KR100475631B1 - 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐과, 이를제조하기 위한 제조장치 및 제조방법과 고망간 합금강 - Google Patents

내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐과, 이를제조하기 위한 제조장치 및 제조방법과 고망간 합금강 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐 및 이를 제조하기 위한 제조방법과 제조장치 및 고망간 합금강에 관한 것으로서, 중량%로서 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.01~0.8%, 세륨(Ce) 0.05~1%를 함유하고 잔부가 철(Fe)로 구성되는 고망간 합금강, 또는 여기에 티타늄(Ti)이 0.1~1%, 알루미늄(Al)이 0.1~0.3% 더 함유된 고망간 합금강을 용해하고 원심 주조하여 다각형의 주름형상을 가지는 브레이커 치즐을 제조하는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐과 이를 제조하기 위한 제조장치 및 제조방법과 고망간 합금강을 제공하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 공정에 의하여 브레이커 치즐을 제조함으로써 기계가공에 의하여 치즐을 제조하는 종래방법에 비하여 제조비용이 50% 이상 절감되고, 생산성도 2배 이상 증대되는 효과가 있는 것이다.

Description

내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐과, 이를 제조하기 위한 제조장치 및 제조방법과 고망간 합금강{BRAKER CHISEL WITH IMPROVED WERE-RESISTANCE AND CRUSHING-ABILITY, MANUFACTURING APPARATUS AND METHOD, AND HIGH-MANGANESE STEEL THEREOF}
본 발명은 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐 및 이를 제조하기 위한 제조방법과 제조장치 및 고망간 합금강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파쇄능을 향상시키기 위하여 브레이커 치즐을 다각형으로 설계하고, 고망간 합금강을 원심주조법 및 그 장치를 이용하여 상기 다각형의 브레이커 치즐을 주조하여 열처리함으로써 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐 및 이를 제조하기 위한 제조방법과 제조장치 및 고망간 합금강에 관한 것이다.
일반적으로 브레이커(Braker; 파쇄기)는 유압 구동방식을 갖는 굴착기(Excavator)의 암(Arm) 부분에 장착되어 건축 또는 토목작업시 암반이나 아스팔트 및 콘크리트 등과 같은 단단한 방해물을 파쇄하여 제거하는데 이용된다.
상기와 같은 용도로 사용되는 브레이커의 성능을 결정하는 가장 큰 부품은 파쇄 대상물과 직접 접촉하여 상하 반복운동에 의한 타격작동으로 대상물을 파쇄하는 브레이커 치즐(Braker Chisel)이다.
즉, 상기 브레이커 치즐은 파쇄작업시 브레이커의 피스톤 로드로부터 반복되는 상하 타격에 견딜 수 있는 높은 강도 및 내충격성, 파쇄 대상물에 대한 내마모성이 우수하여야 파쇄작업의 작업성이 향상되는 결과를 가져오게 되는 것이다.
종래의 브레이커 치즐은 고탄소강(S50C) 또는 합금강(SCM4)을 모재로 하여 단순 주조된 주괴를 단조하여 강봉을 제조한 다음, 치즐형상으로 기계가공을 실시하고, 최종적으로 내마모성 및 내충격성을 향상시키기 위한 열처리를 실시함으로써 제조된다.
하기 표 1은 대표적인 브레이커 치즐용 크롬-몰리브덴강(Cr-Mo Steel)인 SCM4의 조성과 이 재질로 제조된 브레이커 치즐의 기계적 성질을 나타내고 있다.
상기와 같은 종래의 치즐 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 브레이커(파쇄기)의 치즐 장착부분의 직경이 다양하기 때문에 브레이커의 규격에 부합하는 강봉을 구하기 쉽지 않고, 적정치수의 강봉을 구입하였다 하더라도 브레이커의 결합부 직경과 부합하도록 정밀 절삭가공을 해야 하는 문제점이 있으며,
또한, 치즐의 끝부분을 정밀 절삭기로 경사 절단하여야 하는 번거로움과, 치즐의 브레이커 결합부인 결합홈 및 헤드(Head)부를 장시간 정밀 절삭 가공하여야 하는 문제점과, 상기한 정밀 기계가공이 완료되면 치즐의 기계적 특성을 향상시키기 위하여 열처리를 재질별로 분리하여 실시하여야 하는 문제점이 있다.
