KR101160297B1 - Hybrid Spray Coating Apparatus - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속계 코팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속계 선재를 사용하여 아크를 발생시키는 선재 용융부와 직진성을 가지는 초음속 가스를 발생시키는 가스 분사부로 구성된 복합 분사 방식의 코팅 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a metal-based coating apparatus, and more particularly to a coating apparatus of the composite injection method comprising a wire melting portion for generating an arc using a metal-based wire and a gas injection portion for generating a supersonic gas having a straightness.

본 발명의 방법에 의하면, 고품위 금속계 코팅을 저비용으로 제조할 수 있는 코팅 장치를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 하이브리드 코팅 장치를 사용함으로써 종래의 금속계 코팅 방법 중 고품위 코팅을 제조할 수 있는 저온 분사법과 동등한 수준의 코팅 특성을 얻을 수 있음과 동시에, 종래의 용사 코팅법 중 가장 경제적인 코팅 방법인 아크 용사법 수준의 공정 단가를 유지할 수 있는 효과를 가진다. According to the method of the present invention, it is possible to provide a coating apparatus capable of producing a high quality metallic coating at low cost. That is, by using the hybrid coating apparatus of the present invention, it is possible to obtain coating properties equivalent to those of the low temperature spraying method capable of producing a high quality coating among the conventional metal coating methods, and at the same time, the most economical coating method among the conventional spray coating methods. It has the effect of maintaining the process cost of the phosphorus arc spray method level.

Description

하이브리드 코팅 장치{Hybrid Spray Coating Apparatus} Hybrid Coating Device {Hybrid Spray Coating Apparatus}

도 1은 본 발명의 하이브리드 코팅 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 1 is a block diagram schematically showing a hybrid coating apparatus of the present invention.

도 2a는 본 발명의 노즐부의 개략도이다.2A is a schematic view of the nozzle portion of the present invention.

도 2b는 종래기술의 아크용사장치 노즐부의 개략도이다.2B is a schematic view of the arc spray device nozzle portion of the prior art.

도 2c는 종래기술의 저온 분사장치의노즐부의 개략도이다.2C is a schematic view of a nozzle portion of a low temperature jetting apparatus of the prior art.

도 3은 본 발명의 장치로 제조된 코팅재의 단면 미세조직의 사진이다. Figure 3 is a photograph of the cross-sectional microstructure of the coating material produced by the device of the present invention.

본 발명은 금속계 코팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속계 선재를 사용하여 아크를 발생시키는 선재 용융부와 직진성을 가지는 초음속 가스를 발생시키는 가스 분사부로 구성된 복합 분사 방식의 코팅 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a metal-based coating apparatus, and more particularly to a coating apparatus of the composite injection method comprising a wire melting portion for generating an arc using a metal-based wire and a gas injection portion for generating a supersonic gas having a straightness.

본 장치는 기존 아크 용사법(Electric Arc Spray; Arc溶射法)과 저온 분사법(Cold Spray)의 장점을 취합한 복합 분사 코팅 장치로 이하 하이브리드 코팅 장치(Hybrid Spray)라 칭한다. This apparatus is a composite spray coating apparatus that combines the advantages of the existing electric arc spray (Arc) method and cold spray (hereinafter referred to as hybrid spray).

우선 종래 아크 용사법과 저온 분사법에 대하여 각각의 특징 및 장단점을 기술한다. First, the characteristics and advantages and disadvantages of the conventional arc spraying method and the low temperature spraying method are described.

아크 용사법은 금속계 선재를 소재로 사용하는 용사 코팅법이다. 즉, 도금하고자 하는 금속을 용액 상태로 녹인 후, 이것에 기류를 취입시켜 안개 모양으로 날려서(溶射噴霧) 목적하는 물건의 표면에 붙이는 방법이다. 일반적으로 (+) 및 (-) 전류가 흐르는 두 가닥의 금속 선재를 접촉시켜 아크를 발생시키고, 이를 통해 용융된 금속을 가스를 이용하여 분사함으로써 모재 표면에 용사 코팅층을 적층시키는 코팅 방법이다. The arc spraying method is a spray coating method using a metal wire as a material. That is, after melt | dissolving the metal to be plated in solution state, it blows in airflow, and blows it in the shape of a mist, and attaches it to the surface of a target object. In general, an arc is generated by contacting two strands of metal wires in which positive and negative currents flow, and by spraying the molten metal with a gas, a spray coating layer is laminated on the surface of the base material.

저온 분사법은 1~50 ㎛ 크기의 금속계 분말을 고압 가스로 가속시켜 모재에 충돌시킴으로써 코팅층을 적층시키는 코팅 방법이다. 이러한 저온 분사법에서 코팅 소재는 용융되지 않으며 순수한 고상 상태 공정을 통해 코팅된다. The low temperature spraying method is a coating method in which a coating layer is laminated by accelerating a metal powder having a size of 1 to 50 μm with a high pressure gas and colliding with a base material. In this low temperature spraying method, the coating material does not melt and is coated through a pure solid state process.

아크 용사법의 장점은 기존의 용사 코팅법 및 저온 분사법 중 코팅 제조 단가가 가장 저렴하며 생산성이 매우 높다는 것이다. 이는 아크 용사법에서 코팅 소재로 선재를 사용하는 것에 기인한다. 일례로 알루미늄의 경우 용사용 선재의 시장 가격은 분말의 1/5 수준이며, 스테인레스 강의 경우에도 1/3 수준이다. 또한 단위 시간당 코팅 적층량 또한 저온 분사법 및 타 용사 코팅법에 비해 5~10배 정도 많은 20~50 Kg/hr이다. The advantage of the arc spraying method is that the coating manufacturing cost is the lowest among the conventional spray coating and low temperature spraying methods, and the productivity is very high. This is due to the use of wire as the coating material in arc spraying. For example, in the case of aluminum, the market price of hot wire is about one fifth of the powder, and about 1/3 of stainless steel. In addition, the amount of coating lamination per unit time is 20 to 50 Kg / hr, which is 5 to 10 times higher than that of the low temperature spraying and other spray coating methods.

