KR20110105391A - 내마모 코팅 시스템 및 방법 - Google Patents

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아킬 아마드
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Abstract

금속 기재(12) 상에 내마모 코팅(14)을 형성하기 위한 방법은 피막(16)을 형성하기 위해 금속 기재(12) 상에 금속합금을 증착시키는 단계와, 피막(16)을 거칠게 마무리하여 피막(16)에 약 50 마이크로-인치 내지 약 150 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 제공하는 단계와, 피막(16)을 경화작업하여 내마모 코팅(14)과 경화영역(18)을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 경화영역(18)은 금속 기재(12)의 경도보다 큰 경도를 가진다. 내마모 코팅 시스템(10)은 금속 기재(12)와, 금속 기재(12) 상에 배치되고 또한 금속합금을 포함하는 내마모 코팅(14)을 포함한다. 상기 내마모 코팅(14)은 약 -40℃ 내지 50℃의 주위온도에서 바닷물로부터의 부식에 대해 저항성이 있다.

Description

내마모 코팅 시스템 및 방법{WEAR-RESISTANT COATING SYSTEM AND METHOD}
본 출원은 2009년 1월 8일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/143,186호를 우선권 주장한다.
본 발명은 내마모 코팅 시스템 및 금속기재 상에 내마모 코팅을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.
해양 굴착선(반잠수형 굴착선:offshore drilling rigs)들은 종종 파인성(波因性:wave-induce ) 흔들림을 보상하기 위하여 직동(直動:direct-acting) 텐션너(tensioner)를 포함한다. 상세히 설명하면, 직동 텐션너는 파인성 흔들림을 지속적으로 약화시켜 굴착선의 균형을 잡아주는 거대한 유압 실린더들을 포함할 수 있다.
유압 실린더들은 일반적으로 굴착선의 테크(deck) 아래, 즉 비말대(물보라대, splash zone)에 설치되어, 종종 공기로 운반되는 소금 물보라(airborne salt spray), 바닷물, 얼음, 이동하는 케이블들, 및/또는 쓰레기들로부터 기인하는 극히 부식성이고 또한 마모를 야기하는 환경에 노출된다. 부가적으로, 유압 실린더들은 사용기간 동안에 마모를 야기하는 수 천번의 위치변위를 겪을 수 있어서, 다수의 유압 실린더 밀봉부분에 대해 마찰이 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 유압 실린더들은 뛰어난 견고성과, 내마모성(wear-resistance)과, 내부식(corrosion-resistance)을 가져야만 한다.
금속기재(metal substrate) 상에 내마모성 코팅을 형성하는 방법은 금속기재 상에 금속합금을 증착하여(depositing) 피막(cladding)을 형성하고, 상기 피막을 거칠게 마무리하여(rough finishing) 약 50 마이크로-인치 내지 약 150 마이크로-인치의 거칠기(Ra)를 가지는 피막을 제공하는 것을 포함한다. 방법은 또한 상기 피막을 경화시켜 내마모 코팅과 경화영역을 형성하는 작업을 더 포함하는데, 상기 경화영역은 금속기재의 경화도보다 큰 경화도를 가진다.
내마모 코팅 시스템은 금속기재와, 금속기재 상에 증착되는 내마모 코팅을 포함한다. 또한, 내마모 코팅은 금속합금을 포함하고, 금속기재의 경화도보다 큰 경화도를 가지는 경화영역을 가진다. 부가적으로, 내마모 코팅은 실질적으로 약 -40℃ 내지 50℃의 주위온도에서 바닷물로부터 내부식성을 가진다.
다른 변형예에서, 내마모 코팅 시스템은 강철기재와 강철기재 위에 배치되는 내마모 코팅을 포함한다. 내마모 코팅은 니켈과 크롬중 적어도 하나를 포함하고, 적어도 0.025인치의 두께를 가진다. 내마모 코팅 시스템은 실질적으로 약 -40℃ 내지 50℃의 주위온도에서 바닷물로부터 내부식성을 가진다. 부가적으로, 경화영역은 적어도 0.005인의 두께와, 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)와, 그리고 비커스 경도율(Vickers hardness scale)로 약 392HV30 내지 698HV30의 경도를 가진다.
본 발명의 상기 특징 및 장점들과 다른 특징 및 장점들은 첨부도면과 함께 본 발명을 실시하기 위한 최고의 모드인 상세한 설명으로부터 명확히 알 수 있다.
