KR20240067393A - High manganese steel powder for 3D printing and laser direct energy deposition 3D printing method for repairing of wear-resistant iron-based components using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3D 프린팅용 고망간강 분말 및 이를 이용한 내마모 철계부품 보수를 위한 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 망간이 10 내지 24 중량부 이상 함유된 고망간강 분말 및 이를 공급 원료로 사용하는 내마모 철계 부품을 보수하기 위한 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to high manganese steel powder for 3D printing and a 3D printing method using the laser direct lamination method for repairing wear-resistant iron-based parts using the same. More specifically, to high manganese steel powder containing 10 to 24 parts by weight or more of manganese and supplying the same. This relates to a 3D printing method using laser direct lamination to repair wear-resistant iron-based parts used as raw materials.
Description
본 발명은 3D 프린팅용 고망간강 분말 및 이를 이용한 내마모 철계부품 보수를 위한 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 망간이 10 내지 24 중량부 이상 함유된 고망간강 분말 및 이를 공급 원료로 사용하는 내마모 철계 부품을 보수하기 위한 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to high manganese steel powder for 3D printing and a 3D printing method using the laser direct lamination method for repairing wear-resistant iron-based parts using the same. More specifically, to high manganese steel powder containing 10 to 24 parts by weight or more of manganese and supplying the same. This relates to a 3D printing method using laser direct lamination to repair wear-resistant iron-based parts used as raw materials.
레이저 직접적층공정(Laser Direct Energy Deposition, L-DED)은 금속을 3D 프린팅하는 공정 중 하나로, 파우더 형태의 금속 원소재를 레이저를 통해 순간적으로 용해하여 용융 풀을 형성시키고, 용융된 재료를 급속 응고시킴으로써 사용자가 원하는 입체 구조물을 층층이 제조하는 공정이다. Laser Direct Energy Deposition (L-DED) is one of the processes for 3D printing metal. It instantly melts metal raw materials in powder form using a laser to form a molten pool, and rapidly solidifies the molten material. This is a process of manufacturing the three-dimensional structure desired by the user layer by layer.
상기 직접적층공정은 적층할 원소재의 형상이 비교적 자유롭고 적층속도가 빠르기 때문에 3차원의 금속구조물을 제작하거나 기계부품의 보수 및 국부적인 표면강화 등에 활용되고 있다.The direct lamination process is used to manufacture three-dimensional metal structures, repair mechanical parts, and strengthen local surfaces because the shape of the raw materials to be laminated is relatively free and the lamination speed is fast.
기계부품, 중장비 및 건설기기 등에서 사용 중에 부품간의 마찰이 지속적으로 발생하여 마모가 발생하는 부품들은 철계 소재 중에서도 내마모성이 우수한 소재의 활용이 필요하며, 다양한 내마모 철계합금이 용도에 맞게 개발되어 활용되고 있다.Parts that wear out due to constant friction between parts during use in machinery parts, heavy equipment, and construction equipment require the use of materials with excellent wear resistance among iron-based materials, and various wear-resistant iron-based alloys have been developed and utilized to suit the purpose. there is.
철계 내마모 소재는 주로 다량의 합금원소를 첨가하여 내마모 특성을 높이는 경우가 대부분이며, 대표적으로 다량의 탄소를 함유한 주철소재가 널리 활용되고 있다. 그러나 상기와 같은 철계 내마모 소재들은 다량의 합금원소 첨가 때문에 충격이나 변형이 가해질 때 쉽게 크랙이 생기고 취성이 강하여 깨어지는 특징을 가지는 경우가 대부분이다. In most cases, iron-based wear-resistant materials increase wear resistance characteristics by adding a large amount of alloy elements, and cast iron materials containing a large amount of carbon are widely used. However, in most cases, iron-based wear-resistant materials such as those mentioned above easily crack when subjected to impact or deformation due to the addition of a large amount of alloy elements and are highly brittle, causing them to break.
상기와 같이, 철계 내마모 소재는 취성이 강하기 때문에 L-DED 적층 시 열충격에 의해 쉽게 크랙이 발생하고, 이와 같은 크랙은 기존의 부품과 L-DED로 보수된 부분의 계면에 가장 쉽게 발생하기 때문에 현재까지는 레이저 직접적층공정(L-DED) 기법으로 취성이 강하고 합금원소가 다량 함유된 철계 내마모 부품의 손상된 부분을 보수하는 것이 매우 어려운 실정이다. As mentioned above, because iron-based wear-resistant materials are highly brittle, cracks easily occur due to thermal shock during L-DED lamination, and such cracks most easily occur at the interface between existing parts and parts repaired with L-DED. To date, it has been very difficult to repair damaged parts of iron-based wear-resistant parts, which are highly brittle and contain a large amount of alloy elements, using the laser direct deposition (L-DED) technique.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 3D 프린팅에 사용될 수 있는 고망간강 분말을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide high manganese steel powder that can be used in 3D printing to solve the above problems.
또한, 본 발명의 목적은 레이저 직접적층공정 시 기존의 철계 내마모 소재와 유사한 수준의 내마모 특성을 보이면서도 레이저 직접적층공정을 통해 기존 철계 내마모 소재와 크랙 없이 쉽게 용접되는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법을 제공하는 것이다.In addition, the purpose of the present invention is to provide a laser direct lamination method that shows wear resistance characteristics at a level similar to that of existing iron-based wear-resistant materials during the laser direct lamination process, but is easily welded to existing iron-based wear-resistant materials without cracking through the laser direct lamination process. It provides a 3D printing method.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical problems to be solved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention. will be.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 3D 프린팅용 고망간강 분말 및 이를 이용한 내마모 철계부품 보수를 위한 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a high manganese steel powder for 3D printing and a 3D printing method using the laser direct lamination method for repairing wear-resistant iron-based parts using the same.
본 발명은 고망간강 100 중량부 대비 Fe 88 내지 76 중량부, Mn 10 내지 15 중량부, Cr 2 내지 7 중량부, Ni 0.5 내지 1 중량부 및 C 0.2 내지 1 중량부를 포함하는 3D 프린팅용 고망간강 분말에 관한 것이다.The present invention provides a high manganese steel for 3D printing containing 88 to 76 parts by weight of Fe, 10 to 15 parts by weight of Mn, 2 to 7 parts by weight of Cr, 0.5 to 1 part by weight of Ni, and 0.2 to 1 part by weight of C compared to 100 parts by weight of high manganese steel. It's about powder.
