용사(THERMAL SPRAYING)
1. 용사의 개요
용사란 소재 표면에 선 또는 분말형태의 용사재료를 고온의 열원으로 용융시키면서 고속 분사하여 소재에 충돌시켜 피막을 형성하는 새로운 피막제조법이다. 이러한 방법은 내마모성, 내식성, 내산화성 또는 열,전기 절연성이 우수한 피막을 형성시킴으로써 소재의 성능을 개선한다.
1910년대, 저융점 금속의 용사법이 발명된 이후, 이 방법은 장식이나 내식성을 개선하기 위해 사용되었다. 그 후, 화염을 이용한 가스식 용사(gas flame thermal spray), 아크 열원을 이용한 전기식 용사(arc thermal spray)가 실용화되었다. 초기의 용사에는 Zn 등과 같이 주로 내식성이 양호한 연금속 피막이 사용되었으나, 시간의 경과와 함께 경금속피막이 주류를 이루게 되었다. 1950년대는 플라즈마 제트가 개발됨에 따라 그 용사온도가 10,000 K의 플라즈마 용사법(plasma thermal spray)으로 발전되었다. 또한 우주항공산업의 발달로 새로운 내화재료가 폭넓게 이용되기 시작하였고, 폭발용사(detonation thermal spray)같은 새로운 기술이 개발되었다. 1960년대는 용사의 물리적 해석이 연구되었다. 그 후, 1973년에 진공 플라즈마 용사(Vacuum Plasma Spraying, VPS)가 개발되면서 용사기술이 산업전반에 걸쳐 폭 넓게 응용되기 시작하였으며, 1980년 개발된 고속 화염용사(High Velocity Oxy-Fuel Spraying, HVOF)는 혁신적인 개발이었다고 할 수 있다.
2. 용사의 성질
용사가 물리진공증착(Physical Vapor Deposition, PVD), 화학진공증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 도금, 이온 투입법 등과 같은 표면개질 또는 표면 기능화의 기술에 비하여 폭 넓게 이용되고 있는 이유는, 재료의 종류에 구애받지 않고 적용할 수 있어 목적하는 재료를 다양하게 선정할 수 있고, 또 피막 형성 속도가 빠르기 때문에 두꺼운 피막의 제작이 가능하여 기능재료로서 사용할 수 있는 등 여러 가지 장점을 가지고 있기 때문이다.
따라서 이러한 용사의 실험과 이론에 대하여 활발한 연구, 검토가 이루어지게 됨으로써 용사기술이 보다 고도화 되고, 용사제품의 신뢰성도 높아지는 계기가 되었다.
또한 신소재, 기능재료의 개발과 함께 세라믹스를 대상으로 하는 플라즈마 세라믹 용사법이 개발되었다. 이 방법은 내열, 내산화 및 열차폐가 가능하여 항공,우주,자동차 분야에서 화학분야에 이르기까지 폭넓은 영역에 사용되게 되었다.
근년에는 저압 분위기 중에서 할 수 있는 감압 플라즈마 용사법이나, 폭발화염을 이용한 폭발용사, 레이저를 이용한 레이저 용사법 등 신기술의 개발도 급격히 이루어졌다.
3. 용사재료
용사재료는 시공목적과 재질, 조성 및 용사 장치에 따라 손, 봉, 또는 분말을 사용한다. 단일조성 보다는 여러종류의 재료를 조합한 형태의 용사재료를 사용한다. 용사재료는 금속계, 세라믹계 및 서메트계로 크게 구별되며, 그 특징은 다음과 같다.
◈ 금속계 용사재료
재료의 조성은 일반적으로 사용하고 있는 금속의 조성과 동일한 조성이 많다. 그러나 용사중의 재료의 변화를 고려하여 특정성분의 조성을 변화시킨 것을 사용하는 경우도 많다. 금속계 용사재료는 내식, 내열, 내마모성을 개량 및 부여하는 것을 목적으로 하는 것이 많다.
◈ 세라믹계 용사 재료
세라믹계 용사재료는 세라믹스의 우수한 기능을 활용하여 내마모, 내식, 내산화, 열절연, 전기절연 등의 목적으로 사용된다. 세라믹 용사재료는 대부분 분말이지만 일부재료는 봉, 또는 수지튜브에 분말을 봉입한 형태로 이용되고 있다. 세라믹 용사피막을 단열, 열차폐성을 도모하기 위하여 사용하는 경우에는 열전도율이 문제가 된다. 이때는 기공이 있는 피막이 유리하다. 세라믹 재료의 용사에서 문제점은 열팽창계수가 작다는 점이다. 따라서 중간에 적정한 용사층을 입히는 것이 유리하다.