그러나 종래의 아크 용사법은 저온 분사법 및 타 용사 코팅법에 비해 제조된 코팅내에 기공, 산화물 등 결함이 많이 존재하며 낮은 접착 강도를 가지는 등 코팅 특성이 상대적으로 떨어지는 단점이 있다. 이는 아크 용사법에서 분사되는 액적의 속도가 평균 100 m/s 이하로 매우 낮은 것에 기인한다. However, the conventional arc spraying method has a disadvantage in that the coating properties are relatively poor, such as a lot of defects such as pores and oxides in the prepared coating compared to the low temperature spraying and other spray coating methods, and have a low adhesive strength. This is due to the extremely low velocity of droplets sprayed by arc spraying, on average below 100 m / s.

통상 고품질 코팅이 가능한 초음속 화염 용사법, 플라즈마 용사법의 경우 액적 의 평균 속도는 300~800 m/s 이며, 소재 용융없이 순수 입자 가속만으로 코팅층을 형성하는 저온 분사법의 경우 입자 속도는 최대 1200 m/s 에 이른다. In the case of supersonic flame spraying and plasma spraying, which can be used for high quality coating, the average velocity of droplets is 300 ~ 800 m / s. Leads to

또한, 종래의 저온 분사법으로 대표되는 고품위 코팅법은 모두 특정 입도를 갖도록 분급된 분말을 원소재로 사용함에 따라 선재를 사용하는 아크 용사법에 비해 코팅 제조 단가가 2~5 배 높은 문제점을 가진다. In addition, the high-quality coating method represented by the conventional low-temperature spraying method has a problem that the manufacturing cost of the coating is 2 to 5 times higher than the arc spraying method using the wire as all the powders classified to have a specific particle size as the raw material.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 그 목적은 고품위 금속계 코팅을 저비용으로 제조할 수 있는 코팅 장치를 제공하는데 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and an object thereof is to provide a coating apparatus capable of producing a high-quality metallic coating at low cost.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 금속 코팅장치는, 금속 선재에 아크를 발생시켜 동 선재를 용융하는 선재 용융부; 및 상기 용융된 선재의 분사를 위해 직진성을 가지는 초음속 가스를 발생시키는 가스 분사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the metal coating apparatus of the present invention comprises: a wire melting part for generating an arc in the metal wire to melt the copper wire; And a gas injection unit generating a supersonic gas having a straightness for the injection of the molten wire.

또한, 상기 가스 분사부는, 초음속 가스를 분사하는 노즐(11)과; 상기 노즐(11)에 고압 가스를 공급하는 가스 공급관(12)과; 상기 가스 공급관(12)으로 공급되는 가스 압력 및 유량을 제어하는 가스 제어 장치(13); 및 상기 가스 제어 장치(13)와 연결된 가스 저장부(14)를 포함하는 것을 특징으로 하고, In addition, the gas injection unit, the nozzle 11 for injecting a supersonic gas; A gas supply pipe (12) for supplying a high pressure gas to the nozzle (11); A gas control device 13 for controlling a gas pressure and a flow rate supplied to the gas supply pipe 12; And it characterized in that it comprises a gas storage unit 14 connected to the gas control device 13,

또한, 상기 가스 분사부는, 상기 가스 공급관으로 공급하는 가스를 가열하는 가스 예열 장치(15)와; 상기 가스 예열 장치(15)와 연결되어 가스 가열 온도를 제어하는 가스 온도 제어 장치(16)와; 상기 가스 예열 장치(15)로 공급되는 가스 압 력 및 유량을 제어하는 가스 제어 장치(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The gas injection unit may further include a gas preheating device 15 for heating a gas supplied to the gas supply pipe; A gas temperature control device (16) connected to the gas preheater (15) to control a gas heating temperature; It is characterized in that it further comprises a gas control device 13 for controlling the gas pressure and the flow rate supplied to the gas preheating device (15).

또한, 상기 선재 용융부는, 금속 선재(2)를 접촉시켜 아크를 발생시키는 선재 고정 장치(21)와; 상기 선재 고정 장치와 연결된 선재 공급관(22)과; 상기 선재 공급관(22)과 연결되어 선재를 공급하기 위한 선재 공급 장치(23)와; 상기 선재 고정 장치(21)와 상기 선재 공급 장치(23) 중 어느 하나 또는 모두와 연결되어 금속 선재(2)에 아크 발생을 위한 전류를 공급하는 전력선(31)과; 상기 전력선(31)과 연결된 전력 공급 장치(32)와; 상기 전력 공급 장치(32)와 연결되어 선재에 공급되는 전력량을 제어하는 전력 제어 장치(33)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the wire rod melting portion, the wire rod fixing device 21 for generating an arc by contacting the metal wire (2); A wire rod supply pipe 22 connected to the wire rod fixing device; A wire rod supply device 23 connected to the wire rod supply pipe 22 to supply a wire rod; A power line (31) connected to any one or both of the wire fixing device (21) and the wire feeding device (23) to supply a current for generating arc to the metal wire (2); A power supply device 32 connected to the power line 31; It is characterized in that it comprises a power control device 33 is connected to the power supply device 32 to control the amount of power supplied to the wire rod.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 하이브리드 코팅 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram schematically showing a hybrid coating apparatus of the present invention.

상기 가스 분사부는 초음속 가스(1)를 분사하는 노즐(11)과 상기 노즐에 고압 가스를 공급하는 가스 공급관(12)과 상기 가스 공급관으로 공급되는 가스 압력 및 유량을 제어하는 가스 제어 장치(13)와 상기 가스 제어 장치와 연결된 가스 저장부(14)를 포함한다. The gas injection unit includes a nozzle 11 for injecting the supersonic gas 1, a gas supply pipe 12 for supplying a high pressure gas to the nozzle, and a gas control device 13 for controlling the gas pressure and flow rate supplied to the gas supply pipe. And a gas reservoir 14 connected to the gas control device.

