KR100905316B1 - 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물에 관한 것으로, 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물에 있어서; 상기 조성물은 중량%로, W: 45~75%, C:3.3~5%, B: 2.9~3.4%, Si:3~5%, Cr: 6~9% 및 잔부 Ni로 조성된 것을 특징으로 하는 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물을 제공한다.

본 발명은 전술한 내마모 융사용 조성물로 블레이드 표면에 융사하여 피막, 즉 내마모층을 형성함으로써 표면이 매끄럽고 내마모성은 기존 대비 대략 3배 이상 향상되게 되어 운전의 안전과 효율성 확보, 생산성 증대, 교체에 따른 유지보수비용 절감 등의 효과를 가진다.

임펠러, 블레이드, 시멘트, 내마모, 융사, Fusing

Description

임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물{MATERIALS FOR FUSING WEAR RESISTANT LAYER OF IMPELLER BLADE}

본 발명은 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물에 관한 것으로, 특히 시멘트 제조시 소성로에서 발생하는 열을 재회수하는 과정에서 열공기를 흡입하고 공급하는 임펠러 블레이드의 내마모성을 높여 그 사용수명을 극대화시킴으로써 운전의 안정성과 교체 및 유지보수에 따른 부대비용을 획기적으로 줄일 수 있도록 개선된 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 시멘트 제조공장에서 원료를 소성할 때 사용되는 소성로의 열을 재회수하는 과정에서 열공기를 흡입하고 공급하는 용도로 대형 블레이드(Blade:날개)가 임펠러에 장착되어 사용된다.

뿐만 아니라, 이러한 블레이드는 시멘트 제조공장에서만 사용되는 것이 아니라 제지 제조공장을 비롯한 각종 설비에서 에어를 공급하거나 원료를 혼합하는 등 다양한 용도로 활용되고 있다.

그런데, 이와 같은 블레이드는 보편적으로 일반 탄소강 재질로 제조되기 때문에 내마모성이 약하여 쉽게 마모되는 특성을 가진다.

특히, 시멘트 제조공장에서와 같이 공기중에 분진(Dust)이 많이 함유된 장소에 설치 사용되는 블레이드의 경우에는 에어와 함께 원료 분진들이 혼입되어 흡입되면서 블레이드와 충돌을 일으키게 되고, 그 과정에서 블레이드의 마모를 촉진하게 되며, 그와 같은 편마모에 의해 회전중심이 변경되면서 진동을 발생시키고, 그 진동은 설비사고를 유발시키게 된다.

따라서, 블레이드의 마모에 의한 진동시에는 블레이드의 회전가동이 중단되게 되므로 생산성이 급격히 떨어지고 비효율적인 단점을 가진다.

이를 방지하기 위해, 특히 시멘트 제조공장에서 사용되는 블레이드의 경우에는 그 표면에 내마모성 재질, 예컨대 크롬카바이드 계열로 초경육성용접하여 블레이드의 수명을 연장시키고 있거나 혹은 경우에 따라 1.7~6.7 중량%의 탄소함량을 갖는 Fe-C계 합금인 주철(Cast Iron)을 사용하여 내마모성을 높이기도 하였다.

그러나, 이러한 개선의 노력에도 불구하고 블레이드의 마모에 따른 수명은 급격히 향상되지 못하였으며, 부가적으로 블레이드의 표면이 매끄럽지 못하여 비산되거나 혼입된 더스트가 블레이드의 표면에 고착됨으로써 블레이드에 편하중을 유발하여 블레이드의 마모시와 유사한 형태로 진동을 유발시키고, 그로 인한 설비사고나 가동중단을 초래하는 문제가 여전히 남아 있었다.

