KR100249954B1 - 내마모성 도포층의 용접 방법 및 그 사용 내마모재 - Google Patents

Abstract

본원은 최고 레벨의 내마모재를 범용적인 용접 방법으로 제조하는 것을 그목적으로 하며, 그 구성은 철계 모재(M)위에 미그 용접기를 사용해서 용접 도포한다. 용접에 사용하는 와이어(30)의 성분이 도포층(L)의 매트릭스가 된다. 용접중의 용융 풀(P)에 정량의 초경합금입체(G)를 첨가해간다. 입체(G)의 입경은 0.5 내지 3.0mm 로 하고, 전 도포층에 대해 30 내지 70중량%의 비율로 매트릭스속에 균등하게 분산하는 것으로, 널리 보급된 미그(MIG) 용접기를 사용, 매트릭스의 재질을 광범위의 금속으로부터 선택하기 때문에, 마모 조건에 가장 적합한 내마모재를 용이하게 제조할 수 있다.

Description

내마모성 도포층의 용접 방법 및 그 사용 내마모재

제1도는 본 발명의 제조 방법 실시예를 나타내는 정면도.

제2(a)도는 본 발명의 실시예인 내마모재의 금속 조직을 나타낸 현미경사진.

제2(b)는 그 사진의 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주행빔 2 : 용접 헤드

3 : 와이어 릴 4 : 주행 캐리지

5 : 초경합금 입체의 정량 공급 장치

21 : 토치 22 : 와이어 공급 장치

30 : 와이어 51 : 호퍼

52 : 로터러 피더 G : 초경합금 입체

P : 용융풀 M : 모재

L : 도포층

본 발명은 모재 금속 위에 내마모성 도포층을 형성하는 용접 방법 및 그 내 마모성 재료에 관한 것이다.

분쇄기의 내부 부착 라이너, 준설펌프의 라이너, 고로(blast furance)의 슈트 라이너, 작은 벨(small bell)등의 각 분야에서 내마모재가 사용되는 경우는 매우 많다.

내마모재로서는 고탄소, 고 Cr 등 경도를 높이는 첨가 성분을 가해서 주조한다든지 고 Mn 강과 같은 가공 경화하는 성질을 이용한다든지 나아가 레벨이 높은 고합금, 가령 스텔라이트 합금등도 제조된다. 그러나 내마모재는 그 내마모성이 요구되는 것이 단순히 그 일면에 지나지 않고, 제품 전체가 내마모성이 요구되는 것도 아닌 것이 많다. 이 때문에 마모에 직면하는 부분만을 내마모성 재료로 도포하는 기술이 널리 행해져 왔다.

도포에 의한 경화층의 형성에 대해서 종래부터 많은 제안이 개시되어 있는데 최고 레벨의 내마모성을 지향한 것의 하나로서 일본국 특개평 제2-6097호 공보가 있다. 이 기술은 금속 매트릭스에 30 내지 80중량%를 차지하는 입경 200㎛ 이하의 세라믹 입자 및 10 내지 60중량%를 차지하는 입경 0.5 내지 5mm의 초경합금 볼을 균일하게 혼재시킨 조직으로 되어 있다. 이 경우 구체적으로는 매트릭스속에 분산상(分詞相) 입자로서 혼재하는 세라믹 입자는 SiC, WC, TiC등의 입자로, 극히 단단하고 내열성도 높고 분체 프라즈마 용접시에 열적 안정성을 갖추고 있을 것을 필요로 한다. 또 초경합금 볼은 탄화 텅스텐(WC, 또는 W₂C)입자와 결합 금속으로서 Co, Cr, W, Ti 등을 적용한 것이다.

매트릭스 금속은 강도, 내마모성, 세라믹 입자 및 초경합금 볼과의 친숙성에서 Ni, Co를 모재로한 합금이나, Ni-Cr을 많이 배합하는 고합금강등을 들 수 있다.

도포 용접으로서는 대표적으로 분체 프라즈마 토치에서 발하는 프라즈마 불꽃에 금속 분말과 세라믹 분말을 공급하고 약 600℃로 예열한 모재위에 용융풀을 형성하고 이 풀내에 초경합금 볼을 산포해서 혼합 분산시킨다. 이같이 해서 작성한 실시예에서는 가령 동일 조건의 마모 시험으로 고속도 강판과 비교하면서 약 13배의 내마모성을 기록했다고 보고하고 있다.

