KR100628828B1 - 충격 마모저항성이 우수한 초경합금 코어드 용접와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텅스텐탄화물의 함량이 50~90 wt%인 초경합금 분말에 오스테나이트 안정화 원소를 첨가하여 혼합한 분말과 철계 스트립을 사용하여 메탈코어드 용접와이어를 제조하는 것으로, 와이어에서 텅스텐탄화물의 유효함량이 22.5~30.0 wt%이고 Mn, C 등과 같은 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 Ni 당량으로 0.05~0.2 wt%인 것을 특징으로 한다.

상기의 용접와이어로 하드페이싱한 육성용접층은 10~25 vol%의 텅스텐탄화물 분산상과 오스테나이트를 주성분으로 하는 기지상으로 이루어진 아공정 미세조직을 특징으로 하며, 40~50 HRC의 경도를 나타내지만 적정량의 고경도 분산상과 기지상의 오스테나이트화로 인해 내마모성과 함께 뛰어난 내충격성을 나타낸다.

육성용접, 하드페이싱, 용접와이어, 메탈코어드, 텅스텐탄화물, 오스테나이트 안정화 원소, 내마모성, 내충격성

Description

충격 마모저항성이 우수한 초경합금 코어드 용접와이어{HARD METAL-CORED HARDFACING WELDING WIRE FOR IMPROVED IMPACT WEAR RESISTANCE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접와이어의 제조공정을 설명하기 위한 개략도;

도 2는 도 2의 공정에 의해 제조된 용접와이어를 사용하여 육성용접층을 형성하는 공정을 설명하기 위한 개략도;

도 3은 텅스텐탄화물이 함유된 용접와이어를 사용하여 육성용접층을 형성하였을 때, 텅스텐 탄화물의 유효함량에 따른 육성용접층의 마모손실량을 나타낸 그래프;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접와이어와 다른 비교제품들의 연삭마모손실량을 나타낸 그래프; 및

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접와이어와 다른 비교제품들의 충격마모손실량을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 텅스텐탄화물계 초경합금

20 : 텅스텐탄화물계 초경합금 분말

30 : 혼합분말 40 : 철계 스트립

50 : 용접와이어 60 : 비소모성 텅스텐 전극

70 : 기재 80 : 육성용접층

본 발명은 충격 마모저항성이 향상된 초경합금 코어드 용접와이어에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내마모성 뿐만 아니라 내충격성이 우수한 텅스텐탄화물 분산형 아공정 철계 오스테나이트 합금의 육성용접에 사용되는 초경합금 분말을 충진한 하드페이싱용 메탈코어드 용접와이어에 관한 것이다.

극심한 마모환경에서 사용되는 기계부품의 수명을 연장하기 위해 마모가 심하게 발생하였거나 발생이 예상되는 부분을 내마모성이 우수한 재료로 육성용접하는 기술을 하드페이싱(hardfacing)이라 한다.

일반적으로 높은 내마모성이 요구되는 기계부품의 하드페이싱에는 일반적으로 철(Fe)을 기본재료로 하면서 크롬탄화물(CrC)을 분산상으로 하는 고크롬 고탄소계 철계 용접재료가 사용되고 있는데, 이들은 통상 20~35 wt% 정도의 크롬과 3~6 wt% 정도의 탄소를 함유하는 과공정 조성으로 60 HRC 이상의 높은 경도를 나타내지만 높은 합금원소 함량으로 인해 육성용접층에서 크랙이 심하게 발생할 뿐만 아니 라 충격마모에 취약점을 갖고 있다. 표 1은 현재 시장에서 유통되고 있는 주요 철계 하드페이싱용 용접재료의 조성 일례표와 경도를 나타낸 것이다.