본 발명의 내마모 코팅들은 훌륭한 내부식성을 보이는 한편 훌륭한 경도를 가진다. 그리고, 본 발명의 내마모 코팅들을 형성하기 위한 경화작업은 내부식성을 저하시키지 않는다. 경화작업은 본 발명의 내마모 코팅에 훌륭한 경도, 내마모성 및 내부식성의 조합을 제공한다.
도 1은 금속기재 상에 배치되는 내마모 코팅을 포함하는 내마모 코팅 시스템의 개략적인 확대 단면도.
도 2는 예1 및 2의 내마모 코팅과 비교예 3 내지 5의 피막의 비커스 경도와 두께 간의 관계를 보여주는 그래프.
동일한 참조번호들이 동일한 부품들을 나타내는 도면들을 참조하여, 금속 기재 상에 내마모 코팅을 형성하는 방법을 설명한다. 상기 방법은 도 1에서 참조번호 10으로 표시되는 내마모 코팅시스템을 형성하는데 유용할 수 있다. 상기 방법과 내마모 코팅시스템은 아래에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이 금속 기재(12)의 경화, 내마모 및 내부식을 최적화할 수 있다. 이와 같이, 방법과 내마모 코팅시스템(10)은 유압시스템과 부품들, 예컨대 해양 굴착선 텐셔너(tensioner)를 위한 유압실린더와 같은 응용에 유용할 수 있다. 그러나, 방법과 내마모 코팅시스템(10)은 또한, 한정하고자 하는 것은 아니지만 제강공장(steel mills), 공작기계(machine tool) 및 차량들과 같은 다른 응용에 유용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 내마모 코팅시스템(10)은 금속 기재(12)를 포함한다. 금속 기재(12)는 강철 기재(steel substrate)와 같은 철을 함유한 제품(ferrous)일 수 있고, 및/또는 탄소강(carbon steel), 합금강(alloy steel), 스테인레스강(stainless steel), 공구강(tool steel), 주철(cast iron), 및 이들의 조합 형태로 형성될 수 있다. 한 변형에서, 금속 기재(12)는 유압실린더 로드(rod)로서 구성될 수 있다. 유압실린더 로드는 원하는 응용에 따라서 적절한 크기로 이루어질 수 있다. 예컨대, 해양 굴착선의 경우에, 유압실린더 로드는 밀봉된(sealed) 실린더 하우징(미도시) 내외로 이동하도록 구성되고 또한 약 40피트 내지 60피트의 길이와 약 5인치 내지 약 20인치의 직경을 가질 수 있다. 또한 금속 기재(12)는 일체실린더 로드(solid cylinder rod)로 구성될 때 S로 표시되는 표면을 가질 수 있거나 또는 중공실린더 로드(hollow cylinder rod)로 구성되면 하나 이상의 표면 S(미도시)를 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, 내마모 코팅 시스템(10)은 또한 금속 기재(12) 상에 배치되는 내마모 코팅(14)을 포함한다. 즉, 내마모 코팅(14)이 아래에서 상세히 설명하는 방법을 통해 금속 기재(12)의 하나 이상의 표면(S) 상에 형성될 수 있다. 특히, 내마모 코팅(14)은 아래에서 상세히 설명하는 것과 같이 피막(16)을 경화시키는 작업으로 형성될 수 있다.
