KR20230034974A - 레이저 클래딩을 사용하여 내식성 및 내마모성이 우수한 주철 부품을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기판 표면, 바람직하게는 브레이크 디스크의 표면 상에 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템을 생성하는 방법으로서, 상기 기판 또는 적어도 기판의 상기 표면은 철계 재료 또는 강 재료 유형의 기판 재료로 제조되며, 상기 코팅 시스템은 하나 이상의 코팅층을 포함하며, 상기 방법은, (1) 코팅 시스템으로 코팅될 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계, (2) 코팅 시스템의 하나 이상의 코팅 층을 생성하기 위한 전용 재료를 선택하는 단계, (3) 레이저 클래딩 공정을 사용하여 코팅 시스템의 하나 이상의 코팅 층을 코팅될 기판 표면에 생성하는 단계로, 단계 (2)에서 선택된 전용 재료가 코팅 층 생성을 위한 소스 재료로 사용되는, 코팅 층 생성 단계를 포함하는 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법에 있어서, 단계 (3)을 수행하기 위해, 레이저 빔은 레이저 빔과 코팅될 기판 표면 사이의 각도가 형성되는 방식으로 코팅될 기판 표면에 대해 위치되고, 코팅 각도라고 하는 이 각도는 하나 이상의 코팅 층을 생산하는 동안 10° 내지 30° 사이의 값을 유지하는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 레이저 클래딩을 사용하여 내식성 및 내마모성이 우수한 주철 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
내마모성 및 내부식성을 향상시키기 위해 예를 들어 자동차 산업에서 사용되는 주철 브레이크 디스크 또는 슬라이딩 부품과 같은 철계 또는 강재 부품의 물성을 개조하기 위한 코팅의 부착 또는 표면 개질 처리의 사용은 잘 알려져 있다.
알려진 증착 공정 중 일부가 예를 들어 용사, 전기도금 및 레이저 클래딩 공정이다. 기존의 레이저 클래딩 증착 공정은 LMD(Laser Metal Deposition) 또는 DED-LB(Directed Energy - Laser Beam)라고도 한다. 기존의 레이저 클래딩 공정 외에도, 고속 레이저 클래딩 및 초고속 재료 증착과 같은 특정 레이저 클래딩 공정이 있으며, 초고속 재료 증착 공정은 초고속 레이저 적용(EHLA: Extreme High Speed Laser Application)이라고도 한다.
또한, 예를 들어 가스 또는 플라즈마 연질화 공정 및/또는 산화 공정을 사용하여 확산 층 및/또는 산화 층을 생성하기 위한 처리와 같은 다른 방법도 잘 알려져 있다.
최신 기술의 문제
오늘날 시장의 큰 도전 과제이자 요구 사항은 부품, 특히 미세 먼지 배출을 최소화하고 수명이 더 긴 동시에 생산 비용을 가능한 한 낮게 유지하면서 생산할 수 있는 유형의 브레이크 디스크를 생산하는 것이다.
주철은 그 융점이 높고 열저장 능력이 우수하며 전도성이 우수하고, 주조성 및 가공성이 좋아 브레이크 디스크용으로 사용되는 저비용 소재로 잘 알려져 있다. 그러나 이 재료는 브레이크 디스크 제조 중에 부품 표면에 존재하는 라멜라 및/또는 구형 입자/구상체 형태의 흑연 재료를 포함한다.
열 용사 기술과 달리, 기존의 레이저 클래딩 기술과 같은 레이저 재료 증착 기술에서는 광학 집속 층 빔이 부품 표면 위로 레이저 방사를 통해 용융 풀을 생성하고, 노즐을 통해 분말 또는 와이어가 용융 풀로 공급되며, 용융 풀 온도와 레이저 방사의 조합을 통해 용융되어 형태와 기능을 추가하는 것으로 알려져 있다. 노즐이 기판을 가로지르면 열원이 멀어지고 증착된 재료가 응고되어 기판과 증착물 사이에 희석 재료 영역(깊이 300㎛ - 1000㎛)이 있는 기판 위에서 굳어진다. 이에 의해, 고에너지 용융 풀이 코팅될 기판(기판은 브레이크 디스크와 같은 부품 또는 이들의 일부일 수 있음)의 표면에 생성되며, 이러한 방식으로 코팅 재료는 기판 표면 위에서 표면의 레이저 빔에 의해 생성된 용융 베드에 증착된다. 코팅 재료는 레이저 빔에 의해 완전히 또는 부분적으로 용융되거나, 용융 베드에 직접 증착될 수 있다. 또한 EHLA 공정에서 분말은 기판 위의 집속된 레이저 빔 라인으로 공급되는 것으로 알려져 있다. 이렇게 하면 증착된 재료가 기판과 접촉하기 전에 이미 용융되어, 기판 위에 매우 얕은 용융 풀이 형성되어 증착된 재료가 기저 재료와 접촉하여 냉각 및 응고되어 아래의 부품에 도달하는 열을 양과 희석 그리고 열 효과의 깊이를 감소시키게 된다. 이 작은 희석(dilution)은 일반적으로 5-10㎛ 내에서 원하는 화학적 성질을 달성하는 훨씬 더 얇은 코팅(20-300㎛)을 생성할 수 있는 기능을 형성한다. 이것은 또한 EHLA로 달성할 수 있는 높은 이송 속도의 핵심을 형성한다.
