KR101220792B1 - 고강도 내마모강판의 제조방법 - Google Patents

고강도 내마모강판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

고강도 내마모강판 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 고강도 내마모강판은 강판; 상기 강판의 표면에 표면 거칠기를 20~50㎛로 형성시킨 표면 스케일층; 및 상기 표면 스케일층에 클래딩되어 형성되며 입도의 크기가 300~500㎛인 WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 미세경질 분말과 상기 미세경질 분말을 상기 강판에 결합시키는 바인더 분말을 포함하는 표면개질층;을 포함한다.

Description

고강도 내마모강판의 제조방법 {ABRASION RESISTANT SURFACE MODIFIED STEEL SHEET MANUFACUTRING MATHOD}
본 발명은 표면 경도가 우수한 초고강도 내마모강 제조시 열연 스케일을 제거할 수 있도록 한 고강도 내마모강판의 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 국내외 산업발달에 따른 중장비의 수요증가는 그에 필요한 소모성 부품으로 사용되는 내마모강판의 수요가 필연적으로 증가하고 있다. 특히 건설, 토목, 광산 등의 분야에서 사용되는 파워 셔블, 굴삭기, 호퍼, 버킷 등의 산업기기나 운반기기 등에서 자갈 및 토사등과의 접촉에 의한 마모가 발생하는 환경에 노출된다.
이와 같이 마모환경에 노출된 강판의 경우, 마모에 의한 강판의 손산에 의하여 잦은 교체가 발생하며, 이에 따른 유지 보수 비용이 증가하고 있다.
이에 따라 고탄소강의 적용 및 내마모성 향상기술을 접목한 높은 표면 내마모성을 요구하는 내마모강판의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 종래의 내마모강판은 광범위한 용도로 수요가 형성됨에도 불구하고, 일반적인 수요는 판재, 특히 박판 형태로 제조되며, 이러한 이유 때문에 지금까지의 연구개발의 대부분은 내마모성 향상을 위한 합금원소 첨가 혹은 고주파 열처리 혹은 침탄법, 질화법, 소입소려법 등의 고탄소강을 이용한 표면개질 방법이 대부분을 이루고 있는 것이 현실이다. 그런데, 이러한 표면개질 방법은 고가의 합금원소가 첨가됨에 따라 강재단가를 상승시키게 되며, 열처리에 의한 공정단가상승 및 표면개질 면적을 대면적으로 할 수 없는 한계가 있다.
또한, 판재 형태의 형상 한계성 때문에 합금설게에 있어서도 내마모성 보다는 대면적을 위한 용접성 향상에 주안점을 두고 있으며, 이들은 주로 편부 보론의 농화층 형성을 위해 보론 첨가형 강재 개발에 주안점을 두고 있다. 따라서, 탄소 함량과 보론과의 화학양론비 및 충분한 표면 경도, 인성 및 내마모성을 향상시키기 위한 방법에 한계점을 가지고 있으며, 다량의 합금원소 첨가는 필연적으로 용접성 및 인성을 저하시키는 결과를 초래하고 있다.
한편, 표면개방방법은 이외에도 물리적 기상 증착법(PVD : Physical Vapor Deposition), 화학적 기상 증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition), 열분사법(Thermal Spray), 클래딩 용접(Electrical Cladding Welding) 등의 경우 부품 전체의 표면 개질이 가능하며 강판 전체를 대면적으로 코팅이 가능하여 그 사용이 확대되고 있다. 한편, PVD, CVD, 열분사법의 경우 공정단가가 매우 고가이기 때문에 산업 현장에서의 응용이 용이하지 않은 실정이다.
또한, 클래딩 용접에 의한 표면 개질 방법의 경우, 아크, 레이져, 플라즈마 등의 열원을 이용하여 열적 프로세스를 이용 고융점의 내마모 클래딩 재료들을 용융시켜 모재의 표면에 적층시키는 방법으로 강판과 경질분말, 그리고 바인더들의 최대 접합, 즉 공극이 사라질 경우, 공정단가 대비 최적의 효과를 얻을 수 있으며, 일반 400MPa급의 강판으로도 초고강도 내마모강을 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 아직까지 강판과 바인더 분말, 그리고 경질 분말과의 공극제거를 위한 최적 바인더 물질이 개발되고 있지 않은 상황이다.
따라서, 내마모강이 가지는 합금원소 첨가 생략을 통한 단가 감축, 그리고 열처리 방법 개선을 통한 공정 단가 감축 및 가격 경쟁력 확보, 그리고, 초고강도 표면경도를 가진 내마모강 제조를 위해서는 내마모 클래딩층과 기지 조직간의 결합력을 높여 그 성형성 및 내박리성을 높이는 프로세서의 개발 및 고유권리 확보가 향후 내마모강 적용 산업 발전 속도로 비추어 볼 때 매우 필수 불가결한 실정이다.
