KR101286993B1 - 강관 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR101286993B1 KR1020110104909A KR20110104909A KR101286993B1 KR 101286993 B1 KR101286993 B1 KR 101286993B1 KR 1020110104909 A KR1020110104909 A KR 1020110104909A KR 20110104909 A KR20110104909 A KR 20110104909A KR 101286993 B1 KR101286993 B1 KR 101286993B1
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Abstract

본 발명은 내마모, 내산화 및 내부식 특성이 우수한 강관 및 그 제조방법의 제공을 위하여, 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 적어도 일부에 침붕영역이 형성된 대상분말을 혼합한 혼합분말을 강관 내에 배치하는 단계; 및 상기 강관 내에 배치된 상기 혼합분말을 가열 용융 응고하여 상기 강관의 내부면에 피복층을 형성하는 단계;를 포함하는, 강관 제조방법이 제공된다.

Description

강관 및 그 제조방법{Steel pipe and manufacturing method thereof}
본 발명은 이종분말이 서로 혼합되어 형성된 강관 및 그 제조방법으로서, 더욱 상세하게는 붕소합금철분말과 침붕처리된 대상분말이 혼합된 혼합분말을 결합시켜 제조한 강관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 이종분말이 서로 혼합되어 가열되고, 용융 응고되어 강관 내부에 피복된 강관(steel pipe) 및 그 제조방법으로서, 더욱 상세하게는 탈붕처리된 붕소합금철분말과 침붕처리된 대상분말로 이루어진 붕소합금분말, 또는 그 붕소합금분말을 결합제로 하고 크롬합금철분말을 강화재로 한 혼합분말을 가열하여 부분, 또는 완전 용융 응고시켜 강관 내면에 내마모는 물론 내열 및 내식 특성이 우수한 피복층을 형성시킨 강관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 강관은 화학, 건설, 기계, 자동차, 토목 등의 산업분야에서 배관, 수송, 구조물, 열교환 등의 목적으로 사용되고 있고, 요구되는 조건으로는 내열성, 내부식성, 내화학성, 내마모성 등이 있다.
강관의 내부로 유체 또는 고체가 이송될 경우 이송물이 강관의 내면과 기계적, 또는 화학적으로 반응하여 강관의 내면이 마모되거나 부식된다. 특히 고경도의 시멘트, 레미콘 및 모래 등을 수송하는 강관의 경우 마모가 매우 심하여 사용수명이 대단히 짧다.
이에 강관의 내마모성을 높여 수명을 향상시키기 위해 담금질(quenching), 뜨임(tempering)은 물론 고주파 경화, 침탄, 보로나이징 등의 표면경화방법이 사용되고 있으나 충분한 수명을 확보하지 못하고 있다. 또한 내마모성이 우수한 강재로 제조된 강관을 내부에 기계적으로 삽입한 이중강관이 활용되고 있으나 제조 가격이 높고, 중량이 커 제한적으로 사용되고 있다.
그러나 이러한 종래의 담금질, 뜨임 방법에 의해 제조된 강관의 경우 경화능이 우수한 고가의 합금원소를 사용하고, 열처리가 어려워 제조가격이 높을 뿐만 아니라 금속소재로부터 얻을 수 있는 내마모성이 한계가 있어 수명이 짧다는 문제 점이 있었다.
한편 내모성이 우수한 강관을 내부에 삽입한 이중강관의 경우도 내부에 삽입하는 강관의 제조에 경화능을 부여하기 위해 고가의 합금원소를 사용하고, 그 강관의 주조, 가공 및 삽입 등의 여러 제조공정으로 인해 가격이 매우 높을 뿐만 아니라 중량이 큰 단점을 가지고 있다. 이와 더불어 이들 강관의 경우 강관을 이어주는 플랜지부의 제작시 용접과정에서 연화되는 등의 여러 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 내마모, 내산화 및 내부식 특성이 뛰어나고, 경제적인 방법으로 제작 가능한 강관 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 적어도 일부에 침붕영역이 형성된 대상분말을 혼합한 혼합분말을 강관 내에 배치하는 단계; 및 상기 강관 내에 배치된 상기 혼합분말을 가열 용융 응고하여 상기 강관의 내부면에 피복층을 형성하는 단계;를 포함하는, 강관 제조방법이 제공된다.
이때 상기 혼합분말을 가열 용융 응고하여 상기 강관의 내부면에 피복층을 형성하는 단계는, 상기 혼합분말이 배치된 상기 강관을 회전하면서 가열 및 냉각함으로써 구현될 수 있다.
