KR20220037024A - 금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법 - Google Patents

금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용접보수방법을 대체함으로써 잔류응력 제거를 위한 열처리공정이 요구되지 않음과 함께 보수대상물과의 결합특성 등 제반 물리적 특성이 우수한 금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 금속구조물 보수제는 주제와 경화제로 이루어지며, 상기 주제는 에폭시 수지, 금속 분말, 세라믹 안료, 티탄산칼륨 및 셀룰로오즈 섬유를 포함하여 구성되며, 주제의 총질량 대비 에폭시 수지 55∼65wt%, 금속 분말 7∼13wt%, 세라믹 안료 3∼7wt%, 티탄산칼륨 3∼7wt%, 셀룰로오즈 섬유 11∼15wt%를 포함한다.

Description

금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법{Repair filler for metal structure and repair method for metal structure using the same}
본 발명은 금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접보수방법을 대체함으로써 잔류응력 제거를 위한 열처리공정이 요구되지 않음과 함께 보수대상물과의 결합특성 등 제반 물리적 특성이 우수한 금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법에 관한 것이다.
선박용 프로펠러와 같은 대형 금속구조물은 주조방식으로 제작된다. 즉, 용융 금속물을 주형에 부어 응고시키는 방식으로 제작된다. 주조방식으로 제작된 대형 금속구조물 표면에는 다양한 결함이 존재한다. 예를 들어, 모래를 주형으로 사용하는 사형주조방식의 경우, 용탕에 내재되었거나 대기 중에 용해된 가스로 인한 기공성 결함, 모래 혼입, 응고시 발생되는 수축결함 등의 결함이 발생된다.
이러한 결함은 금속구조물의 물리적, 기계적 특성을 저하시키는 요인으로 작용하기 때문에 제거되어야 한다. 금속주조물의 결함을 제거하기 위한 방법으로 용접보수방법이 널리 이용되고 있다. 용접보수방법은 연마, 블라스팅 등을 통해 결함이 존재하는 일정 부위를 제거한 후, 해당 결함제거부위를 용접으로 채운 다음 표면을 평탄화하는 방식으로 진행된다.
용접보수방법은 다량의 용접재가 소요되어 보수비용이 상승되는 문제점 이외에 용접으로 인해 발생된 인장잔류응력을 제거하기 위한 열처리공정이 반드시 요구된다는 점에서 공정상 복잡성이 뒤따르며 열흔 생성 및 열변형의 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0078823호 한국등록특허 제10-2075450호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 용접보수방법을 대체함으로써 잔류응력 제거를 위한 열처리공정이 요구되지 않음과 함께 보수대상물과의 결합특성 등 제반 물리적 특성이 우수한 금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속구조물 보수제는 주제와 경화제로 이루어지며, 상기 주제는 에폭시 수지, 금속 분말, 세라믹 안료, 티탄산칼륨 및 셀룰로오즈 섬유를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
주제의 총질량 대비 에폭시 수지 55∼65wt%, 금속 분말 7∼13wt%, 세라믹 안료 3∼7wt%, 티탄산칼륨 3∼7wt%, 셀룰로오즈 섬유 11∼15wt%로 구성된다.
금속 분말은 청동 분말, 구리 분말, 금 분말 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
상기 티탄산칼륨은 휘스커형 티탄산칼륨이며, 상기 휘스커형 티탄산칼륨은 직경 0.3∼0.6㎛, 길이 10∼20㎛, 비중 3.3∼3.5g/cm2, 모스 경도 4이상의 특성을 갖는다.
상기 셀룰로오즈 섬유는 셀룰로오즈이며, 상기 셀룰로오즈 섬유는 백색도가 80%이상, 직경이 20∼35㎛, 길이 120㎛ 이하, pH 5∼7.5인 특성을 갖는다.
상기 세라믹 안료는 이산화티탄, 탄산칼슘, 운모, 실리카, 알루미나 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
상기 경화제는 폴리아마이드 아민 62∼72wt%, 변성지방족 아민 25∼35wt%, 반응성 촉진제 2∼4wt%로 구성된다.
