06-13 (11-32주윤곤).fm

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담비 임
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1 [ 논문 ] 열처리공학회지, 제 25 권제 1 호 (2012) J. of the Korean Society for Heat Treatment, Vol. 25, No. 1, (2012) pp. 6~13 고속화염용사코팅으로제조된 WC-CoFe 코팅의기계적특성에관한연구 주윤곤 * 조동율 * 하성식 ** 이찬규 * 천희곤 *** 허성강 * 윤재홍 *, * 창원대학교나노신소재공학부, ** 한국제강, *** 울산대하교 The Mechanical Properties of WC-CoFe Coating Sprayed by HVOF Yun-Kon Joo*, Tong-Yul Cho*, Sung-Sik Ha**, Chan-Gyu Lee*, Hui-Gon Chun***, Sung-Gang Hur*, Jae-Hong Yoon*, *Dept, of Nano & Advanced Materials Engineering, Changwon Natioal University, Changwon , Korea **Han Kook Steel & Mill., Ltd., Gyeongnam , Korea *** School of Materials Science & Engineering, Ulsan University, Ulsan , Korea Abstract HVOF thermal spray coating of 80%WC-CoFe powder is one of the most promising candidate for the replacement of the traditional hard chrome plating and hard ceramics coating because of the environmental problem of the very toxic Cr 6+ known as carcinogen by chrome plating and the brittleness of ceramics coatings. 80%WC-CoFe powder was coated by HVOF thermal spraying for the study of durability improvement of the high speed spindle such as air bearing spindle. The coating procedure was designed by the Taguchi program, including 4 parameters of hydrogen and oxygen flow rates, powder feed rate and spray distance. The surface properties of the 80%WC-CoFe powder coating were investigated roughness, hardness and porosity. The optimal condition for thermal spray has been ensured by the relationship between the spary parameters and the hardness of the coatings. The optimal coating process obtained by Taguchi program is the process of oxygen flow rate 34 FRM, hydrogen flow rate 57 FRM, powder feed rate 35 g/min and spray distance 8 inch. The coating cross-sectional structure was observed scanning electron microscope before chemical etching. Estimation of coating porosity was performed using metallugical image analysis. The Friction and wear behaviors of HVOF WC-CoFe coating prepared by OCP are investigated by reciprocating sliding wear test at 25 o C and 450 o C. Friction coefficients (FC) of coating decreases as sliding surface temperature increases from 25 o C to 450 o C. (Received October 31, 2011; Revised November 15, 2011; Accepted December 16, 2011) Key words: HVOF, Taguchi program, Wear performance, WC-CoFe 1. 서론전통적인경질크롬도금과세라믹코팅은금속표면에증착시켜내마모, 내열, 내식성등을필요로하는곳에널리사용되어왔다 [1, 2]. 그러나크롬도금은 400 o C 이상에서사용하기어려운특성을가지고있을뿐아니라도금과정에서독성이강한발암물질인 Cr 6+ 을배출시키고세라믹코팅의취성문제를가지고있다 [1, 2]. 최근에는고속화염용사법 (HVOF: High Velocity Oxy-Fuel) 은미세분말소재를부품표면에코팅하여마모나부식환경등의가혹한분위기하에서부품들의수명향상을필요로하 는자동차, 항공기등의산업분야에응용되고있다 [3]. 세계 Air Bearing 장치의주된생산업체인 Westwind Air Bearing와 JEVCO International은경질크롬도금을활용한스핀들 (Spindle) 을도입함으로써 120,000 RPM 이상의공기베어링 (Air Bearing) 장치를생산하고있다. 고속회전체의축부는 RPM이증가할수록고열이발생하고침식마모가심하여점점고가의재질을사용하게되었다. 그러나금속재질은고온에서열적변형이심하고물리적특성이감소함으로써원자재의원가상승에비해서그수명향상에한계를가지게되었고고온에서축부가고착되는현상이나타났다. 이를개선하고자 Corresponding author. jhyoon@changwon.ac.kr