또한 상기 가스 분사부는 가스의 압력 및 분사 속도를 보다 향상시키기 위하여 상기 가스 제어 장치(13)로부터 공급되는 가스를 가열하여 상기 가스 공급관(12)으로 공급하는 가스 예열 장치(15)와 상기 가스 예열 장치와 연결되어 가스 가열 온도를 제어하는 가스 온도 제어 장치(16)를 포함할 수 있다. In addition, the gas injection unit is a gas preheating device 15 and the gas preheating device for heating the gas supplied from the gas control device 13 to the gas supply pipe 12 to further improve the pressure and injection speed of the gas It may include a gas temperature control device 16 connected to and to control the gas heating temperature.

한편, 상기 선재 용융부는 두 가닥의 금속 선재(2)를 접촉시켜 아크(3)를 발생시키는 선재 고정 장치(21)와, 선재 보호 및 절연을 위해 상기 선재 고정 장치와 연결된 선재 공급관(22)과, 상기 선재 공급관과 연결되어 일정한 량으로 선재를 공급하기 위한 선재 공급 장치(23)를 포함한다. On the other hand, the wire melting portion and the wire fixing device 21 for generating an arc (3) in contact with the two wires of the metal wire 2, and the wire supply pipe 22 connected to the wire fixing device for wire rod protection and insulation and It is connected to the wire supply pipe and comprises a wire supply device 23 for supplying a wire in a fixed amount.

또한 상기 선재 용융부는 선재에 아크 발생을 위한 전류를 공급하는 전력선(31) 및 상기 전력선과 연결된 전력 공급 장치(32)와 상기 전력 공급 장치와 연결되어 선재에 공급되는 전력량을 제어하는 전력 제어 장치(33)를 포함한다. 이때 상기 전력선(31)은 상기 선재 고정 장치(21)와 상기 선재 공급 장치(23) 중 어느 하나 또는 모두와 연결되어 선재에 전류를 공급할 수 있다. In addition, the wire melting unit is a power control device for controlling the amount of power supplied to the wire rod connected to the power supply unit 32 and the power supply device 32 and the power supply unit 31 and the power line for supplying a current for generating arc to the wire rod ( 33). In this case, the power line 31 may be connected to any one or both of the wire rod fixing device 21 and the wire rod supply device 23 to supply current to the wire rod.

도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 하이브리드 코팅 장치의 노즐부와 종래의 아크 용사 장치 및 저온 분사 장치의 노즐부를 개략적으로 비교 도시한 것이다. 2A, 2B and 2C schematically illustrate the nozzle portion of the hybrid coating apparatus of the present invention and the nozzle portion of the conventional arc spraying apparatus and the low temperature spraying apparatus.

본 발명의 하이브리드 코팅 장치에 있어 가스 분사부의 노즐(11)은 가스 공급관(12)과 연결된 부분부터 내경이 점차 감소되다가 다시 증가되는 드 라발 노즐(De Laval Nozzle) 형태로 제조하는 것이 바람직하다. 이를 통해 얻을 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다. In the hybrid coating apparatus of the present invention, the nozzle 11 of the gas injection unit may be manufactured in the form of a De Laval nozzle in which the inner diameter gradually decreases and then increases again from a portion connected to the gas supply pipe 12. The effects of the present invention obtained through this are as follows.

첫째로, 드 라발 노즐은 동일 압력의 가스를 사용하였을 때 노즐을 통과한 가스의 속도를 크게 증가시켜 초음속의 가스를 얻을 수 있다. 이를 사용하여 아크 용융된 소재를 분사함으로써 용융 입자의 속도를 증가시킬 수 있으며, 입자 미세화 효과를 얻을 수 있다. 통상의 분사 코팅 방법에 있어 용융 입자의 속도를 증가시킴으로서 제조된 코팅층의 접착 강도 및 코팅층내 입자간 결합 강도의 향상과 코팅 기공도 감소, 비행 시간 단축으로 인한 산화 및 상변태 억제와 같은 긍정적인 효과를 얻을 수 있다. 또한 입자 미세화는 코팅 기공도 감소 및 적층 효율 향상과 같은 효과를 기대할 수 있다. First, the de Laval nozzle can obtain a supersonic gas by greatly increasing the speed of the gas passing through the nozzle when using the gas of the same pressure. It is possible to increase the speed of the molten particles by spraying the arc molten material using this, it is possible to obtain a particle refinement effect. Increasing the speed of the molten particles in the conventional spray coating method has positive effects such as improving the adhesive strength of the prepared coating layer and the bonding strength between particles in the coating layer, reducing the coating porosity, and suppressing oxidation and phase transformation due to the shorter flight time. You can get it. In addition, particle refinement can be expected to reduce the coating porosity and to improve the lamination efficiency.

둘째로, 드 라발 노즐을 통과하면서 냉각된 가스를 사용하여 아크 용융된 소재를 분사함으로써 용융 입자의 온도를 낮출 수 있다. 이를 이용하여 용융 입자가 모재 표면과 충돌하여 적층되기까지의 비행 구간에서 발생하는 산화 및 상변태를 방지할 수 있으며, 코팅 공정중 모재의 과열 및 표면 산화를 억제하는 효과를 얻을 수 있다. Secondly, the temperature of the molten particles can be lowered by spraying the arc molten material with the cooled gas while passing through the DeLaval nozzle. By using this, it is possible to prevent oxidation and phase transformation occurring in the flying section until the molten particles collide with the surface of the base material and are laminated, and it is possible to obtain an effect of suppressing overheating and surface oxidation of the base material during the coating process.

셋째로, 드 라발 노즐을 통과한 가스는 높은 직진성을 가지므로, 이를 이용하여 아크 용융된 소재를 분사하면 용융 입자가 보다 효율적으로 가속되고 집속되어 적층 효율 증가와 코팅 특성 및 미세구조의 균질성 향상 등과 같은 효과를 얻을 수 있다. Thirdly, the gas passed through the DeLaval nozzle has a high straightness, so when the arc-melted material is sprayed using this, molten particles are accelerated and focused more efficiently, thereby increasing lamination efficiency and improving homogeneity of coating properties and microstructures. The same effect can be obtained.

