KR20190108693A

KR20190108693A - 용사 표면의 코팅 방법

Info

Publication number: KR20190108693A
Application number: KR1020180030032A
Authority: KR
Inventors: 조용래
Original assignee: 조용래
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2019-09-25
Also published as: KR102130346B1

Abstract

개시된 본 발명에 따른 용사 표면의 코팅 방법은, 모재의 표면에 용융상태로 가열시킨 용사재료 입자를 압축 에어 또는 가스로 가속시켜 용사층을 형성하는 단계; 상기 용사층을 가공에 의해 평탄화하는 단계; 및 상기 평탄화된 용사층 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 용사재료 입자의 간극이 감소되도록 용사층 표면을 평탄화시킨 후 그 위에 코팅층을 형성함으로써 용사층 간극 사이로 침투하는 코팅재의 흡수량을 감소시켜 코팅층의 두께를 얇게 구현할 수 있으면서 균일한 코팅이 가능한 효과가 있다.

Description

용사 표면의 코팅 방법 {COATING METHOD OF SPRAY SURFACE}

본 발명은 용사 표면의 코팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모재 표면에 형성된 용사층을 평탄화하여 얇고 균일한 코팅이 가능한 방법에 관한 것이다.

일반적으로 용사코팅은 모재의 손상이나 변형 없이 성능을 향상시키는 표면개질 기술의 하나로서, 화염이나 플라즈마 등 고온의 열원을 발생시키는 용사장치에 분말 또는 와이어 형태의 용사재료를 주입하여 용융 또는 반용융 상태로 변화시킨 후 고속으로 모재 표면에 충돌, 적층시켜 피막층을 형성하는 기술이다.

이러한, 용사코팅은 초기에는 주로 군사용 설비, 항공 및 발전설비 등과 같이 특수한 분야에서만 사용되어 적용범위가 한정되어 있었으나, 최근 일반산업의 발전과 더불어 내마모, 내열, 방식, 방청, 절연, 전도, 육성 및 특수한 기능성 부여 등에 대한 필요성이 증대됨에 따라 적용의 폭이 확대되고 있다.

특히, 용사 코팅시 상황에 따라서 용사면에 코팅을 하게 되는데, 용사코팅층 상에 후처리 코팅층을 형성하는 방법과 관련된 기술이 한국공개특허 제2011-0077366호에 제안된 바 있다.

특허문헌 1은 소둔롤의 표면에 용사코팅층을 형성한 상태에서 용사코팅층에 습식코팅 후 열처리하여 후처리 코팅층을 형성하는 소둔롤의 표면처리 방법 및 표면 처리된 소둔이 개시되어 있다.

그러나 특허문헌 1은 용사코팅층 상에 후처리 코팅층을 형성하는 경우 용사코팅층의 간극에 코팅층 물질이 흡수되면서 그 부위에선 코팅되지 않으므로 코팅이 균일하게 수행되지 못하는 문제점이 있다.

한국공개특허 제2011-0077366호(공개일: 2011.07.07.)

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결과제는, 용사재료 입자의 간극이 감소되도록 용사층 표면을 평탄화시킨 후 그 위에 코팅층을 형성함으로써 용사층 간극 사이로 침투하는 코팅재의 흡수량을 감소시켜 코팅층의 두께를 얇게 구현할 수 있으면서 균일한 코팅이 가능한 용사 표면의 코팅 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용사 표면의 코팅 방법은, 모재의 표면에 용융상태로 가열시킨 용사재료 입자를 압축 에어 또는 가스로 가속시켜 용사층을 형성하는 단계; 상기 용사층을 가공에 의해 평탄화하는 단계; 및 상기 평탄화된 용사층 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 용사층 평탄화 단계는 사포 가공 또는 샌딩 가공 또는 연삭 가공 중 어느 하나의 가공으로 구현할 수 있다.

상기 용사층 형성 단계는 아크 용사, 플라즈마 용사, 플레임 용사 및 HVOF 용사 중 어느 하나의 방식에 의해 구현될 수 있다.

