KR20140145699A - 광산용 암석 굴삭기 투스 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광산용 암석 굴삭기에 적합한 굴삭기 투스는, 주강으로 이루어지며 그리고 내측으로 중공부를 구비한 선단부 및 버켓의 투스 어댑터에 삽입되는 삽입홀이 형성된 후단부를 포함하는 쐐기 형상의 몸체와, 그리고 상기 몸체의 내부에 형성되되 상기 몸체의 상기 선단부로부터 그 길이방향을 따라 상기 후단부의 삽입홀을 향해 설정 깊이 형성되는 접합홀에 고착되며 내마모성 재질의 합금공구강으로 이루어지는 내마모성 인서트 팁을 포함하여 이루어지고, 상기 몸체는 주형을 통해 주조되고, 상기 내마모성 인서트 팁은 상기 주형 내에 고정 설치되어 상기 몸체가 주조되는 동안 상기 몸체 내에 고착되며, 그리고 상기 접합홀은 상기 몸체가 주조되는 동안 상기 내마모성 인서트 팁의 외주면이 몸체에 고착되면서 형성되는 접합 공간의 경계면이 되며, 그리고, 상기 내마모성 인서트 팁은 판 형상을 가지며, 상기 몸체의 선단부의 너비 및 높이 보다 작은 규격을 가지며, 상부면과 하부면을 관통하는 관통홀을 포함하여 이루어진다.

Description

광산용 암석 굴삭기 투스 및 그의 제조 방법 {TOOTH FOR AN ROCK EXCAVATOR USED IN A MINE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 석산 개발 등에 이용되는 광산용 굴삭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내구성이 특히 요구되는 광산용 암석 굴삭기의 버켓에 사용되는 굴삭기 투스에 관한 것이다.

일반적으로, 굴삭기는 땅을 파거나 토사나 암석, 골재 등을 이동시키는 건설 장비로서, 스캐러파이어(scarifier) 및 로더(loader) 등을 포함한다. 이러한 굴삭기는 지반을 형성하는 땅이나 암석에 직접 부딪히며 그 일부를 이동시키기 위하여 파서 뜨는 기능을 수행하는 버켓을 포함하고 있는데, 골재 채취를 위한 석산과 같은 광산 등에서 암석을 채취하여 이동하는데 이용되고 있는 종래의 일반적인 굴삭기는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 땅과 직접 부딪히는 투스(10)와, 투스(10)를 몸체(2)에 연결하는 어댑터(10a)를 포함한 일면이 개방된 박스형상의 버켓 몸체(2), 몸체(2)를 메인 장비(미도시)에 고정시키는 체결부(3)를 포함하여 이루어지는 버켓(1)을 구비하고 있다. 특히, 투스(10)는 고경도의 암석과 직접적으로 부딪히므로 마찰과 충격에 의한 마모가 동시에 발생될 수 있는데, 특히 암석 굴삭기의 경우에는 충격에 의한 마모(미세한 벽개 형태의 파괴)가 내구성에 큰 영향을 미친다.

종래의 투스(10)는 주강으로 일체로 주조되며, 내마모성을 보강하기 위하여 선단부(11)로부터 후단부를 향하여 중앙부에 돌출 형성되는 보강 리브(12)를 구비하고 있으며, 후단 중공부(13)의 체결공(14)을 통해 몸체(2)의 선단에 고정된다. 하지만, 이러한 종래의 투스(10)는 주강의 특성상 경도를 높이는데 한계가 있을 수 있으며, 또한 내마모성과 내충격성을 향상시키는데 한계가 있을 수 있다. 그 이유는 다음과 같다.

즉, 주강은 전체 조성물의 중량비를 기준으로 탄소량이 0.3중량% 이하이므로 일반 담금질 열처리시 경도 HRc 40 이상을 확보하기가 일반적으로 어려울 수 있고, 또한 충분한 인성을 확보하기 위하여 템퍼링을 실시하기 때문에 고경도의 투스를 제조하는 것이 일반적으로 어려울 수 있다.

이러한 투스(10)는 매우 단단한 모래, 자갈 또는 암석 등을 채취하거나 옮기는데 사용되므로 마모 및 충격에 의한 손상을 심하게 발생하는데, 이로 인하여 작업성이 저하될 수 있고, 또한 투스(10)의 잦은 마모에 따라 작업을 일시 중단하고 투스(10)를 새로 교체해야 하기 때문에 공기 지연 및 과다한 비용이 발생될 수 있다.

나아가, 투스(10)가 마모 또는 파손되면 버켓(1)에 작업물을 용이하게 담기가 곤란하게 되며, 장비에 걸리는 부하가 커지게 되어 굴삭기 본체의 성능을 심각하게 저하시키게 된다.

현재 국내에서 일반적으로 널리 사용되고 있는 주강 일체형 투스는 석산 작업시 내구수명이 짧은 것이 고객의 큰 불만 사항이며, 따라서 내마모 성능이 개선된 광산용 투스의 개발이 절실히 요구되고 있다.

굴삭기 및 로더에 사용되는 일반 투스의 형상은 도 2에 도시된 바와 같이 앞날 끝단부가 뾰족한 형상으로 제작되어 굴삭 작업성을 향상시키고 마모양상을 균일하게 하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이러한 형상적인 제약은 작업 시 마모체적이 작게 되어서 내구성을 감소시키는 요인으로 작용하기도 한다. 따라서 이러한 형상적인 제약을 고려하여 투스의 굴삭 작업 성능을 감소시키지 않으면서 내마모성과 내충격성이 향상된 암석용 굴삭기 투스의 형상과 소재의 개발이 요구된다.