내마모 코팅(14)은 금속합금을 포함한다. 적절한 금속합금은 니켈, 코발트 및 이들의 조합을 포함하는 그룹에서부터 선택되는 원소들을 포함할 수 있다. 니켈 및/또는 코발트는 금속합금에 존재하여 내마모 코팅(14)에 내마모성을 제공할 수 있다. 특히, 니켈 및/또는 코발트는 금속합금을 100중량부(parts by weight)로 하였을 때 이를 기준으로 금속합금 내에 약 1중량부 내지 약 90중량부의 양으로 존재할 수 있다. 예컨대, 적절한 니켈-함유 금속합금은 금속합금을 100중량부로 하였을 때 약 65중량부의 니켈과, 약 20중량부의 크롬과, 약 8중량부의 몰리브덴과, 약 3.5중량부과의 니켈과 티타늄의 조합, 약 4.5중량부의 철을 포함할 수 있고, 뉴욕 하트퍼드에 소재하는 스페셜 메탈스 코포레이션(Special Metals Corporation)으로부터 상표명 INCONEL®로 판매되는 제품을 상업적으로 일 수 있다. 마찬가지로, 적절한 코발트-함유 금속합금은 약 54중량부의 코발트와, 약 26중량부의 크롬과, 약 9중량부의 니켈과, 약 5중량부의 몰리브덴과, 약 3중량부의 철과, 약 2중량부의 텅스텐과, 약 1중량부의 마그네슘, 실리콘, 질소 및 탄소의 조합을 포함할 수 있고, 인디아나 코코모에 소재하는 하이네스 인터내셔날, 인코포레이티드(Haynes International, Inc.)로부터 상표명 ULTIMET® 로 판매되는 제품을 상업적으로 입수할 수 있다. 또한, 다른 적절한, 비-제한적인 금속합금의 예들은 펜실바니아 리딩에 소재하는 카펜터 테크놀로지 코포레이션(Carpenter Technology Corporation)으로부터 상표명 Micro-Mel®로 판매되어 상업적으로 입수할 수 있는 합금과, 또한 인디아나 고센에 소재하는 스텔라이트 코팅스(Stellite Coatings)로부터 상표명 Stellite®21로 판매되어 상업적으로 입수할 수 있는 합금을 포함할 수 있다.
금속합금이 니켈 및/또는 코발트를 포함하기 때문에, 내마모 코팅(14)은 내부식성을 보인다. 상세히 설명하면, 내마모 코팅(14)은 실질적으로 약 -40℃ 내지 약 50℃의 주위온도에서 바닷물로부터의 부식에 대해 저항을 가진다. 다르게 설명하면, 내마모 코팅(14)은 바닷물에 노출된 후에 공기중에서 금속 기재(12)의 표면(S)의 산화를 극소화한다. 담수와는 대조적으로, 여기에서 사용하는 용어 "바닷물"은 4℃에서 1조(1 trillion) 체적부(parts by voulme)의 바닷물 기준으로 약 21 체적부 내지 약 40체적부의 염분(salinity), 즉 약 31 ppt 내지 약 40 ppt(약 3.1% 내지 약 4%)의 염분과, 약 1.025 g/ml의 농도를 가지는 물을 언급한다. 또한, 바닷물은 염화물, 나트륨, 황산염, 마그네슘, 칼슘, 포타슘, 중탄산염, 붕산염, 스트론튬, 불소 및 이들의 조합을 포함하는 그룹에서부터 선택되는 하나 이상의 이온들의 용해된 염제(salts)를 포함한다. 바닷물은 담함수(brackish)와, 소금물(saline water)과 식품 저장용 소금물(brine)을 포함할 수 있다.
부수적으로, 내마모 코팅(14)은 -0.200 이하의 자유부식전위(free corrosion potential)(Ecorr)을 보인다. 여기에서 사용한 용어 "자유부식전위"는 바닷물에서 기준전극(reference electrode)에 대해 금속 기재(12)로 또는 금속 기재로부터 흐르는 전류가 없다는 것을 나타낸다. 또한, 내마모 코팅(14)은 1년 당 약 0.01밀(mils)(1밀=0.001인치) 이하의 부식율을 보인다. 여기에서 사용한 용어 "부식율"은 단위시간당 부식으로 야기되는 금속 기재(12) 및/또는 내마모 코팅(14)에서 변화를 나타내는 것이고, 1년당 부식깊이(corrosion depth)의 증가로 표현할 수 있다. 따라서, 내마모 코팅(14)은 예컨대 점식(pitting) 및/또는 금전파(crack propagation)로부터 기인하는 국부화된 부식에 대한 최소화된 민감성을 보인다.
도 1을 참조하면, 내마모 코팅(14)은 금속 기재(12)의 경도(hardness)보다 큰 경도를 가지는 경화영역(hardened zone)(18)을 포함한다. 특히, 경화영역(18)은ISO 표준 방법 6507-1:2005에 따라 측정하였을 때 비커스 경도율로 약 392HV30 내지 약 698HV30의 경도를 가질 수 있다. 예컨대, 경화영역(18)은 비커스 경도율로 약 412HV30 내지 약 577HV30의 경도를 가질 수 있고 또한 아래에서 설명하는 방법을 통해 형성될 수 있다. 따라서, 내마모성이 경도 증가에 따라 증가하기 때문에, 내마모 코팅(14)은 예컨대 유압실린더 밀봉부분(seal)과 같은 다른 부품들과 접촉을 필요로 하는 응용에 대해 훌륭한 내마모성을 보여준다.