또한, 상기 혼합분말을 강관 내에 배치하는 단계는 붕소합금철분말과 대상분말을 혼합하는 단계; 및 혼합된 상기 붕소합금철분말과 상기 대상분말을 함께 열처리함으로써, 상기 대상분말의 적어도 일부를 침붕처리하여 상기 침붕영역을 형성하면서 상기 붕소합금철분말의 적어도 일부를 탈붕처리하여 상기 탈붕영역을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 붕소합금철분말은 규소 또는 탄소 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 대상분말은 철, 티타늄, 크롬, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 몰리브덴, 니켈, 코발트, 알루미늄, 규소 및 텅스텐 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 혼합분말 중에서 상기 붕소합금철분말의 함량은 5중량% 내지 95중량%일 수 있다.
상기 붕소합금철분말과 상기 대상분말의 평균 입도는 ASTM 표준체로 200 메쉬 내지 20 메쉬일 수 있다.
상기 강관 내의 상기 혼합분말은 크롬합금철분말 및 용제(flux) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 크롬합금철분말은 탄소를 2중량% 이상 및 크롬을 50중량% 이상 포함할 수 있다.
상기 혼합분말 중에서 상기 크롬합금철분말의 함량은 5중량% 내지 95중량%일 수 있다.
상기 크롬합금철분말은 철, 크롬, 규소 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 크롬합금철분말의 평균 입도는 ASTM 표준체로 200 메쉬(mesh) 내지 4 메쉬 일 수 있다.
상기 강관의 회전속도는 5G 내지 120G 일 수 있으며, 이때 상기 G는 아래와 같이 표현될 수 있다.
G=원심력/중력= 5.6×10-7×강관내경(mm)×회전수(rpm)2
상기 가열은 가스연소가열, 전기저항가열 및 고주파유도가열 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 가열은 가열온도가 1000℃ 내지 1500℃ 일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 강관 내부면에 피복층을 포함하고, 상기 피복층의 조직은, 기지금속 또는 결합재로서 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 적어도 일부에 침붕영역이 형성된 대상분말이 용융된 후 응고된 조직을 갖는, 강관이 제공된다.
상기 피복층의 조직은 강화재로서 크롬합금철을 더 포함할 수 있다.
이때 상기 강화재는 철, 10중량% 내지 80중량%의 크롬, 2중량% 내지 10중량%의 탄소 및 2.5중량% 이하의 규소를 포함할 수 있다.
상기 결합재는 철 및 붕소를 포함하고, 상기 강화재는 철, 크롬, 실리콘 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 결합재는 붕소의 함량이 5원자% 내지 35원자% 일 수 있다.
상기 피복층은 철, 크롬, 규소, 탄소 및 붕소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이때 상기 붕소의 함유량은 10중량% 이하(0초과)의 범위를 가질 수 있다.
또한 상기 탄소의 함유량은 10중량% 이하(0초과)의 범위를 가질 수 있다.
또한 상기 크롬의 함유량은 60중량% 이하(0초과)의 범위를 가질 수 있다.
또한 상기 규소의 함유량은 2.5중량% 이하(0초과)의 범위를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 경제성 있는 비용으로 내마모, 내산화 및 내부식 특성이 우수한 강관 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 또한, 경화능이 우수하여 별도의 열처리를 하지 않아도 매우 높은 경도 및 강도를 얻을 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 철-붕소 상태도 이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 일 실시예를 따르는 강관을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예를 따르는 강관 제조방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예를 따르는 강관의 일부분의 단면 사진이다.
도 8 내지 10은 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 피복층의 단면 경도를 나타낸 그래프이다.
도 11 내지 13은 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 피복층의 미세조직을 관찰한 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
본 발명에서 언급되는 붕소합금철(ferro boron)은 약 10중량% 이상의 붕소를 함유하며, 약 1450℃ 이상의 용융점을 가진 철과 붕소의 화합물로서 페로보론, 철-붕소 합금 등으로 불리울 수 있다.
본 발명에서 언급되는 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말이란 탈붕영역이 형성되지 않았을 때보다 융점이 낮아진 붕소합금철분말을 말한다. 도 1의 철-붕소 상태도를 참조하여 설명하면, 철은 용융점이 1538℃이며 붕소는 2092℃이다. 철에 붕소가 64원자% 첨가되는 경우에는 1500℃에서 포정반응이 일어나고, 붕소가 17원자% 첨가되는 경우에는 상대적으로 낮은 온도인 1174℃에서 공정반응이 일어난다. 따라서 붕소합금철 내에서 붕소의 함량이 50원자%로부터 감소하여 17원자%에 이르기까지 붕소합금철의 융점은 1650℃에서 1174℃까지 감소하게 된다.
