[논문]레이저 클래딩 공정을 이용한 Ni-Cr-B-Si + WC/12Co 복합 코팅층의 제조 및 기계적 특성

함기수; 김철오; 박순홍; 이기안

doi:10.4150/kpmi.2017.24.5.370

레이저 클래딩 공정을 이용한 Ni-Cr-B-Si + WC/12Co 복합 코팅층의 제조 및 기계적 특성
Manufacturing of Ni-Cr-B-Si + WC/12Co Composite Coating Layer Using Laser Cladding Process and its Mechanical Properties 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.24 no.5, 2017년, pp.370 - 376

함기수 (인하대학교 신소재공학과) , 김철오 ((주)비츠로테크) , 박순홍 (포항산업과학연구원) , 이기안 (인하대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study we manufacture a Ni-Cr-B-Si +WC/12Co composite coating layer on a Cu base material using a laser cladding (LC) process, and investigate the microstructural and mechanical properties of the LC coating and Ni electroplating layers (reference material). The initial powder used for the LC coating layer is a powder feedstock with an average particle size of $125{\mu}m$. To identify the microstructural and mechanical properties, OM, SEM, XRD, room and high temperature hardness, and wear tests are implemented. Microstructural observation of the initial powder and LC coating layer confirm the layer is composed mainly of ${\gamma}-Ni$ phases and WC and $Cr_{23}C_6$ carbides. The measured hardness of the LC coating and Ni electroplating layers are 653 and 154 Hv, respectively. The hardness measurement from room up to high temperatures of $700^{\circ}C$ result in a hardness decrease as the temperature increases, but the hardness of the LC coating layer is higher for all temperature conditions. Room temperature wear results show that the wear loss of the LC coating layer is 1/12 of the wear level of the Ni electroplating layer. The measured bond strength is also greater in the LC coating than the Ni electroplating.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 레이저 클래딩 공정을 이용하여 Cu 모재 위에 Ni-Cr-B-Si + WC/12Co 복합 코팅 소재를 제조하고 미세조직, 고온 경도, 마모 특성을 조사하였다. 또한 응용 분야에서 비교재로 사용되는 기존 Ni 전기 도금층을 선택하여 함께 특성을 비교하였다.
본 연구에서는 레이저 클래딩 공정을 이용하여 Ni-Cr-BSi + W/12Co 코팅층을 제조하고 비교재로Ni 전기 도금층을 사용하여 미세조직 및 기계적 특성을 비교, 조사하였다.
또한 응용 분야에서 비교재로 사용되는 기존 Ni 전기 도금층을 선택하여 함께 특성을 비교하였다. 이를 바탕으로 레이저 클래딩 공정으로 제조된 Ni-Cr-B-Si + WC/12Co 복합 코팅 소재의 마모 거동 및 응용 가능성도 함께 살펴보았다.

가설 설정

9. SEM micrographs of the worn surface specimens; (a) Ni-Cr-B-Si+WC/12Co laser cladding material and (b) Ni electroplating coating material.

