[논문]스텔라이트 합금 용사 코팅의 피로 강도에 미치는 후열처리의 영향

오정석; 이창규

doi:10.4150/kpmi.2005.12.2.106

스텔라이트 합금 용사 코팅의 피로 강도에 미치는 후열처리의 영향
Effect of Post-heat Treatment on Fatigue Strength of Thermally-Sprayed Stellite Alloy on Steel 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.12 no.2 = no.49, 2005년, pp.106 - 111

오정석 (한국원자력연구소, 원자력재료기술개발부) , (일본 게이오대학교 기계공학과) , 이창규 (한국원자력연구소, 원자력재료기술개발부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of post-heat treatment on the coating characteristics and the fatigue strength of the gas flame thermally sprayed Stellite alloy coatings on $0.35\%$ carbon steel were investigated. The fatigue fracture surfaces of the heat treated samples were observed using SEM (Scanning Electron Microscopy). For as-sprayed samples, there was considerable scattering in the fatigue life due to the presence of the pores in the coating. After the post-heat treatment to improve the microstructural characteristics of the coating layer, the fatigue strength of the specimens was greatly improved, increasing with increasing the coating thickness. For the specimens with the 0.3mm and 0.5mm thick coating, the fatigue cracks originated in the substrate region just below the interface. On the contrary, for the specimens with the 1.0mm thick coating, they nucleated at the pore within the coating, and the fatigue strength was 2.6 times higher than that of the substrate due to the high fatigue resistance of the coating.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자용 합금의 스텔라이트 용사 코팅층의 특성을 개선하기 위해, 용사 후 적절한 조건에서 열처리¹¹⁾를 실시하였으며 코팅층의 미세조직변화, 결함량 등의 특성을 조사하여 최적 열처리 조건을 결정하였다. 또한, 최적 조건에서 열처리를 한 용사재에 대해 피로 시험을 하여 용사재의 피로 강도에 미치는 열처리영향을 조사하였다.
본 연구에서는 자용 힙금(self-fluxing alloy) 용사 의 과정에서 용사 재료를 코팅 후 코팅층의 결함을 줄이기 위해 열처리를 실시하였는데, 통상적으로 가스 화염 (gas torch gurml尖로 하게 되는 열처리를 시간과 온도의 제어가 가능한 진공로를 사용하여 코팅층의 특성에 미치는 열처리의 영향을 검토 . 고찰하였다.
이상의 최적 열처리 조건을 바탕으로 피로 강도에 미치는 용사재의 열처리 영향을 조사하였다. 특히 열처리를 한 후 용사재의 코팅층의 두께를 변화시켜 피로 특성을 조사하였다.

제안 방법

그림에서 알 수 있듯이 피로 수명의 스캐터링(scattering) 이 아주 크게 나타나고 있어 일반적인 철강 재료에서와 같은 형태의 피로 수명곡선을 그릴 수 없었다. 피로 수명의 스캐터링이 심한 요인을 찾기 위해 동일 응력 진폭 하에서 피로 수명이 크게 다른 2개의 시험편에 대해 (i) 극치 통계(Statistics of Extremes)¹²에 의한 코팅층 최대 결함 치수 (#), (ii) 코팅층의 결함 면적율(porosity)을 구하였으며, (ⅲ) 코팅층을 현미경으로 관찰하였다
고찰하였다. Stellite No.6의 융점이 1140℃라는 것을 고려 하여 930, 1050, 1100℃의 온도에서 대략 0.5시간 열처리하였다. 열처리 후 코팅층의 조직을 관찰한 사진을 그림 3에 나타내었다.
기계 구조용 탄소강을 모재로 하여 가스 화염 용사법으로 스텔라이트 합금을 코팅한 시험편에 대해 적절한 조건에서 열처리를 하여 코팅층의 특성 변화를 조사하였으며 또한 회전 굽힘 피로 시험을 하여 피로 파괴 특성을 조사하였다.
를 실시하였으며 코팅층의 미세조직변화, 결함량 등의 특성을 조사하여 최적 열처리 조건을 결정하였다. 또한, 최적 조건에서 열처리를 한 용사재에 대해 피로 시험을 하여 용사재의 피로 강도에 미치는 열처리영향을 조사하였다. 특히 코팅층의 두께를 변화시켜 피로 강도 및 피로 파괴 기구를 검토, 고찰하였다.
1100℃에서 3시간 소둔 처리 후 그림 1과 같은 형상, 치수로 기계 가공하였다. 용사를 하기 전에 코팅층과 모재와의 밀착성을 올리기 위해 시험편의 R부를 블라스터(blasted)처리한 후 내식성·내마모성을 가지고 있는 Stellite No.6 합금 분말을 가스 화염 용사법(gas flame spraying)으로 용사하였다. 용사 후 열처리는 진공로에서 행하였다.
이상과 같이 준비한 시험편의 R부를 사포(sand paper) 및 알루미나를 사용하여 경면으로 연마하였다. 피로 시험은 실온 대기 중에서 회전 굽힘 피로 시험기(3000 rpm)를 사용하여 행하였다.
이상의 최적 열처리 조건을 바탕으로 피로 강도에 미치는 용사재의 열처리 영향을 조사하였다. 특히 열처리를 한 후 용사재의 코팅층의 두께를 변화시켜 피로 특성을 조사하였다. 용사 후 열처리는 진공로를 사용하여 1100℃에서 4시간 유지 후 노냉을 하였다.
또한, 최적 조건에서 열처리를 한 용사재에 대해 피로 시험을 하여 용사재의 피로 강도에 미치는 열처리영향을 조사하였다. 특히 코팅층의 두께를 변화시켜 피로 강도 및 피로 파괴 기구를 검토, 고찰하였다.
파단 후의 시험편에 대해서는 전자현미경(SEM)으로 파면 관찰을 통하여 파괴 기점을 조사하였다.
피로 시험 후 각각의 시험편에 대해 피로 파면을 관찰하여 피로 파괴 기점을 조사하였다. 코팅층의 두께가 0.

