KR20050100444A - 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한코팅방법 - Google Patents

연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모재 보다 우수한 내마모성 성질을 가진 재료인 실리콘카바이드, 크롬카바이드, 지르코늄산화물, 텅스텐카바이드, 텅스텐코발트카바이드의 분말을 가스 또는 전기적 열원을 이용하여 용재를 용융 또는 반 용융상태로 모재인 스핀들 디스크의 표면에 고속으로 충돌시키는 방식의 코팅 방법을 제공하므로 인하여 스핀들 디스크의 내마모성은 크게 향상되면서 그 품질은 더욱 향상되는 효과와 함께 스핀들 디스크의 진원도 및 동심도가 더욱 높아지는 특징이 있다.
그리고, 그 표면을 코팅시킨 스핀들 디스크를 연사기에 설치하므로 마모와 소음을 최소화시키면서 연사기의 생산성을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법{Thermal spray coating method on surface of ICBT spindle disk for abrasive wear resistance}
본 발명은 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모재 보다 우수한 내마모성 성질을 가진 재료인 실리콘카바이드, 크롬카바이드, 지르코늄산화물, 텅스텐카바이드, 텅스텐코발트카바이드의 분말을 가스 또는 전기적 열원을 이용하여 용재를 용융 또는 반 용융상태로 모재인 스핀들 디스크의 표면에 고속으로 충돌시키는 방식으로 피막층을 적층할 수 있는 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 용사(Thermal Spray)란 분말 혹은, 선형재료를 고온열원으로부터 용융액적으로 변화시켜 고속으로 기재에 충돌시켜 급냉응고 적층한 피막을 형성하는 기술이다.
또한, 재료의 가열, 용융을 위해 에너지 밀도가 높은 연소화염, Arc 및 플라즈마 등의 열원을 필요로 한다.
그리고, 용사기술이 사용되어지는 기계 부품의 용도에 따라 용사재료를 선정함으로써 내마모성, 내식성, 내열성, 절연성 등 기계적 또는 기능적 성질의 개선이나 개질, 수복을 목적으로 행해지는 표면피복법의 일종이라 할 수 있다.
그러나, 상기한 용사 현상은 아주 복잡하여 아직 규명이 안 된 부분이 많고 용사층의 신뢰성 및 안정성은 다소 결여되기는 하나 적용할 수 있는 소재가 금속을 필두로 플라스틱에 이르기 까지 다양할 뿐만 아니라, 이들의 조합도 가능하므로 응용범위가 넓고 처리가 용이하여 용사기술에 대해 현재 많은 연구가 이루어지고 있는 실정에서 연사장치에 사용되는 스핀들 디스크의 경우 아직 용사기술을 효과적으로 적용하지 못하고 있는 단점이 있다.
한편, 일반적으로 시용되는 스핀들 디스크의 경우는 최초 일정한 형태로 단조하는 작업공정을 통하여 하나의 스핀들 디스크로 형성된다.
그리고, 상기 단조된 디스크 표면에 일반적인 습식 도금을 수행하는 과정에서는 생산효율이 용사방법과 비교하여 현저히 낮고, 도금폐수에 의한 환경문제, 진원도 및 동심도가 크게 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 내마모성이 우수한 산화물이나 카바이드 계열의 단일 코팅의 경우 습식도금에서는 불가능하다.
