서 론
최근 현대산업 현장은 점차 고온 고화학성 등의 작업, 조건으로 변화하고 있으며 이에 따라 사용 원료 부품, , 및 설비의 내열 내식 내마모성이 요구되고 있는 실정이, , 다 특히 열교환기와 화학 및 에너지 산업의 이송설비로. , 이용되는 관형 부품의 경우 작업 수명이 생산성과 직접, 적인 연관성을 가지고 있어 고기능성 관형 부품 및 설비, 의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
일반적으로 내열 내부식 내마모성이 우수한 재료로, , 는 세라믹 소재를 들 수 있으나 이 또한 약한 열충격성, ,
인성 강도 등의 재료 자체의 문제점 뿐만 아니라 공정비, 용 등 제조단가가 높기 때문에 대량생산에 어려움을 겪고 있다 이와 같은 단점을 극복하기 위해서 금속관 내부를. 세라믹으로 코팅하는 방법이 검토되고 있다 가장 일반적. 인 방법으로는 관 내부에 세라믹을 용사시켜 라이닝하는 방법이 있으나 이 또한 코팅두께를 증가시키기 어렵고, 금속층과 세라믹층의 용리현상이 문제점으로 나타나고 있다 따라서 보다 경제적으로 금속 세라믹 복합관 제조. - 공정의 하나로 자전연소합성법 이용이 검토되고 있다.
원심테르밋 공정은 원심력이 지배되는 원심장 내부에서 의 자전연소반응에 의해 파이프와 같은hollow면에 세라 믹층을 코팅하는 공정으로(Merzhanov, 1997; Odawara, 반응원료를 파이프 내부에 충진시키고 원심력을
1996), ,
부여한 상태에서 점화시키면 식(1)의 발열 연소반응이 일어나고 분말상태의 원료는 용융상태의 세라믹과 금속, 으로 상변화를 일으키게 된다.
Fe2O3+ 2Al → Al2O3+ 2Fe, HΔ = -836 kJ/mol (1)
원심테르밋반응에 의한 파이프 세라믹층 형성 - 세라믹층의 물리적 특성
레밍 퉁1)· 안종관2)· 이재령3)*
Preparation of Ceramic Lined Pipe by Centrifugal-thermit Process - Physical Properties of Ceramic Layer
Le M. Tung, Jong-gwan Ahn and Jaeryeong Lee
*Abstract :The inner surface of a steel pipe could be lined with ceramics by means of a SHS reaction under centrifugal force. Some physical characteristics of the ceramic layer were investigated with the change of filling ratio (thermit mixture, Fe2O3 and Al) and the addition of silica. Two compositions, -Al2O3 and FeAl2O4, were detected in the dispersed phase. The size of alumina grains became larger towards the pipe innermost side at high mixture filling ratios. Additionally, it was found that amorphous silicate materials formed by the addition of silica makes the layer dense significantly. The apparent density and hardness of the ceramic layer were improved from 2.9 g/cm3and 1,430 Hv to 3.7 g/cm3 and 1,700 Hv with the effect of additive, silica.
Key words :Centrifugal-Thermit process, Ceramic lining, Apparent density, Hardness
요 약 :원심장 영역에서 자전연소반응 원심테르밋반응 을 이용하여 일반강관 내부에 세라믹 코팅층의 형성이( ) 가능하였다 원심테르밋반응의 공정변수 테르밋 혼합원료 충진량. , , SiO2첨가량을 변화시키면서 형성된 세라믹 층의 물리적 특성의 변화를 조사하였다 코팅된 세라믹 층은 두 성분. (-Al2O3와FeAl2O4)이 분산된 상태로 존재 하였다 또한 원료 충진량이 증가함에 따라 파이프 내부방향으로 갈수록. , -Al2O3의 입자크기가 커지는 경향을 나타내었다. SiO2첨가에 의해 세라믹 층에 비정질SiO2가 형성되었으며 첨가제 효과로 세라믹 층의 밀도는, 2.9 g/cm3에서3.7 g/cm3로 증가하였고 이로 인하여 강도는, 1,430 Hv에서1,700 Hv로 향상되었다.
