 세라믹 봉을 용봉식 화염용사기를 사용하여 코팅하는 과정중에, 연료가스와 산소의 혼합비를 조절하여 불완전 연소가 이루어지게 하고,캐리어 가스로 질소를 사용함으로써 상기 세라믹 봉이 용융되는 동안 질화물의 분해 또는 산화반응을 억제할 수 있도록 한다.
이하 본 발명, 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 용봉식 화염용사기의 작동원리를 나타낸 구조도이다.
연료가스 및 산소를 연료가스, 산소 주입구(2)를 통하여 화염용사기 노즐의 내부에 공급하여 연소시키면, 산화물-질화물의 복합 세라믹 봉(1)이 연소열로 인하여 용융되어, 캐리어 가스 주입구(3)를 통하여 공급된 가스에 의하여 용융된 세라믹 입자(5)가 가속되어, 모재에 부착되어 코팅층을 이루게 된다. 연료가스로는 아세틸렌, 프로판, 부탄 등의 탄화수소 가스가 사용된다.
이때 얻을 수 있는 연소가스의 온도는 2500~3000℃ 에 도달하므로 세라믹 봉(1)을 용융시킬 수 있다. 그런데 일반적으로 질화물의 용융점은 2500~3000℃ 정도로 통상적으로 많이 사용되는 알루미늄, 지르코늄, 칼슘, 마그네슘 등의 산화물의 용융점보다 높은 편이다. 그러므로 세라믹 봉(1)은 질화물의 용융점까지 가열되기 전에 산화물의 용융점에만 도달하면 용융되어, 세라믹 봉(1)에서 떨어져 나와 코팅층을 형성할 수 있다.
그러나 질화물은 높은 온도에 오래 노출되면 분해 혹은 산화가 일어나기 때문에 산화물의 용융점은 낮은 것이 유리하다. 그렇게 함으로써 질화물이 분해, 산화되기 전에 산화물이 용융되어 세라믹 봉(1)에서 떨어져 나오게 함으로써, 질화물-산화물의 복합 코팅층을 얻을 수 있다.
산화물의 용융점을 낮추기 위하여 2 종이상의 산화물을 혼합하거나 합금화한 산화물을 사용함으로써 용융점을 낮출 수 있다. 예를 들어 알루미늄 산화물의 용융점은 2000℃ 정도인데 티타늄 산화물을 혼합하면 1700℃, 보론 산화물을 혼합하면 1035℃, 칼슘 산화물을 혼합하면 1360℃ 정도로 용융점이 떨어지게 된다. 또한 3 종이상의 산화물을 적당한 비로 혼합하면 산화물의 융점은 더욱 떨어지므로 질화물을 용사하기는 보다 더 용이해진다.
산화물을 선택할 때는 사용하는 용융 금속에 의하여 침식을 당하지 않는 종류를 선택하는 것이 바람직하다. 일반적으로 알루미늄, 지르코늄, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 이트리움, 하프늄, 실리콘, 세리움 등의 산화물은 아연 혹은 알루미늄과 같이 반응성이 큰 용융금속과 반응을 일으키지 않으므로 이러한 종류의 산화물을 선택하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 공기분위기 중에서 보론 질화물은 약 1000℃ 부터, 실리콘 질화물은 약 1200℃ 부터 분해 혹은 산화가 심하게 일어나게 된다. 그러나 분위기 중에 산소의 양을 줄이면 그 이상의 온도에서도 분해 또는 산화반응을 억제시킬 수 있다.
세라믹 봉은 탄화수소가스의 연소시 발생하는 열에 의하여 용융되므로 연소가스 분위기에 노출되게 된다. 동시에 캐리어 가스 주입구를 통하여 주입되는 캐리어 가스도 연소가스에 혼합되므로, 실질적으로 용사기의 노즐 내부에는 연소가스-캐리어 가스의 분위기가 형성된다.
그런데, 캐리어 가스로는 통상적으로 압축공기가 사용되는데, 공기 중에는 다량의 산소가 포함되어 있어 질화물을 산화 및 분해시키는 역할을 하므로 이러한반응을 억제하기 위하여 캐리어 가스로 질소를 사용하는 것이 바람직하다.
또한 탄화수소 가스를 연소시키는 조건에 있어서, 탄화수소에 대한 산소의 비율(연소비)을 완전 연소비 보다 작게 할수록 연소가스 중에는 산화성 가스인 H2O, CO2이외에 환원성 가스인 H2, CO가 많이 형성되기 때문에, 질화물의 분해 및 산화를 방지할 수 있다.
이때 용융된 비산입자가 코팅 대상물로 비행하는 동안 공기가 연소가스 및 캐리어가스에 섞여서 산소분압이 높아지지만, 입자의 비행속도가 초당 100~200m 정도로 빠르므로 산소와 반응할 시간이 극히 짧기 때문에, 질화물 형태로 코팅층을 이룰 수 있다.
