KR101479646B1 - 초경합금제 메카니칼 실 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초경합금제 메카니칼 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는, 상층부 링 소결체를 초경합금을 사용하여 내식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있는 초경합금제 메카니칼 실 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초경합금제 메카니칼 실 제조방법은 초경 합금 분말을 준비하는 단계; 상기 초경 합금 분말로 초경 합금의 상층부 링 성형체를 성형하는 단계; 상기 초경 합금의 상층부 링 성형체를 소결하여 초경 합금의 상층부 링 소결체를 형성하는 단계; 상기 초경 합금의 상층부 링 소결체를 스테인레스강 또는 스틸소재로 구성된 하층부 링의 상단면에 접합하여 복합 링을 형성하는 단계 및 상기 복합 링을 진공로에서 가열하여 초경 합금의 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 접합층에서 확산 접합이 이루어지도록 하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

초경합금제 메카니칼 실 제조방법 { Cemented carbide mechanical seal maunfacturing method }

본 발명은 초경합금제 메카니칼 실 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는, 상층부 링 소결체를 초경합금을 사용하여 내식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있는 초경합금제 메카니칼 실 제조방법에 관한 것이다.

메카니칼 실(Mechanical seal)은 면 접촉식 밀봉장치로 회전축(Shaft)에 수직된 2개의 섭동면(고정자,회전자)로 구성되어 한 면이 회전축과 함께 회전하며 스프링의 장력 혹은 유체의 압력으로 회전부의 밀봉을 지속적으로 유지하는 장치이다.

메카니칼 실은 회전축의 누설방지에 절대적으로 필요한 장치이며 메카니칼 실 표면의 윤활은 자체적으로 형성되는 유체막에 의해 이루어진다.

초경합금은 탄화(炭化)텅스텐(WC), 탄화티탄(TiC) 등의 매우 단단한 금속간 화합물의 분말과 결합체로써 코발트 등의 분말을 혼합한 것을 압축 성형하고 고압으로 가열하여 소결한 합금이다.

스테인레스 강은 낮은 탄소 함량과 더불어 크롬은 뛰어난 내식성(耐蝕性)과 내열성(耐熱性)을 나타낸다. 특수 환경에서의 내식성을 증가시키거나 내산화성(耐酸化性)을 높이거나 특수한 성질을 갖도록 니켈·몰리브덴·티탄·알루미늄·니오브·구리·질소·황·인·셀렌 등을 첨가하기도 한다.

대부분의 스테인리스강은 먼저 전기로(爐)나 염기성 산소로에서 용융(熔融)시킨 다음, 주로 탄소 함량을 낮추기 위해 다른 제강로에서 정련(精鍊)한다. 아르곤-산소 탈탄소 과정에서는 산소와 아르곤 기체의 혼합물을 용융 상태의 강철에 주입한다. 산소와 아르곤의 비율을 조절함으로써 탄소를 일산화탄소로 산화(酸化)시키는 동시에 값비싼 크롬을 산화시켜 상실하는 일이 없도록 탄소를 원하는 수준으로 제거하는 것이 가능하다. 따라서, 탄소가 많이 포함된 크롬철과 같은 값싼 원료 물질을 최초의 용융 과정에 사용할 수 있다.

한편, 종래의 메카니칼 실은 회전축과의 접촉에 의해서 메카니칼 실과 회전축과의 마찰면에서 마모가 급속하게 진행되어 수명이 짧은 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 회전축과 접촉하는 부분에 내식성 및 내마모성이 우수한 재료를 사용한 메카니칼 실에 대한 필요성이 높아지고 있다.

본 발명의 일 실시예는 상층부 링 소결체를 초경합금을 사용하여 내식성 및 내마모성을 향상시키고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, WC-Ni-Si-B계 합금으로 구성된 상층부 링 소결체; 스테인레스 강 또는 스틸소재로 구성된 하층부 링 및 상기 상층부 링 소결체 및 상기 하층부 링이 확산접합에 의해서 형성된 접합층을 포함하는 초경합금제 메카니칼 실이 제공될 수 있다.

또한, 상기 WC-Ni-Si-B계 합금은 WC(텅스텐 카바이드) 65 내지 85 질량%, Ni(니켈) 10 내지 30 질량%, 실리콘(Si) 1 내지 3 질량% 및 보론카바이드(B4C) 1 내지 5 질량%를 포함할 수 있다.

