KR20090052698A - 분사코팅법을 이용한 박판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분사코팅법을 이용한 박판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 압연법에서 박판을 제조할 때 극박물에 대한 한계를 노출하는 것과는 달리, 분사코팅을 이용하여 원하는 형태로 박판을 형성함으로써 극박물도 용이하게 제조가능한 박판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제조방법은 지지체를 준비하는 단계; 상기 지지체 표면에 중간층을 도포하는 단계; 상기 중간층이 도포된 지지체에 분사코팅을 실시하여 박판이 적층된 지지체를 얻는 단계; 및 상기 박판이 코팅된 지지체에서 중간층의 일부 또는 전부를 제거함으로써 박판을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

분사코팅, 열용사, 저온분사, 중간층, 박판

Description

분사코팅법을 이용한 박판의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING THIN PLATE USING SPRAY COATING}

본 발명은 분사코팅법을 이용한 박판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 압연법에서 박판을 제조할 때 극박물에 대한 한계를 노출하는 것과는 달리, 분사코팅을 이용하여 원하는 형태로 박판을 형성함으로써 극박물도 용이하게 제조가능한 박판의 제조방법에 관한 것이다.

박판은 그 두께가 얇은 판을 의미하는 것으로서, '박판'이라는 용어에 부합하는 판의 두께를 일률적으로 정하기는 어렵겠으나 대략 수십mm 이하의 두께를 가진 판을 의미한다고 볼수 있다.

상기와 같은 박판, 그중에서도 특히 금속박판을 제조하기 위한 기술은 박판의 두께에 따라 크게 두가지로 나눌 수 있다.

첫번째, 수 마이크로미터 이하의 두께를 가진 박막(thin film) 형태의 박판 을 제조하는 기술로서 주로 CVD, PVD, sol-gel법과 같은 증착법을 이용하는 기술을 들 수 있다. 상기 기술은 수 마이크로 미터 이하의 두께를 가진 매우 얇은 박판을 제조할 수 있으며, 그 두께 제어가 정밀하다는 점에서 유리하나, 제조된 박판은 지지체로부터 분리되기 어려우며, 만일 분리된다 하더라도 분리되면 매우 취약하여, 단독으로 구조체 등의 용도로 사용될 수는 없으므로, 본 발명이 대상으로 하는 박판을 제조하기 위한 기술의 범주에서는 제외된다.

두번째, 통상 수mm 정도 이상의 두께를 가지는 박판을 제조하기 위한 기술로서, 금속 잉곳(슬라브, 브룸, 빌렛 등을 모두 포함하는 의미임)에 대하여 압연을 실시하여 상기 금속 잉곳을 원하는 두께를 가진 박판으로 제조하는 방법을 들 수 있다. 상기 방법에서는 필요한 경우 금속 잉곳은 금속이 연화되는 온도까지 가열될 수도 있으며, 또한, 수회에 걸쳐서 열간압연과 냉간압연을 반복함으로써 원하는 두께까지 제조될 수도 있다. 압연은 한쌍 또는 그 이상의 상하 마주보는 롤 사이로 금속 잉곳을 통과시킴으로써 상기 두 롤 사이에 작용하는 압축력에 의해 롤의 두께가 감소되도록 하는 방식으로 이루어진다. 그런데, 상기와 같은 압연법에 의할 경우 통상적으로는 제조되는 금속박판의 두께를 3mm 이상으로만 제조가능할 뿐 그보다 작은 두께로 금속박판을 제조할 때에는 롤에 가해지는 압하력을 크게 하는 등의 이유로 설비가 대형화, 복잡화 될 우려가 있다. 또한, 성형성이 낮은 금속을 가공하기 위해서는 상기 금속 잉곳을 고온으로 가열하여야 하기 때문에 에너지 비용이 많이 소요된다는 문제가 있을 뿐아니라, 금속의 성형성이 아주 낮을 경우에는 압연시 크랙이 발생하거나 설비에 과다한 부하가 발생하는 등 여러가지 문제가 있을 수 있다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일측면에 따르면, 두께 3mm이하의 박판도 용이하게 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 제조된 박판이 지지체로부터 용이하게 분리되어 박판을 회수하기가 용이한 박판의 제조방법이 제공된다.

