KR20160078790A - 용사코팅층 처리방법 및 이로부터 얻어지는 금속계 용사코팅층 - Google Patents

Abstract

용사코팅층을 열처리하여 코팅층의 기공과 용사 코팅시 발생한 미용융 입자를 제거하여, 용사코팅층의 밀도와 경도를 높일 수 있도록, 금속의 모재에 형성된 용사코팅층을 가열하는 단계와, 가열된 용사코팅층을 냉각하는 단계를 포함하는 용사코팅층 처리방법을 제공한다.

Description

용사코팅층 처리방법 및 이로부터 얻어지는 금속계 용사코팅층{METHOD FOR TREATMENT OF THERMAL SPRAY COATING LAYER AND THERMAL SPRAY COATING LAYER}

본 발명은 금속 부품에 형성된 용사코팅층을 후처리하는 방법 및 이로부터 얻어지는 금속계 용사코팅층에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 증착 공정에서 플라즈마의 전압차에 의한 이온 및 전자 가속으로 충돌이 발생하는 금속 부품은 내부식 특성이 저하된다. 이에 따라, 금속 부품의 수명을 연장하고자 예를 들어, 금속 부품의 표면에 용사 코팅공정을 이용하여 알루미늄 용사 코팅층을 형성한다.

금속 부품 표면에 형성되는 용사 코팅층은 아크 용사코팅 또는 플라즈마 용사코팅, 초고속 용사코팅 등의 공정을 사용하여 형성된다.

이렇게 형성된 용사 코팅층은 모재인 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 티타늄 등의 금속 부품의 내구성을 향상시키고, 플라즈마에 대한 내식성을 확보하여 부품의 수명을 연장시킨다.

그러나, 용사 코팅 공정을 통해 형성된 코팅층은 코팅 특성상 분말의 고속 용융 입적의 접착에 의하여 코팅된 분말의 탈락 현상이 발생되고, 코팅층과 모재 사이의 결합력이 부족하여 코팅층이 박리되는 문제가 발생된다. 또한, 용사 코팅층 전반에서 입자들간의 기공 형성 등의 문제가 발생된다.

용사코팅층을 열처리하여 코팅층의 기공을 제거하고, 용사 코팅시 발생한 미용융 입자를 제거할 수 있도록 된 용사코팅층 처리방법 및 이로부터 얻어지는 금속계 용사코팅층을 제공한다.

또한, 용사코팅층의 밀도와 경도를 증가시키고, 코팅층과 모재 사이의 결합력을 높일 수 있도록 된 용사코팅층 처리방법 및 이로부터 얻어지는 금속계 용사코팅층을 제공한다.

또한, 용사코팅층 열처리시 모재로의 열 전달을 최소화하여 모재에 열간 뒤틀림 현상이 발생되는 것을 방지하고, 모재와 코팅층 사이의 크랙이나 탈락 등의 현상을 최소화할 수 있도록 된 용사코팅층 처리방법 및 이로부터 얻어지는 금속계 용사코팅층을 제공한다.

본 실시예의 용사코팅층 처리방법은 금속의 모재에 형성된 용사코팅층을 가열하는 단계와, 가열된 용사코팅층을 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 가열단계는 금속 모재의 녹는 점 이하의 온도로 급속 가열하는 구조일 수 있다.

상기 냉각단계는 공냉 구조일 수 있다.

상기 가열단계는 용사코팅층에 레이저 열원을 가해 가열하는 구조일 수 있다.

상기 가열단계는 모재의 용사코팅층 가열온도를 측정하는 단계와, 측정된 온도에 따라 상기 레이저 출력을 조절하여 용사코팅층의 가열 온도를 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 가열단계에서 레이저 열원은 다이오드 레이저를 통해 제공될 수 있다.

상기 가열단계에서 레이저의 파장은 359 내지 1064nm 일 수 있다.

상기 가열단계는 모재의 용사코팅층 표면을 따라 레이저를 스캐닝하여 조사하고, 상기 레이저의 스캐닝 속도는 2 내지 10mm/sec일 수 있다.

