KR20100101066A - 셀프 샤프닝, 자동 신호표시 마모 부품 - Google Patents

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클라스 비즈마
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콤비 웨어 파츠 아베
보스타 엘엠쥐 비.브이.
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Abstract

본 발명은, 적어도 제1 재료 부분(2)과 제2 재료 부분(3)을 포함하는, 개선된 내마모성과 강도를 갖는 셀프 샤프닝 마모 부품(1)에 관한 것이다. 제1 재료 부분(2)은 주조 본체로 구성되고 제2 재료 부분(3)은 제1 재료 부분에 고정된 적어도 하나의 긴 초경합금 막대로 구성된다. 마모 부품은 마모에 의해 부품이 교환되어야 할 때 자동 신호를 생성한다.

Description

셀프 샤프닝, 자동 신호표시 마모 부품 {SELF-SHARPENING, AUTO-SIGNALLING WEARING PART}
본 발명은 개선된 내마모성과 강도를 갖는 마모 부품(wearing part)에 관한 것이며, 마모 부품은 적어도 제1 재료 부분 및 제2 재료 부분을 포함하고, 제1 재료 부분은 주조 합금의 주조 본체(casging body)로 구성되며, 주조 본체는 가공 공구(working tool) 내 홀더부에 분리 가능하게 고정되는 후방 고정부(rear fixing part)를 포함하고, 가공 공구 마모 부품이 교환 가능한 소모성 부품으로 구성되고, 후방 고정부를 통과하는 종축(X)에 대해 소정의 각으로 돌출되는 전방 네크(front neck)를 포함하고, 돌출형 전방 네크는 외측 팁(outer tip)을 갖고 외측 팁은 외측 팁 상에서 최외측에 배치된 적어도 하나의 팁 마모면(tip wearing surface)을 갖고 팁 마모면은 가공면(C; working surface)에 대해 능동적으로 가공하기 위한 부분을 구성하고, 상기 돌출형 네크는 상기 외측 팁의 적어도 하나의 팁 마모면으로부터 마모되기 시작하고, 제2 재료 부분은 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(enlongated hard metal rod)로 구성되고, 적어도 하나의 긴 초경합금 막대는 마모 부품의 종방향 대칭면(A)에서 제1 재료 부분의 돌출형 네크의 실질적으로 축방향 내측으로 고정되고, 적어도 하나의 긴 초경합금 막대는 상기 외측 팁의 보다 큰 팁 마모면의 일부를 구성하는 적어도 하나의 자유 막대 마모면(free rod wearing surface)을 포함하고, 한편 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(들)의 다른 측면은 상기 제1 재료 부분에 의해 에워싸여 적소에 고정된다.
일반적으로 교환 가능한 마모 부품을 포함하는 많은 수의 다양한 상업적 마모 부품 시스템이 존재하며, 교환 가능한 마모 부품은 가공면으로부터 다소 단단한 토양 및 암석 재료를 성기게 하거나 분리하기 위한 경작 기계(soil-working machine)의 공구에 장착된 마모 부품 홀더에 탈착 가능하게 배치되며, 이후 가공된 재료는 적절하게 제거된다. 본 명세서에서 그러한 마모 부품 시스템, 공구, 마모 부품 및 마모 부품 홀더의 일 실시예는 준설기(dredger)의 회전식 커터 헤드, 또는 이하에서 칭해지는 준설기 커터로서 구체적으로 구성되며, 준설기 커터는 또한 마모 톱니(wearing teeth)로 칭해지는 교환 가능한 마모 부품을 포함하는 톱니 시스템을 구비하며, 마모 톱니는 톱니 홀더에 탈착 가능하게 장착된다. 그러한 마모 부품 시스템은 또한, 물론 채굴기(digger)의 부삽(shovel), 암석용 블레이드 또는 드릴 비트 등과 같이, 다른 유형의 경작 기계 공구에서 사용될 수 있다.
특히 준설기 커터의 경우에, 상기 마모 톱니는 구동 축을 통해 회전 가능한 중앙 허브상에 배치된 중앙 회전 본체로부터 복수 개 돌출한 다소 곡선형의 암 또는 나선형의 긴 커터 헤드 블레이드를 따라 임의의 떨어진 거리를 두고 배치된다. 커터 헤드 블레이드는 회전 본체의 전방 단부에서 허브로부터 그리고 회전 본체의 후방 단부로 공구의 공급 방향에서 후방으로 나선형으로 연장되며, 통상 환형부를 포함하고, 환형부는 커터 헤드 블레이드를 함께 고정하고 또한 상기 커터 헤드 블레이드들 사이의 공간을 통해 성기고 가공된 재료(loosened, worked materials)를 운반하기 위한 흡인 장치(suction device)로 구성된다.
그러한 톱니 시스템은 항시 "암형부" 및 "수형부"의 형태인 2개의 주 커플링부를 포함하고, 이들은 암형부 및 수형부에 대해 정밀하게 부합하는 공통의 기하학적 형태를 통해 상호 작용하여 함께 단일 조각, 복합 "톱니", 즉 상기 톱니 시스템을 형성하고, 복합 톱니는 예컨대 커터 헤드 블레이드, 드릴 비트의 커터의 전방 에지, 또는 부삽(shovel) 및 암석용 블레이드의 예리한 커팅 에지를 따라 서로 인접하게 배열된 일련의 톱니들 중 하나일 수 있다. 공구 상에서 얼마나 멀리 암형부 또는 수형부가 장착되는 지 여부는 중요하지 않으며, 중요한 것은 2개의 커플링부가 서로에 대해 제거 가능하고 고정 가능하며, 홀더부를 구성하는 부분이 영구적으로 공구에 고정된다는 점이다.
그러므로, 이러한 유형의 "복합 톱니"는 제1 커플링부, 즉 예컨대 팁 또는 커팅 에지와 같은 가공부의 몇몇 형태를 갖는 예컨대 교환 가능한 전방 마모 톱니의 형태인 상술한 마모 부품을 포함하고, 그리고 또한 바람직하게는 본체 또는 네크, 예컨대 톱니 본체 또는 톱니 네크와 관련하여 제2 커플링부에서 마모 부품을 위해 맞춤 제작된 이러한 유형의 특정 홈, 개구 또는 핀에 장착된 예컨대 후방 샤프트 또는 개구인 후방 또는 하부 부분인 고정부(fixing part), 즉 후방 또는 하부 고정 홀더부(여기서는 톱니 홀더)를 포함한다. 톱니 홀더 상에 교환 가능한 마모 톱니의 동적이고 더욱 신뢰성 있는 장착을 달성하기 위해서, 커플링부는 또한 부품에 공통이고 해제 가능한 잠금 기구를 갖는 커플링 시스템을 포함한다. 그러한 커플링 시스템 각각은 개개의 커플링부가 자신의 특정 해법을 포함하는 매우 특징적인 기하형태를 가지며, 이 해법은 회피할 수 없는 마모로 인해 마모 부품이 제거되고 특정 공구의 계속 사용을 위해 새로운 마모 부품으로 교체될 때까지, 커플링부 사이의 최소한의 마모를 수반하는, 유효하고, 안전한 기능적 방식으로 정확한 위치에 그리고 의도된 곳에 완전히 고정되어 유지되도록 하는 각 "톱니"의 마모 부품을 얻기 위한 시도에 관한 SE-524 301(EP-1 644 588)와 비교하여, 상호 작용하는 표면 및 상술한 샤프트, 홈 등의 형태, 예컨대 잠금 핀과 같은 하나 이상의 고정 요소, 및/또는 홀더부 상에 마모 부품의 클램핑을 실현하기 위한 하나 이상의 클램핑 장치를 포함한다.
이러한 유형의 공지의 상업적 톱니 시스템은 특별히 구성되고 상호 작용하는 접촉 구역을 통해 공구의 사용으로부터 하중(F)을 흡수하도록 설계되며, 이 접촉 구역은 샤프트, 핀 및 홈 또는 개구에 의해 구성되는 커플링부 사이의 조인트를 따라 배치된다.
그러나, 공구의 사용 중에, 커플링 기하형태의 종방향 대칭면(A)에 평행한 하중뿐만 아니라 이 대칭면에서 벗어난 하중이 작용한다는 점은 명백하다. 그러므로, 본질적으로 각 작용 하중(F)은 첫 번째로 가공면에 평행하고 상기 조인트와 관련하여 실질적으로 축방향인, 실질적으로 전방으로부터 작용하는 전단력 성분(shearing force component; FC)과, 두 번째로 가공면에 수직하게 실질적으로 위로부터 작용하는 수직력 성분(normal force component; FS)과, 세 번째로 가공면에 실질적으로 평행하고 더욱이 대칭면(A)을 따라 상기 마모 톱니의 연장부, 즉 상기 톱니 네크에 대하여 수직하게 측면(들)으로부터 작용하는 횡방향 수평력 성분(lateral transverse force component; FP)을 포함하며(도 1 및 도 3 참조), 상기 톱니 네크는 커플링부의 공통 조인트의 전방에서 톱니 본체의 더욱 강하게 돌출된 연장부를 구성하고, 톱니 네크는 마모 부품의 사용 중에 톱니 본체의 잔여부에 대해 임의의 특정 각도에서 잔여부로부터 돌출한다. 횡방향 수평력 성분(FP)은 통상 전단력 성분(FC) 및 수직력 성분(FS)보다 작다.
후방, 전방, 하부, 상부, 수직, 횡방향 또는 수평 등과 같은, 본 명세서에서 사용된 위치적 용어는 결과적으로 가공면에 관한 위치와 함께 상기 힘에 대한 상술한 정의 및 커플링부의 상호 관계로부터 유도될 수 있다.
본 특허 출원에 따른 톱니 시스템의 새로운 개념은 현재 공지된 톱니 시스템과 비교하여 독특한 특징 단독 또는 조합이 되는 다수의 특징을 포함하고, 이러한 특징은 공지의 톱니 시스템에서 발생할 수 있는 다수의 문제점에 대한 바람직한 해법을 제시한다.
통상의 톱니 시스템에서, 톱니 시스템이 상대적으로 강한 경우에도, 이들 시스템에서 지지면(bearing surface), 즉 예컨대 가공면에 대해 지지하거나 가공면 상에 유효한 구동, 운반, 관통, 압착, 전단을 실시하는 등의 작업에 노출되는 다른 가공면(other working surface)이 너무 빨리 마모된다는(over-rapid wear-down) 점이 사실이다. 마찰 또는 마모에 대해 노출된 그러한 표면은 또한 이하에서 특정 기능에 상관없이 마모면(wearing surface)으로 칭해진다. 이 출원에서 나타난 실시형태에서, 마모 부품은 제거 가능하고, 또한 작업 중에 상기 공구에 완전히 고정되는 유형이며, 마모 부품은 제거 가능하고 자신의 종축에 대해 추가적으로 회전할 수 있는 그러한 마모 부품과 달리 공구 상에서 가장 바깥의 홀더부에 고정된다. 그러나 당업자라면, 본 명세서의 실시예와 관련하여 명백하게 도시되지 않았을지라도 본 발명에 따른 마모 부품이 어떻게 수많은 종류의 가공 공구에 적용될 수 있는지 이해할 것으로 추정된다.
회전식 커터 헤드를 갖는 준설기에서, 예를 들어 준설선(dredger vessel)은 준설선의 스템(stem)에 회전 가능하게 고정된다. 윈치(winches)가 준설선의 뱃머리의 우현 및 좌현에 배치되고, 윈치는 해저에 고정되고 윈치를 이용하여 준설선의 뱃머리가 후미 고정구에 대해 좌우로 흔들리는 움직임에서 감아 올려지고 동시에 커터 헤드가 구동 샤프트를 중심으로 회전한다. 마모 톱니의 이러한 회전식 사용에서, 톱니의 팁은 통상 상기 횡방향 수평력 성분(FP)으로 인해 톱니 네크의 전방 단부에서 대향하는 가로 측면의 주된 하나로부터 마모되며, 즉 네크의 연장부에 관련하여 2개의 종방향 측면 중 한 면이 가공면에 대하여 지지면, 또는 제1 마모면을 구성하지만, 준설기 공구가 또한 윈치를 이용하여 상기 좌우 흔들림 및 스위핑 움직임에서 해저에 대해 앞뒤로 안내되기 때문에 대향하는 측면의 마모가 또한 발생하며, 그에 따라 제2 마모면이 형성된다.
