KR20220129400A - 코팅체 및 제조방법 - Google Patents

코팅체 및 제조방법 Download PDF

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KR20220129400A
KR20220129400A KR1020210034262A KR20210034262A KR20220129400A KR 20220129400 A KR20220129400 A KR 20220129400A KR 1020210034262 A KR1020210034262 A KR 1020210034262A KR 20210034262 A KR20210034262 A KR 20210034262A KR 20220129400 A KR20220129400 A KR 20220129400A
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    • C23C4/067—Metallic material containing free particles of non-metal elements, e.g. carbon, silicon, boron, phosphorus or arsenic

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 코팅체는 모재 상에 구비되는 코팅층을 포함하는 코팅체로서, 상기 코팅층은 비정질 합금을 포함하고, 상기 코팅층의 표면에 투사체가 분사되어, 상기 코팅층의 적어도 일부 영역 또는 상기 코팅층과 상기 모재의 적어도 일부 영역에 압축잔류응력이 부여된 가공영역을 포함하는 코팅체인 것을 특징으로 한다.

Description

코팅체 및 제조방법{Coated body and manufacturing method thereof}
본 발명의 일 측면은 코팅체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모재 상에 구비되는 코팅층의 표면을 가공하여 피로강도를 향상시킨 코팅체에 관한 발명이다.
주지된 바와 같이, 쇼트 피닝(Shot peening) 가공은 원심력이나 압축 공기에 의해 쇼트볼(shot ball)이라고도 불리는 조그마한 강철 및 세라믹 구슬을 금속재의 가공물 표면으로 강하게 분사하여 표면을 처리하는 가공방법으로서, 금속의 표면을 해머링(hammering)하는 냉간 가공의 한 방식이다.
쇼트볼이 금속 표면에 고속으로 충돌하면서 쇼트볼의 운동에너지가 순간적으로 재료의 표면에 소성변형(Plastic deformation)을 주고 표면에서 이탈하고, 이 때, 표면영역은 요철이 발생하며 표면에 얇은 소성변형 영역을 형성하게 된다.
형성된 표면영역은 늘어난 표면영역을 늘어나기 전의 상태로 유지하려는 힘이 작용하게 되어 표면에서는 잔류압축응력, 내부에서는 인장응력이 서로 평형을 이루게 된다.
이러한 쇼트피닝은 가공물의 표면에 가공 경화를 발생시켜 피로강도를 향상시킴에 따라 피로 수명을 증가시키고 강도를 높여, 가공물의 경량화를 달성할 수 있을 뿐 아니라 이에 따른 연비 향상으로 연료 소비에 따른 환경의 오염을 저하시킬 수 있다.
이와 같은 쇼트피닝 기술의 특징으로 인해, 쇼트피닝 가공과 같은 표면처리는 여러 형상의 기어, 키홈을 가지는 축, 베어링, 브레이크, 증기나 가스 터빈, 피스톤, 크랭크, 밸브 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 조건을 제어하여 부품의 형태를 만드는 방식인 핀 포밍(peen forming)의 용도로 활용되기도 한다.
쇼트피닝이 사용되는 피가공체의 일 예로, Al 합금의 경우 고강도 알루미늄2000합금인 계, 6000계, 7000계 알루미늄 합금의 압연재의 취약한 부분(용접, 표면결함 etc.)에 쇼트피닝 처리를 실시하고 있으며, 피로변형을 받은 영역(persistent slip band 형성 영역)에도 쇼트피닝 처리를 하여 피로수명을 개선하고 있다.
한편, 주조용 알루미늄의 경우 현재까지 쇼트 피닝에 대한 구체적인 연구결과가 없으며, 사형 주조(Sand casting)재에서 탈사를 목적으로 쇼트 블라스트, 샌드 블라스트를 실시하고 있으나, 쇼트피닝 소성변형에 의한 표면경화, 압축잔류응력, 결정립 미세화에 대한 연구는 아직 미미한 실정이다.
더 나아가, 해당 기술분야에서는 알루미늄 합금 이외에도 물리적 특성이 우수하고 다양한 용도로 활용가능한 다양한 합금소재를 가공하는 방법으로서의 쇼트피닝 기술 및 쇼트피닝 기술을 활용하여 표면처리된 합금 및 코팅소재의 활용에 대하여 아직까지 연구 및 활용이 매우 부족한 실정이므로, 쇼트피닝 기술 및 표면이 가공된 금속, 합금 및 코팅소재의 연구, 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허 제 10-0874611호
본 발명의 일측면은, 모재 상에 구비되는 코팅층이 표면에서 높은 경도, 낮은 조도 등을 가지고, 피로강도 및 피로수명 등의 피로특성 및 표면특성이 우수해 다양한 분야에서 활용가능한 코팅체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 측면은 일반적인 코팅방법으로 형성된 코팅층의 표면을 후공정을 통해 추가적으로 가공하여 조도, 마찰계수 등의 특성을 향상시킴으로써 자동차, 오토바이 등에 활용되는 엔진에 활용될 수 있는 코팅체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면은 모재 상에 구비되는 코팅층을 포함하는 코팅체로서,
상기 코팅층은 비정질 합금을 포함하고, 상기 코팅층의 표면에 투사체가 분사되어, 상기 코팅층의 적어도 일부 영역 또는 상기 코팅층과 상기 모재의 적어도 일부 영역에 압축잔류응력이 부여된 가공영역을 포함하는 코팅체이다.
여기에서, 상기 가공영역은 상기 코팅층의 하부에 접합되는 모재표면층을 포함하는 것이 좋고, 상기 코팅체의 피로강도가 720 내지 1,000 MPa인 것이 좋으며,
상기 모재표면층의 두께는 상기 코팅층의 두께의 0.3배 이내인 것이 좋다.
또, 상기 코팅층의 두께는 25 ~ 400㎛인 것이 좋고, 상기 모재표면층의 결정립의 입경은, 상기 코팅층과 인접하지 않는 상기 모재 내부의 결정립의 입경의 0.1 내지 0.8배인 것이 좋으며, 상기 코팅층은 철계 비정질 합금을 포함하며, 용사 코팅 방법으로 형성된 것이 좋고, 상기 코팅층은 마찰계수가 0.325 이내인 것이 좋다.
본 발명의 다른 측면은 모재 상에 비정질 합금을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 코팅층의 표면에 투사체를 분사하여 상기 코팅층의 적어도 일부 영역 또는 상기 코팅층과 상기 모재의 적어도 일부 영역에 압축잔류응력을 부여하는 코팅층 가공단계;를 포함하는 코팅체 제조방법으로서,
상기 투사체는 금속 또는 세라믹 소재인 것이 좋고, 상기 코팅층 가공단계는 상기 코팅층을 마이크로 쇼트 피닝(Micro shot peening) 방법으로 가공하는 단계인 것이 좋으며, 상기 투사체의 입경은 상기 코팅층 두께의 2.3 내지 5.0 배인 것이 좋다.
