KR101565728B1 - 초경합금 성형체 파쇄 입자를 모재에 용융시켜 초경층을 형성시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텅스텐카바이드(WC), 타이타니엄카바이드(TiC) 등의 물질로 만들어져서 선반이나 밀링 기타 공작기계 등에서 금속을 절삭하는데 사용되는 초경합금 성형체를 파쇄하여 만들어진 입자상 재료를 사용하여 내마모성과 내충격성을 갖는 표면층을 모재 표면에 전기 아아크를 이용하여 초경층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 폐기되는 초경합금을 분쇄 또는 파쇄하여 초경합금 입자를 준비하는 단계; 모재 위에 초경합금 입자를 올려 놓되, 상기 모재 위에 놓여지는 초경합금 입자의 입경은 모재의 두께가 5 mm 이상인 경우에는 2 ~ 4 mm, 모재의 두께가 5 mm 이하인 경우에는 1 ~ 3 mm 인 입자를 올려 놓는 단계; 상기 초경합금 입자가 올려진 모재를 아크를 이용하는 용접으로 용융시키되 미량의 경납 파우더와 함께 모재와 초경합금 입자를 함께 용융시켜 용접 육성층을 형성하는 단계; 상기 아크에 의해 용접 육성층을 형성한 후 용융 풀이 냉각되기 전에 초경 입자를 용융 풀 상에 골고루 분포시켜 용융시키되 상기 용융 풀에 분포시키는 초경 입자의 직경은 1 mm 이하이고 상기 용융 풀에 상에 상기 초경 입자를 1 ~ 2 mm 두께로 분포시키는 단계; 및 상기 용접 육성층에 의해 형성된 합금강 피복층에 대해 후열처리를 하는 단계;를 포함하는 초경층 형성 방법이다.

Description

초경합금 성형체 파쇄 입자를 모재에 용융시켜 초경층을 형성시키는 방법 {Method for Forming Hard Metal Cemented Carbide Layer by Welding Work Pieces with Cemented Carbide Powder}

본 발명은 텅스텐카바이드(WC), 타이타니엄카바이드(TiC) 등의 물질로 만들어져서 선반이나 밀링 기타 공작기계 등에서 금속을 절삭하는데 사용되는 초경합금 성형체를 파쇄하여 만들어진 입자상 재료를 사용하여 내마모성과 내충격성을 갖는 표면층을 모재 표면에 전기 아아크를 이용하여 초경층을 형성시키는 방법에 관한 것이다.

