KR960010818B1 - 내식·내마모성이 우수한 합금 및 그 제조방법과 그 합금제조용 재료 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]
내식ㆍ내마모성이 우수한 합금 및 그 제조방법과 그 합금제조용 재료
[발명의 명칭]
내식ㆍ내마모성이 우수한 합금 및 그 제조방법과 그 합금제조용 재료
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 실시예에 있어서 사용한 조립(造粒) 처리를 한 분말의 현미경사진.
제2도는 본 발명의 실시예에 있어서 사용한 조립처리를 한 분말의 현미경사진.
제3도는 본 발명의 실시예 1중의 시료 1에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제4도는 본 발명의 실시예 1중의 시료 2에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제5도는 본 발명의 실시예 1중의 시료3에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제6도는 본 발명의 실시예2에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제7도는 본 발명의 실시예3에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제8도는 본 발명의 실시예1~3에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금의 마모시험 결과를 나타내는 그래프.
제9도는 비교예의 마모시험 결과를 나타내는 그래프.
제10도는 본 발명의 실시예4-1의 방법에 의해 표면개질된 금속부재 단면의 금속조직 현미경사진.
제11도는 본 발명의 실시예4-2의 방법에 의해 표면개질된 금속부재 단면의 금속조직 현미경사진.
제12도는 본 발명의 실시예4-3의 방법에 의해 표면개질된 금속부재 단면의 금속조직 현미경사진.
제13도는 본 발명의 실시예4-1의 방법에 의해 표면개질된 부재의 경도측정 결과를 나타내는 그래프.
제14도는 본 발명의 실시예4-2의 방법에 의해 표면개질된 부재의 경도측정 결과를 나타내는 그래프.
제15도는 본 발명의 실시예4-3의 방법에 의해 표면개질된 부재의 경도측정 결과를 나타내는 그래프.
제16도는 본 발명의 실시예 5에 있어서 표면개질의 대상이 된 사출성형용 스크류 외관도.
제17도는 본 발명의 실시예 6에 있어서 표면개질의 대상이 된 사출성형용 실린더 단면도.
제18도는 위빙패턴을 나타내는 설명도.
제19도는 위빙패턴을 나타내는 설명도.
제20도는 본 발명의 방법을 실시할 경우에 사용되는 플라스마아아크 용접기의 개요도.
제21도는 본 발명의 실시예 7에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제22도는 본 발명의 실시예 8에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제23도는 본 발명의 실시예 9에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금 단면의 금속조직 현미경사진.
제24도는 본 발명의 실시예 7~9에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모성 합금의 마모시험 결과를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 실린더 본체 2 : 플라스틱원료 공급구
3 : 실린더 내면벽 30 : 스크류
[발명의 상세한 설명]
(발명의 배경)
본 발명은 내식성과 내마모성이 모두 우수한 합금 재료와 그 제조법, 상기제조법에 사용되는 합금용 재료 및 이 합금재료를 사용한 금속부재와, 그 표면의 내식성 및 내마모성을 개선하는 방법에 관한 것이다.
종래, 기계장치를 구성하는 금속부재의 내식성 및 내마모성을 개선하는 방법으로는 가령 스테인레스강 등의 구성재료를 소입하거나 혹은 도금하는 등, 금속부재의 표면을 개질하는 방법이 일반적이다.
상기와 같은 표면처리법 외에 근년에는 금속부재를 구성하는 금속재료중에특정한 경질입자를 첨가하는 방법이 여러 가지 제안되고 있다. 이와 같은 방법으로는 가령, 특개소 58-181470로 공보에 기재된 바와 같이 Ni기, Co기, 또는 Fe기 합금으로 이루어지는 매트릭스금속중 또는 그 모재(母材) 표면에 WC, Nbc, TiC, CrC, VC 등의 경질입자를 첨가함으로써 매트릭스금속의 경도 내지 내마모성을 향상시키는 방법이 알려져 있다. 본 발명자의 지식에 의하면, 이 방법은 내마모성을 향상시키는데 있어서는 어느 정도 유효한 법이기는 하나, 반면, 합금의 인성(靭性)이 저하되는 점에 있어서는 반드시 만족할만한 것은 못된다. 가령, Nbc(융점 3480℃), TiC(융점 3180℃) 등의 경질입자는 융점이 높고, 용융되기 어렵기 때문에 미용융상태로 첨가하는 것을 피하기는 곤란하다. 그 때문에 내식ㆍ내마모성을 형성하는 공정에 있어서, 경질입자가 비교적 큰 형태 그대로 매트릭스금속중에 잔류하고, 이에 기인하여 금속재료의 인성이 자연히 저하되는 문제가 있다.
