KR20170116780A - 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법 - Google Patents
티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 텅스텐 카바이드(WC) 22∼60중량%, 티타늄(Ti) 1∼20중량%, 니켈(Ni) 24∼42중량%, 크롬(Cr) 5∼8중량%, 규소(Si) 3∼5중량%, 붕소(B) 2.5∼3.5중량%, 철(Fe) 2∼3.5중량%, 코발트(Co) 0.01∼0.1중량%, 탄소(C) 0.01∼0.06중량%, 인(P) 0.01∼0.02중량%를 혼합하여 코팅제를 조성하는 S10단계; 상기 조성된 코팅제를 정해진 두께와 밀도로 압연하여 WC-Ti 피막재를 성형하는 S20단계; 니켈 합금재를 정해진 두께와 밀도로 균일하게 압연하여 브레이징 피막재를 성형하는 S30단계; 상기 성형된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 상온에서 건조시키는 S40단계; 상기 건조된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 코팅하려는 모재의 형상에 맞춰 커팅하는 S50단계; 상기 커팅된 WC-Ti 피막재를 모재 위에 접착하고, 상기 WC-Ti 피막재 위에 브레이징 피막재를 접착하여 저온에서 결합시키는 S60단계; 및 상기 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재가 저온 접착된 모재를 소결 브레이징하는 S70단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 비중이 다른 텅스텐 카바이드와 티타늄의 이종 소재를 이용하여 클래딩(Cladding)층 표층과 접합층 사이의 경도를 균질하게 유지시킴으로서 내구성, 내마모성, 내부식성, 내침식성을 향상시키고 아울러 설비의 수명을 연장시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 비중이 다른 이종소재를 이용하여 클래딩층 표층에서 접합층까지의 경도 균질화를 유지시킬 수 있는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법에 관한 것이다.
일반적으로 특수 환경하에서 사용하는 설비들은 제품의 기계적 강도 및 내침식성을 향상시키기 위하여 표면을 코팅재로 코팅한다. 이때, 코팅재는 제품의 강도 및 내침식성을 향상시켜 제품의 수명을 연장시킨다.
전술한 특수 환경 중의 하나로서, 국내 석탄 화력 발전소의 탈황설비(FGD System : Flue Gas Desulfurization System)는 배연 가스의 환경 오염물질인 황산화물을 제거하기 위하여 설치되는 것으로서, 보일러 1기당 교반기 프로펠러 4개를 포함하고 있다. 여기서, 프로펠러는 슬러리를 교반하여 고형물이 분리 및 침전되는 것을 방지한다.
그러나, 날개 주위의 팁보오텍스 공동화(Tip Vortex Cavitation)현상에 의하여 기포가 발생되고, 빠른 유속과 황산화물의 부식성이 복합적으로 작용하여 마모가 빠르게 진행된다.
프로펠러의 마모는 교반 성능 및 탈황효율을 저하시키고, 프로펠러의 밸런스 불균형에 따른 이상소음 및 진동을 유발시키며, 수명을 단축시킨다.
또한, 마모된 프로펠러를 양생 및 유지보수에 따른 경제적 손실 및 효율저하에 따른 손해를 발생시킨다.
따라서, 발전소 설비의 내마모성, 내구성 및 내부식성 증진을 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.
하지만 아직까지 내부식성과 내마모성을 동시에 효과적으로 만족하는 기술은 찾아보기가 힘들며, 또한, 내마모성 증진을 위해 접착과 용사 등으로 코팅을 하는 기술은 대부분 10,000psi의 낮은 결합력을 가지고 있어 피로 파괴에 따른 박리 현상이 발생되는 문제점이 있다.
이에 어떠한 코팅 기술이든 박리현상이 발생하지 않게 하려면 내구성, 내침식성, 내부식성, 내마모성이 탁월한 코팅제 및 코팅소재의 개발이 절실하다.
