KR20060053252A - 용사용 분말, 용사 방법 및 용사 피막의 형성방법 - Google Patents

용사용 분말, 용사 방법 및 용사 피막의 형성방법 Download PDF

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츠요시 이츠카이치
사토시 타와다
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가부시키가이샤 후지미인코퍼레이티드
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Abstract

용사용 분말은, 탄소를 포함하는 크롬-철계 합금분말을 함유한다. 상기 합금분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 상기 합금분말 중의 탄소의 질량의 비율은 2% 이상이다. 상기 합금분말의 10% 입자크기 D10은 바람직하게는, 10㎛ 이상이고, 더욱 바람직하게는, 15㎛ 이상이다. 상기 합금분말의 50% 입자크기 D50은 바람직하게는, 20㎛ 이상이다. 상기 용사용 분말은 고속 화염 용사에 의해 용사 피막을 형성하는 용도에 적합하다.

Description

용사용 분말, 용사 방법 및 용사 피막의 형성방법{THERMAL SPRAYING POWDER, THERMAL SPRAYING METHOD, AND METHOD FOR FORMING THERMAL SPRAY COATING}
본 발명은, 고속 화염 용사에 의해 용사 피막을 형성하는 데 유용한 용사용 분말에 관한 것이다. 또, 본 발명은, 이러한 용사용 분말을 이용하는 용사 방법 및 용사 피막의 형성방법에 관한 것이다.
표면에 대해 내식성, 내마모성, 내열성 등의 특성을 부여하기 위하여, 각종 산업기기 및 일반적 기계의 금속제 부품의 표면에 용사 피막을 형성하는 기술이 제안되어 있다. 예를 들면, 일본국 특허 제 2969050호 공보 및 일본국 특허 제 3155124호에는, 다황화 나트륨에 의한 부식에 대한 내성을 부여하기 위하여, 나트륨-황 전지의 양극 용기의 내면에 크롬-철계 합금제의 용사 피막을 형성하는 기술이 개시되어 있다. 특히, 일본국 특허 제 3155124호에는, 크롬-철계 합금분말을 플라스마 용사해서 용사 피막을 형성하는 것이 개시되어 있다.
상기 일본국 특허 제 2969050호 공보 및 일본국 특허 제 3155124호에서의 크롬-철계 합금제의 용사 피막은, 경도가 낮고 내마모성이 낮으므로, 내마모성이 요 구되는 용도에는 적합하지 않다. 내마모성이 우수한 용사 피막으로서는, 탄화텅스텐과 코발트를 함유하는 도성 합금(陶性合金: cermet) 분말 및 탄화 텅스텐과 코발트와 크롬을 함유하는 도성 합금 분말로 이루어진 용사 피막이 알려져 있다. 그러나, 이러한 도성 합금 분말로 이루어진 용사 피막은, 크롬-철계 합금제의 용사 피막에 비해서 매우 고가이다. 따라서, 도성 합금 분말로 이루어진 용사 피막이 고가인 현상황하에서, 크롬-철계 합금제의 용사 피막의 내마모성을 향상시키는 것은 산업적으로 유용하다.
발명의 개시
따라서, 본 발명의 목적은, 양호한 내마모성을 지닌 크롬-철계 합금제의 용사 피막을 형성가능한 용사용 분말을 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 이러한 용사용 분말을 이용하는 용사방법 및 용사 피막의 형성방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적 및 기타 목적을 달성하기 위하여, 용사용 분말이 제공된다. 이 용사용 분말은, 탄소를 포함하는 크롬-철계 합금분말을 함유한다. 상기 합금분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 상기 합금분말 중의 탄소의 질량의 비율이 2% 이상이다.
본 발명은, 또한, 상기 용사용 분말의 고속 화염 용사를 행하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명은, 또한, 용사 피막을 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 상기 용사용 분말의 고속 화염 용사에 의해서 용사 피막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기타 측면과 이점 등은, 본 발명의 원리를 예를 통해 예시하고 있는 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.
바람직한 실시형태의 상세한 설명
이하, 본 발명의 일실시형태에 대해서 설명한다.
본 실시형태에 의한 용사용 분말은, 탄소를 포함하는 크롬-철계 합금 분말로 이루어진다.
