KR20050104136A

KR20050104136A - 텅스텐카바이드 함유 니켈 기지 합금의 내마모성 용사코팅의 제조방법

Info

Publication number: KR20050104136A
Application number: KR1020040029443A
Authority: KR
Inventors: 어순철; 김일호; 이영근; 이정일; 곽찬원
Original assignee: 충주대학교 산학협력단; (주)세원하드페이싱
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-02

Abstract

본 발명은, 용사 코팅의 접착력과 내마모성을 동시에 향상시키기 위하여, WC 함유 니켈 기지 자용성 합금 분말을 기재에 용사 코팅하고, 표면에 용사 코팅층을 갖는 상기 기재를 일정 속도로 회전시키면서 상기 코팅층 표면을 고정식 토치로 가열하여 휴징 처리를 수행함으로써, 고경도 WC 입자를 표면 부위에 집중 분산시키고 기재와의 계면으로 니켈 기지 자용성 합금으로 충진된 버퍼층을 형성하는 WC 함유 니켈 기지 합금의 내마모성 용사 코팅의 제조방법을 제공한다.

Description

텅스텐카바이드 함유 니켈 기지 합금의 내마모성 용사 코팅의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING ANTI-ABRASIVE THERMAL SPRAYED WC-CONTAINED NICKEL BASE ALLOY COATING}

본 발명은, 내마모성 용사 코팅의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 휴징법을 이용하여 내마모성 용사 코팅의 모재에 대한 접착력과 코팅의 내마모성을 향상시킬 수 있는 내마모성 용사 코팅의 제조방법에 관한 것이다.

세라믹 용사코팅기술(ceramics thermal spray coating)은 기계부품의 표면에 필요한 표면특성의 재료를 용사 피복하여 기존의 모재가 가지지 못하는 특성을 향상시키는 기술로서, 엔진부품(자동차, 선박 및 항공기), 화학장치, 전자부품생산기계 등에 응용되고 있는 건식 표면처리 신기술의 하나이다. 특히 세라믹 코팅은 탄화물, 산화물 등의 세라믹 재료를 고온의 화염 또는 플라즈마로 순간 용융시키고, 용융된 입자를 매우 빠른 속도로 가속시켜, 금속 등의 모재 위에 다양한 특성을 갖는 세라믹 재료의 후막층을 형성시켜 내부식성, 내마모성, 내산화성, 절연성, 단열성 등의 표면 성질을 크게 개선시킬 수 있는 기술로서, 최근 정밀전자 및 정밀기계부품에까지 그 응용이 크게 확대되고 있다.

이러한 부품의 일례로, 사출기 스크류는 LCD, CRT 등의 제조공정에서 유리를 파쇄하고 미분의 유리를 패널링(paneling) 공정으로 이송시키는 부품으로 우수한 내마모 특성이 요구되고 있는데, 지금까지는 이를 위해 WC-Co 용사코팅이 적용되어 왔다.

본 발명은, 기존의 WC-Co 용사코팅에 비해 내마모성을 포함하는 기계적 성질이 뛰어난 WC 함유 니켈 기지 자용성 합금에 의한 용사 코팅을 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러, 본 발명은, WC 함유 니켈 기지 자용성 합금에 의한 용사 코팅의 접착력을 획기적으로 향상시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

아울러, 본 발명은 WC 함유 니켈 기지 자용성 합금에 의한 용사 코팅의 코팅층에 기공을 생성을 최대한 억제할 뿐만 아니라 내마모성, 내공식성이 우수하고, 표면 분말의 용출(erosion)현상을 최소화할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, WC 함유 니켈 기지 자용성 합금 분말을 기재에 용사 코팅하고, 표면에 용사 코팅층을 갖는 상기 기재를 일정 속도로 회전시키면서 상기 코팅층 표면을 고정식 토치로 가열하여 휴징 처리를 수행함으로써, 고경도 WC 입자를 표면 부위에 집중 분산시키고 기재와의 계면으로 니켈 기지 자용성 합금으로 충진된 버퍼층을 형성하는 WC 함유 니켈 기지 합금의 내마모성 용사 코팅의 제조방법을 제공한다.

WC 함유 Ni base 자용성 합금 (self fluxing alloy)을 HVOF(High Velocity Oxygen Fuel)법으로 용사코팅을 주공정으로 하고, 치밀조직, 결합력 향상, 기계적 강도 (내마모성)를 안정화시키기 위해 분말의 입도 및 분포에 의한 영향, 공정변수의 영향을 분석하고, 불필요한 후처리 공정을 줄일 수 있도록 연구하였다. 용사용 분말은 휴징용인 METCO 16C, METCO 31C, METCO 36C로 선정하였고, 공정은 HVOF 후 휴징 공정을 적용하였다. 참고로 본 공정에 기지로 사용된 상용 분말의 일반 성질을 표 1에 나타내었다.