더욱이 상기와 같은 종래의 치즐 제조방법은 치즐의 생산수량 단위가 작고, 제조공정의 일련성이 저하되기 때문에 치즐의 생산능률이 저하되는 문제점이 존재한다.
또한, 대직경의 브레이커 치즐의 경우, 경화 열처리시 표면부나 치즐의 끝부분은 냉각속도가 빨라 경도가 높은 마르텐사이트(Martensite)로 변태되어 경도가 증가하나, 치즐의 내부로 갈수록 냉각속도가 늦어져 미세조직에 있어서 잔류 오스테나이트(Residual Austenite) 조직이 다량 존재하게 되거나, 조직 자체가 펄라이트(Pearlite) 조직이 되어 강의 경도가 낮아져 내마모성이 저하됨으로써 치즐의 사용수명이 현저히 감소하는 문제점이 대두되고 있으며,
상기한 사용수명의 감소로 인한 빈번한 치즐 교체작업에 따르는 인력소모와, 이에 따르는 작업비용의 상승으로 이어지는 문제점이 나타나고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 치즐 끝부분의 파쇄능을 개선하기 위하여 브레이커 치즐의 끝부분을 다각형의 주름형상으로 설계함으로써 주조 및 열처리시 신속한 냉각이 이루어져 금속조직이
치밀해지고 따라서 물성이 향상되고 파쇄작업시 파쇄 대상물과 점 또는 면접촉을 하게 되어 파쇄능을 향상시키기 위한 브레이커 치즐을 제공하는데 있으며,
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 다각형 주름형상을 가지는 브레이커 치즐을 제조하는데 있어서, 원심주조법에 의한 가압주조를 실시하여 주조함으로써 조직의 결함(수축공, 핀홀, 블로우홀)이 최대한 억제되어 치밀한 조직을 가지며, 생산성이 향상된 브레이커 치즐의 제조방법 및 그 장치를 제공하는데 있으며,
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 다각형의 주름형상을 가지는 브레이커 치즐의 경도 및 내마모성, 내충격성을 향상시키기 위한 고망간 합금강을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 치즐(10)의 끝부분(11) 및 몸체부(12)가 다각형의 주름형상으로 제조되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제공하며,
중앙부에 형성된 탕구(22)로부터 방사형으로 확장된 다수개의 치즐 주형(24)이 형성된 원형의 상부 금형(20)과, 상기 상부 주형(20)과 상호 대응하도록 다수개의 치즐 주형(31)이 형성된 원형의 하부 금형(30)과, 상기 하부 금형(30)을 지지하는 금형 베이스(34)와, 이의 하부 중앙부에 고정되면서 하부 장치 베이스(41)에 회전가능하도록 설치되는 금형 회전축(35)과, 상기 금형 회전축(35)에 고정된 종동풀리(36)와 구동벨트(37)로 동력연결되는 구동풀리(38)와 축결합하여 상기 장치 베이스(41)의 일측에 설치되는 구동모터(40)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 중량%로서, 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.1~0.3%, 세륨(Ce) 0.05~1%를 함유하고, 잔부가 철(Fe)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐용 고망간 합금강을 제공하며,
상기한 고망간 합금강을 1500~1650℃에서 용해하여 용탕을 제조하는 단계와, 상기 제조된 용탕을 회전하는 금형에 주입하여 브레이커 치즐(10)을 원심 주조하는 단계와, 상기 원심 주조된 브레이커 치즐(10)을 1050~1100℃에서 치즐두께 1인치당 1시간 유지한 다음, 급냉하는 열처리단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 제조방법을 제공하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 형상을 도시한 측면도 및 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 다양한 다각형 주름형상을 도시한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브레이커 치즐의 형상은 치즐(10)의 끝부분(11) 및 몸체부(12)가 다각형의 주름형상으로 제조되는 것을 특징으로 하는데, 이러한 근본적인 이유는 제조된 치즐(10)을 열처리하여 급냉하는 경우, 강의 냉각속도를 보다 크게 하기 위함이다.