본 실시예의 금속계 용사코팅층은 금속의 모재에 형성된 용사코팅층을 가열한 후 냉각하는 공정을 통해, 미용융 입자와 기공이 제거되어 밀도가 85% 이상인 구조일 수 있다.

이상 본 실시예에 의하면, 표면 밀착특성과 밀도 및 경도가 우수한 용사코팅층을 얻을 수 있게 된다.

또한, 용사코팅층과 모재 사이의 물리적 결합력을 높여, 코팅층의 탈락이나 크랙 발생을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 코팅층의 기공과 미용융 입자가 제거되어 반도체 공정 중에 발생할 수 있는 결함을 미연에 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 용사코팅층의 열처리 공정을 위한 개략적인 도면이다.
도 2와 도 3은 본 실시예에 따라 처리된 용사코팅층과 종래의 용사코팅층을 비교 도시한 현미경 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 이에, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하 본 실시예에서 후처리할 용사코팅층은 금속 재질의 모재에 용사코팅 공정을 통해 코팅된 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 마그네슘(Mg) 또는 텅스텐(W) 등의 금속계 용사코팅층을 예로서 설명한다.

본 실시예의 용사코팅층 처리방법은 금속의 모재에 형성된 용사코팅층을 가열하는 단계와, 가열된 용사코팅층을 냉각하는 단계를 포함한다.

상기 가열단계는 금속 모재의 녹는 점 이하의 온도로 급속 가열하는 구조일 수 있다. 금속 모재를 서서히 가열하는 경우 금속 조직의 재배열 및 그레인 성장(grain growth) 현상이 발생할 가능성이 커진다. 이에, 상온에서 금속 모재의 표면 온도를 금속 모재 종류별로 녹는점 직상까지 수초 이내로 급상승시킬 필요가 있다.

상기 냉각단계는 공냉 구조일 수 있다.

상기의 가열단계에서 용사코팅층을 가열하기 위해, 본 방법은 레이저 열원을 이용하여 용사코팅층을 가열하는 구조로 되어 있다.

이와 같이, 모재에 용사코팅층을 가열하고 냉각함으로써, 용사코팅층은 금속의 마르텐 사이트 조직의 형성과 더불어 재용융 공정이 이루어진다. 따라서 용사코팅층에 재결정화가 일어나 미용융 입자가 제거되고 내부에 발생된 기공 등이 제거되면서 조직이 보다 치밀해진다.

상기 가열단계에서 레이저 열원은 파이버 레이저나 기체 레이저 등의 용접, 절단용 레이저 대신 다이오드 레이저를 통해 제공될 수 있다. 기존의 파이버 레이저나 기체 레이저 등의 용접 절단용 레이저는 레이저빔 열원의 에너지 분포가 가우시안 분포를 가지고 있어 넓은 면적을 균일하게 가열하기 어렵다. 이에 반해 다이오드 레이저는 넓은 에너지 균일 분포 구간을 가지고 있어 균일한 면적에 대해 동일한 열처리가 가능하다. 이에, 알루미늄 등의 금속계 용사코팅층 열처리에 보다 효과적이다.

도 1은 본 실시예에 따라 레이저를 이용한 용사코팅층의 열처리 구조를 개략적으로 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저장치(10)를 통해 조사되는 레이저 빔이 모재(20)의 표면에 용사 코팅된 용사코팅층(30)에 조사되어 열처리가 이루어진다.

상기 레이저는 1 내지 8kW 급의 다이오드 레이저를 사용하고, 이때 레이저의 파장은 359 내지 1064nm 일 수 있다. 상기 레이저 파장 영역은 알루미늄, 철 등의 금속 흡수 영역을 포함하므로, 다양한 재질의 금속계 용사코팅층에 대해 열처리가 가능하다. 상기 레이저 파장 범위를 벗어나게 되면 금속 재료를 용융하지 못하거나 과용융하여 금속 모재에 손상을 초래할 수 있다.

