[논문]고온, 마모 및 부식환경에 적용가능한 Al2O3, Cr2O3, WC-Ni 및 크로마이징 코팅층의 기계적 특성 평가

조희근

doi:10.7735/ksmte.2013.22.6.895

고온, 마모 및 부식환경에 적용가능한 Al2O3, Cr2O3, WC-Ni 및 크로마이징 코팅층의 기계적 특성 평가
Characteristics of Al2O3, Cr2O3, WC-Ni, and Chromizing Surface Coatingsunder Environment with HighTemperature, Wear, and Corrosion 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.22 no.6, 2013년, pp.895 - 900

조희근 (Department of Mechanical Engineering Education, Andong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Several plasma spray and metallurgical surface coatings such as $Al_2O_3$, $Cr_2O_3$, WC-Ni, and chromizing coating have been examined for their application in environments with high temperature, wear, and corrosion. The chromizing coating is different from others coatings in the manufacturing process the surface. These coatings' characteristics were tested experimentally, and the results were compared. WC-Ni shows good performance against thermal barrier, wear, and corrosion and is one of the best candidates for the environment considered herein. These coatings were studied for their application in the steel manufacturing industry. The most commonly required functions in this industry are thermal and wear resistance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 산업기계에서 가장 많이 요구되는 기계적 성질은 내마모성, 내열성, 내충격성, 산화 등이다. 본 연구에서 저비용으로 최대 700℃정도의 환경에서 사용할 수 있는 내열성, 그리고 초속 10 m 정도의 송풍 바람에 실려 있는 모래에 의한 마모, 그리고 부식 등에 내구성을 가지는 코팅재료에 대하여 그 성능을 검증하였다. 이러한 환경은 제철공장의 예비처리 과정중 분말광을 소결하는 공정에 사용되는 부품에 적용하기 위한 것이다.
물리적, 화학적 성질이 다르고 또한 기계적 강도가 서로 다른 재료의 두께를 일정하게 하는 것은, 개별적인 성능 특성 및 코팅층과 비코팅층의 정성적 분석에는 큰 의미가 없다. 본 연구에서는 각 재료의 특성 및 코팅된 면과 코팅되지 않은 면의 표면적 특성을 분석하는데 중점을 두었다. 코팅층의 두께에 따라 내마모, 충격, 열 차단 등의 성능 수준이 틀리다.
본 연구에서는 제철공장의 제련과정에 사용되는 부품에 적용하기 위하여 최대 700℃정도의 고온에서 장기적으로 사용이 가능하면서 내마모 및 부식에 대한 내구성을 가지는 표면 코팅 층에 대한 특성을 분석하였다. 현재까지 열차폐 코팅(thermal barrier coating: TBC)에 대한 재료 및 방법에 대한 연구가 많이 수행되었으며 높은 고온에서의 지속적인 기계적 특성을 나타내는 재료들 도 많이 알려졌다^[3-5].
샌드블라스트 시험은 코팅층 표면의 탈락 정도를 정성적으로 파악하기 위하여 수행되었다. 미세한 모래입자를 고압으로 표면에 분사하여 표면 박막에 입자의 충돌에 의한 손상 정도를 평가하였다.
그 대표적인 것이 ZrO₂, Y₂O₃, Al₂O₃ 등이다. 특히 본 연구에서는 이러한 특성을 가지면서도 실제 현장에서 적용하는데 큰 장점으로 작용할 수 있는 제작비용 문제를 동시에 고려하였다. 비교적 저렴하면서도 고내열성, 내마모성, 부식 등에 대하여 우수한 기계적, 화학적 성질을 가지는 재료인 Al₂O₃^[5-6], Cr₂O₃^[7,8], WC-Ni^[9-11] 및 크로마이징^[12,13]에 대하여 그 특성을 평가하고 적용가능성을 평가하였다.

