KR950002049B1 - 내마모성 질화티타늄 피복층과 이것의 적용방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내모마성 질화티타늄 피복층과 이것의 적용방법

제1도는 본 발명의 용품을 제조하고 그 제조방법을 실시하는데 사용되는 전형적인 전기 아아크 분사시스템의 모식도이다.

제2도는 예비 질화처리전 티타늄 선재의 현미경 구조이다.

제3도는 예비 질화처리후 티타늄 선재의 현미경 구조이다.

본 발명은 사용중 기계적 마모 및 부식을 받기 쉬운 분쇄기의 스크린과 같은 공업적 용품 및 그 부품의 수명을 연장시키는 방법에 관한 것이다.

세계의 모든 공업 분야에 걸쳐, 정상적인 수명중 마찰, 침식 또는 부식으로 유발되는 마모를 받기 쉬운 많은 기계적 장치들이 있다. 이러한 본질적으로 침식을 받는 사용환경에서의 과도한 마모때문에 너무 빠르게 손상되는 부품들을 대치하기 위해 산업계에서는 수십억달러를 소비한다. 그러므로 많은 부품들을 더욱 견고한 내모마성 물질로 제조하여 보다 장기간 유지할 수 있으나, 이때의 비용이 종종 문제가 되며 과다한 비용때문에 성공적인 작동과 비성공적인 작동사이의 차이를 초래할 수 있다.

공업용 부품을 표면 경화하거나 또는 그 표면에 내식성 및 내모마성 물질을 침착시키는데 사용할 수 있는 많은 방법들이 있다. 가장 오래동안 공지된 방법은 철을 기본으로 한 재료를 질화 및 침탄 처리하는 확산 처리법(diffusion treatments)이다. 이 방법을 사용함에 있어서는 상기 부품들을 고온에서 처리해야 한다는 단점이 있다. 에너지 및 작업 시간과 관련된 비용이 높은 것외에도 고온에서 처리하는 상기 부품들은 치수 변화 및 기계적 성질이 손실되어 사용하기에 부적합한 부분이 되며, 추가의 열처리 단계 및 표면처리후 연속적으로 실시해야 하는 세정 단계를 필요로 할 수도 있다. 경질의 크로뮴(hard chromium) 또는 니켈 피복층을 형성하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 전기도금법은 피복될 상기 부분을 고도로 세정하는 단계를 포함하고, 아울러 환경적으로 안전한 방식으로 처리할 때 고가의 비용이 드는 독성 용액을 포함한다.

화학적, 물리적인 증착 방법에 의한 피복층은 높은 투자자본, 즉 높은 가공 비용을 필요로 하고, 박층 피복 및 작은 부품의 피복으로 제한된다. 비제한적인 두께의 피복층을 비제한적 치수의 피복 대상 부품에 사용할 수 있는 열분사 침착법들중 용사(溶射)법은 종종 산화물을 포함하는 다공성 피복층을 초래한다. 특히 진공이나 대기압 챔버중에서 플라즈마 분사를 실시할 때는 치밀한 동질성 피복층을 수득할 수 있으나 비용이 많이 들므로 사용하기에는 제한적이다.

고속 디토네이션 건(detonation gun)은 기재(substrate)상에 치밀한 세라믹 피복층을 침착시킬 수 있으나 그 장비, 분말 원료 및 공정의 비용이 매우 비싸다.

불활성 기체를 사용하는 전기 아아크(arc) 분사는 다양한 기재에 양호하게 결합되는 치밀한, 동질성 피복층을 생성할 수 있다. 높은 엔탈피의 열을 필요로 하지 않는 질화 티타늄 아아크 분사법은 기재를 손상시키거나 변형시킬 수 있고 고열이 필요한 플라즈마 및 열분사방법과 비교해 볼때 냉간 공정(cold process)이다. 또한 자본설비 및 작업비용도 상기 플라즈마 고속분사법 비용이 1/2 이상 저렴하고, 상기 화학적 증착법의 비용보다 훨씬 저렴하다. 본 발명에서 개시된 질화 티타늄형 피복층의 전기 아아크 분상에 있어서는 피복 대상 표면에 그리트 블라스팅(grit blasting)을 하는 이외의 다른 특별한 예비 단계를 필요로 하지 않는다.

