KR101985858B1 - 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드 및 그 제조방법 및 휠 블레이드 제조용 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강판의 탈청이나 도금, 도장 등의 전처리 공정으로 0.5~2mm 크기의 강구(shot ball, steel ball)를 강판의 표면에 투사하거나, 주조공장에서 주조된 주물의 표면에 붙어있는 모래나 슬래그, 이물질 등을 털어내기 위하여 강구를 투사하는 쇼트기(shot blasting machine)에 조립되어 사용되는 휠 블레이드에 관한 것으로, 특히 고경도 및 고내마모성을 갖는 휠 블레이드 및 그 제조방법 및 휠 블레이드 제조에 사용되는 금형에 관한 것으로서,
중량%로 몰리(Mo)가 13~20%, 코발트(Co)가 18~30%, 바나듐(V)이 3~6%, 크롬(Cr)이 3~5%, 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)이 0.5~1.2%,망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 2.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 1~2%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 알미늄(Al)이 0.1~0.2%, 티타늄(Ti)이 0.1~0.3%, 히토류금속(RE)이 0.1~0.2% 기타 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 재질로 구성되고, 끝단부가 내부 쪽보다 충격강도가 높게 되어 있되, 벌크 경도치가 HRC67~68인 것을 특징으로 하는 고경도 및 고 내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드인 것을 특징으로 하고 있다.

Description

고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드 및 그 제조방법 및 휠 블레이드 제조용 금형{Wheel blade having a high hardness and anti-wearness, and making method there-of, and Die for making a wheel blade}

본 발명은 강판의 탈청이나 도금, 도장 등의 전처리 공정으로 0.5~2mm 크기의 강구(shot ball, steel ball)를 강판의 표면에 투사하거나, 주조공장에서 주조된 주물의 표면에 붙어있는 모래나 슬래그, 이물질 등을 털어내기 위하여 강구를 투사하는 쇼트기(shot blasting machine)에 조립되어 사용되는 휠 블레이드에 관한 것으로, 특히 고경도 및 고내마모성을 갖는 휠 블레이드 및 그 제조방법 및 휠 블레이드 제조에 사용되는 금형에 관한 것이다.

쇼트기에는 도1에 도시된 바와 같이 쇼트볼을 지속적으로 피사체에 투사시키는 부품으로 8개의 브레이드(12)로 조립된 회전하는 휠(Wheel)(11)이 있으며, 이 휠의 원심력에 의하여 쇼트볼이 피사체에 강한 힘으로 충격을 가하게 되며 이 충격으로 탈청과 이물질 등이 제거된다.

여기에 사용되는 휠 블레이드(12)는 도2에 도시된 바와 같은 형상으로 이루어져 있으며, 분당 수천에서 수만 번을 쇼트볼과 접촉마찰을 하게 되며 일반적인 금속합금으로는 마모를 견딜 수 없다. 또한 여기에 사용되는 강구(Shot Ball)는 고 탄소 합금강으로 경도가 HRC45~55 정도로 매우 높다.

이와 같이 고경도의 강구와 지속적인 마찰 마모를 견딜 수 있는 재질은 고 크롬 백주철(Cr15~18%,Mo3%)이 지금까지 상용되는 최고의 내 마모 재질이다. 일부 제조사(Maker)에서는 27Cr2Mo 백주철을 제작하여 사용하기도 하지만 15Cr3Mo백주철보다는 내마모성이 떨어진다.

특정 업체에서는 텅그스텐(Tungsten)계 고속도강에 탄소(carbon)성분을 2.5% 이상 높여 제품을 생산하여 2배 이상의 가격으로 판매하고 있지만 내마모성이 고크롬 백주철보다 50% 정도 더 우수할 뿐이다.

지금까지 상용화된 쇼트기 휠 블레이드는 상기 수준의 제품들이며 세계 각국에서도 대동소이한 제품들로 사용되고 있다. 근래에 와서 쇼트 블라스팅(Shot Blasting)작업이 주조 후처리 라인의 자동화에 의해 24시간 연속으로 가동되는 자동라인에서 행하여 지다 보니 휠 블레이드의 사용수명이 매우 중요해졌고, 전체 라인의 가동률과 생산성 향상에 큰 문제로 대두되었다. 또한 강판(Steel Plate)의 탈청(Descaling)작업도 24시간 연속작업으로 이루어지고 있어 주조공장의 경우와 같은 문제를 안고 있다.

지금까지 상용화된 휠 블레이드로는 그 사용수명이 일주일 내지 10일정도 밖에 되지 않아 긴 수명의 제품을 요구하기에 이르렀다.

지금까지 사용되어 온 휠 블레이드는 그 사용수명이 2주를 넘기는 제품이 없었으며 휠 블레이드의 사용량이 많은 업체에서는 해외에서 수입하여 사용하는 것이 현 실정이다. 최근에 국내의 모 업체가 수입품을 대체하기 위하여 새로운 제품을 개발하였으나 이 제품도 수입품과 수명이 거의 같은 2주정도의 사용 수명을 넘어설 수는 없었다. 이 업체가 개발한 제품은 KS-STD11종(JIS-SKD11)인 냉간 금형용 공구강 재질이며 주조(Casting)하여 만든 제품이 아니라 압연이나 단조를 하여 생산된 판재를 머신닝센터(Maching Center)로 형상을 기계가공한 후 진공열처리를 행하여 생산된 제품인데, 이 제품이 그나마 국내에서 생산된 최고의 장 수명 제품이다.

