2부: 초경합금의 제조 공정
6장: 코팅 및 복합 기술
경질 합금( WCCo )은 우수한 경도(HV1500-2500±30), 우수한 인성(K₁c 8-20 MPa·m¹ / ² ± 0.5), 우수한 압축 강도(>4000 MPa±100 MPa)를 가지고 있어 항공우주, 광업, 에너지 및 심해 엔지니어링 분야에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 극한의 작업 조건, 고온(>1000°C±10°C), 강한 부식(pH<4±0.1), 강한 충격(>10³Hz ± 100 Hz) 은 표면 성능에 대한 높은 요구 조건을 제시하며, 단일 경질 합금으로는 이러한 요구 조건을 완전히 충족하기 어렵습니다.
코팅 및 복합 기술은 표면 개질(코팅 두께 10-200μm ±1μm ) 및 구조 최적화(구배층, 나노 WC <100 nm±5 nm )를 통해 내마모성 (마모율 <0.06 mm³/ N ·m ± 0.01 mm³/ N·m ), 내부식성(부식율 <0.01 mm/년 ± 0.002 mm/년 ) 및 열 피로 저항성(수명 > 10 5배 ± 10 4배 )을 크게 향상시킵니다. 이러한 기술은 초경합금의 수명을 연장할 뿐만 아니라 항공 터빈 블레이드(수명 > 5000시간 ± 500시간), 광산 드릴 비트(> 1500 m ± 100 m) 및 심해 밸브(> 5년 ± 0.5년)와 같이 적용 범위를 확장합니다.
이 장에서는 시멘트 카바이드 코팅 준비 , 코팅 재료, 구배 및 나노구조 초경합금 및 코팅 성능 시험 . 코팅 준비는 열용사 기술(예: HVOF, APS, 폭발 용사)에 중점을 두고, 용사 매개변수 최적화(속도 600-4000 m/s±10 m/s, 온도 2000-15000 °C±100°C)를 통해 고경도 코팅(HV 1200-1500±30)을 달성합니다. 재료 최적화는 WCCo , WCNiCr 및 다상 코팅(예: WCTiCNi)을 포괄하며, 경도와 인성(K₁c 10-15 MPa·m¹ /²±0.5)의 균형을 유지합니다. 구배 및 나노구조는 계면 공학 및 나노결정 강화를 통해 종합적인 성능(강도 >4500 MPa±100 MPa)을 향상시킵니다. 성능 시험은 ASTM G65, ISO 6508 등의 표준에 따라 코팅 신뢰성을 검증합니다. 각 섹션에서는 프로세스 세부 정보, 과학적 메커니즘, 최적화 전략 및 엔지니어링 관행을 결합하여 코팅 및 복합 기술의 핵심 가치를 보여줍니다.
예를 들어, HVOF 분무 WC12Co 코팅(속도 700m/s±10m/s, 두께 100μm±1μm)은 항공 터빈 블레이드가 고온 기류(1000°C±10°C)에서 낮은 마모(<0.05mm³/N·m±0.01mm³/ N·m )를 유지할 수 있게 하며, 사용 수명이 5000시간±500시간 이상입니다. 구배 WCCo (Co 함량 5%-15%±1%)는 1800m±100m의 굴착 깊이에서 광산 드릴 비트의 충격 저항성을 개선합니다. 나노 WC 코팅(입자 <100nm±5nm)은 심해 밸브에 사용되며 5년±0.5년 이상의 내식성을 보입니다. 이 장은 공정 매개변수와 성능 데이터를 통해 5장(성형 및 소결, WC 입자 크기 0.1-10μm±0.01μm, 밀도>99.5%±0.1%)과 원활하게 연결되어 후속 장(응용 및 최적화)의 기초를 마련합니다.
