열喷 코팅 기술의 연구 현황

1. 금속 코팅의 현재 연구 현황

열喷 금속 코팅은 가장 먼저 연구되고 적용된 내마모 코팅 중 하나입니다. 일반적으로 사용되는 재료에는 금속(Mo, Ni), 탄소강, 저합금강, 스테인리스강 및 Ni-Cr 합금 계열 코팅이 포함됩니다. 일반적으로 화염 분사, 아크 분사, 플라즈마 분사, HVOF(고속 산소 연료) 및 폭발 분사와 같은 기술이 사용됩니다. 이러한 코팅은 기판과 높은 결합 강도를 나타내며, 뛰어난 마모 및 부식 저항성을 가지고 있어 마모된 부품을 수리하고 과도한 크기의 부품을 가공하는 데 적합합니다.

알루미늄 기반 합금을 사용하여 피스톤 링, 동기 링 및 실린더를 코팅하는 플라즈마 분사 기술을 사용할 때, 코팅은 우수한 마모 저항성, 높은 결합 강도 및 뛰어난 비접착 마모 특성을 보여줍니다. 윤활 조건에서 이들은 또한 좋은 방지 성능과 방지 마모 성능을 나타냅니다. 고탄소 강철 와이어와 스테인리스 강(크롬 13형, 18-8형 등) 합금 와이어는 일반적으로 마모 및 부식 저항 분사 재료로 사용됩니다. 이러한 재료는 높은 강도, 우수한 마모 저항성, 넓은 가용성 및 낮은 비용이 특징입니다. NiCr 코팅은 좋은 열 저항성, 부식 저항성 및 침식 마모 저항성을 제공하여 발전소 보일러의 슈퍼히터 및 재히터 튜브에 대한 보호 코팅으로 적합합니다. 화염 및 플라즈마 분사 방법을 사용하여 서로 다른 미세 구조를 가진 NiCr 금속 마모 저항 코팅을 준비할 수 있지만, 이러한 코팅은 일반적으로 더 높은 다공성과 산화물 함량을 가지는 경향이 있습니다.

2. 세라믹 코팅의 현재 연구 상태

열분사 세라믹 분말에는 금속 및 비금속 원소로 구성된 결정질 또는 비정질 화합물인 산화물, 탄화물, 붕화물, 질화물 및 실리사이드가 포함됩니다. 세라믹 코팅은 높은 융점, 높은 경도, 우수한 마모 저항성, 부식 저항성 및 고온 안정성으로 알려져 있습니다. 그러나 세라믹 코팅을 분사하는 과정은 복잡하고 비용이 많이 들며, 코팅은 표면 균열이 발생하기 쉽고 금속 코팅에 비해 열 피로 저항성이 열악합니다. 또한, 세라믹 코팅은 인성이 낮아 상당한 충격 하중이 수반되는 응용 분야에는 적합하지 않습니다. 일반적으로 사용되는 세라믹 코팅에는 Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 및 TiB2가 포함되며, 일반적으로 플라즈마 분사, 화염 분사, HVOF 및 폭발 분사 기술을 사용하여 준비됩니다.

Ren Jingri et al.는 플라즈마 분사된 Al2O3-40%TiO2 및 Cr2O3 세라믹 분말 코팅의 미끄럼 마찰 및 마모 특성을 연구했습니다.

다른 연구들은 플라즈마 분사 다층 금속 및 세라믹 코팅의 미끄럼 마찰 및 마모 특성을 조사했습니다. 분사 순서는 먼저 기판에 NiCr 접착 코트를 적용한 다음, 다양한 비율의 NiCr-Cr2O3 전이층을 적용하고, 마지막으로 100% Cr2O3 표면층을 적용하는 것입니다. 전이층에서 금속과 세라믹의 적절한 비율이 코팅의 마모 저항성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 주요 마모 메커니즘에는 취성 파괴, 마모, 접착 및 산화 마모가 포함됩니다.

금속-세라믹 코팅의 현재 연구 상태

금속과 세라믹은 각각 고유한 장점과 뚜렷한 성능 약점을 가지고 있습니다. 두 재료의 유리한 특성을 결합하는 것은 재료 과학 및 공학에서 오랜 연구 방향이었습니다. 적절한 형태와 크기의 세라믹 입자를 플라스틱 매트릭스 내에 균일하게 분포시키는 금속-세라믹 복합 코팅 기술은 금속의 강도와 인성을 세라믹의 고온 저항, 마모 저항 및 부식 저항과 성공적으로 결합합니다. 이는 금속 및 세라믹 재료의 적용 범위를 크게 넓히며, 항공 우주, 화학, 기계 및 전력 산업에서 성공적인 응용 사례가 있습니다. 산업에서 가장 널리 사용되는 금속-세라믹 코팅은 Cr3C2-NiCr 및 WC-Co로, 일반적으로 HVOF, 플라즈마 및 폭발 분사 기술을 사용하여 준비됩니다.

Cr3C2-NiCr 금속-세라믹 코팅은 내화성 크롬 카바이드 경질 상과 연성 니켈-크롬 합금 상으로 구성됩니다.

WC 기반 금속-세라믹 코팅은 450°C 이하의 마모 및 침식 조건에서 일반적으로 사용됩니다. Xu Xiangyang 외 연구진은 플라즈마 분사된 WC/18Co 코팅의 마찰 마모 메커니즘을 연구했습니다. 결과는 마찰 마모의 초기 단계가 접착 마모에 의해 지배되며, 코팅의 높은 경도와 강한 비접착 특성으로 인해 마모가 최소화된다는 것을 보여주었습니다. 안정적인 단계에서는 피로 박리와 취성 균열 박리가 주요 마모 메커니즘이 되며, 코팅의 취성 및 낮은 입자 간 결합 강도가 마모를 증가시킵니다. 코팅 내 산화물 포함물은 불충분한 마찰 마모 저항의 주요 원인입니다.

4. 비정질 코팅의 현재 연구 상태

비정질 재료는 장거리 무질서와 단거리 질서를 특징으로 합니다.

샹 싱화 외 연구진은 플라즈마 분사법을 사용하여 Fe 기반 비정질 합금 코팅(실리콘, 붕소, 크롬, 니켈 등 포함)을 준비했습니다. 코팅은 균일한 미세구조, 높은 밀도, 낮은 기공률, 최소한의 산화물 함량 및 높은 경도를 나타내었으며, 미세경도는 530에서 790 HV0.1 범위에 있었습니다. 코팅은 기판과도 좋은 결합을 보였습니다.

다른 연구들은 폭발 분사된 Fe-Cr-B 합금 코팅의 미세구조와 마모 저항성을 조사했습니다. 결과는 코팅이 우수한 마모 및 부식 저항성을 가지고 있음을 나타냈습니다. 슬라이딩 마모 동안 동적으로 생성된 비정질 표면 필름이 마모 저항성을 크게 향상시키고 마찰 계수를 감소시켰습니다.

요약하자면, HVOF, 플라즈마 분사, 아크 분사 및 폭발 분사를 사용하여 금속, 세라믹, 금속-세라믹 및 비정질 내마모 코팅을 적용하는 것은 기판 재료의 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.