제안 방법

에칭 용액으로 증류수 85ml, 질산(60%) 용액 10ml, Glacial acetic acid 5ml의 혼합 용액을 사용하였다. 그 후 SEM(scanning electron microscopy), EDS(energy dispersive spectroscopy), EPMA(electron probe microscope)를 이용하여 미세조직을 관찰하였다.
한편 비교재로서 Ni 전기도금 코팅 소재를 확보하고 동일한 방법으로 기계적 특성을 측정, 비교하였다. 또한 마모실험 후 시편을 SEM(scanning electron microscopy)으로 관찰하고 두 코팅층의 마모면을 비교하였다.
본 연구에서는 레이저 클래딩 공정을 이용하여 Cu 모재 위에 Ni-Cr-B-Si + WC/12Co 복합 코팅 소재를 제조하고 미세조직, 고온 경도, 마모 특성을 조사하였다. 또한 응용 분야에서 비교재로 사용되는 기존 Ni 전기 도금층을 선택하여 함께 특성을 비교하였다. 이를 바탕으로 레이저 클래딩 공정으로 제조된 Ni-Cr-B-Si + WC/12Co 복합 코팅 소재의 마모 거동 및 응용 가능성도 함께 살펴보았다.
제조된 레이저 클래딩 코팅층의 성분을 확인하고자 XRF(X-ray fluorescence; Rigaku, ZSX primus II) 분석을, 상 분석을 위하여 X-선 회절(X-ray diffraction) 분석을 수행하였다. 미세조직의 관찰을 위하여 코팅 소재를 SiC paper 와 diamond paste로 미세연마 하고, 백금 전극을 이용하여 1.5V의 전압을 10초간 전해 에칭하였다. 에칭 용액으로 증류수 85ml, 질산(60%) 용액 10ml, Glacial acetic acid 5ml의 혼합 용액을 사용하였다.
이 때 KS B 0800-2001 고온 비커스 경도 시험 방법에 의거하여 수행하였다. 온도 조건은 상온에서부터 700^oC까지 였으며 100^oC 단위로 측정하였다. 한편 마모 시험은 SUGA 타입 마모 실험 장치를 사용하였고, #320의 sand paper를 이용하여 각각 400, 800, 1200, 1600, 2000, 2400 (회)의 마모를 실시하고 이 후 초기 중량에서 마모된 중량을 뺀 값을 측정하였다.
제조된 레이저 클래딩 코팅층의 기계적 강도를 측정하기 위하여 상온 및 고온 경도, 마모 실험을 실시하였다. 상온 및 고온 경도의 경우 비커스 경도기를 이용하여 500g의 하중으로 10초 동안 압입하고, 12회 측정한 후 최대, 최소값을 제외한 평균값을 사용하였다.
제조된 레이저 클래딩 코팅층의 성분을 확인하고자 XRF(X-ray fluorescence; Rigaku, ZSX primus II) 분석을, 상 분석을 위하여 X-선 회절(X-ray diffraction) 분석을 수행하였다. 미세조직의 관찰을 위하여 코팅 소재를 SiC paper 와 diamond paste로 미세연마 하고, 백금 전극을 이용하여 1.
온도 조건은 상온에서부터 700^oC까지 였으며 100^oC 단위로 측정하였다. 한편 마모 시험은 SUGA 타입 마모 실험 장치를 사용하였고, #320의 sand paper를 이용하여 각각 400, 800, 1200, 1600, 2000, 2400 (회)의 마모를 실시하고 이 후 초기 중량에서 마모된 중량을 뺀 값을 측정하였다. 한편 비교재로서 Ni 전기도금 코팅 소재를 확보하고 동일한 방법으로 기계적 특성을 측정, 비교하였다.
한편 마모 시험은 SUGA 타입 마모 실험 장치를 사용하였고, #320의 sand paper를 이용하여 각각 400, 800, 1200, 1600, 2000, 2400 (회)의 마모를 실시하고 이 후 초기 중량에서 마모된 중량을 뺀 값을 측정하였다. 한편 비교재로서 Ni 전기도금 코팅 소재를 확보하고 동일한 방법으로 기계적 특성을 측정, 비교하였다. 또한 마모실험 후 시편을 SEM(scanning electron microscopy)으로 관찰하고 두 코팅층의 마모면을 비교하였다.

대상 데이터

5C과 35wt.%의 WC/12Co조성을 가지는 복합 분말을 사용하였다(그림 1). Ni-Cr-B-Si 조성의 분말은 gas atomization으로 제조된 구형의 분말이었으며, WC/12Co (wt.
Ni-Cr-B-Si 분말 입자 크기는 평균 125μm였고 WC/12Co 분말 입자의 크기는 평균 30μm를 가지고 있었다. 레이저 클래딩 공정은 Cu모재 위에 수행되었으며, 아르곤(Ar)을 carrier gas로 사용하였고 분말을 공급(feeding) 함과 동시에 고출력의 레이저 조사하며 코팅층을 형성하였다. 이때 레이저 클래딩은 3.
본 연구에서 레이저 클래딩 공정에 사용된 분말은 Metco 사에서 제조하여 공급하는 Metco 31C-NS 분말로서, 65wt.%의 Ni-11Cr-2.
5V의 전압을 10초간 전해 에칭하였다. 에칭 용액으로 증류수 85ml, 질산(60%) 용액 10ml, Glacial acetic acid 5ml의 혼합 용액을 사용하였다. 그 후 SEM(scanning electron microscopy), EDS(energy dispersive spectroscopy), EPMA(electron probe microscope)를 이용하여 미세조직을 관찰하였다.

데이터처리

제조된 레이저 클래딩 코팅층의 기계적 강도를 측정하기 위하여 상온 및 고온 경도, 마모 실험을 실시하였다. 상온 및 고온 경도의 경우 비커스 경도기를 이용하여 500g의 하중으로 10초 동안 압입하고, 12회 측정한 후 최대, 최소값을 제외한 평균값을 사용하였다. 이 때 KS B 0800-2001 고온 비커스 경도 시험 방법에 의거하여 수행하였다.

