KR20180017186A - 표면 개질 부재의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

기재에 용사피막을 형성하는 공정; 용사피막 표면에 고에너지 빔을 조사하여 막 두께 방향에서의 용사피막 전체 및 기재의 일부를 용융하고 응고시켜, 치밀화된 개질층을 형성하는 공정; 직전에 형성한 개질층 상에 용사피막을 형성하는 공정; 및 용사피막의 표면에 고에너지 빔을 조사하여 막 두께 방향에서의 용사피막 전체 및 직전에 형성한 개질층의 일부를 용융하고 응고시켜, 치밀화된 개질층을 형성하는 공정을 포함하는 표면 개질 부재의 제조방법을 제공한다.

Description

표면 개질 부재의 제조방법
본 발명은, 기재 상에 용사피막을 형성한 후, 이 용사피막 표면에 고에너지 빔을 조사함으로써 피막을 용융하고 응고시켜, 치밀화된 개질층을 형성하는 표면 개질 부재의 제조방법에 관한 것이다.
구조물 표면의 기능성을 향상시키기 위해, 구성 부재의 표면에 각종 용사피막을 형성하는 것이 널리 이루어지고 있다. 용사법은, 금속, 세라믹, 서멧 등의 용사재료를, 가연성 가스의 연소 프레임, 또는 아르곤, 헬륨, 수소 등의 플라즈마 프레임 중에 공급하여 이들을 연화 또는 용융 상태로 하고, 피용사체 표면에 고속으로 분사함으로써, 그 표면에 용사피막을 코팅하는 표면처리 기술이다.
예를 들어, 반도체 제조공정의 처리용기 내에서는, 불화물이나 염화물을 함유한 가스 중에서 플라즈마를 발생시키기 때문에, 처리용기 내에서 각종 부재가 부식되어 버린다는 문제가 있다. 그래서, 특허문헌 1과 같이, 주기율표의 IIIa족에 속하는 원소의 산화물인 Y2O3를, 용사법에 의해 부재 표면에 피복함으로써, 플라즈마 내식성을 향상시켰다.
특허문헌 2에서는 새로운 개선방안으로, 기재 표면에 주기율표의 IIIa족 원소의 산화물을 용사하여 다공질층을 형성하고, 다공질층 표층에 레이저 등의 고에너지 빔을 조사함으로써 치밀화시켜 2차 재결정층을 형성함에 따라, 한층 가혹한 부식성 가스 분위기 중에서도 견딜 수 있는 것으로 하였다.
또, 고에너지 빔의 조사로 표층을 개질시키는 다른 방법으로, 특허문헌 3과 같이, 알루미늄재 표면의 필요한 부위에, 부가물질 피막인 용사피막을 형성한 후, 용사피막에 펄스 레이저를 조사함으로써 피막을 용융시키고, 용사피막과 알루미늄재와의 합금화층 또는 복합화층을 형성하는 것이 알려져 있다.
특허문헌1: 일본 공개특허 2001-164354호 공보 특허문헌2: 일본 공개특허 2007-247043호 공보 특허문헌3: 일본 공개특허 1997-170037호 공보
용사법을 이용한 코팅기술 과제의 하나로, 기재와 용사피막의 밀착성을 들 수 있다. 특허문헌 2의 방법에서는, 용사피막의 표층만을 레이저로 용융하고 응고시켜 재결정층을 형성하고 있어, 플라즈마 내식성을 향상시킬 수는 있어도, 기재와 용사피막의 밀착성을 향상시킬 수는 없다.
한편, 특허문헌 3과 같이, 기재와 용사피막의 합금화층을 얻는 방법에 따르면, 밀착성이 향상되기는 하나, 합금화층을 두껍게 형성하기 위해서는 레이저를 필요 이상으로 고에너지로 해야 할 필요가 있으며, 그리 되면 피막 중에 기재 성분이 과잉 포함되어, 원하는 표면 성능을 얻을 수 없다는 등의 문제가 생긴다.
따라서 본 발명은, 종래 기술의 문제점을 감안하여, 기재에 대해 높은 밀착성을 가지면서 후막화된 개질층을, 기재 성분의 혼입이 저감된 상태로 얻을 수 있는 표면 개질 부재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 표면 개질 부재의 제조방법은, 다음의 공정(a) 및 공정(b)를 그 순서대로 실시한 후, 공정(c) 및 공정(d)를 그 순서대로 1회, 또는 그 순서대로 복수 회 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 것이다.
(a): 금속, 합금 또는 서멧으로 이루어지는 기재 상에, 금속, 합금 또는 서멧이며, 또 기재와 다른 재료로 이루어지는 용사피막을 형성하는 공정
(b): 상기 공정(a)에서 형성한 용사피막의 표면에 고에너지 빔을 조사하고, 막 두께 방향에서의 당해 용사피막 전체 및 상기 기재의 일부를 용융하고 응고시켜, 치밀화된 개질층을 형성하는 공정
(c): 직전에 형성한 상기 개질층 상에, 금속, 합금 또는 서멧이며, 또 상기 기재와 다른 재료로 이루어지는 용사피막을 형성하는 공정
(d): 상기 공정(c)에서 형성된 용사피막의 표면에 고에너지 빔을 조사하고, 막 두께 방향에서 당해 용사피막의 전체 및 상기 직전에 형성한 개질층의 일부를 용융하고 응고시켜, 치밀화된 개질층을 형성하는 공정
본 발명의 표면 개질 부재의 제조방법의 보다 상세한 특징으로, 다음의 (1) 내지 (7)을 들 수 있다.
