KR0179422B1 - 주강품의 표면경화방법 - Google Patents

Abstract

부품표면에 안정된 경화층 형성을 가능하게 하고, 내마모성과 인성을 보유하는 주강품을 제공한다.

표면경화재에 있어서는, 흑연분말만 또는, 흑연분말과 탄화물 및 금속분말로 선택되는 적어도 하나로 이루어지는 혼합물이다. 주형에 있어서는, 용탕과 접하는 주형내면의 표면 근처로 표면경화재를 보유한다. 또, 표면경화방법에 있어서는, 표면경화재를 함유하는 표면경화재부분을 주형내면의 표면 근처에 형성하고, 주형으로 용탕을 주입하고, 용탕으로 표면경화재를 확산시켜 응고시킨다. 더우기, 적어도 흑연분말을 함유하는 표면경화재에 용제를 가하여 용액으로 하고, 용액을 주형내면의 표면에 도포한 후, 건조하여 이루어지는 표면경화재부분을 형성하며, 주형으로 용탕을 주입하고, 용탕으로 표면경화재를 확산시켜 응고시킨다.

Description

주강품의 표면경화방법

제1도는 본 발명에 관한 적용예인 굴삭기계의 버킷의 주요부의 사시도.

제2도는 제1도의 이빨의 단면도.

제3도는 실시예 1에 관한 주형의 단면을 설명하는 도면.

제4도는 실시예 1에 관한 주강품 표면으로부터의 탄소량변화를 표시하는 도면.

제5도는 실시예 1에 관한 주강품 단면의 경도분포를 나타내는 도면.

제6도는 실시예 1에 관한 주강품 단면의 표면부의 조직을 표시하는 도면.

제7도는 실시예 2에 관한 조형공정의 주형의 단면을 설명하는 도면.

제8도는 실시예 2에 관한 주강품 표면으로부터의 탄소량변화를 나타내는 도면.

제9도는 실시예 2에 관한 주강품 단면의 경도분포를 나타내는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

5 : 이빨 11,12 : 주형

13 : 빈틈부분 15,22 : 표면경화재부분

21 ; 주조용 모형

본 발명은 주강품의 표면경화재, 주형 및 표면경화방법에 관하여, 특히 높은 경도가 요구되는 내마모부품에 알맞는 주강품의 표면경화재, 주형 및 표면경화방법에 관한 것이다.

종래에, 주강품 등의 표면경화재, 주형, 표면경화방법 등에 관한 것으로서, 다음 사항이 알려져 있다.

저탄소계강을 사용하여 소정형상으로 주조하며, 주조후에 침탄처리를 실시하여 주강품 표면의 탄소량을 증가시켜, 담금질 등에 의하여 표면경도를 높게 한다. 또, 필요에 따라서 뜨임(tempering)을 실시하고, 내마모성을 보유함과 아울러, 인성도 보유하는 표면경화주강품이 있다. 또, 중탄소계강을 사용하여, 주조후에 단시간처리를 할 수 있는 고주파담금질을 실시하며, 내마모주강품으로 하는 것도 알려져 있다.

별도의 종래기술로서, 주형내의 표면에 초경팁을 세트하고, 용탕을 주입하는 주물방법에 의하여, 초경팁을 접합함과 아울러, 극히 고경도의 내마모부품을 얻고 있는 것이 알려져 있다(예컨대, 특개평2-187250호 공보 참조). 또, 초경팁 대신에 초경합금분말을 사용하여, 고경도로 하는 것도 알려져 있다(예컨대, 특개평3-28974호 공보 참조).

그런데, 상기한 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 침탄담금질법에서는, 표면의 경도(H_V)가 850정도로 고경도가 가능하지만, 큰 경화의 깊이, 예컨대 2mm정도 혹은 그 이상의 깊이가 필요한 경우는, 처리시간이 극히 길고, 고가로 된다고 하는 문제가 있다. 또, 고주파담금질방법에서는, 주강품 형상마다 담금질코일을 제작할 필요가 있고, 게다가 단순한 주강품형상 이외에서는 일정한 경도 및 경도의 깊이를 얻는 것이 곤란하다.

