KR20060109179A - Method of preparing metal matrix composite and coating layer and bulk prepared by using the same - Google Patents

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Abstract

A method for preparing a metal matrix composite coating layer or bulk which prevents thermal deformation or thermal shock from causing damage on a matrix and is excellent in wear resistance, and the coating layer and the bulk prepared by using the method are provided. A method for preparing a metal matrix composite comprises the steps of: providing a matrix(S); preparing a mixed powder comprising (i) a first metal powder including particles of metal, alloy or a mixture thereof, (ii) a second metal powder including particles of the metal or an intermetallic compound forming metal for forming intermetallic compounds with alloying elements of the alloy, and (iii) ceramic powder including particles of ceramics or their mixture; injecting the prepared mixed powder into a spray nozzle(140) for coating; coating the mixed powder on the surface of the matrix by accelerating a speed of the mixed powder to a range of 300 to 1,200 m/s in the non-melting state by a flow of a carrier gas flowing through the spray nozzle; and heat-treating a coating layer to form the intermetallic compound.

Description

금속기지 복합체 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 코팅층 및 벌크 {METHOD OF PREPARING METAL MATRIX COMPOSITE AND COATING LAYER AND BULK PREPARED BY USING THE SAME}METHOD OF PREPARING METAL MATRIX COMPOSITE AND COATING LAYER AND BULK PREPARED BY USING THE SAME}

도 1은 본 발명에서 금속기지 복합체를 형성하기 위해 사용되는 저온 분사(Cold Spray) 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a view schematically showing a cold spray device used to form a metal base composite in the present invention.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 Al 기지에 대하여 형성 가능한 금속간화합물을 예시한 상태도이다.2A to 2D are state diagrams illustrating an intermetallic compound that can be formed on an Al base by the metal base composite forming method of the present invention.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 코팅층 형성방법에 사용되는 노즐에 대한 구체적인 실시예를 도시한 도면이다.3a to 3d are views showing specific embodiments of the nozzles used in the coating layer forming method of the present invention.

도 4a는 알루미늄분말과 니켈분말의 비율이 9 : 1인 경우의 열처리 온도에 따른 금속간화합물 생성여부 및 그 정도를 확인하는 X선 회절시험 결과를 도시한 도면℃이다.Figure 4a is a diagram showing the results of the X-ray diffraction test to confirm the intermetallic compound generation and the degree according to the heat treatment temperature when the ratio of the aluminum powder and nickel powder is 9: 1 ℃.

도 4b는 알루미늄분말과 니켈분말의 비율이 75 : 25인 경우의 열처리 온도에 따른 금속간화합물 생성여부 및 그 정도를 확인하는 X선 회절시험 결과를 도시한 도면이다.Figure 4b is a view showing the results of the X-ray diffraction test to determine whether the intermetallic compound is produced according to the heat treatment temperature when the ratio of the aluminum powder and nickel powder 75: 25 and the extent thereof.

도 5는 알루미늄분말과 니켈분말의 비율이 75 : 25이고, 열처리온도가 550 ℃인 경우의 각 부분의 EDX촬영결과를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing EDX photographing results of respective portions when the ratio of aluminum powder to nickel powder is 75:25 and the heat treatment temperature is 550 ° C.

도 6은 알루미늄분말과 니켈분말의 비율이 75 : 25이고, 열처리온도가 500 ℃인 경우의 각 부분의 EDX촬영결과를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram showing EDX photographing results of respective portions when the ratio of aluminum powder to nickel powder is 75:25 and the heat treatment temperature is 500 ° C.

도 7a는 알루미늄분말과 티타늄분말의 비율이 9 : 1인 경우의 열처리 온도에 따른 금속간화합물 생성여부 및 그 정도를 확인하는 X선 회절시험 결과를 도시한 도면이다.FIG. 7A is a diagram illustrating an X-ray diffraction test result confirming whether or not an intermetallic compound is produced according to a heat treatment temperature when the ratio of aluminum powder and titanium powder is 9: 1.

도 7b는 알루미늄분말과 티타늄분말의 비율이 75 : 25인 경우의 열처리 온도에 따른 금속간화합물 생성여부 및 그 정도를 확인하는 X선 회절시험 결과를 도시한 도면이다.FIG. 7B is a diagram showing the results of X-ray diffraction test to confirm whether and the extent of intermetallic compound formation according to heat treatment temperature when the ratio of aluminum powder and titanium powder is 75:25.

도 8은 알루미늄분말과 티타늄분말의 비율이 75 : 25이고, 열처리온도가 630 ℃인 경우의 각 부분의 EDX촬영결과를 도시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram showing EDX photographing results of respective portions when the ratio of aluminum powder to titanium powder is 75:25 and the heat treatment temperature is 630 ° C.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

2 : 수렴부 4 : 목(throat)부  2: convergence part 4: throat part

6 : 발산부/직관부 8 : 출구단  6: diverging part / straight part 8: exit end

10 : 노즐부 12 : 주입구 10: nozzle part 12: injection hole

20 : 주입관 22 : 기점 20: injection tube 22: starting point

24 : 연접부 30 : 완충쳄버 24: junction 30: buffer chamber

110 : 가스 압축기 120 : 가스히터110 gas compressor 120 gas heater

130 : 분말 공급기 140 : 노즐130: powder feeder 140: nozzle

본 발명은 금속기지 복합체 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 금속기지 복합체 코팅층 및 금속기지 복합체 벌크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코팅층의 형성과정에 의하여 모재에 열 변형 등의 손상을 발생하지 않으면서도 금속간화합물 및 세라믹 입자의 분산에 의하여 고경도를 확보하여 내마모성 및 피로 균열에 대한 우수한 저항성을 가지는 코팅층과 상기 코팅층을 모재로부터 분리하여 제조되는 벌크를 제공하는 방법 및 이에 의하여 제조되는 코팅층과 벌크에 관한 것이다.The present invention relates to a metal base composite forming method and to a metal base composite coating layer and a metal base composite bulk prepared by using the same, and more particularly, to a metal base without damaging the base material by the formation process of the coating layer Method for providing a coating layer having a high hardness by dispersion of the liver compound and the ceramic particles and having a good resistance to abrasion resistance and fatigue crack and the bulk produced by separating the coating layer from the base material and the coating layer and the bulk produced thereby will be.

합금 또는 금속의 강도, 경도, 내마모성 등을 향상하기 위하여 일반적으로 사용하는 방법중의 하나로 분산강화 방법을 들 수 있다. 분산강화 방법은 합금 또는 금속의 기지 내에 금속간 화합물이 분산된 구조를 갖는 것으로, 이에 대한 대표적인 예가 석출경화나 고경도 입자의 분산이다. 특히, 알루미늄 합금은 알루미늄 기재 내에 금속간 화합물을 석출경화 등의 방법으로 분산강화가 용이하여, 이를 통한 기계적 물성 개선이 이루어지고 있으며, 알루미늄이 갖는 경량성 외에도 강도, 내열성 및 내구성이 우수하여 자동차의 엔진 부품이나 항공기 등의 열적 기계적 부품의 소재로 널리 사용되고 있다.In order to improve the strength, hardness, wear resistance, etc. of an alloy or a metal, dispersion strengthening is mentioned as one of the methods generally used. The dispersion strengthening method has a structure in which an intermetallic compound is dispersed in an alloy or a matrix of a metal, and representative examples thereof are precipitation hardening and dispersion of high hardness particles. In particular, the aluminum alloy is easy to disperse and strengthen the intermetallic compound in the aluminum substrate by precipitation hardening, etc., thereby improving mechanical properties, and in addition to the light weight of aluminum, it is excellent in strength, heat resistance and durability. It is widely used as a material for thermal mechanical parts such as engine parts and aircrafts.

알루미늄을 예로 하여 분산강화 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the aluminum dispersion dispersion method described as follows.

즉, 종래 분산강화된 알루미늄 합금의 제조 방법으로는 주조법, 분말 야금법 및 용사법 등의 방법이 사용되고 있다.That is, conventionally methods such as casting, powder metallurgy, and thermal spraying are used as a method for producing a dispersion-strengthened aluminum alloy.

주조법에 의해 제조된 알루미늄 합금은 알루미늄 기지상 내에 미세한 석출물이 석출된 석출상이 고르게 분포되어 우수한 상온 강도를 나타내지만, 고온 노출시 석출상의 급격한 조대화로 인해 200 ℃ 이상의 온도에서는 강도가 급격히 저하되는 문제가 있으며, 따라서 내열 알루미늄 합금용으로 이와 같은 석출경화를 통한 분산강화는 부적합하다.The aluminum alloy produced by the casting method exhibits excellent room temperature strength because the precipitated phases in which fine precipitates are precipitated in the aluminum matrix phase are uniformly distributed. However, due to the rapid coarsening of the precipitated phase at high temperature exposure, the strength of the aluminum alloy rapidly decreases. Therefore, dispersion strengthening through precipitation hardening is not suitable for heat-resistant aluminum alloys.

이에 비해, 분말 야금법은 알루미늄과 첨가제로서의 분산물(금속분말 또는 세라믹 분말)을 분말 형태로 성형 및 소결하여 알루미늄 합금을 제조하는 방법으로서, 이에 의해 제조된 합금은 미세한 분산상이 합금내에 균일하게 분산될 뿐만 아니라 세라믹 분말의 경우는 고온에서 분산상의 조대화가 발생되지 않아 우수한 고온 특성을 나타낸다. In contrast, powder metallurgy is a method for forming an aluminum alloy by molding and sintering an aluminum and a dispersion (metal powder or ceramic powder) as an additive, in which the finely dispersed phase is uniformly dispersed in the alloy. In addition, in the case of ceramic powder, coarsening of the dispersed phase does not occur at a high temperature, thereby showing excellent high temperature characteristics.

그러나 금속분말을 분산물로 포함하는 경우는 금속간 화합물을 형성하기 위한 추가 열처리가 필요한데, 알루미늄 금속 분말의 표면에는 상온의 대기 중에서도 얇은 산화알루미늄(Al2O3)막이 형성되어, 이 표면 산화알루미늄막이 알루미늄과 기타 금속 원소의 반응을 저해하여 금속간 화합물 형성을 방해한다. 따라서 분말 야금법에 의해 금속간 화합물을 생성하기 위해서는 합금의 융점 이상의 고온에서 열처리가 수행되어야 하는 것이 필수적이므로 고온형성에 따른 고비용과 설비의 안정성 확보 등의 문제점이 있다.However, in the case of including the metal powder as a dispersion, an additional heat treatment for forming an intermetallic compound is required. On the surface of the aluminum metal powder, a thin aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film is formed even in the air at room temperature. The film inhibits the reaction of aluminum with other metal elements, preventing the formation of intermetallic compounds. Therefore, in order to generate the intermetallic compound by powder metallurgy, it is essential that the heat treatment be performed at a high temperature higher than the melting point of the alloy, and thus there are problems such as high cost and stability of the equipment due to high temperature formation.

또한, 소결 과정의 고온에서 알루미늄의 산화를 막기 위해 소결 분위기 등을 적절히 제어하는 등 제조 공정이 복잡한 문제점이 있으며, 분말 야금법에 의해서는 Ti이나 Ni과 같은 고융점 전이 금속과의 금속간 화합물 형성이 극히 곤란한 것으로 알려져 있다. 뿐만 아니라 분말야금법의 경우는 금형을 통하여 원하는 형상으로 제조하여야 하므로 금형 제작에 고비용이 소용되며, 크기에 제약을 받는 등의 문제점이 있다.In addition, in order to prevent oxidation of aluminum at a high temperature during the sintering process, there is a complicated problem in the manufacturing process, such as controlling the sintering atmosphere properly, and the powder metallurgy method forms an intermetallic compound with a high melting point transition metal such as Ti or Ni This is known to be extremely difficult. In addition, in the case of powder metallurgy, it is necessary to manufacture a desired shape through a mold, and thus a high cost is used to manufacture a mold, and there are problems such as being restricted in size.

