KR0181184B1 - 내식 내마모성이 우수한 코팅용 철기합금과 이를 표면에 코팅한 마끄럼 마찰마모부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내식 내마모성이 우수한 코팅용 철기 합금 조성물과 이를 표면에 코팅한 미끄럼 마찰 마모부재에 관한 것으로서 본 발명합금조성물을 금속모재의 표면에 코팅하여 미끄럼 마찰 마모를 일으키는 부위에 사용하면 합금 표면층이 비정질 합금으로 변태되면서 우수한 내식 내마모 특성을 보유하게 되는 기술에 관한 것으로 코팅재료는 중량 %로 Cr:18.0~42.0%, Mn:1.0~3.2%, B:1.0~4.5%, Si:1.0~3.0%, P:0.5% 이하,C:0.3% 이하, 나머지 Fe로 조성되며 필요에 따라 상기 성분 P 대신에 Ge 또는 As 가 1.0%이하로 단독 또는 복합 첨가되어 미끄럼 마찰 마모를 일으키는 부위에 상기 비정질 재료를 코팅함으로써 높은 내마모성을 가지는 비정질 철합금 표면처리부품은 기존의 고가재료를 사용하는 부품을 대체하여 제조원가의 절감과 함께 현저한 내구성 향상효과를 가져오므로 산업상으로 이용가치가 높다.

Description

내식 내마모성이 우수한 코팅용 철기합금과 이를 표면에 코팅한 미끄럼 마찰마모부재

제1도는 강관 인발용 다이스 및 플러그.

제2도는 시험장치 구성도.

제3도는 시험편의 형상.

제4도는 엔듀런스 리미트 시험(Endurance Limit Test)결과.

제5도는 비정질 철기 합금을 용사한 층의 단면도(100배).

본 발명은 내식 내마모성이 우수한 코팅용 철기 합금 조성물과 이를 표면에 코팅한 미끄럼 마찰 마모부재에 관한 것으로서 본 발명합금 조성물을 급속모재의 표면에 코팅하여 미끄럼 마찰 마모를 일으키는 부위에 사용하면 합금 표면층이 비정질 합금으로 변태되면서 우수한 내식 내마모 특성을 보유하게 되는 기술이다.

종래에는 표면의 내마모성 확보를 위해 철강재료의 경우 침탄, 질화, 고주파 경화, 침황처리, 크롬도금, 무전해 니켈도금이나 세라믹 코팅의 방법이 사용되어 왔다.

그러나 이들은 표면경도가 낮거나 경화층의 밀착성이 좋지 않은 이유등으로 인해 사용상에 제한이 많았고 제조공정 처리에서 곤란을 느끼는 경우가 있었다. 그리고 실제로 사용되어진 인발 다이스와 플러그의 예에서 처럼 높은 미끄럼응력을 받는 경우는 이같은 표면터리로서는 오래 견디지 못하고 쉽게 마모되어 자주 교체해야 하는 문제점을 가지고 있었다. 그래서 고가의 다이스강을 사용하거나 WC소결합금 다이스 재료를 이용하였지만 이들은 내마모성이나 제조가격면에서 큰 부담이 되어 사용에 제한을 받아왔다.

1983년에 S. R Herd 와 R.B Schwarz 등에 의해 Ni-Zr 다층박막의 비정질화가 보고되고 1987년에는 A. Inoue 등에 의해 알루미늄 합금의 비정질화가 가능하다고 보고되었다.

이들 보고가 있기 전에도 이미 1960년 Duwez 등에 의해 금속용량의 급냉에 의한 비정질 합금제조가 보고되었었다. 이들 비정질재료의 특성은 자기, 강도, 연성, 내식성 등에서 기존 결정질 재료와는 큰차이가 있었고 이를 이용한 제품의 실용화가 연구의 촛점이 되어 왔다.

일반적으로 금속 및 그 합금은 고형상태에서는 결정질 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나 특정조성을 갖는 합금은 액체상태로 부터의 급속응고, 특정조건하의 스퍼터(Sputer)부착, 또는 도금을 통한 고형화 동안에 장범위 정합구조(long-range oder structure)의 형성을 막음으로써 또는 필요한 원소를 과포화 시키기에 효과적으로 이온이식되게 하여 고형합금의 장범위 정합구조를 파괴하거나 생성을 지연시킴으로서 비정질화 된다. 이때 액체상태로 부터의 급속응고를 위한 방법으로 여러 가지가 연구되고 있는데 본 발명에서는 용사(Thermal Spray)에 의한 코팅후 모체에서의 열확산으로 냉각되어지는 것을 특징으로 한다.

