KR102064964B1 - 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드 및 그 제조방법 및 휠 블레이드 제조용 원심주조 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 원심주조금형에 관한 것으로서,
중량%로 몰리(Mo)가 1~3%, 코발트(Co)가 1~3%, 바나듐(V)이 1~3%, 크롬(Cr)이 20~30%, 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)이 0.5~1.5%,망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 1.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 0.5~1%, 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, 벌크 경도치가 HRC66~68인 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 원심주조 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 고 내마모성을 갖는 휠 블레이드용 합금 재질과 그 제조방법 및 휠 블레이드 제조에 사용되는 원심주조 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 상용화 된 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 지다보니 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 24시간 연속 사용되는 휠 블레이드로는 그 사용수명이 일주일 내지 10일정도 밖에 되지 않아 긴 수명의 제품을 요구하기에 이르렀다.

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(Machining 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 균일화 되었고 이에 따라 열처리 시에도 표면의 경도가 매우 균일하여 편 마모 현상이 일어나지 않는 반면에 주조품은 탕구, 탕도, 주입구의 위치에 따라 냉각속도가 다르고 또한 조직도 불 균일 할 수밖에 없기 때문이다.

반면에, 상기 주조품은 현미경 조직상 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 필요로 하고 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 탄화물인 크롬카바이드(Chromium Carbide) 대신에 탄화물보다 경도가 높고 가격도 저렴한 보론 화합물(Boride)인 철 보라이드(Iron Boride), 크롬 보라이드(Chromium Boride) 이용하여 고경도와 내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드 및 그 제조방법을 제공하고자 하며,

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

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드는,

중량%로 크롬(Cr)이 20~30%, 탄소(C)가 1.5~3%, 몰리(Mo)가 1~3%, 코발트(Co)가 1~3%, 바나듐(V)이 1~3%, 실리콘(Si)이 0.5~1.5%, 망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 1.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 0.5~1%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 기타 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 재질로 구성되고, 끝단부가 내부 쪽보다 충격강도가 높게 되어 있고, 벌크 경도치가 HRC66~68인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드의 제조방법은,

중량%로 크롬(Cr)이 20~30%, 탄소(C)가 1.5~3.5%,몰리(Mo)가 1~3%, 코발트(Co)가 1~3%, 바나듐(V)이 1~3%, 실리콘(Si)이 0.5~1.5%,망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 1.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 0.5~1%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 나머지는 철(Fe)로 이루어진 원소를 고주파 전기 유도로에서 1630℃±20℃에서 용해하는 단계,

상기 용해된 용탕을 350~550RPM으로 회전하는 원심주조용 금형에 1550℃±10℃의 온도로 주입하는 단계,

상기 용탕이 주입된 금형을 공냉 또는 수냉 한 후 탈형 하여 휠 블레이드를 제조하는 단계,

상기 제조된 휠 블레이드를 열처리하는 단계로 이루어지며,

상기 열처리 단계는, 휠 블레이드를 750~850℃에서 노말라이징하고, 상기 노말라이징한 휠 블레이드를 1000℃±50℃로 승온하여 오스테나이징하고, 상기 오스테나이징한 휠 블레이드를 공기 냉각하고, 상기 공기 냉각한 휠 블레이드를 510℃~580℃에서 120~140분간 유지하는 탬퍼링 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 수평분할 원심주조 방식의 블레이드 제조용 금형은,

탕구컵(5)에 의해 형성되는 수직형 탕구(4)와, 상기 탕구컵의 하부에 형성되며, 상기 탕구의 하부와 연통되어 서로 반대방향으로 분기되는 2개의 1차 주입구(3-1)와,

내측으로 상기 1차 주입구가 연통되며, 외측으로 2차 주입구(3-2)가 분기되는 링형상의 탕도(2)와, 상기 2차 주입구와 연통되는 휠 블레이드 형상의 주형공간부(1)로 이루어지며,

상기 링형상의 탕도(2)는 상부가 볼록한 터널 형상이며, 상기 1차 주입구와 2차 주입구는 상호 어긋나게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 고경도 및 고 내마모성을 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 측면 및 위에서 바라본 휠 블레이드 제조용 원심 주조금형의 단면도이고,
도4는 휠 블레이드 제조용 원심 주조 금형의 사시도이다.

