KR20040056889A - 내식성과 내마모성이 우수한 텅스텐-카바이드 초경용사코팅 롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내식성과 내마모성이 우수한 텅스텐-카바이드(WC)계 초경 용사코팅 롤에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 롤 모재금속위에 제 1층으로 금속계 고내식성 용사코팅층을 형성하고 그 위에 제 2층으로 내식성과 내마모성이 우수한 WC계 용사코팅층을 형성하여 내식성과 내마모성을 향상시킨 용사코팅 롤에 관한 것이다.

Description

내식성과 내마모성이 우수한 텅스텐-카바이드 초경 용사코팅 롤{Thermal spray coated roll for anti-corrosion and wear resistant properties}

본 발명은 내식성과 내마모성이 우수한 텅스텐-카바이드(WC)계 초경 용사코팅 롤에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 롤 모재금속위에 제 1층으로 금속계 고내식성 용사코팅층을 형성하고 그 위에 제 2층으로 내식성과 내마모성이 우수한 WC계 용사코팅층을 형성하여 내식성과 내마모성을 향상시킨 용사코팅 롤에 관한 것이다.

일반적으로, 용사코팅(thermal spraying)은 금속이나 세라믹 입자 등을 용융 시키면서 가속 비산시켜 모재의 표면에 코팅을 실시하는 것으로, 용사재료는 주로 10~400㎛의 입자형태가 쓰이고, 전기나 화염으로 이 용사재료를 녹이며, 약 0.1~1.2㎜ 두께의 코팅을 이룬다.

이러한 코팅방법은 주로 제철, 석유화학, 항공기, 발전산업 등에 응용되고 있으며, 적용예로는 제철소의 각종 롤(roll), 항공기나 산업체의 가스터빈의 부품, 원자력산업의 보일러 튜브(boiler tube) 등이 있다.

이러한 분야에서는 재료의 가격이 일반 강재의 수십, 수백배를 능가하는 경우가 많으므로, 일반 모재금속에 각 조건에 알맞는 용사코팅을 실시하는 것이 경제적이다.

따라서, 고부가가치 소재산업에서는 이러한 코팅의 역할이 점점 중요시되고 있다.

텅스텐-카바이드(WC)계 초경용사코팅은 이러한 용사코팅시 용사재료로서 WC입자를 코팅하는 것을 말한다. 상세하게는, WC계 용사코팅 재료는 크게 내마모성을 결정하는 탄화물(WC)과 탄화물을 코팅층내에 고정하는 금속성 바인더(metallic binder)로 나누어지는데, 금속성 바인더로는 Co가 가장 많이 쓰이고, Ni, NiCr, CrCo 등이 사용된다.

이때, 내마모성은 탄화물의 자체 마모성과 코팅층내의 미세분산성, 바인더와의 결합력으로 결정되며, 내식성은 주로 코팅층내 바인더상의 부식량에 의해 결정되어진다. 현재, WC-NiCr계나 WC-Co-Cr계 용사코팅이 부식성 수용액에서 우수한 내식성을 보이는 것으로 알려져 있다.

그러나, 이러한 용사코팅에 의해 제조된 롤(roll)은 기본적으로 분말입자를 용융시켜 코팅층을 형성한 것으로 코팅층에 다량의 기공이 형성된다. 따라서, 부식성이 큰 수용액에 용사코팅 롤을 사용하면 수용액이 코팅층에 형성된 기공을 통하여 롤의 모재금속을 부식시켜 롤의 수명이 제한적이다.

현재, 롤의 모재금속으로는 경도와 강도가 우수한 공구강(STKM45C 등)이 많이 사용되고 있는데, 롤 모재금속을 내식성이 우수한 스테인레스강으로 대체하면 용사코팅롤의 내식성은 향상되나 모재금속 전체를 스테인레스강으로 대체하기에는 고가의 비용이 소요되며, 또한 롤 모재금속의 경도, 강도, 인성 등의 기계적 성능이 종래의 롤 재료와 차이가 있어 그 사용이 어렵다.

한편, 일본 특개평 10-110253호의 전기도금용 전도롤 및 그 제조방법을 살펴 보면, WC-8TiC-8TaC-8Cr-15Ni, WC-18NbC-9Cr-16Ni 등과 같이 내식성 향상을 위해 TaC, TiC, NbC를 첨가한 용사코팅 재료를 사용하기도 하나 롤의 내마모성이 낮은 문제가 있다.

그리고, 특허번호 JP 63121696호의 전기도금을 위한 전도롤(Conductor roll for electroplating)을 살펴 보면, ZrN 전도성 세라믹과 Ni-Cr-Al-Y와 같은 내식성 향상을 위한 바인더를 혼합하여 용사코팅 롤을 제조하나 이 역시 내식성은 우수하나 내마모성이 떨어져 실사용에 문제가 있다.

나아가, 특허번호 JP 4013857호의 용융금속에 대한 내식성을 가지는 코팅층의 형성(A formation of coating film having corrosion resistance to molten metal)을 살펴 보면, WC계 코팅후 2차로 Ni계 코팅을 실시하고 표면을 가열함으로써 코팅기공이 없고 내식성과 내마모성이 우수한 롤을 제작하나 용사코팅된 롤 전체를 오븐에 넣고 수시간 가열하여야 하므로 제조공정이 복잡하고 오븐 크기에 따라 제작할 수 있는 롤 크기의 제한이 있다는 문제가 있다.

