[Research Paper] 대한금속･재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 4 (2017), pp.227~231DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.4.227

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WC-Co 초고속 화염용사코팅 표면특성에 미치는 분말입자의 크기

조동율1,3,*･윤재홍1･윤상환1･주윤곤1･최원호2･손영복2

1창원국립대학교 신소재공학부2㈜지닉스용사

3한국과학기술정보연구원

The Effects of Particle Size on the Surface Properties of an HVOF Coating of WC-Co

Tong Yul Cho1, 3,*, Jae Hong Yoon1, Sang Hwan Yoon1, Yun Kon Joo1,Won Ho Choi2, and Young Bok Son2

1School of Materials Science and Engineering, Changwon National University, Changwon 51140, Republic of Korea2Xinix Metallizing Co., Ltd, Gyungnam 52006, Republic of Korea

3Korea Institute of Science and Technology Information, Seoul 02456, Republic of Korea

Abstract: The effects of particle size on the surface properties of HVOF spray coating were studied to improve of the durability of metal components. Micro and nano sized WC-12Co powders were coated on the surface of Inconel718, and the effects of particle size on surface properties were studied. Surface hardness was reduced when the particle sizes of the powder were decreased, because the larger specific surface area of the smaller particles caused greater heat absorption and decomposition of the hard WC to less hard W2C and graphite. Porosity was increased by decreasing the particle size, because the larger specific surface area of the smaller particles caused a greater decomposition of WC to W2C and free carbon. The free carbon formed carbon oxide gases which created the porous surface. The friction coefficient was reduced by decreasing the particle size because the larger specific surface area of the smaller particles produced more free carbon free Co and Co oxide which acted as solid lubricants. The friction coefficient increased when the surface temperature was increased from 25 to 500 ℃, due to local cold welding. To improve the durability of metal mechanical components, WC-Co coating with the proper particle size is recommended.

†(Received August 22, 2016; Accepted October 28, 2016)

Keywords: surface properties, powder, HVOF coating

1. 서 론

다양한 기계금속부품의 내구성 향상을 위하여 70년 이상

오랜 기간 경질 크롬도금(electro hard chrome plating, EHC)

을 하여왔다. 그러나 20세기 중반부터 크롬, 특히 6가 크롬이

온(Cr6+)이 폐암을 유발하는 것이 널리 알려지면서 건강과 환

경문제로 유럽, 미국, 등 선진국에서부터 시작하여 크롬도금

금지 및 크롬도금제품의 수출입 규제가 확산되고 있다

[1-10]. 이 때문에 경질 크롬도금의 대체 기술로써 초고속 화

염용사코팅(high velocity oxy-fuel, HVOF) 기술이 활발히 연

구되고 있으며 그 사용 범위가 크게 확대되고 있다 [1-15].

*Corresponding Author: Tong Yul Cho[Tel: +82-055-213-2849, E-mail: tycho@changwon.ac.kr]Copyright ⓒ The Korean Institute of Metals and Materials

주로 경질인 WC-metal 분말의 초고속 화염용사코팅은 내마

모성, 내식성 및 파손 부품의 재생 등에 널리 사용되고 있다.

본 연구에서는 기계금속부품의 내구성 향상을 위하여

WC-Co(mWC-12Co와 nWC-12Co) 분말을 초합금 Inconel

718(In718)기판에 초고속 화염용사코팅 하였다. 본 연구에서

는 WC-Co 분말입자의 크기가 코팅표면특성에 미치는 영향

을 조사하기 위하여 마이크론(micron) 크기와 나노(nano) 크

기의 상용 분말을 In718 표면에 코팅하였다. 이 두 코팅의 표

면특성(경도, 기공도, 마찰계수)에 미치는 WC-Co 분말 크기

의 영향과 마찰계수와 온도와의 관계를 조사하여 비교 한다.

228 대한금속･재료학회지 제55권 제4호 (2017년 4월)

Table 1. Compositions of WC-Co and In718 (wt%).Elmt W C Co Cr Ni Fe Nb, MoPdr 82.6 5.4 12.0

In718 0.08 1.0 18.5 50.6 21.4 7.3Elmt-elements, Pdr-powder,

Fig. 1. SEM micrographs of WC-Co powders (Left) and cross section of coating (right).

Fig. 2. XRD patterns of WC-Co powder and WC-Co coatings.

