KR101945694B1 - Method for forming high velocity oxygen fuel spayed WC-metal coating having laser heat treatment - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 고속화염 용사코팅층 형성방법에 관한 것으로서, 특히 레이저 열처리가 수반되는 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 고속화염 용사코팅층 형성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for forming a high-speed flame spray coating layer of a tungsten carbide-based alloy powder, and more particularly, to a method for forming a high-speed flame spray coating layer of a tungsten carbide-based alloy powder accompanied by laser heat treatment.
고속화염 용사 서멧(cermet) 코팅층은 마모나 부식 환경에서 사용되는 부품들의 수명 향상에 이용되고 있다. 고속화염(HVOF) 용사코팅층은 밀도가 높고, 기판과의 높은 접착력, 코팅층의 높은 결합력 및 강한 반응과 상 변태 그리고 높은 압축 응력 등의 장점을 가지고 있다. 고속화염 용사법은 적당한 공정 온도와 높은 용사 속도 때문에 특성이 우수한 서멧(cermet) 코팅층을 생산하는데 널리 이용되고 있다.High-speed flame spray cermet coatings are used to improve the service life of parts used in abrasion and corrosive environments. The high velocity flame (HVOF) spray coating layer has high density, high adhesion to the substrate, high bonding strength of the coating layer, strong reaction, phase transformation and high compressive stress. High-speed flame spraying is widely used to produce cermet coatings with excellent properties due to proper process temperatures and high spray rates.
WC계 및 Co-alloy 용사 코팅은 부식, 마찰, 마모 및 침식 저항성이 요구되는 산업 현장에 널리 사용되고 있다. WC(텅스텐 카바이드) 입자는 코팅층에 높은 경도와 높은 내마모성을 부여하고, Co, Ni, Cr 및 이들 합금 바인더(접합제)는 코팅층에 높은 결합력을 부여한다. WC-based and Co-alloy spray coatings are widely used in industrial sites where corrosion, friction, abrasion and erosion resistance are required. WC (tungsten carbide) particles impart high hardness and high wear resistance to the coating layer, and Co, Ni, Cr and these alloy binders (bonding agent) give a high bonding force to the coating layer.
고속화염 용사코팅의 특성은 사용되는 분말뿐만 아니라 용사 인자의 영향을 받는다. 서멧(Cermet) 코팅층의 마모 속도는 분말의 형상, 탄화물의 분산 및 크기, 탄화물의 경도 같은 여러 가지 요인에 의해서 제어된다고 보고 되어왔다. The characteristics of the high-speed flame spray coating are influenced not only by the powder used but also by the spraying factors. The wear rate of the cermet coating layer has been reported to be controlled by various factors such as the shape of the powder, the dispersion and size of the carbide, and the hardness of the carbide.
비록 경도가 2400Hv인 WC가 존재하지만, WC-CoCr의 고속화염 용사코팅층의 경도는 1200Hv 보다 낮다. 더욱이 플라즈마 용사 및 화염 용사보다 고속화염 용사에 의한 코팅층이 기판과의 부착력에서 매우 우수하지만, 열악한 계면 특성 때문에 사용에 한계가 있다. Although there is a WC having a hardness of 2400 Hv, the hardness of the high-temperature flame spray coating layer of WC-CoCr is lower than 1200 Hv. Furthermore, the coating layer formed by spraying a high-speed flame over plasma spraying and flame spraying is very excellent in adhesion to a substrate, but its use is limited due to poor interface characteristics.
