KR20000067608A - Ｖｃ/탄소강 표면 합금화 방법 - Google Patents
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Abstract
본발명은 표면 합금화 재료를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 탄소강을 모재로 준비하는 단계; VC 분말과 용제의 혼합체를 조성하는 단계; 상기 혼합체를 상기 탄소강의 상부에 도포하는 단계; 상기 상부에 도포된 혼합체에 압력을 가하는 단계; 상기 혼합체가 도포된 탄소강의 상부에 가속 전자빔을 투사하는 단계를 포함하도록 구성되어, 기공이나 균열이 발생되지 않는 균일성과 높은 강도를 갖는 표면 합금화 재료를 대기중에서 용이하게 제조할 수 있고, 생산성을 높일 수 있는 효과를 얻는다.
Description
본 발명은 표면 합금화 재료의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가속 전자빔을 이용한 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법에 관한 것이다.
주지하다시피, 종래에 탄소강을 표면 처리하는 데는 주로 침탄 처리, 질화처리, 도금, 육성 용접, 플라즈마 용사법 등이 사용되었으나, 그러한 방법들은 합금화시키고자 하는 원소가 제한되어 있고, 계면 결합이 나쁘며, 투입열이 큰 경우에는 재료 전체가 열영향을 받아서 변형 및 균열이 발생할 가능성이 높은 문제점이 있었다.
그와 같은 문제점을 고려하여, 최근에는 레이저 빔을 이용한 표면 처리법이 연구중에 있다. 그러나, 레이저 빔을 이용한 표면 처리법은 열효율이 40% 이하로 낮아서 표면 합금층을 형성하는 데 장시간이 소요되어 표면이 산화되므로 대기중에서 제조하기 곤란하여 제조 원가가 상승될 뿐만 아니라 생산성이 떨어지는 단점이 있었다.
본 발명은, 상술한 문제점이 개선된 표면 합금화 재료를 얻을 수 있는 제조 방법, 즉, 기공이나 균열이 발생되지 않는 균일도와 높은 경도를 갖는 표면 합금화 재료를 대기중에서 제조하여 생산성을 증진시킬 수 있는 표면 합금화 재료의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 표면 합금화 재료를 제조하는 방법에 있어서, 탄소강을 모재로 준비하는 단계; VC 분말과 용제의 혼합체를 조성하는 단계; 상기 혼합체를 상기 탄소강의 상부에 도포하는 단계; 상기 상부에 도포된 혼합체에 압력을 가하는 단계; 상기 혼합체가 도포된 탄소강의 상부에 가속 전자빔을 투사하는 단계를 포함하는 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 VC/ 탄소강 표면 합금화 방법을 도시한 흐름도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 탄소강의 화학 조성을 도시한 화학 조성표,
도 3은 본 발명에 따라서 제조된 탄소강과 VC 분말을 나타낸 사진,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 저배율 광학 사진,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 깊이-V원소 성분 변화를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 깊이-경도 변화를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 표면온도-경도 변화를 도시한 그래프.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 모재
20 : 열 영향부
30 : 용융 영역(표면 합금층)
이하 본 발명 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 VC/ 탄소강 표면 합금화 방법을 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 탄소강의 화학 조성을 도시한 화학 조성표이며, 도 3은 본 발명에 따라서 제조된 탄소강과 VC 분말을 나타낸 사진이다.
먼저, 모재로서 도 2에 도시된 바와 같은 화학 조성을 갖는 탄소강을 준비한다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, C : 0.099 중량%, Mn : 0.561 중량%, S : 0.029 중량%, P : 0.011 중량%, Al : 0.017 중량%, Si : 0.029 중량%, Cr : 0.055 중량%, Ni : 0.084 중량%, Cu : 0.159 중량%, Mo : 0.011 중량%, Fe : 나머지 중량%의 화학 조성으로 이루어진 탄소강을 준비한다. 그와 같은 탄소강을 광학 현미경으로 촬상한 사진이 도 3a에 도시되어 있다. 한편, 상술한 화학 조성은 본 발명에 따른 일실시예로서, 다른 화학 조성의 탄소강에서도 본 발명에 따른 표면 합금화 재료의 제조 방법을 용이하게 적용할 수 있다.(S 10)
그 다음, 도 3b에 도시된 사진과 같은 VC 분말을 중량비 1:1의 MgO-CaO 용제(flux) 분말과 혼합하여 VC 분말과 용제의 혼합체를 조성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 제조 공정을 단순화하기 위해서 VC 분말과 용제를 건식 혼합 방식으로 혼합하는 것이 바람직할 것이다. 또한, VC 분말과 용제 분말의 혼합체에서 용제 분말의 혼합 비율은 15∼25%로 혼합하는 것이 보다 바람직할 것이다. 즉, 제조된 표면 합금화 재료의 물성은 VC 분말과 용제 분말의 혼합비에 의해서 크게 달라지는데, VC 분말의 혼합 비율이 커지면 용융 영역 내에서 VC 입자가 다량 생성되어 경화 효과는 커지지만, 기공, 급냉균열, VC 분말의 부분적 용해 및 불균일 혼합등이 발생될 수 있고, 용제의 혼합 비율이 커지면, 표면 합금층의 두께가 증가되므로, 용제의 혼합 비율을 상술한 바와 같이 15∼25% 내에서 혼합하는 것이 바람직할 것이다.(S 20)
이어서, S 10 단계에서 준비된 탄소강의 상부에 S 20 단계에서와 같이 형성된 VC 분말과 용제 분말의 혼합체를 도포한다(S 30).
S 30 단계에서와 같이, VC 분말과 용제 분말의 혼합체를 탄소강의 상부에 도포하고 나면, 혼합체의 균일한 밀도를 유지하기 위해서, 가압 수단(예를 들어, 통상적인 프레스(press) 장비)을 이용해서 도포된 혼합체에 압력을 가한다(S 40).