도 2a, 2b, 2c를 참조하면, 종래의 아크 용사 장치의 경우, 그 노즐부는 원통형 또는 특정 형상을 가지지 않는 가스 통로 형상을 가지며, 이로 인해 가스 압력의 증가를 통한 가스 속도 증가 및 온도 감소 효과는 본 발명의 하이브리드 코팅 장치와는 달리 크게 기대하기 어렵다. 또한 종래의 아크 용사 노즐은 아크 발생부에서 가스가 퍼지는 구조로 설계되어 있어 가스 압력의 증가가 주위 공기와의 와류를 크게 증가시켜 용융 입자 가속의 효율성과 직진성을 저하시킬 수 있다. 이러한 이유로 종래의 아크 용사법에서는 통상 분사 가스의 압력을 30~50 psi 정도로 제어하며, 현재 상용화된 아크 용사기의 경우 최대 허용 압력은 120 psi를 넘지 않는다. 2A, 2B, and 2C, in the case of the conventional arc spraying apparatus, the nozzle portion has a gas passage shape having no cylindrical shape or a specific shape, and thus, the gas velocity increase and the temperature decrease effect through the increase of the gas pressure Unlike the hybrid coating apparatus of the present invention, it is difficult to expect greatly. In addition, the conventional arc-spray nozzle is designed in such a way that the gas is spread in the arc generating unit, the increase in the gas pressure can greatly increase the vortex with the surrounding air can reduce the efficiency and the straightness of the molten particle acceleration. For this reason, in the conventional arc spraying method, the pressure of the injection gas is usually controlled to about 30 to 50 psi, and the maximum allowable pressure for current commercially available arc spraying machines does not exceed 120 psi.

한편, 종래의 저온 분사법에서는 가스 속도 증대를 위해 본 발명의 하이브리드 코팅 장치와 같이 드 라발 형태의 노즐을 사용하는 것이 일반적이다. 그러나 저온 분사법에서는 코팅 원소재로 특정 입도를 갖도록 분급된 분말을 사용하므로, 상기한 바와 같이 선재를 사용하는 본 발명의 하이브리드 코팅법에 비해 코팅 제조 단가가 매우 높은 문제점을 가짐은 물론, 드 라발 형태의 노즐 설계 및 이와 연결된 가스 공급 장치에 있어서도 다음과 같은 문제점을 가진다. On the other hand, in the conventional low temperature spraying method, it is common to use a deLaval type nozzle like the hybrid coating apparatus of the present invention to increase the gas velocity. However, in the low-temperature spraying method, since the powder classified to have a specific particle size is used as the coating raw material, as described above, the manufacturing cost of the coating is much higher than that of the hybrid coating method of the present invention using the wire rod, as well as the de Laval. The nozzle design of the type and the gas supply device connected thereto also have the following problems.

우선, 도 2c를 참조하면, 저온 분사법에서는 노즐부 후단에 가스 공급관은 물론 분말 선재 공급관이 연결되어 있어, 노즐부로 공급되는 고압 가스 흐름속으로 분말 입자들이 균일하게 혼합되도록 하기 위한 복잡한 장치 설계 및 고압 가스용 분말 공급 장치가 필요하다. 또한, 드 라발 노즐 내부로 분말과 고압 가스가 함께 통과하므로 장기간 사용 시 분말에 의한 노즐 내부 마모 및 이로 인한 노즐 내경 증가, 특히 노즐의 최소 내경(a) 부위 확장으로 인한 가스 가속 성능 감소와 같은 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제로 인해 드 라발 노즐 설계 시 최소 내경(a) 및 최소 내경(a)/최대 내경(b) 비 등과 같은 설계 요소에 제약이 있으므로, 가스 가속 성능 향상을 위한 노즐 설계 최적화가 어렵고 동일 가스 속도를 얻기 위해 보다 많은 가스 유량이 요구되어 공정 단가가 상승하는 문제점을 가진다. First, referring to FIG. 2C, in the low temperature injection method, a gas supply pipe as well as a powder wire rod supply pipe are connected to the rear end of the nozzle part, so that a complex device design for uniformly mixing the powder particles into the high pressure gas flow supplied to the nozzle part and There is a need for a powder feeder for high pressure gas. In addition, since the powder and the high-pressure gas pass through the DeLaval nozzle together, problems such as abrasion of the nozzle by the powder and increase of the nozzle inner diameter due to long-term use, in particular, reduction of gas acceleration performance due to the expansion of the minimum inner diameter (a) of the nozzle This will occur. Due to these problems, design factors such as the minimum inner diameter (a) and the minimum inner diameter (a) / maximum inner diameter (b) ratio are limited when designing DeLaval nozzles, making it difficult to optimize nozzle design to improve gas acceleration performance and achieve the same gas velocity. In order to obtain more gas flow rate is required, the process cost increases.

또한, 저온 분사법에서는 코팅 소재를 용융시키지 않고 순수한 고상 상태의 공정을 통해서만 코팅층을 적층하며, 이 때 가스 속도를 증가시키고 코팅 적층 효율을 향상시키기 위하여 통상 가스 및 분말을 200~800℃ 범위로 예열하여 노즐에 공급한다. 따라서 드 라발 노즐 통과시 발생하는 가스 냉각 현상은 저온 분사법에 있어서는 이를 감안하여 추가적으로 가스 및 분말 온도를 증가시켜야하는 부정적인 효과가 있다. In addition, in the low temperature spraying method, the coating layer is laminated only through a pure solid state process without melting the coating material. At this time, gas and powder are preheated in the range of 200 to 800 ° C. in order to increase the gas velocity and improve the coating lamination efficiency. To the nozzle. Therefore, the gas cooling phenomenon that occurs when passing through the DeLaval nozzle has a negative effect of additionally increasing the gas and powder temperature in consideration of this in the low temperature injection method.