그러므로 용사코팅층의 기공도를 감소시키고, 기계적 특성을 개선하기 위한 열처리가 필요하다. 현재 일반적인 열처리 법은 진공 열처리 방법이다. 그러나 이러한 열처리 법은 용사코팅층의 기계적 마모 저항성을 향상시키지 못하거나 아주 미세하게 증가를 시킬 뿐이어서 문제이다. Therefore, a heat treatment is required to reduce the porosity of the spray coating layer and to improve the mechanical properties. At present, the general heat treatment method is a vacuum heat treatment method. However, such a heat treatment method is problematic because it does not improve mechanical abrasion resistance of the spray coating layer or only slightly increases it.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 기재에 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 고속화염 용사코팅층을 형성한 후에 열처리를 진행하되 종래와 같이 기재 전체를 가열하는 것이 아니라 기재의 구조 및 특성은 변하지 않도록 고속화염 용사코팅층을 레이저 열처리함으로써 고속화염 용사코팅층의 기공도, 경도, 내마모성이 향상되는 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 고속화염 용사코팅층 형성방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a high-speed flame spray coating layer of a tungsten carbide-based alloy powder on a substrate, The present invention provides a method for forming a high-speed flame spray coating layer of a tungsten carbide-based alloy powder which is improved in porosity, hardness and abrasion resistance of a high-speed flame spray coating layer by laser heat treatment of the spray coating layer.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 고속화염 용사코팅층 형성방법은, According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a high-temperature flame spray coating layer of a tungsten carbide-based alloy powder,
기재에 텅스텐 카바이드 계열 합금 분말의 고속화염 용사코팅층을 형성하는 단계; 및Forming a high-temperature flame spray coating layer of a tungsten carbide-based alloy powder on a substrate; And
상기 고속화염 용사코팅층에 레이저 빔을 국부적으로 조사하면서 이동시켜 상기 고속화염 용사코팅층을 레이저 열처리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다. Performing a laser heat treatment on the high-speed flame spray coating layer by moving the laser beam locally while irradiating the high-speed flame spray coating layer; And a control unit.
상기 레이저 빔의 초점 온도는 950~1200℃인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 레이저 빔의 이동속도는 400~500 mm/min 인 것이 바람직하다. The focal point temperature of the laser beam is preferably 950 to 1200 ° C. In this case, the moving speed of the laser beam is preferably 400 to 500 mm / min.
상기 레이저 열처리는 대기 중에서 이루어지되, 상기 레이저 빔이 조사되는 부위에 비활성 가스를 흘려보내면서 이루어지는 것이 바람직하다. It is preferable that the laser heat treatment is performed in the atmosphere while flowing an inert gas to a site irradiated with the laser beam.
상기 레이저 열처리 전 또는 후에 130~170℃에서 열처리하는 단계가 더 포함될 수 있다. The method may further include a heat treatment at 130 to 170 ° C before or after the laser heat treatment.
상기 텅스텐 카바이드 계열 합금 분말은 15~45㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다. The tungsten carbide-based alloy powder preferably has a size of 15 to 45 탆.
상기 텅스텐 카바이드 계열 합금 분말은 WC-CoFe 분말인 것이 바람직하다. 이 때 상기 고속화염 용사코팅층의 형성 시에 사용되는 화염의 온도는 3000~3500℃ 인 것이 바람직하다. The tungsten carbide-based alloy powder is preferably a WC-CoFe powder. At this time, the temperature of the flame used in forming the high-temperature flame spray coating layer is preferably 3000 to 3500 ° C.
상기 레이저 열처리하는 단계를 거친 고속화염 용사코팅층은 레이저 열처리 단계를 거치기 전과 비교해 볼 때에 두께. 기공율, 마찰계수는 감소되고, 경도는 증가되는 것을 특징으로 하며, 특히 기공율은 1.2~1.4%이고, 마찰계수는 0.3~0.34인 것이 바람직하다. The high-speed flame spray coating layer that has undergone the above-described laser heat treatment is thicker than before the laser heat treatment step. The porosity and the friction coefficient are decreased and the hardness is increased. In particular, the porosity is preferably 1.2 to 1.4% and the friction coefficient is preferably 0.3 to 0.34.
본 발명에서와 같이 고속화염 용사코팅층에 레이저를 통해 열처리를 하면 용사코팅층의 저융점 금속이 재용융 되면서 코팅층의 기공율 및 두께가 감소하면서 용사코팅층의 내마모성에 영향을 미치게 된다. 레이저 열처리의 고온에 의해 용사코팅층의 저융점 금속이 재용융 응고 과정을 거치면서 기공을 채우게 되며, 코팅층의 경도를 향상시켜서 내마모 특성이 향상된다. 본 발명에 따른 레이저 열처리법을 내구성 향상을 위한 고속화염용사 코팅에 적용할 경우 금속부품의 수명을 연장할 수 있다.As in the present invention, when the high-temperature flame spray coating layer is heat-treated through a laser, the low melting point metal of the spray coating layer is remelted, thereby decreasing the porosity and thickness of the coating layer and affecting the abrasion resistance of the spray coating layer. By the high temperature of the laser heat treatment, the low melting point metal of the spray coating layer undergoes the re-melting and solidification process to fill the pores, and the hardness of the coating layer is improved and the wear resistance property is improved. When the laser heat treatment method according to the present invention is applied to high-speed flame spray coating for improving durability, the lifetime of metal parts can be extended.