상기 레이저장치에서 조시되는 빔 단면형태는 원형이나 타원형일 수 있다. 레이저 빔이 원형 단면형태일 경우 용사코팅층에 조사되는 빔의 직경은 2 내지 8mm일 수 있다. 레이저빔이 타원형 단면형태일 경우 용사코팅층에 조사되는 빔의 직경은 단축방향으로 1 내지 6mm 장축 방향으로 3 내지 24mm 까지 다양한 크기로 사용가능하다. 상기 레이저 빔의 단면 형태와 빔의 직경은 시편의 크기나 사용되는 레이저의 파워에 따라 다양하게 변형가능하다.

상기 용사코팅층의 가열 과정에서 용사코팅층에 대한 가열 온도는 일정하게 유지된다.

이를 위해 본 실시예에서 상기 가열단계는 모재의 용사코팅층 가열온도를 측정하는 단계와, 측정된 온도에 따라 상기 레이저 출력을 조절하여 용사코팅층의 가열 온도를 일정하게 유지하는 단계를 더 포함한다.

상기 용사코팅층에서 가열온도의 측정은 예를 들어, 광이나 열전을 이용한 고온계(pyrometer)(40)가 사용될 수 있다. 용사코팅층 가열 과정에서 고온계를 통해 용사코팅층의 온도가 실시간으로 검출된다. 검출된 용사코팅층의 온도에 따라 레이저 출력을 조절하여 용사코팅층에 조사되는 레이저빔의 에너지를 조절한다. 이에, 가열과정에서 용사코팅층의 가열온도를 기 설정된 값에 맞춰 일정하게 유지할 수 있게 된다.

일반적으로 행해지는 열처리 공정은 대상물의 표면 온도와 무관하게 열처리 열원의 온도를 고정시켜 실시된다. 즉, 종래의 열처리란 열원의 출력이나 화염의 온도를 일정한 값으로 고정하고, 열처리 대상물을 열원에 노출시키는 구조였다. 그러나, 본 실시예의 레이저를 이용한 열처리 공정은 열처리 대상인 용사코팅층의 온도를 검출하여 열처리 열원의 온도를 수시로 변화하면서 열처리를 실시하게 된다.

이에 따라 본 실시예의 열처리 공정을 통해 용사코팅층을 균일한 온도 하에 열처리함으로써, 열처리 효과를 보다 극대화할 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에서 상기 가열단계는 모재의 용사코팅층 표면을 따라 레이저를 스캐닝방식으로 조사하여 균일하게 에너지를 가할 수 있다. 스캐닝(scanning)이란 레이저빔이 용사코팅층의 전면을 주사선을 따라 좌우로 주행하면서 위아래로 이동하는 것을 말한다. 스캐닝은 모재의 용사코팅층을 고정하고 레이저를 이동시키거나, 레이저를 고정하고 모재의 용사코팅층을 이동시켜 수행할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 레이저의 스캐닝 속도는 2 내지 10mm/sec일 수 있다. 스캐닝 속도는 코팅층 표면에 입사되는 레이저의 에너지와 비례관계를 갖는다. 이에, 레이저의 입사 에너지에 따라 스캐닝 속도는 상기 범위 내에서 적절히 조절한다.

상기와 같이, 금속의 모재에 형성된 용사코팅층을 가열한 후 냉각하는 공정을 통해, 미용융 입자와 기공이 제거되어 밀도가 85% 이상인 금속계 용사코팅층을 형성할 수 있게 된다.

이하, 도 2와 도 3을 참조하여 본 실시예에 따라 처리된 용사코팅층과 종래의 용사코팅층을 비교 설명한다.

비교예는 종래 기술에 따라 코팅된 용사코팅층으로, 금속의 모재에 알루미늄을 아크 용사 코팅하여 형성하였다. 본 실시예의 경우 상기한 비교예와 동일하게 아크 용사 코팅공정을 통해 코팅한 용사코팅층에 레이저 열원을 가하고 냉각하는 과정을 거쳐 열처리하였다.

본 실시예에서 레이저 열원의 빔 크기는 단축방향으로 1mm, 장축 방향으로 각각 3mm, 4mm, 6mm, 12mm 인 레이저를 사용하였고, 레이저의 스캐닝시 이동 속도는 2mm/sec 내지 10mm/sec로 다양하게 실험을 실시하였다. 레이저 스캐닝시 레이저 주사선 간에 레이저 빔이 중첩되는 영역은 레이저빔 크기의 10 내지 20%가 되도록 하였다. 상기 중첩 영역의 크기는 레이저 열원의 크기에 따라 다양하게 설정하여 실험을 실시하였다.