상술한 종래의 기술은 용접에 의한 경화 도포층을 형성한 내마모재로서 최신 기술의 하나라고 할 수 있을 지 모르나 최대의 난점은 시공의 조건이 엄격히 한정되고, 나아가 이 기술이 적용되는 상품에 많은 제약이 있는등, 일반적으로 널리 보급해서 적용할수 없다는 점에 있다.

우선 그 구성이 금속 매트릭스 중에 30 내지 80%의 중량%를 차지하는 세라믹 입자를 혼합 분산시키는 것을 요건으로 하는 이상, 도포 용접의 방법은 전형적인 방법이라기 보다는 오히려 분말 프라즈마 용접법에 한정되는 것으로 생각된다. 이 용접 장치는 고가로 설치 대수도 적고 일반적으로 널리 보급되어 있다고는 도저히 말할 수 없는 것에 대해 내마모재의 도포 시공은 각지에서 널리 요구되고 게다가 내마모재를 장착한 장치는 비교적 교통 불편한 지대에 많이 설치되어 있다는 사정이 있다. 도포 내마모재의 큰 잇점은 사용후 마모된 내마모면을 현지등에서 다시 도포를 반복해서 부재의 기능을 신품과 마찬가지로 회복하는 점에 있기 때문에 범용성이 없는 것은 실제에 극히 지장을 초래하는 원인이 된다.

다음에 종래의 기술의 실시예에서는 모재를 600℃로 예열하고 있는데, 이 정도 고온의 예열이 필요하다고 한다면 이것도 실제의 시공상 극히 지장이 생기게 되는 것이 된다. 또 내마모재는 많은 장치에서 널리 사용되고 있는데 매트릭스의 30 내지 80%에 달하는 세라믹 입자를 혼합할 때는 그 재료 비용도 대폭적으로 올라가지 않을 수 없다. 또 매트릭스도 Ni 모재, Co 모재와 같은 고가의 금속을 주성분으로 하면 이것도 비용이 올라가는 것에 한층 박차를 가하는 결과가 된다.

내마모재가 설치되는 장치는 일반적으로 대형의 것이 많고 볼 및의 밀 라이너나 준설선의 준설 펌프의 라이너등 마모되는 사용면은 광대하고, 사용하는 재료비는 얻을 수 있는 효과(내마모성의 향상)와 충분히 균형이 잡힌 범위에서 그쳐야 한다.

다른 문제로서, 한마디로 내마모재라 총칭해도 마모의 실태에는 꽤 큰 차이가 있고 상이한 마모의 성질을 충분히 고려한 후에 최적의 재료를 제공하지 않으면 안된다.

내마모성은 일반적으로는 표면의 경도와 거의 비례 관계에 있다고 생각되는데, 경도가 높아지면 재료의 취성도 증가해 가능 것도 통칙이고, 조업의 조건과 양자의 균형을 충분히 고려하지 않으면 최적의 재료를 제공한 것이 되지 않는다. 일반적으로 파쇄기중에서도 마모면에 충격이 가해지는 임팩트 분쇄기. 햄머 분쇄기 등은 파쇄물의 충돌에 의한 마모외에 충격에 견디는 어느 정도의 인성이 필요하고 이른바 스크래치 마모와 같이 무충격의 스크래치 마모에 대해서는 인성은 불필요해서 고경도 일수록 목적에 맞는다.

본 발명은 이상에서 언급한 과제를 해결하기 위해 많은 중소공장, 또는 필요에 따라서 장치가 있는 현지에 있어서도 시공가능하고 게다가 내마모성은 뛰어나면서 더욱이 마모의 양상에 따라서 최적의 마모면을 용이하고 또한 저렴하게 형성할 수 있는 내마모성 도포층의 용접 방법 및 도포한 내마모재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 내마모성 도포층의 용접 방법은 철계 모재금속위에 비산화성 분위기로 시일드해서 필요 성분의 매트릭스를 형성하는 와이어를 도포하여 용착하는 단계와, 상기 매트릭스 용융 풀속에 입경 0.5 내지 3.0mm의 초경합금 입체를 정률로 첨가하는 단계와, 복합조직을 형성하도록 도포층의 30 내지 70중량%를 차지하는 초경합금 입체를 매트릭스 속에 분산하는 단계에 의해 상술한 과제를 해결했다.

