KR102601048B1 - 복합체 금속 구성 요소 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

복합체 금속 구성 요소 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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리 젠킨스
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로널드 조셉 부르주아
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Abstract

복합체 금속 물품 및/또는 복합체 금속 마모 구성 요소를 제조하는 방법. 본 방법은 다음 단계를 포함한다: 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소를 캐스팅하되, 하나 이상의 공동이 캐스팅 하는 동안 구성 요소 내에 형성되는 단계; 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소 내에 형성된 하나 이상의 공동 내로 내마모성 조성물을 고체 형태로 삽입하는 단계; 및 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소의 하나 이상의 공동에 내마모성 조성물을 접합해서 복합체 금속 물품을 형성하는 단계.

Description

복합체 금속 구성 요소 및 이를 제조하는 방법
본 개시는, 일반적으로 복합체 금속 구성 요소 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
광물 가공 산업에서의 다양한 공정 단계는 장비의 구성 요소와의 침식성 접촉을 포함하고, 이는 빈번한 교체가 필요한 정도로 상당한 마모 결과를 갖는다. 그러나, 종종 구성 요소의 마모는 공정 단계의 성질에 따라 불균일하다.
예를 들어, 연마재 슬러리를 펌핑하는 공정에서, 펌프 습식 말단 구성 요소 마모 수명을 제한하는 인자는, 비록 동일한 구성 요소의 다른 부분이 비교적 낮은 비율로 마모될 수 있더라도, 깊게 파인 홈의 형태로 국부적인 마모 또는 특정 위치에서의 매우 높은 마모 속도일 수 있다. 특정 예시는 슬러리 펌프 임펠러의 선단 에지와 슬러리 펌프 라이너의 컷워터(또한 볼류트(volute)으로도 알려짐)를 포함한다(그러나 이에 제한되지 않음).
펌프 임펠러의 실시예에서 이러한 문제를 다루기 위한 한 가지 접근법은 임펠러를 제조하는 것이며, 이는 작동 중에 높은 마모 조건을 겪는 임펠러를 제조하는 동안, 특정 위치에서 특별하게 형상화된 고내마모성 재료를 위치시키는 한편, 임펠러의 비 주요 영역에서 비교적 낮은 비용의 금속을 유지하는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 접근법은, 특히 내마모성 구성 요소가 고가의 내마모성 재료로 제조되고 임펠러의 유압 설계 요구 사항에 순응하기 위해 복잡한 3차원 형상의 제조를 필요로 하는 경우라면, 상당한 비용을 추가할 수 있다.
마모 구성 요소에 대해 국부적인 마모 보호를 제공하기 위한 또 다른 시도는, 내마모성 재료의 얇은 층이 저 비용 금속 재료로 구성된 금속 구성 요소 상에 중첩되는 용접 덧씌움 또는 다른 클래딩 유형의 방법을 적용하는 것이다. 그러나, 이들 방법은 평평한 표면을 갖는 마모 구성 요소에 얇은 층의 내마모성 재료를 적용하는 경우 작동할 수 있지만, 펌프 임펠러 또는 펌프 라이너와 같은 복잡한 형상의 형태인 마모 구성 요소는 이 방법으로 쉽게 처리할 수 없다.
또한, 광물 가공 장비, 예컨대 압쇄기와 분쇄 밀에 사용되는 많은 다른 마모 구성 요소는 국부적인 마모에 기인해 초기 고장을 겪는 경우도 있다. 본 발명은 또한 이러한 유형의 장비에 대해서도 이점이 될 것이다.
본 발명은, 광물 가공 산업에서 사용하기 위해 국부적인 마모 보호를 포함한 마모 구성 요소를 제공하는. 비교적 낮은 비용의 복합체 금속 마모 구성 요소 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
일 양태에 따라, 하기 단계를 포함한 복합체 금속 물품을 제조하는 방법이 제공된다:
(i) 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소를 캐스팅하되, 캐스팅하는 동안 상기 구성 요소에 하나 이상의 공동이 형성되는 단계;
(ii) 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소에 형성된 상기 하나 이상의 공동 내에 내마모성 조성물을 고체 형태로 삽입하는 단계; 및
(iii) 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소의 하나 이상의 공동 내에 상기 내마모성 조성물을 접합시켜서 상기 복합체 금속 물품을 형성하는 단계.
특정 구현예에서, 상기 캐스팅 단계 (i)는 하기 단계를 포함한다:
(ia) 하나 이상의 공동 형성 부분을 상기 구성 요소용 몰드 내에 위치시키는 단계;
(ib) 상기 호스트 금속 조성물을 액체 형태로 상기 몰드 내에 도입함으로써, 상기 호스트 금속 조성물이 상기 하나 이상의 공동 형성 부분을 둘러싸는 단계; 및
(ic) 상기 몰드 내의 호스트 금속 조성물을 냉각시키고 고형화시켜 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 상기 구성 요소를 형성하는 단계.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은, 호스트 금속 조성물의 열 팽창 계수와 유사하거나 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료로 구성된다.
특정 구현예에서, 단계 (ic) 후에, 상기 하나 이상의 공동을 노출시키기 위해 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은 상기 호스트 금속 조성물로부터 제거된다.
