KR20160028246A - 육성용접용 내마모 조성물 및 이를 이용한 육성용접 방법 - Google Patents

육성용접용 내마모 조성물 및 이를 이용한 육성용접 방법 Download PDF

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Abstract

육성용접용 내마모 조성물 및 이를 이용한 육성용접 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, C: 6.0~8.0 중량%, Cr: 20.0~24.0 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 1.0~2.0 중량%, Mo: 3.0~6.0 중량%, Nb: 5.0~9.0 중량%, W: 3.0~7.0 중량%, V: 1.0~2.0 중량%, Co: 3.0~7.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되어, 상기 육성용접용 내마모 조성물은 초고온 내마모성이 우수하여 고로의 선회슈트 등의 설비에서 야기되는 고온 마모 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

Description

육성용접용 내마모 조성물 및 이를 이용한 육성용접 방법{ABRASION-RESISTANT COMPOSITION FOR BUILT-UP WELDING, AND BUILT-UP WELDING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 육성용접용 내마모 조성물 및 이를 이용한 육성용접 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초고온 내마모성이 우수하여 고로의 선회슈트 등의 설비에서 야기되는 고온 마모 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 육성용접용 내마모 조성물 및 이를 이용한 육성용접 방법에 관한 것이다.
일반적인 철강제조는 용선(쇳물)을 생산하는 제선공정, 용선에서 불순물을 제거하는 제강공정, 액체상태의 철이 고체가 되는 연주공정, 철을 강판이나 선재로 만드는 압연공정으로 이루어진다.
철광석으로 강철을 만드는 공정 중 앞 단계인 선철을 만드는 공정을 제철, 제선(製銑)이라 하고, 선철로 강철을 만드는 공정을 제강이라 한다.　 연주공정은 액체생태인 용강을 주형(mold)에 주입한 후 연속 주조기를 통과시키며 냉각, 응고시켜 연속적으로 슬래브(Slab)나 블룸(Bloom) 등의 중간 소재로 만들어내는 공정이다.　 이 과정에서 블룸은 다시 강편 압연기를 거쳐 빌릿(Billet)으로 가공되며 선재 압연기를 통해 선재로 가공된다.
또한, 슬래브는 후판 압연기를 거쳐 후판으로 생산되거나 열간 압연기를 통과하면서 열연코일이나 열연강판 등으로 만들어진다.
상기 제선공정을 행하기 위해 고로 또는 전기로가 사용되며, 고로는 철광석으로부터 용선을 추출하는 노이고, 전기로는 유도 전류가 일으키는 열을 이용하여 고철을 용선으로 만드는 노이다.
고로의 상단에는 컨베이어 벨트에 의해 이송되는 연원료를 고로 내부로 투입하는 장입 장치가 설치되고, 장입 장치는 연원료가 일시 저장되고 연원료를 고로 내부로 안내하는 호퍼와, 호퍼 하단에 회전 가능하게 설치되어 고로 내부로 투입되는 연원료를 다양한 방향으로 공급하는 슈트와, 호퍼와 슈트 사이에 설치되어 슈트를 이동시키는 구동부를 포함한다.　
상기 구동부의 작동에 의해 슈트는 예컨대, 3도에서 46.5도까지 상승 또는 하강하면서 회전되므로 고로에서 요구되는 위치에 연원료를 공급할 수 있다.
한편, 고로의 장입 장치용 슈트는 고온의 가스가 방출되는 고로의 상단에 설치되어 고로 내부로 투입되는 연원료를 다양한 방향으로 안내하기 때문에 연원료 또는 고온 가스와 접촉되면서 변형되거나 파손되는 문제가 있다.
따라서, 고로의 장입 장치용 슈트에서 야기되는 극심한 마모 문제를 해결할 수 있는 내마모 용접재료의 개발이 절실하게 요구되고 있다.
한국 등록특허 제10-0256369호 (2000년02월 22일 등록).
