KR890000927B1 - 복합 내마모부재 및 그 제조법 - Google Patents

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Description

복합 내마모부재 및 그 제조법

제1도는 본 발명의 원리를 설명한 초경합금각재와 강재 각재의 복합내마모부재의 단면도.

제2도는 본 발명의 실시예의 하나를 도시하는 복합로울러의 단면도.

제3도는 본 발명의 실시예에 있어서의 강재링의 외형도(a)와 그 일부의 단면도 (b).

제4도는 본 발명의 다른 하나의 실시예를 도시한 사이드 트리밍용 슬러리(side trimming slitter)의 상면도.

제5도는 제4도에 도시한 사이드트리밍 슬리터의 정면도.

제6도 및 제7도는 본 발명의 또다른 실시예를 도시한 열간압연 로울러의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

5 : 초경합금링 6 : 강재링

7 : 용융층 8 : 홈

9, 9' : 가스배출홈

본 발명은 초경합금과 강재 또는 주철로 구성된 복합내마모 부재및 그 제조법에 관한 것이다.

종래 텅스텐카바이드-코발트, 텅스템카바이드-티타늄카바이드-코발트, 등으로 대표되는 초경하금은 절삭공구, 내마모부재, 내충격 공구 등으로 널리 사용된다. 그리고 특히 내마모부재로서 열간 압연로울러나 와이어 인발다이등에 사용될 경우에는 초경합금의 인성(toughness)이 강재보다 낮기 때문에 초경합금을 사용하는 경우 필요이상으로 치수를 크게해서 안전계수를 높이고 있지만, 초경합금의 주성분이 티타늄 카바이드, 텅스텐카바이드는 비싸기 때문에 제품의 원가를 높이고 자원절약면에도 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 내마모성이 필요한 부분에만 초경합금을 사용해서 강이나 주철과의 복합부재를 이용하는 것이 제안되었는데, 이 복합부재를 제조하기 위해서는 초경합금링의 내면에 주물을 인서어트 주조법으로 접합하고 그 내측에 강재링을 냉각 수축끼움법으로 끼우는 방법이나, 초경합금와 강부재의 사이에 은(Ag)등의 땜납을 넣고 전체를 600-900℃로 가열하여 초경합금과 강부재를 용접하는 방법이 있다. 그러나 인서어트 주조법은 냉각끼움에 있어서 작업서이 좋지 못해서 가공성이 떨어지고, 또 접촉면의 강도가 불충분하다. 또 용접법은 강재가 고온으로 가열되어 초경합금의 열팽창계수가 강재의 약1/2이므로 용접면에 열응력이 남아서 사용중에 균열이 생기거나 대형물 제조가 곤란한 등의 문제가 있다. 그리고 인서어트 주조법도 열응력의 문제는 동일하다. 땜납 용접법은 땜납 용접한 층이 고온시피로강도에 약하고 사용시에 땜납 용접한 곳이 떨어지는 등의 현상이 있고 내열성이 저하된다.

본 발명은 초경합금과 강재의 접합법의 개량으로 상기와 같은 열응력의 발생이 없고 또 내열성이 높은 복합내마모부재 및 그 제조가격을 대폭적으로 절감시키는 제조법을 제공하는 것으로 종래 불가능했던 대형부품도 제조를 가능하게 하는 것이다.

본 발명자는 세밀한 연구를 거듭한 결과 강재와 초경합금의 접합에 있어서 접합면을 1-2㎜의 폭으로 용해하면 완전접합이 가능하고 또 접합면에 중간층을 두는일 없이 직접 접합이 가능하고 이 방법에의한 복합부재는 종래의 것과 비교해서 성능이 우수함을 발견했다. 또 용접면을 1-2㎜의 폭으로 용해시키는 방법으로 아아크용접, 티.아.지(TiG)용접등 각종의 방법이 있으나 전자비임, 레이저비임 등의 고에너지비임을 사용하면 열도전도율에 의해 당접면에서 강재를 우선적으로 용해시키고 초경합금의 당접면은 거의 용해되지 않음을 발견한 것이다. 금속 접합방법으로서 전자비임등을 사용하는 것은 일본국 특허소 56-45288호 등에서 이미 알려진 것이나 상기의 설명과 같이 용접할 한쪽의 금속 당접면에 전자비임을 조사해서 용융접합하느냐, 양쪽의 당접면을 용융접합하느냐에 의해서 실시되고 있는 것이 특징이다.