한편, 첨가하는 탄화물을 매트릭스금속중에서 용해시킬 경우에 있어서도 재료의 취화(脆化) 문제기 생기는 경우가 있다. 가령, MoC나 WC를 Ni기,Co기, 또는 Fe기 합금과 함께 용융하면 취약한 M6C형의 화합물이 정출(晶出)한다는 것이 알려져 있다. 이와 같은 취약한 화합물의 정출은 내마모성 향상에 기여하지 않을뿐더러 매트릭스금속의 취화를 초래하는 결과가 된다.
또, 특개소 63-157796호 공보에는 열간압연용 로울의 제조방법이 개시되어 있다. 이 방법에 있어서는 철계합금에 VC분말을 첨가함으로써 내마모성과 내트랙성을 구비하고, 강인성이 풍분한 로울을 얻는 것을 지향하고 있으며,이 방법에서는 철계합금에 10중량% 이상이 VC분말을 첨가하는 것을 필수요건으로 하고 있다.
그러나, 이 방법은 로울의 소입성개선을 지향하는 것으로서, 본 발명자들의 지식에 의하면 Fe계 합금을 모재로 사용할 경우, 여기에 VC를 첨가할 경우에는 WC,CrC 등의 복수 탄화물을 불가피하게 다량발생하여 반드시 본 발명의 목적하는 효과를 얻는다고 할 수 없다. 그리고, 이 방법에 있어서는 VC를 특정상태로 재정출 내지 재석출시키는 기술은 아니며, 내마모성과 내식성을 모두 개선하는데 있어서는 반드시 유효한 방법은 아니다.
또,종래의 방법에 있어서는, 경질입자의 첨가에 있어서는 매트릭스금속의 용착에 필요한 최소한의 온도상승에 그치게 하여 상기한 바와 같은 취성화합물 정출을 저지시킬 필요가 있으며, 또한 이를 위하여 첨가하는 경질입자의 입경을 어느 정도 크게할 필요가 있으나 입경이 크게되면 균일한 분산이 곤란해지고, 결과적으로, 금속재료의 인성을 저하시키게 된다. 매트릭스금속중에 불균일하게 쏠려서 분포되어 있는 조대한 경질입자가 존재하면 상기한 바와 같이 이것들이 마찰운동에 있어서 용이하게 탈락하여 내마모성을 저하시키는 결과가 된다
그리고, 상기한 바와 같이 경질입자의 분포상태의 불균일한 쏠림(이하 쏠림이라함)혹은 이에 기인한 경질입자의 탈락문제는 매트릭스금속과 경질입자 사이의 비중차에 따라서도 촉진된다. 예컨대, 매트릭스금속으로서 fe기 합금을 이용하여 경질입자로서 Al2O3, SiC, 혹은 TiC를 사용할 수 있어서는 경질입자의 응집 혹은 쏠림이 특별히 생기기 쉬워진다.
또한 경질입자로서 Cr계 탄화물을 사용할 경우에 있어서는 가열후의 냉각공정에 있어서, 재정출 내지 재석출한 크롬의 탄화물이 응집하여 조대한 탄화물입자로 성장하고, 그 결과, 경질입자가 매트릭스금속에서 탈락하기 쉬워진다는 문제가 발생한다. 한편, 국제공개 WO91//09980호 공보에서 Fe기, Co기 및 Ni기 합금의 1종이상의 금속분말과 입경 60~100㎛의 탄화바나듐분말로 이루어지는 분말혼합물을 고에너지밀도의 열원을 이용하여 용융 및/ 또는 재용융을 반복함으로써, 내식ㆍ내마모성이 우수한 합금을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이와 같은 입경이 비교적 큰 분말이 사용하는 것이 합금화의 조작을 용이하게 하는 점에 이점이 있다. 그러나, 이 방법에서는 입경 10㎛ 이하의 미세한 탄화바나듐도 정ㆍ석출(晶ㆍ析出)하지만 일부에는 미용융의 탄화바나듐입자가 잔류하고, 이것을 용융하기 위하여 번잡한 용융공정을 몇번이나 반복해야만 한다.