합금 분말중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 합금 분말중의 탄소의 질량의 비율이 2% 미만인 경우, 용사용 분말로 형성되는 용사 피막은, 경도가 낮아 양호한 내마모성을 지니지 않는다. 따라서, 양호한 내마모성을 지니는 용사 피막을 얻기 위해서, 탄소의 비율은 2% 이상이어야만 한다. 하지만, 탄소의 비율이 2% 이상이더라도, 탄소의 비율이 3% 미만인 경우에는, 용사 피막의 내마모성은 양호하지 않은 일이 있다. 따라서, 탄소의 비율은 3% 이상인 것이 바람직하다. 한편, 탄소의 비율이 10%보다도 큰 경우에는, 용사 피막의 취화(embrittlement)에 의해 용사 피막의 내마모성이 저하할 염려가 있다. 따라서, 취하에 의한 용사 피막의 내마모성의 저하를 방지하기 위한 관점에서, 탄소의 비율은 10% 이하인 것이 바람직하다. 본 실시형태의 용사용 분말의 경우, 합금 분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 합금 분말 중의 탄소의 질량의 비율은, 용사용 분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 용사용 분말 중의 탄소의 질량의 비율과 등가이다.
상기 합금 분말 중의 크롬의 함유량이 60 질량% 미만일 경우, 용사용 분말로 형성되는 용사 피막은 경도가 그다지 높아지지 않는 일이 있다. 용사 피막의 경도가 그다지 높지 않은 경우에는, 용사 피막의 내마모성은 양호하지 않다. 따라서, 크롬의 함유량은 60 질량% 이상인 것이 바람직하다. 한편, 크롬의 함유량이 95 질량%보다도 많을 경우, 구체적으로는 85 질량%보다도 많을 경우, 더욱 구체적으로는 80 질량%보다도 많을 경우에는, 부착효율(용사 수율)이 저하할 염려가 있다. 따라서, 부착효율의 저하를 방지하기 위한 관점에서, 크롬의 함유량은 95 질량% 이하인 것이 바람직하고, 85 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 80 질량% 이하인 것이 가장 바람직하다. 본 실시형태의 용사용 분말의 경우, 합금 분말 중의 크롬의 함유량은, 용사용 분말 중의 크롬의 함유량과 등가이다.
합금 분말의 10% 입자크기 D10이 10㎛ 미만일 경우, 더욱 구체적으로는 15㎛ 미만일 경우에는, 용사 시에 스피팅(spitting)이라 불리는 현상이 발생할 염려가 있다. 따라서, 스피팅의 발생을 방지하기 위해서는, 10% 입자크기 D10은 10㎛ 이상인 것이 바람직하고, 15㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 한편, 10% 입자크기 D10이 25㎛보다도 큰 경우에는, 부착효율이 저하할 염려가 있다. 따라서, 부착효율의 저하를 방지하기 위해서는, 10% 입자크기 D10은 25㎛ 이하인 것이 바람직하다. 용사용 분말의 10% 입자크기 D10은, 적산체적이 합금 분말 중의 모든 입자의 체적의 합계의 10%에 도달할 때까지 입자크기가 가장 작은 입자로부터 차례로 합금 분말 중의 각 입자의 체적을 적산한 때에 최후로 합계되는 입자의 크기이다. 합금 분말의 10% 입자크기 D10은 예를 들면, 레이저 회절식 입도 측정기를 이용해서 측정된다. 본 실시형태의 용사용 분말의 경우, 합금 분말의 10% 입자크기 D10은 용사용 분말의 10% 입자크기 D10과 등가이다.
스피팅은, 지나치게 용융된(즉, 과용융된) 용사용 분말이 용사기의 사출노즐의 내벽에 부착해서 퇴적되고, 이들 퇴적물이 용사 동안 떨어져 나가 용사 피막에 혼입되는 현상을 말한다. 스피팅이 발생하면, 용사 피막의 조직구조가 불균일해지므로, 용사 피막의 품질이 현저하게 저하하게 된다.
합금 분말의 50% 입자크기 D50이 20㎛ 미만일 경우에도, 스피팅이 발생할 염려가 있다. 따라서, 스피팅의 발생을 방지하기 위해서는, 50% 입자크기 D50은 20㎛ 이상인 것이 바람직하다. 한편, 50% 입자크기 D50이 50㎛보다도 큰 경우에는, 부착효율이 저하할 염려가 있다. 따라서, 부착효율의 저하를 방지하기 위해서는, 50% 입자크기 D50은 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 용사용 분말의 50% 입자크기 D50은, 적산체적이 합금 분말 중의 모든 입자의 체적의 합계의 50%에 도달할 때까지 입자크기가 가장 작은 입자로부터 차례로 합금 분말 중의 각 입자의 체적을 적산한 때에 최후로 합계되는 입자의 크기이다. 합금 분말의 50% 입자크기 D50은 예를 들면, 레이저 회절식 입도 측정기를 이용해서 측정된다. 본 실시형태의 용사용 분말의 경우, 합금 분말의 50% 입자크기 D50은 용사용 분말의 50% 입자크기 D50과 등가이다.