일반적으로 사용중 마멸, 침식 및/또는 부식을 받기 쉬운 부분의 마모수명을 개성하기 위해, 전기 아아크 열분사법을 사용하여 질화 티타늄 피복층을 적용할 수 있는 것으로 판명되었는바, 이때 질소 분사(분무; atomizing)기체로서 사용하고 티타늄 선재를 공급원료로서 사용한다. 상기 티타늄 선재를 에버 질화처리함으로써 예비질화처리 되지 않는 상기 기재에 피복했을 때보다 더욱 견고하고 내모마성인 피복층을 수득할 수 있다.

본 발명은 적어도 하나의 티타늄 선재를 포함한 2개의 다른 선재를 사용하여 질소 아아크 분사된 피복층을 포함한다. 상기 티타늄 선재는 제2의 선재가 철금속, 철금속 합금, 티타늄을 제외한 비철금속, 비철금속 합금, 세라믹, 금속간 화합물, 유심(有心) 선재(cored wire) 같은 특정의 용법 선재 및 이것의 혼합물의 군중에서 선택되는 모든 경우에 예비 질화 처리될 필요는 없다. 상기 티타늄 선재가 예비질환되지 않을 경우에는 상기 피복층내에 Ti_XN상을 증진시키기 위해 질소내에서 냉각시키면서 침착된 상태물을 열처리하거나 어닐링(annealing)하는 것이 바람직하다.

복합 피복층들이 적용될 기재들중 금속, 세라믹, 탄소, 흑연, 플라스틱 및 탄소/흑연 복합체만을 하기 설명한다.

일반적으로 사용중에 기계적 마모를 받기 쉬운 부분의 수명을 연장시키면 제조자나 사용자가 큰 비용 절감을 할 수 있다. 예를들어, 화합물을 제조합하기 위해 고무나 플라스틱과 같은 물질을 연마하는데 있어서, 충격 분쇄기(예, 해머분쇄기)내에서 상기 물질을 분류하는데 사용되는 스크린(screen)의 수명을 2배로 연장시킨다는 것은 상당한 이익이 될 것이다.

공업용 부품의 내마모성을 향상시키는 하나의 방법은 마모를 받기 쉬운 상기 부품들의 표면에 질화 티타늄 피복층을 침착하는 것이다. 이러한 피복층을 적용하기 위해 상기 전기 아아크 분사법이 사용되고 분사기체로서 공기 대신 고순도의 질소를 사용한다면, 상기 티타늄 선재가 용융되어 그 티타늄이 상기 아아크 분사기와 상기 기재사이에서 최소한의 산화와 함께 질화처리되어 질화 티타늄 피복층을 침착시킨다는 것이 밝혀졌다. 상기 아아크 분사법은 대기압 챔버 또는 노(爐)를 사용하지 않거나 또는 상기 피복층의 연속적인 질화단계없이도 사용될 수 있다. 상기 티타늄 선재가 상기 전기 아아크 분사기내에서 이용되기 전에 질화처리하면, 특히 효과적인 피복층을 수득할 수 있다.

상기 전기 아아크 열 분사법중에 분사＜분무＞ 기체로서 사용되는 질소는 티타늄 공급 선재의 말단부로부터 용출되는 티타늄 액적(droplets; 液摘)과 반응하여 비산중에 상기 티타늄 질소화합물을 생성한다. 상기 티타늄 액적이 피복 대상 부품의 상기 부품의 표면상에 떨어지면서 응고되어 이로써 마모와 부식을 방지하는 경질(硬質)의 질화티타늄 기재의 피복층을 형성한다.

분사 기체로서 질소를 이용하는 티타늄 피복의 전기 아아크 분사법은 플라즈마, 고속 연소분사, 화학적 증착 및 물리적 증착법에 의한 침착과 비교해 볼 때 비용이 적게 든다. 또한, 질화 티타늄 및 산화티타늄은 다른 경질의 표면 처리법에 일반적으로 사용되는 크로뮴 및 니켈-인과 같은 Ti 금속보다 더욱 치밀한 것과 비교해 볼때 무독성이며, 그러므로 상기 피복층은 식품 및 화장품 가공 장치에 사용하기가 적합하다. 또한, 다른 방법에는 수시간이 걸릴지라도 아아크 분사법은 수분이 소요되며, 어떤 독성 부산물도 남기지 않고 최소의 투자자본을 필요로 한다.