또한, 상기 메카니칼 실은 진공로에서 1050℃ 내지 1150℃의 온도 범위에서 15분 내지 60분간 가열하여 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 상기 접합층에서 확산 접합이 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 초경 합금 분말을 준비하는 단계; 상기 초경 합금 분말로 초경 합금의 상층부 링 성형체를 성형하는 단계; 상기 초경 합금의 상층부 링 성형체를 소결하여 초경 합금의 상층부 링 소결체를 형성하는 단계; 상기 초경 합금의 상층부 링 소결체를 스테인레스강 또는 스틸소재로 구성된 하층부 링의 상단면에 접합하여 복합 링을 형성하는 단계 및 상기 복합 링을 진공로에서 가열하여 초경 합금의 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 접합층에서 확산 접합이 이루어지도록 하는 단계를 포함하는 특징으로 하는 초경합금제 메카니칼 실 제조방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 확산 접합이 이루어지도록 하는 단계에서는 진공로에서 1050℃ 내지 1150℃의 온도 범위에서 15분 내지 60분간 가열하여 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 상기 접합층에서 확산 접합이 이루어질 수 있다.

또한, 상기상층부 링 소결체는 WC(텅스텐 카바이드) 65 내지 85 질량%, Ni(니켈) 10 내지 30 질량%, 실리콘(Si) 1 내지 3 질량% 및 보론카바이드(B4C) 1 내지 5 질량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 메카니칼 실은 상층부 링 소결체를 초경합금을 사용하여 내식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초경합금제 메카니칼 실에 대한 전체 사시도, 평면도 및 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초경합금제 메카니칼 실 제조방법에 대한 순서도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 접합부의 SEM 광학사진의 SEI 이미지와 COMPO 이미지를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 초경 합금제 메카니칼 실의 접합부에 대한 FE-SEM EDS 분석의 시료 위치를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초경합금제 메카니칼 실에 대한 전체 사시도, 평면도 및 측면도이다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초경합금제 메카니칼 실 제조방법에 대한 순서도이다. 도 3a 및 도 3b는 각각 접합부의 SEM 광학사진의 SEI 이미지와 COMPO 이미지를 도시하고 있다. 도 4는 본 발명에 따라 제조된 초경합금제 메카니칼 실의 접합부에 대한 FE-SEM EDS 분석의 시료 위치를 나타낸 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 초경합금제 메카니칼 실의 제조 방법에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이,

초경 합금 분말을 준비하는 단계(S110)와

상기 초경 합금 분말로 초경 합금의 상층부 링 성형체를 성형하는 단계(S120)와 상기 초경 합금의 상층부 링 성형체를 소결하여 초경 합금의 상층부 링 소결체를 형성하는 단계(S130)와

상기 초경 합금의 상층부 링 소결체를 스테인레스강으로 구성된 하층부 링의 상단면에 접합하여 복합 링을 형성하는 단계(S200)와;

상기 복합 링을 진공로에서 가열하여 초경 합금의 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 접합층에서 확산 접합이 이루어지도록 하는 단계(S300)를 포함하여 이루어지는 초경합금제 메카니칼 실의 제조 방법이 제공된다.

여기에서, 상기 초경 합금 분말은 WC-Ni-Si-B계 합금 분말이 사용되고, 그 소결체로 구성되는 것이 내마모성 뿐만 아니라 내식성을 제공한다는 측면에서 더욱 바람직하다.

또한, 상기 복합 링을 형성하는 단계(S200) 이전에 스테인레스강으로 구성된 하층부 링를 준비하는 단계(S150)가 상기 'S110'의 단계, 상기 'S120'의 단계, 및 상기 'S130'의 단계와 동시 또는 별도로 수행됨은 물론이다.

그리고, 상기 확산 접합이 이루어지도록 하는 단계(S300)에서는, 상기 복합 링(10, 20)을 진공로에서 1050℃ 내지 1150℃의 온도 범위에서 15분 내지 60분간 가열하여 하층부 링(10)과 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)의 계면을 포함한 접합층(15)에서 확산 접합이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부 도면 도 1a 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 보다 구체적인 실시예에 대하여 살펴보기로 한다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초경합금제 메카니칼 실(100)은 도 1a, 도 1에 도시된 바와 같이, WC-Ni-Si-B계 합금으로 구성된 상층부 링 소결체(20), 스테인레스 강으로 구성된 하층부 링(10) 및 상층부 링 소결체(20) 및 하층부 링(10)이 확산접합에 의해서 형성된 접합층(15)을 포함할 수 있다.

또한, 하층부 링(10)은 스테인레스 강 뿐만 아니라 일반 스틸 소재로도 구성될 수 있다.

