KR20070095976A - 복합 오버레이 화합물 - Google Patents

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엠. 브래드 비어즐리
마크 에스. 디케버스
샹양 장
디. 트렌트 위버
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캐타필라 인코포레이티드
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Abstract

기판에 복합 오버레이 화합물을 형성하는 방법은 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 성분 물질의 제1 그룹에서 적어도 하나의 성분을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 또한 상기 혼합물은 탄소 및 붕소를 포함하는 성분 물질의 제2 그룹에서 적어도 하나의 성분을 포함하고, 규소, 니켈, 및 망간을 포함하는 성분 물질의 제3 그룹에서 적어도 하나의 성분을 더 포함한다. 그 후 선택된 성분 물질의 혼합물은 기판 물질에 오버레이 화합물을 형성하기 위해 가해진다. 오버레이 화합물은 기판 물질과 오버레이 화합물 사이에서 야금 접합을 형성하여 기판에 융합된다.
복합 오버레이 화합물, 부싱, 야금 접합, 카바이드, 붕소화물

Description

복합 오버레이 화합물 {A COMPOSITE OVERLAY COMPOUND}
본 발명은 복합 오버레이 화합물에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 기판에서의 복합 오버레이 화합물에 관한 것이다.
트랙형 건설 장비를 위한 트랙 링크 조립체는 통상적으로 스프로켓(sprocket)에 의해 구동되는 다수의 트랙 부싱(bushing)과 동반 트랙 링크를 포함한다. 트랙 부싱에 손상을 주는 주요 원인 중 하나가 연마 또는 미끄럼 마모와 같은 마모이다. 마모는 트랙 조립체가 거칠고, 오염된 환경에서 작동할 경우 나타난다. 예를 들어, 작동하는 동안, 부싱은 파편, 토양, 암석, 모래 및 다른 연마 물질에 노출될 수 있다. 이러한 물질은 트랙 부싱과 드라이브 스프로켓 치형부의 맞물리는 표면 사이에 쌓일 수 있고, 트랙 부싱과 스프로켓의 표면에 직접적인 연삭, 마모, 피팅(pitting), 스크래칭, 및/또는 균열을 가할 수 있다. 스프로켓이 트랙을 지속적으로 구동시킴으로써, 마모로 인해 부싱 및 스프로켓 프로파일의 외경이 줄어들 수 있고, 트랙 링크 시스템의 수명이 제한될 수 있다.
통상적인 트랙 부싱은, 마모는 줄이고 사용 수명은 연장하기 위해 경화된 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 통상적인 트랙 부싱은 부싱 물질을 침탄함으로써 경화될 수 있다. 그러나, 이러한 물질 및 방법만으로는 여전히 비교적 짧은 사 용 수명을 가져올 수 있다.
트랙 부싱의 수명을 연장하기 위한 한가지 방법은 트랙 부싱의 외부에 피복을 결합하는 단계를 포함하는 것이다. 우드리치(Wodrich) 등에게 허여된 미국 특허 공개 번호 제US2003/0168912호에 이러한 방법의 일례가 기재되어 있다. 특허 공개 번호 제US2003/0168912호는 야금 접합된 피복이 주연에 배치된 트랙 핀 부싱을 개시한다. 피복은 함유물이 없거나 거의 없는 융합된 합금으로 형성된다. 합금은 폴리비닐알코올의 슬러리 및 미세 분쇄 파우더를 생성함으로 1차로 형성된다. 그 후 슬러리는 부싱에 도포되고 건조되고 융합되어 피복을 형성한다. 그러나, 특허 공개 번호 제US2003/0168912호에 설명된 피복은 다른 방법을 사용해서 얻어지는 부싱에 대해서는 소정 수준의 내마모성을 제공할 수 없다. 따라서, 허용가능한 내마모성을 제공하는 트랙 부싱과 같은 무단 트랙의 부분품의 마모 표면이 무단 트랙과 관련된 장기 유지 비용을 줄이기 위해 요구된다.
본 명세서에 기재된 물질과 공정은 종전 기술의 단점을 하나 이상 극복하기 위해 구성된다.
일 실시 태양에서, 기판에 복합 오버레이 화합물을 형성하는 방법이 개시된다. 이 방법은 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 성분 물질의 제1 그룹에서 적어도 하나의 성분을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 상기 혼합물은 탄소 및 붕소를 포함하는 성분 물질의 제2그룹에서 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있고, 규소, 니켈 및 망간을 포함하는 성분 물질의 제3 그룹에서 적어도 하나의 성분을 더 포함할 수 있다. 그 후 선택된 성분 물질의 혼합물은 기판 물질에 오버레이 화합물을 형성하기 위해 가해질 수 있다. 오버레이 화합물은 기판 물질과 오버레이 화합물 사이에서 야금 접합을 형성하도록 기판에 융합될 수 있다.
다른 실시 태양에는, 복합 오버레이 화합물 및 기판이 개시된다. 상기 물질은 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 성분 물질의 제1 그룹에서 적어도 하나의 성분을 포함하는 매트릭스를 포함할 수 있다. 또한 상기 매트릭스는 규소, 니켈, 및 망간을 포함하는 성분 물질의 제2 그룹에서 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있다. 경질 입자가 상기 매트릭스에 제공될 수 있고, 상기 경질 입자가 카바이드 및 붕소화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 상기 물질은 야금 접합으로 기판 물질에 융합된 매트릭스와 함께 기판 물질을 포함할 수 있다.
