KR101573068B1 - 금속 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모재, 및 상기 모재에 금속 원료 혼합물을 화학적으로 확산·침투되어 형성된 금속 경화층을 포함하되, 상기 금속 경화층은 상기 모재와 일체화된 구조를 가지는 금속 합금과 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 금속 합금은 모재에 금속 원료 혼합물을 고온에서 화학적 확산침투시켜 형성된 금속경화층이 상기 모재와 일체화된 구조를 가진다. 따라서, 종래 화학기상증착을 통한 코팅이 아니라, 확산침투되어 형성된 금속경화층은 모재로부터 떨어지는 박리 현상이 발생되지 않는다. 또한, 본 발명의 상기 구조를 가지는 금속 합금은 원료와 혼합 비율의 최적화, 및 열처리 조건을 최적화시켜 내마모성, 내열성, 내식성이 우수한 금속 합금을 제조할 수 있다.

Description

금속 합금 및 이의 제조방법 {METAL ALLOYS AND METHOD FOR PREPARING THEREOF}

본 발명은 침투방식을 이용하여 모재 표면에 금속경화층이 일체화된 구조를 가지는 금속 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

인위적인 제련을 통해 얻어지는 금속 재료 자체는 불안정한 상태이므로 시간이 경과함에 따라 점차 부식되어 산화물·황화물·수산화물·탄산염 등의 형태로 변하게 된다. 따라서, 대부분의 금속 제품은 1차 가공 후, 부식 방지와 제품의 내구성 향상을 위한 2차 가공 공정을 거치게 된다.

이러한 상기 2차 가공 공정은 ①금속 제품의 표면에 내식성 피막을 도금하거나 도색하는 방법, ②담금질(quenching)처럼 금속제품의 표면을 경화시키는 방법, 및 ③화학적 처리 방법 등이 있다.

특히 상기 화학적 처리 방법으로는 화학적기상증착(CVD)를 예로 들 수 있는데, 모재 표면에 상기 모재와는 상이한 재질을 이용하여 표면코팅층을 형성하게 된다. 이 경우, 상기 표면코팅층과 모재와의 코팅두께가 얇고 결합력이 약해 상기 표면코팅층이 쉽게 박리되는 문제가 있다. 또한, 시간이 지나 사용할수록 박리 현상뿐만 아니라, 마모 및 부식이 발생되는 문제가 있다.

또한, 최근에는 물리기상증착(PVD) 코팅법을 이용한 물리적 금속 표면처리법이 이용되고 있지만, 고온 코팅으로 인해 모재와 코팅층의 열팽창계수의 차이로 표면의 코팅층에 크랙(crack) 생기는 등의 문제가 여전히 남아 있다.

따라서, 종래 금속 표면을 개질하는 2차 가공 방법들은 초기에는 금속 제품들의 표면 특성을 향상시키는 효과는 있으나, 시간이 지날수록 형성된 표면코팅층이 박리되고, 이로 인한 부식과 마모, 내화학성 저하 등의 문제들은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다.

기존의 금속 표면 처리 방법들은 금속 모재의 표면 경도를 올리기 위해 표면에 단순히 코팅, 즉 화학적 증착만 이루어지는 문제가 있었고, 이로 인해 표면 코팅층이 박리되는 문제를 해결할 수 없었다.

이에 본 발명에서는 모재와 금속 경화층이 박리되지 않는 일체화된 구조를 가지도록 함으로써 종래 박리 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 내마모성, 내열성, 내산성을 유지할 수 있는 금속 합금을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 원료 종류와 배합비를 최적화시키고, 열처리 온도와 조건을 최적화시킴으로써 상기 특성을 나타내는 금속 합금의 제조방법을 제공하는 데도 그 목적이 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 모재, 및 상기 모재 내부로 금속 원료 혼합물이 확산· 침투되어 형성된 금속 경화층을 포함하되, 상기 금속 경화층은 상기 모재와 일체화된 구조를 가지는 금속 합금이 제공된다.

상기 모재는 니켈-합금(Ni-ALLOY), 코발트-합금(Co-ALLOY), 스테인레스 스틸(STAINLESS STEEL), 및 카본 스틸(CARBON STEEL)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 금속 경화층은 표면으로부터 30~150㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다.

