KR870001442B1 - 균일한 연성의 표면경화호일 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

균일한 연성의 표면경화호일
본 발명은 금속제품 및 부품의 표면경화 적용에 유용한, 균일한 연성의 호일에 관한 것이다.
표면경화는 가공물 표면상에 적당한 합금물질을 용해시켜 마모 및 부식저항층을 용착시키는 방법이다. 이는 마모된 부분을 수선 또는 개수하는데 사용되는 신속하고 경제적인 방법으로서 작업 및 휴업에 따른 총 경비를 접감할 수 있는 유용한 방법이다. 이러한 표면경화는 저렴한 경비로 복합적인 부분에 혼합된 강도, 질김성 및 부식저항성을 증진시키는데 사용될 수 있으며, 이에 따라 적당한 마모 및 부식방지 층이 다이 및 공구와 같은 금속제품들에 부여된다.
표면경화는, 소프트 코어(soft core)는 응력을 극복하기 위하여 사용경고 하드 케이싱(hard casing)은 마모 저항을 위하여 사용되는 에우에 구조물에 또한 사용된다. 그러나 구조물의 류로는 플라스틱 처리공정에 사용되는 분사 스크류 및 압출스크류 등이 있다. 표면경화방법을 이용함으로서 폐기되어질 많은 금속부품들이 원가보다 훨씬 적은 경비로 원상복귀될 수 있다. 또한 그러한 부품들이 필요한 장소내에서 개수 될 수있는 부가적인 장점이 있다.
통상의 표면경화공정에서는 옥시아세틸렌 용접, 텅스텐 불활성 기체용접(TIG), 금속불활성기체용접(MIG), 침수 아아크용접용착, 플라즈마 변환 아아크용접(PTA)등의 기술을 포함한다. 그러한 공정에 사용되는 표면경화용 금속합금은 붕소, 실리콘 또는 탄소와 같은 비금속 원소를 약1-11wt%정도 포함한다. 그러나, 그러한 선행기술의 합금류는 부서지기 쉬우며 오직 분말형태나 또는 로드(봉)형태로서 사용된다. 통상의 표면경화방법 및 물질등에서의 가장 곤란한 문제점의 하나는 두께조접의 난이성 및 표면층의 불균일성이다.
가열지대에서의 표면경화물질의 향상을 위하여 사용되는 강성 로드형 구조물은 연속적인 표면경화 공정에는 경제적으로 적용될 수 없다. 표면경화 로드는 통상 비연속적이고 본질적으로 속도가 느린 텅스텐 불활성 기체 또는 옥사-아세틸렌 공정에 의하여 수동적으로 적용된다. 연속적인 표면경화는 각각의 로드가 중려에 의해 공급되는 자동 텅스텐 불활성 기체용접 공정 또는 분말형 표면경화 물질이 가열지대에 공급되는 플라즈마 변화 아크(PTA)용접공정에 의하여 이루어져왔다. 그러나 그러한 공정들은 상대적으로 고가인 장치 및 물질들이 요구되어 진다. 더구나, PTA 용접공정에서 플라즈마에 의하여 생성되는 과잉열은 표면경화 합금의 유동성 특성에 좋지않은 영향을 주며 기본금속 물질과 함께 표면경화 합금을 희석하여 표면층의 조성적 균일성을 변화시킨다. 이에 따라 경제적인 연속 표면 경화 공정의 필요성이 요구되어 왔다.
연성의 비정질(glassy) 금속합금이 미국 특허 제3, 856, 513호(1974. 12. 14 H.S. Chen et al)등에 개시되어 있다. 이들 합금류는 일반식 MaYbZc를 갖는 조성물을 포함한다. 식중 M은 철, 닉켈, 코발트, 바나듐 및 크롬으로부터 선택된 금속이고, Y는 인. 붕소 및 탄소로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소이며, Z는 알루미늄, 실리콘, 주석, 게르마늄, 인듐, 안티몬 및 베릴륨으로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소이다. a는 60-90원자퍼센트, b는 10-30원자페센트, c는 0.1-15원자퍼센트를 의미한다.
