KR20060125714A - 용사 방법 - Google Patents

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히로키 가마쿠라
토시오 사쿠라다
켄이치 야마다
가츠히코 이시바시
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야마다 긴조쿠 보쇼쿠 가부시키가이샤
가부시키가이샤 아이 안도 에프
규슈덴료쿠 가부시키가이샤
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Abstract

금속체에 대하여 플라즈마 용사를 수행함에 있어 방식 효과를 유지하면서 조면화 공정의 작업성의 향상과 용사 비용의 절감을 도모한다. 연삭 공구를 이용하여 피용사체의 표면의 평균 거칠기(Ra)가 2~10㎛의 범위가 되도록 조면화 처리를 수행하고, 용사 재료의 용융 입자가 피용사체의 표면에 부착하였을 때의 용융 입자의 1 입자당 평균 면적이 10000~100000㎛2가 되는 조건으로 용사를 수행함으로써 간편한 공구에 의한 조면화에서도 종래의 블라스트 처리와 가스 화염 용사를 조합한 경우와 동일한 정도의 용사 피막의 밀착력을 얻을 수 있다. 연삭 공구에 의한 조면화에서는 블라스트 처리의 경우와 같은 대형 장치를 필요로 하지 않으며, 휴대 가능한 소형 공구이면 현지 보수에서의 높은 곳의 작업에도 사용할 수 있고, 연삭 가루의 비산도 적어 환경 오염의 우려가 적다.
연삭, 피막, 용사, 분사, 표면 거칠기, 입자 직경, 플라즈마, 블라스트

Description

용사 방법{METHOD OF THERMAL SPRAYING}
본 발명은 금속체의 표면에 방식용 금속 용사 피막을 형성하는 용사 방법, 특히 강 구조물 등의 현지 보수에 적합한 용사 방법에 관한 것이다.
철탑, 교량, 고가 시설, 탱크 등의 강 구조물의 방식 대책으로서 종래 일반적으로 도장 공법이 이용되고 있다. 그러나 이러한 도장 공법은 도장 비용이 비싼 데다가 내구 년수에 한계가 있으며, 아울러 정기적인 개칠이 필요하므로 보수 비용도 비싸다는 문제가 있다. 따라서, 도장 공법을 대신하는 방식 대책으로서, 강재 표면에 용사 피막을 형성하는 공법이 제안된 바 있다. 예컨대 강 구조물의 열악 환경 부위에는 용사를 수행하고, 열악 환경 부위 이외의 부분에 내후성 강을 이용하는 강 구조물의 방식 구조가 특허 문헌 1에 기재되어 있다. 이러한 방식 구조에 의하면, 강 구조물 전체의 내식성이 향상되어 건설 비용이나 보수 비용을 줄일 수 있다고 한다.
또한 혹독한 부식 환경에 장기간 노출되는 해양 구조물에서는 종래 수지 라이닝 피막을 형성하는 공법이 이용되고 있으며, 이 라이닝 피막의 손상 부위를 현지에서 보수하는 방법으로서 용사 공법이 제안된 바 있다. 예컨대 라이닝 피막에 발생한 결함부를 조면화하는 등의 하지 처리를 한 후, 이 결함부를 소요 온도로 예 열하고, 그 후 이 결함부에 고분자 화합물의 분말을 용사하여 보수 피막을 형성시키는 방식용 라이닝 피막의 보수 방법이 특허 문헌 2에 기재되어 있다. 이러한 보수 방법에 의하면, 상온 경화 타입의 도료로 보수하는 종래의 방법에 비하여 수명이 길면서 신뢰성이 높은 현지에서의 보수가 가능해진다고 한다.
용사 피막은 내식성, 내열성, 내마모성 등이 뛰어난 특성을 가지고 있으며, 용사는 강 구조물의 부재인 강재에 한정되지 않고, 각종 소재 및 제품의 표면 개질 기술로서 넓은 분야에서 이용되고 있다. 용사는 용융 혹은 반용융 상태로 가열한 용사 재료를 피용사체에 분사하여 용사 피막을 형성하는 것으로서, 주요한 용사 방법으로서 가스 화염 용사법과 플라즈마 용사법이 있다.