본 발명에 있어서, 상기 고망간강 분말은 평균입도가 50 내지 150 ㎛인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the high manganese steel powder has an average particle size of 50 to 150 ㎛.
본 발명에 있어서, 상기 고망간강 분말은 가스분무법으로 제조된 구형의 입자인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the high manganese steel powder is characterized in that it is a spherical particle manufactured by a gas spray method.
본 발명은 (S1) 고망간강 분말을 공급 원료로 공급하는 단계; (S2) 상기 원료를 용해하여 고망간강 적층 소재를 형성하는 단계; (S3) 레이저로 형성된 용융 풀에 이송가스와 함께 상기 고망간강 적층소재를 투입하는 단계; 및 (S4) 상기 고망간강 적층소재를 철계 내마모소재 상에 레이저 직접적층방식을 통해 3차원 적층하는 단계;를 포함하며, 상기 (S2)의 고망간강 적층소재는 적층소재 100 중량부 대비 망간 10 내지 24 중량부 이상 함유된 것인 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.The present invention includes the steps of (S1) supplying high manganese steel powder as a feedstock; (S2) dissolving the raw materials to form a high manganese steel laminated material; (S3) Injecting the high manganese steel laminated material together with a transfer gas into a molten pool formed by a laser; And (S4) three-dimensionally laminating the high manganese steel laminated material on an iron-based wear-resistant material through a laser direct lamination method, wherein the high manganese steel laminated material of (S2) contains 10 parts by weight of manganese relative to 100 parts by weight of the laminated material. It relates to a 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel containing 24 parts by weight or more.
본 발명에 있어서, 상기 (S1)의 고망간강 분말은 고망간강 100 중량부 대비 Fe 88 내지 76 중량부, Mn 10 내지 15 중량부, Cr 2 내지 7 중량부, Ni 0.5 내지 1 중량부 및 C 0.2 내지 1 중량부인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the high manganese steel powder of (S1) contains 88 to 76 parts by weight of Fe, 10 to 15 parts by weight of Mn, 2 to 7 parts by weight of Cr, 0.5 to 1 part by weight of Ni, and 0.2 parts by weight of C, based on 100 parts by weight of high manganese steel. It is characterized in that it is from 1 part by weight.
본 발명에 있어서, 상기 (S1)의 고망간강 분말은 평균입도가 50 내지 150 ㎛인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the high manganese steel powder (S1) has an average particle size of 50 to 150 ㎛.
본 발명에 있어서, 상기 (S1)의 고망간강 분말은 가스분무법으로 제조된 구형의 입자인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the high manganese steel powder (S1) is characterized in that it is a spherical particle manufactured by a gas spray method.
본 발명에 있어서, 상기 (S4)의 3차원 적층하는 단계는 마모하중 20 내지 60 N으로 진행되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the three-dimensional stacking step (S4) is characterized in that it is carried out with a wear load of 20 to 60 N.
본 발명에 있어서, 상기 (S4)의 3차원 적층하는 단계는 마모하중 20 내지 60 N으로 진행되는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the three-dimensional stacking step (S4) is characterized in that it is carried out with a wear load of 20 to 60 N.
본 발명에 있어서, 상기 (S4)의 철계 내마모소재는 구상흑연주철을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the iron-based wear-resistant material (S4) is characterized in that it contains nodular cast iron.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, this specification will be described in more detail.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 3D 프린팅에 사용될 수 있는 고망간강 분말을 제공할 수 있다.By solving the above problems, it is possible to provide high manganese steel powder that can be used in 3D printing.
또한, 본 발명은 레이저 직접적층공정 시 기존의 철계 내마모 소재와 유사한 수준의 내마모 특성을 보이면서도 레이저 직접적층공정을 통해 기존 철계 내마모 소재와 크랙 없이 쉽게 용접되는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법을 제공할 수 있다.In addition, the present invention is a 3D printing method using a laser direct lamination method that exhibits wear resistance characteristics similar to those of existing iron-based wear-resistant materials during the laser direct lamination process, but is easily welded to existing iron-based wear-resistant materials without cracks through the laser direct lamination process. A method can be provided.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 (a) 가스분무로 제조된 고망간강 구형분말을 나타내는 이미지 및 (b) 고망간강 구형분말의 입도분포를 나타낸 그래프이다.
도 2는 (a) L-DED 적층 시의 분말분사 및 용융을 나타내는 모식도 및 (b) 본 발명의 실시예에 따른 L-DED 적층을 진행하는 사진이다.
도 3은 레이저직접적층 공정 프로세스 및 실험 설정을 나타내는 개략도이다.
도 4는 (a) L-DED로 적층된 고망간강의 OM 이미지 및 빨간색 상자로 표시된 영역의 미세구조 분석을 나타내는 이미지 (b) 밴드의 대비, (c) EBSD상 맵 및 (d) BD 방향의 EBSD-IPF 맵을 나타내는 이미지이다.
도 5는 L-DED 적층제조된 고망간강 및 구상흑연주철 모재와의 계면을 전차현미경으로 관찰한 결과를 나타내는 사진이다.
도 6은 ball-on-disk 방식의 마모시험을 나타내는 개략도이다.
도 7은 L-DED 3차원 적층제조된 고망간강 및 구상흑연주철 모재의 조건별 마모량의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 8은 (a) 실시예에 따른 고망간강 시편의 스크래치 흉터의 OM 사진 및 (b) 스크래치 마찰 하중 및 마찰 계수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 L-DED 3차원 적층제조된 고망간강 및 구상흑연주철 모재의 조건별 마모흔 단면형상의 비교를 나타내는 그래프이다.Figure 1 is (a) an image showing a high manganese steel spherical powder produced by gas spraying and (b) a graph showing the particle size distribution of the high manganese steel spherical powder.
Figure 2 is (a) a schematic diagram showing powder spraying and melting during L-DED lamination and (b) a photograph of L-DED lamination in progress according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing the laser direct deposition process and experimental setup.
Figure 4 shows (a) an OM image of a high manganese steel laminated with L-DED and an image showing the microstructural analysis of the area marked with a red box (b) the contrast of the bands, (c) the EBSD phase map, and (d) the BD direction. This is an image representing the EBSD-IPF map.
Figure 5 is a photograph showing the results of observing the interface between L-DED additively manufactured high manganese steel and nodular cast iron base material using a transmission microscope.
Figure 6 is a schematic diagram showing the wear test of the ball-on-disk method.
Figure 7 is a graph showing a comparison of the wear amount of high manganese steel and nodular cast iron base material manufactured by L-DED three-dimensional additive manufacturing by condition.