본 출원인은 화력발전 설비의 내마모성, 내부식성 향상을 위해 Ni-Cr계 용가재와 텅스텐 카바이드(WC:Tungsten Carbide) 금속파우더를 각각 유연한 직물(Flexible Sheet)형태의 피막을 만들어 브레이징(Brazing) 공정을 이용한 클래딩(Cladding)기술을 보유하고 있다.
그러나 브레이징의 용융과정에서 Ni-Cr계 용가재 보다 상대적으로 비중이 높은 텅스텐 카바이드는 중력 방향으로 분포하고 반대 방향으로는 Ni-Cr계 분포가 많아지는 특징이 있다. 이에 따라 Ni-Cr계 분포가 많은 Cladding층은 경도가 낮은 불균형의 상태가 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서,
본 발명의 목적은 비중이 다른 텅스텐 카바이드와 티타늄 소재를 이용하여 클래딩층 표층과 접합층 사이의 경도 균질화를 유지시킬 수 있는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 초기 마모 증가를 억제하여 마모 가속화를 방지하고 클래딩층 전체가 경도 증가로 따른 내마모성이 증가되어 제품의 수명을 연장시킬 수 있는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 일 관점에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제는 텅스텐 카바이드(WC) 22∼60중량%, 티타늄(Ti) 1∼20중량%, 니켈(Ni) 24∼42중량%, 크롬(Cr) 5∼8중량%, 규소(Si) 3∼5중량%, 붕소(B) 2.5∼3.5중량%, 철(Fe) 2∼3.5중량%, 코발트(Co) 0.01∼0.1중량%, 탄소(C) 0.01∼0.06중량%, 인(P) 0.01∼0.02중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 텅스텐 카바이드(WC)는 100중량부에 대하여 코발트 10∼47중량부가 함유된 것이 사용된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 코팅제에는 성형을 돕기 위한 바인더, 결합제, 용매제, 첨가제 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 것이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 관점에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법은 텅스텐 카바이드(WC) 22∼60중량%, 티타늄(Ti) 1∼20중량%,니켈(Ni) 24∼42중량%, 크롬(Cr) 5∼8중량%, 규소(Si) 3∼5중량%, 붕소(B) 2.5∼3.5중량%, 철(Fe) 2∼3.5중량%, 코발트(Co) 0.01∼0.1중량%, 탄소(C) 0.01∼0.06중량%, 인(P) 0.01∼0.02중량%를 혼합하여 코팅제를 조성하는 S10단계; 상기 조성된 코팅제를 정해진 두께와 밀도로 압연하여 WC-Ti 피막재를 성형하는 S20단계; 니켈 합금재를 정해진 두께와 밀도로 균일하게 압연하여 브레이징 피막재를 성형하는 S30단계; 상기 성형된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 상온에서 건조시키는 S40단계; 상기 건조된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 코팅하려는 모재의 형상에 맞춰 커팅하는 S50단계; 상기 커팅된 WC-Ti 피막재를 모재 위에 접착하고, 상기 WC-Ti 피막재 위에 브레이징 피막재를 접착하여 저온에서 결합시키는 S60단계; 및 상기 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재가 저온 접착된 모재를 소결 브레이징하는 S70단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 S10단계에서 상기 텅스텐 카바이드(WC)는 100중량부에 대하여 코발트 10∼47중량부가 함유된 것이 사용된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S10단계에서 상기 코팅제에는 성형을 돕기 위한 바인더, 결합제, 용매제, 첨가제 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 것이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 S40단계는 온도 10℃∼35℃, 습도 10∼40%의 상온에서 6∼48시간 건조되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 S60단계는 60℃∼150℃의 저온에서 2시간 내지 5시간 결합된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 S70단계에서 소결 브레이징은 모재와 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 저온 접착시키는 제 