초경팁의 주물방법에서는, 상대적으로 경도가 낮은 주물부가 마모되어서 초경팁이 돌출상태 등으로 되면, 충격적인 부하 등에 의하여 인성이 낮은 초경팁이 파손 및 파괴되며, 극히 고경도의 초경팁을 구비하고 있는 비율에는 수명이 짧은 문제가 있다. 또, 초경합금분말을 사용하는 경우에는, 파손 및 파괴를 발생시키는 것은 적기는 하지만, 부품의 소정부분에 초경합금분말을 함유시키므로, 주형내의 표면의 소정부에 설치하지만, 초경합금분말의 유지방법 등이 곤란하며, 또 많은 공정수를 요하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점에 착안하여, 부품표면에 안정된 경화층의 형성을 가능하게 하므로서, 양호한 내마모성과 인성을 겸비하며, 또한 값싼 주강품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관한 주강품의 표면경화재에 있어서, 제1발명은 용탕주입시에 상기한 용탕으로 확산되는 흑연분말로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

제2발명은 제1발명에 있어서, 상기한 흑연분말은 흑연분말과 탄화물 및 금속분말로부터 선택되는 적어도 하나로 이루어지는 혼합물이다.

본 발명에 관한 주강품의 주형에 있어서, 제3발명은 용탕과 접하는 주형내면의 표면 근처에 흑연분말로 이루어지는 표면경화재를 보유하는 것을 특징으로 한다.

제4발명은 제3발명에 있어서, 상기한 표면경화재는 탄화물과 금속분말로 선택되는 적어도 하나와, 흑연분말로 이루어진다.

본 발명에 관한 주강품의 표면경화방법에 있어서, 제5발명은 흑연분말을 함유한 표면경화재를 제작하고, 상기한 표면경화재를 함유하는 표면경화재부분을 주형내면의 표면 근처에 형성하며, 상기한 주형으로 용탕을 주입하고, 상기한 용탕으로 상기한 표면경화재를 확산시켜, 응고시킨 것을 특징으로 한다.

제6발명은 제5발명에 있어서, 상기한 표면경화재는 흑연분말과 탄화물과의 혼합물이다.

제7발명은 제6발명에 있어서, 상기한 탄화물은 텅스텐탄화물, 티탄탄화물, 붕소탄화물, 크롬탄화물, 바나듐탄화물, 실리콘탄화물, 몰리브덴탄화물로 선택되는 적어도 하나의 탄화물이다.

제8발명은 제5발명∼제7발명에 있어서, 상기한 응고후, 표면경화열처리를 실시하였다.

제9발명은, 적어도 흑연분말을 함유하는 표면경화재에 용제를 가해서 용액으로 하며, 상기한 용액을 주형내면의 표면에 도포한 후, 건조하여 이루어지는 표면경화재부분을 형성하고, 상기한 주형으로 용탕을 주입하며, 상기한 용탕으로 상기한 표면경화재를 확산시켜 응고시킨 것을 특징으로 한다.

제10발명은, 적어도 흑연분말을 함유하는 표면경화재에 주물사와 물유리를 가하여 물유리혼합물로 하고, 주형내면의 표면부에 상기한 물유리혼합물로 이루어진 표면경화재부분을 형성하며, 상기한 주형으로 용탕을 주입하고, 상기한 용탕으로 상기한 표면경화재를 확산시켜 응고시킨 것을 특징으로 한다.

제11발명은 제10발명에 있어서, 상기한 물유리혼합물은 상기한 표면경화재, 주물사, 물유리와 고융점무기재로 구성된다.

제12발명은 제11발명에 있어서, 상기한 고융점무기재는 알루미나분말이다.

제13발명은 제11발명에 있어서, 상기한 고융점무기재는 알루미나분말과 산화제로 구성된다.