(1) 상기 공정(a)에서 형성된 용사피막의 열전도율은, 상기 기재의 열전도율보다 작다.
(2) 상기 공정(c)에서 형성된 용사피막의 열전도율은, 상기 직전에 형성된 개질층의 열전도율보다 작다.
(3) 상기 제조방법으로 형성한 용사피막의 적어도 하나는, 열전도율이 20W/(m·K) 이하이다.
(4) 상기 제조방법으로 형성한 용사피막의 적어도 하나는, 막 두께가 50~300㎛이다.
(5) 상기 제조방법으로 형성한 용사피막의 적어도 하나는, 다른 용사피막의 적어도 하나와 다른 재료로 이루어진다.
(6) 상기 제조방법으로 형성한 용사피막의 적어도 하나는, 다른 용사피막의 적어도 하나와 동일한 재료로 이루어진다.
(7) 상기 고에너지 빔은 레이저이며, 그 에너지 밀도는 1.0×102J/cm2 ~ 1.0×104J/cm2이다.
본 발명에 따르면, 고에너지 빔을 조사할 때, 최외층의 용사피막과, 그 직하층을 동시에 용융시키므로, 견고하게 밀착된 개질층을 얻을 수 있다. 또, 고에너지 빔을 조사할 때, 제 2회 이후의 공정에서는 기재를 용융시키지 않으므로, 상층으로 갈수록 기재 성분이 희석화된다. 또한, 그와 같은 개질층을 두껍게 형성할 수 있다.
도 1은, 공정(a) 및 공정(b)의 각 단계를 나타내는 공정도이다.
도 2는, 제 1회의 공정(c) 및 공정(d)의 각 단계를 나타내는 공정도이다.
도 3은, 제 2회의 공정(c) 및 공정(d)의 각 단계를 나타내는 공정도이다.
도 4는, 제 2회의 공정(d)가 완료된 후의 표면 개질 부재의 모식단면도이다.
도 5는, 제 4회의 공정(d)가 완료된 후의 표면 개질 부재의 모식단면도이다.
이하, 본 발명에 관한 표면 개질 부재 제조방법의 일 실시형태에 대하여 설명한다. 도 1 내지 도 3은, 하기 실시형태의 각 단계를 나타내는 공정도이다. 도 1 내지 도 3의 각 공정은, 각각 위에서 아래를 향하여 순서대로 실시된다.
먼저, 도 1에 나타낸 바와 같이, 용사법에 의해 기재(2) 상에 용사피막(10)을 형성한다(공정(a)). 다음으로, 제 1 용사피막(10) 표면에 고에너지 빔을 조사한다. 이 때, 막 두께방향에서의 제 1 용사피막(10) 전체 및 기재(2)의 일부를 용융하고 응고시킨다. 이로써, 치밀화된 제 1 개질층(4)을 기재(2) 상에 형성한다(공정(b)).
이어서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 용사법에 의해 제 1 개질층(4)(직전에 형성한 개질층) 상에 제 2 용사피막(11)을 형성한다(공정(c)). 다음으로, 제 2 용사피막(11)의 표면에 고에너지 빔을 조사한다. 이 때, 막 두께방향에서의 제 2 용사피막(11) 전체 및 제 1 개질층(4)의 일부를 용융하고 응고시킨다. 이로써, 제 1 개질층(4) 상에 새로운 제 2 개질층(5)를 형성한다(공정 (d)).
계속해서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 용사법으로 제 2 개질층(5)(직전에 형성한 개질층) 상에 제 3 용사피막(12)을 형성한다(공정 (c)). 다음으로, 제 3 용사피막(12)의 표면에 고에너지 빔을 조사한다. 이 때, 고에너지 빔에 의하여, 막 두께방향에서의 제 3 용사피막(12) 전체 및 제 2 개질층(5)의 일부를 용융하고 응고시킨다. 이로써, 제 2 개질층(5) 상에 새로운 제 3 개질층(6)을 형성한다(공정 (d)).
이상의 공정에 의해 제작된 표면 개질 부재(1)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 기재(2)와, 기재(2)의 표면을 피복하는 복수의 개질층(4,5,6)으로 이루어지는 피복층(3)으로 구성된다.
기재(2)는, 금속, 합금 또는 서멧으로 이루어진다. 금속, 합금 및 서멧의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, Ni, Cr, Co, Cu, Al, Ta, Y, W, Nb, V, Ti, B, Si, Mo, Zr, Fe, Hf, La의 군에서 선택되는 원소의 단체 금속, 및 이들 원소의 1 종 이상을 포함하는 합금을 들 수 있으며, 바람직하게는, 스테인리스강 또는 Al, Cu, Ni, Cr, Mo의 군에서 선택되는 원소의 단체 금속, 혹은 이들 원소의 1 종 이상을 포함하는 합금이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 기재(2)의 재질은, 기재(2) 상에 형성하는 제 1 용사피막(10)의 열전도율을 고려하면서, 적절하게 선택하는 것이 바람직하다. 여기서, 기재(2)는, 벌크재 자체만으로 한정되지 않으며, 벌크재 상에 형성된 피막이어도 된다.
