1. 서 론

철강 산업은 기계 건설, 자동차, 조선산업을 비롯한 대 부분 산업에 기초적인 소재를 공급하는 산업으로써 철광 석과 scrap 등을 용해하여 빌렛, 봉형강, 철근 등을 만들어 내는 산업이다. 철강 압연 롤 및 철강 판재 운반용 롤은 철강재를 생산하기 위한 필수용품이며 내마모성 및 내열 성 등이 필요하여 현재 일부 국산화가 진행되고 있으나 대표적인 핫 코일을 이송하는 컨베이어 롤인 run-out table roller, unit roller 등 대부분의 철강 판재 이송 및 운반용 롤은 거의 수입에 의존하고 있다[1-5]. 이러한 이송 및 운 반용 롤의 경우 대부분 원재료 가격이 높을 뿐만 아니라 하나의 라인에 다수의 롤이 적용되어 작동하므로 문제 발 생 시 라인 가동 중단에 따른 조업 차질이 발생하게 된다.

세계 여러 나라에서는 기존의 원심주조와 CPC(Counter Pressure Casting)공법으로 롤을 생산하고 있고 최근 국내/ 외 철강기업에서는 용사 기술을 통해 내구성과 내마모성 [6-8] 을 높여 생산성을 극대화시켜 활용하고 있다. 게다가 용사 기술은 모재의 재질과 상관없이 금속의 경우 모두 적용할 수 있기 때문에 롤뿐만 아니라 모든 제품군에서 적용할 수 있다. 용사 기술의 경우 해외 다수 기업에서 기 술을 보유하고 있지만 국내업체가 수입재를 사용한다면 적기에 수급이 어렵고 생산에 큰 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 국내 다수의 기업에서도 용사 기술을 적극적으 로 개발중에 있으며 현재는 독일 및 일본과 기술 및 품질 적인 차이를 조금씩 줄여나가고 있다. 국내 용사 기술이 점차 활용된다면 적재적소의 시기에 제품 납품하여 경쟁 력 확보 및 생산성 향상을 기대할 수 있기 때문에 절대적 으로 개발이 필요하다[9, 10].

롤은 환경적으로 고온 열연강판과의 연속적인 접촉으로 인해 마모가 발생하고 이송되는 중 냉각을 목적으로 분사 되는 냉각수로 인해 고온 강판은 부식될 우려가 있다. 이 때, 부식에 의한 열연 스케일이 롤러 표면에 소착되어 열 연 강판 품질을 저하시키는 주 원인으로 작용한다. 이러한 결함으로 인해 롤러 교체 주기가 짧아지면 생산성이 떨어 지고 비용 절감이 어렵다[6-11].

이러한 문제점을 해결하기 위해 롤러 수명을 연장하고 우수한 내식성, 내열성을 부여할 수 있는 기계적 합금화법 [12] 중 하나가 자용성 합금용사(powder flame spray)이다. 합금분말을 고온의 열원을 통해 모재 표면에 protective coating이나 bulk shape를 제조하는 용사 방법은 두꺼운 코 팅층을 빠른시간 내에 표면처리 할 수 있고 내부식성과 내마모성을 위한 공법에 사용된다[13].

이에 본 연구를 통해 상용합금인 Ni, WC 금속 분말을 이용하여 자용성 합금 용사 기술에 적용하기 위해 1차적 으로 SEM, EDX를 통해 상용 합금 분말 특성을 파악하여 선정한다. 이후 상기 분말을 사용하여 용사 작업 조건을 선정하고 용사를 실시하여 제작된 시편으로 경도 측정, 모 재의 거칠기에 따른 용사층 접합 강도 확인, 작업조건에 따른 경도 측정 및 충돌해석 시험을 진행하였다.

2. 실험방법

본 연구에서는 6가지의 상용 합금 분말을 이용하여 자 용성 용사 기술에 적용하였으며 분말 종류 및 제조사 등 관련 내용은 [표 1]에 나타내었다.

Table 1

Ni-base alloy powder characteristics

분말 형상 입형 및 성분 등을 조사하기 위해 SEM과 EDX분석을 하였고 합금 분말 경도 시편을 제작하여 비커 스 경도기를 이용하여 각 시편의 경도값을 측정하였다. 분 말 특성에 대한 분석이 끝난 뒤 powder flame spray 공정 을 이용한 용사 시편을 제작하였다. 시편 제작 전 최적의 용사 작업 조건을 선정하기 위해 3가지 가변 조건으로 실 험을 진행하였다. 작업 조건의 경우 용사 산업에서는 아세 틸렌, 산소 양과 용사 건 거리로 조절하는 경우가 많기 때 문에 3가지 변수를 가변 조건으로 설정하고 작업 조건에 따른 분사 특징과 경도값을 분석하였다. 용사 작업 조건 변수는 [표 2]와 같다.