6.1 초경합금 코팅의 제조
시멘트 카바이드 코팅은 열 분무, 물리/화학 기상 증착(PVD/CVD) 또는 레이저 클래딩을 통해 고성능 기판(경도 HV 1500-2500±30, 표면 거칠기 Ra<0.05μm±0.01μm)에 기능성 코팅(두께 10-200μm±1μm, 경도 HV 1200-1500±30)을 증착하는 방식으로 제조됩니다. 이러한 코팅은 내마모성(마모율 <0.06 mm³ / N·m ± 0.01 mm³ / N· m) , 내식성(부식율 <0.01 mm/년 ± 0.002 mm/년) 및 고온 산화 저항성(산화 중량 증가 <0.1 mg/cm² ± 0.02 mg/cm² ) 을 크게 향상시켜 까다로운 작업 조건의 요구 사항을 충족합니다. 열분사 기술은 높은 효율성(증착률 > 90% ± 2%), 유연성(적용 기판 크기 > 100mm ± 1mm), 경제성(비용 < $500/m² ± $50) 덕분에 선호되는 선택이며 항공, 광산, 에너지 분야에서 널리 사용됩니다.
이 섹션에서는 고속 산소 연료 분사(HVOF), 플라즈마 분사(APS), 그리고 폭발 분사의 세 가지 주요 기술을 자세히 살펴보고, 각 기술의 공정 원리, 매개변수 최적화 및 적용 시나리오를 분석합니다. 코팅 품질은 분사 매개변수(속도, 온도, 분사 거리), 분말 특성(입자 크기 10~50μm±1μm, 유동성 12~15초/50g±0.5초), 그리고 기판 전처리(조도 Ra 2~5μm±0.1μm)에 따라 달라집니다. 열유체역학(분사 속도 600~4000m/s±10m/s)과 계면 결합 메커니즘(결합 강도 50~80MPa±5MPa)을 통해 핵심 기술을 규명합니다.
예를 들어, HVOF 용사 WC12Co 코팅(기공률 <1%±0.2%)은 항공 터빈 블레이드에 사용되며, 마모 수명이 5,000시간±500시간 이상입니다. APS 용사 WCNiCr 코팅(두께 150μm±1μm)은 광산 드릴 비트의 수명을 1,500m±100m로 늘립니다. 다음은 공정 세부 사항, 영향 요인 및 엔지니어링 실무 관점에서 고성능 코팅을 제조하기 위한 종합적인 가이드입니다.
6.1.1 고속 산소 연료 분무(HVOF, 코팅 경도 HV 1200-1500)
공정 원리 및 기술 개요
고속 산소 연료 분사(HVOF)는 산소와 연료의 연소를 통해 고온, 고속 제트를 생성하여 초경합금 기판에 분말 재료를 증착시켜 고경도, 내마모성 코팅을 형성하는 고효율 열분사 기술입니다. HVOF의 핵심은 초음속 제트(속도 600-800 m/s±10 m/s)로, 분말 입자 ( WCCo , 입자 크기 10-45μm±1μm)를 부분적으로 용융시키고 고속으로 기판에 충돌시켜 치밀한 코팅(기공률 <1%±0.2%)을 형성합니다.
HVOF는 기존 분무 방식과 비교하여 온도가 더 낮습니다(2000-3000°C±50°C).WC 분해(<0.5%±0.1%)를 효과적으로 방지하며 고성능 초경 코팅 제조에 적합합니다.HVOF 장비에는 분무 건(출력>100kW±10kW), 연소실(압력 5-10bar±0.5bar) 및 라발 노즐 (목 직경 8-12mm±0.1mm)이 포함됩니다.산소(순도>99.5%±0.1%, 유량 800-1200L/min±10L/min)는 연소실 에서 연료(예: 등유, 유량 0.3-0.5L/min±0.01L/min)와 반응하여 높은 엔탈피(>10MJ/kg±0.5MJ/kg)를 방출합니다.
제트는 라발 노즐을 통해 초음속으로 가속되어 분말을 기판(조도 Ra 2-5μm±0.1μm)에 충돌시켜 편평한 스플래시 입자(직경 50-100μm±5μm)를 형성하고, 50-80MPa±5MPa의 접합 강도를 보장합니다. 이 공정을 통해 코팅 경도는 HV 1200-1500±30에 도달하며, 이는 항공, 광산 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.
