KR20060050589A

KR20060050589A - 동적 분무 과정을 통한 고속 코팅 용착을 위한 연속 인라인제조 공정

Info

Publication number: KR20060050589A
Application number: KR1020050077553A
Authority: KR
Inventors: 한태영; 지보 자오; 브라이언 에이. 길리스피; 존 알. 스미스; 존 에스. 주니어. 로젠
Original assignee: 델피 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2006-05-19
Also published as: CN1781610A; EP1630253A1; KR100688633B1; JP2006116532A; CN100415382C; US20060040048A1

Abstract

개선된 동적 분무 시스템과 고속 제조환경에서의 이에 대한 사용법이 개시되어 있다. 개선된 동적 분무 노즐 시스템은 20 밀리미터 이상의 길이방향 축을 따라 소정 길이를 갖는 분말/가스 조절실의 제 1단부에 연결된 가스/분말 교환실; 및 수렴-발산형 초음속 노즐을 포함하며, 상기 초음속 노즐은 스로트에 의해 발산형 단면과 구분되는 수렴형 단면으로 구성되고, 상기 발산형 단면은 제 1부분과 제 2부분으로 구성되는데, 상기 제 1부분은 그 부분의 길이를 따라 증가하는 횡단면을 포함하고 상기 제 2 부분은 그 부분의 길이를 따라 실질적으로 일정한 횡단면을 포함하며, 상기 수렴형 단면은 상기 제 1단부의 반대편에 위치한 상기 분말/가스 조절실의 제 2단부에 연결된 수렴형 단면을 포함한다. 방법으로는 개시된 노즐 시스템을 사용하여 노즐이 막히지 않도록 하면서 입자온도를 최대한 상승시키도록 경질의 입자를 첨가하고, 원하는 고속의 트래버스 속도에 맞추기 위해 제어된 입자 공급 속도를 사용하고, 기재 세정과 입자 결합을 증대하기 위해 기재를 예열하는 것을 포함한다. 개시된 방법과 결합된 개시된 노즐 시스템을 통해 동적 분무 코팅을 적용하여 초당 200cm 이상의 트래버스 속도와 80 퍼센트 이상의 용착 효율을 달성할 수 있다.

동적 분무, 노즐, 용착, 트래버스, 수렴, 발산

Description

동적 분무 과정을 통한 고속 코팅 용착을 위한 연속 인라인 제조 공정 {CONTINUOUS IN-LINE MANUFACTURING PROCESS FOR HIGH SPEED COATING DEPOSITION VIA KINETIC SPRAY PROCESS}

도1은 본 발명의 노즐을 사용하기 위한 동적 분무 시스템의 설계배치도이다.

도 2는 동적 분무 시스템에서 사용하기 위해 본 발명에 따라 고안된 노즐 시스템의 확대 횡단면도이다.

도 3은 선행기술에 따라 고안된 동적 분무 노즐을 통해서 분무된 기재에 대한 광현미경 사진이다.

도 4A와 4B는 도 3의 줄 a와 g에서 각각 도시되는 코팅의 주사 전자 현미경사진이다.

도 5A와 5B는 도 3의 줄 a가 분무되기 이전과 도 3의 줄 h가 분무된 이후 선행기술 동적 분무 노즐의 출구 단부의 광현미경사진이다.

도 6A는 실리콘 카바이드 첨가물 수준이 본 발명에 따른 기재 코팅 능력에 대해 미치는 효과의 그래프이다.

도 6B는 실리콘 카바이드 첨가물 수준이 본 발명에 따른 기재에 대한 코팅 용착 효율에 미치는 효과의 그래프이다.

도 7은 콘덴서 튜브 압출 공정에 인라인 첨가물로서 사용된 본 발명의 한 예의 개략도이다.

도 8은 콘덴서 튜브 스풀간 공정에 대한 인라인 첨가물로서 사용된 본 발명의 한 예의 개략도이다.

도 9는 본 발명에 따라 준비된 콘덴서 튜브 대 콘덴서 코어 경납 이음부 횡단면의 광현미경 사진이다.

도 10은 기재의 예열이 본 발명에 따라 분무된 기재에 점착하는 코팅양에 미치는 효과의 그래프이다.

본 발명은 동적분무과정에 의한 기재 코팅, 보다 상세하게는 동적 분무시스템을 이용한 고속의 연속 인라인(in-line) 코팅 용착을 가능하게 하는 개선된 노즐 시스템에 관한 것이다.

참조병합문헌

미국 특허번호 제6,139,913호인 "동적 분무 코팅방법과 장치(Kinetic Spray Coating Method and Apparatus)"와 미국특허번호 제6,283,386호인 "동적 분무코팅 장치(Kinetic Spray Coating Apparatus)"는 참조로서 이 글 속에 포함된다.