제품		C	Mn	Si	Cr	Co	Mo	V	W	Nb	경도
W사	제품A	1.80	1.00	1.20	34.00			1.00			35-40
	제품B	5.00	3.00	1.80	27.00						60-62
	제품C	5.50	2.00	1.60	23.00		7.00	1.50	2.00	7.00	63-67
	제품D								60.00		60-65
H사	제품A	6.10	1.80	0.50	25.00						60-62
	제품B	0.43	16.00	0.56	10.90						50-55
	제품C	0.90	1.90	1.50	7.50	1.90	2.50	0.90	4.80	3.90	54-56
	제품D	4.80	1.65	1.60	25.00		1.00				58-62

가격 측면에서 경쟁력을 가지고 있는 크롬카바이드계 용접재료는 요구되는 경도를 맞추기 위하여 높은 함량의 크롬을 함유하고 있는데, 이는 육성용접층에서 다량의 크랙이 생기게 하는 원인을 제공할 뿐만 아니라 용접 과정에서 다량의 유독한 크롬(Cr) 증기 발생의 원인을 제공한다.

또한, 크롬은 후두암 및 폐암을 유발할 수 있는 발암물질일 뿐만 아니라 콧속 연골에 구멍이 뚫리는 비중격천공과 같은 산업재해를 유발하는 것으로 알려진 원소로, 크롬 발생 제조품에 대한 무역규제 강화와 같이 크롬의 인체유해성에 대한 국제적인 관심이 고조되고 있는 상황이다.

아울러, 초경합금 분말만을 사용하여 제조된 메탈코어드 용접와이어는 우수한 연삭마모저항성을 나타내지만 형성되는 탄화물의 종류가 WC 타입에 비해 강도와 인성이 낮은 W₆C 타입이고 기지상에 마르텐사이트상이 일부 존재하고 있어 극심한 충격마모 환경에 적용하기는 어려운 상황이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 초경합금 분말에 다량 함유된 텅스텐탄화물을 고경도 분산상으로 활용하여 우수한 연삭마모 저항성을 나타내면서 동시에 충격마모에 대한 저항성을 증대시킨 경제적인 초경합금 코어드 용접와이어를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 폐기되는 초경합금을 하드페이싱용 용접와이어의 합금성분(alloying element)으로 재활용함으로써 제조 단가를 크게 절감시킬 수 있는 초경합금 코어드 용접와이어를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 충격 마모저항성이 우수한 초경합금 코어드 용접와이어는 텅스텐탄화물의 함량이 50~90wt%인 텅스텐탄화물계 초경합금 분말에 오스테나이트 안정화 원소인 Mn과 C를 Ni당량으로 0.05∼0.2wt% 혼합한 후 용접플럭스와 함께 철계 스트립에 충전시켜, 전체 용접와이어에서 텅스텐탄화물의 유효함량이 22.5∼30.0 wt%의 범위를 갖도록 제조한다.

아크 안정 및 스패터 저감을 위하여, Ca-Titanate, TiO₂, Na화합물 및 K화합물로부터 선택된 어느 하나를 더 첨가하는 것을 특징으로 한다.

용접부 기공 및 결함을 억제하기 위하여 Al, Mg 및 Zr로부터 선택된 어느 하나를 더 첨가하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초경합금 코어드 용접와이어에 대하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다.

본 발명에 따른 하드페이싱 용접와이어는 텅스텐 탄화물의 함량이 50~90 wt%인 초경합금 분말과 철계 스트립을 사용하여 코어 분말의 충진률이 20~50 wt%인 메탈코어드 용접와이어로서 제조되며, 그러한 제조방법은 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접와이어 및 육성용접층의 형성방법을 설명하기 위한 도면으로서, 먼저 텅스텐탄화물계 초경합금(10)을 사용하여 텅스텐탄화물계 초경합금 분말(20)을 만든다(b 단계). 텅스텐탄화물계 초경합금(10)에는 Co, C, Nb 같은 성분들이 소량 포함되어 있다. 제조단가를 절감하기 위하여 텅스텐탄화물계 초경합금(10)은 이미 폐기된 것을 사용하는 것이 바람직하다.