가스 화염 용사법은 산소와 가연성 가스의 연소 불꽃을 이용하여 선형, 막대형 또는 분말형의 용사 재료를 가열하고, 용융 또는 그와 가까운 상태로 하여 피용사체에 분사하여 피막을 형성하는 용사법이다. 이러한 가스 화염 용사법은 조작이 간단하고 설비비, 운전비가 저렴하므로 가장 많이 보급되어 있다.
또한 플라즈마 용사법은 플라즈마 제트를 이용하여 용사 재료를 가열, 가속하고, 용융 또는 그와 가까운 상태로 하여 피용사체에 분사하여 피막을 형성하는 용사법이다. 이러한 플라즈마 용사법은 용사 재료로서 고융점의 세라믹에서 금속, 플라스틱까지 사용할 수 있으며, 대기 분위기, 불활성 분위기 혹은 감압 분위기에서의 용사가 가능하다. 플라즈마 용사의 용사 재료는 주로 분말형이지만, 최근 선형 또는 막대형의 용사 재료를 이용한 플라즈마 아크 토치가 특허 문헌 3~5에서 제안된 바 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개 2001-89880호 공보
특허 문헌 2 : 일본특허공개 2002-69604호 공보
특허 문헌 3 : 일본특허공개 평 5-80273호 공보
특허 문헌 4 : 일본특허공개 평 6-39682호 공보
특허 문헌 5 : 일본특허 제3261518호 공보
그런데, 용사를 수행함에 있어서는 피용사체에 대한 전처리로서 피용사체 표면의 도료나 도금 피막, 산화물 등을 제거함과 동시에 표면을 조면화(粗面化)하는 공정이 필요하다. 피용사체 표면을 조면화함으로써 용사 입자가 조면화된 표면의 요철에 기계적으로 맞물려 용사 피막과 피용사체간 밀착도가 향상되는 소위 앵커 효과가 발생한다. 이 조면화는 일반적으로 블라스트 처리라 일컬어지는 방법에 의해 수행되고 있다. 블라스트 처리에는 몇 가지 방식이 있는데, 일반적으로 수행되고 있는 것은 압축 공기를 이용하여 천연 광물, 인조 광물, 금속 그리트, 비금속 그리트, 컷팅 와이어 등을 피용사체에 투사하여 표면에 소지를 노출시킴과 동시에, 표면에 불규칙한 미소 요철을 형성하는 방법이다.
이러한 블라스트 처리를 수행하려면 블라스트재용 호퍼, 탱크, 공기 압축 장치, 압축 공기 배관, 블라스트재 공급관, 토치, 블라스트재 회수 장치, 집진 장치 등 대형 장치가 필요하다. 강 구조물 등의 재료 가공 공장에 이들 장치를 설치하고, 재료 가공 단계에서 블라스트 처리를 수행하고, 블라스트 처리 후에 용사를 실시한 재료를 건설 현장으로 운반하여 강 구조물 등을 조립하는 건설 공정의 경우에는, 블라스트 처리의 실시에 이렇다할 문제는 없다. 그러나, 현지 보수의 경우에는, 비용면, 작업면 및 환경면에서 보았을 때 문제가 커 실시에는 커다란 어려움이 따른다. 보수 현장에서 블라스트 처리를 수행하기 위하여 상기한 장치 일체를 보수 현장에 갖추기는 어렵다. 또한 대형 구조물의 현지 보수의 경우에는 높은 곳의 작업이 되는 경우가 많은데, 필요한 장치를 높은 곳에 설치하기도 어렵다. 또한, 처리시의 블라스트재의 회수나 발생하는 분진의 집진이 곤란하고, 비산하는 블라스트 재나 분진으로 인해 작업 환경이 악화되어 환경을 오염시킨다는 문제가 있다.