상기 금속 경화층은, 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분을 포함하는 제1 층, 및 상기 모재에서 유래한 성분과 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분을 포함하는 제2 층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 금속 경화층은 Cr, W, Ti, V, 및 Re로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 금속 경화층은 활성화제, 충진제(filler), 그래뉼 형성 바인더, 및 희석제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 금속 합금은 표면 경도(HV)가 1600~2500를 만족하는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, (a) 모재를 전처리시키는 단계, (b) 상기 전처리된 모재를 용기에 넣고, 상기 모재 주변을 금속 원료 혼합물로 채우는 단계, (c) 상기 용기를 가열로에 넣고 가압하는 단계, 및 (d) 상기 용기를 승온-제1온도 유지-제1온도 하강-제2온도 유지-제2온도 하강의 단계로 열처리시키는 단계를 포함하는 금속 합금의 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (a) 단계에서 상기 모재의 전처리는 800~1200℃의 온도에서 용체화 처리시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (b) 단계에서 상기 금속 원료 혼합물은 Cr, W, Ti, V, 및 Re로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 분말을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 금속 원료 혼합물은 활성화제, 충진제(filler), 그래뉼 형성 바인더, 및 희석제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (d) 단계에서 상기 승온은 700~920℃까지 분당 2℃ 이하로 8~10시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (d) 단계에서 상기 제1온도 유지는 700~920℃에서 12~18시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (d) 단계에서 상기 제1온도 하강은 상기 유지 온도로부터 분당 0.5℃ 이내의 속도로 3~4시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (d) 단계에서 상기 제2온도 유지는 10~12시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (d) 단계에서 상기 제2온도 하강은 분당 1.5℃ 이내의 속도로 10~12시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에서, 상기 (d) 열처리 단계의 총 처리 시간의 합계는 45~56시간인 것이 바람직하다.

본 발명의 또다른 일 구현예에 따르면, 본 발명은 상기 금속 합금의 제조 방법에 의해 제조된 금속 합금이 제공된다.

본 발명에 따라 제조된 금속 합금은 모재에 금속 원료 혼합물을 고온에서 화학적 침투시켜 형성된 금속경화층을 포함하며, 상기 모재와 금속경화층이 일체화된 구조를 가진다. 따라서, 종래 화학적기상증착을 통한 코팅이 아니라, 확산침투되어 형성된 금속경화층은 모재로부터 떨어지는 박리 현상이 발생되지 않는다.

또한, 본 발명의 상기 구조를 가지는 금속 합금은 원료와 혼합 비율의 최적화, 및 열처리 조건을 최적화시켜 내마모성, 내열성, 내산성이 우수한 금속 합금을 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 금속 합금은 고경도(High Hardness) 및 인성(Toughness), 내식성(Corrosion-Resistance)이 우수하여 기계부품 중에 마찰마모로 인해 수명이 짧은 부품, 내산성, 내열성이 동시에 요구되는 석유화학, 정유, 제철공장, 폴리실리콘공장 등의 기계장비, 밸브, 펌프, 압출기, 사출기, 커터 등에 사용 가능하다.

도 1은 본 발명의 금속 합금 제조를 위한 장치를 모식한 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 합금의 구조이고,
도 3은 비교예에 따라 제조된 금속 합금의 구조이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 금속 합금을 벨브로 일정 시간 사용한 후의 표면을 측정한 사진이고,
도 5는 비교에 따라 제조된 금속 합금을 벨브로 일정 시간 사용한 후의 표면을 측정한 사진이다.

이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명은 침투 방식을 이용하여 금속 표면을 처리한 금속 합금과 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 명세서 전반에서 사용되는 ‘침투 방식을 이용한 코팅’은 가열로 내의 고온에서 모재 금속과 일정한 금속 원료의 화학 반응을 통하여, 상기 모재 금속 표면에 금속 원료를 확산·침투시켜 표면 경도를 향상시키는 표면 경화법을 의미한다.

본 발명에 따른 금속 합금은 모재, 및 상기 모재 내부로 금속 원료 혼합물이 확산· 침투되어 형성된 금속 경화층을 포함하되, 상기 금속 경화층은 상기 모재와 일체화된 구조를 가진다.