작용 힘 성분(FP, FS, FC)이 세기가 끊임없이 변하고 다양한 방향으로부터 작용하기 때문에, 강철은 피로를 제공할 수 있고, 그 후에 강철의 다양한 세기 특성이 동시에 거친 준설기 작업을 견디기에 너무 낮다면, 마모 톱니가 무용해질 때까지 주강(鑄鋼)의 톱니 팁이 큰 편인 조각(splinter) 또는 파편(fragment)으로 분할되는 경향이 있고 또한 교체가 적시에 이루어지지 않는다면 톱니 홀더가 손상되는 위험을 무릅쓰게 된다. 그러므로 현재 사용 중인 통상의 준설기 마모 부품은 너무 빨리 마모되어 너무 자주 새로운 마모 톱니로 교환 및 교체되어야 하고, 결과적으로 고가의 톱니 비용과 매우 고가의 작업 중단이 발생한다. 유사하게 불리한 개선점이 또한 다른 유형의 마모 공구에서 일반화되어 있다. 덧붙여, 톱니 네크가 최대로 가능한 범위(길이)를 갖는 경우, 따라서 예컨대 최대 허용 가능한 좌굴(buckling) 및 휨(bending) 하중에 의해 정의되는 최대 가공 길이 또는 마모 길이를 갖는다. 주강에 대한 하중이 과도하다면, 너무 긴 톱니 네크는 매우 쉽게 부러지게 되어 즉시 마모 톱니 전체가 사용불능이 될 수 있다.
이를 방지하기 위해서, 마모 톱니가 베이스를 향하여 증가하는 단면을 갖는다는 점이 공지되어 있고, 그에 따라 마모면이 마모될수록 접촉면 또는 마모면이 점차로 무디어지게 되고, 따라서 마모 톱니의 침투 작용이 결과적으로 완전히 쓸모 없게 된다는 명확히 불리한 특징이 얻어진다.
현재, 준설기 공구의 커터 헤드는 마모 톱니가 교환될 필요가 있는 지 확인하기 위해서는 수면에서 들어 올려져야 한다. 이는 첫 번째로 커터 헤드가 여하간에 들어 올려지고 다음 시각 검사 때까지 마모 톱니가 충분하지 않다고 검사에서 판정되었기 때문에 임의의 마모 톱니가 불필요하게 교환되고, 두 번째로 임의의 마모면이 너무 늦게 교환되어 임의의 경우에 톱니 홀더가 심각한 손상을 입게 된다는 점을 의미한다. 완전 가동 중인 통상의 준설기에서 주당 4,000개 내지 5,000개의 마모 톱니가 교환된다는 점을 인식한다면, 이것이 매우 불리하다는 점이 쉽게 이해될 것이다. 단지 5%만이 불필요하게 교환된다면, 이는 매우 커다란 주당 가외 비용(extra cost per week)을 부여할 것이다.
여기에서 반드시 고려되어야 하는 다른 단점은 제거되는 마모 톱니는 회수되어야 하는 값비싼 금속을 함유하고 있다는 점이다. 만일 현재 사용중인 임의의 마모 부품에서와 같이, 마모 강도를 높이기 위해서 초경합금 알갱이 또는 초경합금 칩이 주강 안으로 혼합된다면, 2개의 상이한 금속 재료를 경제성 있게 회수해야 하는 어려움이 발생한다.
그러므로, 첫 번째로 톱니 홀더가 이미 심각한 손상을 입은 경우에 임의의 마모 톱니가 교환되고 임의의 경우 회수에 비용이 많이 들고 복잡하다는 사실과 조합하여, 너무 빠른 마모(over-rapid wear-down), 일반적으로 너무 짧은 마모 길이, 아직 완전히 마모되지 않은 마모 톱니의 무작위 및 제어 불가능한 교환과 관련된 문제를 해소하기 위한 요구가 존재한다.
스웨덴 특허 명세서 SE 449,383(미국 특허 제4,584,020호)는 도 3에서 주조 합금 및 주조 내 초경합금의 마모층을 포함하는 채굴용 또는 준설용 톱니를 도시한다. 이러한 마모 톱니가 내부 마모층을 포함하는 경우일지라도, 첫 번째로 이는 톱니의 팁 전체 폭에 걸쳐 배열되고 따라서 새것인 경우라도 무디어짐에 따라 최적의 침투 기능을 갖지 못하며, 두 번째로 마모층은 톱니의 중앙선 또는 2개의 대칭면(A, B) 중 어느 것에도 배치되지 않으므로 마모(wear-down)가 마모 톱니를 계속 무디어 무력화하게 만들며, 즉 너무 이르게 폐기되어야 하거나 또는 닳게 되어 그 마모층이 다시 중앙선이 된다.
사용 중인 상기 스웨덴 특허 SE 449,383(미국 특허 제4,584,020호)의 주강은 1.5 중량% 내지 2.5 중량%의 탄소 함량을 갖고, 이는 강철에 연성을 제공하며, 따라서 내부 마모층은 동시에 조금씩 점차로 노출되어 그에 따라 마모층은 매우 간단히 부러지게 된다. 이는 주강의 지지 없이 하중을 견디는 것이 가능하도록 하는 마모층에 대한 파괴강도가 너무 낮기 때문이다. 그러므로, 마모 부품이 내부 마모층을 갖는다는 점에 상관없이, 마모는 불리하게 빠르게 될 것이며, 이는 마모층이 임의의 효율성 상승 효과를 겪기 전에 마모층이 매우 큰 조각으로 부러지기 때문이다. 게다가, 낮은 탄소 함량(<0.20%)을 갖는 강철막이 초경합금 본체 주변에 배치되어야 한다는 점을 주장한다. 이 강철막의 용융점은 주조 합금의 용융점보다 높은 200-400℃가 되어야 한다.
종래기술에서 사용된 구상흑연주철(球狀黑鉛鑄鐵)은 일반적으로 약 38 HRC의 매우 낮은 경도를 가지며, 저합금강인 마모층은 40 내지 53 HRC의 경도를 갖고, 이는 상술한 마모 부품 내 저합금강 기재(matrix)가 종래기술에 따른 비교 가능한 주철 제품에 대해 대략 2배의 강도만을 얻는다는 점을 의미한다. 더욱이, 마모층의 취성 및 지지용 주강의 결여로 인해 상술한 바와 같이 주강인 마모 부품이 너무 연하여 강하게 마모될 수 없어 매우 빨리 마모되고 더욱 취약해지게 된다는 점이 현실이기 때문에 단지 이론일 뿐이다. 그러므로 이를 해소하기 위한 방법은 미완의 문제로 남아있으며, 이 문제는 그 장기간에 걸친 인식에도 불구하고 위에서 설정된 현저한 경제적 인센티브에도 불구하고 아직 만족스럽게 해결되지 못하였다. 상술한 종래기술에 따르면, 지금까지는 본체를 생성하기 위해서 초경합금이 비교적 높은 탄소 함량을 갖는 철 합금(iron-alloy)으로 주조되어야 한다는 점이 명확하며, 종래기술에서 상기 본체는 그 후 예컨대 미국 특허 제4,584,020호에 따라 낮은 탄소 함량을 갖는 철 합금으로 주조된다.
저합금강을 주조하기 위한 이전의 시도는 주강에 대한 결합구역에서의 초경합금이 용해되어 상기 결합구역에서 취성 텅스텐-탄화철 섬유의 형태의 결과를 가져온다. 더욱이, 마모 톱니가 무력화되거나 톱니 홀더가 손상되는 지점으로 초경합금이 제공되는지 여부에 관계 없이 주강 및 초경합금 표면의 융합에서, 임의의 불순물 또는 습기가 유해한 기포(gas bubble) 및 그에 따른 주조 마모 부품 내측의 결합구역에 캐비티를 발생시킬 수 있으며, 이는 상기 결합구역에서 보다 낮은 접착력 및 보다 낮은 강도와 그에 따라 상술한 제어 불가능한 마모면의 약간 큰 조각 또는 파편으로의 분리를 가져오고, 이는 톱니 네크 전체의 급속한 마모를 가져온다.
초경합금의 마모층인 경우에, 주조 금형 자체 내의 주조 내 부품의 실제 배치는 문제를 구성하며, 이는 주강 용융물이 주조 금형 내의 공간으로 부어질 때 주조 내 부품이 물러나기 때문이다. 예컨대, 이전의 해법은 상기 공간 내에 다양한 지지대를 포함하고, 그 후 이 지지대가 주조 작업 중에 용융되고 주강 용융물과 결합된다. 이러한 공지된 방법은 지지대가 용융될 때 주조 내 부품이 소망의 위치로부터 벗어나고, 더욱이 이러한 지지대 용융물이 주조 복합물 내 불순물을 형성하고, 이는 마모 부품의 소망의 특성을 변경하고 주조 내 부품 및 주강의 잔여부 사이의 결합구역을 변경하는, 심각한 위험을 발생시킨다. 예컨대, 불충분한 접착력은, 마모 부품의 주조 작업 중에 상기 결합구역의 주강에서 기포가 발생할 수 있고 취성의 금속 혼합물이 형성될 수 있는 결과를 야기할 수 있다.
본 발명의 하나의 목적 및 그 다양한 실시형태는 이 마모 부품을 실현하기 위한 가공 공구 내 홀더부에 탈착 가능하게 고정되는 개선된 마모 부품을 제공하는 것이며, 이 마모 부품은 실질적으로 상술한 문제점을 제거하고, 이상적으로 배제하여 초경합금으로 보강된 마모 부품이 이전보다 더 잘 활용될 수 있다.
본 발명 및 그 다양한 실시형태에 있어서, 이러한 목적의 상세는 셀프 샤프닝을 실현하는 가공 공구 내 홀더부에 탈착 가능하게 고정되는 셀프 샤프닝 마모 부품을 제공하는 것이며, 셀프 샤프닝 마모 부품은 실질적으로 무딘 마모 부품의 상술한 문제점을 제거하고 이상적으로 배제한다.
본 명세서에 나열되지 않은 다른 목적과 함께 상기 목적은 독립 청구항에서 지정된 범위와 만족스럽게 부합된다. 본 발명의 실시형태는 종속 청구항에서 정의된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 개선된 마모 부품이 생성되고, 이는 다음과 같은 특징을 갖는다.
- 마모 부품의 적어도 하나의 긴 초경합금 막대가 돌출형 네크의 종축(Y)에 실질적으로 동심인 돌출형 네크의 힘의 중립 구역(force-neutral zone)에서 중앙에 배치되고, 후방 고정부의 종축(X)으로부터 임의의 거리에서 뚜렷하게 종료되는 내측 주조 단부를 구비한 돌출형 네크의 길이(L)보다 짧은 길이(Z)를 포함하고, 따라서 내측 주조 단부의 최종 마모에서의 기록 가능한 진동을 포함하는 자동 신호를 생성하고 작업 중에 마모 부품의 변화가 요구되는 자동 보고 기능을 생성한다.
본 발명에 따른 마모 부품의 추가의 양태는 다음과 같다.
- 홀더부 내측의 후방 고정부의 고정에서 내측 주조 단부는 톱니 홀더의 상면(top side)으로부터 임의의 거리에서, 또한 톱니 홀더 안으로 삽입되는 후방 고정부의 종축(X)으로부터 임의의 다른 거리에서 종료된다.
- 제1 재료 부분은 긴 초경합금 막대보다 낮은 내마모성을 갖는 재료를 포함하고, 제1 재료 부분의 낮은 강도와 긴 초경합금 막대의 높은 강도 사이의 비율이 형성되어 제1 재료 부분의 팁 마모면의 잔여부에 관하여 긴 초경합금 막대의 자유 막대 마모면이 항상 주변의 돌출형 네크보다 더 돌출하여 셀프 샤프닝 성능을 생성한다.
