KR20100101962A - 씰 제조용 합금주철, 씰 및 씰의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 씰(Seal) 제조용 합금주철, 씰 및 씰 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 씰(Seal) 제조용 합금주철은 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 용해시 생기는 불가피한 불순물을 포함한다. 이에 의해, 원심 주조 공법을 통해 씰(Seal)을 생산함으로써, 씰(Seal)의 생산성을 향상시키며, 내마모성이 우수한 씰(Seal)을 생산할 수 있다.
원심 주조, 씰

Description

씰 제조용 합금주철, 씰 및 씰의 제조 방법{Alloy iron cast for seal, seal and manufacturing method for seal}
본 발명은 씰(Seal) 제조용 합금주철, 씰 및 씰의 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 생산성이 우수한 원심주조 공법이 적용가능한 씰(Seal) 제조용 합금주철과 씰 및 씰의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 무한궤도는 포크레인이나 불도저와 같이 농업용, 토목용 차량 등에 사용되며, 군사적으로는 전차, 장갑차 등에 사용되고 있다.
무한궤도차량에는 바퀴 역할을 하는 체인벨트가 회전하도록 지지하는 트랙 롤러가 구비된다. 이 트랙 롤러에는 회전 마찰을 감소시켜 마모를 줄일 수 있도록 내부에 윤활유가 충진되어 있는데, 이 윤활유가 외부로 누출되거나 외부에서 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 플로팅 실(floating seal)이 장착된다.
이러한 씰(Seal)은 롤러 내부에서 윤활유의 누유를 방지하는 Sealing 기능과 회전을 시키는 Bearing 기능을 동시에 지닌 특수합금주철로 만들어진다.
한편, 기존에는 씰(Seal)을 쉘 몰드(shell mold) 주조 공법을 이용하여 제작하였다. 그러나 쉘 몰드(shell mold) 주조 공법은 조형단계, 주입단계, 숏트단계, 사상단계, 열처리단계, 검사단계, 연삭단계, 랩핑단계, 세척단계, 버핑단계를 거쳐 씰을 제작하게 되는바, 제조 공정이 복잡한 단점이 있다.
이에, 제조 공정이 간단하면서 친환경적인 원심주조 공법을 사용하여 씰(Seal)을 제작하는 것이 바람직하나, 원심주조 공법은 쉘 몰드(shell mold) 주조 공법과의 차이로 인해 기존과는 다른 조직이 형성되어 제조된 씰(Seal)의 취성이 강해지고, 기밀성 및 내마모성이 떨어지는 결과를 나타내었다.
따라서, 본 발명의 목적은 원심 주조 공법이 적용 가능한 씰(Seal) 제조용 합금주철을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철은, 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 용해시 생기는 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씰은, 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씰 제조방법은, 씰 제조용 합금주철을 용해하는 용해단계, 용해된 합금주철을 회전주형틀에 주입하는 주입단계, 주조된 씰을 회전주형틀로부터 분리하고, 씰을 열처리하는 열처리 단계, 및 씰의 표면조도를 균일하게 하는 연삭단계 및 랩핑단계를 포함하고, 합금주철은, 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 용해시 생기는 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명에 따르면, 씰(Seal)을 원심 주조 공법을 통해 생산할 수 있게 되어 생산성이 향상되며, 생산된 씰(Seal)은 우수한 내마모성을 가질 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 트랙 롤러와 이에 장착되는 씰을 도시한 부분 절단 사시도이다.
씰(100)은 트랙 롤러(120) 내부에서 윤활유의 누유를 방지하는 Sealing 기능과 회전을 시키는 Bearing 기능을 동시에 지닌 특수합금주철로 만들어진다.
트랙 롤러(120)에는 회전 마찰을 감소시켜 마모를 줄일 수 있도록 내부에 윤활유가 충진되어 있는데, 이 윤활유가 외부로 누출되거나 외부에서 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 씰(100)이 장착되는 것이다.
한편, 본 발명에 따르면, 이러한 씰(100)을 원심 주조 공법을 통해 제작할 수 있다.
원심 주조 공법이라 함은, 주형을 회전시키면서 용융금속을 흘려 보내고 원심력을 이용하여 주물을 만드는 주조법이다.
