KR101187442B1 - 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어는, 외피 및 상기 외피 내에 충진되는 충진재를 포함하는 오버레이 용접용 와이어에 있어서, 상기 충진재는 합금분말 및 플럭스분말을 포함하며, 상기 합금분말은 Fe-Cr-C 합금을 기본 조성으로 하고, 비드의 희석률에 따라 Cr 및 C의 질량 비율을 조절함으로써, 용접 완료 후 용착부의 최종 합금 조성이 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태되는 순간인 변형유기 상변태 경계선에 근접하도록 형성되며, 상기 플럭스분말은 Mn, Al, Si, Ti, ZrO2, NaF 및 MgF2가 각각 소정 질량 비율로 첨가되어 조성되고, 각 조성 성분의 질량 비율에 따라 비드의 희석률 조절이 가능하다.

Description

오버레이 용접용 메탈코어드 와이어{METAL CORED WIRE FOR OVERLAY WELDING}
본 발명은 오버레이 용접 시 사용되는 와이어에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 용착부의 내마모성 및 내식성을 증가시킬 수 있도록 특정 원소들을 소정 질량 비율로 조성한 충진재가 충진된 와이어에 관한 것이다.
하드페이싱(Hardfacing) 오버레이 용접은 내마모성, 내식성이 우수한 금속재료를 저렴한 모재 표면에 다양한 방법으로 육성시켜 부품의 표면 특성을 향상시키는 용접 방법이다.
또한, 하드페이싱 오버레이 용접에는 석탄, 시멘트, 암석 등의 분쇄와 같이 심한 연삭, 충격 및 마모 환경에서부터 허용 오차가 작은 정밀 내마모 부품에 이르기까지 제품의 용도에 따라 다양한 용접재료가 사용되고 있다.
그리고, 대표적인 고품질 하드페이싱 오버레이 용접 시공 방법으로는 나봉을 사용하는 TIG 용접과 와이어를 사용하는 MIG용접이 있다. TIG용접은 MIG용접에 비해 미려한 외관의 육성용접부를 형성할 수 있지만 생산성이 매우 낮다는 단점이 있다. 그리고 MIG 하드페이싱 오버레이 용접은 모재와의 희석률이 적고 비드의 퍼짐성이 우수한 비드를 형성하는 것이 유리하다.
한편, Fe-Cr-C 합금계는 크롬 탄화물을 고경도 분산상으로 활용하므로 대표적인 철계 하드페이싱의 합금 중 하나이다. 이 중 초정 오스테나이트가 먼저 생성되는 아공정계 합금은 원전 밸브에서 Co계 Stllite 합금을 대체하기 위해 용접 크랙이 허용되지 않는 금속 간 마모 용도로 적용성을 확보하고 있다.
한편, 희석률은 이러한 개발 합금들이 Co계 Stellite 합금 대체용 오버레이용 용접 재료를 제작하는 데 있어 용접 금속의 균열 및 경화 원인이 되기 때문에 매우 중요한 인자이다. 따라서, 희석률을 일정 수준 이하로 낮추면서도, 용접 시 균일한 희석률을 유지하도록 할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 희석률에 따라 합금분말의 Cr 및 C의 질량 비율을 조절하여 용접 완료 후 용착부의 최종 합금 조성이 변형유기 상변태 경계선에 근접하도록 하는 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어를 제공함에 있다.
그리고, Mn, Al, Si, Ti, ZrO2 , NaF 및 MgF2의 질량 비율을 조절하여 비드의 희석률을 조절 가능한 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어를 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 과정을 해결하기 위한 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어는, 외피 및 상기 외피 내에 충진되는 충진재를 포함하는 오버레이 용접용 와이어에 있어서, 상기 충진재는 합금분말 및 플럭스분말을 포함하며, 상기 합금분말은 Fe-Cr-C 합금을 기본 조성으로 하고, 비드의 희석률에 따라 Cr 및 C의 질량 비율을 조절함으로써, 용접 완료 후 용착부의 최종 합금조성이 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태되는 순간인 변형유기 상변태 경계선에 근접하도록 형성되며, 상기 플럭스분말은 Mn, Al, Si, Ti, ZrO2, NaF 및 MgF2가 각각 소정 질량 비율로 첨가되어 조성되고, 각 조성 성분의 질량 비율에 따라 비드의 희석률 조절이 가능하다.
그리고, 상기 플럭스분말의 조성 성분 중 Mn은 0.05wt%이상 0.1wt%이하로 조성될 수 있다.
또한, 상기 플럭스분말의 조성 성분 중 Al은 0.1wt%로 조성될 수 있다.
그리고, 상기 플럭스분말의 조성 성분 중 Ti은 0.1wt%이상 0.5wt%이하로 조성될 수 있다.
또한, 상기 플럭스분말의 조성 성분 중 ZrO2은 0.05wt%이상 0.1wt%이하로 조성될 수 있다.
그리고, 상기 플럭스분말의 조성 성분 중 MgF2은 0.1wt%이상 0.5wt%이하로 조성될 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 모재 표면에 육성된 용착부는 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태되는 순간인 변형유기 상변태 경계선에 근접한 상태이므로, 내마모성 및 내식성이 뛰어나다는 장점이 있다.