1구간과, 상기 저온 접착된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 안정화시키는 제 2 구간과, 상기 모재가 가지고 있는 자기변태 온도 구간에서 부식생성을 억제하기 위해 온도를 빠르게 올리는 제 3 구간과, 상기 브레이징 피막의 멜팅(melting) 시작되기 전 브레이징 피막재를 안정화시키는 제 4 구간과, 상기 브레이징 피막재의 멜팅(melting)이 시작되면서 브레이징이 시작되는 구간으로서 크랙방지 및 균일한 코팅을 하게 되는 제 5, 제 6 구간과, 상기 코팅된 모재의 크롬탄화물 형성을 억제하기 위해 노랭 및 퀀칭(quenching)하여 최종적인 코팅을 완성하는 제 7 구간의 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 구간은 80℃∼500℃, 제 2 구간은 500℃∼520℃, 제 3 구간은 520℃∼950℃, 제 4구간은 950℃∼970℃, 제 5 구간은 970℃∼1100℃, 제 6 구간은 1100℃∼1200℃, 제 7구간은 900℃∼400℃의 온도 구간을 갖는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 비중이 다른 텅스텐 카바이드와 티타늄의 이종 소재를 이용하여 클래딩(Cladding)층 표층과 접합 층 사이의 경도를 균질하게 유지시킴으로서 내구성, 내마모성, 내부식성, 내침식성을 향상시키고 아울러 설비의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 이종 소재 및 경사 클래딩 기술을 동시에 확보하여 두께를 높이는 기술을 확보할 수 있고, 설비의 수명연장에 따른 관리유지비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법을 도시한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 클래딩 기술을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법에서 소결 공정을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법을 적용한 클래딩 층 구조와 기존 클래딩 층 구조를 비교 도시한 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법에 의한 클래딩 공정도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법으로 코팅된 모재의 마모시험 전과 마모시험 후를 도시한 이미지 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법으로 코팅된 모재의 열충격시험 전과 열충격시험 후를 도시한 이미지 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 클래딩 기술을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법에서 소결 공정을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법을 적용한 클래딩 층 구조와 기존 클래딩 층 구조를 비교 도시한 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법에 의한 클래딩 공정도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법으로 코팅된 모재의 마모시험 전과 마모시험 후를 도시한 이미지 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법으로 코팅된 모재의 열충격시험 전과 열충격시험 후를 도시한 이미지 도면.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제 및 이를 이용한 코팅방법을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서를 위해서, 도면에서의 동일한 참조번호들은 달리 지시하지 않는 한 동일한 구성 부분을 나타낸다.
먼저, 본 발명의 일 관점에 따른 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제는 텅스텐 카바이드(WC) 22∼60중량%, 티타늄(Ti) 1∼20중량%, 니켈(Ni) 24∼42중량%, 크롬(Cr) 5∼8중량%, 규소(Si) 3∼5중량%, 붕소(B) 2.5∼3.5중량%, 철(Fe) 2∼3.5중량%, 코발트(Co) 0.01∼0.1중량%, 탄소(C) 0.01∼0.06중량%, 인(P) 0.01∼0.02중량%를 혼합하여 조성된다.
텅스텐 카바이드(WC)는 100 중량부에 대하여 코발트 10∼47중량부가 함유된 것이 사용된다. 텅스텐 카바이드(WC)는 높은 경도와 내마모성, 내열성, 내부식성을 가진 재료로서 제품의 보호를 위한 표면처리 재료로 널리 사용되고 있다.
여기서, 텅스텐 카바이드(WC)는 비중이 16 내외로서, 필러(Filler)로 사용하는 Ni-Cr의 비중보다 높다.