제안 방법

Al₂O₃, Cr₂O₃, WC-Ni 및 크로마이징의 특성을 평가하기 위하여 표면층의 현미경촬영, 경도시험, 고온내마모시험, 샌드블라스트 시험, 열충격시험, 염수분무시험 등의 시험을 수행 하였다.
경도 시험은 꼭지각이 136°인 사각뿔 다이아몬드 압입자를 사용한 비커스 경도를 측정하였다.
Table 5에 샌드블라스트의 결과를 나타내었다. 동일한 직육면체의 시편에 대하여 시험을 수행하였고 시험후 50배의 배율로 관찰한 결과를 제시하였다. 샌드블라스트의 시험에 의한 표면손실율은 시각적인 측정에 의해 대략 다음과 같다.
고온내마모 시험은 한국산업기술시험원에서 ASTM G99-05의 방식에 의해서 시험을 수행하였다. 디스크 형태의 원판에 핀으로 압력을 가하고 회전을 시켜서 상대적인 마모량을 측정하였다. 시편의 온도는 150℃, 원판의 회전속도는 100 rpm, 선속도 236 mm/sec, 하중 90 N의 상태에서 시험이 수행되었다.
용사 코팅 및 크로마이징된 금속의 표면과 코팅이 전혀 되지 않은 상태의 표면과의 상대적인 마모량을 측정한다. 마모량은 마모깊이 및 마모되어서 손실되는 질량을 측정하여 두 가지 방법으로 측정하였다. Table 3에 마모시험의 전과 후의 시편의 상태를 나타내었다.
샌드블라스트 시험은 코팅층 표면의 탈락 정도를 정성적으로 파악하기 위하여 수행되었다. 미세한 모래입자를 고압으로 표면에 분사하여 표면 박막에 입자의 충돌에 의한 손상 정도를 평가하였다. 시험에서 고압 노즐 모래 분사 노출 시간은 120초로 하였으며, 같은 압력으로 동일한 조건에서 시험이 수행되었다.
코팅층의 또 다른 역할은 부식방지에 대한 내구성을 가지는 것이다. 본 연구에서는 각 코팅 시편에 동일하게 염수분무 시험을 하였다. 부식은 다양한 환경조건에서 발생하게 된다.
특히 본 연구에서는 이러한 특성을 가지면서도 실제 현장에서 적용하는데 큰 장점으로 작용할 수 있는 제작비용 문제를 동시에 고려하였다. 비교적 저렴하면서도 고내열성, 내마모성, 부식 등에 대하여 우수한 기계적, 화학적 성질을 가지는 재료인 Al₂O₃^[5-6], Cr₂O₃^[7,8], WC-Ni^[9-11] 및 크로마이징^[12,13]에 대하여 그 특성을 평가하고 적용가능성을 평가하였다.
산업현장에서 최대 약 700℃의 온도와 지름 약 6 mm 이하의 입자충돌에 의한 마모, 부식 등의 환경에서 사용되는 제철공장의 부품에 적용하기 위해 몇 가지 표면코팅에 대해서 그 특성을 분석하였다. 용사에 의한 Al₂O₃, Cr₂O₃, WC-Ni 및 금속확산 코팅인크로마이징 네 가지 코팅에 대해서 경도, 고온 내마모, 표면 현미경 사진, 샌드블라스트, 열충격, 염수 분무시험을 수행하였다.
미세한 모래입자를 고압으로 표면에 분사하여 표면 박막에 입자의 충돌에 의한 손상 정도를 평가하였다. 시험에서 고압 노즐 모래 분사 노출 시간은 120초로 하였으며, 같은 압력으로 동일한 조건에서 시험이 수행되었다.
열충격시험은 코팅 시료에 가열 급랭하는 열충격을 가해 도금의 밀착성을 조사하는 방법으로 KS D 0254에 규정되어 있다. 시험은 대구부품시험연구원에서 수행하였으며 금속시편을 고온에서 저온으로 온도변화를 주어 금속의 박막 변화를 관찰하였다. 열 사이클은 200℃에서 30분간 유지이후 –60℃에서 30분간 유지하는 사이클이다.
시험을 수행함에 있어서는 표면코팅을 한 것과 코팅을 하지 않은 것을 동일한 조건에서 시험하여 그 성능을 서로 비교하였다. 플라즈마 용사에 의해서 코팅 층을 형성하는 방법은 Fig.
용사 코팅 및 크로마이징된 금속의 표면과 코팅이 전혀 되지 않은 상태의 표면과의 상대적인 마모량을 측정한다. 마모량은 마모깊이 및 마모되어서 손실되는 질량을 측정하여 두 가지 방법으로 측정하였다.
산업현장에서 최대 약 700℃의 온도와 지름 약 6 mm 이하의 입자충돌에 의한 마모, 부식 등의 환경에서 사용되는 제철공장의 부품에 적용하기 위해 몇 가지 표면코팅에 대해서 그 특성을 분석하였다. 용사에 의한 Al₂O₃, Cr₂O₃, WC-Ni 및 금속확산 코팅인크로마이징 네 가지 코팅에 대해서 경도, 고온 내마모, 표면 현미경 사진, 샌드블라스트, 열충격, 염수 분무시험을 수행하였다. 네 가지 코팅 모두 전반적으로 매우 우수한 특성을 나타내었다.
소결되는 철광석의 밑부분을 바치고 있는 그레이트바(great bar)는 최대 700℃ 정도의 내열성, 내마모성, 내산화성 및 기본적인 강도 등의 기계적 성질을 요구한다. 이 그레이트바에 적용하기 위해, 저비용의 코팅 재료 중에서 실제 작업환경에서 내구성을 가지기 위해 필요한 특성을 만족시키는 몇 가지 재료에 대해서 그 특성을 분석 하였다.
온도 구배량이 ∇T = 260℃ 이다. 총 24사이클을 시험하였고 코팅층의 내열충격성을 시험하였다.
특별한 성분이 함유된 가스, 유체, 고체 성분 등 매우 다양한 성분과 접촉했을 때 장기간에 걸쳐서 진행 된다. 하지만 본 연구에서는 금속에 있어서 가장 일반적이고 빠른 시간에 상대적인 부식의 정도를 파악할 수 있는 염수 분무 시험을 수행하였다.
현장 적용성 검토를 위한 예비시험으로써 경도시험, 고온내마모 시험, 샌드블라스트 시험, 열충격시험, 염수분무시험 등을 수행하였다.

