[논문]해양환경 하에서 Ni-Cr계 자용성 합금 코팅된 ALBC3 합금의 캐비테이션 특성 평가

이승준; 김성종

doi:10.7837/kosomes.2013.19.5.538

해양환경 하에서 Ni-Cr계 자용성 합금 코팅된 ALBC3 합금의 캐비테이션 특성 평가
Evaluation of Cavitation Characteristics for ALBC3 Alloy Coated with Ni-Cr Series Self Fluxing Alloy in Marine Environment 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.19 no.5 = no.58, 2013년, pp.538 - 544

이승준 (목포해양대학교 기관시스템공학부) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 ALBC3 합금에 Ni기 자용성 합금으로 내마모성 및 내캐비테이션 특성을 향상시키기 위하여 용사코팅 후 열처리를 실시하여 캐비테이션 특성을 평가하였다. 본 연구 결과, 자용성 합금 코팅층이 높은 경도를 나타내어 내마모성이 우수할 것으로 판단되나, 다공질의 조직으로 인해 열악한 내캐비테이션 특성을 나타냈다. 따라서 열처리 조건의 최적화가 중요하며, 본 조건에서는 열처리 온도를 높여 자용성 합금 내 B와 Si의 유동성을 증가시킴으로써 기공이나 결함을 제거하여 특성개선 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, cavitation characteristics of a thermal spray coating were evaluated in order to improve durability and cavitation resistance. For a coating material, a Ni-based self-fluxing alloy was thermal-sprayed over a ALBC3 alloy substrate and subsequently modified by heat treatment.The resulted self-fluxing coating layer had relatively high hardness compared to the base material, and thus would be expected to exhibit good durability. However, the cavitation characteristics were deteriorated due to the intrinsic porous structure of the coating. Therefore, it is essential to optimize heat treatment condition during thermal spraying coating process for self-fluxing alloy, and in this research the increase in heat treatment temperature is thought to increase the fluidity of B and Si in the self-fluxing alloy and to remove pores or defects, leading to the characteristics enhancement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2007). 따라서 본 연구에서는 ALBC3 합금에 Ni기 자용성 합금으로 용사코팅 후 열처리를 실시하여 캐비테이션 특성을 평가하였다.
이는 코팅층의 높은 경도로 내마모성은 우수할 것으로 판단되나, 다공질의조직으로 인해 내캐비테이션 특성에 악영향을 미친 것으로 판단된다. 열처리를 통한 재용융 과정은 코팅층 치밀화와 계면의 야금학적 결합을 통한 내마모성 및 내캐비테이션 특성 향상이 목적이다. 따라서 열처리 조건의 최적화가 중요하며, 본 조건에서는 열처리 온도를 높여 자용성 합금 내 B 와 Si의 유동성을 증가시킴으로써 기공이나 결함을 제거하여 특성개선 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

제안 방법

ALBC3 합금에 Ni기 자용성 합금으로 용사코팅 후 열처리를 실시하여 해수 내 캐비테이션 실험 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 매 실험시 용액을 교체하여 탈리된 입자에 의한 시편의 손상을 최소화하였다. 그리고 실험 시작 전과 종료 후 초음파 세척기로 시험편을 세척하여 진공건조기에서 72시간 동안 건조시킨 후, 캐비테이션에 의한 표면 손상 정도를 무게 감소량과 손상율로 평가하였다. 또한 시간 경과에 따른 손상정도를 미시적으로 분석/평가하기 위하여 주사전자현미경과 3차원 광학현미경을 이용해 표면의 손상거동을 상호 비교, 분석하였다.
셀은 전기화학적 부식의 영향을 피하기 위해 아크릴로 제작하였으며, 용액은 천연해수를 사용하여 20 ℃로 유지하였다. 또한 매 실험시 용액을 교체하여 탈리된 입자에 의한 시편의 손상을 최소화하였다. 그리고 실험 시작 전과 종료 후 초음파 세척기로 시험편을 세척하여 진공건조기에서 72시간 동안 건조시킨 후, 캐비테이션에 의한 표면 손상 정도를 무게 감소량과 손상율로 평가하였다.
그리고 실험 시작 전과 종료 후 초음파 세척기로 시험편을 세척하여 진공건조기에서 72시간 동안 건조시킨 후, 캐비테이션에 의한 표면 손상 정도를 무게 감소량과 손상율로 평가하였다. 또한 시간 경과에 따른 손상정도를 미시적으로 분석/평가하기 위하여 주사전자현미경과 3차원 광학현미경을 이용해 표면의 손상거동을 상호 비교, 분석하였다.
시험편 제작 시 코팅층 특성 개선을 목적으로 1000 ℃에서 30분 동안 열처리 후 노냉하였다. 코팅층의 횡단면은 광학현미경으로 관찰하였으며, 마이크로 비커스 경도계(HMV-112, Akashi, Japan)를 이용하여 100 gf 로 5초 동안 하중을 인가하여 측면 경도를 측정하였다. 캐비테이션 실험은 압전효과를 이용한 진동발생 장치를 사용하였으며, 대향형 진동법으로 실험을 실시하였다.

