표면처리/ 제지용 롤러에 있어 D-DUN코팅의 적용과 그 효과
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제지용 롤류에 대한 D-DUN코팅의 적용과 그 효과
1. 서론
종이 펄프업계에서 용사는 기계부품의 육성보수에 없어서는 안되는 수법으로서 오랫동안 사용되어 왔으나 기능성 피막으로서 사용방법은 그다지 알려져 있지 않다.
최근에는 기계의 고속화가 진행되고, 그 성능향상이나 성인화가 과제가 되고 있다. 특히 초지공정에서 사용되는 롤의 성능은 종이의 품질이나 가동률에 크게 영향을 준다.
이를 위해 롤의 표면개질이라는 관점에서 내마모, 내부식, 내열, 초경, 이형성 등의 기능을 갖는 세라믹이나 텅스텐카바이드 재료가 적용되고 있다.
본 원고에서는 여려가지의 용사법(표 1 참조)이 있으나, 특히 미국 유니온 카바이드사에 의해 1953년에 실용화된 이래, 오늘날까지 가장 용사기술이라고 평가받고 있는 폭발용사(D-GUN)법의 특징과 국내외의 적용예의 대해 소개한다.


2. 폭발용사법의 원리
폭발용사법은 연소열이 높은 아세틸렌과 산소의 혼합가스의 폭발에 의해 생기는 고속연소 에너지를 이용하여 금속이나 세라믹의 분말재료를 코팅하는 방법이다.
Detonation(D-GUN)이라고 불려지는 코팅장치의 총신내에서 혼합가스가 폭발한 순간 D-GUN내에 온도는 약 3,300°C이상으로 올라가고, 가스는 음속의 약 10배의 속도로 총구로 향하게 된다.
이것에 의해 D-GUN내로 공급되고 있던 코팅재료는 반용융상태가 되어 음속의 고배 속도로 모재에 충동하여 직경 약 25mm의 강고한 욕사피막을 형성한다. 그 후 질소로 치환되어 다음의 사이클이 시작된다. 이사이클은 1초간에 약 8회 반복된다.

3. D-GUN코팅의 특징
D-GUN코팅의 접착기구는 주로 기계적인 투묘(投錨)효과에 의한 것이다. 이 때문에 코팅재료의 배행속도가 큰 것이 고품질의 코팅피막을 얻는데 불간격의 조건으로 된다.
D-GUN의 코팅입자 속도는 다른 용사법에 비해 대단히 빠르다. 이것은 폭발에 의해 높은 에너지가 얻어지는 것에 기인된다.(그림1 참조) 이 결과 하기와 같은 특징을 들 수 잇다.
(1) 모재를 손상시키지 않는 비야금 결합.
(2) 고속입자에 의한 심한 충돌력이 고첩착력을 가능케 한다.
(3) 코팅 형성시의 입자간 결합력이 우수하다.
(4) 코팅밀도가 높다.
(5) 기공률이 낮다.
(6) 적층구조를 이루고 있기 때문에 굴곡강도나 탄성계수가 높기 때문에 모재변형에 대한 추종성을 갖고 있다.
(7) 마모, 부식성이 우수하다.
그림2에 입자비행 속도와 기공률 및 접착력의 관계를 나타낸다.


4. 코팅재료
코팅재료는 성분에 따라 대별하여 4가지로 분류할 수 있다.
(1) 금속 및 합금
(2) 금속산화물(세라믹)
(3) 금속탄화물(카바이드)
(4) 써미트(세라믹과 금속이나 합금의 혼합물)
대표적인 세라믹으로서는 산화알루미늄(Al₂O₃)이나 산화크롬(Cr₂O₃), 카바이드는 텅스
텐카바이드(WC), 크롬카바이드(Cr₃C₂)등을 들 수 있다.
Union Caebide社에서 사용되고 있는 대표적인 코팅재료와 특징을 표 2에 나타낸다.

5. D-GUN코팅의 피막특성
5.1 접착강도
접착강도는 ASTM-633의 접착력 시험법으로 측정된다. 이것은 직경 1인치 환봉의 끝부위에 코팅을 시행하고, 같은 직경의 다른 환봉의 끝부위와 에폭시계 수지로 접착시켜 인장시험기로 접착강도를 측정한다. 이 때 접착강조는 7내지 8.5㎏/㎟까지 측정가능하다.
그러나 이 측정방강도가 낮은 플라즈마용사법의 피막에는 적용할 수 있으나, 접착강도가 높은 D-GUN의 피막에는 적용할 수 없다. 이를 위해 특수한 방법으로 측정한 결과 17.5㎏/㎜이상의 값이 얻어지고 있다.

5.2 내부응력
코팅재료는 고온에서 용융되어 모재상에서 급냉되기 때문에 피막에 잔류응력이 발생한다.
이 잔류응력은 코팅두께 비례하여 증가하며, 이것에 의해 접착강도가 저하되는 경향도 있다. 이 때문에 코팅두께는 통상 0.05내지 0.25㎜가 권장되고 있다.