둘째, 비드의 희석률을 일정하게 유지할 수 있어 작업 후 용착부의 상태를 예측 가능하므로, 용접 전에 합금분말의 Cr 및 C의 질량 비율을 조절하여 용접 후 용착부의 Cr 및 C의 질량 비율이 변형유기 상변태 경계선에 근접할 수 있도록 하는 장점이 있다.
셋째, 비드의 희석률을 최소화시킬 수 있으므로, 합금의 초기 상태 및 작업 후 상태 간 합금분말 Cr 및 C의 질량 비율의 변동폭이 적으므로, 용접시 희석률에 따라 추가하여야 하는 Fe, Cr 및 C의 양이 적고, 변형유기 상변태 경계선에 더욱 용이하게 근접할 수 있도록 하는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 나타낸 사시도;
도 2는 Cr 및 C의 질량 비율에 따른 합금의 조직 상태의 변화를 나타내는 그래프;
도 3은 용접 시 형성되는 비드의 형상을 구조적으로 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Mn의 질량 비율에 따른 비드의 형상을 나타낸 사진;
도 5는 본 발명의 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Mn의 질량 비율에 따른 비드 퍼짐성을 나타낸 그래프;
도 6은 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Mn의 질량 비율에 따른 비드 희석률을 나타낸 그래프;
도 7은 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Al의 질량 비율에 따른 비드의 형상을 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Al의 질량 비율에 따른 비드 퍼짐성을 나타낸 그래프;
도 9는 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Al의 질량 비율에 따른 비드 희석률을 나타낸 그래프;
도 10은 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Si의 질량 비율에 따른 비드의 형상을 나타낸 도면;
도 11은 본 발명의 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Si의 질량 비율에 따른 비드 퍼짐성을 나타낸 그래프;
도 12는 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Si의 질량 비율에 따른 비드 희석률을 나타낸 그래프;
도 13은 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Ti의 질량 비율에 따른 비드의 형상을 나타낸 도면;
도 14는 본 발명의 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Ti의 질량 비율에 따른 비드 퍼짐성을 나타낸 그래프;
도 15는 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Ti의 질량 비율에 따른 비드 희석률을 나타낸 그래프;
도 16은 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 ZrO2의 질량 비율에 따른 비드의 형상을 나타낸 도면;
도 17은 본 발명의 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 ZrO2의 질량 비율에 따른 비드 퍼짐성을 나타낸 그래프;
도 18은 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 ZrO2의 질량 비율에 따른 비드 희석률을 나타낸 그래프;
도 19는 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 NaF의 질량 비율에 따른 비드의 형상을 나타낸 도면;
도 20은 본 발명의 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 NaF의 질량 비율에 따른 비드 퍼짐성을 나타낸 그래프;
도 21은 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 NaF의 질량 비율에 따른 비드 희석률을 나타낸 그래프;
도 22는 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Mg의 질량 비율에 따른 비드의 형상을 나타낸 도면;
도 23은 본 발명의 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Mg의 질량 비율에 따른 비드 퍼짐성을 나타낸 그래프; 및
도 24는 본 발명의 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 플럭스분말의 조성 원소 중 Mg의 질량 비율에 따른 비드 희석률을 나타낸 그래프이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 와이어는 외피(10) 및 충진재(20)를 포함함을 확인할 수 있다.
