[논문]STS316 용사코팅의 최적 공정 설계

김균택; 김영식

[국내논문] STS316 용사코팅의 최적 공정 설계
Process Optimization of Thermal-sprayed STS316 Coating 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.24 no.1 = no.92, 2010년, pp.161 - 165

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In the present study, process optimization for thermal-sprayed STS316 coating has been performed using $L_9(3^4)$ orthogonal array and analysis of variance (ANOVA). STS316 coatings were fabricated by flame spray process on steel substrate, and the hardness test and microstructure observation of the coatings were studied. The results of hardness test were analyzed by ANOVA. The ANOVA results showed that the spray distance had the greatest effect on hardness of the coating, on the other hands, the effects of oxygen gas flow and spray distance were ignorable. From these results, the optimal combination of the flame spray parameters could be derived, and confirmation experiment was carried out to verify these derived results. The calculated hardness of the coatings by ANOVA was found to approximately close to that of confirmation experimental result. Thus, it was considered that design of experiments using orthogonal array and ANOVA was effective for process optimization of thermal-sprayed STS316 coating.

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문제 정의

, 2008; Davim, 2003), 아직 국내에서 용사코팅의 최적 공정 설계에 실험계획법을 이용한 사례는 그다지 많지 않다(최경수와 박동화, 1995; 어광준 등, 2007). 이에 본연구는 해양산업 분야에서 방식 및 내캐비테이션용으로 널리 사용되고 있는 STS316 용사코팅의 최적 공정 설계에 관한 기초적 연구로서, 직교배열표를 이용한 실험계획법을 최적 공정 설계에 적용하고 이의 유효성을 입증하였다.
본 연구는 해양산업 분야에서 방식 및 내캐비테이션용으로 널리 사용되고 있는 STS316 용사코팅의 최적 공정 설계에 관한 기초적 연구로서, 직교배열표와 분산분석을 통해 용사코팅의 제어인자들이 경도에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 바탕으로 가장 높은 경도를 나타낼 수 있는 최적 공정 조건을 도출하였다. 또한 최적 공정 조건 하에서의 경도 추정치를 검증실험에 의한 실제의 실험치와 비교·검증함으로서 용사코팅에 있어서 직교배열표를 이용한 실험계획법 적용의 유효성을 입증하였다.

제안 방법

분산분석은 각 인자들의 변동(S)과 자유도(φ) 그리고 불편분산(V)을 계산하고, 불편분산이 가장 낮은 인자를 오차항(E)으로 풀링(Pulling)하여 분산비(F0)를 구해 분산분석표를 작성하였다.
본 연구에서는 STS316 용사코팅층의 품질에 영향을 미치는 인자들중 제어인자로서 산소 유량, 아세틸렌 유량, 분말 송급률 및 용사거리의 4가지를 선정하고 각 인자를 3수준으로 하였다. 각각의 수준은 20%의 차이를 두어 산소 유량의 경우 35, 44 및 53ft³/h, 아세틸렌 유량의 경우 44, 55 및 66ft³/h, 분말 송급률의 경우 24, 30 및 36lb/min, 용사 거리는 160, 200 및 240mm 로 하였다.
본 연구에서는 STS316 용사코팅층의 품질에 영향을 미치는 인자들중 제어인자로서 산소 유량, 아세틸렌 유량, 분말 송급률 및 용사거리의 4가지를 선정하고 각 인자를 3수준으로 하였다. 각각의 수준은 20%의 차이를 두어 산소 유량의 경우 35, 44 및 53ft³/h, 아세틸렌 유량의 경우 44, 55 및 66ft³/h, 분말 송급률의 경우 24, 30 및 36lb/min, 용사 거리는 160, 200 및 240mm 로 하였다. 본 연구의 실험계획에서 사용한 인자와 수준을 Table 2에 정리하여 나타내었다.
본 연구에서는 용사코팅의 특성치로서 경도를 선택하고, 마이크로 비커스 경도시험기(Akashi, MVK-H1)를 사용하여 용사코팅의 단면 미소경도를 측정하였다. 시험조건은 하중 500g, 압입 시간 10sec로 하고 시험편당 15회 경도를 측정하여 그 평균값을 취하였다.
분산분석은 각 인자들의 변동(S)과 자유도(φ) 그리고 불편분산(V)을 계산하고, 불편분산이 가장 낮은 인자를 오차항(E)으로 풀링(Pulling)하여 분산비(F₀)를 구해 분산분석표를 작성하였다. 또한 이 분산분석 결과로부터 최적 공정 조건을 도출하고, 도출된 조건에서의 점추정과 구간추정값을 계산하여 추정구간을 예측하였다. 예측된 추정구간의 유효성을 입증하기 위해 검증실험을 실시하고, 이 값과 분산분석을 통하여 얻은 추정구간을 비교하였다.

대상 데이터

기재로는 5mm 두께의 SS400 강판을 40mm × 20mm로 가공하여 표면을 #23 Al2O3 그릿트로 블라스트 처리 하였고, 초음파 세척기를 사용하여 아세톤으로 청정 처리하였다.
본 실험에서 사용된 용사재료는 Sulzer Metco Co.의 STS316 분말인 Metco 41C로서 Table 1에 그 화학조성을 나타내었다. 기재로는 5mm 두께의 SS400 강판을 40mm × 20mm로 가공하여 표면을 #23 Al₂O₃ 그릿트로 블라스트 처리 하였고, 초음파 세척기를 사용하여 아세톤으로 청정 처리하였다.

