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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.1 pp.52-58
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.1.52

Effect of Laser Heat-treatment on WC-CoFe Coated Surface by HVOF

Yunkon Joo2, Jaehong Yoon1, Jehyun Lee1,2†
1Department of Materials Science and Engineering, Changwon National University, Changwon, Gyeongnam 641-773, Republic of Korea
2Engineering Research Center(ERC) for Integrated Mechatronics Materials and Components, Changwon National University, Changwon, Gyeongnam 641-773, Republic of Korea
Corresponding author
E-Mail : ljh@changwon.ac.kr (J. Lee, Changwon Nat'l Univ.)
November 26, 2018 December 13, 2018 December 13, 2018

Abstract


The microstructure, hardness, and wear behaviors of a High Velocity Oxygen Fuel(HVOF) sprayed WC-CoFe coating are comparatively investigated before and after laser heat treatments of the coating surface. During the spraying, the binder metal is melted and a small portion of WC is decomposed to W2C. A porous coating is formed by evolution of carbon oxide gases formed by the reaction of the free carbon and the sprayed oxygen gas. The laser heat treatment eliminates the porosity and provides a more densified microstructure. After laser heat treatment, the porosity in the coating layer decreases from 1.7% to 1.2 and the coating thickness decreases from 150 μm to 100 μm. The surface hardness increases from 1440 Hv to 1117 Hv. In the wear test, the friction coefficient of coating decreases from 0.45 to 0.32 and the wear resistance is improved by the laser heat treatment. The improvement is likely due to the formation of oxide tribofilms.



초고속화염용사 WC-CoFe 코팅층의 레이저 표면 열처리 효과

주용곤2, 윤재홍1, 이재현1,2†
1창원대학교 신소재공학부, 2창원대학교 메카트로닉스 융합부품소재 연구센터(ERC)

초록


    Changwon National University

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    고속화염용사 cermet 코팅은 마모나 부식 환경에서 사 용되는 부품들의 수명 향상에 이용되고 있다. HVOF 용 사 코팅층의 밀도가 높고, 기판과의 높은 접착력, 코팅 층의 높은 결합력 및 강한 반응과 상 변태 그리고 높 은 압축 응력 등의 장점을 가지고 있다.1-3) 그러므로 이 용사법은 적당한 공정 온도와 높은 용사 속도 때문에 특 성이 우수한 cermet 코팅을 생산하는데 널리 이용되고 있다.4) WC계 및 Co-alloy 용사 코팅은 부식, 마찰, 마 모 및 침식 저항성이 요구되는 산업 현장에 널리 사용 되고 있다. WC 입자는 코팅의 높은 경도와 높은 내마 모성을 부여하고, Co, Ni, Cr 및 이들 합금 바인더(접합 제)는 코팅층의 높은 결합력을 부여한다. HVOF 코팅의 특성은 사용되는 분말뿐만 아니라 용사 인자의 영향을 받는다.5,6) Cermet 코팅의 마모 속도는 분말의 형상, 탄 화물의 분산 및 크기, 탄화물의 경도 같은 여러 가지 요 인에 의해서 제어된다고 보고 되어왔다. 비록 경도가 2,400 Hv인 WC가 존재하지만, WC-CoCr의 HVOF 용사 코팅의 경도는 1,200 Hv 보다 낮다.7,8) 더욱이 플라즈마 용사 및 화염 용사 보다 고속화염용사가 코팅과 기판의 부착력이 매우 우수하지만, 열악한 계면 특성 때문에 사 용에 한계가 있다.9,10) 그러므로 용사 코팅의 기공도를 감 소시키고, 기계적 특성을 개선하기 위한 열처리가 필요 하다. 현재 일반적인 열처리 법은 진공 열처리 방법이 다. 그러나 상용화된 열처리 법은 용사 코팅의 기계적 마모 저항성을 향상 시키지 못하거나 아주 미세하게 증 가를 시킬 뿐이다.11,12) 레이저 열처리는 코팅의 밀도, 강 도, 화학적 안정성 및 다른 기계적 특성을 향상 하는데 사용되어 왔다.13,14)

