KR20070008849A - 부식 및 스케일 방지 특성이 우수한 구조물 및 그의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정 형상의 기재; 및 상기 기재의 적어도 한 면에 형성된 코팅막으로 구성되며, 상기 코팅막은 준결정 합금을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물, 및 그 제조방법에 관한 것으로서,

준결정합금을 코팅막으로 이용함으로써 기재의 부식 및 스케일이 방지될 수 있다.

준결정합금, 부식, 스케일

Description

부식 및 스케일 방지 특성이 우수한 구조물 및 그의 제조방법{A structure having an excellent anti-corrosion and anti-scale characteristics and method for fabricating the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 개략적 사시도이다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 구조물의 개략적 사시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 구조물의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기재 20 : 코팅막

본 발명은 금속재료 등으로 구성된 구조물의 부식 및 스케일을 방지하기 위한 코팅막에 관한 것이다.

금속재료는 열역학적으로 안정한 산화물 상태로 돌아가려는 경향이 강하기 때문에 그 표면에서 부식이 일어나기 쉬우며, 또한 그 표면에너지가 매우 높기 때문에 침수 상태에서 표면에 스케일이 생기기 쉽다.

따라서, 금속재료로 이루어진 소정의 구조물은 시간이 지남에 따라 부식에 의해 기계적 강도가 저하되거나 표면 스케일로 인해 그 성능이 저하되게 된다.

이와 같은 금속재료의 부식 및 스케일 문제를 해결하기 위해서, 금속재료의 표면에 코팅층을 형성시킴으로써, 금속재료와 물, 산소, 전해질 등과의 직접적인 접촉을 차단하여 금속재료의 부식 및 스케일을 방지하기 위한 시도가 있어왔다.

그와 같은 시도 중 하나로 한국특허출원 제2000-85809호, 제1987-9741호, 제2002-7015305호와 같이 금속 재료에 유기 고분자를 코팅하는 방법이 있었다.

그러나, 상기 유기 고분자를 코팅하는 방법은 유기 고분자의 기계적 강도가 약하여 긁힘과 같은 기계적 마찰에 의해 코팅막이 쉽게 박리됨으로써 결국 금속재료의 부식 및 스케일 문제가 다시 발생하게 되었다.

또한, 한국 특허출원 제1998-47743호와 같이 금속재료에 세라믹을 코팅하는 방법이 있었다.

그러나, 상기 세라믹을 코팅하는 방법은 세라믹의 표면에너지가 높아 스케일 방지특성이 충분하지 못한 문제가 있었다.

따라서 금속재료 등을 이용하여 구조물을 형성함에 있어서, 금속재료 등의 부식 및 스케일 방지 특성 면에서 보다 향상된 코팅막이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 이와 같은 요구에 부응하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속재료 등과 같은 기재에 부식 및 스케일 방지 특성이 우수한 코팅막이 도포되어 형성된 구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 금속재료 등과 같은 기재에 부식 및 스케일 방지 특성이 우수한 코팅막을 도포하여 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 소정 형상의 기재; 및 상기 기재의 적어도 한 면에 형성된 코팅막으로 구성되며, 상기 코팅막은 준결정 합금을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물을 제공한다.

이와 같이, 본 발명은 준결정합금을 코팅막으로 적용함으로써, 금속재료 등의 부식 및 스케일을 방지하도록 한 데 그 특징이 있다.

준결정은 결정 및 비정질과는 상이한 구조적, 물리적 특성을 보이는 것으로, 결정학적으로 회전대칭축만을 가지는 특이한 재료이다. 이와 같은 준결정은 1982년 세흐트만에 의해 Al-Mn합금계에서 처음으로 발견된 것으로, 초기에는 준결정 원자구조의 이해와 열역학적인 안정성에 초점을 두어 연구되었지만, 최근에는 물리적 성질 및 화학적 성질 등에 관심을 갖고 연구가 진행되고 있다.

본 발명자는 이와 같은 최근의 준결정에 대한 연구성과에 기초하여, 준결정합금이 금속재료 등의 부식 및 스케일 방지에 효과를 나타낼 수 있을 것으로 생각하여 연구를 진행하였고, 그 결과 종래의 유기고분자 및 세라믹 코팅막에 비하여 탁월한 효과를 나타냄을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

상기 준결정합금 중 부식 및 스케일 방지 효과 면에서 알루미늄계 준결정합금이 바람직하며, 보다 바람직하게는 Al-Cu-Fe계 합금, 또는 Al-Cu-Fe-Si계 합금이다.

여기서, 상기 Al-Cu-Fe계 합금의 질량비는 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20이 바람직하고, 상기 Al-Cu-Fe-Si계 합금의 질량비는 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20, 5≤Si≤15 이 바람직하다.