외피(10)는 일반적으로 탄소의 양이 적고 비교적 연한 탄소강인 연강(mild steel)으로 제작되며, 내측에 충진재가 충진되는 공간이 형성된다. 그리고, 외피(10)의 용접 시 용융된 후 경화되어, 외피(10)의 부피에 따라 전체 용접 속도에 영향을 미칠 수 있다.
충진재(20)는 용접 시 용접 표면이 다양한 특성을 가질 수 있도록 일반적으로 분말 등의 형태로 외피(10) 내에 충진된다. 또한, 본 발명에서, 충진재(20)는 합금분말 및 플럭스분말을 포함한다.
상기 합금분말은, Fe-Cr-C 합금으로 조성되며, Cr 및 C의 질량 비율에 따라 합금의 조직 상태가 결정될 수 있다. 상기 조직 상태는 오스테나이트(Austenite) 및 마르텐사이트(Martensite) 등으로, 이에 대해서는 후술한다.
그리고, 상기 플럭스분말은, Mn, Al, Si, Ti, ZrO2, NaF 및 MgF2가 각각 소정 질량 비율로 첨가되어 조성되고, 각 조성 성분의 질량 비율에 따라 비드의 희석률 조절이 가능하다. 희석률이란, 용접 시 재료가 유실되는 정도를 말하며, 재료가 유실됨에 따라 합금분말의 Cr 및 C의 질량 비율이 변할 수 있다. 따라서, 희석률은 용접 후 용착부의 재료 표면의 상태와 밀접한 관계가 있는 것이다.
한편, 용접 후 용착부는 시간이 지남에 따라 마모 및 마식 등에 의해 표면 크랙 등이 발생되며, 이는 전체 표면의 수명을 단축시키는 문제가 있다. 따라서, 용접 재료의 내마모성 및 내마식성을 높이는 것이 중요한 관건이다.
상기한 바와 같이, 합금의 조직 상태는 오스테나이트 및 마르텐사이트로 상호 변태가 가능하고, 양자는 서로 다른 특성을 가진다. 이때, 합금이 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태되는 순간인 변형유기 상변태 경계선에 근접하도록 위치될 경우 뛰어난 마모저항성을 갖는다.
이는, 변형유기 상변태 경계선에 근접하여 변형유기 상변태가 극대화되며, 이에 따라 마모로 인한 외부에너지를 흡수하기 때문이고, 더불어, 합금 표면에 마르텐사이트가 생성됨에 따라 표면 경도가 높아지기 때문이다.
도 2는 Cr 및 C의 질량 비율에 따른 합금의 조직 상태의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 합금은 Cr 및 C의 질량 비율에 따른 조직 상태에 따라 오스테나이트, 마르텐사이트 및 페라이트(Ferrite) 등으로 변태될 수 있음을 알 수 있다.
즉, Cr 및 C의 함량이 상대적으로 높을 경우에는 오스테나이트의 조직 상태가 유지되며, 이에 비해 상대적으로 함량이 낮을 경우에는 마르텐사이트의 상태가 유지될 수 있다.
그리고, 그래프 상에서 확인 가능하듯이, 합금이 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태하는 순간을 따라 변형유기 상변태 경계선이 형성된다. 즉, Cr이 0wt%, C가 1.7wt%인 지점에서부터 Cr이 18wt%, C가 0.5wt%인 지점이 직선으로 연결되도록 오스테나이트-마르텐사이트 변형유기 상변태 경계선이 형성되는 것이다.
따라서, 상기한 바와 같이 합금의 마모저항을 높이기 위해서는, Cr 및 C의 질량 비율은 그래프 상의 변형유기 상변태 경계영역(100)에 위치되어 변형유기 상변태가 극대화될 수 있도록 조절된다.
한편, 상기한 바와 같이, 용접 시 재료가 유실되는 정도에 따라 희석률이 결정될 수 있으며, 희석률에 따라 Cr 및 C의 질량 비율이 변할 수 있다. 즉, 희석률에 따라, 변형유기 상변태 경계영역(100) 상에 위치되던 Cr 및 C의 질량 비율이 변동되고, 용접이 완료된 후에는 Cr 및 C의 질량 비율이 변형유기 상변태 경계영역(100)에서 벗어날 수 있는 것이다.
이에 따라, 결과적으로 용접 표면은 최적의 마모저항성을 유지할 수 없기 때문에, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 희석률을 예측할 필요가 있는 것이다.
즉, 희석률을 예측 가능하다면 용접 후 변동되는 Cr 및 C의 질량 비율 역시 예측 가능해지며, 따라서 용접 후 용착부의 Cr 및 C의 질량 비율을 변형유기 상변태 경계영역(100) 상에 위치시킬 수 있도록 초기 Cr 및 C의 질량 비율을 정할 수 있다.
하지만 종래에는 희석률을 예측하기가 힘들고, 용접 시마다 균일한 품질의 용접 표면 조직을 얻지 못하고, 마모저항성이 떨어져 표면 크랙 등 다양한 마모 현상이 자주 발생하였다.
이하에서는, 실험을 통하여 도출된 결과로서, 희석률을 일정하게 유지하고, 최소화시키기 위한 플럭스분말 구성 원소의 질량 비율에 따른 조성에 대해 설명하도록 한다.
본 실시예에서의 실험재료 및 용접조건은 아래와 같다.
용가재로는 금속 간 마모용 무크랙 하드페이싱을 위한 Fe-Cr-C 합금 Cr 10~20wt%, C 0.5~2.5wt%의 조성으로 형성될 수 있다. 구체적으로 본 실시예에서는 Fe-20Cr-1.7C-1.1Si 아공정 합금조성으로 제조된 지름 1.6mm 메탈코어드 용접 와이어를 사용하였다. 그리고, 와이어코어의 합금분말 충전률은 38wt%이며, 첨가한 플럭스는 탈산제, 알칼리 화합물 및 금속 불화물 등이며 표1에 그 종류와 첨가량을 기재하였다. 또한, 모재로는 면적 40×160mm, 두께 40mm의 304스테인리스강을 사용하였다.
첨가 플럭스