WC-Ni-Si-B계 합금은 WC(텅스텐 카바이드) 65 내지 85 질량%, Ni(니켈) 10 내지 30 질량%, 실리콘(Si) 1 내지 3 질량% 및 보론카바이드(B4C) 1 내지 5 질량%를 포함할 수 있다. 이와 같이 구성성분을 구성함으로써 확산접합 온도가 1050 도 내지 1150도 범위를 유지할 수 있다. 이 범위를 벗어날 경우 확산접합 온도가 상승하게 된다. 확산접합 온도가 상승하여 1150℃의 온도를 초과하여 너무 장시간 가열되면 접합부에서의 확산층의 범위의 너무 크게 확대되어서 접합 강도가 낮아지게 된다.

한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초경합금제 메카니칼 실은 진공로에서 1050℃ 내지 1150℃의 온도 범위에서 15분 내지 60분간 가열하여 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 상기 접합층에서 확산 접합이 이루어진다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 스테인레스강 하층부 링(10)과 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)의 계면을 포함한 접합층(15)에서 확산접합이 이루어져 형성되는 초경합금제 메카니칼 실(100)을 제조하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면,

먼저 WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 합금 분말을 준비하는 단계(S110)가 진행되면서, 본 발명에 따른 초경합금제 메카니칼 실(100)의 상층부는 내마모성이 특히 요구되기에 이 부분을 초경합금 소결체로 구성하기 위하여 초경 합금의 합금 분말을 준비하게 되는데, 평균 입경이 5㎛인 WC(텅스텐 카바이드) 분말 65~85 질량%와, 평균 입경이 1㎛인 Ni(니켈) 분말 10~30 질량%와, 그리고 실리콘(Si) 1~3질량% 및 보론카바이드(B4C) 1~5 질량%를 10~40시간 동안 볼 밀(ball mill) 또는 어트라이터(attritor)로 습식 혼합한 후 스프레이 드라이어 등으로 건조시켜서 상층부용 초경합금의 원료 분말을 형성한다(단계 'S110' 참조).

그리고는, 상층부용 초경합금의 원료 분말을 사용하여 상층부 링 성형체를 제작하는 단계의 하나의 실시예로서 예컨대 상층부 링 성형체가 제작되고(단계'S120' 참조), 이와 같이 만들어진 상층부 링 성형체를 진공 소결로에서 1050℃ ~ 1150℃의 온도 범위에서 30분 내지 120분의 시간 동안 소결하여 본 발명 에 따른 초경합금제 메카니칼 실(100)에 직접적으로 사용되는 상층부 링 소결체(20)를 얻게 된다(단계 'S130' 참조).

이와 동시 또는 이와는 별도로, 스테인레스강 하층부 링(10)을 준비하는 단계(S150)가 진행되는데, 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 구조와 같이 본 발명에 따른 초경합금제 메카니칼 실(100)의 하층부용으로 스테인레스강 소재를 사용하여 만들어지고 이에 따라서 스테인레스강으로 구성된 하층부 링(10)이 준비된다(단계 'S150' 참조). 여기에서, 하층부 링(10)은 스테인레스 강 뿐만 아니라 일반 스틸 소재로도 구성될 수 있다.

또한, 상기 하층부 링(10)의 상단에 상기 상층부 링 소결체(20)를 접합하여 복합 링(10, 20)을 형성한다(단계 'S200'참조).

나아가서, 상기 복합 링(10, 20)을 진공로(바람직하기로, 10^-2torr 이하의 진공 상태)에서 1050℃ 내지 1150℃의 온도 범위에서 15분 내지 60분간 가열하여 WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)와 스테인레스강으로 구성된 하층부 링(10)의 계면을 포함한 접합층(15)에서 확산 접합이 이루어지게 된다(단계 'S300' 참조).

여기에서, 상기한 1050℃ 내지 1150℃의 온도 범위와 시간 범위는 WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 바인더로 포함된 성분들의 액상 출현 온도가 되는 1050℃ 이상의 온도가 되어야 확산 접합이 이루어지며, 그리고 1150℃의 온도를 초과하여 너무 장시간 가열되면 접합부에서의 확산층의 범위의 너무 크게 확대되어서 접합 강도가 낮아지게 때문에 본 발명의 목적 달성에 필요한 한정적 제한이 된다.

이상에서 설명된 본 발명에 따른 바람직한 방법 발명의 실시예에 따라서 제조된 초경합금제 메카니칼 실(100)에서, 스테인레스강 하층부 링(10)과 WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)의 계면을 포함한 접합층(15)에서의 확산 접합 상태를 확인하기 위하여 그 접합부 주위에 대한 SEM 광학 사진을 촬영하였으며, 도 3a 및 도 3b는 각각 접합부의 SEM 광학사진의 SEI 이미지와 COMPO 이미지를 나타내었다.