금속학적 자료에 의하면 STD11강종은 15Cr3Mo 백주철에 비해 훨씬 내마모성이 떨어지는 재질이다.

그럼에도 불구하고 상기와 같이 STD11종 판재를 기계가공하고 진공열처리를 한 제품이 내마모성이 우수한 이유는 재질의 문제가 아니라 주조품과 단조(압연포함)품의 조직의 불균일성 차이의 문제로서, 단조품의 재질은 압연 또는 단조를 거치는 과정에서 전 부위의 조직이 균일화되었고 이에 따라 열처리 시에도 표면의 경도가 매우 균일하여 편 마모 현상이 일어나지 않는 반면에 주조품은 탕구, 탕도, 주입구의 위치에 따라 냉각속도가 다르고 또한 조직도 불균일할 수밖에 없기 때문이다.

반면에, 상기 주조품은 현미경 조직상 탄화물의 량, 경도가 높은 탄화물이 많이 존재함에도 불구하고 부위 마다 조직이 불균일하여 편 마모가 발생하게 되고 결과적으로는 사용수명이 냉간 금형용 합금공구강인 STD11를 압연이나 단조를 하여 생산된 제품에 비해 짧게 된다.

그러나 상기 압연이나 단조를 하여 제조된 제품은 제조공정이 복잡하여 생산원가가 높아 경제성이 떨어지는 문제가 있고, 사용수명도 2주 정도에 그치고 있어 사용수명이 긴 제품을 필요로하고 있는 현장의 요구를 만족하지 못하고 있다.

참고로 STD11종의 화학성분을 보면, C가 1.4~1.6%, Si가 0.4%이하, Mn이 0.6%이하, Cr이 11~13%, Mo가 0.8~1.2%, V가 0.2~0.5%이다. 이강종의 최고 경도는 HRC65정도이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 경도와 내마모성을 기존 제품에서 의존하고 있는 크롬탄화물인 크롬카바이드(Chromium Carbide) 대신에 탄화물보다 경도가 높은 보론화합물(Boride)을 이용하여 고경도와 내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드 및 그 제조방법을 제공하고자 하며,

또한 고경도와 내마모성을 갖는 휠 블레이드의 제조가 가능한 금형을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여,

중량%로 몰리(Mo)가 13~20%, 코발트(Co)가 18~30%, 바나듐(V)이 3~6%, 크롬(Cr)이 3~5%, 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)이 0.5~1.2%, 망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 2.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 1~2%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 알미늄(Al)이 0.1~0.2%, 티타늄(Ti)이 0.1~0.3%, 히토류금속(RE)이 0.1~0.2% 기타 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 재질로 구성되고, 끝단부가 내부 쪽보다 충격강도가 높게 되어 있되, 벌크 경도치가 HRC67~68인 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드인 것을 특징으로 하고 있으며,

또한, 중량%로 몰리(Mo)가 13~20%, 코발트(Co)가 18~30%, 바나듐(V)이 3~6%, 크롬(Cr)이 3~5%, 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)이 0.5~1.2%, 망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 2.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 1~2%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 알미늄(Al)이 0.1~0.2%, 티타늄(Ti)이 0.1~0.3%, 히토류금속(RE)이 0.1~0.2%, 나머지는 철(Fe)로 이루어진 원소를 고주파 전기 유도로에서 1650℃±30℃에서 용해하는 단계,

상기 용해된 용탕을 휠 블레이드 주조용 금형에 1560℃±10℃에서 주입하는 단계,

상기 용탕이 주입된 금형을 공냉한 후 탈형하여 휠 블레이드를 제조하는 단계,

상기 휠 블레이드를 750~850℃에서 노말라이징하는 단계,

상기 노말라이징한 휠 블레이드를 1050℃±20℃로 승온하여 오스테나이징하는 단계,

상기 오스테나이징한 휠 블레이드를 기름 담금질하는 단계,

상기 기름 담금질한 휠 블레이드를 530℃~580℃에서 2시간~2시간20분간 유지하는 탬퍼링 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드의 제조방법을 특징으로 하고 있으며,

또한, 용탕을 주입하기 위한 탕구와, 용탕을 주형으로 인도하는 주입구와, 블레이드 제품의 주형공간으로 이루어진 수직분할 주조방식의 블레이드 제조용 금형에 있어서,

상기 탕구는 빠른 주입과 압탕의 역할을 겸할 수 있도록 크게 형성되어 있으며,

상기 주입구는 상부주입구와 하부주입구로 이루어져 있고,

상기 탕구의 하부에는 용탕의 와류 발생을 억제하기 위한 바닥면이 오목한 형상으로 형성되어 있고,

상기 블레이드 제품의 주형공간은 쇼트볼이 먼저 닿는 내부쪽 부분이 주입구와 마주하도록 되어 있으며, 그 끝단에는 가스가 빠져나가는 기발공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 휠 블레이드 제조용 금형을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드의 제조가 용이하여 휠 블레이드의 사용수명을 대폭 향상시킬 수 있는 작용효과가 있다.