Figure 8 is (a) an OM photograph of a scratch scar of a high manganese steel specimen according to an example and (b) a graph showing changes in scratch friction load and friction coefficient.
Figure 9 is a graph showing a comparison of the cross-sectional shapes of wear marks according to conditions of L-DED 3D additively manufactured high manganese steel and nodular cast iron base materials.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당하는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the function in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the relevant invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than simply the name of the term.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다. The numerical range includes the values defined in the range above. Any maximum numerical limit given throughout this specification includes all lower numerical limits as if the lower numerical limit were explicitly written out. Every minimum numerical limit given throughout this specification includes every higher numerical limit as if such higher numerical limit was explicitly written out. All numerical limits given throughout this specification will include all better numerical ranges within the broader numerical range, as if the narrower numerical limits were clearly written.
3D 프린팅용 고망간강 분말High manganese steel powder for 3D printing
본 발명은 고망간강 100 중량부 대비 Fe 88 내지 76 중량부, Mn 10 내지 15 중량부, Cr 2 내지 7 중량부, Ni 0.5 내지 1 중량부 및 C 0.2 내지 1 중량부를 포함하는 3D 프린팅용 고망간강 분말에 관한 것이다.The present invention provides a high manganese steel for 3D printing containing 88 to 76 parts by weight of Fe, 10 to 15 parts by weight of Mn, 2 to 7 parts by weight of Cr, 0.5 to 1 part by weight of Ni, and 0.2 to 1 part by weight of C compared to 100 parts by weight of high manganese steel. It's about powder.
상기 C는 1 중량부 이상 함유될 경우 레이저 직접적층공정 시 크랙을 유발할 수 있다. 상기 Ni 및 Cr은 Mn과 특별한 반응을 일으키지 않는 합금원소로 필요로 하는 성능에 따라 첨가할 수 있다.If the C is contained in an amount of 1 part by weight or more, it may cause cracks during the laser direct lamination process. The Ni and Cr are alloy elements that do not cause any special reaction with Mn and can be added depending on the required performance.
상기 고망간강 분말을 사용하여 제조된 고망간강 적층소재는 Fe-12Mn-5Cr-1Mi-0.4C(wt.%) 일 수 있다. 상기 고망간강은 레이저 직접적층공정을 통해 계면 결함 없이 3차원 형상으로 철계 내마모소재의 모재 상에 증착될 수 있다. The high manganese steel laminated material manufactured using the high manganese steel powder may be Fe-12Mn-5Cr-1Mi-0.4C (wt.%). The high manganese steel can be deposited on the base material of the iron-based wear-resistant material in a three-dimensional shape without interfacial defects through a laser direct lamination process.
본 발명에 있어서, 상기 고망간강 분말은 평균입도가 50 내지 150 ㎛일 수 있다.In the present invention, the high manganese steel powder may have an average particle size of 50 to 150 ㎛.
본 발명에 있어서, 상기 고망간강 분말은 가스분무법으로 제조된 구형의 입자인 것일 수 있다.In the present invention, the high manganese steel powder may be spherical particles manufactured by a gas spray method.
3D 프린팅용 고망간강 분말을 이용한 내마모 철계부품 보수를 위한 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법Laser direct lamination 3D printing method for repairing wear-resistant iron-based parts using high manganese steel powder for 3D printing
본 발명은 3D 프린팅용 고망간강 분말을 이용한 내마모 철계부품 보수를 위한 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D printing method using a laser direct lamination method for repairing wear-resistant iron-based parts using high manganese steel powder for 3D printing.
또한, 본 발명은 고망간강 100 중량부 대비 Fe 88 내지 76 중량부, Mn 10 내지 15 중량부, Cr 2 내지 7 중량부, Ni 0.5 내지 1 중량부 및 C 0.2 내지 1 중량부를 포함하는 3D 프린팅용 고망간강 분말에 관한 것이다.In addition, the present invention provides a 3D printing product containing 88 to 76 parts by weight of Fe, 10 to 15 parts by weight of Mn, 2 to 7 parts by weight of Cr, 0.5 to 1 part by weight of Ni, and 0.2 to 1 part by weight of C compared to 100 parts by weight of high manganese steel. It relates to high manganese steel powder.
상기 C는 1 중량부 이상 함유될 경우 레이저 직접적층공정 시 크랙을 유발할 수 있다. 상기 Ni 및 Cr은 Mn과 특별한 반응을 일으키지 않는 합금원소로 필요로 하는 성능에 따라 첨가할 수 있다.If the C is contained in an amount of 1 part by weight or more, it may cause cracks during the laser direct lamination process. The Ni and Cr are alloy elements that do not cause any special reaction with Mn and can be added depending on the required performance.
상기 고망간강 분말을 사용하여 제조된 고망간강 적층소재는 Fe-12Mn-5Cr-1Mi-0.4C(wt.%) 일 수 있다. 상기 고망간강은 레이저 직접적층공정을 통해 계면 결함 없이 3차원 형상으로 철계 내마모소재의 모재 상에 증착될 수 있다. The high manganese steel laminated material manufactured using the high manganese steel powder may be Fe-12Mn-5Cr-1Mi-0.4C (wt.%). The high manganese steel can be deposited on the base material of the iron-based wear-resistant material in a three-dimensional shape without interfacial defects through a laser direct lamination process.
본 발명에 있어서, 상기 고망간강 분말은 평균입도가 50 내지 150 ㎛일 수 있다.In the present invention, the high manganese steel powder may have an average particle size of 50 to 150 ㎛.
본 발명에 있어서, 상기 고망간강 분말은 가스분무법으로 제조된 구형의 입자인 것일 수 있다.In the present invention, the high manganese steel powder may be spherical particles manufactured by a gas spray method.
또한, 본 발명은 (S1) 고망간강 분말을 공급 원료로 공급하는 단계; (S2) 상기 원료를 용해하여 고망간강 적층 소재를 형성하는 단계; (S3) 레이저로 형성된 용융 풀에 이송가스와 함께 상기 고망간강 적층소재를 투입하는 단계; 및 (S4) 상기 고망간강 적층소재를 철계 내마모소재 상에 레이저 직접적층방식을 통해 3차원 적층하는 단계;를 포함하며, 상기 (S2)의 고망간강 적층소재는 적층소재 100 중량부 대비 망간 10 내지 24 중량부 이상 함유된 것인 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention includes the steps of (S1) supplying high manganese steel powder as a feedstock; (S2) dissolving the raw materials to form a high manganese steel laminated material; (S3) Injecting the high manganese steel laminated material together with a transfer gas into a molten pool formed by a laser; And (S4) three-dimensionally laminating the high manganese steel laminated material on an iron-based wear-resistant material through a laser direct lamination method, wherein the high manganese steel laminated material of (S2) contains 10 parts by weight of manganese relative to 100 parts by weight of the laminated material. It relates to a 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel containing 24 parts by weight or more.