한편, 용사법은 용융된 금속 용탕을 분사한 후, 냉각시켜 분산강화 알루미늄 합금을 제조하는 방법이다. 이 방법에 따를 때에도 주조법과 마찬가지의 문제점이 발생한다. 특히 용사법에 의해 제조된 알루미늄-전이 금속과의 합금의 경우, 알루미늄 기지상 내에 조대한 2차상이 형성되어 저급의 합금 특성을 나타내게 된다.On the other hand, the thermal spraying method is a method of spraying molten metal molten metal and then cooling to produce a dispersion-hardened aluminum alloy. When following this method, the same problem as the casting method occurs. In particular, in the case of an alloy with an aluminum-transition metal produced by a thermal spraying method, a coarse secondary phase is formed in the aluminum matrix phase to exhibit low alloy characteristics.

이와 같은 종래의 기술에 따르면 분산 강화 알루미늄 합금은 특히 알루미늄-전이금속 합금의 경우 미세한 금속간 화합물이 균일하게 분산된 알루미늄 합금을 얻는 것이 어려웠고, 합금의 용융 온도 이상으로 열처리하는 경우에만 금속간 화합물이 형성된다는 문제점을 가지고 있다. According to this conventional technique, it is difficult to obtain an aluminum alloy in which a fine intermetallic compound is uniformly dispersed, particularly in the case of an aluminum-transition metal alloy, and only when the intermetallic compound is heat-treated above the melting temperature of the alloy. Has the problem of being formed.

상기 알루미늄의 예를 들어 알아본 바와 같이 기존의 분산강화 방법의 경우는 모두 고온 공정을 필수적으로 요구하여 고비용이 발생하며, 열처리 과정에서 고온에서의 높은 반응성을 막아야 하는 어려움이 있으며, 분말야금의 경우는 금형을 준비해야 하므로 크기에 제약을 받으며, 고비용이 발생되는 문제점이 있다.As the example of the aluminum, as for the conventional dispersion strengthening method, all of them require a high temperature process to incur high costs, and there is a difficulty in preventing high reactivity at high temperature during the heat treatment process, and in the case of powder metallurgy Since it is necessary to prepare a mold is limited in size, there is a problem that a high cost occurs.

또한 마찰, 피로, 침식 또는 부식 등 마모성 환경에서 사용되는 기계 부품의 수명 연장을 위해 부품의 표면을 경화하거나 내마모성 물질을 코팅하는 등의 방법이 사용되어 왔는데, 이와 같은 내마모성 향상 코팅 물질로는 경도가 높은 물질, 즉 알루미나 등의 산화물, SiC 또는 TiC 등의 탄화물, Si3N4, TiN 등의 질화물 등 세라믹 재료가 주로 사용되고 있다.In addition, in order to prolong the life of mechanical parts used in abrasion environment such as friction, fatigue, erosion or corrosion, methods such as hardening the surface of the part or coating a wear resistant material have been used. high material, that is, the nitride ceramic material is mainly used for carbides, such as Si 3 N 4, TiN oxide, SiC or TiC, etc., such as alumina.

이에 대한 내용은 구체적으로, 한국특허공개공보 제1997-0045010호는 실린더 보어 내벽에 기존의 주철재 라이너 대신 코팅 피막을 형성하는 방법을 제시하고 있는데, 이 방법은 플라즈마 또는 아크를 열원으로 한 용사법에 의해 세라믹 및 이의 혼합물로 이루어지는 코팅 분말을 보어 내벽에 형성함으로써 내마모성을 향상시킨다.Specifically, Korean Patent Laid-Open Publication No. 1997-0045010 discloses a method of forming a coating film on the inner wall of a cylinder bore instead of a conventional cast iron liner, which is applied to a thermal spraying method using a plasma or an arc as a heat source. As a result, a coating powder made of a ceramic and a mixture thereof is formed on the inner wall to improve wear resistance.

한국특허공개공보 제1998-017171호는 탄화규소 등의 입자를 이용하여 플라즈마 용사에 의해 알루미늄 실린더 블록의 보어(bore)면에 내마모성 코팅층을 형성하는 방법을 사용하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 1998-017171 uses a method of forming a wear resistant coating layer on the bore surface of an aluminum cylinder block by plasma spraying using particles such as silicon carbide.

또한, 한국특허공개공보 제2003-0095739호는 스테인리스 재질의 실린더 보어 내면에 용사 코팅용 분말 조성물을 고온의 열원으로 용융시키면서 분사하여 피막을 형성하는 방법을 제시하고 있는데, 이때 사용되는 용사 코팅용 분말 조성물은 알루미나 및 지르코니아의 혼합물이다.In addition, Korean Patent Publication No. 2003-0095739 discloses a method of forming a coating by spraying while spraying the spray coating powder composition on the inner surface of the stainless steel cylinder bore with a high temperature heat source, the spray coating powder used at this time The composition is a mixture of alumina and zirconia.

이와 같이, 내마모성이 우수한 세라믹 재질로 금속 모재 상에 내마모성 코팅을 형성하려는 많은 시도가 있었으나, 이들 방법은 모두 플라즈마 또는 전기 아크를 이용한 용사법이 주류를 이루고 있다. 이와 같은 용사법은 코팅될 분말 입자를 거의 용융점 부근 또는 그 이상으로 가열하여 분말 입자의 최소한 일부분을 용융시켜 모재에 제공한다.As described above, many attempts have been made to form a wear-resistant coating on a metal base material using a ceramic material having excellent abrasion resistance, but all of these methods are mainly sprayed using plasma or electric arc. This thermal spraying method heats the powder particles to be coated to near or above the melting point to melt at least a portion of the powder particles and provide them to the substrate.

따라서 모재에 코팅되는 세라믹 입자는 일반적인 세라믹 입자의 용융온도인 수 1000 ℃ 부근의 고온으로 가열되어 모재에 공급되어지고, 접촉하게 되므로 코팅시 모재 표면에 열 충격에 의한 손상과 함께 고온 가열후의 냉각과정에서 발생하는 잔류 응력을 유발하여 부착력이 떨어지고 부품의 수명을 단축시키는 문제점을 가진다.Therefore, the ceramic particles coated on the base material are heated to a high temperature of about 1000 ° C., which is the melting temperature of the general ceramic particles, and are supplied to the base material and are brought into contact with each other. Induces residual stress that occurs in the adhesion strength is reduced and has a problem of shortening the life of the part.

또한, 고온의 입자분사로 인해 용사 장비의 운용에 따르는 위험성도 증가하며 작업이 복잡해진다는 단점을 피하기 힘들고, 이밖에도, 고온의 용융된 입자는 금속 기지상 또는 표면의 불순물과 반응하여 새로운 화합물을 형성함으로써 재료의 특성에 악영향을 끼칠 수도 있는 문제점이 있다.In addition, high-temperature particle spraying increases the risks associated with the operation of the thermal spray equipment and makes it difficult to avoid the disadvantages of complicated operation. In addition, hot molten particles react with impurities on the metal matrix or surface to form new compounds. There is a problem that may adversely affect the properties of the material.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 모재에 열적 변형 또는 열 충격에 의한 손상을 유발할 염려가 없도록 함과 동시에 내마모성이 우수한 금속기지 복합체 코팅층 또는 벌크를 형성하는 방법 및 그 코팅층과 벌크를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention is a method of forming a metal base composite coating layer or bulk having excellent wear resistance and at the same time without causing a risk of thermal deformation or damage to the base material and the coating layer and the bulk The purpose is to provide.

또한, 본 발명은 저렴한 비용으로 상대적으로 낮은 온도에서 분산강화를 얻을 수 있으며, 대형화가 가능한 금속기지 복합체 코팅층 또는 벌크를 형성하는 방법 및 그 코팅층과 벌크를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for forming a metal-based composite coating layer or a bulk, and a coating layer and the bulk thereof, which can obtain a strengthening dispersion at a relatively low temperature at a low cost.

이외에 본 발명은 코팅층에 열이 축적되는 것을 방지하고, 모재와 코팅층 간 또는 코팅층내의 균열생성을 억제하여 코팅층의 피로에 따른 균열발생에 대한 저항성이 우수한 금속기지 복합체 코팅층 또는 벌크를 형성하는 방법 및 그 코팅층과 벌크를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention is to prevent the accumulation of heat in the coating layer, and to inhibit the formation of cracks between the base material and the coating layer or in the coating layer to form a metal base composite coating layer or bulk having excellent resistance to cracking caused by fatigue of the coating layer and its It is an object to provide a coating layer and a bulk.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

모재를 제공하는 단계;Providing a base material;

ⅰ)금속, 합금 또는 이의 혼합체 입자로 이루어진 제1금속분말, ⅱ)상기 금속 또는 상기 합금의 합금원소와 금속간화합물을 형성하는 금속간화합물 형성용 금속입자로 이루어진 제2금속분말, 및 ⅲ) 세라믹 또는 이의 혼합체 입자로 이루어진 세라믹분말을 포함하는 혼합분말을 준비하는 단계;Iii) a first metal powder consisting of particles of a metal, an alloy or a mixture thereof, ii) a second metal powder consisting of metal particles for forming an intermetallic compound forming an intermetallic compound with an alloying element of the metal or the alloy, and iii) Preparing a mixed powder comprising a ceramic powder made of ceramic or mixture particles thereof;

상기 준비된 혼합분말을 코팅용 분사노즐에 주입하는 단계;Injecting the prepared mixed powder into a spray nozzle for coating;

상기 분사노즐 내에 흐르는 운반가스의 유동에 의해 상기 혼합분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 혼합분말을 코팅하는 단계; 및Coating the mixed powder on the surface of the base material by accelerating the mixed powder at a speed of 300 to 1,200 Pa in a non-melting state by the flow of the carrier gas flowing in the injection nozzle; And

상기 코팅된 코팅층을 열처리하여 상기 금속간화합물을 형성하는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법을 제공한다.It provides a metal base composite forming method comprising a heat treatment step of forming the intermetallic compound by heat treatment of the coated coating layer.

또한 본 발명은In addition, the present invention

상기 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 코팅층 및 상기 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 제조된 모재와 코팅층에서 모재를 분리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 벌크를 제공한다.It provides a metal base composite coating layer characterized in that it is produced by the metal base composite forming method and the metal base composite bulk formed by separating the base material from the base material and the coating layer prepared by the metal base composite forming method. .

이하 본 발명에 대하여 도면 및 구체적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and specific examples.