상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 제조방법은 지지체를 준비하는 단계; 상기 지지체 표면에 중간층을 도포하는 단계; 상기 중간층이 도포된 지지체에 분사코팅을 실시하여 박판이 적층된 지지체를 얻는 단계; 및 상기 박판이 코팅된 지지체에서 중간층의 일부 또는 전부를 제거함으로써 박판을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 분사코팅법은 열용사 코팅법 또는 저온분사코팅법인 것이 바람직하다.

또한, 상기 분사코팅법이 열용사 코팅법일 경우 상기 중간층은 수용성 세라믹으로 이루어진 것이 바람직하다.

그리고, 상기 수용성 세라믹으로 이루어진 중간층은 수분을 가하여 제거하는 것이 효과적이다.

또한, 상기 분사코팅법이 저온분사 코팅법일 경우 상기 중간층은 저융점 금속으로 이루어진 것이 바람직하다.

그리고, 상기 저융점 금속으로 이루어진 중간층은 용융시켜 제거하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 과정에 의해 제조된 박판의 물성을 더욱 향상시키기 위해서는, 상기 박판을 분리하는 단계 이후에 얻어진 박판에 대하여 뜨임(tempering) 처리를 더 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 박판의 두께가 얇은 경우에도 종래의 압연법에 비하여 용이하게 박판을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 박판이 지지체로부터 용이하게 분리될 수 있어 박판 단독으로도 사용될 수 있어, 그 용도가 넓다는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에서 일컫는 '박판'이라는 용어의 의미에 대하여 부연한다. 박판이라 함은 일반적으로는 총 너비에 비하여 두께가 얇은 판형태의 물체를 말하지만, 본 발명의 박판은 이들의 두께가 얇은 이상 반드시 평평한 판 형태를 가지고 있을 필요는 없으며, 얇은 판으로 이루어진 관형태나, 아니면 다른 특별한 형태를 가지고 있되, 그 두께가 얇은 것이라면 모두 본 발명에서 의미하는 '박판'에 해당한다는 점에 유의할 필요가 있다. 또한, 본 발명에서 의미하는 박판은 반드시 금속재질에 한정하지 않고, 써메트(cermet)와 같이 분사코팅에 의해 코팅될 수 있는 재질 등에 의해서 제조된 박판까지 포함하는 의미이다. 반드시 이에 한정하는 것은 아니나, 본 발명의 박판 제조에 사용될 수 있는 재료의 예로서는 순금속 Fe, Al, Ni, Ti, Cu 및 Fe계, Al계, Ni계, Ti계, Cu계 합금 등을 들 수 있다.

본 발명의 발명자들은 보다 용이한 방법으로 얇은 두께의 박판을 제조하기 위하여 깊이 연구한 결과, 지지체 상에 박판을 분사코팅하는 방법으로 박판을 제조할 경우 매우 얇은 두께의 박판을 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

즉, 본 발명의 박판 제조방법은 원하는 형상을 가진 지지체 상에 박판을 이루는 재료를 분사코팅함에 의해 구현될 수 있다. 다만, 이러할 경우 한가지 큰 문제가 발생될 수 있다. 즉, 분사코팅이라 함은 고속으로 분사되는 재료가 서로간에 결합하거나 지지체에 강하게 결합함으로써 지지체 표면에 코팅되는 방식을 의미하는데 이러할 경우 지지체와 코팅층의 결합강도가 높아 코팅된 박판이 지지체로부터 분리되기 어렵게 될 수 있다. 이러할 경우 얇은 두께의 박판을 간편하게 제조한다는 본 발명의 과제는 용이하게 달성되기 어렵다.

본 발명에서는 이러한 점을 해결하기 위하여, 지지체 표면에 중간층을 코팅한 후, 분사코팅을 실시한다. 즉, 중간층이 먼저 지지체에 코팅된 후 그 위에 박판을 형성하는 코팅재료를 분사코팅하면 지지체/중간층/코팅재(박판)의 형태로 적층이 이루어지기 때문에, 이후 상기 적층체 중 중간층의 일부 또는 전부를 제거할 경우 코팅된 박판이 지지체로부터 용이하게 분리될 수 있기 때문이다.

따라서, 상기 중간층은 간단한 조작만으로 용이하게 제거될 수 있는 것이 바람직하다. 여기서 간단한 조작이라 함은 열 또는 수분 등을 공급하는 경우를 의미하는 것으로서, 상기 분사코팅의 조건에 따라 상기 중간층의 종류는 달라지게 된다.