덧붙여, 이와 관련된 기술로 국내공개특허 제1992-2818호 "블레이드 표면에 내마모성층을 도포하는 방법", 국내공개특허 제1999-9039호 "내마모성이 우수한 엔진의 태핏 및 그 제조방법" 등이 개시된 바 있으나 이들 대부분은 크롬을 주재료하여 내마모성을 향상시키도록 한 것이어서, 앞서 설명한 바와 같은 문제는 여전히 해결되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 블레이드의 표면을 매끄럽게 하면서 내마모성도 급격히 향상시키고, 제조의 용이성도 구비토록 하여 사용시 운전의 안정성을 확보하고, 사용수명도 3배 이상 높여 교체에 따른 유지보수비용 절감, 설비 휴지로 인한 생산성 저하나 제조비용 상승을 막으며, 더스트의 고착성도 낮출 수 있도록 한 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물을 제공함에 그 해결하고자 하는 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물에 있어서; 상기 조성물은 중량%로, W: 45~75%, C:3.3~5%, B: 2.9~3.4%, Si:3~5%, Cr: 6~9% 및 잔부 Ni로 조성된 것을 특징으로 하는 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물을 제공한다.

본 발명은 전술한 내마모 융사용 조성물로 블레이드 표면에 융사하여 피막, 즉 내마모층을 형성함으로써 표면이 매끄럽고 내마모성은 기존 대비 대략 3배 이상 향상되게 되어 운전의 안전과 효율성 확보, 생산성 증대, 교체에 따른 유지보수비용 절감 등의 효과를 가진다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 조성물이 융사(Fusing) 피복되어 내마모층이 형성될 블레이드의 설치예를 보인 일부 단면도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 조성물을 이용하여 블레이드의 표면에 내마모층을 형성한 후 실조건에서 사용하였을 때의 마모정도를 비교하여 보인 요부 사진이다.

먼저, 본 발명에 따른 내마모층 피복용 조성물은 도 1과 같은 임펠러 설비의 블레이드(120)의 표면에 융사(Fusing)되어 내마모층(200)을 형성하게 된다.

즉, 본 발명에 따른 임펠러 설비는 보스(100)에 그 반경방향으로, 다시 말해 상기 보스(100)의 외주면을 따라 방사상으로 일정간격을 두고 주판(Main Plate)(110)이 연결 고정되고, 상기 주판(110)에는 각각 블레이드(120)가 연결 고정되며, 상기 보스(100)의 양측단에 고정되면서 상기 주판(110)의 양측단과도 연결고정되는 측판(130)을 구비한 형태로 이루어진다.

그리고, 본 발명에 따른 조성물은 상기 블레이드(120)의 일측면, 즉 그 회전방향을 기준으로 에어를 흡입하고 배출할 때에 에어와 주되게 접촉하는 면상에 융사되어 내마모층(200)을 형성하게 된다.

상기 내마모층(200)은 상기 블레이드(120)의 일측면 전체에 걸쳐 균일하게 피복되어도 좋지만 도시와 같이 마모가 급증되는 부위인 주판(110)과의 접속부 및 그 상단과 하단에 치중하여 피복됨이 더욱 바람직하다.

이때, 본 발명에서 설명하는 융사(Fusing)란 용접공학에서 일반적으로 알려 져 있는 용사(Spraying)와 거의 유사한 형태로 용사의 범위에 포함되는 것으로, 용사가 소재의 표면에 선 또는 분말형태의 용사재료를 고온의 열원으로 용융시키면서 고속 분사하여 소재에 충돌시켜 피막을 형성하는 방식임에 비해, 융사는 용융된 융융물을 직접 분사하여 소재에 충돌시켜 피막을 형성하는 방식으로서 분말을 고속분사하여 용사하는 방식은 보유설비가 이동되기 곤란하여 현장에서 직접 시공하여야 하는 팬에는 적용하기 힘들지만, 융사는 현장 어디에서나 직접 시공이 가능하여 설치 및 해체가 어려운 팬의 경우 시간과 경제적 낭비를 막을 수 있어 더 효율적이다.

아울러, 이러한 방식으로 내마모층(200)이 형성될 피복 조성물은 다음과 같다.

즉, 본 발명에 따른 피복 조성물은 일명 텅스텐 파우더로서, 중량%로, W: 45~75%, C:3.3~5%, B: 2.9~3.4%, Si:3~5%, Cr: 6~9% 및 잔부 Ni로 조성된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 피복 조성물은 주재료로 텅스텐(W)을 사용하고 있는데, 이는 록크웰값(HRc)이 평균(Avg.) 54~60, 최대 64인 크롬카바이드에 비해 크롬은 록크웰값이 평균 64~72, 최대 85 이상도 나올 수 있기 때문이다.