도 1에 도시된 바와 같이, 경화영역(18)은 표면(Shz)을 가지고 또한 ISO 표준 방법 4287:1997에 따라서 측정하였을 때 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(RA)를 가진다. 여기에서 사용한 용어 "평균 거칠기(RA)"는 경화영역(18)의 표면(Shz)의 감촉정도(measure of texture)를 나타내고 또한 표면(Shz)의 정점(peak)과 골짜기(valley)(미도시)간의 평균 간격을 나타낸다. 특히, 경화영역(18)의 표면(Shz) 상의 미세한 골짜기들은 평균선(average line) 아래에 놓이는 표면(Shz) 상의 지점에 대응한다. 유사하게, 경화영역(18)의 표면(Shz) 상의 미세한 정점들은 평균선 위에 놓이는 표면(Shz) 상의 지점에 대응한다. 그러므로, 이러한 정점과 골짜기들 간의 간격크기는 경화영역(18)의 평균 거칠기(Ra)를 결정한다. 경화영역(18)의 평균 거칠기(Ra)는 아래에서 상세히 설명하는 것과 같이 경화영역(18)를 연마(polishing)으로써 제공될 수 있다.
표면들에서 정점들과 골짜기와 불규칙성은 균열(틈), 스트레스 영역(stress zone) 및/또는 부식을 대한 시발점(initiation site)을 형성할 수 있기 때문에, 비교적 거친 표면들은 상대적으로 부드러운 표면들과 비교하면 낮은 내마모성을 가지고 또한 보다 빠른 마모성을 보인다. 따라서, 내마모 코팅(14)은 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 가질 수 있기 때문에, 내마모 코팅(14)은 뛰어난 부드러움을 보여, 훌륭한 내마모 및 내부식성을 보이게 된다.
도 1을 다시 참조하면, 내마모 코팅(14)은 약 0.025 인치 내지 약 0.07인지, 예컨대 약 0.05 인치의 두께(tc)를 가질 수 있다. 또한, 경화영역(18)은 약 0.001 인치 내지 약 0.07 인치, 예컨대 약 .005 인치의 두께(thz)를 가질 수 있다. 즉, 도 1에 도시되지 않았다고 하더라도, 경화영역(18)의 두께(thz)는 내마모 코팅(14)의 두께(tc)와 동일할 수 있다. 다르게는, 도 1에 도시된 바와 같이 경화영역(18)의 두께(thz)는 내마모 코팅(14)의 두께(tc)보다 작을 수 있고 또한 금속 기재(12)의 표면(S)에서부터 이격될 수 있다.
한 변형예에서, 내마모 코팅 시스템(10)은 강철 기재(12)와 강철 기재(12) 상에 배치되고 또한 경화영역(18)을 가지는 내마모 코팅(14)을 포함한다. 또한 내마모 코팅(14)의 니켈과 크롬 중 하나 이상을 포함하고 또한 적어도 0.025 인치의 두께(tc)를 가진다. 내마모 코팅(14)은 실질적으로 약 -40℃ 내지 약 50℃의 주위온도에서 바닷물로부터 기인하는 부식에 대해 내성을 가진다. 또한, 경화영역(18)은 약 0.005 인치의 두께(thz)와, 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)와, 그리고 비커스 경도율로 약 392HV30 내지 약 698HV30의 경도를 가진다. 예컨대, 경화영역(18)은 비커스 경도율로 약 415HV30 내지 약 485HV30의 경도를 가질 수 있다.
금속 기재(12) 상에 내마모 코팅(14)을 형성하는 방법을 도 1을 참조하여 설명한다. 방법은 금속 기재(12) 상에 금속합금을 증착하는 것을 포함한다. 금속합금은 소정의 공지된 프로세스를 통해 금속 기재(12) 상에 증착될 수 있다. 예컨대, 방법은 금속합금으로 금속 기재(기재)를 레이저 피막(laser cladding)하는 것 또는 플라즈마 전사 아크 피막(plasma transfer arc cladding)하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 금속합금은 분말형태로 제공되어, 금속 기재(12) 상에 레이저 피막 또는 플라즈마 아크 피막되어 피막(16)을 형성할 수 있다. 레이저 피막은 레이저를 통해 금속 기재(12) 상에 금속합금을 녹여(melting) 융합(consolidating)하는 것을 포함한다. 플라즈마 전사 아크 피막은 금속 기재(12) 상에 금속합금을 고에너지, 불황성 가스-용접(welding)하는 것을 포함할 수 있다. 레이저 피막 또는 플라즈마 아크 피막 후에, 금속합금은 금속 기재(12) 상에 증착되어, 금속합금이 금속 기재(12)에 접합하여 피막(16)을 형성한다.