예를 들어, 붕소합금철분말 내 최초의 붕소함량이 50원자%였고, 이후 탈붕처리과정에서 탈붕소화에 의해 붕소합금철분말의 표면에 붕소함량이 17원자%인 탈붕영역이 형성되었다면, 이러한 탈붕영역이 형성됨에 따라 붕소합금철분말의 표면에서의 융점은 최초 1650℃에서 1174℃로 약 480℃ 정도의 감소를 나타내게 된다. 따라서 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말이란 붕소를 함유하고 있는 분말이 처음의 붕소함량보다 줄어들어 융점이 낮아진 붕소합금철분말이다.
또한, 붕소합금철분말은 규소(Si) 또는 탄소(C) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 탈붕소화에 의해 붕소합금철분말의 융점은 1174℃ 아래로 더욱 감소할 수 있게 된다. 이때 규소는 5중량% 이하, 그리고 탄소의 함량은 2중량% 이하일 수 있다.
이와 마찬가지로, 대상분말 또한 적어도 일부에 침붕영역이 형성되었다는 것은 침붕되기 전에 비해 융점이 감소된 부분을 가지는 것을 말할 수 있다. 예를 들어 도 1을 참조하여 설명하면, 대상분말이 순수한 철분말일 경우, 붕소합금철분말에 의해 침붕처리되어 붕소의 함량이 0에서 17원자%까지 증가됨에 따라 융점이 1538℃에서 공정온도인 1174℃까지 감소하게 된다. 또한 침붕영역이 붕소화합물로서 Fe2B가 형성되더라도 융점이 1389℃로서 순철의 1538℃에 비해 더 낮은 융점을 나타내게 된다.
이러한 대상분말은 붕소와 친화력을 가진 금속으로서, 붕소와 결합하여 붕소화합물을 형성할 수 있는 금속원소이면 제한이 없다. 예를 들어 철(Fe), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 코발트(Co), 알루미늄(Al), 규소(Si) 및 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예를 따르는 강관을 개략적으로 도시한 단면도이고, 구체적으로, 도 2에는 본 발명의 일 실시예를 따르는 강관의 x 방향에 대해 수직한 단면도가 도시되어 있고, 도 3 내지 도 5에는 y 방향에 대해 수직한 단면도가 도시되어 있다.
이하 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강관의 제조방법을 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예를 따르는 피복층이 형성된 강관을 제조하기 위한 강관(100)이 개략적으로 도시되어 있다. 강관(100)은 혼합분말이 배치되기 전 먼저 회전하면서 가열부(미도시)에 의해 가열될 수 있다. 물론, 강관(100) 내에 혼합분말(100)을 먼저 배치할 수 있으며, 혼합분말(100)은 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 적어도 일부에 침붕영역이 형성된 대상분말을 포함한다.
한편, 붕소합금철분말은 탈붕영역이 형성되지 않은 분말일 수 있고, 대상분말은 침붕영역이 형성되지 않은 분말일 수 있다. 그리고 붕소합금철분말과 대상분말 중 어느 하나만 탈붕영역 또는 침붕영역이 형성되지 않았을 수도 있다. 이런 경우 강관 내에서 붕소합금철분말의 탈붕처리 및/또는 대상분말의 침붕처리를 할 수 있다.
예를 들어, 대상분말에 침붕영역이 형성되지 않았을 경우, 대상분말을 붕소합금철분말과 접촉시켜 가열하면 붕소합금철분말로부터 붕소(B)가 대상분말 쪽으로 화학반응에 의해 이송 확산되어 대상분말에 침붕영역을 형성시킬 수 있으며, 대상분말이 침붕처리 되며 침붕영역이 형성되는 동안 붕소합금철분말은 탈붕되어 탈붕영역을 형성하게 되고 붕소합금철분말과 대상분말의 융점을 감소시킬 수 있게 된다. 이러한 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 침붕영역이 형성된 대상분말이 혼합된 혼합분말(200)은 침붕처리된 대상분말을 따로 분리하여 선별하는 과정을 거치지 않고, 그대로 이용할 수 있다.
강관(100)은 중공원통형의 파이프 형상을 가질 수 있으며, 회전하면서 가열부(미도시)에 의해 가열된 혼합분말(200)이 적어도 일부 또는 완전 용융되어 액상의 용융층(203)이 형성되고, 이 용융층(203)은 도 4와 같이 회전하고 있는 원심력에 의해 강관(100)의 내면에 붙게 되며, 냉각되면서 응고되어 의해 강관(100) 내에 피복층(205)을 형성할 수 있다. 혼합분말(200)에 있어서 붕소합금철분말은 5 내지 95중량%일 수 있으며, 나아가 10 내지 90중량%일 수 있다. 이때 붕소합금철분말과 대상분말의 평균 입도는 ASTM 표준체로 200 메쉬(mesh) 내지 20 메쉬일 수 있다.