한편, 이러한 투스 선단부의 마모를 줄이기 위하여, 주강으로 이루어진 투스의 표면에 내마모성을 갖는 내마모 소재를 용접이나 브래이징에 의해 접하는 기술이 미국에서 1972년 8월 23일에 출원(출원번호: US 283,067)된바 있으며, 또한 1974년 4월 23일에 등록(등록번호: US 3,805,423)되었다. 하지만, 이 미국특허는 다음과 같은 문제들이 있었다.

첫째, 상술한 미국 특허는 내마모 소재를 투스의 표면에 용접하는 기술이므로 용접시 용접(또는 브레이징) 결함에 의해 내마모 소재가 투스의 표면에서 쉽게 탈락되는 문제가 있다.

둘째, 상술한 미국 특허는 접합로에 장입하여 내마모 소재를 투스의 표면에 브래이징하거나 산소로 브래이징재를 가열하여 내마모 소재를 투스의 표면에 접합하는 고가의 브래이징 공정을 별도로 하게 되므로 제조 비용이 많이 소요된다. 또한, 접합부에 대한 신뢰성을 테스트하기 위해 고가의 비파괴 검사를 별도로 해야 하므로 제조 비용이 많이 소요된다.

셋째, 상술한 미국 특허는 투스의 표면에 내마모 소재가 용접 또는 브래이징에 의해 접합되므로, 땅을 파는 작업을 하는 동안 그 힘에 의해 투스의 표면에서 내마모 소재가 쉽게 이탈되는 문제가 있다.

본 발명은 종래기술에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 과제는, 내구 수명을 2배 이상 향상시켜 연속적으로 2주 이상 사용이 가능한 광산용 굴삭기 투스를 개발하고자 하는 것이며, 이를 위해 굴삭기 투스의 선단부에 내마모성이 좋은 고경도 및 고인성을 가진 재료를 삽입하고, 균열이 발생하지 않도록 일체로 주조할 수 있는 방안과, 아울러 적절한 열처리 방안을 제공하는 것이다.

아울러, 본 발명은 굴삭 작업성을 향상시키고 마모양상을 균일하게 하면서도 작업시 충분한 크기의 마모 체적을 제공함으로써 굴삭기 투스의 굴삭 작업 성능을 감소시키지 않으면서 내마모성과 내충격성이 향상될 수 있도록 하는 투스의 형상 및 구조를 제공하는 것을 또 다른 과제로 삼고 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 이러한 내마모성 소재가 투스의 선단부로부터 이탈되거나 선단부에 전달되는 충격 하중으로 벽개 파괴에 도달하는 현상을 최소화 할 수 있는 구조를 가진 굴삭기 투스 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 제조 공정을 단순화시켜 제조 비용을 최소화할 수 있는 굴삭기 투스 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광산용 암석 굴삭기에 적합한 굴삭기 투스는,

주강으로 이루어지며 그리고 내측으로 중공부를 구비한 선단부 및 버켓의 투스 어댑터에 삽입되는 삽입홀이 형성된 후단부를 포함하는 쐐기 형상의 몸체와, 그리고

상기 몸체의 내부에 형성되되 상기 몸체의 상기 선단부로부터 그 길이방향을 따라 상기 후단부의 삽입홀을 향해 설정 깊이 형성되는 접합홀에 고착되며 내마모성 재질의 합금공구강으로 이루어지는 내마모성 인서트 팁을 포함하여 이루어지고,

또한, 상기 몸체는 주형을 통해 주조되고, 상기 내마모성 인서트 팁은 상기 주형 내에 고정 설치되어 상기 몸체가 주조되는 동안 상기 몸체 내에 고착되며, 그리고 상기 접합홀은 상기 몸체가 주조되는 동안 상기 내마모성 인서트 팁의 외주면이 몸체에 고착되면서 형성되는 접합 공간의 경계면이 되며,

그리고, 상기 내마모성 인서트 팁은 판 형상을 가지며, 상기 몸체의 선단부의 너비 및 높이 보다 작은 규격을 가지며, 그리고 상부면과 하부면을 관통하는 관통홀을 포함할 수 있다.

나아가, 버켓의 사용 중에 굴삭기 투스를 구성하는 내마모성 인서트 팁을 통하여 몸체에 인가되어지는 하중과 그에 따른 초과 응력에 대항하도록 몸체의 강성과 고정 지지력을 향상시키기 위하여, 몸체 중앙부 상부면 보다 돌출 형성되는 보강 리브가 상기 내마모성 인서트 팁이 고착되는 몸체의 선단부 상단의 양측 모서리부에 제공되는 것이 보다 바람직하며, 그리고 몸체의 선단부 상단의 중앙부에는 이러한 보강 리브가 형성되지 않도록 하면서 아울러 이와 같이 보강 리브가 형성되지 않는 영역이 몸체의 후단부 방향으로 갈수록 확대되도록 함으로써 내마모성 인서트 팁을 통하여 몸체에 인가되어지는 충격 하중을 보다 효과적으로 완충할 수 있도록 하는 것이 보다 바람직하다.

여기에서, 상기 몸체의 주강은 상기 몸체의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.30 내지 0.65중량%의 탄소를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 적용되는 상기 내마모성 인서트 팁은, 석산 개발과 같은 광산용 암석 굴삭기에서는 일반적인 지반 굴삭용 투스의 선단부에 나타나는 슬라이딩 마모 보다는 충격에 의한 벽개 파괴(cleavage fracture , 劈開破壞)에 의한 마모 현상이 더욱 두드러지기에, 내구성 향상을 위해서는 경도 특성 보다는 인성이 높은 소재가 요구되는 점을 착안하여 내마모성과 내충격성이 모두 좋은 합금공구강(예컨대, SKD11)을 사용하는 것이 바람직하며, 여기에서 상기 합금공구강은 상기 내마모성 인서트 팁의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 내지 1.6중량%의 탄소를 포함할 수 있다.

