37 특집 : 고에너지응용기술의최근동향 자동차부품적용저온분사코팅기술 Cold Sprayed Coatings for Next Generation Automobile Parts Hyung-Jun Kim 본기술해설에서는현재미국의 Sandia 국립연구소와포드자동차연구소및 GM 자동차회사의부품전문연구소인 Delphi 연구소를중심으로자동차부품적용을위하여활발히연구되고있는일명저온분사 (cold spray 혹은 kinetic spray) 라고불리우는신코팅공정기술을소개하고, 자동차부품을중심으로가능한적용처에대하여논의하고자한다. 1. 저온분사기술개요 일명 cold spray라일컬어지는코팅공정은보통 1 50 μm ( 최근에는 200 μm까지가능하다고보고됨 ) 의입도를가진금속이나복합재료분말을압축가스 (He, N 2, 공기, 혹은혼합가스 ) 의초음속제트로가속시키면, 분말소재의소성변형과결합을줄만한충분한속도 ( 보통 300 1300 m/sec), 즉, 임계속도에이르게되어코팅이형성된다는신코팅공정기술이다. 코팅형성기구는일반적으로고속의충돌이분말의얇은금속산화막을파괴하여순간적으로높은압력과온도에의해원자간결합을형성하는것으로알려져있다. 따라서일반적으로순수한고상상태공정으로이해되고있으며, 최근에는나노소재코팅기술나일체화성형공정기술로많은관심을받고있다. 코팅공정시압축가스의온도를가열하면 ( 보통최대 600 o C까지 ) 같은가스압력에서가스속도의증대로인하여충돌입자의부착율을증가시킬수있게된다 1-5). Fig. 1은 cold spray 의기본개념에관한초기러시아의연구결과를보이고있다 1). Fig. 1은주변의정체한제트기류의상온아래서알루미늄, 구리, 그리고니켈과같은여러금속분말들의입자속도에대한부착효과의존성을보여준다. 이연구의주요한결과는다음과같다. 부착효과의두가지특징적인범주는임계속도 (V*) 에의해구별되어진다. 첫번째범주 (V V*) 는지금이경우에선바람직하지않지만기지마모의잘알려진공정과일치한다. 그러나, 임계값 V* 이상으로입자속도가꾸준히증가함으로써이코팅공정은시작된다. 입자속도가임계속도에다다를때부착효과는 50 70% 로빠르게증가한다. 알루미늄, 구리, 그리고니켈과같은다양한금속에 V* 에대한전형적인값은 Fig. 1에서 500 700 m/s의범위에있다. 다양한금속과합금은거의가열없이충분한입자속도만충족시켜준다면상온에서조차코팅될수있다. 상기와같이소재분말을고온으로용융시키지않고고상상태에서이루어지는공정이므로기존의용사코팅 (Thermal Spray) 의단점을극복하는많은장점을지니게된다. 많은장점중에서특히, 나노분말이나비정질분말을코팅하거나일체화성형제품생산시처음의나노나비정질특성을그대로유지할수있는공정으로이해되고있으며, 현재는열적으로민감한 Ti이나 Cu 같은소재에서좋은결과가발표되고있다. Deposition efficiency, Δm/MO 0.8 0.6 0.4 0.2 Cu Ni Al 0.0 400 600 800 Particle velocity, m/s T=300K T = 300K 1000 Fig. 1 Deposition efficiency as a function of particle velocity for three typical metal powders at ambient jet temperature 1) 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 37
38 2. 기술적배경및동향 Cold spray 코팅기술은 cold gas-dynamic spraying (CGDS), high-velocity non-combustion spraying, 또는간단히 kinetic spray 처럼다양한이름으로알려졌으며, 1980년대중반에시베리아의 The Institute of Theoretical and Applied Mechanics of Russian Academy of Science에서최초로현상이발견되었다. 연구원들은입자를실은흐름이초음속공기흐름의바람터널로지나가서금속표본에쌓이는실험을보였다. 그흐름은속도가증가함에따라입자의흐름에의한시편의마모현상및코팅에주목하였다. 이들은이원리를기초로하여 cold spray 기계를발전시켰다. 그들은또한 cold spray 할금속과상업적으로사용가능한것을찾는연구를수행하였다 6-13). 이공정은 1994 년러시아발명가들에의해미국특허권이발표되었다 14). 1994년에는발명자중한명인 A. Papyrin 박사가미국미시건에있는국제제조과학센터 (National Center for Manufacturing Sciences) 의후원을바탕으로협력회사를결성하기위해미국에왔다. 이모임에는 Ford Motors, General Motors, General Electric- Aircraft Engines 와 Pratt & Whitney Division of United Technologies 등의중요한미국회사들이포함되었다. 이런협의는미국에서먼저창설하였으며 cold spray 의가능성과 cold spray 할여러금속들의제조법을공표하였다 15,16). 1997년에미국 Sandia 국립연구소에 cold spray의가능성과공정을진단하고모델을연구하는것을관리하는국립연구소가상설되었다 5). 현재에는 2002년에저온분사장치를세계최초로상용화한미국의 K-tech, Inovati, 그리고, 독일의 CGT (Cold Gas Technology) 등이선두를달리고, 21세기에들어와서는영국 (TWI), 일본 (Plasma Giken), 중국, 호주 (CSIRO) 등지에서도연구가진행되고있다. RIST에서도 2002년도에자율과제를통하여국내최초로저온분사장치를제작하여각종금속코팅뿐만아니라, 나노 WC-Co 와같은초경재료에대하여도우수한코팅제조에성공하여현재는상용화장치개발에관한과제가진행되고있다 15-17). Fig. 2에서는저온분사장치의개략도를보이고있다. 