도1은 쇼트기에 조립되어 사용되는 휠 블레이드의 개략도이고,
도2는 휠에 장착되어 사용되는 블레이드의 사시도이고,
도3은 정면에서 바라본 휠 블레이드 제조용 금형의 단면도이고,
도4는 측면에서 바라본 휠 블레이드 제조용 금형의 단면도이다.

전술한 바와 같이 쇼트기(Shot Blasting Machine) 부품인 휠 블레이드(Wheel Blade)는 소모 공구로써 금속 간 마찰마모에 견딜 수 있는 합금재질로 만들어 져야한다. 내마모성을 결정짓는 요소로 가장 중요한 요소(Factor)는 경도(Hardness)이다. 경도는 두 가지로 나누어지는데 하나는 미세조직의 경도이고 하나는 기지조직(Matrix)의 경도이다.

여기서 기지 조직이라 함은 말 그대로 바탕조직을 말하는 것이고 미소경도는 기지 조직 속에 혼재해 있는 각종 금속간 화합물들이다. 대표적인 것이 탄화물(Carbide)이고 그다음 질화물, 본론화합물, 복합화합물 등이다. 이들 금속간 화합물 등은 경도가 매우 높고, 융점이 높으며, 결합강도 또한 매우 높다. 뿐만 아니라 화학적으로도 비교적 안정하여 부식도 잘되지 않는다. 또한 내마모성이 우수하기 위해서는 일차적으로 벌크(Bulk)경도치가 높아야 한다, 둘째로 미세조직인 탄화물(Carbide), 질화물(Nitride), 붕소화합물(Boride) 등 금속간 화합물이 많이 존재하여야 한다.

여기서 기지조직은 금속이 용융상태일 때는 오스테나이트(Austenite)조직이고 이것이 냉각에 의해 고체로 변하면서 퍼얼라이트(Pearlite)조직이 된다. 보다 냉각속도가 빨라지면 마르텐자이트(martensite)로 변태를 하게 되는데 경도가 가장 높은 기지조직이 마르텐자이트이다. 비록 주조 상태에서 100% 마르텐자이트 조직을 얻지 못하였다 할지라도 주조 후 열처리를 통해서 기지조직을 마르텐자이트 조직으로 변태를 시킬 수 있다.

지금까지의 휠 블레이드로 사용된 각종 재질의 조직을 분석해보면, 대부분 기지조직은 마르텐자이트이고 미소조직상의 고경도 물질은 크롬카바이드(Chromium Carbide)로 구성되어있다. 전술한 15Cr3Mo, 27Cr2Mo, STD11 등 공히 크롬카바이드가 내마모성을 높여주는 미소조직의 물질이다.

표1은 각종 카바이드의 경도를 보여준다.

Vickers Hardness and Knoop Hardness

material or phase	hardness HV	knoop hardness
Pearlite (matrix)	300~800	300~600
Martensite (matrix)	500~900	500~800
Cementite (Fe3C)	840~1,100	1,025
Chrome Carbide (Cr7C3)	1,200~1,600	1,735
Moly Carbide (Mo2C)	1,500~1,800	1,800
Tungsten Carbide (WC.W2C,W6C)	1,800~2,400	1,800
Niobium Carbide(NbC)	2,400	2,400
Silicon Carbide (SiC)	2,600	2,660
Vanadium Carbide (VC)	2,800	2,470
Titanium Carbide (TiC)	3,200	2,580
Boron Carbide (B4C)	3,700	2,800
Diamond	10,000	7,575

상기 표1에서와 같이 크롬카바이드(Chromium Carbide)는 상대적으로 경도치가 낮은 편이다.

휠 블레이드가 최고의 내마모성을 얻기 위해서는 우선 벌크경도(Bulk hardness)가 높아야 한다. 벌크 경도는 기지조직의 경도와 미소경도의 복합경도이며 통상 브리넬경도(Brinell Hardness)나 로크웰경도(Rockwell hardness)로 나타낸다. 여기서 브리넬 경도는 경도수치가 비교적 낮은 강의 경도를 측정할 때 사용하고 고경도 강의 경도 측정에는 로크웰 경도기를 사용한다.

기존의 시판되고 있는 휠 블레이드는 HRC62~HRC64 정도이다. 전술한 최고로 수명이 긴 휠 블레이드 재질인 STD11종의 경우 HRC65가 최고치로 얻을 수 있는 경도이다.

위와 같이 기존 제품의 재질로 얻을 수 있는 최고의 경도치는 HRC65가 한계이며 이경도치로는 24시간을 가동하는 연속 쇼트 블라스팅기에서 사용수명을 최대 2주가 한계인 것이다. 이 한계를 뛰어넘기 위해서는 크롬카바이드로는 거의 불가능하여 당 발명에서는 바나듐 카바이드(Vanadium Carbide), 텅그스텐 카바이드(Tungsten Carbide), 보론 카바이드(Boron Carbide) 와 보론 화합물인 몰리보라이드(Molybdenum Boride), 코발트보라이드(Cobalt Boride), 니오븀보라이드(Niobium Boride)를 조직 속에 다량 혼재시켜 최소 경도가 HRC67이상이 되도록 한다.

통상 고속도강 재질 중에 가장 내마모성이 우수하다고 하는 T15, M4의 경우 HRC66~67이 최고의 경도치이다.

표2는 각종 보라이드(Boride)의 경도치 이다.