    본 연구에서는 WC-CoFe 분말을 사용하여 HVOF 코 팅 후 레이저 열처리를 실시하여 레이저 열처리가 용사 코팅의 미세구조, 기공도, 경도 및 내마모성에 미치는 영 향을 조사하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 시편제작

    기판은 바인더 층의 코팅 없이도 강한 접착을 하며 부 식 환경에서 사용되는 In718을 사용 하였다. 코팅의 분 말은 Table 1과 같은 화학조성을 가지고, 분무 건조법으 로 제조된 Fig. 1과 같은 형상과 상분포를 가진 WCCoFe 상용분말을 사용하였다. JK3500 HVOF 장비를 사 용하여 4개의 용사 변수(수소유속, 산소유속, 분말 공급 량, 용사거리) 각각에 대한 3 수준의 다구치 실험계획법 으로 만든 9개의 코팅 공정으로 코팅하였다. 그 결과 최 고의 표면특성을 얻을 수 있는 Table 2와 같은 최적용 사코팅공정을 얻었다.

    이 코팅층의 특성 향상과 모재와 코팅간의 부착력을 높 이기 위하여 5 kW TJ-HL-T500 장비를 이용하여 대기 중에서 출력밀도 20 W/mm2로 CO2 레이저 열처리를 실 시하였다. 레이저 빔(파장 10.6 μm, 타원 5 mm× 4 mm) 을 시편의 18.5 mm 위에서 4 mm 지름 방향으로 400 mm/min 속도로 조사하였고, 시편은 레이저 spot에서 0.6 초 동안 가열 된다. 레이저 초점의 온도 분포는 950- 1,200 °C이며 시편 전체가 가열되지 않아 시편(기판)의 구 조 및 특성은 변하지 않는 열처리 장점이 있다. 시편의 산화를 방지하기 위해서 레이저 가열 영역에 아르곤 가 스(10 MPa, 5 L/min)를 흘렸다. 레이저 열처리 전과 후 에 150 °C에서 2시간 동안 열처리 하였고, Table 3에 레 이저 열처리 조건을 나타내었다.

    2.2 코팅층 분석

    코팅층은 광학현미경, 주사전자현미경(scanning electron microscope: SEM, JSM-6510, JEOL), 에너지분산형분광 기(energy dispersive X-ray spectrometer: EDS, JAX - 860, JOEL) 및 X선 회절분석기(X-ray diffraction: XRD, X’Pert PRO MPD, PANalytical)를 이용하여 미세조직, 조성 및 결정구조를 분석하였으며, 경도측정기(micro vickers hardness tester, Matsuzawa, MXT-70)로 코팅층 단면 중심부에서 15회 측정한 후 측정치가 가장 큰 값 과 작은 값을 소거하고 평균값으로 경도 값을 산출하였 으며, SEM을 사용하여 얻은 코팅층의 조직사진을 영상 분석기(image analyzer)를 통해 분석하여 코팅층의 기공 도를 얻었다. 최적용사코팅공정기술(OCP)로 제조된 코팅 과 레이저 열처리 코팅의 마찰/마모 성능을 비교하기 위 하여 ball-on-disk 마찰마모시험기(UMT-2MT)로 시험하였 고, 마찰/마모 시험은 시험편의 초기 표면 거칠기의 영 향에 민감하여 시편의 표면을 1 μm의 다이아몬드 연마 제를 사용하여 경면으로 연마하였다. 마찰/마모 시험 조 건은 상대재로 직경 2 mm인 Si3N4 볼을 사용하였고, 상 온에서 마찰속도 0.08 m/s, 20N의 하중을 가해 실시하면 서 마찰계수를 측정하였고, 마모시험 후 SEM을 이용하 여 마모흔을 관찰하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 분말의 특성