본 발명은 금속기지 복합체 형성방법에 관한 것으로 모재를 제공하는 단계, ⅰ)금속, 합금 또는 이의 혼합체 입자로 이루어진 제1금속분말, ⅱ)상기 금속 또는 상기 합금의 합금원소와 금속간화합물을 형성하는 금속간화합물 형성용 금속입자로 이루어진 제2금속분말, 및 ⅲ) 세라믹 또는 이의 혼합체 입자로 이루어진 세라믹분말을 포함하는 혼합분말을 준비하는 단계, 상기 준비된 혼합분말을 코팅용 분사노즐에 주입하는 단계, 상기 분사노즐 내에 흐르는 운반가스의 유동에 의해 상기 혼합분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 혼합분말을 코팅하는 단계 및 상기 코팅된 코팅층을 열처리하여 상기 금속간화합물을 형성하는 열처리 단계를 포함하여 구성된다.The present invention relates to a method for forming a metal base composite, comprising the steps of: providing a base material; i) a first metal powder consisting of particles of a metal, an alloy or a mixture thereof, ii) forming an intermetallic compound with an alloy element of the metal or the alloy. Preparing a mixed powder comprising a second metal powder composed of metal particles for forming an intermetallic compound, and iii) a ceramic powder composed of ceramic or a mixture thereof, injecting the prepared mixed powder into a spray nozzle for coating; Coating the mixed powder on the surface of the base material by accelerating the mixed powder at a speed of 300 to 1,200 kPa in a non-melting state by the flow of the carrier gas flowing in the injection nozzle, and heat-treating the coated coating layer to the intermetallic And a heat treatment step to form the compound.

즉, 본 발명은 콜드 스프레이(저온 분사) 방법을 적용하여 모재에 금속기지 복합체의 코팅층을 형성하는 방법에 있어서, 코팅층의 경도, 내마모성, 피로특성 등을 포함한 기계적 성질 향상에 초점을 두고 이를 최대한 향상시키기 위하여 기존의 금속기지 복합체의 성분인 금속기지에 세라믹 입자를 혼합하는 것 이외에 상기 금속기지에 해당하는 금속 또는 합금의 합금원소와 금속간화합물을 형성하는 금속간화합물 형성용 금속입자를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 이러한 혼합분말을 융사법이나 소결온도에 비하여 상대적으로 낮은 저온에서 콜드 스프레이 방법을 통하여 분사하여 적층하는 금속기지 복합체 형성방법에 관한 것이다.That is, the present invention, in the method of forming a coating layer of the metal base composite on the base material by applying a cold spray (low temperature injection) method, focusing on improving the mechanical properties including the hardness, abrasion resistance, fatigue characteristics, etc. of the coating layer to improve the maximum In addition to mixing the ceramic particles to the metal base, which is a component of the existing metal base composite to further include an intermetallic compound forming metal particles for forming an intermetallic compound and the alloying element of the metal or alloy corresponding to the metal base The present invention relates to a method of forming a metal base composite by spraying and mixing such a mixed powder through a cold spray method at a relatively low temperature compared to a melting method or a sintering temperature.

콜드 스프레이 방법 자체는 공지의 기술로서 이와 같은 콜드 스프레이를 위한 장치의 개략도는 도 1에 도시한 바와 같다. 즉, 도 1은 본 발명에서 모재(S)에 코팅층을 형성하기 위한 저온 분사(콜드 스프레이) 장치(100)의 개략도를 도시한 도면이다. The cold spray method itself is known in the art and a schematic diagram of the apparatus for such a cold spray is shown in FIG. 1. That is, Figure 1 is a view showing a schematic diagram of a low-temperature spray (cold spray) device 100 for forming a coating layer on the base material (S) in the present invention.

상기 분사 장치(100)는 코팅층을 형성할 분말을 아음속 또는 초음속으로 가 속하여 모재(S)에 제공한다. 이를 위해 상기 분사 장치(100)는 가스 압축기(compressor, 110), 가스히터(120), 분말 공급기(powder feeder, 130) 및 분사용 노즐(140)로 구성된다. The injection device 100 accelerates the powder to form the coating layer at a subsonic or supersonic speed to provide the base material (S). To this end, the injection device 100 includes a gas compressor 110, a gas heater 120, a powder feeder 130, and a nozzle 140 for injection.

가스 압축기(100)로부터 제공된 약 5 내지 20 kgf/cm2의 압축가스는 분말 공급기(130)로부터 제공되는 분말을 분사용 노즐(140)을 통해 약 300 ~ 1200 ㎧의 속도로 분출하여 코팅한다. 상기와 같은 아음속 내지 초음속의 유동을 발생시키기 위해서는 통상적으로는 상기 도 1 에 도시한 바와 같이 상기 분사용 노즐(140)은 수렴-발산형 노즐 (de Laval-Type)이 사용되고 이러한 수렴 및 발산 과정을 통하여 초음속 유동을 발생시킬 수 있다.Compressed gas of about 5 to 20 kgf / cm 2 provided from the gas compressor 100 is sprayed to the powder provided from the powder feeder 130 at a speed of about 300 ~ 1200 kPa through a spray nozzle 140 for coating. In order to generate the subsonic to supersonic flows as described above, as shown in FIG. 1, the injection nozzle 140 is a convergent-diffusing nozzle (de Laval-Type), and this convergence and divergence process is performed. It can generate supersonic flow through.

상기 장치(100)에서 압축가스 공급 경로상의 가스히터(120)는 압축가스의 운동에너지를 증가시켜 분사용 노즐에서의 분사속도를 높이기 위해 압축가스를 가열하기 위한 부가적인 장치로서 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 도시된 바와 같이, 분사용 노즐(140)로 분말의 공급을 보다 원활히 하기 위해 상기 가스압축기(110)의 압축가스 일부는 상기 분말 공급기(130)로 공급될 수 있다. The gas heater 120 on the compressed gas supply path in the apparatus 100 is not necessarily required as an additional device for heating the compressed gas in order to increase the kinetic energy of the compressed gas to increase the injection speed in the injection nozzle. In addition, as shown, a portion of the compressed gas of the gas compressor 110 may be supplied to the powder supplier 130 in order to more smoothly supply the powder to the injection nozzle 140.

상기 장치에서 압축가스로는 상용의 가스, 예컨대 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있으며, 사용 가스의 종류는 분사용 노즐(140)에서의 분사 속도 및 경제성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.As the compressed gas in the apparatus, commercial gases such as helium, nitrogen, argon, and air may be used, and the type of gas to be used may be appropriately selected in consideration of the injection speed and economical efficiency of the injection nozzle 140. .

도시된 장치의 동작 및 구조에 대한 보다 구체적인 설명은 알키모프(Anatoly P. Alkimov) 등에 의한 미국특허 제5,305,414호에 상세히 기술되어 있으며, 여기서 는 자세한 설명을 생략한다. A more detailed description of the operation and structure of the illustrated device is described in detail in U.S. Patent No. 5,305,414 to Anatoly P. Alkimov et al., Which is not described herein.

이와 같은 장치를 이용하여 콜드 스프레이 코팅을 함에 있어서, 첫 단계로 모재를 제공한다. 상기 모재(S)는 내마모성을 요구하는 부품의 내마모성 향상을 목표로 하는 경우에는 내마모성을 요구하는 부품의 모재가 되는 다양한 공지의 재질이 이에 해당할 수 있으며, 그 외의 임의의 재질로 이루어질 수 있다. 구체적으로는, 상기 모재는 열적, 기계적 부재로 널리 사용되는 알루미늄, 알루미늄 합금 특히, Al-Si 또는 Al-Mg계 알루미늄 합금이나, 주철(Cast Iron) 등의 철계 합금재질일 수 있으며, 실리콘 등의 반도체 재질일 수 있다. 바람직하게는 상기 모재는 내마모성이 떨어져 본 발명의 코팅층 형성에 따라 개선효과가 큰 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것이 좋다. 또한 모재를 포함하는 코팅층을 형성하는 경우가 아니라 금속기지 복합체 단독으로 이루어진 벌크 형태를 제조하는 경우에는 모재로부터 코팅층을 분리하는 것이 필요하므로 이를 위해서 상기 모재는 금속분말과 반응성이 낮은 세라믹 재질이거나 열처리 단계에서 소실되어 없어질 수 있는 수지재질인 것이 바람직하다.In cold spray coating using such a device, the first step is to provide the base material. When the base material (S) is aimed at improving wear resistance of parts requiring wear resistance, various known materials serving as the base materials of parts requiring wear resistance may correspond thereto, and may be made of any other material. Specifically, the base material may be aluminum, aluminum alloys, which are widely used as thermal and mechanical members, in particular, Al-Si or Al-Mg-based aluminum alloys, or iron-based alloy materials such as cast iron. It may be a semiconductor material. Preferably, the base material is aluminum or aluminum alloy having a large improvement effect according to the coating layer formation of the present invention is less wear resistance. In addition, in the case of forming a bulk form made of a metal base composite alone, rather than forming a coating layer containing a base material, it is necessary to separate the coating layer from the base material. For this purpose, the base material is a ceramic material having low reactivity with metal powder or a heat treatment step. It is preferable that it is a resin material which can be lost and disappeared from.

또한 본 발명에서 상기 제1금속분말에 사용되는 상기 금속, 합금 또는 이의 혼합체 입자는 공지의 다양한 금속, 합금 또는 이의 혼합체가 사용될 수 있으며, 바람직한 예로는 철, 니켈, 구리, 알루미늄, 몰리브데늄, 티타늄 또는 이들의 합금 또는 이의 혼합체를 사용하는 것이 좋다. 이에 대한 구체적인 예로 알루미늄과 티타늄의 경우에는 알루미늄, 알루미늄합금, 알루미늄과 알루미늄합금의 혼합체, 알루미늄과 티타늄의 혼합체, 알루미늄과 티타늄합금의 혼합체 알루미늄합금과 티타 늄합금의 혼합체 등을 들 수 있으며 특히, 통상의 열적, 기계적 부재로 자주 사용되는 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금일 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 금속 또는 합금은 내마모성이 떨어져 본 발명의 코팅층 형성에 따라 효과가 큰 알루미늄 또는 알루미늄 합금 모재에 코팅되는 것이 좋으므로 동질성이 높은 알루미늄 또는 알루미늄합금인 것이 좋다.In addition, in the present invention, the metal, alloy or mixture particles thereof used in the first metal powder may be a variety of known metals, alloys or mixtures thereof, and preferred examples thereof include iron, nickel, copper, aluminum, molybdenum, It is preferable to use titanium or alloys thereof or mixtures thereof. Specific examples of aluminum and titanium include aluminum, aluminum alloys, mixtures of aluminum and aluminum alloys, mixtures of aluminum and titanium, mixtures of aluminum and titanium alloys, and mixtures of aluminum alloys and titanium alloys. It may be an aluminum alloy or a titanium alloy which is often used as a thermal, mechanical member. More preferably, the metal or alloy may be coated on aluminum or an aluminum alloy base material having a high effect according to the formation of a coating layer of the present invention, which is abrasion resistance, and therefore, may be aluminum or aluminum alloy having high homogeneity.

또한 상기 제2금속분말에 사용되는 상기 금속 또는 상기 합금의 합금원소와 금속간화합물을 형성하는 금속간 화합물용 금속입자는 상기 제1금속분말의 금속, 합금 또는 이의 혼합체 입자에 따라 결정되어진다.In addition, the metal particles for the intermetallic compound forming the intermetallic compound with the alloying element of the metal or the alloy used in the second metal powder is determined according to the metal, alloy or mixture particles thereof of the first metal powder.

즉, 이에 대한 예로, 상기 제1금속분말이 알루미늄 또는 그 합금인 경우에는 상기 제2금속분말은 전이금속들 중에 알루미늄보다 높은 융점을 갖는 금속이 이에 해당하며, 이에 대한 구체적인 예로는 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 금속일 수 있다. 이는 도 2에 도시한 각 시스템의 상태도를 통하여 알 수 있는 바와 같이 알루미늄의 경우에는 티타늄, 니켈, 크롬, 철 각각에 대하여 금속간화합물을 형성할 수 있다.That is, for example, when the first metal powder is aluminum or an alloy thereof, the second metal powder corresponds to a metal having a higher melting point than aluminum among the transition metals, and specific examples thereof include titanium, nickel, It may be one or more metals selected from the group consisting of chromium and iron. As can be seen through the state diagram of each system shown in FIG. 2, in the case of aluminum, an intermetallic compound may be formed for each of titanium, nickel, chromium, and iron.