본 발명은 초고온 내마모성이 우수하여 고로의 선회 슈트 등의 설비에서 야기되는 고온 마모 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 육성용접용 내마모 조성물 및 이를 이용한 육성용접 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, C: 6.0~8.0 중량%, Cr: 20.0~24.0 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 1.0~2.0 중량%, Mo: 3.0~6.0 중량%, Nb: 5.0~9.0 중량%, W: 3.0~7.0 중량%, V: 1.0~2.0 중량%, Co: 3.0~7.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물을 제공한다.
상기 육성용접용 내마모 조성물은 C: 7.2 중량%, Cr: 20.1 중량%, Si: 0.9 중량, Mn: 0.7 중량, Mo: 4.7 중량%, Nb: 7,4 중량%, W: 5.8 중량%, V: 1 중량%, Co: 3.3 중량%, Fe: 51.7 중량% 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 모재 상에 상기 육성용접용 내마모 조성물을 이용하여 가스 금속 아크 용접(GMAW)을 수행하는 것을 특징으로 하는 내마모 조성물을 이용한 육성용접 방법을 제공한다.
상기 모재는 STS310S, STS304, SS400 및 SM490으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 육성용접 방법에서 펄스 전류의 피크 전류가 400~500Å일 수 있다.
상기 육성용접 방법에서 육성용접 두께가 4~15mm일 수 있다.
상기 육성용접 방법은 C: 4.5~6.0 중량%, Cr: 25~30 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 0.5~1.5 중량%, Mo: 2.0~4.0 중량%, Nb: 4.0~7.0 중량%, W: 2.5~5.5 중량%, V: 1.0~3.0 중량%, Co: 4.0~8.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 육성용접층을 형성할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 초고온 내마모성이 우수하여 고로의 선회슈트 등의 설비에서 야기되는 고온 마모 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명자들은 고로의 선회슈트와 같은 설비들의 고온 마모 문제를 해결하기 위하여 연구노력한 결과, C: 6.0~8.0 중량%, Cr: 20.0~24.0 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 1.0~2.0 중량%, Mo: 3.0~6.0 중량%, Nb: 5.0~9.0 중량%, W: 3.0~7.0 중량%, V: 1.0~2.0 중량%, Co: 3.0~7.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 조성물을 이용하여 육성용접한 결과, 900℃ 이상의 고온에서 우수한 내모마성을 나타내는 것을 밝혀내어 본 발명을 완성한 것이다.
이에, 본 발명은 C: 6.0~8.0 중량%, Cr: 20.0~24.0 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 1.0~2.0 중량%, Mo: 3.0~6.0 중량%, Nb: 5.0~9.0 중량%, W: 3.0~7.0 중량%, V: 1.0~2.0 중량%, Co: 3.0~7.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 육성용접용 내마모 조성물을 제공한다.
보다 바람직하게는, 상기 조성물은 C: 7.2 중량%, Cr: 20.1 중량%, Si: 0.9 중량, Mn: 0.7 중량, Mo: 4.7 중량%, Nb: 7,4 중량%, W: 5.8 중량%, V: 1 중량%, Co: 3.3 중량%, Fe: 51.7 중량% 및 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 C는 육성용접층의 경도를 높여주는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 취성이 강해져서 과도한 크랙을 발생시키는 문제가 야기될 수 있다.
상기 Cr은 C와 결합으로 크롬탄화물을 형성하여 내마모성을 증대시키는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위보다 낮으면 크롬탄화물의 형성이 적거나 형성되지 못하는 문제가 야기될 수 있다.
상기 Si는 용접성을 좋게 하는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 경도를 저하시키는 문제가 야기될 수 있다.
상기 Mn은 크랙 발생을 저하시키는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 경도가 저하로 내마모성을 나쁘게 하는 문제가 야기될 수 있다.