동적 분무시스템의 개시된 선행 기술은 통상 드라발식(deLaval type) 수렴-발산형(converging diverging) 초음속 노즐과 직접적으로 연결된 가스/분말 교환실을 갖고 있는 노즐시스템을 포함하는 동적 분무 시스템에 관한 것이다. 이 시스템을 통해 양압(positive pressure)에 놓인 연속적인 분말입자흐름이 교환실로 들어가게 된다. 분말가스는 분말을 교환실로 보내는데 사용되는데, 가열되지 않음으로써 분말이 분말파이프라인을 폐쇄하지 못하도록 한다. 또한 가열된 주 가스는 압력을 받아 교환실로 보내지는데, 이때 압력은 분말 입자흐름의 압력보다 낮게 정해진다. 교환실에서 가열된 주 가스와 입자가 혼합하게 되는데, 아주 짧은 체류시간 때문에 분말 입자는 약간만 가열되어 주 가스가 소정의 저 용융온도를 가진 물질의 용융온도보다 몇 배가 높은 온도에 있더라도, 용해점보다 훨씬 못 미치게 된다. 가열된 주 가스와 입자는 교환실로부터 입자가 초당 200 내지 1300m 속도로 가속되는 초음속 노즐로 흐르게 된다. 입자가 노즐에서 나와 임계속도를 초과하면 노즐 반대편에 위치한 기재에 점착한다.

입자의 임계속도는 물질의 구성과 크기에 따라 달라진다. 더 단단한 입자들은 통상 점착을 위해 더 높은 속도를 필요로 하는데, 큰 입자를 고속으로 가속화시키는 것은 더욱 어려운 일이다. 선행기술시스템은 많은 다른 종류의 입자와 작용해 왔지만, 일부 입자 크기와 물질 성분은 최근까지도 분무되지 못했다. 본 발명에 앞서 기재를 더 단단한 입자 또는 더 큰 입자로 코팅하려는 많은 시도가 이루어져왔지만 대체로 성과가 없었다. 더구나 입자의 코팅밀도와 용착 효율은 분무가 더 어려운 입자의 경우 매우 낮아질 수 있다. 노즐에서 빠져 나오는 순간의 입자 속도는 입자의 크기와 밀도에 대략 반비례한다. 온도를 상승시켜 주 가스의 속도를 증대시키면 빠져 나오는 순간의 입자 크기도 증가해야 한다. 하지만 시스템 내에서 얻을 수 있는 주 가스의 속도와 온도에는 한계가 있다. 주 가스의 온도가 지나치게 높으면 입자가 노즐의 안쪽에 점착하기 시작하고, 이렇게 되면 용착이 잘 이루어지지 않아 노즐을 세정해야만 한다.

용착이 어려운 입자에 대한 분무능력이 최근 개선된 사례는 동시계속중인 출원(co-pending)으로 2004년 3월 24일에 출원된 미국 출원 번호 10/808, 245에 개시되어 있다. 이 동시계속중인 출원은 분말/가스 조절실을 노즐로 병합하는 개선된 노즐 디자인을 개시하고 있다. 이에 따라 전에는 분무가 어려웠던 분말을 향상된 용착 효율로 획기적으로 분무할 수 있게 된다. 비록 동시계속중인 출원으로 인해 분무가 어려운 분말에 대해 입자 온도를 상승시켜 용착 효율이 향상되었지만, 심한 경질의 분말, 저용융온도를 갖는 경질 분말 또는 아주 큰 입자에 있어서는 한계를 지닌다. 예를 들어 알루미늄, 실리콘, 아연으로 형성된 경랍땜과 같은 소정의 입자 집단은 입자의 온도가 지나치게 높게 되면, 노즐에서 끈적끈적해져 내부에서 들러붙게 되고, 결국 용착 효율이 감소하게 된다. 따라서 기재의 트래버스 속도(traverse speed)는 적절한 농도와 질량 부하를 가진 코팅을 얻기 위해 현저히 감소시켜야 한다. 예를 들어 단층의 입자에 상응하는 3원의 AL-Sn-Zi의 경랍땜을 용착하는데 초당 1.25 내지 2.5츠의 트래버스 속도가 든다고 하자. 이 트래버스 속도는 너무 낮아서 제조 환경상 초당 25 내지 250cm 범위의 고속 트래버스 속도를 지닌 높은 용착 효율이 필요하게 되면 쓸모가 없어진다. 그리하여 노즐을 깨끗한 상 태로 유지하면서 초당 25cm 내지 그 이상의 트래버스 속도로 다양한 물질의 높은 용착 효율을 달성하게 하는 적절한 동적 분무 시스템을 개발해야 한다.

본 발명의 목적은 미국 특허번호 제6,139,913호와 제6,283,386호에서 통상적으로 설명되는 동적 분무 과정과 노즐 시스템을 획기적으로 개선하는 것이다.