이하, 수치한정 사유에 대하여 설명한다.

[W: 45~75 중량%]

W는 내마모를 방지하기 위한 주성분으로 경도 높고, 인성 및 마모에 대한 저항이 커 매끄러운 표면을 유지하면서 내마모성을 극대화시킬 수 있는 성분이며, 앞서 설명한 바와 같이 록크웰값이 높아 내마모를 요구하는 재료에 적합한 성분이다.

특히, 본 발명 조성물에서는 45~75중량%로 첨가됨이 바람직한데, 이는 45중량% 이하로 첨가되게 되면 충분한 내마모성을 확보하기 어렵고, 75중량%를 넘어서게 되면 성분의 조성이 어려울 뿐만 아니라 고비용이 들기 때문에 상기 범위로 한정함이 바람직하다.

[C:3.3~5 중량%]

C는 주재료인 W의 경도를 더욱 증가시켜 줄 뿐만 아니라 오스테나이트 기지상을 안정화시킴과 동시에 오스테나이트 기지상의 구역을 확장시켜 내식성 향상을 위한 크롬을 더 첨가할 수 있도록 하여 준다.

특히, 흑연생성을 촉진시키는 힘이 강하며, 또한 강도와 경도 등의 기계적 성질을 좌우하는 중요한 원소이다.

본 발명에서는 일반 탄소강보다 높은 3.3~5중량%로 첨가됨이 바람직하며, 3.3중량% 이하로 첨가되게 되면 고형질의 탄화물을 형성시키는 문제가 발생되고, 5중량%을 넘게 되면 미용해 탄소가 기지조직중에 존재하게 되어 인성을 저해하고 거대한 기지조직 및 탄화물을 형성하여 취성, 내마모성 및 가공성을 급격히 저하시키므로 반드시 그 미만으로 첨가되도록 하여야 한다.

[B: 2.9~3.4 중량%]

B는 본 발명 조성물에 첨가되어 융사시 플럭스(Flux) 역할을 담당하며, 특히 W를 낮은 온도에서도 쉽게 용융될 수 있도록 하기 위해 첨가된다.

이때, 상기 B가 2.9중량% 이하로 첨가되게 되면 융사시 플럭스로서의 기능이 떨어질 뿐만 아니라 W의 용융온도를 낮출 수 없고, 3.4중량%를 넘게 되면 W의 용융 온도가 너무 낮아져 융사에 불리하므로 상기 범위로 첨가됨이 바람직하다.

[Si:3~5 중량%]

Si는 융사를 위한 용융물중의 산소를 탈산시키는 기능을 가지고 있으며, 또한 마르텐사이트상을 강화시키고 용융물의 유동성을 개선시킴은 물론 그 함량에 따라 인장강도와 탄성은 증가시키지만 인성은 감소시키므로 탈산작용과 유동성을 감안하여 상기 성분조성비율로 첨가시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 B와 같이 W의 용융온도를 낮추는데도 기여한다.

따라서, 유동성 확보 및 W의 용융온도 저하를 위해 최소 3중량% 이상, 그리고 5중량%를 초과되면 취성이 촉진되므로 이를 방지키 위해 5중량% 이하로 첨가됨이 바람직하다.

[Cr: 6~9 중량%]

Cr은 내마모성, 내식성, 내열성을 위한 필수적인 원소이며, 주로 취성이 발생되지 않도록 하여 준다.

보통은 절삭성을 고려하여 0.2~1.25중량%까지 첨가시키지만 본 발명에서는 절삭성이 요구되지 않으므로 최대 9중량%까지 첨가시킴이 바람직하다.

또한, 6중량% 이하로 첨가되게 되면 취성 발생의 우려가 높으므로 그 이상 첨가토록 하고, 9중량% 이상으로 첨가되면 W와의 밸런스가 맞지 않으므로 9중량% 이하로 첨가됨이 바람직하다.

[잔부 Ni]

Ni는 흑연화를 조장시켜 칠(Chill)화를 방해하여 절삭성을 양호하게 하고 내 충격성을 향상시키는 원소로서 본 발명 조성물의 나머지 성분으로 첨가되어 밸런스를 유지함이 바람직하다.

