KR20100114408A - 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 초고속화염 용사코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어베어링 스핀들과 같은 초고속 회전체의 기동 및 정지시 하우징과 순간접촉에 의한 마모를 방지하기 위하여 회전체에 텅스텐 카바이드 계열 합금의 분말을 고속화염 용사코팅방법으로 코팅시 경도를 최적화할 수 있는 용사코팅의 4공정인자에 대하여 다구찌실험계획법에 의하여 최적의 조건을 도출한 것에 관한 것으로, 최적의 4공정인자는 산소공급속도 30FMR, 수소공급속도 53FMR, 용사거리 7inch, 분말공급율 30g/min 인 것을 특징으로 한다.

텅스텐 카바이드, 고속화염 용사코팅, 표면거칠기, 내마모성

Description

텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 초고속화염 용사코팅방법{High Velocity Oxy-Fuel(HVOF) spray coating process of WC-CoCr powder}

본 발명은 텅스텐 카바이드 계열 합금의 분말을 고속화염 용사코팅기술로 인코넬(Inconel)718 기판에 코팅시 최적의 표면특성을 나타내는 용사코팅기술의 4공정인자에 대하여 실험계획법을 이용하여 개발한 것에 관한 것이다.

초고속화염(HVOF : High Velocity Oxy-Fuel) 용사법으로 재료의 표면을 코팅하여 마모나 부식환경 등의 가혹한 분위기하에서 사용되는 부품들의 수명향상을 위한 많은 연구들이 이루어지고 있다.

현재 자동차, 항공기, 선박, 군수품 등 제반산업분야에 이 기술이 응용이 되고 있다.

기존의 기능성 경질크롬도금은 2.5~500㎛의 두께로 금속의 표면에 증착시켜 내마모, 내열 및 내식성 등을 필요로 하는 곳에 널리 사용되어 왔다.

그러나 크롬도금(EHC)은 400℃이상에서는 사용하기 어려운 특성을 가지고 있 을 뿐 아니라 제조 중에 비소나 카드뮴보다 독성이 강한 발암물질인

로 인해 환경문제를 야기할 수 있다.

이러한 크롬을 이용한 표면경화 대신에 WC계 및 Co-alloy 등과 같은 소재를 코팅하는 기술이 주목받고 있다.

본 연구에서는 HVOF 방법으로 내마모 및 내식성이 우수한 WC-CoCr 코팅층을 인코넬 718기판에 코팅하였다.

최적의 코팅 표면특성을 나타내는 코팅을 얻기 위한 최적 용사코팅기술(OCP : Optimal Coating Process)을 3 수준의 4공정인자(수소유속, 산소유속, 용사거리 및 분말공급량)에 대하여 다구찌 실험계획법을 이용하여 개발하였다.

EHC의 대체표면처리법으로의 적용을 위하여 최적공정으로 제조되어진 WC-CoCr코팅, EHC와 Inconel718에 대하여 마찰·마모시험을 하여 그 특성을 비교하였다.

텅스텐 카바이드 계열 합금의 분말을 고속화염 용사코팅 기술로 인코넬718 기판에 코팅시 최적의 표면특성, 즉 최소의 표면거칠기를 나타내는 용사코팅기술의 4공정인자에 대하여 실험계획법에 의하여 최적의 조건을 도출하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 텅스텐 카바이드 계열 합금의 분말을 고속화염 용사코팅방법으로 인코넬718 기판에 코팅시 최적의 표면거칠기를 나타내는 용사코팅의 4공정인자에 대하여 산소공급속도 28FMR(1FMR=12scfh(Standard Cubic Feet per Hour)=0.34m³/h), 수소공급속도 57FMR, 용사거리 8inch, 분말공급율30g/min인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 텅스텐 카바이드 계열 합금이 용사코팅되는 인코넬718기판의 표면거칠기를 최소화하여 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상 세하게 설명하기로 한다.

도 1은 a)와 b)는 WC-CoCr 분말의 확대도, c)는 XRD 결과도이고, 도 2는 WC-CoCr 코팅을 SEM으로 나타낸 것으로서 a)는 단면도, b)는 코팅표면, c)는 XRD이며, 도 3은 표면특성(경도, 기공도, 표면거칠기)과 공정변수들의 상관관계이고, 도 4는 슬라이딩 시간에 따른 마찰계수 값으로서 a)는 WC-CoCr, b)는 EHC, c)는 Inconel718이며, 도 5는 마모흔으로서 a)는 WC-CoCr, b)는 EHC, c)는 Inconel718이고, 도 6은 마모깊이로써 a)는 WC-CoCr, b)는 EHC, c)는 Inconel718이다.

