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KR20190097933A - 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프 및 이의 제조방법 - Google Patents

내면에 다층 피복층을 가지는 파이프 및 이의 제조방법 Download PDF

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Publication number
KR20190097933A
KR20190097933A KR1020180017958A KR20180017958A KR20190097933A KR 20190097933 A KR20190097933 A KR 20190097933A KR 1020180017958 A KR1020180017958 A KR 1020180017958A KR 20180017958 A KR20180017958 A KR 20180017958A KR 20190097933 A KR20190097933 A KR 20190097933A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pipe
metal
powder
ceramic
multilayer coating
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Application number
KR1020180017958A
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Inventor
남기석
이기정
이석우
Original Assignee
주식회사 케이엠티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 케이엠티 filed Critical 주식회사 케이엠티
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법이 제공된다. 상기 파이프의 제조방법은, 파이프의 내부로 금속분말 및 세라믹분말이 혼합된 이종혼합분말를 장입하는 제 1 단계; 상기 이종혼합분말에 열에너지를 인가하여 상기 파이프의 내부에서 상기 금속분말의 적어도 일부를 용융시켜 용융금속을 형성하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 단계에서 형성된 용융금속을 냉각시켜 응고시키는 제 3 단계를 포함한다. 상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 세라믹분말은 상기 금속분말에 비해 밀도가 더 작은 값을 가진다.

Description

내면에 다층 피복층을 가지는 파이프 및 이의 제조방법{A pipe having a multilayer coating layer on the inner surface thereof and method of manufacturing the same}
본 발명은 내면에 경도가 매우 높은 금속층과 세라믹층으로 이루어진 피복층이 형성되어 내마모성 또는 내식성 등이 우수한 파이프 및 이를 제조하는 방법에 대한 것이다.
건설, 기계, 화학 기타 여러 분야에서 널리 사용되고 있는 파이프(pipe)는 그 내면의 특성이 중요한 경우가 있다. 예를 들어 높은 경도를 가지는 물질 또는 높은 부식성을 가지는 물질을 이송매체로서 이송하는 경우에 파이프의 내면은 상기 이송매체와의 충돌 또는 화학반응 등에 의해 결함이 발생하거나 부식될 수 있다. 따라서 이러한 문제를 방지하기 위해 통상 파이프의 내면을 표면처리하게 된다. 이러한 표면처리로는 내면을 침탄(carburizing), 질화(nitriding) 및 침붕(boronising) 처리 하는 등의 표면경화방법, 혹은 증착법, 도금법 또는 용사법 등에 의한 피복층 형성 방법등이 있다. 또 다른 방법으로는 내면에 요구되는 특성을 가지는 별도의 파이프를 삽입하여 이중관을 제조하는 방법 등이 사용되고 있다.
그러나 종래의 제조방법들은 제조방법이 복잡하고 제조단가가 높은 문제점 및 사용수명이 짧은 단점을 가지고 있었다. 예를 들어, 표면경화방법을 파이프의 내면에 한정하여 처리하기 힘들기 때문에 파이프 전체를 처리해야하는 대규모 열처리로를 필요로 한다. 증착법은 진공을 필요로 하는 고가의 공정이며, 용사법은 파이프 내부로 용사용 노즐을 투입해야 하므로 복잡한 장치를 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 간단하고 낮은 비용으로도 내마모 및 내식특성이 우수한 금속 및 세라믹 육성층을 구비한 파이프 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법이 제공된다.
상기 파이프의 제조방법은, 파이프의 내부로 금속분말 및 세라믹분말이 혼합된 이종혼합분말를 장입하는 제 1 단계; 상기 이종혼합분말에 열에너지를 인가하여 상기 파이프의 내부에서 상기 금속분말 및 세라믹분말의 적어도 일부를 용융시켜 혼합용융체를 형성하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 단계에서 형성된 용융금속을 냉각시켜 응고시키는 제 3 단계를 포함한다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 세라믹분말은 상기 금속분말에 비해 밀도가 더 작은 값을 가진다.
