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문제 정의
- 본 연구에서는 WC-CoFe 분말을 사용하여 HVOF 코팅 후 레이저 열처리를 실시하여 레이저 열처리가 용사 코팅의 미세구조, 기공도, 경도 및 내마모성에 미치는 영향을 조사하였다.
제안 방법
- 이 코팅층의 특성 향상과 모재와 코팅간의 부착력을 높이기 위하여 5 kW TJ-HL-T500 장비를 이용하여 대기중에서 출력밀도 20 W/mm2 로 CO2 레이저 열처리를 실시하였다. 레이저 빔(파장 10.
- 코팅층은 광학현미경, 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM, JSM-6510, JEOL), 에너지분산형분광기(energy dispersive X-ray spectrometer: EDS, JAX -860, JOEL) 및 X선 회절분석기(X-ray diffraction: XRD, X’Pert PRO MPD, PANalytical)를 이용하여 미세조직, 조성 및 결정구조를 분석하였으며, 경도측정기(micro vickers hardness tester, Matsuzawa, MXT-70)로 코팅층 단면 중심부에서 15회 측정한 후 측정치가 가장 큰 값과 작은 값을 소거하고 평균값으로 경도 값을 산출하였으며, SEM을 사용하여 얻은 코팅층의 조직사진을 영상분석기(image analyzer)를 통해 분석하여 코팅층의 기공도를 얻었다. 최적용사코팅공정기술(OCP)로 제조된 코팅과 레이저 열처리 코팅의 마찰/마모 성능을 비교하기 위하여 ball-on-disk 마찰마모시험기(UMT-2MT)로 시험하였고, 마찰/마모 시험은 시험편의 초기 표면 거칠기의 영향에 민감하여 시편의 표면을 1 µm의 다이아몬드 연마제를 사용하여 경면으로 연마하였다. 마찰/마모 시험 조건은 상대재로 직경 2 mm인 Si3N4 볼을 사용하였고, 상온에서 마찰속도 0.
대상 데이터
- 코팅의 분말은 Table 1과 같은 화학조성을 가지고, 분무 건조법으로 제조된 Fig. 1과 같은 형상과 상분포를 가진 WCCoFe 상용분말을 사용하였다. JK3500 HVOF 장비를 사용하여 4개의 용사 변수(수소유속, 산소유속, 분말 공급량, 용사거리) 각각에 대한 3 수준의 다구치 실험계획법으로 만든 9개의 코팅 공정으로 코팅하였다.
- 기판은 바인더 층의 코팅 없이도 강한 접착을 하며 부식 환경에서 사용되는 In718을 사용 하였다. 코팅의 분말은 Table 1과 같은 화학조성을 가지고, 분무 건조법으로 제조된 Fig.
데이터처리
- 코팅층은 광학현미경, 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM, JSM-6510, JEOL), 에너지분산형분광기(energy dispersive X-ray spectrometer: EDS, JAX -860, JOEL) 및 X선 회절분석기(X-ray diffraction: XRD, X’Pert PRO MPD, PANalytical)를 이용하여 미세조직, 조성 및 결정구조를 분석하였으며, 경도측정기(micro vickers hardness tester, Matsuzawa, MXT-70)로 코팅층 단면 중심부에서 15회 측정한 후 측정치가 가장 큰 값과 작은 값을 소거하고 평균값으로 경도 값을 산출하였으며, SEM을 사용하여 얻은 코팅층의 조직사진을 영상분석기(image analyzer)를 통해 분석하여 코팅층의 기공도를 얻었다. 최적용사코팅공정기술(OCP)로 제조된 코팅과 레이저 열처리 코팅의 마찰/마모 성능을 비교하기 위하여 ball-on-disk 마찰마모시험기(UMT-2MT)로 시험하였고, 마찰/마모 시험은 시험편의 초기 표면 거칠기의 영향에 민감하여 시편의 표면을 1 µm의 다이아몬드 연마제를 사용하여 경면으로 연마하였다.
