[논문]초고속 스핀들의 내구성 향상을 위한 WC-Co 분말의 HVOF 용사 코팅

김길수; 백남기; 윤재홍; 조동율; 윤석조; 오상균; 황순영; 천희곤

[국내논문] 초고속 스핀들의 내구성 향상을 위한 WC-Co 분말의 HVOF 용사 코팅
HVOF Thermal Spray Coating of WC-Co for Durability Improvement of High Speed Spindle 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.39 no.4, 2006년, pp.179 - 189

김길수 (창원대학교 나노신소재 공학부) , 백남기 (창원대학교 나노신소재 공학부) , 윤재홍 (창원대학교 나노신소재 공학부) , 조동율 (창원대학교 나노신소재 공학부) , 윤석조 ((주)써머텍코리아) , 오상균 (대구기계부품연구원) , 황순영 (포항산업과학연구원) , 천희곤 (울산대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

High velocity oxygen fuel(HVOF) thermal spray coating of WC-Co powder is one of the most promising candidate for the replacement of the traditional hard chrome plating and ceramics coating because of the environmental problem of the very toxic $Cr^{6+}$ known as carcinogen and the brittleness of ceramics coating. WC-Co micron and nano powder were coated by HVOF thermal spraying method for the study of durability improvement of the high speed spindle. Coatings were planned by Taguchi program for the four spray parameters of spray distance, flow rates of hydrogen, oxygen and powder feed rate. Optimal coating process was obtained by the studies of coating properties such as porosity, surface roughness, micro hardness, and micro structure. WC-Co micron and nano powder were coated on the Inconel 718 substrate by the optimal coating process obtained in this study. The wear behaviors were studied by the sliding wear tester at room temperature and at an elevated temperature of $500^{\circ}C$ for the application to high speed spindle. Sliding wear test was carried out for four most promising hard coatings of chrome coating, ceramics coatings such as $A1_2O_3,\;Cr_2O_3$ and HVOF Co-alloy T800 for the comparison of their wear behaviors. HVOF WC-Co coating was better than other coatings showing highest micro hardness of 1400 Hv and comparable friction coefficients with others. HVOF WC-Co coating is a strong candidate for the replacement of the traditional hard chrome plating for the high speed spindle.

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문제 정의

경질 크롬도금을 대체할 수 있는 표면 개질 방법으로는 WC, WC-Co 및 Co-alloy 등의 coating이 알려져 있는데&), 본 연구에서는 WC-Co 마이크론 분말과 나노 분말을 HVOF 용사코팅 방법을 이용하여 초고속 스핀들의 표면을 개질함으로써 내열 및 내마모성을 향상시키고자 하였다. 마이크론 크기의 WC-Co 분말은 이미 상용화되어 널리 쓰이고 關). 본 연구에서는 현재 매우 활발하게 연구되고 있는 나노 WC-Co 분말을 사용해서 최적의 코팅 공정을 연구하였다. 또한 제조된 코팅의 특성을 기존의 코팅과 비교 평가하였으며, 고속 회전체의 내구성 향상을 위한 실험의 목적을 가지고 실제 환경과 유사한 형태의 왕복 구동 스라이딩 마모 실험을 통해서 실적용 가능성을 평가하였다.

가설 설정

4. 마찰계수는 상온과 고온 모두에서 나노 WC- Co에서 낮게 나타난다. 나노 WC-Co는 단위 질량 당 표면적이 수십 배 크기 때문에 비행 시 더 많은 열을 흡수한다.
5. 경도는 공정에 따라 약간의 차이는 있으나 나노 WC-Co에서 약간 작게 나타난다. 이는 보다 고온 코팅이 되므로 경도가 낮은 새로운 W2C와 W 상이 보다 많이 생긴 때문이다.