본 발명에 관한 주강품의 표면경화재, 주형 및 표면경화방법은 이상의 구성으로 하였다.

상기한 구성에 의한 본 발명의 작용을 설명한다.

제1발명에 관한 주강품의 표면경화재에 있어서, 표면경화재인 흑연분말이 용탕주입시에 용탕으로 녹아들어가면서 용탕표면부로 급속하게 확산하므로, 주강품 표면부는 고탄소로 되고, 응고표면이 고경도로 됨과 아울러, 내부는 저경도이므로 인성도 얻어진다. 또, 더우기 탄화물 혹은 금속분말을 흑연분말에 가하므로서, 주강품 표면부로 경질입자로서 분산하거나, 경질입자와의 접합성을 향상하므로, 더우기 고경도, 고인성이 얻어진다.

다음에, 제3발명에 관한 주강품의 주형에 있어서, 주형내면의 표면부 혹은 주형공간으로 흑연분말, 탄화물, 금속분말을 짜맞춘 표면경화재를 보유하므로, 용탕주입시에 용탕으로의 용융 등에 의하여 용탕표면부에 확산되고, 상기한 것과 마찬가지로 표면경도가 높고 인성이 있는 주강품이 얻어진다.

또, 제5발명에 관한 주강품의 표면경화방법에서는, 표면경화재를 함유하는 표면경화재부분이 주형내면의 표면 근처로 안정하여 형성되고, 주입용탕표면으로 표면경화재가 확산하므로, 응고후의 주강품표면은 고탄소로 되고, 냉각의 효과도 가해져서 고경도로 된다. 또, 표면경화재를 흑연분말과 여러 가지의 탄화물과의 혼합물로 하므로서, 표면경도가 높게 된다. 더우기, 응고후의 주강품을 담금질 등의 표면경화열처리를 실시하므로, 주강품의 표면경도는 높게 되며, 내마모성을 보유함과 아울러 인성도 얻어진다.

다음에, 제9발명에 관한 주강품의 표면경화방법에서는, 표면경화재를 함유하는 용액을 주형내면의 표면에 도포하며 건조시키므로서 균일한 두께의 표면경화재부분이 안정하여 형성되므로, 주입용탕표면으로 평균하여 확산되고, 응고표면부의 고탄소의 깊이가 마찬가지로 되고, 표면부가 고경도이고 인성이 있는 주강품이 얻어지며, 게다가 값이 싸다.

더우기, 제10발명에 관한 주강품의 표면경화방법에서는, 주형내면의 표면부가 표면경화재를 함유하는 물유리혼합물로 형성되므로, 필요에 따라 두께, 고경도부분이 가능한 표면경화재부분으로 되고, 용탕주입, 응고시키므로서, 인성이 있고 고경도표면의 주강품이 싼값으로 얻어진다. 이 물유리혼합물에, 고융점무기재, 예컨대 알루미나분말을 가하므로서, 용탕의 보온성이 향상되는 것이 추측되고, 고탄소영역을 보다 깊게 하는 것을 가능하게 됨과 아울러, 알루미나는 고융점이므로 용탕과의 반응이 억제되어서 주강표면 품질도 향상된다. 더우기, 고융점무기재로서, 알루미늄분말과 산화제를 사용하므로서, 용탕주입시에 산화반응하여 알루미나로 되며, 마찬가지의 작용을 실시한다.

[실시예]

다음은, 본 발명에 관한 주강품의 표면경화재, 주형 및 표면경화방법의 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 상술한다.

본 발명의 주강품은 주강품 표면부의 전부 혹은 일부가 고경도이고, 내부가 상대적으로 저경도이므로, 내마모성과 인성을 함께 요구하는 부품에 적용가능하다. 따라서, 굴삭기계의 날부분, 기어, 내연기관의 원뿔봉 등등에 적용될 수 있지만, 실시예에서는 적용예로서 굴삭기계의 날부분을 대상으로서 설명한다.