특정 구현예에서, 단계 (ic) 후에, 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소를 드릴링하고/드릴링하거나 달리 기계 가공함으로써, 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은 상기 호스트 금속 조성물로부터 제거된다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은 스틸, 또는 다른 금속 합금, 탄소 또는 그래파이트로부터 선택된 재료로 구성된다.
특정 구현예에서, 단계 (ic) 동안 상기 호스트 금속 조성물의 수축으로 인해, 상기 몰드 내의 호스트 금속 조성물이 고형화함에 따라 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은 적어도 부분적으로 단편화된다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은 중공형 중심을 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은 상기 호스트 금속 조성물의 액체 흐름 온도보다 더 높은 연화점 온도를 갖는다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 형성 부분은 원통형 또는 직육면체 형상이다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 형성 부분이 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소로부터 제거된 이후, 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소는 상기 하나 이상의 공동의 형성으로부터 발생한 잔류 응력을 제거하기 위해 열처리 되고/되거나, 템퍼링 처리를 거친다.
특정 구현예에서, 상기 호스트 금속 조성물은 고 크롬 백색 캐스팅 철로부터 선택된다.
특정 구현예에서, 상기 내마모성 조성물은 상기 호스트 금속 조성물보다 증가된 내마모성을 갖는다.
특정 구현예에서, 상기 내마모성 조성물은 텅스텐 카바이드로부터 선택된다. 한 형태로 상기 텅스텐 카바이드는 거친 결정립 크기를 포함한다. 추가 형태로, 상기 텅스텐 카바이드의 결정립 크기는 2 내지 6 μm이다.
특정 구현예에서, 상기 내마모성 조성물은 원통형, 직육면체 또는 버튼 형상이다.
특정 구현예에서, 상기 내마모성 조성물은, 접착제를 사용하거나 브레이징 방법을 사용하여 상기 호스트 금속 내 하나 이상의 공동에 접합된다.
특정 구현예에서, 상기 복합체 금속 물품은 마모 구성 요소이다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 마모 구성 요소의 마모 표면에 인접한 상기 복합체 금속 물품의 몸체 내에 위치한다.
특정 구현예에서, 상기 마모 구성 요소는 광물 가공에 사용된 장치의 일부이다. 이 형태에서, 광물 가공에 사용되는 장치는, 원심 분리형 슬러리 펌프, 분쇄 밀, 압쇄기 또는 마모 플레이트로부터 선택될 수 있다.
특정 구현예에서, 상기 마모 구성 요소는 슬러리 펌프 임펠러 또는 원심 분리형 슬러리 펌프용 라이너로부터 선택된다.
다른 양태에 따라, 본원에 기재된 방법에 의해 제조된 복합체 금속 물품이 제공된다.
다른 양태에 따라, 복합체 금속 마모 구성 요소를 제공하고, 상기 구성 요소는,
호스트 금속 조성물로 구성되고 내부에 위치한 하나 이상의 공동을 포함하는 메인 몸체 부분; 및
상기 메인 몸체 부분의 하나 이상의 공동 내에 적어도 부분적으로 접합된 내마모성 조성물을 포함하되,
상기 하나 이상의 공동은 상기 메인 몸체 부분을 캐스팅하는 동안 형성된다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복합체 금속 마모 구성 요소의 마모 표면에 인접한 상기 복합체 마모 구성 요소의 메인 몸체 부분 내에 위치한다.
특정 구현예에서, 상기 복합체 금속 마모 구성 요소는 광물 가공에 사용된 장치의 일부이다. 광물 가공에 사용되는 장치는, 원심 분리형 슬러리 펌프, 분쇄 밀, 압쇄기 또는 마모 플레이트로부터 선택될 수 있다.
다른 양태에 따라, 원심 분리형 슬러리 펌프와 함께 사용하기 위한 복합체 금속 마모 구성 요소가 제공되며, 상기 복합체 금속 마모 구성 요소는,
호스트 금속 조성물로 구성되고 내부에 위치한 하나 이상의 공동을 포함하는 메인 몸체 부분; 및
상기 메인 몸체 부분의 하나 이상의 공동 내에 적어도 부분적으로 접합된 내마모성 조성물을 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 메인 몸체 부분을 주조하는 동안 형성되거나, 상기 하나 이상의 공동은 상기 메인 몸체 부분으로 기계 가공된다.
특정 구현예에서, 상기 복합체 금속 마모 구성 요소는 슬러리 펌프 임펠러 또는 원심 분리형 슬러리 펌프용 라이너이다.
다른 양태에 따라, 외부 둘레 에지와 중심축을 갖는 내부 메인 면을 갖는 후방 덮개를 포함하는 슬러리 펌프 임펠러가 제공되며, 복수의 펌핑 날개는 상기 후방 덮개의 내부 메인 면으로부터 멀리 연장되고, 상기 펌핑 날개는 이격된 관계로 배치되며, 각각의 펌핑 날개는 대향하는 메인 측면, 중심축 부위에서의 선단 에지, 및 인접한 펌핑 날개 사이의 통로를 갖는 후방 덮개의 외부 둘레 에지 부위에서의 후단 에지를 포함하되, 상기 펌핑 날개는 내부에 위치한 하나 이상의 공동을 포함하고, 내마모성 조성물은 상기 하나 이상의 공동 내에 적어도 부분적으로 접합된다.
특정 구현예에서, 슬러리 펌프 임펠러는 내부 메인 면을 갖는 전방 덮개를 포함하되, 상기 복수의 펌핑 날개는 후방 및 전방 덮개의 내부 메인 면 사이에서 연장된다.