또, 상기 코팅층은 비정질 합금 분말을 용사하여 구비되는 것이 좋고, 상기 투사체의 입경은 상기 비정질 합금 분말 입경의 13.3 내지 50배인 것이 바람직하다.
본 발명의 일측면에 따른 코팅체는 모재 상에 형성되는 코팅층이 비정질상을 가지는 비정질 합금을 포함하여 이루어지며, 표면에서의 경도, 내마모성, 내식성 등이 우수하여 코팅층의 내구성 및 수명이 연장되고 다양한 용도로 활용될 수 있다.
또한, 비정질 합금 분말을 용사코팅 등의 방식으로 코팅하여 형성된 비정질합금 코팅층을 표면처리 함으로써 내부에 압축잔류응력을 부여함으로 인하여, 내부에서의 피로인성, 피로강도가 향상되고, 모재와 코팅층의 계면에 주로 발생하는 기공이나 균열이 감소되므로 코팅체의 피로특성 등 기계적 성질이 우수한 장점을 가질 수 있다.
특히, 표면 가공시 강도가 높은 소재의 투사체가 코팅층의 두께에 따라 다른 입경, 유량, 각도을 가지도록 분사될 수 있어 코팅층과 모재의 계면 및 계 하부의 모재 표면에까지 압축잔류응력을 부여할 수 있으므로, 피로강도가 매우 우수하고 표면 조도가 우수한 코팅체를 얻을 수 있다.
도 1은 코팅층의 표면에 투사체를 분사하여 코팅층 및 내부 모재를 가공하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 가공된 영역이 코팅층보다 두껍게 형성되어 모재표면층이 형성되는 실시예의 코팅체 내부를 표현한 단면도이다.
도 3은 가공된 영역이 코팅층보다 얇게 형성되어 코팅상부층과 코팅하부층이 형성되는 실시예의 코팅체 내부를 표현한 단면도이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 코팅체는 금속 또는 합금을 포함하는 코팅층(2) 및 코팅층(2)이 형성되는 모재(1)를 포함하여 이루어진다.
모재(1)란, 코팅층(2)을 형성하는 경우 코팅층(2)이 부착되거나 형성되는 기재를 의미하며, 모재(1)의 형태나 조성은 제한되지 않고, 예를 들어 금속 소재, 세라믹소재, 복합소재 또는 고분자소재 등이 활용될 수 있고, 바람직하게는 금속 또는 합금 소재인 것이 좋고, 더욱 바람직하게는 상대적으로 융점이 높은 Fe, Ni, Co 또는 Zr계 금속 또는 합금 소재인 것이 선호된다.
모재(1)의 형태는 제한되지 않으나, 코팅층(2)의 형성이 균일하고 원활하게 이루어질 수 있도록 평면형태나 곡면을 포함하는 형태 또는 평평한 형상을 포함하는 것이 좋다.
코팅층(2)은 모재(1) 상에 구비되는 적어도 하나 이상의 코팅층(2)으로서, 금속 또는 합금 소재를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 코팅층(2)은 모재(1) 상에 초기의 코팅이 형성된 이후 적어도 한 단계 이상의 가공단계를 거쳐 형성된 층을 포함하는 것이 좋으며, 내부에 층간 경계 또는 계면을 포함하는 코팅층(2)이 구비될 수 있다.
코팅층(2)은 적어도 2 이상의 층을 포함하는 다층 구조로 이루어지는 것도 가능하며, 코팅층(2)이 2 이상의 층을 포함하는 경우, 코팅층(2)에서 모재(1)와 인접하는 계면을 이루는 내부코팅층을 포함하고, 모재(1)의 반대측에 구비되어 외부에 노출되는 표면코팅층을 포함한다.
코팅체에 구비되는 코팅층(2)은 코팅 이후 추가적인 가공단계에 의해 가공될 수 있다. 구체적으로는, 모재 상에 코팅층을 형성한 직후 구비된 가공되지 않은 상태의 코팅층이 추가적인 가공단계에 의하여 가공되어, 코팅층(2) 내부의 기계적 특성이나 원자의 배열, 결정립의 크기, 균열밀도 등이 달라질 수 있다.
이때, 가공단계의 조건 및 가공방법의 조절에 따라 이러한 가공은 코팅층(2)의 표면으로부터 이루어져 코팅층의 적어도 일부 영역에 가공영역(10)을 형성할 수 있고, 가공영역(10)이 코팅층(2)의 두께보다 얇은 두께로 가공이 이루어져 가공여부의 차이에 따른 계면이 코팅층(2)의 내부에 형성되는 것도 가능하다.
이때, 가공단계에 의해 형성된 가공영역(10)이 코팅층(2)의 일부 영역에서 형성되는 경우, 코팅층(2)에서 모재(1)에 인접하는 영역을 코팅하부층(12), 코팅층(2)의 표면에 구비되는 영역을 코팅상부층(11)이라고 구분하여 정의할 수 있다.
한편, 코팅층(2)의 두께보다 깊은 곳까지 가공이 이루어져, 모재(1)의 일부영역에까지 가공의 효과가 미치고, 코팅층의 적어도 일부 영역 및 모재의 적어도 일부 영역을 포함하는 가공영역이 형성될 수 있다.
모재(1)에서 코팅층(2)의 하부에서 접합되며 코팅층(2)의 가공시 코팅층과 함께 가공되어 압축잔류응력이 부여되는 가공영역(10)의 일부분을 모재표면층(15)이라고 할 수 있으며, 모재표면층(15)의 내부에서 가공의 영향을 받지 않은 모재(1)의 나머지 부분을 모재내부(16) 또는 모재내부영역이라고 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 모재(1) 상에 형성된 코팅층(2)을 가공함으로써 코팅층(2)의 전체 영역이 가공되는 것이 바람직하며, 가공단계에 의해 코팅층(2)과 인접하는 모재(1)의 일부 영역이 함께 가공되어 모재(1)의 내부에 구비되는 모재표면층(15)에서 모재의 내부 영역과 물성이나 결정립의 크기 등이 달라질 수 있고, 압축잔류응력에 의해 코팅체의 피로강도나 피로인성이 향상될 수 있다.
코팅체의 가공은 다양한 가공방식으로 이루어질 수 있으나, 일 예시로는 투사체(20)를 코팅층의 표면에 분사하여 압축잔류응력을 부여하는 소성가공 방법이 사용될 수 있다.
코팅체의 표면 가공방식 중, 소성가공 시, 이로 인하여 금속 또는 합금의 내부에서 원자들간이나 입자간 입계에 구비되는 기공이나 균열이 감소하거나 제거되어 우수한 기계적 특성이 얻어질 수 있는데, 이러한 소성가공시 코팅체의 전부가 소성가공되는 것뿐 아니라 코팅층(2)이 형성된 모재(1)의 코팅층(2) 직하, 하부에서 접합되는 모재의 일부 영역이 소성가공의 영향을 받아 코팅층(2)과 모재(1)의 계면에 가까운 모재표면층(15)에서 코팅층(2)과 동일한 소성가공이 이루어진다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 가공영역(10)의 두께가 코팅층(2)의 두께보다 두꺼워 모재(1)와 코팅층(2)의 계면에 접하는 모재표면층(15)이 형성된 코팅체이다.
