KR100236598B1 - 용접 및 용사를 위한 코어드 와이어용 스트립 및 이를 구비하는 코어드 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용사 또는 용접후에 페라이트상을 안정하게 제공하고 용접 또는 용사시 용락의 형태와 균일성을 개선시킬 수 있는 코어드 와이어의 스트립에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로 크롬 10.0-40.0%, 탄소 0.12%이하, 질소 0.02%이하, 알루미늄 0.13%이하, 망간 0.5-2.5%, 규소 0.5-1.5%, 티타늄 0.07%이하, 나머지는 철 및 불순물로 니켈 2.5%이하, 인 0.04%이하, 황 0.04%이하, 및 필연적으로 함유되는 다른 불순물로 조성된 페라이트계 스테인레스 재료로 이루어지며 기둥형상의 외형과 비어있는 내부를 가지는 형상으로 성형되어 있는 스트립을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 및 용사용 코어드 와이어를 제공한다.

Description

용접 및 용사를 위한 코어드 와이어용 스트립 및 이를 구비하는 코어드 와이어

본 발명은 내식 내마모 코팅층을 얻는 용접, 용사용 철계 코어드 와이어에 있어서 오스테나이트 스테인레스를 사용하던 종래와 달리 여러 형태의 단면 및 페라이트 조성을 갖는 철계 코어드 와이어용 스트립에 관한 것이다.

종래에는 철강재료의 경우 내마모성확보를 위해 침탄, 질화, 유도경화, 크롬도금, 세라믹코팅과 같은 기술을 이용했으나 표면경도가 낮던지 모재와 코팅층간의 밀착강도 부족 또는 취성 등으로 인해 우수한 내마모성과 내식성을 가지지 못했다. 특히 저속 고하중, 극도의 편하중과 같은 나쁜 작업조건에서도 우수한 내구성을 가지기 위해서는 경화표면층의 경도가 높고 두께가 두꺼워야 하는데 이를 위해서 종래의 기술은 장시간 열처리하거나 얇은 층밖에 얻지 못하는 단점이 있었다.

이러한 점을 극복하는 기술로 최근에 두꺼운 경화층을 얻기 위해 코어드 와이어를 이용한 용사 혹은 육성용접 기술을 이용하는 경우가 점점 많아지고 있으며, 특히 금속 조직적으로 우수한 비정질 구조를 만들어 내마모성과 내식성을 증가하고자 하는 연구가 행해지고 있다. 그중에서도 값싸게 비정질상을 얻을 수 있는 내마모성과 내식성을 증가하고자 하는 연구가 행해지고 있다. 그 중에서도 값싸게 비정질상을 얻을 수 있는 철계 비정질에 대한 연구가 관심을 끌고 있어 관련된 특허로는 USP3297436을 시작으로 USP3856513, USP3986867, USP4052201, USP4067732, USP4255189, USP439236, 724586957, USP4515870, USP4564896, USP5030519 등이 있다.

기존에는 코어드 와이어를 제조하기 위해 주로 연성이 좋은 오스테나이트계 스테인레스 스트립을 사용하고 있었다. 하지만 오스테나이트계의 Ni 성분은 페라이트상을 얻는데 유용하지 않고 고가의 원소이다. 따라서 용사 또는 용접후에 오스테나이트조직이 공존하지 않는 페라이트상을 안정하게 얻기 위해서는 오스테나이트계와이어는 바람직하지 않다. 따라서 Fe계에서 비정질화가 용이한 페라이트상을 안정하게 얻을 수 있는 코어드 와이어가 필요하다.