결과적으로 주철과 같은 철계 기판 재료를 코팅하기 위해 레이저 클래딩 공정을 사용함으로써, 기판 표면의 흑연 라멜라가 용융되고 심지어 고출력 레이저 빔에 의해 증발되어 코팅 자체에 불순물을 생성하고 및/또는 코팅에 공극(void) 또는 중단부(interruption)를 생성한다. 어떤 경우에는 흑연 라멜라가 코팅 공정 중에 "폭발"할 수도 있다. 이로 인해 낮은 접착 영역 또는 국부적 결함이 발생할 수 있으며, 코팅 조직에 균열이 형성되어 코팅의 접착력이 감소한다. 더욱이, 생성된 코팅의 표면은 평평하지 않고 불규칙하며, "오렌지 스킨(orange skin)" 표면을 나타낸다. 이러한 종류의 코팅 표면은 특히 브레이크 디스크의 특정 용도에 부정적인 영향을 미친다.
라멜라 및/또는 구상체 및/또는 마르텐사이트 구조 형태로 존재하는 흑연은 고품질 코팅을 얻기 위한 공정 창을 제한할 수 있는 공정 신뢰성을 낮추는 원인이다.
또한, 레이저 클래딩 기술을 사용하여 코팅할 수 없는 기판 영역(예컨대, 허브, 스완넥 내경부 및/또는 환기 또는 냉각 채널)은 여전히 기판의 주철 재료를 노출시키며, 일반적인 대기 조건에서 특히 NaCl, KCl 및 MgCl2 와 같은 염이 존재하는 경우 쉽게 부식될 수 있다.
본 발명의 주요 목적은 종래 기술에 속하는 코팅되지 않은 부품에 비해, 표면의 내부식성 및 내마모성이 우수한 부품, 특히 주철 또는 강재와 같은 철계 재료로 제조된 브레이크 디스크를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 미세 먼지 방출을 최소로 하고, 수명이 긴 동시에 바람직하게는 가능한 한 낮은 생산 비용을 유지하면서 생산될 수 있는 유형의 부품, 특히 브레이크 디스크를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 기재된 바와 같은 방법을 제공함으로써 달성 된다. 본 발명의 바람직한 실시형태는 종속 청구항들에 기재되어 있다.
본 발명의 방법은 추가적으로 부품의 마모를 감소시키는 재료 및 코팅 기술을 사용하며, 부품, 특히 내부식성이 향상된 브레이크 디스크를 제조할 수 있게 한다.
본 발명의 방법은 기판 표면, 바람직하게는 브레이크 디스크의 표면 상에 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템을 생성하는 방법으로서, 상기 기판 또는 적어도 기판의 상기 표면은 철계 재료 또는 강 재료 유형의 기판 재료로 제조되며, 상기 코팅 시스템은 하나 이상의 코팅층을 포함하며, 상기 방법은,
(1) 코팅 시스템으로 코팅될 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계,
(2) 코팅 시스템의 하나 이상의 코팅 층을 생성하기 위한 전용 재료를 선택하는 단계,
(3) 레이저 클래딩 공정을 사용하여 코팅 시스템의 하나 이상의 코팅 층을 코팅될 기판 표면에 생성하는 단계로, 단계 (2)에서 선택된 전용 재료가 코팅 층 생성을 위한 소스 재료로 사용되는, 코팅 층 생성 단계를 포함하는 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법에 있어서,
단계 (3)을 수행하기 위해, 레이저 빔은 레이저 빔과 코팅될 기판 표면 사이의 각도가 형성되는 방식으로 코팅될 기판 표면에 대해 위치되고, 코팅 각도라고 하는 이 각도는 하나 이상의 코팅 층을 생산하는 동안 10° 내지 30° 사이의 값을 유지하는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법이다.