상기 Mo는 내마모성을 향상시키는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 고온강도를 저하시키는 문제가 야기될 수 있다.
상기 Nb는 내마모성 향상과 고온부식 저항성을 향상시키는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 용접성이 나빠지는 문제가 야기될 수 있다.
상기 W은 내마모성 향상과 고온강도 증대 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 취성이 강해저서 과도한 크랙을 발생시키는 문제가 야기될 수 있다.
상기 V는 내마모성을 향상시키고 고온에서의 조직을 안정화 하는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 가격이 증대되는 문제가 야기될 수 있다.
상기 Co는 고온 부식에 대한 강력한 저항성과 고온 강도를 높이는 역할을 수행하며, 상기 함량 범위를 벗어나면 경도 저하로 내마모성을 나쁘게 하는 문제가 야기될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 육성용접용 내마모 조성물은 외피 내에 금속분말이 충전되며, 차폐가스로서 불활성가스를 사용하는 가스 금속 아크 용접(GMAW: Gas Metal Arc Welding)용 플럭스 코어드 용접 와이어 형태로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 모재 상에 상기 육성용접용 내마모 조성물을 이용하여 가스 금속 아크 용접(GMAW)을 수행하는 육성용접 방법을 제공한다.
상기 모재는 STS310S, STS304, SS400 및 SM490으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 육성용접 방법에서 펄스 전류의 피크 전류가 400~500Å 인 것이 바람직하다.　 만약, 상기 범위를 벗어나면 조성물이 제대로 용융되지 못하거나 과도한 용융으로 육성용접층의 원하는 성분을 형성할 수 없는 문제가 야기될 수 있다.
상기 육성용접 방법에서 육성용접 두께가 4~15mm인 것이 바람직하다.　 만약, 상기 범위를 벗어나면 육성용접층의 원하는 성분을 형성할 수 없거나 과도한 합금층으로 인해 취성이 강해져서 극심한 크랙을 발생시키는 문제가 야기될 수 있다.
상기 육성용접 방법에 따르면, C: 4.5~6.0 중량%, Cr: 25~30 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 0.5~1.5 중량%, Mo: 2.0~4.0 중량%, Nb: 4.0~7.0 중량%, W: 2.5~5.5 중량%, V: 1.0~3.0 중량%, Co: 4.0~8.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 육성용접층을 형성한다.
이렇게 형성된 육성용접층은 900℃ 이상의 고온에서도 우수한 내마모성을 나타낼 수 있다.
　
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 예로 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
　
(실시예 1) 육성용접용 내마모 조성물의 제조
육성용접용 내마모 조성물은 플럭스 코드 와이어 포밍기에서 스테인레스 재질의 두께 0.25mm 스트립을 튜브형태로 성형하면서 내부에 Fe-Cr 및 Metal-Mo 등의 금속분말을 충전하여 플럭스 코어드 용접 와이어를 다음 표 1과 같은 조성으로 이루어진 육성용접용 내마모 조성물을 제조하였다.
