저온 분사 코팅을 이용한 성형작약탄 라이너의 기공경사 반응성 코팅 형성방법 및 이에 따라 제조된 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너 {Method for manufacturing graded porous multiple layered reactive Shaped Charge Liner by using kinetic spray coating, and graded porous multiple layered reactive Shaped Charge Liner manufactured by the same}
본 발명은 성형작약탄의 라이너(Shaped Charge Liner)의 제조방법 및 이에 따라 제조된 성형작약탄의 라이너에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 장갑(裝甲) 관통시 장갑의 내부에서 폭발효과가 극대화되도록 저온 분사 코팅을 이용하여 라이너의 표면에 고반응성 코팅층이 형성되도록 한 저온 분사 코팅을 이용한 성형작약탄 라이너의 기공경사 반응성 코팅 형성방법 및 이에 따라 제조된 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너에 관한 것이다.
성형작약탄은 목표물에 성형작약탄이 충돌하면 신관에 의해 작약이 폭발하면서, 몬로 효과(Monroe effect)에 의해 성형작약탄의 전방에 설치된 원뿔형상의 라이너(liner)가 변형하면서, 고온, 고압의 메탈 제트(metal jet)가 형성되어 목표물의 장갑을 관통한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 성형작약탄(10)은 몬로효과를 발생시키기 위해서 작약(12)이 채워진 탄체(11)의 전방에 원뿔형의 라이너(13)가 설치되어, 성형작약탄(10)이 목표물에 충돌하여 장갑을 관통하는 순간, 도 2에 도시된 바와 같이, 폭발하면서 파편, 열, 빛을 발산시킨다. 현재, 성형작약탄(10)은 성형작약탄(10)이 목표물(T)에 충돌하면서 발생되는 메탈 제트에 의해서 적을 제압한다. 그러나, 상기 메탈 제트에 의해서는 목표물(T)의 장갑은 관통할 수 있으나, 목표물에 충분한 피해를 입히지 못할 수 있다. 예컨대, 시가지 전투에서 보병 전투차량 및 건물 내에 은폐되어 있는 목표물은 단순히 성형작약탄(10)이 메탈 제트에 의해서 관통하는 것만으로는 목표물을 충분히 제압하지 못하는 문제점이 있다. 상기 성형작약탄(10)이 목표물의 내부에서 충분한 폭발력을 발휘하기 위해서는 상기 성형작약탄(10)의 내부에 설치되는 라이너의 특성을 개선할 필요가 있다. 즉, 상기 성형작약탄(10)의 반응속도에 따라 상기 성형작약탄(10)의 폭발효과는 증대되는데, 상기 성형작약탄(10)에서 반응속도는 농도, 온도, 압력에 큰 영향을 받는다. 여기서, 온도와 압력은 인위적으로 조절할 수 없으므로, 농도를 조절하거나, 온도와 압력에 쉽게 반응하는 재료를 선정할 필요가 있다. 반응시 농도를 높이기 위해서는 라이너의 표면에 코팅되는 코팅층의 기공이 다수 존재하도록 하고, 작은 분말입자를 사용하여 코팅함으로써, 비산되는 양을 높여 산소와 접촉되는 비표면적을 높이도록 한다. 하지만, 단순한 기공의 증대만으로는 충분한 폭발효과를 달성하지 못하게 된다. 즉, 코팅층에 기공이 많아지면, 먼저 산소와 접촉하는 면적이 증가하여 작약의 폭발이전에 이미 산소와 반응하여 반응성이 저하되므로, 관통 후 폭발효과도 저하된다. 한편, 고반응성 코팅층을 형성시키는 다른 방법의 하나로서, 열용사(thermal spaying)을 이용하여 테르밋반응을 일으켜 라이너의 코팅층을 치밀하게 할 수도 있다. 열용사는 고온의 플라즈마 유동장을 이용하여 해당 물질을 용융시킨 후 모재상에 적층시키는 기술이다. 이러한 열용사는 코팅 도중에 테르밋 반응이 발생하기 때문에 금속간 화합물인 안정된 화합물이 생성된다. 이렇게 코팅중에 안정된 화합물이 생성되면, 성형작약탄(10)이 목표물과 충돌 시 많은 양의 코팅 층이 비산되더라도 라이너의 코팅층이 급격히 반응하지 않기 때문에 별다른 폭발력을 발휘하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 라이너에 코팅되는 코팅층은 조직에 기공이 너무 많이 형성되거나, 조직이 너무 치밀하면 관통 후 폭발력이 충분히 발휘되지 못하는 문제점이 있다.