따라서, 현지 보수에서 용사를 수행하는 경우에는 실제로 블라스트 처리를 수행할 수 없으므로, 블라스트 처리를 대신하는 조면화 방법을 강구할 필요가 있다. 또한 재료 가공 공장에서 블라스트 처리를 수행하는 경우에도 작업 환경의 악화는 피할 수 없으므로, 블라스트 처리를 대신하는 조면화 방법을 적용할 수 있다면 더할 나위 없이 좋다.
본 발명이 해결해야 할 과제는, 금속체에 대하여 금속 용사 재료를 용사하여 방식용 용사 피막을 형성함에 있어, 실용상 충분한 용사 피막과 피용사체간 밀착력이 얻어지는 피용사체의 조면화 조건과 용사 조건을 밝혀내어 방식 효과를 유지할 뿐더러 조면화 공정의 작업성의 향상과 용사 비용 감소를 도모하는 데 있다.
본 발명자들은 용사의 전처리로서의 피용사체의 조면화 조건과 용사 조건이 용사 피막과 피용사체간 밀착력에 미치는 영향에 대하여 예의 검토하고, 비교적 간단한 공구를 이용하여 조면화한 피용사체라도 특정한 용사 조건으로 용사함으로써 실용상 충분한 용사 피막의 밀착력을 얻을 수 있다는 깨달음을 얻어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉 본 발명에 따른 용사 방법은, 금속체에 대하여 금속 용사 재료를 용사, 특히 플라즈마 용사법에 의해 용사하여 방식용 용사 피막을 형성하는 용사 방법으로서, 연삭 공구를 이용하여 피용사체의 표면의 평균 거칠기(Ra)가 2~10μm의 범위가 되도록 조면화 처리를 수행하는 공정과, 용사 재료의 용융 입자가 피용사체의 표면에 부착되었을 때의 상기 용융 입자의 1 입자당 평균 면적이 10000~100000μm2 가 되는 조건으로 용사를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 플라즈마 용사 장치로서 선형 또는 막대형의 금속 용사 재료를 이용하는 용사 장치를 사용하는 것이 바람직하고, 또한 상기 금속 용사 재료로서 알루미늄 합금, 더욱 바람직하게는 알루미늄-마그네슘 합금을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 용사 후의 피막에 봉공 처리를 수행하는 공정을 포함시킬 수도 있다.
도 1A는 플라즈마 용사 장치로 용사하는 경우의 용사 피막의 적층 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 1B는 가스 화염 용사 장치로 용사하는 경우의 용사 피막의 적층 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 1C는 가스 화염 용사 장치로 용사하는 경우로서, 표면 거칠기가 큰 경우의 용사 피막의 적층 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에서 사용한 연삭 공구의 일례를 도시한 사시도이다.
도 3은 실시예에서 사용한 플라즈마 용사 장치의 요부의 구조를 용사 상태 하에서 도시한 도면이다.
<도면 부호의 설명>
1 : 연삭 공구 2 : 롤러
3 : 샌드 페이퍼 4 : 강재
5 : 용사 피막 6 : 플라즈마 용사 장치
7 : 플라즈마 토치 8 : 전극
9 : 노즐 10 : 후벽부
11 : 둘레벽 12 : 테이퍼진 원통부
13 : 유입구 14 : 와이어
15 : 공급 장치 16 : 가이드 부재
17 : 압출 롤러 18 : 직류 전원 장치
19 : 외주 노즐 20 : 출구
21 : 용융 입자
본 발명에서 용사의 대상으로 하는 것은 금속체이다. 용사 자체는 비금속체에도 적용되는 것이지만, 본 발명에서는 플라즈마 용사를 전제로 하며, 금속 구조물의 방식 기능의 강화와 보수 비용의 절감을 목적으로 하여 금속 구조물 혹은 그 부재에 대하여 금속 용사 피막을 형성하는 용사 방법을 채용한다.