　 융착성분을 얻기위한 조성 (wt%) 근거
C Cr Si Mn Mo Nb W V Fe Co
기존재료 1 2.3 36 　 　 　 　 20 　 2.5 balance maker 공개
기존재료 2 5.8 21 1.9 0.3 6.0 6.0 2.5 1.2 　 　 maker 공개
기존재료 3 5.2 21 1.0 0.4 7.0 7.0 2.0 1.0 　 　 maker 공개
기존재료 4 5.4 20.6 0.5 0.9 5.0 6.1 1.4 1.5 　 　 maker 공개
발명재 1 7.2 20.1 0.9 0.7 4.7 7.4 5.8 1.0 balance 0 개발 조성
발명재 2 7.2 20.1 0.9 0.7 4.7 7.4 3.2 1.0 balance 7.0 개발 조성
발명재 3 7.2 20.1 0.9 0.7 4.7 7.4 3.2 1.0 balance 7.0 개발 조성
발명재 4 7.2 20.1 0.9 0.7 4.7 7.4 8.0 1.0 balance 3.5 개발 조성
발명재 5 7.2 20.1 0.9 0.7 4.7 7.4 5.8 1.0 balance 3.5 개발 조성
발명재 6 7.2 20.1 0.9 0.7 4.7 7.4 8.0 1.0 balance 0 개발 조성
　
(실시예 2) 육성용접용 내마모 조성물을 이용한 육성용접 및 시험 분석
상기 실시예 1에서 제조된 조성물을 플럭스 코어드 용접 와이어(FCAW) 형태로 준비한 후, 모재 STS310S 상에 가스 금속 아크 용접(GMAW) 방법 중 이산화탄소 아크 용접(CO2 arc welding)을 수행하여 육성용접을 실시하였다.　 이때, 경도는 KS B 0806 금속 재료의 로크웰 경도 시험 방법으로 평가하였고, 크랙은 시편 크기 35x70 mm 표면에서 10ea 초과이면 불량, 5~10ea이면 양호, 5ea 미만이면 우수한 것으로 판정하였고, 핀홀은 시편 크기 35x70 mm 표면에서 15ea 초과이면 불량, 5~15ea이면 양호, 5ea 미만이면 우수한 것으로 판정하였고, 그라인딩 마모는 ASTM G 65-94 “Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus”방법으로 평가하였으며[불량 : 2.0 g 초과, 양호 : 1.5~2.0 g (기존 고온내마모재로 주로 사용되는 기존품의 평균치), 우수 : 1.5 g 미만], 부식마모는 육성용접층 8 mm 두께가 마모되는 데 소요되는 시간으로 평가하였다[불량 : 1,440 Hr 미만 (24Hr 가동 기준으로 2개월 미만), 양호 : 1,440~2,880 Hr (2~4개월), 우수 : 2,880 Hr 초과 (4개월 초과)].
그 결과, 육성용접으로 융착된 부분의 성분 및 시험 분석 결과는 다음 표 2 및 표 3과 같다.
　 육성용접으로 융착된 부분의 성분 (wt%) 표면경도
(HRC)
C Cr Si Mn Mo Nb W V Ni Fe Co
기존재료 1 2.2　 30.4　 1.5　 1.8　 　 　 24.0　 　 3.3　 　 36.5　 53
기존재료 2 4.0　 27.3　 1.6　 0.6　 3.7　 5.6　 1.1　 2.4　 3.2　 50.4　 　 56
기존재료 3 4.0　 24.2　 1.2　 0.5　 3.3　 5.3　 0.9　 0.7　 2.7　 57.0　 　 55
기존재료 4 4.7　 30.0　 1.3　 1.3　 3.8　 5.8　 2.0　 2.0　 2.4　 46.4　 0.1　 61
발명재 1 5.3　 27.2　 1.1　 0.9　 3.2　 4.9　 4.6 2.3　 2.5　 47.6　 　0 63
발명재 2 4.8　 25.7　 1.0　 0.9　 3.2　 4.7　 2.5　 2.1　 2.1　 46.0　 11.9 63
발명재 3 4.9　 25.0　 0.9　 0.9　 3.0　 5.2　 2.3　 2.2　 2.3　 38.0　 　11.5 65
발명재 4 5.0　 24.9　 0.8　 0.8　 2.8　 4.6　 5.8 2.3　 1.9　 42.2　 6.5 67
발명재 5 5.0　 26.5　 1.0　 0.9　 2.9　 5.4　 4.4　 2.2　 2.5　 42.6　 6.3　 64
발명재 6 4.9　 27.0　 1.2　 1.0　 3.3　 5.6　 6.1 1.9　 2.2　 46.5　 　0 63
상기의 결과로부터, Ni은 조성물에는 없었고 Cr은 조성물보다 많은 양이 증가한 이유는 모재에 함유된 성분이 함께 용융되어 나타난 결과로 일정한 성분의 조성물로 용접하면 모재층의 용융에 의한 영향과 성분간의 반응으로 인하여 융착된 부분의 성분은 조성물의 성분과는 차이가 발생한다.