2 고속화염용사코팅으로제조된 WC-CoFe 코팅의기계적특성에관한연구 7 Cr 경질도금을수행하였지만도금에서도역시고착현상및코팅탈락등의문제가나타났다. 알루미늄계열의옥사이드의경우에 Bushing과의접촉이발생하지않을경우에축부에대한내마모성및내열성이우수하지만 Air Bearing Spindle이시동 (Start) 과정지 (Shut off) 시에부싱 (Bushing) 과의마찰이잦아짐에따라그충격을견디지못하고코팅이탈락하기때문에코팅고유의특성을발휘하지못하고있다. 국내일부업체에서적용하고있는알루미늄계의용사코팅은 Cr 경질에비해약간의내소착성은우수하지만내충격성이약하기때문에부품의수명향상에별다른기여를하지못하고있다. 이로인해국내의전자및반도체업체들은세계일류의제품을생산하기위해고가의수입제품을선호하고있다. 이러한크롬을이용한표면경화대신에 WC계및 Co 합금등과같은소재를코팅하는연구가진행되고있다. 본연구에서는내마모성및내식성이우수한 WC-CoFe 분말을 HVOF 법을이용하여인코넬 718 기판에코팅하였다. 용사코팅공정인자 ( 산소유속, 수소유속, 용사거리및분말공급량 ) 에대하여 3수준 4인다구찌실험계획법을이용하여최적용사코팅공정기술을개발하였고, 마찰 / 마모시험을통하여그특성을비교하였다. 2. 실험방법 2.1 시편준비 WC-CoFe코팅의기판은 binder층의코팅없이도강한접착을하며부식환경에서사용되는 Inconel 718 소재를사용하였다. 코팅분말은표 1과같은화학조성을가지고 spray drying 법으로제조된그림 1과같은입도 20~40 µm의 WC-CoFe 상용분말을사용하였다. 코팅공정은전처리, 용사그리고후처리로하였다. 전처리과정에서는시편모재를아세톤용액에서 5분간초음파세척을한후 60 mesh의 Al 2 O 3 로 blasting 처리를하여모재와용사층간의접착력을증대시키도록하였다. 용사공정에서는 3수준 4인자 ; 산소와수소가스유속, 용사거리그리고분말공급율에대하여다구찌실험계획법으로표 2와같은 9가지의공정으로용사코팅을하였다. 용사장비는 JK3500을사용하였으며용사시용사건속도는 3 mm/s로일정하게유지하였다. 용사분말의캐리어가스는 180 psi의아르곤을사용하였다. 용사코팅후냉각은별도의냉각장치없이공냉을하였다. 2.2 WC-CoFe 코팅층분석코팅층은광학현미경, 주사전자현미경, EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 및 XRD (X-ray Diffraction) 를이용하여미세조직과조성을분석하였으며, 미소경도시험기로코팅층단면중심부에서 15회측정한후측정치가가장큰값과작은값을제외하고평균값으로경도값을산출하였으며, 광학현미경을사용하여얻은코팅층의조직사진을영상분석기 (Image analyzer) 를통해분석하여코팅층의기공도를얻었다. Table 2. Process of HVOF WC-CoFe coating desigined by Taguchi method O 2 flow rate (FMR) H 2 flow rate (FMR) Feed rate (g/min) Spray distance (inch) Table 1. Chemical compositions of WC-CoFe powder and Inconel718 Element W C Co Fe WC-CoFe (wt.%) Element C Mn Si Cr Ni Co Mo Ti Al B Nb Cu Inconel

3 8 주윤곤 조동율 하성식 이찬규 천희곤 허성강 윤재홍 2.3 WC-CoFe 코팅층마찰 / 마모시험최적용사코팅공정기술 (OCP) 로제조된 WC-FeCo 코팅층그리고모재인인코넬 718의마찰 / 마모성능을비교하기위하여왕복구동방식의마찰마모시험기를사용하였다. 마모시험은코팅의초기표면거칠기의영향에민감하므로코팅된시편의표면을 1µm 의다이아몬드페이스트까지연마하였다. 마찰조건은상대재로직경 1cm인스테인레스볼을사용하였다. 상온에서무윤활상태로거리 1.6 cm, 2.5 Hz 조건에서 10 N의하중을가해 10분간실시하면서마찰계수를측정하였고, 마모시험후 SEM과 surface profiler를이용하여마모흔을조사하였다. 3. 결과및고찰 3.1 WC-CoFe 분말특성분석 Spray drying법으로제조된 WC-CoFe 분말의 SEM 이미지와 EDS 결과를그림 1에나타내었다. 분말은세라믹특성을가진고경도의 WC입자가결합체역할을하는 Co 기지내에혼합된형태이며, 분말의평균입도는 20~40 µm 나타내었다. 그림 2의 (a) 에분말의 XRD 분석결과에서알수있듯이분 말은 WC, Co 그리고 Fe 상이존재하고있는것을알수있다 WC-CoFe 코팅층분석실험계획법에의해제조된 WC-CoFe 코팅의 XRD 결과를그림 2의 (b) 에나타내었다. XRD 분석결과 WC, Co, Fe 결정상과분말에서는나타나지않았던 W 2 C 결정상이존재하였다. 초고속화염용사 ( 용사 ) 동안액적이 3,500 o C의화염속에서용해혹은부분용해되며, 1,000 m/s의고속으로기판에증착되는과정에서분말내 WC의일부가열분해온도이상에서금속과흑연으로분해가일어났기때문이다 [4]. 그림 3에용사법에의해제조된코팅시편의단면과표면의 SEM 이미지를나타내었다. 코팅의두께는약 150 µm이다. 단면과표면의이미지를보면다공성의코팅이형성되었는데이는 WC의열분해로인하여생성된탄소가과잉공급된산소와반응하여이산화탄소가스를생성하고, 이산화탄소가스가코팅층을통해서배출되기때문이다 [4] WC-CoFe 코팅층의특성그림 4 에보여진표면특성과공정변수들과의관 Fig. 1 SEM image and EDS of WC-CoFe powder. Fig. 2. XRD of WC-CoFe powder and OCP coating.

