알루미늄 기지에 알루미늄-알루미나 혼합분말을 이용한 고온플라즈마 열분사 코팅층의 밀착강도 향상기구 Improvement of Adhesion Strength of High Temperature Plasma Coated Aluminum Substrate with Aluminum-Alumina Powder Mixture원문보기
본 연구에서는 손상된 알루미늄 금형의 복원을 위해 고온플라즈마용사법을 이용하여 금형의 표면에 $Al/Al_2O_3$ 혼합분말을 용사한 후 코팅층과 모재의 증착강도에 대한 평가를 수행하였다. 증착강도의 평가는 분사노즐의 이동속도, 순수한 알루미늄 bond coat 층의 유무에 따라 평가되었으며, bond coat 층을 생성시키지 않았을 때, 코팅층의 두께는 열팽창에 의한 잔류인장응력의 감소를 위해 두껍지 않아야 하지만 일정두께 이상이 되어야 최대의 증착강도를 얻을 수 있음이 나타났다. 또한 순수한 알루미늄 bond coat 층은 내부 결함이 없는 응고된 금속이기 때문에 두께에 따른 증착강도의 영향을 그대로 받아 두께가 두꺼울수록 bond coat 층을 생성시키지 않은 시험편보다 증착강도가 매우 낮게 측정되었다. 반면, 가장 얇게 bond coating 된 시험편 Bc3(3회의 bond coating층과 분사건의 이동속도가 20 cm/sec인 시험편) 는 bond coating을 하지 않은 시험편 중 가장 높은 증착강도를 가지는 시험편 Wbc20(bond coating층이 없고 분사건의 이동속도가 20 cm/sec인 시험편)보다 약 2배 이상증착강도가 향상되었다. 따라서 금형의 복원시에 중간층의 형성이 반드시 필요하며, 이는 코팅층의 잔류 인장응력을 보완시키며 고인성의 순수한 알루미늄과 같은 코팅층과 유사한 층을 코팅하는 것이 필요한 것으로 사료된다.
본 연구에서는 손상된 알루미늄 금형의 복원을 위해 고온플라즈마 용사법을 이용하여 금형의 표면에 $Al/Al_2O_3$ 혼합분말을 용사한 후 코팅층과 모재의 증착강도에 대한 평가를 수행하였다. 증착강도의 평가는 분사노즐의 이동속도, 순수한 알루미늄 bond coat 층의 유무에 따라 평가되었으며, bond coat 층을 생성시키지 않았을 때, 코팅층의 두께는 열팽창에 의한 잔류인장응력의 감소를 위해 두껍지 않아야 하지만 일정두께 이상이 되어야 최대의 증착강도를 얻을 수 있음이 나타났다. 또한 순수한 알루미늄 bond coat 층은 내부 결함이 없는 응고된 금속이기 때문에 두께에 따른 증착강도의 영향을 그대로 받아 두께가 두꺼울수록 bond coat 층을 생성시키지 않은 시험편보다 증착강도가 매우 낮게 측정되었다. 반면, 가장 얇게 bond coating 된 시험편 Bc3(3회의 bond coating층과 분사건의 이동속도가 20 cm/sec인 시험편) 는 bond coating을 하지 않은 시험편 중 가장 높은 증착강도를 가지는 시험편 Wbc20(bond coating층이 없고 분사건의 이동속도가 20 cm/sec인 시험편)보다 약 2배 이상증착강도가 향상되었다. 따라서 금형의 복원시에 중간층의 형성이 반드시 필요하며, 이는 코팅층의 잔류 인장응력을 보완시키며 고인성의 순수한 알루미늄과 같은 코팅층과 유사한 층을 코팅하는 것이 필요한 것으로 사료된다.
High temperature plasma coating technology has been applied to recover damaged aluminum dies from wear by spraying pure aluminum and alumina powder. However, the coated mixed powder layer composed of aluminum and alumina often undergoes a detachment from the substrate, making the coated substrate di...