전술한 방법의 사용, 특히 상기 언급된 범위의 코팅 각도의 사용은, 증가된 레이저 전력 수준을 사용하여 기판 재료의 용접성을 향상시킬 수 있고, 증착 속도를 증대시킬 수 있으며, 코팅 시스템이 적용되는 기판 표면에 하나 이상의 코팅 층의 접착력을 향상시킬 수 있도록 한다. 바람직하기로는, 기판은 자동차 산업, 특히 브레이크 디스크에 사용되는 부품이다.
바람직하게는, 부품이 브레이크 디스크인 경우, 브레이크 디스크는 주철 재료로 만들어지거나, 적어도 본 발명에 따라 위에 코팅 시스템이 증착되는 주철 재료로 만들어진 표면을 포함한다.
레이저 클래딩 공정은 기존의 레이저 클래딩 공정 또는 레이저 클래딩 공정의 다른 특정 변형일 수 있다.
레이저 클래딩 공정은 EHLA 공정인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 브레이크 디스크의 코팅을 위해 본 발명의 방법은, 단계 (3)의 레이저 클래딩 공정이 예를 들어 5 ㎾에서 최대 30 ㎾까지, 바람직하게는 5 ㎾보다 높은 값에서 30 ㎾까지의 범위에서 수행된다. 보다 바람직하게는 10 ㎾ 내지 30 ㎾ 범위 또는 10 ㎾ 내지 25 ㎾ 범위이다. 이는 위에서 언급한 코팅 각도 범위에서 코팅 각도를 사용함으로써 가능해진다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 브레이크 디스크 코팅을 위한 본 발명의 방법은, 단계 (3)의 레이저 클래딩 공정이 예를 들어 50 m/분에서 최대 200 m/분 범위와 같이, 종래 기술에 비해 더 높은 공정 속도를 포함하는, 매우 넓은 범위의 고증착 속도의 공정 속도 구현에 의해 수행되는 방식으로 수행될 수 있다. 높은 공정 속도를 사용하는 경우, 바람직하게는 100 m/분 내지 200 m/분 범위, 더 바람직하게는 100 m/분 내지 150 m/분 범위에서 보다 안정적인 공정이 얻어지기 때문에 더욱 바람직하다. 이는 상기 언급된 코팅 각도 범위의 코팅 각도를 포함하는 본 발명의 방법을 사용함으로써 가능해진다.
본 발명의 방법은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 브레이크 디스크의 코팅을 위해 수행될 수 있는데, 이는 단계 (3)의 레이저 클래딩 공정이 높은 코팅 증착 속도를 포함하여 매우 넓은 코팅 증착 속도가 달성되는 방식으로 상기 언급된 범위에서 프로세스 파라미터를 선택함으로써 수행되는 방식으로 수행될 수 있다. 500 ㎠/분 보다 높은 증착 속도가 높은 증착 속도로 간주된다. 본 발명의 방법은 바람직하게는 500 ㎠/분 내지 1200 ㎠/분 범위의 높은 증착 속도를 달성하기 위한 프로세스 파라미터를 선택함으로써 수행된다.
명세서에 기재되어 있는 본 발명의 실시형태들 또는 바람직한 실시형태들은 본 발명을 한정하는 것이 아니라 본 발명을 보다 잘 이해하기 위한 정보로서 이해되어야 한다.
본 발명의 각 실시형태 또는 바람직한 실시형태는 하나 이상의 실시형태 또는 바람직한 실시형태들과 조합될 수 있다.
본 발명 방법은 브레이크 디스크 코팅 공정을 위한 "확장된 공정 매개변수 창" 달성하기 위해 공정 매개변수를 확장할 수 있을 뿐만 아니라 용접성, 브레이크 디스크 코팅 공정에서 원하는 두께, 다공성 및 균열과 같은 모든 요건을 충족시킬 수 있기 때문에 브레이크 디스크의 코팅에 있어서 상당하고 예측할 수 없는 큰 이점을 제공한다.
본 발명자들은 레이저 클래딩 코팅 층을 증착하기 전에 예비-처리 공정을 수행하여 기판 재료 특히 주철 재료의 용접성을 추가로 개선시키는 것을 제안한다. 바람직하게는 이러한 예비-처리 공정은 기판 재료의 용접성을 증가시키기 위해 기판 표면에서 흑연 특히 흑연 라멜라를 제거하거나 감소시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 예비-처리 공정은 펄스 유체 제트 공정, 바람직하게는 워터 제트 공정의 사용에 의한 기판 재료의 표면 활성화를 포함한다.