4 고속화염용사코팅으로제조된 WC-CoFe 코팅의기계적특성에관한연구 9 Fig. 3. SEM of surface and cross-section of coating. Fig. 4. Correlation between surface properties and spray parameters.

5 10 주윤곤 조동율 하성식 이찬규 천희곤 허성강 윤재홍 Table 3. Optimal coating processes for hardness, porosity and roughness Factor Unit OCP Hardness Porosity Roughness O 2 flow rate FMR H 2 flow rate FMR Spray distance Inch Feed rate g/min Fig. 5. SEM image of cross-section and EDS spectrum of OCP coating layer. 계에서표면경도는 Hv = 750~1,100로일반기계부품에사용되는소재보다약 1.5배이상높은경도값을나타내었고, 산소 34 FMR, 수소 57 FMR, 용사거리 8 inch 그리고분말공급량 25 g/min 일때가장높은경도를나타내었다. 일반적으로용사거리증가는분말의열에노출시간이증가하므로 WC의분해를증가시켜경도를감소시킨다. 분말공급량의증가는분말에의한열흡수로분말온도를낮추어열분해를감소시켜경도를높이는효과를나타낸다. 기공도는산소의유속변화에가장큰변화를나타내었으며, 산소 30 FRM, 수소 61 FRM, 용사거리 8 inch 그리고분말공급량 35 g/min 일때가장낮은기공도를나타내었다. 용사층의기공의크기및분포는용사층특성에영향을주는중요한요소중의하나로기공의생성원인은판의적층구조특이성에기인하는데불완전한판사이에는조대한기공이생기게되고, 용융된액적이모재에충돌하여퍼질때판의모서리부분에서다시튀어오르는입자위에후속액적이응고된입자에충돌하여판을형성할때, 중간크기의기공이생기게된다. 또다른원인은용융된액적에가두어져있던가스가 Fig. 6. Friction coefficient vs. the sliding time of WC- CoFe coating layer. 모재에충돌하여판을형성할때, 가스가포집되면서판내에미세한크기의기공이고립되게된다. 이와같이생긴기공의크기와분포는용사변수들을적절히조절함에따라제어가가능하여, 또한용사층의기계적특성에도영향을미치기때문에용사변수최적화를통하여기공의크기와분포를제어하여야한다. 표면거칠기는기공도및경도와같이산소유속변화에가장큰변화를보였으며산소 38 FRM, 수소 61 FRM, 용사거리 7 inch 그리고분말공급량 25 g/min 일때가장작은거칠기를보였다. 3.4 최적용사코팅공정도출표 2와같은실험계획법으로제작된시편의표면특성분석을통해그림 4와같은결과값을바탕으로분산분석을실시하여경도에대해서는높으면높을수록좋은결과이므로망대특성을적용하고, 기공도및표면거칠기에대해서는낮으면낮을수록좋은결과이므로망소특성을적용하여표 3과각표면특

6 고속화염용사코팅으로 제조된 WC-CoFe 코팅의 기계적 특성에 관한 연구 11 성에 대한 최적공정을 선정하였으며, 연구에 사용된 기공도 및 표면 거칠기 복합적으로 작용하겠지만 인 분말이 내마모 특성을 향상시키기 위해 용사 조건의 최적화가 요구된다. 코팅층의 내마모 특성은 경도, 자들 간의 상반된 결과가 발생하여, 연구의 목적인 내마모성 향상을 고려하여 경도, 기공도 그리고 표면 Fig. 7. Wear trace and EDS spectra at different temperatures.