또한, 본 발명자의 지식에 의하면, 그럼에도 불구하고, 일부의 미용융 탄화바나듐이 현미경관찰에서는 괴상(傀狀)이 되어 존재하기 때문에 미세한 탄화바나듐 입자상이 가끔 불균일하게 분포하고, 내마모성도 소기의 성능을 얻지 못하며, 또 국부파손에 의한 균열, 박리의 유발원인이 될 유려가 있다고 하는 문제가 있다.
(발명이 개시)
본 발명은 상기 종래의 기술군이 갖는 문제는 해결하는 것으로서, 구체저긍로 본 발명에 의한 내식성 및 내마모성이 우수한 합금은 Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속상중에 대략 균일학 정출 및/또는 석출된 5㎛이하의 입경을 갖는 VC입자상이 10%~65%범위의 면적비로 존재하는 것을 특징으로 하는 것이다.
그리고, 본 발명에 의한 표면개질 금속부재는 상기 합금을 표면의 소망위치에 일체적으로 피복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 본 발명에 의한 내식성 및 내마모성이 우수한 합금의 제조방법은 Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속과, 입경 10㎛이하의 VC분말로 이루어지는 분말혼합물 또는 VC분말이 들어간 와이어를 고에너지밀도의 열원을 이용하여 용융한 다음 냉각함으로서 상기 매트릭스금속상중에 5㎛이하인 입경의 VC를 균일하게 정출 및/또는 석출시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 고에너지밀도의 열원을 이용하여 용융하는 방법은 플라스마 용접, 레이저 또는 H.I.P의 어느하나에 따르는 것이라도 된다.
상기의 제조방법은, 또 금속부재의 소망위치에 시행함으로써 내식성 및 내마모성이 우수한 합금층을 소정 표면에 형성하는 표면개질 금속부재의 제조방법으로 할 수도 있다.
그리고, 상기 제조방법에 이용하는 합금용 재료로서는, 상기 매트릭스금속으로 이루어지는 관안에 입경 10㎛이하의 VC분말을 충전한 유심와이어(cored wire)나, 상기 매트릭스금속과 입경 10㎛이하의 분말을 혼합한 분말혼합물로 할 수도 있다.
매트릭스금속과 병용하는 탄화바나듐분말의 입경을 10㎛이하의 미세화분말로 함으로써 고에너지밀도의 열원하에서 VC분말을 1회의 용융만으로 완전하게 매트릭스금속상중에 용해시킬 수 있고, 이것을 냉각함으로써 5㎛이하이 미세한 VC입자상을 균일하게 석출/정출시킬 수 있다.
이와 같은 VC입자상을 매트릭스금속상에 대하여 재료 및 열처리조건을 조정하는 것으로 10~65%범위에서 면적비를 용이하게 확보할 수 있고, 내식ㆍ내마모성을 안정적으로 발현시키는 것이 가능해진다.
(발명을 실시하기 위한 최적이 형태)
본 발명에 의한 내식ㆍ내마모성 합금에 있어서는 매트릭스금속으로서 내식성이 우수한 Fe기 합금, Co기 합금 또는 Ni기 합금이 바람직하게 사용될 수 있다.
예컨대, 내식성 Fe기 합금으로는, 오스테나이트계 스테이레스강, 마르텐사이트계 스테인레스강, 페라이트계 스테인레스강 등이 사용될 수 있다.
또,내식성 Co기 합금으로는 스테라이트계 Co합금, 예컨대, Co-Cr-W계 합금등이 사용될 수 있다.
그리고 Ni기 합금으로는 하스테로이계 합금, 인코넬계 합금, 콜모노이계 합금, 페라이트계 합금 등이 사용되고, 구체적으로는 Ni-Cr-Si계 합금, Ni-Cr-Fr-W계 합금 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 합금을 얻는데 있어서는 상기의 적어도 1종의 매트릭스금속분말에 입경 10㎛이하의 미세한 탄화바나듐분말을 70중량% 이하 혼합, 충전한 분말혼합물이나 조립분말을 제조하거나 또는 매트릭스금속의 파이프중에 상기 탄화바나듐분말을 충전밀봉한 유심와이어로서 사용하는 것이 바람직하다.
이 탄화바나듐분말로는 VC가 바람직하게 사용될 수 있다.
이 VC분말의 입경은 분산상태를 양호한 것으로 하기 위하여는 10㎛이하의 범위가 긴요하고, 더욱 바람직하게는 5㎛이하, 더욱 바람직하게는 3㎛이하이다.