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 잘 되지 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 높아야한다. 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 2주정도가 한계인 것이다. 이 한계를 뛰어넘기 위해서는 크롬카바이드로는 거의 불가능하여 당 발명에서는 크롬 보라이드(Chromium Boride) 바나듐 카바이드(Vanadium Carbide), 텅그스텐 카바이드(Tungsten Carbide), 보론 카바이드(Boron Carbide) 와 보론 화합물인 몰리보라이드(MolybdenumBoride), 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.

((표2))는 각종 보라이드(Boride)의 경도치 이다.

각종 Boride의 융점과 경도( HV )

Boride	Melting Point( 도C )	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 HRC65~68을 얻을 수 있도록 특수 고 크롬 고보론 백주철로 합금설계를 했다.

구체적으로 탄소(C)가 1.5~3.5%, 실리콘(Si)가 0.5~1.5%, 망간(Mn)을 0.1~0.5%, 크롬(Cr)을 20~30%, 몰리(Mo)를 1~3%, 바나듐(V)을 1~3%, 코발트(Co)를 1~3%, 니오븀(Nb)을 0.5~1%, 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 2.5~3.5% 인 합금 조성이다.

이 고크롬 고보론 백주철(High Chromium High Boron White Cast Iron)의 특성은 고온경도와 강도가 요구되는 절삭 공구용 고속도강(High Speed Steel)이 아니고 사용온도가 500도C 미만의 초 내마모용 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 0.5~1.5% 정도 합금 한다 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 크롬은 가장 중요한 역할을 하는 원소이다. 크롬은 가격이 가장 저렴한 합금원소의 하나이고 경도는 다소 낮지만 크롬카바이드는 내마모성을 높이는 중요한 미소조직이다. 크롬카바이드에는 Cr3C, Cr7C3, Cr23C7 등의 종류가 있으며 경도나 내마모성 면에서 Cr7C3가 가장 좋은데 이 카바이드를 만드는 것이 쉽지는 않다. 따라서 당 발명에서는 크롬카바이드 보다는 크롬 보라이드를 많이 형성토록 하여 내마모성을 높이고자 한다. 크롬카바이드의 경도가 HV1300~1500정도이나 크롬보라이드는 HV1800내지 HV2100정도로 크롬보라이드 쪽이 높다. 경도가 높은 특수원소가 있지만 가격이 비싸므로 상대적으로 가격이 저렴한 크롬함량을 높여 내마모성이 우수한 쇼트기 휠 블레이드를 제작코자 한다. 여기서 크롬(Chromium)의 함량은 20~30%로 한정한다. 크롬 함량이 20%이하에서는 크롬 보라이드의 형성비율이 낮아져 내마모성이 떨어지고, 30%를 초과하게 되면 경도는 높아질 수 있으나 취성이 높아져 사용 중에 휠 블레이드가 깨어지는 사고가 발생할 수 있어 30%이하로 한정한다.

여기에서 바나듐(V)은 MC Type의 탄화물을 형성하여 미소경도를 높이는 역할을 한다. 또한 결정입자의 크기를 미세화 시키는 역할도 하여 중량%로 1~3%를 합금한다. 높은 경도와 내마모성을 위해서는 3%이상을 합금할 수 있으나 가격이 비싼 원소이기 때문에 특수 용도의 내마모 재질의 휠블레이드 이외는 1~3%가 적당하다.

여기서 니오븀(Niobium)은 바나듐과 함께 대표적인 MC Type의 탄화물을 형성하는 원소이다. 역시 ((표1))에서와 같이 HV2400 정도로 매우 높은 경도를 나타내지만 니오븀은 결정입자를 조대화 시키는 경향이 있고 가격이 비싸기 때문에 당 발명에서는 0.5~1%로 한정했다.

여기서 텅그스텐(Tungsten)은 몰리브덴과 같이 카바이드와 보라이드를 형성하는 원소이며 미소경도와 마모성을 증대 시키는 역할을 하지만 가격이 비싸고 또한 비중이 19.3으로 높아 제품의 무게를 무겁게 하는 이유로 중량비로 1~3%로 한정한다.

여기서 몰리브덴(Molybdenum)은 카바이드를 형성하기는 하지만 크롬이나 텅그스텐 바나듐 처럼 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 ((표2))에서 처럼 HV2,000이나 된다. 또한 급랭 효과를 증대시키는 역할도 높다 따라서 당 발명에서는 몰리브덴을 중량비로 1~3%를 합금한다. 몰리브덴의 함량을 높일 경우 내마모성도 크게 증가하나 당 발명의 경우 저렴한 재질의 휠 블레이드를 만들기 위해 고 크롬, 고 보론 위주의 합금 설계를 하였기 때문에 몰리브덴은 보완 수준의 함량이면 충분하다. 따라서 1~3%로 한정한다.