도면의 제1도에 나타낸 바와 같이, 아아크 분사 시스템(10)은 아아크 분사 건(12; arc gun), 정전압원(14), 제어기(16) 및 선재 스풀(spool)로 도시된 선재 공급기(18, 20)를 포함한다. 상기 아아크 분사 건(12)는 별도의 선재(26), (28)을 상기 분사 건으로부터 상기 노즐 말단(30)으로 각각 이동시키는 2개의 공급 로울러(22), (24)를 포함하며, 상기 노즐말단에서는 다른 극성의 전류에 의해 (도면 참조) 상기 선재(26)과 선재(28) 사이에서 아아크가 발생된다.

상기 선재들이 전기 아아크의 영향에 의하여 용융할 때, 압축된 질소기체는 화살표(32)로 나타낸 바와 같이 아아크 분사 건(12)상의 아아크로 유입된다. 상기 질소 기체는 상기 노즐(30)에서 방출되면서 용융된 금속을 액적으로 분쇄하여 흐르게 한다. 상기 압축기체는 상기 금속을 분사하고 전기 아아크를 유지하는 것외에도 분사된 금속(분사 흐름)을 종래의 해머 분쇄기 스크린과 같은 기재(34)를 향하여 분사기킨다. 상기 분사된 티타늄은 비산하는 동안 질소와 반응하여 질화 티타늄 화합물을 형성한다.

상기 기재(34)는 수직 방향 또는 수평 방향으로 장착될 수 있고, 그 기재(34)나 상기 아아크 분사 건(12)중 하나가 진동하여 전극의 전체 길이에 걸쳐 균일한 피복층을 제공한다.

또한 선재 공급기(18, 20)은 한쌍의 로울러(36, 38)을 포함하며 이것은 상기 공급기로부터 아아크 분사 건(12)으로의 선재의 공급을 보조한다. 상기 아아크 분사 건내의 공급 로울과 선재를 밀거나 당기거나 또는 이 2가지 방법을 복합 사용함으로써 상기 선재가 아아크 분사 건(12)를 통해 이동하도록 한다. 종래, 티타늄 선재와 질소기체를 사용하여 열 아아크 분사법에 의해 상기 기재상에 형성한 질화 티타늄 피복층은 내모마성이 향상된 피복층을 생성했고, 상기 공급된 자체의 티타늄 선재를 질소함량을 증가시키기 위해 예비처리 했을때 수득된 피복층은 더욱 견고하게 많은 경우에 상기 부품들의 수명이 향상되었다는 것이 밝혀졌다.

상기 티타늄 선재의 예비처리는 N₂를 이용하여 분사된 Ti_XN 피복층이 질소(N)가 부족하면 비산중에 산화를 받기 쉽다는 것을 인식하였을 때 개발되었다. 선재의 예비처리에는 2가지 부가적인 이유가 있다 : (1) 공급된 자체의 Ti 선재는 아아크 분사 건의 도관을 통해 공급하기가 어렵고, 상기 선재상의 질화물피복층은 상기 선재 공급시 마찰을 낮추는 것으로 밝혀졌고, (2) 아아크 분산된 Ti_XN의 침착후 질소 어닐링이 항상 가능할 수는 없다. 약간의 기재는 고온에 민감할 수 있으며, 상기 Ti_XN 피복층의 열팽창 계수와 기재의 열팽창 계수가 과도하게 불일치 할 수 있고, 이로써 상기 피복층을 손상시킬 것이다(예, 스테인레스강 기재상의 Ti_XN-피복층).

이로써 Ti 선재의 어닐링 조건의 선택, 상기 어닐링된 선재를 사용하는 분사능 시험, 및 상기 어닐링된 선재를 사용하여 분사된 피복층의 평가실험을 실시했다. 하기 표 1은 선택 방법을 나타낸다. 제3단계인 어닐링은 임의적이며 상기 시험을 위해 사용되었다. N₂를 이용하여 어닐링된 처음에는 '경질'의 Ti 선재와 '연질'의 Ti 선재의 횡단면성의 다른 미소경도(예, 269대 150 VHN)는 N₂어닐링이 1000℃보다 더 높은 온도에서도 실시될 수 있다는 것을 나타낸다. 표 2는 1000℃ N₂어닐링으로부터 수득한 상기 Ti 선재내의 [N]부착량이 8배임을 나타낸다.