각종 Boride의 융점과 경도(HV)

Boride	Melting Point(℃)	HV-Hardness
Aluminium Boride(AlB2)	1,350	2,000
Chrome Boride(CrB2)	1,850	2,100
Cobalt Boride(CoB)	1,400	2,000
Iron Boride(FeB)	1,390	1,800
Nickel Boride(Ni2B)	1,220	1,800
Niobium Boride(NbB)	2,270	2,700
Molybdenum Boride(MoB2)	2,000	2,300
Titanium Boride(TiB2)	3,225	3,300
Vanadium Boride(VB)	2,100	2,500
Tungsten Boride(W2B5)	2,800	3,000
Zirconium Boride(ZrB2)	3,050	2,050

지금까지의 설명은 화학성분의 조성에 따른 금속조직의 구성과 내마모성에 기여하는 역할에 대한 것이었다.

화학성분이 동일한 합금일지라도 주조 시 냉각속도에 따라 금속의 결정입자는 그 크기가 달라진다. 결정입자가 크면 경도나 기계적 성질이 나빠지며 결정입자가 미세하면 경도는 물론 충격강도 내마모성이 월등이 좋아진다.

이러한 모든 특성을 감안하여 최고의 내마모성 제품을 만드는 것이 기술적 과제이다.

최고의 경도 최고의 내마모성을 얻기 위하여 1차적으로 벌크(Bulk) 경도(Hardness)를 로크웰경도(Rockwell hardness) 로 HRC67~68을 얻을 수 있도록 특수 고속도강 합금설계를 했다.

구체적으로 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)가 0.5~1.2%, 망간(Mn)을 0.1~0.5%, 크롬(Cr)을 3~5%, 몰리(Mo)를 13~20%, 바나듐(V)을 3~6%, 코발트(Co)를 18~30%, 니오븀(Nb)을 1~2%, 텅그스텐(W)을 1~3%, 티타늄(Ti)을 0.1~0.3%, 알미늄(Al)을 0.1~0.2%, 히토류금속(RE)을 0.1~0.2%, 보론(B)을 2.5~5% 인 합금 조성이다.

이 고속도강의 특성은 고온경도와 강도가 요구되는 절삭 공구용 고속도강(High Speed Steel)이 아니고 사용온도가 500℃ 미만의 초 내마모용 고속도강 합금이다. 따라서 벌크경도와 미소경도를 극대화 시키는데 초점을 두었다.

당 발명의 합금 설계에서 탄소(Carbon)는 카바이드(Carbide)를 형성하기 위해 합금되며, 그 함량은 중량%로 1.5%~3.5%이다. 보다 효과적인 함량은 2.0%~3.0%이다. 탄소의 함량이 3.5%를 초과하면 보론과 보론카바이드를 형성하는 비율이 높아져 경도는 증가하나 취성이 강해져 불리하다.

여기서 실리콘(Si)은 탈산제 역할과 주조성(Castability)을 향상시키는 주요 원소이다. 일반적으로 고속도강에는 0.4%이하로 합금하지만 당 발명에서는 탈산과 주조성 향상 목적으로 0.5~1.2% 정도 합금한다. 바람직하게는 0.7~1.0%가 보다 효과적이다.

망간(Manganese)은 탈산 목적 이외는 합금 목적이 없다. 공구강에서 망간은 인성을 증가시키는 데는 도움이 되지만 경도를 높이는 데는 역효과가 난다. 따라서 0.1~0.5%로 한정한다. 이 함량도 고철이나 타 합금철에서 함유되어 들어오는 것을 용인하는 수준이다.

여기서 크롬(Chromium)은 3~5%로 한정한다. 통상의 고속도강에서도 이 수준의 크롬 함량이다. 크롬은 표1에서와 같이 크롬탄화물의 경도가 HV1,300정도로 비교적 낮다. 또한 크롬은 탄화물을 쉽게 형성하므로 크롬 함량이 지나치면 경도가 높은 다른 원소의 탄화물이 적게 되어 벌크 경도가 낮아진다.

여기에서 바나듐(V)은 MC Type의 탄화물을 형성하여 미소경도를 높이는 역할을 한다. 또한 결정입자의 크기를 미세화시키는 역할도 하여 중량%로 3~6%를 합금한다. 보론이 들어가지 않는 고속도강에서는 바나듐이 내마모성 증대를 위한 핵심적인 원소이나 고 보론이 합금될 경우에는 오히려 벌크 경도가 낮아져 3~6%가 좋은 결과를 나타낸다.

여기서 니오븀(Niobium)은 바나듐과 함께 대표적인 MC Type의 탄화물을 형성하는 원소이다. 역시 표1에서와 같이 HV2400 정도로 매우 높은 경도를 나타내지만 니오븀은 결정입자를 조대화 시키는 경향이 있어 당 발명에서는 1~2%로 한정했다.

여기서 텅그스텐(Tungsten)은 몰리브덴과 같이 카바이드와 보라이드를 형성하는 원소이며 미소경도와 마모성을 증대시키는 역할을 하지만 가격이 비싸고 몰리브덴 함량이 높을 경우 굳이 텅그스텐 함량을 높일 필요가 없다 또한 비중이 19.3으로 높아 제품의 무게를 무겁게 하는 이유로 중량비로 1~3%로 한정한다.