이것에 대하여 본 발명의 특징은 초경합금과 강의 당접면에 고에너지 비임을 조사하는 것이나, 초경합금을 용해하지 않고 강을 용해해서 용접시키는 것이 특징이다. 즉, 고에너지비임으로 초경합금을 용해시키기 위해서는 고융점인 초경합금에 다량의 에너지를 투여시킬 필요가 있으며, 이로인해 초경합금은 열충격과 인장응력으로 균열이 발생한다. 한편 강재에 고에너지비임을 조사하여 강재를 용해하여 접합하는 방법을 초경합금의 온도가 상승하지 않고는 용접이 안된다.

본 발명자는 초경합금과 강의접합에 있어서, 균열의 발생도 없고, 고강도 접합이 가능한 용접 방법을 연구한 결과 이하의 결론을 얻은 것이다. 예를 들면 고에너지비임의 직경은 전자비임의 경우 직경 0.3㎜로 되어있다. 직경 0.3㎜이내인 비임은 온도가 2500℃이상 상승되고 강을 용해하는 범위는 비임 중심에서는 0.5㎜정도이다. 따라서 전자비임이 초경합금과 강의 당접면에서 0.5㎜이내는 초경합금의 표면온도가 1300℃이상 즉 액상이 생성하는 온도까지 높일 수 있으므로 초경합금과 강의 접합이 가능해 진다. 따라서 전자비임의 경우 초경합금과 강의 접합면에 0.5㎜이내의 비임을 가함으로써 강의 용해와 초경합금의 액상 생성에 의하여 강과 초경합금의 완전 접합이 가능함을 알았다. 그러나 초경합금과 강재의 경우는 전자비임을 초경합금측 당접면에만 조사해도 용융이 불완전하고 강재당접면에 0.5㎜이상으로 조사하면 용융폭이 넓어져서 초경합금의 가열이 없으므로 접합강도가 현저히 저하한다. 따라서, 본 발명은 전자비임 등의 고에너지비임을 초경합금과 강재의 당접면에서 0.5㎜이내로 양쪽에 닿도록 조사하는 것이 필요하고 이것에 의하여 초경합금측에 가열효과를 주고, 강재측에 적당한 용융폭이 주어지므로써 비로서 고강도의 접합이 가능하다. 따라서 또 조사할 당접면은 가열 팽창끼움법, 냉각수축끼움법, 또는 가압등에 의해 충분히 밀착되도록 당접시키는 것이 중요 하다.

본 발명에 의한 복합부재는 전체를 고온으로 가열하지 않아도 되므로 열팽창율의 차에 의한 응력이 발생하지 않기 때문에 사용시에 변형이나 균열의 발생도 없고, 초경합금과 강재부재의 직접접합이기 때문에 피로 강도와 압괴(壓壞)강도가 높다. 또 용해층은 강재에만 발생하고 초경합금에는 액상이 발생하기는 하나 완전 용해되지 않기때문에 초경합금과 강과의 반응으로 취약화층(Fe₈W₈C)이 생성되지 않는 점도 특징이다.