S 40 단계에서와 같이 VC 분말 과 용제 분말의 혼합체를 탄소강의 표면에 압착하고 나면, VC 분말 과 용제의 혼합체가 도포된 탄소강의 표면에 전자 가속빔을 투사한다. 이때, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 에너지 범위 1.0∼2.5 MeV, 빔 전류 50∼70㎃의 고에너지 전자빔을 VC 분말 과 용제의 혼합체가 도포된 탄소강의 표면에 1∼10㎠/s의 빔 이동 속도로 투사하는 것이 바람직할 것이다. 즉, VC/탄소강 표면 합금화 재료를 제조하기 위해서는, 5.3kW/㎠ 이상의 투입 에너지 밀도가 요구되는 바, 그와 같은 투입 에너지 밀도는 전자빔 에너지와 빔전류의 곱에 의해서 결정되는 빔전력, 전자빔 이동 속도, 시편의 크기 등에 의해서 달라지는 바, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 전자빔 에너지, 빔 전류 및 빔 이동 속도를 조절하여 VC/탄소강 표면 합금화 재료를 제조하는 데 요구되는 투입 에너지 밀도, 즉, 5.3kW/㎠ 이상의 투입 에너지 밀도를 제공한다. 그와 같은 전자빔을 가속시켜 얻은 고출력 집속 에너지를 VC 분말 과 용제의 혼합체가 도포된 탄소강의 표면에 제공하면, 그 집속된 에너지는 열에너지로 변환되어 강력한 열원으로 이용된다. 따라서, VC 분말과 탄소강의 표면 일부가 용융되어 짧은 시간내에 표면 합금층을 형성한다.(S 40)
이하, 상술한 S 10 단계 내지 S 40 단계에 의해서 제조된 표면 합금화 재료에 대해서 첨부된 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 저배율 광학 사진이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 깊이-V원소 성분 변화를 도시한 그래프이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 깊이-경도 변화를 도시한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료의 표면온도-경도 변화를 도시한 그래프이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 상술한 S 10 단계 내지 S 40 단계에서 설명한 일시예에 따라 제조된 표면 합금화 재료는, 균열이 없이 2∼4㎜의 두께로 균일하게 형성되는 바, 전자빔의 투사 방향과 평행하게 절단해보면, 모재(10), 열영향부(20) 및 표면 합금층이되는 용융 영역(30)으로 이루어짐을 알 수 있다. 이때, 참부 부호가 생략된 최상부는 사진의 여백이다. 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 용제 분말의 혼합 비율을 15∼25% 범위내의 20%로 혼합한 경우에는 도 4b에 도시한 바와 같이 형성되지만, 용제 분말의 혼합 비율이 0%로 용제 분말을 VC 분말에 혼합하지 않은 경우는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 표면 합금층이 되는 용융 영역에 기공이 발생되는 문제점이 발생되고, 반대로 용재 분말의 혼합 비율을 40%로 크게한 경우에는, 도 4c에 도시된 바와 같이, 표면 합금층이 되는 용융 영역(30)이 증가하게 된다.
그 다음, 도 5를 참조하면, 전자 주사 현미경에 장착된 에너지 분산 분석기를 이용하여 깊이에 따른 화학 조성 변화를 정량적으로 측정한 결과, 용제의 혼합 비율이 증가할수록 V의 함량이 감소되며, 각각의 경우 용융영역에서는 V의 합량이 일정하게 유지되다가 계면부에서부터 금격히 감소(특히, 용제를 혼합하지 않은 경우)됨을 알 수 있다.
그리고, 가속 전자빔의 투사 전후의 미세 경도의 변화를 비커스(Vickers) 미소 경도기로 측정한 결과, 도 6을 참조하면, 용제 첨가량에 따라서 다소 차이가 있으나, 표면 깊이에 대해서 모재가 150Hv 정도에 비해 용융 영역에서 400∼650Hv 정도로 그 경도가 3배 정도 증가되었음을 알 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 온도가 증가함에 따라서, 약 500℃까지 모재가 150 VHN 정도의 경도를 유지하는 데 비해서 용융 영역은 약 350VHN 이상의 경도로 큰 것을 알 수 있다.
상술한 바은 본 발명에 따르면, 재료가 가열되는 시간이 짧아서 재료 표면이 산화되지 않으므로, 대기중에서의 제조가 용이하고, 생산원가를 절갑하고 생산효율을 증진 시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 경도가 높은 VC 분말의 사용으로 경도가 높은 표면 합금화 재료를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 용제 분말의 혼합에 의해서 기공과 균열이 발생되지 않는 균일한 표면 합금화 재료를 제조할 수 있다.
Claims (5)
- 표면 합금화 재료를 제조하는 방법에 있어서,탄소강을 모재로 준비하는 단계;VC 분말과 용제의 혼합체를 조성하는 단계;상기 혼합체를 상기 탄소강의 상부에 도포하는 단계;상기 상부에 도포된 혼합체에 압력을 가하는 단계;상기 혼합체가 도포된 탄소강의 상부에 가속 전자빔을 투사하는 단계를 포함하는 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 용제 분말은, 중량비가 1:1인 MgO-CaO인 것을 특징으로 하는 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 VC 분말과 용제 분말의 혼합체는, 건식 혼합 방식에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법.
- 제 1항 내지 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 VC 분말과 용제 분말의 혼합체는, 상기 용제 분말의 혼합 비율이 15∼25%인 것을 특징으로 하는 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 가속 전자빔을 투사하는 단계는, 1.0∼2.5 MeV의 전자빔 에너지 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 VC/탄소강 표면 합금화 재료의 제조 방법.
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