대상 데이터

이러한 환경에 적합하면서도 저렴한 코팅으로 적용가능성이 높은 후보군으로 Al₂O₃, Cr₂O₃, WC-Ni 및 크로마이징이 선택되었다. 모재는 크롬이 약 28% 정도 포함된 고크롬 내열강이다.
Table 3에 마모시험의 전과 후의 시편의 상태를 나타내었다. 시편은 동일한 사이즈 및 재료(모재: 고크롬강)로 제작되었다.
4는 플라즈마 용사 코팅한 재료의 단면과 크로마이징한 표면 금속 조직을 나타낸다. 용사 층의 두께는 각각 Al₂O₃ 0.59 mm, Cr₂O₃ 0.34 mm, WC-Ni 0.16 mm로 하였다. 물리적, 화학적 성질이 다르고 또한 기계적 강도가 서로 다른 재료의 두께를 일정하게 하는 것은, 개별적인 성능 특성 및 코팅층과 비코팅층의 정성적 분석에는 큰 의미가 없다.
고온에서 송풍이 발생함으로써 고온산화가 발생한다. 이러한 환경에 적합하면서도 저렴한 코팅으로 적용가능성이 높은 후보군으로 Al₂O₃, Cr₂O₃, WC-Ni 및 크로마이징이 선택되었다. 모재는 크롬이 약 28% 정도 포함된 고크롬 내열강이다.
이러한 환경은 제철공장의 예비처리 과정중 분말광을 소결하는 공정에 사용되는 부품에 적용하기 위한 것이다. 저비용으로 적용하기 위한 후보군으로 선택된 재료는 Al₂O₃, Cr₂O₃, WC-Ni 그리고 크롬에 의한 금속 확산 코팅 이다. 각 재료에 의해 형성된 코팅 층의 특징은 다음과 같다.