이 VC분말의 입경이 10㎛를 초과하면 상기의 균일한 분산상태를 얻기가 곤란한 뿐아니라 매트릭스상중에서이 용융이 불충분한 것이 된다는 사실이 판명되었다.
일반적으로, 입경이 작아지면 분체취급이 번잡하게 되며, 표면적인 증대하는데 따른 조작성 저하나 응집의 문제가 발생된다는 점을 생각할 수 있으나 이는 매트릭스금속과 VC분말의 혼합분말을 조립(造粒)하거나 매트릭스합금으로 이루어지는 관내에 VC분말을 충전한 유심와이어를 사용하거나 하는 것으로서 해결할 수 있다.
본 발명에 있어서의 탄화바나듐 첨가량은 상기한 바와 같이 70중량% 이하이 범위에 있어서, 목적하는 내마모특성에 상응하여 적절히 선택할 수 있다.
그러나, 매트릭스금속이 Fe기 합금으로 이루어질 경우에 있어서는 탄화바나듐량은 10중량%이하의 양, 더 바람직하게는 7.5중량% 이하이다.
한편, 매트릭스금속이 Co기 합금 또는 Ni기 합금으로 이루어질 경우에 있어서는 탄화바나듐량은 70중량% 이하가 바람직하다. 통상 탄화바나듐 함유량이 많아질수록 내마모성은 향상되지만 상기한 상한치를 초과하여 첨가하면 인성 저하나 탄화물 결핍에 기인하는 내마모성 저하가 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서는 상기와 같이 하여 조제된 분말혼합물 등을, 바람직하게는 아르곤가스 등의 불활성가스 분위기중에 있어서, 고에너지밀도의 열원을 이용하여 열처리를 행한다. 즉, 고에너지밀도의 열원을 이용한 열처리에 의해 용융함으로써 매트릭스금속상중에 균일하고 또한 입경 5㎛이하의 미세한 탄화바나듐 입자상을 정출 및/또는 석출시킨다.
상기 열처리는, 구체적으로는 고에너지밀도의 열원을 이용하여 Co기 합금 , Ni기 합금 및 Fe기 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속분말 등과 탄화바나듐분말로 이루어지는 분말혼합물이나 조립분말 등을 용융하고 또한 매트릭스금속상중에 균일하고 또한 입경 5㎛이하의 미세한 탄화바나듐 입자상을 정출 및/또는 석출시키는 공정에 따르는 것이 바람직하다.
상기 열처리에 있어서는 냉각은 약 100℃/초 이상의 냉각속도로 행하는 것이 탄화바나듐 입자상이 양호한 정출ㆍ석출상태를 나타나는데 있어 바람직하다.
이와 같은 급속냉각은 강제공냉이나 강제수냉에 의해 행할수 있다.
본 발명자의 지식에 의하면 상기 냉각속도 조건을 만족시킴으로써 확실하게 매트릭스금속중에 고용한 VC를 미세하고 균일한 상태로 중출 내지 석출시킬 수 있다.
상기 냉각과정에서, 매트릭스금속상중에 일단 용융한 탄화바나듐입자상이 정출ㆍ석출되고, 게다가 이 VC입자의 분산상태는 매우 양호한 것이 된다.
구체적으로 상기 공정에 의해 얻어진 내식ㆍ내마모식 합금은 매트릭스금속상중에 정출 및/또는 석출하고, 균일하고 미세한 탄화바나듐 입자상의 입경이 5㎛이하이고, 또한 합금상 전체에 대한 탄화바나듐 입자상의 면적비가 10%~65%인 것이 긴요하다. 탄화바나듐 입자상이 입경이 5㎛을 초과하면 합금 자체의 인성 저하를 초래하기 쉽고, 경질입자가 결핍될 위험성이 증가하여 내마모성 향상을 저해하므로 바람직하지않다. 또, 합금상 전체에 대한 탄화바나듐 입자상의 면직비가 10% 미만에서는 내마모성의 개선효과가 저하되므로 바람직하지 않다. 한편, 65%를 초과하면 매트릭스금속상 본래으 성질을 저하시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
고에너지 열원을 이용한 용융수단으로는, 플라스마 아아크나 레이저 광열원이나 열간 정수압 프레스(H.I.P)를 이용한 응용방법이 사용될 수 있다.
도한 HIP법에 의할 경우는 분말혼합물을 봉입한 용기를 고온ㆍ고압으로 처리하지만 후기의 금속부재와 분말혼합물을 용기중에 봉입할 수도 있다.