도1은 예시적인 작업 기계의 회화도이다,
도2는 도1의 작업 기계의 예시적인 트랙 조립체의 회화도이다.
도3은 도2의 트랙 조립체의 예시적인 카트리지 조립체의 단면도이다.
도4는 작업 기계를 위한 다른 예시적인 트랙 조립체의 회화도이다.
도5는 도4의 트랙 조립체의 예시적인 서브조립체의 단면도이다.
도6은 본 발명의 예시적인 실시예와 일치하는 대표적인 미세구조를 도시한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도7은 본 발명의 예시적인 실시예와 일치하는 다른 대표적인 미세구조를 도시한 주사 전자 현미경 사진이다.
도8은 본 발명의 예시적인 실시예와 일치하는 다른 대표적인 미세구조를 도시한 주사 전자 현미경 사진이다.
이하, 첨부 도면에 도시된 예시적인 실시예를 상세하게 설명한다. 가능한 한, 동일하거나 유사한 부분을 언급하기 위해 도면 전체에 걸쳐서 동일한 도면 부호가 사용될 것이다.
도1을 참조하면, 프레임(102)과, 엔진 조립체(104)와, 기관사실 조립체(106) 및 차대 조립체(108)를 포함하는 작업 기계(100)가 도시된다. 엔진 조립체(104) 및 기관사실 조립체(106)는 프레임(102) 위에 장착되고, 차대 조립체(108)는 프레임(102)에 기계적으로 결합된다.
차대 조립체(108)는 드라이브 스프로켓(110), 한 쌍의 아이들러 휠(112, 114), 다수의 롤러 조립체(116), 및 트랙 체인 조립체(118)를 포함한다. 사용하는 동안, 드라이브 스프로켓(110)이 회전하여 트랙 체인 조립체(118)에 맞물리고, 그로 인해 트랙 체인 조립체(118)가 드라이브 스프로켓(110)과 아이들러 휠(112, 114)에 의해 형성된 경로 주위를 회전하게 된다. 트랙 체인 조립체(118)의 회전은 작업 기계(100)가 지면 위에서 구동하여 다양한 작업 기능을 수행할 수 있게 한다.
도2에 더 명확하게 도시된 바와 같이, 트랙 체인 조립체(118)는 다수의 서브 조립체(120)를 포함한다. 각각의 서브조립체(120)는 외측 링크(124)에 의해 폐쇄 루프를 형성하는 방법으로 인접 서브 조립체(120)에 기계적으로 결합된다. 각각의 서브조립체(120)는 카트리지 조립체(128)와 내측 링크(132)를 포함한다.
도3에 도시된 바와 같이, 카트리지 조립체(128)는 부싱(136), 트랙 핀(138), 인서트(140), 및 칼라(142)를 포함한다. 부싱(136)은 드라이브 스프로켓(110)에 의해서 접촉하고 구동되도록 트랙 체인 조립체(118)에 구성된다. 따라서, 부싱(136)은 드라이브 스프로켓(110)에 의해 가해질 수 있는 고압력과 힘에 저항할 수 있게 구성되고, 그 결과 트랙 체인 조립체(118)가 조작자에 의해 원하는 대로 구동될 수 있다.
부싱(136)은 트랙 핀(138)과 대체로 동심으로 배치될 수 있고 외표면(144), 내표면(146), 및 제1 및 제2 단부(148, 150)를 포함할 수 있다. 부싱(136)은 외표면(144)의 적어도 한 부분을 형성하는 복합 오버레이 화합물 및 기판 물질을 포함하는 내마모성 물질로 형성될 수 있다.
도4 및 도5는 대체 트랙 링크 조립체(118)를 도시한다. 도5는 도4의 선 5-5를 따라 취한 단면도이다. 도2 및 도3에 도시된 예시적인 트랙 링크 조립체(118)와 마찬가지로 도4 및 도5의 트랙 링크 조립체(118)는 트랙 링크(402)에 의해 인접 부싱(136) 및 핀(138)에 연결된 부싱(136) 및 트랙 핀(138)을 포함한다. 이 실시예에서, 트랙 링크(402)는 제1 외단부(404) 및 제2 내단부(406)를 갖는 오프셋 형태의 트랙 링크이다. 도5를 참조하면, 제2 내단부(406)는 부싱(136)에 연결되어 있고 제1 외단부(404)는 트랙 핀(138)에 연결되어 있다. 전술한 바와 같이, 부싱(136)은 외표면(144)과, 내표면(146)과, 제1 및 제2 단부(148, 150)를 포함할 수 있다. 부싱(136)은 외표면(144)의 적어도 한 부분을 형성하는 복합 오버레이 화합물 및 기판 물질을 포함하는 내마모성 물질로 형성될 수 있다.
복합 오버레이 화합물은 철계의 비교적 연성 매트릭스에 분산된 경질 입자로 형성될 수 있어서, 이에 따라 비교적 큰 내마모성과 적어도 완만한 내충격성을 제공한다. 일 실시예에서, 입자는 매트릭스에 대체로 균일하게 분산된다. 또한, 복합 오버레이 화합물은 야금 접합으로 기판 물질에 융합될 수 있어서 기판으로부터 용이하게 떨어져 나가거나 파쇄되지 않는다. 일 실시예에서, 복합 오버레이 화합물의 두께는 약 0.5mm 보다 클 수 있고, 일 실시예에서, 두께는 약 0.5mm 내지 4mm 사이여서 두꺼운 내마모성 표면을 제공할 수 있다. 오버레이 화합물은 언급된 두께보다 크거나 작은 두께를 가질 수 있음을 알 수 있다.