◈ 서메트계 용사재료
고온경도 및 내마모성을 부여하기 위해 사용되는 재료이다. 비산화물계 세라믹스와 내열 합금을 복합한 서메트계 재료를 사용하는 경우에는 모재금속과 세라믹의 고온반응에 유의 하여야한다. 또, 소재합금과의 반응이 없는 온도 영역에서도 분위기 가스와의 반응도 유의하여야 한다. 예를 들면 공기 중 550℃ 이상에서 WC의 산화 반응이다.
◈ 플라스틱계 용사재료
범용 플라스틱 용사재료는 거의 시판되지 않고 있다.
수지 자체의 내열성을 향상시켜 용사재료로 사용하는 것도 주목되고 있지만, 그보다 금속분말을 수지로 감싼 복합재의 개발이 관심을 모으고 있다.
4. 용사분말의 제조 방법
◈ 분무법
주로 금속과 합금 분말의 제조에 사용되며 모식도는 다음과 같다.
◈ 용융 또는 소결법
산화물, 탄화물, 서메트 분말의 제조에 주로 쓰인다. 불규칙한 괴상이므로 유동도가 좋지 않기 때문에 플라즈마 등으로 구상화를 한다.
◈ 분사 - 건조법
금속, 산화물, 탄화물 또는 서메트의 제조에 이용된다.
◈ 클레드법
복합 분말이라고도 불리는 클레드 분말은 내부에 화염의 영향으로부터 보호 되어야할 분말을 피복으로 입힌 분말이다.
예를 들면 Co로 피복된 WC 또는 Ni로 피복된 흑연이 그 예이다.
5. 용사법 종류
◈ 화염용사(Flame Spraying, FS)
화염용사는 산소와 연료가스를 1:1∼1:1.1의 비율로 하며, 화염온도는 3000∼3350K 정도, 화염속도는 80∼100m/s 정도이다. 용사재료는 분말이 아닌 선이나 봉형으로도 공급할 수 있다. 사용재료에 따라서 용선식, 용봉식 및 분말식 화염용사로 나눌 수 있다.
◈ 폭발용사(detonation-gun spraying, D-gun spraying)
폭발용사는 수냉되는 내부직경이 25mm 정도인 긴 관과 작동가스 공급부, 점화장치 및 분말공급부로 되어 있다. 이 방법은 산소와 아세틸렌을 관에 공급하고 분말을 주입한 후, 가스를 폭발 연소시켜 고온·고속의 화염을 만들고, 이것을 열원으로 하여 분말을 용융 시킴과 동시에 용융된 입자를 가속시켜 피복하는 것이다.
용사입자의 비행속도가 빠르기 때문에 치밀하고 결합성이 높은 피막을 얻을 수 있다. 화염의 최고온도는 4500K이고 용융 입자의 비행속도는 750∼900m/sec이며 점화속도는 1∼15cycle/sec이다.
◈ 고속화염용사(high-velocity oxygen fuel spraying, HVOF)
고속화염용사는 연료가스를 산소와 함께 고압에서 연소시켜 고속의 제트를 발생시키는 것이다. 분말은 공급가스로 제트에 주입되고, 작동가스는 연소실에서 연소되어 노즐을 통하여 토치밖으로 분사된다. 화염의 온도는 3170∼3440K이며 분사되는 제트의 속도는 2000m/sec정도이다.
◈ 아크용사(arc spraying)
아크용사는 두 개의 선재를 전극으로 하고, 전극 끝 부분에 아크를 발생시켜 재료를 용융 시킴과 동시에 압축공기 제트로 분사·비행시켜 피막을 형성하는 기술이다.
아크로 재료를 용융시키기 때문에 고능률 용사가 가능하고, 대형소재의 피막형성, 소모소재의 오버레이 용사에 적당하다.
반면에 용사재료는 전도성이 요구되며 아크열에 의하여 재료의 성분이 변화하므로 미리 조성을 조정한 선재를 사용할 필요가 있다.
◈ 대기 플라즈마용사 (Atmospheric Plasma spraying)
Ar, He, N2 등의 가스를 아크로 플라즈마화 하고, 이것을 노즐로부터 배출시켜 초고온, 고속의 플라즈마 제트를 열원으로 하는 피막형성 기술이다. 플라즈마 발생장치는 Cu 로 된 원형의 양극과 W로 된 음극으로 구성되며, 발생장치에서 전기 아크 방전이 작동가스를 플라즈마화 하여 제트를 형성한다.