즉, 대직경의 브레이커 치즐을 제조하는 경우, 경화 열처리시 표면부나 치즐의 끝부분은 냉각속도가 빨라 경도가 높은 마르텐사이트(Martensite) 변태되어 경도가 증가하나, 치즐의 내부로 갈수록 냉각속도가 늦어져 미세조직에 있어서 잔류 오스테나이트(Residual Austenite) 조직이 다량 존재하게 되거나, 조직 자체가 펄라이트(Pearlite) 조직이 그대로 존재하여 강의 경도가 낮아져 내마모성이 저하되는 문제점이 있으므로,
본 발명에서는 브레이커 치즐(10)의 끝부분(11)과 몸체부(12)를 다각형의 주름형상으로 설계하여 제조함으로써 동일한 냉각조건에서 종래의 원형 치즐(1)보다 표면적이 넓음과 동시에 주름형상의 몸체부(12)에 다수개의 돌출부가 형성되어 있으므로 강의 조직이 용이하게 급냉되도록 하였다.
즉, 강의 표면적이 넓고, 주름형상의 몸체부(12)에 형성된 다수개의 돌출부가 형성되어 있으므로 원형의 치즐(1)보다 현저하게 큰 냉각속도를 받기 때문에 치즐(10)의 표면부 및 내부의 미세조직이 경도가 높은 마르텐사이트(Martensite) 조직으로 보다 용이하게 변태함으로써 강의 경도가 현저히 증가되어 치즐(10)의 내마모성이 증대하게 되는 것이며, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브레이커 치즐은 다양한 다각형 주름형상으로 제작될 수 있다.
일반적으로 고망간강은 충격이나 외부의 힘을 받으면, 강의 경도가 증가하는 가공경화(Work Hardening)가 가장 큰 금속재이며, 현재도 중장비인 굴삭기의 버킷 투스(Bucket Tooth)의 재료로 많이 사용되고 있으며, 광산기계인 파쇄기(Crusher) 등의 내마모성 재료로도 많이 사용되고 있으며, 기계절삭이 불가능한 특징이 있다.
일반적인 주조법에 의한 고망간 합금강을 브레이커 치즐용으로 이용할 수 없었던 이유는 충격강도가 낮아 쉽게 파단되는 단점이 있었고, 일반적인 주조법으로 제조함으로써 주조결함인 수축공, 핀홀, 블로우홀 등 조직의 내부결함이 다량 존재하여 재료에 대한 신뢰성이 떨어지기 때문에 시도하지 않았다.
하기 표 2는 일반적인 주조법에 의하여 제조된 고망간강의 기계적 성질을 나타내고 있다.
즉, 일반적인 주조법에 의하여 제조된 고망간강의 경우, 미세조직이 경한 성질을 나타내는 마르텐사이트 조직이 아니기 때문에 초기경도치가 매우 낮음을 알 수 있으며, 인장강도 역시 내부에 존재하는 주조결함(수축공, 핀홀, 블로우홀)으로 인하여 상기한 SCM4의 합금강보다 상대적으로 낮다는 것을 알 수 있다.
그러나, 상기와 같은 기계적 성질을 가지는 고망간강을 가공경화하면, 경도가 2배 이상 급증하고, 인장강도 역시 증가함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 고망간강을 브레이커 치즐용 합금강으로 선택하여 상기한 종래의 고망간강에 치밀한 미세조직을 얻을 수 있는 특수 합금원소를 첨가한 다음, 원심주조(Centrifugal Casting)법에 의하여 가압 주조함으로써 일반적인 주조결함인 수축공, 핀홀(Pin Hole), 블로우홀(Blow Hole)을 제거되어 기계적 특성이 현저히 개선됨으로써 신뢰성이 높은 브레이커 치즐을 개발하게 되었다.
먼저, 본 발명에 따른 고망간 합금강을 구성하는 각 원소성분의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.