이하에서는 Al 금속과 금속간 화합물의 형성이 가능한 전이 금속 원소 간의 예를 상태도에 근거하여 설명한다. 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 방법에 의해 형성 가능한 알루미늄 합금의 일예로써 이원계 알루미늄 합금에 대한 상태도이다.Hereinafter, the example between the transition metal element which can form an Al metal and an intermetallic compound is demonstrated based on a state diagram. 2A to 2D are state diagrams for binary aluminum alloys as an example of an aluminum alloy which can be formed by the method of the present invention.

먼저 도 2a는 Al-Ti계의 상태도이다. 도 2a를 참조하면, Ti이 수 ~ 수십 중량% 첨가되는 경우에 664 ℃(937 K)이하의 온도에서는 합금 내에 Ti이 소량 고용된 Al상과 Al-Ti 간의 금속간 화합물인 TiAl3상이 안정상으로 존재한다. 또한, Ti 함량이 증가함에 따라 (즉, 38 중량% 이상 첨가되면) Al3Ti상과 Al2Ti상이 합금의 안정상으로 존재하게 된다. 금속 분말의 혼합 조성에 따라 합금 내에 존재하는 Al, Al3Ti 및 Al2Ti상간의 상대적인 중량비는 소위 레버 룰에 의해 결정되며, 이에 대해서는 본 발명의 기술 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있으므로 설명을 생략한다.2A is a state diagram of an Al-Ti system. Referring to FIG. 2A, when Ti is added to several tens to several percent by weight, at a temperature of 664 ° C. or lower (937 K), the TiAl 3 phase, which is an intermetallic compound between Al-Ti and Al-Ti, in which a small amount of Ti is dissolved in the alloy Exists as. In addition, as the Ti content is increased (that is, when 38 wt% or more is added), an Al 3 Ti phase and an Al 2 Ti phase exist as a stable phase of the alloy. The relative weight ratio between the Al, Al 3 Ti and Al 2 Ti phases present in the alloy depending on the mixed composition of the metal powder is determined by the so-called lever rule, which is widely known to those of ordinary skill in the art. Since it is known, the description is omitted.

도 2b는 Al-Ni계의 상태도이다. 도 2b를 참조하면, 636 ℃ 이하의 온도에서 Ni의 함량에 따라 Al3Ni, Al3Ni2, AlNi, AlNi3 등의 금속간 화합물이 합금의 안정상을 이루고 있음을 알 수 있다. 도 2c는 Al-Cr계의 상태도이다. 도 2c를 참조하면, 663 ℃(936 K)이하의 온도에서 Cr의 첨가에 따라 CrAl7의 금속간 화합물이 안정상을 이루고 있음을 알 수 있다. 한편, 도 2d는 Al-Fe계의 상태도로서, 도시된 바와 같이, Al-Fe계의 경우에도 654 ℃(927 K) 이하의 온도에서 FeAl3와 같은 준안정상의 금속간 화합물이 형성될 수 있음을 알 수 있다. 2B is a state diagram of an Al-Ni system. Referring to FIG. 2B, it can be seen that intermetallic compounds such as Al 3 Ni, Al 3 Ni 2 , AlNi, and AlNi 3 form a stable phase of the alloy at a temperature of 636 ° C. or lower. 2C is a state diagram of an Al-Cr system. Referring to FIG. 2C, it can be seen that the intermetallic compound of CrAl 7 forms a stable phase with the addition of Cr at a temperature of 663 ° C. (936 K) or lower. On the other hand, Figure 2d is a state diagram of the Al-Fe-based, as shown, even in the case of Al-Fe-based metastable intermetallic compounds such as FeAl 3 can be formed at a temperature of 654 ℃ (927 K) or less It can be seen.

이상 상태도를 참조하여 설명한 바와 같이, Al-Ti, Al-Ni, Al-Cr 및 Al-Fe 이원계 시스템은 소정 온도 이하에서 금속간 화합물이 안정상으로 존재하므로, 따라서 Al 금속 분말과 Ti, Ni, Cr 또는 Fe 금속 분말의 혼합에 의해 합금 내에 금속간 화합물을 생성하는 것이 가능하다.As described with reference to the above state diagrams, the Al-Ti, Al-Ni, Al-Cr and Al-Fe binary systems have stable intermetallic compounds at a predetermined temperature or less, therefore, Al metal powder, Ti, Ni, It is possible to produce intermetallic compounds in the alloy by mixing Cr or Fe metal powders.

또한 이외에도 상기 제2금속성분에는 기존의 Al합금에서 석출경화를 얻을 수 있는 합금원소도 이에 포함될 수 있다. 즉, 석출경화형 알루미늄합금으로는 Al-Cu, Al-Li, Al-Mg등의 다양한 합금 시스템이 가능하고, 이 경우에 상기 합금들은 금속간화합물에 해당하는 석출물을 석출시켜 분산강화 효과를 얻으므로 본 발명의 금속기지 복합체 코팅층 또는 벌크의 응용분야가 상대적으로 저온인 경우에는 상기 제2금속성분으로 Cu, Li 또는 Mg 등이 포함될 수 있음은 물론이다.In addition, the second metal component may also include alloying elements capable of obtaining precipitation hardening from the existing Al alloy. That is, as the precipitation hardening aluminum alloy, various alloy systems such as Al-Cu, Al-Li, and Al-Mg are possible. In this case, the alloys precipitate a precipitate corresponding to an intermetallic compound to obtain a dispersion strengthening effect. When the metal base composite coating layer or bulk application field of the present invention is relatively low temperature, the second metal component may include Cu, Li, or Mg.

또한 본 발명에서 상기 세라믹 분말에 해당하는 상기 세라믹 또는 이의 혼합체는 내마모성, 경도, 피로 등의 공지의 기계적 성질의 향상을 위하여 금속기지 복합체에 사용되는 다양한 종류의 세라믹과 이의 혼합물이 이에 해당하고 이에는 산화물, 탄화물 또는 질화물을 포함한다. 구체적으로, 상기 세라믹은 금속, 산화물, 금속탄화물, 금속 질화물 등이 사용이 가능하고, 보다 구체적으로는 이산화규소, 지르코니아, 알루미나 등의 산화물, TiN, Si3N4 등의 질화물, TiC, SiC 등의 탄화물이 사용될 수 있으며, 알루미나 또는 SiC인 것이 내마모성 증대를 위하여 바람직하다.In addition, in the present invention, the ceramic or the mixture thereof corresponding to the ceramic powder includes various kinds of ceramics and mixtures thereof, which are used in metal-based composites for the improvement of known mechanical properties such as wear resistance, hardness, and fatigue. Oxides, carbides or nitrides. Specifically, the ceramic may be a metal, oxide, metal carbide, metal nitride, etc., more specifically, oxides such as silicon dioxide, zirconia, alumina, nitrides such as TiN, Si 3 N 4 , TiC, SiC, etc. Carbide of may be used, and alumina or SiC is preferred for increasing wear resistance.

또한, 본 발명에서 상기 혼합분말에 혼합되는 상기 세라믹 입자는 응집 분말(agglomerated powder) 형태로 제공될 수 있으며, 이 경우 상기 코팅 단계에서 상기 분말 입자가 기판 등과 충돌할 때 응집분말의 경우는 미세한 입자로 분쇄가 용이하여 미세입자가 되므로, 미세한 세라믹 입자가 골고루 분산된 코팅층을 형성할 수 있다는 점에서 유리하다.In addition, the ceramic particles mixed in the mixed powder in the present invention may be provided in the form of agglomerated powder, in this case fine particles in the case of agglomerated powder when the powder particles collide with the substrate in the coating step. Since the furnace is easily pulverized into fine particles, it is advantageous in that fine ceramic particles can be uniformly dispersed in the coating layer.

이와 같은 성분의 혼합분말에 혼합되는 상기 제1금속분말과 제2금속분말 및 세라믹분말의 입자크기는 공지의 콜드 스프레이에 사용되는 다양한 크기의 입자가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 100 ㎛의 크기를 가지는 것이 분산 및 혼합측면에서 좋다. 또한 더욱 바람직하게는 제2금속분말은 추후의 열처리 단계에 의하여 금속간화합물로 변화될 입자이므로 고르고 강한 분산강화효과를 얻기 위해서는 미세한 입자일수록 더 좋으며, 제1금속분말에 비하여 더 작은 입자크기를 가지는 것이 바람직하다. 이에 대한 구체적인 예로 알루미늄분말과 Ni분말을 혼합하는 경우에는 상기 알루미늄 분말은 50 내지 100 ㎛이고, 니켈분말은 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 1 내지 50 ㎛인 것이 좋으며, 알루미늄분말과 Ti분말을 혼합하는 경우에는 상기 알루미늄 분말은 50 내지 100 ㎛이고, Ti분말은 1 내지 100 ㎛, 바람직하게는 1 내지 50 ㎛인 것이 좋다. 또한 이에 함께 혼합되는 세라믹 분말도 공지의 금속기지 복합체 제조에 사용되는 다양한 크기의 분말이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 100 ㎛의 크기를 가지는 것이 분산 및 혼합측면에서 좋으며, 상기 알루미늄 분말을 제1금속분말로 사용하는 경우에는 상기 세라믹분말은 SiC나 알루미나를 사용하는 것이 반응성 및 분산효과 측면에서 바람직하며, 그 크기는 상기 알루미늄 분말이 50 내지 100 ㎛인 경우에 1 내지 50 ㎛의 크기를 가지는 세라믹 분말을 혼합하는 것이 좋다. 즉, 제1금속분말과 세라믹분말의 경우는 입자의 크기가 너무 작은 경우는 입자의 중량이 적으므로 빠른 속도에도 불구하고 코팅층에 대한 충돌시 충격량이 너무 적어 샷 핀닝(shot peening)과 같은 가공경화가 적게 일어나며, 입자의 크기가 너무 큰 경우에는 충격량은 크지만 충돌회수 및 면적이 적어 가공경화가 적으며, 제2금속분말과 세라믹분말의 경우는 입자의 크기가 너 무 크면 분산강화효과가 떨어지므로 상기 기술한 바와 같이 가공경화 및 분산강화를 최대화하는 최적의 중간크기 범위가 존재하게 된다.Particle sizes of the first metal powder, the second metal powder, and the ceramic powder mixed in the mixed powder of such a component may be particles of various sizes used in a known cold spray, and preferably 1 to 100 μm. Having a size is good in terms of dispersion and mixing. More preferably, since the second metal powder is a particle to be changed into an intermetallic compound by a later heat treatment step, the finer particles are better for obtaining even and strong dispersion strengthening effect, and have a smaller particle size than the first metal powder. It is preferable. As a specific example of this, when the aluminum powder and the Ni powder are mixed, the aluminum powder is 50 to 100 μm, and the nickel powder is preferably 1 to 100 μm, preferably 1 to 50 μm, and the aluminum powder and the Ti powder are mixed. In this case, the aluminum powder is 50 to 100 µm, and the Ti powder is 1 to 100 µm, preferably 1 to 50 µm. In addition, the ceramic powder mixed with it may be used a powder of various sizes used in the production of a known metal base composite, preferably having a size of 1 to 100 ㎛ in terms of dispersion and mixing, In the case of using the metal powder, the ceramic powder is preferably SiC or alumina in terms of reactivity and dispersion effect, and the size of the ceramic powder is 1 to 50 µm when the aluminum powder is 50 to 100 µm. It is good to mix the ceramic powder. That is, in the case of the first metal powder and the ceramic powder, when the particle size is too small, the particle weight is small, and despite the high speed, the impact amount is too small when impacting the coating layer, so that work hardening such as shot peening When the particle size is too large, the impact amount is large, but the number of impacts and the area is small, so that the work hardening is small. In the case of the second metal powder and the ceramic powder, when the particle size is too large, the dispersion strengthening effect is reduced. As described above, there is an optimum medium size range that maximizes work hardening and dispersion hardening.