용사 방법에 대해서는 금속표면처리(염희택저, 문운당,1983년) 등 관련책자에 자세히 소개되어 있다. 용사시 용융금속의 온도는 대략 2500~6000℃의 범위로 용융되어 분사되며 피코팅체에 부착된 후 즉시 고상으로 응고하며, 이렇게 형성된 비정질 합금은 높은 내식성 및 기계적 강도와 인성을 갖는 특이한 군질단일상 과포화 고체용액상태이다. 특히 기존에는 10^6oc/sec정도의 초고속 냉각이 되어야 비정질화 되는 것으로 알려져 있으나 본 발명자들의 실험에서는 용사후에 불안정한 상태의 준결정질로 된 코팅층이 마모중에 가해지는 압력에 의해 정합구조가 파괴된 비정질층으로 변화하는 것을 발견하고 미끄럼 마찰 마모부위를 가지는 부품에 처리함으로써 성능을 향상시킬 수 있음을 알게 되었다.

본 발명자들은 기존의 문제점을 철계비정질 합금의 코팅으로 해결할 수 있다는 점에서 착안하여 연구노력의 결과 높은 경도와 인성을 함께 금속재료의 표면에 부여하는데 성공하였다.

본 발명에 사용되는 코팅재료는 중량 %로 Cr:18.0~42.0%, Mn:1.0∼3.2%, B:10.~4.5%, Si:1.0~3.0%, P:0.5% 이라,C:0.3% 이하, 나머지 Fe로 조성되며 필요에 따라 상기 성분 P 대신에 Ge 또는 As 가 1.0%이하로 단독 또는 복합 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 조성의 합금이 표면에 용사되어 있는 미끄럼 마찰마모부재를 제공하는데 특징이 있다.

이하 본 발명의 코팅용 철기합금에 있어서 성분조성을 상기와 같이 한정한 이유를 설명한다.

Cr은 강도와 내식성을 향상시키는데 유효한 원소로서 18.0%미만이면 열확산으로 냉각되어지는 정도의 속도에서 비정질화 되기 힘들고 고용체 형성에 의한 경도향상효과를 충분히 얻지 못하며, 42.0%를 초과하면 δ상이 나타나면서 고용체에서의 비정질화에 방해를 하므로 Cr의 함유량을 18.0~42.0%로 한정된다.

Mn은 1.0~3.2%의 범위내에서 α Fe의 고용체로 존재하며, 이 범위를 벗어나면 비정질화가 어려워 진다.

B은 Fe-Cr-Mn의 비정질화에 크게 기여하는 비정질화 원소이며 1.0%이상에서 비정질화 효과를 뚜렷이 나타내지만 4.5%초과하면 취성이 큰 FeB가 나타나지 시작하므로 제한한다.

Si는 Fe-Cr-Mn의 비정질화에 필요한 카운터파트 원소로서 1.0%이상에서 효과가 나타나나 3.0% 초과시는 Fe에 고용되지 않고 Fe₃Si, Fe₂Si, Fe₅Si₃, FeSi 등의 취성이 있는 석출물을 만드므로 제한한다.

P는 Fe 제련시 필연적으로 잔류하며 Fe-Cr-Mn의 비정질화에 기여하는 카운터파트로서 기여한다. 그러나 0.5% 초과시에는 Fe₃P를 형성하여 취성을 가지므로 제한한다.

C는 철기합금의 코팅층에 강도를 부여하므로 첨가되나, 0.3% 초과시는 취성을 나타내므로 제한한다.

Ge 또는 As는 P와 같이 Fe-Cr-Mn의 비정질화에 기여하나 1.0% 초과시는 큰 효과가 나타나지 않으므로 제한한다.

또한 용사방법에는 분말을 이용하여 분사하는 방법과 와이어를 이용하여 분사하는 방법외에 용사되는 형태와 원리에 따라 제트건(jetgun), 플라즈마와 같이 여러 가지가 쓰일 수 있으며 어떤 형태이든지 본 발명의 범주에 속한다.

다음에 실시예를 들어본 발명을 설명한다.

[실시예]

Cr : 26.5wt%, Mn : 1.26wt%, Si : 1.8wt%, B : 3.2wt%, P : 0.02wt%, C : 0.08wt% 나머지 Fe와 불가피하게 첨가되는 불순물로 구성되어진 10~30㎛ 입도분포의 입자를 얇은 철박으로 말아 와이어 형태를 만들고 이를 S45C 재질의 디스크 시편에 와이어 피딩 용사(wire feeding therma spray)하였다.

