KR20230093724A - 내침식성 및 내마모성이 우수한 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법 - Google Patents
내침식성 및 내마모성이 우수한 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 내침식성 및 내마모성이 우수한 알루미늄 첨가 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 내침식성 및 내마모성이 우수한 알루미늄 첨가 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차, 강건재 및 가전에 사용되는 철계 합금 강판은, 대기 또는 일반 적용 환경 내에서 산소를 포함하는 부식 유발 물질과의 물리적 접촉으로 인해 쉽게 부식되는 특성을 가진다. 이 때문에, 통상 내식성 강화 목적으로 Zn계 또는 Al계의 단원계나, 2원계 이상의 복합 성분의 도금을 전기 또는 용융 도금을 통해 실시한다.
전기 도금은 제조 단가가 높아 제품 가격이 높기 때문에, 용융 도금이 범용적으로 사용되고 있다. 용융 도금 성분계 중 아연계 도금은, GI(Galvanizing)과 GI(Galva-annealing) 제품으로 구성되고, 아연은 철보다 쉽게 부식되기 때문에 희생 방식의 형태로 강판에 내식성을 부여할 수 있다. 아연보다 내식성이 강화된 성분으로 알루미늄을 첨가하고, 적게는 1~5wt% 범위로 Mg 등의 타원소와 함께 첨가하기도 하고, 높게는 알루미늄을 90wt% 수준으로 첨가하고 잔부는 Si으로 구성되는 도금을 적용하기도 한다.
용융 도금은 도금욕 성분과 상관 없이, 동일하게 소둔로를 거쳐 소둔 처리된 강판이 도금욕으로 투입되어 도금욕 내 침지롤(sink roll)을 거쳐 통판 방향이 수직 상부 방향으로 전환된다. 이후, 마찬가지로 도금욕을 통판한 후 도금욕 직상에서 에어-나이프(air-knife)에서 부착량을 조정한 후 수직 상부로 전개된 냉각 타워를 거쳐 냉각되면서 도금 공정이 진행된다.
침지롤(sink, stabilization, collector roll)은 철계 합금 주물 또는 봉상 압연/출재의 가공을 통해 제작되고, 도금욕 성분에 따른 가동 온도, 롤의 회전, 즉 강판의 통판을 위해 적용되는 장력에 따라 합금 성분, 미세조직 및 형상이 설계된다. 통상 아연계 도금욕은 DCH23이라고 하는 고크롭 첨가 스테인리스 400계열과 유사한 마르텐사이트계 합금계가 사용되고, 알루미늄 도금계는 STB2라고 하는 고탄소 크롭 첨가 베어링강을 사용한다. 싱크롤(Sink roll)은 침지롤 중 가장 크기가 크기 때문에, 대부분은 속이 비어있는 준공형 주물로 제작되고, 싱크롤 중 barrel은 원심 주조, hub는 사형 주조를 통해 제작된다. 주물은 제조 공정의 특성상 표면 및 표층부에 기공 결함을 내포하게 되고, 주조 이후 표면 연삭을 통해 기공부를 제거하여도 수mm 크기의 기공이 잔존하게 된다.
롤의 제작 후에는 롤의 도금욕 내 도금욕 성분과 반응을 억제함과 동시에, 적정 마찰계수 부여를 통한 강판의 통판성 확보와 롤 내마모성 향상을 위한 용사 코팅을 실시한다. 롤 물질인 Fe는 강판과 동일하고, 도금욕 성분과 쉽게 반응하게 된다. 예를 들어, 아연 도금욕 내에서는 Fe-Zn 이원계 합금상인 제타(zeta), 델타(delta), 감마(gamma) 및 Zn 고용 페라이트(ferrite) 등의 상을 형성할 수 있고, 알루미늄 도금욕 내에서는 Fe2Al5, Fe3Al, Fe-Al-Si 합금상을 형성할 수 있다. 용사 코팅 물질의 종류와 코팅의 두께는 용융 아연 도금을 실시하는 제조사마다 상이할 수 있고, 주로 도금욕의 성분계에 따라 용사 코팅 물질과 공법이 크게 달라진다.
그런데, 도금욕 성분 중, 알루미늄이 주가되거나 알루미늄이 1중량% 이상 첨가되는 경우, 도금욕 내 침지롤의 표면이 알루미늄과 굉장히 빠르게 반응하여 침식되는 특징이 있다. 이러한 침식 반응은 액상의 알루미늄을 취급하는 다른 산업군에서도 쉽게 관찰되는데, 예를 들어 알루미늄 다이 캐스팅 공정에서는 금형으로 사용하는 Fe계 금형강의 경우에도 알루미늄과 쉽게 반응하여 소착이 발생한다. 따라서, 금형 수명이 쉽게 저하되기 때문에, 이러한 반응과 침식을 억제하기 위해 이형재를 주기적으로 코팅하는 작업을 실시하고 있다. 알루미늄 도금욕 내 침지롤은 주기적으로 취외 배출하여 코팅 작업을 할 수 없기 때문에, 롤 제작 단계에서 내반응성, 내침식성 및 내마모성이 우수한 용사 코팅 물질을 적정 구조로 코팅하여 장기간의 사용 도모가 필요하다.
하지만, 지속적인 액상 알루미늄과의 반응 및 강판과의 마찰이 발생하고, 침지롤 양단에서 롤 프레임과 마찰이 발생하는 축수부의 수명이 짧은 문제가 있다. 뿐만 아니라, 축수부 교체를 위한 비주기적 교체 시, 온도 변화에 의한 열충격을 겪기 때문에, 용사 코팅의 내구 성능 확보가 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내침식성 및 내마모성이 우수한 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은,
롤 모재;
상기 롤 모재 상에 구비된 코발트 농도 변화층;
상기 롤 모재와 상기 코발트 농도 변화층 사이에 구비된 코발트 합금 코팅층; 및
상기 코발트 농도 변화층 상에 구비되고, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹을 포함하는 제1 세라믹 코팅층;을 포함하는, 도금욕 침지롤을 제공한다.