본 발명에서 WC-CoCr코팅되는 기판은 바인더층의 코팅 없이도 강한 접착을 하며 부식환경에서 사용되는 Inconel718소재를 사용하였다.

코팅분말은 표1과 같은 화학조성을 갖는 스프레이 드라잉(Spray Drying)법으로 제조된 도 1과 같은 입도 15~45㎛의 WC-CoCr 상용분말(TAFA 1350VM)을 사용하였다.

코팅공정은 전처리, 용사 그리고 후처리로 하였다.

전처리과정에서는 시편모재(Inconel718)를 아세톤 용액에서 5분간 초음파세척을 한 후 60mesh의 알루미나(Al₂O₃)로 블래스팅(Blasting)처리를 하여 모재와 용사층간의 접착력을 증대시키도록 하였다.

용사공정에서는 3 수준의 4개의 용사인자, 산소와 수소가스 유속, 용사거리 그리고 분말의 공급율에 대하여 다구찌 실험계획법으로 표2와 같은 9가지의 공정으로 용사코팅을 하였다.

표1 WC-CoCr 분말 및 인코넬718의 화학조성비 (wt.%)

성분	W	C	Co	Cr
WC-CoCr	81.3	5.2	9.5	4

성분

C

Mn

Si

Cr

Ni

Co

Mo

Ti

Al

B

Nb

Cu

Inconel718

0.08

0.35

0.35

17~21

50~55

1

2.8~ 3.3

0.65~ 1.15

0.2~ 0.8

0.006

4.75~ 5.5

0.3

표2 시료의 용사조건

	O₂공급속도(FMR)	H₂공급속도(FMR)	분말공급속도(g/min)	용사거리(inch)
1	30	53	25	6
2	30	57	30	7
3	30	61	35	8
4	34	53	35	7
5	34	57	25	8
6	34	61	30	6
7	38	53	30	8
8	38	57	35	6
9	38	61	25	7

용사장비는 JK3500을 사용하였으며 용사시 건스피드(Gun Speed)는 3mm/s로 일정하게 하였고, 용사분말의 캐리어 가스(Carrier Gas)는 180psi의 아르곤을 사용하였다.

시편의 냉각은 외부의 냉각장치 없이 공랭을 하였다.

비교재 시편으로 사용된 크롬도금(이후 EHC)의 기판은 Inconel718을 사용하였고 전처리는 WC-CoCr코팅과 동일하게 처리한 후 통상적으로 사용되고 있는 무수크롬산(CrO₃)용액에서 6가크롬을 전기적으로 환원하는 방식으로 두께30㎛, 표면경도850Hv를 갖는 시편을 제작하였다.

코팅층은 광학현미경, 주사전자현미경, EDS 및 XRD를 이용하여 미세조직과 조성을 분석하였으며, 마이크로 비커스(Micro Vichers) 경도측정기(Hardness tester)로 코팅층 단면중심부에서 9회 측정한 평균값으로 경도값을 산출하였으며, 광학현미경을 사용하여 얻은 코팅층의 조직사진을 영상분석기(image analyzer)를 통해 분석하여 5회의 평균값으로 코팅층의 기공도를 얻었다.

표면거칠기는 연마를 실시하지 않은 상태에서 코팅층 표면의 중심부에서 3회 측정한 평균값으로 산출하였다.

최적용사코팅공정기술(이하 OCP)로 제조된 WC-CoCr코팅층, 크롬도금(EHC)층 그리고 모재인 Inconel718의 마찰·마모의 성능을 비교하기 위하여 왕복구동방식의 마찰마모시험기(TE77 AUTO, Plint & Partners)를 사용하였다.

마모실험은 코팅의 초기 표면거칠기의 영향에 민감하므로 코팅된 시편의 표면을 1㎛의 diamond paste까지 연마하였다.

초고속 스핀들 표면에서 일어나는 마찰조건과 유사하게 하기 위하여 상대재로는 직경 9.525mm인 스테인리스볼(SUS304, 227Hv)을 사용하였다.

마찰·마모시험조건은 상온 및 450℃의 고온에서 무윤활상태로 거리 1.6cm, 2.5Hz 조건하에서 10N의 힘을 가해 10분간 실시하면서 마찰계수를 측정하였고, 마모시험 후 SEM과 Surface Profiler로 마모흔과 마모형태(깊이분포)를 조사하였다.

WC-CoCr분말은 세라믹특성을 가지는 고경도의 WC입자가 바인더역할을 하는 Co와 Cr기지 내에 혼합된 형태이다.