기판 및 복합 오버레이 화합물과 함께 전술한 내마모성 물질의 예시적인 제조 방법이 제공된다. 예를 들어, 내마모성 물질은 직접 합성 방법, 경질 입자 첨가 방법, 경납땜 방법, 또는 임의의 다른 적당한 방법 또는 공정을 통해 형성될 수 있다.
직접 합성 방법은 반응과 침전에 의한 직접 합성을 사용하여 내마모성 물질의 복합 오버레이 화합물을 형성한다. 이 방법은 경질 입자 및 매트릭스를 제위치에서 합성하는 단계를 포함한다. 여기에 사용된 바와 같이, 합성 단계는 소정의 요소를 사용해서 화합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 의미하고, 침전 단계는 화합물에서 입자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 의미한다. 직접 합성 방법은 선택된 제1 물질과, 제2 물질과, 제3 물질 등의 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 물질은 합성과 침전을 통해 소정의 형태와 양의 카바이드 및 붕소화물의 형성이 가능한 화학적 성질을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 또한, 이러한 물질은 소정의 화학적 성질과 구조를 갖는 매트릭스를 형성하기 위해 선택될 수 있다. 물질 성분은 개별로 선택되거나, 대안적으로, 복합 오버레이 화합물을 형성하는데 사용될 수 있는 스틸 파우더 형태와 같이 미리 혼합된 형태로 제공될 수 있음을 알 수 있다.
몇몇의 실시예에서, 카바이드 및/또는 붕소화물이 복합 물질의 요소로부터 합성될 수 있다. 카바이드 및/또는 붕소화물의 합성에 사용될 수 있는 요소의 몇가지 예로 티타늄, 크롬, 바나듐이 있다. 그러나, 다른 재료도 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 복합 오버레이 화합물은 적어도 세 개의 그룹의 물질 각각에서 취한 적어도 하나의 성분으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 복합 물질은 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 제1 그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 탄소와 붕소를 포함하는 제2 그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 규소, 니켈 및 망간을 포함하는 제3 그룹에서의 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있다. 또한, 철이 포함될 수 있으며, 일 실시예에서, 철은 조성 물질의 잔부의 상당한 양을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 복합 오버레이 화합물은 티타늄, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합의 그룹에서 선택된 5 내지 50 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함한다. 또한 복합 물질은 탄소, 붕소, 및 이들의 조합의 그룹에서 선택된 3 내지 10 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함하고, 또한 규소, 니켈, 망간 및 이들의 조합의 그룹에서 선택된 최고 20 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함한다. 또한, 복합 물질은 바나듐, 니오브, 텅스텐, 및 이들의 조합의 그룹에서 선택된 최대 10 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 물질, 제2 물질, 및 제3 물질은 기판 물질에 상기 물질을 적용하기 전, 적용하는 동안, 또는 적용한 후에 용융될 수 있는 혼합물을 형성하기 위해 균질하게 혼합될 수 있다. 하나 이상의 카바이드 및/또는 붕소화물은 용융으로 합성되고 침전되어서 스틸 매트릭스를 형성할 수 있다. 이러한 종류의 복합 오버레이 화합물은 예를 들어, 특히, 플라즈마 전이 아크(PTA) 공정과 핵심 와이어 용접 공정에 의해 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 물질 형태는 특히, 스틸-TiC, 스틸/또는 니켈 합금-FeMoB, 스틸-TiB, 스틸-CrFeC를 포함할 수 있다.
이하에서는 직접 합성 방법을 사용하여 복합 오버레이 화합물을 형성하는 여러 실시예가 설명된다.
예시1
일 실시예에서, 복합 오버레이 화합물은 티타늄: 12 중량%, 탄소: 4 중량%, 크롬: 7.3중량%, 니켈: 1 중량%, 몰리브덴: 1.2 중량%, 규소: 1 중량%, 및 망간: 1.2 중량%와 잔부가 철인 조성을 갖는 혼합물을 형성하기 위해 다른 합금 파우더와 혼합될 수 있는 공정 페로티타늄 파우더(Fe-70Ti)와 같은 티타늄 함유 파우더를 포함할 수 있다. 탄소는 주철 파우더 및/또는 고탄소 크롬 파우더와 같은 임의의 탄소 함유 파우더를 사용하여 시스템에 삽입될 수 있다. 탄소는 니켈-흑연 파우더, 흑연/탄소 블랙 파우더, 고 탄소 페로크롬 등과 같은 다른 탄소 함유 파우더를 사 용해서 삽입될 수 있다. 페로티타늄 및 탄소 함유 혼합물은 플라즈마 전이 아크 토치에 공급되고, 카바이드 성분을 합성시키고 침전시키기 위해 용융되고, 복합 오버레이 화합물로서 스틸 기판 물질에 가해질 수 있다. 일 실시예에서, 도2와 도3에 도시된 바와 같이, 스틸 기판 물질은 트랙 체인 조립체(118)를 위한 부싱(136)이다. 복합 오버레이 화합물은 드라이브 스프로켓(110)을 직접 접촉하도록 구성된 영역에서 부싱(136)의 외표면(144)에 형성될 수 있다.