모재표면층(15)의 두께는 가공된 상태의 코팅체에서 코팅층(2)과 모재(1)의 계면에서 모재(1)의 내측 방향으로 측정될 수 있으며, 코팅층(2)의 표면으로부터 모재(1) 표면층과 모재(1) 내부의 경계까지의 두께에서 코팅층(2)의 두께를 빼는 방법으로 측정되는 것도 가능하다. 코팅층(2)의 표면에서 균일한 가공공정이 이루어지는 경우 일정한 두께의 모재표면층(15)이 형성될 수 있다.
코팅층(2)의 표면에서부터 모재표면층(15)의 하부인 모재표면층(15)과 모재내부(16)의 경계까지의 두께는 코팅층(2)의 두께 대비 0.05 내지 1.3배, 바람직하게는 0.3 내지 1.3배, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 1.25배, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.2배인 것이 좋다.
모재표면층(15)의 두께는 위 범위에서 알 수 있듯이 코팅층(2)의 두께 대비 0.3배 이내일 수 있고, 바람직하게는 0.25배 이내, 더욱 바람직하게는 0.20배 이내인 것이 좋다.
도 1은 코팅체의 코팅층(2) 표면에 투사체(20)를 투사하는 방식의 표면 가공시 코팅층과 모재에 미치는 영향을 도시한 도면이다. 투사체(20)를 코팅층의 표면에 투사시 코팅층의 표면이 압축 변형되어 구형의 압흔(Dimple)(21)이 형성되고, 내부의 압축된 영역은 코팅체 내부의 주변부로부터 압축응력을 받으며, 가공된 영역에 잔류압축응력이 부여된다.
본 발명의 일 측면에 따른 가공에 의해 가공되는 전체 영역(코팅층과 모재표면층(15)을 포함)인 가공영역(10)에 대하여, 가공영역(10)은 벌크비정질 합금이 아닌 비정질 합금 분말을 이용하여 형성되는 코팅층을 소성가공하여 표면에서 소성변형이 이루어진 가공영역(10)이 형성되므로, 가공영역(10)의 두께가 초기 코팅층의 두께보다 더 두껍게 형성되어 코팅층(2) 직하 모재의 영역까지 압축잔류응력을 부여하여 표면 처리된 비정질 합금 소재의 기계적 특성(인장, 피로 특성 등)을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또, 가공영역(10)에 포함되는 모재(1)의 일부 영역은 코팅층(2)의 가공시 함께 가공되며, 이때 소성가공에 의한 압축잔류응력이 부여되어 피로강도가 향상되고, 코팅층(2)과 모재(1)의 계면에서의 결합력이 향상되어 코팅체의 박리강도의 저하현상이 감소된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 코팅체의 내부를 단면도로 나타낸 것이다. 가공에 의해 형성되는 가공영역(10)의 두께(d)가 코팅층(2)의 두께(h) 보다 큰 경우 가공에 의한 영향이 코팅층(2)의 하측 모재(1)에까지 미치게 되고, 코팅체는 전체적으로 가공되며, 모재(1)에서 코팅층(2)에 인접하는 일부 표면영역이 가공되어 모재표면층(15)을 형성한다.
코팅층(2)의 두께는 25 내지 400㎛ 인 것이 좋고, 바람직하게는 100 내지 300㎛인 것이 좋다. 코팅층(2)의 두께가 해당 범위보다 두꺼운 경우 코팅층(2)의 높은 탄성력으로 인해 모재(1)와 코팅층(2)의 계면까지 가공이 이루어지지 않아 피로특성의 향상을 기대할 수 없고, 코팅층(2)의 두께가 해당 범위보다 얇은 경우 코팅층(2)이 변형을 수용하지 못하고 균열의 형성되거나 모재(1)와 박리가 일어날 수 있다.
코팅층(2)의 소재는 제한되지 않으나, 금속 또는 합금 소재로 이루어지는 코팅층인 것이 좋으며, 바람직하게는 비정질상을 포함하는 합금인 비정질 합금을 포함하는 코팅층인 것이 좋다. 비정질 합금을 포함하는 코팅층은 전체가 비정질인 합금으로 한정되지 않고, 비정질상이 적어도 일부 포함된 합금을 가지는 코팅층이라면 모두 이에 포함된다.
코팅층(2)에 포함되는 비정질 합금의 조성은 제한되지 않으며, 예를 들어, 철(Fe)계, 알루미늄(Al)계, 아연(Zn)계 등 다양한 조성의 합금이 사용될 수 있으나, 철(Fe)계 비정질 합금인 것이 좋다.
구체적으로는, 본 발명의 일 실시예의 코팅체는 철계 비정질 합금을 포함하는 코팅층을 포함하며, 철계 비정질 합금으로는, 원자의 직경이 큰 대형원자(large atom), 직경이 작은 소형원자(small atom) 및 중간정도의 직경을 가지는 중형원자(Intermediate atom) 중 하나 이상을 포함하는 조성을 사용한다.
보다 구체적으로는, 중형원자로 Mo이나 Cr과 같은 성분이 포함될 수 있으며, Mo은 전체 합금의 10 내지 30 wt% 로 포함될 수 있고, Cr은 10 내지 20 wt% 로 포함될 수 있다. Mo 또는 Cr이 해당범위보다 적거나 많은 중량분율로 포함되는 경우 전체 합금의 비정질형성능이 저하될 수 있다.
또, 소형원자로는 예를들어 B 및 C 중 적어도 어느 하나 이상이 포함될 수 있고, B 및 C 중 적어도 어느 하나 이상은 5 wt% 이내로 포함될 수 있다. B 및 C 중 적어도 어느 하나 이상이 해당범위보다 많은 중량분율로 포함되는 경우 전체 합금의 비정질형성능이 저하될 수 있다.
본 발명에서 비정질 합금은 전술한 예시에 포함되지 않는 원소를 추가적으로 포함하는 것도 가능하며, 포함되는 첨가원소는 의도적 또는 비의도적으로 첨가될 수 있고, 예를 들어 Si, Ni, Co, Al, Ti, V, Cu, Zn, Zr, Nb, Ag, Ta, W, Y 및 Hf 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것이 좋다.
첨가원소의 함량은 각각 0.50 wt% 이하인 것이 좋고, 바람직하게는 0.3 wt%이내인 것이 좋으며, 첨가원소가 해당 범위보다 많은 중량분율로 포함되는 경우에는 비정질형성능이 저하되거나 합금의 물성이 나빠지는 문제가 있을 수 있다.
코팅층의 표면 거칠기(조도)와 관련하여 평균 거칠기와 최대높이 거칠기가 측정될 수 있다.