대상 데이터

이는 60 Hz, 220 V의 전력이 전자회로를 거쳐 20 KHz의 정격 출력으로 증폭 되며, 진폭은 정진폭 자동제어 방식으로 30 를 유지하였다. 혼 팁은 Ti합금을 사용하였으며, 시편은 혼에 대향하도록 거치대에 고정하고 1 mm의 간격을 유지하였다. 셀은 전기화학적 부식의 영향을 피하기 위해 아크릴로 제작하였으며, 용액은 천연해수를 사용하여 20 ℃로 유지하였다.

이론/모형

코팅층의 횡단면은 광학현미경으로 관찰하였으며, 마이크로 비커스 경도계(HMV-112, Akashi, Japan)를 이용하여 100 gf 로 5초 동안 하중을 인가하여 측면 경도를 측정하였다. 캐비테이션 실험은 압전효과를 이용한 진동발생 장치를 사용하였으며, 대향형 진동법으로 실험을 실시하였다. 이는 60 Hz, 220 V의 전력이 전자회로를 거쳐 20 KHz의 정격 출력으로 증폭 되며, 진폭은 정진폭 자동제어 방식으로 30 를 유지하였다.

성능/효과

1은 ALBC3 합금과 Ni기 자용성 합금 코팅층의 횡단면 사진과 마이크로 비커스 경도 측정 결과를 나타낸 것이다. ALBC3 합금은 평균 156 Hv를 나타낸 반면, 코팅층은 평균 450Hv로 주조재인 모재보다 3배 정도 높은 값을 나타냈다. 이러한 경도 측정을 통해 재료의 물리적 외력에 대한 저항성을 유추할 수 있으며(Kwok et al.
단면분석에서도 6시간까지 피트의 손상깊이와 면적이 커지는 것을 알 수 있으며, 이후 10시간부터는 동일한 과정으로 다수의 크레이터형 피트가 발생하고 꾸준히 성장하는 것을 관찰할 수 있다. 결과적으로 시간이 경과함에 따라 최대손상깊이는 증가하였으나, 피트의 평탄화 과정과 깊이방향으로의 성장 속도가 복합적으로 작용하여 최대손상깊이의 증가율에 영향을 준 것으로 판단된다.
따라서 이러한 충격파나 마이크로 제트가 시편 표면에 충돌하면서 내부응력이 발생하고, 이 응력이 어느 한계치를 초과하면 손상이 발생한다. 두 경우 모두 실험시간이 경과하면서 시편에 전달되는 에너지 총량 증가로 표면손상이 증대되었다. 전체적인 손상 과정은 초기에 생성된 캐비티가 모재 표면에 충돌하여 압축 잔류응력을 형성시켜 소성변형을 일으킨다.
반면 10시간에는 거칠어진 표면과 함께 작은 피트들이 관찰되었다. 또한 15시간에는 피트의 수와 크기가 증가하면서 손상부가 뚜렷해지고 넓어져 육안으로도 현저한 피트가 관찰되었다. 반면 코팅층은 실험 초기부터 거친 표면이 관찰되었으며, 시간이 경과할수록 손상이 크고 깊어지는 것을 알 수 있다.
일반적으로 캐비테이션 저항성은 냉각속도와 산화물/화합물의 생성, 코팅층 치밀도와 기공 등의 영향을 크게 받는다(Münsterer and Kohlhof, 1995). 본 실험에서는 Ni, Cr, Mo 등 고경도 원소 첨가로 합금 자체의 경도는 ALBC3 합금보다 높게 측정되었다. 그러나 코팅층 내 기공이나 결함으로 인해 계속되는 캐비티 충격 시 입자(particle)가 아닌 하나의 덩어리(mass)를 이루며 탈리되어 손상이 크게 나타났으며, 계면에서의 결합력 약화에 기인한 것으로 판단된다.
따라서 시간 경과에 따라 물리적 외력이 누적되어 손상이 증가하지만, 재질이나 표면 상태에 따라 증가율에 차이를 나타낸다. 실험 종료 시 ALBC3 합금은 0.0191 g의 무게감소량을 나타낸 반면, 코팅층은 0.0249 g을 나타내 모재에 비해 30 % 정도 높은 무게감소량을 나타냈다. 손상율 관찰에서 ALBC3 합금은 3시간까지 축적된 압축잔류응력으로 인한 일시적 경도 증가로 캐비테이션에 대한 저항성이 향상되어 손상율이 낮게 측정되었다(Lee et al.
코팅층의 경우 1시간부터 소성변형과 함께 다수의 피트가 관찰되었으며, 시간이 경과할수록 피트 수와 크기가 증가하여 15시간에는 표면층이 모두 제거되고 매우 불규칙한 형상이 관찰되었다. 전체적으로 ALBC3 합금이 전체적으로 미세입자 탈리가 주를 이룬 반면, 코팅층은 상대적으로 결합력이 약한 계면에서 집중적으로 탈리가 진행된 것으로 판단된다.
반면 코팅층은 실험 초기부터 거친 표면이 관찰되었으며, 시간이 경과할수록 손상이 크고 깊어지는 것을 알 수 있다. 전체적으로 실험 시간 증가에 따라 초음파에 의해 형성된 캐비티가 증가하면서 시험편에 가해지는 에너지가 누적되어 손상량이 증가하였다. 캐비테이션 침식은 기포붕괴에 따른 반복적인 충격하중에 의해 발생하기 때문에 피로파괴 현상으로 알려져 있다(Bae et al.
4는 ALBC3 합금과 Ni기 자용성 합금 코팅층에 대한 캐비테이션 실험 후 무게감소량과 손상율을 나타낸 것이다. 정도의 차이는 있으나 전체적으로 시간 변화에 따라 무게감소량이 지속적으로 증가하는 경향을 나타냈다. 이와 같은 침식 손상은 액체의 제트 또는 액적이 고체 표면에 직접 충돌하여 발생하는 충격 침식과 기포 붕괴에 따른 충격압으로 인한 캐비테이션 침식이 동시에 발생한다.
코팅층이 높은 경도를 나타냈음에도 불구하고 모든 조건에서 ALBC3 합금보다 큰 손상이 관찰되었다. 이는 코팅층의 높은 경도로 내마모성은 우수할 것으로 판단되나, 다공질의조직으로 인해 내캐비테이션 특성에 악영향을 미친 것으로 판단된다.