이론/모형
- 1과 같은 형상과 상분포를 가진 WCCoFe 상용분말을 사용하였다. JK3500 HVOF 장비를 사용하여 4개의 용사 변수(수소유속, 산소유속, 분말 공급량, 용사거리) 각각에 대한 3 수준의 다구치 실험계획법으로 만든 9개의 코팅 공정으로 코팅하였다. 그 결과 최고의 표면특성을 얻을 수 있는 Table 2와 같은 최적용사코팅공정을 얻었다.
성능/효과
- 1) 분말에는 WC, Fe, Co 결정상이 존재하고, 용사코팅 중 고온의 화염에서 WC가 분해된 W2C 상이 새롭게 나타났다. 레이저 열처리 동안 산화가 발생하여 WO3와 Fe2O3 상이 생성되었고, 열분해 및 재용융의 결과로 W2C상이 증가하였고, Cr3C2 상이 나타났다.
- 2) 초고속화염용사 코팅에서는 WC의 열분해로 생선된 자유탄소가 산소가 반응하여 생성된 탄산가스를 만들면서 다공성 코팅이 형성되었고, 레이저 열처리로 의해 금속바인더가 재용융되어 기공을 채우면서 1.7 %에서 1.3 %로 감소하였다. 기공도가 감소함에 따라 코팅층의 표면 경도는 1,117 Hv에서 레이저 열처리 후 1,440 Hv로 증가하였다.
- 3) WC-CoFe 코팅의 마찰계수는 레이저 열처리 후 0.45에서 0.32로 감소하였고, 연삭마모에 의해 발생한 마모흔의 크기도 감소하였다.
- 4) 초고속화염용사코팅에 레이저 열처리를 실시함으로써 표면 특성; 기공도, 경도, 마찰 특성이 크게 향상 되었다.
- 분말의 XRD 결과 WC 결정상의 강한 회절 피크와 상대적으로 많이 약한 Co와 Fe 결정상의 회절 피크가 관찰되었다. HVOF 코팅에서는 여전히 강한 WC 결정상의 회절 피크가 관찰되었지만, Co와 Fe 결정상의 회절 피크는 감소하여 거의 알아보기 힘들었고, 분말에서는 존재 하지 않았던 W2C 결정상의 회절 피크가 매우 약하게 나타났다. 이는 초고속화염용사 동안 액적은 고온(최고 3,500 ℃)의 화염 속을 0.
- 7 %로 나타났다. 레이저 열처리 후 코팅층의 두께는 33 % 감소한 100 μm로 나타났고, 기공율도 23 % 감소한 1.3 %로 나타났다. 이는 레이저 열처리동안 발생되는 고온과 압축응력에 의해서 코팅층의 기공이 채워졌기 때문이며, 코팅층의 구조는 매우 치밀해졌다.
- 9에 마찰마모 시험 후 마모흔을 SEM으로 관찰한 결과를 나타내었다. 코팅의 마찰계수는 레이저 열처리 후 0.45에서 0.32으로 감소하였고, 용사코팅에서 연삭마모의 결과로 나타난 마모흔이 뚜렷하게 관찰 되었지만, 레이저 열처리 후 마모흔의 크기가 현저히 감소하여, 레이저 열처리에 의해 코팅층의 우수함 마찰 감소 거동과 내마모성을 확인 할 수 있었다. 코팅의 표면은 마모 시험이 시잘 될 때 미끄럼 접촉을 하게 되고, 이 때 Co상과 Cr3C2 입자는 극심한 변형을 받는다.
- 용사 코팅의 경도값은 코팅층이 치밀할수록, 코팅층간 혹은 고경도 세라믹 WC와 바인더 역할을 하는 금속간의 결합력이 클수록 크게 나타난다. 코팅층의 경도 값은 레이저 열처리 전후 모두에서 기공 및 고경도 WC 상의 영향에 의해서 표면에서 계면(코팅/모재) 방향에 따라 코팅층의 경도가 불균일하게 나타났다. 레이저 열처리 후 기공도가 감소함에 따라 코팅층의 경도 값은 1,117 Hv에서 1,440 Hv 크게 증가하였다.
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