1) 탄소(C) 0.8~2%
탄화물 형성을 위하여 구성되는 강(Steel)의 기본성분이며, 본 발명에서 0.8% 미만으로 구성되는 경우, 형성되는 탄화물의 양이 현저히 적어 내마모성이 저하되고, 2%를 초과하여 구성되는 경우에는 조대한 흑연의 정출로 인하여 내충격성이 저하되므로 0.8~2%로 제한하였다.
2) 규소(Si) 0.6~1.5%
규소는 탄화물의 형성을 촉진시키고 탈산 및 주조성을 증대시키는 원소로서, 본 발명에서 1.5%를 초과하여 첨가되는 경우에는 주조시 냉각속도를 급격히 떨어뜨려 주조결함을 생성시키고, 미세조직도 조대화되는 문제점이 있어 0.6~1.5%로 제한하였다.
3) 망간(Mn) 10~25%
망간은 탄화물 생성원소이고, 강의 유해원소인 황(S)을 제거하는 역할을 한다. 본 발명에서 10% 미만으로 구성되는 경우에는 생성되는 탄화물의 양이 적어 내마모성이 감소하고, 25%를 초과할 경우, 원가상승은 물론 조대한 오스테나이트 상이 다량 형성되어 강도 및 내충격성을 현저히 감소시키므로 10~20%로 제한하였다.
4) 크롬(Cr) 0.5~3%
크롬은 페라이트(Ferrite)상의 강도를 높여주며, 복탄화물을 형성하여 강의 내마모성을 증대시키기는 원소로서, 조성되는 탄소량에 부합하도록 첨가된다. 그 함량이 0.5% 미만인 경우에는 그 효과가 미미하며, 3%를 초과하는 경우에는 강의 취성이 급격히 증가되므로 0.5~3%로 제한하였다.
5) 몰리브덴(Mo) 0.5~3%
몰리브덴은 강의 인성 및 열처리시 강의 경화능을 향상시켜 내마모성을 증대시키기 위하여 첨가 조성되는 원소로서, 0.5% 미만으로 첨가되는 경우에는 그 효과가 미미하며, 3%를 초과하여 조성되는 경우에는 입계편석에 의한 강의 취성이 증대되므로 0.5~3%로 제한하였다.
6) 바나듐(V) 0.3~2%
바나듐은 강의 인성과 경도를 증가시키고, 탈산제의 역할을 하는 고가의 원소이다. 본 발명에서 0.3% 미만으로 조성되는 경우에는 그 효과가 미미하고, 2%를 초과하여 조성되는 경우에는 초과 조성되는 양에 대한 효과가 나타나지 않으므로 0.3~2%로 제한하였다.
7) 안티몬(Sb) 0.01~0.8%
안티몬은 강의 주조시 수축이 작고, 응고시 강의 결정립을 미세화시켜 내충격성 및 내마모성 증대를 위하여 본 발명에서는 조성되는 고가의 원소이다. 0.8%를 초과하여 첨가되는 경우에는 그 초과치에 대한 효과가 나타나지 않으므로 제한하였다.
8) 세륨(Ce) 0.05~1%
희토류 금속원소(Rare Earth Metal)의 대표적인 원소로서, 본 발명에서는 강의 탄화물을 구상화시키고, 주조 응고시 결정립을 미세화시켜 내충격성을 증대하기 위한 목적으로 첨가 조성하였다. 1%를 초과하여 조성되는 경우에는 발화성이 강한 세륨이 발화되는 경향이 있으므로 제한하였다.
9) 티타늄(Ti) 0.1~1%, 알루미늄(Al) 0.1~0.3%
티타늄과 알루미늄은 강의 탈산과 결정립 미세화를 위하여 첨가되는 대표적인 원소로서, 본 발명에서는 티타늄이 1%를 초과하거나, 알루미늄이 0.3%를 초과하여 조성되면 강의 취성이 증가하여 이를 제한하였다.
상기와 같은 조성성분의 수치한정에 따라 조성된 본 발명에 따른 고망간 합금강을 “수직원심주조법(Vertical Centrifugal Casting Process)”에 근거하여 개발된 본 발명에 따른 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 통하여 주름형 브레이커 치즐형태로 가압 주조하였다.