본 발명에서, 용사의 전처리로서의 조면화 처리는 연삭 공구를 사용하여 수 행한다. 여기서 말하는 연삭 공구란 디스크 형태나 벨트 형태의 기재에 연마용 입자를 고착한 전동 공구, 휠의 외주면에 플랩이나 와이어를 심은 전동 공구 등을 말하며, 이들 공구류는 휴대 작업 가능한 소형인 것도 있으므로, 특히 현지 보수시에는 적합하게 사용할 수 있다. 이러한 연삭 공구를 사용하여 피용사체의 표면을 연삭하면, 표면에 다수의 평행한 선형 자국이 생긴다. 연삭 공구를 일정 방향으로 이동시키면 선형 자국은 일정 방향이 되며, 이동 방향을 교차시키면 선형 자국도 교차한다. 블라스트 처리의 경우와 같은 다수의 요철을 형성시키려면 연삭 공구의 이동 방향을 교차시키는 것이 바람직한데, 본 발명의 조면화 처리는 일정 방향의 선형 자국에서도 충분한 밀착력을 얻을 수 있다. 한편, 선형 자국을 교차시키는 경우의 교차 각도는 몇 도이어도 좋으나, 바람직하게는 교차 각도는 60~90도로 한다.
이러한 조면화 처리에 의해 얻어지는 표면 거칠기는 평균 거칠기(Ra)가 2~10μm, 보다 바람직하게는 5~8μm의 범위가 가장 바람직하다. 또한 최대 거칠기(Rz)가 20~100μm, 거칠기의 피크 카운트 값(RPc)이 30~100의 범위인 것이 바람직하다. 표면 거칠기가 상기한 범위이면 용사시에 용융 입자가 조면에 충돌하였을 때 표면에 빈틈없이 퍼져서 조면에 맞물려 들어가는 앵커 효과가 강해진다.
표면 거칠기의 평균 거칠기(Ra)가 2μm보다 작으면 충분한 앵커 효과가 얻어지지 않고, 용사 피막의 밀착력이 낮아진다. 평균 거칠기(Ra)가 10μm보다 큰 경우에는, 용사 피막의 밀착력이라는 점에서는 오히려 바람직하지만, 이러한 조면을 생성시키려면 연삭 공구에 사용하는 연마용 입자의 입자 직경을 크게 할 필요가 있 으며, 연삭 저항이 커져 연삭 공구를 조작하는 작업자의 부담이 커지므로 실제적이지 않다. 또한 표면 거칠기가 극단적으로 커지면, 용해 금속이 조면 표면을 충분히 편평하게 완전히 퍼지지 않아 표면과 용융 입자 사이에서 빈틈이 발생하여 반대로 용사 피막의 밀착력이 저하된다.
최대 거칠기(Rz)가 20μm보다 작으면 적절한 평균 거칠기를 얻는 데 균질한 표면 거칠기로 할 필요가 있어, 상기와 같은 연삭 공구를 사용한 조면화 처리가 곤란해진다. 최대 거칠기(Rz)가 100μm보다 크면 연삭 입자 지름이 큰 연삭 공구가 필요해지는데, 큰 연삭 입자는 소모가 빠르기 때문에 균질한 시공을 수행하기가 어려워 작업성이 저하된다. 거칠기의 피크 카운트 값(RPc)이 30보다 작으면 요철의 수가 적어 작은 평활 부분이 많이 존재하게 되어 용융 입자의 밀착력이 저하된다. 반대로 피크 카운트 값(RPc)이 100보다 크면, 요철의 간격이 지나치게 작아져 용융 입자가 표면에 충분히 빈틈없이 융합되지 않고 빈틈을 발생시켜 용융 입자의 밀착력이 저하된다.
본 발명에서는 용사 장치로서 플라즈마 용사 장치, 바람직하게는 선형 또는 막대형의 금속 용사 재료를 이용하는 용사 장치를 사용한다. 이러한 용사 장치 자체는 특허 문헌 3~5에 기재되어 있는 바와 같이 공지로서, 본 발명에서도 공지의 용사 장치를 이용할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 플라즈마 용사 장치를 사용하여 용사 재료의 용융 입자가 피용사체의 표면에 부착되었을 때의 용융 입자 1 입자 당 평균 면적이 10000~100000μm2가 되도록 용사를 수행하는 것을 조건으로 한다.
