KR20020084344A - 스텐레스강 표면복합재료 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스텐레스강을 모재로 준비하는 단계; 강화입자 및 용제 분말의 혼합체를 조성하는 단계; 상기 혼합체를 상기 스텐레스강의 상부에 도포하는 단계; 상기 혼합체가 도포된 스텐레스강의 상부에 가속 전자빔을 투사하는 단계;를 포함하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 재료가 가열되는 시간이 짧아서 재료 표면이 산화되지 않으므로, 대기 중에서의 제조가 용이하고, 생산원가를 절감하고 생산효율을 증진시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 경도가 높은 TiC 분말이 표면복합층에 형성됨으로써 경도가 높고 내마모성이 향상된 표면복합재료를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 용제 분말의 혼합에 의해서 기공과 균열이 거의 발생되지 않는 균일한 표면복합재료를 제조할 수 있다.

Description

스텐레스강 표면복합재료 제조 방법{Method of manufacturing stainless steel composites}

본 발명은 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가속 전자빔을 이용한 TiC/SUS304 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법에 관한 것이다.

SUS304와 같은 오스테나이트계 스텐레스강은 열처리 온도 범위 내에서는 오스테나이트 조직을 그대로 유지하기 때문에 열처리를 통해 표면을 경화할 수 없기 때문에 내마모성을 향상시킬 수 없다는 단점을 지니고 있다. 이 내마모성을 보완, 개선하기 위하여 종래에 윤활제를 사용하거나 표면코팅 방법 등이 사용되고 있으나, 윤활제를 사용하는 것은 고온에서 사용할 수 없고, 표면코팅층은 사용 중 박리가 일어날 수 있어 사용상 제약이 많은 문제점을 가지고 있었다.

또한, 스텐레스강의 표면처리 방법의 일환으로 최근에는 레이저빔을 이용한 표면 합금화 또는 표면복합재료 제조 방법이 시도되고 있으나(J.D. Ayers and T.R. Tucker: Thin Solid Films,73(1980) 201), 열효율이 40% 이하로 낮아서 표면경화층을 형성하는 데 장시간이 소용되며 표면경화층의 두께가 최대 1 mm 미만으로 매우 얇고, 중첩현상이 일어나고, 표면에서 산화현상이 일어나기 때문에 대기 중에서 제조하기 곤란하여 제조 원가가 상승될 뿐 아니라 생산성이 떨어지는 단점이 있었다.

기존의 전자빔을 이용한 표면 합금화 또는 표면복합재료 제조는 비 스텐레스계 철강재료(이 성학, 추 성훈: "TiC계 표면강화 복합재료 및 가속전자빔 투사법을 이용한 그 제조방법", 대한민국 특허 출원번호:10-1999-063597)나 타이타늄 합금(이 성학, 오 준철: "고에너지 전자빔을 사용한 표면합금화층 형성 방법", 대한민국 특허 출원번호:10-1999-006928)을 기지금속으로 사용하였으나 본 발명은 스텐레스계 철강재료를 기지금속으로 한다는 점이 다르다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 문제점이 개선된 표면복합재료를 얻을 수 있는 제조 방법, 즉 박리가 일어나지 않는 균일하고 비교적 두껍고 높은 경도와 우수한 내마모성을 갖는 표면복합층을 구비한 표면복합재료를 대기 중에서 제조하여 생산성을 증진시킬 수 있는 표면복합재료의 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스텐레스강 표면복합재료 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면복합재료의 저배율 광학 사진이다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면복합재료의 고배율 전자현미경 사진이다.

도 4a 및 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면복합재료의 깊이-경도 변화를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>:

10: 모재 20: 표면복합층

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은

스텐레스강을 모재로 준비하는 단계;

강화입자 및 용제(flux) 분말의 혼합체를 조성하는 단계;

상기 혼합체를 상기 스텐레스강의 상부에 도포하는 단계;

상기 혼합체가 도포된 스텐레스강의 상부에 가속 전자빔을 투사하는 단계;를 포함하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법을 제공한다.

전술한 모재가 SUS304 스텐레스강, AISI316 스텐레스강, 또는 이에 준하는 오스테나이트계 스텐레스강인 것이 바람직하다. 그 이유는 전술한 바와 같이 오스테나이트계 스텐레스강의 열처리를 통한 강화효과가 없어 강화입자 첨가로 인한 강화효과를 기대할 수 있기 때문이다.

전술한 강화입자는 TiC 분말, Ti와 C의 혼합분말, 또는 MC 형태의(M = Ti, V, Nb 등) 탄화물 분말인 것이 바람직하다. 그 이유는 C가 오스테나이트계 스텐레스강의 성분원소인 Cr 결합하여 고유의 성질(내부식성)을 감소시키는 것을 방지할수 있기 때문이다.

전술한 용제 분말이 CaF₂또는 불화물계 용제인 것이 바람직하다. 그 이유는 용제로 주로 사용되는 산화물계 용제(CaO, MgO 등)는 Ti와 반응하여 산화물을 형성시킬 수 있지만 불화물계 용제는 Ti와 반응하지 않기 때문이다.