상기 폴리아마이드 아민 및 변성지방족 아민은 아민값(amine value) 220∼260mg/KOHg, 점도(40℃) 5000∼10000mPas를 만족한다.
주제와 경화제는 4.5∼5.5 : 1의 질량비로 혼합되거나 2.5∼3.5 : 1의 부피비로 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 금속구조물 보수방법은 결함이 존재하는 부위의 금속구조물을 제거하여 보수 영역을 형성하는 단계; 상기 보수 영역에 금속구조물 보수제를 충진시키는 단계; 상기 금속구조물 보수제를 경화시키는 단계; 및 상기 금속구조물 보수제를 평탄화시키는 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 금속구조물 보수제는 주제와 경화제로 이루어지며, 상기 주제는 에폭시 수지, 금속 분말, 세라믹 안료, 티탄산칼륨 및 셀룰로오즈 섬유를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금속구조물 보수제 및 이를 이용한 금속구조물 보수방법은 다음과 같은 효과가 있다.
금속구조물과의 접착강도, 내마모성, 내열성, 내식성이 매우 우수하다. 또한, 금속구조물의 보수 영역에 충진, 경화되는 방식임에 따라, 종래의 용접보수방법을 대체할 수 있어 용접에 따른 잔류응력 증가 등의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 금속구조물 보수방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 내식성 시험결과를 나타낸 사진.
도 3a 내지 도 3c는 침식성 시험결과는 나타낸 사진.
본 발명은 금속구조물에 존재하는 결함을 보수하는 기술을 제시한다.
앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이 주조방식으로 제작되는 금속주조물 표면에는 여러가지 원인으로 결함이 존재하며, 이러한 결함을 제거하기 위해 용접보수방법을 택하고 있으나 다량의 용접재 사용, 잔류응력 제거를 위한 열처리공정이 요구된다는 점에서 문제점이 있다.
본 발명은 용접보수방법을 대체하여 금속구조물 보수제를 적용하는 기술을 제시한다. 본 발명에 따른 금속주조물 보수제는 금속구조물의 결함이 제거된 부위에 채워진다.
이와 같이 금속구조물의 결함이 제거된 부위에 채워지는 방식으로 적용되는 보수제의 경우, 금속구조물과의 접착강도, 내열성, 내마모성 등의 물리적 특성을 만족해야 한다. 달리 표현하여, 금속구조물의 결함이 제거된 부위에 채워진 보수제는 금속구조물과 일체화된 물리적 특성을 갖추어야 한다.
본 발명은 금속구조물과의 접착강도, 내열성, 내마모성 등의 물리적 특성이 우수한 보수제를 제시한다. 본 발명에 따른 금속구조물 보수제는 제반 비철금속 구조물의 보수에 적용될 수 있으며, 특히 Ni-Al Bronze와 같은 청동합금 금속구조물의 보수에 효과적으로 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 금속구조물 보수제는 다음과 같이 이루어진다.
본 발명에 따른 금속구조물 보수제는 주제와 경화제로 구성된다. 주제는 보수제의 주구성물로서 금속구조물과의 접착을 강화시킴과 함께 보수제에 내열성, 내마모성 등의 물리적 특성을 부여하는 역할을 한다. 경화제는 액상의 주제 혼합물을 경화시키는 역할을 한다.
상기 주제와 경화제는 4.5∼5.5 : 1의 질량비로 혼합되거나 2.5∼3.5 : 1의 부피비로 혼합되는 것이 바람직하다. 주제와 경화제의 혼합비가 4.5 : 1의 질량비(또는 2.5 : 1의 부피비)보다 낮으면 보수제의 강도, 내열성, 내마모 특성이 저하되며, 주제와 경화제의 혼합비가 5.5 : 1의 질량비(또는 3.5 : 1의 부피비)보다 크면 보수제에 크랙이 발생될 수 있다.
상기 주제는 에폭시 수지, 청동 분말, 세라믹 안료, 티탄산칼륨 및 셀룰로오즈 섬유를 포함하여 이루어지며, 주제의 총질량 대비 에폭시 수지 55∼65wt%, 금속 분말 7∼13wt%, 세라믹 안료 3∼7wt%, 티탄산칼륨 3∼7wt%, 셀룰로오즈 섬유 11∼15wt%로 구성되는 것이 바람직하다.
