KR20170072624A - 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법 - Google Patents

금속 및 세라믹 복합재 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판, 금속 분말 및 세라믹 분말을 준비하는 단계, 및 상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말을 분사하여 상기 기판을 코팅하는 단계를 포함하며, 상기 금속 분말은 저온 분사 공정을 통해 코팅을 수행하고, 상기 세라믹 분말은 열용사 공정을 통해 코팅을 수행하며, 상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말의 코팅은 동시에 수행되는 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법을 제공한다.

Description

금속 및 세라믹 복합재 형성 방법{METHOD OF FORMING A COMPOSITE INCLUDING METAL AND CERAMIC}
본 발명은 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 저온 스프레이 장치는 마이크로미터(㎛) 크기의 분말 입자를 질소, 헬륨, 공기 등의 고압 가스를 이용하여 입자 속도를 가속시키면 모재와 코팅 소재에 따른 임계 속도에 다다르면서 코팅이 시작되는 저온 분사 코팅(cold spray coating) 장치를 의미한다.
하지만, 저온 분사 코팅에 사용되는 소재 중 경도가 높은 세라믹 또는 경도가 높은 금속 소재는 저온 분사 코팅에 부적합하고 적층 효율이 떨어지며, 코팅층 특성이 저하될 수 있다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 금속과 세라믹 분말을 혼합하여 저온 분사 코팅을 수행하지만, 금속과 세라믹 분말의 밀도 차이에 의해 균일한 코팅층을 얻기 어렵고, 접합 강도가 약한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 적층 효율이 우수하고 균일하며, 고인성(toughness), 고내식성(corrosion resistance), 내마모성(wear resistance) 및 내열성(hear resistance)이 개선된 금속 및 세라믹 복합재의 형성 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예는, 기판, 금속 분말 및 세라믹 분말을 준비하는 단계, 및 상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말을 분사하여 상기 기판을 코팅하는 단계를 포함하며, 상기 금속 분말은 저온 분사 공정을 통해 코팅을 수행하고, 상기 세라믹 분말은 열용사 공정을 통해 코팅을 수행하며, 상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말의 코팅은 동시에 수행되는 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법을 제공한다.
상기 금속 분말은 순수 금속, 혼합 금속 및 합금 중 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 금속 분말은 알루미늄, 구리, 주석, 철 및 코발트 중 적어도 어느 하나 일 수 있다.
상기 금속 분말의 입경은 5~ 200㎛일 수 있다.
상기 세라믹 분말은 알루미나, 실리콘 카바이드, 텅스텐 카바이드 및 다이아몬드 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 세라믹 분말의 입경은 5~ 200㎛일 수 있다.
상기 열용사 공정은 가스 화염 용사법, 저속 및 고속 화염 용사법, 폭발 용사법, 대기 플라즈마 용사법 및 감압 플라즈마 용사법 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 저온 분사 공정은 저온 분사 노즐을 통해 수행하고, 상기 열용사 공정은 상기 저온 분사 노즐과 별도의 열용사 노즐을 통해 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예는, 기판, 금속 분말 및 세라믹 분말을 준비하는 단계, 및 상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말을 분사하여 상기 기판을 코팅하는 단계를 포함하며, 상기 금속 분말은 제1 금속 분말 및 상기 제1 금속 분말보다 상대적으로 경도가 높은 제2 금속 분말을 포함하고, 상기 제1 금속 분말은 저온 분사 공정을 통해 코팅을 수행하고, 상기 제2 금속 분말 및 상기 세라믹 분말은 열용사 공정을 통해 코팅을 수행하며, 상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말의 코팅은 동시에 수행되는 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법을 제공한다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법은 저온 분사 코팅과 열용사 코팅을 함께 수행하여 복합재를 형성함으로써, 적층 효율이 우수하고 균일하며, 고인성, 고내식성, 내마모성 및 내열성이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재 형성 방법에 따라 형성된 금속 및 세라믹 복합재를 촬영한 사진이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 세라믹 분말 복합재의 코팅 장치 및 형성 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅 장치는 기판(10), 기판(10) 위에 금속/ 세라믹 분말 복합재(10)를 형성하기 위한 저온 분사 노즐(30A) 및 열용사 노즐(30B)을 포함한다.