대상 데이터

용사 후 열처리는 진공로를 사용하여 1100℃에서 4시간 유지 후 노냉을 하였다. 용사 후 코팅층의 두께는 당초 2.0mm이었으며 열처리 후 코팅층의 두께를 2.0 mm에서부터 기계 가공하여 0.3mm, 0.5mm 및 1.0mm의 3종류의 시험편을 준비하였다. 열처리 후 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer) 분석 결과 코팅층과 모재 사이의 계면에는 약 50㎛ 정도의 확산층이 형성된 것을 확인하였다.
피로 시험편의 모재는 기계 구조용 탄소강 SM35C 를 사용하였다. 1100℃에서 3시간 소둔 처리 후 그림 1과 같은 형상, 치수로 기계 가공하였다.

성능/효과

1. 스텔라이트 합금을 가스 화염 용사법으로 단순 코팅한 시험편의 경우, 피로 수명의 스캐터링이 아주 컸으며, 피로 수명의 스캐터링의 원인은 각각의 시험 편의 코팅층에 존재하는 결함 및 특성이 서로 크게 다르기 때문이었다.
2. 용사 후 적절한 조건에서 후열처리를 한 용사재의 경우, 피로 수명의 스캐터링이 크게 감소하였다. 열처리를 한 용사재의 경우 모재가 용사재 안에서 표면에 있는 용사 코팅에 의해 강하게 구속을 받기 때문에 소성 변형이 일어나기 어려워져 그 결과 모재와 비해 피로강도가 크게 증가하였다.
3. 코팅층이 얇은(0.3~0.5mm) 경우 모재에서 파괴가 일어났으나, 코팅층이 두꺼운(1.0 mm) 경우 코팅층에서 피로파괴가 일어나 코팅층이 가지고 있는 고경도 · 고피로성이 충분히 발휘되어 모재에 비해 2.6배 높은 피로 강도를 나타내었다.
최적 조건에서 열처리한 용사재의 경우 앞서 그림 2에 나타냈던 열처리를 실시하지 않은 용사재의 결과와 비교하여 피로 수명의 스캐터링이 크게 감소하였으며 피로 신뢰성도 향상되었다. 또한 용사재의 피로 강도는 모재 및 블라스터 처리 시험편에 비해 피로 강도가 현저히 증가하였으며, 이러한 증가는 코팅층 두께가 증가 할수록 더욱 뚜렷하였다. 즉, 모재의 피로 강도 180MPa과 비교하여 코팅층의 두께가 0.
0mm의 3종류의 시험편을 준비하였다. 열처리 후 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer) 분석 결과 코팅층과 모재 사이의 계면에는 약 50㎛ 정도의 확산층이 형성된 것을 확인하였다.
또한 용사재의 피로 강도는 모재 및 블라스터 처리 시험편에 비해 피로 강도가 현저히 증가하였으며, 이러한 증가는 코팅층 두께가 증가 할수록 더욱 뚜렷하였다. 즉, 모재의 피로 강도 180MPa과 비교하여 코팅층의 두께가 0.3mm 및 0.5mm의 시험편의 경우 각각 피로강도가 360MPa 및 390MPa으로 2배 및 2.2배 증가한 반면, 코팅층 두께 1.0 mm 시험편의 경우 피로강도가 460MPa으로 2.6배 증가하였다. 이상과 같이 열처리한 용사재의 경우 모재와 비교하여 피로강도가 2배 이상 증가한 이유를 서술한다.
위의 3종류 시험편에 대하여 회전 굽힘 피로 시험 을 실시한 결과를 모재, 블라스터 처리 시험편에 대한 결과와 함께 그림 6에 나타내었다. 최적 조건에서 열처리한 용사재의 경우 앞서 그림 2에 나타냈던 열처리를 실시하지 않은 용사재의 결과와 비교하여 피로 수명의 스캐터링이 크게 감소하였으며 피로 신뢰성도 향상되었다. 또한 용사재의 피로 강도는 모재 및 블라스터 처리 시험편에 비해 피로 강도가 현저히 증가하였으며, 이러한 증가는 코팅층 두께가 증가 할수록 더욱 뚜렷하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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