이론/모형

상온 및 고온 경도의 경우 비커스 경도기를 이용하여 500g의 하중으로 10초 동안 압입하고, 12회 측정한 후 최대, 최소값을 제외한 평균값을 사용하였다. 이 때 KS B 0800-2001 고온 비커스 경도 시험 방법에 의거하여 수행하였다. 온도 조건은 상온에서부터 700^oC까지 였으며 100^oC 단위로 측정하였다.

성능/효과

(1) 레이저 클래딩 공정으로 제조된 코팅층은 195 μm 두께로 제조되었으며 기공이 거의 없는 치밀한 코팅층을 보여주었다.
(2) 두 소재의 상·고온 경도 측정 결과, 레이저 클래딩 코팅층의 경도값이 거의 모든 온도 영역에서 Ni 도금층에 비하여 3배 이상 높게 확인되었다.
(3) 레이저 클래딩 공정을 이용하여 다양한 합금 조성 및 복합 소재의 코팅층 제조 가능성을 확인할 수 있었고, 제조된 Ni-Cr-B-Si + W/12Co 복합 코팅층은 Ni 전기 도금층의 비해 우수한 기계적 특성을 나타내었다. 이는 레이저 클래딩 복합 코팅층 내부의 고용 강화 효과 및 탄화물 등에 의한 석출 강화 효과에 기인하는 것으로 제시되었다.
XRD 분석 결과, 레이저 클래딩 코팅층에서 γ-Ni(고용체: Fe, Co, Cu 함유), WC, Cr23C6, CrB, Ni3B 상들이 검출되었다.
한편 상온 이상 700^oC까지 온도를 증가시키면서 얻어진 경도 값의 경우 두 코팅층 모두에서 온도가 상승함에 따라고온 경도 값이 하락하는 일반적인 경향을 나타내고 있었다. 그러나 모든 온도에서 레이저 클래딩 코팅층의 경도값들이 비교재인 Ni 전기 도금층의 경도 값들보다 보다 거의 3배 이상의 높은 값들을 보였다. 레이저 클래딩 코팅층의 고온에서도 높은 경도 값을 유지하는 것은 코팅층 내부에 존재하는 WC, Cr₂₃C₆, 등 탄화물들이 가장 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.
기본적으로 마모 횟수가 증가함에 따라 마모 중량이 감소하는 일반적인 곡선을 보이고 있다. 두 소재를 비교하여 보면 레이저 클래딩 코팅층의 경우 2400회까지의 마모 후 초기 중량에 비해 0.02 g의 중량 감소가 나타났지만 Ni 도금층의 경우는 상대적으로 12 배 이상의 감소량인 0.25 g의 중량 감소가 얻어졌다. 즉, 레이저 클래딩 코팅층의 상온 마모 저항성이 Ni 도금층에 비하여 현저히 우수한 것을 확인할 수 있었다.
레이저 클래딩 코팅층의 미세조직 관찰 결과, 전체적인 영역에서 코팅층 기지 내에 밝은(bright) 상들이 분포하고 있었으며, 이 상들이 수지상 모양 등 다양한 형상으로 존재하며 부위별로 차이를 나타내고 있었다. 이에 코팅층 기지와 밝은 상의 형태와 분포 영역에 따라서 코팅층 내에서 각각 표면(surface) (b), 중간(middle) (c), 계면(interface) 부근 (d)의 3가지 영역으로 구분하여 나타내었다.
상온 마모 특성 결과에서는 레이저 클래딩 코팅층이 12 배 이상 우수한 내마모 특성을 나타내었다. 마모 실험 후 마모면 관찰에서는 두 소재 모두에서 기본적으로 연삭 마모 거동을 나타내었으나, Ni 전기 도금층의 경우 마모편의 발생과 함께 거친마모면의 응착 마모 거동도 함께 확인되었다.
두 코팅층의 상온 및 고온 경도를 온도에 따라 그림 7에 도시하였다. 먼저 상온에서 레이저 클래딩 코팅층의 경도(500 Hv)가 비교재인 Ni 전기 도금층의 경도 값(154 Hv)보다 3 배 이상 높게 나타났다. 이렇게 Ni 전기 도금층 보다 레이저 클래딩 코팅층의 경도가 높은 원인은, γ-Ni 상의 순수 Ni 로 구성된 전기 도금층과 대비하여, 레이저 클래딩 코팅층은 γ-Ni 상에 Fe와 Co, Cu등이 고용되어 있는 고용 강화 효과 및 높은 분율의 탄화물 상들에 의한 석출강화 효과가 함께 나타나기 때문으로 이해될 수 있다.