합성된 오버레이 혼합물은 망간, 몰리브덴, 크롬, 및/또는 규소 함유 스틸 매트릭스에 분산된 미세 티타늄 카바이드(예를 들어, 1um 내지 10um)를 함유할 수 있고, 야금 접합을 형성하도록 기판 물질에 융합될 수 있다. 출발 혼합물에서 티타늄 함유량은 8 내지 40 중량% 사이일 수 있고, 탄소 함유 파우더의 출발 함유량은 60 내지 92 중량% 사이일 수 있다.
장치대 시험(부싱/스프로켓 시험)에서, 복합 오버레이 화합물을 갖춘 내마모성 물질은 통상적인 침탄된 부분에 대한 내마모성에 대해 4 내지 5배의 개선을 보였고, 스프로켓 마모 속도 또한 감소되었다. 이 예시에서, 물질의 중량% 범위는 예를 들어, 티타늄: 8 내지 40 중량%, 탄소: 1 내지 10%, 크롬: 최대 40%, 니켈: 최대 15%, 망간: 최대 10%, 몰리브덴: 최대 8%, 및 규소: 최대 4%일 수 있다. 추가로, 복합 오버레이 화합물은 특히, 바나듐, 니오브, 텅스텐, 또는 이러한 요소의 조합을 최대 10 중량% 함유할 수 있다.
이 예시에서는, 합성 후에, 복합 오버레이 화합물은 용접된 상태로 HRC 40 내지 56의 범위의 경도를 가질 수 있다. 그러나 열처리(담금질 및 뜨임)를 통해서 도 경도가 증가될 수 있다. 예를 들어, 경도는 HRC 55 내지 59의 범위 내에서 증가될 수 있다.
예를 들어, 도6은 전술된 오버레이 화합물의 실시예와 일치하는 대표적인 미세구조를 도시한 주사 전자 현미경 사진이다. 도6은 TiC 입자(600) 및 스틸 매트릭스(602)를 포함한다. 도시된 바와 같이, TiC-스틸 혼합물은 복합 오버레이 화합물을 형성하도록 혼합물 용융 공정 동안 TiC가 합성된 대체로 균일하게 분포된 미세구조로 제공된다.
예시2
제2 실시예에서, 복합 오버레이 화합물을 위한 전구 물질로 페로티타늄 파우더를 포함할 수 있다. 페로티타늄 파우더는 다른 성분 물질 파우더와 함께 혼합되고 카바이드 파우더에 합성되기 전에 침탄될 수 있다. 이것은 예를 들어, 페로티타늄 파우더를 흑연 또는 탄소 블랙과 같은 탄소 함유 파우더와 혼합함으로써, 또한 예를 들어, 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 제1 그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 탄소 및 붕소를 포함하는 제2그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 규소, 니켈, 및 망간을 포함하는 제3 그룹에서의 적어도 하나의 성분과의 혼합에 의해 이루어질 수 있다. 그 후 혼합된 파우더는 긴 시간 동안 800℃ 내지 1300℃ 사이의 온도로 가열 될 수 있다.
다른 예에서, 페로티타늄 파우더는 당업자에게 공지된 흡열 침탄 가스와 같은 기상 탄소 소스와의 혼합에 의해 침탄될 수 있다. 침탄 공정은 티타늄이 원하는대로 부분적으로 또는 전체적으로 침탄되는 방식으로 제어될 수 있다. 일 실시 예에서, 침탄 공정은 탄소 함유 물질의 양 또는 물질에서의 전체 탄소 함유량에 의해 제어될 수 있다. 침탄 후에, 침탄된 페로티타늄 파우더는 예를 들어, 각각의 제1 성분 그룹, 제2 성분 그룹, 및 제3 성분 그룹에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 다른 성분과 혼합되기 전의 주철 파우더와 같은 탄소 함유 파우더와 혼합될 수 있다. 다른 실시예에서, 침탄된 페로티타늄 파우더는 특히 탄소 함유 FeMn, FeSi, FeMo, HC, FeCr, 및 Ni과 혼합된다. 혼합을 완료하면, 혼합물은 부싱(136)과 같은 스틸 기판 물질에 가해질 수 있다. 플라즈마 전이 아크 공정 방법 또는 다른 형태의 용접 공정이 카바이드 및 붕소화물 중 적어도 하나를 합성시키고 침전시키기 위해 혼합물을 용융할 수 있다.
또한 다른 예에서, 페로티타늄 파우더 및 탄소 함유 파우더는 침탄 전에 혼합될 수 있다. 혼합된 후에, 혼합물은 플라즈마 전이 아크 공정 방법 동안 침탄되고 부분적으로 합금된 파우더 본체를 산출하기 위해 침탄 공정을 거칠 수 있다. 일 실시예에서, 최종 파우더에서의 티타늄 함유량은 8 내지 50 중량%일 수 있다. 비록 이 예시가 페로티타늄 파우더를 참조하여 설명되었지만, 유사 공정이 각각의 붕소화물 물질을 형성하기 위해 파우더를 붕소화하는데 사용될 수 있다. 이것은 전술된 바와 같이 선택된 성분 파우더를 혼합하기 전이나 후에 수행될 수 있다.