방법은 또한 피막(16)을 거칠게 마무리하여 약 50 마이크로-인치 내지 약 150 마이크로 인치, 예컨대 약 60 마이크로-인치 내지 약 120 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 가지는 피막(16)을 제공하는 것을 포함한다. 피막(16)은 상기에서 언급한 평균 거칠기(Ra)로 거칠게 마무리되어, 아래에서 상세히 설명하는 것과 같은 후속 프로세스를 위해 피막(16)을 준비하게 된다. 예컨대, 거친 마무리는 기계가공(machining), 그라인딩, 연마(polishing)와 이들의 조합을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 비-제한적인 예로서, 피막(16)은 선반(lathe)과 같은 그라인딩장치에 의해 거칠게 마무리될 수 있다.
용어 "피막(16)"은 내마모 코팅(14), 즉 경화영역(18)의 형성에 앞서 금속 기재(12) 상에 증착되는 층에 대한 선도물질(precursor)를 나타낸다는 것을 알아야 한다. 즉, 경화영역(18)을 포함하는 내마모 코팅(14)과는 대조적으로, 피막(16)은 내마모 코팅(14)보다 비교적 연하고 또한 약한 내마모성을 가진다.
도 1을 다시 참조하면, 방법은 또한 피막(16)을 경화하여 내마모 코팅(14)과 이의 경화영역(18)을 형성하는 작업을 포함하는데, 경화영역(18)은 금속 기재(12)의 경도보다 큰 경도를 가진다. 즉, 경화영역(18)은 비커스 경도율로 약 302HV30 내지 약 698HV30, 예컨대 약 412HV30 내지 약 577HV30의 경도를 가질 수 있다. 즉, 경화작업은 피막(16)을 유연하게 경화영역(18)을 형성할 수 있다. 피막(16)은 피막(16)에 균열(틈)을 발생시키는 일이 없이 피막(16)에서 제어된 양의 소성변형을 생성하는 소정의 적절한 프로세스에 의해 경화작업될 수 있다. 예컨대, 피막(16)은, 제한하는 것은 아니지만 롤러 버니싱(roller burnishing), 저 가소성 버니싱(low plasticity burnishing:LBP), 유동성형(flow forming), 인발성형(draw forming), 숏 피닝(shot peening), 중합체 래핑(polymer lapping), 등통로각압축성형(equal channel angular pressing:ECAP), 전자기 쇼크 성형(electromagnetic shock forming), 압출성형(extrusion), 냉간성형(cold forming), 냉간압연(cold rolling), 드로우잉(drawing) 및 이들의 조합과 같은 프로세스에 의해 경화작업될 수 있다.
하나의 비-제한적인 예로서, 경화작업은 적어도 하나의 비철(non-ferrous) 롤러로 피막(16)을 롤러 버니싱하여 경화영역(18)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 경화작업은 하나의 비철 롤러 또는 다수의 비철 롤러로 피막(16)을 롤러 버니싱하는 것을 포함할 수 있다. 경화영역(18)은 비커스 경도율로 약 458HV30의 경도를 가질 수 있고, 또한 경화영역(18)은 약 0.005 인치의 두께(thz)를 가질 수 있다. 다르게는, 경화영역(18)은 피막(16)의 전체 두께(tc), 예컨대 약 0.05 인치와 실질적으로 동일한 두께(thz)를 가질 수 있다. 피막(16)은 두 개 이상의 세라믹 롤러들에 의해 롤러 버니싱되어 피막(16)에 균열을 형성하는 일이 없이 피막(16)을 가소성(可塑性)적으로 변형시켜 경화영역(18)을 형성할 수 있다. 피막(16)은, 철입자가 피막(16)에 매립되어 피막(16)의 내부식성을 저하시키는 것을 방지하기 위하여 비철 롤러들에 의해 롤러 버니싱될 수 있다.
경화작업은 또한 경화영역(18)에 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 제공할 수 있다. 즉, 경화작업은 내마모 코팅(18)의 경화영역(18)에 부드러운 표면(Shz)과 훌륭한 표면 베어링율(surface bearing ratio)을 제공할 수 있다.