입구에서의가스는입자속도증대를위한주가스와분말송급을위한분말송급가스로나뉘게된다. 일반적으로는같은압력조건에서가스속도증대를위하여주가스만을예열하지만, RIST에서개발된장치는분말도동시에예열하는장치를분말송급통과노즐 High pressure gas supply Carrier gas Gas control module Main gas preheater Data acquisition & control system Powder feeder Powder gas preheater Gas Substrate Coating Supersonic nozzle Fig. 2 Schematic representation of cold spray system 1,17) 사이에위치하여일반적으로저온분사공정으로는어렵다고인식되는초경이나벌크비정질합금같은인성이부족한소재코팅연구를위하여구성되어있다. 원리는비교적간단한논리로서저온분사코팅형성메커니즘은소재의인성이증대될수록용이하게코팅되므로소재의온도상승에따른인성증대로인한코팅용이성을기대하였다. 저온분사장치의다른주요한부품은소위 De Laval 형태의노즐로서즉, convergediverge 되는형태의노즐을통하여가스속도극대화를통한입자속도극대화를추구하는장치이다. 3. 저온분사기술의장점 저온분사공정기술의장점은다음과같이정리될수있다. (1) 고상상태공정이므로산화와바람직하지않은상을피할수있다. - 낮은산화물을지닌다. - 열적으로민감한소재 (Ti, Cu, etc) 코팅이가능하다. (2) 최초입자재료의고유물성유지가가능하다. - Nano, amorphous, intermetallic 재료의코팅및일체화성형부품제작이가능하다. (3) 낮은잔류응력을유도한다. - 응고응력이존재하지않으므로두꺼운코팅이가능하다 (up to 30 mm). - 일체화성형공정으로유망하다. (4) Bulk 소재에비하여높은열및전기전도도를지닌다. (5) 높은밀도, 높은경도, 냉간가공미세조직을제공한다. (6) Ultra-pure coating 이가능하다. (7) Good surface finish 를지닌다. (8) 입자크기가 5 10 μm 보다작은분말사용이가 38 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
자동차부품적용저온분사코팅기술 39 능하다 (1 50 μm). (9) Highly dissimilar 재료코팅이가능하다. - layer by layer 코팅이가능하다. (10) Short standoff distance (5-50 mm) 를사 용한다. - Minimal substrate preparation (masking) 을요구한다. - 파이프내경코팅에적당하다. (11) Small spray beam ( 5 mm in diameter) 을사용한다. - 정밀부품 (Precise control, width up to 1 mm) 에적당하다. (12) 높은생산성이가능하다 (up to 15 kg/hr). (13) High deposition rate and efficiency (up to 95%) (14) 분말재사용이가능하다. (up to 100%) (15) 기판예열을최소로한다. (16) 작업의안전성향상이이루어진다. - 고온가스제트, radiation, 폭발가스사용이없다. Fig. 3 Schematic view of condenser in automobile 4. 자동차부품적용가능처 현재저온분사기술을이용하여상용화된제품은 2003년에독일에서최초로 PC에서의 heat sink 에적용된다고보고된점이유일하다. 그러나, 미국을중심으로한저온분사기술선진국에서는자동차부품적용에관심을두고있다. 현재미국자동차회사및부품회사에서저온분사기술을이용한가능한적용처로소개하고있는분야를정리하면다음과같다. Fig. 4 Galvanized steel hem structure (1) 자동차 condenser 현재국내자동차부품회사에서제작하는자동차컨덴서는 Fig. 3에서보이는바와같이 Al 합금모재에 Al 합금냉각핀을붙이기위하여브레이징공법을사용하고있다. 이공법은크래딩한냉각핀을가공해야하는이중공정으로서 RIST에서는태광테크를주관으로하는 2010 생기반과제를통하여저온분사공정을통한공정단축, 자동화및생산성향상목적으로 2003 년부터 3년간연구를진행하고있다. (2) Selective Galvanizing 자동차도금강판의내부식성향상을위한방편으로부식이심한부위즉, Fig. 4와같은부위에추가로저온분사공정을통하여 Zn 코팅시내부식성향상을도모할수있다는점을보고하고있다. 즉, 내부식성은 Zn 코팅두께가증가할수록증대하므로기존에는 Zn Zn-20Al Cold-spray internal surgaces 50 microns Baseline EG-60 Steel Fig. 5 Cross sectional details of hem flanges exposed to cy clic salt-water corrosion tests 도금두께가 10~20 μm정도에불과하므로, 그 Zn 도금위에 0.05 내지 0.1 mm의저온분사 Zn 코팅을통하여부식특성이현재하게차이가나는현상을 Fig. 5과 6에서증명하고있다. Fig. 7에서는단면조직사진을통하여코팅두께를비교하고있다. 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 39
