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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.26 No.5 pp.421-431
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2019.26.5.421

Effect of High Frequency Heat Treatment on the Microstructure and Wear Properties of Ni based Self Fluxing Composite Coating Layer Manufactured by HVOF Spray Process

Dong-Yeol Wia, Gi-Su Hama, Sun-Hong Parkb, Kee-Ahn Leea,*
aDepartment of Materials Science & Engineering, Inha University, Incheon 22212, Republic of Korea
bResearch Institute of Industrial Science & Technology, Pohang 37673, Republic of Korea
-

위동열·함기수: 학생, 박순홍: 책임연구원, 이기안: 교수


Corresponding Author: Kee-Ahn Lee, TEL: +82-32-860-7532, FAX: +82-32-862-5546, E-mail: keeahn@inha.ac.kr
October 13, 2019 October 22, 2019 October 22, 2019

Abstract


In this study, the formation, microstructure, and wear properties of Colmonoy 88 (Ni-17W-15Cr-3B-4Si wt.%) + Stellite 1 (Co-32Cr-17W wt.%) coating layers fabricated by high-velocity oxygen fuel (HVOF) spraying are investigated. Colmonoy 88 and Stellite 1 powders were mixed at a ratio of 1:0 and 5:5 vol.%. HVOF sprayed selffluxing composite coating layers were fabricated using the mixed powder feedstocks. The microstructures and wear properties of the composite coating layers are controlled via a high-frequency heat treatment. The two coating layers are composed of γ-Ni, Ni3B, W2B, and Cr23C6 phases. Co peaks are detected after the addition of Stellite 1 powder. Moreover, the WCrB2 hard phase is detected in all coating layers after the high-frequency heat treatment. Porosities were changed from 0.44% (Colmonoy 88) to 3.89% (Colmonoy 88 + ST#1) as the content of Stellite 1 powder increased. And porosity is denoted as 0.3% or less by inducing high-frequency heat treatment. The wear results confirm that the wear property significantly improves after the high-frequency heat treatment, because of the presence of wellcontrolled defects in the coating layers. The wear surfaces of the coated layers are observed and a wear mechanism for the Ni-based self-fluxing composite coating layers is proposed.



High Velocity Oxygen Fuel 공정으로 제조된 Ni 계 자용성 복합 코팅 소재의 미세조직과 마모 특성에 미치는 고주파 열처리의 영향

위 동열a, 함 기수a, 박 순홍b, 이 기안a,*
a인하대학교 신소재공학과
b포항산업과학연구원

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    1. 서 론

    Ni계 자용성 합금들은 flux 원소인 boron, silicon 성분이 첨가된 Ni 또는 Ni-Si계 합금으로 낮은 융점과 융점 근처 의 온도에서 높은 유동성을 가지고 있다. Ni 계 자용성 합 금(Ni based self-fluxing alloy, SFA) 중 대표적인 colmonoy 88(Ni-W-Cr-B-Si) 합금은 Ni-Cr-B 기지(matrix) 내부에 미 세한 여러 강화 상(multiple hard phase)들이 균일하게 분 포되어 있는 소재이다. 여기서 강화상들(boride 및 carbide) 은 제조 공정 중에 기지 내에 생성되는 것으로 알려져 있 다. 이러한 복합 상들의 강화 효과로 인하여 상기 합금은 상온 및 고온 환경에서 우수한 마모 저항성을 나타낸다고 보고되었다[1, 2]. Colmonoy 88 합금은 주로 다양한 환경 에서 마모 특성이 요구되는 보일러 튜브, 와이어 드로윙 캡스턴(wire drawing capstans), 화력 발전 산업에 사용되 고 있다[3]. 최근에는 용융 도금탕 내부의 롤(roll)에 colmonoy 88 합금의 적용이 검토되고 있으나, 그 자체로 는 용융 도금 시 아연의 침식에 취약하다는 단점을 가지 고 있다. 현재 용융 아연 도금탕의 롤에는 주로 아연 부식 특성이 뛰어난 Co 계 hard facing 합금(stellite 1 HFA)이 사용되고 있으나, 이 Co 계 합금의 낮은 내마모 특성 또 한 추가적인 문제점으로 지적되고 있다.

