KR20230093721A - 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용융 도금설비의 싱크롤(Sink Roll), 스테빌라이징롤(Stabilizing Roll) 등의 축수부 구동부품으로 사용되는 슬리브(Sleeve)에 관한 것으로서, 구체적으로는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브와 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 용융 도금설비의 싱크롤(Sink Roll), 스테빌라이징롤(Stabilizing Roll) 등의 축수부 구동부품으로 사용되는 슬리브(Sleeve)에 관한 것으로서, 구체적으로는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브와 그 제조방법에 관한 것이다.
용융도금 예를 들여, 용융 아연 도금, Zn-Al-Mg계 용융 아연합금 도금은 강판과 같은 피도금재를 도금욕에 침지시켜 피도금재에 도금층을 형성하는 기술이다. 상기 도금욕에 피도금재를 연속적으로 침지시켜 도금하기 위한 연속도금 공정의 설비에서는 도금욕 내 싱크롤(Sink Roll), 스테빌라이징롤(Stabilizing Roll) 등이 존재한다. 상기 싱크롤(Sink Roll), 스테빌라이징롤(Stabilizing Roll) 등은 사프트(Shaft)에 축수부 구동부품 연결하여 용융 도금욕내 피도금재를 큰 하중을 받으면서 고속으로 회전하여 피도금재를 이송한다.
회전 구동부품인 축수부는 부시(Bush)와 이 부시를 고정 지지하는 부시 고정틀로 구성되는 슬리브(Sleeve)가 존재하며, 상기 부시와 슬리브는 마찰에 의한 급격한 마모가 발생하고, 도금욕 성분과의 침식이 발생하게 되며 그로 인한 진동의 발행으로 설비 가동 중단 및 빈번한 구동부품 교체가 필요하다. 축수부 중 부시는 강판을 상부에서 강하게 장력을 주기 때문에 상부쪽만 집중적으로 마모가 발생한다. 따라서, 부시 소재로는 내마모성은 물론 도금욕과의 반응성이 적은 세라믹 소재를 주로 사용하지만, 슬리브의 경우 롤의 축(shift)과 열박음을 통해 체결되기 때문에 세라믹 소재를 적용하기 쉽지 않은 실정이며, 슬리브의 내마모성과 내침식성이 요구되고 있다.
위와 같이 슬리브의 내마모성 및 내침식성을 확보하기 위해서, 슬리브 표면에 경화소재를 코팅하는 기술이 제시되었다. 이러한 기술로서, 상기 슬리브 표면에 경화 소재를 열용사(Thermal Spray)하거나, 레이저 클래딩(Laser cladding)을 이용하여 코팅을 행하는 것이 알려져 있다.
상기 열용사법은 소재 표면에 분말 또는 선재 형태의 용사 재료를 화염이나 플라즈마 등 고온의 열원에 의하여 용융액적으로 변화시켜 고속으로 모재(substrate)에 충돌시켜 적층하는 기술이다. 상기 열용사는 고온의 가스 온도에 의해 경화소재의 탈탄 등이 발생할 수 있고, 이로 인해 내마모성 및 내충격성이 저하되는 원인이 될 수 있다. 레이저 클래딩 또한 레이저 열원을 통해 모재는 물론 코팅 소재를 용융시켜 적층하는 기술로서, 상기 열용사법의 단점을 그대로 가지고 있다. 또한, 상기 열용사법이나 레이저 클래딩은 대기 중에서 이루어지느 공정으로 비행 중 입자 산화가 크게 발생하여 코팅층 내 산화물 및 기타 기공을 형성하게 되어, 코팅층이 특성을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명의 일측면은 도금설비 슬리브(sleeve) 표면에 코팅층을 형성하여, 내마모성뿐만 아니라, 내침식성이 우수한 슬리브와 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 아니한다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일태양은 도금설비 슬리브(sleeve) 모재(substrate)를 준비하는 단계;
코발트(Co)계 합금에 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)을 혼합하여, 혼합 분말을 준비하는 단계; 및
상기 혼합 분말을 저온 분사(cold spray) 코팅 공정에 의하여, 상기 도금설비 슬리브 모재 표면에 코팅층을 형성하는 단계;
를 포함하는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 일태양은 도금설비 슬리브(sleeve) 모재; 및
상기 도금설비 슬리브 모재 표면에 형성된 코팅층을 포함하고,
상기 코팅층의 내부는 Co 기지 내에 WC가 분포되어 있는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브에 관한 것이다.