코팅 시스템은 레이저 클래딩을 사용하여 생성된 단 하나의 코팅 층을 포함하거나(즉, 레이저 클래딩 단일층 코팅을 포함함) 심지어 레이저 클래딩을 사용하여 생성된 단 하나의 코팅 층으로 구성될 수 있다(즉, 레이저 클래딩 단일층 코팅으로 구성됨).
그러나 코팅 시스템은 레이저 클래딩을 사용하여 생성된 2개 이상의 코팅 층을 포함하거나(즉, 레이저 클래딩 다층 코팅을 포함함) 심지어 레이저 클래딩을 사용하여 생성된 2개 이상의 코팅 층으로 구성(즉, 레이저 클래딩 다층 코팅으로 구성됨)하여 형성될 수 있다.
본 발명의 맥락에서 용어 단층 코팅(monolayer coating)은 하나의 단일 종류의 코팅 층의 증착 또는 형성을 지칭하기 위해 사용된다. 단일 종류의 코팅 층은 하나 이상의 런으로 증착될 수 있으며, 여기서 하나의 런은 레이저를 사용한 하나의 코팅 증착 실행에 해당한다. 따라서, 본 설명의 맥락에서, 단층 코팅은 원하는 코팅 층 두께를 달성하기 위해 하나 이상의 런에서 다른 방식으로 증착될 수도 있다.
본 발명의 맥락에서 다층 코팅(multilayer coating)이라는 용어는 하나 이상의 코팅 층의 증착 또는 형성을 지칭하기 위해 사용되며, 각각은 상이한 종류의 코팅 층 이며, 이는 예를 들어 일반적인 평균 조성이 상이할 수 있음을 의미한다. 각 유형의 코팅 층은 하나 이상의 런으로 증착될 수 있으며, 여기서 하나의 런은 레이저를 사용한 하나의 코팅 증착 실행에 해당한다. 따라서, 이와 관련하여 서로 다른 유형의 코팅 층 각각은 원하는 코팅 층 두께를 달성하기 위해 하나 이상의 런으로 증착될 수 있다.
코팅 영역을 부식으로부터 보호하기 위하여, 본 발명에 따른 방법은 상기 (3) 단계를 수행한 후 후처리 공정을 수행할 수 있는데, 상기 후처리 공정은 연질화 공정을 사용하여 확산 층을 형성하는 단계를 포함한다. 위에서 언급한 확산 층은 연질화 공정(질화탄화 공정이라고도 함)에 이어 산화 공정(산소화 공정이라고도 함)을 포함하는 복합 공정을 사용하여 제조할 수도 있다. 이러한 조합된 공정은 예를 들어 Hoppe가 EP 0753599 A1, EP 0753599 B1에 각각 개시한 내부식 및 내마모 층을 제조하는 공정 중 하나일 수 있다. 이들 공정은 코팅을 변화시키기 위해 수행되는 것이 아니라, 기판의 코팅되지 않은 부분, 예를 들어 브레이크 디스크의 냉각 채널, 내경부 및 외경부, 벨 및 스완 넥에서 재료의 내식성을 증가시키기 위해 수행된다.
전술한 바와 같이, 레이저 클래딩 코팅 층의 증착 전에 기판 재료의 용접성 개선의 한 가지 가능성은, 기판 표면으로부터 흑연을 제거함으로써 달성될 수 있으며, 특히 표면 예비-처리 공정, 특히 워터 제트 공정, 바람직하게는 워터 제트의 추가적인 맥동에 의해 라멜라 및/또는 흑연이 주철의 표면으로부터 제거되는 것이 유리할 수 있다. 특정 매개변수를 사용하는 경우 워터 제트 공정은 흑연 라멜라를 제거할 수 있는 특수성을 갖는다.
표면으로부터 흑연을 완전히 또는 부분적으로 제거하면, 기판 재료(본 설명의 맥락에서 기판 재료는 베이스 재료라고도 함)의 용접성 및 "베이스-재료-레이저 상호작용"을 개선시키고, 이는 기판 상에 코팅의 접착성을 향상시킨다. 또한, 코팅 조직의 다공성 수준과 균열 위험을 감소시킨다.
위에서 설명한 바와 같이, 이 방법을 사용하면 증착에 대한 가능한 공정 매개변수 창을 넓힐 수 있으므로 공정이 더욱 강건해진다. 코팅 각도로 인해 더 높은 레이저 출력 수준(예컨대, 10-25kW)의 구현이 가능해지고, 결과적으로 더 높은 공정 속도(예컨대, 100-200 m/분), 즉 기판 위에서 레이저 빔의 상대적 이동이 증가될 수 있다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이, 더 높은 증착 속도는 사이클 시간을 줄이고, 그 결과 연속 생산 중에 증착 속도(예컨대 500-1200 ㎠/분)를 증가시킨다. 증착 속도가 높을수록 코팅 재료의 조성을 더 자유롭게 선택할 수 있다.