에폭시 수지는 주제의 주구성물로서 보수제의 벌크재이며, 보수제에 기본적인 강도를 부여한다. 금속 분말은 보수대상물인 금속구조물과 유사한 물질로 이루어지며, 금속구조물이 청동합금으로 이루어지는 경우 금속 분말은 청동 분말로 구성될 수 있다. 세라믹 안료는 보수제에 강도를 부여함과 함께 내마모성을 향상시키는 역할을 한다. 세라믹 안료는 이산화티탄, 탄산칼슘, 운모, 실리카, 알루미나 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다.
상기 티탄산칼륨은 유리섬유 대비 약 1/1000의 지름을 갖는 결정형 물질로서 탄소섬유와 동등한 강도와 경도를 갖는다. 상기 티탄산칼륨은 보수제에 내마모성 및 내열성을 부여한다. 또한, 티탄산칼륨은 결정 형태에 따라 판상, 봉상, 휘스커형으로 구분되는데, 내마모성 및 내열성 향상을 위해 휘스커형 티탄산칼륨이 적용되는 것이 바람직하다. 휘스커형 티탄산칼륨은 직경 0.3∼0.6㎛, 길이 10∼20㎛, 비중 3.3∼3.5g/cm2, 모스 경도 4이상의 특성을 갖는 것을 적용하는 것이 바람직하다.
상기 티탄산칼륨의 함유량이 3wt%보다 낮으면 보수제의 강도, 내마모성 및 내열성이 저하되며, 7wt%보다 크면 보수제에 균열이 발생될 수 있다.
상기 셀룰로오즈 섬유는 본 발명의 금속구조물 보수제에서 다양하고 중요한 역할을 한다. 셀룰로오즈 섬유는 보수제 혼합물에 유동성을 부여하여 보수제 혼합물의 균일한 혼합을 유도함과 함께 보수제 혼합물의 성형성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 셀룰로오즈 섬유는 자체의 접착제 성분을 통해 세라믹 안료의 탈색 및 침전을 방지함과 함께 보수제의 균질한 결합을 유도하는 역할을 한다. 이와 함께, 셀룰로오즈 섬유는 보수제 경화시 보수제에 크랙이 발생되는 것을 억제시키는 역할을 하며, 보수제 혼합물에 포함되어 있는 수분을 외부로 배출시키는 역할을 한다. 상기 셀룰로오즈 섬유로 상용제품인 TECHNOCEL을 적용할 수도 있다.
상기 셀룰로오즈 섬유의 함유량이 11wt%보다 낮으면 보수제 혼합물의 유동성이 확보되지 않아 보수제 혼합물이 균일하게 혼합되지 않으며 이에 따라 보수제의 물리적 특성이 부위마다 달라질 수 있다. 또한, 셀룰로오즈 섬유의 함유량이 15wt%보다 크면 보수제의 강도, 내마모성, 내열성이 저하될 수 있다.
상기 주제에는 상술한 에폭시 수지, 청동 분말, 세라믹 안료, 티탄산칼륨, 셀룰로오즈 섬유 이외에 유동성 조절제가 더 포함될 수 있다. 상기 유동성 조절제는 주제 혼합물에 유동성을 부여하는 역할을 하며, 저분자량 폴리머가 적용될 수 있다. 또한, 상기 유동성 조절제는 주제 총질량 대비 3∼7wt%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 경화제는 폴리아마이드 아민 62∼72wt%, 변성지방족 아민 25∼35wt%, 반응성 촉진제 2∼4wt%로 구성된다. 상기 폴리아마이드 아민 및 변성지방족 아민은 아민값(amine value) 220∼260mg/KOHg, 점도(40℃) 5000∼10000mPas를 만족하는 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명에 따른 금속구조물 보수제의 조성에 대해 설명하였다. 다음으로, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 금속구조물 보수제를 이용한 금속구조물 보수방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 금속구조물의 결함을 검출하고, 결함이 존재하는 부위의 금속구조물을 일정 면적 및 깊이로 제거한다(S101). 결함 부위의 제거는 쇼트 블라스팅 또는 사포 연마를 이용할 수 있다.