한편, 상기 내마모성 인서트 팁은 추가적으로 동(Cu)합금, 니켈(Ni)합금, 주석(Sn)합금 또는 아연(Zn)합금 중 어느 하나로 도금될 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 투스의 제조 방법은 몸체 외주면에 대응되는 쐐기 형상의 내부 공간을 갖는 주형 세트를 준비하는 단계와; 내마모성 재질의 내마모성 인서트 팁과 몸체 후단부의 공동부 내주면 형상에 대응하는 성형 코어를 준비하는 단계와; 상기 내마모성 인서트 팁과 상기 성형 코어가 상기 주형 세트의 내부 공간 중 설정 공간에 위치되도록 상기 내마모성 인서트 팁과 성기 성형 코어를 상기 주형 세트의 일측 및 타측에 고정하며 주형 세트를 합형하는 단계와; 합형된 주형 세트를 가열하는 단계와; 상기 내마모성 인서트 팁과 상기 성형 코어가 위치된 상기 주형 세트의 내부 공간에 주강 용탕을 주입하는 단계와; 상기 주강 용탕이 냉각되면 상기 주형 세트를 탈거하고 상기 성형 코어를 제거하는 단계와; 그리고 상기 내마모성 인서트 팁과 그 외주에 고착된 주강 몸체를 열처리하는 단계를 포함한다.

여기에서, 상기 상부 주형의 몸체 외주면에 대응되는 쐐기 형상의 내부 공간은, 몸체 중앙부 상부면 보다 돌출 형성되는 보강 리브가 내마모성 인서트 팁이 고착되는 상기 몸체의 선단부 상단의 양측 모서리부에 제공되도록 형성되고, 상기 몸체의 선단부 상단 중앙부에는 보강 리브가 형성되지 않는 영역이 몸체의 후단부 방향으로 갈수록 확대되도록 형성된다.

또한, 내마모성 재질의 상기 내마모성 인서트 팁을 준비하는 단계에서, 상기 내마모성 인서트 팁은 동(Cu)합금, 니켈(Ni)합금, 주석(Sn)합금 또는 아연(Zn)합금 중 어느 하나로 도금될 수 있고, 그리고 상기 주강 용탕을 주입하는 단계에서, 고열의 상기 주강과 상기 어느 하나의 합금이 서로 확산되면서 상기 내마모성 인서트 팁은 상기 몸체에 고착(화학적 결합)될 수 있다.

또한, 내마모성 재질의 상기 내마모성 인서트 팁을 준비하는 단계에서, 평판 형상으로 형성된 상기 내마모성 인서트 팁에는 2개 이상의 관통홀이 형성되고, 상기 주강 용탕을 주입하는 단계에서 상기 내마모성 인서트 팁의 관통홀에 상기 주강이 유입되어 상기 몸체에 고착(기계적 결합)될 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 광산용 암석 굴삭기 투스는 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 내마모성 인서트 팁의 끝단을 제외하고 내마모성 인서트 팁이 몸체의 내부에 고착되므로 내마모성 인서트 팁이 투스 몸체에서 이탈되는 것을 미연에 막을 수 있을 뿐만 아니라, 인성을 구비한 주강으로 만들어지는 몸체와 일체로 주조되는 내마모성 인서트 팁의 소재로서 내마모성과 내충격성이 모두 좋은 합금공구강을 사용함으로써, 석산 개발 과정에서 암석 채취용으로 사용되는 광산용 암석 굴삭기 투스에서 빈발할 수 있는 충격에 의한 벽개 파괴(cleavage fracture, 劈開破壞)에 의한 마모 현상을 방지하여 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 몸체의 특별한 형상적인 특징에 기초한 바람직한 실시예를 제공하는데, 이에 따르면 버켓의 사용 중에 굴삭기 투스를 구성하는 내마모성 인서트 팁을 통하여 몸체에 인가되어지는 하중과 그에 따른 초과 응력에 대항하도록 몸체의 강성과 고정 지지력을 향상시키며, 나아가 내마모성 인서트 팁을 통하여 몸체에 인가되어지는 충격 하중을 보다 효과적으로 완충할 수 있도록 하는 효과를 제공하며, 이러한 효과는 특히 암석 채취 등에 사용되는 광산용 굴삭기의 경우에 내구성 향성에 있어서 매우 중요한 의미를 가진다고 할 것이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 내마모성 인서트 팁를 별도로 부착하는 공정이 삭제되므로, 제조 공정을 단순화시켜 제조 비용을 최소화할 수 있다.

