KR20120075178A

KR20120075178A - 레이저 용사 코팅 방법 및 이를 이용한 용사 코팅층

Info

Publication number: KR20120075178A
Application number: KR1020100137225A
Authority: KR
Inventors: 박순홍; 황순영; 조남웅
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-06
Also published as: KR101249049B1

Abstract

본 발명에 따른 레이저 용사 코팅 방법은 금속 분말에 텅스텐 카바이드 분말을 혼합하여 코팅용 분말을 형성하는 단계, 레이저 빔으로 상기 코팅용 분말을 용융 및 냉각시켜 모재 위에 용사 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

레이저 용사 코팅 방법 및 이를 이용한 용사 코팅층{THERMAL SPRAY COATING METHOD USING LASER AND THERMAL SPRAY COATING LAYER USING THE SAME}

본 발명은 레이저 용사 코팅 방법 및 이를 이용한 용사 코팅층에 관한 것이다.

일반적으로 초고속용사코팅(High Velocity Oxygen Flow, HVOF) 또는 물리적기상증착법(Physical Vapor Deposition, PVD) 등을 이용하여 균일하고 내마모성이 향상된 코팅층을 형성한다.

특히, 용사코팅 방법은 물리적기상증착법에 비해 코팅층의 두께를 두껍게 할 수 있어 수명이 오래가는 장점이 있다.

그러나, 용사코팅 방법은 반용융 액적 상태의 코팅액을 모재에 분사하여 용사 코팅층을 형성하는 방법이므로, 모재와 용사 코팅층간의 물리적인 접착력만 존재하고, 화학적 반응 또는 열적 재용융의 과정은 없다. 따라서, 용사 코팅 방법으로 형성된 용사 코팅층은 모재와의 접착력이 낮고, 반용융 액적 상태의 코팅액이 모재에 증착되므로 용사 코팅층 내부에 기포가 많이 형성된다.

따라서, 마모가 발생하는 부품 또는 내식성을 요구하는 부품의 표면에 용사 코팅층을 형성하는 경우, 용사 코팅층과 모재간의 약한 접착력과 용사 코팅층 내부의 기포에 의해 용사 코팅층이 제대로 기능하지 못하여 부품 결함의 원인이 될 수 있다.

본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고밀착, 내마모성 및 내식성 용사 코팅층과 이러한 용사 코팅층을 형성하기 위한 레이저 용사 코팅 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 방법은 금속 분말에 텅스텐 카바이드 분말을 혼합하여 코팅용 분말을 형성하는 단계, 레이저 빔으로 상기 코팅용 분말을 용융 및 냉각시켜 모재 위에 용사 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 금속 분말은 니켈, 코발트 계열의 금속 분말일 수 있다.

상기 텅스텐 카바이드 분말은 상기 코팅용 분말 중 0wt%보다 많이 함유되고, 상기 코팅용 분말 중 70wt%보다 적게 함유될 수 있다.

상기 텅스텐 카바이드 분말의 직경은 40 내지 150㎛ 범위일 수 있다.

상기 용사 코팅층의 표면의 일부를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 용사 코팅층의 두께의 10%에 해당하는 두께를 가지는 상부를 제거할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 용사 코팅층은 니켈, 코발트 계열의 금속과 텅스텐 카바이드 분말을 포함하고, 상기 텅스텐 카바이드 분말의 직경은 40 내지 150㎛ 범위일 수 있다.

상기 텅스텐 카바이드 분말은 0wt%보다 많이 함유되고, 70wt%보다 적게 함유될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 방법은 레이저 빔으로 금속 분말에 텅스텐 카바이드 분말을 혼합한 코팅용 분말을 용융 및 냉각시켜 모재 위에 용사 코팅층을 형성함으로써 고밀착, 내마모성 및 내식성 코팅층을 형성할 수 있다.

또한, 레이저 용사 코팅 방법을 이용하여 코팅용 분말을 급속 가열 및 급속 냉각함으로써 우수한 표면 밀착특성을 구현하고 모재의 열영향을 최소화할 수 있다.

또한, 마찰 마모가 심한 마찰성 모재에 용사 코팅층을 형성함으로서 내마모성 및 내마찰성을 향상시켜 마찰성 모재의 수명을 연장할 수 있다.