이와 같이 1 종 또는 2 종 이상의 산화물과 1 종 또는 2 종 이상의 질화물을 혼합하여 세라믹 봉을 제조한 다음, 이것을 소재로 사용하는 용봉식 화염용사기를 사용함에 있어, 질소를 캐리어 가스로 사용하고, 탄화수소가스와 산소의 비를 적당히 조절하여 용사코팅하면, 산화물과 질화물의 양호한 복합코팅층을 얻을 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
[실시예]
알루미늄 산화물과 실리콘 질화물을 몰비 1:1이 되는 비율로 조절하여 균일하게 혼합하였다. 질화물과 산화물의 혼합물에 파라핀계 유기 바인더를 소량 혼합하여, 봉상의 형태로 압출 가공한 다음, 건조 과정을 거친 후에, 질소 분위기로 유지되는 분위기로에서 1200℃ 의 온도에서 30분간 소결하여 지름이 6mm인 세라믹 봉을 제조하였다.
용사기로는 용봉식 화염용사기의 일종인 로카이드(RokideTM)건을 사용하였다. 연료가스로는 아세틸렌 가스를 사용하였으며, 산소의 양은 완전연소비인 1:2.5와 불완전연소비인 1:1.9가 되도록 조절하였다. 캐리어 가스로는 압축공기 대신에 질소가스를 사용하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 형성된 코팅층의 성분을 보여주는 X선 회절분석결과로서, A는 아세틸렌:산소의 비를 완전연소조건으로 한 경우이고, B는 아세틸렌:산소의 비를 불완전연소조건으로 한 경우이다.
A의 경우에는 원소재인 알루미늄 산화물, 실리콘 질화물 외에 실리콘 산화물이 형성되었다. 실리콘 산화물은 실리콘 질화물이 용사과정 중에 산화되어 형성된 것이다. B의 경우에는 산화반응이 억제되어 실리콘 산화물이 거의 형성되지 않고 실리콘 질화물이 온전하게 코팅층을 이룬 것을 알 수 있다.
상기 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 단독으로는 용사코팅이 곤란한 질화물을 산화물과 혼합하여 세라믹 봉을 만들어서, 용봉식 화염용사기로 연소가스비를 적절히 조절하고, 질소가스를 캐리어 가스로 하여 피용사물을 용사코팅함으로써, 질화물과 산화물의 복합 코팅층을 양호하게 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 산화물을 바인더재로 사용하였기 때문에 금속을 사용한 경우처럼 바인더 금속의 침식에 의한 코팅층의 박리가 일어나는 것을 방지할 수 있다.
그러므로 본 발명을 용융 금속 도금 설비를 비롯하여, 용융 아연, 용융 알루미늄 등의 용융 금속을 다루는 설비 중 이들 용융 금속이 접촉하는 다이, 탕도, 금형 등의 부품에 적용할 경우, 부품자체를 질화물로 제작하는 것에 비하여 훨씬 저렴하게 부품의 수명향상 효과를 얻을 뿐만 아니라, 이형성이 뛰어나 작업능률의 향상효과도 얻을 수 있다.

Claims (4)

  1. 질화물을 용사코팅하는 방법에 있어서, 바인더 역할을 하는 산화물 분말을 질화물 분말과 함께 혼합하는 단계와; 상기 혼합된 혼합물을 봉 형상으로 성형하는 단계와; 상기 성형된 세라믹 봉을 용봉식 화염용사기를 사용하여 코팅함으로써, 피용사물의 표면에 질화물-산화물의 복합 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 산화물 분말로서, 알루미늄, 지르코늄, 칼슘, 마그네슘, 티타늄, 이트리움, 하프늄, 실리콘, 세리움 또는 보론의 산화물 분말중에서 1 종을 사용하거나, 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용하고, 상기 질화물 분말로서, 질화 실리콘, 질화 보론, 사이알론 또는 질화 티타늄 분말중에서 1 종을 사용하거나, 또는 2 종 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 세라믹 봉을 용봉식 화염용사기를 사용하여 코팅하는 과정중에, 연료가스와 산소의 혼합비를 조절하여 불완전 연소가 이루어지게 함으로써, 상기 세라믹 봉이 용융되는 동안 질화물의 분해 또는 산화반응을 억제하는 것을 특징으로 하는 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 용봉식 화염용사기를 사용하여 코팅하는 과정중에, 캐리어 가스로 질소를 사용함으로써 질화물의 분해 또는 산화반응을 억제하는 것을 특징으로 하는 산화물 바인더를 이용한 질화물의 용사코팅방법.
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