상기 용사용 분말은, 예를 들면, 고속 화염 용사에 의해서용사 피막을 형성하는 데 사용된다. 상기 용사용 분말을 고속 화염 용사해서 형성되는 용사 피막은 양호한 내마모성을 지닌다. 상기 용사용 분말을 적합한 방식으로 용사하는 것이 가능한 고속 화염 용사기로서는, 예를 들면, 프락스에어/타파(Praxair/TAFA)사에 의해 제작된 "JP-5000", 술저 메트코(Sulzer Metco)사에 의해 제작된 "다이아몬 드 제트(하이브리드형)" 등의 고출력 타입의 고속 화염 용사기를 들 수 있다.
바람직한 실시형태는 이하의 이점을 지닌다.
본 실시형태의 용사용 분말의 고속 화염 용사에 의해 형성된 용사 피막은, 양호한 내마모성을 지닌다. 따라서, 상기 용사용 분말은, 탄화텅스텐과 코발트를 함유하는 도성 합금분말 혹은 탄화텅스텐과 코발트와 크롬을 함유하는 도성 합금 분말의 대체물로서, 내마모성이 요구되는 용사 피막을 형성하는 데 매우 유용하다.
고속 화염 용사에 의하면, 화염 용사, 플라스마 용사 등의 다른 용사 방법에 비해서, 용사기로부터 사출되는 용사용 분말 입자의 비행 속도가 높으므로, 용사용 분말은 기재 표면에 고속으로 충돌한다. 따라서, 기재에의 밀착성이 높고 또 치밀한 용사 피막이 얻어진다. 또, 고속 화염 용사에 의하면, 다른 용사 방법에 비해서, 용사 동안에 용사용 분말이 쉽게 과열되지 않기 때문에, 용사용 분말의 열변질이 억제된다. 고속 화염 용사의 경우에 용사용 분말의 열변질이 억제되는 이유에는, 고속 화염 용사의 용사 열원인 화염이 고압이기 때문에 화염 중에의 대기의 혼입이 비교적 적은 점, 용사기로부터 사출되는 용사용 분말 입자의 비행속도가 크므로 용사용 분말이 화염 중에 체류하고 있는 시간이 짧은 점이 포함된다. 용사 피막의 내마모성은, 기재에의 용사 피막의 밀착성이 높을 때, 용사 피막이 치밀할 때 또는 용사 피막이 열변질된 용사용 분말을 포함하지 않을 때에도 향상된다.
상기 실시형태는 이하와 같이 변경되어도 된다.
크롬-철계 합금 분말은, 탄소, 크롬 및 철 이외의 성분을 함유해도 된다. 하지만, 합금 분말 중의 탄소, 크롬 및 철의 함유량의 총계는, 바람직하게는, 90 질량% 이상, 더욱 바람직하게는, 95 질량% 이상, 가장 바람직하게는, 98 질량% 이상이다. 합금 분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 합금 분말 중의 규소의 질량의 비율이 1%보다도 크면, 고품질의 용사 피막이 얻어지지 않을 염려가 있다. 따라서, 합금 분말이 규소를 더 함유할 경우, 규소의 비율은 1% 이하인 것이 바람직하다.
용사용 분말은, 크롬-철계 합금 분말 이외의 분말을 함유해도 된다. 하지만, 용사용 분말 중의 크롬-철계 합금 분말의 함유량은, 바람직하게는, 90질량%이상, 더욱 바람직하게는, 95 질량% 이상, 가장 바람직하게는, 98 질량% 이상이다.
상기 용사용 분말은, 고속 화염 용사 이외의 용사에 의해 용사 피막을 형성하는 데 사용되어도 된다.
다음에, 본 발명의 실시예 및 비교예를 설명한다.
크롬-철계 합금 분말로 이루어진 실시예 1 내지 실시예 4 및 비교예 1 내지 3에 의한 용사용 분말을 조제하였다. 각 용사용 분말의 상세는 하기 표 1에 표시되어 있다.