도 3a의 SEI 이미지 및 도 3b의 COMPO 이미지 상에서 위 부분은 WCNi-Si-B계 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)이고, 아래 부분은 스테인레스강으로 구성된 하층부 링(10)이며, 그리고 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)와 스테인레스강 하층부 링(10)이 만나는 계면을 포함한 접합층(15)을 나타내고 있다. 이들 사진 영상에 나타난 바와 같이 접합층(15)에서는 색상과 유사한 색상의 쐐기부(15a)가 하층부 링(10)의 내부로 연장되어 있는 것을 확인할 수 있는데, 본 발명에 따른 제조 방법에 따르면 스테인레스강 하층부 링(10)과 WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)의 계면을 포함한 접합층(15)에 형성되는 이러한 쐐기부(15a)로 인하여 상기 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)와 하층부 링(10) 사이의 접합 특성이 크게 향상되는 효과를 발휘하게 된다.

그리고, 본 발명의 효과를 보다 구체적으로 확인하기 위하여 WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)와 스테인레스강 하층부 링(10)을 진공로(바람직하기로, 10^-2torr 이하의 진공 상태)에서 1090℃의 온도에서 30분간 가열하여 확산 접합시킨 접합체, 즉 본 발명에 따라 제조된 초경합금제 메카니칼 실(100)의 접합부의 특정 위치에서의 시료(도 4에 나타난 사료 위치)에 대한 FE-SEM EDS 분석(에너지 분산 분광 분석; Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 실시하였으며, 그 결과는 다음의 표 1 및 첨부된 도면 도 4에 나타낸 바와 같다.

도 4에 도시된 바와 같이 WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 상층부 링 소결체(20) 중에서 중간 부분에 해당하는 도면부호 '①'의 위치 시료에 대한 FE-SEM EDS 분석 결과에 따르면 그 조성비가 61.74wt%의 W(텅스텐)와 6.01wt%의 C(탄소) 및 31.23wt%의 Ni(니켈)과 1.02wt%의 Si(실리콘)의 조성비를 가진 것으로 분석되었고, WC-Ni-Si-B계 초경 합금의 상층부 링 소결체(20) 중에서 하층부 링(10)과의 접합층(15)에 보다 가까운 위치에 해당하는 도면부호 '②'의 위치 시료에 대한 FE-SEM EDS 분석 결과에 따르면 그 조성비가 51.15wt%의 W, 6.05wt%의 C, 29.67wt%의 Ni, 10.06wt%의 Fe, 0.97wt%의 Si, 및 2.10wt%의 O의 조성비를 가진 것으로 분석되어서 접합층(15) 근처에서는 하층부 링(10)에서 초경 합금의 상층부 링 소결체(20)로 철(Fe) 성분이 확산하여 들어갔음을 확인할 수 있었다. 그리고, 접합층(15)에 해당하는 도면부호 '③'의 위치에서의 결과에 따르면 6.55wt%의 C, 49.01wt%의 Ni, 39.03wt%의 Fe, 2.61wt%의 Si, 및 2.80wt%의 O의 조성비로서 주로 Ni-Fe-Si상(고용체)으로 나타내어졌다.

또한, 하층부 링(10)의 내부인 도면부호'④'의 위치 시료에 대한 FE-SEM EDS 분석 결과에 따르면 86.08wt%의 Fe, 6.70wt%의 Ni, 5.18wt%의 C, 및 2.04wt%의 O의 조성비를 나타내었다.

이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.

10: 하층부 링
15: 접합층
20: 상층부 링 소결체
10,20 : 복합 링
100: 초경합금제 메카니칼 실

Claims (3)

1. 초경 합금 분말을 준비하는 단계;
   상기 초경 합금 분말로 초경 합금의 상층부 링 성형체를 성형하는 단계;
   상기 초경 합금의 상층부 링 성형체를 소결하여 초경 합금의 상층부 링 소결체를 형성하는 단계;
   상기 초경 합금의 상층부 링 소결체를 스테인레스강 또는 스틸소재로 구성된 하층부 링의 상단면에 접합하여 복합 링을 형성하는 단계 및
   상기 복합 링을 진공로에서 가열하여 초경 합금의 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 접합층에서 확산 접합이 이루어지도록 하는 단계를 포함하고,
   상기 상층부 링 소결체는,
   WC(텅스텐 카바이드) 65 내지 85 질량%, Ni(니켈) 10 내지 30 질량%, 실리콘(Si) 1 내지 3 질량% 및 보론카바이드(B4C) 1 내지 5 질량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 초경합금제 메카니칼 실 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 확산 접합이 이루어지도록 하는 단계에서는,
   진공로에서 1050℃ 내지 1150℃의 온도 범위에서 15분 내지 60분간 가열하여 상층부 링 소결체와 하층부 링의 계면을 포함한 상기 접합층에서 확산 접합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 초경합금제 메카니칼 실 제조 방법.
   
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