도 4a는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 구성하는 상부 금형을 도시한 상부 및 하부평면도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 구성하는 상부 금형을 도시한 단면도 및 치즐주형의 확대 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 구성하는 하부 금형을 도시한 평면도 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치의 전체 구성을 도시한 측면도이다.
도 4a 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명을 구성하는 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치는 상기한 바와 같이 “수직원심주조법(Vertical Centrifugal Casting Process)”에 근거하여 개발되었다.
본 발명은 주형의 소재를 금속으로 하는 금형(Metal Mold)으로 하여 원심주조시 주입된 용강이 급냉되도록 하였으며, 치즐주형의 형태는 상기한 본 발명에 따른 다각형 주름형상을 가지는 브레이커 치즐에 대응하도록 형성하였다.
즉, 상부 금형(20)은 원형으로 형성되어 중앙부에 용강이 주입될 수 있는 탕구(22)가 형성되어 있으며, 이로부터 주입된 용강이 방사형으로 확장된 다수개의 치즐 주형(24)으로 주입되도록 용강 게이트(23)가 형성되어 있다.
상기와 같은 형상으로 구성된 상부 금형(20)의 하부에는 동 상부 금형(20)과 동일한 크기의 원형 형상의 하부 금형(30)이 위치하는데,
상기 상부 주형(20)에 형성된 다수개의 치즐 주형(24)과 상호 대응하도록 하부 금형(30)에는 다수개의 치즐 주형(31)이 탕구(22.33)로부터 방사형으로 확장된 용강 게이트(32)에 연장되어 형성되어 있으며, 상기한 상부 금형(20)과 마찬가지로 주름형상의 치즐 주형(31)으로 형성되어진다.
상기와 같이 구성된 하부 금형(30)의 하부면에는 이를 지지하는 금형 베이스(34)가 밀착 고정되어 있으며,
상기 금형 베이스(34)의 하부 중앙부에는 하부 장치베이스(41)에 회전가능하도록 베어링 결합하는 금형 회전축(35)이 고정되어있다.
상기 금형 회전축(35)에는 다수개의 구동벨트(37)가 연결되는 종동풀리(36)가 고정되어 있으며,
상기 금형 회전축(35)의 종동풀리(36)와 연결되는 구동벨트(37)는 상기 장치베이스(41)의 일측에 고정된 구동모터(40)의 구동풀리(38)에 연결되어 구동모터(40)의 회전력이 상기 금형 회전축(35)에 전달됨으로써, 금형(20.30)이 회전하게 되는 것이다.
또한, 상기한 상부 금형(20)과 하부 금형(30)은 본 발명에 따른 다각형의 주름형상을 가지는 브레이커 치즐을 주조하도록 치즐주형(24,31)의 끝부분 및 몸체부가 주름형상으로 형성되어 있으며,
상기 상부 주형(20)에는 치즐주형(24)의 몸체부에 치즐의 결합홈(4)을 형성할 수 있는 코어(24)가 부착되어 있기 때문에 주조 후 치즐의 결합홈(4)을 기계가공하는 종래의 공정을 생략할 수 있는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 통하여 다각형의 주름형상을 가지는 브레이커 치즐의 제조공정을 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 제조방법은 먼저, 상기 설명한 고망간강, 즉 중량%로서 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.01~0.8%, 세륨(Ce) 0.05~1%를 함유하고 잔부가 철(Fe)로 구성되는 고망간 합금강,
또는 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.01~0.8%, 세륨(Ce) 0.05~1%, 티타늄(Ti)이 0.1~1%, 알루미늄(Al)이 0.1~0.3%를 함유하고 잔부가 철(Fe)로 구성되는 고망간 합금강을 1600~1650℃에서 용해하여 용탕을 제조하게 된다.
상기 고망간강의 용해단계는 상기한 범위의 온도 내에서 고망간강의 합금화에 충분한 시간을 주어 실시하며, 완전히 용해가 되어 합금화가 일어나면, 용탕을 용해로부터 래이들에 출탕하여 주조준비를 완료하게 된다.