상기 모재는 니켈-합금(Ni-ALLOY), 코발트-합금(Co-ALLOY), 스테인레스 스틸(STAINLESS STEEL), 및 카본 스틸(CARBON STEEL)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 모재는 니켈-합금(Ni-ALLOY), 코발트-합금(Co-ALLOY), 스테인레스 스틸(STAINLESS STEEL), 및 카본 스틸(CARBON STEEL)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종일 수 있다. 여기서, 상기 니켈합금 또는 코발트합금에 포함될 수 있는 원소로서는 Cr, Ti, Ta, Cu, V, W, Fe, C 등이 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 모재에 형성되는 금속 경화층은 고온에서 금속 분말을 포함하는 금속 원료 혼합물을 모재 내부로 화학적으로 확산침투 및 경화시켜 형성된다.

상기 금속 원료 혼합물에서, 상기 금속 분말은 Cr, W, Ti, V, Re로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이에, 본 발명의 상기 금속 경화층은 Cr, W, Ti, V, 및 Re로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.

상기 금속 분말은 입자 크기 0.5~10㎛의 분말 형태인 것이 바람직하며, 입자 크기가 0.5㎛ 미만인 경우 혼합이 어렵고, 가열 처리후 소결의 위험성이 크고, 10㎛를 초과하는 경우 금속 입자의 활성도가 떨어져 확산층의 두께가 얇고 산화층이 생성되어 바람직하지 못하다.

상기 금속 분말은 단독으로 사용할 수 있고, 상기 나열된 금속을 2종 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.

상기 금속 분말을 2종 이상 혼합하여 사용하는 경우, 예를 들어, 상기 금속 원료 혼합물 중의 전체 금속 분말 함량을 기준으로, Cr 12~25중량%, W 8~18중량%, Ti 4~40중량%, V 12~47중량%, 및 Re 1~32중량%로 포함될 수 있다.

금속 경화층에 포함되는 금속 분말은 금속 분말의 침투율에 따라 모재와의 성분비가 결정될 수 있다. 침투율은 금속 분말의 종류, 입자 크기, 공정 중 압력 및 온도 등의 따라 달라질 수 있다. 상기 금속 분말이 2종 이상 금속인 경우, 제조 공정 전 각 금속 분말의 함량 비율에 따라 침투율이 달라질 수도 있다.

상기 금속 원료 혼합물은 활성화제(activator), 충진제(filler), 그래뉼 형성 바인더, 및 희석제에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 활성화제는 염화물의 존재형태 분체로서 NaF를 사용하며, 상기 금속 분말 100중량부에 대하여 0.1~10중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 충진제는 TiO2 가 바람직하며, 상기 금속 분말 100중량부에 대하여 0.5~5중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 그래뉼 형성 바인더는 벤토나이트가 바람직하며, 상기 금속 분말 100중량부에 대하여 2~5중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 희석제는 상기 그래뉼 형성 바인더의 용매로 사용되며, 부틸셀로솔브 가 바람직하며, 상기 금속 분말 100중량부에 대하여 2~8중량부로 포함되는 것이 바람직하다.

이에, 상기 금속 경화층은 상기 활성화제, 충진제, 그래뉼 형성 바인더, 및 희석제에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 경화층은 NaF 활성화제, TiO2 충진제, 그래뉼 형성 바인더 벤토나이트, 및 부틸셀로솔브 희석제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 금속 경화층은 상기 금속 혼합물을 상기 모재 내부로 고온에서 확산·침투시켜 형성시킬 수 있으며, 이러한 확산 및 침투는 화학적인 반응이 동반될 수 있다. 이러한 금속 경화층은 표면으로부터 약 30~150㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 침투 방식을 이용한 금속 경화층의 형성은 종래 일반적인 화학기상증착을 이용하여 모재 표면 위로 단순히 코팅층을 형성하는 것과는 완전히 상이한 구조이다.

실제로, 본 발명의 금속 경화층은 모재와 층의 구분이 뚜렷하게 형성되지 않는 것으로 확인되는데, 이는 경화층과 모재 사이의 열화학적 반응에 의해 상호 물려 있는 단단한 결합력이 작용하여 상기 모재에서 유래된 성분과 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분이 공존하거나; 상기 모재에서 유래된 성분과 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분을 포함하는 경계층이 형성된 것으로 보인다.