또한 일반식 TiXj를 갖는 비정질 금속와이어도 알려져 있다. 식중 T는 최소한 하나의 전이금속이며, X는 인, 붕소, 탄소, 알루미늄, 실리콘, 주석, 게르마늄, 인듐, 베릴륨 및 알티몬으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 원소이고, i는 70-87원자페센트, j는 13-30원자페센트이다.
그러한 물질들은 본 기술분야에서 널리 알려진 처리기술을 사용한 용융물의 금속냉각에 의하여 편리하게 제조된다. 그러나, 상기한 선행기술에 있어서, 바람직한 비정질의 표면경화용합금의 개시된 바는 없었다, 연성의 가는 필라멘트/호일형태로서 유용한, 균일한 표면경화 물질의 필요성이 요구되고 있는 바, 표면경화 금속제품에 대한 충진금속(filler material)으로 유용한 연성의 표면경화 필라멘트/호일을 제공하고자하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 따라서, 그 구조의 최소한 50% 이상이 비정질인 준안정성 물질(metastable material)로 구성되며, 두께가 0.004인치(10.16×10-cm)이하, 바람직하게는 0.0005-0.004인치(1.27×10-3cm-10.16×10-3cm)인 표면경화 필라멘트/호일(hardfacing filament/foil)이 제공된다. 이러한 가용성의 가늘고 균일한 표면경화 필라멘트의 사용은 표면경화 처리속도의 항상 및 용착된 표면층의 경도향상을 가져온다.
본 발명의 표면경화 필라멘트/호일은 다음과 같은 조성물로 구성된다.
5-25원자퍼센트의 코발트, 5-25원자퍼센트의 니켈 또는 그 혼합물; 5-25원자퍼센트의 크롬; 2-25원자퍼센트의 붕소; 1-5원자퍼센트의 텅스텐, 1-4원자퍼센트의 몰리브덴 및 5-15원자퍼센트의 실리콘으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 하나 이상의 원소; 및 나머지 원자퍼센트의 철과 부수불순물로 이루어진 조성물. 단, 조성물에 있어서, 금속원소성분(철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐 몰리브덴)의 총합은 70-88원자퍼센트이고, 비금속원소성분(붕소 및 실리콘)의 총합은 12-30원자퍼센트임.
상기한 조성물에 있어서, 주성분일 철족원소(철, 니켈, 코발트)에 부가되는 성분원소들은 결과 조성물(합금)의 바람직한 물성향상에 기여한다.
크롬은 내부식성과 내산화성의 향상을 유도하고, 텅스텐은 고온 경도 및 내마모성을 증가시키며, 몰리브덴은 내부식성과 내마모성 및 고온경도의 향상에 기여한다.
또한 부성분중 비금속원소성분들인 붕소 및 실리콘은 합금융점의 저하 및 비정질화를 유도한다.
각 조성물에 있어서, 성분원소들의 조성비는 우수한 기계적 및 화학적물성(연성, 균일성, 내부식성, 내산화성등)을 갖는 목적 합금물질을 산출하는데 필요한 상하한이다.
하한치 이하의 비금속원소함량은 결과합금은 비정질화에 역효과를 나타내며 융점 저하 효과도 효과적으로 이루지 못한다.
상한치 이사의 함량인 경우에도 융점이 너무 낭아지는 역효과를 가져올 수 있다.
본 발명의 균일한 표면경화필라멘트는 조성물의 용융물을 최소한 105C/sec의 속도로 회전냉각륜 위에서 냉각시키는 공정에 의하여 제조된다. 금속필라멘트는 표면경화에 유용한, 균일한 연성리본으로서 쉽게 제조될 수 있다.
더구나, 본 발명의 균일한 연성의 표면경화 필라멘트는 용착 두께를 감소시킬 수 있으며 결과 기질로부터의 박약화를 감소시키고 용착층의 연마에 드는 경비를 절감할 수 있다.