즉, 분사코팅은 코팅되는 분말이 가열 및 용융되는 정도에 따라 열용사 코팅과 저온분사코팅으로 나뉠 수 있는데, 먼저, 분사되는 코팅재의 전부 또는 일부가 고온에 노출되어 용융된 상태로 분사되는 열용사(thermal spray) 코팅의 경우에는 상기 중간층은 수용성 세라믹인 것이 바람직하다. 상기 열용사 코팅의 경우에는 중간층이 가급적 열에는 손상되지 않아 코팅되는 박판의 표면형상이 원하는 형상으로 유지될 수 있도록 하는 것이 바람직하므로, 비교적 고온에서 안정한 세라믹을 코팅하고 상기 세라믹에 박판용 코팅재가 코팅되도록 하는 것이 바람직하다.

이후, 상기 세라믹을 간편한 방법에 의해 제거함으로써 제조된 박판이 용이하게 지지체로부터 분리될 수 있도록 하는 것이 바람직한데, 본 발명의 발명자들의 연구결과에 따르면 이를 위해서는 상기 세라믹은 수용성 세라믹인 것이 바람직하다. 상기 세라믹은 수용성이면 특별히 그 종류를 제한하지 않으나, 그 예를 들면 NaCl 을 들 수 있다.

이때, 상기 수용성 세라믹이 박판 코팅층과 지지체가 직접 접촉하지 않도록 하는 중간층의 역할을 충분히 수용할 수 있도록 하기 위해서는 상기 수용성 세라믹의 두께는 분사 공정에서 보편적으로 쓰이는 분말 구상당 입자 직경에 따라 차이가 나지만 100㎛ 이상인 것이 바람직하다. 상기 수용성 세라믹의 두께가 너무 얇을 경우에는 박판 코팅층과 지지체가 직접 접촉함으로써 박판의 분리가 어렵게 될 우려가 있으며, 반대로 너무 두꺼울 경우(즉, 예를 들면 10mm 이상)에는 더 이상의 효과를 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 두껍고도 균일한 코팅층을 형성하는데 어려움이 따를 수도 있다.

이때, 상기 수용성 세라믹은 입자를 용융시킬 수 있는 열용사 공정을 이용하 여 지지체 표면에 코팅될 수 있다. 또한, 상기 세라믹 코팅층을 제거하기 위해서는 상기 박판이 코팅된 적층체에 수분을 공급하면 되기 때문에 매우 간편하게 박판을 얻을 수 있다.

상기 열용사 코팅과는 달리, 저온분사(cold spray)코팅시에는 상기 중간층은 융점이 낮은 저융점 금속인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는 상기 저융점 금속의 융점은 350℃ 이하인 것이 바람직하며, 이에 한정하지 않지만 그 예로서는 주석(융점 : 232℃), 납(융점 : 327℃) 등을 들 수 있다. 상기 저융점 금속은 통상의 용융 도금, 증기 증착 등의 통상의 도금 방법 또는 열용사법 및 저온분사 법의 통상의 분사공정을 사용하여 지지체 표면에 도포될 수 있다. 저온 분사시 지지체 표면에 저융점 코팅층을 도포하는 이유는 열용사와는 달리 저온분사 되는 코팅분말은 용융되지 않은 상태이므로 피사체(여기서는 중간층이 코팅된 지지체)에 고속으로 충돌하더라도 분말들끼리의 결합이 용이하지 않기 때문에, 중간층이 상기 분말들 사이의 결합력을 제공해주는 메탈 본드의 역할까지 수행할 수 있도록 하기 위함이다. 그 뿐만 아니라, 상술하였듯이 지지체/중간층/박판 코팅층 중에서 중간층은 용이하게 제거되어야 하는데, 저융점 금속을 사용할 경우 매우 낮은 온도에서 용융되어 상기 적층체 중에서 제거될 수 있기 때문에, 간편하게 박판을 얻을 수 있을 수 있다.

이때, 상기 저융점 금속층의 두께는 분사 공정에서 보편적으로 쓰이는 분말 구상당 입자 직경에 따라 차이가 나지만 100㎛ 이상인 것이 바람직하다. 만일, 상기 저융점 금속층의 두께가 너무 얇을 경우에는 박판 코팅층과 지지체가 직접 접촉함으로써 박판의 분리가 어렵게 될 우려가 있으며, 반대로 너무 두꺼울 경우(즉, 예를 들면 10mm 이상)에는 더 이상의 효과를 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 두껍고도 균일한 코팅층을 형성하는데 어려움이 따를 수도 있다.