한편, 하기의 선행기술문헌은, '균질하고 초미립의 미세조직을 갖는 구리 라이너 제조 방법'에 관한 것으로서, 성형작약탄 내에 사용되는 라이너를 구리를 재질로 하여 결정립 조직이 미세하고 균질한 원뿔형의 라이너에 대하여 개시하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 성형작약탄의 내부에 설치되는 라이너의 표면에 기공이 형성되지 않은 표면코팅층과 깊이에 따라 기공이 형성된 비율이 변하는 기공경사 코팅층을 갖는 고반응성 코팅층이 형성되도록 하여, 표면에서는 산화를 방지하고 기공경사 코팅층에 형성된 기공에 의해서 성형작약탄의 폭발시 반응속도를 향상시켜 전체 성형작약탄의 폭발력이 증대되도록 하는 저온 분사 코팅을 이용한 성형작약탄 라이너의 기공경사 반응성 코팅 형성방법 및 이에 따라 제조된 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 성형작약탄 라이너의 기공경사 반응성 코팅 형성방법는, 공정가스를 미리 정해진 온도 및 압력에 도달하도록 상기 공정가스를 가열 및 가압시키는 가열 및 가압단계와, 가열가압된 공정가스가 노즐을 통과하면서 압축 후 팽창되어 상기 공정가스가 초음속으로 가속되는 가속단계와, 상기 공정가스와 별도로 저장된 테르밋 반응을 일으키는 분말을 상기 가열 및 가압된 공정가스가 유동하는 상기 노즐의 내부로 공급하여, 상기 노즐을 따라 이송되게 하는 분말공급단계와, 상기 노즐의 내부에서 상기 공정가스와 함께 이동하면서, 상기 공정가스에 의해 가속된 상기 분말이 상기 노즐로부터 성형작약탄의 라이너가 될 모재의 표면으로 분사되는 분말분사단계와, 상기 노즐로부� �� 분사된 분말이 소재의 모재와 충돌하여, 상기 모재의 표면에서 소성변형되어 고반응성 코팅층을 형성하는 소성변형단계를 포함하고, 상기 분말분사단계에서 분사되는 분말의 분사속도를 조절하여, 상기 고반응성 코팅층의 내부에서 기공도를 제어하는 것을 특징으로 한다. 상기 가열 및 가압단계에서, 상기 공정가스는 15℃ 이상 1100℃ 이하로 가열되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 분말의 용융점이 800℃ 이상이면, 상기 공정가스는 500℃ 이상 1100℃ 이하로 가열되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 분말의 용융점이 800℃ 미만이면, 상기 공정가스는 15℃ 이상 500℃ 미만으로 가열될 수 있다. 상기 가열 및 가압단계에서, 상기 공정가스는 0.1MPa 이상 8.0MPa 이하로 가압되는 것을 특징으로 한다. 상기 가열 및 가압단계에서, 상기 공정가스는 코팅이 될수록 상기 고반응성 코팅층이 더 치밀해지도록 상기 공정가스의 압력을 점점 높아지도록 하여, 상기 고반응성 코팅층은, 깊이에 따라 기공도가 변하는 기공경사 코팅층을 형성하고, 상기 기공경사 코팅층의 상부에는 상기 라이너의 표면이 되는 기공이 없는 표면코팅층이 적층되도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 기공경사 코팅층의 하부에는 상기 기공경사 코팅층을 형성하기 전에 기공이 존재하지 않는 코팅 접착층이 먼저 형성되는 것이 바람직하다. 상기 공정가스는, 질소, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합가스 중 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 한다. 상기 분말은 테르밋 반응을 일으키는 분말 인 것을 특징으로 한다. 상기 테르밋 반응을 일으키는 분말은 알루미늄, 마그네슘, 지르코늄, 티타늄 또는 니켈 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 분말공급단계에서, 상기 분말은 그 직경이 5μm 내지 200μm이 될 수 있다. 상기 분말공급단계에서, 상기 분말이 나노사이즈크기 일 경우 이를 10μm 내지 90μm로 응집시켜 공급하는 것을 특징으로 한다. 