    분무 건조법으로 제조된 WC-CoFe 분말의 미세구조, 성분분석 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 고속화염용사 코 팅 공정에 사용되는 분말은 15에서 45 μm 크기가 많이 사용된다. 분말의 크기가 너무 작으면 유동성이 매우 낮 고 응집 현상 때문에 분말이송에 문제점이 발생하고, 45 μm 이상일 경우 분말이 충분이 용융되지 않아서 코 팅 효율이 떨어진다.6,7) WC-CoFe 분말의 평균 입도는 20에서 40 μm의 분포를 나타내었으며, 형상에서는 대부 분의 분말이 구상으로 형성되어져 있어, 코팅에 적합한 분말임을 알 수 있었다. 분말은 세라믹 특성을 가진 고 경도의 WC 입자가 바인더 역할을 하는 Co와 Fe 기지 내에 혼합된 형태로 구성되어있다. EDS 관찰 결과 분 말의 주성분인 W, C와 Co가 관찰 되었고, 의도되지 않 은 불순물은 관찰되지 않았다.

    3.2 최적용사코팅 및 레이저 열처리 코팅의 결정구조

    Fig. 2에 분말, HVOF 코팅 및 레이저 열처리 HVOF 코팅의 XRD 결과를 나타내었다. 분말의 XRD 결과 WC 결정상의 강한 회절 피크와 상대적으로 많이 약한 Co 와 Fe 결정상의 회절 피크가 관찰되었다. HVOF 코팅 에서는 여전히 강한 WC 결정상의 회절 피크가 관찰되 었지만, Co와 Fe 결정상의 회절 피크는 감소하여 거의 알아보기 힘들었고, 분말에서는 존재 하지 않았던 W2C 결정상의 회절 피크가 매우 약하게 나타났다. 이는 초 고속화염용사 동안 액적은 고온(최고 3,500 °C)의 화염 속 을 0.1-1 ms 비행하는 동안 금속탄화물(WC)의 일부가 분 해되기 때문이다. WC상태도에 의하면 WC는 1250 °C에 서 2WC→ W2C + C 분해반응이 발생하여 W2C와 C로 상분해가 일어나기 때문이다.4-6) LH 코팅에서도 여전히 강한 WC 결정상의 회절 피크가 관찰 되었고, 레이저 열 처리 동안 WC 금속탄화물이 W과 C로 분해가 발생하 여 HVOF 코팅에서 약하게 관찰되던 W2C 결정상 피크 가 증가 하였다. 용사코팅에서는 보이지 않았던 WO3, Fe2O3 등의 새로운 상의 회절 피크가 관찰 되었는데, 이 는 레이저 열처리 동안 산화가 발생했음을 알 수 있었 다. WC의 탈탄과 산화물이 관찰 되었지만 그 양이 작 기 때문에 코팅층의 기계적 특성에 미치는 영향은 크지 않다고 생각된다.

    3.3 레이저 열처리 전 후 코팅층의 미세구조

    Fig. 3에 용사 코팅층 단면의 표면층과 계면(기판과 코 팅)의 SEM으로 관찰한 미세구조 결과를 나타내었다. 다 양한 크기의 WC-CoFe 분말은 용사코팅 동안 고온의 화 염에 의해 용해 혹은 부분 용해되며 이들 액적(splat)은 최고 약 1,000 m/s의 속도로 기판에 증착 된다.2,5,6) 화염 의 최고온도는 α Co(−4.7 at% C) 용융점 1,321 °C, Co 용융점 1,495 °C 및 WC 열분해 온도 1,250 °C와 WC 용융점 2,785 °C 보다 높으며 W의 용융점인 3,422 °C와 유사하다. 따라서 고융점의 WC 입자(밝은 회색)는 코팅 층에 균일하게 분포하고 회색의 금속바인더 역할을 하 는 저융점의 Co와 Fe는 완전히 용융되어 WC 입자들 사 이를 채우며 코팅층을 형성한다.15,16) 용사코팅은 고온의 화염에 의하여 융융된 액상 입자가 모재에 충돌하여 판 상으로 퍼지게 되고 여기에 후속 용융입자가 적층될 때 생성된 기공과 WC의 열분해로 생성된 탄소(C)는 화학 양론적으로 초과 주입된 산소(O2)와 반응하여 생선된 탄 산가스가 코팅층을 탈출한 결과 생성된 기공이 존재하 는 다공성 코팅이 형성되었다.5,6)