도 1은 WC-CoFe 분말의 SEM 및 EDS 분석결과를 나타낸 도면;
도 2는 레이저 열처리 전과 후의 용사코팅층에 대한 XRD 결과 그래프;
도 3은 레이저 열처리 전 용사코팅층의 미세구조를 관찰한 SEM 사진;
도 4는 레이저 열처리 후 용사코팅층의 미세구조를 관찰한 SEM 사진;
도 5는 레이저 열처리 저과 후에 대한 용사코팅층의 단면 SEM 사진;
도 6은 레이저 열처리 전후에 대한 용사코팅층의 기공율을 나타낸 그래프;
도 7은 레이저 열처리 전후의 용사코팅층에 대한 깊이에 따른 경도 측정 결과를 나타낸 그래프;
도 8은 레이저 열처리 전후의 용사코팅층에 대한 마찰계수를 나타낸 그래프;
도 9는 레이저 열처리 전후의 용사코팅층에 대한 마찰마모 시험 후 마모흔을 관찰한 SEM 사진이다.
1 shows SEM and EDS analysis results of WC-CoFe powder;
FIG. 2 is a graph of XRD results for a spray coating layer before and after laser heat treatment;
3 is a SEM photograph showing the microstructure of the thermal sprayed coating layer before laser annealing;
4 is a SEM photograph showing the microstructure of the spray coating layer after laser heat treatment;
5 is a cross-sectional SEM photograph of the spray coating layer after laser annealing;
FIG. 6 is a graph showing the porosity of the spray coating layer before and after the laser heat treatment;
FIG. 7 is a graph showing the results of hardness measurement according to the depth of the spray coating layer before and after the laser heat treatment; FIG.
8 is a graph showing the coefficient of friction for the spray coating layer before and after the laser heat treatment;
FIG. 9 is a SEM photograph showing abrasion marks after the friction and wear test on the spray coating layer before and after the laser heat treatment.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are merely provided to understand the contents of the present invention, and those skilled in the art will be able to make many modifications within the technical scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to these embodiments.
1. 시편제작1. Specimen Production
기재는 바인더층이 따로 없더라도 용사코팅층과 강한 접착을 하며 부식 환경에서 사용되는 In718을 사용 하였다. 표 1은 기재의 조성을 나타낸 것이다. The substrate was made of In718, which is used in a corrosive environment, with strong adhesion to the spray coating layer even if there is no binder layer. Table 1 shows the composition of the substrate.
0.80.2-
0.8
용사코팅층을 형성하기 위한 텅스텐 카바이드 계열 합금 분말로는 스프레이 드라이(spray drying)법으로 제조된 도 1과 같은 형상과 상분포를 가진 WC-CoFe 상용분말을 사용하였다. 도 1은 WC-CoFe 분말의 SEM 및 EDS 분석결과를 나타낸 것이고, 표 2는 WC-CoFe 분말의 조성을 나타낸 것이다. As the tungsten carbide-based alloy powder for forming the spray coating layer, a WC-CoFe commercial powder having a shape and a phase distribution as shown in FIG. 1 prepared by a spray drying method was used. FIG. 1 shows SEM and EDS analysis results of WC-CoFe powder, and Table 2 shows the composition of WC-CoFe powder.
고속화염(HVOF) 용사 장비를 사용하여 4개의 용사 변수(수소유속, 산소유속, 분말 공급량, 용사거리) 각각에 대한 3 수준의 다구치 실험계획법으로 만든 9개의 코팅 공정으로 코팅하였다. 그 결과 최고의 표면특성을 얻을 수 있는 표 3과 같은 최적용사코팅공정을 얻었다. (HVOF) spraying equipment was used to coat nine coating processes with three levels of Taguchi experimental design for each of the four spray parameters (hydrogen flow rate, oxygen flow rate, powder feed rate, drag range). As a result, the optimum spray coating process was obtained as shown in Table 3 to obtain the best surface properties.