상기 분말공급단계에서, 상기 분말이 서로 다른 종류의 분말이 혼합되면, 밀도가 큰 분말은 분말의 직경을 작게 조절하여 공급하는 것을 특징으로 한다. 상기 분말공급단계에서, 상기 분말은 15℃ 이상 1000℃ 이하로 예열된 후 공급되는 것이 바람직하다. 한편, 상기 분말분사단계에서, 상기 노즐에서 상기 분말은 100m/s 내지 1500m/s로 분사되는 것을 특징으로 한다. 상기 분말분사단계에서, 상기 노즐은 1mm/s 내지 500mm/s의 속도로 상기 분말의 분사방향과 수직한 방향으로 이동하면서 분사하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 노즐은 60mm/s 내지 120mm/s의 속도로 이동하는 것을 특징으로 한다. 상기 분말분사단계에서, 상기 노즐의 선단과 상기 모재 사이의 거리는 10mm 내지 100mm 인 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 분말공급단계가 수행되기 전에, 상기 라이너의 표면조도를 고르게 하는 전처리단계를 더 포함한다. 상기 전처리 단계는, 상기 라이너의 표면으로, 직경 177~595μm인 알루미나 분말을 5~8kg/cm 2 의 압력으로 분사하는 블라스팅하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일측면에 따른 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너는, 원뿔형으로 형성되고, 성형작약탄의 내부의 전방에 설치되어, 작약의 폭발시 폭발에너지를 집중시키는 성형작약탄의 라이너에 있어서, 상기 라이너의 표면에는, 상기 라이너의 표면으로부터 일정한 두께까지는 기공이 형성되지 않은 표면코팅층과, 상기 표면코팅층의 하부에 상기 라이너의 표면으로부터 깊이가 깊어짐에 따라 기공도가 높아졌다가 작아지는 기공경사 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 기공경사 코팅층의 하부에는 기공이 형성되지 않는 코팅접착층이 더 포함되는 것을 특징으로 한다. 상기 라이너의 고반응성 코팅층은, 테르밋 반응을 일으키는 분말이 분사되어 코팅되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 테르밋 반응을 일으키는 분말은, 알루미늄, 마그네슘, 지르코늄, 티타늄 또는 니켈 중 어느 하나를 포함한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 성형작약탄 라이너의 기공경사 반응성 코팅 형성방법 및 이에 따라 제조된 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너에 따르면, 저온 분사 코팅을 이용하기 때문에, 노즐을 통하여 분사되는 분말의 용융점보다 낮은 온도에서 코팅이 진행되고, 분말이 대기와 접촉하는 시간이 짧기 때문에 열용사와 달리 상변태와 부가적인 산화없이 입자의 물리적, 기계적 특성이 보존하면서 성형작약탄의 라이너에 관통후 반응속도를 높이는 코팅층을 형성할 수 있다. 특히, 표면에서 가까운 부분에서는 기공이 거의 존재하지 않아 산화를 방지하고, 그 이후에 기공도가 변하는 기공경사 코팅층에 다량의 기공에 형성되어 있어서, 폭발시 폭발력을 향상시킨다. 또한, 상기 기공경사 코팅층의 하부에도 기공이 거의 존재하지 않는 코팅접착층이 형성되어 있어서, 고반응성 코팅층이 모재에 견고히 접착된 상태를 유지할 수 있다. 아울러, 저온 분사 코팅을 토하여 성형작약탄의 라이너를 제조하는 과정중에는 테르밋 반응이 발생하지 않지만, 목표물 충돌시에는 테르밋 반응을 일으켜 폭발력을 향상시킨다. 또한, 분말을 지속적으로 모재로 분사함으로써, 분말의 충돌에 의한 단조효과를 얻을 수 있다. 아울러, 저온 분사 코팅에 따라, 분말과 모재는 강하게 결합되어 높은 접합강도를 가지므로, 코팅의 내구성이 향상된다. 그리고, 분말의 분사시간을 늘여 분말이 모재에 지속적으로 충돌되도록 함으로서, 코팅층의 두께를 증가시킬 수 있다.