형태가 복잡한 주물이나 미세한 주물의 경우에, 원주를 따라 방사상으로 주형을 배치하여 반지름 방향으로 용융금속의 유로를 만들어 놓고 원판의 중심으로 흘러들어가게 하고, 원판을 회전시켜 원심력에 의해 가압하면서 주조한다.
이러한 원심 주조 공법은 도 5에서 후술하겠지만, 주입단계, 사상단계, 연삭단계, 랩핑단계를 거쳐 씰을 제작할 수 있으므로, 쉘 몰드(shell mold) 주조 공법 에 비해 공정이 단순하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 씰은 특수합금주철로 만들어진다. 씰의 주된 성분은 철(Fe)임은 당연하며, 이하에서는 본 발명의 주요한 성분만을 설명하기로 한다. 잔량은 철 및 공정상의 불가피한 불순물을 포함한다. 불순물로는 코발트(Co), 텅스텐(W), 인(P), 바나듐(V) 등이 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 씰 제조용 합금주철은 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt%을 포함할 수 있다.
씰은 롤러 내부에서 Sealing 기능과 Bearing 기능을 동시에 수행하므로, 내 마모성이 씰의 가장 중요한 특징 중 하나이다. 이에 탄소는 씰의 충분한 경도 및 잔류 오스테나이트를 제공하기 위해 제공되며, 3.8 내지 4.2wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
도 2는 탄소 포함량에 따른 공정반응 및 과공정반응을 나타내는 상평형 도이다.
도 2를 참조하면, 기존의 씰 제조용 합금주철은 도 2의 A와 같이, 탄소(C)의 포함량이 약 3.0 내지 3.7wt%로 공정반응 또는 아공정반응을 하여 탄화물 생성보다는 오스텐나이트 생성을 유도하였다.
반면에 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철에 의해 제조되는 씰은 도 2의 A와 같이, 탄소(C)의 함량이 3.8 내지 4.2wt%로, 이에 의해 취성이 없는 구간에서의 과공정 반응을 유도하여 탄화물의 양이 많아지게 된다.
즉, 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철에 의해 제작된 씰은 과공정 반응을 하기에 탄화물의 양이 많다. 이는 기존에 비해 내 마모성이 월등히 상승하는 것을 의미한다. 따라서, 탄소는 3.8 내지 4.2wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
다만, 이와 같은 경우, 내마모성의 증가와 함께 취성 및 경도가 증가하는 결과를 초래하나, 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철은 오스테나이트 안정을 위한 니켈(Ni) 및 마르텐사이트와 탄화물 과다형성을 억제하는 몰리브덴(Mo)의 추가 장입으로 취성을 증가를 억제하고, 경도의 과다한 증가를 억제할 수 있다.
이러한, 니켈은 3.3 내지 4.7wt%로 포함되는 것이 가장 바람직하며, 몰리브덴은 2 내지 5wt%로 포함되는 것이 바람직하다. 한편, 니켈 대신 구리를 사용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 발견하였다.
또한, 규소가 1.2wt% 이상 포함되므로써, 오스테나이트의 안정성을 향상시킬 수 있다. 다만, 2.0wt%를 초과하여 포함되는 경우는 씰의 깨어짐이 발생할 수 있으므로, 규소는 1.2 내지 2.0wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철은 16 내지 18wt%의 크롬을 포함함으로써, 생성되는 씰의 조직 중 카바이드의 분포가 균일해지며, 0.8 내지 1.5wt%의 망간을 포함함으로써, 주조성이 우수해질 수 있다.
이하에는 실시 예를 통해 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로 한정되지 않는다.
표 1은 다양한 씰 제조용 합금주철의 조성을 나타내며, 표 2는 표 1의 성분을 가지는 씰 조성물에 의해 씰을 원심 주조 공법으로 제작하고, 제작된 씰을 도 1 에 도시된 바와 같이 롤러에 장착하여 스피닝 테스트(Spinning test)를 한 결과를 나타낸다.
여기서, 스피닝 테스트는 100rpm에서 900rpm까지 100rpm 단위로 일정하게 상승시키며, rpm상승시마다 Weeping 및 누유 정도를 Check하였다.
한편, 테스트 완료 후 씰의 접촉면 상태에 대해서 뜯김여부를 육안 확인하였으며, 육안 확인이 안될시에는 현미경으로 관찰하였다.