또한, 마찰성 모재의 불균일한 마모에 의한 구동성 불량으로 인한 모재의 품질의 결함을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용사 코팅층과 모재의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용사 코팅층의 전자주사현미경 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 방법에 대하여 도 1 및 도 2를 참고로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용사 코팅층과 모재의 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용사 코팅 장치는 레이저(1)를 발생하는 레이저 발생 장치(10), 코팅용 분말(2)을 공급하고 레이저(1)를 집속시켜 모재(100) 위에 용사 코팅층(110)을 형성하는 레이저 코팅 헤드(20), 레이저 발생 장치(10)와 레이저 코팅 헤드(20)를 조절하는 조절 장치(30), 용융된 용사 코팅층(110)을 냉각시키는 냉각기(도시하지 않음)를 포함한다.

레이저 발생 장치(10)는 다이오드 레이저, 화이버 레이저, CO2 레이저, YAG 레이저 등을 포함할 수 있다.

레이저 코팅 헤드(20)는 코팅용 분말(2)을 공급하는 노즐(21), 레이저(1)가 조사되는 레이저 관통부(22)를 포함한다. 레이저 관통부(22)를 통과한 레이저(1)에 의해 코팅용 분말(2)은 용융되어 용사 코팅층(110)을 형성한다.

조절 장치(30)는 레이저 발생 장치(10)를 제어하여 조사되는 레이저(1)의 강도 등을 조절하고, 레이저 코팅 헤드(20)를 제어하여 모재(100) 위에 용사 코팅층(110)이 형성되는 코팅 영역을 조절한다.

이러한 레이저 용사 코팅 장치를 이용한 레이저 용사 코팅 방법은 우선, 도 2에 도시한 바와 같이, 금속 분말에 텅스텐 카바이드 분말(tungsten carbide powder)(112)을 혼합하여 코팅용 분말(2)을 형성한다(S100).

금속 분말은 니켈, 코발트, 철 등의 금속 분말일 수 있으며, 텅스텐 카바이드 분말(112)은 구형으로 퓨징처리된 분말일 수 있고, 텅스텐 카바이드 분말(112)의 직경(d)은 40 내지 250㎛일 수 있다.

텅스텐 카바이드 분말(112)의 직경이 40㎛보다 작은 경우는 용사 코팅 공정 중에 텅스텐 카바이드 분말(112)이 분해되어 내마모성의 역할을 하지 못하고, 텅스텐 카바이드 분말(112)의 직경이 250㎛보다 큰 경우에는 금속 분말이 텅스텐 카바이드 분말(112)을 충분히 감싸지 못하여 용사 코팅 공정시 크랙이 발생할 수 있다.

이러한 텅스텐 카바이드 분말(112)은 코팅용 분말(2) 중에 0wt%보다 많이 함유되고, 코팅용 분말(2) 중에 70wt%보다 적게 함유될 수 있다.

텅스텐 카바이드 분말(112)의 함유량이 증가할수록 내마모성은 증가하나, 70wt% 이상으로 함유된 경우에는 금속(111)과 텅스텐 카바이드 분말(112)의 열팽창계수의 차이에 의해 크랙이 발생할 수 있다.

다음으로, 코팅용 분말(2)을 레이저 용사 코팅 장치에 공급하여 레이저(1)로 코팅용 분말(2)을 용융 및 냉각시켜 모재(100) 위에 용사 코팅층(110)을 형성한다(S200).

이 때, 레이저 발생 장치(10)는 0.7 내지 3.0kW의 파워를 가질 수 있다.

이러한 레이저 발생 장치에서 발생한 레이저에 의해 금속 분말이 용융되어 텅스텐 카바이드 분말(112)의 주변을 감싸며 모재(100)의 표면과 접합될 수 있으므로, 모재(100)의 표면과 용사 코팅층(110)의 접합력을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 레이저 클래딩(Laser cladding) 공정을 진행하여 용사 코팅층(110)을 형성한다.

이와 같이, 레이저 용사 코팅 장치를 이용하여 코팅용 분말(2)을 급속 가열 및 급속 냉각함으로써 우수한 표면 밀착특성을 구현하고 모재(100)의 열영향을 최소화할 수 있다.