도 1은 통상적인 성형작약탄의 구조를 도시한 단면도.
도 2는 성형작약탄이 목표물에 충돌하여 장갑을 관통하는 순간을 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 제조방법을 수행하기 위한 저온 분사 코팅 장치의 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 제조방법을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 제조방법에서 주요 분말의 테르밋 반응식 및 엔탈피 변화량을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너에서 고반응성 코팅층을 도시한 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 본 발명에 따른 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너에서 고반응성 코팅층의 깊이에 따른 기공의 분포를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 고반응성 코팅층을 촬영한 전자현미경 사진
도 9a 내지 도 9c는 표면으로부터 깊이에 따른 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 기공분포를 촬영한 전자현미경 사진.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 제조방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 제조방법은, 도 4에 도시된 바와 같이, 공정가스를 미리 정해진 온도 및 압력에 도달하도록 상기 공정가스를 가열 및 가압시키는 가열 및 가압단계(S120)와, 가열가압된 공정가스가 노즐(25)을 통과하면서 압축 후 팽창되어 상기 공정가스가 초음속으로 가속되는 가속단계(S130)와, 상기 공정가스와 별도로 저장된 분말이 상기 노즐(25)의 내부로 공급하여, 상기 노즐(25)을 따라 이송되게 하는 분말공급단계(S140)와, 상기 노즐(25)의 내부에서 상기 공정가스와 함께 이동하면서, 상기 공정가스에 의해 가속된 상기 분말이 상기 노즐(25)로부터 모재(S)로 분사되는 분말분사단계(S150)와, 상기 노즐(25)로부터 분사된 분말이 소재의 모재(S)와 충돌하여, 상기 모재(S)의 표면에서 � �성변형되어 고반응성 코팅층을 형성하는 소성변형계(S160)를 포함한다. 본 발명에 따른 저온 분사 코팅을 이용한 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 제조방법은, 도 3에 도시된 바와 같은 저온 분사 코팅 장치(20)를 이용하여 테르밋 반응을 일으키는 분말을 저온 분사 코팅함으로써 수행된다. 상기 저온 분사 코팅 장치(20)는 공정가스가 저장된 가스탱크(21)와, 공정을 제어하는 제어부(22)와, 공정가스를 가열 및 가압하는 가스 가열 가압부(23)와, 분말이 저장된 분말탱크(24) 및 상기 공정가스가 가속되게 유동하고, 상기 분말탱크(24)로부터 분말이 공급되어 라이너(13)가 될 모재(S)로 분말을 분사하는 노즐(25)로 이루어진다. 