KR20030071444A - 제철분진 슬래그를 이용한 열용사 코팅분말 제조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열용사 코팅분말 재료를 제철 분진 슬래그로부터 제조하는 방법에 관한 것이다. 종래의 열용사 코팅 분말재료는 금속(Fe.Ni),합금(Ni/Fe/Fe),산화세라믹(Al₂O₃, ZrO₂), 카바이드(Cr₂C₃) 및 고분자 등 재료가 다양하며 제조 방법으로는 분무화 방법과 소결(세라믹) 방법 등이 이용되어 왔으나 제조 공정이 고비용이기 때문에 열용사 코팅분말 재료는 매우 고가이다. 본 발명의 목적은, 현재까지 대부분 해안에 매립 폐기하던 제철 분진 슬래그를 고부가가치의 열용사 코팅 분말 재료로 이용하는 방법을 제공하는데 있다. 본 발명은 환원된 제철 분진 슬래그 조성의 90%이상이 Fe와 탄소인 점과 입도가 10㎛ 에서 200㎛ 대에 이르는 점에 착안하여 입도를 선별하는 공정과 열용사 코팅에 가장 적합한 환원 분진 슬래그의 입도와 열용사코팅 막의 물리 화학적 특성을 보강하여주는 첨가물의 종류와 첨가량과, 환원분진 슬래그를 케블라 코팅 기술을 이용하여 고 부가가치의 케블라 코팅된 열용사 분말재료를 포함한다. 환원된 제철 분진 슬래그 중 입도 120㎛ 이상을 지닌 분진 등을 이용시 열용사 코팅에 상용하는 조성이 유사한 분말 재료인 350NS(METCO)와 증착 효율, 내부식성, 접착강도 등이 유사하였으며 특히 케블라 코팅된 120㎛ 이상의 입도를 지닌 분진은 내부식성이 매우 뛰어나 열용사 코팅재료로서 내부식 및 마찰 강도를 요하는 코팅재료로 이용 가능할 것이다.

Description

제철분진 슬래그를 이용한 열용사 코팅분말 제조{Preparation of powder for Thermal spray coatings from steel powder slags}

본 발명은 고부가가치의 열용사용 복합분말을 산업 폐기물인 제철 분진 슬래그를 이용하여 제조하는 방법으로서 보다 상세 화하게는 환원된 제철분진 슬래그를 입도별로 선별하여 열용사 코팅분말로 이용하는 방법과 선별된 입도를 지닌 환원 분진 슬래그에 흑연을 첨가하여 물리화학적 특성을 향상시키고 케블라로 선별된 입도를 지닌 환원 분진 슬래그를 코팅하여 코팅 막의 내부식성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

열용사는 용사 건에서 발생하는 고온의 화염에 의해 공급되는 용사용 분말을 반용융 상태로 만든 후 이송가스로 분사시켜 모래에 충돌, 융착시킴으로써 원하는 종래의 코팅 층을 형성하는 공정으로써, 상용되는 분말은 금속 및 합금 종류가 주종을 이루고 있으며, 일부 저융점 세라믹 재료로 적용되고 있다.

이러한 금속 및 합금형태의 열용사용 분말은 분무화 및 소결합법 등으로 20∼30㎛크기로 제작하여 사용하고 있다.

상기와 같은 열용사용 분말은 용사시 모든 분말이 균일한 용해 상태로 분사되어 디스크상태로 모재에 융착되어야만 기공이 적은 균일한 코팅 막을 생성할 수 있다. 이를 위해서는 균일한 유동성, 즉 균일한 분사 거동을 해야 한다. 만약 불균일한 분말 공급이 되면 불균일한 분사거동이 발생하여 단위 시간당 분사되는 입자들의 양이 많아지게 되어 비용융 입자들이 생성되며 이로 인한 약한 융착에 의해 코팅 층에 국부적으로 큰 기공을 만들어 코팅층 특성을 저하 시키게 된다.

용사용 분말은 단 분산된 구형의 입자가 가장 이상적이나 제조비용상 경쟁력이 없으며, 현재 상용하는 대부분의 용사분말은 불규칙한 모양을 지니고 있다. 이러한 점에서 환원된 제철 분질 슬래그를 열용사 분말재료로 이용 가능 한다면 현재 대부분의 용사용 분말이 수입에 의존하고 있고, 제철 분진 슬래그는 산업 폐기물이므로 경제성, 자원 재활용, 환경보전 및 수입 대체 효과가 매우 크다.