    Colmonoy 88 및 stellite 1 합금들은 모재의 내충격성, 내식성, 내마모성과 같은 특성 향상을 위해 주로 금속 표 면에 코팅하여 사용된다. 합금들의 표면 코팅 방법으로는 브레이징(brazing), 플라즈마 아크 용접(plasma transferred arc welding)및 용사 코팅(thermal spray) 공정들이 제시되 고 있으며[4-8], 그 중에서도 주로 용사 코팅 공정이 가장 많이 사용되고 있다. 용사 코팅 공정(thermal spray process) 은 열원(oxygen + fuel, plasma, electric arc)의 종류에 따라 화염 용사(flame spray), 플라즈마 용사(plasma spray), 아 크 용사(arc spray), 고속 화염 용사(high velocity oxygen fuel, HVOF) 등의 공정으로 분류될 수 있다. 이 중에서도 고속 화염 용사(HVOF spray) 공정은 타 용사 코팅 공정 과 비교하였을 때 모재와 코팅층 간의 접합 강도가 높고, 빠른 입자 속도를 이용하기 때문에 치밀하고 균질한 코팅 층의 제조가 가능하다는 장점이 있다[9-12]. 고속 화염 용 사 공정은 입자의 속도와 온도, 가스 유동 양, 분말 공급 량 등의 공정 변수를 통하여 제어된다[13]. 그러나 그동안 의 기술적 진보에도 불구하고 여전히 코팅층 내부에는 입 자의 미용융 또는 부분 용융, 기공(pore)과 같은 내부 결 함 등이 존재하는 실정이다. 또한 적층 과정에서 형성되는 lamellar 구조로 인한 미세조직학적 불균일성과 이방성도 나타날 수 있다. 이러한 결함들은 모재와 코팅층 또는 lamellar 층간의 접합(adhesion) 강도를 낮추어 경도 및 내 마모 특성을 저하시킬 수 있다[14, 15]. 따라서 용사 코팅 소재의 내부 결함 및 미세조직의 제어를 위한 후처리가 중요하게 부각되고 있다.

    용사 코팅 소재의 내부 결함 제어 방법은 일반적으로 표 면 개질 열처리 방법이 사용된다[16]. 용사 코팅 소재의 열처리 방법으로는 화염(flame), 플라즈마(plasma), 레이저 (laser), 전자빔(electron beam), 진공 분위기 열처리(vacuum furnace heating) 등이 있으며, 이를 통해 모재와 코팅층 간 의 조직학적 결합(metallurgical bond)의 향상 및 내부 결 함 제거에 기여할 수 있다[17, 18]. 그러나 현재까지 보고 된 고속 화염 용사 공정으로 제조된 colmonoy 88 코팅 소 재와 관련된 연구는 마모 특성 제어 및 마모 특성 향상을 위해 tungsten carbide(WC), molybdenum(Mo), zirconia (ZrO2) 분말 첨가 연구가 대부분이었다[19-22]. 추가적으 로 열처리 전, 후의 특성(경도, 마모, 부식 특성)은 일부 보 고되고 있음[23, 24]에도 불구하고, 열처리의 영향 및 코 팅 소재의 미세 조직과 기계적 특성을 연계한 해석은 부 족한 실정이다.

    본 연구에서는 Ni 기지 자용성 합금에 우수한 아연 침 식 저항성을 가진 stellite 1 합금(Co-32Cr-13W, wt.%) 분 말을 혼합하여 새롭게 HVOF 복합 코팅층의 제조를 시도 하였다. 제조된 복합 자용성 코팅 소재의 미세조직 및 기 계적 특성(경도, 마모)에 미치는 후 고주파 열처리의 영향 을 조사하였으며, 이 결과들을 바탕으로 용사 코팅 소재의 물성 향상 방안을 토의하였다.

