KR20040073889A - 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법에 관한 것이다.

비금속 모재를 1차 세척하고, 마이크로블라스팅 공정을 수행하는 단계; 상기 비금속 모재를 2차 세척하고, 셋업 장비의 회전하는 턴테이블의 모재 설치부에 설치하여 상기 비금속 모재를 소정의 예열 온도까지 예열하는 단계; 상기 비금속 모재의 표면에 용사재를 분사하는 용사 공정을 수행하는 단계; 상기 비금속 모재를 소정의 냉각 온도까지 냉각하여 3차 세척하는 단계; 및 상기 비금속 모재의 표면에 발생되는 기공을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면 비금속 모재에 용사재가 치밀하게 접착되면서도 파손이 발생하지 않는 메탈라이징 공법이 가능하게 된다.

Description

비금속 모재를 메탈라이징하는 방법{Method for Metalizing of Nonmetal Base Material}

본 발명은 비금속 모재를 메탈라이징(Metalizing)하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 금속 및 비철금속에 대응되는 유리, 사파이어, 수정, 세라믹스(Ceramics) 등의 비금속 모재를 마이크로블라스팅(Microblasting), 예열, 용사, 냉각 및 기공 제거 등의 공정을 거쳐 모재가 파손되지 않으면서도 모재와 용사재(Paste)가 치밀하게 접착되는 메탈라이징 공법에 관한 것이다.

금속용사법 또는 메탈스프레이(Metal Spray)라고도 불리는 메탈라이징은 융 상태의 금속을 압축 공기를 이용하여 물체의 표면에 고속으로 분사하여 금속의 외부 표먼에 피복층을 형성하는 공법을 말한다. 메탈라이징 공법은 용사재인 금속을 분사 및 도장하기 위해 와이어(Wire) 또는 분말(Powder) 형태의 용사재를 용융하여 분사하는데, 용융하는 방법으로는 아크(Arc)를 이용하거나 산소 아세틸렌화염을 사용하는 방법이 있다.

용사재가 와이어 상태인 경우에는 산소 아세틸렌화염으로 와이어의 끝단을 순차적으로 용해하고 별도로 준비한 압축 공기를 내뿜어 용융 상태의 용사재를 안개 모양으로 분사한다. 반면, 용사재가 분말 형태인 경우에는 분사 건(Gun)에서 산소 아세틸렌화염으로 순간적으로 용사재를 용융시키고 그 압력으로 용사재를 분무하여 모재에 접착시키는 공정으로, 압축 공기가 별도로 필요하지 않다는 특징이 있다.

이러한 메탈라이징 공법은 금속, 비금속, 세라믹스, 유기 재료 등의 거의 모든 종류의 모재에 적용될 수 있고, 용사재로는 스테인리스강, 청동, 탄화텅스텐, 기타 합금 등이 사용되고 있다. 또한, 메탈라이징 공법은 다층형 복합피막과 경사조성 피막을 용이하게 형성할 수 있고, 모재의 치수에 제한을 적게 받으며, 피막의 형성 속도가 빠르다는 장점이 있다. 이러한 메탈라이징 공법을 통해 모재에 전기전도 차폐, 내식성, 내마모성, 내열성, 내산화성, 내부식성, 고경도, 열차단 등의 기능을 부여할 수 있게 된다.

하지만, 현재의 메탈라이징 공법에 있어서 모재가 금속 재질이 아닌 비금속 재질인 경우에는 모재가 파손되거나 모재와 용사재가 치밀하게 접착되지 않는다는 문제점이 있다. 보다 상세하게 설명하면, 비금속 재질인 유리, 사파이어, 수정, 세라믹스 등의 모재에는 인성이 없거나 아주 작아서 고속으로 분무되는 용사재와 모재가 충돌할 때, 모재가 충격력을 거의 흡수하지 못하므로 모재에 가해지는 충격력에 의해 모재가 파손되기도 한다.