[표 1]

N₂어닐링 조건 선별시험

* H/S 즉, '경질'의 Ti 선재 및 '연질'의 Ti 선재는 상기 시험에 사용된 2가지 다른형의 공급된 자재이다. 상기 재료 양자 모두 순수한 Ti이고, 경도의 차이는 선재 드로우잉 단계의 마지막에서의 제조사들의 다른 어닐링조건에 기인한다.

[표 2]

공급된 자체의 선재와 N₂처리된 Ti(연질) 선재의 질소함량

초기 분사능 시험은 어닐링후 황색 질화물이 피복될 지라도(질화물 처리된), 공급된 자체의 선재외에도 N₂처리된 Ti 선재를 용융, 분무하여 침착시킬 수 있음을 보여줬다.

또한 연속적으로 질소 어닐링된 '연질(軟質)' 선재의 시험은 상기 어닐링후 황색 질화물 피복층이 실제로 건으로 공급되는 선재를 유연하게 하여 분사중 아아크 안정성을 크게 증진시킴을 보여줬다.

Ti_XN 피복층은 N₂어닐링된 선재를 사용하여 침착되었고 종래 공급된 자체의 선재 및/또는 N₂침착후 어닐링시킨 선재를 사용하여 생성된 피복층과 비교했다. 외관, 표면조도, 자체결합력, 및 새로운 피복층의 기재에 대한 접착력(만곡시험)은 종래 침착된 피복층의 경우와 동일하였다. 그러나, 크누우프(Knoop) 미소경도 측정에서는 상기 피복층사이에 커다란 차이를 나타냈다. '경질' Ti 공급 선재의 경우에 있어서, 상기 N₂어닐링된 선재를 사용하여 침착된 피복층은 거의 순수한 티타늄을 침착시킨 다음 N₂대기중에서 침착후 어닐링시킴으로서 적용된 피복층만큼 단단하였다. 상기 피복층 2가지 모두 침착후 어닐링을 하지 않은 공급된 자체의 선재로 제조된 '기본' 피복층 보다 더욱 단단하였다. N₂어닐링된 '연질' Ti 선재로 제조된 Ti_XN 피복층의 경도를 상기 일련의 피복층중 가장 높은 것과 스테인레스강 및 탄소강 기재의 경도와 비교했다. 상기 피복층은 스테인레스강보다 6.3배 더 단단하고 탄소 강보다 9배 더 단단하였다.

상기 N₂로 선재를 전처리함에 있어서, 질소함량을 증가시키고 질화물의 화학양론 (x이하)을 개선함으로써 상기 Ti_XN 피복층의 경도를 증진시킬 수 있었다. 또한, 질소함량의 증가는 상기 Ti_XN 피복층의 자체의 결합력을 감소시키기 않았다.

상기 신규 피복층의 미소경도는 침착후 어닐링된 피복층의 미소경도(microhardness)와 적어도 동일하며, 상기 피복된 부분의 어닐링이 불필요하다. 또는 상기 전처리 및 침착 후 어닐링 단계, 2가지 모두 피복층경도 조절의 2가지 독립적인 수단으로서 사용될 수 있다. 또한 상기 선재의 전처리는 상기 아아크 분사 건 도관내에서의 선재의 마찰을 저하시킴으로서 아아크 안정성을 증진시키는 것으로 관찰되었다.

상기 선재에 있어서 어떤 공업적으로 순수한, 즉 합금되지 않은 순도에 어떤 구체적인 조건이나 규격이 없는(예를들어 Fe, V 등의 비규격품) 티타늄 선재를 사용할 수 있다. 공업적으로 순수한 티타늄 선재는 전형적으로, 질소를 100ppm 정도(중량당)를 포함해야 한다. 연질, 경질, 또는 반경질과 같은 어떠한 티타늄의 물리적 조건도 허용된다.

제2도는 처리하기전 전형적인 선재의 조직을 보여주는 현미경사진이다.

예비질화 처리한 선재는 하기와 같은 특징을 나타내야 한다 : (a) 상기 처리된 선재의 표면상에서 황금색 TiN 피복층을 형성하고, (b) 질소함량을 500ppm w/o 이상으로 증가시키고, (c) 상기 처리된 선재의 심부(core)는 리일(reel)로부터 아아크 분사 건으로의 원료 공급에 필요한 선재의 유연성을 유지하기 위해 금속성을 유지해야만 한다.

이것은 상기 선재내의 질소함량의 최대한도가 20중량%라는 것을 의미한다.