혹은, 본 발명의 또 다른 일 측면은,
롤 모재 상에 코발트 합금 분말을 용사 코팅하는 제1 용사 처리 단계;
상기 제1 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 코발트 합금 분말의 함량에 대한 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말의 함량 비율을 변화시키면서 용사 코팅하는 제2 용사 처리 단계; 및
상기 제2 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말을 용사 코팅하는 제3 용사 처리 단계;
를 포함하는, 도금욕 침지롤의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내침식성 및 내마모성이 우수한 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현례에 따른 도금욕 침지롤의 두께 방향 단면 시편을 주사 전자 현미경(SEM)으로 촬영한 사진을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있고, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것이 아니다.
본 발명자들은, 알루미늄 첨가 도금욕에 사용되는 침지롤이 알루미늄 용탕에 의한 부식이 과도하게 발생하는 것을 발견하고, 용사 코팅층의 내침식성, 내마모성 및 내열충격성의 확보를 통해 침지롤의 수명이 향상된다는 것에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 이하에서 본 발명에 따른 도금욕 침지롤에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 도금욕 침지롤은, 롤 모재; 상기 롤 모재 상에 구비된 코발트 농도 변화층; 및 상기 롤 모재와 상기 코발트 농도 변화층 사이에 구비된 코발트 합금 코팅층을 포함한다.
전술한 롤 모재의 재료에 대해서는, 알루미늄계 도금욕에 적용되는 침지롤과 관련된 기술 분야에서 통상적으로 사용되는 것을 동일하게 적용할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 롤 모재의 재료에 대해서는 별도로 한정하지 않는다.
전술한 코발트 농도 변화층은 두께 방향으로 코발트의 농도가 변화하는 층을 말한다. 이 때, 상기 두께 방향은, 롤 모재 상에 적층되는 각 층의 적층 방향과 평행할 수 있다. 한편, 상기 코발트의 농도가 변화하는 형태에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 따라서, 상기 코발트 농도 변화층은 내부의 코발트 농도가 점진적으로 변화하는 형태의 단일층으로 구성될 수도 있고, 혹은 코발트의 농도 범위가 다른 2 이상의 층을 형성하는 상태의 다층으로 구성될 수도 있다.
또한, 전술한 코발트 합금 코팅층은 코발트 합금으로 구성된 층을 말하고, 상기 코발트 합금은 코발트를 주성분으로 한다. 이러한 코발트 합금에 포함되는 크롬은 표면에 크롬계 산화 피막을 형성하여 내식성을 강화하고, 코발트의 면심 입방 구조(Face Centered Cubic; FCC)를 안정화하여 기계적 물성을 개선하는 기능이 있다.
또한, 코발트 합금의 성능 개선 필요성에 따라 다양한 성분을 합금 성분으로 포함할 수 있다. 따라서, 코발트 합금은 주성분인 코발트(Co) 외에도 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 이트륨(Y) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 합금 성분을 포함할 수 있다. 상기 코발트 합금에 포함되는 성분에 대해서는 특별히 한정하지 않고, 또한 코발트 합금의 입도 역시 별도로 한정하지 않는다. 코발트 합금은 세라믹계 물질 대비 융점이 낮기 때문에 다양한 용사 공정이 적용될 수 있고, 고온의 플라즈마 용사뿐만 아니라, 고속 화염 용사와 저온 분사 공정도 적용될 수 있다. 다만, 공정 원가, 분말의 적층 효율 등을 고려하여 공정을 선택할 수 있고, 코발트 합금 분말의 입도는 선택되는 공정의 특성과 구현하고자 하는 코팅의 기공도 등의 미세구조 건전성을 고려하여 선정될 수 있어 특별히 입도 범위를 한정하지는 않는다.
한편, 코발트 합금 코팅층은 롤 모재와 상기 코발트 농도 변화층 사이에 구비된다. 이렇듯, 롤 모재의 직상에 코발트 합금 코팅층을 구비하는 이유는, 롤 모재와 상부에 구비되는 코발트 농도 변화층 및 세라믹 코팅층과의 열팽창 계수의 차이를 완화하기 위함이다. 즉, 열팽창 계수의 차이가 과도하게 큰 경우에는 코팅 직후 또는 사용 중 짧은 기간 내에 코팅의 박리가 발생하여 내구 성능의 확보가 어렵다는 문제가 생긴다. 코발트 합금은 알루미늄 용탕에 대한 내식성 및 내침식성이 낮기 때문에, 코발트 합금의 기능은 열팽창 계수 완화를 통한 접합 강도의 개선에 한정된다. 따라서, 본 발명의 침지롤에 있어서, 내반응성에 대한 기능은 후술하는 산화물계 또는 붕화계의 세라믹(혹은, '금속계 산화물 또는 금속계 붕화물'이라고도 함)이 담당하게 된다. 다만, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹은 공유 결합을 형성하는 세라믹 계열의 소재로 철계 합금 대비 열팽창계수가 작은 특징이 있다. 코발트 합금 코팅층의 직상에 산화물계 또는 붕화계의 세라믹 물질의 코팅을 실시할 수도 있지만, 이러한 경우 열팽창 계수의 차이가 여전히 크기 때문에 열응력 해소가 어려워 내구 성능이 저하될 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서는, 코발트 합금과 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹의 혼합비를 연속적으로 조정하여 두께 방향으로 코발트의 농도가 점진적으로 변화하는 코발트 농도 변화층을 형성한다. 구체적으로, 전술한 코발트 농도 변화층은 2종 분말(코발트 합금 분말과, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말)을 동시에 용사 코팅함으로써 형성된다. 이 때, 각 분말 별로 별도의 분말 공급기를 사용하고, 분말 공급량을 각 분말 공급기 별로 제어하여 2종 분말의 혼합비를 조정할 수 있다.
한편, 상기 용사 코팅이라 함은, 플라즈마 스프레이(plasma spray), 고속 화염 용사(high velocity oxygen fuel spray), 폭발 화염(detonation gun) 등의 모든 용사 공정을 포함할 수 있다. 다만, 산화물 또는 붕화물의 적층 효율 향상과 기공도 저감을 위하여, 플라즈마 스프레이 공정을 적용하는 것이 바람직하다. 그러나, 고속 화염 용사, 폭발 화염 용사 등의 공정도 적용 가능하므로, 분말의 입도는 특별히 한정하지 않는다.