고속화염 용사코팅층의 특성 향상과 기재와 코팅층간의 부착력을 높이기 위하여 대기 중에서 출력밀도 20W/mm2로 CO2 레이저 열처리를 실시하였다. 레이저 빔(파장 10.6ㅅm, 타원 5mm x 4mm)을 시편의 18.5mm 위에서 4mm 지름 방향으로 400 ~500 mm/min 속도로 조사하였고, 시편은 레이저 빔이 조사된 스팟(spot)에서 약 0.6 초 동안 가열 된다. 레이저 빔 초점의 온도 분포는 950-1200℃이다. 표 4에 레이저 열처리 조건을 나타내었다. The CO 2 laser heat treatment was performed in the atmosphere at an output density of 20 W / mm 2 in order to improve the characteristics of the coating layer of the high-speed flame spray coating and to increase the adhesion between the substrate and the coating layer. The laser beam (wavelength 10.6 mm,
(mm/min)Scanning Velocity
(mm / min)
(%)Overlap Ratio
(%)
종래와 같은 일반 열처리에 비하여 이렇게 레이저 열처리를 하면 시편 전체가 가열되지 않아 시편(기판)의 구조 및 특성은 변하지 않는 열처리 장점이 있다.Compared to conventional heat treatment as in the past, the laser heat treatment does not heat the entire specimen, which is advantageous in that the structure and characteristics of the specimen (substrate) remain unchanged.
시편의 산화를 방지하기 위해서 레이저 가열 영역에 아르곤 가스(10MPa, 5 L/min)를 흘렸다. 레이저 열처리 전과 후에 130~170℃에서 2시간 동안 열처리 하였다. Argon gas (10 MPa, 5 L / min) was passed through the laser heating zone to prevent oxidation of the specimen. The samples were annealed at 130 ~ 170 ℃ for 2 hours before and after laser annealing.
2. 용사코팅층 분석2. Spray coating layer analysis
고속화염 용사코팅층은 광학현미경, 주사전자현미경(SEM), 에너지분산형분광기(EDS), 및 X선 회절분석기(XRD)를 이용하여 미세조직, 조성 및 결정구조를 분석하였다. 경도측정기로 코팅층 단면 중심부에서 15회 측정한 후 측정치가 가장 큰 값과 작은 값을 소거하고 평균값으로 경도값을 산출하였다. 주사전자현미경을 사용하여 얻은 코팅층의 조직사진을 영상분석기(image analyzer)를 통해 분석하여 코팅 층의 기공도를 얻었다. 최적용사코팅공정기술(OCP)로 제조된 코팅과 레이저 열처리 코팅의 마찰/마모 성능을 비교하기 위하여 ball-on-disk 마찰마모시험기로 시험하였고, 마찰/마모 시험은 시험편의 초기 표면 거칠기의 영향에 민감하여 시편의 표면을 1ㅅm의 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면으로 연마하였다. 마찰/마모 시험 조건은 상대재로 직경 2 mm인 Si3N4 볼을 사용하였고, 상온에서 마찰속도 0.08m/s, 20N의 하중을 가해 실시하면서 마찰계수를 측정하였고, 마모시험 후 주사전자현미경을 이용하여 마모흔을 관찰하였다.The microstructure, composition and crystal structure of the high velocity flame spray coating layer were analyzed by optical microscope, scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), and X - ray diffractometer (XRD). The hardness was measured 15 times at the center of the end face of the coating layer with a hardness tester, and then the hardness value was calculated by eliminating the largest and smallest measured values. The porosity of the coating layer was obtained by analyzing the tissue photographs of the coating layer obtained using a scanning electron microscope through an image analyzer. In order to compare the friction / wear performance of coatings made with Optimum Spray Coating Technology (OCP) and laser annealed coatings, a ball-on-disk friction and tear test was conducted. Friction / abrasion tests were performed on the effects of initial surface roughness The surface of the specimen was polished to a specular surface using 1 mm of diamond paste. Friction / abrasion test conditions were as follows: Si 3 N 4 ball with a diameter of 2 mm was used as a counter material. Friction coefficient was measured while applying a load of 20 N at a friction speed of 0.08 m / s at room temperature. Were used to observe the abrasion marks.
3. 분석 결과3. Analysis Results
3.1 분말의 특성3.1 Characteristics of powders
고속화염 용사코팅 공정에 사용되는 분말은 15~45㎛m 크기를 갖는 것이 바람직하다. 분말의 크기가 너무 작으면 유동성이 매우 낮고 응집 현상 때문에 분말이송에 문제점이 발생하고, 너무 크면 분말이 충분이 용융되지 않아서 코팅 효율이 떨어지기 때문이다. The powder used in the high-speed flame spray coating process preferably has a size of 15 to 45 mu m. If the size of the powder is too small, the fluidity is very low and the problem of powder transfer due to agglomeration phenomenon occurs. If it is too large, the powder is not sufficiently melted and the coating efficiency is lowered.