강관(100) 내의 혼합분말은 붕소합금철분말과 대상분말이 혼합되고 여기에 크롬합금철분말 및/또는 용제(flux)를 더 혼합할 수 있다. 용제는 혼합분말이 용융되어 대기에 노출될 때 산화되는 것을 방지하고 유동도를 향상시킬 수 있다. 이러한 용제로는 예컨대 Na2B4O7, NaSiO3, NaHCO3, H3BO3, B2O3, CaSi, CaO, 3NaF 및 AlF3 등이 있으며, 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 크롬합금철분말은 탄소를 2중량% 이상 및 크롬을 50중량% 이상 포함할 수 있다. 크롬합금철분말은 크롬을 주성분으로 하고 철 및 탄소가 포함되어 있으며, 가격이 저렴하고, 저융점 붕소합금철분말과 비중이 유사하여 소결 및 원심주조 등의 주조를 할 때 균일하게 분산될 수 있다.
한편, 저융점 붕소합금철분말은 붕소합금철분말을 탈붕하여 제조할 수 있으며, 저융점 대상분말은 가격이 저렴한 철분말을 포함할 수 있다. 나아가, 저융점 대상분말은 사용 후 폐기된 쇼트볼 및 절삭칩 등을 원재료로 하여 이들을 침붕시켜 제조한 구조물로 대체될 수 있다. 이렇게 제조된 피막 또는 피복층의 경우 고농도 크롬에 의해 부동태 피막을 형성하며 HV1200에 달하는 매우 높은 경도를 얻을 수 있고, 내마모성, 내식성 및 고온산화특성이 우수한 강관을 얻을 수 있다. 또한, 폐기물을 원재료로 이용하므로 자원절감 및 환경오염을 방지할 수 있다.
크롬합금철분말을 혼합한 혼합분말에 있어서 크롬합금철분말은 5 내지 95중량% 포함될 수 있으며, 철, 크롬, 규소 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 크롬합금철분말의 평균 입도는 ASTM 표준체로 200 메쉬 내지 4 메쉬 일 수 있다.
혼합분말(200)을 강관(100)내에 배치하고 나면 강관(100)의 양단부를 덮개(미도시)로 막은 후 회전시키면서 강관(100)을 가열한다. 이때, 강관(100)의 회전수는 다음의 식 1에 의해 결정할 수 있다.
회전수=[G×107/5.6×강관내경(mm)]1/2 (식 1)
여기에서 G는 식 2로 나타낼 수 있다.
G=원심력/중력= 5.6×10-7×강관내경(mm)×회전수(rpm)2 (식 2)
본 발명의 일 실시예에 따른 피복층을 형성할 때 가해지는 회전속도는 혼합분말의 조성비에 따라 5G 내지 120G로 할 수 있다. 원심력은 중력가속도의 5배보다 작으면 적절한 원심주조가 이루어질 만큼의 원심력이 가해지지 않고, 중력가속도의 120배보다 크면 너무 과도한 힘이 가해지기 때문에 불필요할 수 있다.
다음, 강관(100) 내에 장입된 혼합분말(200)을 융점보다 높은 온도로 가열하여 고경도의 피복층(205)을 형성할 수 있다. 피복층(205)을 형성하기 위해선 혼합분말(200)은 먼저 용융 응고 되어야 한다. 먼저 혼합분말(200)을 용융시키기 위해 예를 들어, 가스연소가열, 전기저항가열 및 고주파유도가열 등의 가열 수단을 이용할 수 있으며 강관(100)의 외주면으로 투입되는 열을 발생시킬 수 있는 가열원이면 어떠한 형태라도 무방하다. 이때 가열 온도는 강관(100)의 용융온도보다 낮은 1000℃ 내지 1500℃ 범위로 가열할 수 있다.
가열 중에 강관(100)을 회전시키게 되면 혼합분말(200) 내의 분말들이 서로 균일하게 혼합되는 효과와 가열 수단을 통해 전달되는 열이 혼합분말(200)에 균일하게 전달되는 효과도 얻을 수 있다. 혼합분말(200)을 융점보다 높은 온도로 가열하게 되면 혼합분말(200)은 부분, 또는 완전 용융이 되고 강관(100)의 내면에 용융층(203)을 형성하게 된다. 이때, 붕소합금철분말의 적어도 일부가 용융되면서 생성된 액상이 침붕처리된 대상분말들을 감싸며 서로 결합할 수 있다. 물론 대상분말의 적어도 일부가 용융되어 붕소합금철분말과의 결합력을 강화 시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예를 따르는 강관 제조방법을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 강관(100) 내의 피복층(205)을 형성하기 위한 가열 수단으로서 고주파 유도가열을 사용할 수 있다. 고주파 유도가열기(300)는 코일로 감싸져 있으며, 적어도 한 개 이상이 강관의 외주면의 적어도 일부를 둘러싸며 배치될 수 있다.