제1도에 굴삭기계의 버킷의 주요부의 사시도, 제2도에 제1도의 이빨의 단면도를 표시한다. 굴삭기계의 하나인 유압셔블 등의 건설기계의 작업기(도면표시 생략)의 선단에 구비되는 버킷(1)은 버킷본체(2)의 선단부에 장착하여 부재(3)를 복수구비하며, 날부분으로 되는 복수의 이빨(5)이 핀(4)을 개재하여 장착부재(3)에 장착되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 토사 등의 굴삭시에 이빨(5)의 표면부(5a)는 내마모성이 요구되며, 더우기, 부하가 큰 굴삭에 있어서, 이빨(5)은 말할나위없는 내마모성과 인성이 요구된다.

[실시예 1]

제3도에서, 본 실시예에 관한 주형의 단면을 설명하는 도면을 표시한다. 주강품인 이빨(5)(제1도 참조)의 주형(10)은 주형(11),(12)으로 구성되며, 이빨(5)용의 빈틈부분(13)을 형성하고 있다. 이 주형(11)은 탕입구(16)를 구비함과 아울러, 이빨(5)의 오목부용의 중심(14)을 구비하고 있다. 또, 이 주형(10)에는 내면의 표면부에 표면경화재를 함유하는 표면경화재부분(15)(도면중, 2점쇄선에서 빈틈부분(13)측)이 형성되어 있다.

이 표면경화재부분(15)의 형성순서의 개요는 아래와 같다. 우선, 사형, CO₂형, 시효성형 등 일반주조용 주형(11),(12)을 조형한다. 한편, 흑연분말과 텅스텐탄화물분의 혼합물로 된 표면경화재에, 메탄올 혹은 물 등의 용제를 가하여, 농도가 30∼100보오메 정도의 용액으로 한다. 이 용액을 솔칠, 스프레이 등으로 주형(11),(12) 표면에 도포한다. 다음에, 열풍, 메탄올 발화 등에 의하여 용제를 건조시켜, 표면경화재부분(15)을 형성시킨다. 이 표면경화재부분(15)의 두께는 필요에 따라서 선정되지만, 바람직하게는 그 두께는 0.1∼1mm 정도이다.

이러한 구성의 주형(10)을 사용하며, 탕입구(16)로 주강용탕을 주입한다. 이 주강은 일반적 조성으로 양호하고, 탄소량이 0.2∼0.4% 정도의 저탄소계강, 예컨대 SCCrM1이 사용되고, 주입온도는 1500∼1650℃ 정도이다. 주입한 후, 용량은 표면경화재부분(15)과 접하지만, 흑연분말은 용탕과 반응하여 녹아들어 가며, 급속하게 용탕내부로 확산된다. 한편, 텅스텐탄화물분도 그 표면의 일부를 용탕으로 고용하면서, 용탕내부로 확산된다. 이들 확산은 용탕의 냉각 및 응고에 의하여 대략 완료되며, 주강제의 이빨(5)이 얻어진다. 또한, 응고된 후, 필요에 따라서 이빨(5)의 전체 혹은 일부를 공냉, 수냉 등으로 강제 냉각하여도 좋다.

본 실시예에서 얻어진 이빨(5) 표면으로부터의 탄소량변화를 제4도에 표시한다. 이 탄소량은 이빨(5)의 단면부를 EPMA(Electron Probe micro-analysis)로 분석하여, 데이터에서 추정탄소량을 모식적으로 도시한 것이다. 도면에서 명확하듯이, 이빨(5)의 표면부의 탄소량은 높으며, 이빨(5) 내부의 모재탄소량(C_M)에 비하여, 거리(L₁)∼거리(L₂) 사이에서는 탄소량(C₂)분이 높고, 표면∼거리(L₁) 사이에서는 더욱 탄소량(C₁)분이 고탄소이다. 이 탄소량(C₂)은 흑연분말의 고용확산에 의한 탄소량 증가, 탄소량(C₁)은 표면근처의 흑연분말의 고농도고용과 확산된 텅스텐탄화물분의 탄소 등에 의한 증가량으로 추정된다.