상기 코팅층 형성 단계 수행시 상기 코팅층은 하도 코팅층 및 상도 코팅층을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 용사재료 입자의 간극이 감소되도록 용사층 표면을 평탄화시킨 후 그 위에 코팅층을 형성함으로써 용사층 간극 사이로 침투하는 코팅재의 흡수량을 감소시켜 코팅층의 두께를 얇게 구현할 수 있으면서 균일한 코팅이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법을 나타내는 공정도이다.
도 3은 도 2의 A 확대도이다.
도 4는 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법 구현시 용사층 평탄화 단계를 수행하지 않은 경우와, 수행한 경우에 따른 코팅면의 표면 조도 검사 및 코팅 완료된 제품을 나타낸 이미지이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 용사 표면의 코팅 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법을 도시한 블럭도이고, 도 2는 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법을 나타내는 공정도이고, 도 3은 도 2의 A 확대도이며, 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법 구현시 용사층 평탄화 단계를 수행하지 않은 경우와, 수행한 경우에 따른 코팅면의 표면 조도 검사 및 코팅 완료된 제품을 나타낸 이미지이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법은 용사층 형성 단계(S10), 용사층 평탄화 단계(S20) 및 코팅 단계(S30)를 포함한다.

한편, 용사층 형성 단계(S10) 수행 전에 표면 세정 단계 및 표면 조도층 형성 단계가 선행된다.

표면 세정 단계는 철판 모재(100)의 표면을 세정하여 표면에 잔류하는 기름 및 이물질 등을 제거하는 단계이다.

즉, 표면 세정 단계는 철판 모재(100)의 표면에 기름 등의 오염물질이 잔류하게 되면 후공정인 용사층(120)에 영향을 주게 되고, 철판 모재(100)와 용사층(120) 간의 밀착력 저하에 따른 용사층(120)의 박리현상이 일어나므로 이를 방지하기 위해 수행된다.

표면 조도층 형성 단계는 철판 모재(100)의 표면을 산화알루미나로 블라스팅(Blasting)하여 산화 피막층 제거 및 표면 조도층(110)을 형성하기 위한 전처리 샌딩 단계이다.

일반적으로 철판은 제조 과정에서 표면이 산화 피막층으로 덮여 있다. 이는 녹이 덜 슬도록 하기 위해서인데, 표면 조도층 형성 단계에서 산화알루미나에 의해 산화 피막층 제거와 표면을 거칠게 하여 표면 조도층(110)을 형성하는 것이다.

즉, 표면 조도층 형성 단계 수행시 블라스팅기(도면에 미도시)를 이용하여 크기가 가는 산화알루미나 입자를 철판 모재(100)의 표면에 분사하게 된다. 표면 조도층 형성 단계에 의해 형성되는 표면 조도층(110)은 철판 모재(100)와 용사층(120) 간의 밀착력과 결합력을 우수하게 하기 위한 것이다.

용사층 형성 단계(S10)는 철판 모재(100)에 표면에 용융상태로 가열시킨 알루미늄 등과 같은 용사재료 입자를 압축 에어 또는 가스로 가속시켜 용사층(120)을 형성하는 단계이다.

이때, 용사층 형성 단계(S10)는 아크 용사, 플라즈마 용사, 플레임 용사 및 HVOF 용사 등에서 선택되는 어느 하나의 방식에 의해 용사층(120)을 형성할 수 있다.

아크 용사(Arc Spray)는 DC 전기에 의해 양극과 음극으로 충전된 두 개의 알루미늄 와이어가 약 4100℃의 아크 에너지에 의해 용융되고. 약 150m/sec의 압축 공기에 의해 철판 모재(100)에 충돌하여 코팅 피막을 형성하게 되는 방식이다.

플라즈마 용사(Plasma Spray)는 DC+와 DC-로 충전된 케이블을 통해 저전압, 고전류의 전기 에너지가 토치의 노즐과 전극봉의 챔버 내에서 아르곤, 수소, 질소 또는 헬륨 등의 혼합된 불활성 가스를 이온화시켜 전자, 중성자, 양자로 구성된 플라즈마 에너지를 형성하고, 16,500℃의 화염속에서 분말형태의 알루미늄 용사재료를 적당량, 균일한 속도로 이송시켜 고온의 열에너지와 고속의 속도에너지에 의해 철판 모재(100)에 충돌하여 코팅 피막을 형성하게 되는 방식이다.