주요어 : 원심테르밋공정 세라믹 코팅 겉보기 밀도 강도, , ,
년 월 일 접수 년 월 일 채택
2008 2 1 , 2008 6 11
충남대학교 재료공학과 1)
한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 2)
강원대학교 지구시스템공학과 3)
*Corresponding Author 이재령( ) E-mail; [email protected]
Address; Dept. Geosystem Engineering, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea
연구논문
원심장의 용융상태인 두 성분은 밀도 차에 의해 파이 프 바깥쪽으로부터 금속층 금속 세라믹 혼합층 세라믹, - , 층이 형성된다 이러한 원심테르밋공정은 파이프 내부에. 이상 두께의 세라믹 코팅층 형성에 효과적이며
1 mm ,
제조 복합강관의 내마모 내화학성 열 및 기계적 충격성, , 에 우수한 특성을 지니고 있다(Yin, et. al., 1993; Yin, 특히 코팅부분의 경사재 et. al., 2000; Odawara, 1990). ,
료 특성 높은 밀도 형성층의 미세조직은 극한 작업조건, , 에서의 내구성 향상에 필요한 요소들이다 이러한 특성. 을 코팅층에 부여하기 위해서 원심테르밋 공정 조건 변, 화에 의한 많은 연구가 진행되어져 왔다(Chai, et. al., 1995; Mu, et. al., 1997; Meng, et. al., 2007).
본 연구에서는 원심테르밋 원료의 충진량과 첨가제 SiO2 양이 코팅층의 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
실험방법
실험에 사용된 원료는Table 1에 나타낸 바와 같이 테 르밋 반응원료Fe2O3와Al,첨가제SiO2를 이용하였다. 테르밋반응 원료는 몰비Fe2O3:Al=1:2로 하여 원통 혼, 합기에서 시간 혼합한 후 건조기에서1 , 100 , 2℃ 시간 처리 하여 흡착수분을 제거하였다 첨가제. SiO2는 테르밋 반응 원료에 대해서 최대5 wt%까지 변화시키면서 실험을 진 행하였다 사용 금속관은 내경. 54 mm,두께3 mm의 일반 탄소강관을300 mm길이로 절단하여 사용하였다 강관내. 부에 반응원료를 투입하고 수평방향으로 고속회전 장치에 장착하였다 회전속도는. 110 G(중력가속도, [m/s2])로 조 정하였고 회전 중 관 내부로 발열체, , (tungsten filament) 를 투입 점화를 실시하였다 발열 반응이 완료된 후에도, .
분간 회전을 지속시켰다
5 .
형성된 세라믹 코팅층을 일정크기(10 mm × 10 mm) 로 채취하여 미세조직을 주사전자현미경(JSM-6380LA, 으로 조사하였다 세라믹층의 조성은 선 회
Jeol, Japan) . X-
절(Rotaflex Ru-200B, Rigaku, Japan)검사하였으며 강도, 는Vickers방식(Hardness tester, MVK-E, Akashi, Japan) 으로 측정하였다 또한 겉보기 밀도는 세라믹층의 시편. , 을 일정한 크기(10 mm × 10 mm, t=2 mm)로 가공하여 액중 칭량법(Archimedes방식 으로 측정하였다) .
결과 및 고찰
코팅층 조성
원심테르밋반응으로 형성된 세라믹 코팅층의 선 회절X 검사 결과를Fig. 1에 나타내었다 테르밋원료 충진량은. 강관 중량대비40%로 고정하였고 첨가제 첨가량을, 변화 시켰다 두 조건 모두 주요성분은. corundum(-Al2O3)와 hercynite(FeAl2O4) 이었다. SiO2를 첨가한 경우에서도
관련 성분이 검출되지 않은 것은
Si- SiO2가 비정질 상태
로 조직내부에 분포하고 있는 것으로 판단된다 또한. , 검사 결과 세라믹 코팅층에서 성분이 검
SEM-EDX , Fe
출되지 않았으며 이는 원심력에 의해, Fe 성분의 완전 분리가 이루어진 것으로 사료된다.
겉보기 밀도 및 강도
원심테르밋 반응온도는 점화 후 높은 반응 발열량에, 의해 순간적으로3,000℃이상으로 증가하며 이로 인해, 용융된 원료는 강관 표면으로 빠르게 이동되게 된다 높. 은 원심력에도 불구하고 용융물의solidification속도가 빠르기 때문에 일부gas는 용융물 내부에 잔존하게 되며, 이로 인해 코팅층의 밀도가 낮아지게 된다.