코팅층(2)은 평균 거칠기가 낮은 것이 바람직하며, 표면가공에 의해 2.4㎛ 이내의 평균 거칠기를 가질 수 있고, 바람직하게는 2.0㎛ 이내, 더욱 바람직하게는 1.5㎛ 이내인 것이 바람직하다.
코팅층(2)의 최대높이 거칠기는 낮은 것이 바람직하며, 최대 높이 거칠기가 0.1 내지 20.0㎛인 것이 좋고, 바람직하게는 1.0 내지 15 인 것이 좋다.
평균 거칠기 및 최대높이 거칠기가 해당 범위를 벗어나는 경우 표면에서의 조도가 증가하여 표면에서의 마모, 마찰이 활발히 일어나는 문제가 있다.
코팅층(2)의 마찰계수는 표면에서의 거칠기(조도)에 따라 달라질 수 있으나, 0.33 이내인 것이 좋고, 바람직하게는 0.325 이내인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 0.32 이내인 것이 좋다.
코팅층의 마찰계수가 0.33을 초과하는 경우 표면에서의 마모나 부식이 일어날 수 있으며, 기공이나 균열이 발생하기 쉬운 문제가 있다.
모재표면층(15)은 코팅층(2)의 표면에 이루어지는 가공에 의해 코팅층(2)과 함께 가공되므로 균열밀도 및 기공율이 모재내부(16)보다 상대적으로 낮으며, 피로강도가 높다.
표면가공 후 모재표면층(15)은 지속적인 변형을 부여받아 압축잔류응력을 가지고 있으며, 그로인한 전위밀도가 증가하거나, 아결정(subgrain)이 형성되어 결정립의 미세화가 나타날 수 있다.
모재의 내부와 모재표면층은 그 소재에 따라 결정립을 포함할 수 있으며, 가공영역에 포함되는 모재표면층의 결정립은 모재 내부의 결정립보다 작을 수 있고, 구체적으로는 모재표면층에 포함된 결정립은 모재 내부의 결정립의 입경의 0.1 내지 0.8, 바람직하게는 0.1내지 0.5배 인 것이 좋다.
모재표면층(15)의 결정립의 입경이 해당 범위보다 큰 경우 표면층까지 변형이 이루어지지 않아 기계적 강도가 저하될 수 있고, 해당 범위보다 작은 경우 심한 변형으로 코팅과 모재(1)의 박리가 유도될 수 있다.
코팅체는 코팅층의 표면에 투사체(20)를 분사하는 가공에 의해 피로강도가 향상될 수 있다. 코팅체의 피로강도는 720 내지 1,000 MPa 인 것이 좋으며, 바람직하게는 750 내지 900 MPa, 더욱 바람직하게는 800 내지 850 MPa일 수 있다. 피로강도가 해당 범위보다 낮은 경우, 부품 등의 소재로 활용시 수명이 저하되고 활용도가 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
또한, 일 실시예에서 가공영역(10)이 모재(1)와 코팅층(2)의 계면을 포함하여 형성됨으로 인하여, 모재(1)와 코팅층(2)의 계면에 존재하는 기공, 균열 등의 밀도가 감소하므로 코팅층(2)의 박리강도가 저하되지 않아 우수한 박리 특성을 가질 수 있다.
코팅층(2)에 포함되는 비정질 상의 비율은 제한되지 않으나, 80% 내지 100%, 바람직하게는 95% 내지 100% 인 것이 좋다.
비정질 상의 비율이 80% 보다 낮은 경우에는 비정질 비율이 너무 낮아 코팅층(2)의 물리적 특성이나 내식성 등의 유리한 효과가 너무 적어 발명의 목적을 이루지 못하는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로는 코팅층(2)의 일부 영역에 가공이 이루어지지만 모재(1)와 코팅층(2)의 계면 및 모재(1)의 표면층에까지는 가공이 이루어지지 않은 코팅체가 개시될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코팅체의 내부를 단면도로 나타낸 것이다. 가공에 의해 형성되는 가공영역(10)의 두께(d)가 코팅층(2)의 두께(h) 보다 작은 경우 코팅층(2)은 코팅상부층(11)과 코팅하부층(12)으로 구분될 수 있으며, 모재표면층(15)은 형성되지 않는다. 이때, 코팅층(2)은 표면에 구비되는 가공영역(10)인 코팅상부층(11) 및 상기 코팅상부층과 상기 모재의 사이에 구비되는 코팅하부층(12)을 포함한다.
가공영역(10)이 코팅층(2)의 일부만을 포함하는 경우, 코팅상부층(11)에 포함되는 비정질 상의 비율과 코팅하부층(12)에 포함되는 비정질 상의 비율은 서로 동일한 비정질 합금분말로부터 동시에 형성되므로 차이가 적으나, 코팅층(2)의 형성 조건이나 위치에 따라 냉각속도가 다를 수 있어 비정질상의 비율이 일부 차이날 수 있다. 예를 들어 코팅상부층(11)과 코팅하부층(12)의 비정질상의 비율 차이는 적게 나타날 수 있으며, 그 차이가 5% 이내일 수 있고, 바람직하게는 1% 이내일 수 있다.
코팅상부층(11)과 코팅하부층(12)의 비정질상 비율 차이가 5%를 벗어나는 경우 코팅층(2)이 균일한 품질을 가지지 못하여 균열이나 하자가 발생할 가능성이 높아지는 문제가 있다.
가공영역(10)이 코팅층(2)의 일부만을 포함하여, 코팅층(2)이 코팅상부층(11)과 코팅하부층(12)을 포함하는 경우, 코팅상부층(11)과 코팅하부층(12)은 코팅층(2)에 포함되는 합금에서 합금을 이루는 결함의 제어 정도에 따라 구분될 수 있다. 표면 가공코팅 소재에서 코팅층(2)과 모재의 계면, 코팅층(2) 내부에 기공 및 빠른 냉각속도에 기인한 결함(기공 및 크랙 등)이 형성될 수 있다. 이러한 결함은 코팅층(2)의 물리·화학적 특성의 감소를 야기시키며, 응력 집중 영역으로 작용하여 코팅층(2)과 모재(1)의 박리를 유발할 수 있으므로 개선해야할 인자로써 인식된다. 따라서 비정질 결정구조를 그대로 유지하면서, 결함을 제어하여 코팅층(2)의 물리·화학적 특성을 향상시킬 수 있는 가공 공정의 적용이 요구된다.
코팅체의 표면 가공 공정 이후, 코팅하부층(12)은 비정질 합금 분말로부터 비정질 합금을 포함하는 코팅층(2)의 형성 이후 결정구조가 대부분 유지되며, 코팅상부층(11)은 코팅층(2)의 형성 이후 표면처리 또는 가공에 의하여 결정구조 및 원자들의 배열이 변화되므로 코팅층(2) 내부 결함이 개선될 수 있으며, 코팅상부층(11)의 균열 밀도는 코팅하부층(12) 대비 0 내지 90% 인 것이 좋고, 바람직하게는 0 내지 80%, 더욱 바람직하게는 0 내지 60% 인 것이 좋다.