탈산제
알칼리/불화물

플럭스
Mn
Al
Si
Ti
ZrO2
NaF
MgF2



첨가량
(wt%)
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05

0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1

0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
플럭스 첨가에 따른 용접성을 관찰하기 위한 용접실험은 20mm 두께의 스테인리스강(STS 304) 모재에 첫 번째 pass는 30초, 두 번째 pass는 15초로 총 45초 동안 Bead on Plate 방식으로 용접을 실시하였다.
보호 가스는 순수 Ar으로 20ℓ/min의 유량을 사용하였고, 용접 전류는 270A, 전압은 27V로 하였으며 용접 이행속도는 250mm/sec로 유지하였다.
그리고, 비드 단면의 형상을 매크로 조직검사를 통해 용접 재료의 모재에 대한 희석률(Dilution)을 측정하였고, 도 3에 나타낸 비드폭(W), 비드높이(H), 비드깊이(D), 비드두께(T), 모재용융부 면적(Ap) 및 육성부 면적(Ar) 등을 측정하였다.
또한, 식1 과 식2를 이용하여 희석률(d)과 비드퍼짐성(s)을 측정하여 MIG하드페이싱 공정에 따른 용접 비드의 형상 특성을 조사하였다.
식1. 희석률
Figure 112010027889740-pat00001