또한, 상기 코팅막은 알루미늄계 준결정 유사구조를 포함할 수 있다.

준결정이 형성되는 조성의 주위에는 많은 결정상들이 형성되게 되는데, 이들 결정상들은 구조적으로 준결정과 유사하며 많은 경우에 준결정상과 공존하게 된다.

이와 같이 준결정과 유사한 구조를 나타내는 것을 준결정 유사구조라 칭하며, 준결정 유사구조는 준결정을 제조하는 과정에서 생성될 수 있으며 준결정을 기재에 코팅하는 과정에서도 생성될 수도 있다.

따라서 알루미늄계 준결정 유사구조는 알루미늄계 준결정과 유사한 구조를 나타내는 것으로서, 알루미늄계 준결정을 제조하는 과정에서 생성될 수 있으며, 기재에 알루미늄계 준결정을 코팅하는 과정에서 생성될 수도 있다.

상기 기재의 재료로는 금속, 세라믹, 또는 금속과 세라믹의 복합재료가 적용될 수 있다.

또한, 상기 기재의 구조는 판형, 막대형, 봉형, 실린더형, 또는 내부에 소정의 빈공간을 갖는 박스형이 적용될 수 있다.

본 발명은 또한, 준결정합금분말을 준비하는 공정; 소정 형상의 기재를 준비하는 공정; 및 상기 기재의 적어도 한 면에 상기 준결정합금분말을 코팅하는 공정을 포함하여 이루어진 구조물 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 준결정합금분말을 준비하는 공정은 가스분무법, 기계적 합금 법, 멜트-스피닝법 중에서 선택된 방법으로 수행할 수 있다.

또한, 상기 준결정합금분말을 코팅하는 공정은 프레임용사법, 프라즈마용사법, 아크-프라즈마 용사법, 및 HVOF(High-Velocity Oxygen fuel) 용사법 중에서 선택된 용사법으로 수행할 수 있다.

또한, 상기 코팅공정 후에 표면 처리 공정을 추가로 포함할 수 있다.

실시예

이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 개략적 사시도이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 구조물은 기재(10) 및 상기 기재(10) 상에 형성된 코팅막(20)으로 구성된다.

상기 기재(10)는 그 구조가 판형으로 이루어져 있으며, 그 재료는 금속, 세라믹, 금속과 세라믹의 복합재료로 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어진 것이 바람직하지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.

상기 코팅막(20)은 도면에는 상기 기재(10)의 상면에서 형성되어 있지만, 하면, 옆면 등에도 형성될 수 있다.

상기 코팅막(20)은 준결정 합금으로 이루어져 있으며, 알루미늄계 준결정 합금이 바람직하고, 보다 바람직하게는 Al-Cu-Fe계 합금, 또는 Al-Cu-Fe-Si계 합금이다.

상기 Al-Cu-Fe계 합금에서 구성성분의 질량비는 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20이 바람직하다.

상기 Al-Cu-Fe-Si계 합금에서 구성성분의 질량비는 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20, 5≤Si≤15 이 바람직하다.

또한, 상기 코팅막(20)은 알루미늄계 준결정 유사구조물을 포함할 수 있다.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 다른 실시에에 따른 구조물의 개략적 사시도이다. 도 2 내지 도 6에 도시된 구조물은 기재의 구조가 상이한 것을 제외하고, 기재의 재료 및 코팅막의 재료는 도 1에 도시한 구조물과 동일하다. 따라서, 기재의 구조만 설명하고 그 이외 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.

도 2에 도시한 구조물은, 기재(10)의 구조가 적어도 하나의 표면에 굴곡 또는 단차가 형성된 판형으로, 코팅막(20)이 상기 굴곡 또는 단차가 형성된 면에 형성된 모습을 도시한 것이다.

도 3에 도시한 구조물은, 기재(10)의 구조가 막대형이며, 코팅막(20)이 상기 기재(10)의 둘레에 형성된 모습을 도시한 것이다.

도 4에 도시한 구조물은, 기재(10)의 구조가 봉형이며, 코팅막(20)이 상기 기재(10)의 둘레에 형성된 모습을 도시한 것이다.

도 5a 내지 도 5c에 도시한 구조물은, 기재(10)의 구조가 실린더형으로, 도 5a는 코팅막(20)이 실린더의 내부면에 형성된 것이고, 도 5b는 코팅막(20)이 실린더의 외부면에 형성된 것이고, 도 5c는 코팅막(20)이 실린더의 내부면 및 외부면에 형성된 것을 도시한 것이다.