또한, 상기 코발트 합금에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다. 또한, 상기 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹은, 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 칼슘(Ca), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 이트륨(Y), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소가 포함된 산화물 또는 붕화물을 말한다.
본 발명의 일 구현례에 따르면, 전술한 코발트 합금 코팅층에 의한 열팽창 계수 차이의 완화 효과를 보다 개선하는 측면에서, 상기 코발트 합금 코팅층의 두께는 50㎛ 이상이고, 혹은 상기 코발트 합금 코팅층의 기공도는 3% 이하이다. 상기 코발트 합금 코팅층의 두께가 50㎛ 미만이면, 상부 코팅과 모재 간 열팽창 계수 완화를 통한 내열충격성 완화 효과가 충분하지 못하여 내구성능이 악화되는 문제가 생길 수 있다. 한편, 상기 코발트 합금 코팅층의 두께의 상한은 특별히 한정하지 않으나, 일례로서 300㎛ 이하일 수 있다.
또한, 상기 코발트 합금 코팅층의 기공도가 3%를 초과하면 초과하면, 기공부에 사용 중 응력이 집중되어 코팅이 낮은 응력으로도 쉽게 변형 및 파단되어 내구성능이 악화되는 문제가 생길 수 있다. 한편, 상기 코발트 합금 코팅층의 기공도 하한은 특별히 한정하지 않으나, 일례로서 0% 초과일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 코발트 농도 변화층은 두께 방향으로 코발트 함량이 감소할 수 있다. 이 때, 상기 두께 방향은, 롤 모재 상에 적층되는 각 층의 적층 방향과 평행할 수 있다. 또한, 코발트 함량이 감소되는 방향은 코발트 농도 변화층이 코발트 합금 코팅층과 접하는 면을 하부라 하고, 코발트 농도 변화층이 제1 세라믹 코팅층과 접하는 면을 상부라 할 때, 하부에서 상부로 갈수록, 코발트 농도가 감소할 수 있다. 이는, 코발트 농도 변화층의 하부에 존재하는 코발트 합금 코팅층과 접하는 면에서는 코발트의 함량을 증가시키고, 코발트 농도 변화층의 상부에 존재하는 제1 세라믹층과 접하는 면에서는 코발트의 함량을 감소시킴으로써, 열팽창 계수의 차이 완화를 통한 내구 성능 확보의 효과를 보다 향상시키기 위함이다.
따라서, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 코발트 농도 변화층은, 코발트 농도 변화층의 전체 두께 t를 기준으로, 상기 코발트 합금 코팅층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 코발트 평균 함량이, 상기 제1 세라믹층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 코발트 평균 함량보다 클 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 코발트 농도 변화층은, 코발트 농도 변화층의 전체 두께 t를 기준으로, 상기 코발트 합금 코팅층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 산소 또는 붕소의 평균 함량이, 상기 제1 세라믹층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 산소 또는 붕소의 평균 함량보다 작을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 코발트 농도 변화층은 산소 또는 붕소의 함량(W0)에 대한 코발트의 함량(W1)의 비율(W1/WO)이 질량비로, 0.25~4의 범위를 충족할 수 있다. 상기 코발트 농도 변화층에 있어서, 상기 비율(W1/WO)이 0.25 미만이면, 열팽창 계수 완화 효과가 작아서 내구성능이 악화되는 문제가 생길 수 있다. 반면, 상기 비율(W1/WO)이 4를 초과하면 상부 코팅과의 열팽계수 차이가 켜져서 내구성능이 악화되는 문제가 생길 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 코발트 농도 변화층의 두께는 100㎛ 이상(혹은, 100~300㎛)이고, 혹은 상기 코발트 농도 변화층의 기공도는 3% 이하일 수 있다. 상기 코발트 농도 변화층의 두께가 100㎛ 미만이면, 열팽창 계수 완화에 의한 내구성능 향상 효과가 불충분해질 수 있다. 한편, 상기 코발트 농도 변화층의 두께 상한은 별도로 한정하지 않으나, 일례로서 300㎛ 이하일 수 있다.
또한, 상기 코발트 농도 변화층의 기공도가 3%를 초과하면, 기공부 응력 집중으로 충분한 두께를 형성하여도 내구성능 개선 효과가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 도금욕 침지롤은, 상기 코발트 농도 변화층 상에 구비되고, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹을 포함하는 제1 세라믹 코팅층을 포함한다. 즉, 도금욕 침지롤의 롤 모재를 하부로 보고, 롤 모재 상에 적층되는 적층 방향을 따라 상부라 할 때, 코발트 농도 변화층의 상부에는 코발트 농도 변화층에 포함되는 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹과 동일한 종류의 세라믹으로 단독 용사 코팅을 실시함으로써 제1 세라믹 코팅층을 형성한다. 이에 따라, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 세라믹 코팅층은 코발트 농도 변화층이 코발트 합금 코팅층과 접하는 면에 대향하는 면 상에 구비된다. 이러한 전술한 제1 세라믹 코팅층의 주요한 기능은 액상의 알루미늄으로부터 반응성이 없거나 낮은 소재를 침지롤에 적용함으로써, 내반응성 및 내침식성을 확보하는 것이다.
상기 제1 세라믹 코팅층의 형성 시의 용사 코팅 방법에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용 가능하므로, 용사 코팅의 방법을 특별히 한정하는 것은 아니다. 다만, 플라즈마 스프레이와 같이 고열의 열유동층을 형성하는 공정을 적용하는 것이 유리하다. 또한, 상기 제1 세라믹 코팅층 형성 시에 적용된 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말의 입도는 코발트 농도 변화층과 동일하게 적용하는 것이 바람직하나, 특정 범위로 한정하지는 않는다.