또, 이 용접 방법에 의해 얻어질 수 있는 내마모성재료로서는 철계 모재금속 위에 용착한 도포층이 30 내지 70중량%를 차지하는 입경 0.5 내지 3.0mm로 되어 있는 초경합금 입체와, 그 초경합금 입체 주위에 합금 성분의 일부를 포함하는 경계층을 개입시켜 각 입체 사이를 연결하는 저탄소의 철강 재료를 매트릭스하는 인성을 갖춘 재료나 철계 모재금속위에 용착한 도포층이 30 내지 70중량%를 차지하는 입경 0.5 내지 3.0mm로 된 초경합금 입체와 그 초경합금 입체 사이를 연결하여 침상의 미세한 금속 탄화물을 주체로 하는 탄소 3 내지 7% 함유한 주철계 재료를 매트릭스로 하는 스크래치 마모에 적응하는 재료를 개발했다.

본 발명의 도포 용접에 사용하는 용접기는 비산화성 분위기, 즉 중성(또는 환원성)의 가스로 시일드된 토치 선단에서 아크를 발해서 용착부를 모재위에 만들어가는 형식의 것으로, 이른바 금속 불활성 가스 아크(metal inert gas arc) 용접기라 불리워지는 것이다(이하 미그(MIG) 용접기라고 한다). 시일드 가스는 탄산 가스 또는 아르곤가스, 또는 그것들의 혼합 가스등이 일반적으로 적용된다. 용착부의 매트릭스를 형성하는 와이어는 솔리드 와이어 또는 복합 와이어(플럭스 코어드 와이어(flux cored wire)를 정속으로 공급한다.

이 형식의 용접기는 이미 각 공장에서 널리 보급되어 있고, 와이어의 재질을 임의로 선택해서 임의의 매트릭스를 자유로이 채택할 수 있고, 필요하면 산간의 쇄석 현장으로 출장해서 현지에서 도포 재생을 시공할 수 있는 등, 범용성과 작업성이 뛰어나다. 또, 특히 예열을 필요로 하지 않는 점도 큰 잇점의 하나이다.

매트릭스의 재질은 그 내마모재가 사용되는 조건에 적합하도록 선택의 폭이 넓다.

가령 임팩트 분쇄기의 내부 부착 라이너처럼 분쇄되는 원료의 암석이 반발판이나 라이너 표면에 충돌해서 충격 파쇄를 받는 경우에는 내마모성만이 아니라 어느 정도 충격에 견딜 수 있는 다소의 인성을 갖추고 있지 않으면 실제의 조업에 부적당하다. 이 같은 때에는 매트릭스로서 연장(C : 0.08%, Si : 0.50%, Mn : 1.10%)의 솔리드 와이어를 선택한다.

반대로 도시의 먼지나 모래 입자의 공기 수송관의 내부 부착 라이너로는 충격은 별로 문제가 되지 않으나, 표면의 강렬한 스크래치 마모에 견디는 것이 최대의 과제가 되기 때문에 매트릭스는 고밀도이며 미세한 참상 탄화물로 형성되는 것이 바람직하다. 탄화물 형성의 재료로서, 가령 C : 3.0~7.0%, Si : 0.5~2.0%, Mn : 0.5~4.0%, Cr : 20.0~35.0%의 고 크롬 주철이나 상기 성분중 Cr 대신으로 V : 10.~0~20.0%, W : 3.0~10.0%의 고바나듐 주철을 선택한다.

초경합금 입체로서는 탄화 텅스텐(WC 또는 W₂C) 분체를 Co를 결합 금속으로서 소결한 입체가 바람직하나, 반드시 완전한 구모양체일 필요는 없다. 또 소결에 의한 성형외에 주조품을 파쇄한 입체로 그것이 완전한 구형상이 아니라도 입도등이 요건을 충족하고 있으면 된다.