한 실시예에 있어, 본 발명은 기재의 동적 분무 코팅 방법을 제공하며, 이 코팅 방법은 분말 입자를 제공하는 단계; 입자를 가스/분말 교환실로 주입하고, 입자의 용융 온도보다 높은 온도로 입자를 가열하기에 충분하지 않은 온도를 갖도록, 가스/분말 교환실에서 입자를 주 가스의 흐름에 동반시키는 단계; 가스/분말 교환실의 주 가스에 동반된 입자를 20mm 이상의 길이방향 축을 따라 소정 길이의 분말/가스 조정실로 향하게 하는 단계; 가스 흐름에 동반된 입자를 조정실로부터 수렴-발산형 초음속 노즐로 향하게 하는 단계; 및 노즐의 반대편에 위치한 기재에 점착되기에 충분한 속도로 입자를 가속하는 단계를 포함하며, 상기 노즐은 제 1부분과 제 2부분을 갖는 발산형 단면으로 구성되는데, 상기 제 1부분은 그 길이를 따라 증가하는 횡단면을 포함하고, 상기 제 2부분은 그 길이를 따라 실질적으로 일정한 횡단면을 갖는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예에 있어, 본 발명은 동적 분무 노즐 시스템을 제공하며, 이 노즐 시스템은 20 밀리미터 이상의 길이방향 축을 따라 소정 길이를 갖는 분말/가스 조절실의 제 1단부에 연결된 가스/분말 교환실; 및 수렴-발산형 초음속 노즐을 포함하며, 상기 초음속 노즐은 스로트에 의해 발산형 단면과 구분되는 수렴형 단면으로 구성되고, 상기 발산형 단면은 제 1부분과 제 2부분으로 구성되는데, 상기 제 1부분은 그 부분의 길이를 따라 증가하는 횡단면을 포함하고 상기 제 2 부분은 그 부분의 길이를 따라 실질적으로 일정한 횡단면을 포함하며, 상기 수렴형 단면은 상기 제 1단부의 반대편에 위치한 상기 분말/가스 조절실의 제 2단부에 연결된 수렴형 단면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 미국 특허번호 제6,139,913호와 제6,283,386호에서 통상적으로 설명되는 동적 분무 과정과 노즐 시스템의 획기적인 개선에 관한 것이다.

먼저 도 1을 참조하면 본 발명에 따라 고안된 노즐을 사용하기 위한 동적 분무 시스템은 도면부호 10으로 도시되어 있다. 분무 시스템(10)은 지지 테이블(14)과 다른 지지 수단이 위치해 있는 밀폐공간(12)을 포함한다. 지지 테이블(14)에 고정된 부착패널은 작업물홀더(18)를 지지하고 있다. 작업물홀더(18)는 코팅되는 기재의 종류에 따라 다양하게 배치될 수 있다. 예를 들어 작업물홀더(18)는 본 발명에서 초당 250cm를 초과하는 트래버스 속도로 노즐(34)을 지나도록 기재를 움직일 수 있는 복수의 고속 롤러로서 구현될 수 있다. 다른 실시예에 있어서 작업물홀더(18)는 3차원으로 움직일 수 있고 코팅되는 기재물질로 형성되는 적절한 공작물을 지탱할 수 있다. 밀폐공간(12)은 도시되어 있지는 않지만 적어도 하나의 공기 입구 와, 도시되어 있지는 않지만 적절한 배기관(22)을 통해 집진기에 연결되는 공기 출구(20)를 갖는 둘러싸인 벽을 포함할 수 있다. 코팅 과정 동안 집진기는 밀폐공간(12)으로부터 연속해서 공기를 끌어들이고, 이후 처리 또는 재활용 하기 위해 배기에 함유된 분진 또는 입자를 모은다.

분무 시스템(10)은 최고 3.4 MPa(500psi)의 압력으로 가스를 고압의 가스 밸러스트 탱크(26)에 공급할 수 있는 가스 압축기(24)를 구비하고 있다. 다양한 가스들이 본 발명에 이용될 수 있는데, 공기, 헬륨, 아르곤, 질소와 다른 영족 기체등이 있다. 가스 밸러스트 탱크(26)는 라인(28)을 통해 고압 분말 피더(30)와 별개의 가스 히터(32)로 연결된다. 가스 히터(32)는 고압의 가열된 가스, 즉 아래에 설명된 가열된 주 가스를 동적 분무 노즐(34)에 제공하게 된다. 분말 피더(30)는 분말 입자를 혼합하여, 가열되거나 가열되지 않은 고압 가스와 분무되도록 하고 그 혼합물을 노즐(34)의 보조 입구에 제공한다. 어떤 실시예에 있어서, 분말 가스는 가열되지만, 다른 실시예에 있어서 분말 가스는 가열되지 않아 분말 라인이 막히지 않게 한다. 컴퓨터 제어부(35)는 가스 히터(32)에 제공되는 가스의 압력, 분말 피더(30)에 제공되는 가스의 압력, 분말 피더(30)에 제공되는 가스의 온도와 가스 히터(32)를 빠져나가는 가열된 주 가스의 온도를 제어하게 된다.

도 2는 분무 시스템(10)에 사용하기 위해 본 발명에 따라 고안된 노즐(34)과, 가스 히터(32)에 연결부분과 보조입구라인에 대한 횡단면도이다. 주 가스 통로(36)는 가스 히터(32)를 노즐(34)에 연결시킨다. 가스 통로(36)는 가스를 정류관(40)을 통해 혼합실(42)로 보내는 예혼합실(38)과 연결되어 있다. 가열된 주 가스 의 온도와 압력은 가스 통로(36)에서 가스 입구 온도 열전대(44)와 혼합실(42)에 연결된 압력 센서에 의해 감시된다. 예혼합실(38), 정류관(40), 혼합실(42)은 가스/분말 교환실(49)을 형성하게 된다.

