고속화염용사(HVOF) 공정을 이용한 엔진 부품용 내마모 WC 코팅

국문 초록 (Abstract)

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.