특정 구현예에서, 상기 복수의 펌핑 날개 각각은 적어도 하나의 공동을 포함한다. 특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은, 상기 복수의 펌핑 날개 각각의 몸체 부분 내에 위치하고, 이에 따라 내마모성 조성물은 인접한 펌핑 날개 사이의 통로에 노출되지 않는다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 각각은, 대향하는 메인 측면 사이에서 상기 복수의 펌핑 날개의 상부 표면에 위치하고 후방 덮개로부터 멀리 있는 개구부를 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개 각각의 몸체 부분을 통해 개구부로부터 후방 덮개 쪽으로 연장된다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개 각각의 몸체 부분을 통해 개구부로부터, 상기 복수의 펌핑 날개가 상기 후방 덮개와 만나는 곳과 일치할 때까지 연장된다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개의 선단 에지에 가깝게 위치한다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개의 선단 에지로부터 약 5 mm 내지 약 25 mm 내에 위치한다.
특정 구현예에서, 상기 내마모성 조성물은, 상기 펌핑 날개가 사용시 마모를 받으면서 점진적으로 노출된다.
다른 양태에 따라, 원심 분리형 슬러리 펌프용 펌프 라이너가 제공되고 상기 펌프 라이너는 메인 펌핑 챔버를 포함하며, 상기 챔버는,
- 사용하는 동안 상기 메인 펌핑 챔버 내로 재료의 흐름을 도입하기 위한 유입 개구부;
- 사용하는 동안 상기 메인 펌핑 챔버로부터 재료의 흐름이 빠져 나가도록 배열되고 상기 메인 펌핑 챔버로부터 연장되는 배출 유출구; 및
- 상기 메인 펌핑 챔버의 내부 둘레 표면과 상기 배출 유출구의 내부 둘레 표면 사이에서 연장된 전이 표면(상기 전이 표면은, 상기 배출 유출구 내의 재료가 사용시 빠져나가는 흐름을 상기 메인 펌핑 챔버 내의 재료가 사용시 재순환 흐름으로부터 분리하기 위해 배열된 컷워터를 포함함)을 포함하되, 상기 전이 표면의 부위는 상기 내부에 위치한 하나 이상의 공동을 포함하고, 내마모성 조성물은 상기 하나 이상의 공동 내에 적어도 부분적으로 접합된다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 전이 표면 부위의 몸체 부분 내에 위치하며, 이에 따라 상기 내마모성 조성물은 상기 메인 펌핑 챔버에 노출되지 않는다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동 각각은 상기 전이 표면 부위에서 상기 펌프 라이너의 외부 표면에 위치한 개구부를 포함한다.
특정 구현예에서, 상기 펌프 라이너는 적어도 하나의 공동을 포함하고, 이는 상기 펌프 라이너의 대향 측면에 대해 외부 표면 상에 위치한 두 개의 개구부를 포함하되, 상기 내마모성 조성물은 상기 컷워터에 근접하게 위치한다.
특정 구현예에서, 상기 하나 이상의 공동은 전이 표면으로부터 약 5 mm 내지 약 25 mm 이내에 위치한다.
특정 구현예에서, 상기 내마모성 조성물은, 상기 컷워터 및/또는 상기 전이 표면이 사용시 마모됨에 따라 점진적으로 노출된다.
본 발명의 일부이며 예시의 방식으로 개시된 본 발명의 원리를 설명하는 첨부된 도면과 함께 고려되는 경우, 다른 양태, 특징 및 이점은 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
첨부된 도면은 다양한 구현예의 이해를 용이하게 한다.
도 1은 원심 분리형 슬러리 펌프용 슬러리 펌프 임펠러를 개략적으로 나타낸 전방 단면 개략도이다.
도 2는 일 구현예에 따라 원심 분리형 슬러리 펌프용 펌프 임펠러의 펌핑 날개를 개략적으로 확대한 단면도이다.
도 3은 일 구현예에 따라 원심 분리형 슬러리 펌프용 슬러리 펌프 임펠러의 사시도이다.
도 4는 일 구현예에 따라 원심 분리형 슬러리 펌프용 슬러리 펌프 임펠러의 펌핑 날개의 단면도이다.
도 5는 원심 분리형 슬러리 펌프용 라이너의 단면도이다.
도 6 내지 도 11은 다양한 구현예에 따른 원심 분리형 슬러리 펌프용 라이너의 컷워터를 개략적으로 확대한 도면이다;
도 12는 일 구현예에 따라 원심 분리형 슬러리 펌프용 라이너의 단면도이다.
도 12a는 도 12의 라이너의 단면도이다.
도 13은 일 구현예에 따른 라이너의 절단도이다.
도 14 및 도 15는은 다른 구현예에 따른 원심 분리형 슬러리 펌프용 라이너의 컷워터의 개략도를 도시한다.