    2. 실험 방법

    자용성 복합 코팅 소재를 제조하기위해 colmonoy 88 분 말과 colmonoy 88(Ni-17W-15Cr-3B-4Si, wt.%) 분말에 stellite 1(Co-32Cr-12W-2C, wt.%) 분말을 (Praxair 사 제공) 50 vol.%를 혼합한 복합 분말 feedstock을 준비하였으며, 사용된 분말의 표면 및 단면 관찰 사진을 Fig. 1에 나타냈 다. Colmonoy 88 분말과 stellite 1(ST#1) 분말의 형상은 구상(spherical)인 것으로 관찰되었다. 분말 입자(powder particle) 크기의 경우 colmonoy 88 분말은 27.6~48.2 μm 의 입도(particle size) 분포를 가진 평균 37.2 μm로 확인되 었으며, stellite 1 분말은 16.9~35.1 μm의 입도 분포를 가 지고 평균 26.9 μm인 것으로 측정되었다. 사전 실험을 통 하여 여러 공정 변수를 제어하였고 그 결과를 바탕으로 최적의 공정 조건을 도출하였다. 본 연구에서 사용한 용사 코팅 공정 조건은 Table 1과 같다. 이때 모재는 AISI 316L 였고 HVOF 공정 장비는 JP-8000을 사용하였다. 고속 화염 용사 공정으로 제조된 자용성 복합 코팅층들 (Colmonoy 88, colmonoy88 + ST#1)의 초기 시편 관찰 사진을 Fig. 2 에 나타냈다. 고속 화염 용사 코팅된 자용성 복합 코팅층 들은 가로 50 mm, 세로 50 mm의 넓이로 얻어졌다. 코팅 층의 표면 열처리를 위해 고주파 열처리를 수행하였다. 고 주파 열처리 조건은 이송 속도 : 10 mm/sec, 가열 속도 20°C/sec., 2 회(pass)로 설정하였다. 고주파 열처리 시 코 팅 소재의 표면 온도는 850°C로 측정되었으며, 열처리 후 에는 공랭(air cooling) 하였다.

    고속 화염 용사 공정으로 제조된 colomony 88 와 colomonoy 88 + ST#1 코팅 소재들의 화학 조성을 확인하 기 위해 XRF(X-ray Fluorescence, ZSX Primus II) 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Table 2에 나타냈다. Colomony 88 코팅 소재의 조성은 Ni 기반에 Cr : 17.84 wt.%, W : 17.36 wt.%, Fe : 4.02 wt.%, Si : 3.04 wt.%로 확인되었으 며, colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재는 Ni : 28.36 wt.%, Co : 26.22 wt.%,Cr 25.61 wt.%, W : 14.66 wt.%, Si : 2.01 wt.%로 구성되어 있었다. 즉 stellite 1이 첨가됨에 따 라 Ni, W, Fe, Si의 함량은 감소하고 Co, Cr의 함량이 증 가(stellite 1 조성에 기인하여)하였다. 코팅 소재의 미세조 직 관찰을 위해 소재의 단면을 SiC paper(#100~#2000)를 사용하여 기계적 연마를 실시하였고 최종적으로 다시 1 μm 수준의 경면 연마(mirror polishing)을 수행하였다. 코 팅소재의 기공도는 광학 현미경을 사용하여 얻은 단면 이 미지(100개 이상의)를 image analyzer를 통해 분석하였다. 코팅 소재의 미세조직 및 상 분석은 OM(optical microscope), FE-SEM/EDS(field emission SEM, MYRA 3XMH), X-ray 회절 분석(XRD, Ultima IV, Cu Kα, scan step size : 0.05°, scan rate : 2°/min), EPMA (electron probe micro analyzer, EPMA-1600)를 사용하여 수행하였다. 코팅 소재 의 경도는 Vickers hardness tester(AVK-C100)를 이용하였 다. 이 때 측정 조건은 1 kgf의 하중으로 총 12회 측정한 후 최대, 최소 값을 제외한 평균 값을 사용하였다. 마모 시 험은 RB 102PD 장비를 사용하여 핀 온 디스크(pin on disc) 방식으로 수행하였다. 이 때 마모 시험 조건은 하중 : 20 kgf, 속도 : 0.1 m/s, 시간 : 1 hr로 설정하였으며, 상대 마모재(핀)는 silicon nitride(Si3N4)를 사용하였다. 마모 시 험 후 마모 특성에 미치는 미세조직의 영향을 조사하기 위해 FE-SEM을 이용하여 마모면 관찰을 수행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 HVOF Ni계 자용성 복합 코팅 소재의 미세조직

    Fig. 3은 HVOF spray 공정으로 제조된 colmonoy 88, colmonoy + ST#1 두 코팅 소재들의 단면 미세조직 관찰 결과이다. 제조된 자용성 복합 코팅층들의 두께는 약 2 mm 로 측정되었다. Stellite 1 분말이 첨가됨에 따라 코팅층 단 면 관찰에서 밝은 영역이 증가하는 것으로 확인되었다.