High temperature plasma coating technology has been applied to recover damaged aluminum dies from wear by spraying pure aluminum and alumina powder. However, the coated mixed powder layer composed of aluminum and alumina often undergoes a detachment from the substrate, making the coated substrate die unable to maintain its expected life span. In this study, in order to increase the bonding strength between the substrate and the coating layer, a pure aluminum layer was applied as an intermediate bond layer. In order to prepare the specimen with variable bond coating conditions, the bond coat layers with a various gun speed from 10 cm/sec to 30 cm/sec were prepared with coating cycle variations ranging from three to nine cycles. The specimen with a bond coat layer coated with a gun speed of 20 cm/sec and three coating cycles exhibited ~13MPa of adhesion strength, while the specimen without a bond coat layer showed ~6 MPa of adhesion strength. The adhesion strength with a variation of bond coat layer thickness is discussed in terms of coating parameters.
High temperature plasma coating technology has been applied to recover damaged aluminum dies from wear by spraying pure aluminum and alumina powder. However, the coated mixed powder layer composed of aluminum and alumina often undergoes a detachment from the substrate, making the coated substrate die unable to maintain its expected life span. In this study, in order to increase the bonding strength between the substrate and the coating layer, a pure aluminum layer was applied as an intermediate bond layer. In order to prepare the specimen with variable bond coating conditions, the bond coat layers with a various gun speed from 10 cm/sec to 30 cm/sec were prepared with coating cycle variations ranging from three to nine cycles. The specimen with a bond coat layer coated with a gun speed of 20 cm/sec and three coating cycles exhibited ~13MPa of adhesion strength, while the specimen without a bond coat layer showed ~6 MPa of adhesion strength. The adhesion strength with a variation of bond coat layer thickness is discussed in terms of coating parameters.
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문제 정의
본 연구에서는 플라즈마 용사법을 이용하여 알루미늄 합금 금형에서 채취된 모재에 Al-Al2O3 분말을 용사하여 기지와 코팅층의 밀착력 노즐의 이동속도(Spraying rate)의 차이에 따라 밀착력에 주안점을 두어 평가하였고, 더욱 높은 밀착력 향상을 위한 일환으로 순수한 알루미늄층을 중간층(bond coat layer)으로 용사하여 중간층(bond coat layer)의 효과와 알루미늄 중간층의 두께에 따른 증착강도를 측정하여 최적의 중간층 두께에 따른 밀착력의 개선의 기구에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
각각 용사된 시험편들은 에폭시 본드와 만능인장시험기를 이용하여 Fig. 2(a), (b)의 ASTM C633 시험방법과 같이 증착강도 측정 시편을 만들었고, 만능인장시험기에 장착하여 인장시험을 통해 파단 될 때의 최대 하중을 측정하여 용사코팅층의 증착면적으로 나누어 파단시의 강도를 계산하였다. 또한 시험편을 절단하여 코팅층의 단면 및 증착력 시험 후 파면을 분석장비 SEM(Scanning Electron Microscope(JEOL-6300), EDS(Energy Dispersive Spectrum)를 사용하였고, 혼합분말의 분석은 XRD(X-ray diffraction, Cu Ka radiation,an operating voltage of 40 V(D/Max 2500H, Rigaku ®)를 사용하였다.
또한 시험편을 절단하여 코팅층의 단면 및 증착력 시험 후 파면을 분석장비 SEM(Scanning Electron Microscope(JEOL-6300), EDS(Energy Dispersive Spectrum)를 사용하였고, 혼합분말의 분석은 XRD(X-ray diffraction, Cu Ka radiation,an operating voltage of 40 V(D/Max 2500H, Rigaku ®)를 사용하였다.