여기서 몰리브덴(Molybdenum)은 코발트(Cobalt)와 함께 가장 핵심적인 역할을 하는 원소이다. 몰리브덴은 카바이드를 형성하기는 하지만 크롬이나 텅그스텐 바나듐처럼 카바이드의 형성 경향이 높지 않고 또 M2C Type의 카바이드를 형성하기 때문에 카바이드의 경도도 HV1,800 정도로 비교적 낮다. 그러나 보론과는 쉽게 보라이드를 형성하며 몰리보라이드의 경도 또한 표2에서처럼 HV2,000이나 된다. 또한 급랭 효과를 증대시키는 역할도 높다 따라서 당 발명에서는 몰리브덴을 중량비로 13~20%를 합금한다. 보론의 함량에 따라 가감이 필요하고 고 보론의 경우는 몰리의 함량도 높은 쪽으로 조절한다. 당 발명품이 휠 블레이드이기 때문에 내열성, 고온강도, 보다는 높은 경도와 내마모성이 더욱 중요하다. 이러한 특성에 맞추어 바람직한 함량은 15~18%가 가장 효과적이다.

여기서 코발트(Cobalt)는 보론과 결합하여 코발트보라이드(Cobalt Boride)를 형성한다 표2에서 CoB는 융점(Melting Point)이 1,400℃로 매우 낮으며 쉽게 보라이드를 형성한다 그럼에도 불구하고 CoB의 경도는 HV2,000으로 매우 높다. 따라서 당 발명에서는 코발트의 함량을 중량비로 최소 18% 최대 30%로 한정한다. 더욱 바람직하게는 20~25%이다. 코발트는 당 발명에 소요되는 합금 중에서 가장 비싼 원소이므로 함량을 높이면 합금의 원가가 상승하므로 비경제적이다.

여기서 보론(Boron)은 몰리브덴, 코발트와 더불어 핵심 원소이다. 보론은 탄소와 매우 유사한 성질을 가지고 있으며 보론의 원자번호는 5번이며 원자량은 10.82이고, 탄소는 원자번호 6번에 원자량은 12이다. 탄소가 그러하듯이 철(Fe)과는 쉽게 공정반응을 한다. 철과 탄소의 공정점의 온도가 1,134℃로 낮으며 철과 보론의 공정점의 온도도 1,179℃로 낮다. 탄소가 카바이드를 만들듯이 보론은 보라이드를 형성한다. 또한 두 물질 공히 금속간화합물(Intermetallic Compound)이다. 특이한 것은 보라이드 쪽이 카바이드 보다 경도가 높은 점이다. 이러한 보론의 성질을 이용하여 당 발명에서는 보론의 함량을 중량비로 1.5~5%로 한정한다. 보론의 함량이 1.5%이상으로 제한하는 것은 이 이하의 경우는 경도가 낮아져 당 발명품에는 효과가 적고 5%이상일 경우는 취성이 강해 충격강도가 문제가 된다.

여기서 티타늄(Titanium)은 탈산제와 결정립 미세화 원소로 중량비로 0.1~0.3%를 사용하며 0.3%를 초과하면 주방경도(As Cast Hardness)가 낮아진다.

여기서 알루미늄(Aluminium)은 탈산제로 사용하며 0.1~0.2%가 효과적이다. 또한 알루미늄은 표2에서와 같이 낮은 온도에서 알미늄보라이드를 형성하며 경도 또한 매우 높다. 알미늄이 지나치게 높을 경우 충격강도를 낮추는 문제가 있어 0.1~0.2%가 적당하다.

여기서 희토류금속(Rare Earth Metal)은 탈산과 탈황의 목적으로 사용하며 0.1~0.2%가 효과적이다. 희토류 원소를 사용하면 사용하지 않을 경우보다 충격강도가 높다. 이것은 희토류 원소가 유황을 제거하는 탈황효과가 있기 때문이며 특히 고온강도 면에서 유리하다.

또한, 본 발명의 블레이드는 쇼트볼이 먼저 닿는 쪽 즉, 제품의 폭이 넓은 내부쪽이 끝단부 즉, 쇼트볼이 투사되는 쪽이 내부 쪽 보다 경도가 높게 되어 있고, 제품의 벌크 경도는 HRC67~68인 것을 특징으로 하고 있는데,

그 이유는 쇼트볼이 투사되는 쪽이 고속으로 마찰을 일으키기 때문이며, 경도가 HRC66이하이면 쉽게 마모가 일어나기 때문이다. 기존의 숏트기 휠블레이드는 HRC65이상이 되지 못하여 2주를 넘기지 못하고 교체해야만 했다.

또한, 본 발명에서 합금설계 못지않게 중요한 기술적 과제가 주조 방법이며, 아무리 적합한 합금설계 일지라도 주조방법이 적절하지 않으면 소기의 목적을 달성할 수 없다.

왜냐하면 당 쇼트기 휠 블레이드는 다 품종 소량 생산품이기 때문에 단조나 압연 등의 공정으로는 경제성이 없기 때문이다. 따라서 주조에 의해 제작해야 하고 주조 방법은 중요한 제조공정일 수밖에 없다.

주조 방법은 사형주조, 금형주조, 정밀주조, 원심주조 등 여러 가지가 있고 각 Process별로 장단점이 있다. 당 발명품인 쇼트기용 휠 블레이드(Wheel Blade)는 내마모성(Abrasive wear Resistant)이 가장 중요하고 충격강도(Impact Strength)가 중요하다. 이 두 가지를 만족시키기 위한 주조 방법으로는 금형주조 방법이 가장 좋은 방법이다. 원심주조법이 더 좋으나 설비비, 금형비 등 원가 면에서 불리하다.