본 발명은 증착 각도, 레이저 스폿 크기, 레이저 출력, 분말 공급 속도, 표면 속도 및 전용 코팅 재료와 같은 특정 공정 파라미터의 조합에 의해 용접성 및 코팅 특성이 개선되는 방식으로 레이저 클래딩 공정이 브레이크 디스크의 코팅을 위해 최적화될 수 있게 한다.
본 발명의 설명과 관련하여, 전용 재료(전용 코팅 재료라고도 함)는 특히 레이저 클래딩 코팅 기술, 바람직하게는 EHLA를 사용하여 코팅을 생성하는 데 사용될 수 있는 재료이며, 특히 브레이크 디스크의 내부식성 및 내마모성을 개선하기 위해 코팅되는 기판 표면에 개선된 성능을 제공한다. 따라서 재료가 코팅으로 적용되는 경우 사용 중 브레이크 디스크의 원하는 성능을 달성할 수 있는 특성을 갖는 전용 재료가 선택된다. 즉, 브레이크 디스크의 성능을 개선하기 위해 이에 따라 높은 열역학적 응력, 습식 및 건식 조건 및 브레이크 패드 재료와의 상호작용과 같은 일반적인 브레이크 디스크 사용 조건에서 코팅될 기판 표면(예를 들어 기판 표면은 예를 들어 주철일 수 있음)에 대한 우수한 접착력, 우수한 내식성, 우수한 내마모성, 우수한 내열충격성, 우수한 내크랙성 및 우수한 재료 안정성을 달성하기 위해 전용 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 전용 재료의 예로는 WO 2021/007209 A1에서 Vecchio 등이 언급한 합금 재료가 있다.
전술한 바와 같이, 바람직한 실시형태에서, 프로세스 파라미터는 코팅 공정 동안에 기판의 표면에 대한 수직선에 대해 특정 각도(코팅 각도)로 레이저 빔을 위치시키는 것을 특징으로 한다. 이는 기판 표면에 있는 핫 스팟의 열부하를 줄여, 기판 표면에 존재하는 흑연 라멜라에 대한 고에너지 레이저 빔의 영향을 감소시킨다. 보다 구체적인 실시형태에서, 코팅 각도는 레이저 빔이 표면 위의 흑연 라멜라에 충돌하지 않는 방식으로 설정된다. 따라서 코팅 공정 중에 가능한 증발 또는 제거의 영향을 줄인다. 이러한 유형의 코팅 공정 구성을 위해, 높은 증착 속도(예컨대, 500-1200 ㎠/분)와 높은 증착 효율(≥90%)을 가진 전용 코팅 재료(위에서 언급한 바와 같이)를 사용할 수 있어 코팅 사이클 시간을 상당히 줄일 수 있다. 레이저 빔과 기판 표면에 대한 법선 사이의 바람직한 코팅 각도는 10 내지 30°로 설정된다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일부 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 클래딩 코팅 기술과 가스 또는 플라즈마 질화 및/또는 연질화 공정의 조합을 포함하는 방법을 수행하는 것이 가능하며, 선택적으로 레이저 클래딩에 의해 코팅될 수 없는 코팅되지 않은 부분(예를 들어 환기 채널 또는 냉각 채널)의 내부식성을 개선하기 위해 후-산화(예를 들어, 조합 공정)(예를 들어, EP 0753599 A1, EP 0753599 B1에 각각 Hoppe에 의해 개시된 바와 같은 조합 공정)가 이루어질 수 있다.
연질화 및 산화 공정은 일반적으로 챔버에 포함된 기판에 대응하는 처리를 적용하기 위해 가스 또는 플라즈마를 포함하는 프로세스 챔버에서 수행되기 때문에, 프로세스 챔버에 포함된 기판의 표면의 모든 부분은 특히 브레이크 디스크의 경우 대응하는 가스 또는 플라즈마에 노출되어 구멍, 홈 또는 환기 챔버가 처리될 수 있다. 특정 연질화 + 산화 공정은, 아래 예 중 하나에서 볼 수 있듯이, 산화물 층, 백색 층 및 확산 층의 3 가지 다른 층의 형성을 제공한다.