제 1 내지 제 3 용사피막(10,11,12)은, 금속, 합금 또는 서멧으로 이루어진다. 제 1 내지 제 3 용사피막(10,11,12)을 형성하는 방법으로는, 대기압 플라즈마 용사법, 감압 플라즈마 용사법, 고속 프레임 용사법, 가스 프레임 용사법, 아크 용사법, 폭발 용사법 등을 들 수 있다. 이 중, 고속 프레임 용사법은, 용사 시의 산화반응을 적게 할 수 있어, 비교적 치밀한 용사피막이 되므로, 후공정에서 용융할 때, 특히 양질의 개질층을 얻을 수 있다. 한편, 고속 프레임 용사법에서는, 피막 형성이 어려운 재료, 또는 피막 형성이 어려운 기재에 대해서는, 대기압 플라즈마 용사법을 이용하면 성막이 용이하여, 용융되었을 경우에도 충분히 양질의 개질층을 얻을 수 있다. 다른 용사방법으로도, 성막 조건이나 후공정에서의 용융조건을 조절함으로써, 양질의 개질층을 얻을 수 있다.
제 1 내지 제 3 개질층(4,5,6)은, 모두 용사피막의 표면에 고에너지 빔을 조사함으로써 형성된 것이다. 이 처리에 따라, 미처리 용사피막에 비하여 치밀한 조직을 갖는 개질층을 얻을 수 있어, 내마모성이나 내식성을 향상시킬 수 있다.
공정(b)의 고에너지 빔의 조사에서는, 제 1 용사피막(10) 뿐만 아니라 기재의 일부도 동시에 용융하고 응고시키므로, 기재(2)와 제 1 개질층(4)은 견고하게 밀착된다.
제 1회 공정(d)의 고에너지 빔 조사에서는, 제 2 용사피막(11) 뿐만 아니라, 제 1 개질층(4)의 일부도 동시에 용융하고 응고시키므로, 제 1 개질층(4)과 제 2 개질층(5)은 견고하게 밀착된다.
제 2회 공정(d)의 고에너지 빔 조사에서는, 제 3 용사피막(12) 뿐만 아니라 제 2 개질층(5)의 일부도 동시에 용융하고 응고시키므로, 제 2 개질층(5)과 제 3 개질층(6)은 견고하게 밀착된다.
이상으로, 본 실시형태에 따르면, 기재(2)로부터 최상층인 제 3 개질층(6)까지의 각 층이 각각 견고하게 밀착된 표면 개질 부재(1)를 얻을 수 있게 된다.
또한, 공정(b) 및 공정(d)에서는, 고에너지 빔이 기판(2)에 도달하지 않도록 조사되므로, 복수의 개질층(4,5,6)으로 이루어지는 피복층(3)은, 기재(2)측으로부터 표면측으로 향함에 따라 기재(2)의 성분 함량이 감소된 것이다.
본 실시형태에서는, 공정(c) 및 공정(d)를 재차 반복함으로써, 치밀화된 개질층의 후막화를 구현할 수 있다. 구체적으로는, 공정(c) 및 공정(d)는, 3회 이상, 예를 들어, 7회 내지 10회 정도 반복 실시해도 된다. 또한, 공정(c) 및 공정(d)는 1회만 실시하여도 된다.
본 실시형태에서, 기재(2)를 구성하는 재료 및 제 1 내지 제 3 용사피막(10,11,12)을 구성하는 재료는, 모두 금속, 합금 또는 서멧이지만, 기재(2)를 구성하는 재료는, 용사피막(10,11,12)을 구성하는 재료의 어느 것과도 다르다.
제 1 내지 제 3 용사피막(10,11,12)을 구성하는 재료는, 모두 동일해도 되고, 모두 달라도 된다. 또한, 제 1 내지 제 3의 용사피막 중, 일부 재료만을 다르게 하고, 다른 용사피막의 재료를 동일하게 해도 된다. 구체적으로는, (i)제 1 및 제 2 용사피막(10,11)의 재료를 동일하게 하고, 제 3 용사피막(12)의 재료만 다른 것으로 해도 되며, (ii)제 1 및 제 3 용사피막(10,12)의 재료를 동일하게 하고, 제 2 용사피막(11)의 재료만 다른 것으로 해도 되고, (iii)제 2 및 제 3 용사피막(11,12)의 재료를 동일하게 하고, 제 1 용사피막(10)의 재료만 다른 것으로 해도 된다.
각 용사피막에 다른 재료를 사용하는 경우에는, 견고하게 밀착된 이종 재료로 이루어지는 개질층의 적층이 기재 상에 형성되게 된다. 또한 동일한 재료를 사용하는 경우에는, 기재 상에 어느 한 종류의 재료로 이루어지는 후막화된 개질층이 형성되게 된다.