결함이 제거된 부위 즉, 보수 영역에 금속구조물 보수제를 충진시킨다(S102). 이어, 금속구조물 보수제를 상온에서 자연경화시킨다(S103). 그런 다음, 충진된 금속구조물 보수제를 주변의 금속구조물 표면에 일치되도록 평탄화시키면(S104) 본 발명에 따른 금속구조물 보수방법은 완료된다.
이상, 본 발명에 따른 금속보수물 보수제 및 이를 이용한 금속보수물 보수방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 금속구조물 보수제(실시예 1)와 상용품(비교예 1, 비교예 2)을 금속구조물 보수제로 적용하고 부착강도, 인장전단접착강도, 내식성, 침식성 특성을 분석하였다. 실시예 1에 따른 금속구조물 보수제는 아래 표 1과 같은 조성을 가지며, 비교예 1은 DEVCON社의 제품, 비교예 2는 WEICON社의 제품이다.
<실시예 1에 따른 금속구조물 보수제의 조성>
조성물 실시예 1(wt%) 비교예 1 비교예 2
주제 에폭시 수지 50-70 DEVCON社
제품		 WEICON社
제품
Bronze Power 10-20
세라믹 안료 5-10
티탄산칼륨 5-10
TECHNOCEL 10-15
유동성 조절제 1-5
첨가제 1-5
경화제 폴리아마이드 아민 60-80
변성지방족 아민 20-40
반응성 촉진제 1-5
선박용 프로펠러의 결함 부위를 쇼트 블라스팅을 통해 제거한 후, 해당 부위를 세척한 다음 실시예 1에 따른 금속구조물 보수제, 비교예 1 및 비교예 2를 도포하고 상온에서 24시간 동안 자연경화시켰다.
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 대한 부착강도 및 인장전단접착강도 특성은 다음과 같다. ASTM D4541 기준에 따른 부착강도 시험을 진행한 결과, 비교예 1이 2.2MPa, 비교예 2가 4.4MPa임에 반해, 실시예 1의 부착강도는 8.6MPa로 나타나 월등한 부착강도 특성을 갖고 있음을 알 수 있다(표 2 참조).
또한, ASTM D1002 기준에 따른 인장전단접착강도 시험을 진행한 결과, 실시예 1은 부착강도 시험 결과에서도 볼 수 있듯이 비교예 1, 2 보다 인장전단접착강도 특성 또한 높게 나타나 우수함을 확인할 수 있다(표 3 참조).
<부착강도 시험결과 - ASTM D4541>
실시예 1 비교예 1 비교예 2
부착강도(MPa) 8.6 2.2 4.4
비고 접착제 탈락 도막 탈락
<인장전단접착강도 시험결과 - ASTM D1002>
실시예 1 비교예 1 비교예 2
인장전단접착강도(kgf/cm2)-1 161.25 38.18 155.30
인장전단접착강도(kgf/cm2)-2 170.30 31.07 162.90
인장전단접착강도(kgf/cm2)-평균 165.78 34.62 159.10
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 대한 내식성 및 침식성 특성은 다음과 같다. 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 보수제가 적용된 금속구조물을 3주간 해수(5% NaCl, 35℃)에 침지시킨 후 변색 및 틈부식 여부를 살펴보았다. 도 2의 사진을 통해 확인되는 바와 같이 비교예 1과 비교예 2의 경우 변색과 함께 틈부식이 발생된 반면, 실시예 1은 변색과 틈부식 모두 일어나지 않음을 알 수 있다.
또한, ASTM G32(20KHz, 50㎛, 25℃)에 따른 침식시험 결과, 60분 경과 후 실시예 1이 5.0mg의 감량이 발생된 반면 비교예 1과 비교예 2는 각각 21.3mg, 7.3mg의 감량 결과를 나타내고 있어 실시예 1의 내침식성이 우수함을 알 수 있다(표 4 참조). 이러한 침식성 결과는 도 3a 내지 도 3c의 침식 상태 사진을 통해서도 확인할 수 있다. 도 3a(실시예 1), 도 3b(비교예 1), 도 3c(비교예 2)는 각각 10분 경과, 20분 경과, 30분 경과, 60분 경과 후의 침식상태를 나타낸 사진이다.