플레임 용사(Flame Spray)는 플레임 용사에 분사속도를 높여 강한 분사충격을 이용하여 피막을 형성하는 용사법으로 플레임과 같은 연료가스를 사용하며, 연소가 관 내부에서 일어나며 발생 연소가스를 노즐을 통해 고속으로 분사하면서, 원료분말을 고속의 분사가스에 송출·가열·용융 고속으로 분사하여 코팅 피막을 형성하게 되는 방식이다.

HVOF 용사(High Velocity Oxy-Fuel Spray)는 고속 용사라고 부르며, 산소와 연료(프로판, 프로필렌, 수소, 등유 등)를 챔버 내에서 연소시켜 발생하는 화염속으로 분말 형태의 알루미늄 용사재료를 분말이송장치를 통해 이동시켜 약 3000℃의 열에너지에 의해 용융된 후 700m/sec의 고속으로 철판 모재(100)에 분사되어 코팅 피막을 형성하게 되는 방식이다.

한편, 용사층 형성 단계(S10) 수행시 에어압 또는 가스압을 변화시켜 좀 더 미세한 입자를 형성시킬 수 있다. 예컨대, 용사층 형성 단계(S10) 수행시 에어압 또는 가스압을 초기와 후기에 좀 더 강하게 분사하여 분사 초기와 후기에 입자를 더 미세하게 할 수 있다.

용사층 평탄화 단계(S20)는 용사층(120)의 표면을 가공에 의해 평탄화시키는 후처리 샌딩 단계를 말한다.

이때, 용사층 평탄화 단계(S20)는 사포 가공 또는 샌딩 가공 또는 연삭 가공 등에서 어느 하나의 방법으로 구현될 수 있다.

이렇게, 용사층 평탄화 단계(S20) 수행시 용사층(120)에서 용사재료 입자의 간극이 감소되도록 하므로 평탄화 가공된 용사층(120) 상에 코팅층(130)을 형성하게 되면 용사층(120) 간극 사이로 침투하는 코팅재의 흡수량을 감소시켜 코팅층의 두께를 얇게 구현할 수 있으면서 균일한 코팅이 가능하게 된다.

코팅 단계(S30)는 평탄화된 용사층(120) 표면에 코팅층(130)을 형성하는 단계로, 본 실시예에서의 코팅층(130)은 테프론 코팅층인 것으로 예시한다.

여기서, 테프론 코팅은 두께가 두꺼우면 코팅층에 크랙(crack)이 형성되므로 용사층(120)의 평탄화에 따라 코팅층(130)의 두께를 얇게 할 수 있으므로 크랙 현상을 방지할 수 있다.

즉, 코팅층 형성 단계(S30)는 용사층(120)의 표면에 테프론 코팅과 같은 도료코팅을 하는 경우 용사층(120)은 많은 기공이 형성되어있기 때문에 코팅 원료가 기공내부로 스며들어 고착되면 코팅의 박리현상이 없고 코팅의 수명도 증가한다. 그러나 일반 모재에 샌딩(sanding)처리만 하여 도료코팅을 하게 되면 샌딩의 정도에 따라 코팅의 접착력이 다르게 나타나고 수명도 짧아질 수밖에 없다.

더욱이, 코팅층 형성 단계(S30) 수행시 코팅층(130)은 하도 코팅층 및 상도 코팅층을 포함한다. 하도 코팅층은 프라이머(Primer) 코팅층 등이 이에 적용되며, 내마모 광학성을 향상시킨다. 상도 코팅층은 불소수지 코팅층 등이 이에 적용되며, 표면에 광택을 부여한다.

한편, 알루미늄 등을 이용하여 용사층(120)을 형성하면 수분이나 염분에 의한 부식이 일어날 때 용사층이 먼저 산화되면서 산화막이 형성되어, 산화막이 철판의 부식층이 표면으로 올라오지 못하게 하고, 강성이 우수하고, 두께를 얇게 하면서 다양한 형상으로 제작할 수 있다.

따라서, 도 4(a)와 같이 용사 표면에 코팅할 때 표면 세정 단계, 표면 조도층 형성 단계, 용사층 형성 단계 및 코팅 단계를 수행하는 경우, 용사표면이 거칠기 때문에 도장 후의 표면도 거칠게 형성되고, 코팅 약품이 용사층으로 지나치게 많이 흡수되어 약품 소모가 많으며, 코팅층 표면의 광택이 나질 않는 문제점이 발생됨을 알 수 있다.

