KR20020050455A - 내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트 공장이나 원료소결 공장의 파쇄용 해머류 부품 등에 사용되는 이중복합주조체의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 기계적 결합에 의해 얻을 수 있는 높은 복합률을 얻는 동시에 접합계면이 금속학적으로 결합된 이중복합 주조체를 제조하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이종재질로 구성된 이중복합주조체의 제조방법에 있어서,

상기 이종재질중의 하나를 주조체를 만드는 단계,

이 주조체를 주형내에 장입하는 단계,

상기 이종재질중의 다른 하나를 용탕으로 하여 주형내로 주입하고 주형의 외부로부터 가열하면서 주조하는 단계에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법{Method for manufacturing bimetallic cast with superior wear resistance and toughness}

본 발명은 시멘트 공장이나 원료소결 공장의 파쇄용 해머류 부품 등에 사용되는 이중복합주조체의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접합계면이 금속학적으로 결합되고 복합율이 높은 이중복합주조체의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라 제조된 이중복합주조체는 광석입자 등과 같은 마모입자에 의해 충격과 마모환경에 동시에 노출되는 부품에 적용될 때 부품의 수명을 향상시킬 수 있다.

산업설비용 내마모 부품은 주로 크롬탄화물을 함유하는 고크롬 철계합금이 주로 사용되고 있다. 고크롬 철계합금은 주물이나 육성용접에 의해 제조되며 타 재질에 비해 가격이 저렴하면서 우수한 내마모성을 보인다는 것이 장점이다(미국특허공보 1,671,384호, 1,245,552호).

그러나, 고크롬 철계합금은 인성이 낮아 충격을 받는 내마모 부품에는 쉽게 깨지는 특성이 있어 적용이 어려웠다. 실제로 Coal Crusher Hammer와 같은 부품은 이러한 특성을 요구하는 부품으로 내마모성이 우수한 고크롬 철계 합금에 비해 내마모성은 1/10정도로 떨어지지만 인성이 우수한 고Mn계 합금을 주조하여 사용되고 있다.

최근에는 이러한 단점을 보완하기 위하여, 고크롬 철계 합금(내마모성을 요하는 부위)과 일반 합금강(인성을 요하는 부위)으로 이루어진 이중복합주조체를 제조하는 공법이 개발되어 있다. 이중복합주조체는 기존의 고Mn계 합금을 내마모성이월등히 우수한 고크롬 철계합금/일반합금강의 이중복합주조체로 대체함으로써 수명을 획기적으로 증가시켜 인건비 상승에 따른 마모설비의 유지보수비 증가에 대한 요구에 부응할 수 있다.

현재 개발된 이중주조복합체 제조공법은 크게 2가지로 나눌 수 있다.

[1] 미국특허공보 4,099,998호에는 도 1(a)와 같이 여러 조각으로 나뉘어진 내마모재와 인성이 높은 재질간의 금속학적인 접합계면을 유도하는 주조공법이 제안되어 있다. 이 공법에 따르면 복합률이 매우 낮아서 실제로 부품의 수명이 크게 향상되지 않는다는 문제점이 있다. 그 이유는 금속학적인 접합계면을 갖기 위해서는 복합율이 5%이하로 매우 낮아야 하고 내마모재가 여러 조각으로 나뉘어져 있어야 하기 때문이다. 그리고 이 공법으로 제조된 부품의 또 다른 문제점은 인성담당부의 내마모성이 내마모를 담당하는 부위보다 낮아 실제 사용중에 인성담당부가 깊게 마모되어 내마모부가 탈락하는 문제점을 발생시킨다. 이 결과는 제조가격 상승에 비해 수명 증가량이 크지 않아 일반 내마모 부품에는 큰 이점이 없다.