상기 저온 분사 코팅 장치(20)를 이용하여, 분말의 용융점보다 낮은 온도에서 공정이 수행되도록 하여 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄(10)의 라이너(13)를 제조하도록 한다. 가열 및 가압 단계(S120)는, 공정가스를 정해진 온도와 압력까지 가열되도록 한다. 가스탱크(21)에 저장된 공정가스가 제어부(22)의 지령에 의해서 공급되기 시작하면, 상기 공정가스는 가스 가열 가압부(23)를 통과하면서 미리 설정된 일정한 온도와 압력으로 가열 및 가압된다. 상기 공정가스의 온도는 상온 내지 1100℃인 것이 바람직하다. 분말이 노즐(25)에서 분사되어 모재(S)에 충돌되어 분말이 충분한 소성 변형을 유도하기 위해서는 분말이 높은 속도로 공정가스 유동장 내에서 가속되어야 한다. 상기 공정가스의 온도를 높여 상기 공정가스의 비행속도를 높이면, 상기 공정가스 유동장 내에서 공정가스에 의해 분말을 높은 속도를 높일 수 있다, 또한, 상기 분말이 공정가스 유동장 내에서 비행하면서, 상기 공정속도로부터 충분한 열에너지를 전달받아 높은 온도를 가지게 되므로, 소성변형에서 유리해지고, 적층이 유리해진다. 이때, 상기 공정가스의 가열온도는 상기 공정가스에 의해 가속되는 분말의 경도에 따라 결정되는데, 상기 분말의 경도가 높으면 공정가스의 가열 온도가 높고, 분말이 상대적으로 무르면 공정가의 가열온도는 낮다. 여기서, 상기 분말의 경도는 분말의 구성하는 원소의 용융점에 종속되는 경향이 있는 바, 대략 800℃를 기준으로 하여, 분말의 용융점이 800℃ 이상이면, 상기 공정가스는 500℃ 내지 1100℃로 가열되도록 한다. 그리고, 분말의 용융점이 800℃ 미만이면, 상기 공정가스는, 상온 즉 15℃ 내지 500℃로 가열되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 가열 및 가압 단계(S120)에서 상기 공정가스는 0.1 ~ 8.0MPa의 범위로 가압되도록 한다. 상기 공정가스의 압력은 상기 공정가스와 분말의 비행속도를 결정하는 변수이다. 도 6에 개략도로 도시되고 도 7에 깊이에 따른 기공도가 도시된 바와 같이, 상기 라이너(13)에서 고반응성 코팅층(13a)의 기공 분포를 보면, 표면으로부터 깊이에 따라서 기공의 비율인 기공도를 달리하기 위해서는 압력을 조절한다. 즉, 상기 공정가스의 압력이 낮으면 코팅층에서 기공이 많이 형성되고, 상기 공정가스의 압력이 높으면 코팅층에서 기공이 적게 형성된다. 따라서, 상기 공정가스의 압력을 처음에는 높게 유지하여 고반응성 코팅층(13a)에서 기공이 거의 존재하지 않도록 코팅되는 코팅접착층(13ac)을 상기 고반응성 코팅층(13a)과 상기 모재(S)의 계면을 코팅하기 시작하고, 이후 낮은 압력에서 코팅하되 압력이 낮아졌다 높아지도록 하여, 고반응성 코팅층(13a)에 기공이 많이 형성되되 기공도가 경사를 갖는 기공경사 코팅층(13ab)이 되도록 하고, 점점 압력을 높여 나중에는 상기 라이너(13)의 표면에 위치하는 표면코팅층(13aa)이 되도록 한다. 상기 고반응성 코팅층(13a)은 대기와 접하는 표면과 가까운 부분과 모재와 경계를 이루는 계면에 가까운 부분, 즉 표면코팅층(13aa)과 코팅접착층(13ac)은 기공이 적게 형성되도록 함으로써, 조직이 치밀해지도록 한다. 