또한 상기 제 2 단계에서 상기 제 2 단계에서 상기 세라믹분말이 용융되어 형성된 용융세라믹은 상기 용융된 금속 상부에 일정 시간 부유한 상태로 유지되는 단계를 포함한다.
또한 상기 제 3 단계가 완료된 후 상기 파이프의 내부에는 상기 파이프의 내주면에 직접 접촉되는 금속층; 및 상기 금속층의 상부에 형성된 세라믹층을 포함하는 다층 피복층이 형성된다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 이종혼합분말은 Al2O3, MgO, SiO2 및 CaF2를 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 단계에서 상기 세라믹분말의 일부는 용융되지 않고 용융세라믹과 함께 상기 용융된 금속 상부에 일정 시간 부유한 상태로 유지되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 혼합분말에 열에너지를 인가하는 방법은, 상기 파이프의 외주면에 배치된 유도가열부를 이용하여 상기 혼합분말을 유도가열 방법, 화염을 이용하여 가열하는 방법 및 전기저항가열 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 제 2 단계 및 제 3 단계 중 어느 하나 이상에서 상기 파이프의 중심축을 기준으로 상기 파이프를 회전하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 금속분말은 순수한 Fe 분말 또는 Fe 합금 분말을 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 Fe 합금은 Fe를 주성분으로 하고, C, B, Si, Mn, Cr, Mo, Ni, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 합금원소를 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 세라믹분말은 금속산화물계, 금속질화물계, 금속탄화물계 및 금속붕화물계를 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 세라믹분말은 CaO, MnO, Al2O3, SiO2, MgO, Cr2O3 TiO2, ZrO2, Na2O, FeO 및 CuO 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 금속분말은, 50wt% 이하(0초과)의 Cr, 5wt% 이하(0초과)의 B, 10wt% 이하(O초과)의 C 및 잔부가 Fe로 이루어진 합금일 수 있다.
상기 파이프의 제조방법에 있어서, 상기 합금에는 Si, Mn, Mo, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 금속의 총합이 5wt% 이하(0초과) 더 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 내주면의 적어도 일부 영역에 피복된 다층 피복층을 포함하는 파이프이며,상기 다층 피복층은 상기 내주면에 직접 접촉되는 금속층; 및 상기 금속층의 상면에 형성된 세라믹층을 포함하는, 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프가 제공된다.
상기 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프에 있어서, 상기 금속층 및 세라믹층 중 어느 하나 이상은 덴드라이트 구조를 가질 수 있다.
상기 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프에 있어서, 상기 세라믹층은 세라믹 기지 및 상기 세라믹 기지 상에 상기 기지와 상이한 조성을 가지는 세라믹 입자가 국부적으로 존재하는 미세구조를 가질 수 있다.
상기 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프에 있어서, 상기 금속층은 금속 기지 및 상기 금속 기지 상에 금속의 탄화물, 붕화물 및 산화물 중 어느 하나 이상으로 이루어진 입자가 존재하는 미세구조를 가질 수 있다.
상기 내면에 다층 피복층을 가지는 파이프에 있어서, 상기 다층 피복층의 두께는 1mm 내지 20mm의 범위를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프 제조방법에 의하면, 복잡하지 않은 공정을 이용하더라도 기계적 및 화학적으로 우수한 특성을 가지는 세라믹층 및 금속층으로 이루어진 다층 피복층을 파이프 내면에 형성함으로써 종래에 비해 우수한 내마모성 및 내식성을 가지는 파이프를 제조할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프의 제조방법을 단계적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 파이프의 단면도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따라 제조된 파이프의 단면을 광학현미경으로 관찰한 결과이다.
도 6은 파이프 내면에 형성된 금속층 및 세라믹층의 계면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 7은 도 6에 도시된 금속층의 일부를 확대하여 관찰한 결과이며, 도 8은 도 7에 도시된 영역의 성분분석 결과이다.
도 9는 도 6에 도시된 세라믹층의 일부를 확대하여 관찰한 결과이며, 도 10a 내지 10d는 도 9에 도시된 영역의 성분분석 결과이다.