표 1의 "탄소의 비율"란 중의 수치는, 용사용 분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 용사용 분말 중의 탄소의 질량의 비율을 나타낸다. 표 1의 "D3", "D10", "D50" 및 "D90"란 중의 수치는 각각 호리바 세이사쿠쇼(HORIBA Ltd.) 제품인 레이저 회절식 입도 측정기 "LA-300"을 이용해서 측정된 용사용 분말의 3% 입자크기 D3, 10% 입자크기 D10, 50% 입자크기 D50 및 90% 입자크기 D90를 나타낸다. 용사용 분말의 3% 입자크기 D3은, 적산 체적이 용사용 분말 중의 모든 입자의 체적의 총계의 3%로 될 때까지 입자 크기가 가장 작은 입자로부터 차례로 합금 분말 중의 각 입자의 체적을 적산한 때에 최후로 합계되는 입자의 크기이다. 또, 용사용 분말의 90% 입자크기 D90은, 적산 체적이 용사용 분말 중의 모든 입자의 체적의 총계의 90%로 될 때까지 입자 크기가 가장 작은 입자로부터 차례로 합금 분말 중의 각 입자의 체적을 적산한 때에 최후로 합계되는 입자의 크기이다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2에 있어서는, 하기 표 2에 표시한 제 1용사조건에 따라서 용사용 분말의 고속 화염 용사에 의해서 기재상에 두께 200㎛의 용사 피막을 형성하였다. 비교예 3에 있어서는, 하기 표 2에 표시한 제 2용사조 건에 따라서 용사용 분말의 플라스마 용사에 의해서 기재상에 두께 200㎛의 용사 피막을 형성하였다.
용사 중의 스피팅의 발생의 유무에 의거해서, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 각 용사용 분말을 양호 (1) 및 불량 (2)의 2등급으로 평가하였다. 즉, 용사를 개시한 후 5분이 경과한 시점에 있어서 용사기의 사출노즐에 용융된 용사용 분말이 부착된 경우에는, 해당 용사용 분말은 불량 등급으로 매기고, 용사기의 노즐에 용융된 용사용 분말이 부착되지 않은 경우에는, 해당 용사용 분말은 양호 등급으로 매겼다. 이 평가의 결과는 하기 표 1의 "스피팅"란에 표시되어 있다.
용사 피막이 형성된 후의 기재를 해당 기재의 표면에 직교하는 단면을 따라 각각 절단하였다. 이어서, 이 절단면에 대해 연마에 의한 경면 가공, 세정 및 건조를 실시하였다. 그 후, 일본의 시마즈 세이사쿠쇼(Shimadzu Corporation) 제품인 비커스 경도시험기 "HMV-1"을 이용해서, 하기 표 3에 표시한 측정 조건에 따라서 절단면의 용사 피막부분의 비커스 경도를 측정하였다. 그 측정결과에 의거해서, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에 의한 각 용사용 분말로 형성되는 용사용 분말의 경도를 우수 (1), 양호 (2) 및 불량 (3)의 3등급으로 평가하였다. 즉, 비커스 경도(Hv 0.2)가 800 이상인 경우, 용사용 분말을 우수 등급으로 매기고, 경도(Hv 0.2)가 700 이상 800 미만인 경우에는, 용사용 분말을 양호 등급으로 매기고, 경도(Hv 0.2)가 700 미만인 경우에는, 용사용 분말을 불량등급으로 매겼다. 측정된 비커스 경도의 값과, 그 평가 결과는, 하기 표 1의 "경도"의 란에 표시되어 있다.
기재상에 형성된 용사 피막을 JIS H 8682-1을 참조해서 건식 마모시험에 제공하였다. 구체적으로는, 왕복 마모 시험기(스가 시험기구사(Suga Test Instrument Co., Ltd.) 제품)를 이용해서 연마지(SiC # 180)로 하중 약 31 N(3.15 kgf)으로 용사 피막의 표면을 400회 마찰시켰다. 이 마모시험에 의해 얻어진 용사 피막의 마모량에 의거해서, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 용사용 분말로 형성된 용사 피막의 내마모성을 우수 (1), 양호 (2) 및 불량 (3)의 3등급으로 평가하였다. 즉, 기준 시료(SS 400 강판)를 상기와 마찬가지 마모시험에 제공한 때의 기준 시료의 마모량에 대한 용사 피막의 마모량의 비율이 20% 미만인 경우에는, 용사용 분말을 우수 등급으로 매기고, 그 비율이 20% 이상 30% 미만인 경우에는 용사용 분말을 양호 등급으로 매기고, 그 비율이 30% 이상인 경우에는 용사용 분말을 불량 등급으로 매겼다. 기준 시료의 마모량에 대한 용사 피막의 마모량의 비율과, 그 비율에 의거한 평가 결과가 표 1의 "내마모성"의 란에 표시되어 있다.