    제조된 코팅 소재들의 stellite 1 분말 혼합 및 고주파 열 처리에 따른 기공도의 변화를 Fig. 4에 나타냈다. 초기 assprayed colmonoy 88 코팅 소재의 기공도는 0.44%로 측정 되었으며, stellite 1 분말이 첨가됨에 따라 기공도가 3.89% 로 크게 증가하였다. Colmonoy 88과 같은 Ni 계 자용성 합금은 자용 원소(self flux atom)인 B와 Si이 소재의 녹는 점(melting point)을 낮추고, 유동성을 향상시켜 코팅층 내 부 결함 감소를 유도하여 치밀한 미세조직을 얻을 수 있 다고 알려져 있다[25-27]. 하지만 stellite 1의 녹는점은 1345°C로 colmonoy 88 합금의 녹는점(1180°C)보다 높고 자용성 원소들(B와 Si)의 함량이 낮다. 따라서 stellite 1 분 말은 colmonoy 88 분말에 비하여 코팅 공정으로 제조하 였을 경우 내부 결함이 더 쉽게 발생할 수 있을 것으로 사 료된다. 한편 고주파 열처리를 수행함에 따라 colmonoy 88 및 colmonoy + ST#1 두 코팅 소재들 모두 기공도 (porosity)가 현저히 감소하였다(colmonoy 88 : 0.03%, colmonoy 88 + ST#1 : 0.05%). 특히 stellite 1 합금이 첨가 된 복합 코팅 소재의 경우 고주파 열처리를 수행함에 따 라 초기 as spray 소재보다 기공도가 약 3.84% 정도 감소 하였다.

    고속 화염 용사 공정으로 제조된 colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1 두 종의 코팅 소재들의 고주파 열처 리 전, 후의 XRD 상 분석 결과를 Fig. 5에 나타냈다. Assprayed colmonoy 88 코팅 소재는 γ-Ni 기지 상(matrix phase)과 tungsten boride(W2B), nickel boride(Ni3B), chromium carbide(Cr23C6) 상들이 검출되었다. Stellite 1 분 말이 첨가되면서 γ-Co 상의 피크들이 추가로 나타났다. 고 주파 열처리를 수행한 소재들(colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1)의 경우 전체적으로는 as-spray 코팅 소재들과 유사한 상으로 구성되어 있었으나 추가적으로 bimetallic hard phase인 WCrB2 상이 생성된 것을 확인할 수 있었다.

    Colmonoy 88 코팅 소재와 colmonoy 88 + ST#1 복합 코 팅 소재의 as sprayed 및 고주파 열처리 후의 단면 미세조 직들을 각각 Fig. 6와 Fig. 7에 도시하였다. 먼저, assprayed colmonoy 88 코팅층은 내부에 5~10 μm 크기의 미세한 밝은 상(bright phase)들이 합금 전반에 걸쳐 고르 게 분포하는 것으로 관찰되었으며, 이 상들은 W계 boride (W2B) 상으로 분석되었다. 그리고 코팅층은 일부 녹지 않 은(un-melted) 분말 입자들이 존재하며 주로 라멜라 구조 (lamellar structure)로 구성되어 있는 것을 확인하였다. Assprayed colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재는 stellite 1 이 첨가되면서 colmonoy 88 분말과 서로 분리되어 나타 났으며, 이에 내부 결함은 as-sprayed colmonoy 88 소재보 다 증가한 것으로 사료된다. As-sprayed colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재에 있는 대부분의 결함들은 일부 녹 지 않은 분말 및 분말 입자 계면에서 주로 관찰되었다. 이 러한 분말 계면에서의 결함은 분말과 분말간의 낮은 결합 력을 가지게 될 것을 의미하며, 응력 집중(stress concentration) 부위로 작용하여 코팅층의 탈락 및 기계적 특성의 감소를 야기할 수 있다. 고주파 열처리(H. F. heat treatment) 를 수행한 colmonoy 88 코팅 소재에서는 W2B 상의 크기가 약 1 μm의 수준으로 관찰되었으며, as sprayed 소 재와는 다르게 코팅층 전반에 걸쳐 미세하고 고르게 분포 하였다. 고주파 열처리를 수행한 colmonoy 88 + ST#1 복 합 코팅 소재에서는 as-spray 소재와 유사하게 colmonoy 88 합금과 stellite 1 분말들이 여전히 서로 분리되어 나타 났다. 또한 W2B 상들은 고주파 열처리를 수행한 colmonoy 88 소재와 유사한 약 1 μm의 크기를 가졌다. 주목해야할 것은 고주파 열처리된 colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소 재의 경우 as sprayed colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소 재에서 관찰된 미용융 분말 입자 및 splated 분말 계면에 서 확인된 결함들이 거의 나타나지 않았다는 점이다.