각 용사피막의 재료가 다르거나 동일함에 관계없이 후막화된 개질층이 기재를 피복하고, 또 최표면에의 기재 유래 성분의 혼입이 저감된 층 구성으로 하는 것은, 실무적으로는 커다란 장점이 된다. 이로써, 적용 대상에 따라 바리에이션이 풍부한 피막을 형성 할 수 있다.
본 실시형태에서는, 각 용사피막(10,11,12)에 조사하는 고에너지 빔으로 레이저를 이용한 예를 나타내었으나, 그 대신 전자빔 등을 사용할 수도 있다. 고에너지 빔의 조사는, 개질층(4,5,6)에 요구되는 막 두께, 기공률, 기재 성분의 희석율 등을 고려하여, 적절히 조건을 조절하여 실시하는데, 예를 들어, 에너지 밀도를 1.0 × 102J/cm2 ~ 1.0 × 104J/cm2로 설정하면, 기재(2), 또는 직전에 형성된 제 1 개질층(4), 제 2 개질층(5)의 용융이 과부족함 없이 이루어져, 층간 밀착성이 높은 피복층(3)을 얻기가 용이하므로 바람직하다.
본 실시형태에서 사용할 수 있는 레이저의 종류로는, 섬유 레이저, 반도체 레이저, YAG 레이저 등을 들 수 있다. 레이저의 발진 방식에 대해서는, 연속 발진, 펄스 발진 등을 들 수 있는데, 보다 연속적으로 용사피막에 열을 부여할 수 있는 연속 발진 방식이 바람직하다.
레이저 초점에서의 빔 형태는, 사각형, 원형 등 적절히 설정할 수 있다. 레이저의 주사는, 초점을 고정시킨 상태로 하고 직선적으로 주사하여도 되고, 초점을 원 또는 타원을 그리는 상태로 하고 직선적으로 주사해도 된다. 또한 레이저 헤드 쪽을 주사하여도 되고, 기재 쪽을 주사해도 된다. 이들 조건과 더불어, 레이저를 조사하는 용사피막의 열전도율도 고려하여, 적절하게 조사 조건을 설정한다.
제 1 ~ 제 3 용사피막(10,11,12)을 구성하는 금속 및 합금의 구체적인 예로는, Ni, Cr, Co, Cu, Al, Ta, Y, W, Nb, V, Ti, B, Si, Mo, Zr, Fe, Hf, La 군에서 선택되는 원소의 단체 금속 및 이들 원소의 1종 이상을 포함하는 합금을 들 수 있으며, 바람직하게는, Ni, Cr, Co, Al, Y , Mo 군에서 선택되는 원소의 1종 이상을 포함하는 합금, 또는 Si이다. 또한, 서멧으로는, Cr3C2, TaC, WC, NbC, VC, TiC, B4C, SiC, CrB2, WB, MoB, ZrB2, TiB2, FeB2, CrN, Cr2N, TaN, NbN, VN, TiN, BN 군에서 선택되는 1종 이상의 세라믹스를, Ni, Cr, Co, Cu, Al, Ta, Y, W, Nb, V, Ti, B, Si, Mo, Zr, Fe, Hf, La 군에서 선택되는 1종 이상의 금속과 복합화한 것을 들 수 있다.
레이저를 제 1 용사피막(10)의 표면에 조사했을 때, 제 1 용사피막(10)의 열전도율이 기재(2)의 열전도율보다 크면, 제 1 용사피막(10)에서 기재(2)로 열이 확산되기 쉽기 때문에, 용사피막을 용융하기 위해 더 큰 에너지가 필요하게 되어, 기재(2)의 용융이 상정한 것보다 과도하게 용융되어 버리기 쉽다. 이를 방지하기 위해, 제 1 용사피막(10)의 열전도율은 기재(2)의 열전도율보다 작게 하는 것이 바람직하다. 용사피막의 열전도율이 기재의 열전도율보다 작으면, 기재로의 열 확산이 억제되어 용사피막이 용융되기 쉬워짐과 더불어, 기재가 과도하게 용융되지 않는다.
마찬가지로, 레이저를 제 2 용사피막(11)의 표면에 조사했을 때, 제 2 용사피막(11)의 열전도율이 제 1 개질층(4)의 열전도율보다 크면, 제 2 용사피막(11)에서 제 1 개질층(4)으로 열이 확산되기 쉽기 때문에, 용사피막을 용융하기 위해 더 큰 에너지가 필요하게 되어, 제 1 개질층(4)이 상정한 것보다 과도하게 용융되어 버리기 쉽다. 또한 레이저를 제 3 용사피막(12)의 표면에 조사했을 때, 제 3 용사피막(12)의 열전도율이 제 2 개질층(5)의 열전도율보다 크면, 제 3 용사피막(12)에서 제 2 개질층(5)으로 열이 확산되기 쉽기 때문에, 용사피막을 용융하기 위해 더 큰 에너지가 필요하게 되어, 제 2 개질층(5)이 상정한 것보다 과도하게 용융되는 경향이 많아진다. 이를 방지하기 위해, 제 2 용사피막(11)의 열전도율은 제 1 개질층(4)의 열전도율보다 작은 것이 바람직하고, 제 3 용사피막(12)의 열전도율은 제 2 개질층(5)의 열전도율보다 작은 것이 바람직하다. 용사피막의 열전도율이 직전에 형성한 개질층의 열전도율보다 작으면, 개질층으로의 열 확산이 억제되어 용사피막이 용융되기 쉬워짐과 더불어, 개질층이 과도하게 용융되지 않는다.