또한, 상기 표면코팅층(13aa)과 코팅접착층(13ac)의 중간에 위치하는 기공경사 코팅층은 기공이 많이 형성되고, 기공의 분포인 기공도가 표면으로부터 깊이가 깊어짐에 따라 높아졌다 낮아지는 기공경사 코팅층(13ab)이 된다. 상기 표면코팅층(13aa)는 기공이 거의 존재하지 않아 산화를 방지하고, 그 하부에 형성되는 기공경사 코팅층(13ab)는 다량의 기공이 형성되어 있어서, 폭발시 반응성을 높여 폭발력을 증가시킨다. 또한, 계면에 접하는 코팅접착층(13ac)은 상기 고반응성 코팅층(13a)과 모재(S)와의 접착력을 높인다. 여기서, 상기 공정가스는 질소, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합 가스 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 그리고, 상기 공정가스의 종류에 따라 각각의 밀도가 다르고, 그 밀도 차이에 의해 가속되는 정도가 상이한 것으로서, 밀도가 낮을수록 가속이 잘 된다. 예컨대, 상기 질소, 헬륨, 공기는 헬륨, 질소, 공기의 순으로 가속된다. 따라서, 헬륨을 사용하면 다른 가스에 비하여 빠르게 가속되기 때문에, 상기 헬륨과 같이 비행하는 분말이 모재(S)에서 충분히 소성변형을 할 수 있기 때문에 기공이 적은 치밀한 코팅층을 형성할 수 있다. 반대로 공기를 공정가스로 사용하면 상대적으로 느리게 가속되기 때문에 기공이 많은 코팅층을 형성할 수 있다. 다만, 상기 공정가스는 상기 라이너를 코팅하는 중에는 변경하기 어렵기 때문에 미리 요구되는 기공의 정도, 비용 등을 고려하여 공정가스를 정하도록 한다. 분말공급단계(S140)에서는 분말탱크(24)에 상기 공정가스와 별도로 저장된 분말을 상기 공정가스가 유동하는 노즐(25)의 내부로 공급되도록 한다. 이때, 상기 분말탱크(24)에 저장되어 모재(S)로 분사되는 분말은 테르밋(thermite) 반응을 일으키는 분말이면 모두 가능하다. 상기 분말이 테르밋 반응을 잘 일으키는 분말을 적용함으로써, 상기 성형작약탄(10)의 폭발력을 향상시킬 수 있다. 상기 분말의 구체적인 예로서, 알루미늄, 마그네슘, 지르코늄. 티타늄, 니켈 등을 포함하여 구성될 수 있다. 아울러, 도 5에는 상기 분말의 몇 가지 예시에 대한 반응식과 반응열에 대하여 도시되어 있다. 상기 분말들은 제조과정중에는 테르밋 반응을 일으키지 않으나, 목표물 충돌시 테르밋 반응을 일으켜 폭발력을 증대시킨다. 그리고, 상기 분말의 직경은 5μm 내지 200μm가 되도록 한다. 상기 분말의 직경은 코팅성을 결정하는 중요한 인자로서, 분말의 직경이 너무 적으면 분말이 갖는 운동에너지가 충분하지 않아 코팅시 적층율이 떨어지고, 분말의 직경이 너무 크면 상기 공정가스가 충분히 분말을 가속시키기 못하여 상기 라이너(13)의 표면 코팅이 어려워 진다. 따라서, 분말의 직경은 일정한 범위내에 분포해야 하는데, 5μm 내지 200μm가 바람직하다. 한편, 복수의 분말을 혼합하여 분사하는 경우에는 각각의 분말이 가속되는 정도가 상이하여 균일하게 코팅이 되지 않을 수 있다. 이러한 경우에는 분말의 밀도를 고려하여 분말의 직경을 따로 결정해야 한다. 즉, 상기 밀도가 높은 분말은 밀도가 낮은 분말에 비하여 직경을 작게 형성한다. 