다음으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 용사 코팅층(110)의 표면의 일부(120)를 제거한다(S300). 이 때, 용사 코팅층(110)의 두께(t1)의 10%에 해당하는 두께(t2)를 가지는 상부 일부(120)를 제거할 수 있다. 이와 같이, 용사 코팅층(110)의 표면의 일부(120)를 제거함으로써 용사 코팅층(110)의 표면의 거칠기를 최소화할 수 있다. 또한, 레이저(1)에 의해 용사 코팅층(110)의 내부에서 발생하는 와류와 금속 분말 및 텅스텐 카바이드 분말(112)의 비중 차이로 인해 용사 코팅층(110) 내부에 발생하는 텅스텐 카바이드 분말(112)의 결핍 구간을 최소화할 수 있다.

상기 레이저 용사 방법에 의해 형성된 용사 코팅층에 대해 이하에서 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용사 코팅층의 전자주사현미경 사진이다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 레이저 용사 방법에 의해 형성된 용사 코팅층(110)은 모재(100) 위에 형성된다.

모재(100) 위에 형성된 용사 코팅층(110)은 니켈, 코발트 계열의 금속(111)과 텅스텐 카바이드 분말(112)을 포함한다. 텅스텐 카바이드 분말(112)의 직경은 40 내지 150㎛ 범위일 수 있다. 텅스텐 카바이드 분말(112)은 0wt%보다 많이 함유되고, 70wt%보다 적게 함유될 수 있다. 텅스텐 카바이드 분말(112)의 직경(d)이 40㎛보다 작은 경우는 용사 코팅 공정 중에 텅스텐 카바이드 분말(112)이 분해되어 내마모성의 역할을 하지 못하고, 텅스텐 카바이드 분말(112)의 직경(d)이 250㎛보다 큰 경우에는 금속(111)이 텅스텐 카바이드 분말(112)을 충분히 감싸지 못하여 용사 코팅 공정시 크랙이 발생할 수 있다. 텅스텐 카바이드 분말(112)의 함유량이 증가할수록 내마모성은 증가하나, 70wt% 이상으로 함유된 경우에는 금속(111)과 텅스텐 카바이드 분말(112)의 열팽창계수의 차이에 의해 크랙이 발생할 수 있다.

아래 표 1에는 대표적인 내마모성 부품인 축수부에 본 발명의 일 실시예에 따른 용사 코팅층(110)을 형성한 경우와 종래의 용사 코팅층을 형성한 경우의 편축의 마모량이 나타나 있다.

축수부 코팅층	부쉬의종류	편축마모량	구동성(Torque value)
코발트 +텅스텐카바이드	Sialon	0.005mm	13Nm
종래의 용사코팅층	Sialon	0.1~1mm	35Nm

표 1에 나타난 바와 같이, 편축의 마모량은 종래의 용사코팅층을 형성한 경우에 비해 5% 이내로 감소하고, 구동성도 향상되었음을 알 수 있다.

이와 같이, 레이저 용사 코팅 방법을 이용하여 용사 코팅층(110)을 형성함으로써 내마모성 및 내마찰성을 향상시킬 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

100: 모재 110: 용사 코팅층
111: 금속 112: 텅스텐 카바이드 분말

Claims

금속 분말에 텅스텐 카바이드 분말을 혼합하여 코팅용 분말을 형성하는 단계,
레이저 빔으로 상기 코팅용 분말을 용융 및 냉각시켜 모재 위에 용사 코팅층을 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용사 코팅 방법.
제1항에서,
상기 금속 분말은 니켈, 코발트 계열의 금속 분말인 것을 특징으로 하는 레이저 용사 코팅 방법.
제1항에서,
상기 텅스텐 카바이드 분말은 상기 코팅용 분말 중 0wt%보다 많이 함유되고, 상기 코팅용 분말 중 70wt%보다 적게 함유되는 것을 특징으로 하는 레이저 용사 코팅 방법.
제1항에서,
상기 텅스텐 카바이드 분말의 직경은 40 내지 150㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 레이저 용사 코팅 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용사 코팅층의 표면의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 용사 코팅 방법.
제5항에서,
상기 용사 코팅층의 두께의 10%에 해당하는 두께를 가지는 상부를 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저 용사 코팅 방법.
니켈, 코발트 계열의 금속과 텅스텐 카바이드 분말을 포함하고,
상기 텅스텐 카바이드 분말의 직경은 40 내지 150㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 용사 코팅층.
제7항에서,
상기 텅스텐 카바이드 분말은 0wt%보다 많이 함유되고, 70wt%보다 적게 함유되는 것을 특징으로 하는 용사 코팅층.