상기한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 코팅법에서는 드 라발 노즐 내부로 고압의 가스만 통과하므로 장기간 사용 시에도 노즐 내경 변경 및 이로 인한 성능 저하의 문제점이 없으며, 노즐 형상 설계에도 제약이 없어 동일 가스 유량 하에서 최대 가스 속도를 얻기 위한 최소 내경의 최적화가 가능하다. 또한 노즐의 가스 출구 전단에서 아크 용융 방식으로 소재를 공급하므로 드 라발 노즐 사용시 발생하는 가스 냉각은 상기한 바와 같이 코팅재 산화 및 상변태를 방지하는 긍정적인 효과가 있다. As described above, in the hybrid coating method of the present invention, only the high-pressure gas passes through the inside of the DeLaval nozzle, and there is no problem of changing the nozzle diameter and deteriorating performance even when it is used for a long time. It is possible to optimize the minimum internal diameter to obtain the maximum gas velocity under the following conditions. In addition, since the material is supplied by the arc melting method in front of the gas outlet of the nozzle, the gas cooling generated when the de Laval nozzle is used has a positive effect of preventing the coating material from oxidation and phase transformation as described above.

이와 같이　 본 발명의 하이브리드 코팅법에서는 아크로 용융된 소재를 사용하므로 기존의 저온 분사법과 비교하여 제조 가능한 소재의 제약이 적으며, 용융점 이상의 고온 소재를 사용하여 분사하므로 저온 분사법에서는 코팅 제조를 위해 필수적이라고 할 수 있는 구성 장치인 가스 예열 장치(15) 없이도 우수한 성능의 코팅을 제조할 수 있는 장점을 가진다. As described above, the hybrid coating method of the present invention uses a material melted with an arc, so that there are fewer constraints on the material that can be manufactured compared to the conventional low temperature spraying method. Without the gas preheating device 15 which is a constituent device, it can be said to have an advantage of producing a coating of excellent performance.

상기한 내용을 종합하면, 본 발명의 하이브리드 코팅 장치는 종래의 저온 분사법이 가지는 우수한 코팅 특성을 유지하면서, 공정 단가 감소와 소재 사용 제약과 같은 저온 분사법의 여러 문제점을 해결하기 위하여, 금속계 선재의 아크 용융 공정을 도입한 복합 분사 코팅 장치라 할 수 있다. In summary, the hybrid coating apparatus of the present invention, while maintaining the excellent coating properties of the conventional low temperature spray method, in order to solve various problems of the low temperature spray method such as process cost reduction and material use constraints, It can be said to be a composite spray coating apparatus incorporating the arc melting process.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

본 실시예에 의한 하이브리드 코팅 장치의 가스 분사부에 있어 초음속 가스(1) 를 분사하는 노즐(11)은 상기한 바와 같이 드 라발 형태의 노즐로 제작하였다. 노즐 형상 설계 인자인 노즐 길이, 가스 공급부 노즐 내경, 가스 출구부 노즐 내경, 노즐 최소 내경, 가스 출구로부터 최소 내경까지의 길이 등은 드 라발 노즐을 통한 가스 가속 성능 최대화 방향으로 최적화되는 것이 바람직하다. 드 라발 노즐은 19세기 스웨덴 과학자인 Gustaf de Laval에 의해 발명되어 한 세기 이상 많은 연구가 진행되어 왔으므로 본 발명에서와 같이 가스 유동만을 고려하여 설계 인자에 제약이 없는 경우에는 공급 가스의 종류, 압력과 같은 기본적인 사용 환경만으로 매우 용이하게 설계될 수 있다. As described above, the nozzle 11 for injecting the supersonic gas 1 in the gas injection part of the hybrid coating apparatus according to the present embodiment was manufactured as a de Laval nozzle. The nozzle shape design factors such as nozzle length, gas supply nozzle inner diameter, gas outlet nozzle inner diameter, nozzle minimum inner diameter, and length from gas outlet to minimum inner diameter are preferably optimized in the direction of maximizing gas acceleration performance through the DeLaval nozzle. De Laval nozzle was invented by Gustaf de Laval, a 19th-century Swedish scientist, and has been studied for more than a century. Therefore, if there is no restriction in design factors considering gas flow as in the present invention, the type and pressure of supply gas It can be designed very easily with only basic usage environment such as.

본 발명에 있어 상기 노즐(11)로 공급되는 가스의 종류 및 압력에는 특별한 제한을 두지 않는다. 종래의 저온 분사법에서는 주로 질소, 헬륨 및 혼합가스 등을 사용하며, 특히 헬륨을 사용하는 것이 코팅 특성 향상에 가장 유리하나, 용융된 소재를 사용하는 본 발명의 하이브리드 코팅법에서는 소재 적층을 위한 임계 속도 제약이 거의 없으므로 고가의 헬륨 가스를 사용하는 것은 상업적인 측면에서 바람직하지 않으며, 종래의 아크 용사법과 동일하게 압축 공기 또는 질소를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 노즐에 공급하는 가스의 압력은 상기한 본 발명의 효과를 충분히 구현하기 위해서는 최소 100 psi 이상으로 하는 것이 바람직하다. 공급 가스 압력의 최대치에는 특별한 제약이 없으나, 분사 가스 압력 증가에 따라 아크 발생이 불안정해 질 수 있고 이를 제어하기 위해서는 보다 높은 전력량을 공급하여야 하므로, 공정 단가 및 코팅 품질을 종합적으로 고려하여 코팅 적용 분야의 요구 수준에 적합하게 공급 가스 압력을 조정하여야 한다. In the present invention, the type and pressure of the gas supplied to the nozzle 11 are not particularly limited. In the conventional low temperature spraying method, nitrogen, helium, and mixed gas are mainly used. Especially, the use of helium is most advantageous for improving coating properties. However, in the hybrid coating method of the present invention using molten material, the criticality for stacking materials is critical. The use of expensive helium gas is not desirable from a commercial point of view because there is little speed constraint, and it is preferable to use compressed air or nitrogen in the same manner as in the conventional arc spraying method. At this time, the pressure of the gas supplied to the nozzle is preferably at least 100 psi or more in order to fully realize the effects of the present invention. Although there is no particular restriction on the maximum supply gas pressure, the arc generation may become unstable with increasing injection gas pressure, and in order to control it, a higher amount of power must be supplied. Therefore, the coating cost is considered in consideration of the process cost and coating quality. The feed gas pressure should be adjusted to suit the required level of.

