KR100628831B1

KR100628831B1 - 초경합금 분말을 충진한 하드페이싱용 메탈코어드용접와이어

Info

Publication number: KR100628831B1
Application number: KR1020050022825A
Authority: KR
Inventors: 김정한; 김준기; 김철희; 강남현
Original assignee: 한국생산기술연구원; 세화엔지니어링 주식회사
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-27
Also published as: KR20040083407A; KR100628828B1; KR20060044439A; KR20060044440A

Abstract

본 발명은 텅스텐탄화물을 18~30 wt%, Mo+Si를 5~10 wt%, 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성의 본원발명에 따르면, 제조단가가 저렴하면서 우수한 내마모성을 갖는 하드페이싱 용접재료의 제조가 가능하며, 또한 용접시 인체에 유해한 크롬 증기가 발생하지 않기 때문에 작업환경의 개선 효과가 뛰어나다.

육성용접, 하드페이싱, 용접와이어, 메탈코어드, 텅스텐탄화물, 내마모성

Description

초경합금 분말을 충진한 하드페이싱용 메탈코어드 용접와이어{METAL-CORED HARDFACING WELDING WIRE FILLED WITH HARD METAL POWDERS}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접와이어를 사용하여 육성용접층을 형성하였을 때, 텅스텐 탄화물의 유효함량에 따른 육성용접층의 마모손실량을 나타낸 그래프;

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 용접와이어의 제조공정을 설명하기 위한 개략도;

도 3은 도 2의 공정에 의해 제조된 용접와이어를 사용하여 육성용접층을 형성하는 공정을 설명하기 위한 개략도; 및

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접와이어를 사용하여 육성용접층을 형성하였을 때, 상기 육성용접층의 미세조직을 촬영한 사진이다.

<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 하드페이싱용 메탈코어드 용접와이어에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내마모성이 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 아니라 용접시 인체에 유해한 크롬 증기를 발생시킨다. 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.

한편 실용적인 재활용 방법이 없어 전량 폐기되던 초경합금 폐부품을 분쇄하는 기술이 최근에 개발됨에 따라 40mesh 이상의 초경합금 덩어리는 거친 내마모 입자 등으로 활용되고 있으나 40mesh 이하의 입도를 갖는 초경합금 분말은 적합한 용도를 찾지 못하여 여전히 산업폐기물로 처리되고 있는 상황이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 초경합금 분말에 다량 함유된 텅스텐탄화물을 고경도 분산상으로 활용하여 인체에 유해한 크롬 증기의 발생이 없으면서 기존의 크롬탄화물 분산형 재료와 대등한 내마모성을 갖는 초경합금 분말을 충진한 하드페이싱용 메탈코어드 용접와이어를 제공하는 데 있다.

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

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 하드페이싱용 용접와이어는 텅스텐탄화물계 초경합금 분말과 Fe-Mo분말 및 Fe-Si분말을 포함하는 혼합분말이 메탈플럭스로서 튜브형태의 철 스트립에 충전되어 이루어지는 것으로서, 텅스텐탄화물은 18~30 wt%이고 Mo+Si는 5~10 wt%의 조성비를 가지는 것을 특징으로 한다.

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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초경합금 분말을 충진한 하드페이싱용 메탈코어드 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.

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본 실시예에서는, 텅스텐 탄화물의 함량이 50~90 wt%인 초경합금 분말과 철계 스트립을 사용하여 용접와이어를 제조하게 된다.

즉, 초경합금 부품을 분쇄하여 제조된 초경합금 분말은 제조과정에서 다른 재질과 혼합되어 주요 성분인 텅스텐탄화물의 함량이 50~90 wt% 정도이며, 기타 불순물로 Co, Fe, Cr, Ni 등이 함유될 수 있다.

메탈코어드 용접와이어의 제조기술에 있어서 코어 분말의 최대 충진률은 순수 텅스텐탄화물 분말을 기준으로 할 때 0~50 wt% 정도이다. 따라서 현재의 기술수준으로 제조할 때에 텅스텐탄화물의 함량이 50~90 wt%인 초경합금 분말을 사용하는 경우에 텅스텐탄화물의 유효함량이 0~45 wt% 범위에서 메탈코어드 와이어를 제조할 수 있다.