데이터처리

경도 시험은 꼭지각이 136°인 사각뿔 다이아몬드 압입자를 사용한 비커스 경도를 측정하였다. 총 5회 측정 하여 평균값을 구하였다. 하중은 20 kgf 지속시간은 15초로 하였다.

이론/모형

고온내마모 시험은 한국산업기술시험원에서 ASTM G99-05의 방식에 의해서 시험을 수행하였다. 디스크 형태의 원판에 핀으로 압력을 가하고 회전을 시켜서 상대적인 마모량을 측정하였다.

성능/효과

용사에 의한 Al₂O₃, Cr₂O₃, WC-Ni 및 금속확산 코팅인크로마이징 네 가지 코팅에 대해서 경도, 고온 내마모, 표면 현미경 사진, 샌드블라스트, 열충격, 염수 분무시험을 수행하였다. 네 가지 코팅 모두 전반적으로 매우 우수한 특성을 나타내었다. 고온 내마모 시험에서는 특히 크로마이징과 WC-Ni 코팅이 매우 우수하였고, 부식에서는 Al₂O₃ 코팅이 특히 우수하였다.
다른 네 종류는 부식의 정도가 아주 작게 나타났다. 따라서 코팅막의 형성이 부식에 상당한 내구성이 있음을 확인하였다.
샌드블라스트의 시험에 의한 표면손실율은 시각적인 측정에 의해 대략 다음과 같다. 비코팅층의 경우는 완전하게 100% 표면 손실이 일어났고, 크로마이징의 경우는 대략 5%, Al₂O₃는 약 50%, Cr₂O₃의 경우는 약 80%, WC-Ni는 표면손상이 거의 발생하지 않았다. 샌드 블라스트 시험에서는 크로마이징 한 시편의 성능이 좋게 나타났다.

후속연구

제작 비용 면에서는 Al₂O₃ 가 가장 저렴하였다. 따라서 실험을 통하여 규명된 특성을 활용하여 산업현장에서 필요로하는 가격 및 특성에 맞게 적절히 적용이 가능할 것이다.
본 연구에서 규명된 코팅의 종류 및 특징은 유사한 환경조건에서 최적의 코팅 후보군을 선택하거나 코팅의 특성을 활용하는데 있어서 훌륭한 기술적 자료가 될 수 있다.
코팅층의 두께에 따라 내마모, 충격, 열 차단 등의 성능 수준이 틀리다. 이러한 두께의 변수는 매우 복잡하게 나타나므로 차후 연구에서 분석하기로 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용사 코팅의 장점은 무엇인가?	금속의 표면에 코팅층을 형성하기 위하며 특별한 금속 및 세라믹을 금속의 표면에 만들어 주는 용사는 그 모제의 제한이 적고 응용분야가 다양하여 많이 사용되고 있다. 특히 용사 코팅의 장점으로는 모재에 열변형 등을 일으키지 않으며 매우 효과적이고 경제적으로 코팅을 할 수 있는 장점이 있다[1,2]. 그러나 용사는 코팅층이 극한 환경에서 탈락하기 쉽고 외부의 힘 및 충격에 의하여 손상을 입을 가능성이 크다.
	충격이 심한 표면층에 대해서는 금속 확산코팅이 널리 사용되는 이유는?	반면에 금속 확산코팅은 아주 고온에서 이루어지며 원자단위에서 금속의 확산에 의해서 접합하기 때문에 코팅 층 표면의 강성이 매우 좋다. 따라서 충격이 심한 표면층에 대해서 는 금속 확산 코팅이 널리 활용되고 있다.
	코팅층의 기계적 특성에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 무엇인가?	코팅층의 기계적 특성은 코팅재료, 모재재료, 방법, 후처리 등 다양한 변수에 의해서 좌우된다. 그중에서도 가장 중요한 것은 코팅재료의 선택이다. 일반적으로 산업기계에서 가장 많이 요구되는 기계적 성질은 내마모성, 내열성, 내충격성, 산화 등이다.

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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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