예를 들어, 강관(100)의 일측인 +z 방향에 고주파 유도가열기(300) 한 개가 배치되고, 나머지 다른 한 개가 이와 반대되는 타측, -z 방향에 서로 마주보며 배치될 수 있다. 다른 예로서, 고주파 유도가열기(300)는 강관(100)의 원주 방향의 외주면을 모두 둘러싸도록 일체(一體)로서 배치될 수도 있다. 또 다른 예로서, 고주파 유도가열기(300)는 복수개로서 서로 이격되어 강관(100)의 원주 방향의 외주면을 따라 배치될 수도 있다. 고주파 유도가열기(300)는 국부 가열이 가능하며 이동부(미도시)에 연결되어 강관(100)의 길이 방향인 ±y 방향으로 이동할 수 있다.
이러한 고주파 유도가열기(300)를 가열부로 사용하여 강관(100) 내의 피복층(205)을 형성하는 방법으로는 먼저, 붕소합금철분말과 대상분말이 혼합되고 크롬합금철분말 및/또는 용제(flux)를 포함하는 혼합분말(200)을 강관에 장입한다. 이때 혼합분말(200)은 강관(100)의 ±y 방향에 걸쳐 균일하게 장입될 수 있다.
강관(100)은 회전될 수 있으며, 혼합분말(200)이 장입되기 전부터 회전할 수 있고, 장입하고 나서 회전할 수도 있다. 강관(100)이 회전하며 혼합분말(200)이 균일하게 혼합되는 동안 강관(100)의 일측 +y 방향으로부터 타측(-y 방향)까지 고주파 유도가열기(300)를 이동하며 국부 가열을 할 수 있다. 이때 고주파 유도가열기(300)는 300Hz 내지 5kHz의 주파수를 가지며 코일에 전력을 가하여 혼합분말(200)의 용융 온도인 1000℃ 내지 1500℃의 온도로 가열할 수 있다.
도 6의 I-I선을 따라 취한 단면은 도 3에 도시된 단면에 대응하며, 도 6의 II-II선을 따라 취한 단면은 도 5에 도시된 단면에 대응할 수 있다.
도면에 도시된 것과 같이, 혼합분말(200)은 강관(100)이 회전함에 따라 강관(100) 내에서 골고루 섞이며 바닥에 깔려 있을 수 있다. 이때, 고주파 유도가열을 진행하게 되면 가열부가 위치하게 되는 부분과 가까운 부분에 있는 강관(100) 내의 적어도 일부의 혼합분말(200)은 국부 가열되어 용융되고, 강관(100) 내에 적어도 일부 액상의 용융층(203)이 형성될 수 있다. 용융층(203)은 강관(100)이 회전함에 따라 강관(100)의 내면에 붙게 되고, 고주파 유도가열기(300)가 지나간 부위는 응고되어 피복층(205)을 형성할 수 있게 된다.
위에서 설명한 국부가열을 통한 피복층(205) 형성방법과는 달리 강관(100)의 전체를 고르게 가열하여 혼합분말(200)을 용융 시킨 뒤, 분말들이 부분 또는 완전 용융되어 서로 결합이 완료되었다고 판단되는 시점에 강관(100)의 가열을 중단 또는 가열수단을 제거하게 되면 강관(100)은 자연스럽게 냉각단계에 진입할 수도 있다. 이때 강관(100)을 계속 회전시키면서 냉각하게 되면 강관(100)과 맞닿는 부분부터 응고되기 시작하여 내면의 부분이 마지막에 응고하게 되고, 고경도의 피복층(205)을 형성할 수 있게 된다. 이때, 별도의 냉각장치(미도시)를 구비하여 급속으로 응고시키는 것도 가능하다.
한편, 마모, 윤활 및 산화 등의 특성을 개선하기 위해 피복층(205)을 형성하는데 있어서 혼합분말(200)을 미리 적어도 일부 또는 완전 용융하여 용융금속을 강관(100) 내에 장입하고, 가열 용융 시킨 뒤 회전하면서 냉각할 수도 있다.
이렇게 제조된 철-붕소 합금으로 이루어진 피복층(205)은 용융점이 낮으면서 젖음성(wettability)이 우수한 성질을 가질 수 있다. 또한, 이러한 특성을 만족시키기 위해 첨가하는 각종원소 예를 들어 텅스텐카바이드(WC), 바나듐(V), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 붕소(B), 규소(Si), 탄소(C) 등을 넣지 않아도 되기 때문에 추가적인 비용부담이 발생하지 않고, 동시에 경화능이 우수하여 별도의 열처리를 하지 않아도 매우 높은 경도 및 강도를 얻을 수 있다. 또한, 탈붕처리 및 침붕처리에 따라 상대적으로 융점이 감소한 저융점 특성을 가지고 있기 때문에 피복층(205)을 형성하기 위해 가열하는 온도가 낮고, 분말간 융착특성의 향상으로 더 우수한 결합력을 가진 분말 결합체를 제조할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 일 실시예를 따르는 강관의 y 방향에 대해 수직한 단면도가 도시되어 있다. 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 강관을 설명하면 다음과 같다.