제안 방법

코팅 제조를 위한 분말은 후지미사의 마이크론 WC-12CO 분말과 WWA 사의 나노 WC-12CO 분말을 사용하였다. WC-Co 코팅을 제조하기 위한 공정은 전처리, 용사 그리고 후처리로 하였다. 전처리 과정에서는 시편 모재(Inconel 718)를 아세톤 용액에서 5분간 초음파세척을 한 후 60 Mesh의 Al©로 블라스팅(blasting) 처리를 하여 모재와 용사 층간의 접착력을 증대시키고자 하였다.
본 연구에서는 현재 매우 활발하게 연구되고 있는 나노 WC-Co 분말을 사용해서 최적의 코팅 공정을 연구하였다. 또한 제조된 코팅의 특성을 기존의 코팅과 비교 평가하였으며, 고속 회전체의 내구성 향상을 위한 실험의 목적을 가지고 실제 환경과 유사한 형태의 왕복 구동 스라이딩 마모 실험을 통해서 실적용 가능성을 평가하였다.
마이크론 및 나노 WC-Co 분말 코팅과 일반적으로 내마모용으로 많이 쓰이고 있는 A12O₃, Cr2O₃, Co 합금(T800) 및 Cr 도금표면과의 경도 및 마찰 마모 특성을 비교해 보았다.
전처리 과정에서는 시편 모재(Inconel 718)를 아세톤 용액에서 5분간 초음파세척을 한 후 60 Mesh의 Al©로 블라스팅(blasting) 처리를 하여 모재와 용사 층간의 접착력을 증대시키고자 하였다. 용사 공정에서는 용사조건을 산소와 수소가스 유속, 용사 거리 그리고 분말의 공급속도에 변수를 두고 다 구찌 실험계획법으로 표 1과 같이 9가지의 조건에 대하여 용사코팅을 하였다. 마이크론 분말과 나노 분말의 용사 조건은 각각 1~9의 조건으로 동일하게 하였다.
다(그림 9, 10). 일반적으로 용사거리 증가는 분말의 열에 노출 시간을 증가시키므로 WC의 분해를 증가 시켜 경도를 감소시킬 것으로 사료되며, 분말공급율 증가는 분말에 의한 열의 흡수로 온도를 낮추어 열분해를 감소시키는 효과를 나타내나, 0.1-1 ms의 짧은 비행시간 동안 온도, 압력 및 열에 노출 시간 등에서 고도의 비평형 계를 유지 함으로 Co의 용해, WC 상 분해 등에 대한 이론적인 예측은 불가능하므로 실제 실험 자료를 통하여 최적의 공정을 구하였다.
WC-Co 코팅을 제조하기 위한 공정은 전처리, 용사 그리고 후처리로 하였다. 전처리 과정에서는 시편 모재(Inconel 718)를 아세톤 용액에서 5분간 초음파세척을 한 후 60 Mesh의 Al©로 블라스팅(blasting) 처리를 하여 모재와 용사 층간의 접착력을 증대시키고자 하였다. 용사 공정에서는 용사조건을 산소와 수소가스 유속, 용사 거리 그리고 분말의 공급속도에 변수를 두고 다 구찌 실험계획법으로 표 1과 같이 9가지의 조건에 대하여 용사코팅을 하였다.
초고속 스핀들 표면에서 일어나는 실제의 마찰조건과 유사하게 하기 위하여 상대재로는 직경 9.525 mm인 스테인레스볼(304SS, Hv 227)을 사용하였고, 마찰/마모시험조건은 상온 및 500℃의 고온에서 무 윤활 상태로 거리 2.3 mm, 35 Hz 조건하에서 10N 의 힘을 가해 4분간 마찰/마모가 일어나도록 하였으며, 이때의 마찰계수를 측정하였다. 또한 시험 중에 발생되는 마모 입자는 제거하지 않았다.
코팅층은 광학현미경, 주사전자현미경, XEDS(energy dispersive X-ray spectroscopy) 및 XRD(X-ray diffraction)# 이용하여 미세조직과 조성을 분석하였으며, 경도측정을 한 뒤 상온 및 고온에서 마찰/ 마모시험을 실시하였다. Micro vickers 경도측정기 (hardness tester)로 코팅층 단면의 중심부에서 9회 측정한 평균값으로 경도값을 산출하였으며, 광학현미경을 사용하여 얻은 코팅층의 조직사진을 영상분석기 (image analyzer)를 통해 분석하여 5회의 평균값으로 코팅층의 기공 도를 나타내었다.
코팅층의 마찰/마모 특성은 왕복 구동 방식의 마모시험기(TE77 AUTO, Plint & Partners)로 시험하였다. 초고속 스핀들 표면에서 일어나는 실제의 마찰조건과 유사하게 하기 위하여 상대재로는 직경 9.
시편의 냉각은 공냉으로 외부의 냉각 장치 없이 코팅을 실시하였다. 코팅후처리단계로서 가열확산 열처리를 하였다.

대상 데이터

시편 모재는 binder 층의 코팅 없이도 높은 접착력을 가질 수 있도록 Inconel 718 소재를 사용하였다. 코팅 제조를 위한 분말은 후지미사의 마이크론 WC-12CO 분말과 WWA 사의 나노 WC-12CO 분말을 사용하였다.
코팅 제조를 위한 분말은 후지미사의 마이크론 WC-12CO 분말과 WWA 사의 나노 WC-12CO 분말을 사용하였다. WC-Co 코팅을 제조하기 위한 공정은 전처리, 용사 그리고 후처리로 하였다.

데이터처리

실시하였다. Micro vickers 경도측정기 (hardness tester)로 코팅층 단면의 중심부에서 9회 측정한 평균값으로 경도값을 산출하였으며, 광학현미경을 사용하여 얻은 코팅층의 조직사진을 영상분석기 (image analyzer)를 통해 분석하여 5회의 평균값으로 코팅층의 기공 도를 나타내었다.

