KR100499820B1 - 붕화물 강화 변성합금계 코어드 와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 붕화물 강화 변성합금계 코어드 와이어에 관한 것이며, 그 목적은 모재 표면에 육성 용접이나 용사에 의해 부착시켜 피용접 모재 표면의 초기 내마모성을 크게 향상시키면서도 값이 저렴한 육성용접 또는 용사용 코어드 와이어를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 코어드 와이어는, 코어용 분말(3)과 외피(2)로 구성된 와이어로서, 상기 외피는 스테인레스강으로 구성되며, 내부는 Fe, Cr, B, Si, Mn 및 B₄C, BN, TiB₂, ZrB₂ 등의 붕화물 분말로 혼합되는 코어용 분말이 충전된다. 또한, 본 발명은 상기 코어드 와이어를 용사 또는 육성용접하여 코팅층을 형성할 수 있다.

Description

붕화물 강화 변성합금계 코어드 와이어{Cored Wire Based Metamorphic Alloy Reinforced by Boride}

본 발명은 용사 또는 용접용 코어드 와이어(cored wire)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재 표면의 내마모성을 크게 향상시키는 붕화물 성분 등이 혼합된 코어용 분말(core powder)을 외피(shell)로 감싼 코어드 와이어에 관한 것이다.

일반적으로 코어드 와이어는 도1에 도시된 바와 같이, 코어용 분말(3)과, 상기 코어용 분말(3)을 둘러싼 외피(2)로 구성되어 있다. 이러한 코어드 와이어는, 가혹한 마모 환경이나 황산 펌프 부품 등 부식성 조건에서 사용되는 각종 기계부품의 수명 연장이나 손상 부위의 보수를 목적으로, 상기 부품 표면에 용사 또는 육성용접(hardfacing)을 행할 때 사용된다.

대표적인 종래의 코어드 와이어가 국내특허 제236597호에 개시되어 있다. 상기 특허에 개시된 코어드 와이어(1)는, 페라이트계 스테인레스강 외피와 변성합금(metamorphic alloy)의 일종인 Fe-Cr-B계 코어드 분말을 이용한 용사 또는 용접용 코어드 와이어이다. 구체적으로 상기 코어드 와이어는, 페라이트계 스테인레스강으로 이루어진 외피(2)와, 중량%로, Cr: 25~ 80%, B: 5~ 20%, Si: 14% 이하, Mn: 11% 이하, 나머지 철과 불순물로 P, Cu, C의 합이 3.5% 이하로 조성된 코어드 분말(3)로 구성되어 있다. 상기 코어드 와이어는, 비교적 낮은 냉각속도에서 비정질상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 용사 또는 용접과정에서도 비정질상을 얻을 수 있고, 용사 또는 용접 후 내마모성과 내부식성이 뛰어난 코팅을 형성한다고 제시하고는 있으나, 그 효과에 대해서는 실제 검증되거나 개시된 바가 전혀 없다.

실제로, 유동층 보일러와 미분탄 보일러 등의 수관이나 이들 보일러용 온도계의 보호관은, 가혹한 마모 조건에서 사용되고 있어 고온마모가 심한데, 상기 종래의 코어드 와이어를 사용하여 용사 또는 육성층을 통해 그 표면을 코팅하는 경우 초기 마모가 심하다. 즉, 변성합금을 용사 또는 육성용접을 통해 코팅층을 형성함으로써, 그 코팅층의 마찰경화 및 마찰계수 감소효과를 이용하여 내마모성을 향상시키는 것이지만, 가혹한 마모조건에서는 내마모, 저마찰의 비정질층이 형성되기 전에 마모가 먼저 진행되어 목적한 효과를 얻지 못하는 경우가 빈번히 발생되어 왔다. 이러한 이유로 상기 변성합금에 탄화물을 첨가하여 보강하는 노력이 일부 시도 되어왔으나, 탄화물의 상당수가 용접 중에 용융되지 아니하여 용접성이 불량하여 실용화에 성공하지 못하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 그 목적은 코어드 와이어의 코어용 분말로서 변성합금 조성용 분말에 붕화물을 혼합함으로써, 용접성을 양호하게 유지하면서 경도를 증가시켜 초기마모를 방지하고, 마찰경화, 마찰계수 감소를 도모할 수 있는 용사 또는 육성용접용 코어드 와이어를 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 변성합금계 코어드 와이어는, 코어용 분말과, 상기 코어용 분말을 둘러싼 외피로 구성되는 코어드 와이어에 있어서, 상기 외피는 스테인레스강으로 구성되며, 상기 코어용 분말은 전체 조성비가, 상기 외피와 코어용 분말의 전체 중량에 대하여, 중량%로, Fe: 50~ 70%, Cr: 20~ 32%, B: 2.0~ 4.2%, Si: 1.1~ 2.6%, Mn: 1.0~ 2.8% 및 붕화물: 1.0~ 10.0%로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 변성합금계 코어드 와이어는 종래의 코어드 와이어와 마찬가지로, 외피(2)와 그 외피 내에 코어용 분말(3)이 충전되는 구조를 갖는다.