초경합금과 강철을 용접하는 방법은 과거에도 검토되었으나 현재까지도 실용화 되지 못하고 있다. 이것은 초경합금의 압축 강도에는 강하나 인장강도는 약하여 용접시에 발생하는 인장응력에 의해서 균열이 발생하기 때문에 실용적인 접합을 할 수 없었기 때문이다. 또 이 용접균열을 방지하기 위해서 초경합금과 강의 당접면에 니켈, 코발트 등의 엷은 금속판을 삽입하는 방법이 이미 검토된바 있다. 그러나 이 경우는 열전도율의 차가 있어서 균일한 접합이 이루어지지 않고 강도도 약하다. 본 발명자는 여러가지 실험을 한 결과 초경합금과 강재부재간에 균열의 발생이 없는 고강도 접합복합내마모부재를 발견하였다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 복합내마모부재 및 그 제조법을 상세히 설명한다. 초경합금과 강재가 비교적 작은 경우, 즉 접합면이 작은 경우는 제1도에 도시한 바와같이 당접면의 전면에 걸쳐서 강재를 1-2㎜폭으로 용융해서 접합하게되나, 열간압연 로울러와 같은 대형 내마모부품의 경우는 접합단면의 20㎜이하의 깊이로 용융시키면 충분하다는 사실이 여러가지의 실험으로 판명 되었다. 보통의 경우는 1-15㎜의 용접면으로 충분하다. 제2도는 열간압연 로울러에 대한 실시예를 도시한 단면도로서, 초경합금링(5)의 안쪽에 SCM 21과 같은 강재링(6)을 냉각수축 끼움법으로 끼우고 양자의 당접면(A)의 단부에 전자비임(3)을 조사하여 강재당접면에 용융층(7)을 형성하여 초경합금링(5)과 강재링(6)을 접합한다.

이와같이 하면 가장 응력이 많이 걸리는 중앙부는 초경합금과 강재가 직접 접화합되어 접합층에 의한 균열발생도 없고 전체적으로 피로강도도 높아진다. 또 접합할 강재부재로는 초경합금과의 접합이 밀착성, 변형흡수가 양호해야 하므로 연질인 것이 좋고, 탄소량이 0.5중량%이하의 강재가 적당하고 용접면이외는 침탄(侵炭), 담금질에 의해서 경도를 높이고 내마모성을 증대시키는 것이 압연로울러등의 경우에 있어서 좋은 결과를 얻을 수 있다.

이것은 용접면의 급냉에 의한 경도 상승및 취약화를 방지할 수가 있고, 한편 공구로서 사용할때는 내마모성이 필요한 부분은 록크웰경도(HR_C) 50-60정도로 할 수 있기 때문이다. 가령 초경합금과 강의 당접면에서의 강의 탄소량제어가 곤란한 경우 초경합금과 강의 용접면에만, 니켈, 코발트, 동등의 순금속을 삽입하고 초경합금측과 순금속, 순금속과 강의 2회 용접을 실시하고 초경합금측과 당접하는 강의 탄소량을 0.5%이하로 하는 것이좋다. 이것은 초경합금과 강이 용접에 의해 인장응력이 발생하는 경우, 강이 냉각시에 소성 변형하지 않으면 초경합금에 균열이 발생하기 때문이다.

다음에 접합면에 고에너지 비임을 조사하여 당접면을 부분적으로 용융하는 경우, 강재가 용해하여 강재중의 탄소와 산소가 반응해서 가스를 발생시킬 경우가 있고, 이 경우는 강재부재를 미리 가공할때에 탈가스용홈을 설치하면 효과적이고 접합층 속의 기공을 제거할 수 있다. 제3도는 상기의 압연로울러의 경우의 강재부재의 외형도와 그 일부의 확대단면도로서, (8)은 용접비임 선단부에 위치하는 홈이고, (9), (9')는 접합용융층내에서 발생하는 가스를 밖으로 배출시키는 가스 배출홈이다.