도 1은 종래의 일반적인 굴삭기 버켓을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 일반적인 굴삭기 버켓에 결합되는 굴삭기 투스를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 굴삭기 투스의 A-A선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광산용 암석 굴삭기 투스의 구성을 나타낸 사시도 및 요부 확대도이다.
도 5는 도 4에 도시된 굴삭기 투스의 A-A선 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 투스에 사용되는 내마모성 인서트 팁을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 투스를 제조하기 위한 주형(상부 주형) 및 이에 고정 설치된 내마모성 인서트 팁과 조립부 성형 코어를 나타낸 조립 상태 사시도이다.
도 8a 및 도 8b는 수평형 및 수직형 주조에 대한 용탕 주입 시 온도 분포 및 인서트 팁 부분의 온도 분포 그래프이다.
도 9는 수평형 및 수직형 주조 시의 인서트 팁 부분의 온도 측정 위치와 각 지점의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 투스의 주조 후에 열처리가 완료된 시제품으로서 표면 경도와 단면 경도를 측정한 위치를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광산용 암석 굴삭기 투스의 구성을 나타낸 사시도 및 요부 확대도이고, 도 5는 도 4에 도시된 굴삭기 투스의 A-A선 단면도이며, 그리고 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 투스에 사용되는 내마모성 인서트 팁을 나타낸 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광산용 암석 굴삭기 투스(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 주강((Low Carbon Cast Steel)으로 이루어지며 그리고 내측으로 중공부를 구비한 선단부(111) 및 버켓(도 1의 "2" 참조)의 투스 어댑터(도 1의 "10a" 참조)에 삽입되는 삽입홀(113a)과 측면 체결공(114)이 형성된 후단부(113)를 포함하는 쐐기 형상의 몸체(110)와, 그리고

상기 몸체(110)의 내부에 형성되되 상기 몸체(110)의 상기 선단부(111)로부터 그 길이방향을 따라 상기 후단부(113)의 삽입홀(113a)을 향해 설정 깊이 형성되는 접합홀(111b)에 고착되며 내마모성 재질의 합금공구강으로 이루어지는 내마모성 인서트 팁(120)을 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 몸체(110)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 주형 세트(200)를 통해 주조되고, 상기 내마모성 인서트 팁(120)은 상기 주형 세트(200) 내에 고정 설치되어 상기 몸체(110)가 주조되는 동안 상기 몸체(110) 내에 고착되며, 그리고 상기 접합홀(111b)은 상기 몸체(110)가 주조되는 동안 상기 내마모성 인서트 팁(120)의 외주면이 몸체(110)에 고착되면서 형성되는 접합 공간의 경계면이 되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 쐐기 형상의 몸체(110)는 주강으로 이루어지며, 그리고 토사 지반이나 암석에 직접 부딪히는 뾰족한 선단부(111)와 버켓(도 1의 "2" 참조)의 투스 어댑터(도 1의 "10a" 참조)에 삽입되는 삽입홀(113a)과 측면 체결공(114)이 형성된 후단부(113)를 포함한다. 특히, 몸체(110)를 이루는 재료인 주강은 내마모성뿐만 아니라 인성을 가지므로 외부 충격에 쉽게 부러지지 않게 된다. 구체적으로, 광산용 굴삭기 투스(100)의 몸체(110)는 암석에 직접 부딪히는 부위이므로 암석과 부딪힐 때 발생되는 충격은 상당할 수 있는데, 몸체(110)가 인성을 갖게 되면 이러한 충격으로부터 부서지는 것을 막을 수 있다. 또한, 이러한 쐐기 형상의 몸체(110)는 주형 세트를 통해 주조될 수 있다.

상기 접합홀(111b)은 몸체(110)의 내부에 형성되며, 특히, 몸체(110)의 선단부(111)로부터 그 길이방향("A-A"선 참조)을 따라 후단부(113)의 삽입홀(113)을 향해 설정 깊이[투스(100)의 크기에 따라 다르게 설정되며, 대략적으로 선단부(111)에서부터 후단부(113)의 삽입홀(113a)과 10mm정도 이격된 부위까지의 깊이]를 가지며 형성된다.

여기에서, 상기 몸체의 주강은 상기 몸체의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.30 내지 0.65중량%의 탄소를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 내마모성 인서트 팁(120)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 판 형상을 가지며, 상기 몸체(110)의 선단부의 너비 및 높이 보다 작은 규격을 가지며, 그리고 상부면과 하부면을 관통하는 관통홀(121)을 포함할 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 몸체(110)을 형성하는 주강과 더불어서 주형 세트(200) 내에서 일체로 주조되는 경우에, 몸체(110)의 재질인 주강의 용탕이 탕도를 통해 주형 세트(도 7의 "200" 참조) 내에 주입되는 동안 용탕이 상기 관통홀(121)에도 유입되므로 상기 내마모성 인서트 팁(120)은 상기 몸체(110)에 보다 완벽하게 고착될 수 있다. 참고로, 이러한 고착 방식을 기계적 결합이라 부를 수 있다.

본 발명과 같이 암석용 굴삭기 투스의 경우에는 상기 관통홀(121)을 2개 이상 형성하는 것이 암석과 충돌하는 내마모성 인서트 팁(120)의 선단을 통하여 전달되는 충격에 저항할 수 있는 고정력을 더욱 확실하게 확보할 수 있도록 한다.

여기에서, 내마모성 인서트 팁(120)은 접합홀(111b)에 고착되며 내마모성 재질의 합금공구강으로 이루어진다. 특히, 내마모성 인서트 팁(120)은 몸체(110)가 주조되는 동안에 접합홀(111b)이 형성되는 몸체(110)의 내부에 구속되므로 외부 충격 등에 의해 이탈될 우려를 미연에 막을 수 있게 된다. 또한, 내마모성 인서트 팁(120)을 이루는 내마모성 재질은 높은 경도를 가지므로 땅이나 암석과의 마찰로 인한 마모를 현저히 줄일 수 있으며, 또한 내마모성 인서트 팁(120)이 몸체(110)의 내부에 구속되어 있으므로 상대적으로 낮은 경도의 몸체(110)가 땅과의 마찰로 우선 마모될지라도 내마모성 인서트 팁(120)은 그대로 존재하게 된다. 따라서, 마모 후 형상이 종래와 달리 뾰족한 형상을 계속 유지할 수 있다.