예시3
제3 실시예에서, 복합 오버레이 화합물은 전술된, 즉 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 제1 그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 탄소 및 붕소를 포함하는 제2그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 규소, 니켈, 및 망 간을 포함하는 제3 그룹에서의 적어도 하나의 성분의 물질로 형성된다. 일 실시예에서, 페로붕소 또는 니켈 붕소와 같은 붕소 함유 파우더는 페로몰리 또는 몰리브덴과 같은 몰리브덴 함유 파우더, 또는 대안적으로 티타늄 함유 파우더, 크롬, 니켈, 철, 규소, 또는 규소 함유 파우더 및 탄소 함유 파우더 중 어떤 것과도 혼합될 수 있다. 일례로, 오버레이 화합물을 형성하기 위한 파우더 혼합물은 몰리브덴: 24.5 중량%, 크롬: 18 중량%, 니켈: 2 중량%, 붕소: 5.4 중량%, 및 탄소: 0.2 중량%를 포함할 수 있고, 잔부는 대부분 철이다. 그 후 혼합물은 플라즈마 전이 아크 토치에 공급되고, 붕소화물 성분을 합성 및 침전시키기 위해 용융되고, 부싱(136)과 같은 스틸 기판 물질의 외부에 가해져서 복합 오버레이 화합물을 형성할 수 있다. 이 실시예에서, 복합 오버레이 화합물의 경질 입자는 철, 몰리브덴, 및/또는 크롬의 복합 붕소화물이다. 경질 입자에 대한 매트릭스는 붕소 함유 스틸 또는 니켈계 합금일 수 있다.
이 실시예에서 붕소 함유량은 2 내지 10 중량% 사이이고, 몰리브덴 함유량은 50 중량% 정도로 높을 수 있고, 크롬 함유량은 55 중량% 정도로 높을 수 있고, 티타늄 함유량은 50 중량% 정도로 높을 수 있다. 장치대 시험에서, 이러한 종류의 내마모성 물질을 갖는 트랙 부싱(136)은 침탄 부싱에 대해 5 내지 6배의 개선을 보였고, 또한, 부싱(136)과 스프로켓(110) 사이에서 마찰을 줄임으로 스프로켓 마모가 50%까지 감소되었다.
이 실시예에서, 복합 오버레이 화합물을 형성하기 위한 혼합물은 티타늄: 0 내지 40 중량%, 크롬: 0 내지 50%, 몰리브덴: 0 내지 50 중량%, 니켈: 0 내지 30 중량%, 규소: 0 내지 5 중량%, 붕소: 1 내지 8 중량%, 및 탄소: 0 내지 4 중량%의 범위의 물질을 포함할 수 있고, 잔부는 대부분 철이다. 또한, 예를 들어, 혼합물은 특히, 바나듐, 니오브, 텅스텐, 및 이들의 혼합물을 최대 10 중량%의 범위의 양으로 포함할 수 있다.
예를 들어, 도7은 예시3에서 전술한 복합 오버레이 화합물의 예시적인 실시예와 일치하는 대표적익 미세구조를 도시한 주사 전자 현미경 사진이다. 도7에 도시된 바와 같이, FeMoBCrNi 매트릭스(700)는 붕소 입자(702)를 둘러싼다. 다른 일 실시예에서, 매트릭스와 경질 입자의 오버레이 화합물을 형성하기 위한 혼합물은 티타늄: 0 내지 40 중량%, 크롬: 0 내지 50 중량%, 몰리브덴: 0 내지 50 중량%, 니켈: 0 내지 10 중량%, 규소: 0 내지 10 중량%, 망간: 0 내지 8 중량%, 탄소: 0 내지 10 중량%, 및 붕소: 0 내지 10 중량%의 범위의 물질을 포함할 수 있고, 잔부는 대부분 철이다.
다른 예를 들어, 전술된 모든 예시에서 사용된 복합 오버레이 화합물은 오스테나이트식(austenitic), 페라이트식(ferritic), 또는 마르텐사이트식(martensitic)의 스틸 매트릭스의 형성 방법으로 형성될 수 있다. 따라서, 형식은 용도에 맞춰질 수 있다. 또한, 형식은 소정의 부식 보호를 제공하도록 매트릭스에 고 크롬 함유량을 제공하기 위해 맞춰질 수 있다. 또한, 내마모성 물질을 형성하기 위해 기판에 복합 오버레이 화합물을 가한 후에, 내마모성 물질은 경도 및 내마모성 수준을 더 증가시키기 위해 기계 가공되고 열 처리 될 수 있다.
비록 전술한 예시는 스틸 기판 물질에 복합 오버레이 화합물을 가하고 합성 하는데 플라즈마 전이 아크나 다른 용접 공정의 형태를 사용하는 것으로 기술되었지만, 복합 오버레이 화합물은 기판에 복합 오버레이 화합물을 형성하기 위해 플라즈마 분무, 프레임(flame) 분무, 또는 HVOF 공정과 같은 열 분무 공정을 사용하여 대신 가해질 수 있다. 그 후, 고 에너지 아크 램프, 레이저, 유도, 또는 프레임, 또는 노까지도 야금 접합을 사용하여 복합 오버레이 화합물을 기판 물질에 융합하기 위한 열을 가하는데 사용될 수 있다. 융합 공정은 혼합물을 가하는 동안 카바이드 또는 붕소화물을 침전시킬 수 있다. 일 실시예에서, 레이저 보조 열 분무 또는 레이저 크래딩은 단일 단계 공정에서 농후한 복합 오버레이 화합물을 형성하기 위해 사용될 수 있다.
상기에 전술된 바와 같이, 복합 물질은 직접 합성 방법과 다른 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 복합 오버레이 화합물은 경질 입자 첨가 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 경질 입자 첨가 방법은 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 성분 물질의 제1 그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 카바이드 및 붕소화물을 포함하는 성분 물질의 제2그룹에서의 적어도 하나의 성분과, 규소, 니켈, 및 망간을 포함하는 성분 물질의 제3 그룹에서의 적어도 하나의 성분을 가진 혼합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 잔부는 대부분 철일 수 있다.