Fig. 3. SEM micrograph and EDS of WC-Co powder.2. 실험 방법

JK3500 초고속 화염용사코팅 장비를 사용하여 그림 1과

같은 두께 300 µm의 다공성 WC-Co 코팅을 하였다. WC-Co

분말은 표 1과 같이 88 wt% WC와 12 wt% Co의 혼합물로 그

림 1과 같은 깨진 조각 모양을 하고 있다. 경도가 큰 WC조각

이 자용금속 Co 기지(matrix)와 부착(adhesion)을 하고 있다.

분말은 마이크론(-40 µm)과 나노(-1000 nm) 크기의 상용 분

말을 사용하였다. 기판은 In718을 사용하였으며 기판과 코팅

의 부착력 향상을 위하여 기판을 아세톤으로 약 5분간 세척

한 후 60 mesh 산화알루미늄으로 약 1분간 블라스트 세척

(blast-cleaned)을 하였다. 이 때 표면 거칠기는 Ra 3.0-3.5 µm

였다. 용사속도(spray gun speed)는 3 mm/s, 분말운반은 150

– 180 psi(1.0 – 1.3 MPa) Ar 가스로 하였다 [5-11].

다구치(taguchi) 실험계획법에 의하여 3 수준의 4 용사변

수로 9개의 서로 다른 공정으로 코팅을 제조하였다. 용사코

팅은 대기 중에서 공냉 하였다. 이들 4 용사변수의 3수준은:

산소 유속(flow rate)은 30, 34, 38 FMR(12 scfh = 9.44 × 10-5

m3/s). 수소 유속은 53, 57, 61 FMR, 분말 공급 율은 25, 30,

35 g/min. 용사거리는 6, 7, 8 in (2.54 cm)로 하였다.

분말과 코팅의 미세구조, 상과 성분은 그림 1과 그림 2와

같이 주사전자 현미경(Scanning electron microscope, SEM,

JSM-6510, JEOL)과 X선 회절 분석기(X-ray diffraction,

XRD, X’Pert PRO MPD, PAN analytical)와 에너지 분산 X선

분광분석(Energy dispersive spectroicopy, EDS, JAX-860,

JEOL)로 조사하였다. 표면특성 경도, 기공도, 마찰계수와 마

찰계수의 온도 의존성을 조사하였다. 표면경도는 마이크로

비커스 경도기(micro vickers hardness tester, Matsuzawa,

MXT-70)로 하중 200 kgf, dwelling time 10 s에서 측정하였

다. 기공도는 광학현미경으로 표면의 조직사진을 얻고 이를

영상분석기(image analyzer)로 분석하였다. 표면마찰계수는

왕복동 슬라이드 시험기(reciprocating slide tester, UMT-2MT)

로 조사하였다. SUS304 상대재볼(counter sliding ball,

diameter 9.53 mm, Hardness 227 Hv)로 무윤활 상태에서 실

험을 하였다. 왕복 거리 2.3 mm, 슬라이딩 주파수 35 Hz, 슬

라이딩 속도 0.161 m/s, 하중 10 N, 미끄럼 시간은 4분으로 하

였다. 마찰에 대한 표면 온도의 영향을 조사하기 위하여 25

℃와 500 ℃에서 시험을 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. WC-Co 분말의 최적 용사코팅 공정

WC-Co(mWC-Co와 nWC-Co) 분말은 표 1과 같이 경도가

높은(순수 WC 경도 2400 Hv) 88 wt% WC와 12 wt% Co 접

합제로 구성되어있다. 분말은 그림 1과 그림 2에서와 같이 부

서진 조각 모양의 결정성 WC가 부착력이 강한 Co와 혼합 부

착되어 있다. 그림 2에서 WC-Co 코팅은 분말에서 나타난 결

정성 WC와 Co 상에 더하여 W2C와 W의 새로운 결정상이 나

타났다. 그림 3 EDS 분석에 WC-Co의 주성분인 W, C와 Co

외에 소량의 불순물 Si, Cu, Mn 등이 나타났다. 분말은 최고

조동율･윤재홍･윤상환･주윤곤･최원호･손영복 229

Table 2. OCP for surface hardness.Powders O2 H2 Fe R Sp DmWC-Co 38 61 35 7nWC-Co 38 57 25 6

O2 and H2 unit; FMR, Fe R = feed rate (g/min), Sp D = spray distance (in = 2.54 cm).

Table 3. OCP for surface porosity.Powders O2 H2 Fe R Sp DmWC-Co 38 53 30 7nWC-Co 34 53 25 6

O2 and H2 unit; FMR, Fe R = feed rate (g/min), Sp D = spray distance (in = 2.54cm).