    Fig. 8은 고주파 열처리된 colmonoy 88 + ST#1 복합 코 팅 소재의 단면 EPMA 분석 결과이다. 여기에서 colmonoy 88(Ni-W-Cr-B-Si) 입자와 stellite 1(Co-Cr-W) 입자의 분리 에 따라 합금 원소가 각 분말별로 구분되어 있는 것을 다 시 한번 확인할 수 있었다. 즉 고주파 열처리를 수행하였 음에도 불구하고 복합 코팅 소재의 경우 colmonoy 88 분 말과 stellite 1 분말 상호 간의 각 원소별 확산(diffusion) 은 크게 일어나지 않은 것으로 나타났다.

    3.2 HVOF Ni계 자용성 복합 코팅 소재의 경도 특성

    As-spray 및 고주파 열처리를 수행한 colmonoy 88, colmonoy 88 + ST#1 코팅 소재들의 경도 측정 결과를 Fig. 9에 나타냈다. As-sprayed colmonoy 88 코팅 소재의 경도 는 625.4(±45.6) Hv, As-sprayed colmonoy 88 + ST#1 코팅 소재는 540.5(±68.1) Hv 로 얻어져, stellite 1 합금 분말이 첨가되면서 경도 값이 감소한 것을 알 수 있었다. 일반적 으로 stellite 1 합금만의 경도 값은 550~720 Hv 정도로 보 고되고 있고 colmonoy 88 합금의 경도 값인 681~799 Hv 보다 낮다고 알려져 있다 (Praxair 제공). 즉 stellite 1 분말 이 첨가된 복합 코팅 소재의 경도 감소는 자연스러운 것 으로 판단된다. 한편 Fig. 4의 코팅 소재 단면 관찰 결과 에서 확인된 것과 관련하여 stellite 1 합금 분말이 첨가된 복합 코팅 소재의 경우 내부 결함이 추가로 형성되었으며 이는 경도 특성을 낮추는 추가 요인이 될 수 있을 것으로 사료된다. 한편 고주파 열처리를 수행한 경우 colmonoy 88 코팅 소재의 경도는 990.9(±12.1) Hv로 측정되었으며, 이는 기존에 일반적으로 사용되고 있는 표면 개질 열처리 공정인 화염 열처리된 colmonoy 88 코팅 소재(914 HV)보 다 더 우수한 경도 특성에 해당한다[22]. H. F. heat treated colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재의 경도 특성은 678.7 (±11.9) HV로 얻어져 as-sprayed 복합 코팅 소재보다 약 1.3배 높은 경도 값을 나타냈다. 상기 H.F. heat treated 코 팅 소재들의 향상된 경도 특성은 결함의 감소와 함께 W2B phase의 미세화와 고른 분포에 기인하는 것으로 이 해될 수 있다.

    Fig. 10은 고주파 열처리 전, 후 두 코팅 소재들의 압흔 을 관찰한 결과이다. As-sprayed colmonoy 88 코팅 소재 는 경도 시험 후 압흔 주변에서 미세 균열(crack)이 형성 되었다. Stellite 1 합금 분말이 첨가된 복합 코팅 소재(고 주파 열처리 전)의 경우는 미세 균열이 더욱 쉽게 형성되 는 것으로 나타났다. 그러나 H. F. heat treated colmonoy 88 코팅 소재와 H. F. heat treated colmonoy 88 + ST#1 복 합 코팅 소재는 경도 시험 후 as spray 소재보다 압흔 주 의의 결함 생성이 현저히 감소한 것을 알 수 있었다. 이러 한 결과를 바탕으로 고속 화염 용사 자용성 코팅 소재들 에 고주파 열처리를 수행함에 따라 입자 계면(particle boundary)에 존재하는 미세 결함이 감소하고 분말과 분말 간 결합 강도가 향상됨을 유추할 수 있었다.