그 다음에, 텅스텐탄화물계 초경합금 분말(20)에 오스테나이트 안정화 원소인 Mn과 C가 혼합된 혼합분말(30)을 Fe 스트립(40)에 떨어뜨리면서 Fe-스트립(40)이 말려서 튜뷰형태의 와이어가 되도록 Fe 스트립(40)을 인발한다(d 단계). 그러면, e 단계에서처럼 혼합분말(30)이 용접용 메탈플럭스(30a)로서 튜브형태의 Fe 스 트립에 충전되어 이루어진 용접와이어(50)가 완성된다. 이렇게 완성된 용접와이어(50)를 비소모성 텅스텐전극(60)을 사용하는 GTA(gas tungsten arc) 용접법이나 와이어를 소모성 전극으로 사용하는 GMA(gas metal arc) 용접법을 통해 기재(70)의 표면에 육성용접하면 육성용접층(80)이 형성된다(g 단계).

상기와 같은 제조공정에 있어서, 초경합금 부품을 분쇄하여 제조된 초경합금 분말은 제조과정에서 다른 재질과 혼합되어 주요 성분인 텅스텐탄화물의 함량이 50~90 wt% 정도가 된다.

초경합금 분말만을 사용하여 제조된 메탈코어드 와이어의 경우 육성용접층은 오스테나이트와 마르텐사이트가 혼재된 기지상을 갖는데, 취성이 큰 마르텐사이트 성분을 제거하여 완전한 오스테나이트 상을 이루면 충격마모 저항성을 향상시킬 수 있다.

완전한 오스테나이트 상을 이루기 위해서는 철계 합금에서 오스테나이트 영역을 확장시키는 오스테나이트 안정화 원소를 첨가할 수 있는데, 이러한 원소로는 Ni, Co, Mn, Cu, N, C가 있으며 이들의 함량은 다음과 같은 Ni 당량으로 표시될 수 있다.

Ni 당량 = (Ni) + (Co) + 0.5(Mn) + 0.3(Cu) + 25(N) + 30(C)

여기에서 (Ni), (Co)등은 해당 원소의 wt%를 나타내며 Ni 당량도 wt%로 표시 하였다.

이중에서 Ni은 합금의 내마모성을 저하시키는 역할을 하며, Co는 고가이기 때문에 경제성이 저하되며, Cu와 N은 고용도가 작아 첨가효과가 미미하므로 Mn과 C이 실효성 있는 첨가원소가 될 수 있다.

텅스텐탄화물 유효함량에 따른 육성용접부의 연삭마모손실량을 관찰한 결과가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가장 낮은 마모손실량을 나타내는 것은 전체 용접와이어에서 텅스텐탄화물의 유효함량이 22.5~33.3 wt%이었지만 오스테나이트 안정화 원소를 첨가하여 메탈 코어드 와이어를 제조하기 위해서는 유효함량을 30 wt% 이하로 조절하여야 한다.

Mn과 C 첨가량 따른 미세조직 변화 및 연삭마모 저항성을 조사한 결과 Ni 당량 0.05 wt% 이상이 되어야 완전한 오스테나이트 기지상이 형성되었으며 Ni 당량이 0.2 wt%를 초과하면 탄화물 형성량이 너무 감소되어 연삭마모저항성이 저하되는 결과를 보였다.

본 발명의 주된 목적은 상기에서도 언급된 바와 같이, 연삭마모저항성이 다소 떨어지더라도 충격마모저항성이 우수한 용접와이어를 제조하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 용접와이어와 다른 제품들의 연삭마모손실량을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 용접와이어와 다른 제품들의 충격마모손실량을 나타낸 그래프이며, 이러한 결과치들을 하기 표 2에 나타내었다.

