KR20040020327A

KR20040020327A - 텅스텐-카바이드 고속화염용사 방법

Info

Publication number: KR20040020327A
Application number: KR1020020051918A
Authority: KR
Inventors: 조재억; 성병근
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-09

Abstract

본 발명은 텅스텐-카바이드(WC)계 용사재의 고속화염용사 방법에 관한 것으로, 그 목적은 WC-Cr-Ni 용사재의 고속화염용사공정에서 필요한 여러 복잡한 용사조건을 단순 명료하게 최적화하여 코팅층의 경도와 높은 코팅재료 실수율을 갖을 수 있는 고속화염용사방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 경유연료와 산소로 WC-Cr-Ni의 용사재를 용융가속시켜 모재표면에 코팅하는 고속화염용사(HVOF) 방법에 있어서, 상기 용사재를 연료량 6.6~7.0gph, 산소유량 1900~1960scfh, 용사거리 290~330mm의 조건으로 용사하는 것을 특징으로 하는 텅스텐-카바이드 용사코팅방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

텅스텐-카바이드 고속화염용사 방법{WC thermal spray coating method}

본 발명은 텅스텐-카바이드(WC)계 용사재의 고속화염용사 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속화염용사 공정의 복잡한 용사조건을 단순 명료하게 최적화하여 코팅층의 경도를 높이고 코팅재료의 실수율을 개선하기 위한 용사코팅 방법에 관한 것이다.

최근 제철, 석유화학, 발전산업 등의 산업기계 부품의 표면기능향상을 위해 용사코팅 기술 (Thermal Spraying Technology)이 활발히 사용되고 있다. 이 기술은 1-10 mm의 입자 또는 선재형태의 금속이나 세라믹 용사재를 화염가스나 전기로 용융 가속시키면서 소재에 0.1~1.2mm의 용사층을 형성하는 것이다. 용사코팅기술이 적용되는 부품으로는 제철소의 각종 롤(Roll), 항공기나 산업체의 가스터빈의 부품, 원자력산업의 보일러 튜브(Boiler Tube) 등이 있다. 이러한 설비에 사용되는 재료의 가격이 일반강재의 수십-수백 배를 능가하는 경우가 많으므로, 각 조건에 맞는 용사코팅을 실시하는 것이 경제적이다. 그러므로, 고부가가치 소재 산업에서는 이러한 코팅의 역할이 점점 커져 가고 있다.

용사코팅기술에는 WC계 용사재가 많이 사용되고 있다. 이 용사재는 내마모성을 결정하는 탄화물 (WC) 과 탄화물을 코팅층내 고정하는 금속바인더(metallic binder)로 나누어진다. 금속바인더로는 Co가 가장 많이 쓰이고 Ni, NiCr, CrCo 등도 사용되어 진다. 내마모성은 탄화물의 자체 마모성과 코팅층내의 미세분산성, 바인더와의 결합력으로 결정되며, 내식성은 주로 코팅층내 바인더상의 부식량에 결정되어 진다. WC계 용사재의 대표적인 예가 WC-Cr-Ni이 있다.

WC-Cr-Ni의 용사재의 용사코팅에는 고속화염용사(HVOF;High Velocity Oxy Fuel)방법이 주로 사용되고 있다. 이 용사코팅방법은 다른 용사코팅방법에 비해 화염의 온도가 낮고 입자의 속도가 매우 빨라 WC계 써멧용사에 활발히 적용되고 있다. HVOF 용사코팅은 연료로서 기존의 가스대신 경유를 사용하며 산화제로 산소를 사용하는 것으로, 연소압력이 높아 높은 속도로 용사입자의 가속이 가능하다. 따라서, 탄화물-금속계 코팅에 있어서 치밀한 코팅을 형성할 수 있어 코팅조건을 최적상태로 만들 수 있다.

고속화염용사방법에서는 용사재의 실수율을 극대화하는 것과 함께 밀도와 경도가 높은 코팅층을 얻을 수 있는 용사방법에 대한 연구가 주종을 이루고 있다. 용사재 실수율은 용사코팅시 용사재료가 코팅되는 비율로서, 용사기로 코팅할 때 많은 양의 용사재료가 떨어져 나가므로 용사재가 모재에 붙는 비율은 매우 중요하다.