또, 후기하는 바와 같은 금속부재표면에 상기 합금을 패딩용접하는 방법은 플라슴 아아크를 열원으로하는 플라스마 분체 용접법(P.A.T법)이 바람직하게 사용될 수 있다. 이들 응용수단에 의하면 적어도 순간적으로 3000℃를 초과하는 가열이 가능하고, 상기 분말혼합물을 효과적으로 용융할 수 있다.
상기 열처리결과 정출 및/또는 석출하는 탄화물은 실질적으로 VC로 이루어지나, 이 밖에도 부성분으로서 V2C가 생길 가능성이 있다. 또, 상기 외에도 미량성분으로서 (Fe,Cr,V,W)23C6이 석출하는 것이라 생각된다.
본 발명에 있어서는 이들 불가피한 성분의 존재는 본 발명의 목적에서 일탈(逸脫)하지 않는 범위에 있어서용인된다.
다음에, 본 발명에 의한 금속부재의 표면개질법에 대하여 설명한다.
본 발명의 표면개질법은 기본적으로 상기 방법에서 얻을 수 있는 내식ㆍ내마모성 합금으로 이루어지는 패딩층을 소망하는 금속부재표면에 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 표면개질법은 금속부재를 구성하는 기재표면에 Co기 합금, Ni기 합금 및 Fe기 합금으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속분말이나 파이프 탄화바나듐 분말과의 혼합물이나 조립체를 공급하여 고에너지밀도이 열원을 이용하여 열처리에 회부함으로서 상기 혼합물 등의 용융에 의해 부재표면에, 매트릭스금속상중에 균일하고 입경이 5㎛이하의 미세한 탄화바나듐 입사장을 정출 및/또는 석출시켜서 이루어지는 패딩합금층을 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또, 상기 열처리는 플라스마 아아크를 열원으로하는 플라스마 분체 용접법(P.A.T법)이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기한 바와 같이, 이들 응용수단에 의하면 적어도 순간적으로 3000℃를 초과하는 가열이 가능하고, 상기 분말혼합물을 효과적으로 용융할 수 있다.
그 밖의 냉각조건, 혹은 탄화바나듐 입자상의 석출 내지 분산상태에 대해서는 상기 기재와 마찬가지이다. 특히 상기 열처리에 있어서는 냉각은 약 100℃/초 이상의 냉각속도로 행하는 것이 탄화바나듐 입자상이 양호한 정출ㆍ석출상태를 나타나는데 있어 바람직하다. 이와 같은 급속냉각은 강제공냉이나 강제수냉에 의해 행할수 있다. 본 발명자의 지식에 의하면 상기 냉각속도 조건을 만족시키는 것이 매트릭스금속중에 고용한 VC를 미세하고 균일한 상태로 중출 내지 석출시키는데 있어서 바람직하다.
통상, 금속부재의 기재부분과 패딩층과의 계면에 있어서이 균열발생을 방지하는데 있어서는 냉각속도는 늦을수록 바람직하다는 것이 예상되나 본 발명자의 지식에 의하면, 냉각속도를 늦추는 것은 VC입자상의 석출상태를 상기한 바와 같은 상태로 하는데 있어서 반드시 유효하지 않다는 사실이 판명되고 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 상기 냉각방법으로서 가령 패딩층을 형성하는 대상금속부재를 강제적으로 냉각시키면서 상기 방법을 실시하여도 좋다.
본 발명에 있어서는 상기 열처리르 위빙법을 이용하여 효율적으로 행할 수 있다. 제18도와 제19도는 각각 플라스마 아아크 용접기를 이용하여 패딩층의 형성을 행할 경우의 토치(torch)의 위빙패턴을 나타내는 예이고, 이 경우의 위빙의 태양은 원호형(제18도) 또는 지그재그형(제19도)의 왕복운동이라도 좋다.
제20도는 1개의 토치를 구비한 플라스마 아아크 용접기를 이용하여 패딩층의 형성을 행할 경우의 설명도이다. 이 예의 경우의 플라스마 아아크 용접기는 토치 본체(10)에 플라스마 분체 용접을 행하는 토치(11)와, 이 토치에 원료분말을 공급하는 분체송급관(13)을 설치하여 이루어진다. 이 플라스마 아아크 용접기와 금속부재(20)를 적정한 위치관계를 유지하도록 제어하며 이동시킴으로써 상기 내식ㆍ내마모성 합금으로 이루어지는 패딩층(21)을 형성할 수 있다.