한편, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 전술한 제1 세라믹 코팅층은 두께가 50㎛ 이상(혹은, 50~1500㎛)일 수 있다. 상기 제1 세라믹 코팅층은 알루미늄 용탕에 대한 강한 내화학 반응성으로 내침식성 확보에 핵심적 역할을 하므로, 효과의 지속성을 위해 가급적 두껍게 코팅층을 형성한다. 이에, 상기 제1 세라믹 코팅층의 두께는 보다 바람직하게는 100㎛ 이상일 수 있고, 혹은 400~1500㎛의 범위로 가장 두껍게 형성하는 것이 보다 더 바람직하다. 또한, 제1 세라믹 코팅층의 기공도는 3% 이하이고, 확보 가능한 제1 세라믹 코팅층의 접합강도는 30MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 본 발명에 따른 도금욕 침지롤은, 상기 제1 세라믹 코팅층 상에 구비되고, 상기 제1 세라믹 코팅층에 포함되는 세라믹과는 다른 종류의 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹을 포함하는 제2 세라믹 코팅층을 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 세라믹 코팅층 직상에, 상기 제1 세라믹 코팅층에 포함되는 세라믹과는 다른 종류의 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 물질로 코팅을 실시함으로써 제2 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 세라믹 코팅층이 코발트 농도 변화층과 접하는 면에 대향하는 면 상에 제2 세라믹 코팅층이 형성될 수 있다.
이 때, 상기 '제2 세라믹 코팅층에 포함되는 상기 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹'에 대해서는 제1 세라믹 코팅층에 포함되는 세라믹과는 다른 종류인 것을 적용하는 점 외에는, 전술한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 제2 세라믹 코팅층의 기능은 알루미늄 용탕에 대한 반응성을 저감하여 내침식성을 확보함과 동시에, 내마모성을 강화시킴으로써 강판의 통판 시에 발생하는 마찰에 대한 내구 성능을 확보하는 것이다.
한편, 상기 제2 세라믹 코팅층의 형성 시의 용사 코팅 방법에 대하여 전술한 설명을 동일하게 적용 가능하다. 따라서, 제2 세라믹 코팅층의 형성을 위한 용사 코팅의 방법을 특별히 한정하지 않고, 제2 세라믹 코팅층에 적용되는 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말에 대한 입도 역시 특정 범위로 한정하지 않는다. 다만, 제1 세라믹 코팅층과 마찬가지로나, 플라즈마 스프레이와 같이 고열의 열유동층을 형성하는 공정을 적용하는 것이 유리하다.
본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 제2 세라믹 코팅층은 두께가 50㎛ 이상(혹은, 50~300㎛)이고, 혹은 상기 제2 세라믹 코팅층의 기공도는 3% 이하일 수 있다. 상기 제2 세라믹 코팅층의 두께가 50㎛ 미만이면, 제2 세라믹 코팅층의 두께가 불충분하여 사용 중 침식에 의해 세라믹 코팅층이 조기에 소멸될 수 있고, 이로 인해 내구성능이 악화될 수 있다. 반면, 상기 제2 세라믹 코팅층의 두께의 상한은 별도로 한정하지 않는다. 다만, 상기 제2 세라믹 코팅층의 두께가 너무 두꺼우면, 세라믹 코팅층의 열팽창계수가 낮기 때문에 내열충격성이 열위하여 내구성능이 저하될 여지가 있으므로, 일례로서 상기 제2 세라믹 코팅층의 두께 상한은 300㎛일 수 있다.
또한, 상기 제2 세라믹 코팅층의 기공도가 3%를 초과하면, 기공부 응력 집중으로 충분한 두께를 형성하여도 내구성능 개선 효과가 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 제2 세라믹 코팅층의 기공도 하한은 특별히 한정하지 않으나, 일례로서 0% 초과일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 도금욕 침지롤의 제조 방법에 대하여 설명한다. 다만, 본 발명의 도금욕 침지롤이 반드시 이하의 제조 방법에 의해서만 제조되어야 할 필요는 없고, 하기의 구현례는 본 발명의 도금욕 침지롤을 제조하는 한가지 예라는 점에 유의할 필요가 있다.
본 발명에 따른 도금욕 침지롤의 제조 방법은, 롤 모재 상에 코발트 합금 분말을 용사 코팅하는 제1 용사 처리 단계를 포함한다. 이 때, 상기 롤 모재, 코발트 합금 및 용사 코팅 방법에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다. 상기 제1 용사 처리 단계를 통해, 롤 모재 직상에, 전술한 코발트 합금 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 제1 용사 처리 단계에 있어서, 상기 롤 모재 상에 용사 코팅 시에 사용되는 코발트 합금 분말의 입도는 평균 30~200㎛인 것을 사용할 수 있다. 코발트 합금이 충분히 스프레이 열유동장 내에서 용융 및 가속될 수 있는 공정과, 공정 변수를 적용함으로써, 50㎛ 이상(혹은, 50~300㎛)의 두께 및 기공율 3% 이하를 충족하는 코발트 합금 코팅층이 형성되도록, 롤 모재 상에 균일하게 코팅을 실시할 수 있다. 이 때, 코팅의 접합 강도는 풀아웃(pull-out) 테스트 기준 30MPa 이상이 되도록 실시한다. 다만, 고속 화염 용사 또는 플라즈마 용사를 적용할 경우, 비행 분말의 과도한 산화가 발생하지 않도록, 공정 조건을 조정하여 열유동장 내 체류 시간을 조정할 필요가 있다.
한편, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 전술한 제1 용사 처리 단계의 사전에, 롤 모재의 표면에 묻어 있는 방청유와 이물을 제거하는 탈지 및 청정 작업을 실시할 수 있다. 구체적으로, 케로신으로 롤 모재를 닦아내고 다시 알코올 용액으로 표면을 닦아낸 후 건조시키고, 이어서 에어 블로잉(air blowing)을 실시하여 잔여 이물을 완전히 제거한다.
또한, 전술한 롤 모재에 대한 표면 청정화가 완료되면 완전히 건조한 후에, 건조된 롤 모재의 표면에 숏 블라스팅(shot blasting) 처리를 실시할 수 있다. 숏 블라스팅은 알루미늄 산화물 또는 실리콘 산화물 입자를 고속으로 롤 모재 표면에 분사할 수 있다. 구체적으로, 롤 모재를 회전체에 고정하여 일정 속도로 회전하게 하고, 숏 블라스팅 건을 일정 속도로 롤 모재의 길이 방향으로 이동하여 표면 조도가 롤 전체에 일정하게 형성되도록 한다.