5.3 밀도
D-GUN코팅은 다른 용사법에 비해 입자의 비행속도가 대단히 빠르기 때문에 치밀한 피막이 형성되어 밀도는 95%이상으로 된다. 또 기공률도 대단히 적은 것으로 된다.

5.4 내마모성
마모는 고체상의 접촉을 생각할 경우, 응착, 찰상, 마모(abrasive), 부식, 피로의 네가지 형태로 분류되나, 실제로 마모는 각각이 합쳐져 마모를 일으키는 일이 많다.
제지업게의 마모는 주로, 롤, 종이, 금속 Doctor blade, 처리액 등 각각이 접촉해서 발생한다.
Gloss Calender Roll이나 Machine Calender Roll의 손상은 주로 응착, 찰상마모 부식마모가 원인이며, Winder Orum이나 Drum Roll은 주로 찰상마모가 원인이다. 또는 Coater Roll은 주로 부식, 찰상마모가 원인이 되어 수명을 저하시키고 있다고 생각할 수 있다.
(1)응착마모
금속끼리 고압하에 접동시키면 응착마모가 생긴다. 응착마모는 금속끼리 마모계수가 작을수록 마모량이 적어진다. 제 2표에 WC코팅 및 경질 Cr도금의 내마오 실험결과를 나타낸다.
(2)찰상마모
도지공(塗工紙)는 안료에 점토, TiO2, SiO2등이 미소입자가 함유되어 있어, Roll 표면은 언제나 마모가 생긴다. 이 찰상마모에 대한 코팅재료는 저압하에서는 산화물계 세라믹, 고압화에서는 WC코팅이 양호하다.
(3) 부식마모
금속의 대부분은 그 표면이 물이나 습기등으로 산화되어 부식이 일어난다.
부식막은 용이하게 균열이 생기기 쉬우며, 그 진행속도도 서서히 빨라지기 쉽다.
이 때문에 일반적으로 내부식성을 목적으로 경질 Cr도금을 미리 처리해 두는 것이 바람직하다.
그러나 마모조건이 맞지 않는 경우에는 반드시 유효하다고는 말할 수없다.
이 경우 D-GUN법으로 사용되는 코팅재료는 내부식성뿐만이 아니고 내응착성, 내찰상마모성을 고려해 넣어서 설계되어 있기 때문에 광범위한 용도에 적용할 수 있다. 또 고온하에서도 내마모성은 저하되는 일이 없다. 제 4표에 D-GUN코팅이 각용액에 대한 내식성을 나타낸다.

6.D-GUN코팅의 적용 예
6.1Gloss Calender Roll
본 Roll은 판지의 평활성과 광택성의 향상, 즉 인쇄적성을 향상시키기 위해 합성고무 피복롤과의 사이에 판지를 보내고 물어 사용된다. 이 인쇄적성이 양부는 Gloss Calender Roll의 기능에 크게 영향을 받기 쉽기 때문에 그 표면의 온도나 조도 유지는 중요한 관리 포인트이다.
Roll 표면은 종래 경질 Cr도금을 피복하고 경면사상을 행하는 것이나, 판지에 도공된 도공제에 의해 마모나 부착물이 발생한다.
부착물은 종이의 품질저하의 원인이 되기 때문에 통상 수지 Doctor Blade로 제거하지만, 이때 Doctor Blade에 미소입자가 물려져서 롤 원주상에 상처를 주는 일이 있다.
이 때문에 짧은 주기로 재연마 또는 재도금을 해야만 한다. 또 수지 Doctor Blade로는 완전히 부착물을 제거하기가 어려우며 Calender효과는 점점 저하되어 간다.
이 때문에 내찰상연마성이 우수하고, 경면 사상이 가능한 표면개질이 요구되어 왔다. 이 요구를 만족시킬수 있는 피복이 D-GUN법에 의한 WC코팅이다.
WC코팅은 경도 HRC 70 이상의 피복이기 때문에 금속 Doctor Blade를 늘 데어도 Roll 표면은 상처를 입지않고 부착물을 제거할 수 있다.
이 결과 장기간 동안 Calender 효과가 유지되며 품질도 향상되었다. WC코팅의 사양은 두께 0.10~0.15㎜, 표면조도 Ra0.05 이하이다.
또 보다 초강면 사상을 필요로 하는 경우는 새로 개발된 Super D-GUN법에 의한 표면조도 Ra0.03 이하의 내마모성 코팅도 시공하고 있다.
그 단면 조직사진, 표면사진을 사진 2, 사진 3에 나타낸다. 또 슬러리 마모시험 결과후의 3차원 조도 챠트를 제4도에 나타낸다.
이 결과 경질 Cr도금은 단 시간으로 큰 찰상을 발생시키기 쉽다는 것을 알 수 있다.
또 최근에는 인쇄적성의 향상을 위해 Gloss Calender 의 구조도 종래의 온수나 가열 보일방식으로부터 고온타입의 유도발열 방식이 채용되고 있다.
유도발열 방식의 롤 표면온도는 약 300°C로 설계되어 있기 때문에 경질 Cr도금의 사용은 어렵다. 이것에 대하여 WC코팅은 최고 650°C까지 사용가능하며 양호한 결과를 얻고 있다.