강관(100)은 위에서 설명한 것과 같이 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 적어도 일부에 침붕영역이 형성된 대상분말이 용융되고, 응고되어 피복층(205)을 형성한다. 이때 피복층(205)의 조직은 기지금속 또는 결합재로서 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 적어도 일부에 침붕영역이 형성된 대상분말이 가열되어 용융되고, 다시 냉각되어 응고된 조직을 가질 수 있다. 그리고 붕소합금철분말의 적어도 일부가 용융되어 대상분말을 접촉하여 감싸고 있는 조직을 형성할 수도 있다.
강관 내부면의 피복층(205)의 조직은 강화재로서 입상의 크롬합금철을 더 포함할 수 있다. 크롬합금철을 더 포함함으로써 높은 경도를 얻을 수 있고, 우수한 내마모성과 고농도 크롬에 의한 부동태 피막도 형성할 수 있다. 크롬은 붕소합금철분말과 비중이 유사하므로 조직 내에 고르게 분산될 수 있으며 우수한 내식성과 고온산화특성을 얻을 수 있게 되어 예를 들어, 강관 내에서 고압으로 이송되는 콘크리트 슬러리의 자갈 및 모래 등에 의해 생기는 마모 등을 효과적으로 방지 할 수 있다.
이때 강화재는 10중량% 내지 80중량%의 크롬, 2중량% 내지 10중량%의 탄소, 2.5중량% 이하의 규소와 철을 포함할 수 있고, 결합재는 5원자% 내지 35원자%의 붕소를 함유할 수 있다. 결합재는 철 및 붕소를 포함할 수 있으며, 강화재는 철, 크롬, 규소 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
위와 같이, 내마모성을 갖는 강관 내면의 피복층을 형성하는 물질에는 철, 크롬, 규소, 탄소 및 붕소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어 피복층은 10중량% 이하의 붕소, 60중량% 이하의 크롬, 10중량% 이하의 탄소, 2.5% 이하의 규소를 포함할 수 있다.
한편 피복층의 붕소 함유량은10중량% 이하(0 초과)의 범위를 가질 수 있다. 붕소가 함유됨에 따라 결합재의 용융온도를 낮추고 경도를 높이는 효과를 가질 수 있으나, 그 함량이 10중량%를 초과하는 경우, 용융 응고시 피복층에 기포를 발생시킬 수 있고, 붕소화합물을 형성하여 피복층의 취성을 증가시킬 수 있다.
피복층 내에 크롬이 함유됨에 따라 높은 경도, 내마모성, 내식성 및 우수한 고온산화특성이 나타날 수 있으나, 60중량% 초과하는 경우 결합재의 첨가량이 적어져 오히려 용융결합력을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 많은 양의 첨가는 취성을 초래하며 동시에 경도 증가 효과도 떨어지게 되므로 60중량% 이하의 크롬을 포함하도록 한다.
피복층의 용융온도를 낮추고 크롬탄화물을 형성하여 높은 경도 즉 우수한 내마모성을 얻기 위해 탄소를 첨가할 수 있다. 탄소의 첨가량이 10중량%를 초과하게 되면 그 효과가 미미하게 되므로 10중량% 이하(0초과)에서 첨가될 수 있다. 이와 더불어 피복층의 규소 첨가량은 2.5중량% 이하(0초과)로 첨가할 수 있는데, 이렇게 되면 기계적 성질을 저하시킴 없이 용융온도를 낮추고 탈산효과를 얻을 수 있기 때문이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
[실험예 1]
표 1에는 본 발명에 따른 실시예로서 강관을 제조하기 위해 사용한 분말 혼합비에 따른 피복층의 화학성분 및 경도가 나타나 있다.

피복층
 분말혼합(wt%) 피복층의 화학성분
경도
(HV)
붕소(B)
표면합금
쇼트볼		 붕소(B)
표면합금
순철분말
Fe-Cr
Cr
Si
B
C
Fe
실험예 1 100 - - - 0.25 1.85 0.42 Bal. 950
실험예 2 75 - 25 14.5 0.74 1.45 2.45 Bal. 1000
실험예 3 50 - 50 28.5 1.45 0.94 4.55 Bal. 1200
실험예 4 25 - 75 39.5 2.25 0.55 5.52 Bal. 1200
실험예 5 - 100 - - 0.2 1.75 0.18 Bal 875
실험예 6 - 75 25 13.5 0.55 1.25 2.25 Bal. 985
실험예 7 - 50 50 29.5 1.35 0.85 4.25 Bal. 1150
실험예 8 - 25 75 40.5 2.15 0.65 4.95 Bal. 1100
실험예 1 내지 4의 붕소(B)표면합금 쇼트볼은 10중량%의 붕소합금철 분말과 90중량%의 쇼트볼을 혼합하여 950℃에서 3시간 동안 침붕 및 탈붕처리하여 제조한 것이며, 실험예 5 내지 8의 붕소(B)표면합금 순철분말은 10중량%의 붕소합금철분말과 90중량%의 순철분말을 혼합하여 950℃에서 3시간 동안 침붕 및 탈붕처리하여 제조한 것이었다.