제3도의 나타낸 바와 같이 예비질화된(어닐링된) 선재의 미세구조는 상기 표면으로부터 심부까지 상응하는 경도(VHN)에 따라 상기 전재의 표면으로부터 심부쪽으로 조립질의 둥근 결정 성장(coarse circular grain growth)을 나타내야 한다.

본 발명의 한가지 측면으로서, 주로 질화 티타늄을 포함하는 균일한 내마모성 및 내식성 피복층을 다양한 기재상에 침착시킬 수 있다. 이 피복층은 상술한 바와 같이 예비처리된 0.062 또는 0.030인치 직경의 티타늄 선재 및 분사(분무용) 기체로서 질소를 사용하여 전기 아아크 분사법으로 침착된다. 분사기체로서 상기 티타늄을 더욱 심도있게 질화처리하고 산화를 최소화하기 위해 고순도의 공기 대신 질소를 사용한다. 2개의 스풀에 감긴 티타늄 선재는 28과 48볼트 사이 및 100-400 암페어의 전위차에 따라 아아크를 형성하는 아아크 건(12)으로 공급된다. 선택적으로, 한 스풀의 선재는 다른 피복 재료를 아아크 분사 건으로 공급할 수 있으며 이로써 Ti_XN 합금이나 유사합금 피복층을 형성할 수 있다. 상기 다른 재료에는 연질의 접착성 비철금속 및 합금뿐만 아니라 경질의 Fe, Cr, Ni, Mo 및 W합금 및 그들의 화합물을 포함할 수 있다. 상기 Ti 선재 및 Ti가 아닌 재료의 선재를 동시에 사용하여 생성된 피복층은 더 낮은 경도를 나타내지만 내충격성은 더 높다. 필요한 분사조건은 변하지 않는다. 상기 질소 기류는 30 내지 130psig로 노즐로 공급된다. 용융된 선재 팁과 액적들은 질소기체와 반응하고 기재(34)위에 질화 티타늄의 피복층을 형성한다. 상기 아아크 분사 건과 기재(34) 사이의 발사거리는 3 내지 8인치이다. 상기 기재는 상기 피복층과 기재사이의 기계적 결합강도를 증가시키기 위해 분사전에 그리트 블라스팅(grit blasting)한다. 이로써, 상기 피복층 자체가 0.001인치 내지 수인치 범위의 두께로 침착될 수 있다.

본 발명의 또다른 측면으로서, 본 발명은 다양한 기재나 부품의 마모 및 부식 방지를 위한 Ti_XN 기초로한 세라믹 또는 금속-매트릭스 복합 피복층에 관한 것이다. 순수 Ti_XN 피복층에 실시되는 상기 선재의 예비질화 처리 및/또는 침착된 자체 피복층의 질화처리는 본 발명에 의한 복합 피복층을 제조하는데 사용될 수 있으나 필수적인 것은 아니다. 상기 침착된 자체의 피복층내 Ti_XN 성분의 존재는 금속, 세라믹, 플라스틱 및 탄소/흑연 상에 침착되어 개선된 내마모성 및 내식성의 피복층을 제조한다.

본 발명의 복합피복층의 유효성을 증명하기 위해 많은 실험들을 실시하였다.

침착된 상태 대로의 피복층에 대한 설명뿐만 아니라 이 피복층을 침착시키는데 사용된 선재의 조합관계 및 작동 변수를 표 3에 상설한다.

[표 3a]

실시예 1-5에 제시된 피복에 사용되는 재료와 전기 아아크 분사 조건

[표 3b]

* 모델 8830 아아크 분사건은 뉴햄프셔, 바우소재의 타파사에 의해 제조됨.

주 : 원료 선재의 직경은 모든 제시된 실시예에서 1/6인치였다.

다른 직경의 음극 및/또는 양극 선재들도 사용될 수 있다.

하기 실시예 및 표의 형식으로 설명한 것들은 이들 실험들의 결과이다.

[실시예 1]

높은 마모속도와 빈번한 생산정지는 연속적인 화학적인 증착법(CVD) 제조공정에서 나타났는데, 이때 하이네스 인터내쇼날(Haynes International)사의 반도체 하스텔로이(Hastelloy : 상품명) C-22로 제조된 로울을 고온(30-250℃)에서 SiO₂분말로 마모시키고 또한 HCI을 이용하여 부식시켰다.