코팅상부층(11)에서의 결함 밀도가 해당 범위보다 높은 경우 마이크로 피닝 등의 가공에 의한 효과가 감소될 수 있으며, 코팅상부층(11)이 탈락될 경우 균열 밀도가 높은 코팅하부층(12)이 노출되어 코팅층(2)의 물리·화학적 특성이 저하될 수 있다.
또한, 가공영역(10)에 포함된 가공된 코팅층(2)의 기공율은 형성시의 온도나 조건, 환경에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 낮은 기공율을 갖는 것이 바람직하고, 이 때, 코팅층의 형성 후 표면처리나 가공 등에 의해 형성된 코팅상부층(11)의 기공율은 코팅하부층(12)의 기공율보다 낮거나 같은 것이 좋다.
구체적으로는 코팅층의 코팅상부층(11)의 기공율은 표면 가공 이전의 코팅층 또는 코팅층(2)의 코팅하부층(12) 대비 0.01 내지 3%, 바람직하게는 0.01 내지 1%인 것이 좋다. 이 때 코팅층(2)의 코팅상부층(11)의 기공율과 표면 가공 이전의 코팅층(2) 또는 코팅층(2)의 코팅하부층(12)의 기공율 비율(코팅상부층의 기공율 / 코팅하부층의 기공율)은 0.002 내지 0.6배, 바람직하게는 0.002 내지 0.2배인 것이 좋다.
코팅층(2)의 코팅상부층(11)의 기공율이 해당 범위보다 높은 경우 기공을 통한 부식, 크랙이 발생할 가능성이 높아 수명이 짧아지는 문제가 있고, 코팅상부층(11)과 코팅하부층(12)의 기공율이 해당 범위보다 큰 경우 코팅하부층(12)에서의 크랙이나 박리가 일어나는 문제가 있을 수 있다.
또한, 코팅상부층(11)은 코팅하부층(12) 대비 물리, 화학적 특성이 더욱 우수한 것이 좋으며, 예를 들어 코팅상부층(11)은 코팅하부층(12) 대비 표면처리 또는 가공에 의해 경도, 인성, 내부식성, 내마모성 등이 우수하며, 표면의 조도가 낮고 마찰계수 또한 낮은 특성을 가질 수 있다.
그러나, 코팅상부층(11)은 마이크로피닝에 의해 원자의 구조가 일부 변형되는 과정에서 표면에서의 접착력이 저하되거나 박리강도가 낮아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코팅상부층(11)은 마이크로피닝 가공공정에 의해 얻어지는 가공영역(10)을 가지는 코팅층(2)으로서, 코팅하부층(12)은 마이크로피닝 공정 이전에 동일한 조성의 초기 코팅층으로 형성됨으로써 접합이 매우 우수하므로 마이크로피닝에 의한 코팅상부층(11)의 접합력 저하가 잘 발생하지 않는다.
반면, 코팅하부층(12)은 코팅상부층(11) 대비 경도가 낮은 특성을 가지나, 코팅상부층(11)과 모재(1) 사이에 구비되며 우수한 물성을 갖는 코팅상부층(11)이 모재(1) 상에 잘 부착될 수 있게 하며, 표면처리시 모재(1)에 충격이 전달되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
코팅하부층(12)은 마이크로 피닝 등의 표면가공공정의 영향을 받지 않거나 상대적으로 적게 받은 영역으로서, 모재(1) 상에 형성된 코팅층의 박리강도 및 접착 특성을 그대로 유지할 수 있으며, 모재(1)와의 박리강도가 높은 특성을 가진다.
가공 처리 이후 형성된 코팅상부층(11)의 박리강도는 표면처리 이전의 박리강도와 동일한 것이 가장 바람직하며, 표면처리 이전 박리강도 대비 0.8 내지 1.0 배, 바람직하게는 0.9 내지 1.0배인 것이 좋다.
구체적으로는, 박리강도는 풀아웃 테스트(pull out test) 방식의 실험시 에폭시가 코팅된 stud(2.7mmφ) 접착, 150℃에서 70분 유지 조건을 기준으로 측정할 수 있고, 표면 처리 이전의 코팅층(2)의 박리강도는 280 내지 340 kg/cm2, 바람직하게는 320 내지 340 kg/cm2 (pull out test에 사용된 에폭시의 최대 강도)인 것이 좋다.
또한, 가공처리 이후 박리강도는 박리강도는 280 내지 340 kg/cm2, 바람직하게는 320 내지 340 kg/cm2 (pull out test에 사용된 에폭시의 최대 강도)인 것이 좋다.
본 발명의 다른 측면은 코팅체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 모재(1) 상에 비정질 합금을 포함하는 코팅층(2)을 가지며, 가공에 의해 형성되는 가공영역(10)을 포함하는 코팅체 제조방법이다.
이하에서는 전술한 코팅체를 형성하는 방법에 대하여 기재하며, 전술한 코팅체의 구성 등 반복되는 내용은 일부 생략하였다.
코팅체 제조방법은 모재를 제공하는 단계, 모재 상에 비정질 합금분말을 용사하여 비정질 합금을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계, 및 예시적으로 코팅층을 마이크로 쇼트피닝(Micro shot peening)등의 방법으로 가공하여 코팅층의 표면을 가공하고 가공영역(10)을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
모재를 제공하는 단계에서 모재의 소재나 형상은 제한되지 않으며, 금속 또는 합금소재의 모재가 사용되는 것이 좋고, 자동차, 항공, 우주 등 다양한 분야에서 활용 가능한 소재나 부품 등이 모재로 사용될 수 있다.
모재 상에 비정질합금 분말을 용사하여 비정질 합금을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계는 모재(1) 상에 1차적으로 코팅층을 용사하여 형성하는 단계로, 코팅 재료로는 분말형태의 비정질 합금 분말이 사용되는 것이 좋다. 비정질 합금의 조성이나 비정질 상의 함량은 제한되지 않으나, 바람직하게는 철(Fe)계 비정질 합금이 사용되는 것이 바람직하다.
이 때, 비정질 합금의 형태는 제한되지 않으며, 시편, 분말, 와이어 등의 형태를 갖는 비정질 합금이 사용될 수 있고, 바람직하게는 분말 또는 와이어의 형태인 것이 사용될 수 있다.
준비된 비정질 합금원료는 모재(1) 상에 코팅층으로 형성될 수 있다. 코팅층의 코팅방법은 제한되지 않으나, 예를 들면 초고속 화염 용사(HVOF), 디퓨전용사, 트윈 와이어 아크 용사(TWAS), 플라즈마 용사(Plasma spray) 등과 같은 열용사, 저온용사(Cold spray), 레이저 클래딩(Laser cladding), 스퍼터링(Sputtering) 등의 방식이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 용사코팅 방식이 사용되어 코팅층으로 용사코팅층이 형성되는 것이 바람직하다.