하나의 일반적인 예에서, 본 발명의 방법은 다음을 포함한다:
- 완성된 주철 브레이크 디스크, 즉 주조되고, 기계 가공되고 그리고 미세 선삭된 부품의 제공,
- 워터 제트 공정을 통한 흑연 라멜라의 감소 또는 제거,
- 레이저 클래딩, 고속 레이저 클래딩 또는 EHLA와 같은 레이저 재료 증착 기술로 단층 또는 다층으로 구성된 코팅의 제공,
- 코팅은 10°에서 30° 사이의 특정 코팅 각도를 사용하는 특정 레이저 클래딩 증착 기술을 사용하여 생성된다.
- 코팅 기술과 코팅 특성의 조합을 충족시키는 전용 재료를 사용한다. 단일 층이 모든 기술적 요구 사항(내마모, 내부식 및 균열 저항)을 충족하는 것이 바람직하다.
- 선택적으로 요구되는 기하학적 공차를 얻기 위해 코팅된 브레이크 디스크의 표면을 연삭.
본 발명의 방법의 또 다른 특정 예는 주철 기판 상에 내부식성 코팅 시스템을 생성하는 방법으로, 여기서 코팅 시스템은 적어도 레이저 클래딩 상부 층을 포함하고, 상부 층을 적용하기 전에 기판의 표면은 흑연 라멜라를 감소시키거나 제거하기 위해 펄스 유체 제트 프로세스에 의해 기계적으로 활성화되고, 레이저 클래딩 상부 층을 포함하는 기판은 기판의 미코팅 영역에 적어도 질화침탄 확산 층을 생성하도록 처리된다.
도 1은 코팅되지 않은 주철 브레이크 디스크를 보여준다. 따라서 브레이크 디스크 표면은 사용 중에 부식, 마모 및 결과적으로 미세 먼지 방출에 상당히 노출된다. 이러한 이유로 브레이크 디스크 부품의 부식과 마모를 줄이고 수명을 연장하기 위해서는 코팅 해법이 필요하다.
도 2는 용사 코팅된 주철 브레이크 디스크를 보여준다. 공정 효율이 50% 미만이고 코팅 시스템이 복잡하다. 레이저 클래딩과 달리 용사 공정에서는 야금 결합이 없기 때문에 코팅과 기판 사이에 허용 가능한 접착력을 얻으려면 거친 표면 활성화가 필요하다. 레이저 클래딩은 용사에 비해 두 가지 주요 이점이 있다. 1. 공정 효율성이 레이저 클래딩에서 90% 이상 높다. 2. 레이저 클래딩에서 코팅과 기판 사이의 금속 결합은 코팅과 주철의 충분한 결합 강도를 보장한다.
도 3은 예비-처리 및 후-처리하지 않은, EHLA 공정을 사용하여 단층으로 증착된 단일 레이저 클래딩 코팅이 있는 주철 브레이크 디스크를 보여준다. 도 3a는 후속 공정을 거치지 않은, 코팅 증착 직후 코팅이 있는 기판 표면을 나타낸다. 도 3b는 도 3a에 도시된 것과 동일한 코팅된 기판으로, 연삭된 기판을 보여준다. 도 3c는 EHLA 공정을 사용하여 단층으로 증착된 하나의 레이저 클래딩 코팅을 갖는 본 발명에 따라 코팅된 주철로 코팅된 브레이크 디스크를 나타내며, 코팅 생성을 위해 전용 재료로 Metco® 브레이크 분말이 사용되었다. 도 3d는 도 3c에 도시된 코팅 사진의 확대를 나타내며, 코팅 조직에서 매우 균일한 경질상 분포가 관찰될 수 있다.
도 4는 예비-처리 및 후처리 되지 않은, 다수의 실행으로 증착된 하나의 레이저 클래딩 코팅을 구비하는 본 발명에 따라 코팅된 주철 브레이크 디스크를 도시한다.
도 5는 예비-처리된, 다수의 작업에서 증착된 하나의 레이저 클래딩 코팅을 구비하는 본 발명에 따라 코팅된 주철 브레이크 디스크를 도시한다. 예비-처리에 의한 흑연 라멜라 감소로 계면(interface) 품질이 크게 향상 되었다.
도 6은 본 발명에 따라 증착된 주철 브레이크 디스크를 도시한 것으로, 하나의 레이저 클래딩 코팅이 한 번에 단층으로 증착되었으며 코팅 증착 후에 후처리가 수행되었다. 도 6a는 코팅되고 후처리된 기판 표면을 나타낸다. 도 6b는 코팅 공정 중에 코팅될 수 없지만, 후처리 동안 개질된 기판 표면을 나타내는데, 하나의 산화물 층, 하나의 백색 층 및 하나의 확산 층의 3개의 상이한 층이 형성되었다. 이들 3개의 층은 환기 채널과 같이 코팅되지 않은 영역을 보호하기 위해 후-공정에서 주철의 코팅되지 않은 기판 표면에 형성되었다.