    Fig. 4에 레이저 열처리된 용사 코팅층 단면의 표면층 과 계면(기판과 코팅)을 SEM으로 관찰한 결과를 나타 내었다. 레이저 열처리 후에도 코팅층은 여전히 고경도 의 WC입자를 금속바인더 Co와 Fe로 이루어진 미세구 조로 특별한 변화를 관찰하지 못하였다. 하지만 코팅층 의 표면부에서 관찰되던 기공의 크기와 양이 감소하였 다. 이는 레이저 열처리 동안 발생한 압축 응력과 바인 더 역할을 하는 저융점의 Co가 부분적인 용융을 통해 기공을 채웠기 때문이다.17,18)

    3.4 레이저 열처리 전 후 코팅층의 특성

    Fig. 5에 에칭을 실시하지 않은 코팅의 단면의 SEM 이미지를 나타내었다. 용사 코팅층의 두께는 약 150 μm 이며 코팅층의 대부분의 지역에서 기공이 관찰되었고, 이 미지 분석기로 분율을 측정한 결과 약 1.7 %로 나타났 다. 레이저 열처리 후 코팅층의 두께는 33 % 감소한 100 μm로 나타났고, 기공율도 23 % 감소한 1.3 %로 나 타났다. 이는 레이저 열처리동안 발생되는 고온과 압축 응력에 의해서 코팅층의 기공이 채워졌기 때문이며, 코 팅층의 구조는 매우 치밀해졌다.17,18) Fig. 6

    Fig. 7에 레이저 열처리 전후의 코팅층에 대한 깊이에 따른 경도 측정 결과를 나타내었다. 용사 코팅의 경도 값은 코팅층이 치밀할수록, 코팅층간 혹은 고경도 세라 믹 WC와 바인더 역할을 하는 금속간의 결합력이 클수 록 크게 나타난다. 코팅층의 경도 값은 레이저 열처리 전후 모두에서 기공 및 고경도 WC 상의 영향에 의해 서 표면에서 계면(코팅/모재) 방향에 따라 코팅층의 경 도가 불균일하게 나타났다. 레이저 열처리 후 기공도가 감소함에 따라 코팅층의 경도 값은 1,117 Hv에서 1,440 Hv 크게 증가하였다. 이는 레이저 열처리의 영향으로 기 공이 사라지면서 코팅층이 치밀해졌고, 코팅층을 구성하 는 고경도 세라믹 WC와 금속 바인더의 결합력이 증가 했기 때문이다. 하지만 표면에서 계면으로 갈수록 경도 값이 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 깊이에 따른 레 이저 열처리 동안의 열영향이 감소하기 때문인 것으로 생각된다.

    3.5 최적용사코팅 및 레이저 열처리 코팅의 마찰마 모 특성

    Fig. 8에 마찰마모 시험 중 측정된 마찰계수를 나타내 었고, Fig. 9에 마찰마모 시험 후 마모흔을 SEM으로 관 찰한 결과를 나타내었다. 코팅의 마찰계수는 레이저 열 처리 후 0.45에서 0.32으로 감소하였고, 용사코팅에서 연 삭마모의 결과로 나타난 마모흔이 뚜렷하게 관찰 되었 지만, 레이저 열처리 후 마모흔의 크기가 현저히 감소 하여, 레이저 열처리에 의해 코팅층의 우수함 마찰 감 소 거동과 내마모성을 확인 할 수 있었다. 코팅의 표면 은 마모 시험이 시잘 될 때 미끄럼 접촉을 하게 되고, 이 때 Co상과 Cr3C2 입자는 극심한 변형을 받는다. 변 형된 Co 및 Cr3C2상은 Si3N4의 압축 응력에 의해서 밀 려나가고 기지의 영향이 더 이상 존재하지 않을 때 최 초의 마모 분말이 형성된다. 마모 분말의 일부는 마모 시험 중 손실 되지만, 일부는 접촉면 사이에 포획된다. 포획된 파편 분말은 양쪽 표면에 추가 손상을 발생시키 고, 파편은 마모 테스트 중에 더욱 작은 파편 분말로 파 쇄된다. 따라서 레이저 열처리 코팅에서 WO3상은 입자 의 좋은 부착성과 모재의 좋은 응착성에 기여한 고밀도 마찰 박막을 형성한다. 고밀도 박막은 상대적으로 안정 된 마모 상태로 높은 마모 속도를 감소시키며 추가적인 손상으로부터 표면을 보호한다. 레이저 열처리 후 코팅 의 밀도가 고밀도 마찰박막 형성에 도움이 되고, Co상 사이에서 Cr3C2 및 WC상들의 부착력을 개선시킨다. 접 착 마모 특성의 개선된 특성은 마모 시험 동안 형성된 얇은 산화물 박막 때문이라고 사료된다. 레이저 열처리 후 생성된 WO3 산화물은 마모 시험 중 마찰계수를 감 소시키는 윤활제 역할을 한다.