도 11a 및 11b는 도 6에 도시된 금속층의 덴드라이트 구조를 관찰한 결과이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다층피복층의 개념을 도시한 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 발명의 기술사상에 따르면, 금속분말과 세라믹분말이 혼합된 이종혼합분말을 파이프 내부에 장입한 후 상기 이종혼합분말을 국부적으로 가열하여 상기 금속분말 및 세라믹분말의 일부 또는 전부를 용융시키게 된다. 상기 세라믹분말의 밀도(또는 비중)는 상기 금속분말에 비해 더 작은 값을 가지도록 선택한다. 금속분말 및 세라믹분말이 용융되면 용융된 금속 상부로 더 작은 밀도값을 가지는 용융세라믹이 부유하게 된다. 이러한 상태에서 냉각을 통해 용융금속을 응고시킬 경우, 파이프의 내부에는 내면과 직접 접촉되는 금속층과 그 상부에 형성된 세라믹층으로 이루어진 다층 피복층이 형성될 수 있다.
상기 이종혼합분말은 비금속 합금원소 분말, 예를 들어 C 분말 또는 B 분말을 별도로 더 포함할 수 있다. 이러한 비금속 합금원소 분말은 후속되는 공정에서 이종혼합분말을 구성하는 금속분말이 용융된 후 상기 용융금속에 첨가되는 합금원소로서의 역할을 수행하게 된다.
상기 이종혼합분말을 구성하는 금속분말로는 순수한 금속 또는 금속합금의 분말이 사용될 수 있다. 상기 금속합금은 금속을 모재로 하고 이종금속의 합금원소는 물론 탄소(C), 붕소(B)와 같은 통상적인 비금속 합금원소도 첨가된 것으로 포함한다.
상기 금속분말은 한 종류의 금속분말이 사용되거나 또는 여러 종류의 금속분말이 혼합되어 있는 것일 수 있다. 편의상 여러 종류의 금속분말이 혼합되어 있는 경우를 혼합금속분말로 지칭할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속분말은 순수한 Fe 분말 또는 Fe 합금 분말을 포함할 수 있다. 상기 Fe 합금은 Fe를 주성분으로 하고, C, B, Si, Mn, Cr, Mo, Ni, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 합금원소를 포함한 것일 수 있다.
예시적으로 상기 금속분말은 50wt% 이하(0초과)의 Cr, 5wt% 이하(0초과)의 B, 10wt% 이하(O초과)의 C 및 잔부가 Fe로 이루어진 Fe 합금으로 이루어진 분말일 수 있다. 상기 Fe 합금은 추가적으로 Si, Mn, Mo, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 금속의 총합이 5wt% 이하(0초과)로 더 포함될 수 있다.
상기 이종혼합분말을 구성하는 세라믹분말은 금속산화물계, 금속질화물계, 금속탄화물계 및 금속붕화물계 중 어느 하나 이상을 선택할 수 있다. 또한 한 종류의 세라믹분말이 사용되거나 혹은 여러 종류의 세라믹분말이 혼합되어 있는 것일 수 있다. 편의상 여러 종류의 세라믹분말이 혼합되어 있는 경우를 혼합세라믹분말로 지칭할 수 있다.
상기 이종혼합분말을 구성하는 금속분말과 세라믹분말에 있어서, 상기 세라믹분말의 적어도 한 종류의 세라믹은 상기 금속분말을 이루는 금속에 비해 더 작은 밀도를 가져야 한다.
예를 들어, 상기 이종혼합분말이 한 종류의 금속분말과 한 종류의 세라믹분말로 이루어진 경우에는 상기 세라믹분말의 밀도가 상기 금속분말의 밀도에 비해 더 작은 값을 가져야 한다.
다른 예로서, 상기 금속분말이 서로 다른 종류의 금속분말이 2 종 이상 혼합된 혼합금속분말이고, 상기 세라믹분말도 서로 다른 종류의 세라믹분말이 2종 이상 혼합된 혼합세라믹분말이라고 할 때, 상기 혼합세라믹분말의 적어도 한 종류의 세라믹분말은 상기 혼합금속분말의 적어도 한 종류의 금속분말에 비해 더 작은 밀도값을 가져야 한다.
