KR102326325B1

KR102326325B1 - 고망간강 절단용 마찰톱

Info

Publication number: KR102326325B1
Application number: KR1020190169106A
Authority: KR
Inventors: 박종원; 박광수; 박형진
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-11-12
Also published as: KR20210077447A

Abstract

고망간강 절단용 마찰톱은 원판으로 이루어진 베이스와, 베이스와 일체를 이루며 베이스의 원주면에 연속으로 배열된 복수의 톱날을 포함한다. 복수의 톱날 각각은 전면, 후면, 꼭대기면, 및 한 쌍의 경사면을 가지며, 전면과 후면 및 꼭대기면의 양측 단부와 접하는 한 쌍의 경화 영역을 포함한다.

Description

고망간강 절단용 마찰톱 {FRICTION SAW FOR CUTTING HIGH MAGANESE STEEL}

본 발명은 강재 절단용 마찰톱에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고망간강 파이프 절단을 위한 마찰톱에 관한 것이다.

구조용 강재는 강도와 강성 등이 높아지는 방향으로 발전되고 있으며, 이는 강재의 사용량 절감, 구조재의 안전성 향상 등의 장점으로 이어진다. 그런데 강재의 강도와 강성 및 인성 등이 높아짐에 따라 이를 활용하여 제품을 제작할 경우 성형, 용접, 가공 등이 기존 장치와 대응하기 어려워지고 있으며, 특히 절단 작업이 매우 어려워지고 있다.

예를 들어 기존 탄소강은 절단 시 초경소재의 절단 기구를 사용하여 고속으로 절단한다. 이 경우 절단면이 깨끗하고, 톱날에 홈을 파는 방법을 이용하면 절단 칩 배출도 용이하다.

그런데 고망간강은 인성이 높아 매우 질긴 특성이 있으므로 탄소강과 동일한 방식으로 절단할 경우 절단면이 찢어지는 형태의 불량이 발생하는 등 절단면이 깨끗하지 않으며, 절반 정도 절단된 후 절단 기구가 파손되는 등의 문제가 발생한다. 따라서 고망간강의 특성에 맞는 새로운 절단 기구 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 고망간강 소재, 예를 들어 고망간강 파이프를 불량 없이 깨끗하게 절단할 수 있는 고망간강 절단용 마찰톱을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고망간강 절단용 마찰톱은 원판으로 이루어진 베이스와, 베이스와 일체를 이루며 베이스의 원주면에 연속으로 배열된 복수의 톱날을 포함한다. 복수의 톱날 각각은 전면, 후면, 꼭대기면, 및 한 쌍의 경사면을 가지며, 전면과 후면 및 꼭대기면의 양측 단부와 접하는 한 쌍의 경화 영역을 포함한다.

복수의 톱날 각각은 좌우 대칭의 삼각형으로 이루어질 수 있고, 꼭지점과 좌우 아래 지점이 기 설정된 반경의 곡률을 가질 수 있다. 한 쌍의 경화 영역 각각은 베이스로부터 꼭대기면을 향하여 완만하게 커지는 깊이를 가질 수 있으며, 한 쌍의 경화 영역 각각의 최대 깊이는 톱날 두께의 절반 이하일 수 있다.

한 쌍의 경화 영역 각각은 꼭대기면과 접하는 전면의 상측과 후면의 상측에서 전면과 후면 각각의 절반 이상을 차지할 수 있다. 한 쌍의 경화 영역 각각의 최대 깊이는 톱날 두께의 0.05배 내지 0.25배 사이에 속할 수 있다. 한 쌍의 경화 영역은 800 내지 890Hv의 경도를 가질 수 있고, 톱날 중 경화 영역을 제외한 나머지 영역은 350 내지 420Hv의 경도를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고망간강 절단용 마찰톱의 제조 방법은, 원판 형상의 베이스와, 베이스의 원주면에 연속으로 배열된 복수의 톱날을 포함하는 마찰톱을 가공하는 가공 단계와, 복수의 톱날 각각의 전면과 후면에 레이저를 조사하여 복수의 톱날 각각의 전면과 후면 및 꼭대기면의 양측 단부와 접하는 한 쌍의 경화 영역을 형성하는 레이저 열처리 단계를 포함한다.

레이저 열처리 단계는 3 내지 4kW의 레이저 파워, 2.5 내지 3.5m/min의 진행 속도, 50 내지 150mm의 초점 거리, 20 내지 40L/min의 아르곤 가스량을 만족할 수 있다.