6.2 Machine Calender Roll
Dryer Part를 나온 종이는 표면이 거칠어 인쇄, 필기적성이 좋지 않다. 이 때문에 주철 Roll을 여러 단으로 적층시킨 롤사이를 위로부터 아래로 차례로 통과시키고 종이표면을 평활하게 하여 광택을 부여함과 동시에 종이의 두께를 같게 한다.
이때 Calender Roll은 Nip압력 100㎏/㎠또는 그 이상의 전압이 걸리기 때문에 Roll 표면은 고경도와 내마모성을 필요로 한다.
그러나 종래 Roll재질에서는 소손(燒損), 금속Doctor Blade에 의한 찰상, 부식 손상등이 발생해서 표면의 재연마 주기가 수개월었다.
이 재연마 주기의 장기화, 종이의 품질향상을 위해 고려된 표면재질이 D-GUN법에 의한 WC코팅이다.
WC코팅은 냉연강보다 고경도의 HRC70이상이기 때문에 금속 Doctor Blade에 의한 찰상은 개선된다. 또 코팅재료는 내식성을 갖는 재료를 사용할 뿐 아니라 특수한 봉공처리를 행하기 때문에 부식손상도 개선된다.
이 결과 WC코팅 시공후 2년이상의 수명이 얻어져서 정비 주기의 횟수가 감소되기 때문에 비용 경감을 꾀하게 되었다.

6.3 Reel Drum Draw Roll
릴 드럼, 드로 롤은 그 표면조도가 제품의 품질에 rzmrp 영향을 준다. 이 때문에 Roll 표면은 미끄러지기 어려운 적당한 조도조정을 필요로 하고 이조도가 유지되는 일이 바람직하다.
이를 위해 조도조정이 가능하고 조도변화가 있기 어려운 내마모 코팅으로서 D-GUN법에 의한 세라믹이나 WC코팅이 적용되었다.
종래 강관의 그 자체표면에는 6개월 내지 1년의 수명이었으나, 세라믹이나 WC코팅을 피복함으로써 그 수명은 5내지 10재에 달했다.
그 결과 가동률이 높아짐과 동시에 Winder Part에서는 기계의 부하도 적어져서 양호한 권취작업이 가능해졌다.
또 Cutter부에서는 주름의 발생이 감소됨과 동시에 Cutter의 정도(精度)로 향상되었다.

6.4 Coater Roll
도공방식에는 여러 가지의 방식이 있으나, 도공에 사용되는 Roll 에는 내마모, 내식성이 요구된다.
일반으로 그 표면처리로서는 경질 Cr도금이 사용되어 왔으나 충분한 효과가 얻어지지 못했으며 수개월 지나면 사용할 수 없게 되어 가동률이 저하되어 왔다.
그래서 주목되는 코팅이 D-GUN법이다. D-GUN법으로 시공된 코팅은 다른 코팅법과 비교해서 대단히 치밀한 조직이기 때문에 내식성이 우수하다.
그 결과 Coater Roll의 수명은 경질크롬도금의 4내지 10배로 되어 높은 가동률을 얻을 수 있게 되었다. 또 도공상태도 양호하다.

6.5 기타의 적용 예
(1) Hydro foil
(2) Suction Roll
(3) Becder Vip Roll
(4) Spreader bar
(5) Palm
(6) Pump Sleeve
(7) Pulper Screen
이상의 부품에 D-GUN법으로 세라믹이나 WC코팅을 시공한 결과, 종래 사용한 강관 그 자체 또는 경질 Cr 도금과 비교해서 그 수명은 10배 이상이 되었다.
이것에 의해 생산가동률의 향상, 종이품질이 향상될 뿐 아니라 생산비용의 경감에 크게 도움되었다.

7. 결론
D-GUN법에 의한 용사는 성자원, 성에너지의 면에서 크게 재인식되어 현재 항공기, 철강, 원자력, 섬유 등 폭넓은 분야에서 사용되고 있다.
생산라인은 자동화, 고속화가진 행되어 정비 빈도수를 적게 하여 가동률의 향상, 품질의 향상, 비용의 경감을 행하지 않으면 안된다.
이 목적에 부응할 수 있는 용사기술이 날로날로 진보하고 있다.
D-GUN법의 코팅은 제지기계의 표면개질의 하나로서 그 역할이 앞으로 지대하다고 할 수 있다.
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