도 1은, Fe-Mo 및 Fe-Si가 포함되지 않고, 텅스텐탄화물의 함량이 75wt%인 초경합금 분말을 사용한 경우에 대하여 와이어에 충진된 텅스텐탄화물의 유효함량에 따른 육성용접부의 연삭마모손실량을 나타낸 실험예이다.

도 1을 참조해 보면, 텅스텐탄화물의 유효함량이 22.5wt%부터 마모손실량이 감소한다. 즉, 마모저항성이 증가하기 시작하여 33.3wt%부터는 일정한 내마모성을 보이는 것을 알 수 있다.

텅스텐탄화물의 유효함량이 22.5wt% 미만인 경우에는 육성용접층에 마르텐사이트 조직이 형성되어 경도가 60 HRC 이상으로 매우 높지만 미세조직 내에 탄화물의 형성량이 적어 낮은 내마모성을 보이는 것이다.

텅스텐탄화물의 유효함량이 33.3wt%를 초과하면 탄화물의 형성량은 증가하지만 내마모성 향상 효과가 미미하며, 특히 탄화물이 조대화되는 과공정 미세조직을 갖게 됨에 따라 용접후 크랙이 심하게 발생하게 된다.

텅스텐탄화물의 유효함량이 25.5~33.3wt.%이 범위에서는 45~55 HRC 정도의 경도를 나타내지만, 도 4에 나타낸 대표적인 미세조직 사진과 같이 아공정 조직이 생성되어 변형 유기상 변태가 가능하고 다량의 탄화물이 공정조직으로 형성됨에 따라 내마모성이 우수하고 용접시 크랙의 발생이 억제된다.

따라서 초경합금 분말을 사용하여 메탈코어드 용접와이어를 제조함에 있어서 와이어의 생산성 및 제조단가와 육성용접부의 내마모성 및 용접성을 고려할 때 최적의 함량 범위는 전체 용접와이어를 기준으로 텅스텐탄화물의 유효함량이 22.5~33.3 wt%인 경우이다.

한편 메탈코어드 와이어에는 육성용접부의 내마모성과 관계없이 용접작업성을 향상시키기 위한 플럭스성분이 1wt% 이하로 첨가될 수 있다.

첨가 가능한 플럭스성분으로는 아크안정 및 스패터(spatter) 저감을 위한 아크안정제로서 Ca-Titanate, TiO₂, Na 또는 K 화합물 등이 사용될 수 있으며, 용접부 기공 및 결함을 억제하기 위한 첨가제로서 Al, Mg 또는 Zr 등이 사용될 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 초경합금 분말을 충진한 하드페이싱용 메탈코어드 용접와이어에서의 텅스텐탄화물의 유효함량은 22.5~33.3 wt%인 것이 바람직하다. 이렇게 제조된 용접와이어를 사용하여 용접을 하면, 10~30 vol%의 텅스텐탄화물 분산상과 오스테나이트를 주성분으로 하는 기지상으로 이루어진 아공정 미세조직을 갖는 육성용접층을 얻을 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 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 Fe-Mo 분말과 Fe-Si 분말이 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 스트립에 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).

육성용접층(80)은 고텅스텐계 철계 합금으로 이루어지는데, 여기에 Mo와 Si이 소량 더 포함된다. Fe성분은 Fe 스트립(40)과 Fe-Mo 분말과 Fe-Si 분말에서 기인한 것이다. 육성용접층(80)의 조성은 d 단계에서 Fe 스트립(40)의 인발속도, 조성, 두께, 및 폭 등의 인자와 혼합분말(30)의 조성 및 낙하속도 등에 의해 결정될 것이다.

육성용접층(80)의 경도는 HRC 50 이상은 되어야 바람직한데, 성분비에 따른 육성용접층(80)의 경도를 측정한 결과표인 표 2를 참조하면, 텅스텐 20.00wt%, 몰리브덴 4wt%, 실리콘 2wt%의 혼합비율조성에서 육성용접층(80)의 경도가 가장 우수함을 알 수 있다.