한편, 일반적으로 금속 및 합금은 상온에서 결정질 구조를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나 금속응고나 증착, 도금 또는 이온이식함으로 장범위 구조의 형성을 억제해서 비정질화가 가능하다. 비정질변태가 일어나는 필요 조건은 액상-고상 변태의 경우 과명도가 커야한다는 것이고, 고상-고상 변태의 경우 일반적으로 외부에서 주어진 기계적 에너지에 의해 생긴 탄성불일치에너지(Elastic mismatch Energy)가 크고 혼합물의 엔탈피가 보다 아주 작은 경우 즉, 이종원소간의 결합력이 큰 경우라고 알려지고 있다. 이에는 금속간화합물이 생성되는 합금에서 쉽게 볼수 있어 금속간 화합물이 있는 합금계에서도 비정질화가 가능함을 알 수 있다. 고상의 비정질화가 일어나는 것은 대개 결정상이 안정하더라도 외부로부터의 기계적 에너지 혹은 화학적에너지가 유입되어 비정질상이 상대적으로 결정상보다 안정하게 되는 경우인데 이때 외부 에너지를 주는 방법으로는 기계적 분쇄, 에너지 조사, 냉간가공 등이 있다.

이러한 방법외에도 페라이트 조성의 Fe-Cr계 일부 합금은 마찰에 의한 응력으로도 쉽게 비정질화하는 것이 최근에 밝혀졌다. 이들 재료의 코팅은 분말이나 와이어를 이용한 용사, 용접으로 가능한데, 그중에서도 와이어를 이용한 용사와 용접이 생산성이 높고 제조원가면에서 유리하다. 그러나, 이를 위해 솔리드와이어를 제조하는 것은 매우 어려운 일이었기에 주로 분말을 플라즈마 또는 열용사하여 코팅했다. 하지만 본 발명의 발명자들은 각 원소를 함유하는 코어드 와이어를 제조한뒤에 이를 원하는 표면에 코팅함으로서 최종적으로 같은 조성을 얻을 수 있는데 착안하게 되었다. 하지만 이를 위해 페라이트 조성의 합금을 얻기 위해서는 기존에 사용하던 오스테나이트계와 달리 페라이트화가 용이한 조성의 새로운 스트립이 필요하였다.

따라서, 본 발명은 용사 또는 용접후에 페라이트상을 안정하게 제공하는 코어드 와이어의 스트립용 페라이트계 스테인레스 스트립을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 용접 및 용사시 입열 및 용락액적의 형태를 제어함으로써 용락의 형태와 균일성을 개선할 수 있는 코어드 와이어를 제공하는데있다.

제1도는 본 발명에 따른 코어드 와이어의 스트립의 단면형상을 예시하는 단면도이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1측면으로서, 중량%로 크롬 10.0-40.0%, 탄소 0.12%이하, 질소 0.02%이하, 알루미늄 0.13%이하, 망간 0.5-2.5%, 규소 0.5-1.5%, 티타늄 0.07%이하, 나머지는 철 및 불순물로 니켈 2.5%이하, 인 0.04%, 황 0.04%, 및 필연적으로 함유되는 다른 불순물로 조성된 페라이트계 스테인레스 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 용접 및 용사를 위한 코어드 와이어용 스트립을 제공한다.

또한, 본 발명은 제2측면으로서 중량%로 크롬 10.0-40.0%, 탄소 0.12%이하, 질소 0.02%이하, 알루미늄 0.13%이하, 망간 0.5-2.5%, 규소 0.5-1.5%, 티타늄 0.07%이하, 나머지는 철 및 불순물로 니켈 2.5%이하, 인 0.04%, 황 0.04%, 및 필연적으로 함유되는 다른 불순물로 조성된 페라이트계 스테인레스 재료로 이루어지며, 기둥 형상의 외형과 비어있는 내부를 가지는 형상으로 성형된 스트립을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 및 용사용 코어드 와이어를 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