따라서, 이와 같은 방법으로 형성된 스핀들 디스크를 사용하여 실을 권취하는 경우에는 회전중 접촉부위의 마모가 심할 뿐만 아니라, 마찰열이 높아지면서 연사기의 작동을 수시로 중단시켜야 하는 현실적인 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 스핀들 디스크의 모재 표면에 상기 모재 보다 우수한 성질을 갖는 다수의 재료를 코팅하므로 인하여 제품의 경량화 및 그 수명을 장구히 할 수 있는 연사기용 스핀들 디스크표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 실리콘카바이드, 크롬카바이드, 지르코늄산화물, 텅스텐카바이드, 텡스텐코발트카바이드의 분말을 하나의 바인더로 형성시키되, 상기 바인더는 가스 또는 전기적 열원을 이용하여 용재를 용융 또는 반 용융상태로 모재인 스핀들 디스크의 표면에 고속으로 충돌시키는 방식으로 피막층을 적층시킬 수 있도록 이루어진 스핀들 디스크 표면의 내마모성이 향상된 코팅방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 공정을 전체적으로 설명한 작업공정도이며, 도 2는 본 발명의 코팅 공정에 사용되는 ICBT 스핀들 디스크의 도면대용 사진이고, 도 3은 본 발명의 코팅 연마후의 ICBT 스핀들 디스크를 나타낸 도면대용 사진이고, 도 4는 본 발명의 코팅방법에 있어서, 용사 코팅 분말의 형성을 나타낸 도면대용 사진이고, 도 5의 (a)(b)(c)는 본 발명의 코팅방법에 있어서, 용사 거리의 변화에 따른 전자 현미경의 표면 사진부이고, 도 6의 (a)(b)(c)는 본 발명의 코팅방법에 있어서, 출력의 변화에 따른 전자 현미경의 표면 사진부이고, 도 7은 본 발명의 코팅방법에 있어서, 용사 코팅 처리된 제품의 도면대용 사진이다.
먼저, 도 1과 같이 플라즈마 용사시스템은 공지된 것으로, 그 실시예를 첨부된 도 1을 참조하여 설명한다.
우선, 플라즈마용사란 비전이형아크에 의해 여러가지 가스(수소, 질소, 알곤등)가 이온화 되어 생성되는 고속(평균610cm/sec), 고온(약16700℃)의 플라즈마 흐름(PLASMA STREAM)을 이용하는 코팅방법으로서 플라즈마 용사시스템 내에서 일정하게 공급되는 바인더 분말 코팅제가 용융 또는 반용융(MOLTEN OR SEMIMOLTEN) 상태에서 초음속의 속도로 소재에 충돌 밀착되어 섬세한 조직의 코팅 피막을 스핀들 디스크 표면에 형성하게 된다.
상기의 상황에서 스핀들 디스크 표면에 코팅되는 재료로는 실리콘카바이드(Sic),크롬카바이드(CrC), 지르코늄산화물(ZrO2) 텅스텐카바이드(WC-W2C), 텅스텐코발트카바이드(WC-Co)로 이루어진 하나의 바인더 분말로 구성될 수 있다.
그리고, 가스공급기(Gas supply)로 부터 공급되어 제어장치(Control Equipment)에 의하여 토출량이 제어된 아르곤가스 및 수소가스와, 전원공급부(Poewr)로 부터 인가되어 상기 제어장치에 의하여 전압과 전류가 제어된 출력전압과, 압축공기와, 칠러냉각기에 의하여 냉각된 냉각수 및 파우더 공급기로 부터 공급된 바인더 분말이 플라즈마건으로 공급되어 고온, 고속으로 분말이 용융 혹은 반용융되어 스핀들 디스크 상에 충돌되면서 코팅 피막층을 형성하게 되는 것이다.
한편, 상기한 바와 같은 플라즈마 용사법에서 플라즈마 건에 공급되는 전압과 전류의 세기에 따라 플라즈마 화염의 온도 및 온도분포가 변화하므로, 본 발명에서는 플라즈마 건으로 공급되는 출력전원(Are Power Level, 이하 APL)을 바람직하게 30-40kW, 500A로 제어되며, 알곤가스와 수소의 혼합비에 따라 플라즈마 화염의 온도 및 분위기가 변화되므로 본 발명에서는 아르곤가스(Ar)는 80 SCHF로 제어되고, 수소가스는 10-25 SCHF로 제어된다.