이를 통해, 표면에 조도를 부여하여, 롤 모재와 용사 코팅 사이의 접촉 면적을 넓힘과 동시에, 기계적 체결력(mechanical interlocking)을 향상시키기 위한 목적으로 실시될 수 있다. 이러한 숏 블라스팅 직후 롤 모재의 표면 조도는 Ra 기준 10㎛ 이상이 되도록 실시할 수 있다. 숏 블라스팅 이후 롤 모재 표면에 부착되어 있는 숏 블라스팅 입자와 다른 이물들을 제거하는 작업을 실시할 수 있다.
이어서, 상기 제1 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 코발트 합금 분말의 함량에 대한 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말의 함량 비율을 변화시키면서 용사 코팅하는 제2 용사 처리 단계를 포함한다. 전술한 제1 용사 처리 단계 이후, 별도의 연마 등의 후처리 없이 제2 용사 처리를 실시할 수 있다. 상기 제2 용사 처리 단계를 통해, 전술한 코발트 합금 코팅층 상에, 코발트 농도 변화층을 형성할 수 있다.
따라서, 코발트 농도 변화층과 관련하여 전술한 바와 같이, 제2 용사 처리 단계에서는, 2종 분말인 코발트 합금 분말과, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말을 동시에 용사 코팅하되, 각 분말 별로 별도의 분말 공급기를 사용하고, 분말 공급량을 각 분말 공급기 별로 제어하여 2종 분말의 혼합비를 조정할 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 제2 용사 처리 단계는, 표면에 제1 용사 처리된 롤 모재로 공급되는 각 분말 공급기의 분말 공급량을 조정하여 각 코팅되는 각 분말의 분율을 제어할 수 있고, 특히 코발트 합금 분말의 공급량을 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 상기 제2 용사 처리 단계에 있어서, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말의 함량 대비 코발트 합금 분말의 함량이 감소하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현례에 따르면, 상기 제2 용사 처리 단계는, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말의 함량(wo)에 대한 코발트 합금 분말의 함량(w1)의 비율(w1/wo)이 질량비로, 0.25~4 범위를 충족하도록 변화될 수 있다. 즉, 2개의 분말 공급기를 각 분말 종류 별로 사용하고, 분말 공급기의 분말 공급량을 조절하여 용사 공정 내에서 공급함으로써, 2종 분말의 혼합 비율(w1/wo)을 질량비로 0.25~4 범위로 변화되는 다중 코발트 농도 변화를 형성한다. 이렇듯, 코발트 농도 변화층을 형성함으로써, 내열 충격성 강화를 통한 내구 성능 확보에 유리하다.
한편, 상기 제2 용사 처리 단계에 있어서, 용사 코팅 방법에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용 가능하다. 다만, 상기 제2 용사 처리 시에는, 플라즈마 용사와 같이 고온의 열유동장을 형성하여 유동장 내 공급되는 고융점 세라믹계 물질이 충분히 용융될 수 있도록 제어하는 것이 유리하다. 한편, 상기 제2 용사 처리 단계에서 사용되는 코발트 합금 분말은 롤 모재 직상에 구비되는 코발트 합금 코팅층의 형성을 위해 사용된 코발트 합금 분말과 동일한 종류의 것을 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 산화물계 또는 붕화물계 세라믹 분말의 입도에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니나, 평균 20~200㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 분말의 입도가 과도하게 큰 경우, 용사 열유동장 내에서 분말이 충분히 용융되지 않아 적층 효율이 저하되거나, 기공도가 상승하여 치밀한 코팅을 형성하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 분말의 입도가 과도하게 작은 경우, 입자가 열유동장 내 가스 끄는 힘(drag-force)을 충분히 받지 못해 입자의 비행 직진성이 확보되지 못하여 와류(turbulence)에 이송되어 적층이 되지 않거나, 충분한 충돌 속도(impact velocity)를 확보하지 못하여 코팅의 미세 구조가 치밀하지 못한 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 제2 용사 처리로 형성된 코발트 농도 변화층은 두께가 100㎛ 이상(혹은, 100~300㎛) 및/또는 기공도가 3% 이하이며, 접합 강도가 30MPa 이상일 수 있다.
또한, 상기 제2 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말을 용사 코팅하는 제3 용사 처리 단계를 포함한다. 상기 제3 용사 처리 단계를 통해, 전술한 코발트 농도 변화층 상에 제1 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다. 따라서, 제1 세라믹 코팅층과 관련하여 전술한 바와 같이, 상기 제3 용사 처리 시에는, '산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말'로서 상기 제2 용사 처리 시 사용된 것과 동일한 종류의 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말을 사용한다. 상기 제3 용사 처리 단계에 있어서, 용사 코팅 방법에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용 가능하다. 다만, 상기 제3 용사 처리 시에는, 플라즈마 용사와 같이 고온의 열유동장을 형성하여 유동장 내 공급되는 고융점 세라믹계 물질이 충분히 용융될 수 있도록 제어하는 것이 유리하다.
또한, 상기 제3 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 상기 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말과는 다른 종류의 산화물계 또는 붕화물계 세라믹 분말을 용사 코팅하는 제4 용사 처리 단계를 포함한다. 상기 제4 용사 처리 단계를 통해, 전술한 제1 세라믹 코팅층 상에 제2 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다. 따라서, 제2 세라믹 코팅층과 관련하여 전술한 바와 같이, 제4 용사 처리 시에는, 제3 용사 처리 시에 사용된 것과는 다른 종류의 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말을 사용할 수 있다. 이에 따라, 제 4 용사 처리 단계에 있어서, 전술한 조건을 충족하는 것 외에는, 상기 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말 및 용사 코팅 방법에 대해서는 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다. 다만, 제4 용사 처리 시에는, 플라즈마 용사와 같이 고온의 열유동장을 형성하여 유동장 내 공급되는 고융점 세라믹계 물질이 충분히 용융될 수 있도록 제어하는 것이 유리하다. 한편, 상기 제4 용사 처리로 형성된 제2 세라믹 코팅층은 두께가 50㎛ 이상(혹은, 50~300㎛) 및/또는 기공도 3% 이하이고, 접합 강도가 30MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 따르면, 전술한 용사 코팅의 작업이 완료된 후, 침지롤의 표면 조도는 Ra 기준 10~20㎛ 범위를 갖도록 제어하고, 용사 코팅 직후의 표면 조도가 상기 범위 내에 포함되지 않으면, 표면 연마 작업을 통해 표면 조도의 조정이 필요하다. 표면 조도는 침지롤이 사용되는 환경 및 가동 장력에 따라 상이하게 적용될 수 있다.