이하에서, 특별한 언급이 없는 한 단위는 wt%이며, 잔부는 철(Fe)과 불순물이다. 불순물로는 소량의 코발트(Co), 텅스텐(W), 인(P), 바나듐(V)이 포함되었다.
No. C Ni Mo Si Cr Mn
1 3.8 3.81 2.14 1.2 15.54 0.1
2 3.64 3.77 3.9 1.5 15.94 0.2
3 3.63 3.95 4.11 1.56 16.95 0.51
4 3.65 4.5 4.07 1.53 17.08 0.86
5 3.83 4.66 4 1.48 17.01 0.5
6 3.7 4.56 3.85 1.5 17.14 0.87
7 3.7 3.6 2.1 1.8 16.4 1.25
8 3.8 3.77 3.9 1.2 18.1 1.25
9 4.05 3.95 4.11 1.72 18.0 1.25
10 3.8 4.5 4.07 1.9 16.5 1.3
11 4.1 4.66 5 1.87 16.42 1.25
12 4.3 4.7 4.5 1.9 16.2 1.2
13 4.27 4.7 5 1.75 16.18 1.5
14 3.8 3.3 2.1 1.7 17.1 1.25
15 4.05 3.2 3.9 1.72 16.3 1.25
16 4.2 3.5 4.11 2.0 16.5 1.3
17 4.2 4.06 4.07 1.87 16.42 1.25
18 3.9 4.7 5.0 2.2 18.8 1.2
19 3.95 4.8 4.5 1.75 16.18 1.25
20 3.87 4.79 5 1.7 16.1 1.25
21 3.87 4.6 1.3 1.72 17.3 1.25
22 3.87 4.7 1.2 1.9 16.5 1.3
23 4.1 3.95 2.1 1.32 16.42 1.25
24 3.9 4.5 3.85 1.8 16.2 1.2
25 4.1 3.77 4.07 1.75 18.0 1.5
26 4.07 3.6 3.9 1.72 16.3 1.25
27 4.1 3.3 5.6 1.9 16.5 1.3
28 3.9 3.9 5.9 1.87 16.42 1.25
Figure 112009014578536-PAT00001
표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철은, 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt%를 포함하는 경우, 900rpm까지 Weeping 및 누유가 발생하지 않았으며, 씰의 접촉면 상태의 뜯김여부가 발견되지 않았다.
이는 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철을 이용하여 원심주조 공법으로 씰을 제조하더라도 내구성이 우수한 씰을 제작할 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 니켈 대신 구리를 첨가한 경우도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 3a는 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철로 제작된 씰의 조직을 도시한 도이며, 도 3b 및 도 3c는 기존의 씰의 조직을 도시한 도이다. 도 4는 도 3a에 도시된 씰의 엑스레이 회절 결과를 도시한 도이다.
우선, 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 설명하면, 도 3a는 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철을 원심 주조 방식으로 제작한 씰의 조직도이고, 도 3b 및 도 3c는 기존의 합금주철을 쉘 몰드 공법을 통해 제작한 씰의 조직도로, 도 3a는 도 3b 및 도 3c와 비교하여, 육각형 모양의 초정 탄화물(A)의 양이 보다 많고, 오스텐나이트 및 마르텐사이트(B)가 적은 것을 알 수 있다.
한편, 원심주조공법은 주조시 냉각속도가 빨라 카바이드의 생성이 충분하지 않을 수 있으나, 주조 후 열처리 단계를 거쳐 2차탄화물(C)을 생성하게 되며, 대부분은 마르텐사이트와 탄화물로 변태된다.
즉, 원심 주조 공법을 통해 본 발명의 씰 제조용 합금주철로 제작된 씰의 미세 조직은 오스텐나이트 10 내지 20%, 마르텐사이트 25 내지 35% 및 카바이드 50 내지 60%를 포함한다. 이는 도 4의 엑스레이 회절 결과를 통해서도 알 수 있다.
이는 도 2에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제작되는 씰은 취성이 없는 구간에서의 과공정 반응을 하므로 탄화물의 양이 많아지게 되기 때문이다.
따라서, 씰 조성물이 상술한 범위를 가지는 경우, 씰을 원심 주조 공법을 통해 생산할 수 있게 되어 생산성이 향상되며, 생산된 씰은 우수한 내마모성을 가질 수 있게 된다.