도 1-c와 같이 XRD분석 결과 WC, Co₃W₃C와 적은 양의 Co 결정상이 존재하고 있다.

다양한 크기를 가지는 WC-CoCr분말은 최고 약 3,500℃의 고온화염에 의해 용해 혹은 부분용해되며, 이들 액적(splat)은 최고 약 1,000m/s의 고속으로 기판에 증착된다.

화염의 최고온도 3,500℃는 aCo(-4.7at%C) 용융점 1,321℃, Co용융점 1,495 ℃,

용융점 1,495℃, Cr용융점 1,863℃ 및 δWC 열분해온도 1,250℃, βW₂C와 WC용융점 2,785±10℃보다 높으며, W 용융점 3,422℃와 유사하다.

따라서 접착제 역할을 하는 Co와 Cr은 완전히 용융되어 액적을 형성하며 이들 액적은 1,000m/s의 고속으로 기판표면에 강한 증착을 한다.

도 2와 같이 분말 상태에서 나타나지 않았던 W₂C이 코팅층에서 나타난다.

이는 액적이 고온의 화염속을 0.1~1ms 비행하는 동안 δWC 열분해 온도 1,250℃ 이상에서 약간의 WC가 W₂C로 상분해가 생겼기 때문이다.

WC계 코팅 중 WC-Co코팅에서는 매우 작은 W결정상이 나타나고 있으나 WC-CoCr코팅에서는 W결정상이 나타나지 않았다.

이는 W이 비정질 상으로 존재하기 때문으로 사료된다.

도 2-b에서 보듯이 다공성 코팅이 형성되었다.

이는 WC의 열분해로 생성된 탄소가 화학 양론적으로 초과 주입된 (Excess reagent) 산소와 반응하여 산화탄소 가스를 생성하고, 이들 가스가 코팅층을 통하여 탈출하였기 때문이다.

도 3에 보여진 표면특성과 공정변수들과의 관계에서 WC-CoCr 표면경도는 1,125~1,195 Hv로 일반기계부품에 사용되는 소재보다 2~3배 이상의 높은 경도를 나타내었다.

산소유속 30FMR, 수소유속 53FMR, 용사거리 7inch, 분말공급율 25g/min 일 때 가장 높은 경도를 나타냈다.

용사거리 증가는 분말의 고온노출시간을 증가시키고 WC의 분해를 증가시켜 경도를 감소시킨다.

분말공급율 증가는 분말에 의한 열의 흡수로 분말온도를 낮추어 열분해를 감소시켜 경도를 높이는 효과를 나타낸다.

기공도는 산소의 유속변화에 가장 큰 변화를 보였으며 산소 38FMR, 수소 53FMR, 용사거리 6inch, 분말공급율 25g/min 일 때 가장 치밀한 (기공도 1.5%) 코팅층을 보였다.

표면거칠기(Ra)는 도 3-c와 같이 4.3~5.1㎛의 값을 보였고 기공도와 같이 산소의 유속변화에 가장 큰 변화를 보였으며 산소 38FMR, 수소 57FMR, 용사거리 8inch, 분말공급율 30g/min 일 때 가장 작은 거칠기를 보였다.

표2와 같은 실험계획법으로 제작된 시편의 표면특성분석을 통해 표3과 같은 최적공정을 선정하였으며 기계부품류의 내마모성을 고려하여 경도, 기공도, 표면거칠기 순으로 공정변수의 우선순위를 선정하였다.

표3 최적용사코팅공정

Factor	Unit	최적코팅프로세스(OCP)
		경도	기공도	표면거칠기
O₂공급속도	FMR	30	38	38
H₂공급속도	FMR	53	53	57
스프레이 거리	Inch	7	6	8
분말공급속도	g/min	25	25	30

최적코팅공정은 산소유속 30FMR, 수소유속 53FMR이고 용사거리 7inch, 분말공급율 25g/min이다.

도출된 최적용사코팅공정으로 용사한 WC-CoCr 코팅층을 EHC, Inconel718와 비교평가하였다.

도 4와 같이 WC-CoCr의 마찰계수는 25℃에서 0.33±0.02와 450℃에서 0.26±0.02로써 3 코팅 중에 가장 작게 나타난다.

이는 융점이 1,321~1,863℃로 낮은 금속 Co(9.5%), Cr(4.0%) 및 이들의 고용체가 마모실험에서 취성이 강한 산화물을 형성하고, 이들이 마모되어 고체 및 액체 윤활제 역할을 하기 때문이다.

3 시편 모두 마찰계수는 온도가 25℃에서 450℃로 증가함에 따라 감소하였다.