또한, 메탈라이징 공법의 특성상 용사재가 분사 장치에서 고온으로 용융된 후 모재에 분사되므로 서로 접착되는 용사재와 모재의 열팽창의 큰 차이로 인해 모재가 파손될 수 있다. 즉, 용사재 및 모재는 온도가 상승하게 되면 각각의 열팽창 계수에 따라 열팽창(Thermal Expansion)을 하는데, 열팽창 정도는 열팽창 계수 및 온도의 상승폭에 비례한다. 따라서, 금속인 용사재가 비금속인 모재에 비해 일반적으로 열팽창 계수가 높을 뿐 아니라 용사재는 용융되어야 하므로 매우 큰 폭으로 온도가 상승하여 결과적으로 용융된 용사재의 열팽창 계수가 모재의 열팽창 계수에 비해 매우 커지게 된다. 따라서, 서로 큰 차이의 열팽창 계수를 갖는 모재와 용사재가 접촉하게 되면 용사재의 열팽창 계수에 의해 모재의 조직이 흐트러져 모재가 파손된다.

더욱이, 모재의 표면이 광택 처리된(Polished) 상태이므로 포면 조도가 낮아서 용사재와 모재의 상호 접착성이 좋지 않다. 여기서, 표면 조도란 표면의 거칠기를 말하는 것으로서 물체의 표면을 가공할 때에 표면에 생기는 미세한 요철의 정도를 말하는 것으로, 표면 조도가 클수록 다른 물질이 표면에 잘 접착된다.

앞에서 기술한 단점들로 인하여 모재가 비금속인 경우 메탈라이징 공법을 적용하기 어려워 거의 실용화되지 못하였으며, 메탈라이징 공법을 시행하더라도 전기전도 차폐, 열전도 차폐, 내식성, 내마모성, 내열성 등의 기능이 충분히 발휘될 수 없다는 문제점이 발생하였다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 금속 및 비철금속에 대응되는 유리, 사파이어, 수정, 세라믹스 등의 비금속 모재를 마이크로블라스팅, 예열, 용사, 냉각 및 기공 제거 등의 공정을 거쳐 모재가 파손되지 않으면서도 모재와 용사재가 치밀하게 접착되는 획기적인 메탈라이징 공법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈라이징 공법의 공정 과정을 간략하게 나타낸 블럭도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로블라스팅 공정을 설명하기 위한 예시도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 마이크로블라스팅된 모재가 설치되는 셋업 장비의 레이아웃을 간략하게 나타낸 블럭도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200 : 모재 210, 220 : 마스킹 지그

300 : 셋업 장비 310 : 턴테이블

320 : 모재 설치부 330 : 예열 장치

340 : 열교환 장치 342 : 열교환망

350 : 냉각 장치

이를 위하여 본 발명은 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법에 있어서, 상기 비금속 모재를 1차 세척하고, 마이크로블라스팅 공정을 수행하는 단계; 상기 비금속 모재를 2차 세척하고, 셋업 장비의 회전하는 턴테이블의 모재 설치부에 설치하여 상기 비금속 모재를 소정의 예열 온도까지 예열하는 단계; 상기 비금속 모재의 표면에 용사재를 분사하는 용사 공정을 수행하는 단계; 상기 비금속 모재를 소정의냉각 온도까지 냉각하여 3차 세척하는 단계; 및 상기 비금속 모재의 표면에 발생되는 기공을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈라이징 공법의 공정 과정을 간략하게 나타낸 블럭도이다.

본 발명의 실시예에 따른 메탈라이징 공정은 세척 1→마이크로블라스팅→세척 2→예열→용사→냉각→세척 3→기공 제거의 순으로 이루어진다.