도 7은 본 발명에 따라 증착된 주철의 브레이크 디스크를 도시한 것으로, 하나의 레이저 클래딩 코팅이 다중 실행 중 한 번의 실행에서 단층으로 증착되었으며, 여기서 전처리 및 후처리는 코팅 증착 이전에 수행되었다. 도 7a는 코팅된 기판 표면을 나타내며, 계면에서 흑연 라멜라의 감소가 관찰될 수 있다. 도 7b는 코팅 공정 중에 코팅될 수 없었지만 후처리 동안 개질된 기판 표면을 나타내며, 3개의 상이한 층이 형성되었다: 1개의 산화물 층, 1개의 백색 층 및 1개의 확산 층. 이들 3개의 층은 환기 채널과 같이 코팅되지 않은 영역을 보호하기 위해 후-공정에서 주철의 코팅되지 않은 기판 표면에 형성되었다.
도 2는 용사 코팅된 주철 브레이크 디스크를 보여준다. 공정 효율이 50% 미만이고 코팅 시스템이 복잡하다. 레이저 클래딩과 달리 용사 공정에서는 야금 결합이 없기 때문에 코팅과 기판 사이에 허용 가능한 접착력을 얻으려면 거친 표면 활성화가 필요하다. 레이저 클래딩은 용사에 비해 두 가지 주요 이점이 있다. 1. 공정 효율성이 레이저 클래딩에서 90% 이상 높다. 2. 레이저 클래딩에서 코팅과 기판 사이의 금속 결합은 코팅과 주철의 충분한 결합 강도를 보장한다.
도 3은 예비-처리 및 후-처리하지 않은, EHLA 공정을 사용하여 단층으로 증착된 단일 레이저 클래딩 코팅이 있는 주철 브레이크 디스크를 보여준다. 도 3a는 후속 공정을 거치지 않은, 코팅 증착 직후 코팅이 있는 기판 표면을 나타낸다. 도 3b는 도 3a에 도시된 것과 동일한 코팅된 기판으로, 연삭된 기판을 보여준다. 도 3c는 EHLA 공정을 사용하여 단층으로 증착된 하나의 레이저 클래딩 코팅을 갖는 본 발명에 따라 코팅된 주철로 코팅된 브레이크 디스크를 나타내며, 코팅 생성을 위해 전용 재료로 Metco® 브레이크 분말이 사용되었다. 도 3d는 도 3c에 도시된 코팅 사진의 확대를 나타내며, 코팅 조직에서 매우 균일한 경질상 분포가 관찰될 수 있다.
도 4는 예비-처리 및 후처리 되지 않은, 다수의 실행으로 증착된 하나의 레이저 클래딩 코팅을 구비하는 본 발명에 따라 코팅된 주철 브레이크 디스크를 도시한다.
도 5는 예비-처리된, 다수의 작업에서 증착된 하나의 레이저 클래딩 코팅을 구비하는 본 발명에 따라 코팅된 주철 브레이크 디스크를 도시한다. 예비-처리에 의한 흑연 라멜라 감소로 계면(interface) 품질이 크게 향상 되었다.
도 6은 본 발명에 따라 증착된 주철 브레이크 디스크를 도시한 것으로, 하나의 레이저 클래딩 코팅이 한 번에 단층으로 증착되었으며 코팅 증착 후에 후처리가 수행되었다. 도 6a는 코팅되고 후처리된 기판 표면을 나타낸다. 도 6b는 코팅 공정 중에 코팅될 수 없지만, 후처리 동안 개질된 기판 표면을 나타내는데, 하나의 산화물 층, 하나의 백색 층 및 하나의 확산 층의 3개의 상이한 층이 형성되었다. 이들 3개의 층은 환기 채널과 같이 코팅되지 않은 영역을 보호하기 위해 후-공정에서 주철의 코팅되지 않은 기판 표면에 형성되었다.
도 7은 본 발명에 따라 증착된 주철의 브레이크 디스크를 도시한 것으로, 하나의 레이저 클래딩 코팅이 다중 실행 중 한 번의 실행에서 단층으로 증착되었으며, 여기서 전처리 및 후처리는 코팅 증착 이전에 수행되었다. 도 7a는 코팅된 기판 표면을 나타내며, 계면에서 흑연 라멜라의 감소가 관찰될 수 있다. 도 7b는 코팅 공정 중에 코팅될 수 없었지만 후처리 동안 개질된 기판 표면을 나타내며, 3개의 상이한 층이 형성되었다: 1개의 산화물 층, 1개의 백색 층 및 1개의 확산 층. 이들 3개의 층은 환기 채널과 같이 코팅되지 않은 영역을 보호하기 위해 후-공정에서 주철의 코팅되지 않은 기판 표면에 형성되었다.