상술한 바와같이 본 발명에 따라서 호일형태(foil from)의 균일한 연성의 표면경화 필라멘트물질이 제공된다. 이들 표면경화 호일은 상기한 조성을 가지며 0.004인치, 바람직하게는 0.002-0.004인ㄴ치(5.08×10-3cm-10.16×10-3cm)의 두께를 갖는다. 본 발명의 조성물들은 마모 및 부식에 대한 높은 저항성을 가지며 표면경화 저탄소 및 저합금강에 적합하다. 명세서에서 "균일한"이란 생성되는 호일이 전체 디멘젼에 있어서 일정한 조성을 가짐을 의미하며, "연성"은 호일이 파과됨 없이 호일두께의 1/10에 해당하는 반경으로 구부러질 수 있음을 의미한다.
본 발명의 영역에 속하는 일련의 표면경화 합금조성물들의 예를 다음 도표 I에 표시하였다.
[도표 I]
Figure kpo00001
본 발명의 표면경화 호일은 비정질금속합금 기술에서 잘 알려진 금속합금 냉각기술을 사용하여, 원하는 조성물의 용융물을 최소한 약 105°C/sec의 속도로 냉각시킴에 의하여 제조된다.
다양한 기술들이 연속적인 리본, 와이어, 시이트등을 제조하는데 사용될 수 있다. 전형적인 예로는, 특정한 조성이 선택되면, 요구되는 성분들의 분말들 또는 과립들을 요구되는 양만큼 씩 용융시키고 균질화한 다음 용융합금을 급속회전 금속실린더와 같은 냉각표면위에서 재빨리 냉각시키는 것이다. 이러한 냉각 조건하에서, 준안정성의 균일한 연성물질이 얻어지는 것이다.
준 안정성 물질은 비정질인 경우가 대부분이데, 비정질 금속합금의 X-선 회전 패턴은 무기산화물 유리들에서 관찰될 수 있는 것과 유사한 확산된 할로(diffuse hole)만을 나타낸다. 그러한 물질이 취급에 편리하도록 충분히 연성이기 위하여서는 그 구조의 최소한 50% 이상이 비정질이어야한다.
바람직하게는 80% 이상 비정질이어하며, 우수한 연성을 얻기 위하여서는 거의 대부분이 비정질인 것이 가장 바람직하다. 준안정성상(metastable phase)은 구성요소들의 고용체(solid solution)일 수도 있다.
본 발명의 합금의 경우에 있어서, 그러한 준안정성 고용체상(solid solution phase)은 결장성 합금의 제조기술분야에서 사용되는 통상의 처리기술에 의해서는 제대로 생성되지 않는다. 일반적으로, 고용체합금(solid solution alloy)의 X-선 회접패턴은, 요구되는 미세분말 크기의 미소결정(crystallites)에 기인한, 약간의 무딘 피크와 함께 날카로운 피크를 보여준다. 그러한 준안정성 물질들도 상기한 조건하에서 생성될 때는 연성일 수 있다.
금속기질의 표면경화는 본 발명에 따라 연속적인 표면경화호일을 가열지대에 공급함에 의하여 쉽게 이루어질 수 있다.
그렇게 공급되는 호일상필라멘트는 균일하고 연성이며, 최소한 50% 이상이 비정질구조를 갖는 준안정성 물질로 구성되고 근본저으로 상기한 바와같은 조생을 갖는다.
가열지대에 공급된 필라멘트는 그안에서 그의 융점보다 높은 온도로 가열되어 가공물 표면상에 밀접하게 용착된다.
이어 가공물 표면을 냉각시키면 상기 용착필라멘트가 그위에 단단한 점착성피막을 형성한다. 가공물 표면의 냉각은 수냉, 공냉, 유냉등의 공지방법에 의하여 행한다.
이하 실시예와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명의 영역이 여기에 국한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
하기 도표II에 표시한 바와같은 다양한 조성물의 용융물을 알곤 과립하에서 급속회전구리냉각륜(표면속도 : 약 3000-6000ft/min)에 분사시킴에 의하여 폭 2.5-25.4mm(약 0.10-1.00인치), 두께 13-60미크론(약 0.005-0.0025인치)의 근본적인 비정질인 준안정성의 균일한 합금리본들을 제조하였다.