　 크랙(crack) 핀홀(pin hole) 그라인딩 마모 (g) 부식마모　
결과 판정 결과 판정 결과 판정 결과 부식 수명 판정
(um/Hr) (Hr)
기존재료 1 12 불량 4 우수 6.80　 불량 1.50　 5,333　 우수
기존재료 2 6 양호 7 양호 1.79　 양호 9.33　 857　 불량
기존재료 3 7 양호 5 양호 1.68　 양호 9.78　 818　 불량
기존재료 4 6 양호 8 양호 1.53　 양호 8.32　 962　 불량
발명재 1 5 양호 8 양호 1.50　 양호 4.50　 1,778　 양호
발명재 2 7 양호 6 양호 1.45　 우수 3.13　 2,556　 양호
발명재 3 6 양호 17 불량 1.77　 양호 3.67　 2,180　 양호
발명재 4 13 불량 22 불량 1.34　 우수 4.87　 1,643　 양호
발명재 5 8 양호 9 양호 1.38　 우수 2.33　 3,433　 우수
발명재 6 6 양호 9 양호 1.37　 우수 4.03　 1,985　 양호
상기의 결과와 같이 내마모성과 고온부식에 영향이 있는 C, Cr, Si, Mn, Mo, Nb, V 성분이 유사한 상태에서 W 과 Co 함량이 일정 범위에서 우수한 내마모성과 고온내부식성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 내마모성이 우수하면서 900℃에서 사용이 가능한 내마모재의 성분 및 경도는 다음 표 4와 같다.
처리온도 육성용접으로 융착된 부분의 성분 기준 (wt%) 표면경도
(HRC)
C Cr Si Mn Mo Nb W V Co Fe
max 900℃ 4.5~6.0 25~30 0.5~1.5 0.5~1.5 2.0~4.0 4.0~7.0 2.5~5.5 1.0~3.0 4.0~8.0 Balance 57 이상
이상으로 본 발명의 실시예를 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. C: 6.0~8.0 중량%, Cr: 20.0~24.0 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 1.0~2.0 중량%, Mo: 3.0~6.0 중량%, Nb: 5.0~9.0 중량%, W: 3.0~7.0 중량%, V: 1.0~2.0 중량%, Co: 3.0~7.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 육성용접용 내마모 조성물은 C: 7.2 중량%, Cr: 20.1 중량%, Si: 0.9 중량, Mn: 0.7 중량, Mo: 4.7 중량%, Nb: 7,4 중량%, W: 5.8 중량%, V: 1 중량%, Co: 3.3 중량%, Fe: 51.7 중량% 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물.
  3. 모재 상에 제1항 또는 제2항에 따른 육성용접용 내마모 조성물을 이용하여 가스 금속 아크 용접(GMAW)을 수행하는 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물을 이용한 육성용접 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모재는 STS310S, STS304, SS400 및 SM490으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물을 이용한 육성용접 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 육성용접 방법에서 펄스 전류의 피크 전류가 400~500Å인 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물을 이용한 육성용접 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 육성용접 방법에서 육성용접 두께가 4~15mm인 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물을 이용한 육성용접 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 육성용접 방법은 C: 4.5~6.0 중량%, Cr: 25~30 중량%, Si: 0.5~1.5 중량%, Mn: 0.5~1.5 중량%, Mo: 2.0~4.0 중량%, Nb: 4.0~7.0 중량%, W: 2.5~5.5 중량%, V: 1.0~3.0 중량%, Co: 4.0~8.0 중량%, 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 육성용접층을 형성하는 것을 특징으로 하는 육성용접용 내마모 조성물을 이용한 육성용접 방법.
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