Fig. 4. Hardness vs spray parameters of coatings

Table 4. OCP for friction coefficient at 25 and 500 ℃.O2 H2 Fe R Sp D

m-25 ℃ 34 61 35 6m-500 ℃ 34 61 35 6n-25 ℃ 38 57 25 6

O2 and H2 unit; FMR, Fe R = feed rate (g/min), Sp D = spray distance (in = 2.54 cm).

3500 ℃ 화염 속을 약 1000 m/s 속도로 약 0.2 ms 비행(비행

시간은 입자 질량에 따라 차이가 있음)하면서 일부 WC는 분

해되고 Co는 용융되어 접합제 역할을 하였다 [6-21].

WC상태도[22]에 의하면 WC 분해온도 1250 ℃에서부터

2 WC(s) → W2C(s) + C(graphite)의 분해반응이 시작하여 경

도가 작은 W2C(s)와 자유탄소 C(graphite)로 분해한다. 용융

점이 1495 ℃로 낮은 Co는 비행 중 완전이 녹아서 W, WC(s),

W2C(s) 및 In718 기판 표면간에 접합제 역할을 하여 이들 간

에 강한 부착(adhesion)을 하게한다. 2100 ℃ 이상에서

W2C(s) → WC + W로 분해하기 때문에 코팅에서 결정성 W

을 그림 2에서 관찰할 수 있었다(WC-Co 분말에서는 W이 관

찰되지 않았음). WC 분해로 생성된 자유탄소(C)는 화학양론

적으로 초과 공급된 산소(O2)와 반응하여 탄산 가스를 만든

다. 이 가스는 코팅을 탈출하면서 기공을 형성한다.

코팅의 특성은 4개의 코팅 변수(coating parameters): 산소

공급속도, 수소공급속도, 분말공급율 및 용사거리에 크게 영

향을 받는다. 4개의 코팅 변수 각각에 대한 3 수준에 대하여

다구치 실험계획법으로 9개의 공정을 설계하여 약 300 µm

두께의 코팅을 재조하여 그 표면특성을 그림 4, 5 그리고 6에

나타내었다.

3.2. WC-Co 입자크기와 표면경도

용사 중에 용융점이 1495 ℃인 Co는 녹아서 WC, W2C와

W 등의 입자간과 기판과의 접착제 역할을 한다. 그림 2와 같

이 코팅 중에 적은 부분의 WC는 1250 ℃ 이상에서 경도가

낮은 W2C와 C로 분해한다. 이 과정에서 나노 크기의 작은 입

자 nWC-Co는 마이크론(Micron) 크기의 입자 mWC- Co 보

다 화염 속 비행시간은 짧으나 비표면적(specific surface area

= surface area /weight)이 커서 보다 많은 열을 흡수함으로써

WC 분해가 많아져 경도가 감소한다. 즉, 열분해로 인하여 경

도가 큰 WC는 줄고 경도가 작은 W2C는 증가하기 때문이다.

고로 그림 4와 같이 WC 분해가 많은 nWC-Co 코팅의 경도분

포는 850-1220 Hv로 mWC-Co의 경도분포 930-1220 Hv 보

다 낮은 분포를 하고 있다.

표 2 최적 용사코팅 공정(optimal coating process, OCP)에

서 nWC-Co는 mWC-Co에 비하여 수소공급이 약 6% 적어

(61 FMR → 57 FMR) 화염온도가 낮아지고, 용사거리가 약

14% 짧아(7 in → 6 in)WC 분해가 적어지고, 분말 공급량이

약 29% 적어져(35 g/min → 25 g/min) WC 분해량과 탄산가

스 발생량이 감소하므로 기공도가 감소하여 경도가 큰 것으

로 예상된다. 그러나 그 반대의 경도 분포를 갖는다. 이는

nWC-Co는 mWC-Co에 비하여 평균직경이 약 40배 작으므

로 비표면적(cm2/g)이 약 40배 크기 때문에 열 흡수율이 증가

하여 WC 분해가 커진다. 이로 인하여 많은 탄산가스가 생성

되어 기공도가 증가하고 경도가 작은 W2C, W 그리고 Co 산

화물 등이 생성되기 때문으로 사료된다.

3.3. WC-Co 입자크기와 기공도

WC 분해로 코팅에 생성된 탄소는 초과 공급된 산소와 반

응하여 탄산가스를 생성한다. 이 가스가 코팅 밖으로 분출하

230 대한금속･재료학회지 제55권 제4호 (2017년 4월)

Fig. 5. Porosities vs spray parameters of coatings.

Fig. 6. Friction coefficient vs spray parameters of coatings.

Fig. 7. Wear traces of counter sliding balls slid on coating, In718 and EHC at 25(top) and 500 ℃ (bottom).