제 1 ~ 제 3 용사피막(10,11,12)의 열전도율은, 각각 20W/(m·K) 이하가 바람직하며, 보다 바람직하게는 15W/(m·K) 이하이고, 더욱 바람직하게는 10W/(m·K) 이하이다.
열전도율(W/(m·K))은, JIS H7801 : 2005 "금속 레이저 플래시 법에 의한 열 확산율 측정방법"에 준거한 방법으로 열 확산율(m2/s)을 측정하면, 다음 식에 의해 산출할 수 있다.
열전도율 k(W/(m·K)) = 열 확산율a (m 2 /s)× 비열c (J/(K·kg))× 밀도ρ (kg/m 3 )
용사피막의 열전도율은, 용사 조건이나, 용사 재료가 고유하게 갖는 열전도율 조합 등에 의해 적절하게 설정된다. 금속이나 합금이 고유하게 갖는 열전도율은, 금속 데이터북 개정 3판(사단법인 일본금속학회 편) 등을 참고하면 된다.
제 1 ~ 제 3 용사피막(10,11,12)의 막 두께는 예를 들어, 10 ~ 500㎛로 형성할 수 있으며, 50 ~ 300㎛인 것이 바람직하다. 제 1 ~ 제 3 용사피막(10,11,12)의 막 두께를 50 ~ 300㎛로 함으로써, 기재(2), 또는 직전에 형성된 제 1 개질층(4), 제 2 개질층(5)의 용융이 과부족함 없이 이루어져, 층간 밀착성이 높은 피복층(3)을 얻기가 수월해진다.
제 1 ~ 제 3 용사피막(10,11,12)은, 용융 및 응고할 때 약간 수축되나, 막 두께는 크게 변하지 않기 때문에, 제 1 ~ 제 3 개질층(4,5,6)의 막 두께는 제 1 ~ 제 3 용사피막(10,11,12)의 막 두께와 거의 동일하다.
본 실시형태에 따르면, 제 1 ~ 제 3 개질층(4,5,6)의 기공율은 3% 이하로 할 수 있으며, 바람직하게는 1 % 이하로 한다. 이로써, 내마모성이나 내식성 등의 물리적, 화학적 특성이 향상된다. 기공율은, 용사피막의 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰한 단면사진을 이진화 처리하여, 피막 내부의 흑색 영역을 기공 부분으로 간주하고, 그 흑색영역이 전체에 차지하는 면적의 비율을 산출함으로써 측정할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 1 회의 레이저 조사에 의해, 예를 들어, 10 ~ 50%로 기재 성분을 희석할 수 있다. 만일 1 회의 레이저 조사로, 기재 성분을 30% 희석하도록 하면, 이론상으로는 제 1 개질층(4)의 기재 성분 함량은 30%이고, 제 2 개질층(5)의 기재 성분 함량은 9%이며, 제 3 개질층(6)의 기재 성분 함량은 2.7%가 된다. 그리고 이 작업을 반복함으로써, 기재 성분은 더욱 승수적으로 희석되기 때문에, 층수를 늘리면 늘릴수록, 기재 성분의 함량이 저감된 표면 개질층을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 최상층 개질층의 기재 성분 함량은 10% 미만이며, 보다 바람직하게는 5% 미만이고, 더욱 바람직하게는 1% 미만이다. 기재 성분의 함량이 1% 미만이 되면, 기재 성분을 전혀 포함하지 않는 용사피막에 고에너지 빔을 조사하여 얻어진 개질층과 거의 동일한 것으로 간주할 수 있다.
이와 같이 하여, 기재(2) 상에, 치밀화된 제 1 ~ 제 3 개질층(4,5,6)을 얻는다. 막 두께를 더욱 확보할 필요가 있다면, 용사피막의 형성 및 용사피막 표면에 고에너지 빔의 조사를 재차 반복 실시하면 된다. 도 4에 나타낸 표면 개질 부재(1)에 대하여, 공정(c) 및 공정(d)를 재차 2회 반복 실시하면, 도 5에 나타낸 바와 같은 기재(2)와, 기재(2) 상에 형성된 제 1 ~ 제 5 개질층(4,5,6,7,8)으로 이루어지는 피복층(3)을 갖는 표면 개질 부재(20)가 얻어진다. 즉, 기재 상에 n층의 개질층을 형성할 경우, 공정(a) 및 공정(b)를 실시한 후, 다시 공정(c) 및 공정(d)를 이 순서대로 (n-1)회(n>1, n은 정수) 반복 실시하면 된다.
본 실시형태에 따르면, 기재 상에 형성되는 복수의 개질층으로 이루어지는 피복층의 막 두께를 총 3.0mm 이상으로 할 수도 있다.