상기와 같이 용탕준비가 완료되면, 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 제조장치의 구동모터(40)에 전원을 공급하여 회전시키면 금형(20.30)이 회전하게 되며,
상기 금형(20.30)의 회전속도가 200~1200rpm의 범위로 회전하면, 상기 금형(20.30)의 중앙부에 형성된 탕구(22)로 상기 준비한 용탕을 주입하여 다각형의 주름형상을 가지는 브레이커 치즐(10)을 원심주조하게 되는 것이다.
용탕 주입시 상기 금형(20.30)의 회전속도가 200rpm보다 낮으면, 주입되는 용강이 치즐주형(24.31)으로 신속하게 주입되지 않은 상태에서 응고되기 때문에 주조 후 내부결함이 다량 존재하게 되거나, 아예 주조가 되지 않는 상태가 되며,
상기 금형(20.30)의 회전속도가 1200rpm보다 높으면, 용강이 단시간에 치즐주형(20.30)으로 완전히 주입됨으로써 용강의 냉각속도가 떨어지는 문제점이 있으며, 또한 원심주조를 위한 제조장치에 부하가 걸려 장치의 사고 위험성이 내재하게 된다.
상기와 같이 용강을 금형(20.30)의 탕구(22)에 용탕을 주입완료한 다음, 동일한 회전속도로 1~2분간 금형(20.30)을 더 회전시키는데, 이는 용강이 응고하는 과정에서 압력을 가하여 보다 치밀한 조직을 얻기 위함이다.
상기와 같은 공정에 의하여 원심 가압주조가 완료되어 용강이 응고되면, 상기 금형(20.30)으로부터 응고된 치즐(10)을 배출시켜 탕구(22) 및 용강 게이트(23.32)에 의한 주조부착물 및 금형에 의한 미세한 버(Burr)를 기계가공하여 제거하게 되며,
상기 기계가공된 브레이커 치즐(10)을 1050~1100℃에서 두께 1인치당 1시간 유지한 다음, 물속에 담그거나 물을 분사하여 급냉시키는 수인(Water toughening) 처리를 한다.
상기 열처리온도는 본 발명에 따른 고망간강이 오스테나이트(Austenite)상을 형성하는 온도범위이며, 유지시간은 제조되는 치즐(10)의 두께에 따라 1인치당 1시간으로 한다.
즉, 제조된 치즐(10)의 직경이 2인치(inch)이면, 상기 온도범위에서 2시간 유지하여 급냉처리하게 되는 것이며,
상기 열처리 유지시간을 치즐 직경 1인치당 1시간으로 설정한 이유는 1050~1100℃에서 1시간 이상 유지되어야 치즐을 구성하는 고망간 합금강의 미세조직이 완전히 오스테나이트(Austenite)화되고 또한 크롬카바이드등 카바이드조직들을 완전히 오스테나이트조직 속에 고용시키는데 있다.
이하, 바람직한 실시예를 예시하여 본 발명의 작용을 상세하게 설명한다.
[실시예]
목적조성에 부합하는 각각의 성분재료를 전기로(고주파유도로)에 장입하여 1600℃에서 용해, 합금화하여 1550℃에서 래이들로 출탕하여 용강을 제조하였다.
하기 표 3은 본 발명의 실시예에 따른 브레이커 치즐용 고망간 합금강의 조성을 나타낸다.
상기 조성표에서 발명예 4와 5는 결정립 미세화를 위한 첨가원소로서 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 첨가된 강재이며, 비교예 6은 기능성 합금원소가 첨가되지 않은 고망간강이며, 비교예 7 내지 10은 본 발명에 따른 고망간강의 조성범위를 벗어나는 합금강재이다.
상기한 바와 같이, 표 3에 나타난 각각의 강재를 용탕화하여 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 장치인 원심 가압주조 장치의 금형(20.30)을 700rpm의 회전속도로 회전시킨 다음, 상기 금형(20.30)의 탕구(22)로 용강을 주입하였다.