고압가스와 코팅분말 혼합물은 보조 입구라인(48)을 통해 바람직하게도 가스/분말 교환실(49)의 중앙축(51)과 똑같은 중앙축(52)을 형성하고 있는 분말주입기 튜브(50)에 제공된다. 가스/분말 교환실(49)의 길이는 바람직하게도 40 내지 80mm이다. 바람직하게도 주입기 튜브의 내부 직경은 0.3 내지 3.0mm이다. 분말주입기튜브(50)는 예혼합실(38)과 정류관(40)을 거쳐 혼합실(42)에까지 이른다.

혼합실(42)은 가스/분말 교환실(49)과 초음속 노즐(54)사이에 위치한 분말/가스 조절실(80)과 연결되어 있다. 분말/가스 조절실(80)은 길이방향 축을 따라 소정 길이 L를 갖는다. 중심 축(52)은 이 실시예에서 다른 중심 축(51)과 똑같다. 바람직하게도 분말/가스 조절실(80)의 내부에는 원주형태(82)가 있다. 또한 바람직하게도 이것의 내부 직경은 초음속 노즐(54)의 수렴형 단면의 입구와 일치한다. 분말/가스 조절실(80)에는 초음속 노즐(54)과 가스/분말 교환실(49)이 해제 가능하게(releasably) 맞물려 있다. 바람직하게도, 이러한 해제 가능한 맞물림은 가스/분말 교환실(49), 노즐(54)과 분말/가스 조절실(80)(도시 없음)에서 대응되는 물림 나사를 통해서 수행된다. 해제 가능한 맞물림은 스냅 핏(snap fit), 삽입형 연결과 같은 다른 수단과, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다른 수단을 통해 수행될 수 있다. 길이방향 축을 따라 길이 L은 바람직하게도 적어도 20mm이거나 더 길다. 분말/가스 조절실(80)의 최적 길이는 분무되는 입자와 그 입자로 분무되는 기재에 따라 달라진다. 바람직하게도 길이 L은 20 내지 450mm 정도이다. 분말/가스 조절실(80)을 끼워 넣음으로써 주입기 튜브(50)의 출구와 초음속 노즐(54)의 인접 단부 사이의 거리는 선행기술에 비해 현저히 증대된다. 분말/가스 조절실(80)로 인해 증가된 거리는 입자가 초음속 노즐(54)로 들어가기 이전 주 가스에서의 체류시간을 더 길게 한다. 체류시간이 더 길어짐으로써 입자 온도가 더 높아지고, 주 가스 분말 혼합이 더 균일해지고, 가스 분말 혼합물의 흐름이 더 균일해진다. 따라서, 입자 온도는 초음속 노즐(54)에 들어가기 전에 융점에 근접하지만 여전히 훨씬 못 미치는 온도로 상승할 것이다.

초음속 노즐(54)은 드라발식 수렴-발산형 노즐(54)이다. 노즐(54)은 스로트(58)로 갈수록 직경이 줄어드는 입구원뿔(56)을 형성하고 있다. 입구원뿔(56)은 노즐(54)의 수렴형 단면을 형성한다. 스로트(58)의 하류는 출구 단부(60)이다. 입구원뿔(56)의 최대 직경은 10 내지 6mm에 이를 수 있는데, 7.5mm가 바람직하다. 입구원뿔(56)은 스로트(58)쪽으로 좁아진다. 스로트(58)는 직경이 1.0 내지 6.0mm인데, 2 내지 5mm가 바람직하다. 노즐(54)은 또한 스로트(58)의 하류 쪽에서 출구 단부(60)로 이어지는 발산형 단면를 포함한다. 본 발명에서 발산형 단면는 선행기술을 개조한 것이다. 발산형 단면은 스로트(58)에 인접한 제 1부분(59A)과 제 1부분(59A)에 인접한 제 2부분(59B)을 포함하고 있다. 제 1 부분(59A)에서 노즐(54)의 횡단면은 급속히 확대된다. 제 2 부분(59B0에서 노즐(54)의 횡단면은 일정함을 유지하며 확대되지 않는다. 선행기술은 노즐(54)의 제 1부분(59A)만을 포함하고 있다. 바람직하게도 발산형 단면의 전체 길이는 350 내지 1000mm이고, 더 바람직하게 도 400 내지 800mm이다. 바람직하게도 제 1 부분(59A)은 길이가 200 내지 400mm이고, 바람직하게도 제 2부분(59B)은 길이가 150 내지 800mm이다. 발산형 단면는 다양한 형태를 갖지만 바람직한 실시예에서는 직사각형의 횡단면 형태이다. 출구 단부(60)에서 노즐(54)은 바람직하게도 짧은 치수로는 1에서 6밀리미터의 직경에 긴 치수로는 6에서 24밀리미터의 직경을 가진 직사각형 형태이다.