이러한 이유로 당 발명에서는 금형 주조법을 채용하며, 특히 주조성, 가스 결함, 수축공 결함, 조직의 균일화 및 미세화를 위하여 특별한 주조방안을 도3과 같이 설계하였다. 금형의 재질은 STD61(SKD61)이 좋으나 S15C 또는 S20C이면 된다.

본 발명은 고주파전기유도로에서 합금을 1650℃에서 용해하는데 그 이유는 당 합금은 바나듐, 텅그스텐, 몰리브덴, 니오븀과 같은 고 융점 금속이 다량 합금되고, 또 균일한 조성을 얻기 위하여 고온용해를 반드시 해야 한다.

용탕을 1560℃에서 금형에 주입하는 이유는 주입온도가 낮을수록 급랭에 의해 결정입자가 미세화되고 강도 및 경도 면에서 유리하나, 지나치게 낮을 경우, 주조 결함이 생긴다. 따라서 당 제품의 경우 주입온도가 1560℃ 전후가 적당한 주입온도다.

용탕이 주입된 금형을 공랭한 후 탈형하여 제품을 얻고, 이 제품을 750~850℃에서 노말라이징하는데, 그 이유는 주조 응력을 제거하는데 있다.

노말라이징한 제품을 승온하여 오스테나이징하는 이유는 (열처리의 기본이므로 설명 불필요)

오스테나이징한 제품을 기름담금질하는 이유는 수냉(Water Quenching)할 경우 크랙(Crack)이 발생할 위험성이 있기 때문에 기름담금질(Oil Quenching)을 한다.

기름담금질 한 제품을 템퍼링 하는 이유는 급랭에 의한 열응력을 풀어주고, 고속도강이기 때문에 템퍼링을 하여 경도를 높혀 주어야 한다. 뿐만 아니라 경도분포를 균일하게 하기 위해서도 반드시 템퍼링을 해야한다.

또한 본 발명의 금형에서

탕구를 크게 형성하는 이유는 주입속도를 빨리하기 위하여 탕구를 크게하고 또한 탕구를 압탕으로 대신하기 때문에 일부러 크게한다.

주입구를 상부 주입구와 하부 주입구로 형성하는 것은 당 블레이드의 경우 휠에 조립하기 위하여 상부와 하부의 가장자리가 두껍게 되어있다. 따라서 이 부위에 수축공 결함이 발생할 여지가 있기 때문에 주입구를 이 부위에 설치해야하며, 용탕이 소용돌이가 없이 조용히 주입될수 있도록 상부와 하부로 나누어 2개를 설치한다.

탕구바닥(Well)을 형성하는 이유는 쇳물이 직접 투입되면 와류가 발생하게 되는데 이 탕구바닥이 완충역할을 하여 유속을 줄여주고 조용히 쇳물이 주입구 쪽으로 흘러들어가게 하여 슬래그 등 불순물이 제품으로 유입되는 것을 막아주는 역할을 하기 때문이다.

블레이드 주형공간에서 제품의 폭이 넓은 쪽에 주입구를 설치하는 이유는 주입구 쪽은 탕구와 연결이 되어있고 뜨거운 쇳물이 이곳을 거쳐 주형공간으로 들어가기 때문에 서랭(Slow Cooling)이 된다. 이에 따라 조직도 조대해진다. 당 블레이드의 경우 끝단부위의 경도가 높아야 하므로 주입구는 넓은 쪽에 설치해야 한다.

제품의 끝단에 기발공을 형성하는 이유는 쇳물이 주입구를 통해 주형공간을 채우게 되면 주형공간 속의 공기는 압축이 되고 이 압축된 공기는 역압이 되어 쇳물의 진입을 막게된다. 따라서 반드시 기발공(Vent Hole)을 설치하여 공기가 빠져 나갈 수 있게 해야 한다.

이하에 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 정면 주조방안을 나타낸 단면도이고, 도4는 본 발명의 측면 주조방안을 나타낸 단면도로서, 금형은 수직 분할로 제작해야한다.

도3에서 중앙부위의 깔때기 형상이 탕구(Sprue)(1)이다. 양쪽의 판상의 형상이 제품인 블레이드가 형성되는 제품 공간(2)이고,

중앙의 탕구(1)와 블레이드(2)를 연결해주는 날개 형상이 주입구(3)이고 주입구(3)는 상부 주입구(3-1)와 하부 주입구(3-2)로 형성된다.

블레이드 양쪽 옆 끝단에 위치한 빨대같이 생긴 것이 기발공(4)이며 주형공간의 공기와 쇳물이 주입되면서 발생한 가스를 배출해 주는 역할을 한다.

탕구바닥(5)은 오목하게 형성되어 용탕의 와류 발생을 방지하는 역할을 한다.

탕구(1)를 통해 쇳물이 주입되면 먼저 탕구바닥(5)을 채우고 유속이 느려진 용탕이 하부 주입구(3-2)를 통해 제품 속으로 주입되고 연이어 상부 주입구(3-1)를 통해 용탕이 블레이드 주형 공간(2)을 채우게 된다.