본 발명의 일구현예에 의하면 WC계 서멧 분말이 탈탄 없이 코발트 기지내에 균일하게 분포되어 내마모성 및 내침식성이 향상된 도금설비 슬리브를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 태양을 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예의 비교예 단면을 관찰한 사진이다.
도 2는 실시예의 발명예 단면을 관찰한 사진이다.
도 3은 실시예에서 내마모성 평가방법의 모식도이다.
도 4는 실시예에서 발명예의 내침식성을 평가하기 위한 EPMA 분석 사진이다.
도 2는 실시예의 발명예 단면을 관찰한 사진이다.
도 3은 실시예에서 내마모성 평가방법의 모식도이다.
도 4는 실시예에서 발명예의 내침식성을 평가하기 위한 EPMA 분석 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.
먼저, 본 발명 슬리브 제조방법의 일구현예에 대해 상세히 설명한다. 상기 제조방법은 도금설비 슬리브(sleeve) 모재(substrate)를 준비하고, 코발트(Co)계 합금에 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)을 혼합한 혼합 분말을 준비한 후, 상기 혼합 분말을 저온 분사(cold spray) 코팅을 행하여, 상기 슬리브 모재 표면에 코팅층을 형성한다. 이하 각 과정에 대해 보다 상세히 설명한다.
도금설비 슬리브 모재 준비
상기 도금설비 슬리브 모재는 본 발명에서 특별히 제한하지 않으며, 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이면 충분하다. 예를 들어, 상기 슬리브 모재로는 일반 금속, 강재(steel), 세라믹 등 다양하게 사용될 수 있다.
혼합 분말 준비
상기 코팅층을 형성하기 위해, 코발트(Co)계 합금에 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)을 혼합한 혼합 분말을 준비한다.
상기 코발트(Co)계 합금은 고온 내식성과 내마모성이 우수하다. 한편, 상기 코발트(Co)계 합금은 요구되는 물성, 공정 조건에 따라 달라질 수 있다. 예를 들며 스텔라이드(Stellite) 계열의 코발트(Co)계 합금은 CoCrW 합금 또는 CoCrMo 합금이 사용될 수 있고, 구체적인 예로는 다음과 같다.
·Stellite #6 (CoCrW 합금): Co(bal.)-Cr(27~32wt.%)-W(4.0~6.0wt.%)-Ni(2.0~3.0wt,%)-C(0.9~1.4wt.%)-Fe(1.5~3.0wt.%)Fe -기타(Si, Mn)
·Stellite #21 (CoCrMo 합금): Co(bal.)-Cr(26~29wt.%)-Mo(4.5~6.0wt.%)-Ni(2.0~3.0wt,%)-C(0.20~0.35wt.%)-Fe(1.5~3.0wt.%)-기타(Si, Mn)
상기 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)은 100%의 WC, Co(10~20wt.%)-WC(bal.), Ni(10~20wt.%)-Cr(2~6wt.%)-WC(bal.), Co(10~20wt.%)-Cr(2~6wt.%)-WC(bal.) 등이 사용될 수 있다.
상기 탄화텅스텐(WC)계 서멧은 합금 분말에서 10~50 wt.%의 비율로 혼합되는 것이 효과적이다. 상기 WC계 서멧이 너무 적으면, 내마모성 향상에 충분하지 못하다. 반면, 지나치게 과도하면 저온 분사 코팅의 적층 효율이 현저히 저하되어, 치밀한 코팅층을 형성하기 곤란하다.
상기 혼합 분말의 입도는 5~100㎛인 것이 효과적이다. 상기 분말의 입도가 너무 작은 경우에는 후속하는 저온 분사 코팅시 노즐 출구로 분사된 코팅 물질이 대기와 충돌하며 충격파(Bow shock effect)에 의해 가속이 충분하지 않게 되어, 충돌시 충돌 에너지가 낮아지고 코팅이 형성되지 않을 수 있다. 반면, 분말의 입도가 너무 큰 경우에는 충돌 시 분말 소성변형에 의한 적층 효율이 크게 떨어져 이 또한 코팅이 잘 형성되지 않거나, 과도하게 빠른 분사 조건이 요구되어 공정 효율이 낮아질 수 있으며, 치밀한 조직을 얻지 못해 내마모성이 저하될 수 있다. 상기 입도는 5~50㎛인 것이 보다 효과적이다.