- 마모 부품은 상이한 내마모성을 갖는 적어도 2개의 마모면을 포함하며, 상기 적어도 2개의 마모면은 내마모성이 긴 초경합금 막대의 반경 방향으로 상승하도록 배치되어 마모 부품의 셀프 샤프닝 성능을 생성한다.
- 마모 부품의 적어도 2개의 마모면은 긴 초경합금 막대의 주변에 동심의 층으로 구성된다.
- 긴 초경합금 막대는 돌출형 네크의 종축(Y)에 관련하여 0 내지 15°범위의 각도(λ)로 배치된다.
- 긴 초경합금 막대는 외측 팁의 기본 팁 마모면의 중앙으로부터 계산된 돌출형 네크의 길이(L)의 80 내지 95%인 길이(Z)를 갖도록 구성된다.
- 긴 초경합금 막대는 800 내지 1,750 HV3의 평균 경도를 갖는 재료로 구성된다.
- 마모 부품용 가공 공구는 내측 주조 단부의 최종 마모의 기록 가능한 진동을 기록하도록 배치되고 그에 따라 긴 초경합금 막대가 마모되어 교환되어야 함을 가리키는 센서를 포함한다.
- 긴 초경합금 막대는 절두 원뿔로서 구성된다.
- 긴 초경합금 막대는10 mm 내지 30 mm의 최대폭을 갖는다.
- 긴 초경합금 막대의 종축에 대해 가로지르는 긴 초경합금 막대의 단면은 사각형 또는 직사각형 형태를 갖는다.
- 긴 초경합금 막대의 종축(Y')에 대해 가로지르는 긴 초경합금 막대의 단면은 원형 또는 타원형 형태를 갖는다.
- 마모 부품은 상기 마모 부품 내 중앙에 배치된 제1 초경합금 막대와 제1 초경합금 막대의 주변부에 배치된 적어도 하나의 추가 초경합금 막대를 포함한다.
- 마모 부품은 마모 톱니의 외측 팁과 마모 톱니의 후방 고정부 사이에 배치된 적어도 하나의 보강부를 포함한다.
본 명세서에 나열되지 않은 다른 목적과 함께 상기 목적은 독립 청구항에서 특정된 범위와 만족스럽게 부합된다. 본 발명의 실시형태는 종속 청구항에서 정의된다.
본 발명 및 그 실시형태에 따르면, 다수의 이점 및 효과가 얻어진다.
초경합금이 주조에 의해 주강 안으로 주조된다면 개선된 성능과 마모에 대해 더 나은 경도를 갖는 마모 부품이 얻어질 수 있고, 주강은 낮은 탄소 함량을 갖고 주조 작업 중의 온도는 정밀하게 체크되고 용도는 흑연 형성에 가까운 탄소 함량을 갖는 초경합금으로 이루어진다.
새로운 마모 톱니의 수명은 이전에 사용된 통상의 균질 강철 재료의 마모 톱니와 비교하여 더욱 내구성 있고, 단단한 초경합금 코어를 이용하여 현저하게 높아진다. 주조 내 초경합금 막대의 마모 강도는 그러한 초경합금 막대가 사용되지 않은 종래의 마모 톱니와 비교하여 적어도 4- 5배 높다. 수명에서 수 백%의 매우 큰 증가를 얻을 수 있기 때문에, 초경합금 막대의 비용이 마모 부품의 비용의 2배가 될지라도, 매우 경제적이다.
마모 톱니의 사용 중에, 커터 헤드가 회전하기 때문에 톱니 팁은 통상 톱니 네크의 2개의 가로 측면, 즉 네크의 연장부에 대하여 2개의 종방향 측면의 한 측면에서 주로 마모되고, 또한 준설용 공구가 윈치를 이용한 좌우 요동 및 흔들림 동작에서 해저에서 앞뒤로 안내되기 때문에 대향 측면의 마모가 또한 발생하고, 따라서 리지형(ridge-shaped) 또는 스파인형(spine-shaped) 커팅 에지 또는 커터가 실질적으로 초경합금 막대의 중앙선 및 팁 표면의 중앙에 걸쳐 직접 형성될 수 있고, 리지 또는 스파인은 실질적으로 톱니 홀더의 종방향 연장부 및 톱니 네크의 종방향 연장부에 평행하다. 이러한 커터 에지는 그 후에 초경합금 막대가 소모될 때까지 상기 회전 및 좌우 흔들림 운동에 의해 계속 연마된다. 주강의 마모가 너무 빨라 초경합금의 긴 비트가 돌출하고, 이후 이는 적절한 길이로 부러져 상기 예리한 크레스트형(crest-shaped) 커팅 에지로 신속히 다시 날카롭게 될 수 있다. 따라서 마모 강도를 높이기 위하여 주강 내에 초경합금 알갱이 또는 초경합금 칩을 사용한 이전의 마모 톱니는 대칭면(A)에 배치된 초경합금 막대를 구비한 본 발명에 따라 얻어진 실질적인 이점을 제공하지 않는다.
진행 방향에서 볼 때 실제 커터가 블레이드 뒤에 오기 때문에, 준설기의 커터 헤드 블레이드 상의 마모 톱니는 음의 영입각과 반대로, 가공면에 대한 양의(positive) 커팅각, 즉 연마면에서 절단된 영입각으로 배치되며, 이는 오직 가공면의 상면에서 끌리고 재료를 문질러 벗길 수 있다.
추가의 이점 및 효과가 뒤따르는 다수의 바람직한 실시형태를 포함하는 본 발명의 상세한 설명, 특허청구범위 및 첨부 도면으로부터 명확해질 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마모 톱니의 바람직한 일 실시형태의 부품의 개략적인 측면도이고, 비스듬히 상방으로 배치된 톱니 네크를 포함하고, 톱니 네크에 대한 작용 하중의 전단력 성분(FC) 및 수직력 성분(FS)이 개략적으로 도시되고, 톱니 네크의 상부 부분이 부분적인 종방향 단면으로 도시되고, 초경합금 막대 형태의 주조 내 부품이 단독으로 도시되어 있다.
도 2는 도 1에 따른 마모 톱니의 개략적 평면도를 도시하고, 마모 톱니의 종방향 대칭면(A)을 도시하는 중앙선의 어느 한 측면 상에서 2개의 마모 톱니의 톱니 네크의 전방 부분 상의 최외각에서 그리고 상면에서 톱니 홀더에 탈착 가능하고 고정 가능하게 배치된 후방 고정부를 도시한다.
도 3은 도 1에 따른 마모 톱니의 배면도를 개략적으로 도시하고, 작용 하중의 횡방향 수평력(FP)과 함께 이 목적을 위해 선택된 위치에서 톱니 시스템의 커플링부 사이에 생성된 하중의 전달 및 배치를 위해 의도된 마모 톱니의 톱니 본체 상의 복수의 접촉면 및 틈새 표면과 함께 톱니 네크의 전방 부분 및 아래에 위치한 토크 러그(torque lug)로 된 스파인 형상의 보강부의 양 측면의 보강 측면 날개를 도시한다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 따른 초경합금 막대의 일부를 개략적으로 도시하며, 도 4a 내지 도 4c는 2개의 측면도 및 종방향 단면도로서 톱니 네크의 전방 톱니 팁으로부터 돌출된 초경합금 막대의 자유단부, 즉 도면에서 우측의 고정 샤프트를 도시하고, 그리고 도면 좌측의 주강 내 톱니 네크 내측에 야금학적으로 연결되는 고정 단부를 도시한다. 직경의 변경으로 이루어진 노치를 통한 소망의 한계점과, 고정 샤프트의 제거 이후에, 형성된 마모 단부의 요홈이 도 4에 또한 도시된다.
도 5는 도 1에 따른 톱니 네크를 관통하는 단면을 개략적으로 도시하고, 특히 초경합금 막대에 대한 스파인 부분 및 초경합금 막대 사이의 지지 구역이 작용 하중의 0 내지 90°의 위치 변경, 즉 커터 헤드 작업 중의 전단력(FC) 및 수직력(FS) 크기의 변화가 도시된다.
도 6은 노출된 초경합금 막대의 마모면의 양 측면 상의 횡방향 마모면을 포함하여, 톱니 네크의 전방 부분의 정면도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 도 4에 도시된 초경합금 막대 형태의 주조 내 부품이 주조되는 정밀 주조 금형(sand shell mould)의 하나의 절반부(one half)를 개략적으로 도시하며, 이어서 이 절반부는 주강 용융물을 위한 정밀 주조 금형의 형상화된 공간 내측의 정확한 위치에 적소에 고정되는 나중에 분리되는 고정 샤프트를 갖는다.
도 8은 부삽 형태의 블레이드를 구비한 커터 헤드의 일부를 개략적으로 도시하며, 커터 헤드 블레이드 상에 다수의 톱니 홀더가 강력히 고정되며, 탈착 가능하게 배치된 도 1에 따른 마모 톱니가 고정된다.
도 9는 뒤이어 무라카미(Murakami) 및 나이탈(Nital) 방법으로 에칭되는 초경합금 막대 및 주강 사이의 결합구역의 광학 마이크로사진이다. 다음의 기호가 도 9 및 도 10에서 사용된다. A: 주강, B: 에타상(η-phase) 구역, C: 초경합금 내 결합구역, D: 영향을 받지 않는 초경합금, E: 주강 내 탄소 농후 구역
도 10은 도 9의 보다 확대된 도면이다.
도 11은 결합구역에 수직한 선을 따라 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe) 및 크롬(Cr)의 분포를 도시한다. A: 주강, B: 에타상(η-phase) 구역, C: 초경합금 내 결합구역, D: 영향을 받지 않는 초경합금, E: 주강 내 탄소 농후 구역
도 12a 내지 도 12c는 도 1에 따른 초경합금 막대의 추가 실시예를 개략적으로 도시하며, 고정 샤프트는 주조 내 단부용으로 사용된 초경합금보다 연한 종류의 구조강(structural steel)으로 적절히 제작된다. 분리된 고정 샤프트가 주조 내 단부의 대향 단부에 초경합금 막대의 한 쌍의 캐비티 안으로 한 쌍의 조임부를 가압함으로써 초경합금 막대 상에 고정된다.
명명된 구성요소가 도면에서 동일한 세목으로 구성된다면 다수의 용어에 대하여 동일한 참조 번호가 이하에서 일관되게 적용되며, 예컨대 재료 부분(3), 주조 내 부품(3) 및 초경합금 막대(3)는 모두 도면에서 동일한 세목으로 구성된다.
도 1은 본 발명에 따라 개선된 내마모성과 강도를 갖는 마모 부품(1)의 바람직한 일 실시형태를 개략적으로 도시하며, 본 명세서에서 마모 부품(1)은 특히 마모 톱니(1)로 구성된다. 마모 톱니(1)는 적어도 2개의 재료 부분(2, 3)을 포함한다. 제1 재료 부분(2)은 이 명세서에서 또한 주강(cast steel)으로 칭해지는 주조 합금을 포함하는 주조 본체(2), 및 후방 고정부(4)로부터 상방으로 비스듬히 돌출되고 적어도 하나의 팁 마모면(7)을 갖는 외부 톱니 팁(6)을 구비한 전방 톱니 네크(5)로 구성되며, 톱니 네크(5), 톱니 팁(6) 및 팁 마모면(7)에 대해서 작용 하중의 전단력(FC) 및 수직력(FS)이 개략적으로 도시되고, 톱니 네크(5)의 상부 부분이 종방향 부분 단면으로 도시된다. 제2 재료 부분(3)은 저탄소 주강(2) 안으로 주조되는 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(3) 형태의 적어도 하나의 주조 내 부품(3)으로 구성되고, 상기 종방향 단면에서 구분되어 도시된 초경합금 막대(3)는 마모 부품(1)의 종방향 대칭면(A)에, 실질적으로 제1 재료 부분(2)의 톱니 네크(5)의 축방향 내측에, 바람직하게는 또한 실질적으로 네크(5)의 종축(Y)에 동심으로 고정되고, 초경합금(3)은 상기 톱니 팁(6)의 팁 마모면(8)의 일부를 구성하는 자유 마모면(8) - 이하에서 막대 마모면(7)으로 칭해짐 - 을 포함하고, 한편 바람직하게는 다른 모든 측면은 상기 제1 재료 부분(2)에 의해 에워싸여 고정된다.