도 1을 참조할 때에, WC-CoFe 분말의 평균 입도는 20~40㎛의 분포를 나타내었으며, 형상에서는 대부분의 분말이 구상으로 형성되어져 있어, 코팅에 적합한 분말임을 알 수 있었다. 분말은 세라믹 특성을 가진 고경도의 WC 입자가 바인더 역할을 하는 Co와 Fe 기지 내에 혼합된 형태로 구성되어있다. EDS 관찰 결과 분말의 주성분인 W, C와 Co가 관찰 되었고, 의도되지 않은 불순물은 관찰되지 않았다. Referring to FIG. 1, the average particle size of the WC-CoFe powder was in the range of 20 to 40 탆, and most of the powder was formed into a spherical shape. The powder is composed of CoC and Fe matrix in which the high hardness WC particles with ceramic properties are mixed as a binder. As a result of EDS observation, W, C and Co which are main components of powders were observed, and unintended impurities were not observed.
3.2 레이저 열처리 전후의 용사코팅층에 대한 결정구조3.2 Crystal Structure of Spray Coating Layer Before and After Laser Heat Treatment
도 2a는 WC-CoFe 분말의 XRD이고, 도 2b는 레이저 열처리 전의 고속화염 용사코팅층에 대한 XRD이며, 도 2c는 레이저 열처리 후의 고속화염 용사코팅층에 대한 XRD를 나타낸 것이다. FIG. 2A is an XRD of WC-CoFe powder, FIG. 2B is XRD of a high-velocity flame spray coating layer before laser annealing, and FIG. 2C is an XRD of a high-speed flame spray coating layer after laser annealing.
도2a를 참조하면, WC 결정상의 강한 회절 피크와 상대적으로 많이 약한 Co와 Fe 결정상의 회절 피크가 관찰되었다. Referring to FIG. 2A, strong diffraction peaks on the WC crystal and relatively weak Co and Fe crystal phase diffraction peaks were observed.
도 2b를 참조하면, 여전히 강한 WC 결정상의 회절 피크가 관찰되었지만, Co와 Fe 결정상의 회절 피크는 감소하여 거의 알아보기 힘들었고, 분말에서는 존재 하지 않았던 W2C 결정상의 회절 피크가 매우 약하게 나타났다. 이는 고속화염용사 과정에서 액적이 고온(최고 3500℃)의 화염 속을 0.1-1ms 비행하는 동안 금속탄화물(WC)의 일부가 분해되기 때문이다. WC 상태도에 의하면 WC는 1250℃에서 2WC → W2C + C 분해반응이 발생하여 W2C와C로 상분해가 일어난다. Referring to FIG. 2B, although diffraction peaks of a strong WC crystal phase were still observed, the diffraction peaks of the Co and Fe crystal phases were decreased to be hardly noticeable, and the diffraction peaks of the W 2 C crystal phase which were not present in the powders were very weak. This is because during the high-speed flame spray process, a part of the metal carbide (WC) is decomposed during the 0.1-1 ms flight of the droplet in the high temperature (maximum 3500 ° C) flame. According to the WC state diagram, the WC decomposes into W 2 C and C by decomposition of 2WC → W 2 C + C at 1250 ° C.
도 2c를 참조하면, 여전히 강한 WC 결정상의 회절 피크가 관찰 되었고, 레이저 열처리 동안 WC 금속탄화물이 W과 C로 분해가 발생하여 도 2b에서 약하게 관찰되던 W2C 결정상 피크가 증가 하였다. 용사코팅에서는 보이지 않았던 WO3, Fe2O3 등의 새로운 상의 회절 피크가 관찰 되었는데, 이는 레이저 열처리 동안 산화가 발생했기 때문이다. WC의 탈탄과 산화물이 관찰 되었지만 그 양이 작기 때문에 코팅층의 기계적 특성에 미치는 영향은 크지 않다. Referring to FIG. 2C, a strong WC crystal phase diffraction peak was still observed, and the WC metal carbide was decomposed into W and C during laser annealing, resulting in a weakly observed W 2 C crystal peak in FIG. 2b. New phase diffraction peaks such as WO 3 and Fe 2 O 3 which were not observed in the spray coating were observed because the oxidation occurred during the laser heat treatment. Decarburization and oxides of WC were observed, but the effect on the mechanical properties of the coating layer was not significant because of its small amount.
