KR100575139B1

KR100575139B1 - 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치

Info

Publication number: KR100575139B1
Application number: KR1020040092204A
Authority: KR
Inventors: 박동용; 김주호; 김형준; 김숙환
Original assignee: (주)태광테크
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-05-03

Abstract

본 발명은 고압가스에 의해 분말입자를 가속시켜 코팅을 하는 저온 스프레이 코팅법에서 가스 분배기에 공급되는 가스의 온도를 순간적으로 낮춤으로서 체적당 가스의 밀도를 증대시켜 동일한 조건의 저온 스프레이 공정에 비해 가스의 유속을 현저히 향상시킴에 따라 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻을 수 있게한 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치에 관한 것으로,

즉, 가스저장부로부터 공급되는 가스의 온도를 냉각시켜주는 가스 냉각장치와, 냉각된 가스를 두 개의 라인으로 분배되게 컨트롤 하는 가스 컨트롤부와, 주 가스라인을 통하여 공급된 가스를 히팅하는 가스 히터와, 분말송급라인을 통하여 공급되는 가스에 코팅에 사용하는 금속입자를 혼합되게 공급하는 분말 송급장치와 그 가스에 혼합된 코팅 분말을 예열하는 분말 예열장치와, 예열된 코팅 분말과 가열된 주 가스를 혼합하는 혼합챔버와, 가스의 분배와 분말의 송급을 조절하면서 분말 예열온도와 가스 히팅온도를 컨트롤하는 메인컨트롤부와, 고온의 가스를 포함한 분말을 인접된 거리에 있는 모재에 분사하는 분사노즐을 포함한 구성을 특징으로 한다.

저온 스프레이, 코팅, 냉각장치

Description

가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치{COLD SPRAY APPARATUS WITH GAS COOLING APPARATUS}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치를 개략적으로 나타낸 블럭도,

도 2는 상기 도 1의 저온 스프레이 코팅장치에 구비된 가스냉각장치를 발췌하여 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 다른 실시예의 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치를 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 냉각장치 20 : 가스 컨트롤부

30 : 가스 히터 40 : 분말 송급장치

50 : 분말 예열장치 60 : 혼합 챔버

70 : 메인컨트롤부 80 : 분사 노즐

본 발명은 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치, 보다 상세하게는 고압가스에 의해 분말입자를 가속시켜 코팅을 하는 저온 스프레이 코팅법에서 가스 분배기에 공급되는 가스의 온도를 순간적으로 낮춤으로서 체적당 가스의 밀도를 증대시켜 동일한 조건의 저온 스프레이 공정에 비해 가스의 유속을 현저히 향상시킴에 따라 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻을 수 있게한 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치에 관한 것이다.

일반적으로, 저온 스프레이(Cold spray) 장치는 1∼50㎛ 크기 정도의 금속분말 입자를 질소, 헬륨, 공기 및 혼합가스 등의 고압가스를 이용하여 입자속도를 300 내지 1200 m/sec로 가속시켜 모재에 충돌시킴에 따라, 모재와 코팅소재에 따른 임계속도에 다다르면 코팅이 실시되는 장치이다.

즉, 저온 스프레이 장치는 코팅소재를 용융시키지 않고 순수한 고상상태의 공정을 통하여 실시되며, 이러한 저온 스프레이 장치는 금속분말 입자를 가속시키기 위해 사용하는 가스를 200 내지 600℃ 범위로 예열하여 같은 압력에서 높은 가스 속도를 얻게된다.

한편, 상기 저온 스프레이에 의한 코팅방법은 고상 상태에서 공정이 진행되므로 코팅소재의 조건으로서 인성이 좋은 순수 구리, 니켈, 알루미늄 등은 코팅이 양호하며, 인성이 감소하는 분말의 경우에는 코팅이 이루어지는 임계속도가 증가하게 되므로 분말을 가속시키는 가스 속도를 증대시키기 위해 가스 압력을 증대시키면 이에 비례하는 만큼 가스 소비가 증대하게 되는 문제점이 있었다.