각각의 공정에 대해 설명하면, 세척 1은 메탈라이징과 같은 금속 표면 처리 공정에서 대단히 중요한 공정으로, 대부분의 금속 표면은 먼지, 오물 등의 이물질이 그 표면에 점착되어 있을뿐만 아니라 공기 중에서 산소와 결합하여 산화층을 형성하고 있다. 따라서 이러한 불순물을 제거하기 위한 세척 공정이 반드시 필요한데, 세척 방법은 크게 화학적 세척 방법과 기계적 세척 방법으로 나뉜다. 화학적인 세척 방법은 알카리 세척법, 솔벤트(Solvent) 세척법, 기화기름 제거법, 산 세척법 등이 있으며, 기계적인 세척 방법에는 사포 제거법, 샌드브라스트(Sandblast) 제거법, 그라인드(Grind) 제거법 등이 있다. 본 발명의 실시예에 따른 세척 방법에는 화학적인 세척 방법 및 기계적 세척 방법 모두가 포함될 수 있다.

마이크로블라스팅은 메디아(Media)라고 불리는 특수 제조된 아주 미세한 분말을 모재에 고압 공기로 분사하여 표면을 처리하는 건식 정밀 표면처리 기술을 말한다. 메디아는 재질, 형상 및 크기가 매우 다양하며 처리하고자 하는 표면에 선정된 메디아를 정확하게 분무함으로써 과열이나 응력 발생의 위험이 전혀 없이 원하는 부위만을 정확하고 간단하게 처리하는 기술이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로블라스팅 공정에 대해서는 도 2에서 더욱 상세하게 설명한다.

세척 2는 마이크로블라스팅 처리된 모재의 표면에 붙어있는 이물질을 제거하는 공정으로 세척 방법은 세척 1과 동일한다.

예열 공정은 고온에서 용융되어 고속으로 분사되는 용사재가 모재에 잘 접착될 수 있도록 마이크로블라스팅 후 재차 세척된 부위를 예열 장치를 이용하여 소정의 온도로 가열하는 공정이다. 여기서, 소정의 온도는 500 ~ 600 ℃로 설정되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 예열 공정을 거쳐 마이크로블라스팅된 부위의 재질의 온도가 500 ~ 600 ℃까지 상승하면 열팽창 정도가 커지므로 고온으로 용융되어 열팽창 정도가 커진 용사재와의 열팽창의 차이가 적어지게 되므로 용사 공정시 모재가 파손될 위험이 크게 감소한다.

용사 공정은 고온의 용융 상태의 용사재를 소정의 용사 기술을 이용하여 모재에 분무하여 피막을 형성시키는 공정이다. 본 발명의 실시예예 따른 용사 기술로는 초고속 용사 기술, 플라즈마(Plasma) 용사 기술, 와이어 용사 기술, 분말 용사기술 모두를 포함할 수 있다. 각각의 용사 기술은 통상의 당업자들에게 널리 공지된 기술이므로 상세한 설명은 생략한다.

특히, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 모재의 파손을 방지하기 위하여 분사 건에서 분사된 용사재가 소정의 열교환망을 통과하여 모재의 표면에 도달하게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 열교환망이 설치된 용사 공정에 대해서는 도 3에서 더욱 상세하게 설명한다.

냉각 공정은 용사 공정으로 뜨거워진 모재의 표면 온도와 용사재의 온도를 냉각 장치를 이용하여 급속하게 냉각시켜 모재의 조직 균열로 인한 변형을 방지하기 위한 공정이다. 본 발명의 실시예에 따르면 냉각 공정은 모재 및 용사재의 온도가 대략 70 ~ 80 ℃까지 내려갈 때까지 수행되는 것이 바람직하나 재질에 따라서는 이 온도가 아니어도 무방하다. 일반적으로 냉각 장치에는 공냉식 냉각 장치와 수냉식 냉각 장치가 있는데, 공냉식 냉각 장치는 냉각수의 동결, 보충, 누수 등이 없다는 장점이 있지만 냉각 대상이 불균일하게 냉각되고, 급속 냉각이 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 냉각 공정에 사용되는 냉각 장치로는 냉각 속도가 빠르고, 균일하게 냉각되는 수냉식 냉각 장치가 바람직할 것이다.

세척 3은 세척 1 및 세척 2에서의 모재 표면의 이물질 제거를 위한 세척 공정과는 달리 다음 공정의 기공 제거를 위해 모재를 세척하는 일반적인 순수 세척 공정이다.