본 발명의 일 구현례에 따르면, 전술한 표면 조도 확보 후에는, 실링 처리가 필요하다. 용사 코팅은 필연적으로 분말과 분말 사이의 접합 상태가 벌크 상태의 결정립계 간 결합과 비교하여 강건하지 못하고, 입자 간 결합 계면의 일부분만 실제 결합을 형성하여 입자 간 결합 계면에 틈이 존재한다. 특히 용사 직후 응고 및 냉각 과정에서 미세하게 벌어지는 특징이 있고, 또한 상기 과정에서 일정 이상의 기공을 포함하게 된다. 이러한 틈이 있는 상태에서 코팅이 알루미늄 용탕에 장입되는 경우, 모세관 현상으로 액상 알루미늄이 침투하여 반응을 발생시키고, 이로 인해 코팅의 수명을 단축시키는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 이를 방지하고자 실링 처리를 실시한다. 실링제는 여러가지 물질이 사용될 수 있고, 붕화물, 질화물, 산화물이 사용될 수 있다. 이러한 물질을 용액 내 분산시켜서 코팅층 표면에 분사하거나 도포하여 코팅층 내 충분히 스며들도록 한 후 일정 온도 이상으로 가열하여 건조되도록 한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허 청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
하기 표 1에 기재된 물질과 구조를 충족하도록, 롤 모재 상에 용사 코팅을 실시하였다. 모든 용사 코팅의 표면 조도와 실링은 동일하게 실시하여 최종적으로 용사 코팅 롤을 제조하였다. 실링처리 완료 후 침지롤의 두께방향으로의 단면을 분석하여 코팅의 기공도를 면적비율로 평가 실시하였다.
| (모재 직상) 코발트 합금 코팅층 |
코발트 농도 변화층 | |||||||||
| No. | 구분 | 물질 | 두께 (㎛) |
기공도 (area%) |
물질1 | 물질2 | 물질 1:물질 2 의 질량비 | W1/WO* | 두께 (㎛) |
기공도 (area%) |
| 1 | 발명예 1 | CoCrNiAlY | 86 | 1.2 | CoCrNiAlY | Mg-Al-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 120 | 1.4 |
| 2 | 발명예 2 | CoCrNiAlY | 124 | 1.27 | CoCrNiAlY | Y2O3-ZrO2 | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 157 | 1.47 |
| 3 | 발명예 3 | CoCr | 105 | 2.04 | CoCr | Mg-Ca-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 112 | 0.45 |
| 4 | 비교예 1 | STS316 | 127 | 1.4 | STS316 | Mg-Ca-O | 8:3~2:8 | 4~0.25 | 157 | 1.14 |
| 5 | 비교예 2 | CoCrNiAlY | 67 | 0.7 | CoCrNiAlY | Mg-Al-O | 8:3~2:8 | 4~0.25 | 154 | 1.24 |
| 6 | 발명예 4 | CoCrNiAlY | 113 | 1.5 | CoCrNiAlY | Al-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 145 | 2.14 |
| 7 | 비교예 3 | STS410 | 137 | 1.45 | STS410 | Al-O | 4:6~3:7 | 0.67~0.43 | 167 | 0.87 |
| 8 | 발명예 5 | CoCrNiAlY | 86 | 1.2 | CoCrNiAlY | Mg-Al-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 115 | 1.6 |
| 9 | 발명예 6 | CoCrNiAlY | 113 | 1.5 | CoCrNiAlY | Al-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 145 | 2.14 |
| 10 | 비교예 4 | CoCr | 117 | 1.47 | CoCr | WC-Co | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 137 | 1.56 |
| 11 | 발명예 7 | CoCr | 134 | 1.54 | CoCr | Mo-B | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 117 | 2.45 |
| 12 | 비교예 5 | CoCr | 124 | 2.14 | CoCr | Cr-C | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 146 | 0.74 |
| 13 | 발명예 8 | CoCr | 147 | 0.87 | CoCr | Y2O3-ZrO2 | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 134 | 1.57 |
| 14 | 비교예 6 | CoCrNiAlY | 86 | 0.24 | - | - | - | - | - | |
| 15 | 발명예 9 | CoCr | 105 | 2.04 | CoCr | Mg-Ca-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 112 | 0.45 |
| 16 | 발명예 10 | CoCrNiAlY | 107 | 1.7 | CoCrNiAlY | Mg-Al-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 135 | 1.04 |
| 17 | 발명예 11 | CoCrNiAlY | 37 | 0.3 | CoCrNiAlY | Mg-Al-O | 8:2~2:8 | 4~0.25 | 175 | 0.75 |
| 18 | 비교예 7 | CoCrNiAlY | 115 | 1.1 | CoCrNiAlY | Mg-Al-O | 5:5 | 0.5 | 30 | 1.4 |
| 19 | 비교예 8 | CoCrNiAlY | 121 | 1.4 | CoCrNiAlY | Mg-Al-O | 1:9 | 0.11 | 135 | 2.14 |
W1/WO*: 코발트 농도 변화층 중, 산소 또는 붕소의 함량(W0)에 대한 코발트의 함량(W1)의 비율
| 구분 | 제1 세라믹 코팅층 | 제2 세라믹 코팅층 | ||||