실험예 1은 이렇게 제조된 붕소(B)표면합금 쇼트볼을 이용하여 피복층을 형성한 것이며, 실험예 2 내지 4는 이렇게 제조된 붕소(B)표면합금 쇼트볼과 크롬합금철분말의 혼합비율을 표 1과 같은 3:1, 1:1, 1:3의 비율로 변화시키면서 피복층을 형성한 것이었다. 한편 실험예 5는 붕소(B)표면합금 순철분말을 이용하여 피복층을 제조한 것이며, 마찬가지로 실험예 6 내지 8은 이렇게 제조된 붕소(B)표면합금 순철분말과 크롬합금철분말의 혼합비율을 표 1과 같은 3:1, 1:1, 1:3의 비율로 변화시키면서 피복층을 형성한 것이었다. 실험예 1 내지 4 및 실험예 5 내지 8 모두 30G로 회전시키면서 유도가열장치에 의해 1250℃로 가열 용융 응고시켜 제조 하였다.
도 7은 피복층이 형성된 강관 일부분의 단면을 보여주는 사진으로 도 7과 같이 강관(은색) 내에 피복층(어두운 회색 부분)이 형성되었다.
표 1을 참조하면, 실험예 1 내지 8 모두 경도가 HV800 내지 HV1200 범위로서 매우 높으며, 크롬합금철분말의 첨가로 인해 경도가 더욱 더 증가한 것을 확인할 수 있었다.
도 8 내지 도 10은 크롬합금철 분말 첨가량에 따른 강관 내 피복층의 단면경도를 나타낸 그래프로서, 도 8은 실험예 2의 그래프이고, 도 9는 실험예 3의 그래프, 도 10은 실험예 4의 그래프이다. 표 1 및 도 8 내지 도 10에서도 알 수 있듯이, 크롬합금철분말을 25중량% 첨가하게 되면 HV1000으로 크롬합금철을 첨가하지 않았을 경우에 비해 약 50 정도 더 높은 경도를 얻을 수 있었다. 크롬합금철분말을 50중량% 첨가하였을 경우에는 HV1200에 달하는 매우 높은 경도를 얻을 수 있었고, 75중량%를 첨가하였을 경우에도 같은 경도를 확인할 수 있었다.
도 11 내지 도 13은 크롬합금철 분말 첨가량에 따른 강관 내 피복층의 미세조직으로서 도 11은 실험예 2의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 12는 실험예 3의 미세조직을 관찰한 결과로서, 미세한 크롬합금철 입자(연한회색 부분)가 기지에 생성된 것을 볼 수 있다. 또한 도 13은 실험예 4의 미세조직을 관찰한 결과로서, 크롬합금철분말을 75중량% 첨가 하였을 때 용융되지 않은 커다란 입상의 크롬합금철분말을 확인할 수 있었다. 즉 크롬합금철 분말이 첨가됨에 따라 조직이 미세해지고, 고경도의 용융 크롬합금철 입자들이 존재하여 경도가 증가하는 것으로 볼 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 강관 200: 혼합분말
203: 용융층 205: 피복층
300: 고주파 유도가열기

Claims (26)

  1. 적어도 일부에 탈붕영역이 형성된 붕소합금철분말과 적어도 일부에 침붕영역이 형성된 대상분말을 혼합한 혼합분말을 준비하는 단계;
    상기 혼합 분말을 강관 내에 배치하는 단계; 및
    상기 혼합분말이 배치된 상기 강관을 회전하면서 가열 및 냉각함으로써 상기 혼합분말을 가열 용융 응고하여 상기 강관의 내부면에 피복층을 형성하는 피복층 형성 단계;
    를 포함하고,
    상기 탈붕영역은 탈붕처리에 의해 붕소의 함량이 낮아짐에 따라 상기 탈붕처리 전에 비해 더 낮은 융점을 갖고,
    상기 침붕영역은 침붕처리에 의해 붕소의 함량이 높아짐에 따라 상기 침붕처리 전에 비해 더 낮은 융점을 갖는,
    강관 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합분말을 준비하는 단계는,
    붕소를 포함하는 붕소합금철분말과 대상분말을 혼합하는 단계; 및
    혼합된 상기 붕소합금철분말과 상기 대상분말을 함께 열처리함으로써, 상기 대상분말의 적어도 일부를 침붕처리하여 상기 침붕영역을 형성하면서 상기 붕소합금철분말의 적어도 일부를 탈붕처리하여 상기 탈붕영역을 형성하여 상기 혼합분말을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 강관 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 붕소합금철분말은 규소 또는 탄소 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는, 강관 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 대상분말은 철, 티타늄, 크롬, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 몰리브덴, 니켈, 코발트, 알루미늄, 규소 및 텅스텐 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 강관 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합분말 중에서 상기 붕소합금철분말의 함량은 5중량% 내지 95중량%인, 강관 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 붕소합금철분말과 상기 대상분말의 평균 입도는 ASTM 표준체로 200 메쉬 내지 