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문제 정의
- 본 연구에서는 warm spray를 이용하여 알루미늄 타이어 금형에 Al-Al2O3 복합분말을 코팅하는 기술을 개발하기 위하여 알루미늄합금 모재에 Al과 Al2O3를 혼합한 복합 분말을 warm spray 코팅하였으며, 코팅층에 대한 미세조직 관찰과 경도, 접착강도 측정을 진행하였다. 또한 기존의 고온용사 공정으로 제조된 코팅층 특성을 비교분석 하기 위해 plasma spray 방식으로 코팅된 Al-Al2O3 코팅층에 대해서도 특성 평가를 진행하였다.
제안 방법
- 0 이내로 줄여 높은 분말 분사 속도를 얻을 수 있고, 연소실과 분말을 공급하는 건 끝부분 사이에 공기를 주입함으로써 화염의 온도를 낮출 수 있다. Warm spray 보다 고온 코팅 공정에서의 코팅 특성 비교실험을 위해 plasma spray장비를 이용하여 동일한 분말에 대해 코팅실험을 진행하였다. Warm spray 및 plasma spray의 주요 공정 조건을 Table 2에 나타내었다.
- Warm spray 코팅 공정 중 가해진 열에 의해 분말의 상변화가 나타났는지 확인하기 위해 X-선 회절 시험을진행하였고, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig.
- Al2O3의 함유량이 증가할수록 두 코팅방식의 코팅층 모두 적층된 Al2O3 양이 증가하기 때문에 그림에서 검은색 부분의 면적이 증가하는 것을 볼 수 있다. 기공율은 상분석기 (iSolution DT)를 이용하여 코팅층 광학현미경 사진에서 기공으로 보이는 부분의 면적을 측정하여 구하였다. 이 때 Al2O3가 함유된 복합분말 코팅층에서는 기공과 Al2O3상의 구분이 매우 어렵기 때문에 Al2O3가 첨가되지 않은 0% Al2O3 코팅시편에 대해서만 기공율을 측정하였다.
- 를 혼합한 복합 분말을 warm spray 코팅하였으며, 코팅층에 대한 미세조직 관찰과 경도, 접착강도 측정을 진행하였다. 또한 기존의 고온용사 공정으로 제조된 코팅층 특성을 비교분석 하기 위해 plasma spray 방식으로 코팅된 Al-Al2O3 코팅층에 대해서도 특성 평가를 진행하였다.
- 본 연구에서는 Al-Al2O3 복합분말을 warm spray와 plasma spray 방법을 사용하여 Al 기지에 코팅하고 코팅층에 대한 미세조직과 기계적 특성을 비교 분석하였다. 두 코팅방법의 공정 온도 차이로 인해 코팅층내의 Al2O3 적층 형태가 다르게 나타나며 이로 인해 접착강도의 차이가 발생하였다.
- 상분석을 위해 X-선 회절 시험을 진행 하였다. 코팅전 혼합분말과 코팅된 시편에서 채취한 코팅층에 대해 X-선 회절 분석장비(Rigaku, SmartLab)을 이용하여 시험을 진행 하였다.
- 코팅층의 경도와 접착강도는 warm spray의 경우가 plasma spray의 경우 보다 높았으며, 경도는 Al2O3 함유량이 증가할수록 증가 하였다. 알루미늄 타이어 금형에 Al-Al2O3 복합분말을 warm spray 방법으로 코팅함으로써 기존의 TIG 용접 방법으로 보수된 금형 표면 보다 표면이 매끄러운 코팅층을 제작할 수 있었다.
- 용사코팅된 시편을 하부, 코팅되지 않은 Al 모재 시편을 상부로 하여 그 사이를 에폭시 접착제(Scotch-weld 2214, 3 M)로 접합하였고, 충분한 접착제 경화를 위해 180°C 가열로에서 2시간 유지 시켰다.
- 용사코팅에 앞서 적절한 표면 거칠기를 만들기 위하여 Al 시편에 그릿 블라스팅(grit blasting)을 통해 표면조도(Ra)를 약 3~ 4 μm로 하였다.
- 기공율은 상분석기 (iSolution DT)를 이용하여 코팅층 광학현미경 사진에서 기공으로 보이는 부분의 면적을 측정하여 구하였다. 이 때 Al2O3가 함유된 복합분말 코팅층에서는 기공과 Al2O3상의 구분이 매우 어렵기 때문에 Al2O3가 첨가되지 않은 0% Al2O3 코팅시편에 대해서만 기공율을 측정하였다. 그 결과 warm spray 코팅층 기공율은 1.