자용성 합금 분말의 일반 성질

분말	조성	입자 크기	성상
Metco 16C	Ni 16Cr 4Si 4B 3Cu 3Mo 2.5Fe 0.5C	45-125 μm (-120+325 #)	Spheroidal, Gas atomized
Metco 31C	Ni 35(WC12Co) 11Cr 2.5Fe 2.5Si 2.5B 0.5C	45-125 μm (-120+325 #)	Blend
Metco 36C	Ni 35(WC8Ni)11Cr 2.5B 2.5Fe 2.5Si 0.5C	45-150 μm (-100+325#)	Blend

본 연구를 위한 모재(substrate)로는 SCM 45 플레이트(plate) 5t 및 φ 50 mm 바(bar)를 사용하여 테스트용 모의 스크류 시편을 제작하였다. 용사층의 밀착력 확보를 위한 거칠기(roughness)를 부여하기 위하여, #60, #180 조건의 그릿 블라스팅(Grit Blasting) 공정을 실시한 후 가압 공기(compressed air)로 표면의 건조 및 세정작업을 실시하였다. 용사는 JP-5000 HVOF 시스템을 이용하여 표 2의 표준 공정 조건을 적용하였다. 물성측정 및 조직검사는 마이크로 비커스(Micro-Vickers) (500g/15sec)의 경도 시험을, 접착 강도는 ASTM C633을 적용하였으며, 마모시험은 건식 핀-디스크(pin-disk) 마모시험기를 사용하였으며, 실험조건으로는 SUS 316재질의 φ4mm 핀(pin)을, 회전속도 850rpm, load 3Kgf, 범위는 20 mV로 설정하였으며, 각 회별로 5분간씩 작동한 후 무게 감소량을 조사하였다. 또한 XRD, SEM 및 EDX를 활용하여 상분석 및 미세조직검사를 실시하였다.

HVOF 용사 조건

파라미터	설정치
Barrel Length	8
Oxygen Pressure (psi)	160
Oxygen Flow(scfh)	1800
Fuel Pressure (psi)	110
Fuel Flow (gph)	6
spray distance (mm)	380
용사각도 (degree)	200
좌우이송속도 (mm/sec)	90
robot 이송폭(평면)	8
Ar Flow(scfh)	200

상기의 상용분말들에 대한 표 2와 같은 표준공정조건에서의 용사 테스트 결과 피딩(feeding) 성질 및 접착 퀄리티(quality) 등의 육안검사결과는 양호한 것으로 나타났다. 그러나, 코팅된(as-coated) 상태에서의 내마모 시험 결과 질량손실이 5mg 이상으로 현저히 떨어질 뿐만 아니라, WC 입자의 떨어짐(erosion) 현상이 발생하고, 모재와의 결합력이 약해 박리가 쉽게 일어나, 보강 공정으로 휴징공정을 추가하였다.

Metco 16C(자용성 Ni-Cr 합금)을 이용한 스크류 모사 테스트 지그에 HVOF 용사를 실시한 후, 산소+아세틸렌 플레임(flame) (1800℃)으로 30 분간 휴징(fusing) 처리를 실시하였다. 미세조직은 도 1a에 나타난 바와 같이 1-2 mm의 건전한 후막 미세 조직을 형성하였으며, 성분 분석결과 용사 후에도 상용 조성에서 크게 벗어나지 않았다.

휴징 조건에 따라 도 2b에 나타난바와 같이, 온도와 노출 시간의 부적정 등으로 인한 거대 기공이 종종 발생하기도 하였다. 또한 도 1a와 같이 내마모 특성에 중요한 역할을 하는 WC 입자가 휴징 공정중 기재(substrate)쪽으로 침강하여 WC 입자가 거의 없는 상부 코팅층과 하부의 고농도 WC 복합 분포층으로 분리된 것을 볼 수 있었다. 이 조직의 경우, 내마모시험 결과 초기 질량손실 10mg 이상, 후기 질량손실 3-4mg의 결과에서 나타난 바와 같이 본 조건에서의 휴징 처리 후 오히려 내마모 특성이 더 악화되었음을 나타내고 있다. 표면측의 경우 도 1a - 1d와 같이 휴징 처리시 자용성 기지 합금(Ni계)이 용융되어 접착면적이 증가된 것을 확인할 수 있었으나, 도 1b 및 1d에 나타난 바와 같이 휴징처리 후의 급격한 냉각공정에 의해 다소 표면 크랙이 발생한 것을 알 수 있었다. 이 문제에 대한 개선책으로 휴징처리 후 예열된 모래속에서 서냉을 실시하였으며 크랙이 효과적으로 방지되었다.