이 과정에서 유속이 느려짐에 따라 슬래그나 모래입자 등 불순물은 탕구에 남게 되고 깨끗한 용탕만 제품공간으로 흘러들어가게 되며 따라서 비금속 개제물이나 슬래그의 혼입이 방지된다.

도4의 측면에서 바라보면 주입구(Gate)(3)는 도면과 같이 형상이 십자형상에서 한쪽 면이 없는 모양이다. 이렇게 설계된 이유는 수축결함을 방지하기 위한 것이다. 주입구는 반드시 제품의 폭이 넓은 쪽(쇼트볼이 먼저 닿는 쪽)에 설치하고 상,하단에 상부주입구(3-1)와 하부 주입구(3-2)를 설치한다.

제품의 끝단(쇼트볼이 투사되는 쪽)에는 반드시 가스가 빠져나가는 기발 공(Vent Hole)을 설치한다. 압탕(Rise)은 설치하지 않는다. 주입은 빠른 주입을 해야 하므로 탕구를 크게 하고 탕구가 압탕의 역할을 겸할 수 있도록 한다. 수직분할 주조방안이므로 별도의 탕도(Runner)가 없는 대신에 반드시 탕구바닥(Well)을 설치하여 와류의 발생을 방지해 주어야 한다.

이하에 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

실시 예

구분	화학성분									주조경도		열처리경도
	C	Si	Cr	V	Mo	Co	Nb	W	B	사형	금형	사형	금형
실시예 1	2.1	0.8	3.2	3.8	18	25	1.0	2.5	3.0	HRC 63.1	HRC 66.5	HRC 66.2	HRC 68.5
실시예 2	2.0	0.7	3.3	3.7	18	24	1.1	2.8	3.5	63.7	66.8	67.1	69.4
실시예 3	2.4	0.8	3.5	3.2	17	25	1.0	3.0	3.0	63.5	66.8	66.5	69.0
실시예 4	2.5	0.9	3.3	3.6	18	23	1.2	2.4	3.0	63.4	66.7	66.4	68.9
실시예 5	3.0	0.7	4.0	4.0	17	23	1.0	2.6	3.0	65.0	67.5	67.7	69.5
실시예 6	3.1	0.8	3.8	4.1	18	25	1.1	2.7	2.9	65.4	67.8	67.9	69.7
비교예 1	3.0	1.0	4.0	10	8.0	3	6.0	2.0	-	60.9	62.1	64.7	65.8
비교예 2	3.0	0.8	4.0	8.0	13	8	2.0	3.5	2.0	62.7	63.9	64.6	65.4
비교예 3 (15Cr3Mo)	3.5	0.6	16	-	3.0	-	-	-	-	60.0	62.1	63.5	65.1
비교예 4 (HSS T15)	1.5	0.4	4.0	5	1	5	-	12	-	-	-	*단조	65.9
비교예 5 (Stellite190)	3.2	1.0	27	-	-	50	-	13.5	-	48.8	52.3	52.4	58.7
비교예 6 (SKD11)	1.5	0.4	13	0.5	1	-	-	-	-	-	-	*단조	64.3

* 비교예4번, 비교예6번은 주조한 것이 아니고 단조나 압연한 것임.

실시예 1번부터 6번까지는 당 발명품이고

비교예 1번은 보론(Boron)을 첨가하지 않은 고 바나듐(Vanadium), 고 니오븀(Niobium)계 합금이며 몰리와 코발트의 함량도 소량 첨가 되었다.

비교예 2번은 당 발명품에 보론과 코발트, 몰리를 조금씩 줄인 제품이다.

비교예 3번은 기존의 고 크롬백주철(High Chromium White Cast Iron)로 고 크롬 백주철 중에서는 가장 경도와 내 마모성이 우수한 재질이다.

비교예 4번은 ASTM 규격의 고속도강(HSS) 중 최고의 내마모성을 가진 합금으로 단조 및 압연을 거친 재질이다.

비교예 5번은 기존의 스텔라이트 중 최고의 내마모성을 가진 재질이다.

비교예 6번은 현재 시중에서 가장 장시간 사용한다는 JIS 규격인 SKD11(KS STD11)인 냉간 금형강으로 단조나 압연을 거쳐 제작된 재질이다.

상기 표3의 당 발명품인 실시예 1번에서 6번 까지의 열처리는 750℃에서 850℃에서 노말라이징(Normalizing) 열처리를 하여 주조응력을 제거한 후 950℃ 내지 1,050℃로 승온하여 조직을 오스테나이징(Austenizing)한 후 기름 담금질(Oil Quenching)을 실시하고 530℃ 내지 580℃에서 2시간을 유지하는 뜨임(Tempering)열처리를 행하였다.

비교예 1번은 950℃에서 오스테나이징하고 역시 Oil Quenching을 하였고 Tempering 도 동일하게 처리하였다.

비교예 2번은 실시 예와 같이 전부 동일한 방법으로 Quenching, Tempering 열처리를 하였다.

비교예 3번은 1,050℃까지 승온하여 오스테나이징 한 후 공기냉각(Air Quenching)을 하였고 Tempering 열처리는 하지 않았다.

비교예 4번, 6번의 열처리는 국제 규격대로 Quenching과 Tempering을 실시하였다.