도 2는 가공 공구(11)의 홀더(10) - 또한 톱니 홀더(10)로 칭해짐 - 에 탈착 가능하고 잠금 가능하게 고정되는 후방 고정부(4)를 도시하며, 가공 공구(11) 마모 톱니(1)는 교환 가능한 소모성 부품과, 톱니 네크(5), 톱니 팁(6)의 전방 부분의 최외각 상에 팁 마모면(7)의 두 부분(7a, 7b)을 구성하고, 이 부분(7a, 7b)은 마모 톱니(1)의 종방향 대칭면(A)을 나타내는 중앙선의 어느 한 측면에 위치하고, 이 부분(7a, 7b)은 초경합금 막대(3)를 에워싼다. 도 3은 톱니 네크(5)의 전방 부분의 후방 측면(14)을 따라 스파인 형상의 삼각형 보강부(13) - 또한 스파인부(13)로서 칭해짐- 의 양 측면 상에서 톱니 네크(5)의 강도를 보강하는 측면 날개(12, 12'), 및 아래로 놓여진 토크 러그(15: toque lug)를 도시하며, 이와 함께 마모 톱니(1)의 주조 본체(2) 상의 다수의 접촉면 및 틈새면을 도시하고, 이는 작용 하중의 횡방향 수평력(FP)과 함께 선택된 위치에서 톱니 시스템의 커플링부 사이에 생성된 하중의 전달, 배치를 위해 의도된다.
마모 부품(1)이 사용 중인 때에(도 1 참조), 전단력 성분(FC)은 실질적으로 전방으로부터 가공면(C)과 평행하게 그리고 마모 부품(1)의 고정부(4)에 대해 실질적인 축방향으로 작용하며, 한편 수직력(FS)은 실질적으로 가공면(C)에 수직하게 위로부터 작용한다. 횡방향 수평력(FP)은 측면(들)으로부터 실질적으로 가공면(C)에 평행하게 그리고 상기 마모 톱니(1), 즉 마모 톱니의 상기 톱니 네크(5)의 연장부에 관해 더욱 수직하게 작용하며, 이는 마모 톱니(1)의 톱니 홀더(10)의 전방에서 톱니 본체(2)의 더욱 강하게 돌출된 연장부를 구성한다(도 4 참조). 마모 부품(1)의 사용 중에, 톱니 네크(5)는 임의의 각에서, 첫 번째로 톱니 본체(2)의 잔여부를 향해 마모 톱니(1)의 고정부(4) 및 톱니 네크(5) 각각을 관통하는 종축(X, Y) 사이의 각도 α에서 돌출하며, 도 1에 도시된 실시형태에서 각도 α는 68°의 최적화 각도를 포함하고, 두 번째로 가공면(C)을 따라 작용하는 전단력 성분(FC)에 대해 112°의 최적화 각도를 포함하며, 가공면(C)을 향해 각도 β(도 1의 실시형태에서 도시됨)에서 그리고 수직력 성분(FS)에 대해 22°의 최적화 각도를 포함하는 각도 δ에서 돌출한다. 도시된 실시형태에서, 따라서 초경합금 막대(3)의 종축(Y')은 수직력 성분(FS)에 대해 22°의 최적 각도에서 그리고 톱니 네크(5)의 전방 측면(9) 및 톱니 네크(5)의 종축(Y)에 평행하게 유사하게 배치된다. 그러나, 이러한 각도 λ는 도 1에 도시되고 톱니 네크(5)에 실질적으로 동심으로 배치되고 톱니 네크(5)의 전방 측면(9)에 실질적으로 평행한 종축인 초경합금 막대(3)의 종축(Y')으로부터 바람직하게는 ± 0-15°만큼 변할 수 있다. 도 1에 도시된 상기 종축들(X, Y) 사이의 상기 각도 α는 바람직하게는 50°- 90°의 구간에서 변할 수 있다. 배치된 보강부, 즉 마모 톱니(1)의 적어도 스파인 부분(13)과 측면 날개(12, 12')는 톱니 네크(5)를 따라 증가하는 단면으로 상승을 부여하며 이는 마모 톱니(1)가 마모됨에 따라 톱니 네크(5)가 더 무디어지도록 한다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 따른 초경합금 막대(3)의 일부를 개략적으로 도시하며, 도 4a 내지 도 4c는 2개의 측면도 및 종방향 단면도로서 톱니 네크(5)의 전방 톱니(6) 팁으로부터 돌출된 초경합금 막대(3)의 자유단부, 즉 도면에서 우측의 고정 샤프트(16)를 도시하고, 그리고 도면 좌측의 주강(2) 내 톱니 네크(5) 내측에 야금학적으로 연결되는 주조 내 단부(17)를 도시한다. 직경의 변경부(18)로 이루어진 노치(19)를 통한 소망의 한계점(18)과, 고정 샤프트(16)의 제거 이후에, 형성된 마모 단부, 즉 막대 마모면(8)의 요홈(19)이 도 4에 또한 도시된다.
도 5는 톱니 네크(5)를 관통하는 단면을 개략적으로 도시하고, 특히 초경합금 막대(3)에 대한 스파인 형상의 보강부(13) 및 초경합금 막대(3) 사이의 지지 구역(20)이 대칭면(A)에서 작용 하중의 0 내지 90°의 위치 변경, 즉 커터 헤드(11) 작업 중의 전단력(FC) 및 수직력(FS) 크기의 변화가 도시된다. 2개의 힘 성분(FC, FP)은 그 중에서도 특히 음의 휨 하중을 생성하고, 반면 실질적으로 수직으로 작용하는 성분(FS)은 바람직하게는 초경합금 막대(3)를 압축하되 마모 톱니(1)의 주강(2)에 대해 좌굴과 휨 하중(buckling and bending loads)을 생성시키는 압축 하중을 생성할 수 있고, 따라서 톱니 네크(5)는 이들 단점을 없애는 후면(13) 및 측면 날개(12, 12')를 포함한다. 도 5에서, 바람직한 특징이 도시되고, 예컨대 소정의 하중 즉 전단력 성분(FC) 및 그에 따른 마모 효과가 톱니 네크(5)의 전방 측면(9) 상에 그 측면 에지(21) 상에 FP와 함께 작용하기 때문에 마모 부품(1)의 고정부(4)에 대해 톱니 네크(5)의 후면 상에 주강(2)이 침식되지 않고, 초경합금 막대(3)는 그 외측 단부에서 톱니 네크(5)의 가공 팁 마모면(7)의 후면상에 지지 구역(20) 또는 주강 에지에 의해 초경합금 막대(3)에 대해 지지된다. 준설기 커터용 최적의 마모 톱니(1)는 큰 하중에 대해 최대 저항을 갖도록 설계되어야 하고, 동시에 최대 관통을 위해 최소 단면적을 가져야 한다. 이러한 요구조건은 상충되는 것이며, 따라서 이미 공지된 마모 톱니에서, 보다 큰 직경의 주강 내측으로 관통력을 증가시키기 위한 상대적으로 보다 작은 직경의 보강 초경합금 막대 없이, 톱니 네크의 길이는 톱니 네크(5)가 부러지는 것을 방지하기 위해서 짧게 유지되어야 한다는 점이 명백하다. 긴 톱니 네크(5)는 진동 하중에 의해 앞뒤로 휘어지며, 따라서 긴 톱니 네크(5)는 피로를 제공할 수 있다. 이러한 점은 주강(2) 및 초경합금 막대(3)의 탄성률(E-moulus) 사이의 균형을 설정하는 것에 의해 그리고 톱니 네크(5)에 따라 하부의 주강(2) 및 초경합금(3)의 비율에 의해 방지된다.
도 6은 노출된 초경합금 막대(3)의 마모면(8)의 양 측면 상에서 팁 마모면(7)의 횡방향 2개 부분(7a, 7b)을 포함하는 톱니 네크(5)의 전방 부분의 개략적인 정면도를 도시하며, 본 명세서에서 팁 마모면(7)의 횡방향 2개의 부분(7a, 7b)은 초경합금 막대의 마모면(8)을 에워싼다. 도 8은 부삽 형태의 블레이드를 갖는 커터 헤드(11)를 도시하며, 다수의 톱니 홀더(10)가 그에 강하게 고정되지만, 마모 톱니(1)는 탈착 가능하게 배치된다. 도 9는 뒤이어 무라카미(Murakami) 및 나이탈(Nital) 방법으로 에칭되는 초경합금 막대(3) 및 주강(2) 사이의 결합구역 -또한 전이 구역(transition zone)으로 칭해짐- 의 광학 마이크로사진이다.
도 7을 참조하면, 2개의 쉘부(shell part)를 포함하는 정밀 주조 금형(23; shell sand mould)의 절반부 하나가 개략적으로 도시되고, 이 중 하나의 쉘부(23')는 성형 및 경화된 모래로 제작되며, 쉘부는 미래의 마모 부품(1)에 따라 형상화된 재사용 가능한 금속 금형에서 예비조립되고, 금속 금형은 결합제와 함께 혼합된 분산된 모래가 상기 2개의 쉘부의 각각으로 남겨져 굳어지고, 실제 주조에 필요한 충분한 강성을 갖고, 이는 종방향 대칭면에 따른 유사 형상이 동일한 금속 금형에서 경화되기 때문이다. 그러므로, 이러한 2개의 쉘부(23')가 함께 한 공간을 형성하고, 이는 공간 내 주조물인 마모 부품(1)을 나타내며, 바람직하게는 준설기용 마모 톱니(1)만으로 배타적이지 않고, 그 정규 종방향 형상은 종방향 대칭면(A)을 따른다. 그러나, 비정규 마모 부품이 다양한 형상을 필요로 한다는 점이 이해될 것이다.
예컨대 진동에 의해 모래를 제거한 이후의 주조 마모 부품(1)은 아래에서 정의되는 주조 합금 - 이하에서 또한 주강(2)으로 칭해짐 - 으로 제작된 주조 본체(2) - 이하에서, 또한 톱니 본체(2)로서 칭해짐 - 와, 이 설명에서 막대 형상인, 즉 길다란, 따라서 이하에서 초경합금 막대(3)로 칭해지는 소결된 초경합금의 적어도 하나의 축방향 종방향 주조 부품(3)을 포함한다. 초경합금 막대(3)는 바람직하게는 개개의 쉘부(23')에 고정되고, 뒤이어 초경합금 막대(3)의 표면 및 주강 용융물 사이의 경계 또는 결합 구역의 주조(도 9, 도 10 참조) 이전에 그리고 주조 중에 완성된 톱니 본체(2)의 힘의 중립 구역의 중앙, 즉 인장 및 압축 응력이 주조 톱니 본체(2) 내측의 대칭면(A)을 따라 실질적으로 동일하게 큰 구역의 중앙에 고정되고, 따라서 마모 톱니(1)의 톱니 본체(2)로부터 돌출되고 전방 톱니 팁(6)과 함께 톱니 네크(5)의 중앙에 개선된 마모 강도 및 매우 높은 내마모성을 갖는 초경합금 막대(3)를 포함하는 적어도 하나의 내측의 긴 마모 본체를 생성한다. 초경합금 막대(3)를 에워싸는 주강(2)에서 톱니 팁(6)은 높은 인성(toughness)을 갖고, 따라서 톱니 네크(5)는 초경합금 막대(3)의 보강부를 통해 더욱 높은 파괴강도를 얻는다. 톱니 팁(6)은 이러한 목적으로 적어도 하나의 외측 팁 마모면(7)을 포함하고(도 1 및 도 2 참조), 이는 첫 번째로 바람직하게는 마모 톱니(1)의 종방향 대칭면(A) - 도 2 및 도 3에서 선으로 도시됨 - 에서 톱니 네크(5)에 실질적으로 동심으로 배치된 초경합금의 마모면(8)과, 두 번째로 팁 마모면(7)의 2개의 부분(7a, 7b)을 포함하며, 2개의 부분(7a, 7b)은 초경합금 막대(3)를 바람직하게는 전체적으로 에워싸며, 초경합금 막대(3)의 마모면(8)보다 낮은 내마모성과 낮은 마모 강도를 갖는 주강(2)으로 제작된다. 도 1은 또한 종방향 대칭면(A)에 덧붙여, 대칭면(B)을 도시하고, 이는 톱니 네크(5) 자체 및 초경합금 막대(3)를 따라 상기 A 대칭면에 수직하며, 실질적으로 규칙적이며(도 5 참조), 이 경우에 작용 하중(F)의 전단력 성분(FC)을 흡수하기 위한 스파인 형상의 보강부(13)를 배제한다. 그에 따라 얻어진 마모 부품(1)은 전체적으로 높게 증가한 마모 강도와 수 배만큼 증가한 파괴강도를 얻으며, 동시에 높은 인성과 셀프 샤프닝 효과를 가지며, 셀프 샤프닝 효과는 이하에서 상세하게 설명되고, 또한 상기 재료의 강도 특성에 적용된다.