휴징 처리후 각 합금 코팅에 대한 XRD를 이용한 상분석을 실시한 바, 도 3과 같이 MECO 16C는 주로 기지(matrix) 성분인 Ni에 대한 피크(peak)들이 검출이 되었으며, METCO 31C의 경우에는 기지(matrix)로서의 Ni 피크(peak)와, 입자로서의 WC가 고르게 분산된 것으로 알 수 있었다. 기지와 입자의 EDS 분석결과도 Ni층과 WC 입자로 대별됨을 알 수 있었고, Fe, Si, C 는 고용체(solid solution)의 형태로 상을 구성하는 것을 확인하였으며, B 성분은 EDS의 특성상 검출이 되지 않았으나, 휴징의 목적으로 첨가된 바와 같이 저융점 Ni 합금상을 구성하는 데 사용된 것으로 추정할 수 있었다.

이상과 같이 휴징법을 적용하는 것만으로는 만족할 만한 접착력의 향상을 얻을 수 없어서, 코팅층의 접착력을 높히기 위해 WC 입자의 침강을 억제하여 상부쪽 으로의 고른 분산을 유도하기 위해, 회전 휴징법을 고려하게 되었다. 즉, 발명자들은, WC 입자를 상부층으로 집중적으로 몰려 있도록 해서 내마모 특성에 유리한 미세조직을 보이기 하고, 계면층에는 오히려 Ni층이 존재하게 되어 모재와의 기계적 접합뿐 아니라 확산에 의한 화학적 결합을 유도할 수 있는 미세구조를 보이게 하는 경우, 코팅층에 양호한 기계적 성질 및 접착력을 부여할 수 있을 것으로 생각하였다. 이와 같은 미세조직을 유도하기 위한 방법은 여러 가지가 있겠으나, 상대적으로 간단하면서도 공정비가 추가되지 않는 원심력을 이용하는 회전 휴징법을 생각해냈다.

즉, 통상의 휴징 열처리 공정은 고정 시편 위에 수동 또는 로봇 이송에 의한 자동 토치 가열방법을 사용하고 있으나, 본 발명에서는 통상적인 공정에 의한 휴징은 비중이 큰 입자의 침강이 발생하고 이로 인한 미세조직 열화 및 물성 저하가 생기는데, 이를 개선하기 위해 시편을 회전 지그에 부착하여 일정 속도로 회전시키면서 고정식 토치에 의해 가열하는 방식을 고안하게 되었다. 이 결과, 후술하는 바와 같이 비중이 큰 텅스텐카바이드(WC) 입자의 침강을 방지하고 모재와의 접착력을 향상시키는 니켈 버퍼(buffer)층의 형성에 큰 효과가 확인되었다.

회전하는 코팅층의 용액 또는 용융액 내에서의 고체 분말 입자(이 경우 WC)의 거동은 다음의 4가지 힘에 의한 영향을 받게된다. 중력에 의한 침강력(F_G), 부력(F_B), 점성억제력(F_v), 그리고 원심력(-F_C)이며, 이 되는 평형조건으로 부터 고체 분말 입자의 각속도(ω)를 구할수 있다.

------(1)

------(2)

---------(3)

---------(4)

식(1)-(4)를 이용한 은 식 (5)과 같이 표시된다.

---------------(5)

여기에서, g=중력가속도, D=고체입자의 평균직경, ρ_m=고체입자의 밀도, ρ_f=용융액체의 액상밀도, η=점성도(viscosity), m=질량, r=반경, ω=각속도(angular velocity; rad/sec)이다. 또한 선속도(ν)와 각속도(ω)는 ν=rω의 관계를 갖고 있으므로 식 (5)는

------(6)이 되고 이는 ω에 관한 이차방정식이된다. 근의 이용하여 ω에 관한 이차방정식을 풀고 이에 g=9.8m/sec², D=70㎛, WC의 밀도(ρ_m)=15,700kg/m³, 용융 Ni의 액상밀도(ρ_f)= 7,900kg/m³, 1800℃에서의 액상 Ni의 점성도(η)= 2 Nm^-1sec로 가정하고, 회전반경(r)=2.5 cm를 대입하면, 휴징시 용융 Ni 융액중에서의 WC입자의 평형을 위한 회전 각속도(ω)는 2 rad/sec이 된다.