본 발명에 의한 복합 피복층을 형성하여 상기 로울에 침착시켜 이로써 마모-부식의 문제점을 해결하고자 했다. 상기 피복층의 선택은 2단계로 실시했다. 제1단계는 HCI 부식에 저항성이 있는 다양한 재료들의 경도를 측정하여 그 결과를 표 3에 상술했다. 이로써 상기 예비질화 처리된 Ti선재를 가지고 제조한 Ti_XN 피복층이 가장 단단하였고 그 다음은 하스텔로이 B-2의 Ti_XN(예비지화처리된 선재) 성분을 포함하는 복합 피복층임이 밝혀졌다. 후자는, 본 발명에 의해 상기 하스텔로이 B-2와 예비질화처리된 Ti선재의 동시적인 N₂를 이용한 아아크 분사로써 형성된 것이다.

제2단계는 상기 내식성을 선별하여 그 결과를 표 4에 상술했다. 상기 하스텔로이 B-2 피복층이 내식성이 가장 강했고, 복합피복층 하스텔로이 B-2/Ti_XN(예비질화처리된 선재)가 두번째였으며, 그리고 대조군으로서 높은 내식성 크로뮴 스테인레스강이 사용되었으며 가장 나쁜 등급중 하나였다. 이 결과는 B-2 함량이 높을수록 부식속도가 저하됨을 나타냈다.

표 4 와 표 5에 기재된 결과는 상기 하스텔로이 B-2/Ti_XN(예비질화된 선재) 피복층이 가장 균형있는 경도, 내모마성, 및 HCI 내식성을 제공함을 나타내었다 (질화 처리되지 않은 Ti_XN/B-2는 시험되지 않음). 현상시험과 생산 가동으로, 상기 피복되지 않은 C-22로울이나 순수 B-2 피복층에 대해 상기 피복층의 기대치의 우수성을 확인했다.

[표 4]

* 로크웰 30N 스케일

[표 5]

[실시예 2]

일군의 샘플을 탄소강 기재상에 아아크 분사로 피복하고, 분사한 상태대로의 (연마하지 않은) 상태에서 건조사(dry-sand)/고무-휘일 ASTM G65-실시 D방법을 사용하여 3-면 마멸저항성을 시험했다. 표 6은 피복층종류, 마멸 마모 부피 감량, 및 그들의 표면 경도를 열거한다.

[표 6]

* 분사된 상태대로의 거친 피복층 표면

* * 로크웰 30N 스케일

상기 결과는 건조사/고무 휘일 마멸 시험 및 표면 경도 측정의 경우에 있어서, Ti_XN 피복층의 취성(brittleness) 성능에 영향을 미치고, 상기 예비질화처리는 단지 약간만을 개선시키며, 또다른 금속 결합제가 상기 피복층에 포함되어야 한다는 것을 나타낸다. Fe-22Cr-4Al 스테인레스강 피복층이 경질의 Ti_XN 입자의 결합제나 매트릭스로서 선택할 경우, 상기 복합체의 표면 경도가 예비질화 처리된 것이나 예비질화 처리되지 않은 Ti_XN 피복층의 것보다 더 낮을지라도, 마멸 및 마모 저항성이 크게 증진된다. 다른 금속 결합제의 유사한 효과가 알루미나 휘일을 가지고 일차 연마한 피복층샘플상에서 상기 ASTM G-65실시 A시험시에 나타났다(표 7).

[표 7]

* 알루미나 휘일의 연마된 피복층표면

* * 로크웰 30N 스케일

주 : 알칸사는 카나다 퀘백에 소재하며 앰테크사는 미합중국, 캘리포니아, 어빈에 소재함

내마모성 시험의 다음단계에서는 충격 Al₂O₃입자 제트-부식 시험장치를 하기와 같이 설치한다.

- 제트 노즐 직경 : 0.046cm

- 발사 거리 : 1.52cm

- 충격 각도 : 22.5°

- N₂담체 기체이 공급압력 : 221×10³Pa게이지압

- 시험온도 : 실온

- 부식 매질 : 50㎛ d_m의 각이진 Al₂O₃입자

- 부식 매질 유속 : 1.6g/분

- 부식 속도 측정 : 부식된 공동의 깊이(㎛/분)

상기 부식 시험은 전술한 것과 동일한 피복층상에서 동일한 조건, 즉 분사된 자체 및 거친(연마되지 않은) 표면을 이용하여 실시되었다.

부식속도의 결과를 표 8에 제시한다.