선형 또는 막대형의 금속 용사 재료를 이용하는 플라즈마 용사 장치로 용사하는 경우, 도 1A에 도시한 바와 같이 용융 입자는 피용사체(S)의 표면에 충돌하여 편평하게 적층되는데, 복잡한 형상으로 적층되기 때문에 개개의 용사 피막(m)끼리의 밀착력이 높아져, 전체적인 용사 피막(M)의 밀착력도 높아진다. 또한 용사 재료의 용융 입자가 피용사체의 표면에 부착되었을 때의 용융 입자 1 입자당 평균 면적이 10000~100000μm2가 되도록 용사를 수행함으로써, 피용사체 표면의 온도가 상승하여 피용사체 표면에 대한 용적의 젖음성이 향상된다.
한편, 가스 화염 용사 장치로 용사하는 경우에는 도 1B에 도시한 바와 같이 초기의 용융 입자가 피용사체(S)의 표면의 오목부를 메운 형태가 되어, 개개의 용사 피막(m)은 얇은 비늘 조각이 되기 때문에 피막면은 평활해지고, 그 위에 적층되는 피막과의 밀착력이 낮아져 전체적으로 용사 피막(M)의 밀착력이 낮아진다는 문제가 있다. 따라서, 가스 화염 용사 장치로 용사하는 경우에는 블라스트 처리에 의한 조면화의 경우와 동일한 정도의 거칠기의 표면 요철이 필요해진다. 표면 거칠기가 큰 경우에는, 도 1C에 도시한 바와 같이 얇은 비늘 조각 개개의 용사 피막(m)은 피용사체(S)의 표면의 요철면을 따라 형성되어, 순차적으로 적층되는 용사 피막(m)끼리의 밀착력의 저하가 억제되므로, 전체적인 용사 피막(M)의 밀착력은 충분해진다.
본 발명에서는 전처리에 의해 평균 거칠기(Ra)를 2~10μm로 한 피용사체 표면에 대하여 플라즈마 용사를 수행하는 것인데, 이 때의 용사 재료의 용융 입자가 피용사체 표면에 부착되었을 때의 용융 입자 1 입자당 평균 면적이 10000~100000μm2가 되는 조건으로 용사를 수행함으로써, 도 1A에 도시한 바와 같은 개개의 용사 피막의 적층이 얻어지고, 전체적으로 높은 용사 피막의 밀착력이 얻어진다. 용융 입자 1 입자당 평균 면적이 상기 범위보다 지나치게 작거나 커도 개개의 용사 피막 사이에 빈틈이 생겨 피용사체 표면의 온도를 충분히 상승시킬 수 없어 충분한 용사 피막의 밀착력이 얻어지지 않게 된다. 가스 화염 용사의 경우의 용융 입자 1 입자당 평균 면적은 수 백~수 천μm2이고, 아크 용사 피막에서는 용융 입자 1 입자당 평균 면적은 수 백~수 천μm2로서 가스 화염 용사의 경우보다 약간 큰 용융 입자를 포함하고 있는데, 피용사체 표면의 평균 거칠기(Ra)가 2~10μm 정도에서는 충분한 용사 피막의 밀착력이 얻어지지 않는다.
상기한 조면화 처리와 표면 거칠기 및 용사 조건 이외에는 특별히 한정되는 요건은 없다. 용사 피막의 두께는 요구되는 방식 성능에 따라 50~200μm의 범위에서 적절한 두께를 선정하면 좋다. 용사 재료로서의 금속은 종래 공지의 알루미늄, 아연, 구리, 코발트, 티타늄 등 및 이들 합금 등 각종 금속을 이용할 수 있다. 이들 중에서 희생 양극 작용을 충분히 발휘한다는 점에서는 알루미늄 또는 알루미늄-마그네슘 합금이나 아연 알루미늄 합금 등의 알루미늄 합금이 특히 적합하다. 또한 용사 피막 형성 후에는 봉공 처리를 수행하여도 좋다. 특히 현지 보수의 경우에는 용사 후 가능한 한 신속하게 봉공 처리를 수행하는 것이 좋다. 봉공재로서는 종래 공지의 수지류나 유기 약품류를 이용할 수 있다.