본 실시예에 의한 고망간강 절단용 마찰톱은 톱날의 배열 형태와 형상 및 경화 영역에 의해 강성과 인성이 높은 고망간강 소재, 예를 들어 고망간강 파이프를 불량 없이 매끄럽게 절단할 수 있고, 우수한 사용 수명에 의해 현장에서 높은 생산성을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고망간강 절단용 마찰톱의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고망간강 절단용 마찰톱의 부분 확대 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 마찰톱의 반경 방향 절단면을 도시한 확대도이다.
도 4는 레이저 열처리 단계를 도시한 개략도이다.
도 5는 레이저 열처리 단계에서 형성된 한 쌍의 경화 영역을 포함하는 톱날의 확대 사진이다.
도 6은 도 5의 부분 확대 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1과 도 2는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 고망간강 절단용 마찰톱의 정면도와 부분 확대 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시한 마찰톱의 반경 방향 절단면을 도시한 확대도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 고망간강 절단용 마찰톱(100)은 기 설정된 두께의 원판으로 이루어진 베이스(10)와, 베이스(10)와 일체를 이루며 베이스(10)의 원주면에 연속으로 배열된 복수의 톱날(20)을 포함한다.

베이스(10)와 복수의 톱날(20)은 초경소재, 예를 들어 탄소강으로 제작될 수 있으며, 기 설정된 두께, 예를 들어 5mm 내지 10mm의 범위에 속하는 두께를 가질 수 있다. 복수의 톱날(20)은 베이스(10)의 원주면에 위치하며, 원주 방향을 따라 연속으로 배열된다. 복수의 톱날(20)은 모두 같은 형상과 같은 크기를 가진다.

고망간강 절단용 마찰톱(100)은 일반 탄소강용 마찰톱과 호환될 수 있도록 일반 탄소강용 마찰톱과 동일한 직경, 두께, 회전축 삽입을 위한 개구 직경 등을 가질 수 있다. 이 경우 일반 탄소강용 마찰톱을 구비한 절단 장치에서 마찰톱만을 교체하여 고망간강 소재, 예를 들어 고망간강 파이프를 절단할 수 있다.

고망간강은 높은 인성을 가지므로 절단이 이루어지는 톱날(20)의 절단 면적을 늘려 절단력을 높여야 한다. 따라서 복수의 톱날(20)은 끊어짐 없이 연속으로 위치하며, 칩 배출을 위한 통로(오목홈)를 구비하지 않는다.

베이스(10)는 예를 들어 1000mm의 직경을 가질 수 있으며, 베이스(10)의 원주 방향을 따라 대략 300 내지 380개의 톱날(20)이 배열될 수 있다. 베이스(10)의 직경과 톱날(20)의 개수는 도시한 예시로 한정되지 않고 다양하게 변할 수 있다.

복수의 톱날(20) 각각은 좌우 대칭의 삼각형으로 이루어지며, 꼭지점과 좌우 아래 지점이 기 설정된 반경의 곡률을 갖도록 둥글게 형성될 수 있다. 복수의 톱날(20) 각각은 대략 6.5 내지 7.5mm의 높이(h)를 가질 수 있고, 대략 9 내지 10mm의 피치(p)로 배열될 수 있다.

복수의 톱날(20) 각각은 전면(21), 후면(22), 꼭대기면(23), 및 한 쌍의 경사면(24)을 가진다. 톱날(20)의 전면(21)은 베이스(10)의 전면과 이어지고, 톱날(20)의 후면(22)은 베이스(10)의 후면과 이어지며, 꼭대기면(23)과 한 쌍의 경사면(24)은 전면(21) 및 후면(22)과 직교한다. 꼭대기면(23)은 한 쌍의 경사면(24) 사이에 위치하며, 베이스(10)의 중심으로부터 가장 멀리 위치한다.

복수의 톱날(20) 각각은 마모 속도를 줄이기 위한 경화 영역(30)을 포함한다. 경화 영역(30)은 레이저 열처리 공정에 의해 형성될 수 있으며, 경화되지 않은 영역보다 높은 경도를 가진다. 이때 경화 영역(30)이 톱날(20) 전체에 위치하는 경우를 가정하면, 톱날(20)의 높아진 경도가 오히려 고망간강 소재의 절단 특성을 저해할 수 있으므로, 경화 영역(30)은 톱날(20)의 일부에 위치한다.

복수의 톱날(20) 각각은 전면(21)과 후면(22) 각각에 기 설정된 깊이로 형성된 한 쌍의 경화 영역(30)을 포함한다. 한 쌍의 경화 영역(30)은 전면(21)과 후면(22) 전체에 위치하거나 전면(21)과 후면(22)의 일부에 위치할 수 있다. 후자의 경우, 한 쌍의 경화 영역(30)은 꼭대기면(23)과 접하도록 전면(21)과 후면(22) 각각의 상측에 위치할 수 있다.