코팅층 형성
상기 혼합 분말을 저온 분사(cold spray) 코팅 공정에 의하여, 상기 슬리브 모재 표면에 코팅층을 형성한다.
상기 저온 분사(cold spray) 코팅 공정은 코팅 물질의 용융 없이, 코팅 물질을 피사체에 고속으로 분사하여 피사체 표면에 코팅층을 형성하는 방법이다. 상기 저온 분사 코팅은 고속으로 비행하는 코팅 물질이 피사체와 충돌하여, 소성변형(plastic deformation)이 발생하고, 그 변형 정도에 따라 치밀한 코팅층을 형성하게 되면, 또한, 피사체와 충돌 순단 충돌부위가 단열상태가 되고 순간적으로 코팅 물질 표면의 나노 사이즈 정도의 국부 영역에서 온도가 급상승, 용융되어 코팅층이 형성되고, 이러한 특징으로 인해 우수한 결합력을 가질 수 있다.
상기 저온 분사 코팅은 고상 상태의 공정이므로, 초기 분말의 특성을 그대로 유지하며 코팅 조직내 산화물 발생이 현저히 절감할 수 있다. 만일, WC계 서멧 분말을 용사(thermal spray)하여 코팅할 경우에는 코팅 물질이 높은 온도의 화염에 노출되어 카바이드의 탈탄/상분해가 발생되며, 이로 인해 코팅 내에 충격에 취약한 W2C, (W, Co)6C 등이 생성되어 코팅재의 내충격성 및 경도를 저하시키게 된다.
따라서, 상기 저온 분사 코팅 공정을 이용하게 되면, 코팅층 두께 조절이 용이하고, 탄화텅스텐(WC)의 탈탄을 방지하기 위하여 분말 용융 없이 상온에서 코팅이 가능하다.
상기 저온 분사 코팅은 기존 열용사 코팅 공정과 달리 고상상태에서 모재와 충돌, 소성변형, 적층이 이루어지기 때문에, 기존 열용사 공정에서 필연적으로 발생하는 코팅층내 산화물을 최소화할 수 있다. 기존의 열용사 코팅에 의하면, 용융 및 급속응고 과정으로 인해 코팅층에 인장응력이 생겨 수 mm의 두꺼운 코팅층 형성이 용이하지 않다. 그러나, 저온 분사 코팅은 코팅 분말을 고속으로 충돌시켜 적층하여 인장응력이 아닌 압축응력이 발생하여 수 mm의 원하는 두께의 코팅층을 형성할 수 있다. 즉, 압축응력이어서, 샷 피닝(shot pinning) 효과로 경도 향상도 기대할 수 있다.
또한, 상기 저온 분사 코팅은 기존 열용사 코팅과 달리, 코팅 분말이 용융되지 않으므로, 코팅층이 코팅 소재의 조성, 합금 등 초기 분말 특성을 그대로 유지할 수 있고, 단지 고속의 충돌로 인해 조직의 미세화가 좀더 나타날 수 있다.
기존의 열용사는 플라즈마(plasma), 고속 화염(HVOF), 아크 스프레이(Arc spray) 방식이 많이 사용되었으며, 분말을 용융하기 위해 100~350mm 정도의 용사거리가 필요하지만, 저온 분사 코팅은 용융 없이 고속으로 가속하여 10~30mm 정도의 용사거리면 충분하다는 점에서 효과적이다.
상기 저온 분사(cold spray) 코팅 공정 시, 공정 가스는 헬륨(He), 질소(N2) 및 이들의 혼합가스를 이용할 수 있다. 상기 공정 가스를 고온으로 팽창시킨 후, 고압으로 가속하여 코팅층을 형성한다. 상기 분사 시 슬리브의 온도는 상온이며, 분말의 온도도 통상 상온이지만, 가열된 공정 가스에 의해 표면 온도가 일부 올라갈 수 있다. 다만 비행하는 입자의 속도가 빠르고, 공정 가스에 노출되는 시간이 매우 짧기 때문에, 분말 표면 온도는 50℃ 이하로 상승한다.