또한, 상기 저융점 금속층을 제거하기 위해서는 상술한 바와 같이 저융점 금속의 온도보다 높은 온도로 상기 적층체를 가열하여 적층체 중에서 저융점 금속이 흘러내리도록 하는 것이 바람직하다. 다만, 온도가 너무 높을 경우에는 상기 박판 또는 지지체가 손상될 수 있기 때문에, 적층체를 가열하는 온도는 박판 또는 지지체가 열적으로 손상되는 온도보다 낮은 온도인 것이 바람직하다(즉, 최소한 박판이 열적으로 손상되지 않도록 하는 것이 바람직하며, 둘 중 하나라도 손상되지 않도록 하는 것이 가장 바람직하다).

여기서 상기 '열적으로 손상되는 온도'라 함은 제조되는 박판의 종류나 용도, 그리고 지지체의 종류 등에 따라 달라지기 때문에 일괄적으로 정의하기는 곤란하다. 즉, 상기 제조되는 박판의 내부조직이 크게 문제되지 않으며 다만 그 형상만 박형으로 유지되면 충분한 경우에는 박판의 용융온도를 상기 '열적으로 손상되는 온도'로 정할 수 있으며, 또한, 박판이 여러 조성의 원소로 이루어진 경우 예를 들면 써멧(cermet)인 경우에는 이들 중 하나의 원소가 화학적으로 반응하는 온도를 상기 '열적으로 손상되는 온도'로 정할 수 있고, 그 외에 내부 미세조직이 재결정되는 온도를 상기 '열적으로 손상되는 온도'로 정할 수 있다. 또한, 지지체 역시 경우에 따라 이들 중 하나로 정의되는 온도를 상기 '열적으로 손상되는 온도'로 정할 수 있기 때문에, 그 온도를 일률적으로 정의할 수는 없는 것이다. 다만, 여기서 통상적으로는 용융온도를 상기 '열적으로 손상되는 온도'로 정의한다.

따라서, 본 발명의 박판 제조방법은, 지지체를 준비하는 단계; 상기 지지체 표면에 중간층을 도포하는 단계; 상기 중간층이 도포된 지지체에 분사코팅을 실시하여 박판이 적층된 지지체를 얻는 단계; 및 상기 박판이 코팅된 지지체에서 중간층의 일부 또는 전부를 제거함으로써 박판을 분리하는 단계를 포함한다.

이때, 상술한 바와 같이 상기 분사코팅을 열용사 방법으로 실시하는지 아니면 저온분사 방법으로 실시하는지 여부에 따라 중간층의 도포 및 제거방식이 달라지는데, 이를 결정하기 위한 각 분사방법의 개략적인 설명과 바람직한 조업조건을 하기에서 설명한다. 하기하듯이 열용사 코팅이나 저온분사 코팅 그 자체는 이미 개발되어 실시중인 기술로서 그 조건을 특별히 기재하지 않더라도 이미 통용되고 있는 코팅 조건으로부터 본발명에 필요한 조건을 적용하여 용이하게 실시할 수 있다.

다만, 이하에서는 열용사 코팅법과 저온분사코팅법으로 나누어 본 발명의 효 과에 영향을 미치는 보다 바람직한 공정변수에 대하여 간략히 설명하고자 한다.

(열용사 코팅 조건)

열용사 코팅이라 함은 연료가스와 산소와의 연소반응에 의해 발생하는 열을 이용하여 코팅되는 분말의 일부 또는 전부를 용융시킨 후 상기 용융된 분말을 피사체 표면에 분사하여 코팅하는 방법이다. 이러한 방법을 사용할 경우 코팅 분말이 일단 용융된 후 코팅되기 때문에 분사 속도가 높지 않아도 충분히 강한 결합력으로 결합될 수 있다는 장점이 있다.

도 1에 열용사 코팅을 실시하기 위한 장비를 나타내었다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 열용사 장치는 가스공급장치(1), 조절패널(2), 가스가열장치(3), 분말송급장치(4) 및 노즐(5)을 포함하고 있다. 상기 가스공급장치(1)에서 공급되는 가스는 조절패널(2)에서 가스량 조절이 이루어져 가스가열장치(3)과 분말송급장치(4)로 나뉘어져 공급된다. 상기 가스가열장치(3)는 가스를 고온으로 가열하여 가스의 팽창으로 인한 속도 상승을 유도하고 상기 분말송급장치(4)는 조절패널(2)로부터 공급되는 가스에 분말을 공급함으로써 가스에 의해 분말이 노즐(5)쪽으로 공급될 수 있도록 하는 역할을 한다. 노즐 출구(6)에서 가스가 분사되며 도 2에서 볼 수 있듯이, 아크 점화 혹은 직접 점화 등의 방법에 따른 고온의 가스 유동장(7)을 형성하여 유동장내에 분말을 실어서 용융상태로 비행 상태를 부여한 후 피사체(8)에 충돌시켜 분말이 코팅된 피사체를 얻을 수 있다.

