KR100305856B1 - 내마모부재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모부재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 미세한 WC분말과 기지조직 바인더인 Ni 또는 Co분말을 결합제와 함께 혼합하여 페이스트상태로 만들고, 이 페이스트를 주형의 표면에 도포한 후 경화시키고나서, 그 주형에 용탕을 주입하여 주물 또는 주강의 표면이 개질처리되어 내마모층을 형성하는 내마모부재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내마모부재의 제조방법 { Method of manufacturing a wear resistant part )

본 발명은 내마모부재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 내마모성을 요구하는 중장비의 주물부품과 같이 표면에 경질층이 형성된 내마모부재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

열악한 작업조건에서 작업을 하는 중장비의 부품은 열악한 작업환경에서도 쉽게 파괴되거나 마모되지 않도록 충분한 내구성을 가지는 것이 필요하다.

예컨대 콘크리트 이송 펌프트럭의 레미콘 이송부분은 내부를 이동하는 콘크리트의 자갈과 계속 반복하여 마찰접촉하므로, 높은 내마모성이 요구된다. 그리고 굴삭기의 버킷과 암석 파쇄기의 브레이커부분도 암석과 계속반복하여 접촉하면서 작업을 하는 부분이므로, 심한 마모가 일어나는 부분이다. 따라서 이와 같이 마모가 심하여 내마모성을 요하는 부분에는 그 재질특성에 알맞은 여러 가지의 표면처리를 통하여 내마모성을 증대시키고 있다.

즉 철강재인 경우 침탄,질화, 고주파 열처리 등의 표면처리방법을 통하여 표면의 내마모성을 증대시키고, 주물제품인 경우에는 고주파열처리, 칠(chill)처리, 이종금속의 접합 등의 방법이 사용되고 있다.

그런데 상기 통상의 표면처리방법은 각각의 특성상 적용에 제한이 따르고, 고가의 장비가 필요한 단점이 있다.

예컨대 주조품 고추파 열처리의 경우, 열처리 깊이에 제한이 있으며, 균일한 열처리가 힘들다는 단점이 있다.

그리고 칠(chill)처리는 주형에 칠러(chiller)를 설치하고 주조작업을 한 후 탈사후에 칠러를 제거하여야 하는 단점이 있으며, 또한 칠러를 설치할 수 있는 부위에만 적용가능하다는 제한이 따른다.

또 이종금속을 접합하는 방법은 특수한 이종금속을 별도로 제작한 다음 주형에 삽입하여야 하는 공정상 번거로움이 있을 뿐아니라, 접합되는 소재와 접합할 소재가 서로 다를 경우에 접합에 어려움이 있어 범용적으로 적용하기에는 문제가 있다.

그리고, 한국 특허정보 제91-1357호에는 경질의 분말과 Co,Ni등의 금속분말에 의한 소결체를 사용하여 금속재 표면에 내마모층을 형성하는 기술이 알려져 있다. 그러나 상기와 같은 종래의 내마모층 형성방법은 내마모층을 형성할 기재와, 이 기재와는 별도로 제작된 형부재를 서로 일정한 간격을 유지하게 배치하고, 그 간격안에 금속의 탄화물, 질화물등의 경질물 소결입자를 충전한 후, 그 간격에 충전된 소결입자안으로 그 보다 용융온도가 낮은 용융금속을 침투시킴으로써 기재 외층에 내마모층을 형성하게 되어 있다. 따라서 상기 종래의 방법은 기재 외측을 둘러싸는 형부재를 별도로 제작하여야 하는 등 복잡한 공정절차를 거치므로 생산성이 저하되고, 별도의 용융금속을 투입하는 등 재료의 소요가 많아 원가가 상승하는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기 종래의 내마모층 형성방법이 가진 단점을 해소하기 위하여 고안된 것으로, 별도의 장비나 추가 공정없이 제품의 형상에도 제한을 받지 않고 표면을 개질하여 내마모부재의 제조방법을 제공함에 목적이 있는 것이다.

상기 본 발명은 100㎛이하의 미세한 세라믹 입자를 기지조직 바인더인 금속분말과 소정의 결합제를 혼합한 다음 주형 표면에 일정한 두께로 도포하고, 그 주형안에 용탕을 주입함으로써 경질의 금속분말이 용탕의 온도에 의해 소결되어 주물표면에 직접 경질층을 형성함으로써 달성된다.