미국 특허 번호 제6,139,913호와 6,238,386에서 개시된 것처럼, 분말 주입기 튜브(50)는 가열된 주 가스의 압력을 초과하는 압력으로 통로(36)로부터 시스템(10)에 입자분말혼합물을 제공한다. 바람직하게도 분말 피더(30)에 제공된 가스는, 입자 분말이 주입기 튜브(50)를 주 가스 압력을 넘어 평방 인치당(psi) 15 내지 150파운드의 압력에 둘 만큼 충분히, 더 바람직하게도 주 가스압력을 넘어 평방 인치당 15에서 75 파운드의 압력에 둘 만큼 충분히 높은 압력을 갖게 된다. 일부 실시예에서 파우더 피더에 제공된 가스는 온도가 40 내지 200C까지 가열된다.

노즐(54)은 초당 200 미터 내지 초당 1,300m까지의 동반된 입자의 출구 속도를 낸다. 동반된 입자는 노즐(54)을 통해 흐르는 동안 주로 운동 에너지를 얻는다. 가스 흐름에 있는 입자의 온도가 입자 크기와 주 가스 온도에 따라 달라진다는 점을 해당 기술 분야에서 통상의 지식의 가진 자는 인식할 것이다. 주 가스 온도는 노즐(54)의 입구에서 가열된 고압 가스의 온도로 정의된다. 주 가스 온도는 분무되는 입자의 용융 온도보다 현저히 높을 수 있다. 사실 주 가스 온도는 입자 물질에 따라 200 내지 2000C 까지, 또는 입자 융점 보다 몇 배 더 높을 수 있다. 이런 높은 가스 온도에도 불구하고, 입자온도는 입자의 융점보다 항상 더 낮은데 분말이 분말 가스에 의해 가열된 가스 흐름으로 주입되고, 가열된 주 가스에 대한 입자의 노출시간이 비교적 짧기 때문이다. 그리하여 심지어 충격이 가해져도 운동과 열에너지의 전이 때문에 원래 입자의 고체 단계에서 변화가 없으며, 원래의 물리적 성질에도 변화가 생기지 않는다. 입자는 항상 융점보다 낮은 온도에 있다. 노즐(54)을 빠져 나오는 입자는 코팅을 위한 기재의 표면 쪽으로 향하게 된다.

노즐(54) 반대편의 기재에 부딪치자마자, 입자는 분무된 물질의 형태에 따라 다양한 종횡비 지닌 혹 형태 구조로 평평해진다. 기재가 금속이고 입자가 금속이면, 기재 표면에 부딪히는 입자는 표면 산화물층을 갈라지게 하고, 이후 금속 입자와 금속기재 사이에 직접적인 금속간 결합을 형성한다. 충격을 받자마자 동적 분무 입자는 모든 운동과 열 에너지를 기재 표면에 보내고 기재에 점착한다. 상술한 것처럼 소정의 입자가 기재에 점착하기 위해서는 노즐(54)을 이탈한 후에 기재에 부딪힐 때 기재에 점착하게 되는 속도로 정의되는 임계속도에 도달하거나 이를 초과해야만 한다. 이러한 임계 속도는 입자의 물질 구성과 기재의 물질 구성에 좌우되는데 통상 더 단단한 물질이 소정의 기재에 점착하기 위해서는 임계 속도가 더 빨라지고 더 단단한 기재는 더 빠른 속도로 부딪혀야만 한다. 이 시점에서 입자-기재 결합의 성질이 무엇인지 정확히 파악하기가 어렵지만 금속 기재에 투사되는 금속 입자의 경우 결합의 일부분은 입자가 기재에 부딪치자마자 소성 변형되어 산화물층을 갈라지게 하여 기재 금속을 노출시키는 금속결합 또는 금속간결합이다.

미국특허번호 제6,139,913호에서 개시된 대로, 기재 물질은 금속, 합금, 플라스틱, 폴리머, 세라믹, 나무, 반도체와 이들의 혼합물을 포함하는 다양한 물질로 구성될 수 있다. 이러한 기재들의 코팅은 본 발명의 공정을 통해 수행할 수 있다. 바람직하게는 기재로부터의 체공거리는 5 내지 60mm이고 더 바람직하게는 10 내지 50mm이다. 본 발명에서 사용되는 입자는 다른 알려진 입자 이외에도 미국특허번호 제6,139,913호와 제6,238,386호에 개시된 물질의 입자들로 구성될 수 있다. 이러한 입자들은 통상 금속, 합금, 세라믹, 폴리머, 다이아몬드, 금속 코팅된 세라믹, 반도체와 이들 혼합물로 구성된다. 바람직하게도 입자의 평균 공칭직경은 대략 1 내지 250 마이크론이다. 본 발명의 바람직한 사용예는 경랍땜 합금(brazing alloy)을 표면에 용착시키는 것인데 바람직하게도 경랍땜 합금은 알루미늄, 실리콘 및 아연의 합성물이다. 한 실시예에서 합금은 총 무게를 기준으로 50 내지 78wt%인 알루미늄, 5% 내지 10wt%인 실리콘, 그리고 12% 내지 45wt%인 아연으로 구성하는 것이 바람직하다.