이러한 금속분말과 세라믹분말간의 밀도차이를 나게 하는 것은 후속되는 단계에서 금속분말이 용융되어 액상으로 존재할 경우, 세라믹분말을 용용금속의 상부로 부유시키기 위함이다.
아래 표 1에는 예시적으로 Fe의 밀도와 다양한 금속산화물의 밀도가 나타나 있다.
물질 Fe CaO MnO Al2O3 SiO2 MgO
밀도(g/cm3) 7.9 3.35 5.37 3.95 2.65 3.58
물질 Cr2O3 TiO2 ZrO2 Na2O FeO CaF2
밀도(g/cm3) 5.22 4.23 5.68 2.27 5.74 3.18
표 1을 참조하면, 표 1에 나타난 금속산화물의 밀도값은 금속인 철(Fe)에 비해 낮은 값을 가지고 있다. 따라서 이종혼합분말을 구성하는 금속분말이 주된 성분으로 Fe를 포함할 경우, 상기 세라믹분말로는 CaO, MnO, Al2O3, SiO2, MgO, Cr2O3, TiO2, ZrO2, Na2O, FeO, CaF2 중 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
이종혼합분말을 구성하는 금속분말 또는 세라믹분말의 입도는 20~200 메쉬(mesh) 범위를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 실시예를 따르는 파이프의 제조방법이 단계별로 도시되어 있으며, 이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 구체적으로 본 발명의 실시예에 대해서 기술한다.
도 1을 참조하면, 파이프(110)의 내부로 금속분말 및 세라믹분말이 혼합된 이종혼합분말(100)을 장입한다(제 1 단계).
파이프(110)는 금속재질의 파이프를 포함하며, 대표적으로 강관(steel pipe)일 수 있다.
이종혼합분말은 금속분말과 세라믹분말을 서로 혼합하여 교반한 후 파이프(110) 내부로 장입될 수 있다. 다른 예로서, 금속분말과 세라믹분말을 서로 혼합하고 교반한 후에 소정의 크기로 과립화하여 과립형태로 장입될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 파이프(110) 내부로 장입된 이종혼합분말(100)은 정지되어 있는 파이프(110)의 바닥면에 균일하게 도포된다.
파이프(110)의 외주면에는 이종혼합분말을 가열하기 위한 열에너지 공급원으로서 유도가열코일(120)이 배치되어 있다. 유도가열코일(120)에 의해 유도된 전자기파에 의해 파이프(110) 내부에 장입된 이종혼합분말(100)에 열에너지를 인가할 수 있다.
이종혼합분말(100)에 열에너지를 인가할 수 있는 다른 예로서 화염을 이용하여 가열하는 방법 또는 전기저항가열방법 등이 사용될 수 있다.
다음, 도 2를 참조하면, 유도가열을 이용하여 이종혼합분말(100)에 열에너지를 인가하여 상기 파이프(100)의 내부에서 이종혼합분말(100)을 용융시킨다(제 2 단계). 상기 제 2 단계의 용융단계에서는 이종혼합분말(100)을 구성하는 금속분말 및 세라믹분말은 모두 용융될 수 있다. 따라서 이러한 이종혼합분말(100)의 용융체는 금속분말이 용융된 금속용융체와 융용된 세라믹융융체가 공존하는 혼합용융체이다. 상기 혼합용융체 내에서 비중차이에 의해 비중이 높은 금속용용체 상부에 비중이 낮은 세라믹용융체가 부유하는 구조를 가질 수 있다.
도 2에 나타낸 화살표 방향과 같이, 상기 제 2 단계는 상기 파이프의 중심축을 기준으로 상기 파이프(100)를 회전하면서 수행되게 된다. 따라서 이종혼합분말(100)은 회전하는 파이프 내부에서 원심력에 의해 파이프(100) 내벽에 접촉된 상태에서 용융됨에 따라 용융이 완료된 후에도 혼합용융체는 파이프(110)의 내벽 전체에 골고루 균일하게 도포되게 된다.