플라즈마 용사 장비는 Sulzer-Metco사의 M1100C 시스템과 F4 건을 사용하였으며, 용사 조건은 Table 1에 수록하였다. 우선 분사노즐의 이동속도에 따른 코팅 두께의 영향에 대해 비교하기 위하여 분사노즐의 이동 속도를 10 cm/s, 20 cm/s, 30 cm/s로 결정하여 각각 Al /Al2O3 (95 / 5 vol%) 혼합분말을 6 cycle 코팅하였고 시험편의 명칭은 각각 Wbc10, Wbc20, Wbc30으로 명명하였다. 중간층 형성의 효과와 두께에 따른 증착력을 비교하기 위하여 중간층으로(bond coating layer) 순수한 알루미늄 분말을 3 cycle (Bc3), 6 cycle (Bc6), 9 cycle(Bc9) 코팅한 후 혼합분말을 6 cycle 용사하였다.
타이어 금형으로 사용되는 Al 합금 금형을 절단 후, 15 × 10 × 60 mm(가로, 세로, 높이) 으로 와이어 가공하고 알루미나 분말을 이용하여 표면을 연마하였다. 준비된 시험편들은 표면의 산화물 제거를 위해 전처리(샌드 블라스팅)를 수행하였다. Fig.
우선 분사노즐의 이동속도에 따른 코팅 두께의 영향에 대해 비교하기 위하여 분사노즐의 이동 속도를 10 cm/s, 20 cm/s, 30 cm/s로 결정하여 각각 Al /Al2O3 (95 / 5 vol%) 혼합분말을 6 cycle 코팅하였고 시험편의 명칭은 각각 Wbc10, Wbc20, Wbc30으로 명명하였다. 중간층 형성의 효과와 두께에 따른 증착력을 비교하기 위하여 중간층으로(bond coating layer) 순수한 알루미늄 분말을 3 cycle (Bc3), 6 cycle (Bc6), 9 cycle(Bc9) 코팅한 후 혼합분말을 6 cycle 용사하였다. 각각 용사된 시험편들은 에폭시 본드와 만능인장시험기를 이용하여 Fig.
타이어 금형으로 사용되는 Al 합금 금형을 절단 후, 15 × 10 × 60 mm(가로, 세로, 높이) 으로 와이어 가공하고 알루미나 분말을 이용하여 표면을 연마하였다.
대상 데이터
Fig. 3 은 본 연구에서 사용된 분말을 알루미늄 금형의 표면에 용사한 SEM BSE(Back scattering electron) 이미지 사진이다. Al분말의 크기는 약 30-50 µm이고, Al2O3 분말 또한 약 30 µm의 각형으로 나타났다.
1(b)와 같이 시험편을 세로로 플라즈마의 불꽃전방에 위치시킨 후에 용사코팅을 수행하였다. 플라즈마 용사 장비는 Sulzer-Metco사의 M1100C 시스템과 F4 건을 사용하였으며, 용사 조건은 Table 1에 수록하였다. 우선 분사노즐의 이동속도에 따른 코팅 두께의 영향에 대해 비교하기 위하여 분사노즐의 이동 속도를 10 cm/s, 20 cm/s, 30 cm/s로 결정하여 각각 Al /Al2O3 (95 / 5 vol%) 혼합분말을 6 cycle 코팅하였고 시험편의 명칭은 각각 Wbc10, Wbc20, Wbc30으로 명명하였다.
성능/효과
또한 기존의 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 전기도금과 같은 공정에서의 제한성이 크고 환경오염 및 비용을 상승시키는 표면처리 기술에 비해 고온플라즈마 용사코팅 공정은 적용재료의 폭이 넓어 모재의 부족한 성질을 부분적으로 강화시키기 위한 수단으로 널리 사용되고 있다.1) 고온플라즈마 용사코팅은 최근 내마모성과 부식/산화 저항성을 높이는 효과에 중점을 둔 연구가 활발하고, 특히 대형 부품의 경우 내마모성을 향상시키기 위해 분말야금법을 통한 공정을 수행할 수 없으므로 보다 효과적으로 경제적인 측면에서 플라즈마 용사코팅을 통해 내마모성을 실현시킬 수 있다.2,3) 또한 다른 코팅 공정에 비해 모재에 직접적인 열 영향이 비교적 적기 때문에 모재의 열변형으로 인한 제품의 결함을 방지할 수 있으며, 제품 사용시 손상된 코팅층이나 마모된 제품의 표면을 부분적으로 재코팅할 수 있기 때문에 복잡한 공정 없이 제품의 수명을 연장할 수 있다.