지금 매트릭스로서 연강을 선택하고 미그 용접기에 의해 성형된 용융풀에 WC 입체를 산포해가면 매트릭스속에 입체에 포함된 W 및 C 등의 일부가 확산하여 WC에 특유의 어골형상(魚骨形狀)의 탄화물을 석출한 경도와 인성을 갖춘 매트릭스를 형성한다. 즉 연강 용탕중에 소량의 W 와 C가 용출(溶出)하는 것에 의해, 이것들이 텅스텐 카바이드를 만들어 매트릭스중에 어골형상을 나타내는 탄화물로서 석출되어 온다. 이들 매트릭스의 비커스 경도는 약 Hv850에 달한다. 그러나 이 경도는 어골형상 탄화물과 그것들의 주위를 둘러싸는 기지와의 평균 경도이고 WC 자체의 경도는 극히 높아 Knoop 경도로 약 1800이다. 따라서 WC를 둘러싸는 기지에 대해서는 경도는 훨씬 낮고 이것이 매트릭스 전체의 인성과 경도를 부여하는 요인이 되고 있다.

초경합금 입체가 전도포층에서 차지하는 비율은 30 내지 70중량%, 가장 바람직한 것은 50%이고, 용융풀속의 매트릭스와 초경합금 입체와의 비율은 거의 1:1로 균형이 되기 때문에 도포층은 초경합금 입체와 어골형상의 텅스텐 탄화물을 포함하는 연강인 매트릭스의 양자가 균형이 맞게 복합 조직을 형성하는 것이 된다. 제2(a)도의 현미경 사진은 이상의 매트릭스의 일부를 나타낸 것이다. 이 매트릭스에의 확산 부분에서의 비커스 경도는 약 850에 달해, 27% 고크롬 주철과 같은 경도 600을 크게 넘는 것으로, 뛰어난 내마모성을 보증하는 초경합금 입체(粒)와의 자가 혼연 일체가 된 독특한 도포층을 형성한다.

한편 탄화물 형성의 매트릭스의 경우에는 본래의 고경도에 가해 WC의 함유성분이 일부 확산하여 비커스 경도는 1100에 달하기 때문에 전체를 초경합금재로 형성한 것에 달하는 높은 내마모성을 발휘한다. 그러나 충격에 대해서는 내성이 부족하기 때문에 사용하는 조건에는 배려가 필요하다.

제1도는 본 발명의 실시예에 사용되는 미그용접기의 정면도이다.

도면에 있어서 수평 방향으로 설치된 주행빔(1)위를 미그 용접 헤드(2) 및 와이어 릴(3)을 탑재한 주행 캐리지(4)가 미리 설정된 속도로 수평 방향으로 주행한다. 용접 헤드(2)는 용접 아크를 형성하는 미그 수냉 토치(21) 및 이 선단부에 와이어 릴(3)에서 와이어(30)를 정속으로 공급하는 와이어 공급 장치(22)로 되어 있고, 크로스 슬라이드(41)를 거쳐서 주행 캐리지(4)에 상하 승강 가능하게 설치되어 스스로 머리의 움직임이 자유자재로 해서 용접면에 대한 경사 각도가 조정가능하게 되어 있다. 이 주행 캐리지(4)에는 초경합금의 정량 공급장치(5)가 설치되어 있다. 정량 공급 장치(5)는 초경합금 입체(G)를 수용하는 호퍼(51), 정량을 잘라내는 로터리 피더(52) 및 공급 파이프(53)로 되어 있고, 선행하는 미그 수냉 토치(21)의 뒤를 공급 파이프(53)의 선단이 같은 속도로 후속하는 구조로 되어 있다. 따라서 모재(M) 위에 형성된 용융풀(P)에 초경합금 입체(G)를 정량 공급해서 복합 조직으로 이루어지는 내마모성 도포층(L)을 연속적으로 만들어간다.

본 발명의 실시예로서 다음의 요령으로 시험편을 작성하고, 다른 비교예와 함께 확성(確性)시험을 행했다.

(1) 실시예 1의 제조 방법

가. 적용한 재질은 메트릭로서 C : 6%, Cr : 27%, 나머지 Fe로 되어 있는 플럭스 코어드 와이어(Flux Cored Wire)를 사용해서 연강의 모재위에 미그 용접을 행한다. 첨가하는 초경합금은 87%의 WC 분체를 6.8% Co로 결합한 소결 입체로 입경은 0.7 내지 1.2mm(평균 약 1mm)로 하고, 혼합하는 비율은 전 도포층에 대해 51중량 %로 했다.