	WC 30wt% (비교품)	WC 30wt% + (Ni) 0.2wt% (본 발명)	A사 CrC제품 (비교품)
연삭마모손실량(mg)	35	48	65
충격마모손실량(mg)	0.5	0.1	15.7

상기 표 2와 도 4 및 도 5를 참조하면, WC 30wt%인 제품은 텅스텐탄화물의 유효함량이 30wt%인 메탈 코어드 용접와이어이고, WC 30wt% + (Ni) 0.2wt%인 제품은 본 발명에 따른 용접와이어로서 상기 WC 30wt%에 Ni당량으로 Mn과 C를 0.2wt% 추가로 첨가한 메탈코어드 용접와이어이며, A사 WC제품과 CrC제품은 각각 A사의 순수 텅스텐탄화물 분말 충진 제품과 크롬탄화물 충진 제품이다. 표 2에서 알 수 있듯이, 초경합금 분말을 충진한 메탈코어드 와이어에 오스테 나이트 안정화 원소를 첨가함에 따라 연삭마모손실량은 다소 증가하지만 충격마모손실량은 감소하는 것을 분명하게 알 수 있다.

상기와 같은 제품들은 충격마모저항성을 크게 필요로 하는 곳에서 사용하기에 적합하다.

한편 메탈코어드 와이어에는 육성용접부의 내마모성과 관계없이 용접작업성을 향상시키기 위한 플럭스 성분이 1wt% 이하로 첨가될 수 있다. 그러나, 상기 플럭스 성분이 1wt%를 초과하면, 용접작업성의 효과는 더 이상 증가하지 않으면서 코어드 메탈인 초경합금 분말의 충진율만을 떨어뜨릴 수 있다.
첨가 가능한 플럭스 성분으로는 아크안정 및 스패터 저감을 위한 Ca-Titanate, TiO₂, Na 화합물 및 K 화합물 등과, 용접부 기공 및 결함의 억제를 위한 Al, Mg, Zr 등이 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 용접와이어를 사용하여 용접을 하면, 10~25 vol%의 텅스텐탄화물 분산상과 오스테나이트를 주성분으로 하는 기지상으로 이루어진 아공정 미세조직을 갖는 육성용접층을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 초경합금 폐부품을 분쇄한 초경합금 분말에 오스테나이트 안정화원소를 첨가하여 사용하는 텅스텐탄화물 분산형 메탈코어드 용접와이어는 제조단가가 저렴하면서 연삭마모저항성과 함께 우수한 충격마모저항성을 갖는 하드페이싱 용접재료의 제조가 가능하다.

본 발명은 시멘트 업계의 파쇄롤, 광산 및 준설 업계의 굴착장비, 건설 중장비 등과 같이 특히 충격에 의한 마모손실이 과도하게 발생하는 부품에 대하여 우수한 연삭마모저항성 및 충격마모저항성을 겸비한 하드페이싱 재료로 활용할 수 있다.

Claims (3)

1. 튜브형태의 Fe 스트립 내에 텅스텐탄화물계 초경합금이 충전된 초경합금 코어드 용접와이어에 있어서,

   텅스텐탄화물을 유효함량 기준으로 22.5∼30.0 wt%, 오스테나이트 안정화 원소인 Mn과 C의 혼합물을 Ni당량 기준으로 0.05∼0.2wt%, 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 충격 마모저항성이 우수한 초경합금 코어드 용접와이어.
2. 제 1항에 있어서,

   아크 안정 및 스패터 저감을 위한 용접 플럭스로서, Ca-Titanate, TiO₂, Na화합물 및 K화합물 중에서 선택된 어느 하나가 1wt% 이하 포함된 것을 특징으로 하는 충격 마모저항성이 우수한 초경합금 코어드 용접와이어.
3. 제 1항에 있어서,

   용접부 기공 및 결함을 억제하기 위한 용접 플럭스로서, Al, Mg 및 Zr 중에서 선택된 어느 하나가 1wt% 이하 포함된 것을 특징으로 하는 충격 마모저항성이 우수한 초경합금 코어드 용접와이어.

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