상기 금속부재의 표면개질방법은 부분적으로 양호한 내식성, 미끄럼이동특성 및 내마모성이 요구되는 기계부품에 적용할 수 있다.
종래, 기계의 구성금속부품의 표면개질법으로는 도금, CVD, PVD 혹은 고온열원을 이용한 표면클래딩(Cladding)이나 표면합금화법에 의해 금속부품의 표면을 처리하는 것이 행히지고 있다. 예컨대, 각종 공구류나 플라스틱성형기의 스크류의 내식성 및 내마모성을 향상시키기 위해서는 통상, 스크류에 소입을 시행하고, 경도를 높인 다음, 도금처리를 행하는 방법, 혹은 PVD, CVD를 시행하는 것이 일반적이다.
한편, 상기 스크류와 조합하여 사용하는 실린더는 종래 질화강을 소재로 하여 그 내면에 질화처리를 시행한 것, 혹은 실린더 내벽의 전면 또는 부분적으로 내식성 및 내마모성이 우수한 자용성(自容姓) 합금을 코팅하거나, 또는 내식성 및 내마모성이 우수한 합금타이너를 끼워맞추는 방법이 일반적으로 채용되고 있다.
그러나, 상기 종래의 방법에 있어서는 금속부품의 기재와 개질된 표면층 사이의 접착력이 낮기 때문에 열적부하가 걸릴 경우 또는 낮은 하중하에 있어서 박리나 균열등이 발생할 수가 있다.
또한, 종래의 방법으로 얻어진 표면개질부품은 내마모성의 점에 있어서도 반드시 충분히 만족스러운 것은 아니다. 또, 특히 상기한 바와 같은 플라스틱 성형기용 부품에 있어서는 플라스틱원료가 이동하는 부분(특히 원료의 공급부분)에 있어서는 플라스틱원료의 작용에 의한 마모가 커짐과 동시에 플라스틱이 사출 혹은 토풀부분에 있어서 원료플라스틱에서 발생하는 가스에 의한 부식손상과 고압력하에서 있어서의 마모손상이 문제가 되고 있다.
상기 본 발명의 금속부재 표면개질방법에 따르면, 표면개질층과 기재 사이의 접합력은 매우 양호하고, 더구나 표면층은 내식성, 미끄럼이동특성 및 내마모성이 우수하기 때문에 본 발명은 상기 플라스틱 성형기용부품과 같이 부분적으로 내식성이나 내마모성이 요구하는 금속부재의 표면개질법으로서 매우 유용하다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 설명한다.
이하의 예에 있어서, 실시예1~6은 위방식으로 내식ㆍ내마모성 합금 혹은 패딩층 형성을 행한 예이고, 실시예 7~9는 플라스마 분체 용접기를 이용하여 실시할 경우의 예이다.
실시예 1
중량비로, C : 0.2%, Si : 0.6%, Cr : 26.5%, Ni : 2.7%, Mo : 5.4%, Fe : 0.3%, 나머지가 실질적으로 Co로 이루어지는 Co기 합금분말(매트릭스금속분말)에 VC분말(평균입경 1.7㎛)을 중량지로, 각각 20%, 25% 및 40%를 첨가하여 조립한 분말을 합금용 재료로 하였다. 그 조립분의 상태의 1예를 제1도, 제2도에 예시한다.
이들 조립분말의 각 시료를 플라스마 분체 용접기를 이용하여 작은 피치의 위빙을 행하고, VC의 융점(약 2830℃)근방의 온도로 가열하여 용융을 행하고, 본 발명에 의한 내식ㆍ내마모성 합금을 제조하였다.
얻어진 각 시료합금에 대하여 경도측정치를 하기 표 1에 표시한다.
또, 제3도, 제4도 및 제5도는 각각 상기에서 얻은 시료 1,2, 및 3의 합금의 금속조직 현미경사진이다(배율 400배).
어느 금속조직에 있어서도 미세한 VC입자상(입경 약1㎛이하를 주체로 한다.)이 매트릭스금속상중에 있어서 균일한 분포상태로 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 상기 시료합금의 각각에 대하여 부식시험을 행하였다. 이 부식시험은 부식액으로서 6N의 염산수영액과 6N의 초산수용액을 이용하여 행하였다.
얻어진 결과는 하기 표 2에 표시한다.