예컨대, 알루미늄 분말과 니켈 분말이 혼합된다면, 알루미늄 분말의 직경은 20μm, 니켈 분말의 직경은 5μm로 형성할 수 있다. 또한, 나노사이즈 크기의 분말을 사용할 경우, 이를 수십 μm 크기, 예컨대 10μm 내지 90μm 의 직경으로 응집시킨 응집체로 구성하여, 이를 분사시킬 수도 있다. 아울러, 상기 분말은 상온 내지 1000℃로 예열된 후 공급되는 것이 바람직하다. 순수한 알루미늄이나 마그네슘과 같은 경도가 낮은 분말을 사용할 때에는 굳이 예열할 필요는 없다. 그러나 경도가 높은 재료를 사용하는 경우에는 상기 분말이 상기 노즐(25)로부터 모재(S)로 분사된 후, 분말이 충분히 소성 변형되지 않기 때문에 상기 분말이 충분한 열에너지를 갖도록 하여, 모재(S)로 분사되었을 때, 소성변형이 활성화될 수 있도록 분말예열부(미도시)를 이용하여 분말을 예열시킨다. 따라서, 상기 분말의 예열범위는 상온에 해당하는 약 15℃부터 상기 공정가스의 가열범위의 상한에 근접하는 1000℃로 예열되도록 한다. 한편, 상기 분말분사단계(S150)에서 분사거리, 즉 상기 노즐(25)의 선단과 모재(S) 사이의 거리는 10mm 내지 100mm가 되도록 한다. 상기 분사거리가 10mm보다 짧으면 분말이 가속되는 시간이 충분하지 않아, 분말이 가속되지 않는다. 반대로 분사거리가 100mm보다 길면, 공정가스가 유동하는 동안 대기와의 마찰에 의해서 공정가스의 속도가 줄어들고, 상기 공정가스와 함께 유동하는 분말의 속도도 저하된다. 따라서, 분사거리는 10mm 내지 100mm 인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 노즐(25)은 1mm/s 내지 500mm/s의 속도로 상기 분말의 분사방향과 수직한 방향으로 이동하면서 분사되도록 함으로써, 상기 라이너(13)가 될 모재(S)의 표면에 고르게 고반응성 코팅층(13a)이 형성되도록 한다. 특히 상기 노즐(52)은 60mm/s 내지 200mm/s의 속도로 이동하는 것이 더욱 바람직하다. 소성변형단계(S160)에서는 상기 모재(S)분사된 분말이 모재(S)의 표면에서 소성변형되어 고반응성 코팅층(13a)를 형성하는 단계이다. 분사된 분말은 모재와 충돌하면서 입자는 모재의 표면에서 소성변형된다. 분말이 소성변형되는 속도는 저온분사에 의해 낮은 온도에서 용융되지 않고, 고체 상태인 모재와 충돌하면서 높은 변형 속도하에서 극심한 소성 변형을 겪게 된다. 공정 조건에 따라 변형 속도는 0.5×10 9 s -1 까지 상승될 수 있다. 이러한 높은 변형 속도 하에서는, 소성 변형으로 인하여 발생하는 열에너지가 외부로 전달되지 못하여 열이 분말내에 축적되어 분말이 열에 의해 연화된다. 저온 분사에서 분말의 고상 접합은는 단열 전단 불안정에 의한 표면부의 온도 상승에 기인하므로, 분말이 예열되어 높은 온도를 가질수록 높은 열적 연화가 나타나므로, 낮은 속도에서 적층이 가능해진다. 아울러, 상기 라이너(13)의 표면은 코팅전에 전처리단계(S110)를 수행하여, 상기 라이너(13)의 표면의 조도가 향상되도록 한다. 상기 전처리단계(S110)는 상기 라이너(13)의 표면으로, 직경 177~595μm인 알루미나 분말을 5~8kg/cm 2 의 압력으로 분사하는 블라스팅함으로써, 상기 라이너(13)의 표면 조도를 향상시킨다.
