열분사(써멀 스프레이) 설명: 종류, 응용 및 이점

오늘날 열분사 코팅은 다양한 산업에서 활용됩니다. 이 코팅은 와이어와 용융 분말이 플라즈마나 산소-연료 연소에 노출되어 구성됩니다. 분사 장치의 화염이 가열된 혼합물에 동력을 제공하고, 금속에 분사되면 혼합물이 견고한 코팅을 유지합니다.

열분사 코팅은 비행기, 건물, 기타 구조물을 극한 온도, 화학물질, 습도 및 비 같은 환경 조건으로부터 보호하는 등 광범위한 유용한 응용 분야에 사용됩니다. 이 글에서는 열분사가 무엇이고 어떻게 하는지, 그 응용과 이점을 다룹니다.

열분사 코팅이란?

열분사 기법은 용융(또는 가열)된 재료를 표면에 분사하는 코팅 공정입니다. '피드스톡(feedstock, 코팅 전구체)'은 전기적(플라즈마 또는 아크) 또는 화학적(연소 화염) 수단으로 가열됩니다.

열분사는 전기도금, 물리/화학 기상 증착 같은 다른 코팅 공정에 비해 넓은 면적에 두꺼운 코팅(약 20μm~수 mm, 공정과 피드스톡에 따라 다름)을 높은 증착 속도로 형성할 수 있습니다.

열분사용 코팅 재료로는 금속, 합금, 세라믹, 플라스틱, 복합재가 있습니다. 분말 또는 와이어 형태로 공급되어 용융 또는 반용융 상태로 가열된 후 미크론 크기 입자 형태로 기재(substrate)를 향해 가속됩니다.

연소 또는 아크 방전이 열분사의 에너지원으로 주로 사용됩니다. 결과 코팅은 수많은 분사 입자가 쌓여 형성됩니다. 기재 표면이 크게 가열되지 않아 인화성 물질에도 코팅 가능합니다.

코팅 품질은 보통 기공률, 산화물 함량, 매크로/마이크로 경도, 결합 강도, 표면 거칠기로 평가합니다. 일반적으로 입자 속도가 높을수록 코팅 품질이 향상됩니다.

신규 장비 적용 외에도 열분사 코팅은 마모/손상된 부품 수리, 가공 부품 치수 복원에 쓰입니다. 마모되거나 부식된 인쇄 롤, 언더사이즈 베어링 등 부품 치수를 복원하는 데 사용됩니다.

열분사 수행 방법

열분사는 미세하게 분할된 용융 또는 반용융 액적을 분사해 코팅을 형성하는 소모성 자재를 사용하는 코팅 공정의 총칭입니다.

공학 응용을 위해 금속, 서멧, 세라믹, 폴리머를 일반적으로 0.1~10mm 두께의 상당한 층으로 증착할 수 있는 능력이 특징입니다. 분사 작업 중 재료가 녹거나 가소화되기만 하면 거의 모든 재료를 증착할 수 있습니다. 기재 표면에서 입자는 '스플랫(splat)' 또는 '플레이틀릿(platelet)'을 형성하며 서로 맞물려 코팅을 쌓아 올립니다.

증착물은 기재와 융합되지 않으며 고체 용액을 형성할 필요도 없습니다. 이는 아크 용접, 브레이징, 레이저 코팅 공정 등 많은 다른 코팅 공정과 구별되는 중요한 특징입니다.

열분사 코팅과 기재 간의 결합은 주로 기계적이며, 야금적 또는 융합 결합이 아닙니다. 기재 표면 상태에 따라 부착력이 달라지므로, 분사 전 그릿 블라스팅이나 가공으로 표면을 깨끗하고 거칠게 만들어야 합니다.

열분사 공정은 주요 엔지니어링 산업 전 분야에서 부품 보호와 재생을 위해 오랫동안 널리 사용되어 왔습니다. 최근 장비와 공정 개발로 열분사 코팅의 품질이 향상되고 잠재적 응용 범위가 확대되었습니다.

열분사 코팅 공정 종류

열분사에는 여러 변형이 있습니다:

• 플라즈마 분사
• 데토네이션 분사
• 와이어 아크 분사
• 화염 분사
• 고속 산소-연료 분사(HVOF)
• 고속 공기-연료 분사(HVAF)
• 웜 분사
• 콜드 분사
• 스프레이 앤 퓨즈(Spray and Fuse)

화염 분사와 와이어 아크 분사 같은 고전적 공정(1910~1920년 개발되었으나 여전히 널리 쓰임)에서는 입자 속도가 일반적으로 낮습니다(<150 m/s). 원료는 용융 상태여야 증착 가능합니다.