Table 1. Starting materials for thermit reaction
Purity (%) Mean size (d50, ㎛) Origin Thermit
reactant
Ferric Oxide (Fe2O3) ≥ 99.0 1.6 EWIC, Korea
Aluminum (Al) ≥ 99.5 39.0 Alcoa, USA
Additive Silica (-SiO2) ≥ 99.0 15.3 Junsei, Japan
20 30 40 50 60 70 80 90 100
(a)
2 Theta (b)
Intensity ( arbitrary unit)
α Al2O3
FeAl2O4
Fig. 1. XRD pattern of ceramic layer prepared at 40%
filling ratio of thermit mixture ((a) without quartz, (b) with 4% quartz).
와 에 각각의 실험조건에 따른 형성 세라 Fig. 2 Fig. 3
믹층의 겉보기 밀도를 나타내었다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 첨가제가 혼입이 없는 경우 겉보기 밀도는 반응원, 료 충진량의 변화에 상관없이 거의 일정하였다(2.8 3.0～ g/cm3). 반면에 첨가제SiO2를4 wt% 첨가하였을 경우, 원료 충진량에 상관없이 밀도는3.75 g/cm3으로 증가하였 다 이러한 결과로부터 첨가제 첨가량이 밀도에 미치는. , 영향을 조사하기 위해SiO2를5 wt%까지 증가시키면서 형성된 세라믹층의 겉보기 밀도를 조사하였다(Fig. 3).
SiO2의1 wt%첨가만으로 밀도가3.7 g/cm3으로 증가하 였으며 이후 첨가제 증가에 의한 영향은 거의 없었다, .
SiO2 첨가량에 따른 형성 세라믹층의 vickers 강도를 하중50 kg조건에서 실험하였고 강도 변화를, Fig. 4에 나타내었다. SiO2 첨가하지 않을 상태에서 생성된 세라 믹층의 강도는1,450 Hv 정도를 나타내었지만, 1 wt%
SiO2 첨가로1,650 Hv까지 강도가 급속히 증가하였으 며, 2 wt%이상에서는1,700 Hv로 거의 일정한 경향을 나타내었다.
이상의 결과로부터SiO2 첨가가 형성 세라믹층의 조직 변화와 이에 따른 밀도 변화에 영향을 미치고 있음을 확 인하였으며 미세조직과 강도가 밀접한 연관성을 나타내, 고 있음을 알 수 있었다.
형성된 세라믹층 미세조직
Fig. 5는SiO2를 첨가하지 않고 원료 충진량을 변화시, 켰을 때((a) 20%, (b) 40%), 형성된 세라믹층의 미세조 직을 금속층과 밀착층(-1),중간층(-2),강관내측(-3)로구 분하여SEM-Back Scattered Electron Diffraction 검사 를 실시하였다. Grey부분은corundum(-Al2O3)상을 나 타내며, white부분은FeAl2O4상을 나타내고 있다 또한. , 부분은 기공을 표현하고 있다 에서 보는 바
black . Fig. 5
와 같이 강관 내부측으로 갈수록 또한 원료 충진량이 증, 가할수록 corundum상의grain 크기가 증가함을 알 수 있었다.
산화철(Fe2O3)과 알루미늄(Al) 사이의 테르밋반응의 단 열 연소 온도는3,480℃로 이는corundum(Tm : 2,030 )℃ 과iron(Tm : 1,536 )℃의 용융온도에 비해 훨씬 높은 온 도이며 밀도차에 의해 두 성분의 분리가 가능하였다, . Fig. 2. Apparent density at different filling ratios; (a)
without quartz, (b) with 4% quartz.
Fig. 3. Apparent density with different SiO2 additions at 40% of filling ratio.
0 1 2 3 4 5
1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750
Hardness (Hv)
S iO2 (% ) Fig. 4. Hardness of ceramic layer.
발생 열의 대부분은 파이프 주변의open 공간으로 방 출되며 파이프 내부 온도 측정결과 반응 완료 후, , 20초 이내에1,000℃이하로 급격히 저감됨이 확인되었다 따. 라서 세라믹층의grain크기와 형상은 세라믹층 형성 위
치에 따라 크게 차이를 보이게 되며 이러한 현상은, Fig.
에서 확인할 수 있었다
5 .