도 3은 선행기술 동적 분무과정을 이용하여 동적 분무된 기재의 광현미경사진이다. 레인 a와 b는 도 5A에서 도시되듯이 노즐을 세정한 직후에 분무되었다. 레인 c-h는 레인 a와 b 바로 다음에 분무되었다. 레인 h 다음의 노즐 내부는 도 5B에 도시되어 있다. 노즐에서 경질의 입자가 쌓이고 용착이 잘 되지 않는 것을 인식해 볼 때 분무 매개 변수는 다음과 같다: 주 가스 압력 300psi, 분말 가스 압력 350psi, 주 가스 온도 650C, 분말피드율 초당 0.5g, 체공거리 20mm, 그리고 트래버스 속도 초당 1.25cm. 분말 입자는 알루미늄, 실리콘과 아연의 경랍땜 합금 혼합물이다. 도 4A와 4B의 레인 a와 g에서 코팅 표면의 주사광현미경사진이 도시된다. 도 4A에서 입자는 크게 변형되고 조밀하게 모이는데, 이는 높은 입자 속도와 높은 용 착 효율을 분명하게 나타내는 것이다. 도 4B의 경우에 있어 기재에 부딪치는 대부분의 입자는 충돌 후에 떨어져 나가는데, 이는 고밀도의 크레이터 표시로 증명이 된다. 노즐 벽에 합금이 용착함으로써 도 5B에서 도시되듯이 경계 층이 두꺼워지고 입자 속도가 느려지는 것으로 여겨진다.

이러한 경랍땜합금의 분무 능력을 개선하기 위해서 본 발명은 합금에 부가적인 경질 성분인 세라믹을 결합시켰다. 다이아몬드나 다른 경질의 물질 또한 적절한 것으로 여겨진다. 선택된 세라믹은 실리콘 카바이드였지만 다른 세라믹도 해당될 수 있다. 중요한 점은 입자의 제 2 집단이 너무 단단하여 분무 상황에서 기재에 점착할 수 없어서, 노즐의 내부를 문질러 깨끗하게 유지시켜준다는 것이다. 실리콘 카바이드와 같은 경질의 입자는 총 무게를 기준으로 무게가 1 내지 20wt% 수준으로 포함되는 것이 바람직하지만 입자 크기가 똑같을 수 있다. 도 6A와 6B에서는 본 발명에 따라 고안된 노즐과 실리콘 카바이드를 사용한 획기적인 개선이 도시되어 있다. 선행기술 노즐을 사용하여, 주 가스 온도는 650C, 트래버스율은 초당 1.25cm, 용착효율은 3% 내지 5%로 한정했다. 도 6A와 6B에서 도시되는 결과를 보면 분무 매개변수는 다음과 같다: 주 가스 압력 300psi, 분말 가스 압력 320psi, 주가스 온도 1000C, 분말 피드율 초당 1.00 그램, 체공거리 20 밀리미터와 트래버스율 초당 60 센티미터. 참조번호 100, 102, 110, 그리고 112를 보면 실리콘 카바이드 입자는 평균 공칭 직경이 25 내지 45 마이크론에 이른다는 것을 알 수 있다. 다른 참조번호에서 평균 공칭 직경은 63 내지 90 마이크론이다. 참조번호 100과 110은 4wt% 실리콘 카바이드의 효과를 도시하고 있다. 참조번호 102와 112는 7wt% 실리콘 카바이드 의 효과를 도시하고 있다. 참조번호 104와 114는 4wt% 실리콘 카바이드의 효과를 도시하고 있다. 참조번호 106과 116은 7wt% 실리콘 카바이드의 효과를 도시하고 있다. 참조번호 108과 118은 10wt% 실리콘 카바이드의 효과를 도시하고 있다. 통상 콘덴서 튜브에 있어 부하는 평방미터당 40 내지 80g으로 하는 것이 바람직하다. 결과를 보면 소량의 더 단단한 실리콘 카바이드가 알루미늄, 실리콘, 아연의 합금과 같은 끈적이는 물질을 용착하는 능력을 획기적으로 개선시킨다는 점을 알 수 있다. 트래버스 속도는 24배 더 빠르게 되었고, 주 가스 온도는 400C 상승할 수 있고, 용착 효율은 적어도 12배 더 향상되었고, 부하는 콘덴서 튜브의 효과적인 코팅에 필요한 것보다 훨씬 크다.

도 6A와 6B예서 도시되는 데이터 종류를 이용하여, 몇 개의 추정 용착 효율과 트래버스 속도를 가지고 폭 18mm 콘덴서 튜브에 평방 미터당 최소한 80g의 부하를 지탱하기 위한 필수 분말 피드율을 계산할 수 있다. 그 계산 결과는 아래 표 1에서 도시된다.