도 6에 도시한 구조물은, 기재(10)의 구조가 내부에 소정의 빈공간을 갖는 박스형이고, 상기 코팅막(20)은 상기 박스형 기재의 내부에 형성된 것을 도시한 것 이다.

도 1 내지 도 6은 다양한 구조의 기재를 도시하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 7은 본 발명에 따른 구조물의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.

도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 구조물은 준결정합금분말을 준비하는 공정(10S); 소정 형상의 기재를 준비하는 공정(20S); 및 상기 기재의 적어도 한 면에 상기 준결정합금분말을 코팅하는 공정(30S)을 포함하여 이루어진다.

상기 준결정합금분말을 준비하는 공정(10S)은 가스분무법, 기계적 합금법, 멜트-스피닝법 중에서 선택된 방법으로 수행하는 것이 바람직하다.

가스분무법은 최종 코팅층의 목적조성이 되도록 칭량된 소정의 재료를 용해시켜 용탕을 만들고, 용탕에 연결된 노즐로부터 흐르는 용융액에 고압의 가스를 충돌시킴으로써 분말을 제조하는 방법이다. 여기서, 고압의 가스로는 아르곤, 질소, 헬륨 등이 사용될 수 있다.

기계적 합금법은 최종 코팅층의 목적조성이 되도록 칭량된 소정의 재료를 볼(Ball)과 함께 원통에서 회전시켜 높은 에너지를 가해 강제적인 고용상태의 비정질 분말을 얻고, 얻어진 분말을 열처리하여 준결정 조성의 분말로 변태(Transformation)시키는 방법이다.

멜트-스피닝법은 최종 코팅층의 목적조성이 되도록 칭량된 소정의 재료를 용해시켜 용탕을 만들고, 용탕에 연결된 노즐로부터 흐르는 용융액을 고속으로 회전하는 스피너(spinner)에 낙하시켜 급속응고시킴으로써 비정질 리본(Ribbon)을 제조 한 후, 제조된 리본을 파쇄 및 열처리하여 준결정 분말로 변태시키는 방법이다.

전술한 바와 같이, 준결정합금은 Al-Cu-Fe계 합금, 또는 Al-Cu-Fe-Si계 합금이 바람직하므로, Al-Cu-Fe계 합금의 경우 구성성분의 질량비를 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20내에서 칭량하면 될 것이고, 상기 Al-Cu-Fe-Si계 합금의 경우 구성성분의 질량비를 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20, 5≤Si≤15내에서 칭향하면 될 것이다.

상기 소정 형상의 기재를 준비하는 공정(20S)은 전술한 바와 같이, 금속, 세라믹, 금속과 세라믹의 복합재료로 이루어진 군에서 선택된 물질을 판형, 막대형, 봉형, 실린더형, 및 내부에 소정의 빈공간을 갖는 박스형 등으로 형성하는 공정으로 이루어진다.

기재의 구조를 다양한 형상으로 형성하는 공정은 압출성형, 가압성형 등 당업계에 공지된 다양한 방법을 이용하여 수행될 수 있다.

상기 기재의 적어도 한 면에 상기 준결정합금분말을 코팅하는 공정(30S)은 프레임용사법, 프라즈마용사법, 아크-프라즈마 용사법, 및 HVOF 용사법 중에서 선택된 용사법으로 수행하는 것이 바람직하다.

용사법은 기재 표면에 분말형태의 코팅재료를 고온의 열원으로 용융 또는 반용시키면서 고속분사하여 기재 표면에 충돌시켜 코팅하는 방법으로 사용되는 열원, 열원의 온도 및 분사속도 등의 차이로 상기와 같이 다양하게 분류될 수 있다.

또한, 도시하지는 않았지만, 상기 코팅공정(30S)후에 코팅막에 표면 처리 공정을 추가로 포함할 수 있다.

상기 표면 처리 공정은 기계적 연마공정을 포함할 수 있다. 기계적 연마공정을 수행하면 표면 질감과 광택이 개선되어 표면 조도를 제어할 수 있다.

이상은 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으며, 이하에서는 구체적인 실험예를 통해 본 발명에 따른 구조물의 부식 및 스케일 방지특성에 대해서 설명하기로 한다.

실험예 1

1. 준결정 분말 제조

Al, Cu, Fe, Si을 목표조성인 Al₅₅Cu₂₅Fe₁₅Si₅의 조성이 되도록 혼합한 후 10Kg 단위로 고주파유도로 용해한 후, 질소 분위기 하에서 가스 분무법을 이용하여 준결정 분말을 제조하였다.

2. 준결정 분말 코팅

제조된 준결정 분말을 분급하여 38∼75㎛의 입자 크기를 가진 분말을 용사용 소재로 사용하여 HVOF 용사법으로 두께 5mm인 SUS 304 기판에 4.5cm ×4.5cm의 면적으로 코팅하였다.