이상과 같이, 이빨(5)의 표면부는 고탄소량으로 되고, 응고후의 표면부의 경도는 높게 된다. 응고된 후, 강제냉각하면, 보다 경도는 상승한다. 더우기, 표면측은 고경도의 텡스텐탄화물이 분산하여 있으므로, 더욱 고경도로 된다. 따라서, 표면은 경도가 높고 내마모성을 보유하고, 내부는 상대적으로 저경도의 모재이고, 인성도 겸비된 표면경화주강품으로 된다.

더우기, 보다 고부하 굴삭용의 이빨(5)로는, 상기한 주조한 후, 표면경화열처리를 실시하였다. 이 열처리는 담금질 또는 뜨임 등 일반적 열처리가 적용 가능하지만, 본 실시예에서는 850∼950℃ 가열한 후, 오일의 담금질을 실시하고, 150∼200℃에서 뜨임한 후 급냉하였다. 또한, 이 뜨임공정은 생략하여도 좋다. 이것에 의하여 얻어진 이빨(5)에 대하여, 비커스(vickers) 경도계 측정에 의한 단면의 경도분포를 제5도에, 단면의 표면부의 조작을 제6도에 표시한다. 제5도에서 명확하듯이, 본 발명에서는 표면경도가 높고, 경화층 깊이도 약 3mm로 크다. 경화층의 조직(제6도 참조)은 마르텐사이트를 주체로 하며, 표면에서 2mm 정도까지의 표면측에는 텅스텐화합물의 분산이 관찰된다. 따라서, 보다 고경도이고 내마모성이 높으며, 인성도 보유하고 있다. 또한, 본 실시예에서는 경화재로서 흑연분말과 텅스텐탄화물분과의 혼합물을 사용했지만, 흑연분말만, 혹은 티탄탄화물, 붕소탄화물, 크롬탄화물, 바나듐탄화물, 실리콘탄화물, 몰리브덴탄화물 등의 탄화물을 1종류 이상 사용해도, 마찬가지로 경화층이 얻어지며, 유효하다.

[실시예 2]

본 실시예에서, 실시예 1과 다른 주요한 점은 표면경화재부분을 조형공정에서 성형하는 것이다. 제7도에, 조형공정의 주형단면의 설명도를 표시한다. 주형(20)의 조형개요는 다음과 같다. 표면경화재로 되는 흑연분말, 주물사 및 알루미나분말에 물유리를 가하여 혼합물로 하고, 이 물유리혼합물을 주조용 모형(21)의 표면에 대고 표면경화재부분(22)을 형성하며, 더욱 표면경화재부분(22) 위로 보통의 주물사부(23)를 형성하고, CO₂를 불어넣고 표면경화재부분(22)을 경화시킨다.

이러한 구성의 주형(20)으로, 실시예 1과 마찬가지로 주강용탕을 주입한다. 용탕과 접하는 표면경화재부분(22)에서 흑연분말이 용탕과 반응하여 녹아 들어가며, 급속하게 용탕내부로 확산된다. 이 확산되는 깊이는 실시예 1보다 크다. 이 이유는 명확하지는 않지만, 알루미나에 의한 용탕표면의 보온성향상, 혹은 알루미나에 의하여 용탕표면이 청정화되고, 탄소의 확산이 유지되는 등으로 기인한다고 추측된다.

제8도에서, 응고후의 주강품의 표면에서의 탄소량변화를 표시한다. 대략은 제4도와 마찬가지인 패턴으로 되지만, 표면경화재가 흑연분말뿐이라도 거리(L₃)까지의 탄소량은 극히 높고, 거리(L₃)∼거리(L₄)까지 탄소량이 높으며, 게다가 거리(L₄)는 실시예 1보다 크다. 본 실시예에 의해서도, 표면부는 고탄소이고, 내마모성과 인성이 얻어진다. 더우기, 실시예 1과 마찬가지로 담금질 및 뜨임을 실시한 주강품 단면의 경도분포를 제9도에 표시한다. 도면에서 명확하듯이, 경화깊이는 약 5mm로 깊고, 보다 수명이 긴 내마모성이 얻어진다. 또, 알루미나분말은 용탕과의 반응이 극히 적으므로, 주강품표면도 양호하다.