노즐(5)의 직전에서는 상기 분말송급장치(4)에서 송급된 분말과 가스의 혼합물과 가스가열장치(3)에서 가열되어 공급된 고속의 가스가 만나 가스/분말 혼합물을 형성하여 노즐(5)을 통하여 고속의 가스/분말 제트(jet)류로 분사된다. 이러한 고속의 가스형성은 도 3에서 볼 수 있듯이 노즐의 구조적 특성에 의하여 가능하다. 노즐(5)를 통하여 분사된 가스에 의해 이송되는 분말은 가스의 속도에 근접한 높은 속도로 피사체와 충돌하게 되며, 분말이 가지고 있던 열에너지 혹은 운동에너지가 피사체/분말 사이의 결합에 필요한 에너지로 변환되게 되고 따라서 분말이 코팅된 피사체를 얻을 수 있는 것이다.

이때, 상기 열용사 코팅시 제반조건은 통상 알려진 열용사 코팅 방법에 준하여 실시하면 되는 것이나, 본 발명과 같이 박판 제조에 특히 유리한 열용사 코팅의 조건으로는, 하기하는 바와 같이 가스의 온도, 가스의 압력, 분말 입자의 직경 등을 제어하는 것이 보다 바람직하다. 이하, 상기 조건들에 대하여 상세히 설명한다.

가스의 온도

열용사를 이용한 코팅시, 가스 및 분말과 중간층의 종류에 따라 조금씩 차이날 수 있으나 대체로 분사용 가스는 500~15000℃의 온도로 예열하여 사용하는 것이 바람직하다. 이는 열용사 공정상에서 발생할 수 있는 열원의 온도범위를 나타내는 것으로서, 분사용 가스의 온도가 너무 낮을 경우에는 분말이 충분히 용융되기 어렵기 때문에 코팅층 형성이 어려우며, 반면 너무 높을 경우에는 분말이 열에 의하여 손실될 뿐만 아니라 산화 정도가 매우 심하여 코팅층의 기계적 성질이 저하되는 결과를 초래하기 때문에 상기 분사용 가스의 가열온도는 500~15000℃인 것이 바람직하다.

가스의 유량

열 용사에서는 분말을 가속하는 가스로서 수소, 아르곤 등 또는 이들의 혼합가스를 사용할 수 있는데, 통상적인 분사노즐을 사용하였을 때 노즐 직전에서의 분사용 가스의 압력은 가스의 단위 시간당 유량으로써 설명될 수 있다. 상기 유량은 분사체가 비행하는 적절한 비행속도와 비행시간을 결정하는 인자로서, 분사체가 적층되기 까지의 시간동안 용융된 상태를 유지하기 위해서는 아르곤(Ar) 0~125 SCFH범위의 유량범위가 바람직하다. 수소의 경우는 열원으로 작용하기 때문에 분말의 가열온도에 따라 적절한 양을 사용하면 될 뿐 유량을 특별히 제한할 필요는 없다. 아르곤 가스의 유량범위가 기준 미만일 경우 분말의 비행 속도가 현저하게 낮아서 고온의 가스 유동장내에서 장시간 체류하게 된다. 따라서 열데미지에 의한 분말 입자의 상변화 등의 현상이 일어나게 되는 결과를 초래하게 된다. 반대로 기준 이상의 압력 범위일 경우 가스 유동장 내에서 충분한 체류시간을 확보하지 못하여 용융이 되기 전에 모재에 충돌 하는 결과를 초래하여 코팅층이 효율적으로 적층되지 못한다.