여기서 코발트(Cobalt)는 보론과 결합하여 코발트보라이드(Cobalt Boride)를 형성한다 ((표2))에서 CoB는 융점(Melting Point)이 1,400도C로 매우 낮으며 쉽게 보라이드를 형성한다. CoB의 경도는 HV2,000으로 매우 높다. 그럼에도 불구하고 당 발명에서는 코발트의 함량을 중량비로 1~3%로 한정한다. 왜냐하면 코발트는 당 발명에 소요되는 합금 중에서 가장 비싼 원소이므로 함량을 높이면 합금의 원가가 상승하므로 저렴한 휠 블레이드를 만들기 위해서는 1~3%가 적당하다.

여기서 보론(Boron)은 크롬과 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 1,134도C로 낮으며 철과 보론의 공정점의 온도도 1,179도C로 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 1.5~4.5%로 한정한다. 보론의 함량이 1.5%이상으로 제한하는 것은 이 이하의 경우는 경도가 낮아져 당 발명품에는 효과가 적고 4.55%이상일 경우는 취성이 강해 충격강도가 문제가 된다.

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 HRC66~68인 것을 특징으로 하고 있는데,

그 이유는 숏트 볼이 투사되는 쪽이 고속으로 마찰을 일으키기 때문이며, 경도가 HRC65이하이면 쉽게 마모가 일어나기 때문이다. 기존의 숏트기 휠블레이드는 HRC65이상이 되지 못하여 쉽게 마모가 되었다.

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 제작해야하고 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 원심주조 방법이 좋으며 다만 금형비가 다소 비싸고 원심주조기를 제작해야하기 때문에 투자비가 다소높다.

그럼에도 불구하고 당 발명에서는 수직 원심주조법을 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 1630℃±20℃에서 용해하는데 그 이유는 당 합금은 바나듐, 텅그스텐, 몰리브덴, 니오븀과 같은 고 융점 금속이 합금되고, 크롬이 20%이상 다량 합금되기 때문이다. 또 균일한 조성을 얻기 위하여 고온용해를 반드시 해야한다.

용탕을 1550℃±10℃에서 금형에 주입하는 이유는 주입온도가 낮을수록 급랭에 의해 결정입자가 미세화 되고 강도 및 경도 면에서 유리하나, 지나치게 낮을 경우, 주조 결함이 생긴다. 따라서 당 제품의 경우 주입온도가 1550도 전후가 적당한 주입온도다.

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

노말라이징한 제품을 승온하여 950도C 내지 1050도C로 가열하고 공기냉각(Air Quenching)한다.

공기 냉각하는 이유는 수냉(Water Quenching)이나 기름담금질 할 경우 크랙(Crack)이 발생할 위험성이 있기 때문에 공기 냉각을 한다. 또한 공기냉각을 해도 충분한 경도를 얻을 수 있다.

이후 510도C 내지 580도C에서 템퍼링열처리를 하여 경도의 분포를 균일하게하고 열응력을 풀어준다.

또한 본 발명의 휠블레이드의 주조 방법은 수직 원심주조를 한다. 원심주조를 하는 이유는 쇳물을 원심력에 의해 가압 주입이 되도록 하고, 금형에 주입함으로써 쇳물이 급랭되어 조직이 미세화 될 뿐 아니라 기공이나 수축공이 없는 제품을 만들 수 있기 때문이다.

이하에 본 발명의 주조금형에 대하여 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 정면 주조방안을 나타낸 단면도이고, 도4는 본 발명의 주조 금형을 나타낸 사시도로서, 금형은 상하 분할로 제작해야한다.

본 발명의 수평분할 원심주조 방식의 블레이드 제조용 금형은,

도3에 나타난 바와 같이, 중앙부위에 깔때기 형상의 탕구(Sprue)(4)와, 양쪽의 판상의 형상이 제품인 블레이드가 형성되는 주형공간부(1)와,

중앙의 탕구(4)와 탕도(2)를 연결해주는 날개 형상이 1차주입구(3-1)와, 탕도(2)와 제품 주형공간부를 연결하는 2차 주입구(3-2)로 이루어져 있다.

