KR101220801B1 - 고강도 내마모강판의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내마모강판 및 그의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 내마모강판은 강판; 강판의 표면에 입도의 크기가 300~500㎛인 WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 미세경질 분말과 미세경질 분말을 강판에 결합시키는 바인더 분말을 포함하는 표면개질층; 및 강판과 미세경질 분말 및 바인더 분말 사이에 침투하여 각각의 분말 사이의 공극을 제거하며 건조에 의해 증발하는 10~15중량%의 증발성 결합촉매;를 포함한다.

Description

고강도 내마모강판의 제조방법 {ABRASION RESISTANT SURFACE MODIFIED STEEL SHEET MANUFACUTRING MATHOD}
본 발명은 표면 경도가 우수한 초고강도 내마모강 제조시 기지조직과 경질분말, 그리고 바인더간의 접합을 향상시켜, 표면 경도의 재상승 및 경화능, 그리고 내마모성 특성을 갖을 수 있는 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 기지조직과 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 기지조직과 바인더 분말, 그리고 경질 분말과의 공극제거를 위한 최적 바인더 물질이 개발되고 있지 않은 상황이다.
이에 따라 종래에는 저항클래딩시 열에 의한 완전 용융이 되더라도 각 분말 사이의 표면 계층에 존재하는 공극들은 완전 상쇄되지 않으며, 이로 인해 바인더 분말과 경질 분말 사이의 계면에 미세한 마이크로 크랙 또는 미세한 곡극들로 인하여 실 적용시 이러한 부분들이 매우 취약 부분으로 작용하는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예는 저강도의 열연강판에 표면개질층을 형성하여 내마모성을 향상시킨 고강도 내마모강판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고강도 내마모강판의 제조방법은 (a) 입도의 크기가 300~500㎛인 WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 미세경질 분말과 미세경질 분말의 결합을 위한 바인더 분말을 제조하는 단계; (b) 미세경질 분말과 바인더 분말에 10~15중량%의 증발성 결합촉매를 첨가하여 경질분말 스트립을 제조하는 단계; (c) 경질분말 스트립을 강판에 클래딩하여 표면개질층을 형성하는 단계; 및 (d) 표면개질층에 포함된 증발성 결합촉매를 건조시켜 제거하는 단계;를 포함하고, (c)단계는 전류 :5~9kA/cm, 가압력200~400N/cm, 클래딩 스피드 0.3~1.0 m/min의 조건으로 진행될 수 있다.
삭제
삭제
삭제
(c)단계에서 증발성 결합촉매는 미세경질 분말과 바인더 분말과 C-H의 화학결합을 통해 공극을 제거할 수 있다.
증발성 결합촉매는 폴리 비닐 알코올(PolyVinyl Alcohol)을 포함할 수 있다.
(a)단계는 미세경질 분말은 기계적 볼 밀링에 의해 10~100㎛로 미세화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 일 실시예에 따르면, 결합촉매의 사용으로 인해 각각의 분말 사이의 공극을 줄일 수 있어 내마모강도를 증가시킬 수 있고, 결합촉매가 건조에 의해 증발되어 계면특성의 저하를 방지할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예는 내마모강의 표면개질층에 형성되는 기공의 발생율을 1~2%로, 5~6%로 형성되는 종래에 비해 표면개질층의 결합강도를 향상시킬 수 있어 내마모강도를 증가시킬 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 표면상태와,일반적인 내마모강판의 표면상태를 보인 도면.
도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 압입시험후의 표면상태와, 일반적인 내마모강판의 압입시험후의 표면상태를 보인 도면.
도 3의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 표면개질 상태와 일반적인 내마모강판의 표면개질 상태를 보인 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예로서, 전기저항클래딩 방법에 의한 표면개질층을 형성하는 공정의 순서도.
도 5는 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 발명은 기지조직, 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, 표면개질층은 10~15중량%의 증발성 결합촉매에 의해 미세경질 분말과 바인더 분말 사이의 공극이 제거될 수 있다.
일례로, 본 실시예에서 증발성 결합촉매는 결합촉매는 폴리 비닐 알코올(PVA : PolyVinyl Alcohol)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 PVA는 미세경질 분말과 바인더 분말 사이의 공극으로 침투하며, PVA의 C-H의 화학결합을 통해 각각의 분말들의 공극을 완전히 제거할 수 있다.
이와 같이, PVA는 각각의 분말들의 공극을 제거하여 각 분말들의 결합을 강화할 수 있으며, 건조에 의해 자연 증발하며 제거될 수 있다.
따라서, 본 실시예의 내마모강판은 PVA의 첨가와 이의 증발로 인해 미세경질 분말과 바인더 분말만으로 표면개질층이 이루지게 되며, 미세경질 분말과 바인더 분말 사이의 공극을 제거할 수 있어 내마모강도를 증가시킬 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 표면상태와,일반적인 내마모강판의 표면상태를 보인 도면이고, 도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 압입시험후의 표면상태와, 일반적인 내마모강판의 압입시험후의 표면상태를 보인 도면이다. 또한, 도 3의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모강판의 표면개질 상태와 일반적인 내마모강판의 표면개질 상태를 보인 단면도이다. 여기서 A는 기공을 나타낸다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예의 내마모강판은 PVA의 첨가와 이의 증발로 인해 표면개질층이 강판에 형성되는 공극이 최소화할 수 있으며, 이에 따라 내마모강판의 내마모특성이 향상될 수 있다.