분말 입자의 직경

분말의 직경은 코팅성을 결정하는 중요한 인자이다. 열용사의 경우, 입자의 직경이 너무 작을 경우 높은 온도의 환경인 가스 유동장 내에서 열데미지에 의한 입자의 손상이 심각할 수 있으며 입자의 직경이 너무 클 경우는 가스 유동장내에서 비행하는 동안 입자가 충분히 녹지 못하여 적층이 잘 되지 않는 현상이 발생한다. 따라서, 입자의 직경은 일정한 범위의 것을 사용하는 것이 바람직한데, 효과적인 입자 구상당 직경의 범위는 5~200㎛인 것이 바람직하다.

(저온분사코팅 조건)

저온분사코팅은 상기 열용사코팅과는 달리 분사되는 분말을 용융시키지 않은 대신, 고속으로 분말을 가속된 분말의 운동에너지를 이용하여 분말이 피사체에 코팅되도록 하는 방법이다. 도 4에 상기 저온 분사 코팅 방식을 보다 상세하게 설명하기 위하여 일반적으로 사용되는 저온분사 코팅장치의 개략적인 형태를 나타내었다.

도 4에서 볼 수 있듯이, 상기 저온 분사 코팅기는 가스공급장치, 조절패널, 가스가열장치, 분말송급장치 및 드 라발 노즐(de Laval Nozzle)을 포함하고 있다. 상기 가스공급장치에서 공급되는 가스는 조절패널에서 가스량 조절이 이루어져 가스가열장치과 분말송급장치로 나뉘어져 공급된다. 상기 가스가열장치는 가스를 고 온으로 가열하여 가스의 팽창으로 인한 속도 상승을 유도하고, 상기 분말송급장치은 조절패널로부터 공급되는 가스에 분말을 공급함으로써 가스에 의해 분말이 드 라발 노즐쪽으로 공급될 수 있도록 하는 역할을 한다. 분말송급장치 직후에는 분말을 가열할 수 있는 분말가열장치가 구비될 수도 있다. 상기 분말가열장치는 분말이 통과하는 관 외부에 발열체 등을 장착하여 분말을 가열하기 위한 장치로서 분말의 온도를 높여서 분말이 피사체에 충돌하여 코팅될 때 분말의 변형능과 인성을 높이는 역할을 한다. 드 라발 노즐의 직전에서는 상기 분말송급장치에서 송급된 분말과 가스의 혼합물과 가스가열장치에서 공급된 가열된 고속의 가스가 만나 고속의 가스/분말 혼합물을 형성하여 상기 드 라발 노즐을 통하여 고속의 가스/분말 제트(jet)류로 분사된다. 드 라발 노즐은 노즐 길이 방향으로 볼 때 노즐의 내경이 감소(converge)하였다가 다시 증가(diverge)하는 형태를 갖춘 것으로서 가스의 속도를 음속이상의 초음속으로 증가시키는데 사용되는 노즐을 의미한다. 상기 드 라발 노즐을 통하여 초음속으로 분사된 가스에 의해 이송되는 분말은 가스의 속도에 근접한 높은 속도로 피사체와 충돌하게 되며, 분말이 가지고 있던 운동에너지가 피사체/분말 사이의 결합에 필요한 에너지로 변환되게 되어 따라서 분말이 코팅된 피사체를 얻을 수 있는 것이다.

이때, 상기 저온분사 코팅시 제반조건은 통상 알려진 저온분사 코팅 방법에 준하여 실시하면 되는 것이나, 본 발명과 같이 박판 제조에 특히 유리한 저온분사 코팅의 조건으로는, 하기하는 바와 같이 가스의 온도, 가스의 압력, 분말 입자의 직경 등을 제어하는 것이 보다 바람직하다. 이하, 상기 조건들에 대하여 상세히 설명한다.

가스의 온도

분사체의 종류와 중간체의 종류에 따라 약간씩 달라질 수는 있으나 대체로 저온분사 코팅시 분사용 가스는 200~850℃의 온도로 가스 예열장치에서 가열되는 것이 바람직하다. 상기 분사용 가스는 노즐 출구에서 단열 팽창하여 분말 입자에 운동에너지를 부여하는 역할을 수행하므로, 상기 분사용 가스의 온도가 너무 낮을 경우에는 충분한 분말의 가속효과를 얻기 어려우며, 반대로 상기 분사용 가스의 온도가 너무 높을 경우에는 분사되는 분말이 용융하거나 손상되어 바람직하지 않다.