[2] 미국특허 5,238,046호에는 도 1(b)에서와 같이 고크롬 철계합금/일반합금을 기계적으로 결합시킨 이중주조복합체의 주조공법이 제시되어 있다. 이 주조공법에서는 내마모재의 복합률을 높여 내마모성의 향상을 크게 향상시킬 수 있지만 고크롬 철계합금/일반합금강의 접합계면이 금속학적으로 결합되지 않고 단순히 기계적으로만 결합됨으로써 충격과 마모환경에 노출된 고크롬 철계합금이 쉽게 파손되는 단점이 있다. 실제로 벨기에의 Magotteaux사가 이 기술(미국특허 5,238,046호)에 따라 제조한 이중복합주조체를 국내 시멘트공장에 적용한 결과, 접합계면에서 파괴가 일어나는 문제점을 발생시켰다.

본 발명은 기계적 결합에 의해 얻을 수 있는 높은 복합률을 얻는 동시에 접합계면이 금속학적으로 결합된 이중복합 주조체를 제조하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 복합주조체의 제조방법에 따른 접합단면의 개략도

도 1(a)는 미국특허공보 4,099,998의 접합단면

도 1(b)는 미국특허공보 5,238,446의 접합단면

도 1⒞는 본 발명에 따른 접합단면

도 2는 본 발명에 의해 제조된 이중복합주조체의 접합계면부의 미세조직사진

도 3은 이중주조된 복합체의 단면사진으로

도 3(a)는 종래방법(실시예3)

도 3(b)(c)는 본 발명의 방법

도 4는 본 발명의 방법으로 제조된 이중복합주조체를 굽힘시험한 후의 파단사진

이종재질로 구성된 이중복합주조체의 제조방법에 있어서,

상기 이종재질중의 하나를 주조체를 만드는 단계,

이 주조체를 주형내에 장입하는 단계,

상기 이종재질중의 다른 하나를 용탕으로 하여 주형내로 주입하고 주형의 외부로부터 가열하면서 주조하는 단계를 포함하여 이루어지는 내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 이중복합주조체의 복합률을 높이면서 금속학적인 결합계면을 확보하기 위한 연구과정에서, 주형에 장입된 주조체에 용탕을 주입할 때 용탕이 주조체에 의해 급속히 냉각하는 것을 방지할 수 있으면 접합계면이 금속학적인 결합을 이룰뿐 만 아니라 접합계면이 요철을 이루면서 기계적인 충격에도 견딜 수 있는 결합구조를 얻는다는 것을 확인하였다.

이중복합주조체에서 복합율을 5% 이하로 낮추는 경우에도 내마모 부위와 인성담당부위가 같은 크기의 접촉면을 갖는 경우에는 실험적으로 매우 국부적인 금속학적인 접합을 유도해 낼 수 있었지만, 제품의 전체 계면을 금속학적인 접합이 이루어지도록 할 수는 없었다. 그 원인은 차가운 내마모재로 급속한 열방출이 일어나기 때문이다. 이 결과는 내마모 부위와 인성부위를 서로 다른 비율로 조정하고 내마모 부위의 온도변화를 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 통하여 알 수 있었다.

따라서, 본 발명에서는 용탕이 차가운 내마모재로 급속히 열방출되는 것을 방지하면서 이중복합 주조체를 제조하는 공법을 개발해 냄으로써, 복합율을 크게 증가시켜 내마모부품의 수명을 크게 연장하는 동시에 접합계면의 접합강도를 크게 향상시켜 접합계면에서의 파괴를 방지하는 것이다.

본 발명에서는 이종재질중의 하나를 주조체를 먼저 만들어 주형에 장입한 다음에, 이 주형에 이종재질중의 다른 하나를 용탕으로 주입하여 주입한 다음에, 이 주형을 가열하여 주조체에 의해 용탕이 급속히 냉각하는 것을 방지하면서 주조하는데, 특징이 있다.

[이종복합주조체의 재질]

본 발명은 서로 다른 재질의 합금을 복합화시켜 이중주조하는 기술로서, 이종복합주조체에 사용되는 재료이면 그 적용이 가능하다. 이종재질의 하나인 내마모담당재의 대표적인 예로는 고크롬 철계합금, 크롬 탄화물과 함께 티타늄(또는 니오븀) 탄화물이 다량 함유된 복합탄화물계 합금이 있으며, 인성담당재의 대표적인 예로는 일반합금강 또는 고Mn계 합금이 있다.