기공 제거 공정은 메탈라이징 공정에서 필연적으로 발생되는 모재 표면의 기공을 제거하기 위한 공정이다. 본 발명의 실시예에 따른 기공 제거 공정은 소정의진공 챔버(Chamber)를 이용하여 사파이어, 액상 등으로 모재의 표면에 있는 기공을 제거한다. 모재의 표면에 형성되어 있는 기공을 제거함으로써 모재와 용사자의 접착력을 더욱 향상되고 모재의 표면 조직이 더욱 조밀해지는 효과가 있다.

한편, 도 1을 보면 세척 2, 냉각 및 기공 제거의 공정 다음에 검사 공정이 추가되고 있음을 알 수 있다. 검사 1은 마이크로블라스팅 공정을 거친 모재의 모서리 등이 파손되었는지, 표면 조도가 공정 기준치에 도달하였는지 등을 검사하는 공정이다. 또한, 검사 2는 용사 및 냉각 공정을 거친 모재에 용사재가 제대로 접착되어 있는지와 용사 및 냉각 공정으로 인해 모재의 표면 및 내부 조직에 균열이나 결함이 발생되었는지를 X-RAY를 이용하는 판독 방법과 유사한 방법을 이용하여 투시 검사를 시행하는 공정이다. 그리고, 검사 3은 기공 제거를 거친 모재에 기공이 효율적으로 제거되었는지를 모재의 액체(예컨대, 물 등) 흡수력 테스트를 통해 확인하거나 X-RAY와 유사한 방법의 투시 검사를 통해 확인하는 공정이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로블라스팅 공정을 설명하기 위한 예시도이다.

본 발명의 실시예에 따른 마이크로블라스팅 공정의 목적은 도 1에서 설명한 용사 공정에서 용사재가 모재에 잘 접착이 되도록 모재의 표면 조도를 일정 기준 이상으로 높이는 데 있다. 이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 마이크로블라스팅 공정에서는 메디아로 #200 ~ #230의 금강사를 사용한다.

도 2a 및 도 2b를 보면, 마이크로블라스팅 공정을 위해 공정 작업을 위해 모재(200)의 특정 부위를 마스킹하는 마스킹 지그(Masking Jig)(210, 220)를 사용하고 있음을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 마스킹 지그는 마이크로블라스팅 공정시 분사되는 메디아를 접착시키기 위한 모재(200)의 특정 부위를 지시하고, 모재(200)의 모서리 부분이 파손되지 않도록 모재를 보호하는 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 도 2a의 1차 마스킹 지그 과정을 통해 먼저 마스킹 지그가 부착되지 않은 모재의 일측을 마이크로블라스팅한다. 그런 다음, 약간의 시간이 경과한 후에 1차 마스킹 지그 과정에서 마이크로블라스팅 처리된 모재(200)의 일측을 마스킹하는 도 2b의 2차 마스킹 지그 과정을 통해 마이크로블라스팅이 필요한 다른 일측에도 마이크로블라스팅을 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 마이크로블라스팅된 모재가 설치되는 셋업(Set-Up) 장비(300)의 레이아웃(Layout)을 간략하게 나타낸 블럭도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셋업 장비(300)는 일정 간격으로 다수의 모재 설치부(320)가 형성되어 있는 원형 모양의 턴테이블(Turn Table)(310), 메탈라이징 공정이 가해지는 모재(320), 예열 장치(330), 열교환 장치(340) 및 냉각 장치(350)를 포함한다.

턴테이블(310)은 시계 반대 방향으로 회전하며 30°단위로 12분할되어 있다. 턴테이블(310)의 모재 설치부(320)에 모재(200)가 설치되고, 모재(200)는 모재 설치부(310)에 의해 대략 1,200 RPM(Revolutions Per Minute)의 속도로 시계 방향으로 회전한다. 즉, 턴테이블(310)과 모재 설치부(310)는 서로 반대 방향으로 회전한다. 또한, 모재 설치부(320)에 설치되는 모재(200)는 도 1에서 설명한 세척 1, 마이크로블라스팅 및 세척 2의 공정을 거친 후의 모재(200)이다.