정밀 주조 금형(23)의 주조 이전에 초경합금 막대(3)의 고정(도 7 참조)은 초경합금 막대(3)의 일 단부에 예컨대 하나 이상의 고정 러그(25)(도 4d 참조)인 적어도 하나의 구조물(fixture) - 이하, 고정 샤프트(16)로 칭해짐 - 을 포함하고, 고정 샤프트(16)는 주조 및 금형 분리 이후에 톱니 네크(5)로부터 돌출하는 초경합금 막대(3)의 자유 단부(16)를 구성하고, 한편 고정 샤프트에 대향하는 주조 단부(17)는 상기 구조물에 의해 예컨대, 유도로(induction furnace)로부터 주조 용융물(casting melt)로 채워지게 되는 공간 내측에 강하게 고정되어 유지된다. 이러한 공정과 관련된 한 가지 이점은 초경합금 막대(3)가 주조 중에 주조 금형(23), 본 명세서에서 정밀 주조 금형(23) 내측의 고정 위치에 완전히 고정되고, 따라서 초경합금 막대(3)가 주조 용융물이 부어질 때 그 위치가 변경되지 않는다는 점이다. 예컨대, 이전의 해법은 상기 공간 내에 다양한 지지대를 포함하고, 그 후 이 지지대가 주조 작업 중에 용융되고 주조 용융물과 결합된다. 이러한 공지된 방법은 지지대가 용융될 때 주조 내 부품(3)이 소망의 위치로부터 벗어나고, 더욱이 이러한 지지대 용융물은 주조 용융물 내 불순물을 형성하고, 이 불순물은 마모 부품(1)의 소망의 특성을 변경하고 주조 내 부품(3) 및 주강(2)의 잔여부 사이의 경계 및 결합구역(24)을 변경하는, 심각한 위험을 발생시킨다는 점이 명백하다. 예를 들어, 불량한 접착이 야기될 수 있고, 기포가 주강(2)에 또는 마모 부품(1)의 주조 작업 중의 상기 경계 및 결합구역(24)에 나타날 수 있다. 불량한 접착은 또한 작용 힘에 노출되는 중에 초경합금 막대(3)를 위한 불충분한 지지 구역(20)을 생성하고, 따라서 더욱 용이하게 파손된다.
정밀 주조 금형(23)의 개방 및 마모 부품(1)의 해제에 뒤이어, 톱니 네크(5)의 전방 톱니 팁(6)으로부터 돌출하는, 초경합금 막대(3)의 고정 샤프트(16)가 제거된다. 노치(19)를 통한 소망의 파손 지점(18)은 편리하게 초경합금의 형성 중에 그리고 완성된 초경합금 막대(3)로의 소결 이전에 이러한 목적으로 이미 제공되었고, 파손 지점(18)은 초경합금 막대(3)가 정밀 주조 금형(23) 내에 고정된 경우에 정밀 주조 금형(23)의 주조 용융물에 대하여 제한된 표면으로 가깝게 고정되는 방식으로 배치된다. 충분한 깊이로 노치(19)가 제작되었다면, 실질적으로 톱니 팁(6)의 외측 팁 마모면(7) 정도에서 또는 그 이내에서 파손이 일어나도록 초경합금 막대(3)는 충분히 부서지기 쉽기 때문에, 제거는 고정 샤프트(16)를 두드려 떨어뜨림에 의해 편리하게 이행된다.
도 12a 내지 도 12c에서 개별 고정 샤프트(16)가 개략적으로 도시되며, 이 개별 고정 샤프트(16)는 초경합금 막대(3) 상으로 가압되어 있다. 고정 샤프트(16)는 주조 내 단부(17)용으로 사용된 초경합금 보다 연한 종류의 통상의 강철로 적절히 제작된다. 분리된 고정 샤프트(16)가 주조 단부(17)의 대향 단부에 초경합금 막대(3)의 한 쌍의 캐비티(27a, 27b) 안으로 한 쌍의 조임부(16a, 16b)를 가압함으로써 초경합금 막대(3) 상에 고정된다. 주강(2) 내에 초경합금 막대(3)를 주조한 이후에, 고정 샤프트(16)의 제거는 조임부(16a, 16b)를 캐비티(27a, 27b)로부터 제거함으로써 용이하게 수행된다.
초경합금 막대(3)의 고정 샤프트(16)의 분리를 달성할 수 있는 다른 가능한 방법은 첫 번째로, 값싼 재료, 바람직하게는 더욱 통상적인 강철에 대해서, 소망의 파손을 위한 상술한 위치에서 초경합금의 잔여부에 고정 샤프트(16)로서 용접 또는 소결되고, 그 이후에 이 경우에 분리가 통상의 강철을 통해 절단되는 고가의 컷오프 휠을 이용하여 간단히 쉽게 실행될 수 있지만, 다이아몬드 커터가 초경합금용으로 필요하며, 두 번째로 그러한 재료 샤프트(16)가 핀 및 핀 개구(26, 27)가 상호작용함으로써 고정되고(도 4c 참조), 이의 소결 이전에 한 개의 핀(26)/개구(27)가 초경합금 막대(3)의 예비 단계에서 제공되며, 대향하는 고정 샤프트(16)의 개구(27)/핀(26)이 소결 이후에 장착된다. 주강(2)의 용융에 사용되는 로(furnace)의 유형은 이하의 온도 범위에서 평가(account)가 얻어지는 주조 용융물의 상이한 온도 한도에 순응한다.
주강(2) 내 초경합금 막대(3)의 주조는 편의상 주로 용융 방법에 좌우되는 약 1,500-1,700℃, 바람직하게는 핀 온도에 관련하여 1,550-1,650℃에서 편리하게 시행되고, 초경합금 막대(3) 상의 표면은 야금을 형성하고 주강(2)과의 상기 경계 또는 결합구역(24)은 초경합금 막대(3)를 에워싼다. 톱니 본체(2) 및 초경합금 막대(3) 표면의 이러한 융합에서, 임의의 불순물 또는 습기가 단점인 재료 손상, 크랙, 기포 및 캐비티를 가져올 수 있고, 경계, 결합구역(24) 또는 주조 마모 부품(1)의 내측에 불량한 접착 및 낮은 강도를 가져올 수 있다.
초경합금 막대(3)는 또한 도시되지 않은, 초경합금 막대(3) 및 주강(2) 사이의 경계 또는 결합구역(24)의 예컨대 니켈 또는 강철막과 같은, 하나 이상의 금속막으로 피복될 수 있다. 만일 모든 것이 적절히 관리된다면, 즉 주조 내 부품(3)이 주의 깊게 세척되고 건조된 상태라면, 이로운 축소 예비장력조정이 주강 내 부피 수축을 통해 얻어진다. 따라서 초경합금 막대(3)는 분리된 강철 재료들 사이에 공조하는 주조 연결부를 따라 주강(2)에 결합되고, 상기 경계 및 결합구역(24)에서 야금 결합이 얻어짐과 동시에 압축 예비장력조정을 포함하는 억지끼워맞춤이 형성된다.
제거된 초경합금 막대 파편(16)은 새로운 초경합금 막대(3)의 생성을 위해 용이하게 회수될 수 있으며, 이는 환경 영향 및 경제적 이점 양자를 달성한다. 정밀 주조 금형 주조는 대부분의 마모 부품에 대해 충분히 부드러운 표면을 생성하며, 따라서 예컨대, 주요부 마무리 작업 없이 복잡한 형태를 갖는 마모 톱니와 같은 마모 부품을 생성할 수 있다.
바람직한 일 실시형태에서, 초경합금 막대(3)는 10 내지 30 mm, 바람직하게는 18 내지 23 mm의 직경을 가지며, 초경합금 막대(3)는 다소 원뿔형의, 바람직하게는 주조 내 단부(17)을 향하여 점점 커지는 직경을 가질 수 있다. 본 출원 명세서에 도시된 실시형태는 주로 종방향 대칭면(A)에서 그리고 또한 그에 실질적으로 수직한 대칭면(B)에서 톱니 네크(5)의 힘의 중립 구역에서 동심으로 배치된 초경합금 막대(3)를 포함하지만, 이는 초경합금 막대를 제공한다는 본 발명의 개념 내에 있으며 이는 편리한 것으로 간주된다. 예를 들면, 추가의 초경합금 막대가 추가의 마모 보호 보강부가 요구되는 톱니 네크(5)의 임의 구역의 단면에서 동심의 초경합금 막대(3)에 대하여 주변부에 배치될 수 있다. 초경합금 막대(3)의 막대 마모면(8)은 예를 들어 그 단면으로, 대칭면(A, B)의 한 면 또는 양면에 대해서 사각형, 직사각형, 원형, 타원형으로 하는, 횡방향 또는 관형 마모면을 포함할 수 있다. 직경과 관련하여 상술한 바는 이러한 경우에 비원형 단면에 대해 최대 폭으로서 간주된다. 관형 마모면의 경우에, 관이 주변부와 다른 등급의 강철로 채워지는 것이 가능하다. 이어서, 내부의 주조 내 부품(3)은 또한 하나 이상의 강철 등급으로 에워쌀 수 있음을 이해할 것이다. 초경합금 막대는 예컨대 절두 원뿔로 구성될 수 있다.
초경합금 막대(3)는 톱니 네크(5) 내측에 축방향 범위(길이)(Z)를 가지며, 초경합금 막대(3)는 톱니 네크(5)의 전방 측면(9)과 실질적으로 평행하게 구성되는 톱니 네크(5)의 종축(Y)에 평행하거나 임의의 소정 각도(λ)에서 구성되고(도 1 및 도 5 참조), 각도(λ)는 0-15° 범위 내이고 길이(Z)는 상기 종축(Y)을 따라 기본 톱니 네크(5)의 외측 자유단, 즉 그 기본 팁 마모면(7)으로부터 측정된 톱니 네크(5)의 길이(L)의 약 80-95%이며, 길이는 초경합금 막대(3)의 하부의 주조 내 단부(17)에서 내측 방향으로 한정되고 편의상 굴곡되어 마모 부품(1)의 자동 신호표시 기능을 강화한다.
돌출형 전방 네크(5)의 총 마모 길이(L)는 기본 팁 마모면(7)의 중앙으로부터 2개의 보강 측면 날개(12, 12')의 상부 측면까지 아래로 측정된 길이이다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 도시되지는 않았지만, 긴 초경합금 막대(3)의 상기 축방향 길이(Z)는 전방 돌출형 네크(5)의 총 마모 길이(L)의 약 65-95%일 수 있다.