트래버스 스피드 (센티미터/초)	100% DE의 피드율 (그램/초)	80% DE의 피드율 (그램/초)	50% DE의 피드율 (그램/초)
30	0.45	0.56	0.90
60	0.90	1.13	1.80
90	1.35	1.70	2.70
120	1.80	2.25	3.60
180	2.70	3.38	5.40
200	3.00	3.80	6.00

본 발명에 의해 매우 빠른 트래버스 속도에서 코팅을 효과적으로 용착하는 능력이 획기적으로 개선된 점을 볼 때, 이는 고속의 제조 환경에서도 사용될 수 있다. 이와 같은 예는 도 7과 8에서 도시된다. 도 7은 콘덴서 튜브에 대한 압출라인에 본 발명이 인라인으로 포함되어 있음을 보여주는 개략도이다. 기재는 어떠한 고속의 압출성형체(extrudate) 물질일 수 있다. 도 7에서 압출기(120)는 대략 550C의 온도에서 콘덴서 튜브(122)를 연속 압출한다. 압출된 튜브(122)는 한 쌍의 공기냉각기(124)를 지나서 본 발명에 따라 고안된 한 쌍의 동적 분무 노즐(34)을 지나게 되어, 노즐(34)에 의해 코팅된다. 코팅된 튜브(122)는 냉각수 공급배스(126)를 통과하여 랩스풀(128)에 장착된다. 겹쳐진 튜브는 이후 펴져서 적당한 크기로 절단(130)된다. 또 다른 실시예에서 본 발명의 노즐(34)은 도 8에서 도시되는 대로 스풀간 작동에 사용된다. 스풀(140)은 구동 룰러에 의해 스풀(140)로부터 분리되는 겹쳐진 압출 튜브를 포함하게 된다. 구동 롤러(144)는 히터(146)를 지나고, 본 발명에 따라 고안된 한 쌍의 노즐(34)을 지나서 튜브(142)를 공급한다. 노즐(34)은 이후 또 다른 스풀(146)에 감기는 튜브(142)를 코팅하게 된다. 이후 코팅된 튜브(142)는 펴져서 적당한 길이(148)로 된다. 진전된 동적 분무 과정과 결합된 상기 연속 인라인 제조 과정은 코팅의 질과 용착 효율을 향상시키면서 사이클과 제조원가를 최소화할 수 있는 주요한 인자가 된다. 이러한 연속 인라인 공정을 통해 또한 기재를 예열하지 않을 수 있다. 기재의 예열은 용착 효율을 증대시킬 수 있다. 도 7에서 도시되는 예를 보면, 기재 온도는 압출 직후 거의 550C로 상당히 높고, 이 인라인 공정에서는 기재가 노즐(54)앞으로 지나가기 전에는 예열할 필요가 없다.

도 9는 본 발명에 따라 경랍땜한 방열기 코어(154) 횡단면의 광현미경 사진이다. 본 발명에 따라 적용된 경랍땜 합금은 경질의 실리콘 카바이드와 예혼합된 알루미늄, 실리콘, 아연의 합금인데 분무 매개변수는 다음과 같다: 주 가스 압력 300psi, 분말 가스 압력 330psi, 주가스 온도 1100C, 분말 피드율 초당 4.00g, 체공거리 22mm, 분말/가스 조절실 길이 131mm, 트래버스 속도 초당 200cm. 콘덴서 튜브(150)는 방열기 코어(154)에 대한 우수한 경랍땜 이음부(152)를 보여준다.

도 10에서는 기재의 약한 가열의 효과가 도시되어 있다. 모든 사례에 있어 기재는 콘덴서 튜브이고, 분무 매개변수는 다음과 같다: 주 가스 압력 300psi, 분말 가스 압력 330psi, 주가스 온도 1100C, 분말 피드율 초당 4.00 그램, 체공거리 22mm, 분말/가스 조절실 길이 131mm와 트래버스 속도 초당 200cm. 참조번호 160에서 튜브는 분무될 때 실온에 있게 된다. 참조번호 162에서 튜브는 160C로 가열되고 나서 분무된다. 결과를 보면 분무하기 전에 기재를 가열하면 부하가 증대되고 이에 따라 용착 효율이 증가함을 알 수 있다. 본 발명의 연속 인라인 제조 공정은 한편으로 압출에 의한 높은 기재 온도 때문에 코팅 질과 용착 효율을 증대시킨다. 주요한 이점으로는 증가한 사이클 시간, 향상된 용착 효율, 향상된 코팅의 질, 기재의 예열 불필요성 등이 있다.

본 발명은 고속의 제조환경, 보다 상세하게는 콘덴서 튜브의 코팅발명의 사용에 있어 실시예와 관련하여 설명하였다. 본 발명은 하지만 제한적이지는 않다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 사실상 고속의 제조 환경에서도 사용될 것임을 알 것이다.

전술한 발명은 관련 법률 기준에 따라 설명하여 제한적인 아닌 예시적인 성격을 갖는다. 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 개시된 실시예가 다양하게 수정 변경될 수 있음을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 분명하게 이해 할 수 있다. 따라서 본 발명에 제공된 법적 보호 영역은 단지 다음의 청구범위에 의해서만 정해질 수 있다.

본 발명의 연속 인라인 제조 공정은 한편으로 압출에 의한 높은 기재 온도 때문에 코팅 질과 용착 효율을 증대시킨다. 주요한 이점으로는 증가한 사이클 시간, 향상된 용착 효율, 향상된 코팅의 질, 기재의 예열 불필요성 등이 있다.