전술한 강화입자 및 용제 분말의 혼합체는 건식 혼합 방식에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다. 그 이유는 제조공정을 단순화할 수 있으며 습식혼합을 할 경우 혼합체내에 수분이 포함되면 표면복합재료 형성시 복합층에 기공이 발생할 수 있기 때문이다.

전술한 강화입자 및 용제 분말의 혼합체는 상기 용제 분말의 혼합 비율이 약 40%인 것이 바람직하다. 그 이유는 용제 분말의 혼합 비율이 작을수록 용융 영역 내에서 강화입자가 다량 생성되어 경화 효과는 커지지만, 기공, 급냉균열, 강화입자의 부분적 용해 및 불균일 혼합 등이 발생될 수 있고, 용제의 혼합 비율이 커지면, 경화 효과가 감소하는 단점이 있기 때문이다.

전술한 가속 전자빔을 투사하는 단계는 1.0∼2.5 MeV의 전자빔 에너지의 범위에서 수행하는 것이 바람직하다. 1.0 MeV이하에서는 전자의 에너지가 너무 작아 공기중에서 산란되기 쉽기 때문에 바람직하지 못하고, 2.5 MeV이상에서는 전자의 에너지가 너무 커서 투입에너지를 조절하기 힘들기 때문에 바람직하지 못하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법을 상세히 설명한다. 본 실시예는 예시적인 것이며, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

도 1은 본 발명에 따른 스텐레스강 표면복합화 방법을 도시한 흐름도이고, 표 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 SUS304 스텐레스강의 화학 조성을 도시한 화학 조성표이다.

먼저 모재로서 표 1에 나타낸 바와 같은 화학 조성을 갖는 SUS304 스텐레스강을 준비한다 (S10).

그 다음, 강화입자인 TiC 분말, Ti와 C의 혼합분말을 각각 CaF₂용제 분말과 혼합하여 분말 혼합체를 조성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 제조 공정을 단순화하기 위하여 분말들을 건식 혼합 방식으로 혼합하는 것이 바람직하다. 또한, TiC 분말, Ti와 C의 혼합분말, 및 용제 분말의 혼합체에서 용제 분말의 혼합 비율은 약 40%로 혼합하는 것이 더 바람직하다. 즉, 제조된 표면복합재료의 물성은 각 분말의 혼합비에 의하여 크게 달라지는 데, 용제 분말의 혼합 비율이 작을수록 용융 영역 내에서 TiC 입자가 다량 생성되어 경화 효과는 커지지만, 기공, 급냉균열, TiC 분말의 부분적 용해 및 불균일 혼합 등이 발생될 수 있고, 용제의 혼합 비율이 커지면, 경화 효과가 감소하는 단점이 있으므로, 용제의 혼합 비율을 전술한 바와 같이 약 40% 내에서 혼합하는 것이 바람직하다 (S20).

이어서, S10 단계에서 준비된 스텐레스강의 상부에 S20 단계에서와 같이 형성된 혼합체를 도포한다 (S30).

S30 단계에서와 같이, 분말의 혼합체를 스텐레스강의 상부에 도포하고 나면, 혼합체의 균일한 밀도를 유지하기 위하여, 가압 수단 (예를 들어, 통상적인 프레스(press)장비)을 이용해서 도포된 혼합체에 압력을 가한다 (S40).

S40 단계에서와 같이, 분말의 혼합체를 스텐레스강의 표면에 압착하고 나면, TiC 분말, Ti와 C의 혼합분말, 및 용제 분말의 혼합체가 도포된 스텐레스강의 표면에 전자 가속빔을 투사한다. 이때, 에너지 범위 1.0∼2.5 MeV, 빔 전류 15∼40 mA의 고에너지 전자빔을 TiC 분말, Ti와 C의 혼합분말, 및 용제 분말의 혼합체가 도포된 스텐레스강의 표면에 1∼2 cm의 빔 직경으로 1∼3 cm/s의 빔 이동 속도로 투사하는 것이 바람직하다. 즉 TiC/스텐레스 강 표면복합재료를 제조하기 위해서는 7 kW/cm²이상의 투입 에너지 밀도가 요구되는 바, 그와 같은 투입 에너지 밀도는 전자빔 에너지와 빔전류의 곱에 의하여 결정되는 빔전력, 전자빔 이동 속도, 전자빔의 크기 등에 의해서 달라진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 전자빔 에너지, 빔 전류 및 빔 이동 속도를 조절하여 TiC/스텐레스강 표면복합재료를 제조하는 데 요구되는 투입 에너지 밀도, 즉 7 kW/cm²이상의 투입 에너지 밀도를 제공한다. 그와 같은 전자빔을 가속시켜 얻은 고출력 집속 에너지를 TiC 분말, (Ti+C) 분말, 및 용제 분말의 혼합체가 도포된 스텐레스강의 표면에 제공하면, 그 집속된 에너지는 열에너지로 변환되어 강력한 열원으로 이용된다. 따라서, TiC 분말, Ti와 C의 혼합분말과 스텐레스강의 표면 일부가 용융되어 짧은 시간 내에 표면복합층을 형성한다 (S50).