산업현장에서 초고도의 내마모성을 요구하는 부위가 있는 경우, 금속분말 고경도의 텅스텐 카바이드, 크로미움 카바이드, 티타니움 카바이드, 보론카바이드 등의 금속분말을 사용하여, HVOF(High Velocity Oxygen Fluid) 제트 용사법과 아크 용사법로 초경성 내마모층을 형성시킴으로써, 조직이 치밀하고 경도가 아주 높으며 내마모성이 우수한 합금층을 만들어 사용하고 있다.
하지만 이러한 방식은 초고가의 금속분말을 사용하여야 하기 때문에 비용이 매우 높게 발생하고, 원료가 초고가인 점에서 실제 생성하는 초경합금층의 두께가 제한적일 수밖에 없다.
한편 공작기계에 사용되는 절삭용 합금은 근년에 이르러 눈부신 발전을 이루었는데 그 중심에는 텅스텐 카바이드나 타이타니엄카바이드 같은 물질이 있다. 이들 물질은 경도가 극히 높고 고온에서도 내구성이 강해서 이들 물질이 출현하기 전에 사용되어 오던 고속도강 같은 합금강과는 차원이 다른 절삭가공을 가능하게 만들었다는 평가를 받고 있다.
그리하여 근년에는 엄청난 량의 이들 초경합금 성형체가 생산 및 소비되고 또한 폐기되고 있는데 이러한 폐기 성형체를 재활용하여 마모 및 충격에 강한 표면용접 육성층을 모재 위에 형성시키고자 하는 시도가 이루어져 일부 성공을 거둔 사례가 생겨 나고 있다. 예를 들면 암석을 다루는 중장비 버켓의 마모가 심한 부위에 내마모성 표면용접 육성층을 형성하여 사용수명을 10배 정도 증대시킨 사례가 있으며 이외에도 수많은 내마모성이 요구되는 부위에 이런 기술을 적용하여 성공을 거둔 사례가 있다.
이 기술은 모재 위에 전기용접을 하면서 생기는 강철의 용융 풀(POOL)에 초경합금 성형체를 잘게 부순 입자상 물질을 뿌려주어서 비중차에 의하여 상기 입자상 물질이 강철 용융풀 내부로 침강하게 하고 이어서 용융된 강이 냉각 고화하면서 이들 초경합금 입자가 용접봉 강철과 결합되게 하여 내마모성이 있는 경질의 용접 육성층을 형성하게 하는 것이다.
그러나 본 발명자는, 상기한 종전 기술로 형성된 용접육성층에 혼합 고착된 초경합금 입자들은 강철이 마모되어 초경합금 입자가 표면으로 일부 노출되고, 노출된 입자가 암석과 마찰되는 등의 강한 힘을 반복적으로 받으면 용접 육성층으로부터 쉽게 빠져서 탈락되는 현상이 생기는 결함이 있다는 것을 알게 되었다. 또한 연구 결과, 본 발명자는, 이러한 결함의 원인이, 초경합금 입자가 그 경계면에서 용접봉이 용융 및 냉각하여 형성되는 강철과 야금학적인 긴밀한 결합을 이루지 못하고 단지 기계적으로 포위되어 결합된 형태에 가까워서임을 확인할 수 있었다.
상기한 결함을 가지고 있는 종래의 초경합금 용접 육성층은 강한 충격과 마모를 동시에 받는 적용사례 예를 들면 공업용 나이프의 일종인 파쇄기의 파쇄날 분쇄날 또는 모래 같은 골재 생산용 파쇄기의 부품 등에는 전혀 사용할 수가 없다. 즉 이러한 기술은 종전의 HVOF 제트 용사법과 아크 용사법로 초경성 내마모층을 형성하는 것을 대체할 수 없다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 용접으로 형성되는 강철의 용융 풀을 이루는 금속과 초경합금 입자가 경계면에서 야금학적인 견고한 결합을 이루게 함으로써, 용접 육성층이 큰 힘과 마모작용을 동시에 받게 되는 경우에도 초경합금 입자가 주위를 둘러싸고 있는 강철로부터 빠져서 탈락되지 않고 긴 수명을 유지할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 용접 육성 시 초경합금 입자가 받는 용접 열을 합리적으로 조절하고 초경합금 입자가 최상의 내구성을 갖는 배치를 이루도록 초경합금 입자의 크기분포를 조절하는 것에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 용접 아크의 발생 및 진행되는 부분보다 전방인 모재 측에는 입자 크기가 3~4mm 정도로 비교적 큰 초경합금 성형체 파쇄입자와 아주 소량의 경납 파우더를 모재 위에 함께 낙하시키어 용접을 진행하고, 용접 아크가 발생 및 진행되는 부분보다 후방에는 입자 크기가 1mm 이하로 비교적 작은 소립자의 초경합금 성형체 파쇄입자를 용접 용융 풀에 낙하시키어, 기 형성된 용융 풀에 낙하된 소립자의 초경합금이 남아있는 용융 풀의 온도에 의하여 용융되어 초경층을 이루는 것을 특징으로 하는, 초경합금 성형체 파쇄입자를 포함하는 용접에 의한 초경합금층 형성 방법을 제공한다.
이는 전기 아크 발생과 거의 동시에 전방에 낙하된 초경합금(3~4mm의 크기)이 아크에 의하여 완전히 용융되어 모재의 표면과 용접봉과 함께 모두 용융되어 1차 초경합금층을 이루며, 미처 굳어지기 전의 용융 풀에 아주 미세한 소립자(1mm 이하)로 분쇄된 초경합금이 2차로 골고루 낙하되면서 용융 풀의 온도에 의하여 용융되면서 다시 한번 초경합금층을 형성시키는 것이다.