유도가열시, 파이프(110) 전체를 가열하기 위하여 도 2에서와 같이 유도가열코일(120)이 파이프(110)의 길이방향으로 이동하면서 순차적으로 이종혼합분말(100)을 용융시킬 수 있다. 물론 유도가열코일(120)을 고정시키고 파이프(110)를 길이방향으로 이동시켜 순차적으로 용융시키는 것도 가능하다. 다른 예로서 파이프(110) 외주면 전체에 유도가열코일을 배치하여 파이프(100) 전체에 대해서 동시에 용융시키는 것도 가능하다.
상기 제 2 단계에서는 이종혼합분말(100) 용융되면서 혼합용융체는 파이프(110)의 내벽과 집적 접촉되게 된다. 이때 혼합용융체 내에서 용융금속보다 밀도가 작은 용융세라믹은 용융금속의 상부로 부유하게 된다. 즉, 혼합용융체 내에는 밀도가 큰 용융금속과 상대적으로 밀도가 작은 용융세라믹에 비해 밀도가 더 큰 용융금속이 회전하는 파이프(110)에 의한 원심력을 더 많이 받게 됨에 따라 내벽에 직접 접촉하게 된다. 상대적으로 밀도가 더 작은 값을 같는 용융세라믹은 용융금속의 상부(여기서 상부는 용융금속이 파이프의 내벽과 접촉하는 면의 반대방향의 면을 의미한다)에 부유하게 된다.
상기 제 2 단계에서는 소정의 시간 동안 이러한 용융세라믹이 용융금속 상부에서 안정적으로 부유될 수 있도록 유지하는 시간을 가질 수 있다.
다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 유도가열을 중단한 후 혼합용융체를 냉각하여 그대로 응고시키는 제 3 단계를 수행한다. 상기 제 3 단계에서는 상기 제 2 단계와 마찬가지로 계속해서 파이프(100)를 회전시키면서 냉각을 수행할 수 있다. 따라서 냉각 단계에서 용융금속의 상부에 용융세라믹이 부유하는 혼합용융체 구조가 유지되면서 응고가 됨에 따라 용융금속은 하부의 금속층(300)을 이루게 되며, 상기 용융금속 상부에 부유하던 용융세라믹은 세라믹층(310)을 이루게 된다.
한편, 상기 제 2 단계에서 혼합세라믹분말를 구성하는 세라믹분말 중 일부는 용융되나 융점이 높은 세라믹, 예를 들어 융점이 2000℃를 초과하는 Al2O3, MgO 등과 같은 고융점 세라믹분말들은 용융되지 않은 상태에서 용융세라믹과 함께 용융금속 상부에서 부유할 수 있다. 이러한 상태에서 상기 제 3 단계가 진행될 경우에는 세라믹층은 용융된 세라믹분말로 구성된 기지(matrix) 내에 국부적으로 용용되지 않은 세라믹분말이 존재하는 미세구조를 가질 수 있다. 도 12에는 이러한 미세구조의 개념을 도시한 도면으로서, 금속층(300) 상부에 용융세라믹이 응고되어 형성된 세라믹층의 기지(310) 내에 미용융 산화물(A)가 분포하는 구조가 도시되어 있다.
도 4에는 상술한 방법에 의해 제조된, 내면에 금속층(300)과 세라믹층(310)로 이루어진 다층 피복층을 가지는 파이프의 단면구조가 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 상기 파이프(110) 내면에 형성된 다층 피복층은 파이프(100)의 내주면에 직접 접촉되는 금속층(300) 및 상기 금속층의 상부에 형성된 세라믹층(310)을 포함한다.
상기 다층 피복층의 두께는 장입된 이종혼합분말의 양으로부터 조절할 수 있으며, 1mm 내지 20mm의 범위를 가질 수 있다.
금속층(300)은 고경도 금속합금으로 이루어진 것일 수 있다. 예를 들어, 50wt% 이하(0초과)의 Cr, 5wt% 이하(0초과)의 B, 10wt% 이하(O초과) 및 잔부가 Fe로 이루어진 Fe 합금일 수 있다. 상기 Fe 합금은 Si, Mn, Mo, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 금속의 총합이 5wt% 이하(0초과)로 더 포함 될 수 있다.