상기 외피(2)는 코어용 분말의 조성에 가장 근접된 페라이트계 스테인레스강으로 이루어지는 것이 바람직하다. 페라이트계 스테인레스강은 기본적으로 연강에 비하여 내식성이 우수하고 기지(matrix)가 되는 코어용 분말의 조성에 많이 접근되어 코어용 분말의 충전양을 조절하기가 용이한 특징이 있다.

상기 코어용 분말은 변성합금의 조성이 되도록 구성하는 것이다. 본 명세서에서 변성합금이라 함은, 금속의 결정격자가 붕괴되어 비정질로 전이되는 합금으로서, 마찰계수가 적고, 경도가 높아 내마모성이 뛰어난 특징이 있다. 이러한 변성합금은 예컨대, Fe-Cr-B계 변성합금을 들 수 있는데, Fe-Cr-B계 변성합금은 용접성이 양호하고, 기본적으로 Cr이 다량 함유되어 상당한 내식성이 있으며, 마찰을 받은 후의 경도가 높고, 마찰계수가 감소하여 마모 수명이 길다.

바람직하게는 본 발명에서 코어용 분말은, 전체 조성비가, 상기 외피와 코어용 분말의 전체 중량에 대하여, 중량%로, Fe: 50~ 70%, Cr: 20~ 32%, B: 2.0~ 4.2%, Si: 1.1~ 2.6%, Mn: 1.0~ 2.8% 및 붕화물: 1.0~ 10.0%로 조성되도록 분말을 혼합하는 것이다.

상기 Cr은, 용사 또는 육성용접된 코팅층의 강도와 내식성을 향상시키는 성분으로, 그 함량이 20중량% 미만이면, 화합물의 형성을 억제하지 못하여 과포화 고용상으로의 유도가 부족하여 비정질화가 잘 이루어지지 않고, 32중량% 초과이면 페라이트 범위를 넘어 고크롬강의 효과로 비정질화에 방해가 되어 바람직하지 않다.

상기 B는, 코팅후의 결정질- 비정질 변태를 결정하는 성분으로, 이러한 작용을 위해서는 2.0중량% 이상이 필요하나, 4.2중량% 초과이면 취성이 높아져 바람직하지 않다.

상기 Si은, 페라이트 조직을 강화시키며, 비정질상 형성을 조장하는 성분으로, 그 효과를 위해서는 1.1중량% 이상이 함유되어야 하나, 2.6중량% 초과이면 Fe₂Si, Fe₃Si 등의 화합물을 형성하므로 바람직하지 않다.

상기 Mn은, 코팅층의 비정질상을 안정화시키는 성분으로서, 이러한 효과를 위해서는 그 함량이 1.1중량% 이상이 필요하다. 그러나, 그 함량이 2.8중량% 초과이면 코팅층이 너무 경화되어 바람직하지 않다.

상기 Fe는 기지(matrix)를 이루는 성분으로, 다른 성분의 함량에 따라 약 50~ 70중량%를 차지한다.

그러나, 상기한 조성으로 이루어지는 변성합금계 코팅층은, 초기의 가혹한 마찰에 의해 심하게 마모되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 본 발명에서는, 상기한 조성을 갖는 변성합금 코팅층의 초기 내마모성을 강화시키기 위해서, 상기 변성합금계 조성에 금속과의 젖음성(wetability)이 양호한 붕화물과 같은 고경도 입자를 분산시키는데 특징이 있다.