1970년대 개발된 플라즈마 분사는 아크 방전으로 생성된 고온 플라즈마 제트(일반적 온도 >15,000 K)를 사용해 산화물, 몰리브데넘 등 난용성 재료 분사가 가능합니다.

여기서는 열분사 코팅을 생성하는 5가지 가장 일반적인 공정을 자세히 다룹니다:

1. HVOF (고속 산소-연료 분사)

HVOF는 노즐 사용 시 화염이 퍼지도록 하는 토치를 사용합니다. 이로 인해 급가속이 일어나 혼합물 입자가 빨라집니다. 결과는 매우 얇고 균일하게 도포된 코팅입니다. 얇지만 강하고 부착력이 좋습니다. 내식성은 플라즈마 코팅보다 우수하지만 고온에는 적합하지 않습니다.

2. 연소 화염 분사

연소 화염 분사는 극한 응력을 견디지 못하는 표면에 훌륭한 옵션입니다. 분사 메커니즘이 낮은 화염 속도로 구동되므로 결과 코팅이 표면에 강하게 부착되지 않습니다.

산소와 연료를 결합해 화염을 생성하고 혼합물을 녹입니다. 저비용으로 저강도 응용에 인기가 있습니다.

3. 플라즈마 분사

플라즈마 분사는 플라즈마 토치를 주 도구로 사용해 코팅을 가열하고 분사합니다. 분말 재료가 녹은 후 연소 화염 분사와 유사한 방식으로 제품에 증착됩니다.

플라즈마 분사 코팅은 수 μm에서 수 mm 두께까지 다양합니다. 분말이 가장 널리 쓰이지만 금속과 세라믹도 사용됩니다. 플라즈마 분사 공정은 적응성이 뛰어나 매우 인기가 있습니다.

4. 진공 플라즈마 분사

진공 플라즈마 분사는 제어된 환경에서 저온으로 수행됩니다. 진공을 유지하면서 소재 손상도 줄입니다. 다양한 가스 조합으로 분사 필요 압력을 얻습니다.

자동차 범퍼, 대시보드, 도어 미러 하우징 등에 사용됩니다. 폴리에틸렌 몰딩 전처리에도 쓰여 수용성 에폭시 접착제의 접착력을 높입니다.

5. 투 와이어 아크 분사

이 분사 방식은 전기 전도성인 두 와이어 사이에 생성되는 아크 포인트를 이용합니다. 와이어가 만나는 지점에서 용융이 일어납니다. 아크로 가열되어 증착과 용융이 일어나며, 토치를 사용하는 연소 화염 분사와 유사합니다.

압축 공기로 코팅을 분사합니다. 비용 효율성이 높아 인기가 있으며, 보통 알루미늄이나 아연을 베이스 재료로 사용합니다.

열분사 코팅의 장점

열분사 코팅의 이점은 다음과 같습니다:

• 비용 절감. 부품 수리 비용이 신품 구매보다 저렴합니다. 종종 코팅이 원래 소재보다 오래 지속됩니다.
• 저열 입력. 몇 가지 예외를 제외하고 열분사 공정은 부품의 열 이력을 그대로 유지합니다.
• 다용성. 거의 모든 금속, 세라믹, 플라스틱을 열분사할 수 있습니다.
• 두께 범위. 재료와 분사 시스템에 따라 0.001인치~1인치 이상까지 분사 가능. 통상 0.005~0.1인치 범위.
• 처리 속도. 분사 속도는 재료와 시스템에 따라 3~60 lb/hr. 일반적인 재료 도포 속도는 0.01인치 두께당 제곱피트당 0.5~2 lb.

열분사 코팅의 단점

• 기재를 위장함 – 열분사 코팅이 너무 효율적이어서 엄격한 기록을 남기지 않으면 코팅 후 기재가 무엇인지 알 수 없는 경우가 많습니다. 자세한 내용은 Green Leaf Business Solutions에 문의하세요.
• 효과를 정확히 평가하기 어려움 – 열분사 코팅 시공 후 육안 평가 외에는 코팅이 얼마나 잘 되었는지 정확히 알기 어렵습니다.
• 초기 설치 비용 높음 – 일부 열분사 공정은 매우 고가의 장비가 필요해 초기 설치 비용이 높을 수 있습니다.