그리고, 플라즈마건과 피용사체(스핀들 디스크) 간의 거리 플라즈마 화염이 스핀들 디스크에 도달할 때의 플라즈마 화염온도와 용융입자의 비산속도를 지배하므로, 본 발명에서는 용사거리를 60-90mm로 한다.
이와 같은 조건으로 코팅 재료의 용사실험을 하였으며, 그 결과는 아래와 같다.
실시예 1
명칭: 실리콘카바이드(SiC) 바인더 분말
*시험조건*
용사거리: 80mm
APL: 40kw
RPM: 600/min
송급량: 70g/min
실시예 2
명칭: 크롬카바이드(CrC) 바인더 분말
*시험조건*
용사거리: 80mm
APL:40Kw
RPM: 600/min
송급량: 70g/min
실시예 3
명칭: 지르코늄산화물(ZrO2) 바인더 분말
*시험조건*
용사거리: 80mm
APL: 40Kw
RPM: 600/min
송급량: 70g/min
실시예 4
명칭: 텅스텐카바이드(WC-W2C) 바인더 분말
*시험조건*
용사거리: 80mm
APL: 40Kw
RPM: 600/min
송급량: 70g/min
실시예 5
명칭: 텅스텐코발트카바이드(WC-Co) 바인더 분말
*시험조건*
용사거리: 80mm
ALP: 40Kw
RPM: 600/min
송급량: 70g/min
또한, 스핀들 디스크 모재를 코팅하기 위한 바인더 재료의 용사조건은 아래표 1과 같다.
Coating powder Component SiZe Trade name
실리콘카바이드 SiC 30-50㎛ Union Carbide
크롬카바이드 CrC 30-50㎛ Sulzer Metco
지르코늄산화물 ZrO2 15-45㎛ Norton
텅스텐카바이드 WC 30-50㎛ Sulzer Metco
텅스텐코발트카바이드 WC-CoC 15-45㎛ Union Carbide
그리고, 용사층의 물성은 분말 입자의 크기 및 송급량, APL, 용사거리, 용사각도, 냉각조건, Ar량, H2량, 제품의 RPM 등에 영향을 받는다.
따라서, 본 발명에서는 많은 용사조건 중에서 가장 영향을 많이 받는 것으로 알려진 용사거리와 APL를 변화시키고자 하며, 이때 용사거리는 70mm, 80mm, 90mm로 변화시키고 APL은 35KW, 40KW로 변화시켰다.
또한, 모든 시편의 회전(RPM)의 600/min, 송급량은 70g/min으로 고정하여 실험을 진행할 수 있게 하였다.
이와 같은 실험의 결과는 도 5와 같다.
상기 도 5는 용사거리 변화에 따른 표면을 광학현미경으로 관찰한 도면대용 사진이다.
그 결과 용사거리가 변화될 때 조직의 치밀한 정도가 약간의 차이를 보였으며, 사진에서와 같이 용사거리가 80mm(B1)인 조건이 가장 치밀한 조직을 보여주고 있다.
그리고, 용사거리에 따른 코팅층의 경도, 표면조도 및 기공률을 측정한 결과 코팅층의 치밀함과 코팅층의 두께에 따라서 경도 값에도 약간의 차이를 볼 수 있으며, 용사거리 80mm에서 출력이 40kw에서 가장 우수한 물성을 나타내었다.
도 6은 용사층 단면의 SEM 조직사진의 일례를 나타낸 것이며, 상기 용사층 내에는 다수의 기공이 존재하고 회색의 용사층과 짙은 회색의 부위가 공존하고 있음을 알 수 있다.
결과적으로 용사거리 80mm에서 출력 40Kw로 ICBT 스핀들 디스크 표면에 코팅시키는 방법으로 디스크 표면 전체적으로 균일한 전착 코팅이 되는 것을 도 7에서 확인할 수 있었다.