일 실시예에서, 예를 들어, 혼합물은 예시1에서 전술한 혼합물에 첨가된 경질 입자일 수 있다. 예를 들어, 경질 입자는 티타늄: 12 중량%, 탄소: 4 중량%, 크롬: 7.3중량%, 니켈: 1 중량%, 몰리브덴: 1.2 중량%, 규소: 1 중량%, 및 망간: 1.2 중량%와, 잔부가 대부분 철인 오버레이 화합물에 첨가될 수 있다. 일 실시예에서, 전술한 요소 중 적어도 몇 개는 카바이드 및 붕소화물의 경질 입자와 혼합될 수 있는 스틸 파우더에 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 스틸 파우더는 예를 들어, 스테인리스 스틸, 공구 스틸, 탄소 스틸, 니켈 계 합금, 또는 예시1 내지 3에 전술된 파우더 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 카바이드 및 붕소화물은 특히, 티타늄 카바이드, 티타늄 붕소화물, 텅스텐 카바이드, 바나듐 카바이드, 및 탄탈 카바이드 파우더 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 카바이드 또는 붕소화물의 경질 입자는 5 내지 50% 범위의 체적 부분을 갖는 혼합물에 첨가된다. 따라서, 합성한 후에, 합성 복합 오버레이는 혼합물에 첨가된 경질 입자를 포함할 수 있고, 임의의 실시예에서, 또한 공정 동안 합성되고 침전된 경질 입자를 포함할 수 있다.
예시4
복합 오버레이 화합물을 형성하기 위한 경질 입자 첨가의 일 실시예는 예시1에 설명된 혼합물에 최대 40%의 굵은 TiC 입자의 체적 부분을 파우더 혼합물로 첨가하는 것을 포함한다. 적용 공정 동안, 두가지 모드의 TiC 입자 크기 분포가 첨가된 입자와 침전된 입자 모두를 포함하는 입자를 갖는 스틸 매트릭스에서 형성될 수 있다. 대안적으로, TiC 입자는 니켈계 물질과 같이 상업적으로 이용 가능한 물질과 혼합될 수 있다. 한가지 적당한 상업적으로 이용가능한 물질은 "Deloro 60(Deloro Stellite material)"이다.
그 후 준비된 파우더가 플라즈마 전이 아크 공정과 같은 적용 공정을 통해서 임의의 적합한 정도로, 복합 오버레이 화합물로서 부싱(136)의 스틸 기판과 같은 기판 물질에 혼합되고, 용융되고, 가해질 수 있다. 예를 들어, 적용 공정은 레이저 보조 열 분무, 레이저 크래딩, 플라즈마를 사용한 열 분무 공정, 프레임 분무, 또는 HVOF 공정을 포함한 모든 다른 적용 공정일 수 있으며, 그로 인해 야금 접합을 사용해 복합 오버레이 물질을 기판에 융합할 수 있다. 이 실시예에서, 첨가된 경질 입자는 5μm 내지 200μm 또는 그보다 큰 범위 내에서 직경을 가질 수 있다. 또한 카바이드 또는 붕소화물을 합성하고 침전시키기 위해 제공되는 혼합물에 경질 입자가 삽입될 때, 두 가지 모드의 입자 크기 분포는 증가된 내마모성을 제공할 수 있다. 장치대 시험에서, 그러나 복합 오버레이를 갖는 부싱은 통상적인 침탄 부싱에 대한 트랙 부싱 내마모성에 대해 4 배의 개선을 보였다.
예를 들어, 도8은 예시4에서 설명된 예시적인 실시예와 일치하는 오버레이 화합물의 대표적인 미세구조를 도시한 주사 전자 현미경 사진이다. 도8의 사진은 70 중량% Deloro 60의 매트릭스(800) 및 30 중량% TiC의 입자(802)를 포함한다. 도시된 바와 같이, TiC는 Deloro 60의 매트릭스에서 적어도 대체로 균일하게 분포된다.
전술한 바와 같이, 복합 물질은 직접 합성 방법 및 경질 입자 첨가 방법과 다른 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 복합 물질의 오버레이 화합물은 경납땜 공정 또는 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 경납땜 공정은 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 제1 그룹, 탄소 및 붕소를 포함하는 제2 그룹, 규소, 니켈, 및 망간을 포함하는 제3 그룹 으로 된 성분 물질의 세 개의 그룹 각각에서 적어도 하나의 성분을 가지는 경납땜 화합물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 이 실시예에서, 복합 물질은 기판 물질과 강한 결합을 하는 비교적 단단한 매트릭스에서 분산된 경질 입자의 큰 체적 부분을 포함하는 오버레이 화합물을 포함할 수 있다. 경질 입자는 특히, 텅스텐 카바이드, 티타늄 카바이드, 고 탄소 크롬을 포함하는 다양한 크롬 카바이드, 페로크롬 카바이드(고 탄소 페로크롬), 티타늄 붕소화물, 바나듐 카바이드, 및 니오브 카바이드를 포함할 수 있다. 매트릭스는 예를 들어, Ni-Cr-B-Si나 Fe-Cr-B-Si와 같은 단단한 경질의 저용융점 합금으로 형성될 수 있다. 또한 이러한 예시적인 합금은 자가 유동 합금(self-fluxing alloy)으로 공지된다.