이하, 본 발명의 용사 방법을 강 구조물의 현지 보수에 적용한 실시예에 대하여 주요 공정 순으로 설명한다. 여기서는 이미 설치된 강 구조물은 아연 도금 강재 상에 도장이 실시된 구조물로서, 국부적으로 도장이 박리되고 아연 도금이 부식된 부분을 용사에 의해 보수하는 경우를 예로 들어 설명한다.
〔조면화 처리 공정〕
도 2는 본 실시예에서 사용한 연삭 공구의 일례를 도시한 사시도이다.
이 연삭 공구(1)는 연삭 롤러식 샌더라는 전동식 연삭 공구로서, 롤러(2)에 샌드 페이퍼(3)를 부착하고, 그 회전에 의해 강재의 손상 부위의 표면 연삭을 수행하는 것이다. 샌드 페이퍼(3)에는 입도 번호 #20~#40(평균 입자 직경 1000~425μm)의 탄화 규소나 알루미나 등의 연마용 입자가 수지 결합재에 의해 고착되어 있다. 이 연삭 공구(1)에 의해 강재 표면을 연삭함으로써 도장과 도금의 손상 부분이 연삭되고, 강재 표면은 평균 거칠기(Ra)가 5~8μm 정도인 거친 면이 된다. 한편, 연삭 공구로는 연삭 롤러식 샌더 이외에도 벨트 샌더나 디스크 샌더, 플랩 휠, 회전 브러시 등을 적당하게 사용할 수 있다.
〔용사 장치〕
도 3은 본 실시예에서 사용한 플라즈마 용사 장치의 요부의 구조를 용사 상태 하에서 도시한 도면이다.
플라즈마 용사 장치(6)의 플라즈마 토치(본체부의 내부 구조는 생략하였음)(7)의 전극(8)은 노즐(9)의 절연성을 갖는 후벽부(10)로부터 끝쪽으로 돌출되어 설치되어 있다. 노즐(9)은 후벽부(10)에 접속된 원통형의 둘레벽(11)과, 둘레벽 (11)의 끝쪽에 설치되며, 끝쪽을 향하여 단면 외형이 급격하게 축소되는 원뿔형 테이퍼진 원통부(12)를 가지고 있다. 둘레벽(11)에는 노즐(9) 내에 플라즈마 가스를 둘레 방향을 따라 유입시키는 유입구(13)가 복수 곳에 형성되어 있다. 플라즈마 가스는 질소, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스를 단독으로 또는 혼합한 것을 사용할 수 있다.
노즐(9)의 테이퍼진 원통부(12)의 외주부에는 외주면을 따라 노즐(9)의 중심선의 끝쪽으로 가스를 분출하는 외주 노즐(19)이 설치되어 있다. 가스로는 공기, 질소, 아르곤, 헬륨 등이 사용된다. 또한 외주 노즐(19)의 외측에는 노즐(9)의 중심선의 끝쪽으로서 가스의 분출부보다 베이스측에 용사 재료로서의 Al-Mg 합금 와이어(14)를 송출하는 공급 장치(15)가 설치되어 있다. 공급 장치(15)는 가이드 부재(16) 및 압출 롤러(17)를 구비하고 있다.
전극(8)은 직류 전원 장치(18)의 마이너스 극에 접속되고, 와이어(14)는 직류 전원 장치(18)의 플러스 극에 접속되어 있다. 직류 전원 장치(18)는 30~200V 정도의 직류 전압 및 50~500A 정도의 직류 전류를 공급할 수 있다. 또한 직류 전원 장치(18)는 단시간에 약 3000V의 고전압을 가하는 것이 가능하다.
