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HOME > 용사의 정의 > 용사란 |
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기술혁신의 역사는, 기술에 사용되는 재료개발의
역사이다. 최근 고도의 복잡한 기술은, 여러 가지의 기능을 가지는 재료를 필요로 하고 있다. 단일소재로
다양한 기능을 발휘하는 재료를 제작하는 것은 어려운 일이다. 하지만 소재가 가지고 있는 특성을 살리면서
재료표면에 피복이 가능하다면, 단일소재에 결함을 보완할 수 있으며, 새로운 기능을 부여할 수 있다.
상기의 대응책으로 현재 많은 표면처리법이 개발되고 있으며, 표면처리법중 하나인 용사법은 산업전반에
걸쳐 폭넓게 이용되어 오고있다.
용사(Thermal Spray, 溶射)란 분말 혹은, 선형재료를 고온열원으로부터 용융액적으로 변화시켜
고속으로 기재에 충돌시켜 급냉응고 적층한 피막을 형성하는 기술이다. 재료의 가열, 용융을 위해 에너지
밀도가 높은 연소화염, Arc 및 플라즈마 등의 열원을 필요로 한다. 용사는 성질이 다른 재료로
기재표면에 피막을 형성하는 기술은 기재가 보유하고 있는 특성을 살리고, 결함을 보완할 수 있으며,
재료기능의 다양화 및 고도화를 가능하게 하는 표면처리법의 하나이다.
용사법을 이용하면 고속으로 두꺼운 피막형성이 가능하며, 금속, 세라믹, 유리 및 플라스틱 등의 재료를
사용할 수 있다. 그리고, 재료의 종류 및 용사공정의 독자적 특징을 잘 이용하는 것으로부터 다른
방법을 이용해서 얻을 수 없는 표면층을 만들어 낼 수 있다.
제품의 고급화 및 수명연장을 위하여 용사법, 장치구성, 용사공정 특징 및 현상, 사용된 재료와 피막의
성질에 대한 이해가 요구된다. |
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용사법은 1910 년대, 스위스의 M. U.
Schoop가 별개의 연소열원으로 가열된 압축공기의 제트내에 용융된 납을 공급한 용탕식 용사법을
시작으로, 화염을 이용한 가스식 용사(Gas Flame Thermal Spray), 아크 열원을
이용한 전기식 용사(Arc Thermal Spray)가 실용화되었다. 초기의 용사에는 Zn 등과
같이 주로 내식성이 양호한 연금속 피막이 사용되었으나, 시간의 경과와 함께 경금속피막이 주류를 이루게
되었다. 1950년대는 플라즈마 제트가 개발됨에 따라 그 용사온도가 10,000 K의 플라즈마 용사법(Plasma
Thermal Spray)으로 발전되었다.
또한 우주항공산업의 발달로 새로운 내화재료가 폭넓게 이용되기
시작하였고, 폭발용사(Detonation Thermal Spray)같은 새로운 기술이 개발되었다.
1960년대는 용사의 물리적 해석이 연구되었다.
그 후, 1973년에 진공 플라즈마 용사(Vacuum
Plasma Spraying, VPS)가 개발되면서 용사기술이 산업전반에 걸쳐 폭 넓게 응용되기
시작하였으며, 1980년 개발된 고속 화염용사(High Velocity Oxy-Fuel Spraying,
HVOF)는 혁신적인 개발이었다고 할 수 있다. |
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표면개질법 혹은 표면처리법은 도금 및 용융부침법등의
습식법, CVD,PVD, 이온주입 및 Spattering성막의 건조법등 여러 방법이 있지만, 용사법은
다음과 같은 특징을 가지고 있다.
 피막속도가 빠르고, 두꺼운 피막형성이 가능하다.
액막화의
한계는 피막중의 잔류응력과 입자간의 결합력 대소에의 해 결정된다. 입자간의 결합력이 잔류응력을 상회하면
피막은 파괴된다. 잔류응력의 대응책은 10 mm 이상의 피막두께로 가능하다, 액막화의 한계는 용사된
분말의 직경에 의존한다. 피막중에는 미용융 입자가 존재하기 때문에 이를 고려하여야 한다.
피막형성에
이용되는 재료의 자유도가 크다.
용사재료로 이용할 수 없는 것은 낮은 융점과 고온에서 열분해 및
승화가 일어나는 재료이다. 금속, 합금, 금속간 화합물, 세라믹 및 플라스틱등의 재료가 이용되며,
표면에 부여되는 특성도 다양하다.
피복사용 재료의 종류, 형상 및 치수에 대한 자유도가 넓다.
금속, 세라믹, 유리, 목재, 플라스틱 및 종이 등의 표면에 피막형성이 가능하다. 용사시스템의 이동이
간단하므로 특정부분에도 적용이 가능하다. 하지만, 용사Gun으로부터 보아 사각이 나타나는 복잡한
형상에 대한 적용은 곤란하다.
피막형성시 소재변형 및 재질변화가 적다.
처리중의 소재의 온도를
제어할 수 있기 때문에 재료의 열변형 산화 및 열분해에 의한 소재변형이 적다.
복합피복을 형성이
용이하다.
복수재료의 동시 혼합분사가 가능하므로, 다층피막과 조성이 다른 피막형성이 가능하다.
비평형상태의 조직이 가능하다.
피막의 용적이 급냉응고하여 적층을 형성되기 때문에 비정질인 비평위
조성을 얻을 수 있다. 종래 재료에서 볼 수 없는 성질을 발견할 수 있다.
다공질이 형성된다.
피막내에 기공이 존재하며, 다공질을 처리하기 위해 윤활재를 침투시켜 자기윤활성 피막을 얻을 수
있으며, 기공과 응력순화에 이용이 가능하다. 기공이 존재하면 내식성 및 기계적 강도가 약해진다.
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표면개질법은 일반적으로 (1) 피막의 밀착성을
확보하는 전처리 (2) 소재의 피막을 형성하는 용사시공 (3) 용사후의 피막특성을 향상시키는 후처리의
3개의 공정으로 나누어진다.
용사공정은 목적, 이용된 재료 및 방법에 따라 공정의 일부분을 생략할
수 있다. |
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용사는 단시간에 입자의 가열, 가속, 용융,
충돌, 변형, 응고 및 냉각의 과정을 반복한다. 공정의 제어는 피막의 수명 및 품질에 직접적인 영향을
미치기 때문에 용융입자 및 가스의 유동현상을 반드시 파악하여야 한다.
즉, 고부가가치 용사피막을
얻기 위하여서는 반드시 입자 및 가스의 속도, Vortex와 입자의 관계, 용융입자의 직경 및 온도,
Barrel길이 및 직경에 따른 화염의 유동현상, 화염의 길이 및 온도, , 연소현상, 입자의 입도분포
등 국부적인 연구가 요구된다. |
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