페라이트계 스테인레스강은 본질적으로 12~40% 크롬을 함유하는 철-크롬 합금이다. 일반적으로 제조 상태에서 이 합금의 조직은 대부분 페라이트 조직을 하고 있기 때문에 페라이트계 스테인레스강이라고 부른다. 이 합금은 주로 특수한 내식성과 내열성이 요구되는 일반 구조용 재료로서 사용되었다. 페라이트계 스테인레스강은 특히 고가의 니켈원소 없이 싼 값으로 내식성을 얻을 수 있기 때문에 설계기술자들에게 관심을 끌었다. 그러나 페라이트계 스테인레스강은 연성이 나쁘고 노치(notch) 민감도가 크며 용접성이 좋지않은 단점이 있어 그 용도가 제한되어 용사, 용접용으로는 사용이 적었다. 본 발명에서는 가공이 용이하고 성분의 조정이 쉬운 코어드 와이어형태로 와이어를 제조하며, 합금원소가 종래의 용사, 용접용과 달리 페라이트 조성인 특징이 있다. 이를 위해서는 오스테나이트 조직 안정화원소가 제한된 새로운 형태의 스트립을 사용할 필요가 있다.

용접이나 용사에 사용되는 와이어의 종류로는 크게 코어드 와이어와 솔리드와이어가 있다. 솔리드 와이어의 경우 전체 전기저항이 같은 반면에 코어드 와이어는 내부의 분말과 외부 스트립의 전기저항이 다르기 때문에 주로 전류가 흘러서 같은 지금의 솔리드 와이어와 비교하여 훨씬 낮은 전류밀도를 가지며, 스트립의 형태를 바꿈으로서 용접 및 용사시 입열과 용락액적(droplet)의 형태를 제어할 수 있다. 본 발명에 따른 코어드 와이어의 스트립의 단면을 보여주는 도면인 제1(a)도와 그외를 비교하면 (a)의 경우 전류가 주위만 흘러 녹는 현상이 외부에서만 일어나지만 (b)-(i)의 경우 스트립이 포함되어 있는 내부에서도 아크에 의해 녹는 현상이 일어나 분말과 스트립의 녹는 현상이 더욱 균일하게 일어나도록 되어있다. 스트립의 단면 형상이 복잡해지면 제조가 어려워지지만 반면에 용락의 형태와 균열성을 개선할 수 있으며, 녹는점이 높은 분말을 코팅하기 위해서는 이와같은 스트립의 단면형상을 개선하면 좋은 결과를 얻을 수 있다.

제1(a)~제1(i)도 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코어드 와이어는 원형, 사각형, 육각형 등 여러 단면 형상을 가질 수 있고, 본 발명의 기술적 사상은 이의 형상에 구애됨이 없이 적용 가능하다. 그 중에서도 가장 현장에서 쉽게 제조하고 공급장치의 사용상 유리한 것은 외형이 원통형인 것이다.

또한, 제1(b)~제1(i)도에 도시된 바와 같이, 상기 성형된 스트립의 말단은 비어있는 내부 공간에 포함되어 있으며, 이와 같은 형상의 코어드 와이어는 이의 내부 구조의 형상에 관계없이 본 발명의 범주에 속한다.

이하 본 발명의 조성범위를 한정한 이유를 설명한다.

크롬은 대부분 스테인레스강에 첨가되는 기본 합금 원소인데, α-페라이트와 같은 체심입방격자구조(BCC) 이므로 페라이트상을 안정화시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 크롬이 10.0% 이하가 되면 고용 크롬양이 부족하여 완전한 페라이트화가 어렵고 40.0% 이상에서는 페라이트화 효과가 포화되며 정방정의 취약하고 단단한 시그마 상의 형성과, 과다한 고용강화효과로 스트립 가공이 어렵게 된다. 탄소는 철을 강화시키는 중요한 원소이지만 본 발명에서는 크롬의 고용강화효과로 충분한 강도를 얻으므로 별도의 첨가가 필요없다. 또한 0.12% 이상에서는 불필요한 크롬탄화물 등을 형성할 수 있으므로 이의 방지를 위해 제한한다. 페라이트 스테인레스는 탄소함량이 적기 때문에 일반적으로 오스테나이트-페라이트 변태가 일어나지않으며 따라서 열처리효과가 없다고 알려져 있다. 그러나 실제로 소량의 탄소가 잔류하여 이것이 강을 높은 온도에서 급냉할 때 어느 정도 경화에 기여한다. 질소는 크롬, 티타늄, 알루미늄 등과 쉽게 질화물을 형성하며 이들은 조직을 인성을 저해하는 해를 가져온다. 따라서 0.02%이하로 제한한다.