다르게, 방법은 또한 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 가지는 경화영역(18)을 제공하기 위한 경화작업 이후에 내마모 코팅(14)을 연마하는 것을 포함할 수 있다. 내마모 코팅(14)은 예컨대, 그라인딩 장치 또는 연마기로 연마될 수 있다.
거친 마무리 및 경화작업, 예컨대 롤러 버니싱은 동일한 장치에서 수행될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 제조시간을 최소화하기 위하여, 피막(16)을 거칠게 마무리한 즉시 롤러 버니싱이 수행될 수 있다. 즉, 50피트의 길이를 가지는 유압실린더 로드를 금속합금으로 레이저 피막처리하여 피막(16)을 형성할 수 있다. 그런 다음 피막처리된 유압실린더 로드는 선반에 재치된다. 선반이 피막(16)의 약 2 직선-피트 부분(2 linear-foot portion)에 대해 거칠게 마무리한 후, 피막(16)의 거칠게 마무리된 부분에 롤러 버니싱이 시작될 수 있다. 마찬가지로, 피막(16)의 2 직선-피트 부분이 롤러 버니싱에 의해 경화작업된 후에, 경화영역(18)을 연마하여 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 최종적인 평균 거칠기(Ra)를 가지는 경화영역을 제공한다.
이 변형예에서, 내마모 코팅(14)의 경화영역(18)은 예컨대 내마모 코팅(14) 상에서 순차적으로 동작하는 다수의 연마기들에 의해 연마될 수 있다. 또한, 상기 방법에 있어서, 유압실린더 로드는 진동을 약화시키도록 구성되는 지지대에 의해 흔들리지 않도록 되어, 피막(16)의 거친 마무리와 경화작업 동안에 또한 내마모 코팅(14)의 소정 연마 동안에 부드러운 표면(Shz)을 보호할 수 있다. 유압실린더 로드의 앞서 거칠게 마무리된 부분을 즉시 경화작업함으로써 처리량이 증가할 수 있기 때문에, 금속 기재(12) 상에 내마모 코팅(14)을 형성하기 위한 상기 방법은 비용 효율이 높다.
내마모 코팅(14)을 형성하기 위해 거친 마무리 후에 피막(16)을 경화하는 작업은 단단한, 내마모 코팅(14)을 제공한다. 또한, 경화작업의 제어된 소성변형은 구멍(pores) 또는 균열(틈)과 같은 소정의 표면 단절(discontinuities)을 밀봉(seal), 즉 지우기(smears over) 때문에 거친 마무리 후에 피막(16)을 경화하는 작업은 내마모 코팅(14)에게 훌륭한 내부식성을 제공한다. 경화작업은 또한 표면 결함들의 시작과 전파를 억제하고 또한 인장하중(tensile load)에 대한 내마모 코팅 시스템(10)의 허용오차를 증가시키는 압축잔류응력(compressive residual stress)을 내마모 코팅(14)에 제공한다. 게다가, 내마모 코팅(14)에서 단절과 응력집중(stress risers)의 최소화로 인해 내마모 코팅(14)의 압축잔류강도(compressive residual strength)가 금속 기재(12)의 피로강도(fatigue strength)를 증가시킨다.
내마모 코팅 시스템(10)과 이와 관련된 방법은 훌륭한 경도와 내부식성을 가지는 내마모 코팅(140을 제공한다. 따라서, 내마모 코팅 시스템(10)은 바닷물에 대한 노출에, 예컨대 해양 굴착선의 비말대 내에서 작동을 위해 코팅된 금속 기재(12)를 필요로 하는 응용에 대해 적합하다. 내마모 코팅(14)은 부드럽고 또한 훌륭한 압축잔류응력을 보인다. 따라서, 내마모 코팅 시스템(10)은 개선된 피로수명(fatigue life)과, 인장응력에 대한 개선된 저항성과, 피로균열(fatigue crack), 수축균열(shrink crack) 및 다른 결함들의 감소된 침입과 전파를 보인다. 또한, 방법들은 비용 효율이 높고 또한 경화영역(18)에서 균열 및/또는 구멍과 같은 내마모 코팅(14)에서의 단절을 최소화시킨다.
다음의 예들은 본 발명을 설명하기 위한 것이고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 보아서는 안된다.