- 용사코팅된 시편을 하부, 코팅되지 않은 Al 모재 시편을 상부로 하여 그 사이를 에폭시 접착제(Scotch-weld 2214, 3 M)로 접합하였고, 충분한 접착제 경화를 위해 180°C 가열로에서 2시간 유지 시켰다. 준비된 시편을 만능인장시험기(Instron)에 장착하여 1mm/min 속도로 인장시험을 실시하였고, 파단시 측정된 최대 하중을 용사코팅층의 증착면적으로 나누어 접착강도를 계산하였다.
- 상분석을 위해 X-선 회절 시험을 진행 하였다. 코팅전 혼합분말과 코팅된 시편에서 채취한 코팅층에 대해 X-선 회절 분석장비(Rigaku, SmartLab)을 이용하여 시험을 진행 하였다. 타겟으로 Cu-kα를 사용하였고 스캔 속도는 10 degree/min으로 하였다.
- 코팅층 미세조직에 대한 보다 정밀한 분석을 위해 FESEM과 EDS를 이용한 분석을 진행하였고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. FE-SEM 이미지(electron image) 및 EDS 성분 mapping 결과로부터 광학현미경에서 검게 나타난 부분이 대부분 적층된 Al2O3분말임을 알 수 있으며, 두 코팅방법으로 생성된 Al2O3 분말 적층 형태가 매우 다른 것을 알 수 있다.
- 코팅층에 대한 경도를 측정하기 위해 마이크로 비커스경도기(HV-113, Misitoyo)를 이용하여 하중 100 g 조건에서 경도를 측정하였다.
대상 데이터
- %, 10 vol.%로 달리한 3가지 조건의 분말을 제조하였다. 제조된 복합분말 종류를 Table 1에 나타내었다.
- Al 기지는 타이어 금형 소재와 유사한 Al-Si계 압출 빌렛 형태의 합금 소재로부터 기계 가공한 원통형 형태(φ25.4, 길이 38 mm) 시편을 사용하였다.
- Table 1. Al-Al2O3 composite powder used in this study.
- 코팅층의 미세조직 관찰 및 분석을 위해 광학현미경과 FE-SEM(field emission scanning electron microscope, Jeol 7100F) 및 EDS(energy dispersive spectroscope, Oxford Instrument)를 사용하였다. 조직관찰시편은 코팅시험편 단면을 SiC 및 다이아몬드 서스펜션을 사용해 기계연마 하여 준비하였다.
- 코팅에 사용된 분말은 Al3003계 알루미늄 분말(크기: 45-90 μm)과 Al2O3 분말(크기: 3.9-31 μm)이며, 분말 형태는 Fig. 2에 볼 수 있듯이 각각 타원형과 다각형 형태를 가지는 분말이다.
이론/모형
- 접착강도 시험시편 제작과 시험은 ASTM C633 규격에 따라 진행하였다. 용사코팅된 시편을 하부, 코팅되지 않은 Al 모재 시편을 상부로 하여 그 사이를 에폭시 접착제(Scotch-weld 2214, 3 M)로 접합하였고, 충분한 접착제 경화를 위해 180°C 가열로에서 2시간 유지 시켰다.
- 코팅층의 미세조직 관찰 및 분석을 위해 광학현미경과 FE-SEM(field emission scanning electron microscope, Jeol 7100F) 및 EDS(energy dispersive spectroscope, Oxford Instrument)를 사용하였다. 조직관찰시편은 코팅시험편 단면을 SiC 및 다이아몬드 서스펜션을 사용해 기계연마 하여 준비하였다.
성능/효과
- 1은 다양한 코팅 공정을 분말의 온도 및 속도를 바탕으로 분류한 그림이다. 11) Warm spray는 기존 plasma spray에 비해 낮은 공정온도에서 진행되며, 분말입자의 비행속도가 plasma spray의 속도(약 100-300 m/s) 보다 빨라(약 650-850 m/s) 분말이 화염내 체류시간이 짧으므로 분말 자체의 물성변화가 적고 보다 빠른 속도로 코팅되도록 하여 접착력이 높을 것으로 기대된다.
- 13) 본 실험에서 비록 plasma spray 코팅된 시편에 대한 X-선 분석을 진행하지 않았지만, 기존 연구 결과로부터 고온 공정인 plasma spray의 경우 상변화로 인해 γ-Al2O3상이 충분히 새롭게 생성되었을 것으로 예측된다.