또한, 내마모성 인서트 팁(120)은 동(Cu)합금, 니켈(Ni)합금, 주석(Sn)합금 또는 아연(Zn)합금 중 어느 하나로 도금될 수 있다. 구체적으로, 이렇게 도금을 하게 되면, 몸체(110)의 재질인 주강의 용탕이 주형 세트(도 7의 "200" 참조)에 주입되어 몸체(110)가 주조되는 동안 내마모성 인서트 팁(120)의 산화를 방지할 수 있고, 고열의 주강과 도금층이 서로 확산되면서 상기 내마모성 인서트 팁(120)은 상기 몸체(110)에 보다 완벽하게 고착될 수 있다. 참고로, 이러한 고착 방식을 화학적 결합이라 부를 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 보다 바람직한 실시예에 따르면, 버켓의 사용 중에 굴삭기 투스(100)를 구성하는 내마모성 인서트 팁(120)을 통하여 몸체(110)에 인가되어지는 하중과 그에 따른 초과 응력에 대항하도록 몸체(110)의 강성과 고정 지지력을 향상시키기 위하여, 몸체(110) 중앙부 상부면(112) 보다 돌출 형성되는 보강 리브(111a)가 상기 내마모성 인서트 팁(120)이 고착되는 몸체(110)의 선단부(111) 상단의 양측 모서리부에 제공되는 것이 보다 바람직하며, 그리고 몸체(110)의 선단부 상단 중앙부(112a)에는 이러한 보강 리브가 형성되지 않도록 하면서 아울러 이와 같이 보강 리브가 형성되지 않는 영역이 몸체(110)의 후단부 방향으로 갈수록 확대되도록 함으로써 내마모성 인서트 팁(120)을 통하여 몸체(110)에 인가되어지는 충격 하중을 보다 효과적으로 완충할 수 있도록 한다.

이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 상술한 내마모성 인서트 팁(120)을 보다 상세히 살펴본다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광산용 암석 굴삭기 투스 중 내마모성 인서트 팁을 나타낸 사시도이다.

내마모성 인서트 팁(120)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 판 형상을 가지며, 그 너비(W)가 몸체(110)의 선단(113)의 너비보다 작으며, 그리고 적어도 하나의 관통홀(131)을 포함할 수 있다. 특히, 내마모성 인서트 팁(120)이 몸체(110)의 너비보다 작고 판형상을 가짐에 따라, 내마모성 인서트 팁(120)의 측면이 몸체(110)의 측면에 노출되지 않고 정확히 몸체(110)의 내부에 위치될 수 있으므로, 내마모성 인서트 팁(120)이 몸체(110)로 이탈될 수 있는 상황이 완전히 차단될 수 있다. 또한, 내마모성 인서트 팁(120)이 판 형상을 가짐에 따라, 바 형상을 갖는 것 보다 몸체(110) 선단부(111)의 마모를 줄이는데 보다 바람직할 수 있다. 또한, 내마모성 인서트 팁(120)이 적어도 하나의 관통홀(131)을 가짐에 따라, 주조시 몸체(110)의 재질인 주강의 용탕이 탕도를 통해 주형 세트(도 4의 "200" 참조) 내에 주입되는 동안 용탕이 상기 관통홀(121)에도 유입되므로 상기 내마모성 인서트 팁(120)은 상기 몸체(110)에 보다 완벽하게 고착될 수 있다. 참고로, 이러한 고착 방식을 기계적 결합이라 부를 수 있다.

또한, 내마모성 인서트 팁(120)은 동(Cu)합금, 니켈(Ni)합금, 주석(Sn)합금 또는 아연(Zn)합금 중 어느 하나로 도금될 수 있다. 구체적으로, 이렇게 도금을 하게 되면, 몸체(110)의 재질인 주강의 용탕이 주형 세트(도 4의 "200" 참조)에 주입되어 몸체(110)가 주조되는 동안 내마모성 인서트 팁(120)의 산화를 방지할 수 있고, 고열의 주강과 도금층이 서로 확산되면서 상기 내마모성 인서트 팁(120)은 상기 몸체(110)에 보다 완벽하게 고착될 수 있다. 참고로, 이러한 고착 방식을 화학적 결합이라 부를 수 있다.

이하, 몸체(110)와 내마모성 인서트 팁(120)의 재질에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 몸체(110)를 캐스팅하여 형성하는 주강(Low Carbon Cast Steel)의 재질에 대해 설명한다.

주강은 철(Fe) 이외에 망간(Mn), 실리콘(Si), 인(P), 황(S), 몰리브덴(Mo), 탄소(C)와, 니켈(Ni)과, 그리고 크롬(Cr)을 포함하는데, 탄소가 0.25중량%이하인 경우에는 열처리 후 몸체(110)의 표면 경도(HRc)가 25 내지 35로 몸체(110)가 충분한 내마모성을 갖지 못하는 것으로 나타나기에, 결과적으로, 암석을 분쇄시키는 굴삭기 투스(100)에는 부적합한 것으로 나타났다.

그리고, 탄소가 0.30 내지 0.65중량%인 경우에는 열처리 후 몸체(110)의 표면 경도가 40 내지 50로 몸체(110)가 목표 표면경도를 갖는 것으로 나타났다.

또한, 탄소가 0.75 내지 1.0중량%인 경우에는 열처리 후 몸체(110)의 표면 경도가 51 내지 60로 매우 높으나, 주조시 주조결함의 발생이 많았으며, 실제 굴착기에 적용하여 실험한 결과 인성이 부족하여 충격에 의한 크랙 및 파손이 자주 발생하게 되는데, 결과적으로 이 또한 암석을 분쇄시키는 굴삭기 투스(100)에는 부적합한 것으로 나타났다.