본 발명의 일 실시예는 저강도의 열연강판에 열연 스케일을 제거하여 표면강도를 향상시키는 고강도 내마모강판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고강도 내마모강판의 제조방법은 (a) 강판의 표면에 표면 거칠기를 20~50㎛로 형성시키며 산화 스케일을 제거하는 단계; (b) 입도의 크기가 300~500㎛인 WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 미세경질 분말과 상기 미세경질 분말의 결합을 위한 바인더 분말을 포함하는 경질분말 스트립을 제조하는 단계; (c) 상기 (a)단계에서 산화 스케일이 제거된 강판의 표면에 상기 (b)단계에서 제조된 상기 경질분말 스트립을 도포하는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계에서 강판에 도포된 경질분말 스트립을 클래딩하여 결합시키는 단계;를 포함하고, 상기 (d)단계는 전류 : 5~9kA/cm, 가압력 : 200~400N/cm, 통판 스피드 : 0.3~1.0 m/min의 조건으로 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
삭제
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상기 (a)단계는 고속으로 회전하는 1~2mm 직경의 강선 브러쉬를 강판에 접촉시켜 산화 스케일을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
삭제
상기 (a)단계에서 상기 미세경질 분말은 기계적 볼 밀링에 의해 10~100㎛로 미세화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기지재료의 표면거칠기를 증가시켜 경질분말과의 접촉면적을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 계면에서의 저항발열을 극대화시켜 강판과 클래딩 사이의 계면에서는 기공 발생을 저감시키고 계면 접착력을 높일 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 산화 스케일이 제거된 표면 상태와, 일반적인 내마모강판의 표면 상태를 보인 도면.
도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 표면개질 상태와 일반적인 내마모강판의 표면개질 상태를 보인 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 전기저항클래딩 방법에 의한 표면개질층을 형성하는 공정의 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서, 전기저항클래딩 방법에 의한 표면개질층을 형성하는 일공정의 모식도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 단, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하고, 이에 대하여 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예는 강판, 미세경질 분말, 그리고 바인더 분발과의 접합 특성을 향상시켜 내마모 강도를 증가시킬 수 있다.
이를 위해, 본 실시예에서 미세경질 분말은 WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
여기서 미세경질 분말은 입도의 크기가 300~500㎛로 형성될 수 있다. 이러한 미세경질 분말은 밀링공정에 의해 입도의 크기가 10~100㎛로 미세화되는 것이 바람직하다.
이러한 미세경질 분말은 바인더 분말에 의해 강판에 결합되어 표면개질층을 형성할 수 있다.
이때, 강판의 표면에는 표면 거칠기가 20~50㎛로 형성된 표면 스케일층을 포함할 수 있다. 표면 스케일층은 고속, 일례로 300rpm으로 회전하는 1~2mm직경의 강선 브러쉬와 접촉에 의해 형성될 수 있으며, 이 과정에서 강판의 표면에 형성된 산화 스케일층이 제거될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 고강도 내마모강판은 강판의 표면에 형성되는 표면 스케일층으로 인해 표면개질층과의 접착강도가 증가될 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 산화 스케일이 제거된 표면 상태와, 일반적인 내마모강판의 표면 상태를 보인 도면이고, 도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 표면개질 상태와 일반적인 내마모강판의 표면개질 상태를 보인 단면도이다.
도 1와 도 2를 참고하면, 본 실시예의 내마모강판은 강판의 표면에 표면 스케일층을 형성할 경우, 표면개질층과 접촉면에 공극 등의 형성이 최소화될 수 있다.