본 발명은 초경합금부재와 여러개의 강재부재를 복합시키는 경우도 유효하다. 압연로울러나 슬리터의 경우 초경합금링과 강재링의 중간에 다른 종류의 가재링, 주철링을 개재시킨 복합 부재가 요구되는 일이 많다. 그 하나는 초경합금링 안쪽에 온도 300℃까지의 열팽창계수가 3-10×10^-6㎝/℃인 강재를 접합하고 그 강재링의 안쪽에 중간의 강재링보다 내마모성이 양호한 강재링을 접합하는 경우이고, 또 하나는 초경합금링의 안쪽에 비교적 연질이고 열팽창을 흡수할 수 있는 탄성한계 50㎏/㎟이하의 주철링 또는 순금속링을 접합하고 이 주철 또는 순금속의 안쪽에 강재링을 접합하는 경우의나, 어느 경우에 있어서도 초경합금부재와 중간에 접합할 강재링 또는 주철링 순금속의 접합에 상기의 본 발명의 방법을 적용한 결과 종래의 방법에 의한 3층 복합의 로울러나 슬리터에 비해서 수명이 긴것을 얻을 수 있었다. 상기 열팽창계수의 특정 재료로서는 니켈-코발트합금, 철-니켈합금, 또는 코발트 등도 좋다. 특히 열의 영향을 받기 쉬운 상용 조건에서는 유리하다.

여러개의 부재를 용접하는 경우 초경합금과의 중간의 강재링을 역시 직접 용접하고 용접시에 발생하는 응력을 중간재의 편형(偏形)에 의하여 열팽창차를 흡수한후 중간재와 강을 용접하는 것이 좋다. 이 경우에는 초경합금과 강의 사이에 엷은 금속박판을 삽입하므로써 강한 결합을 얻을 수 있다. 또, 본 발명의 실시예에 따라 고에너지비임이 조사되는 부분만을 저탄소합금으로 해도 좋다. 따라서 접합하지 않는 부분을 침탄, 담금질하므로써 고강도, 고내마모성을 지니는 복합 내마부재를 얻을 수 있다.

또 당접면에 조사하는 고에너지비임으로는 전자비임, 레이저비임이 접합의 정밀도면에서 양호하고 강재, 초경합금의 산화방지를 위해 비산화성 분위기 또는 진공이 필요하고 특히 가스 배출면에서 진공이 좋다.

다음은 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예 1]

외경 159㎜, 내경 87㎜, 두께 70㎜의 제2도와 같은 열간압연로울러에 있어서, WC량이 85%의 초경합금 부분을 외경 159㎜, 내경 123㎜로 가공하고 탄소량이 0.15퍼센트의 강재 (SCM 21)를 외경 123㎜, 내경 87㎜로 가공했다. 이 강재랭의 바깥 주면만을 침탄하지 않도록 보호하고 주변 및 상하면을 침탄 담금질하고 강재면을 록크웰경도(HR_C)55로 했다. 또 강재링은 침탄 담금질하기 전에 제3도의 도시와같이 홈과 가스 배출홈을 설치했다. 다음에 초경합금링과 침탄 담금질한 강재링을 끼워지는 부분의 길이 0.015㎜로 냉각수축끼움법으로 끼우고 양자를 당접밀착시켰다. 이 당접면(A)의 단면 원주상으로 전자비임을 전압 60KV, 전류 90㎜A, 속도 800㎜/분 진공의 조건으로 비임이 초경합금측과 강재측 당접면에 닿도록 조사했다. 얻어진 로울러의 강재측에 폭 1.0-1.5㎜, 깊이 15㎜의 용접층이 보이고 초경합금측 당접면은 전혀 용해하는 일없이 양자는 완전히 접합되었다. 다음에 이 로울러의 압축강도를 측정한 결과 51.3톤 이었다. 또 종래의 땜납 용접법에 의하여 제조된 같은 치수의 복합로울러의 압괴 강도는 27톤이고, 약 2배의 강도이다. 이상의 설명과 같이 본 발명에 의하여 밀착강도가 강하고 접합후의 응력이 존재하지 않고 정밀도가 높고 값이싼 내마모부재를 제조할 수 있다.