따라서, 충분한 인성 및 내마모성을 갖는 주강의 경도는 다음의 표 1과 같이 대략 HRc 40 내지 50로써, 몸체(110)의 주강은 몸체(110)의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 대략 0.30중량%(실험예1) 내지 0.65중량%(실험예2)의 탄소를 포함하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.

구분	C	Mn	Si	P	S	Ni	Cr	Mo	경도(HRc)
실험예1	0.30	0.40	0.80	0.03이하	0.03이하	0.8	0.40	0.40	40~43
실험예2	0.65	0.40	0.80	0.03이하	0.03이하	0.8	0.50	0.40	45~50

이하에서는, 표 2 및 표 3을 참조하여, 내마모성 인서트 팁(120)의 재질에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에서 적용되는 상기 내마모성 인서트 팁(120)은, 석산 개발 과정에서 암석 채취용으로 사용되는 광산용 암석 굴삭기에서는 일반적인 지반 굴삭용 투스의 선단부에 나타나는 슬라이딩 마모 보다는 충격에 의한 벽개 파괴(cleavage fracture , 劈開破壞)에 의한 마모 현상이 더욱 두드러지기에 경도 특성 보다는 인성이 높은 소재가 요구되기에, 표 2 및 표 3의 비교예 1과 같이 내마모성과 내충격성이 모두 좋은 합금공구강(예컨대, SKD11)을 사용하는 것이 바람직하며, 여기에서 상기 합금공구강은 상기 내마모성 인서트 팁(120)의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 내지 1.6중량%의 탄소를 포함할 수 있다.

한편, 표 2 및 표 3의 비교예 2에 나타난 하이크롬강의 경우에는 HRc 55~60수준의 경도값으로 내마모에 대한 특성은 우수하지만, 충격에 쉽게 깨지는 특성이 있어 석산 작업장에서는 부적합할 것으로 예상되었으며, 그리고 표 2 및 표 3의 비교예 3에 나타난 하이망간강은 연신율이 뛰어나며 인성이 좋아 내충격성은 우수하지만 경도값이 HRc 45 수준으로 다른 인서트 팁 소재에 비해 내마모 특성이 떨어져 개발하고자하는 투스의 인서트로 사용하기에는 부적합하다고 판단되었다.

구분	재질	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	V
비교예1	합금공구강 (SKD11)	1.4~1.6	< 0.4	0.6	11.0~13.0	0.8~1.2	-	0.2~0.5
비교예2	하이크롬강	3.8~4.2	1.0~2.0	0.6~1.0	28.0~30.0	0.2~0.4	0.2~0.4	-
비교예3	하이망간강	0.6~1.3	0.3~0.8	10.0~15.0	1.5~2.5	-	-	-

- 인서트 팁 소재로 선정한 재질 비교예에 대한 화학성분표 -

구분	재질	1회(HRc)	2회(HRc)	3회(HRc)	4회(HRc)	5회(HRc)	평균(HRc)
비교예1	합금공구강 (SKD11)	56	58	55	56	58	56.6
비교예2	하이크롬강	56	55	58	60	59	57.6
비교예3	하이망간강	45	44	43	46	48	45.2

- 인서트 팁 소재의 경도 측정값 -

또한, 일반 탄소강은 탄소의 양과 합금원소의 양이 적어서 경화능이 떨어지므로 두께가 50mm이상인 경우에 표면 및 내부의 열처리 후 경도가 급격히 감소하는 경향이 있으나, 표 1의 비교예 1의 내마모성 재질은 탄소량이 0.9중량% 이상 포함하고, 합금원소가 많이 포함되어 있으므로, 열처리시 질량효과에 의한 경도 저하가 거의 없는 것으로 나타났다. 구체적으로, 직경이 큰 환봉을 가지고 실험한 결과 내부의 경도와 외부의 경도가 서로 큰 차이가 발생되지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 판형의 내마모성 인서트 팁(120)에 이러한 재질을 적용할 경우, 내부와 외부의 경도 차가 거의 없으므로, 지속적인 마모에 의해 끝단의 형상이 둥글게 변형되지 않고 각진 형상을 유지할 수 있다. 특히, 마모의 속도가 상대적으로 빠른 몸체(110)의 내부에 마모의 속도가 상대적으로 느린 내마모성 인서트 팁(120)이 고착되므로 전체적으로 보았을 때 투스(100)의 끝단은 뾰족한 형상을 지속적으로 가질 수 있다.

이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 굴착기 버켓용 팁(100)의 제조 방법을 구체적으로 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴삭기 투스를 제조하기 위한 주형(상부 주형) 및 이에 고정 설치된 내마모성 인서트 팁과 조립부 성형 코어를 나타낸 조립 상태 사시도이다.

이에 따르면, 다음의 단계들이 진행된다.

- 몸체 외주면에 대응되는 쐐기 형상의 내부 공간을 갖는 상부 주형(210)과 하부 주형(도시하지 않음)의 주형 세트(200)를 준비하는 단계와;

- 내마모성 재질(합금공구강)의 내마모성 인서트 팁(120) 및 몸체 후단부의 공동부 내주면 형상에 대응하는 성형 코어(130)를 준비하는 단계와;

- 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 상기 성형 코어(130)가 상기 주형 세트(200)의 내부 공간 중 설정 공간에 위치되도록 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 성기 성형 코어(130)를 상기 주형 세트(상부 주형)의 일측 및 타측에 고정하며 주형 세트(200)를 합형하는 단계와;

- 수분 제거를 위하여 합형된 주형 세트(200)를 토치를 이용하여 30분 내지 40분 가열하는 단계와;

- 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 상기 성형 코어(130)가 위치된 상기 주형 세트(200)의 내부 공간에 주강 용탕을 주입하는 단계와;

- 상기 주강 용탕이 냉각되면 상기 주형 세트(200)를 탈거하고 상기 성형 코어(130)를 제거하는 단계와; 그리고

- 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 그 외주에 고착된 주강 몸체(110)를 열처리하는 단계가 진행된다.