티타늄은 (Titanium)은 융점(1660℃)이 높고, 공업용 합금 중 비강도가 제일 크다. 또한 인체를 포함한 어떠한 산화성 및 환원성 분위기에서도 스테인리스강 보다 내식성이 탁월(스테인리스강의 15∼20배 내구성)할 뿐만 아니라 비자성적인 특성이 있기 때문에 방위산업 무기체계 소재로 각광을 받고 있다. 또한 항공우주산업, 생체재료, 원자력 산업, 자동차 산업, 파워플랜트 등 산업 전반에 걸쳐 다양한 첨단 분야의 기본 구조재료로서 활용도가 높아 그 사용 분야가 급속도로 늘어나고 있으며 미래의 고부 가치적 용도가 더욱 기대되는 금속 소재이다.
여기서, 티타늄은 (Titanium)은 비중이 4.5로서, 주로 사용되는 Ni-Cr 필러(Filler) 보다 비중이 낮다.
이에 더하여 코팅제에는 성형을 돕기 위한 바인더, 결합제, 용매제, 첨가제중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 것이 더 포함될 수 있다.
여기서, 바인더는 1∼16중량%가 더 첨가될 수 있고, 결합제, 용매제 및 기타 첨가제는 바인더 함량에 각각 1% 미만이 첨가될 수 있다.
이처럼 본 발명의 코팅제는 비중이 다른 텅스텐 카바이드와 티타늄의 이종 소재를 이용하여 상기의 조성물을 조성함으로써 내마모성, 내침식성, 내부식성, 내구성 기능이 탁월하고, 이러한 코팅제의 코팅 시 클래딩층 전체가 경도 증가에 따른 내마모성이 증가되며, 주재료 간의 강한 결합력을 형성하여 설비의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
도 1을 참고로 하여 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법을 설명하고, 도 2를 참고로 하여 클래딩 기술의 개념을 설명하며, 도 3을 참고로하여 소결 공정을 설명하고, 도 4를 참고로 하여 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법을 적용한 클래딩 층 구조와 기존 클래딩 층 구조를 비교설명하며, 도 5를 참고로 하여 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법에 의한 클래딩 공정을 설명하고, 도 6을 참고로 하여 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법으로 코팅된 모재의 마모시험 전과 마모시험 후를 설명하며, 도 7을 참고로 하여 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법으로 코팅된 모재의 열충격시험 전과 열충격시험 후를 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법은 텅스텐 카바이드(WC) 22∼60중량%, 티타늄(Ti) 1∼20중량%, 니켈(Ni) 24∼42중량%, 크롬(Cr) 5∼8중량%, 규소(Si) 3∼5중량%, 붕소(B) 2.5∼3.5중량%, 철(Fe) 2∼3.5중량%, 코발트(Co) 0.01∼0.1중량%, 탄소(C) 0.01∼0.06중량%, 인(P) 0.01∼0.02중량%를 혼합하여 코팅제를 조성하는 S10단계와, 조성된 코팅제를 정해진 두께와 밀도로 압연하여 WC-Ti 피막재를 성형하는 S20단계와, 니켈 합금재를 정해진 두께와 밀도로 균일하게 압연하여 브레이징 피막재를 성형하는 S30단계와, 성형된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 상온에서 건조시키는 S40단계와, 건조된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 코팅하려는 모재의 형상에 맞춰 커팅하는 S50단계와, 커팅된 WC-Ti 피막재를 모재 위에 접착하고, WC-Ti 피막재 위에 브레이징 피막재를 접착하여 저온에서 결합시키는 S60단계와, WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재가 저온 접착된 모재를 소결 브레이징하는 S70단계를 포함한다.
S10단계에서, 텅스텐 카바이드(WC)는 100 중량부에 대하여 코발트 10∼47중량부가 함유된 것이 사용된다. 그리고, 코팅제에는 성형을 돕기 위한 바인더, 결합제, 용매제, 첨가제가 선택적으로 더 포함될 수 있다. 여기서, 바인더는 1∼16중량% 더 첨가될 수 있고, 결합제, 용매제 및 기타 첨가제는 바인더 함량에 각각 1% 미만이 첨가될 수 있다.