제철 분진 슬래그는 90%가 저급의 탄소와 산화철로 구성되어 있어 열용사분말재료로 상용이 어려우나, 현재 (주)한타엠엔비에서 이들 분진을 환원시켜 철과 탄소의 형태로 브레이크 패드나 라이닝 생산에 약간 이용하고 있다. 그러나 이들 입도의 분포가 3㎛에서 400㎛에 이르도록 넓기 때문에 열용사 시 입자들의 일정한 속도로 용사 건에 유입하기가 힘들며, 또한 용사 코팅 후에는 분말 주성분이 철과 탄소이므로 내부식성 등이 약할 것으로 기대되기 때문에 이를 보강할 적절한 첨가제가 필요하다.

본 발명은 환원 제철 분진 슬래그의 용사 건으로의 유입속도를 일정하게 하기위한 목적으로 입도 선별 공정을 도입한 후 최적의 용사 결과를 제공하는 입도 대를 선별하였고, 용사 막의 내 부식성을 향상시키기 위한 목적으로 흑연을 첨가 하는 방법과 환원 분진 슬래그를 케블라로 코팅하는 기술을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명을 통해 개발된 입도 120㎛ 이상을 지닌 환원 분진 슬래그를 이용하여 열용사 한 기판의 광학 및 전자현미경 사진이다.

도 2는 입도별로 분리한 환원분진 슬래그의 전자 현미경 사진이다.

도 3은 입도별 환원 분진 슬래그와 상용하는 350NS를 이용한 열용사 증착 효율 그래프이다.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 입도 120㎛ 이상을 지닌 환원 분진 슬래그를 이용하여 열용사한 기판의 단면 전자현미경 사진이다.

도 5는 120㎛입도를 지닌 환원분진 입자에 케블라 코팅 방법을 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명을 통해 제조된 코팅 막의 XRD결과이다.

도 7은 본 발명을 통해 제조된 코팅 막의 접착 강도 측정후의 사진이다.

도 8은 본 발명을 통해 제조된 코팅 막들의 내부식성을 전기화학적 방법으로 측정한 결과이다.

< 도면의 주요부분에 대한 설명 >

1: 환원 분진 슬래그의 탄소입자. 2: 환원 분진 슬래그의 Fe입자.

3: 환원 분진 슬래그에 코팅된 케블라 막.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 조성이 C 50%, Fe 40% ,SiO₂5% , MsO 3%, Al₂O₃2%인 환원분진을 (주)한타엠엔비에서 공급 받았으며, 열용사 코팅은 10×10 ㎠ 의 금속기판을 모 재료로 하여 전처리 블라스팅 후 일반적인 열용사 구성설비를 이용하여 열 용사 코팅을 수행하였으며 이때 모재와 용사건과의 거리는 10 cm, 입자의 분사 속도는 50∼60m/s, 화염의 온도는 3100℃로 고정하여 수행 하였다. 이때 사용한 용사 건은 5P-II (NETCO) 용사 건이다.

이하 본 발명의 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 입도 선별공정을 거쳐 세 종류 크기로 선별한 환원 분진들의 전자 현미경 사진이다. 각진 암석 모양은 탄소이고 미세 분말 형태의 밝은 부분은 Fe임을 EDS분석을 통하여 알 수 있다. 입도별 크기에 따라 60㎛이하, 60∼106㎛, 106㎛이상의 세 가지로 분류 하였다.

상기 세 종류의 환원분진 중 열용사 코팅에 적합한 입도를 선별하고자 증착 효율을 측정하고 그 결과는 도 3에 도시하였다.

상기실험을 통해 106 ㎛이상의 입도를 지닌 환원 분진 등의 용사 건에 유입되는 유동성을 확인하고자 용사건에 장착된 용사분말 주입 등의 각도와 동일한 각도에서 분당 유동되는 106㎛ 이상의 입도를 지닌 환원 분진들의 유동량을 10회 측정한 결과 8g/min으로 5% 오차 범위에서 일정한 값을 보였다.

상기의 유입속도로 106㎛이상 환원 분진들을 유입하며 열용사한 후의 코팅 막 표면의 광학사진과 전자현미경 사진을 도1에 도시하였다. 도1에 도시한 바와 같이 일정하게 코팅 막이 형성 된 것을 알 수 있다.