성능/효과

1. 마이크론 WC-Co 코팅의 최적 조건은 산소와 수소의 유속이 각각 34-38 FMR오+ 61 FMR이고 용사 거 리는 7 in, 분말 공급율은 35 g/min이 고, 나노 WC-Co 코팅의 최적 조건은 산소와 수소의 유속이 각각 38 FMR와 57 FMR이고 용사거리는 6 in, 분말 공급율은 25 g/min이다.
2. 마이크론과 나노 WC-Co 분말은 SEM(scanning electron microscope)과 XRD에서 모두 WC 상이 Co 기지에 쌓여 있음을 보여 주며코팅 면은면은 용융 후 급냉된 비정질 Co 기지 속에 WC와 일부 열분해로 생성된 WK와 W을 보여주고 있다.
3. 마찰계수는 마이크론과 나노 모두에서 상온에서 보다 고온(500℃)에서 높게 나타났다. 이는 고온에서는 주로 부착 마모 메커니즘에 의한 마모가 발생하기 때문이다.
6. 마이크론과 나노 WC-Co 고속 용사 크팅은 다른 재료의 코팅보다 내 마모 코팅으로 우수하므로 고속회전체의 내구성 향상을 위한 표면 코팅으로 적합하다.
각 조건에서의 코팅층의 경도 차이는 크지 않았으며, 마이크론 분말과 나노 분말의 경우도 경도값의 큰 차이는 나타나지 않았다. 마이크론 분말의 경우 산소 38FMR, 수소 61 FMR, 용사 거리 6~7 in, 분말공급율 35 g/min일 때 가장 높은 경도값을 나타냈다.
일반적으로 재료의 경도는 내마모성에 주로 영향을 미치며, 재료의 미세구조와 연성도 마모과정에서 중요한 역할을 한다고 보고되고있다9心. 본 실험 조건에서 마찰시험 초기에는 WC 를 감싸고 있는 WC에 비하여 경도가 작고 용융점이 1485-1505℃로 낮은 Co가 산화마모와 연마마모 (abrasive wear)에 의하여 먼저 마모되면서 취성이강한 CoO, CO₃O₄ 등 코발트 산화물 분말이 마모되어 W4) 고체, 부분 액체 및 액체 윤활제 역할을 하므로 고온에서 마찰계수가 감소할 것으로 예측되나, 곧 경도가 크고 용융점이 2710-2720℃로 높고 내산화성이 강한 세라믹 WC의 돌출부(표면적의 1% 이하)가 상대재 304SS와 고압력으로 접하게 되고, 고온과 고압에서 이들 작은 접촉점들은 분자간 및 원자간 인력이 증가하여 강한 화학적 흡착 혹은 화학결합을. 하거】 되며, 또한 고온에서 두 표면의 접촉점 간 Co-Fe와 Co-Cr의 상호 확산과 용해 (Large mutual solubility) 및 1500℃ 이상으로 국부적으로 가열된 부분의 용융과 응고 과정에서 국부적 용접이 발생하여 부착마모(Adhesive wear)가 일어나기 때문에 마찰계수가 증가하는 것으로 사료된다.
코팅 과정의 열 영향을 알아보기 위한 코팅층 XRD 분석결과 분말 상태에서 나타나지 않았던 WQ와 W가 코팅 시 화염 온도에 의해 약간의 WC의 상분 해로 나타났다. 분말 상태에서 결정상으로 나타났던 Co상은 용사과정에서 고온으로 가열된 후 1渺 K/s 이상의 속도로 급냉되어 Co 상은 비정질 상윽로 존재하고 있다.

참고문헌 (14)

B. D. Sartwel et al., HVOF Thermal Spray coatings Replace Hard Chrome, http://www.jgpp.com/pubIications/articles/hvofarti.pdf (2006)
B. M. Kim, S. Y. Hwang, H. S. Choi, C. H. Lee, J. Kor. Inst. Met. & Mater., 41 (2003) 695

상세보기
E. P. Song, J. H. Ahn, S. H. Lee, N. J. Kim, J. Kor. Inst. Met. & Mater., 43 (2005) 438
S. Y. Park, C. G. Park, J. Kor. Inst. Met. & Mater., 42 (2004) 582
H. M. Kim et al., J. Kor. Inst. Met. & Mater., 38 (2000) 125
B. D. Sartwell et al., Validation of HVOF WC/Co Thermal Spray Coatings as a Replacement for Hard Chrome Plating on Aircraft Landing Gear, Naval Research Laboratory Report Number NRL/MR/6170-04-8762, April 2004
B. D. Sartwell, K. Legg, B. Bodger, HVOF Thermal Spray Coatings as an Alternative to Hard Chrome Plating on Military & Commercial Aircraft, AESF/ EPA Conference for Environmental Excellence, 231 (1999), USA
JG-PP, Joint Group on Pollution Prevention, http://www.jg-pp.com (2005). http://www.dualranksb.com/services3.html (2004)
B. Hwang, J. Ahn, S. Lee, Metall. Mater. Trans., 33A (2002) 2933
J. R. Davis, Handbook of Thermal Spray Technology, ASM International, USA (2004)
ASM Handbook, Vol. 18, Friction, Lubrication and Wear Technology
D. A. Rigney, Fundamentals of Friction and Wear of Materials, ASM Materials Science Seminar, Pittsburgh, PA (1981)
F. A. Cotton, G. Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry 5th ed. Wiley Interscience, USA (1988)
T. Y. Cho et al., 2006 Spring Conf., Korea Machine Tool (2006) 291-296

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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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