S20단계는 S10단계에서 조성된 코팅제를 케스팅(Casting)하여 WC-Ti 피막재를 성형한다. 여기서, WC-Ti 피막재는 조성된 코팅제를 롤러에 통과시켜 균일한 두께와 밀도로 압연하여 성형한다. 이때, WC-Ti 피막재의 두께와 밀도는 사용 환경에 따라 달라질 수 있다.
S30단계는 브레이징 피막재를 성형한다.
브레이징 피막재는 니켈 합금재를 롤러에 통과시켜 균일한 두께와 밀도로 압연하여 성형한다. 이때, 브레이징 피막재의 두께와 밀도도 사용 환경에 따라 달라질 수 있다.
니켈 합금재는 니켈을 주체로 하는 합금으로, 공업용의 순니켈, 니켈-철계, 니켈-구리계, 니켈-크롬계, 니켈-크롬-철계, 니켈-몰리브덴계 등이 있다.
또한, 니켈 합금재는 전반적으로 내식성과 내열성이 우수하여 가혹한 화학 환경에 견디는 내식 재료와 고온 용도로 중요성이 커지고 있다. 또한, 텅스텐 카바이드와 같이 녹기 힘든 곳에 젖음성을 향상시켜주는 역할을 하고 내부식성을 향상시킨다.
본 발명에서의 니켈 합금재는 니켈-크롬계를 사용한다.
S40단계는 S20단계와 S30단계에서 각각 성형된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 상온에서 건조시킨다. 이때, 건조 온도 및 습도가 높으면 코팅(Coating)시 불량 확률이 높게 발생한다.
따라서, 상온의 건조 온도 10℃∼35℃, 습도 10∼40%를 유지시키고, 이러한 조건에서 6∼48시간 건조시킨다.
이와 같은 제조방법으로 제조된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재는 유연한(Flexible) 시트 형태 코팅소재가 된다.
유연한 시트 형태의 코팅소재는 다양한 형태로 절단이 가능하고, 곡선으로 접착할 수도 있어 다양한 구조의 코팅 대상 모재에 적용 가능하며 이로 인하여 적용 분야를 확대시킬 수 있다.
S50단계는 코팅하려는 모재의 형상에 맞춰 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 커팅하여 준비한다.
S60단계는 S50단계에서 준비된 WC-Ti 피막재를 모재 위에 먼저 접착하고 WC-Ti 피막재 위에 브레이징 피막재를 접착하여 60℃∼150℃의 저온에서 2시간 내지 5시간 결합시킨다.
S70단계는 사용환경 및 브레이징 피막에 따라 약 1,000℃ ∼ 1,300℃ 이하의 불활성 환경의 소결로 또는 진공로에서 브레이징 한다.
여기서, 소결 브레이징 공정은 도 3에 도시된 바와 같이 7구간으로 구분될 수 있다.
먼저, 제 1 구간은 80℃∼500℃ 온도 구간으로서, 모재와 WC-Ti 피막재 및 브레이징 피막재의 1차 저온 접착 구간인 동시에 피막재의 수축 및 미세공(pore)을 없애기 위해 WC-Ti 피막재 및 브레이징 피막재에 함유된 바인더의 성분을 휘발시키는 구간이다. 이때, 모재와 WC-Ti 피막재 및 브레이징 피막재가 떨어져서는 안되며, 모재의 형태 및 사이즈에 따라 시간을 조절한다.
제 2 구간은 500℃∼520℃ 온도 구간으로서, 휘발된 바인더가 WC-Ti 피막재 및 브레이징 피막재에 영향을 미치지 않게 하기 위해 500℃ 온도를 30분 동안 유지하여 안정화시킨다.
제 3 구간은 모재가 가지고 있는 자기변태 온도구간인 700℃∼800℃에서 온도를 천천히 올리면 부식층(Cr탄화물)이 생성되어 코팅을 방해한다. 따라서, 부식생성을 억제하기 위해 520℃부터 950℃까지 온도를 빠르게 올린다.