기판 물질에 복합 오버레이 화합물을 가하기 위한 경납땜 방법의 하나가 미리 제조된 직물의 사용을 포함하는 반면, 다른 경납땜 방법은 고 에너지 비임 보조 오버레이를 포함한다. 또한 다른 경납땜 방법이 사용될 수도 있다. 미리 제조된 직물을 사용하는 경납땜 방법이 먼저 설명된다.
경질 입자 및 매트릭스 요소를 함유한 미리 제조된 직물의 층은 적층체를 형성하기 위해 기판 물질에 가해질 수 있다. 일 실시예에서, 경질 입자와 폴리테트라플루오르에틸렌을 함유하는 미리 제조된 직물의 층 및 매트릭스 물질과 폴리테트라플루오르에틸렌을 함유하는 미리 제조된 직물의 층은 기판으로 작용하는 부싱(136)에 가해진다. 매트릭스 물질은 혼합될 수 있고, 또는 대안적으로, 복합 오버레이 화합물의 매트릭스 물질을 형성하기 위해 용융되는 다른 요소를 포함할 수 있다. 기판은 매트릭스 합금의 고상선 온도보다 높은 온도로 가열되어서, 매트릭 스를 용융시킨다. 용융된 매트릭스는 매트릭스 내에 경질 입자를 서로 결합시키고, 그로 인해 오버레이 화합물을 형성시키고, 또한, 야금 접합으로 오버레이 화합물과 기판을 융합시킨다. 일 실시예에서, 경질 입자 및 자가 유동 합금 입자를 함유한 페인트가 기판 표면에 가해질 수 있고 복합 오버레이 화합물을 형성하기 위해 가열될 수 있다.
각각의 실시예에서, 경납땜은 예를 들어, 특히 진공 노나 보호 대기 노, 유도 가열, 및 레이저 또는 아크 램프 가열로 물질을 가열하는 단계를 포함하는 다수의 표준 방법을 사용해서 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 경납땜 공정을 통해서 형성된 복합 오버레이 화합물은 비교적 부드러운 매트릭스에서 균일하게 분산된 경질 입자의 미세구조를 갖고, 기판 물질에 야금 접합으로 융합된다. 복합 오버레이 화합물의 두께는 어떠한 두께도 될 수 있으나, 일 실시예에서의 두께는 0.025mm 내지 4mm 사이이다.
미리 제조된 직물 방법 외에도, 경납땜 공정은 고 에너지 비임 보조 오버레이 공정을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고 에너지 비임 보조 오버레이 공정은 특히, 열 분무와 아크 램프 공정, 레이저 보조 열 분무 공정, 및 레이저 크래딩을 포함할 수 있다.
예시5
본 발명의 일 실시예에서, M4 공구 스틸 파우더는 다양한 비율의 페로몰리브덴 파우더, 페로붕소 파우더, 및 크롬 파우더와 혼합되어 있다. 일 실시예에서, 각각의 비율은 40 중량%, 28 중량%, 및 32 중량%일 수 있다. 혼합물은 약 1mm의 두께를 가진 오버레이 화합물을 형성하도록 기판 스틸 부싱에 열적으로 분무된다. 그 후 고 강도 아크 램프가 오버레이 화합물의 밀도를 높이고 야금 접합으로 기판에 복합 오버레이 화합물을 융합하기 위해 사용된다. 공정 동안 몰리브덴 철 복합 붕소화물이 합성되고 침전된다. 경납땜 공정이 부싱(136)에 사용될 때, 부싱은 연구실 장치대 시험의 침탄된 부싱에 대한 내마모성에 대해 6배의 개선을 보였다,
경납땜 후에, 복합 물질의 후 크래딩 열 처리(마르템퍼링(martempering), 직접 경화(direct hardening), 또는 유도 경화(induction hardening)와 같은)는 950℃ 내지 1300℃ 사이의 범위일 수 있는 비교적 고 경납땜 온도로 제련된 기판 물질의 미세구조와 기계적 특성을 복구하는데 선택적으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 기판이 부싱(136)일 때, 부싱(136)의 내표면(146)은 유도 경납땜 공정 동안 물, 기름, 또는 다른 매체에 의해 냉각될 수 있다. 이것은 후 크래딩 열 처리 동안의 모든 요구를 줄일 수 있다. 기판이 트랙 부싱(136)일 때, 오버레이 화합물은 외표면(144) 주연 360도 보다 적은 부분에 가해질 수 있다. 예를 들어, 오버레이 화합물은 부싱(136)의 외표면(144) 주연 약 180도 부분에 가해진다.
여기에 설명된 내마모성 물질 및 공정은 마찰 및 연마 환경에서 증가된 내 마모성을 제공할 수 있고 또한 증가된 내충격성을 제공할 수 있다. 내마모성 물질은 예를 들어, 트랙 롤러, 레일, 스프로켓(110), 링크, 트랙 슈우 그라우저(track shoe grouser), 트랙 슈우 판, 트랙 링크, 부싱(136)의 외표면(144)과 같이 심한 마멸마모 및 부식이 가해지는 연동핀 및 조인트뿐만 아니라 차대 성분을 형성하기 위해서도 사용될 수 있다.