이하, 강화입자로 TiC 분말 및 Ti와 C의 혼합분말을 사용한 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

[실시예 1]

상기 표 1에 나타낸 모재와 강화입자로 TiC를 사용하고 전술한 스텐레스 복합재료 제조 방법을 사용하여 TiC/SUS304 스텐레스강을 제조하였다.

[실시예 2]

상기 표 1에 나타낸 모재와 강화입자로 Ti와 C의 혼합분말을 사용하고 전술한 스텐레스 복합재료 제조 방법을 사용하여 TiC/SUS304 스텐레스강을 제조하였다.

전술한 S10부터 S50 단계에 의하여 제조된 표면복합재료에 대하여 첨부된 도 2 내지 도 4을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면복합재료의 저배율 광학 사진이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면복합재료의 표면복합층의 고배율 주사전자현미경 사진이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면복합재료의 깊이-경도 변화를 도시한 그래프이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 전술한 S10 내지 S50 단계에서 설명한 실시에 따라 제조된 표면복합재료는 균열이 없이 1.5∼2 mm의 두께로 균일하게 형성되는 바, 전자빔의 투사 방향과 평행하게 절단해 보면, 모재(10)와 표면복합층(20)으로 이루어짐을 알 수 있다. 첨부 부호가 생략된 최상부는 사진의 여백이다. 도 2a에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, TiC 분말로 표면복합화된 시편의표면복합층 상부에서는 수백 μm에 달하는 매우 조대한 TiC의 응집된 덩어리와 기공들이 많이 관찰된다(화살표). 이 TiC 덩어리는 많은 둥근 TiC 입자들이 응집되어 있어 소결반응에서와 비슷한 형태를 나타내며, 기지와의 밀도차에 의하여 표면복합층 하부까지 완전히 확산되지 못한 채 표면복합층의 상부에만 분포된다. 도 2b에서 보는 바와 같이 Ti와 C의 혼합분말로 표면복합화된 시편에서는 TiC 덩어리와 기포의 수는 TiC 분말로 표면복합화된 시편보다 크게 감소된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면복합층을 고배율 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 결과, 도 3a에서 보는 바와 같이, TiC 분말로 표면복합화된 시편의 표면복합층은 정육면체(cuboidal) 모양의 초정 TiC(크기: 1∼2 μm)와 방사상으로 연결되어 성장된 초정 수지상(dendrite)들로 이루어져 있으며, 그 사이에 3원계 공정반응에 의해 형성된 가는 침상형태의 TiC입자들도 관찰된다. 도 3b에서 보는 바와 같이, Ti와 C의 혼합분말로 표면복합화된 시편에서도 TiC 분말로 표면복합화된 시편과 거의 유사한 초정 TiC 석출거동을 보이나 TiC 입자 크기가 약간 증가한다.

그리고, 가속 전자빔의 투사 전후의 미세한 경도의 변화를 비커스(Vickers) 미소 경도기로 측정한 결과, 도 4를 참조하면, 복합화 분말의 종류에 따라서 다소 차이가 있으나, 표면 깊이에 대하여 모재가 200 VHN 정도에 비해 표면복합층에서 260∼350 VHN 정도로 그 경도가 증가되었음을 알 수 있다.

하기 표 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 표면복합재료의 긁힘마모에 대한 내마모성을 나타낸 표이다.

상기 표에서 보는 바와 같이 표면복합층의 내마모성이 SUS304 스텐레스강 모재에 비하여 2배 이상 증가되었음을 알 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 재료가 가열되는 시간이 짧아서 재료 표면이 산화되지 않으므로, 대기 중에서의 제조가 용이하고, 생산원가를 절감하고 생산효율을 증진시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 경도가 높은 TiC 분말이 표면복합층에 형성됨으로써 경도가 높고 내마모성이 향상된 표면복합재료를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 용제 분말의 혼합에 의해서 기공과 균열이 거의 발생되지 않는 균일한 표면복합재료를 제조할 수 있다.

Claims (7)

1. 스텐레스강을 모재로 준비하는 단계;

   강화입자 및 용제 분말의 혼합체를 조성하는 단계;

   상기 혼합체를 상기 스텐레스강의 상부에 도포하는 단계;

   상기 혼합체가 도포된 스텐레스강의 상부에 가속 전자빔을 투사하는 단계;를 포함하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 모재가 SUS304 스텐레스강, AISI316 스텐레스강, 또는 이에 준하는 오스테나이트계 스텐레스강인 것을 특징으로 하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 강화입자가 TiC 분말, Ti와 C의 혼합분말, 또는 MC 형태의(M = Ti, V, Nb 등) 탄화물 분말인 것을 특징으로 하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 용제 분말이 CaF₂또는 불화물계 용제인 것을 특징으로 하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 강화입자 및 용제 분말의 혼합체는 건식 혼합 방식에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법.
6. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화입자 및 용제 분말의 혼합체는 상기 용제 분말의 혼합 비율이 약 40%인 것을 특징으로 하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 가속 전자빔을 투사하는 단계는 1.0∼2.5 MeV의 전자빔 에너지의 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 스텐레스강 표면복합재료의 제조 방법.