본 발명에 의하면, 강한 열을 발생시키는 용접 아크(또는 용접 저항 열)가 큰 초경합금 입자에 먼저 작용함으로써 큰 초경합금 입자와 용접봉의 강철과 결합이 촉진될 수 있을 정도로 큰 초경합금 입자의 온도를 적절한 범위까지 상승시키고, 첨가된 경납 성분에 의하여 초경합금 입자와 용접봉에서 나온 강철이 야금학적으로 견고한 결합을 이루도록 함으로써 장기간 사용하더라도 초경합금 입자가 강한 힘에 견디고 용접봉 강철로부터 탈락하지 않으며, 용접 강철 풀이 형성된 이후 냉각이 진행되기 전에 크기가 작은 초경합금 입자가 강철 용융 풀에 가해짐으로써 작은 초경합금 입자의 온도가 용접 열에 의하여 과도하게 상승하지 않아 다시 한번 초경합금층을 형성할 수 있다.
또한 크기가 큰 초경합금 입자는 아래 쪽에 분포하여 완전 용융되며, 크기가 작은 초경입자는 표면 가까이 분포하며 아래 쪽에 위치한 큰 입자 사이를 메워 주는 작용을 함으로써 마모에 대한 저항성을 높임과 동시에 입자 탈락에 대한 내구성을 극대화시키게 된다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
[초경 입자의 분류]
본 발명에 사용되는 초경합금 입자는 가령 폐기되는 텅스텐합금강 즉 W-C, W-Mo, W-Ni-Cu 등의 텅스텐 합금강을 블라스팅 한 후, 마치 절구에서 곡물을 빠듯이, 용기를 제작하여 그 안에 폐기되는 텅스텐 합금강을 넣고, 프레스를 이용하여 다시 파쇄와 분쇄작업을 실시하여 마련한다.
파쇄(분쇄)된 텅스텐 입자는, 다단의 스크린을 거치며 크기별로 선별된다. 이 때 스크린에 걸린 큰 입자는, 블라스팅 한 새로운 텅스텐합금강과 함께 용기에 재 투입되어 프레스로 다시 파쇄와 분쇄작업이 반복된다.
이렇게 반복되는 작업을 통해 다단의 스크린을 통과한 텅스텐 입자는 입경 별로 분류한다.
가령 4 mm 목의 제1스크린, 3mm 목의 제2스크린, 2mm 목의 제3스크린, 1mm 목의 제4스크린을 순차적으로 배열하고 입자를 분류하면, 입경(입자의 직경)이 4 mm가 넘는 경우에는 제1스크린을 통과하지 못하고 재차 프레스로 분쇄 작업되고, 입경이 3 ~ 4 mm인 경우에는 제1스크린만 통과하고 제2스크린은 통과하지 못하여 별도로 분류되고, 입경이 2 ~ 3 mm인 경우에는 제1스크린과 제2스크린을 통과하고 제3스크린을 통과하지 못하여 별도로 분류되고, 입경이 1 ~ 2 mm인 경우에는 제1스크린과 제2스크린과 제3스크린을 통과하고 제4스크린을 통과하지 못하여 별도로 분류되고, 입경이 1 mm 이하인 경우에는 모든 스크린을 통과하여 별도로 분류된다.
[용접 육성층 형성 작업]
본 발명에 따르는, 초경합금 성형체 파쇄입자를 포함하는 내마모성 용접으로 초경합금층을 형성하는 방법에 의하면, 먼저 용접을 수행할 모재 상에 텅스텐 합금강 입자를 올려 놓고 용접을 하게 된다. 본 발명에 의하면 용접을 진행함에 있어서 모재와 텅스텐 합금강 입자와 용접 강철 모두 비슷한 정도로 용융되는 것이 바람직하다.
가령 초경 입자가 모재와 용접 강철에 비해 너무 늦게 용융되면 초경 입자가 완전히 용융되지 않은 상태로 용접 육성층이 형성되어 부착이 제대로 이루어지지 않기 때문에 용접 육성층이 충격을 받으면 초경 입자가 탈락해 버리는 문제가 발생할 수 있다. 또한 초경 입자가 모재와 용접 강철에 비해 너무 일찍 용융되어 버리면 극히 고온이 되어 산화되거나 물성 변화가 생겨 오히려 강도가 떨어지거나 공정 후 크랙이 발생하는 등의 문제가 발생한다.
실험 결과, 용접이 진행될 모재가 대략 5 mm가 넘는 경우에는 용접 육성층을 어느 정도 확보할 수 있어 용접 시간이 충분하므로, 2 ~ 4 mm 정도의 입경을 가지는 초경합금 입자를 사용할 경우 모재와 용접 강철의 용융 진행 정도와 초경합금 입자의 용융 진행 정도가 균형을 이룸을 확인할 수 있었다.
또한 용접이 진행될 모재가 5 mm 이하인 경우에는 용접 육성층을 충분히 확보할 수 없기 때문에, 1 ~ 3 mm 정도의 입경을 가지는 초경합금 입자를 사용할 경우 모재와 용접 강철의 용융 진행 정도와 초경합금 입자의 용융 진행 정도가 균형을 이룸을 확인할 수 있었다.
입경이 위 구간보다 작은 경우에는 초경 입자가 너무 일찍 용융되어 산화나 물성 변화가 생겨 오히려 강도가 떨어지거나 공정 후 크랙이 발생하는 등의 문제가 발생하게 되고, 입경이 위 구간보다 큰 경우에는 초경 입자가 표면만 용융된 채 용접 육성층이 형성되므로 충격을 받으면 초경 입자가 용접 육성층에서 탈락해 버리는 문제가 발생한다.