Table 2

Working parameter for optimal working conditions

용사 시편 제작 시 모재는 [표 2]와 같이 STKM13A와 SCM440을 사용하였으며 각각의 모재에 합금 분말을 용 사하여 용사 시편을 제작하였다.

용사 코팅층의 경도가 높더라도 모재층과의 접합강도가 낮으면 쉽게 코팅층의 박리가 발생할 수 있기 때문에 모 재와 용사시편 코팅층의 접합강도를 측정하였다. 용사 전 시험편 조도 측정을 위해 먼저 시편에 대한 샌드블라스트 를 진행하였다. 용사 시편 제작 전 모재의 조도값이 접합 강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 조도값 Ra 4.4~4.8 인 경우와 Ra 5.0~5.5인 경우 두 가지로 전처리 작업을 하 였다. 샌드블라스트의 경우 0.5~1.0 mm 크기의 aluminum oxide를 사용하여 4.0~5.0 kg/cm²의 압력으로 100~150 mm 의 거리를 유지한 채 45~90° 각도로 tilting하면서 작업을 진행하였다. 표면거칠기의 정확한 측정을 하기 위해 수준 기로 수평을 맞춘 후에 컷오프 값은 0 .8 mm로 기준길이는 컷오프 값의 5배인 4mm로 범위 값은 25 um로 설정하였 으며 시험편 표면과 단면을 알코올로 세척한 후 측정 테 이블 위에 올려놓고 이송 장치를 작동시켜 측정하였다. 이 송 장치로부터 산술 평균 거칠기(Ra) 측정하여 증폭기 및 기록기를 거친 다음 산술 평균 거칠기 값을 3회 측정한 평 균값을 데이터로 사용하였다.

용사 시편 제작 후에는 모재와 코팅층 사이의 접착력을 확인하기 위해 접합 강도 시험을 실시하였다. 용사 층 접 합강도 시험의 경우 표준 공인 시험법이 없기 때문에 산 업현장에서 주로 사용하는 방법으로 진행하였다. 비커스 경도 측정기를 이용하여 용사층과 모재의 경계면에 대면 각이 136°인 다이아몬드 입자를 하중 5 kg, 유지시간 15초 로하여 압입한 후 경계면의 균열 발생 여부를 확인하였다. 이 때 객관적 신뢰도를 확보하기 위해 10개 시험편에 대 한 접합 강도시험을 실시하여 적합 여부를 판단하였다. 마 지막으로 용사 과정에서 합금 분말이 모재와 충돌 시 모 재 표면에 발생하는 잔류응력을 평가하기 위해 시뮬레이 션을 진행하였다. Radioss라는 비선형 충돌해석 프로그램 을 사용하였고 Ni base와 Ni base +WC 두 가지 합금 분 말에 대해 잔류응력이 최소화되는 용사 건 거리를 시험하 였다.

3. 실험결과

[그림 1]은 6가지 합금 분말의 SEM결과를 나타내었다. WOKA 3102 상용합금 분말은 WC 88%로 실험에 사용되 고 있는 다른 상용 합금 분말들과는 달리 미세 분말이 agglomeration을 거쳐 제조된 분말 형태를 이루고 있으며 그 외 나머지 상용합금 분말은 Ni base로 gas atomization 공정으로 제조된 분말의 형태를 이루고 있다. 일반적으로 agglomeration 공정으로 제조된 분말의 경우 통상 주된 입 자크기보다 상당히 큰 겉보기 입자크기를 나타내는 복수 의 입자가 서로 밀접하게 붙어서 된 모임으로 정의한다 [14]. 조립된 분말의 밀도는 공극량에 따라 상대적으로 달 라지게 되며 소결시 국부적인 밀도 불균일 가능성이 크게 된다. 따라서 용사 후 균일한 기계적 특성을 발휘하기 위 해서는 열처리 등 추가 공정이 필요할 것으로 보이며 이 에 따른 공수 증가 및 작업성 등에도 악영향을 미칠 수 있 을 것으로 판단되어 본 용사 시험에서는 제외하였다.

Fig. 1

SEM analysis for each powder.

[그림 2]와 같이 상용합금 분말을 EDX 분석한 결과 상 용합금 분말 data sheet와 큰 차이는 없는 것으로 보이나 분말 종류에 따라 관련 sheet에 비해 점 분석 결과 부위에 따라 다소 성분 차이는 있는 것으로 판단되었다. 이는 점 분석의 경우 분말 각각의 성분 특성으로 검사 부위 및 분 말에 따라 다소 차이가 나타나기 때문으로 판단되며 면 분석의 경우는 sheet값과 거의 유사한 것으로 판단된다. 하지만 Powder flame spray용사 코팅 후 fusing 공정 시 가열에 따른 확산으로 성분 균일화가 가능한 것으로 판단 되며 적용상의 문제점은 없는 것으로 파악하였다.