식2. 비드퍼짐성
Figure 112010027889740-pat00002

이하 Mn 첨가시의 희석률, 비드퍼짐성 및 효과에 대하여 설명한다.
Fe-20Cr-1.7C-1.1Si 조성의 와이어와 플럭스를 첨가하였을 경우의 비드 단면 형상을 도 4에 나타냈으며, 비드퍼짐성 H/W비를 도 5 및 도6에 나타냈다. 여기서, 비드퍼짐성이란 비드폭(W)에 대한 비드높이(H)의 비를 정의한 것이다. H/W비의 수치가 작을수록 비드가 용착되어 퍼짐성이 증가한다.
도 5를 참조하면, Mn의 경우 첨가량이 증가함에 따라 용접금속 내 산화물의 증가로 아크 길이가 증가하여 비드의 H/W비의 수치가 감소하는 것으로 나타난다. 아크 전압은 전위 경도와 아크 길이의 곱으로 정의되어. 정전압에 있어서 전위 경도의 감소는 아크 길이의 증가를 유발하며, 탈산원소인 Mn의 함량이 증가할수록 용적 및 용융금속에서 산화물이 증가한다. 그리고, 용적 내의 Mn산화물은 양극에 있어서 산화 피막이 형성되어 고온의 아크 중에서 전자 방출을 용이하게 함으로써 전위 경도가 저하된다.
또한, Mn은 용접 금속 내에 Marangoni효과로 인해 용입 깊이의 증가를 일으키는 원소인 S와 MnS화합물을 형성하여 용융금속 내의 S를 감소시키며, 이러한 이유도 비드의 H/W비를 감소시키는 요인이다.
도 6을 참조하면, Mn의 경우 첨가량이 증가함에 따라 희석률이 다소 증가하는 것을 확인할 수 있다. 희석률은 비드 전체 단면에서 희석된 용융부분의 분율 값으로 그 값이 작을수록 모재와의 희석이 적어 고유의 합금 조성을 유지할 수 있는 것이다.
이러한 희석률에 있어서, 용융금속의 모재에 대한 희석은 용접 파형과 관련이 있으며, 일반적으로 용접전압 및 전류의 증가는 입열량을 높여 희석률을 증가시킨다.
본 실험에서 진행된 용접조건인 270A, 27V는 지름 1.6mm 메탈코어드 와이어의 MIG용접 중 단락 이행에서 스프레이 이행으로 천이되는 구간이며, 이 구간에서는 희석이 다소 감소된다. 즉, 단락 이행의 마지막 구간보다 스프레이 이행이 처음 시작되는 구간의 희석률 값이 작은 것을 의미한다.
그리고, Mn의 용접 파형을 조사한 결과로서, 그 첨가량이 증가하면서는 이행 모드가 스프레이 이행에서 단락 이행으로 천이하는 것을 확인하였다. 따라서 Mn의 경우, 용접파형의 스프레이 이행에서 단락 이행으로의 천이에 따라 희석률이 증가하는 것이다.
이하 Al 첨가시의 희석률, 비드퍼짐성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 탈산원소인 Al의 경우도 Mn과 같이 그 첨가량이 증가함에 따라 전위 경도가 감소하고 아크 길이가 증가하여 비드의 H/W비가 감소하는 것으로 나타난다.
그리고, Al은 S과는 달리 용접 금속 내에 용입 깊이를 감소시키고 비드 폭을 증가시키는 효과가 있으며, 따라서 실험에 사용된 원소들 중 가장 낮은 비드 H/W비 수치를 나타낸다.
Al의 경우, 용접 파형은 첨가량이 증가할수록 스프레이 이행에서 단락 이행으로 천이하는 것을 확인할 수 있으며, 도 9를 참조하면, Al의 경우도 Mn과 같이 첨가량이 증가함에 따라 희석률이 증가됨을 알 수 있다.
이하 Si 첨가시의 희석률, 비드퍼짐성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 탈산원소인 Si의 경우도 Mn과 같이 그 첨가량이 증가함에 따라 전위 경도가 감소하고, 아크 길이가 증가하여 비드 H/W비 수치가 감소되는 것으로 나타난다.
Si의 경우 용접 파형은 전체적으로 스프레이 이행이며, 도 12를 참조하면 Si첨가량에 따른 희석률은 첨가량과 상관 없이 낮은 희석률이 유지되는 것을 알 수 있다.
이하 Ti을 첨가시의 희석률, 비드퍼짐성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 탈산원소인 Ti의 경우도 Mn과 같이 그 첨가량이 증가함에 따라 전위 경도가 감소하고 아크 길이가 증가하여 비드의 H/W비가 감소하는 것으로 나타난다.
Ti의 경우, 용접 파형은 첨가량이 증가할수록 단락 이행에서 스프레이 이행으로 천이하는 것을 확인할 수 있으며, 도 15를 참조하면, Ti는 첨가량이 증가함에 따라 희석률이 감소됨을 알 수 있다.
이하 ZrO2을 첨가시의 희석률, 비드퍼짐성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 탈산원소인 Zr의 경우도 Mn과 같이 그 첨가량이 증가함에 따라 전위 경도가 감소하고 아크 길이가 증가하여 비드의 H/W비가 감소하는 것으로 나타난다.
하지만, 첨가량이 0.5wt%이상일 경우 ZrO2산화물이 아크와 용융 금속에 다량 분포하면서 용적 이행이 불안정하게 일어나 아크 길이만큼 아크가 형성되지 않는다.
ZrO2의 경우, 용접 파형은 첨가량이 증가할수록 단락 이행에서 스프레이 이행으로 천이하는 것을 확인할 수 있으며, 도 18을 참조하면, ZrO2는 첨가량이 증가함에 따라 희석률이 감소됨을 알 수 있다.
이하 NaF 첨가시의 희석률, 비드퍼짐성 및 효과에 대하여 설명한다.
NaF의 경우, 아크 안정제임에도 불구하고 실험 첨가제 중 가장 많은 횟수의 단락이 일어나며, 도 19 및 도20을 참조하면, 단락 횟수가 증가하여 용적 이행이 빨라짐에 따라 모재에 용융지의 면적이 늘어나 H/W비 수치는 감소하는 것으로 나타난다.
이와 같은 많은 단락 횟수는 희석률의 증가에 기인한다고 할 수 있으며, 도 21을 참조하면, NaF 첨가량에 따른 희석률이 이와 일치된 결과를 보임을 알 수 있다.
이하 MgF2 첨가시의 희석률, 비드퍼짐성 및 효과에 대하여 설명한다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 탈산원소인 Mg의 경우도 Mn과 같이 그 첨가량이 증가함에 따라 전위 경도가 감소하고 아크 길이가 증가하여 비드의 H/W비가 감소하는 것으로 나타난다.
Mg의 경우, 용접 파형은 첨가량이 증가할수록 단락 이행에서 스프레이 이행으로 천이하는 것을 확인할 수 있으며, 도 24를 참조하면, Mg의 첨가량이 증가함에 따라 희석률이 감소됨을 알 수 있다.
하드페이싱용 Fe-Cr-C계 지름 1.6mm 메탈코어드 와이어의 MIG 육성 용접부 형상에 미치는 플럭스에 관한 실험을 통하여, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
먼저, 0.5wt%이하의 Mn, Al, Si, Ti, MgF2의 탈산제의 경우, 용융 금속 내에 아크 길이 증가 효과로 인해 낮은 비드의 H/W비 수치를 나타내어 우수한 퍼짐성이 나타난다.
그리고, 용접이행 모드가 단락 이행에서 스프레이 이행으로 천이되는 구간에서는 스프레이 이행 용적이행 모드에서 희석률이 감소하는 효과가 나타난다.
따라서, 하드페이싱 공정의 특징인 비드의 퍼짐성과 희석률을 고려한 최적 플럭스 첨가 조성은 탈산 효과와 스프레이 용적 이행 특성을 나타낸 Mn 0.05 및 0.1wt%, Al 0.1wt%, Ti 0.1 및 0.5wt%, ZrO2 0.05 및 0.1wt%, MgF2 0.1 및 0.5wt%이다.
이상으로, 희석률을 일정하게 유지하고, 최소화시키기 위한 플럭스분말 구성 원소의 질량 비율에 따른 조성에 대해 설명하였다.
이에 따라, 플럭스분말 구성 원소의 질량 비율을 조절함에 따라 희석률을 조절 및 예측 가능하며, 용접이 완료된 후 Cr 및 C의 질량 비율을 변형유기 상변태 경계영역(100)에 위치시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어는, 희석률을 최소화하며, 마모저항성이 뛰어난 용접 표면을 형성할 수 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 외피 20: 충진재
100: 변형유기 상변태 경계영역