본 실시형태의 표면 개질 부재의 제조방법은, 상기 (a) ~ (d)공정 이외의 다른 공정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 (d)공정 후, 최표면에 연마처리 등의 후처리를 실시할 수 있다. 또한, 용사피막을 형성할 때, 또는 그 전에, 필요에 따라 기재나 개질층을 예열하는 공정을 포함할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 적용한 실시예 및 그 비교예에 대하여 설명한다.
(실시예1)
기재로 100mm × 100mm × 10mm의 스테인리스강(SUS304) 벌크재를 준비하고, Co합금(스텔라이트(Stellite; 등록상표) No.21) 분말을 용사재료로, 고속프레임 용사법에 의해 기재 상에 제 1층의 용사피막을 막 두께 150㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 1층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)를 에너지 밀도 3000J/cm2로 조사하여, 제 1층의 용사피막 전체 및 기재의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 1 개질층이 얻어졌다. 이어서, 제 1 개질층에 대하여, 제 1 층과 같은 Co합금(스텔라이트 No.21) 분말을 용사 재료로 하고, 고속 프레임 용사법에 의해, 기재 상에 제 2층의 용사피막을 막 두께 150㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 2층의 용사피막에 대하여 연속 발진 레이저(CW)를 에너지 밀도 3000J/cm2로 조사하여, 제 2층의 용사피막 전체 및 제 1 개질층의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 2 개질층이 얻어졌다. 이어서, 제 2 개질층에 대하여, 제 1층과 같은 Co합금(스텔라이트 No.21) 분말을 용사 재료로 하고, 고속 프레임 용사법에 의해, 제 2 개질층 상에 제 3층의 용사피막을 막 두께 150㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 3층의 용사피막에 대하여 연속 발진 레이저(CW)를 에너지 밀도 3000J/cm2로 조사하여, 제 3 층의 용사피막 전체 및 제 2 개질층의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 3 개질층이 얻어졌다. 이상의 조작을 반복하여 실시예 1의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 2)
연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 1000J/cm2로 한 것 및 각 용사피막의 막 두께를 50㎛로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 2의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 3)
연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 6000J/cm2로 한 것 및 각 용사피막의 막 두께를 300㎛로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 3의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 4)
연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 200J/cm2로 한 것 및 각 용사피막의 막 두께를 10㎛로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 4의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(비교예 1)
기재로 100mm × 100mm × 10mm의 스테인리스강(SUS304) 벌크재를 준비하고, Co합금(스텔라이트 No.21) 분말을 용사 재료로, 고속 프레임 용사법에 의해 기재 상에 용사 피막을 막 두께 5㎛로 형성하였다. 다음으로, 용사피막에 대하여 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 100J/cm2로 조사한 바, 용사피막은 용융되었으나, 기재까지는 용융시킬 수 없었으며, 용융 시에 용사피막이 응집하여 기재 표면이 노출되는 결과가 되었다.
(실시예 5)
연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 9000J/cm2로 한 것 및 각 용사피막의 막 두께를 450㎛로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 5의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(비교예 2)
기재로 100mm × 100mm × 10mm의 스테인리스강(SUS304) 벌크재를 준비하고, Co합금(스텔라이트 No.21) 분말을 용사 재료로 하여, 고속 프레임 용사법에 의해 기재 상에 용사 피막을 막 두께 600㎛로 형성하였다. 다음으로, 용사피막에 대하여 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 12000J/cm2로 조사한 바, 용사피막은 용용시킬 수 있었으나, 용사피막의 표면에 많은 블로우 홀(blowhole)이 발생하고 기재가 노출되는 결과가 되었다.
(실시예 6)
연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 12000J/cm2로 한 것 및 각 용사피막의 막 두께를 450㎛로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 6의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 7)
용사피막을 형성할 때의 용사 조건(구체적으로는, 용사 거리와 연소 화염의 온도)을 제어하여, 열전도율이 다른 용사피막을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 7의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 8)
기재로 Ni합금(하스텔로이(Hastelloy; 등록상표) C276)을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 8의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(비교예 3)
기재로 100mm × 100mm × 10mm의 스테인리스강(SUS304) 벌크재를 준비하고, Co합금(스텔라이트 No.21) 분말을 용사 재료로 하여, 고속 프레임 용사법에 의해 기재 상에 용사 피막을 막 두께 150㎛로 형성하였다. 이어서, 용사피막에 대하여 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 3000J/cm2로 조사한 바, 용사피막은 용해시킬 수 있었으나, 기재에 열 확산이 일어나 기재를 용융시키지 못하고, 용융된 용사피막이 응집하여 기재의 일부가 노출되는 결과가 되었다.