1) 고온플라즈마 용사코팅은 최근 내마모성과 부식/산화 저항성을 높이는 효과에 중점을 둔 연구가 활발하고, 특히 대형 부품의 경우 내마모성을 향상시키기 위해 분말야금법을 통한 공정을 수행할 수 없으므로 보다 효과적으로 경제적인 측면에서 플라즈마 용사코팅을 통해 내마모성을 실현시킬 수 있다.2,3) 또한 다른 코팅 공정에 비해 모재에 직접적인 열 영향이 비교적 적기 때문에 모재의 열변형으로 인한 제품의 결함을 방지할 수 있으며, 제품 사용시 손상된 코팅층이나 마모된 제품의 표면을 부분적으로 재코팅할 수 있기 때문에 복잡한 공정 없이 제품의 수명을 연장할 수 있다.1)
증착된 코팅층의 두께는 본 연구의 가장 느린 노즐 이동속도인 10 cm/s로 용사된 두께 750 µm가 측정된 시험편 Wbc10의 증착강도와 같이 코팅두께가 증가될수록 잔류응력이 증가하여 낮은 증착강도를 보인다는 기존 연구결과와 유사한 결과가 나타났다.5,7) 시험편 Wbc10의 증착강도는 약 0.44 MPa로 가장 작은 값이 측정되었고, 20 cm/s의 노즐 이동속도로 코팅된 시험편 Wbc20은 약 6 MPa의 증착강도로 가장 얇은 코팅층을 지닌 Wbc30의 증착강도 3.86 MPa보다 더욱 큰 값이 측정되었다. 30 cm/s의 노즐 이동속도에 의해 코팅층의 두께가 250 µm 로 얇은 시험편 Wbc30은 낮은 잔류응력에 의해 보다 두꺼운 코팅층을 지닌 Wbc20 보다 증착강도가 높게 측정되어야 하지만 취성이 강한 산화물 Al2O3와 금속 Al이 혼합되었을 때에는 증착강도가 더 강해지는 임계두께가 존재하는 것으로 사료된다.
분사노즐의 이동속도에 따른 증착강도는 20 cm/s 의 속도로 증착된 Wbc20 시험편이 6 MPa 의 증착강도로 가장 높았으며, 이 시험편의 코팅 두께는 350 µm로 나타났다.
증착된 코팅층의 두께는 본 연구의 가장 느린 노즐 이동속도인 10 cm/s로 용사된 두께 750 µm가 측정된 시험편 Wbc10의 증착강도와 같이 코팅두께가 증가될수록 잔류응력이 증가하여 낮은 증착강도를 보인다는 기존 연구결과와 유사한 결과가 나타났다.
한편, bond coat의 용사횟수(cycle)에 따라 bond coating을 한 후 혼합분말을 동일하게 6 cycle 코팅한 시험편 Bc3 (3 cycle), Bc6 (6 cycle), Bc9 (9 cycle)의 증착강도는 두께가 얇은 순서(Bc3 (3 cycle) > Bc6 (6 cycle) > Bc9 (9 cycle))로 증착강도가 더 높았고, 증착강도는 각각 13.25, 9.19, 1.28 MPa로 측정되었다.
후속연구
28 MPa의 증착강도가 측정되었으며, 이 값은 bond coating을 하지 않은 Wbc20 및 Wbc30의 증착강도 보다 더 낮은 값이다. 또한 가장 높은 증착강도가 측정된 Bc3 시험편은 bond coating을 하지 않은 시험편들 중 가장 높은 증착강도가 측정된 Wbc20 시험편보다 2배 이상의 증착강도가 향상되었으므로 Al 금형의 플라즈마 용사를 이용한 복원과정에서 bond coating 공정은 항상 필요하며, bond coat 층의 두께는 과도하게 두꺼울 경우 bond coating 공정을 하지 않은 시험편들 보다 낮은 증착강도를 가지므로 적절한 bond coat 층의 두께를 선정하여 최적화를 해야 한다고 사료된다 .