◈ 진공 플라즈마용사 (Vacuum Plasma spraying)
플라즈마 토치와 전기아크 발생기로 구성되며, 플라즈마 토치는 작동가스가 공급되는 진공노즐로 되어 있다.
분말은 송급구에 의해 진공의 플라즈마 젯트 내로 공급된다.
◈ 분위기 제어 플라즈마용사
불활성 가스 체임버에서 플라즈마 용사하는 방법이다.
따라서 불활성 가스 플라즈마용사라고도 한다.
6. 용사피막의 기능 및 특성
◈ 금속 용사피막
용사피막은 화염용사, 아크, 플라즈마 등의 열원에 의해 용융되고, 압축공기 제트 등에 의해 가속된 미세한 입자가 모재 표면에 부착 및 적층되어 형성된다.
따라서 대기 중 용사에 의해서 형성된 금속피막은 일반적으로 층상의 단면조직을 나타내고, 내부는 기공과 산화물 등을 함유하는 구조를 이루고 있다.
금속용사에는 용사방법과 용사재료를 적당히 선정함으로서 여러 특성을 나타내는 피막을 형성시킬 수 있고, 응용분야도 매우 다양하다.
실제로는 금속 용사피막의 기능은 두 분야로 크게 구별된다.
하나는 이종금속 및 세라믹 피막 등을 강화하기 위한 결합층의 기능이고, 다른 하나는 모재의 내식, 내마모, 내열 및 내고온 산화성 등을 향상하기위한 표면 개질층의 기능이다.
- 내식성 피복
금속용사에 의한 내식피복은 주로 철강소재에 대해 전기화학적으로 천한 금속을 피복함으로써 방식기능을 부여한다.
- 내마모성 피복
모재의 연질소재 또는 마멸 부분 등에 경질재료를 피복하여 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또 금속 용사피막 중에 생성되는 산화물은 일반적으로 피막의 경도를 높여 내마모성의 향상에 기여한다.
- 내열, 내고온 산화성 피복
M-Cr-Al-Y 합금 등의 우수한 내열, 내고온 산화성을 이용하여 내열 피막을 형성시킨다.
◈ 세라믹 용사피막
세라믹 용사피막의 목적은 일반적으로 세라믹스가 융점이 높고 경질상이기 때문에 고온 및 마모등의 기계적 조건하에서 시공재료를 안전하게 장시간 사용하게 하는 것이다.
용사피막은 소재 또는 중간 용사 합금피막의 고온산화를 비롯하여, S, Na, V 등과 같은 연료에 포함되는 유해부식매체에 의한 손상 및 균열, 박리를 방지하기 위한 수단으로 사용된다.
- 내열기능 피복
항공기 가스터빈의 고성능화를 위하여 고온, 고압력 하에서 작동률릐 향상을 도모하고 있다. 고온강도가 우수한 합금개발과 일방향 응고 합금의 응용으로 터빈 블레이드를 공냉으로 사용할 수 있게 되었지만, 공정합금의 내식성이 나쁘기 때문에 표면 피복이 제안되었는데 여기에 중간용사피막을 입힌후 세라믹을 용사함으로써 우수한 성질을 가지는 피복을 얻게되었다.
- 내마모기능 피복
공냉의 디젤 엔진에서 실린더 라이너, 피스톤 링의 마모문제는 매우 중요하다. 이에 세라믹층을 용사함으로써 그 문제점을 개선시킬수 있도록 하였다.
또한 내마모성과 피막의 열확산율 사이에는 반비례 관계가 성립한다고 보고 되어있다.
◈ 플라스틱 용사피막
화학공장은 가스터빈과 달리 고온을 필요로 하지 않지만, 약품 및 가스와 접촉하기 때문에 내식처리를 하여야 한다.
이때 표면 피복재로서 플라스틱을 이용한다.
그 외에도 플라스틱피복은 인쇄, 제지, 식품, 화학공업뿐만 아니라 제철, 제강, 그리고 생활용품에 이르기까지 널리 사용되고 있다.
7. 용사의 응용
용사는 소재표면에 피막을 형성시켜 내마모성, 내열성, 내식성. 절연성 등과 같은 표면기능을 개선시킴으로써 제품의 수명을 향상시키는 것으로, 자동차 디젤엔진, 항공기용 엔진, 기계산업, 발전분야 등 그 적용분야가 급속하게 증대되고 있다.