또한 가스 속도를 증대시키기 위해 가속가스가 통과하는 주 가스 공급라인을 예열하는 방법은 전기 소비가 증대할 뿐만 아니라, 온도가 상승할수록 가스 예열 장치에 구비된 튜브의 수명이 감소하는 문제점이 있었으며, 질소보다 가벼운 헬륨을 사용하게 될 경우에는 가스 속도 증대를 가져오지만, 헬륨가스의 가격이 높아 경제성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 저온 스프레이 장치의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 금속분말 입자의 유속을 가속하기 위해 가스 공급라인에 구비되는 주 가스 예열장치의 전단에 가스를 극저온으로 냉각시켜 공급하는 냉각장치를 설치하여 단위 면적당 가스 밀도를 높여주고 그 밀도가 높아진 가스가 예열히터에 의해 팽창됨으로써 보다 높은 가스 속도를 발휘되도록 함에 따라, 저온 스프레이 공정조건에서 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻을 수 있는 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치는, 가스저장부로부터 공급라인을 통해 공급되는 가스를 극저온으로 냉각시키는 냉각장치; 상기 냉각장치에 의해 냉각된 가스를 주 가스라인과 분말송급라인으로 적절히 분배되게 공급량을 컨트롤하는 가스 컨트롤부; 상기 가스 컨트롤부로부터 공급되는 냉각된 가스를 히팅하는 가스 히터; 상기 가스 콘트롤부에 의해 분배된 가스를 공급받아 코팅에 사용하는 금속입자를 혼합되게 공급하는 분말 송급장치; 상기 분말 송급장치로부터 송급되는 코팅 분말이 상기 가스 히터에서 가열된 주 가스와 혼합되는 혼합챔버; 상기 가스의 분배와 분말의 송급을 조절하면서 가스 히터를 컨트롤하여 온도를 조절하는 메인컨트롤부; 및 상기 혼합챔버에서 혼합된 고온의 가스를 포함한 분말을 코팅 대상이되는 모재에 분사하는 분사노즐을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 냉각장치는, 가스저장부로부터 공급라인을 통해 가스 컨트롤부에 연결되는 관로상에 설치되는 하우징; 상기 하우징에 장착되어 가스공급라인을 통과하는 가스를 냉각되게 열교환이 이루어지는 열교환실; 및 상기 하우징의 열교환실을 경유하는 가스공급라인이 스크류 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치를 개략적으로 나타낸 블럭도이고, 도 2는 상기 도 1의 저온 스프레이 코팅장치에 구비된 가스냉각장치를 발췌하여 개략적으로 나타낸 도면이다.

상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치는, 가스저장부(T)로부터 공급되는 가스의 온도를 냉각시켜주는 가스 냉각장치(10)와, 냉각된 가스를 두 개의 라인으로 분배되게 컨트롤 하는 가스 컨트롤부(20)와, 주 가스라인(L1)을 통하여 공급된 가스를 히팅하는 가스 히터(30)와, 분말송급라인(L2)을 통하여 공급되는 가스에 코팅에 사용하는 금속입자를 혼합되게 공급하는 분말 송급장치(40)와, 송급되는 코팅 분말과 가열된 주 가스를 혼합하는 혼합챔버(60)와, 가스의 분배와 분말의 송급을 조절하면서 가스 히팅온도를 컨트롤하는 메인컨트롤부(70)와, 고온의 가스를 포함한 분말을 인접된 거리에 있는 모재에 분사하는 분사노즐(80)을 구비하고 있다.

또한 본 발명에 따른 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치는 도 3에서와 같이 분말송급라인(L2)을 통하여 코팅에 사용하는 금속입자를 송급하는 분말 송급장치(40)에 연계하여 그 가스에 혼합된 코팅 분말을 예열하는 분말 예열장치(50)를 거쳐 코팅 분말과 가열된 주 가스를 혼합하는 혼합챔버(60)로 공급하게 된 것도 바람직하다.

가스 냉각장치(10)는, 도 2에서와 같이, 가스저장부(T)로부터 공급되는 가스를 두 개의 라인으로 분배되게 컨트롤 하는 가스 컨트롤부(20) 사이의 관로상에 설치되는 하우징(11)과, 상기 하우징(11)에 장착되어 가스냉각라인(12)을 통과하는 가스를 냉각시키는 냉매공급관(14)을 갖춘 열교환실(13)을 구비하고 있다.

상기 가스 냉각장치는 하우징(11) 내부를 냉각하기 위한 것으로 냉매공급관을 통해 공급되는 냉매의 종류로는 드라이 아이스 및 액체질소를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 가스냉각라인(12)은 주어진 공간에서 냉기와의 접촉면을 확대되도록 스크류 형태로 적어도 5회전 이상 감겨지도록 형성한다.