3.3 레이저 열처리 전 후의 용사코팅층에 대한 미세구조3.3 Microstructure of spray coating layer before and after laser heat treatment
도 3은 레이저 열처리 전 용사코팅층의 미세구조를 관찰한 SEM 사진으로서, 도 3a는 용사코팅층의 표면에 대한 것이고, 도 3b는 기재와 용사코팅층의 계면에 대한 것이다. 다양한 크기의 WC-CoFe 분말은 용사코팅 동안 고온의 화염에 의해 용해 혹은 부분 용해되며 이들 액적(splat)은 최고 약 1000 m/s의 속도로 기판에 증착 된다. 화염의 최고온도는 α-Co(-4.7at% C) 용융점 1321℃, Co 용융점 1495℃ 및 δWC 열분해 온도 1250℃ 와 WC 용융점 2785℃ 보다 높으며 W의 용융점인 3300~3500℃(더욱 근접하게는 3422℃)와 유사하다. FIG. 3 is a SEM photograph showing the microstructure of the thermal sprayed coating layer before the laser heat treatment, in which FIG. 3A shows the surface of the sprayed coating layer, and FIG. 3B shows the interface between the substrate and the sprayed coating layer. WC-CoFe powders of various sizes are dissolved or partially dissolved by the hot flame during the spray coating and these droplets are deposited on the substrate at a rate of up to about 1000 m / s. The maximum temperature of the flame is higher than that of α-Co (-4.7 at% C) 1321 ℃, Co melting point 1495 ℃, δWC pyrolysis temperature 1250 ℃ and WC melting point 2785 ℃ and melting point of W 3300 ~ 3500 ℃ ° C).
따라서 고융점의 WC 입자(밝은 회색)는 코팅층에 균일하게 분포하고 회색의 금속바인더 역할을 하는 저융점의 Co와 Fe는 완전히 용융되어 WC 입자들 사이를 채우며 코팅층을 형성한다. 용사코팅 과정에서 고온의 화염에 의하여 융융된 액상 입자가 기재에 충돌하여 판상으로 퍼지게 되고, 여기에 후속 용융입자가 적층될 때 생성된 기공과 WC의 열분해로 생성된 탄소(C)는 화학 양론적으로 초과 주입된 산소(O2)와 반응하여 탄산가스를 발생시키게 되며, 이러한 탄산가스가 코팅층을 탈출함으로써 기공이 생성되어 다공성 코팅층이 형성된다. Therefore, WC particles with a high melting point (light gray) are uniformly distributed in the coating layer, and Co and Fe having low melting points, which function as gray metal binders, are completely melted to form a coating layer between WC particles. In the spray coating process, the liquid particles melted by the high-temperature flame collide with the substrate and spread in the form of a plate. The carbon produced by thermal decomposition of the pores and WC generated when the subsequent molten particles are laminated thereon is stoichiometrically (O 2 ) to generate carbon dioxide gas. Such carbon dioxide gas escapes from the coating layer to generate pores to form a porous coating layer.
도 4는 레이저 열처리 후 용사코팅층의 미세구조를 관찰한 SEM 사진으로서, 도 4a는 용사코팅층의 표면에 대한 것이고, 도 4b는 기재와 용사코팅층의 계면에 대한 것이다. 레이저 열처리 후에도 코팅층은 여전히 고경도의 WC입자를 금속바인더 Co와 Fe로 이루어진 미세구조로 특별한 변화를 관찰하지 못하였다. 하지만 코팅층의 표면부에서 관찰되던 기공의 크기와 양이 감소하였다. 이는 레이저 열처리 동안 발생한 압축 응력과 바인더 역할을 하는 저융점의 Co가 부분적인 용융을 통해 기공을 채웠기 때문이다.Fig. 4 is a SEM photograph showing the microstructure of the spray coating layer after the laser heat treatment, Fig. 4A being the surface of the spray coating layer, and Fig. 4b being the interface of the substrate and the spray coating layer. Even after the laser annealing, the coating layer still has a microstructure composed of CoC and Fe metal binders with high hardness. However, the size and amount of pores observed at the surface portion of the coating layer decreased. This is because the compressive stress generated during the laser heat treatment and the low melting point Co serving as a binder filled the pores through partial melting.
3.4 레이저 열처리 전후 용사코팅층에 대한 특성3.4 Characteristics of spray coating layer before and after laser heat treatment
도 5는 에칭을 실시하지 않은 코팅층의 단면 SEM 이미지를 나타낸 것으로서, 도 5a는 레이저 열처리 전에 대한 것이고, 도 5b는 레이저 열처리 후에 대한 것이다. 도 6은 레이저 열처리 전후에 대한 용사코팅층의 기공율을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 shows a cross-sectional SEM image of the uncoated coating layer, FIG. 5A being before the laser heat treatment, and FIG. 5B being after the laser heat treatment. 6 is a graph showing the porosity of the spray coating layer before and after the laser heat treatment.