도 1 은 본 발명에 따라 제조된 주물의 표면개질층의 조직도,

도 2 는 도 1의 A-A선을 따라 절단하여 확대도시한 개략적인 단면확대 조직도,

도 3 은 실시예에 사용한 주형의 개략도,

도 4 는 마모시험기의 개략적인 구성을 도시한 구성도,

도 5 는 본 발명에 따라 표면개질된 주물과 일반 오스템퍼링한 주물의 마모성능을 상호 비교한 그래프이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 시편 2: 휠

3: 토사저장용 호퍼

이하, 본 발명에 따른 내마모부재의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 내마모부재의 제조방법은, 미세한 초경입자인 TiC, ZrC,HfC,VC,NbC,TaC,Mo₂C,WC,크롬 카바이드(CrxCy),B4C,SiC,등과 같은 미세한 세라믹원소에, 이 세라믹 원소와 주물의 접합이 용이하도록 도와주는 기지조직 바인더 분말로서 세라믹보다 용융점이 낮은 Co,Ni,Cu 등을 결합제와 함께 소정 비율로 섞어서 페이스트를 제작하는 페이스트 제작단계와, 상기 페이스트를 주형표면에 일정두께만큼 도포하는 페이스트 도포단계와, 상기 페이스트가 도포된 주형을 건조로에 넣고 100℃부근에서 일정시간 경과시켜 유지시킴으로써 페이스트를 경화시키는 페이스트 경화단계와, 상기 페이스트가 경화된 주형에 용탕을 주입하여 주물표면에 경질층을 형성하는 표면개질단계를 포함하는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따르면 용탕의 Fe성분이 용탕의 열로 인하여 WC,Co의 페이스트층에 침투하여 용융접합됨으로써 주물 또는 주강표면에 별도의 개질층이 형성되어 내마모성이 증가하게 되는 것이다.

여기서 표면개질층의 내마모성 향상을 향상시키기 위해서는 상기 WC에 기지조직 바인더인 Ni 혹은 Co를 각각 75~95중량％,5~25중량％의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다. 만약 WC의 량이 95중량％를 초과하면 표면개질층의 경도는 높아지지만,결합력이 약해지며, WC의 량이 75중량％ 미만일 때에는 표면개질후 경도가 낮아져 내마모효과를 저하시킨다.

또한 WC입자가 100㎛이상으로 커지게 되면 침투되는 용탕량이 많아져서 상대적으로 경도를 약화시키며,1㎛이하로 WC입자가 작아지면 침투되는 용탕량이 너무작아서 개질층의 두께를 일정이상 올리기 힘들다. 따라서 WC입자 크기가 1~100㎛일 때가 가장 높은 개질층 경도와 가장 높은 개질층 두께를 얻을 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따라 주물을 표면처리하여 얻은 표면개질층은 도 1 에 도시되어 있다. 상기 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 주물의 표면에는 WC입자가 독립적으로 존재하며 내부는 일반 주조조직을 가지고 있다.

도 2 는 입도 1~100㎛의 WC와 Co를 각각 75~95중량％와 5~25중량％의 비율로 혼합한 페이스트를 사용하여 개질한 주물의 표면의 조직을 개략적으로 도시한 도면이다. 상기 도 2 에 도시한 바와 같이, 표면개질 후 Fe와 WC는 서로 간에 고용도가 거의 없기 때문에 WC입자는 형상을 그대로 유지하게 되고 WC주위에는 Fe와 Co로 둘러싸인 조직을 갖게 된다.

<실시예1>

본 발명에 따라 0.5~300㎛의 WC입자를 각각 입도를 달리하여 기지조직 바인더인 Co분말과 95:5 중량비로 혼합하되 결합제로는 물유리를 섞어서 페이스트를 만들었다. 이 페이스트를 도 3의 원통형 주형의 내부에 두께 5.0㎜가 되도록 도포하여 표면개질층의 형태를 만들고, 이것을 약 80~100℃의 건조로에서 약 30분 정도 유지하여 페이스트를 경화시켰다.

이 주형에 표 1에 도시된 바와 같은 화학적 조성을 가진 구상흑연주철 용탕을 용입온도 1380℃로 주입하였다, 이때 결합제는 용탕에 의해 탈수되어 슬러그로 회수된다. 용탕주입결과 페이스트를 도포한 부위에서는 WC와, Fe＋Co의 합금으로 형성된 표면개질층을 얻었다.

<실시예2>

실시예1과 동일한 WC에 Ni분말을 90:10 중량비로 혼합하여 물유리결합제를 사용하여 페이스트를 만들었다. 실시예1과 동일한 방법으로 이 페이스트를 주형에 도포한 후, 80~100℃의 건조로에서 30분간 건조하였다.

구상흑연주철 용탕을 1380℃에서 주입한 결과, 페이스트를 도포한 부분에서는 WC와 Fe-Ni합금으로 형성된 표면개진층을 얻을 수 있었다.