본원에 기술된 방법에 의해, 광물 가공 산업에서 사용하기 위한 마모 구성 요소로 적용 가능한 복합체 금속 물품이 제조될 수 있음이 밝혀졌다. 특히, 금속 구성 요소를 캐스팅하는 공정 중에 하나 이상의 공동을 형성하는 경우, 상기 하나 이상의 공동은 상기 금속 구성 요소의 구조적 무결성에 상당한 영향을 미치지 않고, 또한 고체 형태로 내마모성 조성물을 상기 하나 이상의 공동에 접합시켜 증가된 내마모 특성을 갖는 복합체 금속 용품을 제조할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
특정 구현예에서, 본원에 설명된 바와 같은 방법은 복합체 금속 마모 구성 요소를 제조하기 위해 사용될 수 있고, 이 구성 요소는 사용시 상당한 마모를 겪는 마모 구성 요소 부위에 인접하거나 근접한 상기 구성 요소 내에 삽입되고 접합되는 내마모성 조성물을 포함한다. 예를 들어, 본원에서 설명된 바와 같은 방법은 복합체 금속 슬러리 펌프 임펠러를 제조하기 위해 사용될 수 있고, 이 임펠러는 호스트 금속 조성물의 캐스팅 공정 동안 형성된 공동 내에 접합된 내마모성 재료를 포함한 호스트 금속 조성물로 구성될 수 있다. 내마모성 재료는 공동 내에 접합될 수 있고, 이 공동은, 슬러리 펌프 임펠러의 펌핑 날개의 선단 에지에 인접하거나 근접한 호스트 금속 조성물로 구성된 슬러리 펌프 임펠러의 몸체 내에 위치할 수 있고/있거나 사용시 상당한 마모를 겪을 수 있는 다른 위치에서 임펠러 몸체 내에 위치할 수 있다.
특정 구현예에서, 다른 유형의 복합체 금속 마모 구성 요소가 제조될 수 있고, 여기서 내마모성 재료는 상당한 마모를 받는 영역에 인접하게 또는 근접하게 위치하는 공동 내에 접합될 수 있다. 예를 들어, 원심 분리형 슬러리 펌프용 금속 라이너는, 금속 라이너의 컷워터에 인접하거나 가까운 공동 내에 접합된 내마모성 재료를 포함한 호스트 금속 조성물로부터 제조될 수 있다. 금속 마모 구성 요소 유형의 추가 예시는 분쇄 밀, 압쇄기 및 마모 플레이트와 함께 사용하기 위한 응용예를 찾을 수 있는 방법의 기술에 따라 제조될 수 있다.
특정 구현예에서, 내마모성 재료는 금속 마모 구성 요소의 메인 몸체 내에 감싸지도록 위치하고, 여기서 금속 마모 구성 요소의 주요 작업 표면은 호스트 금속 조성물로 구성된다. 이는, 마모 구성 요소의 작업 표면이 내마모성 재료를 포함함으로써 유체역학적으로 변하지 않음을 허용한다. 이 구현예에서, 금속 마모 구성 요소의 메인 몸체가 사용 중에 마모되기 시작하는 경우, 금속 마모 구성 요소는 노출되고, 그 다음 금속 마모 구성 요소가 겪는 마모 속도를 늦춘다.
일 구현예에서, 복합체 금속 마모 구성 요소로서 사용될 수 있는 복합체 금속 물품을 제조하는 방법이 제공된다. 방법은 다음 단계를 포함한다:
(i) 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소를 캐스팅하되, 캐스팅하는 동안 상기 구성 요소에 하나 이상의 공동이 형성되는 단계;
(ii) 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소에 형성된 상기 하나 이상의 공동 내에 내마모성 조성물을 고체 형태로 삽입하는 단계; 및
(iii) 상기 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소의 하나 이상의 공동 내에 상기 내마모성 조성물을 접합시켜서 상기 복합체 금속 물품을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
본원에서 설명된 바와 같은 방법에서, 캐스팅 단계 (i)는 하나 이상의 공동 형성 부분을 구성 요소용 몰드 내에 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 구성 요소용 몰드는, 복합체 금속 마모 구성 요소를 위한 것일 수 있는 복합체 금속 물품의 형상일 수 있다. 공동 형성 부분은, 호스트 금속 조성물이 액체 형태로 몰드 내에 도입되는 경우, 호스트 금속 조성물이 공동 형성 부분을 둘러싸서 공동 형성 부분이 차지한 몰드의 위치가 액체 호스트 금속 조성물로 충진되지 않도록 제공한다. 공동 형성 부분은 공동이 형성되는 이들 위치에 있다. 그 결과, 공동 형성 부분은, 후속하는 공동 내부 표면 형상을 제공하도록 형상화된다. 바람직한 형태에서, 공동 형성 부분은 원통형 또는 직육면체 형상이며, 이는 원통형 또는 직육면체 형태인 내부 표면 형상을 갖는 공동을 초래한다.
몰드 내의 호스트 금속 조성물을 냉각시키고 고형화시켜 호스트 금속 조성물로 구성된 구성 요소를 형성한다. 공동 형성 부분은, 일단 구성 요소가 냉각되고 고형화되면 호스트 금속 조성물 내에 위치할 수 있다. 대안적으로, 공동 형성 부분은, 이것이 냉각되고 고형화되면서 호스트 금속 조성물의 수축으로 인해, 파열하거나 그렇지 않으면 구조적으로 열화되는 재료로 형성될 수 있다.