5는 본 발명의 일 실시예에 따른 씰 제조방법을 도시한 도이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철은 원심 주조 공법을 적용할 수 있으며, 본 발명에 따른 씰 제조방법은, 씰 제조용 합금주철을 용해시키는 용해단계, 용해된 합금주철을 회전주형틀에 주입하는 주입단계, 제작된 씰을 열처리하는 열처리단계, 씰의 표면을 연마하는 사상단계, 연삭단계 및 랩핑단계를 포함한다.
도 5를 참조하면, 우선, 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철을 용해시킨 용탕(510)을 회전주형틀(520)에 주입한다. 회전주형틀(520)은 구리로 제작할 수 있으며, 두 개의 틀을 좌우로 결합할 수 있도록 제작된다.
합금주철은 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 용해시 생기는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
회전주형틀(520)의 하부에는 스핀들(550)이 부착되어 있으며, 스핀들(550)은 기어(540) 등으로 연결된 모터(530)의 구동에 의해 300 ~ 2000rpm으로 회전하게 된다. 이에 의해 회전주형틀(520)에 주입된 용탕(510)은, 원심력에 의해 회전주형틀(520) 내부에 형성된 주조하고자 하는 씰의 형상에 따라 내부의 음각주형(560)에 압착 응고하게 되며, 치밀한 씰을 제작할 수 있다.
이어서 제작된 씰을 회전주형틀(520)로부터 분리하여 열처리를 한다. 회전주형틀(520)은 구리 등으로 제작되어 열전도도가 높으므로, 씰의 냉각속도가 빠르게 된다. 따라서, 제작된 씰은 충분한 카바이드가 생성되지 않을 수 있는바, 열처리 단계를 거쳐 2차탄화물을 생성하게 된다.
형성된 씰은 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 불가피한 불순물을 포함하며, 씰의 미세 조직은 오스텐나이트 10 내지 20%, 마르텐사이트 25 내지 35% 및 카바이드 50 내지 60%를 포함한다.
한편, 회전주형틀(520)에서 분리된 씰은 표면이 균일하지 않고, 회전주형틀(520)의 결합부위에 요철이 형성될 수 있는바, 표면 조도를 균일하게 하기 위해 씰의 표면을 연마하는 연삭단계 및 랩핑단계를 거쳐 씰을 제작할 수 있게 된다.
이러한, 원심 주조 공법은 원심력에 의해 편육이 없는 씰을 제작할 수 있으며, 응고 수축을 방해하는 것이 없기 때문에, 제조될 씰은 주조 응력이 적고, 제조 공정이 간단하여, 생산 효율을 높일 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것을 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어져서는 안될 것이다.
도 1은 트랙 롤러와 이에 장착되는 씰을 도시한 부분 절단 사시도이다.
도 2는 탄소 포함량에 따른 공정반응 및 과공정반응을 나타내는 상평형 도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 씰 제조용 합금주철로 제작된 씰의 조직을 도시한 도이며, 도 3b 및 도 3c는 기존의 씰의 조직을 도시한 도이다.
도 4는 도 3a에 도시된 씰의 엑스레이 회절 결과를 도시한 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 씰 제조방법을 도시한 도이다.

Claims (5)

  1. 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 용해시 생기는 불가피한 불순물을 포함하는 씰 제조용 합금주철.
  2. 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 불가피한 불순물을 포함하는 씰.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 씰은 원심주조공법으로 제조된 씰.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 씰의 미세 조직은 오스텐나이트 10 내지 20%, 마르텐사이트 25 내지 35% 및 카바이드 50 내지 60%를 포함하는 씰.
  5. 씰 제조용 합금주철을 용해하는 용해단계;
    상기 용해된 합금주철을 회전주형틀에 주입하는 주입단계;
    주조된 씰을 상기 회전주형틀로부터 분리하고, 상기 씰을 열처리하는 열처리 단계; 및
    상기 씰의 표면조도를 균일하게 하는 연삭단계 및 랩핑단계를 포함하고,
    상기 합금주철은, 탄소 3.8 내지 4.2wt%, 니켈 또는 구리 3.3 내지 4.7wt%, 몰리브덴 2 내지 5wt%, 규소 1.2 내지 2.0wt%, 크롬 16 내지 18wt%, 망간 0.8 내지 1.5wt% 및 나머지로 철과 용해시 생기는 불가피한 불순물을 포함하는 씰(Seal) 제조방법.
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