[표 8]

상기 부식시험 결과는 경질이지만 취성이 있는 Ti_XN 피복층입자에 대한 보다 연질의 금속 결합제의 역할에 관한 마멸시험결과와 유사하다. 상기 부식 제트시험은 피복층의 취성에 더욱 민감하고 그것의 경도에 덜 민감하므로, 예비질화처리된 Ti선재 피복층과 예비질화처리되지 않은 Ti선재 피복층사이의 상기 시험의 차이는 무시할만하며, 본 발명의 가치는 상기 Ti선재가 제2의 금속 선재와 함께 동시에 N₂로 분산될때 명백해진다.

[실시예 3]

탄소강 부품의 전식(電蝕) 방지용으로서 널리 사용되는 아아크 분사된 알루미늄 피복층은 이동입자, 슬러리, 고속으로 분사된 등과 접촉시 빠르게 마모하는 경향이 있다. 알루미늄 피복층의 증진된 내마모성은 경질, 불활성 세라믹입자를 포함하는, 전식을 방지하며(galvanically protective) 연질인 Al-금속 매트릭스로 구성되는 복합 피복층을 제조함으로써 수득될 수 있다.

Al-10 체적% Al₂O₃피복층에 대하여 실험을 했는바, 수득된 복합 피복층은 순수 Al 보다 더 우수할지라도, 피복에 사용된 탄소강 기재보다도 더 연질이었다. 본 발명에 의한 N₂-아아크-분사 피복 기술은 상기 Ti_XN 입자를 표 9에 제시된 자료에 나타낸 바와 같은 Al-Al₂O₃복합피복층에 혼입시킴으로써 피복층의 경도 문제를 해결하는데 사용되었다.

[표 9]

* 로크웰 15T스케일

상기 Ti_XN 변형된 Al-Al₂O₃피복층의 전식방지는 간단한 노출 시험으로 실시되었고 그 결과를 표 10에 상술한다.

[표 10]

상기 샘플과 부식 매질을 상기 제3노출단계의 마지막에 조사했다. 상기 염수는 암색이고 피복되지 않은 샘플 1의 경우에는 단지 녹 현탄액을 포함하였다. 상기 샘플은 또한, 완전히 부식되었다. 상기 피복된 샘플은 피복된 면위에 회색빛 녹을 나타냈고 피복되지 않으면 위에는 적갈색 녹을 나타냈다. 샘플 2와 3의 경우에 상기 시험중에 어떤 감량도 없었으나, 상기 피복되지 않은 샘플은 원중량의 1.44%가 손실되었고, Ti_XN-Al-Al₂O₃샘플은 0.56wt%가 손실되었다. 결론적으로 샘플 4의 Ti_XN 변형된 경질 복합 피복층은 정적(즉, 비연마적인) 조건하에서도 전식으로부터 탄소강 기재를 보호하는 효과가 다소감소되나 만족스러운 효과를 나타냈다.

[실시예 4]

상기 실시예에 기술된 Ti_XN-Al-Al₂O₃피복층을 다소다른 조건하에서 N₂로 분사하였다 : 용융 속도는 감소되었고(200 암페어 대신 180 암페어를 사용함), 아아크 건 노즐과 피복되는 부품사이의 발사 거리는 6인치에서 5인치로 감소되었다. 2개의 샘플이 제조되었다. 하나는 예비질화처리된 Ti선재와 Al-10% Al₂O₃선재를 가지며, 다른 하나는 예비 질화처리되지 않은 Ti선재와 Al-10% Al₂O₃선재를 가진다. 상기 2개의 샘플의 경도는 표 10에 상술한 바와 같은 더 높은 부하량(로크웰 30N 스케일)의 표면 경도 시험기를 사용하여 측정되었다.

[표 11]

* 로크웰 30N 스케일

상기 결과들은 상기 새로운 N₂분사조건하에서 예비질화 처리된 Ti선재의 사용이 상기 복합피복층의 경도를 반드시 증진시키는 것은 아니라는 것을 보여준다. 발사거리가 짧을수록, 원료선재의 중량비율당 N₂분무용 기체량이 증가하고, Al₂O₃세라믹 입자를 미리 첨가한 하나의 원료 선재는 최상의 피복강도를 수득하기 위해서 Ti선재를 예비질환시키는 단계를 불필요하게 한다.