여기서, 붕화물은 C, N, Ti 및 Zr으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 붕화물을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 붕화물로서는 예컨대, B₄C, BN, TiB₂ 및 ZrB₂ 등을 들 수 있다. 가장 바람직하게는 저렴한 B₄C를 사용하는 것이다.

상기 변성합금계 조성에 WC, CrC, TiC 등의 탄화물을 충전시키는 경우 용접 비드 내에서는 탄화물의 분산이 잘되나, 피부착 모재와의 용융결합이 불량하여 바람직하지 못하다. 이에 반하여, 본 발명에서 코어용 분말에 첨가되는 붕화물은, 소량으로도 고경도 특성을 발휘하여 용융결합에 장애를 일으키지 않고, 마찰계수도 감소시키는 작용을 한다. 본 발명에서 코어용 분말로서의 붕화물은 전체중량, 즉 코어용 분말과 외피 중량을 포함한 전체중량에 대하여 10중량% 이하로 충전하는 것이 바람직하다. 상기 붕화물이 전체중량에 대하여 10중량%를 넘으면 기공이 많아져 경도가 오히려 감소하여 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 붕화물을 1~ 10중량%의 범위에서 혼합하는 것이다.

상기 붕화물을 분산시키는 방법은, 충전물 속에 붕화물을 직접 혼합시키는 방법과, 내부 금속과 금속간 화합물을 형성시키는 방법이 있으나, 금속간화합물을 형성시키는 방법은, 화합물의 형성을 억제하는 것이 아니라 촉진하는 것이므로 과포화 고용상의 유도가 부족하여 비정질화가 이루어지지 않는다. 따라서, 비정질화에 지장을 주지아니하면서 붕화물을 분산시키는 방법은, 붕화물을 직접 혼합시켜 용융 분산시키는 것이다. 상기 코어용 분말의 중량을 조정하는 것은 외피속에 충전될 분말들을 비율대로 혼합기에 넣고 미리 충분히 혼합해 두었다가 외피속에 충전시키면 된다. 따라서, 본 발명에 따른 코어드 와이어를 제조하는 방법은, 모합금을 용해하는 과정이 필요 없고, 간단한 과정을 거치기 때문에 제조단가나 설비투자가 크게 절감된다.

이렇게 제조된 코어드 와이어를 내마모가 요구되는 부품에 육성용접이나 용사로 부착하면, 변성합금층 속에 붕화물이 균일하게 분산되어 초기 마모를 억제하여 비정질효과를 크게 향상시킬 수 있어 부품이나 설비의 수명을 길게 연장할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예］

페라이트계인 스테인레스 430 스트립을 조관(piping)하면서 표 1과 같은 조성비가 되도록 충전한 후 인발하여 여러 가지 코어드 와이어를 만들었다.

상기 용접와이어를 이용하여 아르곤 분위기에서 연강 디스크에 육성용접한 다음, HRC 경도를 측정하여 그 결과를 표1에 나타내었다. 여기서, 초기 마모를 억제하는 요인은 표면경도이므로 HRC경도를 측정하였다.

구분	Fe	Cr	B	Si	Mn	B4C	경도(HRC)
종래재	64.15	27.36	3.77	2.36	2.36		47.0
발명재 1	63.44	26.98	3.65	2.28	2.28	1.37	67.0
발명재 2	63.39	26.49	3.51	2.19	2.19	2.23	72.0
발명재 3	63.34	26.00	3.37	2.10	2.10	3.09	71.5
발명재 4	63.29	25.51	3.23	2.01	2.01	3.95	71.5
발명재 5	63.24	25.02	3.09	1.92	1.92	4.81	71.0
발명재 6	63.19	24.53	2.95	1.83	1.83	5.67	71.0
발명재 7	63.14	24.04	2.81	1.74	1.74	6.53	71.0
발명재 8	63.09	23.55	2.67	1.65	1.65	7.39	71.0
발명재 9	63.05	23.06	2.53	1.56	1.56	8.25	70.5
발명재 10	63.00	22.57	2.39	1.47	1.47	9.11	70.0
발명재 11	62.95	22.08	2.25	1.38	1.38	9.97	67.0

표1에서 나타난 바와 같이, 변성합금 조성에 탄화붕소를 소량 첨가한 결과, 경도값이 크게 증가하였다. 그러나, 탄화붕소의 양이 10%를 초과하면 오히려 경도값이 감소하리라는 것을 알 수 있다.