[실시예 2]

85중량%의 텅스텐 카바이드와 15중량%의 코발트합금으로 구성되는 초경합금링(11)(외경 400㎜, 내경 320㎜, 두께 20㎜의 안쪽에 철-니켈 40퍼센트 합금링(12) (외경 320㎜, 내경 280㎜, 두께 20㎜), 또 탄소량 0.45퍼센트의 SCM 440의 링(13)(외경 280㎜, 내경 80㎜, 두께 20㎜)을 제4도의 도시와같이 구성한 강판 전단용 사이드리머(side rimmer)의 제조에 있어서 각각의 링을 0.03㎜의 냉각수축끼움법으로 각각 당접 밀착 시켰다. 이 당접면(B)의 단면을 원주상으로 전자비임을 조사하여 실시했다. 전자비임 조건은 150KV, 10nA, 속도 500㎜/분 이고 전공에서 실시했다. 또 당접면 (C)의 단면을 원주상으로 동일조건으로 용접했다. 얻은 사이드 슬리터(side slitter)는 완전히 접합되고 2㎜두께의 강판의 전단을 실시한 결과 종래의 땜납 접합품보다 훨신 강했었다.

[실시예 3]

실시예 1과 동일한 치수의 열간압연 로울러에 있어서, 초경합금부분(제6도 14)을 외경 159㎜, 내경 126㎜로 가공하고 강재 (SCM445)를 외경 126㎜, 내경 87㎜로 가공하여 이 강재링(15)을 담금질로써 록크웰경도(HR_C) 44로 했다. 이 강재링의 상하외주에 제6도의 도시와 같이 니켈링(16)(외경 126㎜, 내경 106㎜, 두께 10㎜)을 끼웠다. 당접면(B)는 끼워지는 부분의 길이 0.03㎜가 되도록 연마하고 냉각수축끼움법으로 초령합금링과 강링을 일체화했다.

당접면(B)은 니켈 부분만이 용접되도록 전자비임을 전압 150KV, 전류 10mA, 속도 500m/min, 진공하에서 10^-4Torr기압의 조건으로 조사했다. 제6도에 있어서, (17)의 부분을 용접해서 초경합금과 니켈링을 접합한후, (18)의 부분을 용접해서 니켈링과 강재링을 접합했다. 그 다음에, 이 복합로울러를 소정치수로 완성시켰다. 이 로울러를 선재압연 로울러로하여 선재온도 900℃, 선속 60m/sec의 압연조건으로 사용한 결과 500Ton/KAL의 수명을 나타내고 종래의 솔리드(solid)초 경합금로울러와 완전히 동일한 성능이었다.

또 개삭(改削)후 여러번 사용하여 초경합금의 두께 5㎜까지 사용이 가능하고 내할손성(耐割損性)에 있어서는 솔리드(solid)초경합금로울러보다 우수한 것이 발견되었다.

[실시예 4]

실시예 3과 같이 초경합금링과 강재링을 준비하고, 강재링의 외주에는 철-40니켈의 열팽창계수가 작은 링(20)을 끼웠다. 이 철-40니켈의 링(20)은 외경 126㎜, 내경106㎜, 폭 70㎜로 했다.

초경합금링(18), 철-40니켈링(20), 강재링(19)의 3층으로 구성되도록 제7도의 도시와같이 구성하여, 도면중, (21)의 부분을 전자비임으로 용접한후, (22)의 부분을 용접했다. 용접에 의해서 발생하는 균열은 전혀 볼수 없었다. 본 로울러를 열간압연 로울러로서 사용한 결과 실시예 1,3과 같이 수명이 길고 내할손성은 솔리드초경합금 로울러보다 우수했다.

본 발명은 복합 내마모부재 및 그 제조법은 상기한 바와같고, 본 발명을 이용할 수 있는 범위는 초경합금과 강재 또는 주철 부재를 접합한 복합공구의 전부, 예들들면 열간압연로울러, 강재절단용 슬리터는 물론 드릴, 펀치, 바이트 호브등의 공구에도 적용 가능하다.