또한 상기 제1금속분말, 제2금속분말 및 세라믹분말의 혼합비는 다양한 혼합비를 선택하여 사용할 수 있으며, 제2금속분말을 이후의 열처리 단계에서 거의 대부분이 금속간 화합물로 변화되므로 금속기지 복합체의 설계시에 요구되는 분산물의 량에 대응하는 비율로 혼합하는 것이 좋으며, 세라믹 분말의 경우는 별도의 반응 없이 모두 그대로 분산물로서 역할을 수행하므로 금속기지 복합체의 설계시에 요구되는 분산물의 량에 대응하는 비율로 혼합하는 것이 좋다. 특히, 내마모성의 상대적 지표인 마이크로 비커스 경도값을 최대화하기 위하여서는 상기 제1금속분말 대비 세라믹분말의 혼합비는 금속 : 세라믹의 부피비가 1:1 내지 3:1의 범위인 것이 좋다. In addition, the mixing ratio of the first metal powder, the second metal powder and the ceramic powder can be used by selecting various mixing ratios, and the design of the metal base composite because the second metal powder is almost changed to an intermetallic compound in a subsequent heat treatment step. It is better to mix at a ratio corresponding to the amount of dispersion required in the city, and in the case of ceramic powders, they all function as dispersions without any reaction, so that they correspond to the amount of dispersion required in the design of the metal base composite. It is better to mix in proportions. In particular, in order to maximize the micro-Vickers hardness value, which is a relative indicator of wear resistance, the mixing ratio of the ceramic powder to the first metal powder is preferably in the range of 1: 1 to 3: 1 in volume ratio of metal to ceramic.

이와 같은 상기 제1금속분말, 제2금속분말 및 세라믹분말의 혼합분말은 통상의 방법에 의해 제조될 수 있다. 가장 간단한 방식으로는 상기 분말들을 브이 밀(v-mill)에 의해 건식 혼합하는 방식을 들 수 있다. 건식 혼합된 분말은 별도의 처리 없이 그대로 분말 공급기에서 사용될 수 있다. 상기 혼합분말 중 각각의 분말의 혼합 비율은 용도에 따라 적절히 조절될 수 있으나 내마모성 등의 기계적 성질의 최적화를 위해서는 그 설계치에 따라 적절한 비율의 범위 내에서 혼합하며, 상기 세라믹 입자의 부피비가 50%를 초과할 때에는 코팅층이 일정 두께 이상으로 증가되지 않는다는 문제점이 발생할 수 있으므로 그 범위 내에서 혼합한다.The mixed powder of the first metal powder, the second metal powder, and the ceramic powder may be prepared by a conventional method. The simplest method is a method of dry mixing the powders by v-mill. Dry mixed powders can be used in powder feeders as is without further treatment. The mixing ratio of each powder in the mixed powder may be appropriately adjusted according to the use, but in order to optimize the mechanical properties such as wear resistance, the mixing ratio is mixed within an appropriate ratio range according to the design value, and the volume ratio of the ceramic particles is 50%. When exceeding, the coating layer may not increase beyond a certain thickness, so a problem may occur.

일반적으로, 상기 노즐로 수렴-발산형 노즐을 사용하고 통상의 구성을 가지 는 경우에는 상기 혼합 분말에 약 5 ~ 20 kgf/cm2의 압축가스가 공급된다. 상기 압축가스로는 헬륨, 질소, 아르곤 및 공기 등이 사용될 수 있다. 상기 가스는 콤프레셔와 같은 가스 압축기로 약 5 ~ 20 kgf/cm2로 압축되어 제공된다. 필요에 따라, 상기 압축가스는 도 1의 가스히터(120)와 같은 가열 수단에 의해 약 200 ~ 500 ℃의 온도로 가열된 상태로 제공될 수 있다.Generally, about 5-20 kgf / cm 2 of compressed gas is supplied to the mixed powder in the case of using a converging-diffusing nozzle as the nozzle and having a conventional configuration. Helium, nitrogen, argon, air and the like may be used as the compressed gas. The gas is provided compressed to about 5-20 kgf / cm 2 with a gas compressor such as a compressor. If necessary, the compressed gas may be provided in a heated state at a temperature of about 200 to 500 ° C. by a heating means such as the gas heater 120 of FIG. 1.

상기 콜드 스프레이 공정에는 상기 기술한 바와 같이 분말에 대한 압축압력, 운반가스의 유동속도, 운반가스의 온도 등 그 제어변수가 많으나 바람직하게는 내마모성의 증대를 위하여서는 노즐로부터 분사된 분말이 모두 코팅되는 것보다 전체 혼합분말의 50 % 이상은 코팅면에 shot peening과 같은 가공경화에 기여하기 위하여 코팅면에 부딪힌 후에 떨어져나가고, 최대로 분사된 분말의 50 %만 실질적으로 코팅이 되도록 하는 것이 코팅층의 가공경화에 따른 경도향상 및 내마모성 증대에 좋다. 더욱 바람직하게는 상기 코팅효율의 범위는 10 내지 20 %의 범위인 것이 경도 향상 및 내마모성 증대에 좋다.In the cold spray process, as described above, there are many control variables such as the compression pressure for the powder, the flow rate of the carrier gas, and the temperature of the carrier gas, but preferably, all powders sprayed from the nozzle are coated to increase wear resistance. 50% or more of the total powder is separated after it hits the coating surface in order to contribute to work hardening such as shot peening on the coating surface, so that only 50% of the maximum sprayed powder is substantially coated. It is good for improving hardness and abrasion resistance according to curing. More preferably, the coating efficiency is in the range of 10 to 20%, which is good for improving hardness and increasing wear resistance.

따라서 상기 코팅효율을 유지하는 경우에는 혼합분말의 충돌시 속도를 상대적으로 낮게 유지하는 것이 바람직하고 속도는 운반가스 온도의 제곱근에 대략 비례하여 변하므로, 이러한 경우에는 상기 혼합분말의 노즐을 통한 코팅시, 상기 노즐에 공급되는 운반가스의 온도는 상대적으로 낮은 온도로 유지하여도 되고, 이 경우에 상기 운반가스의 온도는 280 ± 5 ℃인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 운반가스의 온도는 알루미늄 제1금속분말을 사용하는 경우에 상기 적정 코팅 효율을 나타내므로 좋다.Therefore, in the case of maintaining the coating efficiency, it is preferable to keep the velocity at the time of collision of the mixed powder relatively low, and the speed varies in proportion to the square root of the carrier gas temperature. The temperature of the carrier gas supplied to the nozzle may be maintained at a relatively low temperature. In this case, the temperature of the carrier gas is preferably 280 ± 5 ° C. More preferably, the temperature of the carrier gas is good because it shows the appropriate coating efficiency when the aluminum first metal powder is used.

또한 특히, 상기 제1금속분말의 금속은 알루미늄 또는 그 합금이고, 상기 제2금속분말의 금속간화합물 형성용 금속입자는 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 금속인 경우에는 그 세라믹 입자의 종류와 무관하게 상기 모재에 코팅되는 분말의 속도를 300 내지 500 ㎧로 유지하면 상기 기술한 바와 같은 코팅층의 가공경화 효과를 얻을 수 있으며, 따라서 내마모성 증대를 최대화할 수 있어서 바람직하다.In particular, the metal of the first metal powder is aluminum or an alloy thereof, and the metal particles for forming the intermetallic compound of the second metal powder may be selected from the group consisting of titanium, nickel, chromium and iron. Regardless of the type of ceramic particles, maintaining the speed of the powder coated on the base material at 300 to 500 kPa can obtain the work hardening effect of the coating layer as described above, and thus, it is preferable to maximize the wear resistance.

또한 상기 콜드 스프레이 장치의 노즐은 상기 기술한 바와 같은 통상의 de Laval-Type의 수렴-발산형 노즐외에 도 3에 도시한 바와 같이 상기 노즐은 스로트(throat)를 가지는 수렴-발산형 노즐 또는 수렴-직관형 노즐이 사용되고, 상기 혼합분말의 주입은 스로트를 관통하여 위치하는 주입관을 통하여 상기 노즐의 발산 또는 직관부분에서 이루어지는 형태로 코팅을 실시할 수 있다. 이를 통하여 혼합분말의 주입이 발산 내지 직관 부분에서 이루어지므로 상대적으로 낮은 압력에서 이루어지므로 혼합분말의 주입을 위한 압력을 낮게 유지할 수 있어 콜드 스프레이 장치를 저가에 구성할 수 있으며, 발산 또는 직관 구간에서 분말이 주입되므로 노즐내부 특히, 스로트에 분말이 코팅되는 것을 막아 장시간 공정이 가능하도록 하므로 바람직하다.In addition to the conventional de Laval-Type convergence-diffusing nozzles as described above, the nozzle of the cold spray device is a convergence-diffusing nozzle or converging as shown in FIG. -A straight nozzle is used, and the injection of the mixed powder can be applied in the form of diverging or straight pipe portion of the nozzle through an injection pipe located through the throat. This is because the injection of the mixed powder is made in the divergence or straight pipe portion is made at a relatively low pressure, so that the pressure for the injection of the mixed powder can be kept low so that the cold spray device can be configured at a low cost, powder in the divergence or straight pipe section Since this is injected, it is preferable to prevent the powder from being coated on the inside of the nozzle, in particular, the throat so that the process can be performed for a long time.

따라서 상기와 같은 노즐 및 주입관을 사용하는 경우에는 상기 혼합분말의 노즐로의 주입시 압력은 통상의 압력보다 매우 낮은 90 내지 120 psi의 상대적으로 낮은 압력을 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, in the case of using the nozzle and the injection tube as described above, it is preferable to use a relatively low pressure of 90 to 120 psi which is very low than the normal pressure when the mixed powder is injected into the nozzle.

더욱 바람직하게는 상기 형식의 노즐 및 주입관을 사용하는 경우에 혼합분말의 노즐로의 주입시 압력은 90 내지 120 psi이고, 운반가스의 온도는 280 ± 5 ℃인 것이 내마모성이 우수한 코팅층을 형성하는 데 좋고, 특히 이는 상기 제1금속분말은 알루미늄이고, 상기 세라믹은 SiC인 경우에 더욱 좋다.More preferably, in the case of using the nozzle and the injection tube of the above-mentioned type, the pressure at the time of injection of the mixed powder into the nozzle is 90 to 120 psi, and the temperature of the carrier gas is 280 ± 5 ° C. to form a coating layer having excellent wear resistance. It is particularly good when the first metal powder is aluminum and the ceramic is SiC.

이외에 상기 코팅단계에서 상기 제1금속분말에 대한 상기 제2금속분말의 혼합비 또는 상기 세라믹분말의 혼합비는 모재 표면으로부터 외곽 표면으로 갈수록 농도 구배를 가지도록 코팅할 수 있고, 상기 세라믹분말의 입자크기 또는 제2금속분말의 입자크기는 모재 표면으로부터 외곽 표면으로 갈수록 입자크기에 있어서 일정구배를 가지도록 코팅할 수 있다.In addition, the mixing ratio of the second metal powder or the ceramic powder to the first metal powder in the coating step may be coated to have a concentration gradient from the surface of the base material to the outer surface, the particle size of the ceramic powder or The particle size of the second metal powder may be coated to have a constant gradient in particle size from the base material surface to the outer surface.