한편, 코어드 와이어로 육성용접하여 형성된 코팅층을 금속현미경을 이용하여 100배 비율로 관찰하고, 그 결과를 도2에 나타내었다. 도2a 내지 도2e는 각각 종래재와 발명재(1~ 4)에 의해 형성된 코팅층에 대한 조직사진이다.

도2의 조직을 보면, 붕화물이 첨가되지 않은 종래재에서는 변성합금의 특징인 비정질 기지에 침상(needle-like) 조직과 비슷한 조직이 나타난 것을 볼 수 있는 반면, 본 발명재(1~4)에서는 탄화붕소가 소량 첨가되면서 침상 조직이 그물망 조직으로 변화된 기지를 갖는 코팅층이 형성되었고, 특히 탄화붕소의 양이 증가 할수록 그물망 조직이 보다 치밀한 형태를 나타내는 것을 볼 수 있었다. 이러한 그물망 조직은 내마모 효율이 가장 우수한 것으로 알려져 있어 내마모 향상에 대한 기대 효과를 더욱 높이고 있다.

또한, 코어드 와이어에 충전물로 혼합되는 WC, CrC, TiC 등 많은 탄화물들이 혼합된 경우, 용융시 완전히 용융되었다가 재응고 되지 않고 부분 용융되어 경도가 감소하고 용접성이 나쁜 문제를 야기하나, 본 발명재의 경우 비정질 기지 속에 탄화붕소의 비용융 입자가 보이지 않는 것을 보면, 완전용융하였다가 재응고 하는 것으로 보인다. 코팅층이 완전용융되었다가 재응고 되는 경우가 부분 용융되었다가 재응고 되는 경우보다 경도가 더 높기 때문에 본 발명재에서는 경도 향상이 더 뚜렷하게 나타나는 것으로 여겨진다. 더구나, 완전용융되었다가 응고되면서 입자 형태에서 그물망 형태로 고르게 분산되어 기지조직 전체가 고른 경도를 나타내게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 코어드 와이어를 사용하여, 용사 또는 육성용접에 의해 마모되는 표면에 부착하면, 초기마모를 억제하여 우수한 내마모 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 비정질 변성합금의 저마찰 효과도 도모할 수 있으므로, 극심한 마모환경에서 사용되는 각종 설비나 부품 등의 보수 또는 육성용접으로 매우 적합하며, 더욱이 그 제조 과정이 간단하고 값이 저렴하여 실조업에 매우 유용한 효과가 있다.

도1은, 일반적인 코어드 와이어의 단면도이다.

도2a 내지 도2e는, 종래 및 본 발명의 코어드 와이어를 이용하여 육성용접한 코팅층의 표면조직도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 .... 코어드 와이어 2 .... 외피

3 .... 코어용 분말

Claims (3)

1. 코어용 분말과, 상기 코어용 분말을 둘러싼 외피로 구성되는 코어드 와이어에 있어서,

   상기 외피는 스테인레스강으로 구성되며, 상기 코어용 분말은 전체 조성비가, 상기 외피와 코어용 분말의 전체 중량에 대하여, 중량%로, Fe: 50~ 70%, Cr: 20~ 32%, B: 2.0~ 4.2%, Si: 1.1~ 2.6%, Mn: 1.0~ 2.8% 및 붕화물: 1.0~ 10.0%로 구성되는 것을 특징으로 하는 붕화물 강화 변성합금계 코어드 와이어.
2. 제1항에 있어서,

   상기 붕화물은 C, N, Ti 및 Zr으로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 붕화물임을 특징으로 하는 붕화물 강화 변성합금계 코어드 와이어.
3. 제2항에 있어서,

   상기 붕화물은 B₄C, BN, TiB₂ 및 ZrB₂로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 붕화물임을 특징으로 하는 붕화물 강화 변성합금계 코어드 와이어.