이에, 본 발명의 금속 경화층은 상기 모재에서 유래된 성분과 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분이 공존하는 층일 수 있다. 이 때, 상기 모재에서 유래된 성분과 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분은 연속적인 농도의 구배에 따라 공존할 수 있다. 상기 연속적인 농도의 구배는, 예를 들어, 모재에 가까워질수록 상기 모재에서 유래된 성분의 농도가 더 높아지는 것일 수 있다. 상기 금속 경화층은 표면으로부터 두께가 30~150㎛일 수 있다.

또한, 본 발명의 금속 경화층은 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분을 포함하는 제1 층, 및 상기 모재에서 유래한 성분과 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분을 포함하는 제2 층(즉, 경계층)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 층은 상기 모재에서 유래된 성분과 상기 금속 원료 혼합물에서 유래한 성분이 연속적인 농도의 구배에 따라 포함된 것일 수 있다. 상기 연속적인 농도의 구배는, 예를 들어, 모재에 가까워질수록 상기 모재에서 유래된 성분의 농도가 더 높아지는 것일 수 있다. 본 발명의 금속 경화층에서 전술한 두께 30~150㎛는 상기 제1 층과 상기 제2 층의 두께의 합일 수 있다.

이러한 본 발명의 금속 합금의 구조적 특징으로 인해 금속 경화층이 모재로부터 쉽게 박리되지 않는 효과를 가진다. 이러한 효과는 상기 금속 합금을 장시간 사용하더라도 내구성과 내부식성 등을 유지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 금속 합금이 적용될 수 있는 응용예들은 다음과 같다.

1)글로브 타입 조절 밸브(globe type control valve) 및 수동 글로브 밸브(globe valve)의 부품 중에서 플러그(plug), 시트(seat), 케이지(cage);

2)슬라이드 게이트 밸브(slide gate valve) 및 게이트 밸브(gate valve)(수동, 자동)의 부품 중에서 디스크(disk), 시트(seat);

3)세그먼트 볼 밸브(segment ball valve) 및 편심식 볼 밸브(eccentric ball valve)(수동, 자동)의 부품 중에서 볼(ball), 시트(seat);

4)체크 밸브(check valve)의 부품 중에서 디스크(dist), 시트(seat);

5)볼 밸브(ball valve)(자동, 수동)의 부품 중에서 볼(ball), 시트(seat)

6)버터플라이 밸브(butterfly valve)(자동, 수동)의 부품 중에서 디스크(dist), 시트(seat);

7)피스톤 밸브(piston valve)(자동, 수동)의 부품 중에서 피스톤(piston), 슬리브(sleeve), 스템(stem);

8)압출기의 로터(rotor)와 바렐(barrels)(스리브 타입 웨어링);

9)펌프의 임펠라, 축스리브.

따라서, 본 발명에 따른 금속 합금은 상기 금속 경화층의 형성으로 그 표면 경도(HV)가 1600~2500의 범위를 만족하는 효과를 가진다. 또한, 금속 표면의 경도가 향상됨에 따라 내마모성도 좋아짐을 예상할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속 합금은 일반적인 SUS 316 이상의 내식성을 가질뿐만 아니라, 통상 모재로 사용된 재료가 가지고 있는 이상의 내식성을 가진다. 또한, 사용되는 모재에 따라 다소 상이하나 약 750~870℃까지는 조직의 경도 변화가 없고 조직의 변화도 없는 것으로 보아, 우수한 내열성을 가진다. 또한 모재가 가지고 있는 것과 유사한 수준의 인성을 가지며, 모재가 갖고 있는 것보다 적어진 기공율을 가진다.

이하에서는 본 발명에 따른 금속 합금의 제조 방법을 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 금속 합금은 (a) 모재를 전처리시키는 단계, (b) 상기 전처리된 모재를 용기에 넣고, 상기 작업대상물 주변을 금속 원료 혼합물들로 채우는 단계, (c) 상기 용기를 가열로에 넣고 가압하는 단계, 및 (d) 상기 용기를 승온-제1온도 유지-제1온도 하강-제2온도 유지-제2온도 하강의 단계로 열처리시키는 단계를 거쳐 제조될 수 있다.

다음 도 1은 본 발명에 따른 금속 합금 제조에 사용되는 장치를 모식한 것으로서, 이를 참조하면, 먼저 금속 모재를 전처리시키는 공정이다.