그 감소는 EHC에서 가장 크고 WC-CoCr에서 가장 작았다.

WC-CoCr는 25℃에서 마찰실험 30s까지는 마찰계수가 0.15로 정상상태 마찰계수의 반 이하이다.

초기 마찰계수가 EHC와 Inconel718에 비해 상대적으로 높은 경도치가 이에 기인하기 때문이다.

정상상태 마모에서는 고경도의 세라믹 WC 입자가 저경도(227Hv)의 상대재 SUS 304와 연삭마모(Abrasive wear)가 주역을 한다.

이때 코팅과 상대재의 금속마모 분말은 윤활제 역할을 하여 코팅의 마찰계수와 마모흔을 작게 만든다.

도 5와 6에서 WC-CoCr코팅의 마모흔(WT)과 마모분말(WD)는 상온과 450℃ 모두에서 다른 시료보다 작게 나타난다.

이는 WC-CoCr 코팅이 다른 시료보다 내마모성이 우수하기 때문이다.

상온에서는 연삭마모에 의하여 생성된 WC-CoCr과 EHC의 WD는 매우 작다.

그러나 Inconel718의 경우 다른 두 코팅과는 달리 깊은 홈(groove)이 형성되었는데, 상대적으로 경도가 낮은 표면경도를 가지는 Inconel718이 기계적 강도항(주도 경도)에 의존하는 연삭마모에 의한 마모분이 제거됨에 따라 발생된 것으로 사료된다.

450℃에서의 WC-CoCr코팅은 WT와 WD가 증가는 하였으나 홈은 생기지 않아 내마모성이 좋은 것으로 판명되었다.

그러나 EHC의 경우 250℃에서는 마모 전에 비해 WD가 평균적으로 양(+)의 값을 가지고 이후 450℃에서 약 60㎛깊이의 홈이 생겼다.

이런 결과는 250℃에서 마모에 의해 생성된 마모입자가 상대재와 시편과의 접촉부분에 온도상승으로 시편표면으로 부착(Adhesion)된 것으로 예상된다.

450℃에서는 접촉부의 온도가 현저히 상승함에 따라 소착이 일어나 마모량이 급격히 커진 것으로 EHC층이 30㎛인 것을 감안한다면 내마모성을 위한 EHC의 특성이 상실되었다 할 수 있다.

Inconel718에는 약 70㎛깊이의 폭이 큰 피트 모양의 홈(groove)이 상온에서보다 약 3배 이상 크게 나타나 WC-CoCr코팅의 필요성을 입증하였다.

금속성인 EHC와 Inconel718은 상온에서보다 450℃에서 WT가 작았으나 WC-CoCr에서는 반대의 현상을 보였다.

이는 금속성인 EHC와 Inconel718은 고온에서 금속산화물이 많이 형성되어 금속산화물 윤활이 크기 때문이다.

반면에 87%가 비금속 세라믹인 WC-CoCr에서는 금속산화물 윤활의 영향은 적 은 반면에 고온에서 표면경도의 감소로 연삭마모가 그리고 두 미끄럼 면간의 접착력 증가로 응착마모(Adhesive wear)가 증가하기 때문이다.

도 1은 a)와 b)는 WC-CoCr 분말의 확대도, c)는 XRD 결과도

도 2는 WC-CoCr 코팅을 SEM으로 나타낸 것으로서 a)는 단면도, b)는 코팅표면, c)는 XRD

도 3은 표면특성(경도, 기공도, 표면거칠기)과 공정변수들의 상관관계

도 4는 슬라이딩 시간에 따른 마찰계수 값으로서 a)는 WC-CoCr, b)는 EHC, c)는 Inconel718

도 5는 마모흔으로서 a)는 WC-CoCr, b)는 EHC, c)는 Inconel718

도 6은 마모깊이로써 a)는 WC-CoCr, b)는 EHC, c)는 Inconel718

Claims (2)

1. 텅스텐 카바이드(WC) 계열 합금의 분말을 초고속화염용사코팅(HVOF) 방법으로 인코넬718 기판에 코팅시 최적의 표면경도 특성을 나타내는 용사코팅의 4공정인자에 있어서,

   산소공급속도 30FMR, 수소공급속도 53FMR, 용사거리 7inch, 분말공급율 25g/min인 것을 특징으로 하는 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 초고속화염 용사코팅방법.
2. 제 1항에 있어서, 용사코팅되는 분말의 조성은 W 81.3 wt.%, C 5.2 wt.%, Co 9.5 wt.%, Cr 4 wt.% 인 것을 특징으로 하는 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 초고속화염 용사코팅방법.

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