Fig. 2

EDX analysis for each powder.

[표 3]과 같이 경도 값이 가장 낮은 합금 분말은 1355- 20으로 698.9 Hv이고 가장 높은 경도를 가진 합금 분말은 1360-20으로 998.5 Hv로 나타났다.

Table 3

Hardness analysis for each powder

경도 측정 시 편차가 있는 것으로 나타나는데 합금 분 말의 입도가 다양하여 경도 측정 시 편차가 많이 발생하 게 되어 평균 경도 값이 낮은 것으로 판단된다. 또한 합금 분말 시편 제작 시 그라인딩을 하게 되면 절삭된 분말의 표면이 다양한 형태로 나타나고 각 표면에 위치한 분말마 다 깊이가 다르기 때문에 그 편차가 더 크게 나타날 수 있 는 것으로 판단된다.

합금 분말 특성 파악 후 용사 시편을 제작하였다. 시편 제작 시 용사 작업조건 선정을 위해 산소, 아세틸렌 양은 각각 1 kg/cm², 2 kg/cm², 3 kg/cm²으로 조건을 변화시켜 용사 작업을 수행한 결과를 아래에 나타내었다.

• 1. 산소 양이 부족한 경우 [그림 3], [그림 4], [그림 5]의 산소 양 1 kg/cm²과 같이 불안전 연소되어 붉은색의 불꽃을 일으키며 합금 분말이 분사되지 않았고 과다 한 경우 산소 양 3 kg/cm² 과 같이 점화되지 않거나 점화되더라도 푸른색의 불꽃을 일으키며 과도하게 연소되었다.

• 2. 아세틸렌 양이 부족한 경우 [그림 3], [그림 4], [그림 5]의 아세틸렌 양 1 kg/cm²과 같이 낮은 열원으로 인 해 합금 분말이 정상적으로 용융되지 않은 상태에서 분사되었고 과다한 경우 아세틸렌 양 3 kg/cm²과 같 이 연소가 되지 않거나 높은 열원으로 인해 합금 분 말이 완전히 용융되어 모재와 충돌 시 적층되지 않고 흘러내리는 현상이 발생하였다.

• 3. 산소, 아세틸렌 양이 동일한 상태에서 용사 건 거리 가 2 0 0mm와 같이 너무 가까운 경우 용사 건과 모재 사이의 거리가 가까워 분사 시 합금 분말이 비산되었 고 3 00mm와 같이 너무 멀어지면 합금분말이 제대로 적층되지 않았다.

Fig. 3

Powder flame spray characteristics according to the amount of oxygen and acetylene at distance of 200 mm.

Fig. 4

Powder flame spray characteristics according to the amount of oxygen and acetylene at distance of 250 mm.

Fig. 5

Powder flame spray characteristics according to the amount of oxygen and acetylene at distance of 300 mm.

Table 4

Hardness analysis for each specimen of powder flame spray

종합적으로 분석한 결과 산소 양 3 kg/cm², 아세틸렌 양 2 kg/cm², 용사 건 거리 250mm 조건이 가장 최적화 조건 으로 판단되었다. 참고로 아세틸렌 양 3 kg/cm²을 초과하 는 경우 산소 양보다 크게 되어 역류하는 현상이 발생하 므로 최적화 조건에서 제외하였다.

용사 시편을 제작한 뒤 경도 측정을 진행하였다. [그림 6]과 같이 경도 측정 결과 합금 분말과 용사 시편 코팅층 경도 경향 차이가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 합금 분 말의 경도는 1360-20이 가장 높은 반면 용사 시편의 경우 METCO 31C가 가장 높았다. 이는 재용융(fusing)과정 중 합금 분말들이 반 용융상태에서 응고되면서 원자들의 확 산으로 인해 경도 경향 차이가 발생할 수 있다. 또한 STKM13A와 SCM440의 2종류를 모재로 사용하였는데 모 재의 종류와는 관계없이 비슷한 경도 경향을 보였다. 이는 용사 코팅층의 경도는 모재의 종류와는 관계가 없는 것을 확인할 수 있었다. 용사 작업조건에 대한 경도 측정 결과 아세틸렌과 산소 양이 적거나 과한 경우에는 점화가 되지 않거나 불완전 연소가 되어 합금 분말이 분사되지 않았다. 용사 건 거리가 250mm이고 아세틸렌 양이 2 kg/cm²이고 산소양이 3 kg/cm²인 경우가 가장 높은 경도 경향을 나타 내었다.

