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문제 정의
- 본 연구에서는 스텔라이트#6 Co 기반 합금과 테크노라세40s (WC+NiCr)분말을 혼합하여, 레이저클래딩을 실시하였을 때, 코팅층에 나타나는 균열의 생성 거동 및 조건 변화에 따른 균열의 발생 양상에 대하여 조사하였다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 스텔라이트#6 (stellite#6)과 테크노라세40s (technolase40s)혼합 분말을 레이저클래딩을 통해 적층시켜, 코팅층 내에 발생하는 균열의 발생거동을 분석하였다. 또한 레이저 출력, 조사속도, 분말공급량 등의 공정변수를 변화시키면서 각 공정조건에 따른 균열의 발생 양상을 관찰하였고, 각 요소들이 균열발생에 미치는 영향을 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 스텔라이트#6 (stellite#6)과 테크노라세40s (technolase40s)혼합 분말을 레이저클래딩을 통해 적층시켜, 코팅층 내에 발생하는 균열의 발생거동을 분석하였다. 또한 레이저 출력, 조사속도, 분말공급량 등의 공정변수를 변화시키면서 각 공정조건에 따른 균열의 발생 양상을 관찰하였고, 각 요소들이 균열발생에 미치는 영향을 분석하였다.
- 시편의 성분분석에는 에너지 분산 분광기 (energy dispersive spectroscopy, EDS, Thermo NORAN System 7)를 이용하였다. 또한 코팅층 내 균열을 개방하여 SEM을 통해 파면을 관찰하였다.
- 2는 레이저클래딩 실험을 도식적으로 나타낸 것이다. 레이저는 다이오드레이저 (diode laser)를 사용하였으며, 레이저 출력 (laser power), 조사속도 (scan speed), 분말 공급량 (feeding rate)의 세 가지 공정 조건을 변화시켜 실험하였다. 이 때, 레이저 출력은 Table 2에 나타나있는 것과 같이 1100 W를 기준으로 ±200 W간격으로 설정하였고, 조사속도는 5, 8, 11 mm/s, 분말 공급량은 6, 10, 14 g/min으로 변화를 주었다.
- 3) 코팅층의 균열은 레이저출력, 조사속도, 분말공급량의 증가에 따라 발생량이 상승하는 양상을 나타내었다. 레이저출력의 증가는 WC의 탈탄반응에 코팅층 내 기공 발생을 증가시켜, 균열을 야기시켰으며, 조사속도의 증가는 빠른 응고속도에 의한 내부의 열응력 증가로 WC의 파단을 일으켜 균열의 발생을 촉진시켰다. 또한 분말 공급량은 WC 입자의 양을 증가시키고, 모재로 도달하는 입열량을 감소시켜, 균열 생성뿐 아니라, 코팅 층의 질을 저하시키는 특징을 나타내었다.
- 레이저클래딩 실험 후, 미세조직 관찰을 위해 시편을 각각 가로, 세로 방향으로 절삭하였고, 연마 (polishing) 후 염산 (HCl), 질산 (HNO3), 아세트산 (CH3COOH)를 1:1:1로 혼합한 용액을 이용하여 시편을 에칭 (etching) 하였다. 미세조직은 광학현미경 (optical microscopy, OM, BX60M), 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, SIGMA), 투과전자현미경 (transmission electron microscopy, TEM, JEM 2010)을 통하여 관찰하였다.
- COOH)를 1:1:1로 혼합한 용액을 이용하여 시편을 에칭 (etching) 하였다. 미세조직은 광학현미경 (optical microscopy, OM, BX60M), 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, SIGMA), 투과전자현미경 (transmission electron microscopy, TEM, JEM 2010)을 통하여 관찰하였다. 시편의 성분분석에는 에너지 분산 분광기 (energy dispersive spectroscopy, EDS, Thermo NORAN System 7)를 이용하였다.
- 이 때, NiCr은 코팅층 형성시 기지금속 (matrix)으로 작용한다. 본 실험에서는 두 분말을 2시간 동안 쳄버 (chamber)에서 혼합하였으며, 습기를 제거하기 위해 1시간 정도의 건조과정을 거쳤다.
- 실험은 80 × 60 × 5 mm의 스텔라이트#6 판상 위에 총 4개의 비드 (bead)를 50% 중첩시켜 지그재그 형태로 클래딩 하였다.
- 이 때, 레이저 출력은 Table 2에 나타나있는 것과 같이 1100 W를 기준으로 ±200 W간격으로 설정하였고, 조사속도는 5, 8, 11 mm/s, 분말 공급량은 6, 10, 14 g/min으로 변화를 주었다.
대상 데이터
- 실험은 80 × 60 × 5 mm의 스텔라이트#6 판상 위에 총 4개의 비드 (bead)를 50% 중첩시켜 지그재그 형태로 클래딩 하였다. 본 실험에서 보호가스 (shielding gas) 와 이송가스 (carrier gas)는 각각 Ar과 N2를 사용하였으며, 레이저 빔의 크기는 2.4 mm, 조사거리 (working distance)는 12 mm로 설정하였다.