| 물질 | 두께 (㎛) |
기공도 (area%) |
물질 | 두께 (㎛) |
기공도 (area%) |
|
| 발명예 1 | Mg-Al-O | 428 | 1.2 | Mo-Cr-B | 80 | 0.4 |
| 발명예 2 | Y2O3-ZrO2 | 424 | 1.45 | Mo-Cr-B | 142 | 1.5 |
| 발명예 3 | Mg-Ca-O | 795 | 1.56 | - | - | - |
| 비교예 1 | Mg-Ca-O | 375 | 1.58 | - | - | - |
| 비교예 2 | - | - | - | - | - | - |
| 발명예 4 | Al-O | 524 | 1.56 | Mo-Cr-B | 115 | 1.14 |
| 비교예 3 | Al-O | 541 | 0.97 | - | - | - |
| 발명예 5 | Mg-Al-O | 477 | 0.25 | - | - | - |
| 발명예 6 | Al-O | 524 | 1.2 | - | - | - |
| 비교예 4 | WC-Co | 795 | 1.56 | - | - | - |
| 발명예 7 | Mo-B | 624 | 1.98 | - | - | - |
| 비교예 5 | Cr-C | 458 | 1.56 | - | - | - |
| 발명예 8 | Y2O3-ZrO2 | 427 | 1.14 | - | - | - |
| 비교예 6 | - | - | - | - | - | - |
| 발명예 9 | Mg-Ca-O | 795 | 5.7 | - | - | - |
| 발명예 10 | Mg-Al-O | 46 | 0.42 | - | - | - |
| 발명예 11 | Mg-Al-O | 524 | 2.4 | Mo-Cr-B | 112 | 1.5 |
| 비교예 7 | Mg-Al-O | 375 | 1.38 | Mo-Cr-B | 97 | 0.48 |
| 비교예 8 | Mg-Al-O | 417 | 1.56 | Mo-Cr-B | 138 | 1.7 |
| 구분 | 접합 강도 (MPa) |
침지 평가 | ||
| 침지 반응성 (반응발생 일자) |
침지열충격성 (박리발생 시험차수) |
침지 내마모성 (코팅층 두께 감소비율%) |
||
| 발명예 1 | 64 | 50일간 무반응 | 30차 | 3% |
| 발명예 2 | 57 | 50일간 무반응 | 29차 | 3% |
| 발명예 3 | 57 | 50일간 무반응 | 25차 | 5% |
| 비교예 1 | 78 | 50일간 무반응 | 6차 | 6% |
| 비교예 2 | 67 | 1일 | 1일 | 평가불가 |
| 발명예 4 | 64 | 50일간 무반응 | 27차 | 3% |
| 비교예 3 | 85 | 50일간 무반응 | 5차 | 5% |
| 발명예 5 | 77 | 50일간 무반응 | 27차 | 6% |
| 발명예 6 | 49 | 50일간 무반응 | 30차 | 7% |
| 비교예 4 | 57 | 4일 | 22 차 | 평가불가 |
| 발명예 7 | 67 | 50일간 무반응 | 30차 | 4% |
| 비교예 5 | 57 | 3일 | 17차 | 평가불가 |
| 발명예 8 | 67 | 50일간 무반응 | 24차 | 5% |
| 비교예 6 | 78 | 1일 | 1일 | 평가불가 |
| 발명예 9 | 24 | 14일 | 9차 | 15% |
| 발명예 10 | 71 | 15일 | 30차 | 5% |
| 발명예 11 | 67 | 50일간 무반응 | 8차 | 4% |
| 비교예 7 | 66 | 50일간 무반응 | 7차 | 7% |
| 비교예 8 | 59 | 50일간 무반응 | 7차 | 3% |
상기 표 1~3의 실험 결과를 통해 볼 수 있듯이, 전술한 과정으로 제조된 용사 코팅을 길이 2,000m, 직경 800mm의 STB2 재질의 롤 모재에 형성하였고, Al 91wt%, Si 9wt% 기타 잔부 불순물로 구성된 도금욕에 침지하였다. 도금욕의 온도는 667℃로 도금욕 주변 특정 위치에 인덕션 히터를 가열하여 일정한 온도를 유지하였다.
코팅의 접합강도는 스터드 풀아웃 (stud pull out) 테스트로 실시하였다. 용사 코팅 표면을 미세 연마한 후 접합강도 100MPa까지 측정이 가능한 에폭시 수지가 부착된 스터드를 코팅 표면에 기계적으로 밀착시킨 후 150℃, 1시간 가열하여 부착시킨 후 냉각하여 스터드를 당경서 박리가 발생하는 응력을 평가하였다. 본 평가에서는 코팅의 접합강도가 40MPa 이상인 경우 양호한 것으로 판단하였다.
침지 반응성은 롤을 도금욕 내 침지하여 강판을 통판시키거나 회전하지 않고, 1일 1회 외부로 배출하여 용사 코팅층과 액상 알루미늄이 반응하는 지를 관찰하였다.총 50일 간 테스트를 실시하였으며, 20일 이상 반응이 없는 경우 내화학반응성 및 내침식성이 양호한 것으로 판단하였다.
침지 열충격성은 롤을 예열 없이 도금욕 내 1시간 동안 침지한 후 배출하고, 배출 즉시 수냉을 실시하여 표면에 직경 10mm 이상의 용사 코팅층의 박리가 발생하는지를 관찰하였다. 직경 10mm 이상의 크기로 박리가 일어나지 않는 경우 총 30회까지 테스트를 실시하였고, 10회까지 직경 10mm 이상의 크기로 박리가 발생하지 않는 경우 양호한 것으로 판단하였다.
침지 내마모성은 롤을 투입 후 590MPa급 폭 980mm, 두께 1.4mmt의 강판을 80mpm의 속도로 일정한 장력을 가해 10일 동안 통판시킨 후 용사 코팅층의 두께를 측정하여 원코팅의 두께 대비 감소율을 측정하였다.감소비율이 10% 이하인 경우 양호한 것으로 판단하였다.
비교예 1 및 3은 모재 직상 코팅의 물질이 본 발명이 제시하는 물질과 상이하게 제조되었다. 각각 STS 410, 316계열이 적용되었고, 모재와 상부 세라믹 코팅층 간의 열팽창 계수 완화 효과가 발생하지 않아 침지 열충격성이 기준을 만족시키지 못하고 열위한 특성을 나타내었다.
비교예 2 및 6은 세라믹 코팅층이 부재하거나, 코발트 농도 변화층과 세라믹 코팅층 모두 부재하여 침지 반응성 확보가 불가하였고, 침지 내마모성 평가가 불가할 정도로 내화학 반응성이 열위하였다.
비교예 4 및 5는 세라믹 코팅층이 본 발명이 제시하는 물질과 상이하게 제조되었다. 해당 물질은 알루미늄 용탕과 반응이 빠르게 발생하여 내침식성이 열위하였고, 침지 내마모성 평가가 불가한 수준으로 내침식성이 열위하였다.