용사용 분말의 조성 (질량%) 탄소 의 비율 입도분포(㎛) 스 피 팅 경도 내마모성
Cr Fe C D3 D10 D50 D90 측정치 평가 측정치(%) 평가
실시예1 66.5 28.3 5.2 5.5 13.8 17.3 31.5 53.9 1 856 1 18 1
실시예2 67.2 29.6 3.2 3.3 14.3 19.5 28.9 55.2 1 765 2 24 2
실시예3 64.6 25.6 9.8 11 13.5 15.5 33.5 52.5 1 875 1 27 2
실시예4 66.5 28.3 5.2 5.5 17.8 24.7 44.5 66.7 1 737 2 28 2
비교예1 68.8 30.9 0.3 0.3 14.6 18.2 35.5 56.5 1 633 3 35 3
비교예2 66.5 28.3 5.2 5.5 7.8 9.3 19.7 38.9 2 711 2 28 2
비교예3 66.5 28.3 5.2 5.5 13.8 17.3 31.5 53.9 2 665 3 48 3
제 1용사조건 제2용사조건
기재: SS400강판(7㎝×5㎝×2.3㎜, 탈지 및 알루미나그리트 #40에 의한 조면화 처리완료) 용사기: 프락스에어/타파사 제품인 "JP-5000" 산소 유량: 1450 scfh 등유 유량: 6.0 gph 용사 거리: 380 ㎜ 배럴 길이: 101.6 ㎜ 기재: SS400강판(7㎝×5㎝×2.3㎜, 탈지 및 알루미나그리트 #40에 의한 조면화 처리완료) 용사기: 프락스에어/타파사 제품인 "SG-100" 전류: 800 A Ar 가스압: 50 psi He 가스압: 100 psi 용사 거리: 120 ㎜
압자(Indenter): 다이아몬드제 정사각뿔 대면각: 136 도 압자하중: 2.0 N(= 약 0.2 kgf) 부하후 유지시간: 15 초
표 1에 표시한 바와 같이, 실시예 1 내지 4에 있어서는, 스피팅, 경도 및 내마모성에 대한 각 평가가 우수 또는 양호하다. 이 결과는 실시예 1 내지 4에 의한 용사용 분말이 스피팅을 발생하는 일없이 경도 및 내마모성이 높은 고품질의 용사 피막을 형성가능한 것을 시사하고 있다. 고속 화염 용사에 의해 용사 피막을 형성한 실시예 1에 있어서는, 플라스마 용사에 의해 용사 피막을 형성한 비교예 3에 비해서, 스피팅, 경도 및 내마모성에 대한 각 평가가 양호하다. 이 결과는, 본 발명의 용사용 분말이 고속 화염 용사에 의해 용사 피막을 형성하는 용도에 특히 적합하다는 것을 시사하고 있다.
본 발명에 의하면, 양호한 내마모성을 지니는 크롬-철계 합금제의 용사 피막을 형성가능한 용사용 분말이 제공된다. 또, 본 발명에 의하면, 이러한 용사용 분말을 이용한 용사 방법 및 용사 피막도 제공된다.

Claims (9)

  1. 탄소를 포함하는 크롬-철계 합금분말을 함유하고, 상기 합금분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 상기 합금분말 중의 탄소의 질량의 비율이 2% 이상인 것을 특징으로 하는 용사용 분말.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 합금분말 중의 크롬 및 철의 질량의 총계에 대한 상기 합금분말 중의 탄소의 질량의 비율은 3% 이상인 것을 특징으로 하는 용사용 분말.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 합금분말의 10% 입자크기 D10은 10㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 용사용 분말.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 합금분말의 10% 입자크기 D10은 15㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 용사용 분말.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 합금분말의 50% 입자크기 D50은 20㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 용사용 분말.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 합금분말 중의 크롬 함유량은 60 질량% 이상인 것을 특징으로 하는 용사용 분말.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용사용 분말은 고속 화염 용사에 의해 용사 피막을 형성하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 용사용 분말.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 의한 용사용 분말을 고속 화염 용사하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 의한 용사용 분말의 고속 화염 용사에 의해서 용사 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 용사 피막의 형성방법.
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