또한 가스냉각라인(12)을 스크류 형상으로 형성함으로 인하여 하우징(11) 내에서의 가스 체류 시간이 길어지게 된다. 이에 따라 하우징(11) 내에서 냉매의 기화에 의한 열교환이 이루어져 가스냉각라인(12)을 경유하는 가스가 냉각되고 냉각된 가스는 가스 컨트롤부(20)로 전송된다.

상기 가스 컨트롤부(20)는 냉각 상태로 보내져온 가스를 분배되게 컨트롤하여 주 가스라인(L1)을 통하여 주 가스를 가스 히터(30)로 보내고 그 나머지의 가스는 분말송급라인(L2)을 통하여 분말 송급장치(40)로 보낸다.

상기 가스 히터(30)는 가스 컨트롤부(20)로부터 주 가스라인(L1)을 경유하여 공급되는 주 가스를 히팅하여 혼합챔버(60)로 전송한다.

분말 송급장치(40)는 코팅에 사용되는 금속 분말을 공급하는 장치로서, 상기 가스 컨트롤부(20)로부터 공급된 가스를 이용하여 이에 코팅 분말을 혼합되게 하여 분말 예열장치(50)로 전송한다.

상기 분말 예열장치(50)는, 분말 송급장치(40)로부터 공급받은 분말을 예열하우징의 저항선을 통한 간접가열을 통하여 분말 예열장치(50)의 출측 분말송급라인(L2)을 따라 이송되는 과정에 코팅 분말의 예열이 실시된다. 상기 분말송급라인(L2)의 재질은 고온 부식방지를 위하여 스테인레스 스틸 재질로 구비됨이 바람직하다.

분말송급라인(L2)을 통과하는 과정에 예열된 코팅 분말은 혼합챔버(60)로 전송되며, 동시에 혼합챔버(60)에 가스 히터(30)로부터 주 가스라인(L1)을 통하여 전송된 고온의 주 가스가 혼합된다. 상기 분말 예열장치(50)와 가스히터(30)는 메인컨트롤부(70)에 의해 온도조절이 실시되며, 상기 메인컨트롤부(70)는 컴퓨터로 구비될 수 있다.

상기 혼합챔버(60)를 통하여 혼합된 코팅 분말과 주 가스는 분사노즐(80)을 통하여 그 출구측에 인접되게 위치한 코팅 대상체인 모재(S)에 분사되어 코팅이 실시된다.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치의 작용을 설명한다.

가스 공급원이 되는 가스저장부(T)와 가스 컨트롤부(20) 사이에 가스 냉각장치(10)가 설치되며, 이러한 가스 냉각장치(10)의 하우징(11)에는 가스가 전송되는 스크류 형상의 가스냉각라인(12)이 구비되어 있다. 그러므로 스크류 형상의 가스냉각라인(12)을 통하여 가스의 체류시간이 보다 길어지게 되고, 온도 측정장치(15)를 통하여 가스의 온도가 측정되며, 가스냉각라인(12)이 경유하는 하우징(11)의 열교환실(13)을 통하여 가스가 냉각된다.

냉각된 가스는 가스 컨트롤부(20)를 통하여 두 개의 라인으로 분배되어 가스 히터(30)와 분말 예열장치(50)에서 각각 히팅 또는 예열된다.

즉, 냉각작용에 의해 높은 밀도의 가스가 히터(30)에서 가열됨으로써 냉각되지 않은 가스를 가열할 때 보다 빠른 유체속도를 구현되고, 빠른 속도의 가스가 혼합챔버(60)를 통해 예열된 코팅 분말과 혼합되어 분사노즐(80)을 통하여 기판 등의 모재(S)에 분사되어 코팅이 실시된다.

이러한 가스 냉각을 통하여 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻게 된다. 즉 저온 스프레이 공정은 근본적으로 소재의 소성 변형에 의한 적층으로 이루어지는 공정이므로 코팅 소재의 인성이 증가할수록, 가스의 속도가 높을수록 적층율과 코팅특성이 향상된다. 또한 금속은 온도가 상승되면 인성은 증가한다. 이에 따라 코팅분말을 코팅전에 예열하여 코팅에 사용함으로 같은 저온 스프레이 공정조건에서 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻게 된다.

본 발명에 따른 가스 냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치의 일 실시예를 설명한다.