본 발명에 따른 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너는 앞서 설명한 저온 분사 코팅을 이용한 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄의 라이너의 제조방법에 의해 제조된다. 즉, 성형작약탄(10)의 라이너(13)가 될 모재(S)를 앞서 설명한 바에 의하여 표면을 코팅하고, 이를 라이너(13)의 형태로 성형함으로써, 최종적으로 고반응성 코팅층(13a)이 형성된 성형작약탄(10)의 라이너(13)를 만들 수 있다. 본 발명에 따른 고반응성 코팅층을 갖는 성형작약탄(10)의 라이너(13)는, 분말을 유동중인 공정가스에 실어 비행시킴으로써, 라이너(13)가 되는 모재의 표면에서 소성 변형을 통하여 고반응성 코팅층(13a)을 형성하도록 한다. 상기 라이너(13)의 표면에 형성되는 고반응성 코팅층(13a)은 표면으로부터 일정한 깊이까지는 기공이 거의 존재하지 않고, 그 이후에는 깊이에 따라 기공이 형성된 정도, 즉 기공도가 변하는 기공경사가 형성된다. 즉, 도 6에 개략도로 도시된 바와 같이, 표면에 인접한 영역은 인위적으로 기공을 형성하지 않아 기공이 거의 존재하지 않는 치밀한 조직을 갖는 표면코팅층(13aa)이 되도록 하고, 그 이후부터 깊이에 따라 기공의 정도가 변하는 기공경사 코팅층(13ab)을 갖도록 형성된다. 도 7을 참조로 하여 살펴보면, 상기 라이너(13)의 표면, 즉 표면으로부터 일정 두께까지는 거의 기공이 존재하지 않는 표면코팅층(13aa)이 된다. 상기 표면코팅층(13aa)의 하부에는 깊이가 깊어짐에 따라 기공이 증가하다가 다시 감소하여 기공도에 변화, 즉 기공경사를 갖는 기공경사 코팅층(13ab)이 된다. 또한, 상기 기공경사 코팅층(13ab)의 하부에는 기공이 거의 존재하지 않는 코팅접착층(13ac)이 형성된다. 상기 라이너(13)의 표면으로부터 깊이가 깊어짐에 따라 표면코팅층(13aa), 기공경사 코팅층(13ab) 및 코팅접착층(13ac)의 순으로 형성되고, 상기 코팅접착층(13ac)은 상기 모재(S)에 가장 인접하게 위치하고, 상기 코팅접착층(13ac)과 모재(S) 사이에 고반응성 코팅층(13a)과 모재(S)의 계면이 된다. 이때, 상기 고반응성 코팅층(13a)을 형성하는 표면코팅층(13aa), 기공경사 코팅층(13ab) 및 코팅접착층(13ac)은 적층에 의해 이루어 지는 바, 상기 모재(S)의 표면에서 먼저 코팅접착층(13ac)이 형성된 후, 기공경사 코팅층(13ab), 표면코팅층(13aa) 순으로 형성된다. 한편, 이는 도 8 내지 도 9c에 상기 라이너(13)의 코팅층을 촬영한 전자현미경 사진에도 도시된 바와 같이, 표면에서 가까운 부분을 촬영한 도 9a에서는 코팅층의 조직이 치밀하여 기공의 분포가 적은 표면코팅층(13aa)이 되고, 코팅층의 중간 부분을 촬영한 도 9b에서는 기공의 비율이 높아지고, 다시 코팅층의 하부 영역을 촬영한 도 9c에서는 다시 기공의 비율이 낮아져, 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 기공이 변하는 기공경사 코팅층(13ab)이 형성되었음을 알 수 있다. 상기와 같이, 코팅층에서 표면에 가까운 부분은 기공의 분포를 적게함으로써, 표면에서 산화되는 정도를 줄여, 폭발력을 유지할 수 있도록 하고, 그 이후에 형성된 기공경사층에 의해서, 성형작약탄(10)이 목표물을 관통한 후, 코팅층이 비산되는 양을 늘여주어 산소와 반응하는 촉진시키기 때문에 폭발력을 증대시킬 수 있다. 또한, 표면으로부터 가장 이격되어 계면이 인접하게 위치하는 코팅접착층(13ac)은 기공이 형성되어 있지 않아서, 저온 분사 코팅을 통하여 모재(S)에 코팅되는 고반응성 코팅층(13a)이 상기 모재(S)에 견고히 접착된 상태를 유지할 수 있다.
10 : 성형작약탄 11 : 탄체
12 : 작약 13 : 라이너
13a : 고반응성 코팅층 13aa : 표면코팅층
13ab : 기공경사 코팅층 13ac : 코팅접착층
20 : 저온 분사 코팅 장치 21 : 가스탱크
22 : 제어부 23 : 가스 가열 가압부
24 : 분말탱크 25 : 노즐
S110 : 전처리단계 S120 : 가열 및 가압단계
S130 : 가속단계 S140 : 분말공급단계
S150 : 분말분사단계 S160 : 소성변형단계 |