상기 금속모재의 전처리 공정은 확산 침투깊이와 경화층의 경도를 증가시키기 위해 800~1200℃의 온도에서 용체화 처리를 하는 공정이다. 상기 용체화 처리는 상기 금속 모재의 결정립을 나노 그레인 크기로 미세화시킴으로써 이후 금속 경화층을 형성하는 금속 분말의 확산 및 침투를 용이하게 하기 위함이다.

상기 전처리된 금속 모재를 일정한 형태의 용기(100) 내에 채운 다음, 상기 모재(10)의 사방에 금속 원료 혼합물(20)을 채우고 용기 뚜껑(110)을 닫는다.

상기 금속 원료 혼합물(20)은 일정 크기(0.5~10㎛)로 분쇄시킨 분말상의 금속 원료와, 충진제, 그래뉼 형성 바인더, 및 희석제를 포함한다.

또한, 상기 용기(100)를 가열로(120)에 넣고 온도 승온 전에 불활성 가스(예를 들어, 아르곤 가스)로 내부 공기를 완전히 배출시킨다. 그 다음, 상기 불활성 가스를 이용하여 압력을 올려 가열로를 완전히 가압상태(약 2.5BAR)로 유지한다. 불활성 가스의 외부공급통(130)에서 지속적으로 동일한 압력이 유지될 수 있도록 조정한다. 또한, 불활성 가스가 아주 미량으로 방출될 수 있도록 배출밸브(140)의 레버를 조금 열어두며, 이때 압력은 2.5BAR를 유지하도록 한다.

그 다음은 상기 용기를 승온-제1온도 유지-제1온도 하강-제2온도 유지-제2온도 하강의 단계로 열처리시키는 단계이다.

상기 승온 공정은 700~920℃까지 분당 2℃ 이하로 8~10시간 동안 수행되는 것이 분체원료의 안정과 미세 기공의 산소제거, 모재의 응력제거로 변형을 최소화 측면에서 바람직하다.

상기 승온 공정이 끝나면, 상기 승온 공정에서 도달한 온도 범위인 700~920℃에서 12~18시간 동안 유지시키는 제1온도유지 공정을 거친다. 상기 제1온도유지 공정은 금속 원료 분말과 반응활성화제의 반응으로 금속 증기를 모재로의 확산의 역할을 수행할 수 있다.

그 다음, 상기 제1온도로부터 분당 0.5℃ 이내의 속도로 3~4시간 동안 제1온도 하강공정을 거치는 것이 하강온도의 서행으로 폐가스의 용출을 크게 하여 냉각 중 금속 경화층 표면의 침류 개스로 인한 부식을 방지하고 변형을 최소화시킬수있다는 면에서 바람직하다. 상기 제1 온도 하강공정에 의해 하강된 최종 온도는 예를 들어 약 650℃일 수 있다.

또한, 상기 하강시킨 온도(예를 들어, 약 650℃)에서 10~12시간 동안 유지시키는 제2온도 유지 공정을 거친다. 상기 제2온도유지 공정은 금속경화층의 안정화와 경화층과 모재의 냉각 온도분포를 최소화하여 열팽창계수에 의한 분리를 방지하는 역할을 수행할 수 있다.

그 다음, 분당 1.5℃ 이내의 속도로 10~12시간 동안 제2온도 하강 공정을 거치는 것이 냉각에 의한 응력변화 속도 감소로 경화층과 모재의 균열을 방지하기 위한측면에서 바람직하다. 상기 제2 온도 하강공정에 의해 하강된 최종 온도는 예를 들어 상온일 수 있다.

최종 냉각된 작업 대상물을 꺼내어 적절한 방법으로 세정하게 되면, 최종 금속 경화층이 형성된 금속 합금을 제조할 수 있다. 본 발명의 상기 열처리 단계의 총 처리 시간의 합계는 45~56시간의 범위 내에서 이루어지는 것이 바람직하다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 이하의 실시예에서는 특정 화합물을 이용하여 예시하였으나, 이들의 균등물을 사용한 경우에 있어서도 동등 유사한 정도의 효과를 발휘할 수 있음은 당업자에게 자명하다.

실시예

다음 표 1에 나타낸 각 금속 모재를 800~1200℃의 온도에서 용체화처리를 통하여 전처리시켰다.