또한 금속층(300)은 금속 기지 상에 합금금속과 비금속 원소가 반응하여 형성된 금속의 탄화물, 붕화물 또는 산화물들이 국부적으로 분포하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, Fe를 주원소하는 금속 기지의 일부 영역에 Cr과 C이 반응하여 형성된 Cr-탄화물(Cr carbide) 등이 국부적으로 형성된 미세구조를 가질 수 있다.
세라믹층(310)은 높은 경도 또는 우수한 내식성 또는 내화학성을 가지는 고경도 산화물, 예를 들어 알루미늄 산화물(aluminum oxide) 등을 포함할 수 있다. 이러한 고경도 이거나 내화학성이 우수한 세라믹층(310)이 금속층(300)의 상부에 형성되어 있음에 따라 그 자체로 우수한 내마모 특성을 가질 뿐 아니라 금속층(300)이나 파이프를 외부의 물리적 또는 화학적 공격으로부터 보호하는 보호층의 역할을 수행할 수 있다.
금속층(300) 및 세라믹층(310)은 금속분말 및 세라믹분말이 용융되었다가 냉각에 의해 응고되어 형성된다. 따라서 금속층(300) 및 세라믹층(310)은 액상으로 용융후 냉각에 의해 고상으로 응고시 나타나는 응고조직(solidification structure)을 가질 수 있다. 예를 들어 대표적인 응고조직인 덴드라이트(dendrite)가 형성될 수 있다. 물론 상기 덴드라이트조직이 언제나 생성되는 것은 아니며, 용융된 금속 또는 세라믹의 조성, 냉각속도, 온도분포 등에 의존하여 생성 여부가 결정되게 된다.
이러한 본 발명의 실시예를 따르는 파이프는 내면에 높은 경도 및 내마모성을 가지는 세라믹층과 고경도 금속층이 순차로 적층됨에 따라 파이프 내면의 내마모성을 현저하게 향상시킬 수 있다. 또한 파이프 내면이 화학적으로 안정한 세라믹층으로 도포됨에 따라 내부식성의 향상도 기대할 수 있다.
예를 들어 본 발명의 실시예를 따르는 파이프가 고경도의 입자를 이송하는 용도로 사용될 경우, 파이프 내면에 형성된 고경도의 다층피복층에 의해 고경도 입자로 인해 파이프 내면에 스크래치와 같은 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 다른 예로서 본 발명의 실시예를 따르는 파이프가 부식성을 가지는 화학약품을 이송하는 용도로 사용될 경우, 파이프 내면에 코팅된 다층피복층의 내식층의 역할을 수행하여 상기 화학약품이 파이프 내면을 화학적으로 손상시키는 것을 방지할 수 있다.
이하 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예를 제공한다. 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며 본 발명이 하기의 실험예에 한정되지 않는다.
내면에 다층 피복층을 가지는 파이프를 제조하기 위하여 지름 134mm를 가지는 강관(재질 STK500)을 준비하였다. 표 2 내지 표 4에는 실험예 1 내지 실험예 3에 사용된 이종혼합분말의 조성을 중량%(wt%)로 나타내었다.
원 소 금속피복층 세라믹피복층
Fe Cr B C Al2O3 MgO CaF2 SiO2
조성
(wt%)		 62 27 3 8 25 37 20 18
원 소 금속피복층 세라믹피복층
Fe Cr B C Al2O3 MgO CaF2 CaO
조성(wt%) 66 25 2 7 37 37 18 8
원 소 금속피복층 세라믹피복층
Fe Cr B C Al2O3 MgO CaF2 Kaolin
조성(wt%) 65.5 26 1.5 7 33 37 12 18
강관의 내부에 준비된 이종혼합분말을 장입한 후 상기 강관을 회전하면서 상기 강관의 외주면에 배치된 유도가열코일을 통해 유도가열을 수행하여 이종혼합분말을 용융시켰다. 용융된 후 충분히 회전을 수행하여 강관의 내벽에 혼합용융체를충분히 도포시킨 후 유도가열을 중단하였다. 강관을 계속 회전하면서 냉각하였으며, 냉각이 완료된 후 회전을 중지하였다.