한편, 상기 저온 분사(cold spray) 코팅 공정 시, 상기 혼합 분말을 200~1000℃로 예열하는 것이 효과적이고, 상기 예열 공정은 간접가열 방식으로 행하는 것이 효과적이다.
상기 저온 분사 코팅법에서는 코팅 분말을 예열함으로써 모재에 충돌시 일어나는 코팅 분말 입자의 소성 변형을 극대화함으로써 적층 효율을 높이고, 입자간 결합력을 향상시켜 치밀한 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 예열 공정은 혼합 분말을 직접 가열하는 것이 아니라 간접적으로 가열하는 것이 바람직하며, 구체적인 일예로는 저온 분사 코팅 장비에 추가적으로 분말 예열 장치를 연결하여 코팅 분말을 예열하고 이것을 저온 분사 코팅 장치를 통하여 모재에 분사하는 방식일 수 있고, 보다 구체적으로 분말 예열은 분말 송급 장치와 분사 건 사이에 연결될 수 있다.
상기 예열 온도는 코팅 분말이 용융되지 않는 융점 이하로 하는 것이 필요하며, 이를 위해 1000℃ 이하인 것이 효과적이다. 예열 온도가 1000℃를 초과하면 분말의 표면이 서서히 녹기 시작하고, 분말끼리 뭉쳐 노즐 막힘(clogging) 현상이 발생할 수 있고, 200℃ 미만으로 너무 낮을 경우에는 예열 효과가 없어, 모재의 충돌시 충분한 소성 효과를 부여하기 어려울 수 있다. 상기 분말을 예열 라인의 형상은 간단한 직선형태일 수 있으나, 충분한 예열 시간을 주기 위해서 코일 형상일 수 있으며, 반드시 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 본 발명 도금설비 슬리브의 일구현예에 대해 상세히 설명한다. 상기 슬리브는 도금설비 슬리브(sleeve) 모재 및 상기 도금설비 슬리브 모재 표면에 형성된 코팅층을 포함한다.
상기 코팅층의 내부는 Co 기지 내에 WC가 분포되어 있는 형태를 갖는다.
상기 코팅층을 제조하는 방법은 전술한 방법에 의해 제조될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 하기 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위는 하기 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
(실시예)
- 시편 준비
코발트(Co)계 합금으로, Stellite #6를 준비하여, 일반 강재(steel) 표면에 저온 분사 코팅을 이용하여 코팅층을 형성하였다(비교예).
한편, 상기 Stellite #6에 12wt.%Co-WC 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)을 혼합하여 혼합 분말을 제조하고, 이때, Stellite #6와 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)은 중량비 7:3의 비율로 혼합하였더. 상기 혼합 분말을 상기 비교예와 동일한 강재 표면에 저온 분사 코팅을 이용하여 코팅층을 형성하였다(발명예).
한편, Stellite #6 벌크(bulk)재를 참고예로 사용하였다.
- 코팅층 미세조직 관찰
상기 비교예와 발명예의 코팅층 단면을 관찰하여, 그 결과를 도 1 및 2에 나타내었다. 도 1은 상기 비교예의 단면을 관찰 것으로서, 내부에 산화물은 그리 많이 존재하지 않으며 저온분사 코팅 공정 특성 및 적층기구인 구형의 Co계 입자가 고속으로 모재(substrate)에 충돌하여 입자의 소성변형 (Plastic Deformation)에 의한 적층으로 변형된 입자와 입자 사이의 계면(boundary) 및 그 사이의 기공이 존재하는 전형적인 코팅 조직이 관찰된다. 이에 비해, 도 2는 상기 발명예의 단면을 관찰한 것으로서, 상기 도 1에서 관찰되었던 입자와 입자사이의 계면 및 기공이 확연히 줄고 그 사이에 WC가 존재하는 Co 기지 내에 WC가 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
- 내마모성 평가
상기 비교예, 발명예 및 참고예에 대해, 내마모성 평가를 진행하였다. 상기 내마모성은 Suga 연삭 마모시험 (JIS H8503, ASTM D6037: 하중 3.2kg, Cycle 2400 왕복, 마찰재 (SiC 샌드페이퍼 #320, ~40㎛))을 이용하여 행하였고, 상기 시험법의 모식도를 도 3에 간략히 도시하였다.