여기에서, 상기 상부 주형(210)의 몸체 외주면에 대응되는 쐐기 형상의 내부 공간은, 몸체 중앙부 상부면 보다 돌출 형성되는 보강 리브가 내마모성 인서트 팁이 고착되는 상기 몸체의 선단부 상단의 양측 모서리부에 제공되도록 형성되고, 상기 몸체의 선단부 상단 중앙부에는 보강 리브가 형성되지 않는 영역이 몸체의 후단부 방향으로 갈수록 확대되도록 형성된다.

한편, 주강 용탕의 주입온도의 경우에는 주강의 녹는점보다 100℃정도 높은 1600℃ 이상으로 설정하는 것이 바람직하며, 주형의 재질은 그린샌드(green sand)를 사용할 수 있다.

한편, 용탕의 주입에 따른 주조품질을 비교하기 위하여 본 발명에서는 투스(100)를 수평으로 하는 경우와 수직으로 하는 경우에 대해 주조 시 용탕의 충전과 온도분포를 해석하였는데, 도 8의 해석결과를 나타낸 것으로 도 8a의 용탕 주입 시 온도분포를 살펴보면 수평형에 비해 수직형에서 투스의 온도분포가 더욱 균일한 것을 볼 수 있다. 도 8b에 나타낸 인서트 팁 부분에서도 수평형의 경우에는 길이방향으로 온도구배가 큰 것을 볼 수 있는데, 이로써 본 발명에 따른 굴삭기 투스를 주조하는 경우에 투스를 수직으로 배치하고 용탕을 주입하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.

또한, 인서트 팁 부분의 온도를 정량적으로 비교하기 위하여 수평형과 수직형 주조 시 인서트 팁 부분의 세 지점(도 9의 좌측 1)의 A, B, C)의 온도변화를 시간에 따라 도 9의 2)에 나타내었다. C 지점의 경우 수평형 주조 방안에서 수직형 주조방안에 비하여 낮은 온도 분포를 보이나, 제품 내부에 위치해 있는 A 지점의 온도가 수평형보다 수직형에서 낮은 온도를 보이는 것을 확인할 수 있었다.

위의 두 결과를 종합해 보면 수직형 주조방안을 채택하는 것이 비교적 균일한 온도 분포를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있으며, 이러한 수직형 주조방안은 또한 내마모제의 소실 위험도 적어서 고품질 제품 제조에 유용한 효과를 제공한다.

앞서 언급한 바와 같이, 주조를 통해 제조한 굴삭기 투스(100)는 열처리를 통해 경도와 인성을 향상시켰는데, 그 열처리 조건은 다음과 같다.

(1) 공기로 강제 냉각하는 방식으로 열처리 조건을 확립하여 목표하는 Hv 500이상의 경도값을 확보하고자 하였다.

(2) 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서, 투스의 옆면에 균열이 발생하지 않도록 하면서도 기계적 특성을 확보하기 위하여 개선된 방법으로 열처리를 실시하였는데, 개선된 열처리 조건은 900℃에서 2시간 유지 후 담금질(Oil Quenching)을 실시하여 경도를 향상시키고, 480℃에서 3시간 유지 후 공냉하여 잔류응력을 제거(저온 템퍼링)하는 방안이다. 이 방법으로 열처리 전 HRc 32~37 수준의 경도를 HRc 45~48수준으로 향상시켰다.

이와 같이 주조 후에 열처리가 완료된 시제품을 로크웰 경도기를 이용하여 표면과 단면에 대해 경도를 측정하였으며, 측정 결과 표면과 절단면 내부 모두 HRc 45~48 수준으로 투스 표준 스펙에 부합하고 있음을 확인할 수 있었다.

경도 측정은 도 10a 및 도 10b에 나타낸 화살표 방향으로 이동하며 7회 측정하였으며, 최소값과 최대값을 뺀 5회 측정값을 평균하여 산정하였다. 표 4와 표 5는 표면과 단면에 대한 측정결과를 나타낸다.

표면의 경우 경도는 45.6~47 범위의 값으로 나타났으며 단면부의 경우 몸체(110) 부분은 45~47, 인서트 팁(120) 부분은 52~54 수준으로 나타났으며, 인서트팁의 경도를 측정한 결과도 Hv 544로 나타났다.

표면 위치	경도(HRc)
	1회	2회	3회	4회	5회	평균
1	47	48	46	47	46	46.8
2	45	46	45	47	45	45.6
3	48	46	48	46	47	47

- 시제품의 표면 경도 측정 결과 -

단면 위치	경도(HRc)
	1회	2회	3회	4회	5회	평균
1 (몸체)	46	47	46	46	46	46.2
2 (몸체)	45	46	45	45	46	45.4
3 (인서트 팁)	52	54	53	53	52	52.8

- 시제품의 단면 경도 측정 결과 -

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: (굴삭기) 투스
110: 몸체
111: 선단부
111a: 보강 리브
112: 중앙부 상부면
113: 후단부
114: 삽입홀
120: 내마모성 인서트 팁
121: 관통홀
130: 성형 코어
200: 주형 세트
210: 상부 주형

Claims (10)