20 메쉬인, 강관 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 강관 내의 상기 혼합분말은 크롬합금철분말 및 용제(flux) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는, 강관 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 크롬합금철분말은 탄소를 2중량% 이상 및 크롬을 50중량% 이상 포함하는, 강관 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 혼합분말 중에서 상기 크롬합금철분말의 함량은 5중량% 내지 95중량%인, 강관 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 크롬합금철분말은 철, 크롬, 규소 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 강관 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 크롬합금철분말의 평균 입도는 ASTM 표준체로 200 메쉬(mesh) 내지 4 메쉬인, 강관 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 강관의 회전속도는 5G 내지 120G 이며, 상기 G는 아래와 같은 식으로 표현되는, 강관 제조방법.
    G=원심력/중력= 5.6×10-7×강관내경(mm)×회전수(rpm)2
  14. 제1항에 있어서,
    상기 피복층 형성단계에서,
    상기 가열은 가스연소가열, 전기저항가열 및 고주파유도가열 중 어느 하나를 이용하여 수행되는, 강관 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 피복층 형성단계에서,
    상기 가열은 가열온도가 1000℃ 내지 1500℃ 범위에서 수행되는, 강관 제조방법.
  16. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 강관 제조 방법을 이용하여 형성한 강관으로서,
    상기 강관은,
    강관 내부면에 피복층을 포함하고,
    상기 피복층의 조직은, 기지금속 또는 결합재로서 적어도 일부에 상기 탈붕영역이 형성된 상기 붕소합금철분말과 적어도 일부에 상기 침붕영역이 형성된 상기 대상분말이 용융된 후 응고된 조직을 갖는, 강관.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 피복층의 조직은 강화재로서 크롬합금철을 더 포함하는, 강관.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 강화재는 철, 10중량% 내지 80중량%의 크롬, 2중량% 내지 10중량%의 탄소 및 0 중량% 초과 내지 2.5중량% 이하의 규소를 포함하는, 강관.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 결합재는 철 및 붕소를 포함하고, 상기 강화재는 철, 크롬, 실리콘 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 강관.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 결합재는 붕소의 함량이 5원자% 내지 35원자% 인, 강관.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 피복층은 철, 크롬, 규소, 탄소 및 붕소 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 강관.
  22. 제21항에 있어서
    상기 붕소의 함유량은 0 중량% 초과 내지 10중량% 이하의 범위를 가지는, 강관.
  23. 제21항에 있어서
    상기 탄소의 함유량은 0 중량% 초과 내지 10중량% 이하의 범위를 가지는, 강관.
  24. 제21항에 있어서
    상기 크롬의 함유량은 0 중량% 초과 내지 60중량% 이하의 범위를 가지는, 강관.
  25. 제21항에 있어서
    상기 규소의 함유량은 0 중량% 초과 내지 2.5중량% 이하의 범위를 가지는, 강관.
  26. 붕소를 포함하는 붕소합금철분말과 금속을 포함하는 대상분말을 혼합한 혼합 분말을 강관 내에 배치하는 배치 단계;
    상기 강관을 회전시키면서 가열하여, 상기 붕소합금철분말의 적어도 일부를 탈붕하여 탈붕 역역을 형성하고 상기 대상분말의 적어도 일부를 침붕하여 침붕영역을 형성하는 반응 단계; 및
    탈붕된 상기 붕소합금철분말과 침붕된 상기 대상분말을 함께 가열 용융 응고하여 상기 강관의 내부면에 피복층을 형성하는 피복층 형성 단계;
    를 포함하고,
    상기 탈붕영역은 탈붕처리에 의해 붕소의 함량이 낮아짐에 따라 상기 탈붕처리 전에 비해 더 낮은 융점을 갖고,
    상기 침붕영역은 침붕처리에 의해 붕소의 함량이 높아짐에 따라 상기 침붕처리 전에 비해 더 낮은 융점을 갖는,
    강관 제조방법.
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