WC-Cr-Ni 용사재의 고속화염용사와 관련된 연구결과의 일환으로 일본 공개특허공보 평10-245695 에서는 용사코팅층의 박리방지와 높은 경도를 얻기 위한 코팅두께에 관한 기술이 제안되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 평5-009699호에는 용사재의 세부조성과 최적 용재분말의 형상이 제시되어 있다. 그런데, 이들 종래기술에서는 용사조건에 대해서는 명기되어 있지 않다. 코팅층의 특성확보와 용사재의 실수율의 극대화는 용사공정 중 사용되는 산소와 연료의 배합비 용사건의 길이, 용사건과 코팅모재와의 거리 등의 용사조건이 독립적으로 작용하기 보다는 상호 복합적으로 영향을 주기 때문에 각각에 속한 공정변수가 매우 많고 이들 중에서 주요한 공정변수만을 결정하려 해도 매우 방대한 양의 실험이 요구된다.

따라서, WC-Cr-Ni의 동일 용사재를 동일 용사기를 사용하여도 용사코팅층의 경도, 코팅두께 등의 특성이 확연히 달라지는 문제가 있다. 용사코팅층의 경도에 문제가 있더라도, 용사재의 조성 등에서 문제해결을 시도하는 노력을 해온데 반해, 용사조건에 대한 최적화기술은 시도되지 못하고 있으며 소개된 바도 없다.

따라서, 본 발명은 WC-Cr-Ni 용사재의 고속화염용사공정에서 필요한 여러 복잡한 용사조건을 단순 명료하게 최적화하여 코팅층의 경도와 높은 코팅재료 실수율을 갖을 수 있는 고속화염용사방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 용사조건별 용사속도와 온도변화의 상관관계

도 2는 용사조건별 경도측정결과를 나타내는 그래프

도 3은 용사조건별 용사코팅두께를 나타내는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 경유연료와 산소로 WC-Cr-Ni의 용사재를 용융가속시켜 모재표면에 코팅하는 고속화염용사(HVOF) 방법에 있어서, 상기 용사재를 연료량 6.6~7.0gph, 산소유량 1910~1960scfh, 용사거리 290~330mm의 조건으로 용사하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

고속화염용사(HVOF )방법에서 용사공정변수는 산소, 연료, 용사거리 등이 있다. 종래의 고속화염용사는 연료량 6.0gph, 산소유량 1900scfh, 용사거리 330mm의 조건이 적용되었으며, 품질에 문제가 있는 경우 즉, 경도를 높이고자 할 때는 연료량과 산소유량을 10~20% 상향조정하였다.

본 발명자들은 연료량과 산소유량을 동일범위로 상향 조정하는 방법으로 경도특성을 조사한 결과, 품질특성에 변화가 심한다는 사실을 알게 되었다. 따라서, 고속화염공정변수를 최적화하기 위한 연구과정에서, 코팅층 경도와 용사재의 실수율에는산소유량, 연료유량, 용사거리의 3가지가 가장 주요한 인자로 작용한다는 결과를 얻어내었다.

즉, 산소량이 많아지면 용사온도는 떨어지고 용사속도는 약간 높아진다. 연료량이 많아지면 온도는 높아지고 용사속도는 높아진다. 산소와 연료량이 동시에 증가하면 용사속도는 매우 높아지고 동시에 용사온도도 높아진다. 이와 같이 산소량과 연료량은 상호복합적으로 작용하는데, 그 관련성이 도 1에 나타나 있다. 용사속도가 높아지면 경도가 높아지고, 온도가 상승하면 밀착력이 좋아진다. 따라서, 산소량과 연료량의 교호작용에 근거하여 코팅층의 경도를 높일 수 있는 조건을 결정해 낸 것이다. 즉, 산소량과 연료량이 상호복합적으로 작용하는데, 연료량은 약 10%이상 높여야 하는데 반해, 산소유량은 3.2%미만으로 상향조정하는게 효과적이라는 사실을 알게 되었다. 이를 바탕으로 최적조건을 도출한 결과, 연료량 6.6~7.0gph, 산소유량 1900~1960scfh 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 산소유량은 1910~1960scfh로 하는 것이다. 이 조건에서 코팅층의 경도를 극대화하고 용사재의 실수율도 확보할 수 있는 것이다.