비교예 7은 코발트 농도 변화층의 두께가 얇을 뿐만 아니라, 코발트 농도 변화층의 비율이 변화하지 않는 경우로서, 침지 열충격 시험시 열충격 해소가 원활하지 않아 침지열충격성이 기준보다 낮은 특징을 나타내었다.
비교예 8은 코발트 농도 변화층 내 코발트 합금과 세라믹 간의 혼합비가 본 발명이 제시하는 비율을 벗어나서, 열충격 완화력이 열위하여 침지 열충격성이 기준보다 낮은 열위한 특성을 나타내었다.
반면, 본 발명에서 제시하는 용사 코팅의 물질 및 코발트 농도 변화층의 혼합 비율을 충족하는 발명예 1~11은 침지 반응성, 침지열 충격성, 침지 마모성 중 하나 이상의 특성이 비교예 1~8에 비하여 우수하였다.
특히, 발명예 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 및 8은 용사 코팅의 물질, 두께, 기공도 및 코발트 농도 변화층의 경우 혼합 비율을 본 발명에서 제시하는 범위를 만족하였고, 이에 따라 제조 방법 또한 본 발명의 범위를 만족하여 침지 반응성, 침지열 충격성, 침지 마모성이 모두 양호하여 우수한 내구성능을 나타냈다.
다만, 발명예 9은 제1 세라믹 코팅층의 기공도가 본 발명이 제시하는 범위를 초과하는 예이다. 따라서, 기공부로 액상 알루미늄이 빠르게 침투하면서 침지 반응성이 열위하였고, 침지 열충격 시, 기공부로 열응력이 집중되어 균열로 전파되는 박리가 기준 미만의 시험 차수에서 발생하였다. 또한, 기공이 코팅의 기계적 물성을 열화시켜 접합강도 및 침지 내마모성능이 기준보다 다소 낮은 특성을 보였다.
발명예 10은 최표층인 제1 세라믹 코팅층의 두께가 본 발명이 제시하는 범위보다 얇게 제조되었다. 세라믹 코팅층은 액상 알루미늄과 반응이 발생하지 않는 내화학 반응성의 기능을 가지는 코팅층으로써, 코팅층이 얇아 침지 반응성이 기준보다 다소 낮은 특성을 나타내었다.
발명예 11은 각각 모재 직상 코발트 합금 코팅층의 두께가 본 발명이 제시하는 범위보다 얇게 제조되어, 침지 열충격 시험시 열충격 해소가 원활하지 않아 침지열충격성이 기준보다 다소 낮은 특징을 나타내었다.
Claims (15)
- 롤 모재;
상기 롤 모재 상에 구비된 코발트 농도 변화층;
상기 롤 모재와 상기 코발트 농도 변화층 사이에 구비된 코발트 합금 코팅층; 및
상기 코발트 농도 변화층 상에 구비되고, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹을 포함하는 제1 세라믹 코팅층;을 포함하는, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 세라믹 코팅층 상에 구비되고, 상기 제1 세라믹 코팅층에 포함되는 세라믹과는 다른 종류의 산화물계 또는 붕화물계 세라믹을 포함하는 제2 세라믹 코팅층;을 더 포함하는, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코발트 농도 변화층은 두께 방향으로 코발트 함량이 감소하는, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코발트 농도 변화층은 산소 또는 붕소의 함량(W0)에 대한 코발트의 함량(W1)의 비율(W1/WO)이 질량비로, 0.25~4의 범위를 충족하는, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코발트 농도 변화층은, 전체 두께 t를 기준으로, 상기 코발트 합금 코팅층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 코발트 함량이, 상기 제1 세라믹층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 코발트 함량보다 큰, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코발트 농도 변화층은, 전체 두께 t를 기준으로, 상기 코발트 합금 코팅층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 산소 또는 붕소의 함량이, 상기 제1 세라믹층과 접하는 계면으로부터 1/2t 이내에서 측정된 산소 또는 붕소의 함량보다 작은, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코발트 농도 변화층은 두께가 100㎛ 이상이고, 기공도가 3% 이하인, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 세라믹 코팅층은 두께가 50㎛ 이상인, 도금욕 침지롤.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제2 세라믹 코팅층은 두께가 50㎛ 이상인, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 코발트 합금 코팅층은 두께가 50㎛ 이상이고, 기공도가 3% 이하인, 도금욕 침지롤.
- 제 1 항에 있어서,
상기 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹은 지르코늄, 실리콘, 칼슘, 몰리브덴, 마그네슘, 이트륨, 크롬 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소가 포함된 산화물 또는 붕화물인, 도금욕 침지롤.
- 롤 모재 상에 코발트 합금 분말을 용사 코팅하는 제1 용사 처리 단계;
상기 제1 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 코발트 합금 분말의 함량에 대한 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말의 함량 비율을 변화시키면서 용사 코팅하는 제2 용사 처리 단계; 및
상기 제2 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말을 용사 코팅하는 제3 용사 처리 단계;
를 포함하는, 도금욕 침지롤의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제3 용사 처리된 롤 모재의 표면에, 상기 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말과는 다른 종류의 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말을 용사 코팅하는 제4 용사 처리 단계;를 더 포함하는, 도금욕 침지롤의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제2 용사 처리 단계는, 산화물계 또는 붕화물계의 세라믹 분말의 함량(wo)에 대한 코발트 합금 분말의 함량(w1)의 비율(w1/wo)이 질량비로, 0.25~4 범위를 충족하도록 변화하는, 도금욕 침지롤의 제조 방법.
- 제 12 항에 있어서,
상기 제2 용사 처리 단계는, 표면에 제1 용사 처리된 롤 모재로 공급되는 각 분말 공급기의 분말 공급량을 조정하여 각 코팅되는 각 분말의 분율을 제어하되, 코발트 합금 분말의 공급량을 감소시키는, 도금욕 침지롤의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210182582A KR20230093724A (ko) | 2021-12-20 | 2021-12-20 | 내침식성 및 내마모성이 우수한 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210182582A KR20230093724A (ko) | 2021-12-20 | 2021-12-20 | 내침식성 및 내마모성이 우수한 도금욕 침지롤 및 이의 제조 방법 |
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ID=86947028
Family Applications (1)
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| KR (1) | KR20230093724A (ko) |
-
2021
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