액체 호스트 금속이 냉각되고 고형화된 후에 호스트 금속 구성 요소에 공동을 제공하기 위해, 하나 이상의 공동 형성 부분 또는 그것의 나머지 단편을 호스트 금속 조성물로부터 제거할 수 있다. 적절한 제거 기술은, 구성 요소를 드릴링 및/또는 달리 기계 가공하는 것을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 하나 이상의 공동 형성 부분은, 호스트 금속 조성물의 열 팽창 계수와 유사하거나 실질적으로 동일한 열 팽창 계수를 갖는 재료로부터 형성될 수 있다. 또한, 공동 형성 부분은 호스트 금속 조성물의 액체 흐름 온도보다 더 높은 연화 온도를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 공동 형성 부분은 스틸 또는 다른 금속 합금으로부터 선택된 재료로 구성될 수 있거나, 하나 이상의 공동 형성 부분은 탄소 또는 그래파이트로 구성될 수 있다.
일 구현예에서, 하나 이상의 공동 형성 부분은 중공형 중심을 포함한다. 이러한 형태는, 캐스팅 단계 동안 냉각되고 고형화되면서 호스트 금속 조성물이 수축하는 것으로 인해, 하나 이상의 공동 형성 부분을 파열시키거나 그렇지 않으면 구조적으로 열화시킬 수 있다. 중공형 중심을 포함한 공동 형성 부분은, 원통형 또는 직육면체 형상일 수 있고, 유리 또는 석영 유리와 같은 재료로 형성될 수 있다. 중공형 중심을 갖는 공동 형성 부분을 몰드 내에 삽입하기 전에, 공동 형성 부분은, 예를 들어 공동 형성 부분 표면을 긁어냄으로써 사전 약화될 수 있다. 사전 약화는, 캐스팅 공정 중에 하나 이상의 공동 형성 부분을 파열시키거나, 그렇지 않으면 구조적으로 열화시킬 수 있고, 이는 설명된 바와 같은 방법에서 제거를 용이하게 할 수 있다.
호스트 금속 조성물로 형성된 구성 요소로부터 공동 형성 부분을 제거한 후, 구성 요소는 열처리되거나 템퍼링 처리되어서 하나 이상의 공동의 형성으로부터 발생하는 임의의 잔류 응력을 제거할 수 있다.
호스트 금속 조성물은 마모 구성 요소를 캐스팅하기에 적합한 금속 또는 금속 합금, 예컨대 고 크롬 백색 캐스팅 철로부터 선택될 수 있다. 내마모성 조성물은 이상적으로 호스트 금속 조성물보다 증가된 내마모성을 갖고, 텅스텐 카바이드와 같은 매우 높은 내마모성을 갖는 재료로부터 선택될 수 있다. 텅스텐 카바이드는 소결될 수 있고/있거나 2 내지 6 μm의 결정립 크기를 가질 수 있다. 바람직한 형태에서, 내마모성 조성물은 원통형, 직육면체 또는 버튼 형상이거나, 통상적으로 제조되는 다른 형태의 것이다. 원통형, 직육면체 또는 버튼 형상과 같이 일반적으로 제조된 형태는 더 불규칙한 다른 형상보다 일반적으로 덜 비싸고, 이는 본원에서 설명된 바와 같이 복합체 금속 마모 구성 요소의 생산 비용을 감소시킨다고 알려졌다.
일 구현예에서, 내마모성 조성물은, 접착제를 사용하여 호스트 금속 내 하나 이상의 공동에 접합된다. 접착제는 높은 갭 충진 능력 및 높은 인장 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 접착제는 LOCTITE EA 9497 또는 3M Scotch-weld 7236 B/A 또는 다른 구조용 에폭시 접착제; 또는 Loctite 620, Loctite 638 또는 Loctite 660과 같은 고강도 고정용 화합물로부터 선택될 수 있다. 대안으로서, 내마모성 조성물은 브레이징 방법을 사용하여 하나 이상의 공동에 접합된다. 추가적인 대안으로서, 또는 전술한 접합 예시에 추가하여, 내마모성 구성 요소는 예를 들어, 고강도 고정 화합물에 의해 고정된 나사형 플러그, 수축 끼워맞춤 플러그 또는 밀착 끼워맞춤 플러그와 같은 기계적 잠금 배열을 통해 하나 이상의 공동에 접합될 수 있고, 이들 방법은 장비의 작동 중에 내마모성 구성 요소가 고정된 공동 밖으로 내마모성 구성 요소가 빠져 나가는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 1을 참조하면, 원심 분리형 슬러리 펌프(10)의 형태로 된 마모 구성 요소의 단면도가 나타나 있으며, 임펠러(10)는, 사용하는 경우에 슬러리 펌프 임펠러의 회전축과 대체로 일치하는 방향으로 덮개로부터 연장된 네 개의 펌핑 날개(12)를 갖는 덮개(11)를 포함한다. 네 개의 펌핑 날개(12) 각각은 후단 에지(13) 및 선단 에지(14)를 포함하며, 여기서 펌핑 날개의 선단 에지(14)는, 관련 원심 분리형 슬러리 펌프(미도시)의 작동 중에 슬러리가 진입하는 임펠러(10)의 중심부 또는 눈(16)에 인접한다. 슬러리는 눈을 통과한 다음, 임펠러의 회전으로 인해 펌핑 날개(12) 사이의 통로(6)를 통해 이동된다. 펌핑 날개는 후방 덮개(11) 및 전방 덮개(21)(도 1에 미도시)와 함께 통로를 정의하는 대향 메인 측면(7, 8)을 추가로 포함한다. 펌핑 날개(12)의 선단 에지(14)의 위치 및 기능은, 슬러리 펌프 임펠러(10)의 이 부분이 원심 분리형 슬러리 펌프의 작동 중에 상당한 침식 및 마모를 겪는 것을 의미하고, 이는 선단 에지(14)가 상당한 마모의 위치라는 것을 종종 의미한다.