Claims

a) 분말 입자를 제공하는 단계;

b) 입자를 가스/분말 교환실로 주입하고, 입자의 용융 온도보다 높은 온도로 입자를 가열하기에 충분하지 않은 온도를 갖도록, 가스/분말 교환실에서 입자를 주 가스의 흐름에 동반시키는 단계;

c) 가스/분말 교환실의 주 가스에 동반된 입자를 20mm 이상의 길이방향 축을 따라 소정 길이의 분말/가스 조정실로 향하게 하는 단계;

d) 가스 흐름에 동반된 입자를 조정실로부터 수렴-발산형 초음속 노즐로 향하게 하는 단계; 및

e) 노즐의 반대편에 위치한 기재에 점착되기에 충분한 속도로 입자를 가속하는 단계를 포함하며,

상기 노즐은 제 1부분과 제 2부분을 갖는 발산형 단면으로 구성되는데, 상기 제 1부분은 그 길이를 따라 증가하는 횡단면을 포함하고, 상기 제 2부분은 그 길이를 따라 실질적으로 일정한 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 c) 단계는 동반된 입자를 20 내지 450mm 길이의 분말/가스 조절실로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 d) 단계는 동반된 입자를 350 내지 1,000mm 길이의 발산형 단면을 갖는 수렴-발산형 초음속 노즐로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 d) 단계는 동반된 입자를, 200 내지 400mm 길이의 제 1 부분을 갖는 발산형 단면의 수렴-발산형 초음속 노즐로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 d) 단계는 동반된 입자를, 150 내지 800mm 길이의 제 2 부분을 갖는 발산형 단면의 수렴-발산형 초음속 노즐로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 e) 단계는 입자를 초당 200 내지 1,300m의 속도로 가속하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 b) 단계는 200 내지 1000C의 온도를 갖는 주 가스에 입자를 동반하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 e) 단계는 노즐과 기재 중의 하나를 다른 것에 대해 초당 25 내지 250cm의 트래버스 속도(traverse speed)로 움직이게 하는 것을 더 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 a) 단계는 평균 호칭 직경이 1 내지 250 마이크론인 입자를 제공하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 d) 단계는 금속, 합금, 플라스틱, 폴리머, 세라믹, 나무, 반도체 또는 이의 혼합물 중 적어도 하나로 구성된 기재를 제공하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 a) 단계는 금속, 합금, 세라믹, 금속 코팅된 세라믹, 폴리머, 다이아몬드, 반도체 또는 이의 혼합물 중 적어도 하나로 구성된 입자를 제공하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 e) 단계는 콘덴서 튜브를 기재로서 제공하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 12항에 있어서, 튜브 압출기로부터 직접 콘덴서 튜브를 제공하는 단계와 스풀간 작동으로 콘덴서 튜브를 제공하는 단계 중의 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 e) 단계에 앞서 기재를 40 내지 200C의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 b) 단계에 앞서 입자를 40 내지 200C의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 a) 단계는 분말 입자 제 1 집단과 분말 입자 제 2 집단의 혼합물을 제공하고, 상기 e) 단계는 제 1 집단을 기재에 점착하는데 충분한 속도로 가속하고 제 2 집단을 기재에 점착하기에 충분하지 않은 속도로 가속하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 16항에 있어서, 제 2 집단은 세라믹인 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
제 17항에 있어서, 제 1 및 제 2 집단의 총 무게를 기준으로 제 2 집단을 1 내지 20wt%로 제공하는 것을 특징으로 하는 기재의 동적 분무 코팅 방법.
20 밀리미터 이상의 길이방향 축을 따라 소정 길이를 갖는 분말/가스 조절실의 제 1단부에 연결된 가스/분말 교환실; 및

수렴-발산형 초음속 노즐을 포함하며,

상기 초음속 노즐은 스로트에 의해 발산형 단면과 구분되는 수렴형 단면으로 구성되고, 상기 발산형 단면은 제 1부분과 제 2부분으로 구성되는데, 상기 제 1부 분은 그 부분의 길이를 따라 증가하는 횡단면을 포함하고 상기 제 2 부분은 그 부분의 길이를 따라 실질적으로 일정한 횡단면을 포함하며,

상기 수렴형 단면은 상기 제 1단부의 반대편에 위치한 상기 분말/가스 조절실의 제 2단부에 연결된 수렴형 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 가스/분말 교환실의 길이가 40 내지 80mm인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템
제 19항에 있어서, 상기 가스/분말 조절실의 길이가 20 내지 450mm인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 수렴형 단면의 최대 직경이 10 내지 6 밀리미터인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 스로트의 직경이 1 내지 6mm인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 스로트의 직경이 2 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 발산형 단면의 길이가 350 내지 1,000mm인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 발산형 단면의 제 1 부분 길이가 200 내지 400mm인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 발산형 단면의 상기 제 2 부분 길이가 150 내지 800mm인 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.
제 19항에 있어서, 상기 발산형 단면이 긴 치수가 6에서 24mm, 짧은 치수가 1에서 6mm로 구성되는 직사각형 모양인 출구 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 분무 노즐 시스템.