데이터처리

본 연구에서는 용사코팅의 특성치로서 경도를 선택하고, 마이크로 비커스 경도시험기(Akashi, MVK-H1)를 사용하여 용사코팅의 단면 미소경도를 측정하였다. 시험조건은 하중 500g, 압입 시간 10sec로 하고 시험편당 15회 경도를 측정하여 그 평균값을 취하였다.
상기와 같이 측정된 STS316 용사코팅의 경도를 바탕으로 분산분석을 실시하였다. 분산분석은 각 인자들의 변동(S)과 자유도(φ) 그리고 불편분산(V)을 계산하고, 불편분산이 가장 낮은 인자를 오차항(E)으로 풀링(Pulling)하여 분산비(F₀)를 구해 분산분석표를 작성하였다.
또한 이 분산분석 결과로부터 최적 공정 조건을 도출하고, 도출된 조건에서의 점추정과 구간추정값을 계산하여 추정구간을 예측하였다. 예측된 추정구간의 유효성을 입증하기 위해 검증실험을 실시하고, 이 값과 분산분석을 통하여 얻은 추정구간을 비교하였다.

이론/모형

용사코팅 장비로는 Sulzer Metco Co.의 flame spray system(6P-II)을 사용하여 실험계획법에 따라 용사코팅 시험편을 제작하였다.

성능/효과

분산분석 결과 산소 유량과 분말 송급량은 다른 두 인자, 아세틸렌 유량 및 용사 거리에 비해 훨씬 작은 불편분산을 나타내었는데, 이것은 용사코팅의 경도에 미치는 산소 유량과 분말 송급량의 영향이 다른 두 인자에 비해서 상대적으로 적다는 것을 의미한다. 따라서 산소 유량과 분말 송급률을 오차항(E)으로 풀링하여 그 결과를 Table 6에 분산분석표로 정리하였다.
이에 의하면 이들 인자가 STS316 용사코팅의 경도에 미치는 영향은 용사거리(D: 46.8%) > 아세틸렌 유량(B: 42.6%) > 송급률(C: 9.1%) > 산소 유량(A: 1.5%)의 순서이며, 아세틸렌 유량(B)과 용사거리(D)의 두 인자들 모두 신뢰도 95% 수준에서 유의한 인자임이 화인되었다.
검증실험 결과 경도는 44.40 Hv로 추정구간 41.61±9.15 Hv을 잘 만족한다.
이 표에 나타낸 각각의 인자들 중에서 경도가 가장 높은 경우를 조합하면 최적 공정 조건을 도출할 수 있다. 본 실험에서의 결과는 A2B1C2D1, 즉 산소 유량 44ft³/h, 아세틸렌 유량 44ft³/h, 분말 송급률 30lb/min, 용사 거리 160mm이었다. 이 최적 공정 조건에서 구한 신뢰도 95% 수준에서의 경도 추정구간은 41.
이상의 분산분석 결과와 미세구조 관찰 결과로부터 STS316 용사코팅의 경도에 영향을 미치는 주요한 인자는 아세틸렌 유량과 용사거리임이 확인 되었으며 이것이 용사코팅의 기공이나 스플랫 형상에도 영향을 미치는 것으로 판단된다.
지금까지 살펴본 바와 같이 직교배열표와 분산분석을 이용하여 검증실험을 포함한 10회의 실험만으로도 STS316 용사코팅의 최적 공정 조건을 도출할 수 있었으며 검증실험의 결과는 추정 구간을 매우 잘 만족한다. 이러한 결과로부터 최적 공정 조건을 도출하는데 직교배열표와 분산분석을 적용하는 것이 매우 효율적임을 알 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이 직교배열표와 분산분석을 이용하여 검증실험을 포함한 10회의 실험만으로도 STS316 용사코팅의 최적 공정 조건을 도출할 수 있었으며 검증실험의 결과는 추정 구간을 매우 잘 만족한다. 이러한 결과로부터 최적 공정 조건을 도출하는데 직교배열표와 분산분석을 적용하는 것이 매우 효율적임을 알 수 있다.
또한 최적 공정 조건 하에서의 경도 추정치를 검증실험에 의한 실제의 실험치와 비교·검증함으로서 용사코팅에 있어서 직교배열표를 이용한 실험계획법 적용의 유효성을 입증하였다.
(1) STS316 용사코팅의 경도에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 용사거리이며, 산소 유량과 분말 송급률은 그 영향이 매우 작다.
(2) 분산분석을 통해 도출한 최적 공정 조건은 산소 유량 44ft³/h, 아세틸렌 유량 44ft³/h, 분말 송급률 30lb/min, 용사 거리 160mm이다. 이 조건 하에서의 경도 추정구간은 41.
(3) STS316 용사코팅의 최적 공정 설계에 있어서 직교배열표를 이용한 실험계획법은 매우 유용하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분산분석을 통해 도출한 STS316 용사코팅의 최적 공정 조건은 어떠한가?	(2) 분산분석을 통해 도출한 최적 공정 조건은 산소 유량 44ft3/h, 아세틸렌 유량 44ft3/h, 분말 송급률 30lb/min, 용사 거리 160mm이다. 이 조건 하에서의 경도 추정구간은 41.
	용사법의 장점은?	, 2004; Dobrzański and Lukaszkowicz, 2004; Li et al., 2004), 이 중에서 용사법은 기재의 종류에 관계없이 다양한 재료의 코팅층을 형성할 수 있으며, 또한 기재의 형상이나 크기의 제약이 적어 많은 산업분야에 적용되고 있다(Ghosh et al., 1998).
	STS316 코팅의 장점은?	, 2008), Lee et al.(2008)은 캐비테이션 방지를 위해 Rudder 외부에 STS316 판을 용접하여 부착하는 것 보다 STS316 용사코팅을 시공하는 것이 훨씬 경제적이고 보수 유지가 용이하다는 연구결과를 발표한 바 있다.

참고문헌 (17)

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표제어: PCR

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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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