결함이 없는 조밀한 Al bond coat 층 내부에서 파단되었기 때문에 pore 및 Al2O3 입자들을 포함하는 Al/Al2O3 코팅층 보다 증착강도가 향상되었다고 사료되며, 이러한 결과로 볼 때에 혼합분말을 사용하여 코팅을 수행할 경우, 순수한 Al중간층의 코팅은 반드시 필요한 공정으로 사료된다. 아울러, 순수한 Al 분말보다는 Al/Al2O3 혼합 분말로 코팅을 수행한 경우의 내마모성이 개선되었다고 알려져 있음으로 내마모성에 대한 연구도 추후에 진행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄금형의 복원 시 용접성을 높이기 위해 요구되는 것은?
일반적인 소형 자동차의 타이어 금형에 사용되는 알루미늄금형은 장기간 사용 후 마모에 의한 손상시에 아크 용접에 의해 마모된 부분을 충진하는 공정과 후처리 절삭가공공정을 통하여 재사용이 가능하지만, 복원 시에 용접성을 높이기 위해 금형의 예열이 필요하고 용접 시 금형이 비틀리는 열 변형이 나타나기 때문에 용접비드를 매우 높게 만들고 금형의 초기 형상과 치수정밀도를 위한 절삭가공을 통해 기존의 형상을 구현해야한다. 따라서 인적 및 경제적인 손해를 감소시키기 위해 열 변형이 동반되지 않고 간단한 복원과정 및 후처리 절삭가공을 위한 새로운 복원수리 공정이 필요하다.
고온플라즈마 용사코팅이 다른 코팅 공정에 비해 가지고 있는 이점은?
1) 고온플라즈마 용사코팅은 최근 내마모성과 부식/산화 저항성을 높이는 효과에 중점을 둔 연구가 활발하고, 특히 대형 부품의 경우 내마모성을 향상시키기 위해 분말야금법을 통한 공정을 수행할 수 없으므로 보다 효과적으로 경제적인 측면에서 플라즈마 용사코팅을 통해 내마모성을 실현시킬 수 있다.2,3) 또한 다른 코팅 공정에 비해 모재에 직접적인 열 영향이 비교적 적기 때문에 모재의 열변형으로 인한 제품의 결함을 방지할 수 있으며, 제품 사용시 손상된 코팅층이나 마모된 제품의 표면을 부분적으로 재코팅할 수 있기 때문에 복잡한 공정 없이 제품의 수명을 연장 할 수 있다.1)
고온플라즈마 용사법이란 무엇인가?
고온플라즈마 용사법은 일반적으로 금속기지의 표면에 분말을 높은 열원으로부터 용융 액상으로 만들어 모재 표면에 부착시켜 피막을 형성하는 기술로서, 특히 고융점의 금속이나 세라믹 분말을 플라즈마 화염 내에서 빠르고 효율적으로 코팅을 할 수 있는 기술이다. 또한 기존의 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 전기도금과 같은 공정에서의 제한성이 크고 환경오염 및 비용을 상승시키는 표면처리 기술에 비해 고온플라즈마 용사코팅 공정은 적용재료의 폭이 넓어 모재의 부족한 성질을 부분적으로 강화시키기 위한 수단으로 널리 사용되고 있다.
참고문헌 (12)
Handbook of Thermal Spray Technology, ed. J. R. Davis, ASM international, USA, (2004).
L.-M. Berger, Int. J. Refract. Met. H. Int., 49(3), 350 (2015).
Y. Chakravarthy, S. Bhandari, V. Chaturvedi, A. Pragatheeswaran, A. Nagraj, T. K. Thiyagarajan, P. V. Ananthapadmanaban and A. K. Das, J. Eur. Ceram. Soc., 35, 787 (2015).
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