[도표 II]
Figure kpo00002
[실시예 2]
다양한 조성의 합금 호일들을 사용하여, 다음의 과정에 따라 금속가공물에 표면경화층을 형성하였다. 호인들을 각각 AISI 305 스테인리스강 시이트(두께 0.0625인치-1.59×10-1cm)에 위치시키고 각 시료들을 진공화로내에서 15분간 합금에 따라 1900-2300°F91038-1260℃)의 온도로 가열했다. 각 시료들을 화로에서 꺼내어 냉각시켜 표면경화층을 형성시켰다. 그 표면경화층을 단면으로 만들고 세공하여 미세경도를 측정하였다.
시험된 각각의 합금 호일의 조성 및 누프경도값(Knoop hardness value : 100g하중, 15초)을 다음 도표 III에 표시하였다.
[도표 III]
시료번호 조성(원자퍼센트) 누프경도
1 Fe53Ni20Cr10229
2 Fe35Ni10Cr10B16Mo4Co25183
3 Fe35Ni10Cr15B16Mo4Co20449
4 Fe39.9Ni8.6Cr17.4B14Si8.9Co8.9Co8.5W2.7183

Claims (4)

  1. 5-25원자퍼센트의 코발트, 5-25원자퍼센트의 니켈 또는 그 혼합물; 5-25원자퍼센트의 크룸; 2-25원자퍼센트의 붕소; 1-5원자퍼센트의 텅스텐; 1-4원자퍼센트의 몰리브덴 및 5-15원자퍼센트의 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 및 나머지 원자퍼센트의 철과 부수불순물로 이루어진 조성(단, 철, 코발트, 니켈, 크롬 텅스텐과 몰리브덴(즉, 금속원소성분)의 총합은 70-88원자퍼센트이고, 부소 및 실리콘(즉, 비금속성분원소)의 총합은 12-30원자퍼센트임)을 가지며 그 구조의 최소한 50% 이상이 비정질인 준안정성 물질로 구성된, 균일한 연성의 표면경화 호일.
  2. 제1항에 있어서, 그 구조의 최소한 80% 이상이 비정질인 준안정성 물질로 구성된, 균일한 연성의 표면경화 호일.
  3. 제1항에 있어서, 그 구조의 100%가 비정질인 준안정성 물질로 구성된, 균일한 연성의 표면경화 호일.
  4. 다음 단계들을 포함하여 구성된, 금속기질의 표면경화 방법.
    (a) 5-25원자퍼센트의 코발트, 5-25원자퍼센트의 니켈 또는 그 혼합물; 5-25원자퍼센트의 크롬; 2-25원자퍼센트의 붕소; 1-5원자퍼센트의 텅스텐, 1-4원자퍼센트의 몰리브덴 및 5-15원자퍼센트의 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 및 나머지 원자퍼센트의 철과 부수불순물로 이루어진 조성(단, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐과 몰리브덴(즉, 금속원자성분)의 총합은 70-88원자퍼센트이고, 붕소 및 실리콘(즉, 비금속성분원소)의 총합은 12-30원자퍼센트임)을 가지며 그 구조의 최소한 50% 이상의 비정질인 준안정성 물질로 구성된 균일한 연성의 연속적인 호일상 필라멘트를 금속기질 상에 놓고 가열지대로 공급함.
    (b) 상기 가열지대내에서 상기 필라멘트의 융점보다 높은 온도의 열을 가하여 필라멘트를 용해시켜 필라멘트 용융물이 기질 표면에 밀접히 용착되도록 함.
    (c) 가열지대로부터 회수되는 상기 금속기질을 수냉, 공냉 또는 유냉등의 공지기술에 의하여 냉각시킴으로서 상기 용착 필라멘트가 기질상에서 견고한 접착피막을 형성하도록 함.
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