7 12 주윤곤 조동율 하성식 이찬규 천희곤 허성강 윤재홍 거칠기로최적공정의우선순위를설정하였다. 모든특성에있어가장큰기여도를보인산소의유량 34 FRM, 수소유량 57 FRM, 용사거리 8 inch 그리고분말공급량 35 g/min이최적코팅공정이다 [5]. 도출된최적공정으로용사한 WC-CoFe 코팅층의표면특성및마찰마모특성을평가하였다. 3.5 최적용사코팅층의표면특성평가최적코팅조건으로용사된코팅층의특성을분석한결과다구찌프로그램조건으로용사된조건에서는대부분이불완전한 splat 적층에의한조대한기공들이존재하거나, 기공의분포가상부에밀집되어있는형태를보였으나최적조건으로용사된코팅층의기공은용융된 droplet들사이에포집되어있던가스가방출되면서미세한기공이많이존재하였고, 기공도는 1.5% 로현저히낮은결과를나타났고, 표면거칠기또한 3.4 µm로비교적낮은수치를나타내었다 [6]. 경도값측정결과는 HV 1,120를나타내었다. 3.5 최적용사코팅층의마찰마모특성평가그림 6과같이 WC-CoFe 코팅마찰계수는 25 o C 에서 그리고 450 o C에서 0.556으로고온에서마찰계수가감소함을알수있다. 이는융점이낮은금속 Co와 Fe가마모실험에서취성이강한산화물을형성하고이들이마모되어고체및액체윤활제역학을하기때문이다. 그림 7의마모흔을비교해보면상온에서의마모흔보다고온에서의마모흔이 3배이상크게나타났다. 이는고온에서의표면경도의감소로연삭마모가그리고상대재와코팅층사이의미끄럼면간의접착력증가로응착마모가증가하였기때문이다. 상온마모흔 EDS분석결과마모흔의중심부에서마모상대재의성분인크롬과마찰열로인한산화가발생하여산소피크가존재하였고, 고온마모흔에서는 3번의 EDS 분석결과에서크롬, 니켈및산소피크가존재하였고, 나머지 EDS 분석결과에서는산화가발생하여산소피크만존재하였다. 마모흔을 surface profiler로분석한결과인그림 8에서보듯이상온과고온에서연삭마모에의한마모분이제거됨에따라발생하는 groove가발생하지않은것으로보아코팅은상온과고온에서내마모성이좋은것으로판명되었다. Fig. 8. Wear depth profile of WC-CoFe coating layer. 3. 결론 1. WC-CoFe 코팅의표면특성은공정인자에따라큰차이를보이며, 경도에대한최적화염용사코팅공정은산소유속 34 FMR, 수소유속 57 FMR, 분말공급율 35 g/min과용사거리는 8 inch 였다. 2. WC-CoFe 코팅의마찰계수는 25 o C에서 와 450 o C에서 0.556로나타났고, 온도상승에따라감소하였다. 3. 고온에서피트모양의흠이발생하지않아내마모성향상을위한표면처리방법으로적합하다. 사 사 This work was supported by Korea Research Foundation Grant(KRF J02701). 참고문헌 1. T. Y. Cho, J. H. Yoon, K. S. Kim, S. J. Youn, N. K. Baek, and H. G. Chun, J. Kor. Crystal Growth and Crystal Technology 16 (2006) B. D. Sartwel and P. E. Bretz, HVOF Thermal Spray coatings Replace Hard Chrome, (2006). 3. S. Y. Park and C. G Park, J. Kor. Inst. Met. & Mater. 42 (2004) J. K. N. Murthy,b. Venkattaraman, surf. Coat. Technol., 200 (2006) 2642.

8 고속화염용사코팅으로제조된 WC-CoFe 코팅의기계적특성에관한연구 P. J. Ross, Tachuchi Techniques for Quality Engineering, p63, McGraw-Hill, New York (1998). 6. T. Y. Cho, J. H. Yoon, K. S. Kim, S. J. Youn, N. K. Baek, H. G. Chun, and S. Y. Hwang, J. Kor. Inst. Surf. Eng. 39 (2006) 240.

< C1B6B5BFC0B22E687770>

< C1B6B5BFC0B22E687770> [Research Paper] 대한금속 재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 4 (2017), pp.227~231 DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.4.227 227 WC-Co 초고속화염용사코팅표면특성에미치는분말입자의크기 조동율 1,3,* 윤재홍 1 윤상환 1 주윤곤 1 최원호 2 손영복 2 1 창원국립대학교신소재공학부