(실시예 9)
제 3층의 용사피막을 형성하기 위한 용사 재료로 Ni합금(NiCrAlY) 분말을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 9의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 10)
제 2층의 용사피막을 형성하기 위한 용사 재료로 Ni합금(NiCrAlY) 분말을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 10의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 11)
제 1층의 용사피막을 형성하기 위한 용사 재료로 Ni합금(NiCrAlY) 분말을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 실시예 11의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 12)
기재로 100mm × 100mm × 10mm의 Al 벌크재를 준비하고, Si 분말을 용사 재료로 하여, 대기압 플라즈마 용사법에 의해 기재 상에 제 1층의 용사피막을 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 1층의 용사피막에 대하여 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 2000J/cm2로 조사하여, 제 1층의 용사피막 전체 및 기재의 일부를 용융시키고, 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 1 개질층이 얻어졌다. 이어서, 제 1 개질층에 제 1층과 같은 Si 분말을 용사 재료로 하고, 대기압 플라즈마 용사법에 의해 기재 상에 제 2층의 용사피막을 막 두께 100㎛로 형성하였다. 그 후, 제 2층의 용사피막에 대하여 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 2000J/cm2로 조사하여, 제 2층의 용사피막 전체 및 제 1 개질층의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 2 개질층이 얻어졌다. 이어서, 제 2 개질층에 대하여, 제 1층과 같은 Si 분말을 용사 재료로 하고, 대기압 플라즈마 용사법에 의해 제 2 개질층 상에 제 3층의 용사피막을 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 3층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 2000J/cm2로 조사하여, 제 3층의 용사피막 전체 및 제 2 개질층의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 3 개질층이 얻어졌다. 이상의 조작을 반복하여 실시예 12의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 13)
기재로 Ni합금(하스텔로이 C276)을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 12와 동일한 방법으로 실시예 13의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 14)
기재로 100mm × 100mm × 10mm의 Cu 벌크재를 준비하고, Ni합금(NiCrAlY) 분말을 용사 재료로 하여, 대기압 플라즈마 용사법에 의해 기재 상에 제 1 층의 용사피막을 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 1 층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 2500J/cm2로 조사하여, 제 1 층의 용사피막 전체 및 기재의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 1 개질층이 얻어졌다. 이어서, 제 1 개질층에 대하여, Ni합금(NiCrAlY) 분말을 용사 재료로 하고, 대기압 플라즈마 용사법에 의해, 기재 상에 제 2 층의 용사피막을 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 2층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 2500J/cm2로 조사하여, 제 2 층의 용사피막 전체 및 제 1 개질층의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 2 개질층이 얻어졌다. 이어서, 제 2 개질층에 대하여, Ni합금(NiCrAlY) 분말을 용사 재료로 하고, 대기압 플라즈마 용사법에 의해, 제 2 개질층 상에 제 3층의 용사피막을 막 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 3층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 2500J/cm2로 조사하여, 제 3층의 용사피막 전체 및 제 2 개질층의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 3 개질층이 얻어졌다. 이상의 조작을 반복하여 실시예 14의 표면 개질 부재를 제작하였다.
(실시예 15)
기재로 100mm × 100mm × 10mm의 스테인리스강(SUS304)을 준비하고, Cr3C2 서멧(Cr3C2-NiCr) 분말을 용사 재료로 하여, 고속 프레임 용사법에 의해 기재 상에 제 1층의 용사피막을 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 1 층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 1500J/cm2로 조사하여, 제 1 층의 용사피막 전체 및 기재의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 1 개질층이 얻어졌다. 이어서, 제 1 개질층에 대하여, Cr3C2 서멧(Cr3C2-NiCr) 분말을 용사 재료로 하고 고속 프레임 용사법에 의해, 기재 상에 제 2 층의 용사피막을 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 2층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 1500J/cm2로 조사하여, 제 2 층의 용사피막 전체 및 제 1 개질층의 일부를 용융하고 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 2 개질층이 얻어졌다. 이어서 제 2 개질층에 Cr3C2 서멧(Cr3C2-NiCr) 분말을 용사 재료로 하고, 고속 프레임 용사법에 의해 제 2 개질층 상에 제 3층의 용사피막을 막 막 두께 100㎛로 형성하였다. 다음으로, 제 3층의 용사피막에 대하여, 연속 발진 레이저(CW)의 에너지 밀도를 1500J/cm2로 조사하여, 제 3층의 용사피막 전체 및 제 2 개질층의 일부를 용융시키고, 냉각 응고시켰다. 이로써, 치밀화된 제 3 개질층이 얻어졌다. 이상의 조작을 반복하여 실시예 15의 표면 개질 부재를 제작하였다.
이상과 같이 하여, 실시예 1 ~ 15 및 비교예 1 ~ 3의 각 부재가 완성되었다. 표 1은, 실시예 1 ~ 15 및 비교예 1 ~ 3의 각 부재의 평가결과를 정리한 표이다. 제 1 층의 용사피막을 성막했을 때, 그 막의 표면상태를 육안으로 관찰하였다. 또한, 제 2층 이후의 공정을 실시하여 10층 이상 적층한 후의 표면상태를 육안으로 관찰하였다. 또한, 표 1 중의 용사피막 및 개질층의 열전도율은, 동일한 재료 및 용사 조건으로 제작한 용사피막, 또는 그것을 레이저 조사하여 제작한 다른 샘플을 준비하고, 각각 레이저 플래시법에 의해 열 확산율을 측정하여 산출한 값을 나타낸다. 또한, 기재 성분의 함량에 대해서는, 동일한 조건으로 제 3 층까지의 개질층을 형성한 다른 샘플을 준비하고, 그 단면을 SEM의 EDS(에너지 분산형 X선 분석장치)를 이용한 원소 분석을 실시하여 측정한 결과를 나타낸다. 기재가 합금이나 서멧인 경우는, 특정 원소에 착목하여, 그 원소량의 변화량으로부터 기재 성분의 함량을 산출하였다.