본 발명에서 주조체로 만드는 이종재질은 용탕으로 주입하는 다른 이종재질 보다 융점이 낮은 것이 좋다. 이는 효과적으로 금속학적인 접합을 유도할 수 있다는 측면을 고려한 것이다.

보통 내마모재가 인성재보다 융점이 낮으므로, 내마모재를 주조체로 만들어 사용하고 대신 인성재는 용탕으로 주입한다. 내마모 담당재의 경우에는 주로 크롬탄화물을 다량 함유하는 고크롬 철계합금이나 크롬 탄화물과 함께 티타늄(또는 니오븀) 탄화물이 다량 함유된 복합탄화물계 합금이 사용되는 경우가 대부분이다. 그러므로 이들 합금은 탄소를 비롯한 높은 합금원소의 함유로 인하여 일반합금강이 주로 이용되는 인성담당 재질에 비해 융점이 상대적으로 낮다.

[주조체와 용탕의 가열]

본 발명에서 주조체와 용탕이 주입된 주형을 가열할 때에는 주조체와 용탕의온도차이가 500℃이내가 될 때까지 가열하는 것이 좋다. 온도차이가 500℃ 이내일 때 주조체에 의한 용탕의 급속냉각방지에 효과적일 뿐만 아니라 상대적으로 융점이 높은 인성재의 용탕이 포함하고 있는 열에 의해 내마모재와 인성재가 접촉하는 계면이 국부적으로 융점까지 도달할 수 있기 때문이다. 주조체와 용탕이 주입된 주형의 가열은 용탕의 주입전부터 행하거나 주입중에 또는 주입후에 행할 수 있는데, 가장 바람직하게는 주입중에 하는 것이다.

주형외부를 가열하는 방식은 유도가열방식이 유력하다. 유도가열시간은 주조체와 용탕의 온도차이가 500℃이내가 되도록 가열한다. 통상의 제품의 크기와 고주파유도가열방식의 성능을 고려할 때 6분이내로 하는 것이 바람직하다. 6분을 초과하는 경우에는 치수안정도가 떨어지며 주형의 손상이 우려된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

유도용해로를 이용하여 내마모용 고크롬강을 용해한 후에 지름 f65mm의 원통형 잉곳을 사형몰드에 주입하여 내마모재 잉곳을 제조하였다. 내마모재의 조성은 Cr과 Mo의 함량을 다양하게 변화시켜 제조하였다. 그리고 인성담당재의 조성은 Cr 합금강을 이용하여 시험하였다. 각각 주조재의 화학조성은 표1에 요약하여 나타내었다.

합금	C	Cr	Mo	W	Mn	Fe
내마모재1	2.80	31.0	2.0	-	-	Bal.
내마모재2	2.73	26.9	1.9	-	-	Bal.
내마모재3	2.64	17.6	3.1	-	-	Bal.
인성재	0.25	2.0	0.2	0.3	-	Bal.
고Mn합금	1.15	1.0	-	-	13.0	Bal.

표 1의 내마모재를 복합률이 각각 5, 13, 22%정도 되도록 절단한 후에 인성담당부를 용해하고 용탕온도 1670^oC에서 단순하게 주입하였다(표 2의 실시예1-3)

표 1의 내마모재를 복합률이 22%정도 되도록 절단한 후에 인성담당부를 용해하고 용탕온도 1670℃에서 주입한 후에 유도가열을 하였다. 이때 유도가열조건은 총파워를 높이면서 즉, 처음 1분동안 총파워의 30%를 가열한 다음, 다시 1분동안 총파워 60%를 유지한후에 2분동안 총파워의 95%를 유지하였다. 이러한 유도가열방식에서 유도가열시간에 따른 계면결합상태와 계면요철의 유무를 조사하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	유도가열유무및 유지시간	복합률(%)	계면결합상태	계면요철유무
실시예 1	무	~5	국부접합	무
실시예 2	무	~13	국부접합	무
실시예 3	무	~22	국부접합	무
실시예 4	유/1분	~22	국부접합	무
실시예 5	유/4분	~22	완전접합	무
실시예 6	유/5분	~22	완전접합	유