- 코팅층의 재료는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 스텔라이트#6와 테크노라세40s 분말을 55:45 (wt%)의 비율로 사용하였다. 먼저 스텔라이트#6는 하드페이싱 (hardfacing) 에 주로 이용되는 합금으로써 Table 1에서와 같이 Co를 기반으로 Cr과 C, W 등으로 이루어져 있으며, 이는 스텔라이트#6가 응고 과정 중 Cr, W 카바이드를 형성함으로써 내마모성을 향상시키기 위함이다.
성능/효과
- 1) 코팅층 내 조직은 덴드라이트(#)와 덴드라이트 계면 (boundary)의 공정 (eutectic)상으로 구성되어 있었고, 공정상의 경우 TEM과 EDS 분석 결과, #+Cr7C3의 구조로 이루어져 있었다.
- 2) 균열은 전반적으로 코팅층에 수직하게 발생하며, 균열의 전파는 코팅층과 모재의 공정 (eutectic)상을 따라 전파하는 양상을 보였다. 또한, 균열의 파면을 관찰한 결과 균열은 응고가 끝난 후 저온에서 응력에 의해 발생한 벽계파단의 특징을 나타내었다.
- 3) 코팅층의 균열은 레이저출력, 조사속도, 분말공급량의 증가에 따라 발생량이 상승하는 양상을 나타내었다. 레이저출력의 증가는 WC의 탈탄반응에 코팅층 내 기공 발생을 증가시켜, 균열을 야기시켰으며, 조사속도의 증가는 빠른 응고속도에 의한 내부의 열응력 증가로 WC의 파단을 일으켜 균열의 발생을 촉진시켰다.
- WC 내부에서 발생한 이러한 균열은 금속기지 쪽으로 전파하게 되고, 코팅층의 균열을 형성하게 된다18,19). 결과적으로, 코팅층 내의 균열 발생에 있어서 WC 입자는 주요인자로써 작용하는 것으로 판단된다.
- 6은 균열의 파면관찰 결과를 나타낸 것이다. 관찰결과, 코팅층과 모재에서 모두 표면이 거칠고 연성이 낮은 파면 형상을 보였는데, 이는 벽개파단 (cleavage fracture)의 일반적인 특징이며, 이로부터 균열이 저온 영역에서 발생한 것으로 판단할 수 있다. 실제로 레이저클래딩 시 코팅층 내 발생하는 균열은 응고 후 수 초에서 수십 초 후 발생 하였으며, 이러한 현상은 파면의 형상과 코팅층의 응고속도를 감안할 때, 내부의 조직이 형성 된 후 균열이 발생된 것으로 생각할 수 있다15).
- 5(a)와 같이 그 폭이 상당히 크며 대체적으로 입내전파 (transgranular propagation)거동을 보였다. 그러나 균열의 전파경로 (propagation path)를 관찰한 결과, 균열이 덴드라이트 계면의 공정상을 따라 전파하는 것을 확인하였다. 또한 균열이 모재로 전파할 때 이러한 전파경로를 더 자세히 관찰할 수 있었다.
- 레이저출력의 증가는 WC의 탈탄반응에 코팅층 내 기공 발생을 증가시켜, 균열을 야기시켰으며, 조사속도의 증가는 빠른 응고속도에 의한 내부의 열응력 증가로 WC의 파단을 일으켜 균열의 발생을 촉진시켰다. 또한 분말 공급량은 WC 입자의 양을 증가시키고, 모재로 도달하는 입열량을 감소시켜, 균열 생성뿐 아니라, 코팅 층의 질을 저하시키는 특징을 나타내었다.
- 2) 균열은 전반적으로 코팅층에 수직하게 발생하며, 균열의 전파는 코팅층과 모재의 공정 (eutectic)상을 따라 전파하는 양상을 보였다. 또한, 균열의 파면을 관찰한 결과 균열은 응고가 끝난 후 저온에서 응력에 의해 발생한 벽계파단의 특징을 나타내었다.
- 조사속도에 따른 균열 발생의 변화는 Fig. 8과 같이 속도가 증가할수록 균열의 수가 증가하는 양상을 보였다. 이러한 균열의 양상은 레이저클래딩 시 발생하는 코팅층 내의 열응력과 관련 있다17).
- 3은 레이저클래딩 후 코팅층의 단면을 나타낸 것이다. 코팅층의 평균 두께는 평균적으로 1.2~1.5 mm 으로 측정되었으며, 코팅층 내부에는 WC 입자가 고루 분포하고 그 주위를 기지금속이 감싸는 형상을 보였다. 기지금속의 미세조직은 관찰 결과, Fig.
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