코팅층은 형성된 이후 냉각되며 비정질상을 포함하는 합금을 포함하여 이루어지게 되며, 이 때, 코팅층에 포함되는 비정질상의 비율은 원료로 사용된 비정질 합금분말에 포함되는 비정질상의 비율의 90 내지 100% 수준인 것이 좋고, 바람직하게는 비정질상의 비율이 동일하게 유지되거나 95 내지 100% 인 것이 좋다.
이후, 코팅층의 표면을 가공하는 단계로서 코팅층 가공단계가 포함된다.
코팅층의 표면을 가공하는 방법은 금속의 소성을 이용하여 제련하는 방식인 소성가공(Plastic working) 방식인 것이 좋고, 구체적으로는 열간단조, 냉간단조 등의 단조(forging), 전도, 압연, 프레스, 스피닝 등의 성형가공 또는 샷피닝(shot peening), 마이크로피닝(micro peening), 블라스팅(blasting), 초음파 피닝(ultrasonic shot peening), 고에너지 샷피닝(high energy shot peening), 레이저 피닝(laser peening or laser shock peening)등의 가공 방법이 사용될 수 있으며, 본 명세서에서 피닝이라는 용어가 사용되는 경우 샷피닝 및 마이크로 피닝을 포함하는 넓은 의미로 이해된다.
코팅층의 가공단계의 바람직한 예시로는 투사체(20)를 코팅층의 표면에 분사하여 가공하는 피닝 방법을 사용하는 것이 좋고, 바람직하게는 마이크로 샷피닝(Micro shot peening) 방법인 것이 좋다.
코팅층의 표면을 가공함으로 인하여 코팅층의 표면뿐 아니라 코팅층과 모재(1)가 접하는 모재표면층에까지 압축잔류응력이 부여됨으로써, 코팅체의 피로강도, 피로인성이 매우 우수해지고, 코팅층의 경도, 내부식성, 내마모성, 표면조도, 마찰계수 등의 다양한 물리적 특성이 향상될 수 있으며, 특히 비정질상을 포함하여 구비된 우수한 물성의 코팅층의 표면을 가공하여 일반 결정질계 코팅층을 가공하는 경우보다 더욱 우수한 물리적 특성을 갖는 코팅층이 얻어질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅층의 표면가공 방법으로 피닝 방법을 사용한 코팅체 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
피닝 방법은 합금 성형체나 코팅의 연마, 세정 등을 목표로 작은 투사체(또는 쇼트)을 고속으로 피처리품에 투사하는 방법이며, 사용되는 투사체(20)의 소재, 특성에 따라 다양한 표면 가공 효과를 얻을 수 있다.
사용되는 투사체(20)의 소재는 제한되지 않으며, 알루미늄계 합금, 스테인리스 강, 아연계합금, 철계합금, 비정질합금 볼이 사용될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면가공의 경우 경도가 높은 코팅층의 표면을 가공하기 위하여 금속(Martensite steel, metallic glass 등), 세라믹(WC, Al2O3, SiO2, SiN, AlN 등) 소재의 투사체(20)가 사용되는 것이 좋다.
이때, 투사체(20) 또는 투사체(20) 소재의 경도는 700 내지 1500Hv, 바람직하게는 1200 내지 1500Hv 인 것이 좋고, 코팅층의 소재로 사용되는 비정질합금의 경도와 대비할 때, 경도의 비율이 0.71 내지 1.53배, 바람직하게는 0.79배 내지 1.53 배, 더욱 바람직하게는 0.96 내지 1.22배인 소재의 투사체(20)가 사용되는 것이 좋으며, 가공 이후에도 박리강도가 저하되지 않는 특징이 있다.
사용되는 투사체(20)의 소재와 경도가 해당 조건을 만족하지 못하는 경우에는 표면 가공의 효율이 매우 떨어져, 코팅층의 표면 가공이 되지 않거나, 가공영역(10)의 두께가 매우 낮을 수 있고, 연질의 투사체(20)를 사용한 경우 투사체(20)의 일부가 코팅층에 접합되어 코팅층의 기계적·화학적 특성의 감소를 야기시킬 수 있다. 또한 표면 가공을 위한 투사체(20)의 소모량이 증가하여 경제성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
가공단계에서 사용되는 투사체로는 비정질상을 포함하는 투사체(20)가 사용될 수 있다. 투사체(20)로 비정질합금 볼 또는 비정질합금을 포함하는 복합재 볼이 사용되는 경우 투사체(20)의 높은 경도로 인하여 코팅층에서 코팅상부층(11)의 경도 향상 효과가 더욱 증가될 수 있고, 표면가공의 효율이 증가하여 공정 시간이 감소되는 유리한 효과가 얻어질 수 있다.
이하에서는 코팅층의 표면 가공에 사용되는 투사체(20)의 특성에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
투사체(20)의 입경은 0.4 내지 1.5mm, 바람직하게는 0.7 내지 1.0, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.5mm인 것이 좋다.
투사체(20)의 입경이 미세할 경우 투사체(20)간 간섭으로 에너지가 손실되어 코팅층에 충분한 에너지가 전달이 되지 않아, 표면 가공 효과가 감소될 수 있다. 그리고 투사체(20)의 입경이 조대한 경우 코팅상부층(11) 또는 가공영역의 상부에서 압입 자국이 커짐에 따라 표면 조도가 나빠지거나, 높은 운동에너지로 인한 코팅층의 균열이 형성되어 표면가공 효과가 감소될 수 있다.
이 때, 사용되는 투사체(20)의 입경은 코팅층의 형성시 사용되는 비정질 합금 분말의 입경의 13.3 내지 50배, 바람직하게는 33.3 내지 50배인 것이 바람직하다.
코팅층의 형성시 사용되는 비정질 합금 분말과 표면처리시 사용되는 투사체(20)의 입경 비율이 해당 범위인 경우, 효과적인 운동에너지의 전달로 표면처리 효율이 향상되고, 바람직한 표면 조도 및 가공영역의 두께가 얻어질 수 있다.
사용되는 투사체(20)의 입경은 코팅층의 두께의 2.3 내지 5배, 바람직하게는 3.3 내지 5 배 인 것이 바람직하다.
코팅층의 두께와 표면처리 시 사용되는 투사체(20)의 입경 비율이 해당 범위를 벗어나는 경우, 표면 조도 뿐만 아니라 코팅층 내부의 미세조직적 결함 제어 및 모재의 압축잔류응력 형성이 효과적으로 유도되지 않아 표면 가공 처리의 효과가 미시적일수 있다.
가공단계에서 투사체(20)의 투사각도는 35 내지 90°, 바람직하게는 45 내지 90°, 더욱 바람직하게는 75 내지 90°인 것이 좋다.