공정 매개변수 및 증착 메커니즘
HVOF 코팅 형성에는 연소, 입자 가속, 용융 및 증착의 4단계가 포함됩니다.
연소 단계
산소는 연료와 반응하여 고온 제트(3000°C±50°C)를 생성합니다. 이 온도는 WC의 분해 점 (~3500°C±50°C)보다 낮아 탄화물 손실(<0.5%±0.1%)을 줄입니다. 열 엔탈피(>10 MJ/kg±0.5 MJ/kg)는 입자가 완전히 가열되도록 합니다.
입자 가속
분말은 제트(속도 700m/s±10m/s, 체류시간 <1ms±0.1ms)에서 가속되고 , 표면 은 녹고(용융률 70%-90%±2%), 핵심은 고체를 유지하고(<50%±5% 용융), WC 입자(0.5-2μm±0.01μm)가 유지됩니다.
입자 용융 및 충격
반용융 입자는 기판에 충돌하여 평평한 튀김을 형성하고 기계적 맞물림과 미량 확산(깊이 <1μm±0.1μm)으로 인해 높은 접합 강도(>60MPa±5MPa)가 형성됩니다.
코팅 응고
급속 냉각(속도 >10 6K/s±10 5K/s)으로 경도 HV 1400±30의 밀도 높은 코팅(기공률 <1%±0.2%)이 생성됩니다.
제트 동역학은 베르누이 원리(속도 ~√(2ΔP/ρ), ρ~1 kg/m³ ± 0.1 kg/m³ )를 따르고 열전도도는 10⁴W/m² · K±10³W/m² · K입니다. 분무 거리(250mm±5mm)와 산소 유량(1000L/min±10L/min)을 최적화하면 기공률을 <0.8%±0.1%로 줄일 수 있습니다. 예를 들어, HVOF 분무 WC12Co(속도 700m/s±10m/s, 두께 100μm±1μm) 코팅은 경도가 HV 1400±30이고 기공률이 <0.8%±0.1%로 항공 터빈 블레이드의 높은 내마모성 요구 사항을 충족합니다.
영향 요인 분석
코팅 성능은 여러 요인에 의해 영향을 받으며 정밀하게 제어해야 합니다.
분무 속도
700 m/s±10 m/s의 속도에서 조밀한 코팅(기공률 <1%±0.2%)이 형성됩니다. 600 m/s±10 m/s 미만에서는 입자의 운동 에너지가 부족하여 기공률이 >2%±0.5%로 증가합니다. 800 m/s±10 m/s 이상에서는 입자가 깨지고(<5μm±1μm) 경도가 3%±0.5% 감소합니다(HV<1200±30).
분말 입자 크기
10~45μm±1μm는 유동성(12~15초/50g±0.5초)과 용융 속도(>80%±2%)를 보장합니다. 입자 크기가 10μm±1μm 미만이면 휘발성(>5%±1%)이고, 기공률이 1.5%±0.2% 이상이면 용융이 불충분(<60%±2%)하며, 접합 강도가 <40MPa±5MPa로 떨어집니다.
분무 거리
250mm ± 5mm 평형 입자 온도(~2000°C ± 50°C). 분무 거리 < 200mm ± 5mm, 과열(> 3000°C ± 50°C)로 인한 WC 분해(> 1% ± 0.2%); 300mm ± 5mm 초과, 입자 냉각(< 1500°C ± 50°C), 접합 강도 < 50MPa ± 5MPa.
매트릭스 거칠기
Ra 2-5μm±0.1μm는 기계적 맞물림을 향상시킵니다(접착 강도 >60 MPa±5 MPa). 거칠기 <1μm±0.1μm, 접합 강도 <40 MPa±5 MPa; >8μm±0.1μm는 응력 집중을 유도하고 균열률은 >1%±0.2%입니다.
연료 유량
0.4 L/min±0.01 L/min은 안정적인 에너지를 제공합니다(>10 MJ/kg±0.5 MJ/kg). 유속 <0.3 L/min±0.01 L/min, 다공성 >2%±0.5%; >0.5 L/min±0.01 L/min, 산화 속도는 >0.1%±0.02%로 증가합니다.
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