가스의 압력

저온분사 코팅시에는 수소, 헬륨, 아르곤 또는 이들의 혼합가스를 사용할 수 있는데, 이때 가스의 압력을 10~30bar로 조절하는 것이 바람직하다. 상기 가스 압력은 분사된 입자가 충분한 에너지를 가지고 코팅층이 형성될 수 있도록 함과 동시에 부착된 이후에도 상기 부착상태가 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 중요한 인자이다. 상기 가스의 압력이 10bar 미만일 경우에는 분사되는 입자가 적층될 수 있을 정도의 충분한 속도 (critical velocity)를 가지지 못하여 모재에 부착하지 못하게 되며, 반대로 상기 가스의 압력이 30bar를 초과할 경우에는 모재에 부착할 때에는 용이하게 부착될 수 있으나, 입자로부터 전해지는 충격에 의한 반발 에너지를 견디지 못하고 박리되어 버리는 현상이 발생할 수 있다.

분사체 입자의 직경

분사체의 직경은 코팅성을 결정하는 중요한 인자이다. 저온 분사의 경우, 만일 입자의 직경이 너무 작을 경우에는 입자가 가진 운동에너지가 충분하지 않아 코팅시 적층율이 떨어지게 되며, 반대로 입자의 직경이 너무 클 경우에는 가스가 입자를 충분히 가속시키지 못하여 입자가 코팅되기 어렵게 된다. 따라서, 입자의 직경은 일정한 범위의 것을 사용하는 것이 바람직한데, 효과적인 입자 구상당 직경의 범위는 5~200㎛인 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 적절한 코팅 방법을 선택하고, 그에 맞는 공정변수를 채용할 경우 본 발명에서 제조하고자 하는 박판을 제조하기 위한 코팅층을 용이하게 형성할 수 있다.

상기와 같은 과정에 의해 제조된 금속 박판은 그 자체로도 사용가능하지만, 박판 제조를 위해 분말이 코팅된 후 냉각되면서 수축이 될 수 있는데, 냉각시 하부에 존재하는 중간층과의 열팽창율이 상이하므로 수축시 응력이 발생될 수 있다. 따라서, 경우에 따라서는 정해진 용도에 사용하기에 부적합할 정도로 박판이 취약해질 우려가 있으므로 상기 박판에 가해진 잔류응력을 제거하는 열처리가 후속되는 것이 보다 바람직하다.

상기 열처리 조건은 사용되는 재료의 종류에 따라 달라지므로 그 온도와 처리시간 및 분위기를 일률적으로 특정하는 것이 어렵다. 다만, 각 재료별로 설정된 뜨임(tempering) 조건에 맞추어 실시하는 것이 바람직하다. 상기, 뜨임 이라 함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 각 재료의 종류에 맞추어 그 온도와 유지시간등을 용이하게 변경하여 실시할 수 있는 것으로 본 명세서에서 특별히 그 조건을 정의할 필요는 없다.

다만, 본 발명에서 사용가능한 재료의 경우에는 상기 뜨임 열처리는 재료의 물성에 따라 조금씩 달라질 수 있지만 200~1500℃의 온도에서 1~24시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 상기 뜨임 열처리 온도가 너무 높을 경우에는 재료의 상변태가 일어나는 등의 과정에 의해 재료에 변형이 발생할 우려가 있어 바람직하지 않으며, 반대로 온도가 너무 낮을 경우에는 잔류 응력 제거효과를 얻기 어렵다. 또한, 뜨임 열처리 시간이 너무 짧을 경우에는 충분한 잔류 응력 제거효과를 얻을 수 없으며, 반대로 열처리 시간이 너무 길 경우에는 더이상의 효과를 얻을 수 있는데도 유지시간만 길어지기 때문에 제조비용의 상승을 초래할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

열용사 코팅

하기와 같은 과정을 통하여 열용사 코팅법을 이용하여 원통형 박판을 제조하였다.

박판제조에 사용된 지지체로는 두께 1cm인 STS 430 재질의 스테인레스 강판을 사용하였다. 상기 지지체의 표면에 NaCl 분말을 열용사 방법에 의해 약 100㎛의 두께로 코팅하여 열용사 코팅에 필요한 피사체를 제조하였다.

그 후 구상당 직경이 50~80㎛ 범위의 입도 분포를 가진 알루미늄 분말을 분사하였다. 코팅 장비는 상기 도 1에 도시한 것과 유사한 형태의 장비로서 미국의 Sultz-Meco 사의 APS (Arc Plasma Spray) 장비를 이용하였으며, 수소와 아르곤을 분사 가스로 사용하였다. 사용된 가스의 온도는 12000~15000℃ 범위에서 제어하였으며, 가스유량은 아르곤의 경우 100 SCFH로 하였으며, 수소는 5 SCFH로 하였다.