또한, 본 실시예는 표면개질층을 형성한 후, 압입시험, 일례로 5kg의 압력체를 이용하여 압력시험을 할 경우, 압입에 의한 하중 지지가 가능하여 표면에 크랙 등이 발생하지 않는다.
반면에 일반적인 내마모강판의 표면개질층은 표면에 공극 등이 많이 형성되며, 결합강도가 약하여, 압입시험, 일례로 5kg의 압력체를 이용하여 압력시험을 할 경우, 압입에 의한 하중 지지가 불가능하여 압입시험이 이루어진 부분의 표면개질층이 분리 또는 크랙에 의해 표면 손상이 발생할 수 있다.
전술된 내마모강판의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
본 실시예의 내마모강판의 제조방법은 미세경질 분말과, 바인더 분말을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 미세경질 분말은 입도의 크기가 300~500㎛일 수 있으며, WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 바인더 분말은 미세경질 분말을 강판에 결합하기 위한 것으로서 공지의 바인더 분말을 사용할 수 있다.
또한, 다음단계로, 경질분말 스트립을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
경질분말 스트립을 제조하는 단계는 미세경질 분말과 바인더 분말에 10~15중량%의 증발성 결합촉매를 첨가하여 제조할 수 있다.
여기서, 증발성 결합촉매는 폴리 비닐 알코올(PolyVinyl Alcohol)을 포함할 수 있다. PVA는 C-H 화학결합을 갖고 있으며, 미세경질 분말과 바인더 분말에 첨가됨에 따라 각 분말들의 공극들과 C-H 화학결합을 하며 공극을 제거할 수 있다.
다음 단계로, 경질분말 스트립을 강판에 클래딩하여 표면개질층을 형성하는 단계를 갖는다.
도 4를 참고하면, 스트립(1)을 강판(2) 위에 위치시키고, 전극롤(3)에 의하여 스트립(1)과 강판(2)을 클래딩 시킨다. 이때, 전극롤(3)에 의해 전류가 스트립(1)에 통전되면, 미세경질 분말과 바인더 분말 및 강판의 계면에서 줄열이 발생하고, 이들이 용융되며 공극으로 침투하게 되며, PVA의 C-H 화학결합에 의해 응고되며 공극 사이를 제거하여 표면개질층을 형성하게 된다
이때, 클래딩시 전류 5~9kA/cm, 가압력200~400N/cm, 클래딩 스피드 0.3~1.0m/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 5와 같이 진행될 수 있다. 도 5를 참고하면, 스트립을 코일링하여 코일(4)을 형성한 후 강판(1) 위에 언코일링하면서 전기 저항 클래딩시킬 수 있다. 여기서, 다른 조건들은 상술한 전기저항 클래딩 방법과 동일한 조건으로 실시될 수 있다.
다음 단계로, 상기 표면개질층에 포함된 상기 증발성 결합촉매를 건조시켜 제거하는 단계를 갖는다.
PVA는 별도의 건조과정에 의해 제거될 수 있으며, 클래딩 과정에서 건조되며 증발되는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에서 PVA는 10%미만으로 첨가될 경우, 분말 스트립내의 미세경질 분말 사이의 계면 틈 부분에 PVA가 전체적으로 도포되지 않아 공극 또는 미세 마이크로 크랙이 존재할 수 있다. 또한, PVA가 15%를 초과하여 첨가될 경우, PVA 성분이 건조시 증발하지 않아 C-H 결합이 잔존하여 계면 특성을 저하시킬 수 있다.
이와 같이, 표면개질층은 건조에 의해 PVA성분이 제거되어 경질분말 입자끼리의 강한 상호작용으로 인해 공극 또는 마이크로 크랙을 완전히 제거할 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 (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. (a) 입도의 크기가 300~500㎛인 WC, TiC, TiO2, Al2O3, SiO2 중 적어도 하나를 포함하는 미세경질 분말과 상기 미세경질 분말의 결합을 위한 바인더 분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 미세경질 분말과 상기 바인더 분말에 10~15중량%의 증발성 결합촉매를 첨가하여 경질분말 스트립을 제조하는 단계;
    (c) 상기 경질분말 스트립을 강판에 클래딩하여 표면개질층을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 표면개질층에 포함된 상기 증발성 결합촉매를 건조시켜 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c)단계는 전류 : 5~9kA/cm, 가압력 : 200~400N/cm, 클래딩 스피드 : 0.3~1.0m/min의 조건으로 진행되는 것을 특징으로 하는 고강도 내마모강판의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 (c)단계에서 상기 증발성 결합촉매는 상기 미세경질 분말과 상기 바인더 분말과 C-H의 화학결합을 통해 공극을 제거하는 것을 특징으로 하는 고강도 내마모강판의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 증발성 결합촉매는 폴리 비닐 알코올(PolyVinyl Alcohol)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 내마모강판의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 (a)단계는 상기 미세경질 분말은 밀링에 의해 10~100㎛로 미세화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 내마모강판의 제조방법.
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