Figure pct00001
이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 ~ 3, 7 ~ 15에서는 복수 개질층의 적층으로 이루어진 양호한 피복층을 얻을 수 있으며, 3층 적층 후의 기재 성분 함량은 5% 미만이었다. 이들에 따르면 10층 이상 적층한 후에도 표면 상태는 양호하였다.
실시예 4에서는, 복수 개질층의 적층으로 이루어진 양호한 피복층을 얻을 수 있으며, 3층 적층 후의 기재 성분의 함량은 5% 이상, 20% 미만이었다. 여기서, 실시예 4에서는, 4층 이상으로 보다 다층화함으로써, 기재 성분의 함량을 5% 미만으로 감소시킬 수 있다. 또, 실시예 4에 따르면, 10층 이상 적층한 후에도 표면 상태는 양호하였다.
실시예 5에서는, 복수 개질층의 적층으로 이루어진 피복층을 얻을 수 있으며, 3층 적층 후의 기재 성분 함량은 5% 미만이었다. 단, 제 1 층의 레이저 처리 후에, 몇 군데에서 블로우 홀 발생이 보였다. 또한, 10층 이상의 다층화를 실시한 바, 제 1 층의 용사피막에 형성된 블로우 홀의 영향으로, 표면에 커다란 블로우 홀이 나타나는 결과가 되었다.
실시예 6에서는, 복수 개질층의 적층으로 이루어진 피복층을 얻을 수 있었으나, 3층 적층 후의 기재 성분 함량은 20% 이상이었다. 또한, 제 1 개질층에서 몇 군데의 블로우 홀 발생이 보였다. 그리고, 10층 이상의 다층화를 실시한 바, 제 1층의 용사피막에 형성된 블로우 홀의 영향으로, 표면에 큰 블로우 홀이 나타나는 결과가 되었다.
비교예 1 ~ 3에서는, 이미 언급한 바와 같이, 제 1 개질층을 형성할 때 기재 표면이 노출됐기 때문에, 2층 이후는 용사피막을 형성하지 않았다.
본 발명은, 자동차 산업, 반도체 산업, 철강 산업, 항공 우주 산업, 에너지 산업 등 많은 산업 분야에서 활용 가능하다.
1: 표면 개질 부재 2: 기재
3: 피복층 4: 제 1 개질층
5: 제 2 개질층 6: 제 3 개질층
7: 제 4 개질층 8: 제 5 개질층
10: 제 1 용사피막 11: 제 2 용사피막
12: 제 3 용사피막 20: 표면 개질 부재

Claims (8)

  1. 다음 공정(a) 및 공정(b)를 이 순서대로 실시한 후, 공정(c) 및 공정(d)를 이 순서대로 1회, 또는 이 순서대로 복수 회 반복하는 것을 특징으로 하는 표면 개질 부재 제조 방법.
    (a) : 금속, 합금이나 서멧으로 이루어지는 기재에, 금속, 합금 또는 서멧이며, 또 상기 기재와 다른 재료로 이루어지는 용사피막을 형성하는 공정;
    (b) : 상기 공정(a)에서 형성된 용사피막의 표면에 고에너지 빔을 조사하고, 막 두께 방향에서의 해당 용사피막 전체 및 상기 기재의 일부를 용융하고 응고시켜, 치밀화된 개질층을 형성하는 공정;
    (c) : 직전에 형성한 상기 개질층에 금속, 합금 또는 서멧이며, 또 상기 기재와 다른 재료로 이루어지는 용사피막을 형성하는 공정;
    (d) : 상기 공정(c)에서 형성된 용사피막의 표면에 고에너지 빔을 조사하고, 막 두께 방향에서의 해당 용사피막 전체 및 상기 직전에 형성한 개질층의 일부를 용융하고 응고시켜, 치밀화된 개질층을 형성하는 공정.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공정(a)에서 형성된 용사피막의 열전도율은, 상기 기재의 열전도율보다 작은 것을 특징으로 하는, 표면 개질 부재의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 공정(c)에서 형성된 용사피막의 열전도율은, 상기 직전에 형성된 개질층의 열전도율보다 작은 것을 특징으로 하는, 표면 개질 부재의 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제조방법으로 형성된 용사피막의 적어도 하나는, 열전도율이 20W/(m·K) 이하인 것을 특징으로 하는, 표면 개질 부재의 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제조방법으로 형성된 용사피막의 적어도 하나는, 막 두께가 50~300㎛인 것을 특징으로 하는, 표면 개질 부재의 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제조방법으로 형성된 용사피막의 적어도 하나는, 다른 용사피막의 적어도 하나와 다른 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 표면 개질 부재의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제조방법으로 형성된 용사피막의 적어도 하나는, 다른 용사피막의 적어도 하나와 동일한 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 표면 개질 부재의 제조방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 빔은 레이저이며, 그 에너지 밀도는 1.0×102J/cm2 ~ 1.0×104J/cm2인 것을 특징으로 하는, 표면 개질 부재의 제조방법.
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