다음 도 1과 같은 장치를 이용하여, 일정한 크기의 용기에 작업대상물인 상기 전처리된 금속 모재와 그 주변을 다음 표 1과 같은 함량의 금속 원료(입자 크기 0.5~10㎛의 분말), 상기 금속 100중량부에 대하여 활성화제 NaF 5중량부, 충진제로서 TiO2 3중량부, 그래뉼 형성 바인더인 벤토나이트 3중량부, 및 부틸셀로솔브 5중량부로 채우고 뚜껑를 닫았다. 상기 작업대상물이 담겨있는 용기를 가열로에 넣고, 알곤 개스로 내부 공기를 완전히 배출시켰다. 알곤 개스를 이용하여 2.5 BAR의 압력으로 올려 가열로를 완전히 가압 상태로 유지시켰다.

그 다음, 상기 가열로를 다음 표 1에 기재된 바와 같이 작업 최고 온도까지 분당 2℃의 속도로 승온시키고, 상기 온도에서 12시간 동안 유지시켰다. 그 다음, 상기 온도로부터 650℃까지 분당 0.4℃의 속도로 하강시켰다. 또한, 650℃에서 12시간 동안 유지시키고, 상기 온도로부터 상온까지 분당 1.5℃ 의 속도로 서냉시켰다. 각 시료의 작업 전체 시간은 다음 표 1에 나타낸 바와 같다. 상기 냉각된 작업대상물을 꺼내어 세척함으로써 최종 금속 합금을 얻었다.

모재	공정최고온도(℃)	전체작업시간(Hr)	원료배합비율(중량%) (Cr/W/Ti/V/Re)
Ni- ALLOY	920	56	25/12/32/30/1
카본 스틸	750	45	15/17/13/47/8
SUS 630	850	48	18/13/40/22/7
Co-ALLOY	880	52	20/10/32/32/6
SUS 316	850	50	12/18/30/24/6

비교예 1~3

비교예 1은 Stellite, 비교예 2는 텅스텐 카바이드(Tungsten Carbide), 비교예 3은 크롬 카바이드(Chrome Carbide)를 이용하여 CVD 코팅법으로 코팅층을 형성한 금속 합금을 사용하였다. 종래 CVD 코팅 방법에 따라 제조된 3개의 시료를 비교예로 사용하였다.

실험예 1 : 물성측정

상기 실시예와 비교예에 따라 얻어진 각 시료의 물성을 다음과 같이 평가하였으며, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

1. 경도 측정

마이크로 비커어스(Micro-Vickers) 경도측정기를 측정하였다.

2. 침투 및 코팅 두께

본 발명에 따라 제조된 시편의 두께 측정 부분을 약질산으로 부식시켜 두께층을 금속현미경으로 측정하였다. 비교예에 따라 제조된 시편은 그 코팅층 두께를 측정하였다.

3. 인성(Toughness)

평판에 외경 1mm의 구를 압입하여 깨지는 정도를 측정하였으며, 압입흔적이 그대로 보존되는 경우는 아주 우수, 약간의 외곽으로 깨지는 현상은 우수, 여러방향으로 깨지는 정도(마치 해바라기 모양)가 있는 경우는 나쁨으로 평가하였다.

4. 내열성

밸브를 제작하여 전열히터로 750℃까지 승온, 24시간 동안 온도 유지, 1000회 밸브작동, 온도를 상온까지 내린 후에 밸브를 분해하여 볼과 시트의 상태를 육안검사 및 금속현미경으로 조직을 관찰하였다.

5. 박리현상

메탈시트의 볼과 시트를 래핑머신의 압력을 느슨하게 한 후, 채테링을 강제로 생성시켜 1시간동안 작은 충격마모를 주고 분해하여 밸브의 볼과 시트를 육안 및 금속현미경 검사방법으로 측정하였다.

시료	경도(HV)	침투 두께(㎛)	질김성	내열성	박리현상
1	2300	40	우수	750	없음
2	1650	80	아주 우수	700	없음
3	1600	50	아주 우수	730	없음
4	2200	40	우수	750	없음
5	1600	20	아주 우수	740	없음
6	420	180	아주 우수	700	있음
7	1200	200	우수	400	있음
8	700	190	아주 우수	750	있음

상기 표 2의 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 금속 합금은 종래 방법에 따라 제조된 제품들에 비해 전반적인 물성들이 우수함을 확인하였다.