후속연구

열처리를 통한 재용융 과정은 코팅층 치밀화와 계면의 야금학적 결합을 통한 내마모성 및 내캐비테이션 특성 향상이 목적이다. 따라서 열처리 조건의 최적화가 중요하며, 본 조건에서는 열처리 온도를 높여 자용성 합금 내 B 와 Si의 유동성을 증가시킴으로써 기공이나 결함을 제거하여 특성개선 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용사기술 중 코팅층 내 기공과 산화물은 어떤 문제를 일으키는가?	, 1991). 그러나 코팅층 내에 필연적으로 포함되어 있는 기공과 산화물이 입자간 결합강도, 모재와의 접착강도 및 내마모성을 저하시킨다. 또한 부식성 환경에서는 코팅층 부식에 의한 박리로 모재 손상을 유발하기도 한다. 따라서 코팅층 성능 개선을 위한 후처리 공정이 반드시 필요하며, 이러한 방법으로 Ni-Cr기 자용성 합금 코팅층을 열처리하면 저융점의 고용체가 계면에 확산층을 형성하여 밀착강도가 향상되고, 조직간 야금적 결합을 가능하게 한다(Kim et al.
	동합금은 어떤 특성으로 어디에 사용되는가?	동합금은 내식성과 가공성이 우수하고 다양한 열처리를 통한 특성개선이 용이하여 해양산업분야에 널리 사용된다. 그러나 우수한 특성에도 불구하고 회전체 구성 재료로 사용될 경우 캐비테이션 침식에 의한 손상으로 실제 현장에서 수명이 단축되는 사고가 빈번하게 발생하고 있다(Shalaby et al.
	Ni-Cr기 자용성 합금 코팅층의 후처리 공정은 무엇을 향상시키는가?	또한 부식성 환경에서는 코팅층 부식에 의한 박리로 모재 손상을 유발하기도 한다. 따라서 코팅층 성능 개선을 위한 후처리 공정이 반드시 필요하며, 이러한 방법으로 Ni-Cr기 자용성 합금 코팅층을 열처리하면 저융점의 고용체가 계면에 확산층을 형성하여 밀착강도가 향상되고, 조직간 야금적 결합을 가능하게 한다(Kim et al., 2007).

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