용사코팅층의 두께는 약 150㎛이며 코팅층의 대부분의 지역에서 기공이 관찰되었고, 이미지 분석기로 분율을 측정한 결과 약 1.7%로 나타났다. 레이저 열처리 후 코팅층의 두께는 33% 감소한 100㎛로 나타났고, 기공율도 23% 감소한 1.2~1.4%로 나타났다. 이는 레이저 열처리동안 발생되는 고온과 압축응력에 의해서 코팅층의 기공이 채워졌기 때문이며, 이로 인해 코팅층의 구조는 매우 치밀해졌다.The thickness of the spray coating layer was about 150 μm, and pores were observed in most areas of the coating layer. As a result of the fractionation by an image analyzer, it was about 1.7%. After laser annealing, the thickness of the coating layer decreased by 33% to 100 ㎛ and the porosity decreased by 23% to 1.2 ~ 1.4%. This is because the pores of the coating layer are filled by the high temperature and compressive stress generated during the laser heat treatment, and the structure of the coating layer becomes very dense.
도 7은 레이저 열처리 전후의 용사코팅층에 대한 깊이에 따른 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 용사 코팅의 경도 값은 코팅층이 치밀할수록, 코팅층간 혹은 고경도 세라믹 WC와 바인더 역할을 하는 금속간의 결합력이 클수록 크게 나타난다. 코팅층의 경도값은 레이저 열처리 전후 모두에서 기공 및 고경도 WC 상의 영향에 의해서 표면에서 계면(코팅/기재) 방향에 따라 코팅층의 경도가 불균일하게 나타났다. 레이저 열처리 후 기공도가 감소함에 따라 코팅층의 경도값은 Hv 1117에서 Hv 1440 크게 증가하였다. 이는 레이저 열처리의 영향으로 기공이 사라지면서 코팅층이 치밀해졌고, 코팅층을 구성하는 고경도 세라믹 WC와 금속 바인더의 결합력이 증가했기 때문이다. 하지만 표면에서 계면으로 갈수록 경도값이 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 깊이에 따른 레이저 열처리 동안의 열영향이 감소하기 때문인 것으로 생각된다.FIG. 7 is a graph showing the results of hardness measurement according to the depth of the spray coating layer before and after laser heat treatment. The hardness value of the spray coating becomes larger as the coating layer becomes finer, and the bonding force between the coating layer and the metal acting as a binder between the hardness ceramic WC and the coating layer becomes larger. The hardness values of the coating layer were found to be uneven in the direction of the interface (coating / substrate) from the surface due to the influence of pore and hardness WC on both before and after laser annealing. As the porosity decreased after laser annealing, the hardness value of coating layer increased greatly at Hv 1117 to Hv 1440. This is because the coating layer became dense due to the disappearance of the pores due to the effect of the laser heat treatment, and the bonding force between the high hardness ceramic WC and the metal binder constituting the coating layer was increased. However, the hardness value tends to decrease from the surface to the interface, which is thought to be due to the reduction of the thermal effect during the laser heat treatment depending on the depth.
3.5 레이저 열처리 전후 용사코팅층의 마찰마모 특성3.5 Friction and wear characteristics of spray coating layer before and after laser heat treatment
도 8은 마찰마모 시험 중 측정된 마찰계수를 나타낸 그래프로서, 도 8a는 레이저 열처리 전의 용사코팅층에 대한 것이고, 도 8b는 레이저 열처리 후의 용사코팅층에 대한 것이다. FIG. 8 is a graph showing the friction coefficient measured during the friction and wear test, wherein FIG. 8A is for a thermal spray coating layer before laser heat treatment, and FIG. 8B is for a thermal spray coating layer after laser heat treatment.
도 9는 마찰마모 시험 후 마모흔을 관찰한 SEM 사진으로서, 도 9a는 레이저 열처리 전 용사코팅층에 대한 것이고, 도 9는 레이저 열처리 후의 용사코팅층에 대한 것이다. FIG. 9 is a SEM photograph showing a trail of abrasion after the friction and abrasion test. FIG. 9A shows a sprayed coating layer before laser annealing, and FIG. 9 shows a sprayed coating layer after laser annealing.