예들
예1
50피트의 길이와 10인치의 직경을 가지는 강철 유압실린더 로드 상에 예1의 내마모 코팅을 형성하기 위한 준비에서, 분말형태의 INCONEL®625 금속합금을 레이저 피막장치에 적재한다. 레이저 피막장치는 INCONEL®625 금속합금을 강철 유압실린더 로드에 증착하여 0.05 인치의 두께를 가지는 피막을 형성한다.
그런 다음 피막은 그라인딩 장치에 의해 거칠게 마무리되어 100 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 가지는 피막을 제공한다.
거친 마무리 후에, 피막은 두 개의 세라믹 롤러들에 의해 롤러 버니싱되어 예1의 내마모 코팅을 완성한다. 예1의 내마모 코팅은 0.025 인치의 두께를 가지는 경화영역을 포함한다.
예2
50피트의 길이와 10인치의 직경을 가지는 강철 유압실린더 로드 상에 예2의 내마모 코팅을 형성하기 위한 준비에서, 분말형태의 INCONEL®625 금속합금을 레이저 피막장치에 적재한다. 레이저 피막장치는 INCONEL®625 금속합금을 강철 유압실린더 로드에 증착하여 0.05 인치의 두께를 가지는 피막을 형성한다.
그런 다음 피막은 그라인딩 장치에 의해 거칠게 마무리되어 100 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 가지는 피막을 제공한다.
거친 마무리 후에, 피막은 두 개의 세라믹 롤러들에 의해 롤러 버니싱되어 예2의 내마모 코팅을 완성한다. 예2의 내마모 코팅은 0.015 인치의 두께를 가지는 경화영역을 포함한다.
비교예 3 ~ 5
비교예 3 내지 5 각각의 피막을 형성하기 위한 준비에서, 분말형태의 INCONEL®625 금속합금이 레이저 피막장치에 적재된다. 레이저 피막장치는 각각 50피트의 길이와 10인치의 직경을 가지는 세 개의 강철 유압실린더 로드들 각각 상에 INCONEL®625 금속합금을 증착하여 비교예 3 내지 5 각각의 피막을 형성한다. 비교예 3 내지 5의 피막들 각각은 0.05 인치의 두께를 가진다.
이후에, 각 피막은 그라인딩 장치에 의해 거칠게 마무리되지 않고, 각 피막은 롤러 버니싱에 의해 경화작업되지 않는다.
비교예 1과 2 각각의 내마모 코팅들과 비교예 3 내지 5 각각의 피막들은, ISO 시험방법 6507-1:2005에 따라 다양한 두께에서 경도에 대해 평가되었고, 또한 비커스 경도율과 비커스 경도 HV30이 할당되었다. 경도평가의 결과들이 도 2에 요약되어 있다.
도 2에 주어진 비교 데이터로부터 명확히 알 수 있듯이, 예 1과 2의 내마모 코팅은 비교예 3 내지 5의 피막들 각각과 비교해 증가된 경도를 보인다. 특히, 예1의 내마모 코팅은 경화영역의 표면에서 465HV30의 경도를 가지고, 예2의 내마모 코팅은 경화영역의 표면에서 415HV30의 경도를 가진다. 반대로, 비교예 3 내지 5 각각의 피막들은 335HV30, 334HV30 및 265HV30의 경도를 가지고, 경화영역을 포함하지 않는다.
따라서, 도 2를 참조하면, 예1과 2 각각의 피막을 경화하는 작업은 경화영역을 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예1과 2의 경화작업은 적어도 0.015 인치의 두께를 가지는 경화영역을 형성한다. 그에 비해, 비교예 3 내지 5의 피막은 경화영역을 포함하지 않고 또한 피막의 경화도는 약 0.005 인치의 피막두께에서 급격히 감소한다.
부가적으로, 코팅된 및/또는 피막처리된 유압실린더 로드를 바닷물에 노출시키고 또한 기준전극에 대해 유압실린더 로드들 각각으로 또는 로드로부터 흐르는 전류의 존재와 비존재를 측정함으로써, 예1과 2 각각의 내마모 코팅과 비교예 3 내지 5 각각의 피막들에 대해 자유부식전위를 평가하였다. 예1과 2의 내마모 코팅들 각각과 비교예 3 내지 5의 피막들 각각은 -0.200 이하의 자유부식전위(Ecorr)를 가진다.
