[논문]HVOF 용사법으로 제조된 WC-20%CrC-7%NiCr 코팅의 고온산화연구

송기오; 윤재홍; 조동율; 주윤곤; 방위; 윤석조; 황순영; 정길봉

[국내논문] HVOF 용사법으로 제조된 WC-20%CrC-7%NiCr 코팅의 고온산화연구
A Study on High Temperature Oxidation of WC-20%CrC-7%NiCr coatings by HVOF Thermal Spray 원문보기

송기오 (창원대학교 재료공학과) , 윤재홍 (창원대학교 재료공학과) , 조동율 (창원대학교 재료공학과) , 주윤곤 (창원대학교 재료공학과) , 방위 (창원대학교 재료공학과) , 윤석조 ((주)써머텍 코리아) , 황순영 (포항산업과학연구소) , 정길봉 (국방품질관리소)

최근 사회전반에 걸쳐 사용되어온 경질 Cr 코팅이 제조 시 발암물질로 알려져 있는 $Cr^{+6}$을 발생함에 따라 이를 대체할 수 있는 표면개질법이 대두되고 있다. 또한 경질 Cr 코팅은 일반적으로 $200^{\circ}C$의 온도에서부터 경도가 서서히 감소되며 $400^{\circ}C$ 이상에서는 사용하기 어려운 제한점이 있다. 따라서 이 이상의 고온 안정성을 가지는 우수한 표면개질법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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문제 정의

하지만 경질 Cr 코팅의 대체할 수 있는 방법 중 가장 큰 관심을 받고 있는 HVOF 용사법의 경우 실제 사용조건에서의 특성에 대한 연구는 미진한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 HVOF 용사 분말로 사용되는 여러 WC계 중 내식성 및 내마모성이 우수하다고 알려진 WC-20%CrC-7%NiCr에 대한 고온에서의 허용한계온도를 알아보고자 한다.

제안 방법

HVOF 용사법으로 제조된 WC-20%CrC-7%NiCr 코팅의 고온산화 분위 기 하에 서 허 용한계온도를 알아보았다. 통상적으로 알려져 있는 WC계의 허용한계온도는 550°C부근으로 알려져 있으나 이번실험에서는 650E까지 고온에서 안정성을 보였으며 800°C이후부터는 표면에 생성된 산화물등에 의한 상변화를 보였을 뿐만 아니라 산화에 의한 취성증가로 박리 등의 표면특성의 저하가 관찰되었다.
제작 후 시편을 lxlxQ8t(cm)의 크기로 가공하여 실험에 임하였으며 전기로에 장입 후 각 시편마다 29C/min의 속도로 가열하여 500, 650, 800, 950°C에서 2시간 유지한 후 로냉을 실시하였다. XRD를 통해 실험 후 표면에 형성된 산화물을 확인하였으며 그 후 분석에 용이하게끔 Au 코팅, Cu 전기도금 후 시편을 절단하여 관찰하였다. SEM과 EPMA를 통해 실험 전후의 시편에 대한 표 .
SEM과 EPMA를 통해 실험 전후의 시편에 대한 표 . 단면의 변화를 관찰하였고, EPMA의 경우 코팅의 전 영역을 상, 중, 하로 나누어각 20㎛범위에서 열화의 영향을 비교분석하였다. 또한 표면 및 단면경도를 측정하여 실험 전후의 경도변화를 조사하였다.
단면의 변화를 관찰하였고, EPMA의 경우 코팅의 전 영역을 상, 중, 하로 나누어각 20㎛범위에서 열화의 영향을 비교분석하였다. 또한 표면 및 단면경도를 측정하여 실험 전후의 경도변화를 조사하였다.
최적공정(두께: 약 600㎛)으로 제작하였다. 제작 후 시편을 lxlxQ8t(cm)의 크기로 가공하여 실험에 임하였으며 전기로에 장입 후 각 시편마다 29C/min의 속도로 가열하여 500, 650, 800, 950°C에서 2시간 유지한 후 로냉을 실시하였다. XRD를 통해 실험 후 표면에 형성된 산화물을 확인하였으며 그 후 분석에 용이하게끔 Au 코팅, Cu 전기도금 후 시편을 절단하여 관찰하였다.

대상 데이터

기판으로는 시중에 널리 사용되고 있는 SS400을 사용하였고 제작에 사용된 장비는 jp 5000이며 분말의 사양에 맞는 최적공정(두께: 약 600㎛)으로 제작하였다. 제작 후 시편을 lxlxQ8t(cm)의 크기로 가공하여 실험에 임하였으며 전기로에 장입 후 각 시편마다 29C/min의 속도로 가열하여 500, 650, 800, 950°C에서 2시간 유지한 후 로냉을 실시하였다.

성능/효과

보였다. 모든 온도에서 열처리전보다 경도치가 증가하였을 뿐 아니라 코팅층의 경도를 세분화하여 3부분으로 나누워 볼 때 평균적으로 표면부근이 가장 높은 경도치를 보였으며 열처리 후 650°C까지 증가함을 보이다 이후 감소하였다.
통상적으로 알려져 있는 WC계의 허용한계온도는 550°C부근으로 알려져 있으나 이번실험에서는 650E까지 고온에서 안정성을 보였으며 800°C이후부터는 표면에 생성된 산화물등에 의한 상변화를 보였을 뿐만 아니라 산화에 의한 취성증가로 박리 등의 표면특성의 저하가 관찰되었다. 실험결과를 종합해 보면 650°C 〜800°C사이 에 표면특성 이 급격히 저하되는 온도가 존재할 것으로 예상된다.
온도가 상승함에 따라 표면에 산화스케일의 양이 증가되었고 500°C ~650°C까지는 일정한 외부 압력에 안정성을 보였으나 800°C에서는 표층의 파괴가 관찰되었으며 950°C에서는 열처리 후 곧바로 표면층이 박리되었다. 단면분석에서는 코팅층의 내부에는 별다른 변화가 관찰되지 않았으며단지 500°C 〜650°C범위는 산소와 직 접 노출되는 최외각부분에서 약 2㎛의 산화층이 형성되었으나 950℃에서는 산화층의 두께가 급격히 증가했다.
통상적으로 알려져 있는 WC계의 허용한계온도는 550°C부근으로 알려져 있으나 이번실험에서는 650E까지 고온에서 안정성을 보였으며 800°C이후부터는 표면에 생성된 산화물등에 의한 상변화를 보였을 뿐만 아니라 산화에 의한 취성증가로 박리 등의 표면특성의 저하가 관찰되었다. 실험결과를 종합해 보면 650°C 〜800°C사이 에 표면특성 이 급격히 저하되는 온도가 존재할 것으로 예상된다.

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