용사코팅층의 마찰계수는 레이저 열처리 후 0.45에서 0.3~034로 감소하였고, 용사코팅에서 연삭마모의 결과로 나타난 마모흔이 뚜렷하게 관찰 되었지만, 레이저 열처리 후 마모흔의 크기가 현저히 감소하여, 레이저 열처리에 의해 코팅층의 우수함 마찰 감소 거동과 내마모성을 확인 할 수 있었다. 코팅의 표면은 마모 시험이 시잘 될 때 미끄럼 접촉을 하게 되고, 이 때 Co상과 Cr3C2 입자는 극심한 변형을 받는다. 변형된 Co 및 Cr3C2상은 Si3N4의 압축 응력에 의해서 밀려나가고 기지의 영향이 더 이상 존재하지 않을 때 최초의 마모 분말이 형성된다. 마모 분말의 일부는 마모 시험 중 손실 되지만, 일부는 접촉면 사이에 포획된다. 포획된 파편 분말은 양쪽 표면에 추가 손상을 발생시키고, 파편은 마모 테스트 중에 더욱 작은 파편 분말로 파쇄된다. 따라서 레이저 열처리 코팅에서 WO3상은 입자의 좋은 부착성과 모재의 좋은 응착성에 기여한 고밀도 마찰 박막을 형성한다. 고밀도 박막은 상대적으로 안정된 마모 상태로 높은 마모 속도를 감소시키며 추가적인 손상으로부터 표면을 보호한다. 레이저 열처리 후 코팅의 밀도가 고밀도 마찰박막 형성에 도움이 되고, Co상 사이에서 Cr3C2 및 WC상들의 부착력을 개선시킨다. 접착 마모 특성의 개선된 특성은 마모 시험 동안 형성된 얇은 산화물 박막 때문이라고 사료된다. 레이저 열처리 후 생성된 WO3 산화물은 마모 시험 중 마찰계수를 감소시키는 윤활제 역할을 한다.The coefficient of friction of the spray coating layer was decreased from 0.45 to 0.3 to 034 after laser annealing, and the abrasion shadows as a result of grinding wear were clearly observed in the spray coating, but the size of the abrasion shadows after the laser annealing remarkably decreased, The excellent friction reduction behavior and abrasion resistance of the coating layer were confirmed. The surface of the coating is brought into sliding contact when the wear test is successful, where the Co phase and the Cr 3 C 2 particles undergo extreme deformation. The modified Co and Cr 3 C 2 phases are pushed out by the compressive stress of Si 3 N 4 and the initial wear powder is formed when the known effect no longer exists. Some of the abrasive powder is lost during the abrasion test, but some are trapped between the abutment surfaces. The captured debris powder causes additional damage to both surfaces, and the debris is broken into smaller debris powder during the wear test. Therefore, in the laser annealing coating, the WO 3 phase forms a high-density frictional thin film which contributes to good adhesion of the particles and good adhesion of the base material. The dense film reduces the high wear rate in a relatively stable wear state and protects the surface from further damage. The density of the coating after the laser annealing helps to form a high density frictional thin film and improves the adhesion of the Cr 3 C 2 and WC phases between the Co phases. It is believed that the improved properties of the bond wear characteristics are due to the thin oxide film formed during the abrasion test. The WO 3 oxide produced after the laser heat treatment serves as a lubricant to reduce the friction coefficient during the abrasion test.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고속화염 용사코팅층에 레이저 열처리를 실시함으로써 용사코팅층의 기공도, 경도, 마찰 특성의 향상을 도모할 수 있다. As described above, according to the present invention, by performing the laser heat treatment on the high-speed flame spray coating layer, the porosity, hardness, and friction characteristics of the spray coating layer can be improved.
Claims (11)
상기 고속화염 용사코팅층에 레이저 빔의 초점 온도가 950~1200℃인 레이저 빔을 국부적으로 조사하면서 이동시켜 상기 고속화염 용사코팅층을 레이저 열처리하여 저융점의 Co의 용융을 통해 기공의 일부를 채우는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 텅스텐 카바이드 계열 합금분말의 고속화염 용사코팅층 형성방법.Forming a high-speed flame spray coating layer of WC-CoFe powder on a substrate; And
A step of locally irradiating the high-speed flame spray coating layer with a laser beam having a focal point of the laser beam of 950 to 1200 ° C to laser heat treat the high-speed flame spray coating layer to fill part of the pores through melting of the low melting point Co; Wherein the tungsten carbide-based alloy powder has a high thermal conductivity.
The method according to claim 9, wherein the coefficient of friction of the high-temperature flame spray coating layer after the laser heat treatment is 0.3 to 0.34.
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