다이아몬드-초경합금을 이용한 초음속 화염 용사 코팅

Abstract

WC-Co 복합소재는 탄화 텅스텐의 높은 경도, 코발트의 연성 및 이종 소재간의 우수한 젖음성을 가지고 있어 공구 및 내마모 소재로 산업전반에 폭 넓게 사용되고 있다. 그러나, WC-Co 복합소재의 핵심 원소인 텅스텐과 코발트는 소위 희소금속으로 소재 수급의 불안정성이 잠재되어 있으므로 다양한 원소 사용량 저감기술, 대체소재 기술 및 재활용 기술의 개발이 전개되고 있다. 본 연구에서는 탄화 텅스텐을 다이아몬드 입자로 부분 대체한 복합분말소재를 제조하고 초음속 화염용사공정을 적용한 코팅의 내마모 거동을 평가함으로써 텅스텐 사용량 저감과 코팅의 물성향상을 동시에 개선하고자 하였다. 복합분말의 화학조성은 12 wt.% Co를 바인더 금속으로 하고 강화상인 WC과 다이아몬드 입자의 비율을 1:1로 혼합하여 분무건조 공정을 통해 과립상 입자 (agglomerated particles)를 제조하였다. 초음속 화염용사 공정은 새로운 복합소재의 공정변수 영향을 평가하는 과정으로 통계적 기법 (다구치 L9)을 적용하였고, 변수로 등유유량, 산소유량, 용사거리, 분말송급량을 적용하였다. 통계분석은 minitab을 이용하여 실시하였고, 결과적으로 등유유량에 따른 코팅의 물성변화가 가장 지배적인 변수가 됨을 확인하였다. 통계기법을 통해 도출된 지배변수인 등유유량을 주 변수로 복합소재 코팅을 형성하였고, 내마모 거동을 WC-Co를 상대재로 pin-on-plate 마모평가를 실시하였다. 하중과 마모속도에 따른 마모량을 정량화하고 마모면을 분석하였고 결과를 상용 WC-Co (12 wt.% Co) 코팅과 비교하였다. 다구치 기법을 통하여 초음속 화염 용사의 최적화 된 공정이 수립 되었다. 미세조직 분석을 통하여 다이아몬드가 균일분포가 된 것을 확인하였고, 경도와 마모시험에 우수한 결과를 나타내었다. 또한 상용 WC-Co (12 wt.% Co) 코팅에 비해 복합분말 코팅이 기계적 특성이 우수 하여, 복합분말 코팅이 우수한 산업적 적용에 대한 잠재력을 가질 수 있다.