Fig. 6은SiO2 첨가량에 따른 형성 세라믹층의 미세조 직SEM검사 결과이다 첨가량에 따른 형성 수지상의 미. 세조직에 큰 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다. SiO2를 첨가함으로써 조직 내에 존재하고 있는 기공이 확연히 저 감됨을 확인할 수 있었고 이는, Fig. 2의 겉보기 밀도 변 화와 결과가 일치함을 알 수 있다 또한 첨가제 양이 증. , 가함에 따라corundum조직이 보다 더 미세해 짐을 확인 할 수 있었다 이는. SiO2-Al2O3-FeO계에서SiO2가 비정 질의 상태로 존재하면서 급속한 공냉중에 세라믹층의 수 지상 조직을 미세화하는데 작용한 것으로 판단된다.
결 론
원심장 내에서의 산화철(Fe2O3)과 알루미늄(Al) 사이 의 자전연소반응을 이용한 원심테르밋 공정을 이용하여 강관 내부에 세라믹 코팅이 가능하였다 형성 세라믹층. 의 주요 조성은 -Al2O3와FeAl2O4로 구성되어 있었으 며, -Al2O3의grain크기는 파이프 내측으로 갈수록 원, 료 충진량이 증가할수록 증가하는 것을 알 수 있었다 첨. 가제SiO2혼입에 의한 비정질 물질의 생성은 반응물의 용융상 유동성을 증가시켜-Al2O3의 미세 수지상 조직 을 유도하였으며 이는 형성 세라믹층의 겉보기 밀도와, 강도를2.9 g/cm3, 1,430 Hv에서3.7 g/cm3, 1,700 Hv로 특성 향상을 가능하게 하였다.
참고문헌
Chai, H., Guo, Y., Fan, Q., Wang, X., and Wang, X., 1995,
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Meng, Q. S., Chen, S. P., Zhao, J. F., Zhang, H., Zhang, H. X., and Munir, Z. A., 2007, “Microstructure and mechanical properties of multilayer-lined composite pipes prepared by SHS centrifugal-thermit process,” Mater. Sci.
Eng. A., 456, pp. 332-336.
Merzhanov, A. G., 1997, “Worldwide evolution and present status of SHS as branch of modern R&D,” Inter. J. SHS., 6, pp. 119-130.
Mu, L., Yin, S., Yanping, W., and Heyi, L., 1997, “The characteristics of combustion in a centrifugal-thermite process,” J. Mater. Sci., 32, pp. 4711-4713.
Odawara, O., 1990, “Long ceramic lined pipes produced by a centrifugal thermit process,” J. Am. Ceram. Soc., 73,
20KV X550 20μm KIGAM
a-1.Contact side
20KV X550 20μm KIGAM
a-2.Middle side
20KV X550 20μm KIGAM
a-3.Open side
b-1. Contact side
20KV X550 20μm KIGAM
20KV X550 20μm KIGAM
b-2. Middle side
20KV X550 20μm KIGAM
b-3.Open side Fig. 5. Micrographs of ceramic layer prepared at different filling ratios of (a) 20% and (b) 40%
(a) 0% (b) 1%
(c) 3% (d) 5%
Fig. 6. Micrographs of ceramic layer prepared with quartz additions.
pp. 629-633.
Odawara, O., 1996, “Ceramic linings of pipes using SHS technology,” Key Eng. Mater., 122-124, pp. 463-476.
Yin, S., Lin, T., Guo, Z., and Guo, S., 2000, “Development and industrial application of ceramic lined steel pipe,”
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Yin, S., Liu, M, Guo, Z., and Lai, H., 1993, “Feldspar additive in composite pipes made by a centrifugal SHS process,” Inter. J. SHS., 2, pp. 69-75.
레밍 퉁 안 종 관
1995년Can Tho University (Vietnam) 물리학과 이학사
2003년Can Tho University (Vietnam) 물리학과 이학석사
1987년고려대학교 금속공학과 공학사 1991년고려대학교 금속공학과 공학석사 1996년고려대학교 금속공학과 공학박사
현재 충남대학교 재료공학과 박사과정 (E-mail; [email protected])
현재 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 선임연구원 (E-mail; [email protected])
이 재 령
1996년한양대학교 자원공학과 공학사 1998년한양대학교 자원공학과 공학석사 2002년Tohoku University 재료공학과
공학박사
현재 강원대학교 지구시스템공학과 조교수 (E-mail; [email protected])