면서 기공을 만든다. 표 3의 용사공정에서 분말공급율과 용

사거리로 볼 때 nWC-Co의 기공도가 작을 것으로 예상되나

비표면적의 큰 영향 때문에 그 반대로 nWC-Co와 mWC-Co

의 기공도 분포는 각각 2-8.8%와 2-5.5%로 nWC-Co 코팅의

기공도가 컸다(참조: 3.2).

3.4. WC-Co 입자크기와 마찰계수 및 마찰계수와 표면

온도

왕복동 슬라이드 시험기로 25 ℃와 500 ℃에서 측정한

mWC-Co와 nWC-Co 코팅의 마찰계수를 그림 6에 나타냈으

며 최적(최소)마찰계수공정은 표 4에 나타내었다.

그림 6에서 mWC-Co와 nWC-Co 코팅의 마찰계수는 25

℃에서 각각 0.63-0.67과 0.56-0.63이고, 500 ℃에서 각각

0.70-0.79와 0.65-0.76의 분포를 갖는다. 표면코팅 온도 25 ℃와 500 ℃ 모두에서 mWC-Co 마찰계수가 nWC-Co 코팅의

것 보다 크다. 비표면적은 입자 크기에 반비례로 (1/r, r = 입

자 크기) 증가한다. 비표면적이 약 40배 큰 nWC-Co 분말은

mWC-Co 보다 많은 열을 흡수하여 더 많은 WC-Co를 W,

W2C, Co와 C로 분해한다. 이 자유탄소(free carbon)와 Co산

화물; CoO, Co2O3, CoO2 그리고 Co3O 등은 마모 시 고체윤

활의 역할을 하여 마찰계수를 감소시킨다 [8-19,22]와 [본 논

문 3. 2. 와 3. 3.].

코팅표면 온도를 25 ℃에서 500 ℃로 높이면 mWC-Co와

nWC-Co 모두의 마찰계수가 증가한다. Adamson[23]에 의하

면 표면처리(polishing)가 잘 된 두 표면이 접촉 시 두 표면 돌

출부(asperities)의 진 접촉 면적(true contact area)은 그들의

겉보기 면적(apparent area)의 0.01%(10-4) 정도이다. 그러므

로 돌출부에 작용하는 국부압력(local pressure)은 마찰시험

압력 보다 104-105배로 커진다. 이 돌출부에 가해지는 국부압

력(local pressure)으로 두 표면의 돌출부는 국부적 냉간 접합

(local cold-welding)을 하여(돌출부와 원자간 결합(inter-

atomic bond)) 마찰계수를 증가시킨다 [23]. 높은 온도 500

℃에서는 접촉면 사이에서 원자간 확산(diffusion)이 증가하

여 강한 냉간 접합을 한다. 그러므로 밀착마모(adhesive

wear)가 증가하기 때문에 표면 온도 상승으로 마찰계수가 증

가한다.

그림 7에 In718(마모로부터 보호), EHC(전통적인 내마모

코팅)와 코팅의 마모자국을 나타내었다. 25 ℃와 500 ℃ 사이에서 WC-Co 코팅의 마모자국이 현저히 작다. 즉, 코팅의

조동율･윤재홍･윤상환･주윤곤･최원호･손영복 231

내마모성은 EHC 보다 매우 좋다. nWC-Co와 mWD-Co의 마

모자국의 차이는 육안으로 구별되지 않았다. 마모자국의 주

성분은 C, Co 산화물(CoO, Co2O3, CoO2 및 Co3O4)로 고체윤

활제 역할을 한다 [1,3,7,8,22].

4. 결 론

WC-Co 분말입자가 마이크론(micron) 크기(-40 µm)에서 나

노 크기(-1 µm)로 작아질 때 코팅의 특성은 아래와 같은 영향

을 받았다.

1. 표면경도는 약 930-1220 Hv에서 850-1220 Hv로 감소하

였다.

2. 표면 기공도는 약 2.5-5.4%에서 2.3-8.8%로 증가하였다.

3. 표면 마찰계수는 마찰표면 온도 25 ℃-500 ℃ 사이에서

감소하였다.

4. 코팅 표면 온도를 25 ℃에서 500 ℃로 높이면 밀착마모

가 증가하여 mWC-Co와 nWC-Co 코팅의 마찰계수가 모두

증가하였다.

감사의 글

이 논문은 미래창조과학부의 과학진흥기금과 복권사업인

한국과학정보연구원이 수행하는 ReSEAT 프로그램의 지원

으로 수행되었습니다.

본 연구는 2016년도 이공계전문가 기술개발서포터즈 사

업으로 수행되었습니다.

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