즉, 상기 제1금속분말에 대한 제2금속분말의 혼합비를 ⅰ) 모재표면으로부터 외곽으로 갈수록 더 높게 하거나, ⅱ) 모재표면으로부터 외곽으로 갈수록 더 낮게 코팅하거나, 또는 ⅲ) 중간부위가 가장 높고, 모재표면 및 최외곽은 낮게 하거나, ⅳ) 중간부위가 가장 낮고, 모재 표면 및 최외곽은 높게 하는 등의 다양한 구성의 혼합비 농도구배를 가지도록 구성할 수 있으며, 이는 세라믹분말에 대해서도 동일하게 적용이 가능하며, 세라믹분말과 제2금속분말을 함께 농도 조절을 할 수도 있으며, 세라믹분말과 제2금속분말의 농도구배 방향을 다르게 또는 반대로 구성할 수도 있다.That is, the mixing ratio of the second metal powder to the first metal powder is iii) higher from the base material surface to the outside, or ii) coated lower from the base material surface to the outside, or iii) the middle portion is the highest. The base material surface and the outermost part can be configured to have a low mixing ratio concentration gradient, such as low or the middle part is the lowest, and the base material surface and the outermost part are high, which is equally applicable to ceramic powder. It is possible to control the concentration of the ceramic powder and the second metal powder together, and the concentration gradient direction of the ceramic powder and the second metal powder may be configured differently or vice versa.

또한 이러한 농도구배와 함께 또는 별도로 입자크기의 경우에도 구배를 가지도록 구성할 수 있으며, 이는 세라믹분말의 경우에 그 분말입자의 크기를 ⅰ) 모재표면으로부터 외곽으로 갈수록 더 크게 하거나, ⅱ) 모재표면으로부터 외곽으로 갈 수록 더 작게 코팅하거나, 또는 ⅲ) 중간부위가 가장 크고, 모재표면 및 최외곽은 작게 하거나, ⅳ) 중간부위가 가장 작고, 모재 표면 및 최외곽은 크게 하는 등의 다양한 구성의 입자 크기 구배를 가지도록 구성할 수 있으며, 이는 제2금속분말에 대해서도 동일하게 적용이 가능하며, 세라믹분말과 제2금속분말을 함께 크기 조절을 할 수도 있으며, 세라믹분말과 제2금속분말의 입자크기구배 방향을 다르게 또는 반대로 구성할 수도 있다.In addition, it may be configured to have a gradient even in the case of particle size together with or separately from such a concentration gradient, which in the case of ceramic powder increases the size of the powder particles ⅰ) from the base material surface to the outside, or ii) the base material surface. The smaller the coating from the outside to the outside, or (i) the larger the middle part, the smaller the substrate surface and the outermost part, or iii) the smaller the middle part, and the larger the substrate surface and the outermost part. It can be configured to have a size gradient, it can be applied to the second metal powder in the same way, and to adjust the size of the ceramic powder and the second metal powder together, the particle size of the ceramic powder and the second metal powder The draft direction may be configured differently or vice versa.

이를 통하여 모재와 코팅층 간의 열팽창 계수의 차이에 의한 열응력 발생을 최소화하고, 열전달을 활성화하여 열 싸이클링에 따라 발생할 수 있는 코팅층의 박리, 잔류응력 발생을 최소화할 수 있다.Through this, it is possible to minimize the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the base material and the coating layer, and to minimize the peeling and residual stress of the coating layer that may occur due to thermal cycling by activating heat transfer.

이와 같은 추가 중간층의 형성도 바람직하게는 상기 제1금속분말은 알루미늄이고, 상기 세라믹은 SiC인 경우에 적용하는 것이 좋다.Formation of such an additional intermediate layer is also preferably applied when the first metal powder is aluminum and the ceramic is SiC.

상기와 같이 고속으로 분사된 혼합 분말은 모재에 충돌하여 고밀도의 코팅층을 형성한다. 원하는 두께의 코팅층을 얻을 때까지 상기 코팅 단계를 수행한 후, 상기 코팅된 코팅층을 열처리하여 상기 혼합분말을 준비하는 단계에서 의도한 금속간화합물을 형성하는 열처리 단계를 실시한다. 본 발명에서 상기 열처리 단계는 낮은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 한다. 앞서 설명한 종래의 주조법 및 용사법에서 금속 혼합 분말은 모두 900 ~1200 ℃ 정도의 고온에서 열처리되지만 본 발명의 방법에서 열처리 단계는 900 ℃이하의 온도에서 수행된다. 보다 구체적으로 본 발명에서 상기 열처리 단계는 상이한 제1금속분말과 제2금속분말의 혼합 조성이 이룰 수 있는 가장 낮은 액상 형성 온도, 즉 공융 온도(eutectic temperature) 이 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 공융 온도라는 용어는 포정 온도(peritectic temperature)를 포함하는 의미로 사용된다. 예컨대, 제1금속분말이 Al이고, 제2금속분말이 Ti인 혼합 분말의 경우, 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열처리 단계는 664℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 또한 상기 제1금속분말과 제2금속분말의 혼합 분말이 Al-Ni, Al-Cr 또는 Al-Fe인 경우 상기 열처리 단계는 각각 636 ℃ 이하, 663 ℃ 이하 또는 654 ℃(927 K) 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 또한 보다 바람직하게는 상기 열처리 단계는 약 500 ℃ 이상에서 수행되는 것이 열처리의 용이성 및 금속간화합물의 형성시간을 적절하게 유지하므로 좋다.As described above, the mixed powder injected at high speed collides with the base material to form a high density coating layer. After the coating step is carried out until a coating layer having a desired thickness is obtained, a heat treatment step of forming the intended intermetallic compound in the step of preparing the mixed powder by heat-treating the coated coating layer is performed. In the present invention, the heat treatment step is characterized in that it is carried out at a low temperature. In the above-described conventional casting and thermal spraying methods, the metal mixed powders are all heat treated at a high temperature of about 900 to 1200 ° C., but the heat treatment step is performed at a temperature of 900 ° C. or less. More specifically, the heat treatment step in the present invention is preferably carried out below the lowest liquidus formation temperature, that is, eutectic temperature that can be achieved by the mixed composition of the different first metal powder and the second metal powder. In the present invention, the term eutectic temperature is used to include peritectic temperature. For example, in the case of a mixed powder in which the first metal powder is Al and the second metal powder is Ti, as shown in FIG. 2A, the heat treatment step of the present invention is preferably performed at a temperature of 664 ° C. or lower. In addition, when the mixed powder of the first metal powder and the second metal powder is Al-Ni, Al-Cr or Al-Fe, the heat treatment step is a temperature of 636 ℃ or less, 663 ℃ or less or 654 ℃ (927 K) or less Preference is given to performing at. More preferably, the heat treatment step may be performed at about 500 ° C. or higher, so that the ease of heat treatment and the formation time of the intermetallic compound are properly maintained.

이와 같이, 상기 열처리 단계에 의해 상기 모재에 형성된 코팅층은 그 내부에 금속간화합물 및 세라믹분말이 분산된 Al 기지 복합체를 형성한다. 본 발명에서와 같이, 열처리 단계가 공융 온도 이하에서 열처리가 수행되는 경우, 금속간화합물은 고상 반응으로 고상확산에 의해 형성된다. 따라서 주조법 또는 융사법에서와 같이 금속간 화합물의 형성에 액상이 개재하지 않기 때문에 미세한 금속간화합물이 Al 기지상내에 분산된 Al기지 복합체를 얻을 수 있다As such, the coating layer formed on the base material by the heat treatment step forms an Al matrix composite having intermetallic compound and ceramic powder dispersed therein. As in the present invention, when the heat treatment step is performed below the eutectic temperature, the intermetallic compound is formed by solid phase diffusion into a solid phase reaction. Therefore, since the liquid phase does not intervene in the formation of the intermetallic compound as in the casting method or the fusion method, an Al base composite having fine intermetallic compounds dispersed in an Al matrix phase can be obtained.

한편, 종래의 분말 야금법에서는 900 ℃ 이하의 저온, 특히 공융 온도 이하에서는 알루미늄과 타 금속간의 금속간화합물의 형성이 극히 곤란한 것으로 알려져 있다. 이것은 알루미늄 분말의 표면에 형성되어 있는 산화물이 알루미늄과 다른 금속과의 반응을 방해하기 때문으로 보인다. 따라서 종래의 분말 야금법에서는 표면 피막이 파괴될 정도로 충분한 량의 액상이 형성되지 않으면 Al과 타 금속과의 반응에 의해 금속간화합물의 형성은 거의 이루어지지 않게 된다.On the other hand, in the conventional powder metallurgy, it is known that formation of an intermetallic compound between aluminum and another metal is extremely difficult at a low temperature of 900 ° C. or lower, particularly below the eutectic temperature. This seems to be because the oxide formed on the surface of the aluminum powder interferes with the reaction of aluminum with other metals. Therefore, in the conventional powder metallurgy, formation of an intermetallic compound is hardly achieved by the reaction between Al and another metal unless a sufficient amount of liquid phase is formed to destroy the surface coating.

그러나 본 발명에 따르면, Al과 타 금속 분말과의 반응이 보다 낮은 온도에서 이루어질 수 있다. 이것은 본 발명에서 분사된 알루미늄 분말이 모재 표면에 충돌시 충돌 에너지에 의해 표면 피막이 파괴되어 결국 Al 분말과 타 금속 분말간의 실질적인 접촉이 이루어짐에 기인하는 것으로 여겨진다. However, according to the present invention, the reaction between Al and other metal powder can be made at a lower temperature. It is believed that this is due to the fact that when the aluminum powder injected in the present invention collides with the surface of the base material, the surface coating is broken by the collision energy, and thus the actual contact between the Al powder and the other metal powder is made.

또한, 본 발명의 방법에 의해 형성된 코팅층은 매우 높은 밀도를 갖고 있다. 따라서 열처리 과정에서 대기 또는 분위기 가스에 포함된 산소에 노출되더라도 개별 Al 분말 입자 표면에 산화 피막이 형성될 가능성은 줄어들게 된다. 이와 같은 이유로 본 발명의 상기 열처리 단계는 질소, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기에서 뿐만 아니라 공기 중에서도 수행될 수 있다.In addition, the coating layer formed by the method of the present invention has a very high density. Therefore, even if exposed to oxygen contained in the atmosphere or atmosphere gas during the heat treatment process, the possibility of forming an oxide film on the surface of the individual Al powder particles is reduced. For this reason, the heat treatment step of the present invention may be performed in air as well as in an inert gas atmosphere such as nitrogen and argon.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서 열처리 단계가 공융 온도(포정 온도 포함) 이하에서 수행되는 것이 바람직한 이유는, 이 온도 이하의 열역학적 평형 상태에서는 원칙적으로 액상이 개재되지 않기 때문에 미세한 분산상의 금속간 화합물을 얻기에 적합하다는 것을 의미한다. 그러나 실제 시스템에 있어서는 공융 온도를 초과하는 어느 정도 범위의 온도에서도 액상의 개재가 미미하여 실제 금속간 화합물의 형성에 미치는 액상의 역할이 무시할만하다. 따라서 본 명세서의 청구 범위에 기재된 '공융 온도 이하'란 용어의 의미는 이러한 정도의 온도 범위를 배제하는 것으로 엄밀하게 해석되어서는 안 될 것이다.As described above, in the present invention, it is preferable that the heat treatment step is performed at the eutectic temperature (including the cladding temperature), because in the thermodynamic equilibrium state below this temperature, the liquid phase is not interposed in principle, so that the finely dispersed intermetallic compound is used. It is suitable for obtaining. In practical systems, however, the liquid phase is negligible even at a range of temperatures above the eutectic temperature, and the role of the liquid phase in the formation of the actual intermetallic compound is negligible. Therefore, the meaning of the term 'below eutectic temperature' described in the claims of the present specification should not be interpreted strictly as excluding such a range of temperatures.