◈ 화학산업
석유채취에 사용되는 장비들은 마모, 침식, 부식 에 노출되어 있으므로, 이를 막기 위한 수단으로 장비의 형상을 변형시키는 것은 한계가 있기 때문에, 다음과 같이 표면의 성질을 개선시키는 방안이 제안되고 있다.
- 드릴 비트의 팁부분에는 초폭발 용사법으로 사용하여 WC-15%Co 분말을 피복한다.
- 다결정 다이아몬드 절단기는 자용성 합금을 화염 용사한 후, 후처리로서 로에서 용사시킨다.
- 로터에는 초폭발 용사법을 이용하여 복합분말을 피복한다.
◈ 자동차산업
단열 디젤엔진은 고온 연소가스를 냉각 시스템으로 보내지 않고, 이 열을 이용하여 터보 차저로서 추가적인 에너지를 얻는 방법이다.
이러한 방법으로 냉각시스템을 제거하고 형상을 간단하게 하여 효율을 48%까지 향상시킬 수 있으며, 윤활제로서 오일을 가스로 대체함으로써 효율을 56%까지 향상시킬 수 있다.
◈ 우주·항공산업
오늘날 항공기용 엔진부분은 용사의 적용분야 중 30∼40% 정도를 차지할 만큼 비중이 매우 크다. 항공기용 엔진 중 용사가 적용되고 있는 부분은 다음과 같다.
① 내마모 피막 : 팬 블레이드 클래퍼, 스테이터 블레이드, 플레임 튜브
② 내식 및 내산화피막 : 터빈 베인, 터빈 블레이드
③ 열차폐 피막 : 컴버스쳔 캔, 컴버스쳔 베인, 터빈 블레이드
④ 내마멸 피막 : 클리어런스 컨드롤
◈ 에너지산업
보일러 내부에는 증기와 물이 순환하며, 이들은 연소열에 의해 가열된다. 외부직경이 약 50㎜인 파이프에는 17MPa의 압력으로 증기가 순환하며, 외측부는 고온부식에 견뎌야 한다. 그러므로 이러한 파이프는 APS나 HVOF에 의해 STS 310을 피복하거나 APS에 의해 Ni+50wt.&Cr이 피복된다.
◈ 철강산업
제철관련 장치의 부품은 마모, 열 파손, 부식과 같은 손상을 받는 곳이 많아 주로 보수용사가 적용되어오고 있다.
용사재료로는, 경질합금, 세라믹스 및 복합 서메트가 주로 사용된다.
구체적으로 열거하면, 소결장치, 코크스 로, 용광로 등의 원료처리 설비는 가혹한 환경에서 작동하고, 또 기계적 충격을 수반하는 것이 많기 때문에 자용성 합금이 많이 사용되고 있다.
용광로와 전로에서는 용선, 용강과 접촉하는 부위가 많기 때문에 용탕 손실, 열 파손에 대한 대책이 필요하다. 연속주조설비의 수냉 몰드는 윗 부분에는 용강에 의한 열 충격과 용강면의 강하에 의한 마모, 하부에는 응고철과의 접촉마모가 문제로 되고 있으므로, 용강의 냉각도 고려하여 Ni기 자용합금 등을 몰드 내면에 용사한다.
압연 공정에서의 압연롤은 마모와 고열부하, 기계적 충격력, 냉각수와 스케일 등에 의해 심하게 부식되기 때문에 Ni기 자용합금, Cr탄화물, W탄화물과 Al2O3, 산화Cr 등의 용사가 적용되고 있다.
◈ 비철산업
열간 압출기술은 이음매 없는 통 및 황동관을 생산하는 기술로서, 압출재료는 1,070K에서 소성가공으로 다이를 통해 압출된다. 피복되지 않은 다이는 18∼22회 정도밖에 사용할 수 없지만, 피복을 한 경우에는 약 58회까지 사용할 수 있다. 이때 피막은 APS에 의해 NiCr과 Al2O3로 100㎛ 정도 상부 피복을 한다. 이 사이에 NiCr과 Al2O3 를 27:75, 50: 50
75: 25 의 비율로 혼합하여 각각 100㎛ 두께로 중간층을 형성시킨다.
◈ 조선산업
선박용 가스터빈에도 적용되고 있다.
미 해군의 LM 2500 선박용 엔진에서 2단계 고압 터빈의 블레이드에 SPS와 VPS를 이용하여 Co- 25Cr- 10.5Al- 2.5Hf- 5Pt 분말을 피복하는 방법등이 개발되었다.
-- 개스터빈센터 스프레이코팅실