40 Weld material Cold-spray steel Spray-formed steel Fig. 8 Repair of thermally-sprayed steel tooling material using a cold-sprayed steel intermediate layer on which a conventional weld bead was developed. Weld Bead Fig. 6 Cyclic salt-water corrosion testing of baseline (top) and selectively galvanized (bottom) hem structures Recrystallizstion Layer Cold-sprayed lron Fig. 9 Filler-metal weld bead readily formed on cold-sprayed iron structure, showing thermal transport evidenced by recrystallization and grain growth below the bead Fig. 7 Cold-sprayed Zn-20Al alloy powder layer on EG60 electro-galvanized steel sheet (3) Repair of thermal spray tooling (rapid tooling) 현대의자동차회사에서는시제품금형과생산용금형과의차이를두지않고, 시제품금형을설계변경에따른보수용접을통하여생산용금형으로사용하고있다. 따라서보수용접이점차중요한기술로대두되고있으나, 금형소재의대부분은주철을사용하므로보수용접이용이하지않다. 따라서 Ni buffer layer 대신에저온분사공정으로적층하여생산성향상과내마모보수용접을균열없이할수있는대체기술로검토되고있으며, 그예로서조직사진을 Fig. 8과 9에서보이고있다. 그밖의가능한적용처를요약하면다음과같다. (4) Steel fuel tank weld seam repair (blazing point) (5) Barrier protection of magnesium (Al) (6) Ballistic processing of materials (conventionalshot peening) (7) Electrically conductive polymer by implantation of graphite particle (8) Circuits (power steering control), Cu on alumina (9) Electric machines (pure Fe-Ancor steel, NdFeB/Fe, NdFeB/Cu) (10) Hand held potable cold spray machine (11) Cu metallization - direct deposit for tailorable junction blocks or interconnects such as with the alternator diode plate (12) High density copper lines as electrical leads for heat tolerant under-hood automobile electronics 40 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
자동차부품적용저온분사코팅기술 41 5. 결언 저온분사공정기술은이제약 10년정도알려진기술로볼수있다. 그동안의연구에서많은금속및일부 cermet과고분자재료에대한우수한연구결과가발표되고있다 18-20). 따라서선진국에서는현재많은관심을기울이는연구분야이나, 현재까지는상용화가제한적이다. 상용화의걸림돌은여러가지의예을들수있겠다. 공정이아직잘이해되지않고, 노즐막힘현상이나, 미세분말송급이균일하게되지않는등의기술적인측면외에도, 비싼헬륨가스를사용하는등의경제적인측면을들수있다. 최근에는이러한헬륨가스재사용이나, 좀더큰분말입자를사용하고자하는연구도발표되고있다 21,22). 특히, 국내외적으로나노분말이나비정질분말제작으로는많은연구가진행되어상용화가능성을제시하였으나, 이러한분말을사용하여코팅이나 bulk 소재제작에는많은한계를보이고있다. 따라서저온분사공정기술이이러한한계를극복할수있는공정기술로이해되고있으며, RIST에서도우수한연구결과가나오고있다 15,16,23). 저온분사공정기술은기술선진국에서도미국과독일을제외하고는모두최근에연구개발을추진하고있다. 따라서국내에서도 RIST를중심으로는연구를활발히진행하여전세계적인기술수준에서다음그룹정도로이해하고있다. 따라서연구개발을통하여세계동등내지는신제품개발을통한국제경쟁력을단시일에볼수있는기술분야라고사료된다. 참고문헌 1. A. Papyrin : Cold spray technology, Advanced Materials & Processes, 2001, 49-51 2. T. H. Van Sreenkiste, J. R. Smith, R. E. Teets, J. J. Moleski, D. W. Gorkiewicz, R. P. Tison, D. R. Marantz, K. A. Kowalsky, W. L. Riggs, P. H. Zajchowski, B. Pilsner, R. C. McCune, and K. J. Barnett : Kinetic spray coatings, Surface & Coating Technology, 111 (1999), 62-71 3. T.H.V. Steenkiste : Kinetic spray: A new coating process, Key Engineering Materials, 197 (2001), 59-86 4. T. Stoltenhoff, J. Voyer and H. Kreye : Cold spraying state of the art and applicability, International Thermal Spray Conference, 2002, 366-374 5. www.sandia.gov/coldspray/presentations/, Cold spray workshop summary