알루미늄은 제강중에 탈산을 위해 첨가되는 페라이트에 고용되지만 일부는 AlN, Al₂O₃, FeAl₃같은 화합물로 존재한다. 이들 석출물은 기지조직을 강화시키는 역할을 하지만 알루미늄 0.13% 이하에서 인성을 저해하고 용사중에 과다한 산화물형성할 위험이 있어 0.13%이하로 제한한다.

망간은 스태킹 폴트(stacking gagult) 생성에너지를 낮추어 용사 또는 용접후 얻는 불안정한 비정질상을 안정화시키고 스트립의 강도를 유지하는데 유리하다. 0.5%이하에서는 비정질 안정화효과가 적고 2.5%이상에서는 스트립의 강도를 지나치게 높여 가공이 어려워지는 문제로 제한한다.

규소는 제강중에 탈산을 위해 첨가되며 페라이트조직을 강화시키며, 비정질상 형성을 도와 안정화한다. 그러나 0.5% 이하에서는 효과가 미미하고 1.5% 이상에서는 Fe₃Si, Fe₂Si 등 불필요한 화합물이 형성되므로 제한한다.

티타늄은 질소와 고융점의 화합물을 형성하고 인성을 향상시키지만 0.07%이상에서는 효과가 포화되며 강도저하가 나타나므로 제한한다.

니켈은 불순물로서 페라이트화를 억제하므로 2.5%이하로 제한한다.

기타 인성, 내식성을 저하시키는 불순물 인, 황은 각각 0.04%이하로 제한한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스 재료로 형성된 스트립을 구비하는 코어드 와이어는 용접 또는 용사후 페라이트 조직을 안정하게 얻을 수 있게 한다. 그리고, 상기 스트립은 오스테나이트계 스테인레스강에 비해 니켈 성분이 없으므로 소재값을 절감시키는 효과도 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 스트립을 구비하는 코어드 와이어는 용접 또는 용사시 용락의 형태와 균일성을 개선할 수 있다.

Claims (6)

1. 중량%로 크롬 10.0-40.0%, 탄소 0.12%이하, 질소 0.02%이하, 알루미늄 0.13%이하, 망간 0.5-2.5%, 규소 0.5-1.5%, 티타늄 0.07이하, 나머지는 철 및 불순물로 니켈 2.5%이하, 인 0.04%, 황 0.04%, 및 필연적으로 함유되는 다른 불순물로 조성된 페라이트계 스테인레스 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 용접 및 용사를 위한 코어드 와이어용 스트립.
2. 중량%로 크롬 10.0-40.0%, 탄소 0.12%이하, 질소 0.02%이하, 알루미늄 0.13%이하, 망간 0.5-2.5%, 규소 0.5-1.5%, 티타늄 0.07%이하, 나머지는 철 및 불순물로 니켈 2.5%이하, 인 0.04%, 황 0.04%, 및 필연적으로 함유되는 다른 불순물로 조성된 페라이트계 스테인레스 재료로 이루어지며, 기둥 형상의 외형과 비어있는 내부를 가지는 형상으로 성형된 스트립을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 및 용사용 코어드 와이어.
3. 제2항에 있어서, 상기 성형된 스트립은 원통형태의 외형을 가지는 것을 특징으로 하는 용접 및 용사용 코어드 와이어.
4. 제2항에 있어서, 상기 성형된 스트립은 사각형태의 외형을 가지는 것을 특징으로 하는 용접 및 용사용 코어드 와이어.
5. 제2항에 있어서, 상기 성형된 스트립은 육각형태의 외형을 가지는 것을 특징으로 하는 용접 및 용사용 코어드 와이어.
6. 제2항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 성형된 스트립의 말단이 상기 비어있는 내부에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 용접 및 용사용 코어드 와이어.

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