그리고, 상기 각 시료합금에 대하여 마모시험을 행하였다. 시험장치는 다이에츠식(大越式) 마모시험장치를 이용하고, 상대재료 SKD-11(HRC58), 최종하중 18.9Kg f, 마찰거리 600M의 조건으로 측정하였다. 결고를 제8도에 도시한다.
이 시험결과에서 본 발명에 의한 시료합금 1,2 및 3은 어느것이나 양호한 내마모성을 나타내고, 경질입자 VC의 첨가량이 많아질수록 내마모성이 향상하는 경향이 인정된다.
실시예 2
중량비로, C : 1.2%, Si : 0.6%, Mn : 0.3%, Cr : 4.5%, Mo : 5.1%, W : 6.3%, V : 3.1%, Co : 8.4%, 나머지가 실질적으로 Fe로 이루어지는 Fe기 합금분말(매트릭스금속분말)에 VC분말(평균입경 1.7㎛)을 중량비에 있어서 7.5%혼합하여 조립한 분말을 이용하여 얻은 재료를 준비하였다.
이 조립분말의 실시예 1과 같은 방법으로 본 발명에 의한 내식ㆍ내마모성 합금을 제조하였다.
얻어진 시료합금의 경도는 Hv950~1000이었다. 따라서 Fe기 합금을 매트릭스금속으로 할 경우에 있어서는 VC첨가량이 7.5%정도라도, Co기 합금에 비하여도 높은 경도가 얻어진다는 사실을 알 수 있다.
제6도는 본 실시예에서 얻은 시료합금의 금속조직 현미경사진이다(배율 400배). 미세한 VC입자상(입경 약1㎛)이 매트릭스금속상중에 있어서 균일한 분포상태로 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 상기 시료합금(No.4)에 대하여 상기 실시예 1과 같은 방법으로 부식시험을 행하였다. 부식량(㎎/㎠ㆍHr)은 염산수영액에서 0.08, 초산수용액에서 62.8이었다.
그리고, 상기 시료합금(No.4)에 대하여 마모시험을 행하였다. 시험장치는 다이에츠식 마모시험장치를 이용하고, 상대재료 SKD-11(HRC58), 최종하중 18.9Kgf, 마찰거리 600M의 조건으로 측정하였다. 결과를 제8도에 도시한다.
이 시험결과에서 상기 시료합금도 양호한 내마모성을 나타내고 있다.
실시예 3
중량비로, C : 0.042%, Si : 0.30%, B : 0.008%, Cr : 20.50%, fe : 0.27%, Mn : 0.29%, Ti : 2.70%, 나머지가 실질적으로 Ni로 이루어지는 Ni기 합금분말(매트릭스금속분말)에 VC분말(평균입경 1.7㎛)을 중량비에 있어서 19% 혼합한 분말혼합물을 준비하였다.
이 분말혼합물 시료를 플라스마 분체 용접기에 의해 실시예 1과 같은 방법으로 본 발명에 의한 내식ㆍ내마모성 합금을 제조하였다.
얻어진 시료합금의 경도는 Hv510~590이었다.
제7도는 본 실시예에서 얻은 시료합금의 금속조직 현미경사진이다(배율 400배). 미세한 VC입자상(입경 약1㎛)이 매트릭스금속상중에 있어서 균일한 분포상태로 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 상기 시료합금(No.5)에 대하여 상기 실시예 1과 같은 방법으로 부식시험을 행하였다. 부식량(㎎/㎠ㆍHr)은 염산수영액에서 0.06, 초산수용액에서 0.9였다.
그리고, 이 시료합금(No.5)에 대하여 마모시험을 행하였다. 시험장치는 다이에츠식 마모시험장치를 이용하여 상대재료 SKD-11(HRC58), 최종하중 18.9Kgf, 마찰거리 600M의 조건으로 측정하였다. 결과를 제8도에 도시한다. 이 시험결과에서 상기 시료합금도 양호한 내마모성을 나타내고 있다.
비교예
하기 표 3에 표시하는 조성의 매트릭스금속분말 및 평균입경 약 70㎛의 경질입자분말을 혼합하고, 실시예 1과 같은 조건으로 각 시료를 플라스마 분체 용접기를 이용하여 위빙조작을 행하고, 경질분말의 융점(2730℃) 이상의 온도로 가열하여 용융하였다. 용융후 방냉함으로써 결질입자를 함유하는 합금을 제조하였다.
