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나노분말에 의한 코팅층의 내마모성 향상

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김환태(htkimm@reseat.re.kr)
* 출처: C. Melnyk, S. Schroeder, D. Grant, G. Saha, L. Glenesk, and R. Gansert, "Nano
Powder Improve Wear Resistance of Coatings", Welding Journal, 88(7), 2009, pp.50~55

1. 서론

최근 나노구조 소재와 근접나노(Near-nano)구조 소재는 에너지부터 스포츠, 오락에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 활용되고 있으며 기계류 부품의 주요 표면개질기술인 용사에서도 적용이 확대되고 있다.현재 나노소재를 용사용 분말로 사용하는 용사공정으로는 플라즈마 용사, 아크용사, 플레임 용사, 고속화염 용사법(HVOF), 그리고 저온용사 등이 있다.캐나다의 Hyperion Technologies Inc., 미국의 Advanced Materials & Technology Services
와 California Nanotechnologies Inc. 등은 바이오 산업의 세라믹, 항공우주와 에너지산업용 가스터빈의 초합금, 그리고 내마모성을 위한 탄화물 등에서 사용되고 있는 나노분말 재료에 관하여 정리하였다.

2. 기술의 내용

가. 나노분말의 개요 및 제조
물질을 이루고 있는 결정립의 크기가 재료의 기계적 성질에 미치는 영향을 정리한 Hall-Petch 법칙에 따르면 결정립의 크기가 미크론 단위에서 나노 단위로 줄어들 때 재료의 기계적 강도가 두드러지게 증가한다.

HIP(Hot Isostatic Pressing), SPS(Spark Plasma Sintering), 용사 등에 사용하는 나노 및 근접나노 분말은 극저온 밀링법(Cryomilling)으로 제조된다. 통상적인 공급 원료를 극저온 환경에서 밀링하여 나노소재를 생산한다. 액체 질소를 사용하여 금속 분말을 극저온 밀링하는 동안에 최종 제품의 결정립 미세화가 나타난다. 극저온 밀링처리를 받은 Al-Mg 합금의 비강도(Specific Strength)와 비강성(Specific Stiffness)은 티타늄 합금과 동등한 수준을 나타낸다.

나. 나노분말의 주요 특성
알루미늄분말과 티타늄분말을 극저온에서 밀링하면 질화물의 형성되고 결정립이 미세하게 된다. 극저온 밀링공정에서 형성되는 응집 분말 입자는 10~100㎛ 크기를 가지며 나노 및 근접나노 결정립으로 구성된다.세라믹과 세라믹 금속(Cermat) 분말은 극저온 밀링공정에서 마멸되어(Attrition) 나노 및 근접나노 결정립으로 가공된다. 일례로 극저온 밀링가공을 받은 WC-10Co-4Cr분말을 SEM으로 분석한 결과, 분말의 크기가 약 1/20 정도로 미세하게 변하였다.극저온 밀링을 거친 분말을 SPS(Spark Plasma Sintering) 처리하면 인접하는 결정립간에 접합이 잘 이루어져 분말의 기계적 성질이 향상된다. 극저온 밀링가공을 받은 Al1100 분말은 이전의 상태에 비해 경도가 3배 정도, 전단 강도는 2.1배 증가하였다. 또한 EC-12Co 분말은 경도가 1.5배 정도 증가 하였다. 이와 같은 결과는 Hall-Petch 관계를 통해 예상된 것과 같이 나노 및 근접나노 결정립 WC에 기인한다.

다. 용사시공 특성
고속화염 용사법(HVOF)을 사용한 종래의 WC-10Co-4Cr 분말 코팅층과 근접나노 WC-17Co 분말의 나노결정 코팅층을 비교하면 나노결정 코팅층은 종래의 코팅층에 비해 WC 결정립이 미세하게 분산되었으며 코팅층 내의 기공(Porosity) 발생량도 적게 나타났다.근접나노 WC-17Co 분말을 사용한 나노결정 코팅층의 미끄럼 마모저항성은 종래의 WC-10Co-4Cr 분말 코팅층에 비해 약 30% 정도 증가하였으며 경도는 평균 25% 정도 증가
하였다. 고속화염 용사법에 의한 WC 분말 코팅층은 SPS에 비해 매우 낮다. 그러나 나노입자 분말을 사용하면 WC 분말 코팅층의 경도는 높아진다.용사 코팅층의 경도와 내마모적 특성은 벌크 재료의 기계적 특성과 밀접한 상관관계를 가지고 있으며 이와 같은 경향은 나노결정 분말에도 동일하게 적용할 수 있을 것이다.

3. 결론

나노분말 및 근접나노 분말을 사용한 결과 용사 코팅층의 결정립 크기가 감소하면서 기계적 성질이 향상되었다.
근접나노 분말을 사용하여 만든 WC-17Co 코팅층은 종래의 미세분말을 사용하여 만든 WC-10Co-4Cr 코팅층에 비해 미끄럼 마모에 대한 저항성이 30% 증가하였으며 경도는 평균 25% 증가하였다.

4. 전문가 제언

내고온 산화성, 내열성, 내마모성 등을 높여주기 위한 목적으로 사용되고 있는 저온분사(cold spray)와 고속화염 용사기술(HVOF)은 항공우주산업, 산업기계, 석유산업, 제철산업 등에서 많이 활용되고 있으며 선진기술국들은 관련 제품의 품질을 높이고 사용 수명을 길게 하기 위해 고성능 용사기술에 대한 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.기계류 부품의 내식성과 내마모성을 높여 주는 전통적인 표면개질기술인 종전의 Cr 도금을 대신하여 환경보호운동의 차원에서 고속화염 용사에 의한 탄화물 코팅법이 활용되고 있다. 일례로 F5 Tiger 전투기의 랜딩기어는 WC/CoCr 코팅층을 고속화염 용사법으로 제조하여 사용하고 있다. 한편 용사 재료는 코팅층에 형성되는 표면거칠기를 고려하여 금속선 또는 분말 형태의 용사 재료를 선정해야 한다. 탄화물 서멧에서 금속성분 결합상의 선택 조건은 매우 중요하다.

작은 입자들이 초음속으로 모재와 충돌하면서 나타나는 충격에 의해 코팅층을 만드는 저온분사(Cold Spray)는 공급 원료의 최초 미세조직을 보존할 수 있어 나노분말 재료를 증착시키는 최적의 이상적인 공법 가운데 하나다. 특히 저온분사는 코팅된 금속의 밀도가 대단히 높고 압축되어 있으며 열에 의한 잔류응력이 발생하지 않는다. 향후 저온분사의 활용도를 확장시키기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.300kW급 Twin-Hybrid-Plasma-Spray-System을 이용하는 차세대 나노코팅 기술인 새로운 열차폐 코팅(Thermal Barrier Coating : TBC)의 경우에도 나노분말 및 근접나노 분말을 사용하여 우수한 코팅층을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 또한 저진공(6Torr)에서 ICP meso 플라즈마를 이용하는 용사공정에서도 나노분말 및 근접나노 분말을 사용하고 고주파입력을 적절하게 조정함으로써 기계적 성질이 우수한 적층의 성장이 가능하다. 향후 Meso 플라즈마 용사 기술은 차세대 박막 기술의 한 분야로 개발이 기대된다.