다음으로, 텅스텐 파쇄물인 초경 입자를 어느 정도 사용해야 할지도 고려해야 한다. 실험 결과 모재 표면에 올려놓는 초경 입자가 모재 표면에 대해 차지하는 표면적이 약 70%(100의 표면적을 가지는 모재 위에 70의 표면적만큼 초경 입자를 놓아두었다는 의미)를 넘으면 모재가 제대로 용융이 안 되는 문제가 발생하고(모재와 초경 입자는 서로 비슷한 속도로 용융되는 것이 바람직함), 약 35% 이하이면 초경 조직이 용접 육성층 내에서 너무 성기게 되어 초경으로서의 의미를 상실해버리게 된다(즉 초경에 부합될만한 경도가 나오지 않는다).
따라서 적절한 입경(모재의 두께에 따라 2 ~ 4 mm 또는 1 ~ 3 mm 정도)의 초경 입자를 모재 상에 적절한 표면적( 35 ~ 70 % 정도)만큼 분포시켜 놓은 상태로 아크를 이용하는 용접장치(전기용접, CO₂용접, 서브 머지드)로 모재와 텅스텐 파쇄물을 완전히 용융시키어 용접 육성층을 형성하게 된다.
이처럼 모재 표면에 초경 입자를 놓고 용접을 할 때 미량의 경납 파우더를 추가로 투여하는 것이 바람직하다. 경납 성분을 추가하는 경우 텅스텐의 석출 경향을 억제하고 초경과 강철을 야금학적으로 더욱 견고히 결합시킬 수 있다. 경납은 모재 표면에 올려 놓은 초경 입자 대비 3% 이하의 부피 비만큼 추가할 수 있고, 더욱 바람직하게는 1% 이하의 부피 비만큼 추가할 수 있다.
다음으로 용융 풀이 냉각되기 전에 1mm 이하의 초경 입자를 용융 풀 전체에 골고루 1 ~ 2 mm 두께로 낙하 분포시키어 용융 풀의 잔여 열에 의하여 초경 입자가 용융되면서 표면에 치밀한 초경합금층을 만들어 고도의 내마모성, 내식성, 내열성을 지닌 텅스텐 합금강 피복층이 형성된다. 이렇게 마지막에 뿌려지는 초경 입자는 1 mm 이하일 때 용융 풀의 잔여 열에 의해 충분히 용융될 수 있다.
마지막으로, 이렇게 형성된 텅스텐 합금강 피복층에 대해 저주파를 이용하여 저주파 열처리를 하거나 산소아세틸렌 용접기의 아세틸렌 과잉 염으로 후열처리를 하면 표면에 용융된 텅스텐 피복층을 안정화시키고 용융층의 경도를 더욱 높일 수 있다.
실험 결과 모재의 표면에 초경 입자를 놓고 용접 육성층을 형성한 경우에는 약 62 내지 64 정도의 경도를 가지게 되는데, 위와 같이 용접 후 용융 풀에 미세한 초경 입자를 뿌려 주어 표면을 더 치밀하게 구성하면 경도가 67 내지 72 정도까지 상승되고, 이에 더해 저주파 등으로 열처리를 하게 되면 경도가 3 내지 4 정도 추가적으로 상승함을 확인할 수 있었다.
본 발명과 같이 초경 입자를 사용하여 용접을 하게 되면, 전술한 종래기술의 금속분말을 사용할 때보다 원가를 60 ~ 70% 절감할 수 있으며, 오히려 초경합금층도 더 두껍게 형성할 수 있어 높은 내마모성과 내식성, 내열성을 오래도록 유지 할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에서 텅스텐 합금피복층의 두께는 4~ 12mm정도일 수 있으며, 현장의 요구에 따라 그 이상도 가능하다. 두께가 4mm 이상인 경우에는 수회 분할하여 용접층을 육성하는 것이 가능하다. 가령 12mm의 두께를 가지는 초경합금 피복층을 제작할 때에는 앞서 설명한 방법으로 3 ~ 4 mm 정도의 육성층을 만드는 과정을 3 ~ 4회 반복하여 제작할 수 있다.
이러한 방식으로 초경피복층 강판을 제조하면, 플라즈마 절단기로 절단하여 현장에 맞게 사용할 수 있으며, 내마모를 요구하는 제철소 연주롤, 또는 분쇄롤을 육성하여 사용할 수 있고, 유리공장, 제강, 제철소에서 내열성이 요구되는 곳에서도 사용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (9)