상기 모재와 상기 고망간강 적층소재의 경계면 근처에서 상기 철계 내마모소재는 고망간강의 낮은 탄소 함량으로 인해 완전히 용체화 될 수 있다. 또한, 강은 강한 오스테나이트 안정화 효과로 인해 계면 균열 없이 조밀한 미세조직으로 용착될 수 있다. 이로 인해, 상기 고망간강 적층소재와 상기 모재인 철계 내마모소재의 경계면에 크랙 및 기공 등의 결함이 없이 양호하게 적층이 가능할 수 있다. 상기 고망간강은 레이저 직접적층공정을 통해 계면 결함 없이 3차원 형상으로 철계 내마모소재의 모재 상에 증착될 수 있다. Near the interface between the base material and the high manganese steel laminated material, the iron-based wear-resistant material may be completely solutionized due to the low carbon content of the high manganese steel. Additionally, steel can be welded with a dense microstructure without interfacial cracking due to the strong austenite stabilization effect. Because of this, it may be possible to laminate the high manganese steel laminated material and the iron-based wear-resistant material, which is the base material, without defects such as cracks and pores at the interface. The high manganese steel can be deposited on the base material of the iron-based wear-resistant material in a three-dimensional shape without interfacial defects through a laser direct lamination process.
상기 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅으로 생산된 고망간강을 빠르게 응고되어 크랙 및 기공과 같은 심각한 결함이 없는 미세조직이 될 수 있다. 상기 내마모 철계부품과 고망간강 사이의 균열이 없는 계면은 증착물과 기판 사이의 부드러운 미세 구조 전이로 인한 것일 수 있다.High manganese steel produced by 3D printing using the laser direct lamination method can be quickly solidified to create a microstructure without serious defects such as cracks and pores. The crack-free interface between the wear-resistant iron-based component and the high manganese steel may be due to a smooth microstructural transition between the deposit and the substrate.
재용융 구역에서 내마모 철계부품의 흑연상은 강철은 낮은 탄소 함량으로 인해 레이저 직접적층공정 동안 완전히 용체화될 수 있다. 또한 Mn의 강력한 오스테나이트 안정화 효과는 ledeburite의 형성을 억제하여 계면 균열과 같은 결함의 형성을 방지할 수 있다.The graphitic phase of wear-resistant iron-based components in the remelting zone can be completely solutionized during the laser direct deposition process due to the steel's low carbon content. In addition, the strong austenite stabilizing effect of Mn can suppress the formation of ledeburite and prevent the formation of defects such as interfacial cracks.
상기와 같은 이유로 내마모 철계부품 보수에 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅을 이용하는 것이 효과적일 수 있다.For the above reasons, it can be effective to use 3D printing using laser direct lamination using high manganese steel to repair wear-resistant iron-based parts.
본 발명에 있어서, 상기 (S1)의 고망간강 분말은 고망간강 100 중량부 대비 Fe 88 내지 76 중량부, Mn 10 내지 15 중량부, Cr 2 내지 7 중량부, Ni 0.5 내지 1 중량부 및 C 0.2 내지 1 중량부인 것일 수 있다.In the present invention, the high manganese steel powder of (S1) contains 88 to 76 parts by weight of Fe, 10 to 15 parts by weight of Mn, 2 to 7 parts by weight of Cr, 0.5 to 1 part by weight of Ni, and 0.2 parts by weight of C, based on 100 parts by weight of high manganese steel. It may be from 1 part by weight.
본 발명에 있어서, 상기 (S1)의 고망간강 분말은 평균입도가 50 내지 150 ㎛인 것일 수 있다.In the present invention, the high manganese steel powder (S1) may have an average particle size of 50 to 150 ㎛.
본 발명에 있어서, 상기 (S1)의 고망간강 분말은 가스분무법으로 제조된 구형의 입자인 것일 수 있다.In the present invention, the high manganese steel powder of (S1) may be spherical particles manufactured by a gas spray method.
본 발명에 있어서, 상기 (S4)의 3차원 적층하는 단계는 마모하중 20 내지 60 N으로 진행되는 것일 수 있다.In the present invention, the three-dimensional stacking step (S4) may be performed with an abrasion load of 20 to 60 N.
모재 상에 용착되는 고망간강과 철계 내마모소재 모재상의 마모율은 미끄럼 속도보다 마모하중의 영향을 더 많이 받을 수 있다. 20 N 이하의 낮은 마모 하중에서 철계 내마모소재는 가지고 있는 높은 흑연의 자체 윤활 효과로 인해 증착된 고망간강보다 마모율이 낮을 수 있다. 마모하중 조건이 50 N 이상일 때는 고망간강은 가공경화 효과로 인해 철계 내마모소재 보다 내마모성이 더 높을 수 있다. 따라서 레이저직접적층 공정을 통해 적층되는 고망간강은 20 N 이상에서 높은 내마모성을 갖는 것이 철계 내마모소재의 보수에 효과적일 수 있다.The wear rate on the base material of high manganese steel and iron-based wear-resistant materials welded on the base material may be more affected by the wear load than the sliding speed. At low wear loads of 20 N or less, iron-based wear-resistant materials may have a lower wear rate than deposited high manganese steel due to the high self-lubricating effect of graphite. When the wear load condition is 50 N or more, high manganese steel may have higher wear resistance than iron-based wear-resistant materials due to the work hardening effect. Therefore, high manganese steel laminated through the laser direct lamination process can be effective in repairing iron-based wear-resistant materials because it has high wear resistance at 20 N or more.
본 발명에 있어서, 상기 (S4)의 3차원 적층하는 단계는 레이저 출력 800 내지 900 W, 분말공급량 2 내지 6 g/min 및 레이저 스캔속도 905 내지 1205 mm/min 으로 진행되는 것일 수 있다.In the present invention, the three-dimensional stacking step (S4) may be performed at a laser power of 800 to 900 W, a powder supply amount of 2 to 6 g/min, and a laser scan speed of 905 to 1205 mm/min.
본 발명에 있어서, 상기 (S4)의 철계 내마모소재는 구상흑연주철을 포함하는 것일 수 있다. In the present invention, the iron-based wear-resistant material of (S4) may include nodular cast iron.