투사체(20)의 투사각도가 낮을 경우 투사영역은 넓어지나, 운동에너지의 전달 및 집적이 적어 표면 가공 효과가 미비하게 나타나 불규칙한 표면 조도를 보이거나, 물성의 향상 효과가 충분하지 않을 수 있다.
투사체(20)의 투사속도는 50 내지 100 m/s, 바람직하게는 75 내지 100 m/s 인 것이 좋다.
해당 범위를 벗어나는 경우 코팅층의 표면에서 충돌하는 투사체(20)의 에너지가 너무 작아 표면 가공 효과가 미비하고, 에너지가 너무 큰 경우 코팅층의 일부 및 전체가 박리되어 본 발명의 취지를 벗어날 수 있다.
투사체(20)의 투사 유량은 2내지 13 kg/min, 바람직하게는 5 내지 10kg/min, 더욱 바람직하게는 6 내지 8 kg/min인 것이 좋다.
투사유량이 너무 적은 경우 원하는 가공영역(10)을 충분히 형성하기까지 긴 시간이 소요된다.
투사 유량이 너무 많을 경우 리바운딩(rebounding)되는 투사체(20)에 의한 간섭이 발생하여 투사체(20) 운동 에너지의 감소가 야기되고, 투사체(20)의 소모량이 증가하여 경제성이 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 표면 가공 효과의 감소에 기인한 피로 강도 및 피로 수명 등의 기계적 물성이 감소하는 문제가 야기된다.
위와 같은 투사체(20)의 투사조건에 의하여 코팅상부층(11)의 두께 및 코팅하부층(12)의 두께, 코팅상부층(11)과 코팅하부층(12) 두께의 비율이 다르게 얻어질 수 있으며, 해당 조건을 벗어나는 조건의 가공 수행시 코팅하부층(12)의 두께가 너무 얇아져 모재(1) 상에서 충분한 접착력을 가지지 못하고 박리되거나 모재 보호 기능을 수행하지 못해 모재(1)에 손상이 가는 문제가 발생할 수 있고, 코팅하부층(12)의 두께가 너무 두꺼워져 코팅상부층(11)으로 인한 물성 향상 효과가 저하될 수 있다.
또한, 위와 같은 투사체(20)의 투사조건에 의하여 가공영역의 두께가 달라질 수 있고, 모재표면층이 너무 얇거나 모재표면층이 형성되지 않아 피로 특성이 향상되지 않는 문제가 생길 수 있다.
실시예
실시예 1 내지 4 - 합금 분말의 제조
미리 정해진 조성을 갖도록 재료들을 계량한 뒤 용융시켜 합금용 금속조성물을 수득한 후 질소 가스 분위기에서 아토마이저에 공급하여 아토마이즈 시키고 분열된 용융금속액적을 냉각시켜 합금분말을 제조하였으며, 하기 표 1에 이를 정리하여 나타내었다.
구분 합금 분말
분말 평균 입경 비정질비율 첨가원소
실시예 1 8 ㎛ 99% Fe, Mo, Cr, B, C, Si
실시예 2 30 ㎛ 99% Fe, Mo, Cr, B, C, Si
실시예 3 45 ㎛ 99% Fe, Mo, Cr, B, C, Si
실시예 4 112 ㎛ 99% Fe, Mo, Cr, B, C, Si
실시예 5 내지 16 - 코팅층의 형성
철계로 이루어진 모재의 일면에 상기 실시예 1 내지 4의 철계 비정질 합금 분말을 초고속화염용사장비(Oerlikon Metco Diamond Jet series HVOF gas fuel spray system)를 사용하여 연료로 산소와 프로판가스를 사용하고, 분사 거리는 30cm로 하여 초고속화염용사(HVOF, High velocity oxygen fuel spray) 방법으로 분사하여 합금코팅층을 형성하였다. 이 때, 이때 초기 코팅층의 두께는 300~350㎛로 제어하였고, 사용된 장치 및 조건을 아래에 구체적으로 설명하였다.
- DJ Gun HVOF -
[조건] 건 타입(Gun type): Hybrid, 에어 캡: 2701, LPG 유량(LPG Flow) 160 SCFH, LPG압(LPG Pressure) 90 PSI, 산소 유량(Oxygen flow) 550 SCFH, 산소압(Oxygen Pressure) 150 PSI, 기류량(Air flow) 900 SCFH, 기류압(Air Pressure) 100 PSI, 질소 유량(Nitrogen flow) 28 SCFH, 질소압(Nitrogen Pressure) 150 PSI, Gun speed: 100 m/min, Gun pitch: 3.0mm, 피더 속도(Feeder rate) 45 g/min, Stand-off distance: 250mm
이후, 형성된 코팅층에 아래 표 2와 같은 조건으로 코팅층에 높은 기계적 강도를 갖는 WC 소재의 투사체를 투사하는 가공을 실시하였으며, 투사체의 크기를 각각 400, 700, 1000, 1500㎛ 로하고, 투사 유량을 각각 2, 7.5, 13kg/min으로 달리하며 가공하여 실시예 5 내지 16의 코팅층을 얻었다.
실시예 투사체 소재 투사체의 입경(㎛) 투사 유량
[kg/min]		 투사 거리
[mm]		 투사각도
[°]		 투사 속도
[m/s]
실시예 5 WC 400 2 10 75 85
실시예 6 WC 400 7.5 10 75 85
실시예 7 WC 400 13 10 75 85
실시예 8 WC 700 2 10 75 85
실시예 9 WC 700 7.5 10 75 85
실시예 10 WC 700 13 10 75 85
실시예 11 WC 1000 2 10 75 85
실시예 12 WC 1000 7.5 10 75 85
실시예 13 WC 1000 13 10 75 85
실시예 14 WC 1500 2 10 75 85
실시예 15 WC 1500 7.5 10 75 85
실시예 16 WC 1500 13 10 75 85
비교예
비교예 1 내지 4 - 코팅층의 형성
실시예 1 내지 4의 합금분말을 이용하여 코팅층을 수득한 후, 형성된 코팅층에 대하여 표면가공을 실시하지 않은 코팅층을 포함하는 코팅체를 제조하였다. 이때 초기 코팅층의 두께는 300~350㎛로 제어하였다.
실험예
실험예 1 - 코팅체의 표면구조 관찰
실시예 5 내지 16, 비교예 1 내지 4의 코팅체를 절단하여 그 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 코팅층에서 코팅상부층과 코팅하부층의 조직 및 두께를 관찰하였다.
실시예 5 내지 16에서의 코팅층의 단면 미세조직 관찰을 수행하였을 때, 가공영역과 가공되지 않은 영역이 구분되었으며, 실시예 7, 10, 13 및 16에서 가공영역의 두께를 측정하였다.