제 4 구간은 950℃∼970℃ 온도 구간으로서, 브레이징 피막의 멜팅(melting) 시작되기 전 브레이징 피막재를 안정화시킨다.
제 5 구간과 제 6 구간은 970℃∼1200℃ 온도 구간으로서, 브레이징 피막재의 멜팅(melting)이 시작되면서 브레이징이 시작되는 구간으로서 크랙방지 및 균일한 코팅을 하게 되는 중요한 구간이다. 이때, 모재 형태 및 사이즈에 따라 균일 구간에서의 시간이 달라질 수 있다.
제 7 구간은 900℃∼400℃의 온도 구간으로서, 코팅된 모재의 크롬탄화물 형성을 억제하기 위해 노랭 및 퀀칭(quenching)하여 최종적인 코팅을 완성한다.
즉, 브레이징 피막이 WC-Ti 피막재인 코팅소재와 모재 사이에 침투해 들어가며 모재에 확산이 일어나 주재료 간의 강한 결합을 형성하여 코팅이 이루어진다.
여기서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 텅스텐 카바이드(WC)는 비중이 16 내외로서, 필러(Filler)로 사용하는 Ni-Cr의 비중 10 보다 높아 브레이징 과정에서 중력방향으로 분포하는 경향이 발생한다.
그러나, 티타늄은(Titanium)은 비중이 4.5로서, 주로 사용되는 Ni-Cr 필러(Filler) 보다 비중이 낮아 브레이징 과정 중 필러(Filler)의 용융상태에서 표층부의 분포가 높다.
따라서, 클래딩층 표층과 접합층 사이의 경도 균질화를 유지시킬 수 있게 된다.
이하에서는, 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅재를 이용한 코팅방법으로 코팅된 모재의 시편을 커팅하여 경도, 마모특성, 열충격특성을 시험하였다.
(시험 1) 경도
경도 테스트(test)는 200*200 사이즈의 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅소를 이용한 코팅방법으로 코팅된 시편을 커팅(cutting)하여 시험편을 준비하였으며, 신뢰성 검증을 위해 5개 시편을 기반으로 테스트하여 표 1에 나타내었다.
| 항목 | 단위 | 측정 결과 | 시험방법 | |
| WC-Ti 코팅재 코팅 시편 |
시편 1 | Hv | 985 | KS B 0811 |
| 시편 2 | Hv | 978 | KS B 0811 | |
| 시편 3 | Hv | 962 | KS B 0811 | |
| 시편 4 | Hv | 969 | KS B 0811 | |
| 시편 5 | Hv | 956 | KS B 0811 |
표 1에 나타낸 바와 같이 시편 5개의 평균 경도 값은 970Hv이고, 클래딩층 표층과 접합층 사이의 경도가 950Hv이상을 유지하였다. 여기서, 시편은 코팅층의 구조상 표면이 티타늄층이고 중앙이 Ni-Cr층이며 모재 쪽으로 갈수록 WC층이 분포되어 전체적으로 경도의 균질함을 나타내었다.
(시험 2) 마모
네오플러스 MPW-110 마모시험기를 이용하여 도 6에 도시된 바와 같이 5개 시편의 마모 테스트를 하였다.
<시험조건>
환경조건 - 시험온도 : 23±5℃, 시험습도: 50±10% R.H.