실시예Example
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다. Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail, but it is obvious that the present invention is not limited to the following examples.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear with reference to the embodiments described in detail below. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms, and only the embodiments are provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and are provided by those skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.
실시예 1. 고망간강의 L-DED 증착법을 이용한 샘플 제작Example 1. Sample production using L-DED deposition of high manganese steel
망간이 무게비로 약 12% 함유된 Fe-12Mn-5Cr-1Ni-0.4C(wt%) 합금분말을 레이저 직접적층 소재로 사용하여 수행하였다. 상기 분말은 가스분무법을 통해 제조하여 구형의 입자모양을 가지고 있으며, 분말의 입도는 50 내지 150 mm 범위이다. 상기 고망간강 금속 분말의 분말 모양, 입자 크기 분포는 도 1로 나타내었으며, 화학 조성은 하기 [표 1]에 나타내었다. This was performed using Fe-12Mn-5Cr-1Ni-0.4C (wt%) alloy powder containing about 12% by weight of manganese as a laser direct lamination material. The powder is manufactured through a gas atomization method and has a spherical particle shape, and the particle size of the powder is in the range of 50 to 150 mm. The powder shape and particle size distribution of the high manganese steel metal powder are shown in Figure 1, and the chemical composition is shown in Table 1 below.
적층을 위한 기판소재로는 철계내마모 소재인 구상흑연주철을 사용하였다. 상기 구상흑연주철은 3.5 내지 4.0 wt.%의 탄소를 함유하고 있으며, KS-D-4302 규격의 GCD-600으로 제조된 것으로, 상기 주철의 인장강도는 600 MPa 이상이다. 상기 기판은 95 × 130 × 20 mm 치수로 준비하였다.Nodular cast iron, an iron-based wear-resistant material, was used as the substrate material for lamination. The ductile iron contains 3.5 to 4.0 wt.% of carbon, is manufactured using GCD-600 according to the KS-D-4302 standard, and has a tensile strength of 600 MPa or more. The substrate was prepared with dimensions of 95 × 130 × 20 mm.
(wt. %)(wt.%)
(substrate)GCD-600
(substrate)
상기 고망간강 분말을 레이저와 함께 상기 기판 상에 분사하여 3차원 궤적을 층층이 연결하여 레이저 직접적층방식(L-DED)으로 3D 프린팅(3차원 적층)하였으며, 상기 레이저직접적층 공정 프로세스 및 실험 설정의 개략도는 도 2로 나타내었다. 상기 레이저직접적층 공정의 매개변수는 하기 [표 2]에 나타내었다. The high manganese steel powder was sprayed onto the substrate with a laser to connect the three-dimensional trajectories layer by layer and 3D printed (three-dimensionally) using laser direct deposition (L-DED), and the laser direct deposition process and experimental settings were used. A schematic diagram is shown in Figure 2. The parameters of the laser direct lamination process are shown in [Table 2] below.
L-DED에서 노즐을 통해 분사된 고망간강 분말은 레이저를 통해 용융되어 모재 위에 용융풀을 형성하며, L-DED 노즐 및 레이저헤드를 지그재그로 스캔하여 고망간강 층을 층층이 3차원 제작하는 과정을 반복하여 3차원 적층하였다. The high manganese steel powder sprayed through the nozzle from L-DED is melted by a laser to form a molten pool on the base material, and the process of 3D manufacturing the high manganese steel layer by layer is repeated by scanning the L-DED nozzle and laser head in a zigzag manner. and 3D stacked.
사용된 장비와 분말에서는 레이저 출력 850 W, 분말공급량 4 g/min, 레이저 스캔속도 1,105 mm/min의 조건으로 3차원 적층하여 기공 등의 결함이 거의 없는 고망간강 층을 얻었다. The equipment and powder used were 3D laminated under the conditions of laser power of 850 W, powder supply amount of 4 g/min, and laser scan speed of 1,105 mm/min to obtain a high manganese steel layer with almost no defects such as pores.
상기 고망간강 샘플의 크기는 40 × 80 mm의 8개의 증착하였으며, 상기 층의 두께는 0.3 mm로, 총 두께는 2.4 mm인 고망간강층을 증착하였다. 상기 샘플의 기하학적 구조를 도 3에 나타내었다. The size of the high manganese steel sample was 40 × 80 mm, and eight high manganese steel layers were deposited with a thickness of 0.3 mm and a total thickness of 2.4 mm. The geometry of the sample is shown in Figure 3.
상기 레이저직접적층공정 중 레이저 용융 시 용탕의 산화를 방지하고 분말을 공급하기 위해 레이저 직접적층 공정에서 Ar 가스 99.99 중량부 포함된 쉴드 및 캐리어 가스를 주입하였다. 실험에 사용된 레이저 스폿의 직경은 약 1.0 mm이다. In order to prevent oxidation of the molten metal and supply powder during laser melting during the laser direct deposition process, a shield and carrier gas containing 99.99 parts by weight of Ar gas were injected. The diameter of the laser spot used in the experiment is about 1.0 mm.
비교예 1. 구상흑연주철(GCD-600) 시편Comparative Example 1. Nodular cast iron (GCD-600) specimen
실시예1의 모재에 사용된 것과 같은 구상흑연주철을 제조하였다. 상기 구상흑연주철은 3.5 내지 4.0 (wt.%)의 탄소를 함유하고 있으며, 망간을 거의 포함하지 않는다. 상기 구상흑연주철의 인장강도 600 MPa 이상으로 제조하였다. The same ductile iron used in the base material of Example 1 was manufactured. The nodular cast iron contains 3.5 to 4.0 (wt.%) carbon and almost no manganese. The ductile iron was manufactured with a tensile strength of 600 MPa or more.
실험예 1. 레이저 직접적층공정(L-DED)으로 제조된 고망간강의 전자현미경(OM) 및 EBSD을 이용한 미세구조 측정Experimental Example 1. Microstructure measurement using electron microscopy (OM) and EBSD of high manganese steel manufactured by laser direct deposition process (L-DED)
미세구조 분석을 위해 실시예 1 및 비교예 1을 시편으로 절단하고 0.05mm 알루미나 슬러리를 사용하여 표면을 연마하였다. 상기 시편은 증착 방향에 평행한 평면으로 절단하였다. 상기 시편의 화학적 애칭은 질산(nital) 5% 가 함유된 에틸알코올 수용액으로 수행하였다.For microstructure analysis, Example 1 and Comparative Example 1 were cut into specimens and the surfaces were polished using 0.05 mm alumina slurry. The specimen was cut in a plane parallel to the deposition direction. Chemical nicking of the specimen was performed with an aqueous ethyl alcohol solution containing 5% nitric acid.