- 반면 금속인 Al은 우수한 인성을 가지고 있어 응력의 집중이 완화되어 크랙 생성이 억제된다.14) 따라서 Al과 Al2O3가 균일하게 혼합된 복합 코팅층은 취성이 감소되는 효과가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 warm spray 시 5-10 %의 Al2O3함유량 범위 내에서는 접착강도의 큰 저하는 관찰되지 않았으며, warm spray 된 코팅층이 plasma spray된 것보다 높은 접착강도를 나타내었다.
- 한편, 저온분사(cold spray)의 경우 고압의 압축공기를 사용해 저온에서 분사시키는 방법으로, 공정가동 비용이 낮고 열변형의 문제가 없는 장점이 있다.8) 이러한 저온 분사를 이용한 타이어 금형 보수 방법이 특허 기술로 개발되어 있으나, 코팅층 접착력이 낮은 문제는 해결 해야할 문제로 남아있다.
- 본 연구에서 warm spray 시 5-10 %의 Al2O3함유량 범위 내에서는 접착강도의 큰 저하는 관찰되지 않았으며, warm spray 된 코팅층이 plasma spray된 것보다 높은 접착강도를 나타내었다. 결론적으로 10 %까지 Al2O3 첨가한 Al-Al2O3복합분말을 이용해 warm spray 방법으로 코팅함으로써 수한 기계적 특성을 가지는 Al-Al2O3 복합 코팅층의 제작이 가능하였다.
- 이 때 Al2O3가 함유된 복합분말 코팅층에서는 기공과 Al2O3상의 구분이 매우 어렵기 때문에 Al2O3가 첨가되지 않은 0% Al2O3 코팅시편에 대해서만 기공율을 측정하였다. 그 결과 warm spray 코팅층 기공율은 1.7 %, plasma spray 코팅층은 3.4 %로 측정되어 warm spray 코팅층의 기공율이 plasma spray 코팅층에 비해 낮다는 것을 알 수 있었다.
- Warm spray 코팅된 시편의 경도가 plasma spray 코팅된 시편에 비해 높은 것을 알 수 있다. 또한 Al2O3 함유량이 증가함에 따라 경도가 점점 증가하여 warm spray로 제작된 10% Al2O3 코팅시편에서 최대 약 85 Hv의 경도를 얻을 수 있었다.
- 14) 따라서 Al과 Al2O3가 균일하게 혼합된 복합 코팅층은 취성이 감소되는 효과가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 warm spray 시 5-10 %의 Al2O3함유량 범위 내에서는 접착강도의 큰 저하는 관찰되지 않았으며, warm spray 된 코팅층이 plasma spray된 것보다 높은 접착강도를 나타내었다. 결론적으로 10 %까지 Al2O3 첨가한 Al-Al2O3복합분말을 이용해 warm spray 방법으로 코팅함으로써 수한 기계적 특성을 가지는 Al-Al2O3 복합 코팅층의 제작이 가능하였다.
- 또한, warm spray를 통해 알루미늄 금형에 경도와 접착강도가 높은 Al-Al2O3 복합 코팅층의 제조가 가능하다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때 warm spray는 기존 TIG 용접을 대체할 수 있는 효과적인 알루미늄 타이어 금형 보수 방법이라고 생각된다.
- 8에 코팅 시편에 대한 접착강도 시험 결과를 나타내었다. 접착강도 시험편의 파단면 관찰 결과 파단은 코팅층 내부에서 발생되었음을 알 수 있었다. 접착강도는 Al2O3 함유량에 상관없이 모든 시편에서 warm spray 코팅의 경우가 plasma spray 코팅의 경우보다 높게 나타났다.
- Warm spray로 코팅한 경우 Al2O3 분말이 코팅전 형태를 유지하여 적층된 반면, plasma spray시 고온으로 인해 용융된 Al2O3 입자가 적층되어 불규칙하게 얇게 퍼진 형태로 코팅층 내에 분포 하였다. 코팅층의 경도와 접착강도는 warm spray의 경우가 plasma spray의 경우 보다 높았으며, 경도는 Al2O3 함유량이 증가할수록 증가 하였다. 알루미늄 타이어 금형에 Al-Al2O3 복합분말을 warm spray 방법으로 코팅함으로써 기존의 TIG 용접 방법으로 보수된 금형 표면 보다 표면이 매끄러운 코팅층을 제작할 수 있었다.
후속연구
- 따라서 최종적인 표면 품질을 얻기 위한 절삭 가공 시간을 단축 시킬 수있을 것으로 판단된다. 결론적으로 공정이 간소한 warm spray 방법을 적용함으로써 타이어 금형 보수 작업 시간을 크게 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, warm spray를 통해 알루미늄 금형에 경도와 접착강도가 높은 Al-Al2O3 복합 코팅층의 제조가 가능하다.
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