따라서, 기존의 롤 모재금속을 그대로 사용하면서 용사코팅후 별도의 공정없이 내식성과 내마모성이 우수한 용사코팅 롤을 제조할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 기존의 공구강급 모재금속위에 제 1층의 금속계 고내식성 용사코팅층을 형성하고, 그 위에 제 2층으로 내식성과 내마모성이 우수한 WC계 용사코팅층을 형성하여 내식성과 내마모성을 향상시킨 초경 용사코팅 롤을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 2겹의 용사코팅층에 대한 SEM 사진과 X선 분석 결과를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 초경 용사코팅 롤에 대한 내식성 실험결과를 보여주는 도면이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내식성과 내마모성이 우수한 텅스텐-카바이드 초경 용사코팅 롤은, 공구강 또는 탄소강인 모재금속위에, 제 1층으로 금속계 고내식성 Cr-Fe-Ni-Mo-B계 용사코팅을 실시하고, 제 2층으로 WC-Co-Cr계 초경 용사코팅을 실시하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따르면, 공구강급 모재금속위에 코팅하는 제 1층 코팅은 고내식성 Cr-Fe-Ni-Mo-B계 금속코팅을 실시하고, 제 1층 코팅위에 제 2층으로 WC-Co-Cr계 초경 용사코팅을 실시하게 된다.

이하, 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.

HVOF(High Velocity Oxygen Fuel) 열용사 JP-5000^TM장비를 이용하여 하기 표1과 같이 세가지 형태로 모재금속의 공구강인 STKM45C에 대하여 100㎛ 두께로 용사코팅을 실시하였다.

여기서, HVOF(High Velocity Oxygen Fuel) 열용사 JP-5000^TM장비는 연료로서 기존의 가스 대신 경유를 사용하며 산화제로 산소를 사용함으로써 연소압력이 높아 높은 속도로 용사입자의 가속이 가능하여 탄화물-금속계 코팅에 있어서 치밀한 코팅을 형성할 수 있어 코팅조건을 최적상태로 만들 수 있다.

비교예 1은 모재금속위에 WC-Co-Cr계 초경 용사코팅을 단겹으로 실시한 것이고, 비교예 2는 모재금속위에 Cr-Fe-Ni-Mo-B계 금속코팅을 단겹으로 실시한 것이며, 본 발명의 실시예 1은 모재금속위에 제 1층으로 Cr-Fe-Ni-Mo-B계 금속코팅을 실시한 후, 그 위에 제 2층으로 WC-Co-Cr계 초경 용사코팅을 실시한 경우이다.

구분	코팅분말	조성(wt.%)	경도(Hv)
비교예 1	WC-Co-Cr	Cr 4.0, Co 10.0, C 5.3, W 잔부	1,200
비교예 2	Cr-Fe-Ni-Mo-B	Cr 32, Ni 25, Mo 4, B 4, Cu 3, Si 2, Fe 잔부	590
실시예 1	Cr-Fe-Ni-Mo-B(제 1층)+WC-Co-Cr(제 2층)	비교예 2의 조성(제 1층)+비교예 1의 조성(제 2층)	1,200

상기 표를 참조하면, 비교예 2와 같이 금속코팅을 단겹으로만 실시하면 경도가 590으로 낮아 내마모성이 떨어짐을 알 수 있고, 본 발명에 따른 실시예 1의 경우에는 1,200정도의 우수한 경도를 나타내고 있다.

한편, 도 1에 본 발명의 실시예 1에 따른 2겹의 용사코팅층에 대한 SEM 사진과 X선 분석 결과를 나타내며, 이를 참조하면 양호한 2겹의 코팅층이 형성되었음을 알 수 있다.

다음으로, 전술한 세가지 용사코팅층에 대한 시편을 황산 5%의 수용액에서 5일간 침적시켜 표면상태를 관찰하는 내식성실험을 행하고, 그 결과를 도 2에 나타낸다.

도 2에서 알 수 있듯이, 비교예 1의 WC-Co-Cr 단겹코팅 시편에서는 모재금속의 부식으로 인해 표면에 크랙(crack)이 발생하였다. 그러나, 본 발명의 실시예 1의 시편에서는 그 표면이 매우 양호함을 나타내었다. 그리고, 비교예 2의 경우에도 표면이 양호하여 내식성은 우수하였으나 상기 표 1에서와 같이 그 경도가 낮아 부적합하였다.

본 발명에 따르면, 내식성과 내마모성을 동시에 만족시키는 용사코팅 롤이 제공되게 되어, 그 적용에 따른 수리비 절감과 생산성 향상 등의 다대한 효과를 거둘 수 있다.

Claims (1)

1. 공구강 또는 탄소강인 모재금속위에,

   제 1층으로 금속계 고내식성 Cr-Fe-Ni-Mo-B계 용사코팅을 실시하고,

   제 2층으로 WC-Co-Cr계 초경 용사코팅을 실시하여 제조되는 것을 특징으로 하는 내식성과 내마모성이 우수한 텅스텐-카바이드 초경 용사코팅 롤.