또한, 상기 노즐(11)에 연결되어 고압 가스를 공급하는 가스 공급관(12)과 상기 가스 공급관으로 공급되는 가스 압력 및 유량을 제어하는 가스 제어 장치(13)와 상기 가스 제어 장치와 연결된 가스 저장부(14) 등은　 통상의 고압 가스 장치를 사용할 수 있다. 한편, 본 실시예에서는 본 발명의 사상에 포함되어 있는 가스 예열 장치(15) 및 이와 연결되어 가스 가열 온도를 제어하는 가스 온도 제어 장치(16)는 본 발명 구현의 용이성을 고려하여 적용하지 않았다. In addition, a gas supply pipe 12 connected to the nozzle 11 to supply a high pressure gas, a gas control device 13 to control a gas pressure and a flow rate supplied to the gas supply pipe, and a gas storage unit connected to the gas control device. (14) The ordinary high pressure gas apparatus can be used. Meanwhile, in the present embodiment, the gas preheating device 15 included in the spirit of the present invention and the gas temperature control device 16 connected thereto to control the gas heating temperature are not applied in consideration of the ease of implementation of the present invention.

한편, 도 1을 참고하면, 본 실시예에 의한 하이브리드 코팅 장치의 선재 용융부에 있어 선재 고정 장치(21)는 금속관 형상으로 제조된 선재 고정관(211)과 상기 선재 고정관과 노즐(11)을 연결하는 몸체(212)를 포함하여 구성된다. Meanwhile, referring to FIG. 1, in the wire rod melting part of the hybrid coating apparatus according to the present embodiment, the wire rod fixing device 21 connects the wire rod fixing tube 211 and the wire rod fixing tube and the nozzle 11 manufactured in a metal tube shape. The body 212 is configured to include.

본 실시예에서는 상기 선재 고정 장치(21)에 전력선(31)을 연결하여 선재에 아크 발생을 위한 전류를 공급하였다. 따라서 상기 선재 고정관(211)을 도전성 금속인 구리합금을 사용하여 원통형 형상으로 제조하여 상기 전력선으로부터 공급되는 전류가 선재 고정관 내부를 관통하여 지나가는 선재로 원활하게 공급되도록 하였다. In this embodiment, the power line 31 is connected to the wire fixing device 21 to supply a current for generating arc to the wire. Therefore, the wire fixing tube 211 was manufactured in a cylindrical shape using a copper alloy, which is a conductive metal, so that the current supplied from the power line was smoothly supplied to the wire passing through the inside of the wire fixing tube.

이때 선재 고정관의 내경이 사용 선재 지름에 비해 너무 작으면 선재 고정관 내부를 관통하여 지나가는 선재 이송이 원활하게 이루어지지 않는다. 반대로 선재 고정관의 내경이 너무 큰 경우에는 선재와 선재 고정관간의 접촉이 연속적으로 유지되지 않아 전력선으로부터 선재로의 전류 공급이 불규칙해지고 이로 인해 아크 발생이 불안정해진다. 선재 고정관의 내경이 너무 큰 경우에는 또한 선재 공급관을 통과한 선재의 위치에 많은 유격이 발생하여 두 가닥의 선재가 만나는 아크 발생부 위치가 고정되지 않는 문제점이 발생될 수 있다. 따라서 선재 고정관의 내경은 사용 선재 지름보다 0.1~0.5 mm 크게 제조하는 것이 바람직하다. At this time, if the inner diameter of the wire fixing tube is too small for the wire diameter used, the wire rod passing through the inside of the wire fixing tube is not smoothly made. On the contrary, when the inner diameter of the wire fixing tube is too large, the contact between the wire rod and the wire fixing tube is not maintained continuously, resulting in an irregular supply of current from the power line to the wire, which causes the arc generation to become unstable. When the inner diameter of the wire fixing tube is too large, a large amount of play may occur at the position of the wire passing through the wire supply pipe, thereby causing a problem in that the position of the arc generating unit where the two strands of the wire meet is not fixed. Therefore, it is preferable to manufacture the inner diameter of the wire fixing tube 0.1 ~ 0.5 mm larger than the diameter of the wire used.

본 실시예에서는 상기 선재 고정 장치(21)에 전력선(31)을 연결하여 선재에 아크 발생을 위한 전류를 공급하였으므로, 선재 고정관(211)을 도전성 금속으로 제조하였으나, 상기 전력선을 선재 공급 장치(23)와 연결되어 선재에 전류를 공급하는 경우에는 선재 고정관을 절연성 소재로 제조할 수 있다. In this embodiment, since the electric wire 31 is connected to the wire fixing device 21 to supply an electric current for arc generation to the wire, the wire fixing tube 211 is made of a conductive metal, but the power wire is supplied to the wire feeding device 23. In the case of supplying current to the wire, the wire fixing tube can be made of insulating material.

한편 상기 선재 고정 장치(11)에서 선재 고정관(211)과 노즐(11)을 연결하는 몸체(212)의 주요 기능은, 두 개의 선재 고정관을 고정함으로써 이를 통해 공급되는 두 가닥 선재가 접촉하여 발생되는 아크 위치를 일정하게 유지하는 것과, 노즐과 연결되어 노즐의 위치를 고정함으로써 노즐과 아크 발생부와의 간격을 일정하게 유지하고 노즐로부터 나오는 초음속 가스의 분사 방향과 일직선상에 아크가 위치하도록 하는 것이다. Meanwhile, the main function of the body 212 connecting the wire rod fixing tube 211 and the nozzle 11 in the wire rod fixing device 11 is generated by contacting two stranded wires supplied through the wire rod fixing tube. The arc position is kept constant, and the nozzle is connected to the nozzle to fix the position so that the gap between the nozzle and the arc generator is kept constant and the arc is positioned in line with the injection direction of the supersonic gas emitted from the nozzle. .