초경합금 막대(3)가 잘 정의된 길이, 즉 초경합금 막대(3)의 길이(Z)를 갖고, 이는 톱니 네크(5)의 총 마모 길이(L)보다 짧기 때문에, 그 결과 실제로 마모 톱니(1)가 자동 신호표시 된다는 점이 달성되며, 즉 마모 부품(1)은 자신이 마모되어 교환되어야 함을 자동적으로 통지하며, 이는 마모 부품(1)이 고정된 가공 공구(11)에서 예컨대, 윈치 또는 구동 샤프트의 진동 또는 토크 저항의 변화와 같은 기록 가능한 속성에 의한다. 초경합금 막대(3)는 따라서 마모 톱니(1)의 톱니 홀더(10)의 상부 측면으로부터 임의의 거리에서 톱니 네크(5)에 고정되며, 따라서 톱니 홀더(10)는 톱니 네크(5)가 마모된 결과로 가공면(C)과 직접 접촉하게 되는 위험을 결코 겪지 않으며, 즉 마모 부품(1)의 총 가공 길이(L)가 소모된 경우에 마모 부품(1)은 자동 신호표시의 수신에 따라 즉시 교환된다. 일단 초경합금 막대(3)가 마모되면, 마모 톱니(1)의 가공 능력 및 그 날카로움이 변하여 예컨대 진동이 발생하고, 진동은 수동으로 또는 적절한 센서에 의해 검출되며, 그에 따라 준설기의 장치 작업자에게 예컨대 기존의 작업중인 마모 톱니(1)가 현재 교환될 필요가 있음을 알려준다.
이는 이전보다 마모 부품(1)의 더욱 바람직하고 효과적인 교환을 가져오는데, 이는 마모 톱니(1)가 교환될 필요가 있는 지 검사할 수 있기 위해서 준설기의 커터 헤드(11)가 수중에서 들어올려져야 했기 때문이다. 이는 또한 임의의 마모 톱니(1)가 불필요하게 교환되는 것을 의미하는데, 이는 어쨌든 커터 헤드(11)가 상승하고 마모 톱니(1)가 다음의 시각적 검사 때까지 견딜 수 없다는 점이 판단되고, 또한 임의의 마모 톱니(1)가 너무 늦게 교환되고 그에 따라 톱니 홀더(10)가 심각한 손상을 입게 되기 때문이다.
본 발명에 따르면, 바람직한 추가의 특징, 그 중에서도 특히 모든 마모 톱니(1)가 매우 정밀하게 교환될 수 있고, 따라서 가공 공구(11)의 증가한 효율이 얻어지고 어쩔 수 없는 작업 중단이 현저하게 감소한다는 특징이 얻어진다. 일단 자동 신호표시가 기록되어 교환이 실시된다면, 마모 톱니(1)의 톱니 홀더(10)가 손상되는 위험이 존재하지 않는다. 추가의 이점은 예컨대 초경합금 막대(3)가 교환되기 이전에 초경합금 막대(3)가 실제로 마모되고, 따라서 흔히 남겨지는 마모 톱니(1)는 오직 하나의 재료, 주강(2)만을 포함한다는 점이다. 따라서 잔여 톱니의 회수는 극히 간단하다. 초경합금이 완전히 제거되기 이전에 교환이 이루어진다면, 이 파편은 마모 부품(1)의 잔여부로부터 제거될 수 있고, 그 이후에 이 경우 균일한 강철 재료로 제작된 잔여 톱니 및 값비싼 초경합금으로 제작된 잔여 톱니 네크 파편의 회수가 구분되어 수행된다. 초경합금은 용이하게 분리될 수 있고, 왜냐하면 초경합금이 주강의 경우와 다른 상이한 용융점, 약 1,500 내지 1,700℃를 갖기 때문이다.
추가의 이점은, 초경합금 막대(3) 및 주강(2)의 잔여부 사이의 경계 및 결합구역(24)이 예비장력조정을 나타내고 경계(24)는 초경합금 막대(3)의 강한 구속을 허용하는 특징을 얻는다는 점이다. 초경합금(3) 및 주강(2) 사이의 결합구역(24)은 용해되고 주강(2)과 함께 혼합되어 그 결과 더 강한 초경합금 코어가 보다 연한 주강 및 보다 연한 결합구역에 의해 둘러싸여 형성되는 일부 용융된 초경합금을 포함하며, 이 용융된 초경합금은 1,220 내지 1,450 HV3의 경도를 갖고 주강(2) 및 초경합금 코어(3) 사이에 형성된다. 따라서 초경합금 코어(3)는 주강(2) 안으로 주조됨에도 불구하고 완전히 원형을 유지하고 영향을 받지 않는다. 이하에서 기술되는 실시형태의 경우보다 다소 연한 초경합금 코어가 사용된다면, 상기 결합구역(24)의 크랙 발생 위험이 감소하지만, 그 후 공구(11)의 사용 중에 내구성이 줄어든다. 바람직한 일 실시형태에서, 초경합금 막대(3)는 약 800 내지 1,750 HV3의 평균 경도를 갖는다.
상술한 바에 따라 초경합금 막대(3) 상의 고정 샤프트(16)가 제거된 이후에, 톱니 네크(5)의 자유 전방 팁 자유 마모면(7)에서 작은 만입부가 발견될 수 있지만, 이 전방 팁 마모면(7)의 마모의 결과로 셀프 샤프닝, 즉 마모 톱니(1)의 톱니 네크(5)의 연마가 신속히 발생하기 때문에, 초경합금 막대(3)는 가공면(C)의 해체에 접하여 시작할 수 있다. 팁 마모면(7) 내에 이러한 내측 막대 마모면(8)이 없고, 항상 가공면(C)에 대해 뭉뚝한 접촉면을 갖는 통상의 마모 톱니와 달리, 본 발명에 따른 마모 톱니(1)의 관통 효과는 항시 얻어진다. 마모 톱니(1)가 공구(11) 상의 제 위치에 적소에 고정된 경우(특히, 도 5 및 도 8 참조), 한 측면 또는 양 측면 마모의 경우에, 톱니 홀더(10)에 대해 고정된 마모 톱니(1)의 팁 마모면(7)은 가공면(C)에 대해 문질러지고, 팁 마모면(7) 전체에 걸쳐 커팅 에지(29)가 형성(도 6 참조)된다는 사실은 중요하지 않으며, 이는 초경합금 막대(3)의 막대 마모면(8)이 주강의 팁 마모면(7a, 7b)에 대해 여전히 전방 돌출형 팁을 구성하기 때문이다. 회전형 팁 표면의 경우에, 커팅 에지는 형성되지 않는다.
셀프 샤프닝 효과는 주강(2) 및 초경합금 막대(3)가 상이한 내마모성(또는 마모 강도로서 칭해진다)을 갖고, 즉 초경합금이 보다 높은 마모 강도를 갖고 따라서 주강(2)이 낮은 내마모성을 가져 주강(2)에 의해 에워싸인 초경합금 막대(3)보다 주강이 더욱 빠르게 마모된다는 사실로부터 얻어지며, 공구(11), 즉 마모 톱니(1)가 사용될 때 주강(2)과 초경합금(3) 사이의 내마모성 사이의 균형이 얻어지고, 마모 톱니 네크(5)가 마모 톱니(1)의 사용 중에 초경 합금 막대(3)가 노출됨에 따라 항시 날카롭게 되며 따라서 가공면(C)을 효과적으로 침투할 수 있다. 처음부터 끝까지, 초경합금 막대(3)는 톱니 네크(5)로부터 가장 멀리 튀어나오고 따라서 항시 가공면(C)을 가공하는 마모 톱니(1)의 부분이고, 한편 주강(2)은 가공면(C)을 전혀 가공하지 않거나 덜 가공한다. 이는 초경합금 막대(3)가 완전히 마모되어 자동 보고 기능이 자동으로 마모 부품(1)의 교환이 필요하다는 점을 신호로 발할 때까지 계속된다.
마모 부품(1)의 더욱 정교한 셀프 샤프닝 효과를 얻기 위해서, 주변의 주강(2)이 초경합금 막대(3)에 대해, 복수 층의 형태로 동심으로 배치되는 것이 바람직하며, 이때 각 층의 내마모성은 상이하다. 층들의 내마모성은 그 경도 및 두께에 의해 결정된다. 층의 구조는 수 많은 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 초경합금 막대(3)를 향하여 반경 방향 내측으로 점진적으로 증가하는 내마모성을 생성하기 위해서, 층의 두께 및 경도는 톱니 네크(5)의 단면 내에서 단계적으로 증가할 수 있다. 대안적으로, 층은 내마모성이 초경합금 막대(3)의 길이 방향을 따라 증가하도록 구성될 수 있다. 소정의 방식으로 층의 개수, 두께 및 경도를 변경함으로써, 따라서 다양한 용도에 대해 마모 부품(1)을 주문 제작하는 것이 가능하다. 마모 특징에 따라, 다양한 셀프 샤프닝 프로파일을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 임의의 용도에서, 원뿔형 셀프 샤프닝 프로파일이 바람직할 수 있고, 또 다른 용도에서 볼록형 셀프 샤프닝 프로파일이 바람직할 수 있다.
임의의 용도에서, 마모 부품(1) 주변에서 마모가 불균일하게 분포되며, 이는 마모 부품(1)의 어떤 부분이 다른 부분보다 더 빨리 마모됨을 의미한다. 그 후에 불균일한 마모를 보상하기 위해 마모 부품(1) 주변을 대응하는 불균일한 방식으로 층을 분배하는 것이 바람직할 수 있다.
마모 톱니(1)가 커터 헤드(11)가 좌우 흔들림 형태로 회전하는 준설기에서 사용되는 경우에, 마모 톱니(1)의 종방향 대칭면(A)의 양 측면에서 마모가 발생하고, 따라서 리지형 커팅 에지(29)가 실질적으로 초경합금의 중앙에 걸쳐 직접 형성된다. 이러한 커팅 에지(29)는 그 후에 초경합금 막대(3)가 소모될 때까지 상기 회전 및 좌우 흔들림 운동에 의해 계속 연마된다.
통상의 마모 톱니의 팁 표면과 비교하여 추가의 이점은 초경합금 팁(8)에 의해 가공면의 가장 견고한 부분이 깨어지고, 한편 초경합금 팁(8) 주변의 주강(2)의 팁 마모면(7)의 통상적인 부분(7a, 7b)은 그 후에 낮은 마모 비율을 얻고 따라서 마모 길이 당 향상된 효과를 얻는데, 이는 가공면(C)이 따라서 이미 해체되었기 때문이다. 마모 톱니(1)의 수명은 따라서 수 백 %만큼 증가할 수 있다.
초경합금 막대(3)의 가공 길이(Z)는 톱니 팁(6)이 너무 무디어지는 위험에 처한 경우에 초경합금 막대(3)가 뚜렷하게 소모되도록 구성되는데, 이는 또한 그 우측에서 초경합금 막대(3) 주변에, 적어도 그 측면(21) 및 후방 측면(14)에서 하향하여 실질적으로 동심으로 증가하는 톱니 네크(5) 그 자체와, 도 1 내지 도 3에 도시된 후면부(13) 및 측면 날개(12, 12')를 포함하는 톱니 네크(5)의 총 단면이 바람직하게는 톱니 홀더(10)를 향해 아래로 증가하고, 따라서 초경합금 막대(3)의 내구성 개선 효과가 급격히 사라지고, 무딘 마모 톱니(1)를 제공하며, 이는 진동의 커다란 증가 및/또는 가공면(C)에 대한 기록적인 낮은 가공 성능을 생성하며, 그런 까닭에 주목할만한 또는 검출 가능한 생산의 손실을 가져오며, 작업자는 마모 톱니(1)가 교환되어야 한다는 요구를 통지 받는다.
초경합금 막대(3) 주변의 주강(2)이 더 빨리 마모된다는 사실에 기인하여, 마모 부품(1)의 커팅, 마모 또는 침식 작용의 실질적인 부분을 담당하는 것이 초경합금 막대(3)가 되며, 이 효과를 셀프 샤프닝이라 부른다. 이는 마모 톱니(1)가 단단한 유형의 토양 및 암석 등을 더욱 쉽게 침투할 수 있고, 그에 따라 마모 톱니(1)가 더 큰 효율성을 갖는다는 장점을 가져온다. 이전에 사용된 통상의 마모 톱니는 매우 빠르게 무디어지며, 이는 이전의 톱니가 초경합금 팁을 갖지 않고 따라서 통상의 마모 톱니가 그 기능을 더욱 빠르게 잃어버리기 때문이다.