1. 모재 위에 초경합금 입자를 올려 놓는 단계; 및
   상기 초경합금 입자가 올려진 모재를 아크를 이용하는 용접으로 용융시키되 모재와 초경합금 입자를 함께 용융시켜 용접 육성층을 형성하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 아크에 의해 용접 육성층을 형성한 후 용융 풀이 냉각되기 전에 초경 입자를 용융 풀 상에 골고루 분포시켜 용융시키는 초경층 형성 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 모재 위에 놓여지는 초경합금 입자의 입경은:
   모재의 두께가 5 mm 이상인 경우에는 2 ~ 4 mm,
   모재의 두께가 5 mm 이하인 경우에는 1 ~ 3 mm,
   인 것을 특징으로 하는 초경층 형성 방법.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 모재 위에 놓여지는 초경합금 입자가 차지하는 표면적은 모재의 표면적 대비 35 % 이상 70 % 이하인 초경층 형성 방법.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 모재와 초경합금 입자의 용융 시 경납 파우더를 추가하여 함께 용융시키는 초경층 형성 방법.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 용융 풀에 분포시키는 초경 입자의 직경은 1 mm 이하인 초경층 형성 방법.
   
7. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
   상기 용융 풀에 상에 상기 초경 입자를 1 ~ 2 mm 두께로 분포시키는 초경층 형성 방법.
   
8. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
   상기 용접 육성층에 의해 형성된 합금강 피복층에 대해 후열처리를 하는 초경층 형성 방법.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 초경 입자는 폐기되는 초경합금을 분쇄 또는 파쇄하여 사용하는 초경층 형성 방법.