상기 열처리 단계는 금속간화합물의 형성과 아울러 표면 조도 조절을 위한 기계 가공이나 코팅층의 접착력 향상을 위한 열처리 효과를 함께 가질 수 있다.The heat treatment step may have a heat treatment effect for the formation of the intermetallic compound as well as for improving the adhesion of the machining or coating layer for controlling the surface roughness.

이외에 본 발명의 금속기지 복합체 형성방법은 상기 기술한 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 형성되는 금속기지 복합체 코팅층에서 상기 코팅하는 단계에서 형성된 부분인 코팅층을 모재로부터 분리하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있으며 이를 통하여 금속기지 복합체만으로 이루어진 금속기지 복합체 벌크를 제공할 수 있다.In addition, the metal base composite forming method of the present invention may further comprise the step of separating the coating layer which is a part formed in the coating step in the metal base composite coating layer formed by the metal base composite forming method described above from the base material and This can provide a metal base composite bulk consisting of only the metal base composite.

또한 본 발명은 상기 기술한 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 코팅층을 제공한다. 이와 같은 상기 코팅층의 두께는 바람직하게는 10 ㎛ 내지 1 ㎜인 것이 너무 얇은 경우에는 내마모성이 떨어지는 문제를 막고, 두꺼운 경우에는 코팅층 형성의 제조비용과 열팽창에 따른 박리, 열응력 발생 등이 일어날 수 있으므로 상기 범위인 것이 좋다.In another aspect, the present invention provides a metal base composite coating layer, characterized in that formed by the above-described metal base composite forming method. The thickness of the coating layer is preferably 10 ㎛ to 1 mm is too thin to prevent the problem of abrasion resistance, if thick, may occur due to the production cost of the coating layer formation and peeling due to thermal expansion, generation of thermal stress, etc. It is good that it is the said range.

이외에 본 발명은 상기 기술한 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 형성되는 금속기지 복합체 코팅층에서 상기 코팅하는 단계에서 형성된 부분인 코팅층을 모재로부터 분리하는 단계를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 벌크를 제공한다. In addition, the present invention is characterized in that the metal base composite bulk formed by the above-described metal base composite coating method further comprises the step of separating the coating layer, which is a part formed in the coating step from the base material metal bulk composite complex To provide.

본 발명의 방법에 의해 얻어진 내마모성 금속기지 복합체 코팅층 또는 벌크는 모재, 코팅 또는 벌크의 기계적 물성을 향상시킨다.The wear resistant metal base composite coating layer or bulk obtained by the method of the present invention improves the mechanical properties of the base material, coating or bulk.

먼저, 높은 경도의 금속간화합물 및 세라믹 입자를 코팅층 또는 벌크에 포함함으로써, 부재의 내마모성을 향상시킬 수 있다. First, the wear resistance of the member can be improved by including the high hardness intermetallic compound and the ceramic particles in the coating layer or the bulk.

두번째로, 본 발명에 의해 제조된 코팅층 또는 벌크는 코팅된 부품의 피로특성을 향상시킨다. 즉, 코팅층과 모재간의 높은 결합력으로 인하여 모재와 코팅층 간의 균열 발생을 억제하며, 코팅층은 금속기지 복합체의 특성을 가지므로 이에 따른 미세구조의 특성상 코팅층 내부의 균열발생 및 전파속도를 낮추는 효과가 있으므로 피로특성을 향상시키다. 또한 이와 같은 부품이 열 피로(thermal fatigue) 파괴에 대해 높은 저항성을 갖도록 한다. 가스터빈과 같은 내열기관에 사용되는 부품에서 균열의 발생과 전파의 주된 원인으로 국부적인 온도차에 기인한 열응력을 들 수 있다. 또한, 엔진 블록에서 엔진의 연소에 의해 실린더로부터 가까운 쪽은 높은 온도 상태에 있고, 실린더로부터 먼 쪽은 낮은 온도 상태에 있게 된다. 이와 같은 온도차는 엔진 블록 표면에서 균열 생성의 원인이 되는 열응력을 발생시킨다. 특히, 엔진과 같이 주기적인 연소와 냉각이 동반되는 경우 주기적인 열응력에 의한 열 피로 파괴 특성을 제어하는 것이 매우 중요하다. 본 발명에서는 금속으로 알루미늄이나 알루미늄 합금, 세라믹으로 SiC와 같은 높은 열전도도를 갖는 입자를 사용하여 코팅층을 형성함으로써 부재의 열전도 특성을 향상시킬 수 있다. 열전도 특성의 향상은 부품에 발생하는 국부적인 온도차를 감소시키므로, 결국 부품의 열 피로 파괴 특성을 향상시킨다. 또한 복합체의 형성에 따라 모재와의 열팽창 계수 차이를 줄일 수 있으므로 이에 따라 가열시에 발생하는 열응력을 줄일 수 있으므로 코팅층의 박리나 균열발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다.Secondly, the coating layer or bulk produced by the present invention improves the fatigue properties of the coated part. In other words, due to the high bonding strength between the coating layer and the base material, it suppresses the occurrence of cracks between the base material and the coating layer, and since the coating layer has the characteristics of the metal base composite, the microstructure has the effect of lowering the crack generation and propagation speed inside the coating layer. Improve properties It also makes these parts highly resistant to thermal fatigue failure. Thermal stress due to local temperature difference is a major cause of crack generation and propagation in parts used in heat-resistant engines such as gas turbines. In addition, combustion of the engine in the engine block results in a high temperature on the near side to the cylinder and a low temperature on the far side from the cylinder. This temperature difference generates thermal stresses that cause crack formation on the engine block surface. In particular, it is very important to control thermal fatigue failure characteristics due to periodic thermal stress when periodic combustion and cooling are accompanied, such as an engine. In the present invention, the thermal conductivity of the member can be improved by forming a coating layer using particles having high thermal conductivity such as aluminum, aluminum alloy, or ceramic as SiC. Improving the thermal conductivity characteristics reduces local temperature differences occurring in the component, which in turn improves the thermal fatigue failure characteristics of the component. In addition, since the difference in thermal expansion coefficient with the base material can be reduced according to the formation of the composite, there is an advantage in that the peeling or cracking of the coating layer can be minimized since the thermal stress generated during heating can be reduced.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention.

<실시예 1><Example 1>

평균입도가 77 ㎛인 Al분말과 평균입도가 3 ㎛인 Ni분말을 Al : Ni 중량비가 각각 90:10(Al-10%Ni), 75:25(Al-25%Ni)인 금속혼합 분말을 제조하고, 여기에 평균 입도가 35 ㎛인 SiC분말을 상기 금속혼합분말 100중량부에 대하여 5 중량부 혼합하여 최종혼합분말을 제조하여, 표준 라발형(standard laval type) 노즐로서 애퍼쳐는 4ㅧ6 ㎜이고, 목부 갭(throat gap)은 1 ㎜인 노즐을 이용하여 압축가스로는 공기를 사용하여, 7기압, 330 ℃의 운반가스 유동에 상기 혼합분말을 주입하여 코팅층을 형성하였다. 형성된 코팅을 약450 ℃, 500 ℃, 550 ℃에서 4시간 열처리하였다. 열처리는 질소 분위기에서 수행하였다. 열처리된 기판 표면을 X선 회절 패턴을 측정하였으며, 그 결과를 도 4a(Al-10%Ni) 및 도 4b(Al-25%Ni)에 도시하였다. 상기 X선 회절결과에 따르면 Ni의 함량이 높을수록, 열처리 온도가 높을수록 Al3Ni 금속간 화합물과 Al3Ni2 금속간 화합물이 많이 형성되지만, 열처리 온도가 낮은 경우에도 상기 금속간화합물이 확실히 생성되는 것을 알 수 있었다.An Al powder with an average particle size of 77 μm and a Ni powder with an average particle size of 3 μm were used for the metal mixed powder having an Al: Ni weight ratio of 90:10 (Al-10% Ni) and 75:25 (Al-25% Ni), respectively. 5 parts by weight of a SiC powder having an average particle size of 35 µm was mixed with 100 parts by weight of the metal mixed powder to prepare a final mixed powder. The aperture was 4 ㅧ as a standard laval type nozzle. The coating layer was formed by injecting the mixed powder into a carrier gas flow of 7 atm and at 330 ° C. using air as a compressed gas using a nozzle having a thickness of 6 mm and a throat gap of 1 mm. The formed coating was heat treated at about 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C. for 4 hours. Heat treatment was carried out in a nitrogen atmosphere. X-ray diffraction patterns of the heat-treated substrate surface were measured, and the results are shown in FIGS. 4A (Al-10% Ni) and 4B (Al-25% Ni). According to the X-ray diffraction results, the higher the content of Ni and the higher the heat treatment temperature, more Al 3 Ni intermetallic compounds and Al 3 Ni 2 intermetallic compounds are formed. It can be seen that generated.

또한 Ni분말 및 이에 인접한 Al기지간의 금속간화합물 형성에 대한 EDX촬영결과는 도 5에 도시한 바와 같다. 즉, Al기지 부근에는 Ni의 농도가 낮아 Al3Ni 금속간 화합물이 형성되고, Ni분말의 입자 내부 쪽으로는 Ni의 농도가 높아 Al3Ni2 금속간 화합물이 형성된 것을 관찰할 수 있었다.In addition, EDX imaging results for the formation of the intermetallic compound between the Ni powder and the Al base adjacent thereto are shown in FIG. 5. In other words, it was observed that Al 3 Ni intermetallic compounds were formed at low Al concentrations near the Al base, and Al 3 Ni 2 intermetallic compounds were formed at high Ni concentrations toward the inside of the Ni powder particles.

이와 같은 반응이 완전히 일어나지 않은 경우에는 Ni분말의 내부에는 잔류 Ni이 존재하는 것을 도 6을 통하여 관찰할 수 있었다.When this reaction did not occur completely, it was observed through FIG. 6 that residual Ni was present inside the Ni powder.