도 2를 참조하면, 도 1의 임펠러의 일반적인 형태로 펌핑 임펠러의 일부분의 확대 절단부 도면이 나타나 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 펌핑 날개(12)의 대향하는 메인 측면 사이로 펌핑 날개(12)의 몸체 부분에 다수의 공동(20)이 임펠러 내에 위치할 수 있다. 공동(20)의 개구부(22)는 펌핑 날개(12)의 상부 표면(9)에 위치하고, 공동은 상부 표면(9)으로부터 펌핑 날개(12)의 몸체 내로 후방 덮개(11)를 향해 연장된다. 공동(20)은, 일반적으로 회전축의 방향과 일치하는 방향으로 임펠러(11) 덮개의 몸체 내로 통과하도록 형성될 수 있고, 공동의 베이스가 펌핑 날개(12)의 베이스가 후방 덮개(11)와 만나는 곳과 일치할 때까지, 공동은 연장될 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 1의 임펠러의 일반적인 형태인 원심 분리형 슬러리 펌프용 임펠러를 개략적으로 나타내고, 여기서 전방 덮개(21)가 나타나 있다. 공동(20)의 개구부(22)는 임펠러(21)의 전방 덮개에 위치하고 공동은 펌핑 날개(12)의 몸체 내에서 후방 덮개(11)를 향해 연장된다. 공동은, 일반적으로 회전축과 일치하는 방향으로 임펠러(11) 덮개의 몸체 내로 통과하도록 형성될 수 있고, 공동(20)은, 펌핑 날개(12)의 베이스가 후방 덮개(11)와 만나는 곳과 일치하는 지점에서 멈출 수 있다. 공동(20)은, 하나의 말단에서의 개구부(22)와 다른 말단에서의 하부 말단(미도시) 및 측벽을 갖는 원통형 형태일 수 있다. 공동은, 전방(21)과 후방 덮개(11) 사이에서 연장된 펌핑 날개의 대향 측벽에 일반적으로 평행한 중심축 선을 포함할 수 있다.
도 2에 나타낸 공동(20)은, 이것이 펌핑 날개(12)의 몸체 내로 연장될 시, 원형 개구부(22) 및 일반적인 원통 형상을 갖는다. 공동(20)은, 전술한 바와 같은 방법을 사용하여 임펠러의 캐스팅 공정 중에 제공된다. 도 2에 나타낸 공동의 형상은, 캐스팅 공정 동안 원통형 공동 형성 부분을 사용하였고, 이어서 공동 형성 부분은 임펠러(10)의 펌핑 날개(12) 내에 잔류한 공동을 두고 제거되었음을 나타낸다.
공동(20)에 대해 직경이 약간 작을 수 있는 원통 형태일 수 있는 내마모성 재료는, 임펠러가 캐스팅된 후에 공동 내에 삽입될 수 있다. 내마모성 재료는, 임펠러의 몸체를 캐스팅하기 위해 사용되는 금속 조성물과 비교하면 증가된 내마모성을 갖는 임의의 적절한 재료로 구성될 수 있다. 바람직한 형태에서, 내마모성 재료는 공동(20)보다 약간 작은 원통 형상으로 소결된 텅스텐 카바이드 원통으로부터 선택될 수 있다. 내마모성 재료는, 접착제의 사용에 의해 또는 브레이징 방법을 사용하여 공동 내에 접합될 수 있다. 도 4에서, 내마모성 재료(54)는 기계적 접합 방법, 예컨대 나사식 플러그(55), 수축 끼워맞춤 플러그, 또는 고강도 고정 화합물에 의해 고정된 밀착 끼워맞춤 플러그를 사용하여 더욱 고정될 수 있다. 일단 공동 내에 접합되면, 내마모성 재료(54)는, 임펠러(14)의 펌핑 날개(12)가 복합체 형태(여기서, 펌핑 날개(14)의 몸체는 임펠러를 캐스팅하기 위해 사용되는 금속 조성물로 구성되고 공동(20)은 내마모성 조성물로 충진됨)를 제공한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 임펠러(10)는 임펠러(10)를 캐스팅하기 위해 사용되는 금속 조성물로 구성된 선단 에지를 포함한다. 내부에 접합된 내마모성 재료를 포함한 공동(20)이, 선단 에지에 인접하거나 근접한다. 내부에 삽입되고 접합된 내마모성 재료를 갖는 공동(20)의 갯수, 및 임펠러 몸체(10) 상의 이들 구조의 간격은, 임펠러의 호스트 금속 조성물에서 임의 잔류 응력이 그 호스트 금속 재료 조성물의 항복 강도보다 낮을 것임을 보장한다. 또한, 이들 응력은 후속 열처리에 의해 감소되거나 제거될 수 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 공동(20)의 위치, 및 그 내부에 접합된 내마모성 재료는, 내마모성 재료가 임펠러를 통한 통로(6)에 노출되지 않음을 제공한다. 이는, 특정 위치에서의 내마모성 재료를 포함한 슬러리 펌프 임펠러의 변경이 임펠러의 유체 역학적 특성에 영향을 미치지 않음을 제공한다.