상기와 같이 준비된 실시예 1의 구상흑연주철 모재 위에 L-DED로 제조된 고망간강의 계면을 전자현미경으로 관찰하고, 이를 통해 나타난 미세조직 및 EBSD 결과를 도 4로 나타내었다.The interface of the high manganese steel manufactured by L-DED on the nodular cast iron base material of Example 1 prepared as above was observed with an electron microscope, and the microstructure and EBSD results shown through this are shown in Figure 4.
도 4의 (a)에 나타난 바와 같이, 레이저 비드 경계가 관찰된다. 또한, 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, Mn 산화물을 나타내는 작은 검은색 점은 아주 적게 나타났으며, 거의 완전히 조밀한 미세구조가 나타났다.As shown in Figure 4(a), a laser bead boundary is observed. In addition, as shown in Figure 4 (b), very few small black dots representing Mn oxide appeared, and an almost completely dense microstructure appeared.
또한, 도 4의 (c)에 나타난 바와 같이, EBSD 위상 지도를 확인한 결과 비교예 1의 구상흑연주철은 체심입방체구조(BCC)를 가지며, 실시예 1의 증착된 고망간강은 면심입방체구조(FCC)를 가짐을 확인하였다. 따라서 실시예 1의 고망간강은 거의 완전히 오스테나이트상임을 확인할 수 있다. 또한 구상흑연주철 기질이 부분적으로 용융되어 증착된 첫 번째 층의 고망간강과 혼합된 미세조직 근처에서 몇 개의 작은 마르텐사이트 상이 확인되었다.In addition, as shown in Figure 4 (c), as a result of checking the EBSD phase map, the ductile iron of Comparative Example 1 had a body-centered cubic structure (BCC), and the deposited high manganese steel of Example 1 had a face-centered cubic structure (FCC). ) was confirmed to have. Therefore, it can be confirmed that the high manganese steel of Example 1 is almost completely in the austenitic phase. Additionally, several small martensite phases were identified near the microstructure where the ductile iron matrix was partially melted and mixed with the high manganese steel of the deposited first layer.
또한, 재용융 영역에서 ledeburite(레데부라이트)의 형성이 저해되는데, 이는 Mn의 강력한 Austenite(오스테나이트) 안정화 효과에 기인하였다. 이는 플레이크형 흑연의 석출과 취성 ledeburite 상의 형성은 계면 균열과 같은 계면 근처의 결함 형성을 유발하기 때문에 구상흑연주철로 만들어진 마모된 부품의 수리에 적용될 수 있음을 나타낸다.In addition, the formation of ledeburite was inhibited in the remelted region, which was due to the strong austenite stabilizing effect of Mn. This indicates that it can be applied to the repair of worn parts made of nodular cast iron because the precipitation of flake-like graphite and the formation of a brittle ledeburite phase cause the formation of defects near the interface, such as interfacial cracks.
실시예 1의 구상흑연주철 모재 위에 L-DED로 제조된 고망간강의 계면을 전자현미경으로 관찰하고 이를 도 5로 나타내었다. The interface of the high manganese steel manufactured by L-DED on the ductile iron base material of Example 1 was observed with an electron microscope and is shown in Figure 5.
도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 비교예1의 표면 이미지를 확인하였다. 비교예 1의 구상 흑연 주철에선 다수의 구형 흑연 입자가 관찰되었다. As shown in Figure 5, the surface images of Example 1 and Comparative Example 1 were confirmed. In the spherical graphite cast iron of Comparative Example 1, a large number of spherical graphite particles were observed.
또한, 상기 직접적층공정 증착재의 계면 부근에 크랙, 개재물, 보이드 등의 결함이 없음을 명확히 알 수 있어 고망간강을 결함 없이 증착할 수 있음을 알 수 있다. 상기 증착된 물질과 구상흑연주철 기판 사이의 계면 위에 형성된 재용융 구역에서 일부 흑연 상이 관찰되었다. 이는 레이저 직접적층공정에서 사용되는 고망간강의 탄소 함량이 낮기 때문에 구상흑연주철 기판의 흑연 상이 재용융 영역에서 쉽게 용체화될 수 있음을 나타낸다.In addition, it can be clearly seen that there are no defects such as cracks, inclusions, or voids near the interface of the deposition material of the direct deposition process, indicating that high manganese steel can be deposited without defects. Some graphitic phases were observed in the remelted zone formed on the interface between the deposited material and the nodular iron substrate. This indicates that the graphite phase of the nodular cast iron substrate can easily be solutionized in the remelted region because the carbon content of the high manganese steel used in the laser direct lamination process is low.
상기 시험 결과를 통해, 본 발명에 따른 고망간강을 이용한 레이저직접적층방식의 3D 프린팅을 통해 제조된 고망간강과 모재인 구상흑연주철의 사이에는 크랙 등의 결함이 없이 양호하게 적층이 가능한 것을 확인할 수 있다.Through the above test results, it can be confirmed that good lamination is possible without defects such as cracks between the high manganese steel manufactured through 3D printing of the laser direct lamination method using the high manganese steel according to the present invention and the base material, ductile iron. there is.
실험예 2. Ball-on-disk 마모시험Experimental Example 2. Ball-on-disk wear test
실시예 1의 L-DED 적층 제조된 고망간강 및 비교예 1의 GCD-600을 KS B 0801 규격에 따라 게이지부의 길이 27.2 mm, 너비 6mm, 두께 2mm 인 판형의 소형 시편으로 각각 9개씩 절단하여 사용하였다. 상기 시편은 20 × 20 mm2 의 고망간강 표면적을 얻기 위해 기질과 함께 절단하였다.The L-DED laminated high manganese steel of Example 1 and the GCD-600 of Comparative Example 1 were cut into 9 small plate-shaped specimens with a gauge length of 27.2 mm, width of 6 mm, and thickness of 2 mm according to the KS B 0801 standard. did. The specimen was cut together with the substrate to obtain a high manganese steel surface area of 20 × 20 mm 2 .
상기 시편의 표면을 2000방 사포로 연마한 후 표면을 에탄올로 세척하여 도 6과 같이 ball-on-disk 방식의 마모시험을 통해 마모 특성을 확인하였다.After polishing the surface of the specimen with 2000-grit sandpaper, the surface was washed with ethanol, and the wear characteristics were confirmed through a ball-on-disk wear test as shown in FIG. 6.