1. 광산용 암석 굴삭기 투스로서, 굴삭기 투스는,
   주강으로 이루어지며 그리고 내측으로 중공부를 구비한 선단부 및 버켓의 투스 어댑터에 삽입되는 삽입홀이 형성된 후단부를 포함하는 쐐기 형상의 몸체와, 그리고 상기 몸체의 내부에 형성되되 상기 몸체의 상기 선단부로부터 그 길이방향을 따라 상기 후단부의 삽입홀을 향해 설정 깊이 형성되는 접합홀에 고착되며 내마모성 재질의 합금공구강으로 이루어지는 내마모성 인서트 팁을 포함하여 이루어지고,
   상기 몸체는 주형을 통해 주조되고, 상기 내마모성 인서트 팁은 상기 주형 내에 고정 설치되어 상기 몸체가 주조되는 동안 상기 몸체 내에 고착되며, 그리고 상기 접합홀은 상기 몸체가 주조되는 동안 상기 내마모성 인서트 팁의 외주면이 몸체에 고착되면서 형성되는 접합 공간의 경계면이 되는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스.
2. 제1항에 있어서, 상기 내마모성 인서트 팁은 판 형상을 가지며, 상기 몸체의 선단부의 너비 및 높이 보다 작은 규격을 가지며, 상부면과 하부면을 관통하는 관통홀을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스.
3. 제2항에 있어서, 상기 몸체의 주강은 상기 몸체의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.30 내지 0.65중량%의 탄소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스.
4. 제3항에 있어서, 상기 합금공구강은 상기 내마모성 인서트 팁의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 내지 1.6중량%의 탄소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   버켓의 사용 중에 굴삭기 투스를 구성하는 내마모성 인서트 팁을 통하여 몸체에 인가되어지는 하중과 그에 따른 초과 응력에 대항하도록 몸체의 강성과 고정 지지력을 향상시키기 위하여, 몸체 중앙부 상부면 보다 돌출 형성되는 보강 리브가 내마모성 인서트 팁이 고착되는 상기 몸체의 선단부 상단의 양측 모서리부에 제공되고, 그리고
   내마모성 인서트 팁을 통하여 몸체에 인가되어지는 충격 하중을 완충하도록 하기 위하여, 상기 몸체의 선단부 상단 중앙부에는 보강 리브가 형성되지 않는 영역이 몸체의 후단부 방향으로 갈수록 확대되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스.
6. 광산용 암석 굴삭기 투스의 제조 방법으로서,
   - 몸체 외주면에 대응되는 쐐기 형상의 내부 공간을 갖는 상부 주형(210)과 하부 주형의 주형 세트(200)를 준비하는 단계와;
   - 내마모성 재질의 합금공구강으로 이루어진 내마모성 인서트 팁(120) 및 몸체 후단부의 공동부 내주면 형상에 대응하는 성형 코어(130)를 준비하는 단계와;
   - 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 상기 성형 코어(130)가 상기 주형 세트(200)의 내부 공간 중 설정 공간에 위치되도록 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 성기 성형 코어(130)를 상기 주형 세트의 일측 및 타측에 고정하며 주형 세트(200)를 합형하는 단계와;
   - 수분 제거를 위하여 합형된 주형 세트(200)를 가열하는 단계와;
   - 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 상기 성형 코어(130)가 위치된 상기 주형 세트(200)의 내부 공간에 주강 용탕을 주입하는 단계와;
   - 상기 주강 용탕이 냉각되면 상기 주형 세트(200)를 탈거하고 상기 성형 코어(130)를 제거하는 단계와; 그리고
   - 상기 내마모성 인서트 팁(120)과 그 외주에 고착된 주강 몸체(110)를 열처리하는 단계를 포함하여 이루어지고, 그리고
   상기 상부 주형(210)의 몸체 외주면에 대응되는 쐐기 형상의 내부 공간은,
   몸체 중앙부 상부면 보다 돌출 형성되는 보강 리브가 내마모성 인서트 팁이 고착되는 상기 몸체의 선단부 상단의 양측 모서리부에 제공되도록 형성되고, 상기 몸체의 선단부 상단 중앙부에는 보강 리브가 형성되지 않는 영역이 몸체의 후단부 방향으로 갈수록 확대되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 내마모성 인서트 팁은 판 형상을 가지며, 상기 몸체의 선단부의 너비 및 높이 보다 작은 규격을 가지며, 상부면과 하부면을 관통하는 2개 이상의 관통홀을 포함하여 이루어지고, 그리고
   상기 주강 용탕을 주입하는 단계에서는, 주강 용탕의 주입온도가 1600℃ 이상으로 설정되고, 몸체의 재질인 주강의 용탕이 탕도를 통해 주형 세트 내에 주입되는 동안 용탕이 상기 관통홀에도 유입되어 상기 내마모성 인서트 팁이 상기 몸체에 고착되도록 하는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 몸체의 주강은 상기 몸체의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.30 내지 0.65중량%의 탄소를 포함하여 이루어지고, 그리고
   상기 합금공구강은 상기 내마모성 인서트 팁의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 1.0 내지 1.6중량%의 탄소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 주강 용탕을 주입하는 단계에서 투스 몸체의 외주면에 대응하는 쐐기 형상의 내부 공간을 구비한 주형 세트를 수직으로 설치하여 용탕을 주입하는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스의 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 열처리하는 단계에서는,
    900℃에서 2시간 유지 후 담금질(Oil Quenching)을 실시하여 경도를 향상시키는 단계와, 그리고 480℃에서 3시간 유지 후 공냉하여 잔류응력을 제거하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 광산용 암석 굴삭기 투스의 제조 방법.

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