이 디스크 시편을 제2도의 마찰마모시험장치로 링온디스크(Ring on Disk)식 마찰마모 시험하였다.

이때 적용한 시편은 제3도에 나타난 바와 같이 링 시편은 링 형태로 가공되고 마찰접촉부가 Hv 500~570이 되게 고주파 유도경화 열처리된 S45C재질의 것으로 하였고, 디스크 시편은 S45C재질에 비정질 재료를 용사처리로 코팅하였다.

제4도에 나타난 바와 같이 본원 발명의 시편이 무윤활 상태에서도 상당한 시간동안 안정한 동마찰계수를 나타내고 있음을 알 수 있다.

제1도는 S45C를 담금질-뜨임하고 가공한 뒤 표면에 본 발명의 재료를 용사한 강관 인발용 다이스를 나타낸다. 이때 도면부호 1 은 플러그 지지봉, 2는 다이스이다. 기존에는 3 과 4 에 해당하는 부위를 텅스텐-카바이드(WC)소결 합금체를 삽입한 다이스를 썼으나 이를 제조하기 위해선 고가의 금형제조와 소결분말재료를 사용함으로 인해 제조원가면에서 큰 부담이 되었다.

만일 제조물량이 작다든지 연한 재질을 인발해야 하는 경우라면 JIS G4404의 SKD11 재료로 HRc60 이상의 경도를 얻도록 열처리하여 사용하였지만 내마모 수명이 극히 짧아 실제로 양산에는 부적합하였다.

그러나 본 발명의 비정질 재료 코팅 다이스의 경우 표면경도가 용사한 상태에서는 HRC 50~52이지만 마무리 연마후 사용중에는 HV 1500~2000의 고경도를 가지는 비정질 상태로 변한다. 이미 연마에 의해서도 경도가 상승하여 HV1200 이상으로 된다. 비정질재료 코팅층의 두께는 0.15mm 정도로 처리되었다. 코팅층의 두께가 20㎛ 이하에서는 냉간인발과 같은 고하중하에서 사용이 어려우며 5mm이상에서는 효과가 더 이상 증가하지 않는다.

이상과 같이 미끄럼 마찰마모를 일으키는 부위에 비정질 재료를 코팅함으로써 높은 내마모성을 가지는 비정질 철합금 표면처리부품은 기존의 고가재료를 사용하는 부품을 대체하여 제조원가의 절감과 함께 현저한 내구성 향상효과를 가져오므로 산업상으로 이용가치가 높다.

Claims (3)

1. 중량 %로 Cr : 18.0~42.0%, Mn : 1.0~3.2%, B : 1.0~4.5%, Si : 1.0~3.0%, P : 0.5%이하, C : 0.3% 이하 나머지 Fe로 조성된 것을 특징으로 하는 내식 내마모성이 우수한 코팅용 철기 합금.
2. 제1항에 있어서, 상기 P 대신에 Ge 또는 As가 1.0%이하로 단독 또는 복합 첨가되는것을 xmr징으로 하는 코팅용 철기 합금.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금은 마찰, 마모 등의 기계적응력에 의해 비정질상으로 변태되는 것을 특징으로 하는 코팅용 철기 합금.

   [청구항 4]

   제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금은 분말상 또는 와이어 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 코팅용 철기 합금.

   [청구항 5]

   제4항에 있어서, 상기 분말은 4.0㎛이하의 입도인 것을 특징으로 하는 코팅용 철기합금.

   [청구항 6]

   중량 %로 Cr : 18.0~42.0%, Mn : 1.0~3.2%, B : 1.0~4.5%, Si : 1.0~3.0%, P : 0.5% 이하, C : 0.3% 이하, 나머지 Fe과 필연적으로 함유되는 불순물로 조성된 합금이 표면에 용사되어 있는 것을 특징으로 하는 미끄럼 마찰 마모부재.

   [청구항 7]

   제6항에 있어서, 상기 P 대신에 Ge 또는 As가 1.0% 이하로 단독 또는 복합 첨가되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 마찰 마모부재.

   [청구항 8]

   제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 미끄럼 마찰마모부재는 인발 다이스용 베어링과 플러그 인 것을 특징으로 하는 미끄럼 마찰 마모부재.

   [청구항 9]

   제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 철기 합금용사층의 두께가 20㎛~5mm 인 것을 특징으로 하는 미끄럼 마찰 마모부재.