상기한 노즐과 아크 발생부와의 간격은 사용하는 노즐(11)의 성능 및 사용하는 가스의 종류와 압력을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다. 드 라발 노즐을 통해 초음속으로 가속된 고압가스는 주위 대기와 충돌하여 충격파를 발생시키며 이로 인해 분사 가스의 속도는 노즐 출구로부터 전진하는 방향으로 사인파 형태로 증가와 감소를 반복하게 된다. 따라서 상기한 노즐과 아크 발생부와의 간격은 노즐 출구로부터 분사된 가스의 속도가 최대값을 가지는 거리로 조정하는 것이 바람직하다. 다만 1차 최대값을 갖는 거리가 노즐 형상 및 가스 압력, 종류 등의 공정 조건으로 인해 너무 짧은 경우에는 공정 안정성 및 신뢰성을 고려하여 2차 최대값을 갖는 길 이로 정할 수 있다. 통상 400~500 psi 압력의 질소 가스를 사용하는 경우 드 라발 노즐 출구로부터 약 20~30 mm 떨어진 거리에서 가스 속도는 최대값을 가지며, 2차 최대값은 40~60 mm 떨어진 거리에서 나타난다. The distance between the nozzle and the arc generator is preferably determined in consideration of the performance of the nozzle 11 to be used and the type and pressure of the gas to be used. The high pressure gas accelerated at supersonic speed through the DeLaval nozzle generates a shock wave by colliding with the surrounding atmosphere, which causes the velocity of the injection gas to increase and decrease in the form of a sine wave in the direction moving forward from the nozzle outlet. Therefore, it is preferable to adjust the distance between the nozzle and the arc generating unit to a distance at which the velocity of the gas injected from the nozzle outlet has the maximum value. However, if the distance having the first maximum value is too short due to the process conditions such as nozzle shape, gas pressure, and type, the length having the second maximum value may be determined in consideration of process stability and reliability. Typically, when using nitrogen gas at 400 to 500 psi pressure, the gas velocity has a maximum at a distance of about 20 to 30 mm from the outlet of the DeLaval nozzle and a second maximum at a distance of 40 to 60 mm.

표 1 은 본 실시예에서 측정한 용융 입자 속도 계측 결과로 상기한 효과를 보여주는 것이다. Table 1 shows the above-mentioned effect by the melt particle velocity measurement result measured in this Example.

표 1. 하이브리드 코팅 장치의 용융 입자 속도 (m/s) Table 1. Melt Particle Velocity in Hybrid Coating Apparatus (m / s)

노즐-아크 발생부 간격 (mm)Nozzle-arc generator spacing (mm) 측정 위치 (아크 발생부로부터의 거리, mm)Measuring position (distance from arc generator, mm) 100100 150150 200200 2020 196196 185185 172172 3535 157157 152152 143143 5050 173173 162162 143143

본 실시예에서는 상기 선재 고정 장치의 몸체(212)를 절연성 소재로 제조하였다. 이는 통상 제조 용이성 및 내구성을 고려하여 상기 노즐을 금속계 도전성 소재로 제조하므로, 상기 노즐과 선재 고정관의 접촉으로 인해 상기 전력선(31)으로부터 공급된 전류가 노즐로 누설되는 것을 방지하기 위함이다. In this embodiment, the body 212 of the wire fixing device is made of an insulating material. This is because the nozzle is usually made of a metal-based conductive material in consideration of ease of manufacture and durability, and is intended to prevent leakage of current supplied from the power line 31 to the nozzle due to the contact between the nozzle and the wire fixing tube.

다음으로, 본 실시예에 의한 하이브리드 코팅 장치의 선재 용융부에 있어 선재 공급관(22) 및 선재 공급 장치(23), 전력선(31), 전력 공급 장치(32), 전력 제어 장치(33) 등은 상용화된 아크 용사 장비의 구성 장치를 사용하였으며, 이에 따라 사용 선재 또한 기존의 상용화된 아크 용사용 선재를 사용하였다. 이는 본 발명의 구현을 보다 용이하게 하고 산업 현장 적용시 발생할 수 있는 제약을 최소화하기 위함이다. Next, in the wire rod melting part of the hybrid coating apparatus according to the present embodiment, the wire rod supply pipe 22, the wire rod supply device 23, the power line 31, the power supply device 32, the power control device 33, and the like are provided. The commercially available arc spraying equipment was used. Accordingly, the wire used also used the conventional arc spraying wire. This is to facilitate the implementation of the present invention and to minimize the constraints that may occur in industrial applications.

그러나 본 발명의 기술적 사상을 보다 효과적으로 구현하기 위해서는 본 발명의 방법에 적합하게 전력 공급 장치 및 전력 제어 장치를 제조하는 것이 바람직하 다. 본 발명의 방법에서는 초음속 가스를 사용하여 아크 용융된 소재를 분사시키며 이로 인해 기존의 상용화된 전력 공급 장치 및 전력 제어 장치를 사용하는 경우 아크 발생이 불안정해 질 수 있다. 즉, 본 발명의 방법에서는 아크 발생부를 통과하는 분사 가스의 속도가 매우 높아 안정된 아크를 유지하기 위해 요구되는 전력량이 증가한다. 본 실시예의 경우 전력 공급 장치로 15KW 용량의 직류 전력 발생 장치를 사용하였으며, 이때 본 발명의 하이브리드 코팅 장치에서 안정된 아크를 얻기 위해 공급된 전압은 기존 아크 용사기를 사용하여 동일한 소재를 코팅한 경우에 비해 7~15 Vdc 정도 높았다. 이는 종래의 아크 용사 장비에서 사용 한계치에 다다른 작동 조건에 해당하며, 이로 인해 전력 공급의 불안정, 가스 압력 증가의 제약 및 코팅 소재 공급량(이는 전력 공급량과 비례함)의 한계와 같은 문제점이 발생되었다. However, in order to implement the technical idea of the present invention more effectively, it is preferable to manufacture a power supply device and a power control device suitable for the method of the present invention. In the method of the present invention, the supersonic gas is used to inject the arc-melted material, which may cause the arc generation to become unstable when using a conventional commercial power supply and power control device. That is, in the method of the present invention, the speed of the injection gas passing through the arc generating unit is very high, and the amount of power required to maintain a stable arc increases. In the present embodiment, a 15KW DC power generator was used as a power supply device, and the voltage supplied to obtain a stable arc in the hybrid coating device of the present invention was compared with the case of coating the same material using an existing arc sprayer. It was as high as 7 to 15 Vdc. This corresponds to operating conditions that approach the limits of use in conventional arc spray equipment, causing problems such as power supply instability, limitations in gas pressure increase, and limitations in coating material supply (which is proportional to power supply). .