Fig. 6

Hardness deviation between powder and specimen of powder flame spray.

[그림 7]과 같이 조도값 Ra 4.4~4.8인 경우 METCO 31C에서는 모두 균열이 발생하였고 1360-20 역시 몇 개의 시편에서 균열이 발생하였다. 하지만, [그림 8]과 같이 Ra 5.0~5.5인 경우 METCO 31C와 1360-20 모두 균열이 발생 하지 않았다.

Fig. 7

Bond strength analysis under a load of 5 kg on roughness value 4.4~4.8 (left :METCO 31C, right : 1360-20).

Fig. 8

Bond strength analysis under a load of 5 kg on roughness value 5.0~5.5 (left :METCO 31C, right : 1360-20).

따라서 시험편의 조도값이 Ra 5.0~5.5인 경우 접합강도 가 높은 전처리 조건으로 확인하였다. Powder flame spray 용사 코팅은 모재의 종류와는 상관없이 용사 코팅 전 전 처리 조건에 따라 접합강도가 결정되는 것을 확인하였다.

마지막으로 용사 건 거리에 따른 충돌해석 시험을 진행 하였다. 용사 작업 조건에 대한 경도 측정과 유사하게 용 사 건 거리에 따라 합금 분말들의 비산되는 정도가 다른 것을 시뮬레이션에서도 동일하게 확인할 수 있었다. 최종 적으로 [그림 9]와 같이 Ni base 합금 분말의 경우 용사 건 거리가 250m m일 때 모재가 받는 잔류응력의 경향이 가장 낮음을 확인할 수 있었다.

Fig. 9

Residual stress result of the base-metal according to the powder flame spray gun distance of Ni base alloy. From the left, the spray gun distance 200 mm, 250 mm, 300 mm.

[그림 1 0]과 같이 Ni base + WC의 경우 Ni base와는 다 른 경향을 나타내었다. 용사 건 거리가 멀어질수록 잔류응 력이 낮아지는 것으로 나타나는데 이는 WC와 Ni합금분 말의 밀도 차이 때문으로 보였다. 또한 Ni과 WC합금 분 말을 비교했을 때 WC가 첨가되지 않은 Ni base 합금 분 말인 경우가 전반적으로 모재에 발생하는 잔류응력 값이 낮은 경향을 보였다.

Fig. 10

Residual stress result of the base-metal according to the powder flame spray gun distance of Ni and WC base alloy. From the left, the spray gun distance 200 mm, 250 mm, 300 mm.

4. 결 론

본 연구에 사용된 합금 분말 시료들은 상용 합금 분말 로써 실제 산업에서 많이 사용되고 있는 합금 분말들이다. 다만, 연구 목적에 맞게 철강 판재 이송 및 운반용 롤은 높은 내구성과 내식성, 내열성을 요한다. 이에 따라 여섯 가지 상용합금 분말 중 가장 경도가 높은 코팅층을 가지 는 합금 분말을 선별할 수 있었고 이들 합금 분말들을 이 용하여 실제 자용성 합금 용사공법(Powder flame spray)을 통해 철강 모재 위에 코팅층을 생성하였다. 또한, 최적의 용사 작업 조건을 도출하기 위해 아세틸렌과 산소 양 그 리고 용사 건 거리를 가변 조건으로 설정하여 용사 작업 조건에 따른 합금 분말 분사 경향과 경도를 확인할 수 있 었다. 마지막으로 용사 코팅층과 모재의 계면의 접착강도 를 측정하여 코팅층이 벗겨질 위험이 없는지 확인하였다.

이러한 실험을 통해 다음과 같은 주요한 결론을 얻었다.

• (1) 합금 분말과 용사 시편에 대한 경도 경향 차이가 발 생하였는데 이는 용사 과정 중 합금 분말이 재용융 (fusing)되면서 원자들의 확산에 의해 경도 경향 차이 가 발생하여 분말 경도에 비해 경도값 범위는 줄어 드는 것으로 나타났다.

• (2) 용사 코팅층의 경도는 모재의 종류와는 관계없고 작 업 조건(아세틸렌, 산소 양, 용사 건 거리 등)에 따라 서 경향 차이가 발생하였다. 특히 작업 변수 중에서 용사 건 거리가 용사 시편 경도에 미치는 영향도가 큰 것으로 확인되었다.

• (3) 모재의 조도값은 용사코팅층과의 접합강도에 큰 영 향을 미치는 것으로 판단되어 본 연구 결과 모재의 조도값이 큰 경우 용사 코팅층과의 결합력을 높일 수 있었으며 용사 작업 전 모재 표면에 대한 전처리 가 필요함을 알 수 있었다.

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