또한, 열처리 대상인 용사코팅층의 열처리 두께에 따라 레이저의 출력을 변화시키거나 스캐닝되는 레이저의 이동 속도를 적절히 조절하였다. 레이저의 출력은 알루미늄의 경우 500W 내지 5kW 까지 다양하게 사용하였다.

도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 열처리가 안된 비교예의 경우 용사코팅층의 입자가 확인되며, 반면에 본 실시예의 경우 용사코팅층의 입자가 재용융되어 현저하게 줄어들었음을 알 수 있다.

또한, 비교예의 경우 용사코팅층에 기공이 많이 존재하나, 본 실시예의 경우 기공이 현저하게 줄어들고 재결정화되어 있는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 아크 용사코팅된 비교예의 용사코팅층의 경우, 일반적인 용사코팅층의 형태와 같이 입자가 용융 및 물리적 흡착된 형태로 기공을 포함하고 있으며, 입자간의 결합이 물리적으로 이루어져 있다.

이에 반해, 본 실시예와 같이 레이저 열원에 의해 표면 처리된 용사코팅층의 경우 재용융 및 재결정화되어 있는 형태를 보이며 특히, 입자들간의 기공이 현저하게 줄어드는 것을 알 수 있다.

구분	경도A	경도B	밀도
비교예	120	132	60%
실시예	160	163	85%

표 1은 비교예와 본 실시예의 용사코팅층에 대한 경도와 밀도의 실험 결과를 나타낸 것이다. 표 1에서 경도값은 용사코팅층 표면에서의 비커스경도(Vickers Hardness)이다. 표 1의 실험 결과에서와 같이, 본 실시예의 경우 레이저 열처리를 통해 용사코팅층의 경도가 비교예와 비교하여 향상되었음을 알 수 있다.

또한, 비교예의 용사코팅층의 경우 밀도가 평균 60%로 나타났으며, 본 실시예의 경우 밀도가 평균 85%로 비교예보다 월등하게 향상되었음을 확인하였다. 이에, 본 실시예를 통해 밀도가 85% 이상으로 종래와 비교하여 높은 밀도를 갖는 금속계 용사코팅층을 형성할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 경우 다이오드 레이저를 이용하여 알루미늄 등의 금속계 용사코팅층의표면 일부를 용융한 후 냉각하여 용사코팅층의 기공을 제거하고, 용사코팅시 발생한 미용융 입자를 제거함으로써, 밀도가 향상된 용사코팅층을 얻을 수 있으며 반도체 공정 중에 발생될 수 있는 결함을 미연에 방지할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10 : 레이저장치 20 : 모재
30 : 용사코팅층 40 : 고온계

Claims (8)

1. 금속의 모재에 용사코팅 공정을 통해 형성된 용사코팅층 처리 방법으로,
   금속의 모재에 형성된 용사코팅층을 가열하는 단계, 및
   가열된 용사코팅층을 냉각하는 단계
   를 포함하는 용사코팅층 처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열단계는 금속 모재의 녹는 점 이하의 온도로 가열하는 구조의 용사코팅층 처리 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 냉각단계는 공냉 구조인 용사코팅층 처리 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열단계는 용사코팅층에 레이저 열원을 가해 가열하는 구조의 용사코팅층 처리 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 가열단계는 모재의 용사코팅층 가열온도를 측정하는 단계와, 측정된 온도에 따라 상기 레이저 출력을 조절하여 용사코팅층의 가열 온도를 일정하게 유지하는 단계를 더 포함하는 용사코팅층 처리 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 가열단계에서 레이저 열원은 다이오드 레이저를 통해 제공되는 용사코팅층 처리 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 가열단계에서 레이저의 파장은 359 내지 1064nm 인 용사코팅층 처리 방법.
8. 금속의 모재에 형성된 용사코팅층을 가열한 후 냉각하는 공정을 통해 미용융 입자와 기공이 제거되어, 밀도가 85% 이상인 구조의 용사코팅층.

Images