[실시예 5]

Ti_XN 피복층의 경도는 상기 Ti원료 선재를 예비질환 시키거나 그 기재상의 피복층의 N₂대기로 후(後)) 어닐링함으로써, 혹은 그 두 과정을 모두 수행함으로써 증진시킬 수 있다. 예비질화 처리된 Ti선재의 N₂아아크 분사로부터 수득한 Ti_XN피복층을 250℃의 순수 N₂대기하에서 21시간 동안 후어닐링하는 실험을 실시했다. Ti_XN 피복층을 질소함량을 추가로 증가시키면서 향상된 상기 피복층의 경도는 표 12의 자료에 나타낸 바와 같다.

[표 12]

피복된 부분은 향상된 내마모 및 내식성을 나타냈다. 특히, 상기 조건하에서 공칭두께 0.012인치의 피복층을 침착시키기 위하여, 고무를 저온 연마하는데 사용되는 해머분쇄기의 스크린을 3회 통과시키면서 피복했다. 본 발명에 따라 피복된 스크린은 피복되지 않은 스크린 보다 2 내지 20배 실용수명이 연장되었다. 부식노출 시험은 해수에 피복된 부분을 장기간 동안 방치함으로써 실시되었고 상기 피복층상에 뚜렷한 영향을 나타내지 않았다.

금속 기재 상에서 향상된 내마모 및 내식성을 제공하는 상기 피복층을 형성하는 티타늄-질소 화합물은 비커즈 방법으로 측정된 바와같이 860 내지 1500(VHN) 미소경도의 범위내의 피복 경도를 나타낼 수 있다. 이것은 일반적인 강(鋼) 기재 재료보다 5 내지 11배 더 강한 것이다.

본 발명의 방법은 질화티타늄 결합 피복층을 수용할 수 있는 임의의 재료에 적용될 수 있다. 이 피복층은 내마모성을 증진시키는데 효과적이며 경제적인 방법으로 상기 기재상에 형성할 수 있다. 상기 해머 분쇄기 스크린 외에도 본 발명의 방법은 금속염 물질을 연마하는데 사용되는 공기 제트 미분쇄기에 적용할 수 있다. 금속염 물질을 연마하기 위한 사용자의 종래 시도는 상기 분쇄기의 내부표면의 부식으로 인해 밝은 재료가 회색빛이 되도록 하였다. 실험실 분쇄기를 피복함으로써 상기 염물질의 연마시 어떤 오염이 없는 즉 백색 물질에 어떤 회색빛도 나타나지 않는 제품을 수득할 수 있었다.

본 발명에 따라 피복한 원심분리용 켈프(kelp) 가공기의 마모 클립은 상기 사용자의 텅스텐 카바이드로 피복층한 부품보다 2배 정도 연장 지속하는 것으로 나타났다.

Claims (9)

1. 기재의 부식 및 기계적 내마모성을 개선하는 방법으로서, 전기 아아크(arc) 분사건(gun)내의 2개의 선재를 사용하여, 상기 분사건으로부터 제공된 유출액에 상기 기재를 노출시키는 단재를 포함하며, 이때 상기 분사건내의 2개의 선재중 제1의 선재는 티타늄이고, 제2의 선재는 철금속, 철금속 합금, 티타늄을 제외한 비철금속, 비철금속합금, 세라믹, 금속간 화합물, 유심 용접 선재 및 이들의 혼합물로 구성되는 군중에서 선택된 것이며, 분무 및 분사용 기체로서 질소기체를 사용하며, 이로써 상기 제2의 선재로 형성된 매트릭스내에 질화티타늄 입자가 매립된 상태의 피복층이 상기 기재상에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상술한 피복층이 적어도 0.001인치의 두께를 가짐으로 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 전기아아크 분사건이 질소에 대한 티타늄의 비율이 1 내지 2인 Ti 함유 입자를 가진 피복층을 제공하기 위해 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 전기 아아크 분사건이 100 내지 400 암페어의 전류 공급으로 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 전기 아아크 분사건으로부터 상술한 기재까지의 거리가 상술한 기재의 과열을 방지하는 최소의 간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 간격이 3 내지 8인치 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 티타늄 선재가 질소함량을 적어도 500ppm 이상으로 증가시키기 위해 질소중에서 어닐링되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 피복층이 선택된 상기 기재상에 침착된 후 질소대기중에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 기재가 금속, 세라믹, 탄소, 흑연, 플라스틱 및 탄소/흑연 복합체로 구성된 군중에서 선택된 것을 특징으로 하는 방법.