상기 탕구(4)는 탕구컵(5)에 의해 형성되는 수직형 탕구(4)로서 용탕의 주입이 용이하도록 상부가 큰 깔때기 형상으로 되어 있으며,

상기 1차 주입구(3-1)는 상기 탕구컵(5)의 하부에 형성되며, 상기 탕구(4)의 하부와 연통되어 서로 반대방향으로 분기되는 2개의 1차 주입구(3-1)로 형성되어 있다.

상기 탕도(2)는 내측으로 상기 1차 주입구(3-1)가 연통되며, 외측으로 8개의 2차 주입구(3-2)가 분기되는 링형상으로 되어 있다.

상기 주형공간부(1)는 상기 2차 주입구와 연통되는 제품공간으로서 휠 블레이드 형상과 동일하게 형성된다.

상기 링형상의 탕도(2)는 상부가 볼록한 터널 형상이며, 상기 1차 주입구(3-1)와 2차 주입구(3-2)는 상호 어긋나게 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

350~450 RPM으로 회전하는 원심주조 금형의 탕구(4)를 통해 쇳물이 주입되면 먼저 탕구바닥을 채우고 두개의 1차 주입구(3-2)를 통해 도나스 형태의 탕도(3-2)로 쇳물이 유입된다. 이어서 탕도속의 쇳물은 여덟 개의 주입구를 통해 균등한 양으로 제품 속으로 주입되게 된다. 여기서 1차주입구를 2개만 설치하고 2차주입구와 엇갈리게 설치해야한다 왜냐하면 원심주조기의 회전력에 의해 쇳물이 주입되므로 1차 주입구를 많이 설치할 필요가 없고 2차주입구와 엇갈리게 설치하는 이유는 1차 주입구로 들어온 쇳물이 탕도에 머물 시간이 없이 바로 제품 속으로 들어가는 것을 방지하기 위함이다.

여기서 도나스 형태의 탕도(3-2)의 역할은 1차 주입구(3-3-1)를 통해 들어온 쇳물의 유속을 느려지게 하여 슬래그나 기타 불순물 등을 비중 차에 의해 탕도 상부로 떠오르게 하고 깨끗한 용탕만 제품공간으로 흘러들어가게 하는 역할과 8개의 제품 속으로 쇳물이 균등하게 흘러들어가도록 하는 분배기 역할을 한다. 따라서 비금속 개제물이나 슬래그의 혼입이 방지된다.

이하에 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

실시 예

구분	화학성분									주조경도	열처리경도
	C	Si	Cr	V	Mo	Co	Nb	W	B	원심주조	원심주조
실시예 1	2.0	0.8	20	1.5	1.5	1.0	0.5	2.5	2.2	HRC64	HRC66
실시예 2	2.0	0.7	25	2.5	2.0	1.0	0.5	2.0	2.5	HRC65 .5	HRC67
실시예 3	2.45	0.8	25	2.5	2.0	1.1	0.8	2.0	2.5	HRC65 .7	HRC68
실시예 4	2.5	0.9	28	3.0	3.0	1.0	1.0	2.4	2.8	HRC66 .5	HRC68 .5
실시예 5	3.0	0.7	30	2.0	2.5	1.5	1.0	2.5	3.0	HRC66 .8	HRC69 .2
비교예 1	3.0	1.0	4.0	10	8.0	3	6.0	2.0	-	HRC64	HRC66
비교예 2	3.0	0.8	4.0	8.0	16	16	2.0	3.5	2.0	HRC65 .8	HRC69
비교예 3 ( 15Cr3Mo )	3.5	0.6	16	-	3.0	-	-	-	-	금형주조 HRC61 .5	금형주조 HRC64
비교예 4 ( HSS T15)	1.5	0.4	4.0	5	1	5	-	12	-		*Forging HRC66 .7
비교예 5 ( Stellite190 )	3.2	1.0	27	-	-	50	-	13.5	-	금형주조 HRC52	금형주조 HRC58
비교예 6 ( SKD11 )	1.5	0.4	13	0.5	1	-	-	-	-		*Forging HRC64 .5

* 비교예4번, 비교예6번은 주조한 것이 아니고 단조나 압연한 것임.

실시예 1번부터 5번까지는 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 고가의 원소인 코발트를 16%, 몰리를16%, 바나듐을 8% 합금한 것으로 경도나 내마모성은 최고로 우수하나 가격이 매우 비싼 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 ((표3))의 당 발명품인 실시예 1번에서 5번 까지의 열처리는 750도에서 850도에서 노말라이징(Normalizing) 열처리를 하여 주조응력을 제거한 후 950도 내지 1,050도C로 승온하여 조직을 오스테나이징(Austenizing)한 후 기름 담금질(Oil Quenching)을 실시하고 530도C 내지 580도C에서 2시간을 유지하는 뜨임(Tempering)열처리를 행하였다.