    4. 결 론

    WC-CoFe 분말을 이용하여 용사 코팅 할 때 레이저 리가 용사층의 미세구조 및 기계적 특성 향상에 미치는 영향을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 분말에는 WC, Fe, Co 결정상이 존재하고, 용사코 팅 중 고온의 화염에서 WC가 분해된 W2C 상이 새롭 게 나타났다. 레이저 열처리 동안 산화가 발생하여 WO3 와 Fe2O3 상이 생성되었고, 열분해 및 재용융의 결과로 W2C상이 증가하였고, Cr3C2 상이 나타났다.

    • 2) 초고속화염용사 코팅에서는 WC의 열분해로 생선된 자유탄소가 산소가 반응하여 생성된 탄산가스를 만들면 서 다공성 코팅이 형성되었고, 레이저 열처리로 의해 금 속바인더가 재용융되어 기공을 채우면서 1.7 %에서 1.3 % 로 감소하였다. 기공도가 감소함에 따라 코팅층의 표면 경도는 1,117 Hv에서 레이저 열처리 후 1,440 Hv로 증 가하였다.

    • 3) WC-CoFe 코팅의 마찰계수는 레이저 열처리 후 0.45에서 0.32로 감소하였고, 연삭마모에 의해 발생한 마 모흔의 크기도 감소하였다.

    • 4) 초고속화염용사코팅에 레이저 열처리를 실시함으로 써 표면 특성; 기공도, 경도, 마찰 특성이 크게 향상 되 었다.

    Acknowledgement

    This research is financially supported by Changwon National University in 2017-2018.

    Figure

    MRSK-29-52_F1.gif

    SEM and EDS analysis of WC-CoFe Powder: (a) and (b) powder morphology and (c) EDS.

    MRSK-29-52_F2.gif

    XRD of WC-CoFe powder (a), HVOF coating (b), laser heat treated coating (c).

    MRSK-29-52_F3.gif

    Microstructures of HVOF WC-CoFe coating near surface (a) and interface (b).

    MRSK-29-52_F4.gif

    Microstructures of LH HVOF WC-CoFe coating near surface (a) and interface (b).

    MRSK-29-52_F5.gif

    Optical micrographs of cross-sections of HVOF WC-CoFe coatings before (a) and after (b) laser heat treatment.

    MRSK-29-52_F6.gif

    Porosity of HVOF WC-CoFe coatings before and after laser heat treatment.

    MRSK-29-52_F7.gif

    Microhardness of cross-section of HVOF WC-CoFe coatings before and after laser heat treatment.

    MRSK-29-52_F8.gif

    Friction coefficients of the (a) HVOF coating and (b) CO2 laser heat treated coating.

    MRSK-29-52_F9.gif

    Wear trace morphology of the (a) HVOF coating and (b) CO2 laser heat treatment.

    Table

    Chemical compositions of WC-CoFe powder and In718 substrate(wt%).

    The Optimal coating process obtained by Taguchi experimental program. (1FRM = 12 scfh = 9.44 × 10−5m3/s).

    Laser heat treatment process.

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