상기 시험은 각 시편에 대해 2회씩 행하고, 전체 손실량과 평균값을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 회전수에 따른 손실량(weight loss, mg) | 총 손실량(mg) | ||||||
| 400 회 | 800 회 | 1200 회 | 1600 회 | 2000 회 | 2400 회 | 400회 제외* |
2회 평균 | |
| 비교예 | 24.8 | 27.1 | 27.1 | 27.2 | 29.6 | 29.8 | 140.8 | 139.5 |
| 25.2 | 26.6 | 28.2 | 26.6 | 28.9 | 27.8 | 138.2 | ||
| 발명예 | 15.0 | 12.2 | 7.7 | 4.1 | 4.4 | 4.7 | 33.1 | 31.8 |
| 16.0 | 10.3 | 9.1 | 4.0 | 3.4 | 3.6 | 30.4 | ||
| 참고예 | 20.8 | 19.7 | 18.3 | 19.6 | 18.3 | 19.3 | 95.2 | 94.5 |
| 20.6 | 19.0 | 18.1 | 19.5 | 17.8 | 19.4 | 93.8 | ||
| * Suga 마모 시험시, 표면 연마 상태 상이로 초기 400회 값을 제외함 | ||||||||
상기 표 1의 내마모성 시험결과에서 보는 바와 같이, 본 발명의 발명예는 비교예 및 참고예에 비해 우수한 내마모 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
- 내침식성 평가
상기 발명예 시편을 Zn-5wt.%Mg-12wt.%Al 도금욕에서, 30rpm으로 공자전하면서, 35일간 침지하였다. 이때 상기 도금욕의 온도는 470℃를 유지하였다. 이때의 EPMA(Electron Probe MicroAnalysis)를 이용하여 분석한 결과는 도 4에 나타난 바와 같다. 분석결과, 코팅층 표면에서 Al 및 Zn와의 얇은 반응층은 확인되나 35일 이후에도 코팅층 두께 현저한 감소 및 표면크랙, 박리는 없음을 확인하여, 우수한 내침식성이 있음을 확인할 수 있었다.
Claims (10)
- 도금설비 슬리브(sleeve) 모재(substrate)를 준비하는 단계;
코발트(Co)계 합금에 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)을 혼합하여, 혼합 분말을 준비하는 단계; 및
상기 혼합 분말을 저온 분사(cold spray) 코팅 공정에 의하여, 상기 도금설비 슬리브 모재 표면에 코팅층을 형성하는 단계;
를 포함하는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 코발트(Co)계 합금은 CoCrW 합금 또는 CoCrMo 합금인 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)은 100% WC, Co(10~20wt.%)-WC, Co(10~20wt.%)-Cr(2~6wt.%)-WC(bal.) 및 Ni(10~20wt.%)-Cr(2~6wt.%)-WC 중 어느 하나인 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 혼합 분말은 탄화텅스텐(WC)계 서멧(Cermet)이 10~50wt.% 포함하고 나머지는 코발트(Co)계 합금인 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 혼합 분말의 평균입도는 5~100㎛인 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 저온 분사(cold spray) 코팅 공정 시, 상기 혼합 분말을 200~1000℃로 예열하는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 예열은 간접가열 방식으로 행하는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 저온 분사(cold spray) 코팅 공정 시, 공정 가스는 헬륨(He), 질소(N2) 및 이들의 혼합가스 중 어느 하나인 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브 제조방법.
- 도금설비 슬리브(sleeve) 모재; 및
상기 도금설비 슬리브 모재 표면에 형성된 코팅층을 포함하고,
상기 코팅층의 내부는 Co 기지 내에 WC가 분포되어 있는 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브.
- 청구항 9에 있어서,
상기 코팅층은,
상기 청구항 1 내지 8 중 어느 하나의 방법으로 형성된 것인 내마모성 및 내침식성이 우수한 도금설비 슬리브.
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