상기 ball-on-disk 시험의 상대재는 베어링강 볼(KS STB2)을 사용하였으며, 이의 물리적 특성은 하기 [표 3]에 나타내었다.A bearing steel ball (KS STB2) was used as the counterpart material for the ball-on-disk test, and its physical properties are shown in [Table 3] below.
상기 마모시험은 총 마모 거리가 500m가 될 때 까지 수행하였으며, 마모트랙(D)의 직경은 13.6mm이다. 마모 중량 손실은 0.1 mg 분해능의 디지털 저울을 사용하여 시험 전후에 볼과 시료의 중량 변화를 측정하여 특성화하였다. 상기 마모 시험 후 3D 프로파일러를 사용하여 마모트랙의 형태를 측정하였다. 또한, 상기 마모시험은 25, 50 및 100 mm/s의 3가지 슬라이딩 속도와 5, 20 및 50 N의 3 가지 인가하중의 조건에서 실험을 진행하였다. 볼 반경(Rb)는 2.78mm이고, 최대 헤르츠 접촉 응력은 5, 20, 50 N의 마모 하중에 대해 627, 994, 4350 MPa이다. The wear test was performed until the total wear distance reached 500 m, and the diameter of the wear track (D) was 13.6 mm. Wear weight loss was characterized by measuring the weight change of the ball and sample before and after testing using a digital scale with 0.1 mg resolution. After the wear test, the shape of the wear track was measured using a 3D profiler. In addition, the wear test was conducted under three sliding speeds of 25, 50, and 100 mm/s and three applied loads of 5, 20, and 50 N. The ball radius (Rb) is 2.78 mm and the maximum Hertzian contact stresses are 627, 994 and 4350 MPa for wear loads of 5, 20 and 50 N.
상기 Ball-on-disk 마모시험에서 볼이 움직인 총 거리가 500 m가 되었을 때의 시험편의 마모에 의한 무게 손실을 측정한 결과를 도 7에 나타내었다.The results of measuring the weight loss due to wear of the test piece when the total distance the ball moved in the ball-on-disk wear test was 500 m are shown in Figure 7.
상기 실험 사이클 전후의 마모율은 하기 [수학식 1]을 사용하여 체적 손실로부터 계산하였다.The wear rate before and after the experimental cycle was calculated from the volume loss using Equation 1 below.
이 때, 상기 [수학식 1]의 △V, △m, ρ 및 L은 각각 중량 부피 손실, 중량 손실, 진밀도 및 슬라이딩 거리이다. 무게 손실과 밀도는 부피 손실을 계산하는데 사용되었다. At this time, △V, △m, ρ, and L in [Equation 1] are weight volume loss, weight loss, true density, and sliding distance, respectively. Weight loss and density were used to calculate volume loss.
도 7에 나타난 바와 같이, 마모 속도와 하중에 따라 시험편의 무게손실은 달라지지만, 고망간강과 구상흑연주철의 마모량은 전반적으로 유사한 수준으로 확인하였다. As shown in Figure 7, the weight loss of the test piece varies depending on the wear speed and load, but the wear amount of high manganese steel and nodular cast iron was confirmed to be at a similar level overall.
그러나, 극심한 마모조건인 마모하중 50 N의 조건에서는 L-DED 3차원 적층 제조된 고망간강의 경우가 기존 내마모 철계소재인 구상흑연주철 소재에 비해 마모에 의한 무게손실이 더 적게 나타났다. 이는 마모하중이 높은 환경에서 L-DED 적층제조된 고망간강이 구상흑연주철 소재에 비해 마모저항성이 높음을 나타낸다.However, under the wear load of 50 N, which is an extreme wear condition, the L-DED 3D laminated high manganese steel showed less weight loss due to wear compared to the existing wear-resistant iron-based ductile iron material. This indicates that L-DED additively manufactured high manganese steel has higher wear resistance than nodular cast iron material in an environment with high wear load.
상기 시험 결과를 통해, 본 발명에 따른 고망간강을 이용한 레이저직접적층방식의 3D 프린팅을 통해 제조된 고망간강은 내마모 철계부품을 보수하는데 적합한 것을 확인할 수 있다. Through the above test results, it can be confirmed that the high manganese steel manufactured through 3D printing using the laser direct lamination method using the high manganese steel according to the present invention is suitable for repairing wear-resistant iron-based parts.
실험예 3. L-DED 3차원 적층 제조된 고망간강의 조건별 마모흔 단명형상 비교Experimental Example 3. Comparison of wear scar short-life shapes of high manganese steel manufactured by L-DED 3D lamination by condition
실시예 1과 같이 L-DED 적층제조된 고망간강과 구상흑연주철의 마모시험 후 마모에 의해 형성된 마모흔의 잔면 형상을 측정하여 도 8에 나타내었다. After an abrasion test of high manganese steel and ductile iron manufactured by L-DED lamination as in Example 1, the shape of the remaining surface of the wear marks formed by abrasion was measured and shown in FIG. 8.
도 8에 나타난 바와 같이, 5 내지 20 N의 낮은 마모하중에서는 구상흑연주철의 마모흔이 고망간강과 비교하여 작게 형성되나, 극심한 마모조건인 마모하중은 50 N의 조건에서는 L-DED 3차원 적층제조된 고망간강의 경우가 기존 내마모 철계소재인 구상흑연주철 소재에 비해 마모흔이 훨씬 작게 형성됨을 확인하였다.As shown in Figure 8, at a low wear load of 5 to 20 N, the wear marks of nodular cast iron are smaller than those of high manganese steel, but at a wear load of 50 N, which is an extreme wear condition, L-DED three-dimensional lamination It was confirmed that the manufactured high manganese steel had much smaller wear marks compared to the existing wear-resistant iron-based material, ductile iron.
상기와 같은 결과를 통해, 망간이 10wt.% 이상 함유된 고망간강을 가스 분무법으로 제조하여 L-DED 3차원 적층하면 기존 공법으로는 L-DED 적층 보수가 매우 힘든 구상흑연주철 소재 등의 철계 내마모소재의 보수가 가능하며, 적층 후 모재와의 계면에서 크랙이 거의 없고 모재인 구상흑연주철의 내마모 특성과 거의 유사한 수준의 내마모성을 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있다. Based on the above results, if high manganese steel containing more than 10wt.% of manganese is manufactured by gas spraying and L-DED 3D laminated, it can be used in iron-based materials such as nodular cast iron materials, which are very difficult to repair by L-DED lamination using existing methods. It can be seen that the wear material can be repaired, there are almost no cracks at the interface with the base material after lamination, and a level of wear resistance almost similar to that of the base material, ductile iron, can be obtained.