사용시, 임펠러(10)의 금속 조성물은 펌핑 날개(12)의 선단 에지(14)와 같은 특정 위치에서 마모되기 시작할 것이다. 이는, 향상된 내마모성 재료가 원심 분리형 슬러리 펌프의 작동에서 연마재 공정 조건에 노출되도록 할 것이다. 이때, 마모 속도는, 공동(20) 내에 접합된 내마모성 재료의 증가된 내마모성 때문에 감소될 것이다. 이는, 임펠러(10)의 전체 마모 속도를 줄이고 그 작동 수명을 증가시키는 유리한 효과를 갖는다.
도 5는 원심 분리형 슬러리 펌프용 라이너(50) 형태인 마모 구성 요소의 대안적인 구현예를 도시한다. 라이너(50)는 와류(볼류트) 형태이고, 펌핑 챔버(52)와 유출구(51)를 포함한다. 라이너(50)는 메인 펌핑 챔버의 내부 둘레 표면(71)과 배출 유출구(72)의 내부 둘레 표면 사이에서 연장된 전이 표면(70)을 포함하며, 여기서 전이 표면은 컷워터(53)를 포함한다. 컷워터(53)는, 원심 분리형 슬러리 펌프의 작동 중에 사용되는 경우, 펌핑 챔버(52)와 유출구(51)로부터 슬러리의 흐름을 분리하는 라이너(50)의 일부이다. 컷워터(53)는, 슬러리 펌핑 작동 중에 상당한 충격 침식 마모의 위치이다.
도 6 내지 도 11은, 라이너(50)의 캐스팅 공정 중에 공동(20)이 라이너(50)의 컷워터(53)에서 또는 이에 인접한 위치에서 형성되는 대안적인 구현예를 도시한다. 라이너는 통상적으로 호스트 금속 조성물로 구성될 것이고, 내마모성 재료는 접착제 또는 브레이징 방법을 사용하여 공동(20) 내부에 이후 접합될 것이다. 내마모성 재료는, 원통형 막대 형태로 소결된 텅스텐 카바이드로부터 선택될 수 있다.
도 12, 도 12a 및 도 13은 라이너(50)의 캐스팅 공정 중에 공동(20)이 컷워터에서 형성되는 구현예를 도시하고, 여기서 공동은 라이너(50)의 일 측면으로부터 라이너(50)의 다른 측면으로 통과하는 방향으로 놓여 공동이 펌프 임펠러의 회전축에 실질적으로 평행한 것을 제공한다. 공동(20)은, 대안적으로 캐스팅 이후 컷워터로 기계 가공될 수 있다. 공동(20)을 형성한 이후, 경질 삽입체(54)가 공동 내로 삽입되고 접착제 접합 및 기계적 수단에 의해, 이 경우 공동(20)의 각 말단에 위치한 나사식 플러그(55)의 형태에 의해 제자리에 고정된다. 볼 수 있는 바와 같이, 공동(20)의 위치, 및 그 내부에 접합된 내마모성 재료(51)는, 내마모성 재료가 펌핑 챔버(51) 또는 라이너(50)의 배출 유출구(52)에 노출되지 않는 것을 제공한다. 이는, 컷워터(53)의 표면에 근접하거나 인접하는 내마모성 재료를 포함한 라이너를 변경하는 것이 라이너의 유체 역학적 특성에 영향을 미치지 않음을 제공한다. 사용시, 라이너(50)의 금속 조성물은 컷워터(53)와 같은 특정 위치에서 마모되기 시작할 것이다. 이는, 향상된 내마모성 재료가 원심 분리형 슬러리 펌프의 작동에서 연마재 공정 조건에 노출되도록 할 것이다. 이때, 공동(20) 내에 접합된 내마모성 재료의 증가된 내마모성으로 인해 컷워터 위치에서의 마모 속도는 감소할 것이다. 이는, 라이너(50)의 전체 마모 속도를 줄이고 그 작동 수명을 증가시키는 유리한 효과를 갖는다.
도 14 및 도 15는, 경질 삽입체(54)가 노치(56)를 구비하고 이에 상응하는 노치(57)가 공동(20)에 제공되는 구현예를 도시한다. 이는, 경질 삽입체를 제 자리에 기계적으로 고정하기 위한 스냅 링(58)의 선택적인 사용을 허용한다.
본원에서 설명된 방법의 추가 이점은, 원래 마모 구성 요소 캐스팅에 요구되는 변경점이 표준 마모 구성 요소 몰드 내의 공동 형성 부분의 위치인 점이다. 이로 인해, 내마모성 재료의 삽입을 위해 제공된 공동을 갖게 될 것이라는 점을 제외하고 원래 부품과 정확히 외관상 동일한 최종 캐스팅 결과를 갖는다.
특정 구현예의 상술한 설명에서, 명료성을 위해 특정 용어가 사용되었다. 그러나, 본 개시는 이렇게 선택된 특정 용어에 한정되도록 의도되지 않으며, 각각의 특정 용어는 유사한 기술적 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. "좌" 및 "우", "전방" 및 "후방", "위" 및 "아래" 등과 같은 용어는 기준 지점을 제공하는 편의의 단어로서 사용되며 용어를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서, "포함한"이라는 용어는, "포함하는" 의미로, 즉 "열린" 맥락으로 이해되어야 하며, 따라서 "오직 ~로만 이루어진"이라는 "폐쇄" 맥락으로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 상응하는 의미가, 상응하는 단어 "포함하다", 및 "포함된"에 주어진다.