나 : 용접 조건으로서 용접 전류는 300A, 용접 전압은 25V, 시일드 가스는 CO₂, 위빙 폭은 25mm, 용접 속도는 250mm/분, 모재의 예열은 없는 것으로 했다.

(2) 비교예 1의 제조 방법

실시예 1의 제조 방법중, 초경합금 입체를 가하지 않고 고 Cr계의 매트릭스만에 의해 도포층을 형성했다.

(3) 비교예 2의 제조 방법

공지의 Ni-Hard 4 타입 합금을 주조법으로 제조했다.

(4) 비교예 3의 제조 방법

연강재에서의 잘라내기

이상에서 말한 (1) 내지 (4)의 시험편을 RWAT 법(Rubber Wheel Abrasion Test)에 의해 확성 시험을 실시했다. 시험 조건으로서 시험편에 하중은 8.8kg, 러버횔의 회전수는 6000회, 러버횔의 회전속도는 120rpm, 마모재의 6호 규사, 마모재의 공급량은 300g/분, 상기 재료에서 잘라낸 마모 시험편의 형상은 20mm X 20mm X 50mm의 직방제로 했다.

다음의 표 1은 이 마모 시험의 결과를 나타낸 것이다.

[표 1]

이 시험 결과에서 분명하듯이, 본 발명의 내모마재(실시예 1)는 비교예 1에 대해 약 5배, 비교예 2에 대해 약 13배라는 뛰어난 내마모성이 있는 것을 확인했다.

도면 제2(a)도는 비교적 인성을 갖는 다른 실시예에 있어서, 금속 조직의 현미경 사진으로 모재와 용착 금속의 경계부를 중심으로 해서 400배로 확대 표시한 것이다. 또 제2(b)도는 같은 사진의 설명도이다. 사진에 있어서 용착금속을 형성하기 위한 용접 재료는, 시판하는 연강용 용접 와이어 (C : 0.08%, Si : 0.50%, Mn : 1.10%)가 사용되고 있다.

용착금속의 미크로 조직에는 WC입자에서 일부 용출했다고 보여지는 텅스텐과 탄소에 의해 WC에 특유의 어골형상의 탄화물의 생성이 보여, 이것이 용착금속의 경도를 높이는 요인이 되고 있다.

본 발명은 이상에서 말한 바와 같이, 업계에서 널리 보급된 용접기를 사용하여 도포층을 갖는 뛰어난 내마모재를 제공할 수 있다. 실시예에 의해 예시하면, 종래의 가장 대표적인 내마모재로서 업계에서 널리 사용되온 Ni-Hard 재와 비교해도 약 13배의 내마모성을 갖추고 있는 것이 입증되어 종래의 재료의 한계를 크게 넘는 새로운 내마모재를 산업기계 장치에도 가져올 수 있다.

매트릭스를 다종류의 재료에서, 그 배합 비율의 변화와 조합시키는 것에 의해, 어떠한 마모의 양상에 대해서도 가장 적합한 조건을 갖춘 내마모재를 제조하는 것이 가능하게 되었다.

Claims (3)

1. 철계 모재 금속위에 비산화성 분위기로 시일드해서 필요성분의 매트릭스를 형성하는 와이어를 도포하여 용착하는 단계와 : 상기 매트릭스 용융풀속에 입경 0.5 내지 3.0mm의 초경합금입체를 정률로 첨가하는 단계와 : 복합 조직을 형성하도록 도포층의 30 내지 70중량%를 차지하는 초경합금입체를 매트릭스속에 분산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 도포층의 용접방법.
2. 철계 모재금속위에 용착한 도포층이 30 내지 70중량%를 차지하는 입경 0.5 내지 3.0mm로 되어 있는 초경합금입체와, 그 초경합금입체 주위에 합금 성분의 일부를 포함하는 경계층을 개입시켜 각 입체사이를 연결하는 저탄소의 철강 재료를 매트릭스로 하는 것을 특징으로 하는 인성을 갖춘 내마모재.
3. 철계 모재 금속위에 용착한 도포층이 30 내지 70중량%를 차지하는 입경 0.5 내지 3.0mm로 되어 있는 초경합금입체와, 그 초경합금입체 사이를 연결하는 침상의 미세한 금속 탄화물을 주체로 하는 탄소 3 내지 7%를 함유한 주철 재료를 매트릭스로 하는 것을 특징으로 하는 스크래치마모에 적용되는 내모마재.