본 실시예의 응용예로서, 알루미나분말 대신에, 알루미늄분말과 산화제의 혼합물을 사용해도 좋다. 이 경우는, 주입되는 용탕의 열에 의하여, 알루미나분말과 산화제의 산화반응에 의하여 발열되며, 용탕표면의 보온성을 향상함과 아울러, 반응에 의하여 생성하는 알루미나가 상기한 실시예와 마찬가지로 작용한다고 추측되며, 마찬가지의 효과가 얻어진다.

이상으로, 본 발명에 관한 실시예를 상술했지만, 실시예로 한정되는 것은 아니다. 표면경화재는 흑연분말, 혹은 텅스텐탄화물, 티탄탄화물, 붕소탄화물, 크롬탄화물, 바나듐탄화물, 실리콘탄화물, 몰리브덴탄화물로 선택되는 탄화물과 흑연분말과의 혼합물, 더우기는 금속분 등을 첨가한 것으로 양호하다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있으므로, 아래에 기재되는 것 같은 효과를 성취한다.

주형표면의 근처에 흑연분말을 함유하는 표면경화재부분을 형성하고, 주입되는 주강용탕을 주입하므로서, 흑연분말은 녹아들어가면서 급속하게 용탕내부로 확산되고, 주강품표면이 고탄소로 됨과 아울러, 탄화물 등은 일부용탕으로 고용하면서도 내부로 확산되며 경질입자로서 분산하므로, 고경도에서 양호한 내마모성을 보유함과 아울러, 인성도 겸비된 주강품이 얻어진다.

표면경화재부분의 형성방법에 의하여, 주강품의 표면경화의 깊이가 필요에 따라서 얻어지며, 경화의 깊이를 크게 할 경우는, 고부하의 사용하에서 긴 수명이 요구되는 내마모부품에도 대응가능하다. 또, 표면경화재를 주형표면으로 도포하는 것만으로도 표면경화재부분이 얻어지며, 싼값으로 표면경화부품이 얻어진다. 더우기, 필요에 따른 표면경화열처리를 실시하므로서, 보다 고경도의 주강품이 얻어진다. 표면경화재부분에 알루미나분을 함유시키므로서, 주강표면 품질의 향상도 가능하다.

Claims (5)

1. 적어도 흑연분말을 함유하는 표면경화재에 용제를 가하여 용액으로 하고, 상기한 용액을 주형내면의 표면에 도포한 후, 건조하여 이루어진 표면경화재 부분을 형성하고, 상기한 주형으로 용탕을 주입하고, 상기한 용탕으로 상기한 표면경화재를 확산시켜 응고시킨 것을 특징으로 하는 주강품의 표면경화방법.
2. 적어도 흑연분말을 함유하는 표면경화재에 주물사와 물유리를 가하여 물·유리혼합물로 하고, 주형내면의 표면부에 상기한 물·유리혼합물로 이루어지는 표면경화재 부분을 형성하고, 상기한 주형으로 용탕을 주입하고, 상기한 용탕으로 상기한 표면경화재를 확산시켜 응고시킨 것을 특징으로 하는 주강품의 표면경화방법.
3. 제2항에 있어서, 상기한 물·유리혼합물은 상기한 표면경화재, 주물사, 물유리와 고융점무기재로 이루어진 것을 특징으로 하는 주강품의 표면경화방법.
4. 제3항에 있어서, 상기한 고융점무기재는 알루미나 분말인 것을 특징으로 하는 주강품의 표면경화방법.
5. 제3항에 있어서, 상기한 고융점무기재는 알루미늄 분말과 산화제(酸化劑)로 이루어진 것을 특징으로 하는 주강품의 표면경화방법.