금속 분말은 순수 금속, 혼합 금속 또는 합금일 수 있고, 예를 들어 알루미늄, 구리, 주석, 철 및 코발트 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 금속 재료일 수 있다.
금속 분말의 입경은 5~ 200㎛일 수 있다.
금속 분말의 입경이 5㎛ 미만일 경우 금속 분말의 송급(loading)이 불균일할 뿐만 아니라, 코팅 공정을 수행할 때 날리는 현상이 발생할 수 있어 코팅 공정에서 적층이 용이하지 않을 수 있고, 금속 분말의 입경이 200㎛ 초과일 경우에는 금속 분말이 완전히 용융되지 않아 코팅 공정이 용이하지 않을 수 있기 때문이다.
여기서, 금속 분말은 상대적으로 경도가 낮은(soft) 제1 금속 분말과 제1 금속 분말 대비 경도가 높은(hard) 제2 금속 분말을 포함할 수 있다.
또한, 세라믹 분말은 알루미나, 실리콘 카바이드, 텅스텐 카바이드 및 다이아몬드 중 적어도 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
세라믹 분말의 입경은 5~ 200㎛일 수 있다.
이는 세라믹 분말의 입경이 5㎛ 미만일 경우 세라믹 분말의 송급(loading)이 불균일할 뿐만 아니라, 코팅 공정을 수행할 때 날리는 현상이 발생할 수 있어 코팅 공정에서 적층이 용이하지 않을 수 있고, 세라믹 분말의 입경이 200㎛ 초과일 경우에는 세라믹 분말이 완전히 용융되지 않아 코팅 공정이 용이하지 않을 수 있기 때문이다.
본 실시예에 따른 코팅 장치의 저온 분사 노즐(30A) 및 열용사 노즐(30B)은 기판(20)의 전면에서 자유롭게 이동할 수 있으며, 기판(20)으로부터 소정 거리 이격되어 위치한다.
또한, 저온 분사 노즐(30A) 및 열용사 노즐(30B)은 기판(20) 의 일면에서 소정 거리 이격되어 위치한 채로 동시에 동일한 위치로 이동할 수 있으며, 기판(20)의 코팅을 위한 금속 분말 및/ 또는 세라믹 분말을 가스와 함께 혼합 분사할 수 있다.
저온 분사 노즐(30A)을 통해 저온 분사 공정을 수행할 수 있으며, 저온 분사 공정은 고상 상태의 공정으로서 금속의 소성 변형을 통하여 코팅이 이루어진다.
이러한 저온 분사 공정은 수십 mm의 상대적으로 두꺼운 코팅이 가능하며, 소재의 상변화나 산화가 일어나지 않아 원래 분말의 특징을 그대로 유지할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예에 따른 저온 분사 노즐(30A)에서는 기판(20)의 일면에 금속 분말의 코팅을 수행할 수 있다.
열용사 노즐(30B)을 통해서는 열용사 공정을 수행할 수 있으며, 열용사 코팅은 일반적으로 고온의 플라즈마 불꽃에 금속 및/ 또는 세라믹 분말을 주입하여 가열한 후 완전 용융 또는 반용융된 상태에서 기판(20)의 표면에 적층하여 피막을 형성하는 방법이다.
열용사 공정으로는 가스 화염 용사법, 저속 및 고속 화염 용사법, 폭발 용사법, 대기 플라즈마 용사법, 감압 플라즈마 용사법 등이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 실시예에 따른 열용사 노즐(30B)에서는 기판(20)의 일면에 세라믹 분말의 코팅을 수행할 수 있다.
또한, 금속 분말이 상대적으로 경도가 낮은(soft) 제1 금속 분말과 제1 금속 분말 대비 경도가 높은(hard) 제2 금속 분말을 포함할 경우에는 상대적으로 경도가 낮은 제1 금속 분말은 저온 분사 노즐(30A)을 통해 분사되며, 상대적으로 경도가 높은 제2 금속 분말은 열용사 노즐(30B)을 통해 세라믹 분말과 함께 분사될 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 금속 및 세라믹 복합재(10) 형성 방법은 저온 분사 노즐(30A) 및 열용사 노즐(30B)을 함께 포함하고 있는 코팅 장치를 사용함으로써, 저온 분사 공정과 열용사 공정이 동시에 수행될 수 있다.
일반적으로 세라믹 분말 또는 상대적으로 경도가 높은 금속 분말의 경우 저온 분사 공정을 통해 복합재(10)를 형성할 경우 적층 효율이 떨어지고 코팅층 특성이 저하될 뿐만 아니라, 기판(20)과의 접합 강도도 상대적으로 떨어질 수 있다.
이에 본 실시예에 따른 복합재(10) 형성 방법은 세라믹 분말 및 경도가 높은 제2금속 분말은 열용사 노즐(30B)을 이용한 열용사 공정을 수행하고, 이와 동시에 상대적으로 경도가 낮은 제2 금속 분말은 저온 분사 노즐(30A)을 이용한 저온 분사 공정을 수행하여 적층 효율이 우수하고 코팅층의 특성을 개선시킬 뿐만 아니라, 기판(20)과의 접합 강도도 개선할 수 있다.
이렇게, 본 발명의 실시예에 따른 복합재의 형성 방법에 따라 형성된 금속 및 세라믹 복합재를 촬영한 사진을 도 2에 나타내었다.
도 2를 참고하면 금속과 세라믹 복합재가 기판 상에서 균일하게 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법에 따르면, 저온 분사 코팅과 열용사 코팅을 함께 수행하여 복합재를 형성함으로써, 적층 효율이 우수하고 균일하며, 고인성, 고내식성, 내마모성 및 내열성이 개선될 수 있는 장점이 있다.
10: 복합재 20: 기판
30A: 저온 분사 노즐 30B: 열용사 노즐