또한, 상술한 설명은 단지 본 발명(들)의 일부 구현예를 설명하고, 개시된 구현예의 범위 및 사상을 벗어나지 않고도 이에 대한 변경, 수정, 추가 및/또는 변경이 이루어질 수 있으며, 구현예는 예시적이고 제한적이지 않다.
또한, 본 발명(들)은 가장 실용적이고 바람직한 구현예로 현재 간주되는 것과 연계하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 구현예에 한정되지 않으며, 오히려 본 발명(들)의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변경 및 등가의 배열을 포함하도록 의도된다. 또한, 상술한 다양한 구현예는 다른 구현예와 관련하여 구현될 수 있고, 예를 들어 일 구현예의 양태는 또 다른 구현예를 실현하기 위해 다른 구현예의 양태와 조합될 수 있다. 또한, 임의의 주어진 조립체 각각의 독립된 특징부 또는 구성 요소가 추가적인 구현예를 구성할 수 있다.
부품 목록
통로 6
대향 측면 7,8
상부 표면 9
임펠러 10
후방 덮개 11
펌핑 날개 12
후단 에지 13
선단 에지 14
임펠러 눈 16
공동 20
전방 덮개 21
개구부 22
라이너 50
펌핑 챔버 52
유출구 51
컷워터 53
경질 삽입체 54
나사형 플러그 55
경질 삽입체의 노치 56
공동의 노치 57
스냅 링 58
전이 표면 70
펌핑 챔버의 내부 둘레 표면 71
배출 유출구의 내부 둘레 표면 72

Claims (51)

  1. 외부 둘레 에지와 중심축을 갖는 내부 메인 면을 갖는 후방 덮개를 포함하는 메인 몸체 부분을 포함하는 슬러리 펌프 임펠러로서, 복수의 펌핑 날개는 상기 후방 덮개의 내부 메인 면으로부터 멀리 연장되고, 상기 펌핑 날개는 이격된 관계로 배치되며, 각각의 펌핑 날개는 대향하는 메인 측면, 중심축 부위에서의 선단 에지, 및 인접한 펌핑 날개 사이의 통로를 갖는 후방 덮개의 외부 둘레 에지 부위에서의 후단 에지를 포함하되, 상기 메인 몸체 부분은 호스트 금속 조성물로 구성되고 내부에 위치한 하나 이상의 공동을 포함하고, 상기 하나 이상의 공동은 내부에 접합된 내마모성 조성물을 포함하고, 상기 내마모성 조성물은 상기 임펠러의 메인 몸체 부분 내에 감싸지고, 이에 따라 상기 임펠러의 작업 표면은 상기 호스트 금속 조성물로 구성되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  2. 제1항에 있어서, 임펠러의 작업 표면은 펌핑 날개의 선단 에지 및 통로를 포함하는, 슬러리 펌프 임펠러.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내마모성 조성물은 상기 호스트 금속 조성물의 것을 초과하는 내마모성을 갖는, 슬러리 펌프 임펠러.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펌핑 날개는 내부에 위치한 하나 이상의 공동을 포함하는, 슬러리 펌프 임펠러.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 내부 메인 면을 갖는 전방 덮개를 포함하되, 상기 복수의 펌핑 날개는 상기 후방 및 전방 덮개의 내부 메인 면 사이에서 연장되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복수의 펌핑 날개 각각은 적어도 하나의 공동을 포함하는, 슬러리 펌프 임펠러.
  7. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개 각각의 몸체 부분 내에 위치하고, 이에 따라 상기 내마모성 조성물은 인접한 펌핑 날개 사이의 통로에 노출되지 않는, 슬러리 펌프 임펠러.
  8. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 공동 각각은, 상기 대향하는 메인 측면 사이에서 상기 복수의 펌핑 날개의 상부 표면에 위치하고 상기 후방 덮개로부터 멀리 있는 개구부를 포함하는, 슬러리 펌프 임펠러.
  9. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개 각각의 몸체 부분을 통해 상기 개구부로부터 상기 후방 덮개 쪽으로 연장되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  10. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개 각각의 몸체 부분을 통해 상기 개구부로부터 상기 복수의 펌핑 날개가 상기 후방 덮개와 만나는 곳과 일치할 때까지 연장되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  11. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개의 선단 에지에 근접하게 위치하는, 슬러리 펌프 임펠러.
  12. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 복수의 펌핑 날개의 선단 에지로부터 약 5 mm 내지 약 25 mm 내에 위치하는, 슬러리 펌프 임펠러.
  13. 제8항에 있어서, 사용시 상기 내마모성 조성물은 상기 펌핑 날개가 마모되면서 점진적으로 노출되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 공동은 상기 메인 몸체 부분을 캐스팅하는 동안 형성되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 호스트 금속 조성물은 고 크롬 백색 캐스팅 철로부터 선택되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내마모성 조성물은 텅스텐 카바이드로부터 선택되는, 슬러리 펌프 임펠러.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내마모성 조성물은 원통형, 직육면체, 또는 버튼 형상인, 슬러리 펌프 임펠러.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내마모성 조성물은 접착제를 사용하거나 브레이징 방법을 사용하여 상기 호스트 금속의 하나 이상의 공동에 접합되는, 슬러리 펌프 임펠러.
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