(2) 두 소재의 상·고온 경도 측정 결과, 레이저 클래딩 코팅층의 경도값이 거의 모든 온도 영역에서 Ni 도금층에 비하여 3배 이상 높게 확인되었다. 상온 마모 특성 결과에서는 레이저 클래딩 코팅층이 12 배 이상 우수한 내마모 특성을 나타내었다. 마모 실험 후 마모면 관찰에서는 두 소재 모두에서 기본적으로 연삭 마모 거동을 나타내었으나, Ni 전기 도금층의 경우 마모편의 발생과 함께 거친마모면의 응착 마모 거동도 함께 확인되었다.
또한 높은 에너지의 열원을 활용할 수 있어 다양한 소재에 적용하여 합금화 및 코팅이 가능할 수 있다. 이에 레이저 클래딩 공정을 활용하여 부품의 내식성, 내마모성, 내산화성을 보완하고 제품의 기능 및 수명을 향상시킬 수 있다. 이와 함께 이 공정은 열변형 및 조직 변형이 크지 않고 모재와 코팅층의 결합력도 우수하다는 장점을 가지고 있다[3, 4].
25 g의 중량 감소가 얻어졌다. 즉, 레이저 클래딩 코팅층의 상온 마모 저항성이 Ni 도금층에 비하여 현저히 우수한 것을 확인할 수 있었다.
각각의 영역에서의 EDS 성분 분석 결과를 표 1에 도시하였다. 표1의 결과와 그림 3의 XRD 분석 결과를 바탕으로 세 영역에 관계없이 확인되는 밝은 상들은 모두 동일하게WC와 Cr₂₃C₆와 혼재된 탄화물임을 확인할 수 있었다. 이와 함께 회색(gray)의 코팅층 기지는 γ-Ni(고용체) 상임을 알 수 있었다.
이 과정에서 모재와 코팅층이 마치 용접과 유사한 형태가 되어 코팅층과 모재의 경계면이 뚜렷하지 않는 특징을 가지게 된다. 한편 관찰된 미세조직에서 내부 조직에서 기공이 거의 존재하지 않아 레이저 클래딩 공정을 통하여 치밀한 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NiCr-B-Si 계 합금에서 각 원소들이 재료내에 첨가되었을때 어떤 영향을 미치는가?	Ni계 합금은 뛰어난 고온 물성을 보유하고 있어 다양한 분야에 사용되는 주요 합금계 중 하나이다. 이 중에서 NiCr-B-Si 계 합금은 Ni 기반에 Cr 첨가하여 내식성과 고온 기계적 특성을 향상시키고 Si과 B을 첨가하여 용융점을 감소시키며 C 첨가를 통해 탄화물을 생성시켜 매우 높은 경도와 마모 특성을 나타내는 합금이다[12-14]. 또한 NiCr-B-Si 계 합금 분말은 낮은 용융 온도 및 마모 특성으로 인해 용사 코팅(thermal spray coating) 또는 레이저 클래딩(laser cladding) 소재로 많이 사용된다[12].
	레이저 클래딩이란?	레이저 클래딩(laser cladding)은 쾌속 공정으로써 분말 또는 금속 와이어를 공급하여 주면서 높은 에너지의 레이저를 이용하여 입자를 용융시키고 연속적으로 적층시켜 코팅층을 제조하는 공정이다[1]. 이러한 레이저 클래딩은 코팅층의 제조 뿐만 아니라 손상된 부품의 국부적인 보수에도 사용될 수 있다[2].
	레이저 클래딩 공정을 사용할때의 장점은?	이러한 레이저 클래딩은 코팅층의 제조 뿐만 아니라 손상된 부품의 국부적인 보수에도 사용될 수 있다[2]. 또한 높은 에너지의 열원을 활용할 수 있어 다양한 소재에 적용하여 합금화 및 코팅이 가능할 수 있다. 이에 레이저 클래딩 공정을 활용하여 부품의 내식성, 내마모성, 내산화성을 보완하고 제품의 기능 및 수명을 향상시킬 수 있다. 이와 함께 이 공정은 열변형 및 조직 변형이 크지 않고 모재와 코팅층의 결합력도 우수하다는 장점을 가지고 있다[3, 4]. 이러한 장점으로 인해 레이저 클래딩 공정을 사용하여 밸브, 샤프트 등 엔진의 내구성과 높은 내식성을 필요로 하는 부품의 선택적인 표면 클래딩을 하거나 파워 터빈, 터빈 블레이드의 부분 보수에도 사용하고 있다[5].

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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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