주철 브레이크 디스크는 본 발명에 따른 방법으로 증착되었다.
일부 본 발명의 실시예에서, 주철 브레이크 디스크는 총 코팅 층 두께가 150 내지 500 ㎛ 범위인 단층 레이저 클래딩 코팅으로 코팅되었고, ASTM E2109-01에 따른 다공도는 ≤0.5%이고, 평균 미소경도는 약 350 Hv이고, 발명 범위의 공정 매개변수로 EHLA 공정을 사용한 증착 효율은 ≥90%였으며, 마모 수명(AK 마스터)이 증가하여 코팅되지 않은 회주철 브레이크 디스크보다 10배 이상 높은 마모 수명을 달성했고, 내부식성(ASTM B117)은 ≥ 1000시간이었다. 이들 예 중 일부에서는 전용 재료로 Metco® 브레이크 분말을 사용하였다.
Claims (14)
- 기판 표면, 바람직하게는 브레이크 디스크의 표면 상에 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템을 생성하는 방법으로서, 상기 기판 또는 적어도 기판의 상기 표면은 철계 재료 또는 강 재료 유형의 기판 재료로 제조되고, 상기 코팅 시스템은 하나 이상의 코팅층을 포함하며, 상기 방법은,
(1) 코팅 시스템으로 코팅될 표면을 갖는 기판을 제공하는 단계,
(2) 코팅 시스템의 하나 이상의 코팅 층을 생성하기 위한 전용 재료를 선택하는 단계,
(3) 레이저 클래딩 공정을 사용하여 코팅 시스템의 하나 이상의 코팅 층을 코팅될 기판 표면에 생성하는 단계로, 단계 (2)에서 선택된 전용 재료가 코팅 층 생성을 위한 소스 재료로 사용되는, 코팅 층 생성 단계를 포함하는 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법에 있어서,
단계 (3)을 수행하기 위해, 레이저 빔은 레이저 빔과 코팅될 기판 표면 사이의 각도가 형성되는 방식으로 코팅될 기판 표면에 대해 위치되고, 코팅 각도라고 하는 이 각도는 하나 이상의 코팅 층을 생산하는 동안 10° 내지 30° 사이의 값을 유지하는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법. - 제1항에 있어서, 기판 재료가 주철 재료인 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 기판이 브레이크 디스크인 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (3)에서, 10 ㎾ 내지 30 ㎾, 바람직하게는 10 ㎾ 내지 25 ㎾ 사이의 높은 레이저 파워 레벨을 구현함으로써 레이저 클래딩 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (3)에서, 100 m/분 내지 200 m/분 사이의 빠른 공정 속도를 사용하여 레이저 클래딩 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (3)에서, 500 ㎠/분 내지 1200 ㎠/분 사이의 고속 적층 속도를 사용하여 레이저 클래딩 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (3)을 수행하기 전에, 기판 재료의 용접성을 증대시키기 위해 기판에서 흑연 특히 흑연 라멜라가 감소되거나 제거되는 단계를 포함하는 예비-처리 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제7항에 있어서, 예비-처리 공정은, 펄스형 유체 제트 공정 바람직하게는 워터 제트 공정 사용에 의한 기판 재료의 표면 활성화를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅 시스템은 레이저 클래딩에 의해 생성되는 단 하나의 코팅 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅 시스템은 레이저 클래딩에 의해 생성되는 둘 이상의 코팅 층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제9항에 있어서, 코팅 시스템은 레이저 클래딩에 의해 생성되는 단 하나의 코팅 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제10항에 있어서, 코팅 시스템은 레이저 클래딩에 의해 생성되는 둘 이상의 코팅 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (3)을 수행한 후에, 기판의 코팅되지 않은 표면을 보호하기 위해 연질화 공정에 의해 확산 층이 생성되는 단계를 포함하는 후-처리 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (3)을 수행한 후에, 기판의 코팅되지 않은 표면의 내마모성 및 내부식성을 개선하기 위해 연질화 공정 및 산화 공정을 포함하는 후-처리 공정이 수행되는 것을 특징으로 하는, 내마모성 및 내부식성 코팅 시스템 생성 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202063047429P | 2020-07-02 | 2020-07-02 | |
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