회전이 완료된 후 강관의 내면을 육안으로 관찰한 결과, 코팅층의 피복상태가 매우 양호함을 확인할 수 있었다.
도 5에는 실험예 1에 따라 제조된 내면 다층 피복층을 가진 강관의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이 나타나 있다. 도 5를 참조하면, 강관(510)의 내면에서 강관의 중심 쪽으로 금속층(520) 및 세라믹층(530)이 순차적으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 실험예 1의 금속층(520)과 세라믹층(530)의 계면을 주사전자현미경으로 관찰할 결과이다. 용융과정에서 비중차이에 의해 용융금속층 상부에 융융세라믹층이 부유하는 중에 응고되면서 금속층과 세라믹층사이에는 서로 구별할 수 있는 계면을 나타내고 있다. 금속층(520) 및 세라믹층(530)이 모두 액상의 용융상태에서 빠른 속도로 응고됨에 따라 약 5㎛에서 100㎛의 높이를 가지는 굴곡이 형성된 계면을 형성하는 특징을 가진다. 예시적으로 도 6에는 10~60㎛의 높이를 가지는 굴곡이 형성된 계면이 나타나 있다.
도 7에는 도 6에 도시된 금속층(520)의 일부를 확대하여 관찰한 결과이다. 도 8에는 도 7a의 일부영역(spectrum 1)의 조성을 EDS로 관찰한 결과이다. 도 8의 결과로부터 금속층(520)은 Fe의 기지 내에 Cr와 C이 반응하여 형성된 Cr-탄화물이 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
도 9는 도 6에 도시된 세라믹층(530)의 일부를 확대하여 관찰한 결과이며, 도 10a 내지 10d는 도 9에 도시된 부분의 성분을 EDS(energy dispersive spectroscopy)로 분석한 결과를 나타낸다. 이를 참조하면, 세라믹혼합 분말 중 용융점이 2000℃ 미만인 SiO2(융점은 1710℃) 및 CaF2(융점은 1418℃)는 가열과정에서 용융되어 용융세라믹이 되었다가 응고되어 기지(matrix)를 구성하며, 따라 기지 전체에 걸쳐서 성분이 검출된다(도 10c 및 10d). 반면, 융점이 2000℃를 초과하는 Al2O3(융점은 2072℃) 및 MgO(융점은 2852℃)는 용융이 되지 않은 상태에서 용융세라믹과 함께 용융금속 상부에서 부유하다가 응고됨에 따라 국부적으로 입자의 형태로 존재하게 된다(도 10a 및 10b).
도 11a는 도 6에 도시된 세라믹층(530)에 형성된 덴드라이트를 전자현미경으로 관찰한 결과이며, 도 11b는 도 11a를 다시 확대한 결과이다. 도 11a 및 11b를 참조하면, 용융된 세라믹이 빠르게 응고되면서 응고조직의 하나인 덴드라이트 조직이 나타난 것으로 해석된다.
한편 표 5에는 실험예 1 내지 3의 금속층 및 세라믹층에서의 비커스 경도(하중 300g)를 나타내었다. 세라믹층의 경우, 기지의 경도와 용융되지 않은 고융점 산화물의 경도의 차이로 인하여 측정 위치별로 약 900HV의 큰 경도차이를 나타내었다. 금속층의 경우에도 Fe 기지의 경도와 국부적으로 형성된 Cr-탄화물 간의 경도차이로 인하여 측정 위치별로 약 500HV의 경도차이를 나타내었다.