표 2에 나타난 바와 같이, 실시예1-3에서는 f65mm의 표면전체가 접합되지 않고 단지 용탕이 직접 접촉하는 부위만 부분적으로 접합되었다. 또한 접합계면 근처에 많은 기공들이 관찰된다(도 3(a)). 실시예 4는 1분동안 유도가열을 한 경우로마찬가지로 거의 접합이 이루어지지 않았다. 그러나 실시예1-3의 경우에 관찰되는 접합계면 근처의 기공들은 거의 관찰되지 않았다.

실시예5은 4분동안 유도가열을 한 경우로 이종재질의 접합계면이 완전하게 금속학적인 결합을 이룸을 알 수 있었다. 이는 도 2에 제시된 접합계면의 미세조직사진으로 확인할 수 있다. 실시예6은 유도가열시간을 5분으로 연장한 결과를 나타낸 것이다. 이 경우에는 접합계면이 완전한 금속학적인 결합을 이룰 뿐만 아니라 접합계면이 거시적으로 들쭉날쭉한 형상을 유지함으로써 기계적인 충격이 측면에서 일어나더라도 보다 효과적으로 지지할 수 있는 구조를 얻을 수 있었다.

상기 본 발명의 방법에 의해 제조된 내마모재/인성담당재의 복합주조체와 기존에 사용되고 있는 고Mn계 합금을 이용하여 굽힘강도를 평가한 결과를 표 3에 나타내었다.

주조합금	굽힘파괴강도(MPa)
내마모재1/인성재	640
내마모재2/인성재	660
내마모재3/인성재	680
고Mn합금*	650*
굽힘증명강도(Bending proof strength)

표 3에서 알 수 있듯이, 기존 고Mn계 합금이 영구변형이 발생하기 시작하는 강도와 복합주조체가 파괴되는 강도와 거의 같았다. 그리고 굽힘변형에 의해 파단되는 복합주조체의 파단경로는 접합계면이 아닌 고크롬강으로 이루어진 내마모부에서 일어났다. 그 결과는 도4에서 확인할 수 있다. 그러므로 본 발명공법에 의해 제조된 매우 우수한 접합강도를 갖는 것으로 판명되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 복합률이 높은 금속학적인 결합의 갖는 이중복합주조체를 제조할 수 있다. 본 발명으로 제조된 이중복합주조체는 기존 고Mn계 합금보다 10배정도 높은 내마모성을 갖는 고크롬 철계 합금이 마모에 노출되는 부위에 적용되고 일반 합금강(또는 고Mn계 합금)으로 구성된 인성담당재가 이중주조체에서 인성지지를 담당함으로써 내마모 관련 산업설비의 설계수명을 연장시켜 에너지 절감 및 유지보수비용의 극단적인 절감이 가능하다.

Claims (6)

1. 이종재질로 구성된 이중복합주조체의 제조방법에 있어서,

   상기 이종재질중의 하나를 주조체를 만드는 단계,

   이 주조체를 주형내에 장입하는 단계,

   상기 이종재질중의 다른 하나를 용탕으로 하여 주형내로 주입하고 주형의 외부로부터 가열하면서 주조하는 단계를 포함하여 이루어지는 내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 주조체로 만든 이종재질은 용탕으로 주입하는 다른 이종재질보다 융점이 낮음을 특징으로 하는 내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 융점이 낮은 재질은 내마모재이며, 상기 융점이 높은 재질은 인성재임을 특징으로 하는 이중복합체의 제조방법
4. 제 1항에 있어서, 상기 주형외부의 가열은 상기 주조체와 용탕의 온도차이가 500℃이내가 되도록 함을 특징으로 하는 내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법.
5. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 주형의 외부로부터 가열은 유도가열방식을 채택함을 특징으로 하는 내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 유도가열은 6분이내로 함을 특징으로 하는 내마모성과 인성이 우수한 이중복합주조체의 제조방법.