각 경화 영역(30)은 베이스(10)로부터 꼭대기면(23)을 향할수록 완만하게 커지는 깊이를 가질 수 있으며, 각 경화 영역(30)의 최대 깊이(d)는 톱날(20) 두께(t)의 절반 이하이다. 한 쌍의 경화 영역(30)은 꼭대기면(23)의 중앙부를 사이에 두고 서로 떨어져 위치하며, 톱날(20)의 꼭대기면(23) 중 전면(21) 및 후면(22)과 접하는 양측 단부가 경화 영역(30)에 속한다.

복수의 톱날(20)은 사용 과정에서 꼭대기면(23)부터 베이스(10)를 향해 차례로 마모된다. 이때 한 쌍의 경화 영역(30)이 톱날(20)의 전면(21)과 후면(22) 양쪽에서 톱날(20)의 측면을 지지함에 따라, 복수의 톱날(20)은 고망간강 소재의 절단 특성을 저해하지 않으면서 마모 속도를 줄일 수 있다.

각 경화 영역(30)의 최대 깊이(d)는 톱날(20) 두께(t)의 대략 0.05배 내지 0.25배 사이에 속할 수 있다. 각 경화 영역(30)의 최대 깊이(d)가 톱날(20) 두께(t)의 0.05배보다 작으면, 톱날(20)의 경도를 높이는 효과가 미비하여 톱날(20)의 마모 속도를 줄이는 효과를 구현하기 어렵다. 한편, 각 경화 영역(30)의 최대 깊이(d)가 톱날(20) 두께(t)의 0.25배보다 높으면 연성이 높은 고망간강의 절단 시 절단 특성이 저하될 수 있다.

그리고 레이저 열처리에 의해 형성된 경화 영역(30)은 대략 800 내지 890Hv의 경도를 가질 수 있고, 톱날(20) 중 한 쌍의 경화 영역(30)을 제외한 나머지 영역(모재)은 대략 350 내지 420Hv의 경도를 가질 수 있다. 경화 영역(30)의 경도는 모재 경도의 대략 2배이므로, 톱날(20)의 양 측면을 견고하게 지지할 수 있다.

이어서, 전술한 고망간강 절단용 마찰톱(100)의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 실시예에 따른 고망간강 절단용 마찰톱(100)의 제조 방법은, 베이스(10)와 복수의 톱날(20)을 포함하는 마찰톱 가공 단계와, 복수의 톱날(20) 각각의 전면(21)과 후면(22)에 레이저를 조사하여 한 쌍의 경화 영역(30)을 형성하는 레이저 열처리 단계를 포함한다.

도 4는 레이저 열처리 단계를 도시한 개략도이다. 도 4를 참고하면, 레이저 빔(L/B)은 톱날(20)의 전면(21)과 후면(22)에 초점이 맞추어지도록 조사되며, 마찰톱(100)이 회전하거나 레이저 광원이 이동하는 방식에 의해 복수의 톱날(20)을 차례로 열처리한다.

레이저 열처리 단계에서, 레이저 파워는 3 내지 4kW, 진행 속도는 2.5 내지 3.5m/min, 초점 거리는 50 내지 150mm, 아르곤 가스량은 20 내지 40L/min으로 설정될 수 있다. 도 5는 전술한 조건의 레이저 열처리 단계에서 형성된 한 쌍의 경화 영역(30)을 포함하는 톱날(20)의 확대 사진이다.

각 경화 영역(30)의 깊이는 대략 500 내지 600㎛이고, 경화 높이는 대략 3,500 내지 5,000㎛으로 측정되었다. 톱날(20)의 두께가 대략 8,000㎛이고, 톱날(20)의 높이가 대략 7,000㎛임을 감안할 때, 각 경화 영역(30)의 깊이는 톱날(20) 두께의 대략 0.0625 내지 0.075배에 해당하고, 톱날(20) 전면과 후면의 절반 이상에 경화 영역(30)이 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 6은 도 5의 부분 확대 사진이다. 도 6의 왼쪽 부분은 경화 영역이고, 오른쪽 부분은 경화되지 않은 부분이다. 도 6에 표시된 10개의 지점에 대하여 경도를 측정한 결과를 아래 표에 나타내었다. 도 6에 표시된 화살표와 진행 방향은 측정 지점 1번에서부터 10번을 향하는 방향을 의미한다.

측정 지점	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
경도 (Hv)	846	877	867	861	811	379	377	387	396	410

상기 표에 나타난 바와 같이, 경화되지 않은 영역의 경도는 379 내지 410Hv에 속하고, 경화 영역의 경도는 811 내지 877Hv로서, 경화 영역의 경도가 경화되지 않은 영역의 경도보다 대략 2배 정도 높아진 것을 확인할 수 있다.하기 표 2는 여러 조건에서 고망간강 파이프를 절단한 실험 결과를 나타낸다.