시험시간 : 10.000 sec
회전속도 : 83 RPM
시험하중 : 1.5 kg
회전반경 : 11.5 mm
시험거리 : 1000m
마모테스트한 결과 WC-Ti 코팅재 코팅 시편은 마모량이 매우 적어 정량적 수치 표시가 불가하였으며, 이를 표 2 및 도 6에 도시하였다.
| 평균 마모 깊이(㎛) | 총 마모량(㎣) | |
| SUS304 | 39.3 | 81.2 |
| SUS310S | 40.9 | 85.5 |
| SUS316 | 81.2 | 103.8 |
| SUS347 | 59.6 | 112.6 |
| WC-Ti코팅재코팅시편 | - | - |
표 2 및 도 6에 도시된 마모시험 전과 마모시험 후의 시편에서 확인할 수 있듯이 WC-Ti 코팅재 코팅 시편은 마모량이 정량적 수치로 표시가 불가할 정도로 마모량이 적은 것으로 볼 때 마모에 상당히 강하다는 것을 확인할 수 있었다.
(시험 3)
열충격
열충격 테스트는 코팅층이 모재와의 터짐, 박리, 들뜸 유,무를 측정하는 시험으로서, 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅소재가 코팅된 1개의 시편을 아래의 시험방법으로 테스트하였으며 그 결과를 표 3 및 도 7에 나타내었다.
<시험방법>
- 500℃ 열처리로에서 10분간 가열
- 상온의 물속에서 급랭
- 상기 두 과정을 1 cycle로 하여 총 5 cycle을 실시
- 각 cycle마다 시편 피막의 외관검사
| 시험품명 | 시험결과 | 시험온도 | 비고 | |
| WC-Ti 코팅재 코팅시편 열충격 Test |
1차 | 피막의 터짐, 박리, 들뜸-없음 | 500℃ |
- |
| 2차 | 피막의 터짐, 박리, 들뜸-없음 | |||
| 3차 | 피막의 터짐, 박리, 들뜸-없음 | |||
| 4차 | 피막의 터짐, 박리, 들뜸-없음 | |||
| 5차 | 피막의 터짐, 박리, 들뜸-없음 | |||
표 3 및 도 7에서 알 수 있듯이 열충격 시험 결과 모재와의 터짐, 박리, 들뜸 현상이 발생되지 않았다.
이와 같이 본 발명은 경도, 마모, 열충격 시험의 결과에서 알 수 있듯이 클래딩층 표층과 접합층 사이의 경도가 950Hv이상을 유지하여 초기 마모 증가를 억제함으로써 마모 가속화를 방지하고 클래딩층의 전체 경도 증가로 따른 내마모성이 증가되어 설비의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 비중이 다른 텅스텐 카바이드와 티타늄의 이종 소재를 이용하여 클래딩(Cladding)층 표층과 접합 층 사이 경도를 균질하게 유지시킴으로서 내구성, 내마모성, 내부식성, 내침식성을 향상시킨다.
또한, 이종 소재 및 경사 클래딩 기술을 동시에 확보하여 두께를 높이는 기술을 확보할 수 있고, 설비의 수명연장에 따른 관리유지비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 코팅소재의 유연함은 다양한 형태로 절단이 가능하고, 곡선으로 접착할 수 있어 다양한 구조의 모재에 적용이 가능하고 아울러 다양한 분야에 적용이 가능할 뿐만 아니라 코팅기술력을 향상시키게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
Claims (10)
- 텅스텐 카바이드(WC) 22∼60중량%, 티타늄(Ti) 1∼20중량%, 니켈(Ni) 24∼42중량%, 크롬(Cr) 5∼8중량%, 규소(Si) 3∼5중량%, 붕소(B) 2.5∼3.5중량%, 철(Fe) 2∼3.5중량%, 코발트(Co) 0.01∼0.1중량%, 탄소(C) 0.01∼0.06중량%, 인(P) 0.01∼0.02중량%를 포함하여 구성된 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제.