page 6. A.V. Babkin, S.V. Ladov, V.M. Marinin, and S.V. Fedorov: Effect of shaped-charge jet compressibility and strength on the characteristics of their inertial stretching in free flight, Applied Mechanics and Technical Physics, 38 (1997), 177-184 7. A.O. Tokarev : Structure of aluminum powder coatings prepared by cold gas dynamic spraying, Metal Science and Heat Treatment, 38 (1996), 136-139 8. A.N. Papyrin, A.P. Alkimov and V.F. Kosarev : Spraying the current conducting coatings on electrotechnical unit by the CGS method, Proceedings of United Thermal Spray Conf., 1999, p88-290 9. A.P. Alkimov, A.I. Gudilov, V.F. Kosarev, and N.I. Nesteriovich : Specific features of microparticle deformation upon impact on a rigid barrier, Applied Mechanics and Technical Physics, 41 (2000), 188-192 10. A.P. Alkimov, V.F. Kosarev, and A.N. Papyrin : Gas-dynamic spraying. An experimental study of the spraying process, Applied Mechanics and Technical Physics, 39 (1998), 318-323 11. A.P. Alkimov, V.F. Kosarev, and S.V. Klinkov : The features of cold spray nozzle design, J. of Thermal Spray Technology, 10 (2001), 373-381 12. A.N. Papyrin, A.P. Alkimov, V.F. Kosarev, and S.V. Klinkov : Experimental study of interaction of supersonic gas jet with a substrate under cold spray process, Proceedings of the International Thermal Spray Conf., 2001, 423-431 13. A. N. Papyrin, V. F. Kosarev, S. V. Klinkov, and A. P. Alkhimov : On the interaction of high speed particles with a substrate under the cold spraying, International Thermal Spray Conference, 2002, 380-384 14. A.P. Alkhimov, A.N. Papyrin, V.F. Kosarev, N.I. Nesterovich, and M.M. Shushpanov : Gas-dynamic spraying method for applying a coating, US Patent 5,302,414, April, 1994 15. H.J. Kim, C.H. Lee, and S.Y. Hwang: Fabrication of WC-Co coatings by cold spray deposition, Surface and Coatings Technology, Vol. 191 (2005), No. 2-3, 337~342 16. H.J. Kim, C.H. Lee, and S.Y. Hwang: Superhard nano WC-12%Co coating by cold spray deposition, Materials Science & Engineering A, Vol. 391 (2005), No. 1~2, 243-248 17., 정덕환, 배석천, 이창희 : 저온분사시 in-situ 분말 예열에 따른 코팅층 평가, 대한금속재료학회지, 43-10 (2005), 660~666 18. T. H. Van Steenkiste, J.R. Smith, R.E. Teets, J.J. Moleski, and D.W. Gorkiewicz : Kinetic spray coating method and apparatus, US Patent 6,139,913, Oct. 31, 2000 19. B. Jodoin : Effects of shock waves on impact velocity of cold spray particles, Proceedings of the International Thermal Spray Conf., 2001, 399-407. 20. K. Sakaki and Y. Shimizu : Improvement in wire arc spray by super sonic cold gas jet, Proceedings of the International Thermal Spray Conf., 2001, 441-445 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 41
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