    3.3 HVOF Ni계 자용성 복합 코팅 소재의 마모 특성

    Colmonoy 88 코팅 소재의 분말 혼합 및 고주파 열처리 에 따른 마모 특성을 알아보기 위해 핀 온 디스크(pin on disc) 마모 시험을 수행하였다. Fig. 11 (a) 는 고속 화염 용 사 공정으로 제조된 colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1 코팅 소재들(as-sprayed)과 고주파 열처리를 수행한 두 소 재들의 마찰 계수(friction coefficient)를 비교한 결과이다. 4종의 코팅 소재들 모두 초기 마모 구간(running-in 구간) 에서 마찰 계수가 점차 증가하다가 이후 정상 상태(steady state)에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 각 소재들의 평 균 마찰 계수는 as-sprayed colmonoy 88 : 0.448, as-sprayed colmonoy 88 + ST#1 : 0.472, H.F. heat treated colmonoy 88 : 0.373, H.F. heat treated colmonoy 88 + ST#1 : 0.381로 분석되었다. 즉 as sprayed 소재들이 고주파 열처리 소재 들보다 높은 마찰 계수(friction coefficient)를 보이고, stellite 1이 첨가된 복합 코팅 소재들이 첨가되지 않은 소 재들보다 미세하게 높은 마찰 계수를 나타내는 것으로 확 인되었다. As sprayed 상태에서 무게 감소량(weight loss) 는 colmonoy 88 : 17.8 mg, colmonoy 88+ST#1 : 21.0 mg 으로 측정되었다. 고주파 열처리를 수행함에 따라 무게 감 소량은 colmonoy : 6.1 mg, colmonoy 88+ST#1 : 8.5 mg으 로 확인되어 고주파 열처리를 수행함에 따라 무게 감소량 이 각각 2.9배(colmonoy 88), 2.4배(colmonoy 88 + ST#1) 낮아지는 것을 알 수 있었다. 고주파 열처리 공정을 이용 하여 고속 화염 용사 공정으로 제조된 colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재들의 마모 특성 크게 향상시킬 수 있었다.

    As sprayed colmonoy 88 코팅 소재 및 colmonoy 88 + ST # 1 복합 코팅 소재들의 마모 시험 후 표면들을 관찰 하였다 (Fig. 12). As-sprayed 코팅 소재들의 마모 표면의 경우, 마모 흔의 너비(wear track width)는 각각 colmonoy 88 : 121 mm, colmonoy 88 + ST#1 : 1.54 mm로 측정되어, stellite 1 분말이 첨가됨에 따라 마모 흔의 너비 가 약 21% 넓은 것을 확인할 수 있었다. 마모면을 보다 고배율 로 관찰한 경우, 두 소재에서 연삭 마모(abrasive wear) 거 동과 응착 마모(adhesive wear) 거동들이 관찰되었으며, 응 착 마모면에서는 구상 형태(spherical type, yellow circle) 가 포함된 특징을 확인할 수 있었다. 이러한 구상 형태가 포함된 마모면은 stellite 1 분말이 첨가된 복합 코팅 소재 에서 더 쉽게 관찰되었다. As sprayed 코팅 소재들에서 관 찰되는 이러한 응착 마모면들은 초기 미세조직에서 관찰 된 입자 계면에서 존재하는 결함에 응력이 집중되고 뒤이 어 입자가 탈락되어 나타나는 것으로 판단된다. 즉 분말 계면에서 존재하는 미세 결함이 응착 마모의 매개체 역할 을 함에 따라 구상 형태가 포함된 응착 마모면을 보이는 것으로 생각할 수 있다. 또한 as sprayed colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재의 경우 stellite 1 합금 분말이 첨가 됨에 따라 코팅 소재 내부 결함 증가에 기인하여 as sprayed colmonoy 88 코팅 소재보다 더 낮은 마모 특성을 보이는 것으로 사료된다.