본 발명의 구현을 위하여 종래의 아크 용사 장비의 전력 공급 장치를 사용하는 경우 발생될 수 있는 상기한 문제점들은 전력 공급 장치의 용량을 늘리고, 이에 맞게 전력 제어 장치를 제조함으로서 매우 용이하게 해결할 수 있다. The above problems that may occur when using the power supply of the conventional arc spray equipment for the implementation of the present invention can be solved very easily by increasing the capacity of the power supply and manufacturing the power control device accordingly.

도 3는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 하이브리드 코팅 장치로 제조된 코팅재의 단면 미세 조직을 보여주는 사진이다. 3 is a photograph showing a cross-sectional microstructure of the coating material prepared by the hybrid coating apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3를 참조하면, 동일한 가스 압력(40 psi)에서도 본 발명의 하이브리드 코팅 장치로 제조된 코팅재의 내부에 산화물 및 기공과 같은 결함이 현저히 감소한 것을 알 수 있다 (도 3의 (1),(4) 비교). 이는 상기한 바와 같이 본 발명의 하이브리드 코팅 장치에서 드 라발 형태의 노즐을 사용한 것에 기인한 것이다. 또한, 상기한 바와 같이 가스 압력을 증가시킴에 따라, 입자 속도 증가 및 미세화 효과가 증대되 어 각 입자의 크기는 점차 감소하고, 입자간 간격이 줄어들며 (이는 입자 속도 증대로 모재 충돌시 입자가 보다 납작하게 접착됨을 의미함), 코팅 조직이 매우 치밀해지는 것을 확인할 수 있다 (도 3의 (1),(2), (3) 비교). 도 3에서 도시한 코팅재는 모두 동일한 탄소강 선재와 질소 가스를 사용하여 제조되었다. 3, it can be seen that even at the same gas pressure (40 psi), defects such as oxides and pores are significantly reduced inside the coating material manufactured by the hybrid coating apparatus of the present invention ((1) and (4). ) compare). This is due to the use of a de Laval nozzle in the hybrid coating apparatus of the present invention as described above. In addition, as described above, as the gas pressure is increased, the particle velocity increases and refines, so that the size of each particle gradually decreases, and the spacing between particles decreases. It means that the adhesion is flat), it can be seen that the coating structure is very dense (compare (1), (2), (3) of Figure 3). The coating materials shown in FIG. 3 were all manufactured using the same carbon steel wire and nitrogen gas.

상기한 실시예로부터 본 발명의 기술적 사상 및 효과가 현실적으로 구현 가능함을 입증하였다. From the above embodiments it was proved that the technical spirit and effects of the present invention can be realistically implemented.

본 발명의 방법에 의하면, 고품위 금속계 코팅을 저비용으로 제조할 수 있는 코팅 장치를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 하이브리드 코팅 장치를 사용함으로써 종래의 금속계 코팅 방법 중 고품위 코팅을 제조할 수 있는 저온 분사법과 동등한 수준의 코팅 특성을 얻을 수 있음과 동시에, 종래의 용사 코팅법 중 가장 경제적인 코팅 방법인 아크 용사법 수준의 공정 단가를 유지할 수 있는 효과를 가진다. According to the method of the present invention, it is possible to provide a coating apparatus capable of producing a high quality metallic coating at low cost. That is, by using the hybrid coating apparatus of the present invention, it is possible to obtain coating properties equivalent to those of the low temperature spraying method capable of producing a high quality coating among the conventional metal coating methods, and at the same time, the most economical coating method among the conventional spray coating methods. It has the effect of maintaining the process cost of the phosphorus arc spray method level.

Claims (4)

금속 선재에 아크를 발생시켜 동 선재를 용융하는 선재 용융부; 및 상기 용융된 선재의 분사를 위해 직진성을 가지는 초음속 가스를 발생시키는 가스 분사부를 포함하는 금속 코팅장치에 있어서;A wire melting part for generating an arc in the metal wire to melt the copper wire; And a gas injector for generating a supersonic gas having a straightness for injecting the molten wire. 상기 가스 분사부는, 초음속 가스를 분사하는 노즐(11), 상기 노즐(11)에 고압 가스를 공급하는 가스 공급관(12), 상기 가스 공급관(12)으로 공급되는 가스 압력 및 유량을 제어하는 가스 제어 장치(13), 상기 가스 제어 장치(13)와 연결된 가스 저장부(14), 상기 가스 공급관(12)에 연결되어 공급하는 가스를 가열하는 가스 예열 장치(15), 상기 가스 예열 장치(15)와 연결되어 가스의 가열 온도를 제어하는 가스 온도 제어 장치(16)로 구성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 코팅 장치.The gas injector may include a nozzle 11 for injecting a supersonic gas, a gas supply pipe 12 for supplying a high pressure gas to the nozzle 11, and a gas control for controlling a gas pressure and a flow rate supplied to the gas supply pipe 12. The device 13, the gas storage unit 14 connected to the gas control device 13, a gas preheating device 15 for heating the gas supplied to the gas supply pipe 12, and the gas preheating device 15. And a gas temperature control device (16) connected with the gas temperature control device for controlling the heating temperature of the gas. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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