사용조건	변수	비고
사용분말	니켈	99%, 10∼45㎛
기판	SUS 304	두께 6㎜
건과 기판의 거리	15㎜
사용가스	질소
가스압력	30㎏/㎠
가스온도	600℃
분말 송급속도	30rpm (3㎏/hr)
건 이송속도	10㎜/sec
코팅 패스수	2

	가스냉각	코팅두께(㎜)
종래예 1	상온	0.51
실시예 1	- 70℃	0.60
실시예 2	-190℃	0.71

상기 표 1은 본 발명의 가스 냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치의 공정변수이며, 표 2는 저온 스프레이 장치의 종래예와 본 발명의 가스 냉각장치가 구비된 저온 스프레이 장치의 가스 냉각 조건에 따른 Ni 코팅 특성의 실시예를 나타낸 비교표이다.

상기 표 1에서 모재가 되는 기판은 코팅전에 브레스팅 처리하여 표면 조도를 부여하여 코팅이 용이하도록 함이 바람직하다.

상기 표 2는 가스 냉각 조건만을 변화시킨 조건과 코팅 특성에 관한 것으로서, 실시예 1에서 가스냉각온도가 -70℃일 때 코팅두께가 0.60mm이고 실시예 2에서 가스냉각온도가 -190℃일 때 코팅두께가 0.71mm로서, 결론적으로 가스를 냉각할수록 코팅 두께가 상승하여 가스를 냉각할수록 코팅두께가 상승함을 알 수 있다.

한편, 가스의 냉각온도가 낮을 수록 코팅 분말의 분사속도가 증가되어 높은 적층율과 코팅층을 얻을 수 있는 결론으로부터, 저온 스프레이 코팅에 사용되는 가스의 종류로 질소를 사용할 때 그 분사속도를 높일 수 있다면 종래에 질소 가스로부터 구현할 수 없었던 한 단계 위 영역의 코팅도 가능함을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 질소에 비해 작업성은 우수하였으나 가격이 고가이던 헬륨가스의 사용을 대체할 수 있는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치는 동일조건에서 동일 압력으로 가스를 공급할 경우 냉각을 거친 가스는 냉각하지 않은 가스에 비해 분사노즐에서의 압력이 증가하는 특성에 의해 단위 면적당 밀도가 높아진 가스를 히팅함으로써, 보다 빠른 가스 속도를 가져오게 되어 저온 스프레이 공정조건에서 높은 적층율과 우수한 코팅층을 얻게 됨과 아울러 기공도 및 경도 등의 코팅특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

가스저장부(T)로부터 공급라인을 통해 공급되는 가스를 저온으로 냉각시켜 주는 가스 냉각장치(10)와,

상기 냉각장치(10)에 의해 냉각된 가스를 주 가스라인(L1)과 분말송급라인(L2)으로 분배되게 컨트롤 하는 가스 컨트롤부(20)와,

상기 가스 컨트롤부(20)로부터 주 가스라인(L1)을 통하여 공급된 가스를 히팅하는 가스 히터(30)와,

상기 가스 컨트롤부(20)로부터 분말송급라인(L2)을 통하여 공급되는 가스에 코팅에 사용하는 금속입자를 혼합되게 공급하는 분말 송급장치(40)와,

상기 분말 송급장치(40)로부터 송급되는 분말을 가스 히터(30)를 경유하여 가열된 주 가스가 혼합되는 혼합챔버(60)와,

상기 가스의 분배와 분말의 송급을 조절하면서 가스 히팅온도를 컨트롤하는 메인컨트롤부(70)와,

상기 혼합챔버(60)에서 혼합된 고온의 가스를 포함한 분말을 인접된 거리에 있는 모재에 분사하는 분사노즐(80)을 포함한 구성을 특징으로 하는 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치.
제 1항에 있어서, 상기 가스 냉각장치(10)는 가스저장부(T)로부터 공급되는 가스를 두 개의 라인으로 분배되게 컨트롤 하는 가스 컨트롤부(20) 사이의 관로상 에 설치되는 하우징(11)과, 상기 하우징(11)에 장착되어 가스냉각라인(12)을 통과하는 가스를 냉각시키는 냉매공급관(14)을 갖춘 열교환실(13)로 구성된 것을 특징으로 하는 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치.
제 1항에 있어서, 상기 분말송급라인(L2)을 통하여 코팅에 사용하는 금속입자를 송급하는 분말 송급장치(40)에 연계하여 그 가스에 혼합된 코팅 분말을 예열하는 분말 예열장치(50)가 설치되고, 이 분말 예열장치(50)를 거쳐 코팅 분말과 가열된 주 가스를 혼합하는 혼합챔버(60)로 공급하게 된 것을 특징으로 하는 가스냉각장치가 구비된 저온 스프레이 코팅장치.