성분	C	Si	Mn	S	Mg	기타
조성비(중량％)	3.79	2.75	0.21	0.004	0.034	92.906

상기 각 WC입도를 달리한 실시예에 대한 표면개질층의 시험결과는 표 2 에 도시하였다. 그리고 표 2의 면적분포율은 표면개질층 표면에서 1mm 내부를 절단하여 폴리싱한 후, 광학현미경으로 관찰할 때 9㎟의 면적내에서 WC가 차지하는 면적을 백분율로 표시한 것이다.

시험결과표

시편구분	첨가분말	사용 WC입도	표면개질층의 경도(HRA)	표면개질층의 두께(mm)	WC 면적분포율(％)
실시예1	Co	0.5~1	68~72	3	80~90
실시예2	Co	10~50	68~72	5	75~90
실시예3	Co	100~150	65~68	5	60~70
실시예4	Co	250~300	63~68	5	50~65
실시예5	Ni	10~50	65~70	5	70~75

상기 표 2에 도시한 시험결과표에 나타난 바와 같이, 표면개질층의 조직관찰 결과 실시예1는 5mm두께로 도포한 표면개질층에서 약 3mm 정도만 용탕이 침투하여 개질층을 형성하였고, 그 밖의 실시예에서는 모두 도포한 두께 만큼의 표면개질층을 얻을 수 있었다.

또 도 1에 도시된 바와 같이, 표면개질층에는 둥근 형태의 그래파이트(Graphite)가 다수 존재하는 것을 확인할 수 있었는 데, 이 그래파이트의 형상은 거의 구형에 가깝고, 크기는 개질층 내부로 들어갈수록 커져 있다. 이것은 결합재로 사용하는 물유리 바인더의 Si성분의 영향때문인 데, Si는 강한 구상 촉진제의 역할을 수행하기 때문이다. 개질층 표면은 냉각속도가 빨라서 구상흑연의 크기가 성장하지 못한 반면, 개질층에서 3mm이상의 거리에서는 구상흑연이 성장할 수 있는 충분한 확산시간의 여유가 있었기 때문에 상당히 큰 구상흑연을 볼 수 있었다.

또한 표면개질층에서 WC의 면적％를 조사한 결과 입자가 굵을수록 WC면적분율이 낮아짐을 알 수 있었다. 그리고 표면개질층의 경도는 실시예1, 실시예2의 경우 평균 H_RA70정도로 높았으나, 상대적으로 입도가 큰 WC를 사용한 실시예3, 실시예4는 평균 H_RA65로 낮았다.

상기 실시예 별로 얻은 각 표면개질층과 오스템퍼링한 구상흑연주철(Austempered Ductile Iron; 이하,ADI라함)을, 도 5에 도시한 바와 같은 마모시험기(ASTM G65-91)를 사용하여 각각의 내마모성을 평가하였다. 시험은 각 실시예 별로 얻어진 표면개질층 시편과 ADI시편을 회전수 200RPM의 휠에 가압력 15kgf으로 가압하면서 회전수 20,000회 만큼 마찰시킨 결과,그 시편의 마모량을 도 5에 도시하였다.

시험결과 마모량은 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예1, 실시예2, 실시예3, 실시예4, 실시예5, ADI순으로 적었다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 내마모부재는 주형에 미리 도포된 경질입자가 주물조직과 결합하여 개질층을 형성함으로써 표면의 내마모성이 증대되게 되므로 고주파열처리장비와 같은 고가의 장비를 사용하여 표면처리하는 종래 표면처리방법에 비하여 비용이 절감된다. 또 주물제품의 형상에 제한없이 적용될 수 있을 뿐아니라, 작업이 간단하고, 특히 일반적인 열처리방법보다 표면의 내마모성을 증대시킬 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 결질 세라믹입자 분말과 기지조직 바인더로서 Ni 또는 Co분말을 결합제와 함께 혼합하여 페이스트 상태로 만드는 페이스트 제작단계; 상기 페이스트 제작단계에서 만들어진 페이스트를 주형 표면에 도포하는 페이스트 도포단계; 상기 단계에서 페이스트를 도포한 주형을 가열유지하여 페이스트를 경화시키는 단계; 표면에 페이스트가 경화된 주형에 용탕을 주입하여 응고시켜 주물표면에 경질층을 형성하는 단계; 응고된 주물을 주형으로부터 분리하는 단계를 포함하여 이루어진 내마모부재 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트가 WC 75~95중량％와,Co 25~5중량％를 포함함 것을 특징으로 하는 내마모부재의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트가 WC 75~95중량％와,Ni 25~5중량％를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모부재의 제조방법.