3. 부식 방지 실험

상기 코팅된 SUS 기판을 끓는 5% NaCl 용액에 침지시킨 후 1주일동안 유지하였다. 그 후 질량감소치를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.

4. 스케일 방지 실험

상기 코팅된 SUS 기판을 끓는 3% CaCO₃ 용액에 침지시킨 후 24시간 동안 유 지하였다. 그 후 기판을 꺼내어 증류수로 세척한 후 기판의 표면에 흡착된 스케일의 무게를 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.

실험예 2

상기 실험예 1에서 준결정 분말을 제조함에 있어서, Al, Cu, Fe를 목표조성인 Al₅₅Cu₂₅Fe₂₀의 조성이 되도록 혼합한 것을 제외하고 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 SUS 기판에 준결정분말을 코팅하였으며, 동일한 방법으로 부식 및 스케일 방지 실험을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.

비교예

준결정분말을 코팅하지 않고 SUS기판을 준비한 후, 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 SUS 기판에 대한 부식 및 스케일 방지 실험을 수행하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.

표 1

	실험예 1	실험예 2	비교예
부식(g)	0.005	0.007	0.02
스케일(g)	0.5	0.8	1.7

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 준결정 분말을 코팅한 실험예 1 및 2의 경우가 준결정 분말을 코팅하지 않은 비교예에 비하여 부식 및 스케일 방지 특성이 월등히 우수함을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 금속재료, 세라믹, 또는 금속과 세라믹의 복합재료 등과 같은 기재에 알루미늄 준결정합금과 같은 준결정합금을 코팅함으로 써 상기 기재의 부식 및 스케일이 방지될 수 있다.

Claims (15)

1. 소정 형상의 기재; 및

   상기 기재의 적어도 한 면에 형성된 코팅막으로 구성되며,

   상기 코팅막은 준결정 합금을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물.
2. 제1항에 있어서,

   상기 준결정 합금은 알루미늄계 준결정 합금인 것을 특징으로 하는 구조물.
3. 제2항에 있어서,

   상기 알루미늄계 준결정 합금은 Al-Cu-Fe계 합금, 또는 Al-Cu-Fe-Si계 합금인 것을 특징으로 하는 구조물.
4. 제3항에 있어서,

   상기 Al-Cu-Fe계 합금의 질량비는 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20이고,

   상기 Al-Cu-Fe-Si계 합금의 질량비는 50≤Al≤70, 10≤Cu≤30, 10≤Fe≤20, 5≤Si≤15 인 것을 특징으로 하는 구조물.
5. 제2항에 있어서,

   상기 코팅막은 알루미늄계 준결정 유사구조물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물.
6. 제1항에 있어서,

   상기 기재는 금속, 세라믹, 금속과 세라믹의 복합재료로 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물.
7. 제1항에 있어서,

   상기 기재는 판형, 막대형, 봉형, 실린더형, 및 내부에 소정의 빈공간을 갖는 박스형으로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 구조물.
8. 제7항에 있어서,

   상기 기재는 적어도 하나의 표면에 굴곡 또는 단차가 형성된 판형이고,

   상기 코팅막은 상기 기재의 굴곡 또는 단차가 형성된 면에 형성된 것을 특징으로 하는 재료.
9. 제7항에 있어서,

   상기 기재는 실린더형이고,

   상기 코팅막은 상기 실린더형 기재의 내부면, 외부면, 또는 내부면과 외부면에 형성된 것을 특징으로 하는 구조물.
10. 제7항에 있어서,

    상기 기재는 내부에 소정의 빈공간을 갖는 박스형이고,

    상기 코팅막은 상기 박스형 기재의 내부에 형성된 것을 특징으로 하는 구조물.
11. 준결정합금분말을 준비하는 공정;

    소정 형상의 기재를 준비하는 공정; 및

    상기 기재의 적어도 한 면에 상기 준결정합금분말을 코팅하는 공정을 포함하여 이루어진 구조물 제조방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 준결정합금분말을 준비하는 공정은 가스분무법, 기계적 합금법, 멜트-스피닝법 중에서 선택된 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 구조물 제조방법.
13. 제11항에 있어서,

    상기 준결정합금분말을 코팅하는 공정은 프레임용사법, 프라즈마용사법, 아크-프라즈마 용사법, 및 HVOF 용사법 중에서 선택된 용사법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 구조물 제조방법.
14. 제11항에 있어서,

    상기 코팅공정 후에 표면 처리 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 제조방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 표면 처리 공정은 기계적 연마공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구조물 제조방법.

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