코팅상부층의 경우 투사체의 입경이 크고, 투사유량이 증가함에 따라 코팅상부층의 두께가 증가하는 것으로 확인되었다. 코팅하부층의 경우 표면가공처리 전과 유사한 기공도를 보였으나, 코팅상부층의 경우 코팅하부층에 비해 particle boundary 및 pore가 효과적으로 제어되었다. 코팅소재에서의 particle boundary 결함 및 pore는 코팅층의 기계적 특성을 저하시키고, 부식 채널(channel)로 작용하는 인자로써 작용하여 개선되야 할 결함 인자인 것을 고려할 때, 표면가공처리를 수행함에 따라 감소하는 기공도는 표면가공처리를 통해 코팅층의 미세조직을 효과적으로 제어할 수 있음을 의미한다. 또한 실시예 14 내지 16의 경우 코팅층 전 영역에 걸쳐 표면 개질 현상이 일어났으며, 코팅층 직하의 영역의 모재 영역까지 개질이 된 것을 관찰할 수 있었다.
실시예 가공영역
두께
(㎛)		 코팅하부층
두께
(㎛)		 전체 코팅층 두께
(㎛)		 비교예 코팅층 두께
(㎛)		 가공영역 형성 여부
실시예 7 59 253 312 비교예 1 312 X
실시예 10 121 184 305 비교예 2 305 X
실시예 13 263 59 322 비교예 3 322 X
실시예 16 346.5 0 315 비교예 4 315 X
실험예 2 - 코팅체의 경도 실험
실시예 7, 10, 13 및 16, 비교예 1 내지 4의 코팅체에 대하여 HVS-10 디지털 저부하 비커스 경도 시험기(HVS-10 digital low load Vickers Hardness Tester Machine)를 이용하여, 코팅체의 표면에 대한 미소경도(Micro-hardness) 시험을 수행하고 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
실험예 3 - 코팅체의 인장 및 고주기 피로특성 실험
실시예 7, 10, 13 및 16, 비교예 1 내지 4의 코팅체에 대하여 인장 및 고주기 피로 특성을 평가하였다. 인장 및 고주기 피로 시험은 instron 8501 장비를 이용하여 상온에서 시험을 수행하였다. 인장 및 고주기 피로 시험을 위해 ASTM E8M, E466 규격에 맞는 모재를 이용하여 gage 영역에 코팅층을 형성하였다. 먼저 인장시험의 경우 ASTM E8M 규격의 봉상 시편을 사용하였으며, 변형율 속도(strain rate)를 10-3/s로 설정을 하여 각 샘플당 3번의 시험 후 평균값을 사용하였다. 고주기 피로 시험은 응력비(stress ratio) R을 0.1로, 피로한도(fatigue limit)를 107 cycles 로 설정하였다.
측정된 피로강도를 하기 표 4에 나타냈다.
실험예 4 - 코팅체의 조도 및 마찰계수 실험
실시예 7, 10, 13 및 16, 비교예 1 내지 4의 코팅체에 대하여 조도측정기(Surface roughness measurement system)를 이용하여 기준 측정거리를 10mm 로 하여 표면조도를 측정하였다. 표면조도는 최대높이 거칠기(Rmax), 평균 거칠기(Ra), 10점 평균 거칠기(Rz)로 측정하여 표 4에 나타냈다.
또한, RB 102PD (pin on disk) 장비를 사용하여 코팅층의 마찰계수를 측정하였다. 이때, 하중 : 5kgf, 거리 : 400m, 속도 : 0.05m/s로 설정하였다.
실험예 5 - 박리강도 실험
실시예 7, 10, 13 및 16, 비교예 1 내지 4의 코팅체에 대하여 접합강도 측정을 위해 접합강도 측정기(sebastian 4, Quad group)를 사용하였으며, 수십 회 반복 실험한 후 평균값을 구하였다. 이때, 접합강도 측정 전 코팅층의 표면에 스터드 핀(stud pin)을 부착한 후 150℃에서 70분간 열처리를 수행하여 코팅층과 스터드 핀을 접합시킨 뒤 실험을 진행하여 결과를 하기 표 4에 나타냈다.
실시예 경도
[Hv]		 피로강도
[MPa]		 최대높이 거칠기
Rz [㎛]		 평균 거칠기
Ra [㎛]		 마찰계수 박리강도
[kg/cm2]
모재
(4340steel)		 390 850 - - 0.35 -
실시예 7 1320 720 13.5 1.3 0.32 339.6
실시예 10 1350 720 9.2 1.1 0.31 339.1
실시예 13 1390 800 6.9 0.7 0.28 338.1
실시예 16 1440 870 3.1 0.32 0.25 341.8
비교예 1 1200 720 28.3 2.7 0.33 338.9
비교예 2 1190 710 27.6 2.6 0.33 339.4
비교예 3 1230 715 28.4 2.8 0.33 340.3
비교예 4 1210 720 24.7 2.5 0.33 340.3
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 모재 2 : 코팅층
10 : 가공영역 11 : 코팅상부층
12 : 코팅하부층 15 : 모재표면층
16 : 모재내부 20 : 투사체
21 : 압흔

Claims (14)

  1. 모재 상에 구비되는 코팅층을 포함하는 코팅체로서,
    상기 코팅층은 비정질 합금을 포함하고,
    적어도 일부 영역에 상기 코팅층의 표면에 투사체가 분사되어 압축잔류응력이 부여된 가공영역이 구비되는 코팅체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가공영역은,
    상기 코팅층의 하부에서 접합되고, 상기 투사체에 의해 압축잔류응력이 부여된 모재표면층을 포함하는 코팅체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅체의 피로강도(fatigue limit)가 720 내지 1,000 MPa인 코팅체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층의 두께는 25 ~ 400㎛인 코팅체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 모재표면층의 두께는 상기 코팅층의 두께의 0.3배 이내인 코팅체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 모재표면층의 결정립의 입경은, 상기 코팅층과 인접하지 않는 상기 모재 내부의 결정립의 입경의 0.1 내지 0.8배인 코팅체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 표면에 구비되는 가공영역인 코팅상부층 및 상기 코팅상부층과 상기 모재의 사이에 구비되는 코팅하부층을 포함하는 코팅체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅층은 마찰계수가 0.325 이내인 코팅체.
  9. 모재 상에 비정질 합금을 포함하는 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 코팅층의 표면에 투사체를 분사하여 상기 코팅층의 적어도 일부 영역 또는 상기 코팅층과 상기 모재의 적어도 일부 영역에 압축잔류응력을 부여하는 코팅층 가공단계;를 포함하는 코팅체 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 투사체는 금속 또는 세라믹 소재인 코팅체 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 코팅층 가공단계는 상기 코팅층을 마이크로 쇼트 피닝(Micro shot peening) 방법으로 가공하는 단계인 코팅체 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 투사체의 입경은 상기 코팅층 두께의 2.3 내지 5.0 배인 코팅체 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 코팅층을 형성하는 단계는 상기 비정질 합금과 동일한 조성의 비정질 합금 분말을 상기 모재 표면에 용사코팅하는 단계인 코팅체 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 투사체의 입경은 상기 비정질 합금 분말 입경의 13.3 내지 50배인 코팅체 제조방법.
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