    Fig. 13은 고주파 열처리가 수행된 colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1 코팅 소재들의 마모 표면 관찰 결과 이다. 마모 표면들의 거시적 관찰 결과, 마모 흔의 너비는 colmonoy 88 : 1.64 mm, colmonoy 88 + ST#1 : 1.26 mm 로 측정되었다. 즉 stellite 1 합금 분말이 첨가된 복합 코 팅 소재의 경우, as sprayed 소재와 다르게, 오히려 colmonoy 88 + ST#1 코팅층의 마모 흔의 너비가 colmonoy 88 코팅 소재 보다 약 23% 감소한 것으로 나타났다. H. F. heat treated colmonoy 88 코팅층의 마모면은 as sprayed colmonoy 코팅 소재와는 달리 매우 평평한(flat) 마모면을 보여 연삭 마모가 지배적인 것으로 나타났다. H. F. heat treated colmonoy 88 코팅 소재의 연삭 마모면을 고배율로 관찰을 해 보았을 때, W boride phase(bight)에서 주변 균 열(crack)이나 입자 탈락 현상은 나타나지 않았으나, 일부 영역의 입자 계면에서 초기 미세조직에서 관찰되지 않은 결함이 추가로 확인되었다. 이는 마모 시 유발되는 높은 소성 변형에 의해 입자 계면에 변형이 집중되었기 때문으 로 사료된다. 한편 고주파 열처리를 수행한 colmonoy 88 + ST#1 코팅 소재의 경우 as sprayed 복합 코팅 소재와 유사하게 연삭 마모와 응착 마모 거동들이 동시에 관찰되 었다. 이러한 경향은 고주파 열처리가 수행된 colmonoy 88 코팅 소재와는 다른 것이다. 즉 고주파 열처리를 수행 한 colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재의 응착 마모면에 서도 일부 구상 형태가 포함된 마모면이 관찰되었다. 그러 나 그 정도를 as sprayed 소재와 비교해보았을 때, 구상 형 태가 포함된 응착 마모면의 분율이 약 53.8%(as sprayed) 에서 27.4%(H.F. heat treated)로 현저히 감소하였으며, 마 모 흔의 너비 또한 큰 폭으로 감소한 것으로 확인되었다.

    고주파 열처리를 수행함에 따라 증가하는 내마모(wear resistance) 특성은 입자 계면에 존재하는 미세 결함이 효 과적으로 제어되어, 분말 간의 결합 강도(adhesion strength)가 향상되고 마모 변형 시 응력 집중 영역을 감소 되기 때문으로 해석될 수 있다. 한편 stellite 1이 첨가된 복합 코팅 소재의 경우 고주파 열처리 후에도 두 이종 입 자들간의 확산이 현저히 일어나지 않아, 단일 입자들로만 구성되어 있는 colmonoy 88 코팅 소재와는 다르게, 이종 입자간의 결합 강도가 상대적으로 더 낮아 고주파 열처리 후에도 내마모 특성의 증가가 소폭으로 얻어지는 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 용사 코팅 공정 중 하나인 고속 화염 용 사 공정으로 colmonoy 88(Ni-17W-15Cr-3B-4Si, wt.%) 분 말과 stellite 1(Co-32Cr-13W, wt.%) 분말을 각각 1:0, 5:5 비율로 혼합 한 feedstock을 사용하여 코팅 소재들을 제조 하였고, 제조된 용사 코팅 층에 고주파 열처리를 수행하여 미세조직과 기계적 특성을 조사하여 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    1. 고속 화염 용사 공정을 이용하여 colmonoy 88 코팅 소재와 colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재의 상분석 결 과, colmonoy 코팅 소재에서는 γ-Ni 기지 상과 Cr23C6, W2B, Ni3B 강화 상들이 검출되었으며, colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재에서는 γ-Co 상이 추가로 나타났다. 또한 고주파 열처리를 수행함에 따라 2차 강화상(WCrB2) 이 새롭게 생성되었다. Colmonoy 88 코팅 소재의 단면 관 찰 결과 내부에 10 μm 이하의 강화 상들이 존재하였으며, 일부 미용융 입자에 의한 결함이 관찰되었다. Colmonoy 88 + ST#1 복합 코팅 소재에서는 colmonoy 88 입자와 stellite 1 입자가 서로 구분되어 확인되었고, stellite 1이 첨 가됨에 따라 미용융 입자 분율 및 국부적 라멜라 구조의 분율이 더 높게 나타났다. 하지만 고주파 열처리를 수행함 에 따라 두 코팅 소재들 모두에서 내부 결함이 현저히 감 소하였다.