〔용사 공정〕
플라즈마 용사 장치(6)의 노즐(9)의 중심선이 피용사체인 강재(4)의 표면에 대하여 수직이 되도록 플라즈마 용사 장치(6)를 배치한다.
플라즈마 용사 장치(6)의 유입구(13)로부터 플라즈마 가스를 유입시키면, 플라즈마 가스가 둘레벽(11)을 따라 선회류를 발생시킨다. 이 상태에서 직류 전원 장치(18)에 의해 3000V 전압을 가하면, 전극(8)과 와이어(14) 사이에 스파크 방전이 발생한다. 플라즈마 가스는 선회하여 중심 부분의 압력이 저하되어 있으며, 스파크 방전에 의해 이 중심 부분의 플라즈마 가스를 우선적으로 방전한다. 스파크 방전이 발생하면, 전극(8)과 와이어(14) 사이의 플라즈마 가스가 이온화되어 전기 해리 상태를 만들어 직류 전류가 흐르게 된다. 플라즈마 가스 내를 직류 전류가 흐름으로써 가스의 플라즈마화가 더욱 진행되고 플라즈마 아크류가 형성된다. 플라즈마 아크류는 선회류에 의해 감압되어 있는 플라즈마 가스의 중심 부분을 따라 흐르고, 플라즈마 가스는 이 플라즈마 아크류에 의해 가열되어 노즐(9)의 출구(20)로부터 플라즈마 화염으로서 세차게 내뿜어진다
와이어(14)의 끝단부는 플라즈마 아크류에 의해 급격하게 가열되어 용융된다. 용융된 와이어(14)는 용융 입자(21)가 되고, 플라즈마 화염에 의해 강재(4)측으로 날아간다. 플라즈마 가스는 불활성 가스를 이용하고 있으므로, 용융 입자(21)에 닿는 산소의 양이 적어져, 형성되는 용사 피막(5)의 산화가 방지된다. 또한 끝단부가 용융되어 없어진 와이어(14)는 끝단이 노즐(9)의 중심선과 일치하도록 압출 롤러(17)에 의해 끝쪽으로 이동된다. 외주 노즐(19)은 압축한 가스를 후방으로부터 유입시켜, 전방으로부터 원뿔형으로 분출한다. 가스를 용융 입자(21)에 외주측으로부터 분사함으로써 용융 입자(21)가 미세화되어 용사 피막(5)의 형성에 가장 적합한 크기가 된다. 미세화된 용융 입자(21)는 강재(4)의 표면에 충돌하여 편평해지며, 이 용융 입자(21)가 다수 적층, 결합하여 냉각됨으로써 용사 피막(5)이 형성된다.
〔밀착력 측정 결과〕
본 발명의 용사 방법에 의한 효과를 확인하기 위하여, 피용사체 표면의 조면화를 블라스트 처리로 수행한 경우와 연삭 처리로 수행한 경우에 대하여 공지의 가스 화염 용사 장치와 도 3에 도시한 플라즈마 용사 장치로 각각 용사를 수행하였을 때의 조면화 처리 후의 표면 거칠기 및 용사 피막의 밀착력을 측정하였다. 측정 결과를 표 1에 나타내었다. 한편, ISO(lnternational organization for standardization; 국제 표준화 기구) 2063의 해설에서는, 실용상 충분한 밀착력은 4.5N/mm2 이상이라고 되어 있다. 본 실시예에서는 이 수치를 채용하여 밀착력의 필요값으로 하였다.