Claims (13)

  1. 기판, 금속 분말 및 세라믹 분말을 준비하는 단계, 및
    상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말을 분사하여 상기 기판을 코팅하는 단계를 포함하며,
    상기 금속 분말은 저온 분사 공정을 통해 코팅을 수행하고,
    상기 세라믹 분말은 열용사 공정을 통해 코팅을 수행하며,
    상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말의 코팅은 동시에 수행되는 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 금속 분말은 순수 금속, 혼합 금속 및 합금 중 선택된 어느 하나 이상인 복합재 형성 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 금속 분말은 알루미늄, 구리, 주석, 철 및 코발트 중 적어도 어느 하나 이상인 복합재 형성 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 금속 분말의 입경은 5~ 200㎛인 복합재 형성 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 세라믹 분말은 알루미나, 실리콘 카바이드, 텅스텐 카바이드 및 다이아몬드 중 적어도 어느 하나 이상인 복합재 형성 방법.
  6. 제5항에서,
    상기 세라믹 분말의 입경은 5~ 200㎛인 복합재 형성 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 열용사 공정은 가스 화염 용사법, 저속 및 고속 화염 용사법, 폭발 용사법, 대기 플라즈마 용사법 및 감압 플라즈마 용사법 중에서 선택된 어느 하나인 복합재 형성 방법.
  8. 제1항에서,
    상기 저온 분사 공정은 저온 분사 노즐을 통해 수행하고,
    상기 열용사 공정은 상기 저온 분사 노즐과 별도의 열용사 노즐을 통해 수행하는 복합재 형성 방법.
  9. 기판, 금속 분말 및 세라믹 분말을 준비하는 단계, 및
    상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말을 분사하여 상기 기판을 코팅하는 단계를 포함하며,
    상기 금속 분말은 제1 금속 분말 및 상기 제1 금속 분말보다 상대적으로 경도가 높은 제2 금속 분말을 포함하고,
    상기 제1 금속 분말은 저온 분사 공정을 통해 코팅을 수행하고,
    상기 제2 금속 분말 및 상기 세라믹 분말은 열용사 공정을 통해 코팅을 수행하며,
    상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말의 코팅은 동시에 수행되는 금속 및 세라믹 복합재 형성 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 금속 분말은 순수 금속, 혼합 금속 및 합금 중 선택된 어느 하나 이상인 복합재 형성 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 세라믹 분말은 알루미나, 실리콘 카바이드, 텅스텐 카바이드 및 다이아몬드 중 적어도 어느 하나 이상인 복합재 형성 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 금속 분말 및 상기 세라믹 분말의 입경은 5~ 200㎛인 복합재 형성 방법.
  13. 제9항에서,
    상기 저온 분사 공정은 저온 분사 노즐을 통해 수행되고,
    상기 열용사 공정은 상기 저온 분사 노즐과 별도의 열용사 노즐을 통해 수행하는 복합재 형성 방법.
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