또한 코팅 막의 단면 형태학을 조사하기위해 단면 전자현미경 사진을 도4에 도시하였다. 도 4에 도시한 바와 같이 단면에 융착된 입자들의 균일하게 증착된 형태를 보여 주고 있다.

상기에 코팅한 코팅 막의 미세상 구조를 XRD를 이용하여 조사하여 도 5에 도시하였다. 도 5에 도시한 바와 같이 Fe의 특성 X-ray 회절 패턴인 2θ값이 44.67, 65.02, 82.33,과 98.94에서 피크가 나타나지 않고 대신 마그네타이트의 특성 피크들이 기본 피크와 함께 도 5에 도시한 바와 같이 나타나 있다. 이를 통해 본 발명에서 개발한 환원분진 입자를 이용하여 공기 중에서 열용사 코팅시 입자들이 용융되며 공기 중의 산소와 수분과 반응하여 산화철 형태 중 하나인 마그네타이트의 미세상 구조를 지니는 것을 알 수 있다.

또한 코팅 막이 마그네타이트 구조인 것을 XPS를 통하여도 규명하였다. 도 6에 도시한 XPS 결과와 같이 Fe의 특징적인 결합에너지 피크인 707eV에서 피크가 나타나지 않고 마그네타이트의 특성 결합에너지 피크인 710eV에서 피크가 나타남을 통하여 코팅 막이 주로 마그네타이트임을 규명하였다.

또한 코팅 막의 기판에 대한 접착력은 열용사 융용 측면에서 가장 중요한 물성이다. 금속모재에 대한 코팅 막의 접착강도를 UTM을 이용하여 4회 실시 후 그 값들을 표에 나타내었다.

표1에 나타낸 값과 같이 코팅 막의 접착강도가 상용하는 용사분말 대표인 350NS를 이용하여 금속모재에 코팅한 후의 코팅 막의 접착강도와 상응하게 나타나 있다.

상기와 같은 접착강도는 높은 값이며, 이와 같이 높은 값은 모재와 용사 분말 간에 화학적 결합에 기인하는 것으로서, 이러한 화학적 결합 때문에 코팅이 깨끗이 떨어지지 않고 모재 표면에 많이 남아 있음을 알 수 있다.

상기 조사를 통하여 코팅 막이 마그네타이트임을 알았기 때문에 106㎛이상의 환원분진에 흑연을 5% 첨가하여 열용사 코팅 시 내부식성이 증가함을 알 수 있었으며 용사 막의 물성에는 큰 변화를 주지 않았다. 이때 흑연의 함량이 5% 이상 증가하면 막의 물성이 현저히 저하됨을 알 수 있었다.

또한 도 6에 도시한 방법으로 코팅 막의 내 부식성을 높이기 위해 케블라를 1N 질산 용액에 용해 후 106㎛이상의 환원 분진을 케블라 용액으로 세척하여 케블라를 환원 분진 입자에 코팅 시 도 7에 도시한 것과 같이 내 부식성이 증가한다는 것을 전기 화학적 부식 측정법을 통하여 알 수 있다.

상기와 같이 5% 흑연 첨가한 분진과 케블라 코팅된 분진을 이용하여 열용사 코팅 후 코팅 막의 접착 강도는 각각 0.9Mpa과 1.1Mpa로서 순수 환원 분진 이용 시와 차이가 없었다.

상기와 같은 본 발명은 단순한 공정을 통해 산업 폐기물인 제철 분진 슬래그를 고부가가치의 열용사 코팅 재료로 재활용함으로 경제적 파급효과가 매우 크고, 매우 저렴한 가격으로 용사 분말을 제조할 수 있어 종래 수입에 의존하던 용사 분말을 대체할 수 있음으로 해서 파생되는 경제 효과와 자원 재활용의 파급효과가 매우 크다.

Claims (3)

1. 환원된 제철 분진 슬래그를 이용하여 입도 별로 분리하여 용사 코팅 재료로 이용하는 것과 상기 환원 분진에 첨가물을 첨가하여 용사 분말을 제조하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 첨가물을 첨가 시 흑연, Ni, Co, Cr, W의 금속을 추가로 첨가하여 용사 분말을 제조하는 방법.
3. 제 1항에 있어서 도 6에 도시한 것과 같이 고분자 용액을 이용하여 분진을 세척하는 코팅법을 이용한 고분자 첨가로 용사분말 제조하는 방법.