-----(8)이므로

시간당 회전수 n (round/sec)은 지그의 회전반경을 2.5 cm로 하였을 때 대략 0.15 round/sec, rpm으로 환산하면 10 rpm으로 계산되었다. 이 계산 결과에 따르면 10 rpm 이상의 회전속도가 적당하다고 산출되나, WC입자의 크기 및 분포에 따르는 오차를 감안하여 본 발명에 따른 회전 휴징에서는 그 바람직한 범위를 20 내지 40 rpm으로 설정하였다. 실시예에서는 30 rpm의 회전속도를 적용하였다.

이 결과를 토대로 스크류 모사 테스트 지그에 METCO 31C-NS분말을 HVOF법으로 용사한 후, 회전 셋-업(set-up)에서 30 rpm의 속도로 산소+아세틸렌 플레임(flame)(1800℃)으로 30 분간 회전 휴징 처리를 실시하였다. 회전 휴징 후의 미세조직은 도 4에 나타내었다. 도 4에 보인 바와 같이, 200-300㎛의 Ni 합금 버퍼층과 상부의 고 WC 농도 분포의 내마모 코팅층을 유도할 수 있었다. 이와 같은 WC 입자의 층 분포변화는 계산에서 예측한바와 마찬가지로, 회전 휴징시 원심력에 의해 Ni 합금 융액속에서 고경도 텅스텐 카바이드입자의 침강이 방지되고 표면 부위에 집중 분산되었고 동시에 계면은 니켈 기지 자용성 합금으로 충진된 것을 알 수 있는데, 이와 같은 조직은 표면층의 내마모성을 향상 및 계면 접착력을 향상강시키는 요인으로 작용하는 것으로 생각되었다.

회전 휴징 후의 METCO 31C-NS 코팅층에 대한 습식 마모 시험(wet wear test) 결과 질량손실은 1±0.3 mg로 우수한 내마모 특성을 보이고 있으며, 12회 평균 미세 경도는 1230±7 Hv로 조사되었으며, ASTM C633 법에 의한 접착강도 쿠폰 테스트(coupon test) 결과는 원면적 대비 33±2 MPa, 계면 분리 면적 대비 580±9 MPa의 접착력을 나타내어, 예상한 바 대로 우수한 접착특성과 내마모 특성을 보여주었다.

본 발명에 따르면, 내마모 용사 코팅의 접착력을 높히면서 WC 입자의 침강을 억제하여 상부쪽으로의 고른 분산을 유도할 수 있는 미세조직을 갖는 코팅층이 얻어진다. 즉, 회전 휴징 후 200-300㎛의 Ni 합금 버퍼층과 상부의 고 WC 농도 분포의 내마모 코팅층을 유도할 수 있어서, 우수한 내마모 특성과 접착력을 갖는 내마모 코팅을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명은, 전술한 상세한 설명에서 일례로 제시한 스크류 뿐 아니라 용사업계에서 제작하고 있는 Dr. Blade, toner controller, roller 등의 내마모성이 요구되는 부품에 범용으로 적용될 것으로 생각된다.

도 1a 내지 1d는 각각 HVOF에 의해 얻어진 코팅에 휴징 처리가 행해진 뒤의 코팅의 단면을 보여주는 SEM 사진들로, 도 1a 및 1b는 사용된 분말이 METCO 31C인 경우이고, 도 1c 및 1d는 사용된 분말이 METCO 16C인 경우이다.

도 2a 및 2b는 각각 HVOF에 의해 얻어진 코팅에 휴징 처리가 행해진 뒤의 코팅의 표면 미세조직을 보여주는 SEM 사진들로, 도 2a는 사용된 분말이 METCO 31C인 경우를, 도 2b는 사용된 분말이 METCO 16C인 경우이다.

도 3은 HVOF에 의해 얻어진 코팅에 휴징 처리가 행해진 뒤의 코팅에 대한 XRD 패턴을 보여주는데, (a)는 사용된 분말이 METCO 16C인 경우를, (b)는 사용된 분말이 METCO 31C인 경우를 각각 보여준다.

도 4는 METCO 31C 분말을 사용하여 HVOF에 의해 얻어진 코팅에 본 발명에 따라 회전 휴징 처리가 행해진 뒤의 코팅의 단면을 보여주는 SEM 사진이다.

Claims

텅스텐카바이드 함유 니켈 기지 자용성 합금 분말을 기재에 용사 코팅하고, 표면에 용사 코팅층을 갖는 상기 기재를 일정 속도로 회전시키면서 상기 코팅층 표면을 고정식 토치로 가열하여 휴징 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 텅스텐카바이드 함유 니켈 기지 합금의 내마모성 용사 코팅의 제조방법.