그리고, 이러한 연료량과 산소유량 조건에서 용사거리가 멀어지면 용사코팅층 내부 기공도는 증가하고 코팅 두께도 증가하지만, 경도는 감소한다. 그에 반해, 용사거리가 짧아지면 경도는 증가하지만 코팅두께는 감소한다. 따라서, 이러한 용사거리작용을 감안할 때 용사거리 290~330mm의 조건으로 하는 것이 권장된다.

본 발명의 고속화염용사방법은 WC-Cr-Ni 용사재에 적용된다. 이 용사재의 대표적인 예로는 WC:60~80중량%, 크롬카바이드:10~20중량%, Ni 또는 Ni합금:5~25중량%로 조성되는 것이다. 크롬 카바이드는 Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆의 그룹에서 선택된 1종일 수 있다.

본 발명에 따르면 용사코팅층의 경도를 극대화할 수 있으므로, WC-Cr-Ni 용사재에서 주성분인 WC분말이 입도가 작아서 미세분산성에 의해 내마모성은 좋아지지만, 경도가 떨어지는 용사재에 본 발명의 용사조건으로 코팅하면 경도하락을 방지할 수 있다. 즉, WC분말의 입도가 작은 경우(1~3㎛)에 경도하락을 방지할 수 있는 최적의 용사조건이 되는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

경도와 코팅두께를 최적화하기 위하여 아래 표 2에서와 같이 변수를 조합하여 9가지 시편을 제작하였다. 실험에 사용된 용사재는 Praxair 사 제품 1356V를 사용하였으며 상세조성을 표 1에 나타내었다.

시편	조성(wt%)	입도(mm)	용사재 제조방법
WC- Cr-Ni	WC-20Cr₃C₂-7Ni	-45+15	응결과 소결(Agglomerated and sinterd)

	산소량(scfh)	경유(연료)량(gph)	용사거리(mm)
용사조건1-370	1900	6.0	370
용사조건1-330	1900	6.0	330
용사조건1-290	1900	6.0	290
용사조건2-370	2100	6.0	370
용사조건2-330	2100	6.0	330
용사조건2-290	2100	6.0	290
용사조건3-370	1950	6.8	370
용사조건3-330	1950	6.8	330
용사조건3-290	1950	6.8	290
Gph : gallon per hourScfh : square cubic feet per hour

표 2에서 용사조건1-330은 통상적인 화염용사방법이다. 용사조건2는 산소량을 많게 하여 용사화염압력을 높게하고 용사온도는 줄인 것이다. 용사조건 3은 연료량을 많게 하여 용사속도를 높인 것이다. 각각의 용사조건 1, 2, 3에 용사건과 모재의 간의 용사거리는 370mm, 330mm, 290mm로 변화시킨 것이다.

용사조건에 따른 시편의 경도 측정결과를 도 2 , 코팅두께를 도 3에 표시하였다.

도 2에 나타난 바와 같이, 용사재의 실수율을 나타내는 코팅 두께는 용사조건 1-370이 220mm 으로 가장 좋으나 용사조건 3-330또한 200 mm 로 우수함을 알 수 있다.

따라서 도 1과 도 2에서 높은 경도와 높은 코팅 두께를 가질 수 있는 용사조건은 종래의 용사조건 대비 산소량와 연료량이 동시에 증가하여 용사속도는 매우 높이고 동시에 용사온도도 높아지는 용사조건 3-330, 3-290 범위임을 쉽게 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 내식성이 우수한 WC-Cr-Ni계 용사 코팅시 필요한 여러 복잡한 용사조건을 단순 명료하게 최적화를 이룩하여 용사후 코팅층이 우수한 경도와 높은 코팅재료 실수율을 갖을 수 있게 하는 용사코팅 방법을 제공 할 수 있는 매우 유용한 방법이다.

Claims

경유연료와 산소로 WC-Cr-Ni의 용사재를 용융가속시켜 모재표면에 코팅하는 고속화염용사(HVOF) 방법에 있어서,

상기 용사재를 연료량 6.6~7.0gph, 산소유량 1900~1960scfh, 용사거리 290~330mm의 조건으로 용사하는 것을 특징으로 하는 텅스텐-카바이드 고속화염용사방법.
제 1항에 있어서, 상기 WC분말의 입도는 1~3㎛임을 특징으로 하는 텅스텐-카바이드 고속화염용사방법.
제 1항에 있어서, 상기 산소유량은 1910~1960scfh로 하는 것을 특징으로 하는 텅스텐-카바이드 고속화염용사방법,