실험예 4. 스크래치 시험Experimental Example 4. Scratch test
광학현미경(OM)과 접선마찰력 센서가 장착된 스크래치 시험기를 이용하여 상온에서 스크래치 시험을 수행하였다. 상기 스크래치 시험은 200mm의 구형 팁 반경을 가진 다이아몬드 입자를 사용하여 30N의 일정한 하중과 2mm/min의 일정한 속도로 단일 패스의 길이 2mm인 미세 스크래치를 만들었다. A scratch test was performed at room temperature using a scratch tester equipped with an optical microscope (OM) and a tangential friction sensor. The scratch test used diamond particles with a spherical tip radius of 200 mm to create micro scratches with a length of 2 mm in a single pass at a constant load of 30 N and a constant speed of 2 mm/min.
상기 고망간강에 대한 스크래치 시험 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에서 노란색 점선은 L-DED 프로세스 동안 지그재그로 움직이는 레이저 스캐닝에 의해 생성된 레이저 비드 인터페이스를 나타낸다. 고망간강의 스크래치 시험에 따른 마찰하중과 계수는 레이저 비드 계면에서 큰 변화 없이 작은 진동으로 거의 일정하게 나타났다. The scratch test results for the high manganese steel are shown in Figure 9. The yellow dashed line in Figure 9 represents the laser bead interface created by zigzag laser scanning during the L-DED process. The friction load and coefficient according to the scratch test of high manganese steel were almost constant with small vibrations without significant changes at the laser bead interface.
이를 통해, L-DED 공정 동안 레이저 비드 경계에서 크랙과 같은 결함이 나타나지 않았음을 확인할 수 있다.Through this, it can be confirmed that no defects such as cracks appeared at the laser bead boundary during the L-DED process.
상기 시험 결과를 통해, 본 발명에 따른 고망간강을 이용한 레이저직접적층방식의 3D 프린팅을 통해 제조된 고망간강과 모재인 구상흑연주철의 사이에는 크랙 등의 결함이 없이 양호하게 적층이 가능한 것을 확인할 수 있다.Through the above test results, it can be confirmed that good lamination is possible without defects such as cracks between the high manganese steel manufactured through 3D printing of the laser direct lamination method using the high manganese steel according to the present invention and the base material, ductile iron. there is.
Claims (10)
High manganese steel powder for 3D printing containing 88 to 76 parts by weight of Fe, 10 to 15 parts by weight of Mn, 2 to 7 parts by weight of Cr, 0.5 to 1 part by weight of Ni, and 0.2 to 1 part by weight of C, relative to 100 parts by weight of high manganese steel.
상기 고망간강 분말은 평균입도가 50 내지 150 ㎛인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 고망간강 분말.
According to clause 1,
The high manganese steel powder is a high manganese steel powder for 3D printing, characterized in that the average particle size is 50 to 150 ㎛.
상기 고망간강 분말은 가스분무법으로 제조된 구형의 입자인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 고망간강 분말.
According to clause 1,
The high manganese steel powder is a high manganese steel powder for 3D printing, characterized in that it is a spherical particle manufactured by a gas spray method.
(S2) 상기 원료를 용해하여 고망간강 적층 소재를 형성하는 단계;
(S3) 레이저로 형성된 용융 풀에 이송가스와 함께 상기 고망간강 적층소재를 투입하는 단계; 및
(S4) 상기 고망간강 적층소재를 철계 내마모소재 상에 레이저 직접적층방식을 통해 3차원 적층하는 단계;를 포함하며
상기 (S2)의 고망간강 적층소재는 적층소재 100 중량부 대비 망간 10 내지 24 중량부 이상 함유된 것인 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법.
(S1) supplying high manganese steel powder as a feedstock;
(S2) dissolving the raw materials to form a high manganese steel laminated material;
(S3) Injecting the high manganese steel laminated material together with a transfer gas into a molten pool formed by a laser; and
(S4) three-dimensionally laminating the high manganese steel laminated material on an iron-based wear-resistant material through a laser direct lamination method;
The high manganese steel laminated material of (S2) is a 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel, which contains 10 to 24 parts by weight or more of manganese relative to 100 parts by weight of the laminated material.
상기 (S1)의 고망간강 분말은
고망간강 100 중량부 대비 Fe 88 내지 76 중량부, Mn 10 내지 15 중량부, Cr 2 내지 7 중량부, Ni 0.5 내지 1 중량부 및 C 0.2 내지 1 중량부인 것을 특징으로 하는 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법.
According to clause 4,
The high manganese steel powder of (S1) is
Laser direct laser using high manganese steel, characterized in that it contains 88 to 76 parts by weight of Fe, 10 to 15 parts by weight of Mn, 2 to 7 parts by weight of Cr, 0.5 to 1 part by weight of Ni, and 0.2 to 1 part by weight of C compared to 100 parts by weight of high manganese steel. Layer-based 3D printing method.
상기 (S1)의 고망간강 분말은 평균입도가 50 내지 150 ㎛인 것을 특징으로 하는 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법.
According to clause 4,
A 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel, characterized in that the high manganese steel powder of (S1) has an average particle size of 50 to 150 ㎛.
상기 (S1)의 고망간강 분말은 가스분무법으로 제조된 구형의 입자인 것을 특징으로 하는 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법.
According to clause 4,
A 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel, characterized in that the high manganese steel powder of (S1) is a spherical particle manufactured by a gas spray method.
상기 (S4)의 3차원 적층하는 단계는
마모하중 20 내지 60 N으로 진행되는 것을 특징으로 하는 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법.
According to clause 4,
The three-dimensional stacking step of (S4) is
A 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel, characterized in that it is carried out at a wear load of 20 to 60 N.
상기 (S4)의 3차원 적층하는 단계는
레이저 출력 800 내지 900 W, 분말공급량 2 내지 6 g/min 및 레이저 스캔속도 905 내지 1205 mm/min 으로 진행되는 것을 특징으로 하는 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법.
According to clause 4,
The three-dimensional stacking step of (S4) is
A 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel, characterized in that the laser power is 800 to 900 W, the powder supply amount is 2 to 6 g/min, and the laser scan speed is 905 to 1205 mm/min.
상기 (S4)의 철계 내마모소재는
구상흑연주철을 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간강을 이용하는 레이저 직접적층방식의 3D 프린팅 방법. According to clause 4,
The iron-based wear-resistant material of (S4) above is
A 3D printing method using a laser direct lamination method using high manganese steel, characterized in that it contains nodular cast iron.
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