상기와 같이 탕구(22)로 투입된 용강은 금형(20.30)의 용강 게이트(23.32)를 따라 치즐 주형(24.31)으로 주입됨과 동시에 주형의 재질이 금속이므로 주입된 용강은 급냉의 조건으로 냉각되어 지는 것이다.
상기와 같은 공정으로 치즐 금형(20.30)으로 용강의 주입이 완료되면, 용강이 완전히 응고되기까지의 시간인 약 1~2분간 상기 금형(20.30)을 회전하여 주조작업을 완료하였다.
상기와 같은 가압 원심주조법은 종래의 일반적인 주조법에 비하여 응고수축을 보상하기 위한 별도의 압탕을 설치할 필요가 없으며, 주조 회수율도 90% 이상이 되어 제조 비용면에서 경제적인 효과가 있으며,
또한, 치즐의 결합홈을 종래에는 기계가공으로 형성하였으나, 본 발명에서는 주조시 형성하므로 결합홈을 형성하기 위한 별도의 기계가공 공정을 생략할 수 있다는 공정상의 이점도 있다.
주조작업이 완료되면, 하부 금형(30)에 고정된 상부 금형(20)을 제거하고, 응고된 치즐(10)을 배출시킨 다음, 금형(20.30)에 의하여 형성된 탕구 및 게이트 주물을 제거함과 동시에, 상부 금형(20)과 하부 금형(30)의 접촉에 의하여 미세하게 형성된 버(Burr)를 제거하는 기계가공을 거쳐 다각형의 주름형상을 가지는 브레이커 치즐(10)을 제조하였다.
상기와 같이 기계가공된 주름형 브레이커 치즐(10)을 냉각되기 전에 1100℃ 정도로 유지된 가열로에 장입시켜 치즐의 직경 인치당 1시간의 유지시간으로 유시시킨 다음, 수냉에 의한 급냉을 실시하였다.
상기 급냉에 의한 경화 열처리 후, 각각의 합금재에 대한 기계적 성질을 테스트하여 열처리 전의 기계적 성질과 비교분석하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 고망간 합금강으로 제조되어 최종 수인 열처리된 브레이커 치즐(10)의 경우(발명예 1 내지 5), 충격강도에 있어서 45㎏-m/㎠ 이상으로 나타나 비교예 및 상기한 종래의 SCM4(10~20㎏-m/㎠)에 비하여 내충격성이 우수함을 알 수 있으며,
또한, 가공경화 후 경도에 있어서도 발명예 1 내지 5의 경우, 상기 종래의 SCM4(HB 500~530)보다 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 작용상의 효과가 있다.
첫째, 종래의 원형의 치즐을 다각형 주름형상으로 제조함으로써 경화 열처리시 경화능이 더욱 향상되어 치즐의 내마모성이 개선됨으로써 치즐의 사용수명이 연장되는 효과가 있으며, 파쇄작업시 파쇄 대상물과 점 또는 면접촉을 하게 되어 파쇄능이 향상되는 효과가 있으며,
둘째, 종래의 치즐을 제조하는 기계가공(절단, 절삭) 공정을 주조공정으로 대체함으로써 원자제비의 손실을 감소시키고, 공정을 단축하여 생산성을 현저히 증대시키는 산업상의 효과가 있으며,
셋째, 치즐의 주조공정에 원심 가압주조공정을 도입함으로써 주조결함의 발생이 거의 없음과 동시에, 종래의 주조공정에 필요한 압탕 및 탕구계를 설치하지 않아도 됨으로써 제조비용상의 이점이 있다.
결과적으로 기계가공에 의하여 치즐을 제조하는 종래방법에 비하여 제조비용이 50% 이상 절감되고, 생산성도 2배 이상 증대되는 효과가 있는 것이다.