상기 표3에서 실시예 1번 내지 6번은 당 발명품으로 주조방법을 사형주조(Sand Casting)와 금형주조(Metal Mold Casting)로 구분하여 시험 하였으며,

사형주조의 주형은 규산소다를 Binder로 하는 CO2-process로 제작하였고, 금형주조의 금형은 탄소강재질의 금형을 사용하였다.

용해는 고주파전기유도로에서 용해하였고 최고 용해온도는 1,650℃로 용해한 후 주입온도는 사형의 경우 1,500℃로 했고 금형의 경우는 1,560℃로 다소 높게 주입하였다. 금형주조에서 사형주조에 비해 60℃정도 온도를 높게 주입한 이유는 급랭에 의해 제품의 형상이 나오지 않거나 제품표면에 주름살이 생길 것을 대비하여 그렇게 했다.

주입 결과 모든 재질 공히 사형주조에 비해 금형주조 쪽이 경도(Hardness)가 높게 나타났다. 이것은 냉각속도에 따른 결과로 액체금속이 주형 속에서 고체화하는 과정에 냉각속도가 빠르면 결정입자가 성장할 수 있는 시간이 없게 되고, 따라서 결정입자크기(Grain Size)가 작게 된다. 또한 기지조직(Matrix)도 마르텐자이트(Martensite)가 많아지기 때문이다.

상기 표3의 실시 예 1번에서 6번 중 탄소(Carbon)의 함량을 증가하게 되면 경도도 증가한다. 물론 동일한 화학성분에서 보론(Boron)의 함량을 증가시키면 역시 경도는 증가한다. 사형주조와 금형주조의 경도차는 대략 2.5 포인트에서 3.0 포인트가 금형주조 쪽이 높게 나타났다.

충격 및 마모시험

구 분	열처리후 경도(HRC)	마모시험(Loss량)	충격 강도(Charpy)
실시 예 1	HRC68.5 (금형주조)	22.7 mg	7.2 ft-lbs
실시 예 2	HRC69.4 (금형주조)	19.7 mg	6.8 ft-lbs
실시 예 3	HRC69.0 (금형주조)	20.1 mg	7.0 ft-lbs
실시 예 4	HRC68.9 (금형주조)	21.6 mg	7.1 ft-lbs
실시 예 5	HRC69.5 (금형주조)	19.1 mg	6.2 ft-lbs
실시 예 6	HRC69.7 (금형주조)	18.8 mg	6.0 ft-lbs
비교 예 1	HRC65.8 (금형주조)	32.9 mg	7.2 ft-lbs
비교 예 2	HRC65.4 (금형주조)	29.8 mg	7.4 ft-lbs
비교 예 3	HRC65.1 (금형주조)	58.6 mg	6.8 ft-lbs
비교 예 4	HRC65.9 (단조)	45.4 mg	12.1 ft-lbs
비교 예 5	HRC58.7 (금형주조)	66.1 mg	28.7 ft-lbs
비교 예 6	HRC64.3 (단조)	74.3 mg	14.6 ft-lbs

상기 표3 경도 시험에서 예상된 바와 같이 내 마모 및 충격강도의

결과는 표4와 같이 경도가 높은 당 발명품이 우수한 내마모성을 나타내었다.

반면에 충격강도는 다소 떨어졌으며, 이것은 경도와 충격강도는 반비례하는 결과 때문이다. 발명품이 기존의 제품에 비해 충격치가 다소 열세이긴 하나 쇼트기로 사용되는 데는 문제가 없다.

1: 탕구 2: 블레이드 3: 주입구
3-1: 상부 주입구 3-2: 하부 주입구 4: 기발공 5: 탕구바닥

Claims (6)

1. 중량%로 몰리(Mo)가 13~20%, 코발트(Co)가 21~25%, 바나듐(V)이 3~6%, 크롬(Cr)이 3~5%, 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)이 0.5~1.2%, 보론(B)이 2.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 1~2%, 텅그스텐(W)이 1~3% 기타 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 재질로 주조에 의해 제조되고, 끝단부가 내부쪽보다 충격강도가 높게 되어 있는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드
2. 제1항에 있어서,
   상기 휠 블레이드는 벌크 경도치가 HRC67~68인 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드
3. 중량%로 몰리(Mo)가 13~20%, 코발트(Co)가 21~25%, 바나듐(V)이 3~6%, 크롬(Cr)이 3~5%, 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)이 0.5~1.2%, 보론(B)이 2.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 1~2%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 기타 나머지는 철(Fe)로 이루어진 원소를 고주파 전기 유도로에서 1650℃±30℃에서 용해하는 단계,
   상기 용해된 용탕을 휠 블레이드 주조용 금형에 1560℃±10℃에서 주입하는 단계,
   상기 용탕이 주입된 금형을 공냉한 후 탈형하여 휠블레이드를 제조하는 단계,
   상기 휠 블레이드를 750~850℃에서 노말라이징하는 단계,
   상기 노말라이징한 휠 블레이드를 1050℃±20℃로 승온하여 오스테나이징하는 단계,
   상기 오스테나이징한 휠 블레이드를 기름 담금질하는 단계,
   상기 기름 담금질한 휠 블레이드를 탬퍼링하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드의 제조방법
4. 제3항에 있어서,
   상기 탬퍼링 단계는 휠 블레이드를 530℃~580℃에서 120~140분간 유지하는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드의 제조방법
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