실험예 1 1 2 2 3 3
층 종류 금속층 세라믹층 금속층 세라믹층 금속층 세라믹층
경도(HV 300g) 700∼1200 600∼1500 700∼1200 600∼1500 700∼1200 600∼1500
이상과 같이, 본 발명에 의할 경우에는 종래에 비해 현저하게 간편하고 효율적인 방법으로 파이프의 내면에 세라믹층과 금속층이 순차로 적층된 다층피복을 제조할 수 있으며, 이로 인해 파이프의 내면을 보호하는 특성을 현저하게 증가되게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 이종혼합분말
110: 파이프
120: 유도가열코일
300: 금속층
310: 세라믹층

Claims (17)

  1. 파이프의 내부로 금속분말 및 세라믹분말이 혼합된 이종혼합분말를 장입하는 제 1 단계;
    상기 이종혼합분말에 열에너지를 인가하여 상기 파이프의 내부에서 상기 금속분말 및 세라믹분말의 적어도 일부를 용융시켜 혼합용융체 형성하는 제 2 단계; 및
    상기 제 2 단계에서 형성된 혼합용융체를 냉각시켜 응고시키는 제 3 단계를 포함하고,
    상기 세라믹분말은 상기 금속분말에 비해 밀도가 더 작은 값을 가지며,
    상기 제 2 단계에서 상기 상기 세라믹분말이 용융되어 형성된 용융세라믹은은 상기 용융된 금속 상부에 일정 시간 부유한 상태로 유지되는 단계를 포함하고,
    상기 제 3 단계가 완료된 후 상기 파이프의 내부에는 상기 파이프의 내주면에 직접 접촉되는 금속층; 및 상기 금속층의 상부에 형성된 세라믹층을 포함하는 다층 피복층이 형성되는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서 상기 세라믹분말의 일부는 용융되지 않고 상기 용융세라믹과 함께 상기 용융된 금속 상부에 일정 시간 부유한 상태로 유지되는 단계를 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이종혼합분말은 SiO2, Al2O3, MgO 및 CaF2를 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합분말에 열에너지를 인가하는 방법은, 상기 파이프의 외주면에 배치된 유도가열부를 이용하여 상기 혼합분말을 유도가열 방법, 화염을 이용하여 가열하는 방법 및 전기저항가열 중 어느 하나를 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 및 제 3 단계 중 어느 하나 이상에서 상기 파이프의 중심축을 기준으로 상기 파이프를 회전하는 단계를 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속분말은 순수한 Fe 분말 또는 Fe 합금 분말을 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 Fe 합금은 Fe를 주성분으로 하고, C, B, Si, Mn, Cr, Mo, Ni, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 합금원소를 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹분말은 금속산화물계, 금속질화물계, 금속탄화물계 및 금속붕화물계를 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹분말은 CaO, MnO, Al2O3, SiO2, MgO, Cr2O3 TiO2, ZrO2, Na2O 및 Kaolin 중 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속분말은, 50wt% 이하(0초과)의 Cr, 5wt% 이하(0초과)의 B, 10wt% 이하(O초과)의 C 및 잔부가 Fe로 이루어진 합금인 것인,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 합금에는 Si, Mn, Mo, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 금속의 총합이 5wt% 이하(0초과) 더 포함되는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 합금에는 Si, Mn, Mo, V, Ti 및 W 중 어느 하나 이상의 금속의 총합이 5wt% 이하(0초과) 더 포함되는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프의 제조방법.
  13. 내주면의 적어도 일부 영역에 피복된 다층 피복층을 포함하는 파이프이며,
    상기 다층 피복층은 상기 내주면에 직접 접촉되는 금속층; 및
    상기 금속층의 상면에 형성된 세라믹층을 포함하며,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속층 및 세라믹층 중 어느 하나 이상은 덴드라이트 구조를 가지는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 세라믹층은 세라믹 기지 및 상기 세라믹 기지 상에 상기 기지와 상이한 조성을 가지는 세라믹 입자가 국부적으로 존재하는 미세구조를 가지는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 금속층은 금속 기지 및 상기 금속 기지 상에 금속의 탄화물, 붕화물 및 산화물 중 어느 하나 이상으로 이루어진 입자가 존재하는 미세구조를 가지는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 다층 피복층의 두께는 1mm 내지 20mm의 범위를 가지는,
    내면에 다층 피복층을 가지는 파이프.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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