    2. As sprayed colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1 (5:5) 코팅 소재들의 기공도 및 경도 시험 결과, 기공도의 경우 colmonoy 88 코팅 소재는 0.4%, colmonoy 88 + ST#1은 3.9%로 측정되었다. As spray 코팅 소재들의 경도 측정 결과 colmonoy 88 코팅 소재는 625.4(±45.6) Hv, colmonoy 88+ST#1은 540.5(±68.1) Hv로 얻어졌다. 이러 한 경도 감소의 원인은 stellite 1 첨가량에 따른 내부 결함 의 증가와 상대적으로 colmonoy 88 소재보다 경도가 낮 은 stellite 1 소재의 분율이 증가하였기 때문으로 해석되 었다. 고주파 열처리 후 colmonoy 88 코팅 소재의 경도 값은 990.9(±12.1) Hv, colmonoy 88 + ST#1 코팅 소재는 678.7(±11.9) Hv로 측정되어 두 코팅층 모두 경도 특성이 향상되었다.

    3. Colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1코팅 소재들의 마모 시험 결과, as-spray소재와 고주파 열처리 소재 모두 에서 경도가 낮은 stellite 1 합금이 첨가된 복합 코팅 소재 의 내마모 특성이 낮게 나타났다. 한편 고주파 열처리를 수행한 colmonoy 88 및 colmonoy 88 + ST#1 코팅 소재들 은 as-spray 코팅 소재보다 모두 더 우수한 내마모 특성을 보였다. As-spray 코팅 소재의 경우 코팅 소재의 응착 마 모가 발생한 영역에서 초기 분말 형상을 관찰할 수 있었 다. 고주파 열처리를 수행한 colmonoy 88 코팅 소재의 경 우 응착 마모가 거의 발생하지 않아 매우 평명한 마모면 을 보였다. 고주파 열처리를 수행한 복합 코팅 소재의 경 우에는 여전히 응착 마모가 발생하였으나 as-spray 복합 코팅 소재와 비교했을 때 그 분율이 현저히 감소하였다.

    감사의 글

    본 연구는 산업통상자원부의 “첨단 신소재 기반 3D 프 린팅 전문인력양성 사업”의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Morphologies of (a) colmonoy 88 and (b) colmonoy 88 + ST#1 powder feedstocks.
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    Initial specimens of (a) colmonoy 88 and (b) colmonoy 88 + ST#1 (5:5) coating layers manufactured by HVOF thermal spray process.
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    Cross sectional observation results of colmonoy 88 and colmonoy 88 + ST#1 coating layers fabricated by HVOF spray process.
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    Observation results of porosities for colmonoy 88 and colmonoy 88 + ST#1 coating layers; (a) as sprayed colmonoy 88, (b) as sprayed colmonoy 88 + ST#1, (c) H. F. heat treated colmonoy 88, (d) H. F. heat treated colmonoy 88 + ST#1.
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    X-ray diffraction analysis results of colmonoy 88 and colmonoy 88 + ST#1; (a) as sprayed and (b) H. F. heat treated coating layers.
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    Cross-sectional microstructures of as sprayed coating layers; (a) colmonoy 88 and (b) colmonoy 88 + ST#1.
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    Cross-sectional microstructures of H. F. heat treated coating layers; (a) colmonoy 88 and (b) colmonoy 88 + ST#1.
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    EPMA analysis results of H. F. heat treated colmonoy 88 + ST#1 coating layer.
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    Microhardness measurement results of as sprayed and H. F. heat treated coating layers.
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    Typical Vickers hardness marks on the surface of HVOF sprayed coating layers; (a) as sprayed colmonoy 88, (b) as sprayed colmonoy 88 + ST#1, (c) H. F. heat treated colmonoy 88, and (d) H. F. heat treated colmonoy 88 + ST#1.
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    Pin on disc wear results of HVOF sprayed colmonoy 88 and colmonoy 88 + ST#1 coating layers; (a) friction coefficient and (b) weight loss.
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    Worn out surfaces of as sprayed composite self fluxing coating layers; (a) colmonoy 88 and (b) colmonoy 88 + ST#1.
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    Worn out surfaces of H. F. heat treated self fluxing coating layers; (a) colmonoy 88 and (b) colmonoy 88 + ST#1.

    Table

    Processing parameters of HVOF spray (JP-8000) process used in this study
    Chemical compositions of colmonoy 88 and colmonoy 88 + ST#1 coating layers fabricated by HVOF spray process

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