도 1은 종래의 브레이커 치즐 형상을 도시한 측면도 및 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 형상을 도시한 측면도 및 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 다양한 다각형 주름형상을 도시한 단면도;
도 4a는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 구성하는 상부 금형을 도시한 상부 및 하부평면도;
도 4b는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 구성하는 상부 금형을 도시한 단면도 및 치즐주형의 확대 단면도;
도 5는 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치를 구성하는 하부 금형을 도시한 평면도 단면도;
도 6은 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치의 전체 구성을 도시한 측면도;
도 7은 본 발명에 따른 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조방법을 도시한 공정도이다.
♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣
20:상부 금형 30:하부 금형 34:금형 베이스 41:장치베이스
35:금형 회전축 37:구동벨트 40:구동모터

Claims (10)

  1. 브레이커에 장착되어 파쇄 대상물을 파쇄하는 브레이커 치즐에 있어서,
    치즐(10)의 끝부분(11) 및 몸체부(12)가 다각형의 주름형상으로 제조되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 치즐(10)의 끝부분(11) 및 몸체부(12)에 형성된 다각형의 주름형상은 8각형 이상인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐.
  3. 삭제
  4. 중앙부에 형성된 탕구(22)로부터 방사형으로 확장된 다수개의 치즐 주형(24)이 형성되며 상기 치즐주형(24)의 끝부분 및 몸체부가 주름형상으로 되어 있는 원형의 상부 금형(20)과;
    상기 상부 주형(20)과 상호 대응하도록 다수개의 치즐 주형(31)이 형성되며상기 치즐주형(31)의 끝부분 및 몸체부가 주름형상으로 되어 있는 원형의 하부 금형(30)과;
    상기 하부 금형(30)을 지지하는 금형 베이스(34)와;
    이의 하부 중앙부에 고정되면서 하부 장치 베이스(41)에 회전가능하도록 설치되는 금형 회전축(35)과;
    상기 금형 회전축(35)에 고정된 종동풀리(36)와 구동벨트(37)로 동력연결되는 구동풀리(38)와 축결합하여 상기 장치 베이스(41)의 일측에 설치되는 구동모터(40)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상부 주형(20)은 치즐주형(24)의 몸체부에 치즐의 결합홈(4)을 형성할 수 있는 코어(25)가 부착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐을 제조하기 위한 제조장치.
  6. 중량%로서, 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.1~0.3%, 세륨(Ce) 0.05~1%를 함유하고, 잔부가 철(Fe)로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐용 고망간 합금강.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중량%로서 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.01~0.8%, 세륨(Ce) 0.05~1%를 함유하고 잔부가 철(Fe)로 구성되는 고망간 합금강에 티타늄(Ti)이 0.1~1%, 알루미늄(Al)이 0.1~0.3%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐용 고망간 합금강.
  8. 중량%로서 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.01~0.8%, 세륨(Ce) 0.05~1%를 함유하고 잔부가 철(Fe)로 구성되는 고망간 합금강, 또는 탄소(C) 0.8~2%, 규소(Si) 0.6~1.5%, 망간(Mn) 10~25%, 크롬(Cr) 0.5~3%, 몰리브덴(Mo) 0.5~3%, 바나듐(V) 0.3~2%, 안티몬(Sb) 0.01~0.8%, 세륨(Ce) 0.05~1%, 티타늄(Ti)이 0.1~1%, 알루미늄(Al)이 0.1~0.3%를 함유하고 잔부가 철(Fe)로 구성되는 고망간 합금강을 1600~1650℃에서 용해하여 용탕을 제조하는 단계와;
    상기 제조된 용탕을 회전하는 금형(20.30)에 주입하여 브레이커 치즐(10)을 원심 주조하는 단계와;
    상기 원심 주조된 브레이커 치즐(10)을 1050~1100℃에서 직경 1인치당 1시간 유지한 다음, 급냉하는 열처리단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 브레이커 치즐(10)을 원심 주조하는 단계는 회전하는 금형(20.30)의 회전속도가 200~1200rpm인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 제조방법.
  10. 제8항 내지 제9항에 있어서,
    상기 브레이커 치즐(10)을 원심 주조하는 단계는 금형(20.30)에 용탕을 주입완료한 다음, 동일한 회전속도로 1~2분간 더 회전하는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 파쇄능이 향상된 브레이커 치즐의 제조방법.
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