비교예 1번은 950도C에서 오스테나이징하고 역시 Oil Quenching을 하였고 Tempering 도 동일하게 처리 하였다.

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

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

비교예4번, 6번의 열처리는 국제 규격대로 Quenching과 Tempering을 실시하였다.

상기 ((표3))에서 실시예 1번 내지 5번은 당 발명품으로 주조방법을 원심주조로 제작하였다.

용해는 고주파전기유도로에서 용해하였고 최고 용해온도는 1,650도C로 용해한 후 주입온도는 1,530도로 했다. 원심주조기의 회전수는 450RPM으로 했다.

충격 및 마모시험

구 분	열처리후 경도( HRC )	마모시험( Loss량 )	충격 강도( Charpy )
실시 예 1	HRC66 (원심주조)	24. 0 mg	7.0 ft-lbs
실시 예 2	HRC67 (원심주조)	21. 7 mg	6.5 ft-lbs
실시 예 3	HRC68 (원심주조)	20. 1 mg	7.0 ft-lbs
실시 예 4	HRC68 .5 (원심주조)	20. 6 mg	7.5 ft-lbs
실시 예 5	HRC69 .2 (원심주조)	19. 5 mg	6.0 ft-lbs
비교 예 1	HRC66 (원심주조)	33. 4 mg	7.2 ft-lbs
비교 예 2	HRC69 (원심주조)	19. 8 mg	7.4 ft -lbs
비교 예 3	HRC64 .1 (금형주조)	58. 6 mg	6.7 ft -lbs
비교 예 4	HRC65 .9 (단조)	45. 4 mg	12. 1 ft -lbs
비교 예 5	HRC58 (금형주조)	66. 0 mg	28. 7 ft -lbs
비교 예 6	HRC64 .3 (단조)	74. 3 mg	14. 6 ft -lbs

상기 ((표 3)) 경도 시험에서 예상된바와 같이 내 마모 및 충격강도의 결과는 ((표 4))와 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: 블레이드, 4: 탕구(Sprue), 3-1: 1차주입구(Gate), 3-2: 2차주입구(Gate) 2:탕도(Runner)

Claims (7)

1. 중량%로 크롬(Cr)이 20~30%, 탄소(C)가 1.5~3.5%, 몰리(Mo)가 1~3%, 코발트(Co)가 1~3%, 바나듐(V)이 1~3%, 실리콘(Si)이 0.5~1.5%, 망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 1.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 0.5~1%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 기타 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 갖는 주조재로서, 끝단부가 내부 쪽보다 충격강도가 높게 되어 있는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고 내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드
2. 제1항에 있어서,
   상기 휠 블레이드는 벌크 경도치가 HRC66~68인 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드
3. 중량%로 크롬(Cr)이 20~30%, 탄소(C)가 1.5~3.5%,몰리(Mo)가 1~3%, 코발트(Co)가 1~3%, 바나듐(V)이 1~3%, 실리콘(Si)이 0.5~1.5%,망간(Mn)이 0.1~0.5%, 보론(B)이 1.5~4.5%, 니오븀(Nb)이 0.5~1%, 텅그스텐(W)이 1~3%, 나머지는 철(Fe)로 이루어진 원소를 고주파 전기 유도로에서 1630℃±20℃에서 용해하는 단계,
   상기 용해된 용탕을 350~550RPM으로 회전하는 원심주조용 금형에 1550℃±10℃의 온도로 주입하는 단계,
   상기 용탕이 주입된 금형을 공냉 또는 수냉 한 후 탈형 하여 휠 블레이드를 제조하는 단계,
   상기 휠 블레이드를 열처리하는 단계로 이루어지되,
   상기 열처리 단계는,
   휠 블레이드를 750~850℃에서 노말라이징하고,
   상기 노말라이징한 휠 블레이드를 1000℃±50℃로 승온하여 오스테나이징하고,
   상기 오스테나이징한 휠 블레이드를 공기 냉각하고,
   상기 공기 냉각한 휠 블레이드를 510℃~580℃에서 120~140분간 유지하는 탬퍼링 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고경도 및 고내마모성을 갖는 쇼트기용 휠 블레이드의 제조방법
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