추가의 이점은 톱니 네크(5)를 따라 마모 톱니(1)의 전방 단부의 강도를 증가시키는 성능에 의해 달성되며, 이는 침투성이 없는 무딘 달리 부정적인 효과를 얻지 않고 이 단부 주변에 더 주강(2)을 사용할 수 있기 때문이다. 이는 예컨대, 매우 단단한 암석이라도 준설기의 커터 헤드(11) 상의 마모 부품(1)을 이용하여 침식되고 깨질 수 있다는 점을 의미한다. 덧붙여, 상기 보강 측면 날개(12, 12') 및 스파인형 보강부(13)와 같은 보강부를 커터 헤드(11)의 노즈(nose)로부터 멀어지는 방향에서 마모 톱니(1)의 톱니 네크(5)의 후면 상에 또는 후면(14)에 횡방향인 측면들(21) 상에 배치하는 것이 바람직하고, 이는 스파인형 보강부(13) 및 보강 측면 날개(12, 12')가 톱니 네크(5)를 보강하여 부러짐 없이 현저하게 길어지도록 만들 수 있고, 따라서 톱니 네크(5)의 가공 길이, 즉 마모 톱니(1)가 교환되기 전에 마모될 수 있는 길이는 그러한 보강부 없는 대응하는 동심의 톱니 네크와 비교하여 더욱 길어지게 할 수 있다. 커터 헤드는 예컨대, 각 마모 톱니(1)가 회전형 원통형 팁을 포함하고, 이 팁은 부러지지 않도록 매우 짧은 네크를 가지며, 따라서 원통형 팁을 구비한 이들 마모 톱니는 매우 빈번하게 교환될 필요가 있고, 그 결과 많은 수의 비용 발생적인 작업 중단을 가져온다는 점이 이미 알려져 있다.
본 발명에 따른 바람직한 실시형태의 마모 톱니(1)는 톱니 네크(5)의 기부를 향하여 증가하는 단면을 포함하며, 이 단면은 각각 톱니 네크(5)의 기부를 향하여 증가하는 단면의 바람직하게는 모든 측면(14, 21, 9)에서 초경합금 막대(3)를 에워싸는 톱니 네크(5)와, 톱니 네크(5)의 기부, 2개의 대향하는 부분, 즉 초경합금 막대(3)의 양 측면의 한 측면, 톱니 네크(5)의 기부를 향하여 증가하는 단면의 배열된 주강 부분을 향하여 증가하는 단면의 보강 스파인(13), 예컨대 보강 날개(12, 12') 또는 이들 대안들의 2 이상의 조합을 포함한다.
톱니 네크(5)에 에워싸인 초경합금 막대(3)를 갖는 상술한 구성에 따르면, 새로운 마모 톱니(1)의 속성은 적어도 주강 본체와 관련하여 오늘날의 통상의 마모 톱니와 같은 이점으로 나타나고, 동시에 적어도 톱니 네크(5)의 중앙에 초경합금 막대(3)의 배치는 예컨대 파괴강도 등과 같은 마모 톱니(1)의 속성이 향상된다는 점을 의미한다. 톱니 팁(6) 및 톱니 네크(5)가 개개의 강철 재료의 마모가 서로에게 정밀하게 부합되도록 각 강철 재료가 특정한 상호 균형을 갖는, 2개의 대향하는 방향에서 마모 되어간다면, 날카로운 에지(29)가 마모면(7)의 대향하는 각 부분(7a, 7b) 사이에서 팁 마모면(7)을 횡방향으로 가로지르는 중앙선을 따라 형성되고, 날카로운 에지(29)는 날카로운 칼과 같이 기능하여 느슨한 새로운 재료를 절단하고, 더욱 각 진 마모면이 형성된다면, 느슨한 새로운 재료를 더 긁어내는 송곳형 팁이 대신하여 얻어진다.
덧붙여, 도 1에 도시된 단면에 의해 칼 기능이 보강되며, 이는 스파인 형상의 보강부(13)를 포함하며, 이는 더욱 긴 톱니 네크(5)를 생성할 수 있도록 하고 따라서 예컨대 한 번 부러진 둥근 톱니 네크보다 더 길게 마모할 수 있고, 휨 강도는 예컨대 도 1에 도시된 보강된 실시형태를 이용하여 달성 가능한 길이에 대처할 수 없다. 둥근 톱니 네크의 길이 및 직경 사이의 관계는 가공 특성이 손상되거나 파손의 위험성이 너무 커지기 전까지 2보다 커서는 안 된다. 보강부, 즉 후면 부분(13) 및 팁 마모면(7)에 횡방향의 측면 날개(12, 12')를 갖는 구성에 따르면, 톱니 네크의 길이는 도 1에 도시된 바와 같이 톱니 네크(5)의 전방 단부에서 톱니 네크(5)의 횡방향 측정치보다 3 내지 5배 클 수 있고, 그 후 가공 특성이 손상되거나 파손 위험이 너무 커지는 일 없이 가공 길이, 및 그에 따른 마모 톱니(1)의 사용 기간을 배가할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 스파인 형상 프로파일(13) 및 커팅 팁 표면 형태(29)에 따른 추가의 이점은 실제 마모 톱니(1)가 또한 해체된 가공 재료를 운반하여 갖다 버리는 부삽 기능으로 작동된다는 점이다.
예시 실시형태
특정하게 도시된 실시형태
다음의 바람직한 주조 합금 - 또한 위에서 주강(cast steel)으로 칭해짐 - 은 주로 95.0 내지 96.0 중량%의 철계(Fe) 합금을 포함하며, 이 합금 재료는 바람직하게는 다음을 포함한다.
예시 실시형태 1: (중량%)
주강의 화학적 조성:
C 0.24 내지 0.28 중량%
Si 1.40 내지 1.70 중량%
Mn 1.00 내지 1.40 중량%
P 최대 0.025 중량%, 바람직하게는 0.020 중량%
S 최대 0.020 중량%, 바람직하게는 0.013 중량%
Cr 1.25 내지 1.50 중량%
Ni 0.40 내지 0.60 중량%
Mo 0.17 내지 0.22 중량%
Al 최대 0.03 내지 0.08 중량%, 바람직하게는 0.045 중량%
Ti 최대 0.04 내지 0.10 중량%, 바람직하게는 0.07 중량%
N 최대 180 ppm, 바람직하게는 120 ppm
DI 경화능 지수 최소 6.6, 바람직하게는 7.3, 최대 10.8
열처리:
900 내지 1,050℃에서 풀 어닐링/정규화. 시간: 최소 3시간 ±1시간, 또는 25 mm 길이 당 1시간.
개방된 공기에서 냉각, 850 내지 1,000℃로 가열. 시간: 1시간 ±0.5시간. 물-폴리머욕 또는 물에서 경화.
200 내지 300℃에서 담금질. 시간: 3시간 ±1시간, 또는 25 mm 길이 당 1시간, 개방된 공기에서 냉각. 모든 시간은 전체 구성요소 부분이 온도로 상승함에 기초한다.
기계적 속성:
브리넬 경도(Brinell-hardness) HB 최소 450, 바람직하게는 475
항복점 Rp0.2 최소 1,200 MPa, 바람직하게는 1,300 MPa
파괴강도 Rm 최소 1,450 Mpa, 바람직하게는 1,550 MPa
신장율 A5 최소 2%, 바람직하게는 5%
단면 수축률 Z 최소 4%, 바람직하게는 10%
충격강도 KV+20 최소 12 J, 바람직하게는 15 J
충격강도 KV-20 최소 12 J, 바람직하게는 12 J
주강용 탄성율(E-modulus) 195 내지 220 GPa
경도는 주조 및 2 mm 연삭 이후에 측정된다.
초경합금의 화학적 조성:
대략 0.5 내지 7.0 ㎛ 입경의 탄화텅스텐을 갖는 10 내지 25%의 Co 및/또는 Ni.
비커스 경도 3 800 내지 1,750 HV3
경계 또는 결합구역의 속성:
비커스 경도 3 1,220 내지 1,450 HV3
예시 실시형태 2: (중량%)
주강의 화학적 조성:
C 0.31 내지 0.36 중량%
Si 1.10 내지 1.50 중량%
Mn 0.80 내지 1.10 중량%
P 최대 0.025 중량%, 바람직하게는 0.015 중량%
S 최대 0.015 중량%, 바람직하게는 0.010 중량%
Cr 1.00 내지 1.40 중량%
Ni 최대 0.50 중량%
Mo 0.20 내지 0.30 중량%
Al 최대 0.03 내지 0.08 중량%, 바람직하게는 0.045 중량%
Ti 최대 0.04 내지 0.10 중량%, 바람직하게는 0.07 중량%
N 최대 180 ppm, 바람직하게는 120 ppm
DI 경화능 지수 최소 6.6, 바람직하게는 7.3, 최대 10.8
열처리:
900 내지 1,050℃에서 풀 어닐링/정규화. 시간: 최소 3시간 ±1시간, 또는 25 mm 길이 당 1시간.
개방된 공기에서 냉각, 850 내지 1,000℃로 가열. 시간: 1시간 ±0.5시간. 물-폴리머욕 또는 물에서 경화.
200 내지 300℃에서 담금질. 시간: 3시간 ±1시간, 또는 25 mm 길이 당 1시간, 개방된 공기에서 냉각. 모든 시간은 전체 구성요소 부분이 온도로 상승함에 기초한다.
기계적 속성:
브리넬 경도(Brinell-hardness) HB 최소 500, 바람직하게는 530
항복점 Rp0.2 최소 1,300 MPa, 바람직하게는 1,400 MPa
파괴강도 Rm 최소 1,600 Mpa, 바람직하게는 1,700 MPa
신장율 A5 최소 2%, 바람직하게는 4%
단면 수축률 Z 최소 4%, 바람직하게는 8%
충격강도 KV+20 최소 10 J, 바람직하게는 14 J
충격강도 KV-20 최소 8 J, 바람직하게는 10 J
경도값은 주조 및 특정 위치의 2 mm 연삭 이후에 측정된다.
시험 바(test bar) 50 × 35 mm
야금학적 양태 및 추가 구성
주강(2)은 탄소 당량 Ceq = C(중량%) + 0.3[ Si(중량%) + P(중량%) ]을 갖는 조성물을 갖고, 이 탄소 당량은 0.9 중량%보다 작고, 바람직하게는 0.8 중량%보다 작지만, 여전히 0.1 중량%를 초과하고, 바람직하게는0.5 중량%를 초과한다. 주강은 바람직하게는 Cr, Ni, Mo 저합금강 재료로 구성되며, 이 재료는 약 1,450 내지 1,550℃의 용융점을 갖는다. 주강의 경도는 45 내지 55 HRC 범위이다.
본 발명은 Co 및/또는 Ni의 결합상(bonding phase)을 구비한 탄화텅스텐계(WC-based) 초경합금에 적용되며, 바람직하게는 유리 흑연(free graphite)의 형성에 가깝게 놓이는 탄소 함량 갖고, 코발트 결합상을 구비한 초경합금의 경우에 자기 코발트(magnetic cobalt) 함량이 공칭 코발트 함량의 0.9 내지 1.0 이라는 점을 의미한다. 최대 5 중량%의 Ti, Cr, Nb, Ta 또는 V의 탄화물이 존재할 수 있다.
예컨대, 준설기 커터와 같은 토양 이동 도구(earth-shifting tool)용으로 의도된 바람직한 일 실시형태에서, 초경합금은 0.5 내지 7 ㎛ 입경의 탄화텅스텐(WC)을 구비한 10 내지 25 중량%의 Co 및/또는 Ni의 결합상 함량을 갖는다.