이러한 조성으로 이루어진 본 발명 텅스텐 파우더는 용해아세틸렌가스와 산소를 열원으로 하여 화염을 발생시킨 후 900~1100℃에서 용융시킨 다음 블레이드의 표면에 융사하여 피막을 형성함으로써 내마모성이 급격히 향상된 블레이드를 제조할 수 있게 된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

[실시예 1]

본 발명 실시를 위해 하기한 표 1과 같은 성분조성으로 텅스텐 파우더를 만들고, 이중 발명재3을 시멘트 제조사중 하나인 성신양회에 설치된 다수의 블레이드에 서로 번갈아가며 기존 초경육성용접방식과 본 발명 융사방식을 사용하여 두께 0.5~3mm(마모정도에 따라 다르기 때문)까지 내마모층 피막을 형성하였다.

구분	W	C	B	Si	Cr	Ni
기존재	일반탄소강+크롬 초경육성용접
발명재1	45	5	3.4	5.0	8.9	Bal.
발명재2	50	4.6	3.3	4.5	8.5	Bal.
발명재3	60	4.3	3.1	4.1	7.7	Bal.
발명재4	70	3.8	3.0	3.8	7.3	Bal.
발명재5	75	3.3	2.9	3.5	6.9	Bal.

이와 같은 성분조성으로 내마모층이 형성된 발명재1,2,3,4,5와 기존재의 특성 비교를 위해 경도, 내충격성, 더스트 부착성 및 내모성을 측정하여 하기한 표 2 및 도 2에 나타내었다.

이때, 경도는 내마모층이 형성된 블레이드의 표면을 그라인더로 동일하게 연마한 후 록크웰(Rockwell) 경도시험기를 이용하여 경도를 측정하였고, 더스트 부착성은 육안으로 관찰하였으며, 내마모성은 상술한 성신양회에서 2개월간 실조업후 블레이드의 마모상태를 사진으로 촬영하여 비교하였다.

구분	평균 경도(HRc)	더스트 부착성
기존재	55	높음
발명재1	64	낮음
발명재2	64	낮음
발명재3	65	낮음
발명재4	66	낮음
발명재5	66	낮음

상기 표 2에서와 같이, 본 발명에 따르면 발명재1,2,3,4,5는 경도, 더스트 부착성이 기존재에 비해 월등히 향상된 것을 확인할 수 있었다.

뿐만 아니라, 도 2에서와 같이, 실조업을 통해 확인한 결과, 기존재의 경우에는 극심한 마모가 확인되었으나 발명재의 경우에는 마모가 거의 없음을 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

상술한 실시예1과 동일조건으로 실험하되, 다른 시멘트 제조사에서도 마찬가지의 효과를 나타내는지 확인하기 위해 라파즈한라시멘트 제조사의 블레이드에 동일하게 적용한 후 10개월간 실조업하였고, 그 결과를 도 3에 사진으로 나타내었다.

도 3에서와 같이, 실조업결과 기존재의 경우에는 극심한 마모를 보였으나, 본 발명에 따른 발명재3의 경우에는 10개월동안 사용하였음에도 불구하고 거의 마모가 없음을 확인할 수 있었다.

이를 통해, 본 발명에 따른 내마모층 형성을 위한 텅스텐 파워더 조성물은 기존재보다 내마모성은 급격히 향상되어 그 수명이 기존 대비 대략 3배 이상 연장할 수 있음을 확인하였다.

도 1은 본 발명에 따른 조성물이 융사 피복되어 내마모층이 형성될 블레이드의 설치예를 보인 일부 단면도,

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 조성물을 이용하여 블레이드의 표면에 내마모층을 형성한 후 실조건에서 사용하였을 때의 마모정도를 비교하여 보인 요부 사진.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....보스 110....주판

120....블레이드 130....측판

Claims (1)

1. 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물에 있어서;

   상기 조성물은 중량%로, W: 45~75%, C:3.3~5%, B: 2.9~3.4%, Si:3~5%, Cr: 6~9% 및 잔부 Ni로 조성된 것을 특징으로 하는 임펠러 블레이드의 내마모층 피복용 조성물.

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