실험 조건		실험 결과
비교예 1	일반 탄소강 절단용 마찰톱 사용	약 5회에 절단 불량 발생
비교예 2	텅스텐 카바이드 코팅층을 구비한 일반 탄소강 절단용 마찰톱 사용	약 8회에 절단 불량 발생
비교예 3	도 1 내지 도 3의 톱날 형상을 가지나, 경화 영역을 구비하지 않은 마찰톱 사용	약 42회에 절단 불량 발생
실시예	도 1 내지 도 3의 톱날 형상을 가지며, 복수의 톱날 각각에 한 쌍의 경화 영역을 구비한 마찰톱 사용	150회까지 불량 없이 절단 가능

상기 표에 나타난 바와 같이, 실시예의 마찰톱이 150회까지 절단 불량 없이 절단이 매끄럽게 진행된 것을 확인할 수 있다. 150회 절단 종료 후 마찰톱의 톱날을 관찰한 결과, 초기 7mm 높이에서 대략 4.5 내지 5mm의 높이의 톱날이 남아 있는 것을 확인하였다.이와 같이 본 실시예의 고망간강 절단용 마찰톱은 전술한 톱날의 형상과 배열 및 경화 영역에 의해 인성이 높은 고망간강 파이프를 불량 없이 매끄럽게 절단할 수 있으며, 현장에서 충분히 높은 생산성을 확보할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 마찰톱 10: 베이스
20: 톱날 21: 전면
22: 후면 23: 꼭대기면
24: 경사면 30: 경화 영역

Claims

원판으로 이루어진 베이스;
상기 베이스와 일체를 이루며, 상기 베이스의 원주면에 연속으로 배열된 복수의 톱날을 포함하고,
상기 복수의 톱날 각각은 전면, 후면, 꼭대기면, 및 한 쌍의 경사면을 가지며, 전면과 후면 및 꼭대기면의 양측 단부와 접하는 한 쌍의 경화 영역을 포함하며,
상기 꼭대기면은 상기 한 쌍의 경사면 사이에 위치하여 상기 베이스의 중심으로부터 가장 멀리 위치하며,
상기 한 쌍의 경화 영역은 경화되지 않은 영역보다 높은 경도를 가지며,
상기 한 쌍의 경화 영역은 상기 꼭대기면의 중앙부를 사이에 두고 서로 떨어져 위치하는 고망간강 절단용 마찰톱.
제1항에 있어서,
상기 복수의 톱날 각각은 좌우 대칭의 삼각형으로 이루어지며, 꼭지점과 좌우 아래 지점이 기 설정된 반경의 곡률을 가지는 고망간강 절단용 마찰톱.
제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 경화 영역 각각은 상기 베이스로부터 상기 꼭대기면을 향하여 완만하게 커지는 깊이를 가지며, 상기 한 쌍의 경화 영역 각각의 최대 깊이는 상기 톱날 두께의 절반 이하인 고망간강 절단용 마찰톱.
제3항에 있어서,
상기 한 쌍의 경화 영역 각각은 상기 꼭대기면과 접하는 상기 전면의 상측과 상기 후면의 상측에서 상기 전면과 상기 후면 각각의 절반 이상을 차지하는 고망간강 절단용 마찰톱.
제3항에 있어서,
상기 한 쌍의 경화 영역 각각의 최대 깊이는 상기 톱날 두께의 0.05배 내지 0.25배 사이에 속하는 고망간강 절단용 마찰톱.
제5항에 있어서,
상기 한 쌍의 경화 영역은 800 내지 890Hv의 경도를 가지며, 상기 톱날 중 상기 경화 영역을 제외한 나머지 영역은 350 내지 420Hv의 경도를 가지는 고망간강 절단용 마찰톱.
원판 형상의 베이스와, 베이스의 원주면에 연속으로 배열되어 각각이 전면, 후면, 꼭대기면, 및 한 쌍의 경사면을 가지는 복수의 톱날을 포함하는 마찰톱을 가공하는 가공 단계; 및
상기 복수의 톱날 각각의 전면과 후면에 레이저를 조사하여 상기 복수의 톱날 각각의 전면과 후면 및 꼭대기면의 양측 단부와 접하는 한 쌍의 경화 영역을 형성하는 레이저 열처리 단계를 포함하며,
상기 꼭대기면은 상기 한 쌍의 경사면 사이에 위치하여 상기 베이스의 중심으로부터 가장 멀리 위치하며,
상기 한 쌍의 경화 영역은 경화되지 않은 영역보다 높은 경도를 가지며,
상기 한 쌍의 경화 영역은 상기 꼭대기면의 중앙부를 사이에 두고 서로 떨어져 위치하는 고망간강 절단용 마찰톱의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 레이저 열처리 단계는 3 내지 4kW의 레이저 파워, 2.5 내지 3.5m/min의 진행 속도, 50 내지 150mm의 초점 거리, 20 내지 40L/min의 아르곤 가스량을 만족하는 고망간강 절단용 마찰톱의 제조 방법.