초경합금 및 주강 사이의 전이구역은 우수한 결합을 가지며, 이는 캐비티 및 크랙으로부터 근본적으로 자유롭다. 그러나 주강 및 초경합금 사이의 이 구역 내에 일부 소수의 크랙은 제품의 성능에 심각하게 영향을 주지 않는다. 전이구역/결합구역에서 50 내지 200 ㎛ 범위의 두께를 갖는 박형의 에타상(η-phase) 구역 (B)가 존재한다. 에타상 구역에 가장 가까운 초경합금에, 0.5 내지 2 mm 범위의 폭을 갖는 철 함유 결합구역 (C)이 존재한다. 에타상 구역에 가장 가까운 강철에, 10 내지 100 ㎛ 두께의 향상된 탄소 함량을 갖는 구역 (E)가 존재한다. 주조 방법에 따르면, 초경합금 막대가 금형 내에 고정되고 용융 강철이 금형 안으로 부어진다. 용융 강철의 온도는 금형 안으로 부어질 때 1,550 내지 1,650℃ 범위이다. 바람직하게는, 초경합금 막대는 제 위치에서 고정된 초경합금 막대 주위에서 금형 안으로 통과하는 주강 용융물에 의해 미리 가열된다. 공기 중에서 냉각이 이루어진다. 주조에 뒤 이어, 표준 열처리가 수행되어 강철을 경화시키고 담금질한다.
실시예 1
5 중량%의 Ni 및 10 중량%의 Co, 및 4 ㎛ 입경의 잔여 탄화텅스텐(WC)을 구비하고, 22 mm 직경과 120 mm 길이의 원통형 초경합금 막대가 통상의 분말야금 방법(powder metallurgical method)에 의해 제조되었다. 탄소 함량은 5.2 중량%이고 경도는 1,140 HV3이다.
막대는 준설기용 커터 헤드에서 사용되는 VOSTA T4 시스템용 마모 톱니를 생성하기 위한 금형 내에 고정되었다. 0.26 중량%의 C, 1.5 중량%의 Si, 1.2 중량%의 Mn, 1.4 중량%의 Cr, 0.5 중량%의 Ni 및 0.2 중량%의 Mo, Ceq = 0.78인 CNM85 타입의 강철이 용융되고, 1,570℃의 온도를 갖는 용융된 덩어리가 금형 안으로 부어졌다. 초경합금 막대는 제 위치에서 고정된 초경합금 막대 주위에서 금형 안으로 통과하는 주강 용융물에 의해 미리 가열되었다. 뒤 이어 공기 냉각되고, 톱니가 950℃에서 정규화되고 920℃에서 경화되었다. 250℃의 담금질이 제품이 연삭에 의해 최종 형태를 얻기 이전에 열처리의 최종 단계였다.
톱니 내 초경합금/주강 사이의 전이구역(transition zone)의 야금학적 검사를 위해 한 톱니가 선택되었다. 톱니의 단면이 절단, 연삭 및 연마에 의해 준비되었다. 초경합금/주강 사이의 전이구역이 광학현미경(LOM; light-optical microscope)에서 검사되었다. 광학현미경(LOM) 연구는 무라카미(Murakami) 및 나이탈(Nital) 에칭된 표면과 에칭되지 않은 표면 모두에 대해서 실시되었다(도 9 및 도 10 참조). 주강 및 초경합금 사이의 결합은 우수하였고 근본적으로 캐비티 및 크랙이 없었다. 초경합금 및 주강 사이에서 100 ㎛ 두께의 에타상 구역 (B)이 발견되었다. 영향받지 않은 초경합금의 상부 (D)에 1.5 mm 두께를 갖는 철함유 전이구역 (C)가 초경합금 내에 존재하였다. 주강에서 50 ㎛의 탄소 보강 구역 (E)가 존재한다. 결합구역 전체에 걸쳐 텅스텐(W), 코발트(C), 철(Fe) 및 크롬(Cr)의 분포가 또한 전자 탐침 미량분석(EPMA; electron-probe microanalysis)에 의해 검사되었다. 도 11은 결합구역에 수직한 선에 따라 텅스텐(W), 코발트(C), 철(Fe) 및 크롬(Cr)의 분포를 보여주고, 전이구역 (C)이 근본적으로 철 결합상의 탄화텅스텐으로 구성된다는 점이 발견되었다.
실시예 2
20 중량%의 Co, 2 ㎛ 입경의 잔여부 탄화텅스텐(WC)으로 구성된 초경합금 등급을 이용하여 실시예 1이 반복되었다. 자기 코발트(Co) 함량은 18.4 중량%였고 경도는 900 HV3였다.
대안적인 실시형태
본 발명은 도시된 실시형태로 한정되지 않으며, 특허청구범위의 범위 내에서 다양한 방식으로 변경될 수 있다.
1. 마모 부품, 마모 톱니
2. 제1 재료 부분, 주조 본체, 주조, 주강
3. 제2 재료 부분, 주조 내 부품, 긴 초경합금 막대
4. 고정부, 톱니 샤프트
5. 톱니 네크, 돌출형 네크
6. 톱니 팁, 외측 팁
7. 팁 표면, 톱니 팁 마모면
8. 자유 마모면, 막대 마모면
9. 톱니 네크의 전방 측면
10. 홀더부, 톱니 홀더
11. 가공 공구
12. 측면 날개(12, 12')
13. 스파인 형상 보강부(13), 스파인 부분
14. 톱니 네크(5)의 전방 부분의 후면(14)
15. 토크 러그
16. 고정 샤프트, 초경합금 막대
17. 주조 내 단부, 주강 내 초경합금 막대
18. 파손 지점, 직경 변화부
19. 노치, 요홈
20. 주강 에지 또는 지지 구역
21. 측면 에지
22.
23. 주조 정밀 금형, 쉘부(23')
24. 경계 또는 결합구역
25. 구조물, 고정 러그(25)
26. 핀
27. 핀 개구
28.
29. 커팅 에지
30.
종축(X), 종축(Y)
각도 α
각도 β
각도 δ
각도 λ
전단력 성분 FC
수직력 성분 FS
횡방향 수평력 성분 FP
가공면(C)
초경합금 막대(3)의 길이(Z)
톱니 네크의 길이(L)
42. 대칭면 A
43. 대칭면 B

Claims (15)

  1. 개선된 내마모성과 마모 강도를 갖는 마모 부품(1)으로서,
    상기 마모 부품(1)은 적어도 제1 재료 부분(2) 및 제2 재료 부분(3)을 포함하고, 제1 재료 부분(2)은 주조 합금의 주조 본체(2)로 구성되며,
    상기 주조 본체(2)는 가공 공구(11)의 홀더부(10)에 탈착 가능하게 고정되는 후방 고정부(4)를 포함하고, 가공 공구(11) 마모 부품(1)이 교환 가능한 소모성 부품으로 구성되고,
    또한 후방 고정부(4)를 통하여 종축(X)으로부터 소정의 각도로 돌출하는 전방 네크(5)를 포함하며, 돌출형 전방 네크(5)는 최외각에 배치된 적어도 하나의 팁 마모면(7)을 갖는 외측 팁(6)을 갖고 팁 마모면(7)은 가공면(C)에 대해 능동적으로 가공하기 위한 부분을 구성하고, 상기 돌출형 네크(5)는 상기 외측 팁(6)에서 적어도 하나의 팁 마모면(7)으로부터 마모되기 시작하며, 상기 제2 재료 부분(3)은 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(3)로 구성되며, 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(3)는 마모 부품(1)의 종방향 대칭면(A)에 실질적으로 제1 재료 부분(2)의 돌출형 네크(5)의 축방향 내측으로 고정되고, 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(3)는 상기 외측 팁(6)의 보다 큰 팁 마모면(7)의 일부를 구성하는 적어도 하나의 자유 막대 마모면(8)을 포함하고, 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(들)(3)의 다른 모든 측면은 상기 제1 재료 부분(2)에 의해 제 위치에서 에워싸여 고정되며,
    이때 상기 마모 부품(1)의 적어도 하나의 긴 초경합금 막대(3)는 돌출형 네크(5)의 힘의 중립 구역의 중앙에 돌출형 네크(5)의 종축(Y)에 실질적으로 동심으로 배치되고, 그리고 후방 고정부(4)의 종축(X)으로부터 임의의 거리에서 뚜렷하게 종료하는 내측 주조 내 단부(17)를 갖는 돌출형 네크(5)의 길이(L)보다 짧은 길이(Z)를 포함하며, 따라서 내측 주조 단부(17)의 최종 마모시에 기록 가능한 진동 및 그에 따라 마모 부품(1)의 교환이 작업 중에 요구되는 자동 보고 기능을 포함하는 자동 신호를 생성하는 것인 마모 부품.
  2. 제1항에 있어서, 홀더부(10) 내측의 후방 고정부(4)의 고정에서 내측 주조 내 단부(17)는 톱니 홀더(10)의 상면(top side)으로부터 임의의 거리에서, 또한 톱니 홀더(10) 안으로 삽입되는 후방 고정부(4)의 종축(X)으로부터 임의의 다른 거리에서 종료되는 것인 마모 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 재료 부분(2)은 긴 초경합금 막대(3)보다 낮은 내마모성을 갖는 재료를 포함하고, 제1 재료 부분(2)의 낮은 강도와 긴 초경합금 막대(3)의 높은 강도 사이의 비율이 형성되어 제1 재료 부분(1)의 팁 마모면(7)의 잔여부에 관하여 긴 초경합금 막대(3)의 자유 막대 마모면(8)이 항상 주변의 돌출형 네크(5)보다 더 돌출하여 셀프 샤프닝 성능을 생성하는 것인 마모 부품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마모 부품(1)은 상이한 내마모성을 갖는 적어도 2개의 마모면(7a, 7b, 8)을 포함하고, 상기 적어도 2개의 마모면(7a, 7b, 8)은 내마모성이 긴 초경합금 막대(3)의 반경 방향에서 증가하도록 구성되며 따라서 마모 부품(1)의 셀프 샤프닝 성능을 생성하는 것인 마모 부품.
  5. 제4항에 있어서, 상기 마모 부품(1)의 적어도 2개의 마모면(7a, 7b, 8)은 긴 초경합금 막대(3) 주위에서 동심의 층으로 구성되는 것인 마모 부품.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴 초경합금 막대(3)는 돌출형 네크(5)의 종축(Y)에 대하여 0 내지 15°범위 내의 각도 (λ)로 구성되는 것인 마모 부품.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴 초경합금 막대(3)는 외측 팁(6)의 기본 팁 마모면(7)의 중앙으로부터 계산된 돌출형 네크(5)의 길이(L)의 80% 내지 95% 사이의 길이(Z)로 구성되는 것인 마모 부품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴 초경합금 막대(3)는 800 내지 1,750 HV3의 평균 경도를 갖는 재료로 구성되는 것인 마모 부품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마모 부품(1)용 가공 공구(11)는 내측 주조 내 단부(17)의 최종 마모시의 기록 가능한 진동을 기록하고 그에 따라 긴 초경합금 막대(3)가 완전히 마모되어 교환되어야 함을 알려주도록 구성된 센서를 포함하는 것인 마모 부품.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴 초경합금 막대(3)는 절두 원뿔형으로 구성되는 것인 마모 부품.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴 초경합금 막대(3)는 10 mm 내지 30 mm의 최대폭을 갖는 것인 마모 부품.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴 초경합금 막대(3)의 종축을 가로지르는 긴 초경합금 막대(3)의 단면은 사각형 또는 직사각형 형태인 것인 마모 부품.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 긴 초경합금 막대(3)의 종축(Y')을 가로지르는 긴 초경합금 막대(3)의 단면은 원형 또는 타원형 형태인 것인 마모 부품.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마모 부품(1)은 상기 마모 부품(1) 내 중앙에 배치된 제1 초경합금 막대(3) 및 제1 초경합금 막대(3)에 대하여 주변부에 배치된 적어도 하나의 추가의 초경합금 막대를 포함하는 것인 마모 부품.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마모 부품(1)은 마모 톱니(1)의 외측 팁(6) 및 마모 톱니(1)의 후방 고정부(4) 사이에 배치된 적어도 하나의 보강부(12, 12', 13)를 포함하는 것인 마모 부품.
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