Claims (11)

1. 초경합금과 강재부재로 구성되는 복합내마모부재에 있어서, 초경합금과 강재부재가 직접 당접되고 당접면의 강재부재의 일부 또는 전면이 고에너지비임에 의해서 슬릿(slit)상으로 용융응고되어 초경합금 당접면에 용착되는 것을 특징으로 하는 복합내마모부재.
2. 제1항에 있어서, 열간압연 로울러로 사용할 수 있도록 초경합금링의 내측에 강재링이 당접되고 당접면의 두께방향 양단의 5㎜ 내지 20㎜의 강재링 당접면이 고에너지비임에 의해서 슬릿상으로 용융응고되어 초경합금 당접면에 용융고착되는 것을 특징으로 하는 복합내마모부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초경합금이 텅스텐카바이드를 주성분으로 하여 결합금속량이 10중량 퍼센트 이상이고, 초경합금에 당접하는 강재부재가 탄소량 0.5중량 퍼센트 이하이고, 당접면 이외는 침탄담금질되어 고경도, 내마모성이 부여되어서 구성되는 것을 특징으로 하는 복합내마모부재.
4. 초경합금링의 안쪽에 300℃까지의 열팽창 계수가 3-10×10^-6㎝/℃인 강재링 또는 탄성한계 50㎏/㎟이하의 주철링 또는 순금속의 동, 니켈, 코발트가 직접 당접되고, 이 강재링 또는 주철링의 안쪽에 상기 링보다도 내마모성이 높은 강재링이 직접 당접되고, 초경합금과 제1의 강재링과의 당접면의 강재의 일부 또는 전부가 슬릿(slit)상으로 고에너지비임에 의해서 용융응고되어 융착하고, 제1 제2의 링이 당접면도 고에너지비임에 의하여 용접되어서 구성되는 것을 특징으로 하는 열간압연 로울러 또는 슬리터 공구용 복합내마모부재.
5. 제1항에 있어서, 강재부재의 초경합금과의 당접면에 가스배출 홈을 형성하여 양자를 당접시키고 고에너지비임으로 조사하여 용접구성하는 것을 특징으로 하는 복합내마모부재.
6. 제1항에 있어서, 고에너지 비임이 전자비임 또는 레이저비임인 것을 특징으로 하는 복합내마모부재.
7. 초경합금과 강재부재로 구성되는 복합내마모부재의 제조법에 있어서, 초경합금과 강재부재를 끼우기 등으로 직접 밀착시키고 그 당접면단부의 초경합금과 강재부재의 양쪽 또는 적어도 강재부재측 0.5㎜이내에 닿도록 고에너지비임을 비산화성 분위기 또는 진공중에서 조사하여 강재부재의 당접면의 일부 또는 전면을 슬릿상으로 용융, 응고시켜서 초경합금과 용접접촉시키는 것을 특징으로 하는 복합내마모부재의 제조법.
8. 초경합금링의 내측에 300℃까지의 열팽창 계수가 3-10×10^-6㎝/℃인 강재링 또는 탄성한계 50㎏/㎟이하의 주철링 또는 동, 니켈, 코발트 링을 당접 밀착시키고, 그 당접면 단부의 초경합금과 강재의 양쪽에 조사되도록 고에너지비임을 비산화성 분위기 또는 진공 속에서 조사하여 강재링 당접면의 일부 또는 전면을 용융, 응고시켜 초경합금과 용접접합시키고, 이 강재링의 내측에 고경도, 내마모성의 강재링을 당접시켜 당접면을 고에너지비임에 의하여 용접접합하는 것을 특징으로 하는 복합내마모부재의 제조법.
9. 제8항에 있어서, 초경합금은 텅스텐카바이드가 85중량 퍼센트 이상이고 강재부재의 탄소량이 0.5중량 퍼센트 이하인것을 특징으로 하는 복합내마모부재의 제조법.
10. 제8항에 있어서, 강재부재의 초경합금과의 당접 면에 가스배출용 홈을 형성하고 양자를 당접시켜서 고에너지비임으로 조사해서 접합면내의 가스를 제거하면서 용접하는 것을 특징으로 하는 복합내마모부재의 제조법.
11. 제8항에 있어서, 고에너지비임이 전자비임 또는 레이저비임인 것을 특징으로 하는 복합내마모부재의 제조법.

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