모재 설치부(320)에 설치되어 회전하는 모재(200)는 예열 장치(330)에 의해 500 ~ 600 ℃정도로 가열되는 예열 공정을 거친 후, 열교환 장치(340)로 이동되어 용사 공정을 거친다. 용사 공정은 도 3에는 도시되고 있지 않지만, 일반적인 메탈라이징 공법의 용사 공정에 사용되는 기계적 용사 장치(예컨대, 로봇 용사기 등)와 열교환 장치(340)에 의해 수행된다. 즉, 열교환 장치(340)가 이동된 모재(200)에 본 발명의 실시예에 따른 열교환망(342)을 덮으면 기계적 용사 장치가 용사재를 분사함으로써 용사 공정을 수행한다. 여기서, 열교환망(342)은 티타늄(Titanium) 소재를 이용하여, 10 mm × 1.5 mm 크기의 직사각형 모양의 홈을 갖는 망을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 열교환망(342)은 50 mm 정도의 높이를 갖도록 제작하는 것이 바람직하다.

용사 공정을 마친 모재(200)는 턴테이블(310)의 회전에 의해 냉각 장치(350)로 이동되어 냉각 공정을 거친 후, 진공 챔버 등의 장치로 이동되어 기공 제거 공정을 거치게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

앞에서 설명하였듯이 기존의 메탈라이징 공법은 모재가 비금속인 경우 용사 공정시 모재가 파손되거나 용사재가 모재에 잘 접착되지 않는 문제점이 있었지만, 본 발명에 따르면 용사 공정시 열교환망으로 모재를 보호하여 모재의 파손을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 용사 공정 이전에 모재의 파손을 방지하기 위해 마스킹 지그를 사용한 마이크로블라스팅 공정을 추가하여 비금속 모재의 표면 조도를 높이므로써 용사재가 모재에 잘 접착되는 장점이 있다.

Claims (13)

1. 비금속 모재를 메탈라이징(Metalizing)하는 방법에 있어서,

   상기 비금속 모재를 1차 세척하고, 마이크로블라스팅(Microblasting) 공정을 수행하는 단계;

   상기 비금속 모재를 2차 세척하고, 셋업(Setup) 장비의 회전하는 턴테이블(Turn Table)의 모재 설치부에 설치하여 상기 비금속 모재를 소정의 예열 온도까지 예열하는 단계;

   상기 비금속 모재의 표면에 용사재를 분사하는 용사 공정을 수행하는 단계;

   상기 비금속 모재를 소정의 냉각 온도까지 냉각하여 3차 세척하는 단계; 및

   상기 비금속 모재의 표면에 발생되는 기공을 제거하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 비금속 모재에는 세라믹스(Ceramics), 유리, 사파이어 및 수정이 포함되는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로블라스팅 공정은 금강사로 제작된 메디아(Media)가 사용되는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 금강사는 #200 ~ #230의 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로블라스팅 공정시 마스킹 지그(Masking Jig) 기법을 이용하여 상기 비금속 모재를 고정 및 보호하는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 턴테이블의 외주면에는 일정 간격으로 이격된 예열 장치, 열교환 장치 및 냉각 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 턴테이블과 상기 모재 설치부는 서로 반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 모재 설치부는 대략 1,200 RPM(Revolutions Per Minute)의 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 예열 온도는 200 내지 800 ℃, 바람직하게는 500 내지 600 ℃인 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 용사 공정시 상기 비금속 모재에 소정의 열교환망이 덮여진 후에 용사재가 분사되는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 열교환망은 3 mm × 0.3 mm, 바람직하게는 10 mm × 1.5 mm 크기의 다수의 직사각형 홈의 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 열교환망은 티타늄(Titaninm) 소재로 제작된 것임을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 냉각 온도는 15 내지 120 ℃, 바람직하게는 70 내지 80 ℃인 것을 특징으로 하는 비금속 모재를 메탈라이징하는 방법.