또한, 예를 들어, 내마모성 물질은 특히, 피봇 핀(pivot pin), 라디에이터 보호 핀, E 바아 핀(E-bar pin)과 같은 다양한 연동 핀과 마모 판과 같은 지면 맞물림 공구를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 내마모성 물질은 예를 들어, 버켓 팁(bucket pin)과 블레이드 에지(blade edge)와 같은 작업 공구 팁을 포함한 작업 공구를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 통상적으로, 복합 물질은 어떠한 고부하 및 내충격 용도로도 사용될 수 있고, 증가된 내마모성, 우수한 오버레이 인성, 및/또는 우수한 기판 물질 점착을 제공할 수 있다. 상기 물질의 사용은 이러한 부품의 유효수명을 증가시킬 수 있다.
여기서 설명된 복합 물질로 형성된 부싱(136)은 종전의 무단 트랙 기계에서 사용된 부싱에 비해 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 외표면(144)은 마멸마모 및/또는 부식성 마모에 대해 개선된 저항을 가질 수 있기 때문에 부싱(136)의 유효 수명이 종전 부싱의 수명보다 더 길어질 수 있다. 또한, 복합 오버레이 화합물은 통상적인 응력이 가해지더라도 피팅, 파쇄, 및/또는 박리에 대해 증가된 저항을 보일 수 있다. 부싱(136)의 수명 연장은 부싱(136)을 사용하는 트랙의 수명을 연장시킬 수 있고, 이로 인해 휴지 시간을 줄이고 업무 효율을 증가시킨다.
기술된 실시예에 대한 다양한 변형과 수정이 본 발명의 범위 내에 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 다른 실시예는 여기에 기술된 본 발명의 방법과 설명으로부터 당업자에 의해 명백하게 나타낼 수 있을 것이다. 여기에 나타낸 설명과 실시예는 예시적일 뿐이고, 다음 청구항과 그들의 등가물에 의해 본 발명의 진정한 범위가 나타난다.

Claims (10)

  1. 기판에 복합 오버레이 화합물을 형성하는 방법이며,
    티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 성분 물질의 제1 그룹으로부터 적어도 하나의 성분을 포함하고, 탄소 및 붕소를 포함하는 성분 물질의 제2 그룹으로부터 적어도 하나의 성분을 포함하고, 규소, 니켈, 및 망간을 포함하는 성분 물질의 제3 그룹으로부터 적어도 하나의 성분을 포함하는 혼합물을 형성하는 단계와,
    상기 선택된 성분 물질의 혼합물을 기판 물질에 도포하여 기판 물질 상에 오버레이 화합물을 형성하는 혼합물 도포 단계와,
    상기 기판에 상기 오버레이 화합물을 융합시켜 기판 물질과 오버레이 화합물 사이에 야금 접합을 형성하는 융합 단계를 포함하는 복합 오버레이 화합물의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 카바이드 및 붕소화물 중 적어도 하나를 합성하기 위해 상기 혼합물의 적어도 일부를 용융하는 단계를 포함하는 복합 오버레이 화합물의 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 혼합물의 적어도 일부가 용융하는 동안 카바이드 및 붕소화물 중 적어도 하나를 침전시키는 단계를 포함하는 복합 오버레이 화합물의 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 혼합물 도포 단계는 오버레이 화합물에 카바이드 및 붕소화물 중 적어도 하나를 대체로 균일하게 분포시키는 단계를 포함하는 복합 오버레이 화합물의 형성 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 혼합물 도포 단계 동안 카바이드 및 붕소화물 중 적어도 하나의 침전이 일어나는 복합 오버레이 화합물의 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 혼합물 도포 단계는 상기 기판에 상기 혼합물을 열 분무, 브러싱, 침지, 분무 및 적층하는 단계 중 적어도 하나의 단계에 의해 수행되는 복합 오버레이 화합물의 형성 방법.
  7. 티타늄, 크롬, 텅스텐, 바나듐, 니오브, 및 몰리브덴을 포함하는 성분 물질의 제1 그룹으로부터 적어도 하나의 성분을 포함하고, 또한 규소, 니켈, 및 망간을 포함하는 성분 물질의 제2 그룹으로부터 적어도 하나의 성분을 포함하는 매트릭스와,
    상기 매트릭스에서, 카바이드 및 붕소화물 중 적어도 하나를 포함하는 경질 입자와,
    상기 매트릭스가 야금 접합으로 융합되는 기판 물질을 포함하는 복합 오버레 이 화합물 및 기판.
  8. 제7항에 있어서, 상기 경질 입자는 상기 매트릭스에서 균일하게 분포되는 복합 오버레이 화합물 및 기판.
  9. 제7항에 있어서, 상기 매트릭스와 경질 입자는 티타늄: 0 내지 40 중량%, 크롬: 0 내지 50 중량%, 몰리브덴: 0 내지 50 중량%, 니켈: 0 내지 10 중량%, 규소: 0 내지 10 중량%, 탄소: 0 내지 10 중량%, 망간: 0 내지 8 중량% 및 붕소: 0 내지 10 중량%와 잔부의 대부분이 철인 전체 조성 범위를 포함하는 복합 오버레이 화합물 및 기판.
  10. 제7항에 있어서, 복합 물질은 티타늄, 크롬, 몰리브덴 및 이들의 조합의 그룹으로부터 5 내지 50 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함하고,
    복합 물질은 탄소, 붕소, 및 이들의 조합의 그룹으로부터 3 내지 10 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함하고,
    복합 물질은 망간, 규소, 니켈, 및 이들의 조합의 그룹으로부터 최대 20 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함하고,
    복합 물질은 바나듐, 니오브, 텅스텐, 및 이들의 조합의 그룹으로부터 최대 10 중량%의 적어도 하나의 요소를 포함하는 복합 오버레이 화합물 및 기판.
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