Figure 112006024096113-PCT00001
주) 밀착력의 측정은 JIS H8661에 준거한 엘코미터를 이용하여 수행하였다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 가스 화염 용사의 경우에는 조면화 처리로서 블라스트 처리를 수행하여 표면 거칠기(Ra)가 20μm 정도이면 용사 피막의 밀착력은 6~7N/mm2 정도가 되어 충분한 밀착력이 얻어지는데, 연삭 처리에 의해 표면 거칠기(Ra)가 15μm 미만인 거칠기밖에 얻어지지 않을 때에는 용사 피막의 밀착력이 4N/mm2 이하가 되어 실용적인 밀착력을 얻을 수 없다. 일반적으로 블라스트 처리의 경우의 표면 거칠기(Ra)는 15~40μm 정도이며, 가스 화염 용사에서는 6~7N/mm2 정도의 밀착력이 얻어진다. 이에 대하여 플라즈마 용사의 경우에는 연삭 처리에 의한 표면 거칠기(Ra)가 2~10μm인 범위에서도 용사 피막의 밀착력은 6~7N/mm2이 되어 충분한 밀착력이 얻어진다. 단, 표면 거칠기(Ra)가 2μm 미만이면 밀착력이 낮아지므로 실용적으로 바람직하지 않다.
이상 본 발명의 용사 방법을 금속체로서 강 구조물을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 용사 방법은 강 구조물을 포함하는 각종 금속 구조물 및 그 부재의 방식에 적용할 수 있다. 또한 금속 용사 재료의 재질이나 용사 조건을 적당히 선정함으로써 금속체 이외의 구조물이나 부재에도 응용이 가능하다.
용융 입자가 피용사체 표면에 부착되었을 때의 1 입자당 평균 면적이 소정의 범위가 되는 조건으로 플라즈마 용사를 수행함으로써 피용사체 표면의 온도가 상승하여 피용사체 표면에 대한 용적의 젖음성이 향상된다. 이에 따라 블라스트 처리의 경우보다 조면화 정도가 낮아지는 연삭 공구에 의한 조면화에서도 블라스트 처리와 가스 화염 용사를 조합한 경우와 동일한 정도의 용사 피막의 밀착력을 얻을 수 있다. 연삭 공구에 의한 조면화에서는 블라스트 처리의 경우와 같이 대형 장치를 필요로 하지 않고, 휴대 가능한 소형의 공구이면 현지 보수에서의 높은 곳의 작업에도 사용할 수 있고, 연삭 가루의 비산도 적어 환경 오염의 우려도 적다. 또한 플라즈마 용사법 대신 아크 용사법을 이용하여 용융 입자의 1 입자당 평균 면적이 10000~100000μm2가 되는 조건으로 용사를 수행할 수 있으면 상술한 것과 동일한 작용, 효과를 얻을 수 있다.

Claims (12)

  1. 금속체에 대하여 금속 용사 재료를 용사하여 방식용 용사 피막을 형성하는 용사 방법으로서,
    연삭 공구를 이용하여 피용사체의 표면의 평균 거칠기(Ra)가 2~10μm의 범위가 되도록 조면화 처리를 수행하는 공정과,
    용사 재료의 용융 입자가 피용사체의 표면에 부착되었을 때의 상기 용융 입자의 1 입자당 평균 면적이 10000~100000μm2이 되는 조건으로 용사를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용사로서 플라즈마 용사법을 이용하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 플라즈마 용사 장치로서 선형 또는 막대형의 금속 용사 재료를 이용하는 용사 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 용사 재료로서 알루미늄 또는 알루미늄-마그네슘 합금이나 아연 알루미늄 합금 등의 알루미늄 합금을 이용하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 금속 용사 재료로서 알루미늄 또는 알루미늄-마그네슘 합금이나 아연 알루미늄 합금 등의 알루미늄 합금을 이용하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 용사 재료로서 알루미늄 또는 알루미늄-마그네슘 합금이나 아연 알루미늄 합금 등의 알루미늄 합금을 이용하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 용사 피막 형성 후에 봉공 처리를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  8. 제 2 항에 있어서, 용사 피막 형성 후에 봉공 처리를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  9. 제 3 항에 있어서, 용사 피막 형성 후에 봉공 처리를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 용사 피막 형성 후에 봉공 처리를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 용사 피막 형성 후에 봉공 처리를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
  12. 제 6 항에 있어서, 용사 피막 형성 후에 봉공 처리를 수행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 방법.
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