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고속화염용사(HVOF) 공정을 이용한 엔진 부품용 내마모 WC 코팅
김주성(Jusung Kim),서영재(Yungjae Seo),신상희(Sanghee Shin),정기환(Kihwan Jung),임동필(Dongpil Lim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
굴착기와 같은 건설기계에 적용되는 산업용 엔진은 시장의 소형화, 고출력화 추세에 따라 요소부품들은 점점 더 가혹해지는 작동 조건에서도 보다 높은 내구성을 유지할 것이 요구되고 있다. 특히, 엔진 밸브트레인 시스템 요소 중 ‘타펫’은 상시 고면압 하에서 캠과 고속으로 미끄럼 접촉하는 부품으로, 캠과의 접동 표면은 낮은 마찰계수와 높은 내마모 성능이 필수적이다. 이에 타펫은 내마모성을 확보하기 위해서 표면에 초경(WC)을 접합하는 방식을 사용한다. 이 방식은 별도로 제작한 초경 팁을 모재에 소결 접합 또는 브레이징 접합하는 방식으로 제조되는 바, 근본적으로 공정 단계가 많고 복잡할 뿐 아니라, 초경 팁 성형 공정상 물리적 제약으로 최소 두께가 1mm 이상으로 과도해 마찰과 마모 성능은 뛰어나나 제품 단가가 높아 광범위하게 적용하지는 못하고 있다. 한편, 이와 같이 마찰과 마모 성능이 우수한 초경 소재를 코팅하는 공정 중 하나로 주로 대면적 코팅 목적으로 활용되고 있는 ‘고속화염용사(HVOF: High Velocity Oxygen Fuel spray)’ 법이 있다. 이는 초경분말을 화염에 초음속 이상의 속도로 가속해 순간적으로 용융시켜 모재에 분사하는 방식으로, 빠르고 단순한 공정으로 치밀하고 높은 접합강도의 코팅을 얻을 수 있고, 코팅 두께의 제약이 없어 박막화로 단가를 낮출 수 있다. 그러나, 화염용사를 반복하는 과정에서 축적된 잔류응력에 의해 초경접합과 비교하여 파괴인성 낮은 문제로 타펫과 같은 소형 정밀 기계부품용 코팅에 적용한 사례는 드물다. 본 연구에서는 고속화염용사법(HVOF)과 활용하여 마모과 마찰 성능을 만족하면서도 단순화된 초경코팅 공정을 개발하였다. 코팅층은 인성이 우수한 WC-xCo초경 분말을 사용하였으며, 소결접합 공정에 준하는 파괴인성을 확보하였다. 또한, 엔진 동력계 내구 평가를 통해 초경접합타펫 동등 수준의 물성 및 내마모 성능을 확인하였다.