- 제 1 항에 있어서,
상기 텅스텐 카바이드(WC)는 100중량부에 대하여 코발트 10∼47중량부가 함유된 것이 사용된 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제. - 제 1 항에 있어서,
상기 코팅제에는 성형을 돕기 위한 바인더, 결합제, 용매제, 첨가제 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 것이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제. - 텅스텐 카바이드(WC) 22∼60중량%, 티타늄(Ti) 1∼20중량%, 니켈(Ni) 24∼42중량%, 크롬(Cr) 5∼8중량%, 규소(Si) 3∼5중량%, 붕소(B) 2.5∼3.5중량%, 철(Fe) 2∼3.5중량%, 코발트(Co) 0.01∼0.1중량%, 탄소(C) 0.01∼0.06중량%, 인(P) 0.01∼0.02중량%를 혼합하여 코팅제를 조성하는 S10단계;
상기 조성된 코팅제를 정해진 두께와 밀도로 압연하여 WC-Ti 피막재를 성형하는 S20단계;
니켈 합금재를 정해진 두께와 밀도로 균일하게 압연하여 브레이징 피막재를 성형하는 S30단계;
상기 성형된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 상온에서 건조시키는 S40단계;
상기 건조된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 코팅하려는 모재의 형상에 맞춰 커팅하는 S50단계;
상기 커팅된 WC-Ti 피막재를 모재 위에 접착하고, 상기 WC-Ti 피막재 위에 브레이징 피막재를 접착하여 저온에서 결합시키는 S60단계; 및
상기 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재가 저온 접착된 모재를 소결 브레이징하는 S70단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 S10단계에서 상기 텅스텐 카바이드(WC)는 100중량부에 대하여 코발트 10∼47중량부가 함유된 것이 사용된 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 S10단계에서 상기 코팅제에는 성형을 돕기 위한 바인더, 결합제, 용매제, 첨가제 중 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 것이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 S40단계는 온도 10℃∼35℃, 습도 10∼40%의 상온에서 6∼48시간 건조되는 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 S60단계는 60℃∼150℃의 저온에서 2시간 내지 5시간 결합된 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 S70단계에서 소결 브레이징은 모재와 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 저온 접착시키는 제 1구간과, 상기 저온 접착된 WC-Ti 피막재와 브레이징 피막재를 안정화시키는 제 2 구간과, 상기 모재가 가지고 있는 자기변태 온도 구간에서 부식생성을 억제하기 위해 온도를 빠르게 올리는 제 3 구간과, 상기 브레이징 피막의 멜팅(melting) 시작되기 전 브레이징 피막재를 안정화시키는 제 4 구간과, 상기 브레이징 피막재의 멜팅(melting)이 시작되면서 브레이징이 시작되는 구간으로서 크랙방지 및 균일한 코팅을 하게 되는 제 5, 제 6 구간과, 상기 코팅된 모재의 크롬탄화물 형성을 억제하기 위해 노랭 및 퀀칭(quenching)하여 최종적인 코팅을 완성하는 제 7 구간의 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 구간은 80℃∼500℃, 제 2 구간은 500℃∼520℃, 제 3 구간은 520℃∼950℃, 제 4구간은 950℃∼970℃, 제 5 구간은 970℃∼1100℃, 제 6 구간은 1100℃∼1200℃, 제 7구간은 900℃∼400℃의 온도 구간을 갖는 것을 특징으로 하는 티타늄을 포함한 텅스텐 카바이드 코팅제를 이용한 코팅방법.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190101308A (ko) * | 2018-02-22 | 2019-08-30 | 윤주영 | 용사코팅된 파라 아라미드 직물을 포함하는 방탄 및 방검용 제재 |
| CN114645200A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-06-21 | 珠海市龙圣模具材料有限公司 | 一种高韧性、高热稳定性模具钢及其制备方法 |
-
2016
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| CN114645200A (zh) * | 2022-03-11 | 2022-06-21 | 珠海市龙圣模具材料有限公司 | 一种高韧性、高热稳定性模具钢及其制备方法 |
| CN114645200B (zh) * | 2022-03-11 | 2023-01-10 | 珠海市龙圣模具材料有限公司 | 一种高韧性、高热稳定性模具钢及其制备方法 |
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