또한, 노즐과 기판과의 거리는 약 100mm로 정하였으며, 알루미늄 입자가 빈틈없이 코팅될 수 있도록 하기 위하여 노즐을 200mm/s의 속도로 이동시키면서 전면 코팅을 수행하였다.

상기 방법으로 제조한 지지체/NaCl/박판 코팅층 적층체의 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5에서 볼 수 있듯이 지지체 위에 중간층인 NaCl이 선 적층 된 상태이며 그 위에 알루미늄이 코팅되어 둥근 원통형의 박판을 형성하고 있다. 그리고 도 6은 NaCl 층에 수분을 가하여 용해시킨 후 그 위의 알루미늄 박판을 분리시킨 후의 사진이다.

도면에서 볼 수 있듯이, 지지체의 형태와 유사한 형태를 갖춘 원통형 박판이 본 발명에 의해 용이하게 제조될 수 있음을 알 수 있다.

(저온분사 코팅)

하기와 같은 과정을 통하여 저온분사 코팅법을 이용하여 원통형 박판을 제조하였다.

박판제조에 사용된 지지체로는 두께 1cm STS 430 재질의 스테인레스 강판을 사용하였다. 상기 지지체의 표면에 저융점 금속인 납을 열용사 방법에 의해 약 100㎛의 두께로 코팅하여 열용사 코팅에 필요한 피사체를 제조하였다

그 후 구상당 직경이 50~80㎛ 범위의 입도 분포를 가진 구리 분말을 분사하 였다. 코팅 장비는 상기 도 4에 도시한 것과 유사한 형태의 장비로서 독일의 CGT 사의 CGT 3000 저온분사 장비를 이용하였으며, 질소와 헬륨을 분사 가스로 사용하였다. 사용된 가스의 온도는 200~500℃ 범위에서 제어하였으며, 가스의 압력은 10~25bar 범위에서 제어하였다.

도 7에서 볼 수 있듯이, 지지체의 형태와 유사한 형태를 갖춘 평평한 박판이 본 발명에 의해 용이하게 제조될 수 있음을 알 수 있다.

본 실시예에서 나타낸 것은 실험적 범위에서 다소 작은 원통형의 지지체 또는 판형 지지체 위에 형성된 박판에 관한 것이지만, 지지체의 크기와 형상을 변경함에 따라 박판의 형태는 자유롭게 변경가능하다는 것에 유의할 필요가 있다. 그러므로, 대형의 평평한 형태의 대형 박판이나 보다 복잡한 형태의 박판 역시 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있다.

도 1은 열용사 코팅 장치의 구성을 나타낸 배치도,

도 2는 열용사시 분사되는 분말을 가열하는 과정을 나타낸 모식도,

도 3은 열용사 코팅에서 사용되는 노즐의 일례를 간단하게 도시한 모식도,

도 4는 저온분사 코팅 장치의 구성을 나타낸 배치도,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 관형 박판이 적층된 적층체를 촬영한 사진,

도 6은 도 5의 적층체에서 박판을 분리한 결과를 촬영한 사진, 그리고

도 7은 본 발명의 또다른 일 실시예에 의해 제조된 평판형 박판이 적층된 적층체를 촬영한 사진이다.

Claims (7)

1. 지지체를 준비하는 단계;

   상기 지지체 표면에 중간층을 도포하는 단계;

   상기 중간층이 도포된 지지체에 분사코팅을 실시하여 박판이 적층된 지지체를 얻는 단계; 및 상기 박판이 코팅된 지지체에서 중간층의 일부 또는 전부를 제거함으로써 박판을 분리하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 박판의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분사코팅법은 열용사 코팅법 또는 저온분사코팅법인 것을 특징으로 하는 박판의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 분사코팅법이 열용사 코팅법일 경우 상기 중간층은 수용성 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 박판의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 수용성 세라믹으로 이루어진 중간층은 수분을 가하여 제거하는 것을 특징으로 하는 박판의 제조방법.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 분사코팅법이 저온분사 코팅법일 경우 상기 중간층은 저융점 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 박판의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 저융점 금속으로 이루어진 중간층을 용융시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 박판의 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박판을 분리하는 단계 이후에 얻어진 박판에 대하여 뜨임(tempering) 처리를 더 하는 것을 특징으로 하는 박판의 제조방법.

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