따라서, 본 실시예의 내마모강은 내박리성 판단을 위한 굽힘 시험에서도 기준 각도인 180°의 완전 굽힘 상태에서도 표면개질층의 박리가 발생하지 않는다.
이는 강판의 표면에 형성된 표면 스케일층의 표면 거칠기가 증가함에 따라 표면개질층을 클래딩하는 과정에서 직접적으로 저항 발열에 접촉저항이 극대화되어 결합력을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에서 내마모강 제조방법은 미세경질 분말과, 바인더 분말을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 강판의 표면에 1~2mm 직경의 강선 브러쉬를 이용하여 고속으로 회전시켜 산화 스케일을 제거할 수 있다.
이와 같이, 강선 브러쉬는 약 300rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하며, 이에 따라 강판의 표면의 표면 거칠기를 20~50㎛로 형성시킬 수 있다.
다음으로, 경질분말 스트립을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
경질분말 스트립은 미세경질 분말과 미세경질 분말의 결합을 위한 바인더 분말을 혼합하여 제조할 수 있다.
여기서, 미세경질 분말은 입도의 크기가 300~500㎛일 수 있으며, WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 미세경질 분말은 기계적 볼 밀링 공정에 의해 입도의 크기가 10~100㎛로 미세화되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 산화 스케일이 제거된 강판의 표면에 경질분말 스트립이 도포되면, 저항발열에 의해 강판과 용융되도록 내마모 클래딩하는 단계를 포함한다.
이때, 클래딩시 전류 5~9kA/cm, 가압력200~400N/cm, 통판 스피드 0.3~1.0 m/min의 조건으로 진행될 수 있다. 전류가 5~9kA/cm 미만인 경우, 입열량이 부족하여 클래딩이 용이하지 않으며, 5~9kA/cm를 초과하는 경우 과도한 입열로 클래딩이 어려워 적절한 전력 범위를 만족하여야 한다.
가압력이 200N/cm 미만인 경우에는 가압력이 너무 낮아 클래딩 장치의 구동이 어렵과, 가압력이 400N/cm를 초과하는 경우에는 가압력의 과부하로 스패터가 다량 발생할 수 있다.
한편, 클래딩은 도 2와 같이 진행될 수 있다. 도 2를 참고하면, 스트립을 코일링하여 코일(4)을 형성한 후 강판(1) 위에 언코일링하면서 전기 저항 클래딩 시킬 수 있다. 여기서, 다른 조건들은 상술한 전기저항 클래딩 방법과 동일한 조건으로 실시될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
1 : 강판 2 : 스트립
3 : 전극롤 4 : 코일

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. (a) 강판의 표면에 표면 거칠기를 20~50㎛로 형성시키며 산화 스케일을 제거하는 단계;
    (b) 입도의 크기가 300~500㎛인 WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 미세경질 분말과 상기 미세경질 분말의 결합을 위한 바인더 분말을 포함하는 경질분말 스트립을 제조하는 단계;
    (c) 상기 (a)단계에서 산화 스케일이 제거된 강판의 표면에 상기 (b)단계에서 제조된 상기 경질분말 스트립을 도포하는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계에서 강판에 도포된 경질분말 스트립을 클래딩하여 결합시키는 단계;를 포함하고,
    상기 (d)단계는 전류 : 5~9kA/cm, 가압력 : 200~400N/cm, 통판 스피드 : 0.3~1.0 m/min의 조건으로 진행되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 내마모강판의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 (a)단계는 고속으로 회전하는 1~2mm 직경의 강선 브러쉬를 강판에 접촉시켜 산화 스케일을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 내마모강판의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 (a)단계에서 상기 미세경질 분말은 기계적 볼 밀링에 의해 10~100㎛로 미세화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 내마모강판의 제조방법.
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