또한, 코팅된 및/또는 피막처리된 유압실린더 로드들을 24시간 동안 10℃의 주위온도에서 바닷물에 노출시키고 또한 유압실린더 로드들에서 내마모 코팅들 및/또는 피막들의 변화를 측정함으로써, 예1과 2 각각의 내마모 코팅과 비교예 3 내지 5 각각의 피막에 대해 부식율을 평가하였다. 그런 다음, 각 샘플에 대해 년당 부식율을 계산하였다. 예1과 2의 내마모 코팅들 각각과 비교예 3 내지 5의 피막들 각각은 년당 0.010 밀 이하의 부식율을 가진다.
따라서, 예1과 2의 내마모 코팅들은 훌륭한 내부식성을 보이는 한편 훌륭한 경도를 가진다. 그리고, 예1과 2의 내마모 코팅들을 형성하기 위한 경화작업은 내부식성을 저하시키지 않는다. 차라리, 경화작업은 예1과 2의 내마모 코팅에 훌륭한 경도, 내마모성 및 내부식성의 조합을 제공한다.
본 발명을 실시하기 위한 최고의 방법을 상세히 설명하였지만, 본 발명이 관련되는 기술분야의 당업자라면 첨부 청구항의 범위 내에서 본 발명을 수행하기 위한 다양한 대체 디자인과 실시예들을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 금속 기재(12) 상에 내마모 코팅(14)을 형성하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    피막(16)을 형성하기 위해 금속 기재(12) 상에 금속합금을 증착시키는 단계와;
    피막(16)을 거칠게 마무리하여 피막(16)에 약 50 마이크로-인치 내지 약 150 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 제공하는 단계와;
    피막(16)을 경화작업하여 내마모 코팅(14)과 경화영역(18)을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 경화영역(18)은 금속 기재(12)의 경도보다 큰 경도를 가지는 것을 특징으로 하는, 금속 기재 상에 내마모 코팅을 형성하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 경화작업은 피막(16)을 가소성적으로 변형하여 경화영역(18)을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 경화작업은 적어도 하나의 비철 롤러로 피막(16)을 롤러 버니싱하여 경화영역(18)을 형성하는 것으로 규정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 경화작업은 비커스 경도율로 약 392HV30 내지 약 698HV30의 경도를 가지는 경화영역(18)을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 증착단계는 분말형태의 금속합금으로 금속 기재(12)에 레이저 피막처리하여 피막(16)을 형성하는 것으로 규정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 증착단계는 분말형태의 금속합금으로 금속 기재(12)에 플라즈마 전사 아크 피막처리하여 피막(16)을 형성하는 것으로 규정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 거친 마무리는 기계가공, 그라인딩, 연마 및 이들의 조합을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 경화작업 후에 내마모 코팅(14)을 연마하여 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 경화영역(18)에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 금속 기재(12)와;
    금속 기재(12) 상에 배치되고 또한 금속합금을 포함하는 내마모 코팅(14)을 포함하고,
    상기 내마모 코팅(14)은 약 -40℃ 내지 50℃의 주위온도에서 바닷물로부터의 부식에 대해 저항성이 있고;
    내마모 코팅(140은 금속 기재(12)의 경도보다 큰 경도를 가지는 경화영역(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모 코팅 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 내마모 코팅(140은 약 0.025 인치 내지 약 0.07 인치의 두께(tc)를 가지는 것을 특징으로 하는 내마모 코팅 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 경화영역(18)은 약 0.001 인치 내지 약 0.07 인치의 두께(thz)를 가지는 것을 특징으로 하는 내마모 코팅 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 경화영역(18)은 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)를 가지는 것을 특징으로 하는 내마모 코팅 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 금속합금은 니켈, 코발트 및 이들의 조합을 포함하는 그룹에서부터 선택된 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모 코팅 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 상기 금속 기재(12)는 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모 코팅 시스템.
  15. 강철 기재(12)와;
    경화영역(18)을 포함하고 또한 상기 강철 기재(12) 상에 배치되는 내마모 코팅(14)을 포함하고,
    상기 내마모 코팅(14)은 니켈과 크롬 중에서 적어도 하나를 포함하고 도한 적어도 0.025 인치의 두께(tc)를 가지고;
    상기 내마모 코팅(14)은 약 -40℃ 내지 50℃의 주위온도에서 바닷물에 의한 부식에 대한 저항성을 가지고;
    상기 경화영역(18)은 적어도 0.005 인치의 두께(thz)와, 약 2 마이크로-인치 내지 약 18 마이크로-인치의 평균 거칠기(Ra)와, 비커스 경도율로 약 392HV30 내지 약 698HV30의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 내마모 코팅 시스템.
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