이외에도 다양한 실험을 통해 최적의 텅스텐탄화물 유효함량을 찾았으며, 본 실시예에 따른 메탈코어드 용접와이어는 텅스텐 또는 텅스텐탄화물의 유효함량이 18~30wt%, 몰리브덴(Mo)+실리콘(Si)을 5~10 wt% 범위를 갖도록 제조하는 것이 바람직하다. 텅스텐탄화물의 전체함량에서 텅스텐이 차지하는 양이 대부분이고 원자량이 작은 탄소가 차지하는 양은 극히 미약하기 때문에, 하기 표 2에 나타난 텅스텐(W)의 함량과 텅스텐탄화물의 함량은 거의 유사하다.

합금(Alloy)	Fe	W	Mo	Si	경도(HRC)
ROHA_WM_941	74.73 wt%	20.00 wt%	4.00 wt%	1.00 wt%	49.5
ROHA_WM_942	73.73 wt%	20.00 wt%	4.00 wt%	2.00 wt%	53.3
ROHA_WM_932	74.73 wt%	20.00 wt%	3.00 wt%	2.00 wt%	52.4

여기서, 텅스텐 또는 텅스텐탄화물의 유효함량이 18~30wt%인 이유는, 전술한 다른 실시예에서 나타낸 바와 같이, 텅스텐탄화물의 유효함량이 18wt% 미만인 경우에는 육성용접층에 마르텐사이트 조직이 형성되어 경도가 매우 높지만 미세조직 내에 탄화물의 형성량이 적어 낮은 내마모성을 보이게 되는 한편, 텅스텐탄화물의 유효함량이 30wt%를 초과하면 탄화물의 형성량은 증가하지만 내마모성 향상 효과가 미미하며, 특히 탄화물이 조대화되는 과공정 미세조직을 갖게 됨에 따라 용접후 크랙이 심하게 발생하게 되기 때문이다.
몰리브덴을 첨가하는 이유는 이에 의해서 용접성이 개선될 뿐만 아니라 경도가 두드러지게 향상되기 때문이며, 실리콘을 첨가하는 이유는 이것이 몰리브덴과 함께 경도를 크게 향상시키기 때문이다. 몰리브덴과 실리콘의 시너지 효과는 매우 우수하다. 텅스텐은 육성용접층(80)의 경도 향상에 가장 크게 영향을 미치며 크롬을 사용하지 않음으로써 작업환경 문제를 효과적으로 개선할 수 있다는 장점이 있다. 순수 텅스텐은 가격이 비싸기 때문에 사용이 곤란하고, 대신에 폐초경합금을 사용하는 것이 가격 측면에서 매우 이롭다.
여기서, 상기 몰리브덴(Mo)+실리콘(Si)의 혼합량이 5~10 wt% 범위를 갖도록 하는 것은, 5wt%보다 작을 경우 전술한 몰리브덴과 실리콘의 효과가 미약하고, 10wt%를 초과할 경우 상기 효과가 더 이상 커지지 않은 채 텅스텐탄화물의 충진률만 떨어질 수 있기 때문이다.

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상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 초경합금 폐부품을 분쇄한 초경합금 분말을 사용하는 텅스텐탄화물 분산형 메탈코어드 용접와이어는 제조단가가 저렴하면서 우수한 내마모성을 갖는 하드페이싱 용접재료의 제조가 가능하며, 또한 용접시 인체에 유해한 크롬 증기가 발생하지 않기 때문에 작업환경의 개선 효과가 뛰어나다.

본 발명은 제철제강 업계의 압연롤, 시멘트 업계의 파쇄롤, 광산 및 준설 업 계의 굴착장비 등을 비롯하여 발전소 및 소각로의 마모부품, 건설 중장비의 마모부품, 수송기계 관련 마모부품, 각종 블레이드, 임펠러 등과 같은 일반 기계 등에 활용할 수 있다.

Claims

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

텅스텐탄화물을 18~30 wt%, Mo+Si를 5~10 wt%, 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 하드페이싱용 메탈코어드 용접와이어.