이와 반면, 도 4(b)와 같이 본 발명에 의한 용사 표면의 코팅 방법을 수행할 때 앞선 단계에서의 용사층 형성 단계와 코팅 단계의 사이에 용사층 평탄화 단계(S20)를 추가 진행함으로써 거친 용사면을 부드러운 샌딩사 등으로 가공하기 때문에 코팅면이 부드럽게 형성되고, 용사면의 심한 요철면을 연마해 줌으로써 코팅 약품이 지나치게 흡수되는 것을 방지하여 약품의 소모를 줄일 수 있으며, 도장의 표면이 치밀하고, 코팅층에 광택이 나게 됨을 알 수 있다.

이는 도 4(a)와 같이 용사층 평탄화 단계를 수행하지 않은 상태의 용사면 표면 조도는 53(μ)인 반면, 도 4(b)와 같이 용사층 평탄화 단계를 수행한 후의 용사면 표면 조도는 38(μ)이므로 확연한 차이가 있음을 알 수 있다.

결론적으로 철판 모재(100)의 표면에 알루미늄 등을 이용하여 용사층(120)을 형성하는 경우, 하기와 같이 대기 부식, 화학적 부식, 고온 부식, 열 전도율 및 세라믹 본드칠 등과 같은 다양한 효과를 얻을 수 있다.

ⅰ) 대기 부식 - 알루미늄 코팅은 이종금속 접촉부식을 억제하는 용도로 사용되며, 보호코팅의 역할을 하는 산화피막을 형성한다. 때문에 알루미늄 코팅은 다양한 환경 조건에서 추천되는 방식이며, 특히 수중환경에도 적합하다.

ⅱ) 화학적 부식 - 해수와 접합해 있거나 유사한 환경에 노출되어 있는 화학처리장비, 정유장비, 상용장비 보호에 효과적이다. 산성을 띠는 환경에 노출되는 경우, 연수 및 경수와 접하는 경우, 알루미늄은 최적의 아크용사 와이어에 적용 가능하다.

ⅲ) 고온 부식 - 코팅은 철로 제작된 열처리 장비와 자동차 배기장치의 수명을 늘리며, 열 충격을 방지해준다.

ⅳ) 열 전도율 - 상업용 및 가정용 주방에서 사용하는 조리기구는 열의 흐름과 분배를 원활하게 하기 위해 용사처리를 거친다. 또한, 알루미늄 코팅 자체의 무게적 특성과 열전도성 때문에 알루미늄으로 브레이크 디스크를 코팅할 경우 디스크가 마모되지 않고, 열 흐름이 원활해져 작업량이 많을 시 디스크를 냉각시키기에 좋다.

ⅴ) 세라믹 본드칠 - 아크 용사 알루미늄은 산화 아연, 탄화물 등 세라믹 소재에 사용할 수 있는 최적의 본드칠이다. 본드의 고온과 빠른 속도로 인해 청정 표면에서 단단한 결합이 가능하다. 본드 결합이 단단하기 때문에 알루미늄을 배리스터(varistor)와 서미스터(thermistor)에도 사용할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 철판 모재
110: 표면 조도층
120: 용사층
130: 코팅층

Claims

모재의 표면에 용융상태로 가열시킨 용사재료 입자를 압축 에어 또는 가스로 가속시켜 용사층을 형성하는 단계;
상기 용사층을 가공에 의해 평탄화하는 단계; 및
상기 평탄화된 용사층 표면에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 표면의 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 용사층 평탄화 단계는 사포 가공 또는 샌딩 가공 또는 연삭 가공 중 어느 하나의 가공으로 구현하는 것을 특징으로 하는 용사 표면의 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 용사층 형성 단계는 아크 용사, 플라즈마 용사, 플레임 용사 및 HVOF 용사 중 어느 하나의 방식에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 용사 표면의 코팅 방법.
제1항에 있어서,
상기 코팅층 형성 단계 수행시 상기 코팅층은 하도 코팅층 및 상도 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 용사 표면의 코팅 방법.