<침식성 시험결과 - ASTM G32>
실시예 1 비교예 1 비교예 2
60분 경과 후
무게감량		 5.0 21.3 7.3
비고 금속구조물(NAB)의 무게감량은 1.9mg
다음으로, 실시예 1를 금속구조물 보수에 적용함에 있어서 금속구조물 표면조도에 따른 인장전단접착강도 특성을 살펴보았다. 아래의 표 4에 나타낸 바와 같이 금속구조물 표면조도가 클수록 보수제의 인장전단접착강도가 향상됨을 확인할 수 있다.
<금속구조물 표면조도에 따른 보수제의 인장전단접착강도 특성>
전처리 조건 미처리 80 grit 쇼트 블라스팅
조도 (Ra) 2.70 3.25 3.84
인장전단접착강도(kgf/cm2) 96.44 131.84 146.53

Claims (14)

  1. 주제와 경화제로 이루어지며,
    상기 주제는 에폭시 수지, 금속 분말, 세라믹 안료, 티탄산칼륨 및 셀룰로오즈 섬유를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  2. 제 1 항에 있어서, 주제의 총질량 대비 티탄산칼륨이 3∼7wt%, 셀룰로오즈 섬유가 11∼15wt%가 포함되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  3. 제 1 항에 있어서, 주제의 총질량 대비 에폭시 수지 55∼65wt%, 금속 분말 7∼13wt%, 세라믹 안료 3∼7wt%, 티탄산칼륨 3∼7wt%, 셀룰로오즈 섬유 11∼15wt%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 금속 분말은 청동 분말, 구리 분말, 금 분말 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 티탄산칼륨은 휘스커형 티탄산칼륨이며,
    상기 휘스커형 티탄산칼륨은 직경 0.3∼0.6㎛, 길이 10∼20㎛, 비중 3.3∼3.5g/cm2, 모스 경도 4이상의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 셀룰로오즈 섬유는 셀룰로오즈이며,
    상기 셀룰로오즈 섬유는 백색도가 80%이상, 직경이 20∼35㎛, 길이 120㎛ 이하, pH 5∼7.5인 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 안료는 이산화티탄, 탄산칼슘, 운모, 실리카, 알루미나 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 경화제는 폴리아마이드 아민 62∼72wt%, 변성지방족 아민 25∼35wt%, 반응성 촉진제 2∼4wt%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 폴리아마이드 아민 및 변성지방족 아민은 아민값(amine value) 220∼260mg/KOHg, 점도(40℃) 5000∼10000mPas를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  10. 제 1 항에 있어서, 주제와 경화제는 4.5∼5.5 : 1의 질량비로 혼합되거나 2.5∼3.5 : 1의 부피비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수제.
  11. 결함이 존재하는 부위의 금속구조물을 제거하여 보수 영역을 형성하는 단계;
    상기 보수 영역에 금속구조물 보수제를 충진시키는 단계;
    상기 금속구조물 보수제를 경화시키는 단계; 및
    상기 금속구조물 보수제를 평탄화시키는 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 금속구조물 보수제는 주제와 경화제로 이루어지며, 상기 주제는 에폭시 수지, 금속 분말, 세라믹 안료, 티탄산칼륨 및 셀룰로오즈 섬유를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 주제의 총질량 대비 에폭시 수지 55∼65wt%, 금속 분말 7∼13wt%, 세라믹 안료 3∼7wt%, 티탄산칼륨 3∼7wt%, 셀룰로오즈 섬유 11∼15wt%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 금속 분말은 청동 분말이며, 상기 금속구조물은 청동합금 금속구조물인 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 경화제는 폴리아마이드 아민 62∼72wt%, 변성지방족 아민 25∼35wt%, 반응성 촉진제 2∼4wt%로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속구조물 보수방법.
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