이상과 같이 스핀들 디스크 표면에 보다 우수한 성질을 가진 바인더 재료를 용융 또는 반 용융 상태로 고속으로 충돌시키는 방식으로 피막층을 형성하므로 인하여 스핀들 디스크의 품질이 대폭 향상되는 특징이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 본 발명은 스핀들 디스크를 이루는 모재 보다 우수한 성질을 가진 바인더 재료의 분말을 가스 또는 전기적 열원을 이용하여 용재를 용융시켜 코팅시키므로 인하여 스핀들 디스크의 내마모성이 향상되어 품질이 대폭 향상되는 효과와 함께 스핀들 디스크의 진원도 및 동심도의 정밀도가 더욱 높아지는 특징이 있다.
그리고, 이와 같이 그 표면을 코팅시킨 스핀들 디스크를 연사기에 설치하므로 마모와 소음을 최소화시키면서 연사기의 생산성을 크게 높일 수 있는 부수적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 공정을 전체적으로 설명한 작업공정도
도 2는 본 발명의 코팅 공정에 사용되는 ICBT 스핀들 디스크의 도면대용 사진
도 3은 본 발명의 코팅 연마후의 ICBT 스핀들 디스크를 나타낸 도면대용 사진
도 4는 본 발명의 코팅 방법에 있어서, 용사 코팅 분말의 형상을 나타낸 도면대용 사진
도 5의 (a)(b)(c)는 본 발명의 코팅 방법에 있어서, 용사 거리의 변화에 따른 전자 현미경 표면 사진부
도 6의 (a)(b)(c)는 본 발명의 코팅 방법에 있어서, 출력의 변화에 따른 전자 현미경 표면 사진부
도 7은 본 발명의 코팅 방법에 있어서, 용사 코팅 처리된 제품의 도면대용 사진

Claims (6)

  1. 실리콘카바이드(SiC). 크롬카바이드(CrC), 지르코늄산화물(ZrO2), 텅스텐카바이드(WC-W2C), 텅스텐코발트카바이드(WC-Co)의 분말을 각각의 바인더로 형성시키되, 상기 바인더는 가스 내지 전기적 열원을 이용하여 용재를 용융 또는 반 용융상태로 모재인 스핀들 디스크의 표면에 고속으로 충돌시키는 방식으로 피막층을 형성시킬 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘카바이드(SiC)의 바인더 분말은 용사거리 70-80mm, SiZe 30-50㎛, APL 40kw, RPM 600/min, 송급량 70g/min의 조건으로 용융 내지 반 용융상태로 스핀들 디스크의 표면에 피막층을 형성시킬 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 연사기용 스핀들 디스크의 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 크롬카바이드(CrC)의 바인더 분말은 용사거리 70-80mm, SiZe 30-50㎛, APL 40Kw, RPM 600/min, 송급량 70g/min의 조건으로 용융 내지 반 용융상태로 스핀들 디스크의 표면에 피막층을 형성시킬 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지르코늄산화물(ZrO2)의 바인더 분말은 용사거리 70-80mm, SiZe 30-50㎛, APL 40Kw, RPM 600/min, 송급량 70g/min의 조건으로 용융 내지 반 용융상태로 스핀들 디스크의 표면에 피막층을 형성시킬 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 텅스텐카바이드(WC-W2C)의 바인더 분말은 용사거리 70-80mm, Size 30-50㎛, APL 40Kw, RPM 600/min, 송급량 70g/min의 조건으로 용융 내지 반 용융상태로 스핀들 디스크의 표면에 피막층을 형성시킬 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 텅스텐코발트카바이드(Wc-Co)의 바인더 분말은 용사거리 70-80mm, Size 30-50㎛, APL 40Kw, RPM 600/min, 송급량 70g/min의 조건으로 용융 내지 반 용융상태로 스핀들 디스크의 표면에 피막층을 형성시킬 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 연사기용 스핀들 디스크 표면의 내마모성 향상을 위한 코팅방법
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