실험예 2 : 구조 및 박리 확인

상기 시료 5와 비교예 1에 따라 얻어진 각 시료의 구조를 금속현미경 (NINGBOMICROSCOPE 사 모델)으로 관찰하였으며, 그 결과를 각각 다음 도 2와 3에 나타내었다.

다음 도 2는 본 발명에 따라 제조된 금속 합금인 시료 5는 금속 경화층과 모재층의 사이에 상호 고품질의 유사층이 경계층으로 형성되어 있고, 확산침투법으로 형성된 금속경화층이 상기 모재층과 단단한 결합력으로 결합되어 있어 박리현상이 없음을 알 수 있다.

이에 반해, 종래 CVD 코팅법으로 제조된 다음 도 3의 금속 합금(비교예 1)은 코팅층이 모재와 다른 재질로 경계층이 확실히 구분되고, 이로 인해 박리 현상이 발생되고 있음을 확인할 수 있다.

실험예 3 : 사용 후 표면 특성 확인

상기 시료 5에 따라 제조된 본 발명의 금속 합금과 비교예 1에 따라 얻어진 금속 합금을 볼밸브(valve)로 제작하여 1000회 작동 후 그 표면을 육안으로 관찰하였으며, 그 결과를 다음 도 4와 5에 각각 나타내었다.

다음 도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 금속 합금을 볼밸브로 제작하여 1000회 작동시킨 후 볼의 표층을 관찰한 결과, 거울처럼 광택이 형성되어 있는 것을 알 수 있었다.

그러나, 도 5와 같이 종래 방법으로 제조된 금속 합금은 사용할수록 금속 코팅층이 박리되고, 마모와 부식이 발생되는 것으로 확인되었다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 따라 제조된 금속 합금은 모재와 금속 경화층이 침투 방식으로 일체화된 구조를 가짐으로써 종래 CVD 코팅으로 문제가 되던 박리 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 장시간 사용하더라도 마찰, 열팽창, 열수축에 의한 흠집, 박리가 없고 내마모성, 내부식성, 내식성 등이 우수함을 확인하였다.

10 : 금속 모재 20 : 금속 원료 혼합물
100 : 용기 110 : 용기 뚜껑
120 : 가열로 130 : 불활성 가스 외부공급통
140 : 가스 배출밸브

Claims (19)

1. (a) 모재를 전처리시키는 단계,
   (b) 상기 전처리된 모재를 용기에 넣고, 상기 모재의 주변을 금속 원료 혼합물로 채우는 단계,
   (c) 상기 용기를 가열로에 넣고 가압하는 단계, 및
   (d) 상기 용기를 승온-제1온도 유지-제1온도 하강-제2온도 유지-제2온도 하강의 단계로 열처리시키는 단계를 포함하고,
   상기 (a) 단계에서 상기 모재의 전처리는 800~1200℃의 온도에서 용체화 처리시키는 것인 금속 합금의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (b) 단계에서 상기 금속 원료 혼합물은 Cr, W, Ti, V, 및 Re로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 분말을 포함하는 금속 합금의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 (b) 단계에서 상기 금속 원료 혼합물은 활성화제, 충진제(filler), 그래뉼 형성 바인더, 및 희석제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 금속 합금의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 (d) 단계에서 상기 승온은 700~920℃까지 분당 2℃ 이하로 8~10시간 동안 수행되는 것인 금속 합금의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 (d) 단계에서 상기 제1온도 유지는 700~920℃에서 12~18시간 동안 수행되는 것인 금속 합금의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 (d) 단계에서 상기 제1온도 하강은 상기 유지 온도로부터 분당 0.5℃ 이내의 속도로 3~4시간 동안 수행되는 것인 금속 합금의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 (d) 단계에서 상기 제2온도 유지는 10~12시간 동안 수행되는 것인 금속 합금의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 (d) 단계에서 상기 제2온도 하강은 분당 1.5℃ 이내의 속도로 10~12시간 동안 수행되는 것인 금속 합금의 제조방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 (d) 열처리 단계의 총 처리 시간의 합계는 45~56시간인 것인 금속 합금의 제조방법.
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