<실시예 2><Example 2>

평균입도가 77 ㎛인 Al분말과 평균입도가 43 ㎛인 Ti분말을 Al:Ti 중량비가 각각 90:10(Al-10%Ti), 75:25(Al-25%Ti)인 금속혼합 분말을 제조하고, 여기에 평균입도가 35 ㎛인 SiC분말을 상기 금속혼합분말 100중량부에 대하여 5 중량부 혼합하여 최종혼합분말을 제조하여, 표준 라발형(standard laval type) 노즐로서 애퍼쳐는 4ㅧ6 ㎜이고, 목부 갭(throat gap)은 1 ㎜인 노즐을 이용하여 압축가스로는 공기를 사용하여, 7기압, 330 ℃의 운반가스 유동에 상기 혼합분말을 주입하여 코팅층을 형성하였다. 형성된 코팅을 약450 ℃, 500 ℃, 550 ℃, 630 ℃에서 4시간 열처리하였다. 열처리는 질소 분위기에서 수행하였다. 열처리된 기판 표면을 X선 회절 패턴을 측정하였으며, 그 결과를 도 7a(Al-10%Ti) 및 도 7b(Al-25%Ti)에 도시하였다. 상기 X선 회절결과에 따르면 Ti의 함량이 높을수록, 열처리 온도가 높을수록 Al3Ti 금속간 화합물이 많이 형성되지만, 열처리 온도가 낮은 경우에도 상기 금속간화합물이 확실히 생성되는 것을 알 수 있었다.An Al powder with an average particle size of 77 μm and a Ti powder with an average particle size of 43 μm were prepared using a metal mixed powder having an Al: Ti weight ratio of 90:10 (Al-10% Ti) and 75:25 (Al-25% Ti), respectively. 5 parts by weight of a SiC powder having an average particle size of 35 µm was mixed with 100 parts by weight of the metal mixed powder, to prepare a final mixed powder. The aperture was 4 ㅧ as a standard laval type nozzle. The coating layer was formed by injecting the mixed powder into a carrier gas flow of 7 atm and at 330 ° C. using air as a compressed gas using a nozzle having a thickness of 6 mm and a throat gap of 1 mm. The formed coating was heat treated at about 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C., and 630 ° C. for 4 hours. Heat treatment was carried out in a nitrogen atmosphere. X-ray diffraction patterns of the heat-treated substrate surface were measured, and the results are shown in FIGS. 7A (Al-10% Ti) and 7B (Al-25% Ti). According to the X-ray diffraction results, the higher the content of Ti and the higher the heat treatment temperature, the more Al 3 Ti intermetallic compounds were formed, but the intermetallic compound was surely produced even when the heat treatment temperature was low.

또한 상기 열처리 온도를 630 ℃로 한 경우에 Ti분말 및 이에 인접한 Al기지간의 금속간화합물 형성에 대한 EDX촬영결과는 도 8에 도시한 바와 같다. 즉, Al원자가 Ti원자의 상호확산을 통하여 상기 분말의 경계지역에 Al3Ti 금속간 화합물이 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 Ti의 경우는 Ni에 비하여 상대적으로 낮은 확산도로 인하여 계면에서 금속간화합물의 형성이 이루어지고 Ti분말의 내부에는 반응이 완전히 일어나지 않은 잔류 Ti이 존재하는 것을 관찰할 수 있었다.In addition, when the heat treatment temperature is 630 ℃ EDX photographing results for the formation of the intermetallic compound between the Ti powder and the Al base adjacent thereto are as shown in FIG. That is, it was observed that Al 3 Ti intermetallic compounds were formed at the boundary region of the powder through Al diffusion of Ti atoms. In addition, in the case of Ti, it was observed that intermetallic compounds were formed at the interface due to a relatively low diffusion degree, and that residual Ti, which was not completely reacted, existed inside the Ti powder.

상기와 같은 본 발명의 금속기지 복합체 형성방법 및 이를 이용하여 형성되 는 금속기지 복합체 코팅층 및 벌크에 따르면, 종래에 비해 저온에서 금속간 화합물 및 세라믹분말이 분산된 금속기지 복합체를 제조할 수 있으므로 모재에 열적 변형 또는 열 충격에 의한 손상을 유발할 염려가 없도록 하며, 금속간 화합물의 성장이 억제되므로 고온 강도 등의 기계적 특성이 향상되는 장점이 있으며, 코팅층에 열이 축적되는 것을 방지하고, 모재와 코팅층 간 또는 코팅층내의 균열생성을 억제하여 코팅층의 피로에 따른 균열발생에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.According to the metal base composite forming method of the present invention as described above and the metal base composite coating layer and the bulk formed using the same, the metal base composite in which the intermetallic compound and the ceramic powder are dispersed at a low temperature than in the prior art can be produced in the base material There is no risk of causing damage due to thermal deformation or thermal shock, and the growth of intermetallic compounds is suppressed, so there is an advantage of improving mechanical properties such as high temperature strength, preventing heat from accumulating in the coating layer, and between the base material and the coating layer. Alternatively, the crack formation in the coating layer may be suppressed to improve resistance to crack generation due to fatigue of the coating layer.

또한 본 발명은 기계적 강도가 우수한 부재의 제조에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 기존 부재의 표면을 분산 강화하는 데 사용될 수도 있다. 특히 낮은 열처리 온도에서 수행되기 때문에 표면 강화시 부재의 물성에 악영향을 미칠 가능성이 적다.In addition, the present invention can be used not only for the production of a member having excellent mechanical strength, but also for dispersion strengthening of the surface of an existing member. In particular, since it is performed at a low heat treatment temperature, it is unlikely to adversely affect the physical properties of the member when the surface is strengthened.

또한 본 발명은 상대적으로 낮은 온도의 열처리 온도 및 혼합분말 주입압력과 낮은 운반가스 온도를 낮게 유지하여도 공정이 가능하므로 제조비용이 저렴하며, 대형화가 용이한 장점이 있다.In addition, the present invention has the advantage that the process is possible because the process is possible to maintain a relatively low heat treatment temperature and mixed powder injection pressure and low carrier gas temperature is low manufacturing cost, easy to enlarge.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 발명의 상세한 설명, 실시예 및 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.The present invention described above is not limited to the detailed description, examples, and drawings of the above-described invention, and various one of ordinary skill in the art without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. Of course, modifications and variations are also included within the scope of the present invention.

Claims (19)

모재를 제공하는 단계;Providing a base material; ⅰ)금속, 합금 또는 이의 혼합체 입자로 이루어진 제1금속분말, ⅱ)상기 금속 또는 상기 합금의 합금원소와 금속간화합물을 형성하는 금속간화합물 형성용 금속입자로 이루어진 제2금속분말, 및 ⅲ) 세라믹 또는 이의 혼합체 입자로 이루어진 세라믹분말을 포함하는 혼합분말을 준비하는 단계;Iii) a first metal powder consisting of particles of a metal, an alloy or a mixture thereof, ii) a second metal powder consisting of metal particles for forming an intermetallic compound forming an intermetallic compound with an alloying element of the metal or the alloy, and iii) Preparing a mixed powder comprising a ceramic powder made of ceramic or mixture particles thereof; 상기 준비된 혼합분말을 코팅용 분사노즐에 주입하는 단계;Injecting the prepared mixed powder into a spray nozzle for coating; 상기 분사노즐 내에 흐르는 운반가스의 유동에 의해 상기 혼합분말을 비용융 상태로 300 내지 1,200 ㎧의 속도로 가속하여 상기 모재의 표면에 혼합분말을 코팅하는 단계; 및Coating the mixed powder on the surface of the base material by accelerating the mixed powder at a speed of 300 to 1,200 Pa in a non-melting state by the flow of the carrier gas flowing in the injection nozzle; And 상기 코팅된 코팅층을 열처리하여 상기 금속간화합물을 형성하는 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.And heat treating the coated coating layer to form the intermetallic compound. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1금속분말의 금속은 알루미늄 또는 그 합금이고, 상기 제2금속분말의 금속간화합물 형성용 금속입자는 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 금속인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The metal of the first metal powder is aluminum or an alloy thereof, and the metal particles for forming the intermetallic compound of the second metal powder are metal selected from the group consisting of titanium, nickel, chromium and iron. Complex formation method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 세라믹분말의 세라믹은 산화물, 탄화물, 질화물 또는 이의 혼합체인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The ceramic of the ceramic powder is an oxide, carbide, nitride or a mixture thereof. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 세라믹은 알루미나 또는 SiC인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The ceramic is a metal-based composite forming method characterized in that the alumina or SiC. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 혼합 분말에 혼합되는 상기 세라믹 입자는 응집 분말로 제공되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The ceramic particles are mixed with the mixed powder is a metal-base composite forming method characterized in that provided as a coagulated powder. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 모재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 주철, 세라믹 또는 수지인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The base material is aluminum, aluminum alloy, cast iron, ceramic or resin, characterized in that the metal-base composite forming method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 코팅단계에서 코팅 효율을 최대 50 %로 유지하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.Method of forming a metal base composite, characterized in that to maintain the coating efficiency up to 50% in the coating step. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1금속분말의 금속은 알루미늄 또는 그 합금이고, 상기 제2금속분말의 금속간화합물 형성용 금속입자는 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 금속이며, 상기 모재에 코팅되는 분말의 속도는 300 내지 500 ㎧인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The metal of the first metal powder is aluminum or an alloy thereof, and the metal particles for forming the intermetallic compound of the second metal powder are one or more metals selected from the group consisting of titanium, nickel, chromium and iron, and are coated on the base material. Method of forming a metal base composite, characterized in that the speed of the powder is 300 to 500 kPa. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 노즐은 스로트를 가지는 수렴-발산형 노즐 또는 수렴-직관형 노즐이고, 상기 혼합분말의 주입은 스로트를 관통하여 위치하는 주입관을 통하여 상기 노즐의 발산 또는 직관 부분에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The nozzle is a convergence-diffusing nozzle having a throat, or a convergent-pipe nozzle, and the injection of the mixed powder is made at the diverging or straight portion of the nozzle through an injection tube positioned through the throat. Metal base complex formation method. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 혼합분말의 노즐로의 주입시 그 주입압력은 90 내지 120 psi인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The injection pressure of the mixed powder into the nozzle, the injection pressure is characterized in that 90 to 120 psi. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 혼합분말의 노즐을 통한 코팅시, 상기 노즐에 공급되는 운반가스의 온도는 280 ± 5 ℃인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.When the coating through the nozzle of the mixed powder, the temperature of the carrier gas supplied to the nozzle is characterized in that the metal-base composite is characterized in that 280 ± 5 ℃. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1금속분말에 대한 상기 제2금속분말의 혼합비 또는 상기 세라믹분말의 혼합비는 모재 표면으로부터 외곽 표면으로 갈수록 농도 구배를 가지는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The mixing ratio of the second metal powder to the first metal powder or the mixing ratio of the ceramic powder has a concentration gradient toward the outer surface from the base material surface. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2금속분말의 입자크기 또는 상기 세라믹분말의 입자크기는 모재 표면으로부터 외곽 표면으로 갈수록 입자크기에 있어서 일정구배를 가지는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The particle size of the second metal powder or the particle size of the ceramic powder has a predetermined gradient in the particle size toward the outer surface from the base material surface. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열처리 단계는 상기 제1금속분말과 제2금속분말의 공융온도 이하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The heat treatment step is a metal-base composite forming method, characterized in that carried out below the eutectic temperature of the first metal powder and the second metal powder. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 제1금속분말의 금속은 알루미늄 또는 그 합금이고, 상기 제2금속분말의 금속간화합물 형성용 금속입자는 티타늄, 니켈, 크롬 및 철로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 금속이며, 상기 열처리 단계는 최소한 500 ℃에서 수행되어지는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.The metal of the first metal powder is aluminum or an alloy thereof, and the metal particles for forming the intermetallic compound of the second metal powder are at least one metal selected from the group consisting of titanium, nickel, chromium and iron, and the heat treatment step is at least Metal base composite forming method, characterized in that carried out at 500 ℃. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 15, 상기 열처리 단계이후에 상기 코팅하는 단계에서 형성된 부분을 모재로부터 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 형성방법.And after the heat treatment step, separating the portion formed in the coating step from the base material. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 코팅층.Metal base composite coating layer, characterized in that formed by the metal base composite forming method of any one of claims 1 to 15. 제17항에 있어서The method of claim 17 상기 코팅층의 두께는 10 ㎛ 내지 1 ㎜인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 코팅층.The thickness of the coating layer is a metal-based composite coating layer, characterized in that 10 ㎛ to 1 mm. 제16항의 금속기지 복합체 형성방법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합체 벌크.The bulk of the metal base composite, characterized in that formed by the metal base composite forming method of claim 16.
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