Claims (6)

  1. 외피 및 상기 외피 내에 충진되는 충진재를 포함하는 오버레이 용접용 와이어에 있어서,
    상기 충진재는 플럭스분말 및 합금분말을 포함하며,
    상기 플럭스분말은 와이어 전체 중량을 기준으로 Mn 0.05wt%이상 0.2wt%이하, Al 0.1wt%이상 0.3wt%이하, Ti 0.1wt%이상 0.5wt%이하, ZrO2 0.05wt%이상 0.2wt%이하 및 MgF2 0.1wt%이상 0.5wt%이하가 되도록 첨가되어 희석률을 조절하고,
    상기 합금분말은 Fe-Cr-C 합금을 기본 조성으로 하고, 합금분말 전체 중량을 기준으로 Cr 함량은 10~20wt%이고 C 함량은 0.5~2.5wt%이며, 상기 조절된 희석률에 따라 Cr 및 C의 질량 비율이 용접 완료 후 용착부의 최종 합금 조성이 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태되는 변형유기 상변태 경계영역 내에 위치되도록 변화되는 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 합금분말은 Si를 기본 조성으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 합금분말은 Cr 20wt%, C 1.7wt%, Si 1.1wt% 및 잔량으로 Fe을 포함하는 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서, 상기 합금분말의 충전률은 와이어 전체 중량을 기준으로 38wt%인 것을 특징으로 하는 오버레이 용접용 메탈코어드 와이어.
  6. 삭제
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