얻어진 시료합금(A, B 및 C)에 대하여 경도의 측정치를 하기 표 3에 표시한다.
얻어진 각 시료합금(A, B 및 C)의 경도(Hv)는 각각 550~600, 600~750, 650~750이었다.
그리고, 상기 각 시료에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 부식시험을 행하였다. 결과를 하기 표4에 표시한다.
또한, 상기 각 시료 A, B 및 C에 대하여 실시예 1과 같은 방법으로 마모시험을 행하였다. 결과를 제9도에 표시한다.
제8도, 제9도를 비교하면 실제로 조립한 분말을 사용할 경우와, 비교예의 물리적 혼합한 분말을 사용할 경우는 VC를 첨가한다는 것은 같으나 입경의 차에 기인하여 전자의 경우쪽이 비마모량이 작고, 즉, 내마모성이 우수하다는 것을 알 수 있다.
이것으로도, 제9도의 비교에서는 석출한 VC의 입경이 10~50㎛ 정도로 편차를 갖게 되고, 그 안에는 미용융의 VC입자도 함유되어, 내마모성을 저하시키고 있다는 것을 추측할 수 있다.
실시예 4
중량비로, C : 0.15~0.35%, Si : 0.9~1.30%, Mn : 1.00%이하, P : 0.030%이하, Ni : 2.60~3.05%, Cr : 24.40~28.0%, Mo : 5.00~6.00%, Fe : 1.50%이하를 함유하고, 잔부가 Co로 이루어지는 화학조성의 Co기 합금분말과, VC를 주성분으로 하는 분말을 혼합하여 조립(造粒)하는데 있어서, VC분말(평균입경 1.7㎛)을 중량비로 각각 20%, 25% 및 40%를 첨가한 재료를 조제하였다.
이들 조립분말을 플라스마 분체 용접기를 이용하여 철강재료(SCM440) 위에 위빙에 의해 패딩용접하여 그 철강재료 표면에 내식ㆍ내마모성 합금층을 형성하였다. 플라스마 분체 용접의 조작조건은 이하와 같다.
전류 : 140A, 전압 : 40V, 플라스마 가스량 : 1.4리터/분, 실드가스량 : 16리터/분, 파우더가스량 : 3.1리터/분, 분말송급량 : 11.8g/분, 위빙회수 : 46회/분, 위빙폭 : 7㎜, 용접속도 : 80㎜/분, 엑스텐션 : 8㎜
상기 예에 있어서, 공여된 조립분말의 입도는 160~250메시의 범위이고, 입도분포의 피크는 -200메시의 것이었다.
제10~제12도 (각각, VC를 20중량%, 25중량% 및 40중량% 첨가한 것에 대응)는 이와 같이 하여 얻어진 패디용접부 단면으 금속조직 현미경사진으로 VC입경이 1㎛ 이하의 것을 균일하게 분산석출시키고 있는 것을 알 수 있다. (배율 400배)
이와 같이 하여 얻어진 표면개질 금속부재에 대하여 박리강도 및 전단강도의 측정결과를 하기 표 5에 표시한다.
또한, 상기 표면개질 금속부재의 경도측정결과를 제13도~제15도(각각 VC를20중량%, 25중량% 및 40중량% 첨가한 것에 대응)에 예시한다. 덧분여,부식시험결과는 상기 실시예 1에 있어서의 결과와 같았다.
상기 시험결과로, 본 발명에 의한 금속부재는 ①종래기술에 있어서 문제로 되어 있던 기재와 패딩용접부 사이의 접합강도의 부족, ② 첨가입자의 조대화, 분포상태의 쏠림 등에 기인하는 내마모성 저하가 해소되고 우수한 부재특성을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
실시예 5
실시예 4에서 사용한 재료 및 방법과 같은 방법에 의해 부재표면이 개질된 사출성형용 스크류를 제작하였다.
제16도는 이 사출성형용 스크류(30)의 외관도이다. 이와 같이 하여 얻은 사출성형용 스크류와, 종재법에 의해 소입경화한 다음 표면에 경질 크롬도금을 시행한 사출성형용 스크류를 비교하는 실천시험을 행하였다
이 경우의 내용수명(耐用壽命) 시험은 상기 종래법으로 표면개질된 스크류의 내용수명을 기준으로 하고, 이에 대해 본 발명의 스크류의 내용수명을 내용수명비로서 계산하였다. 본 발명에 관한 사출성형용 스크류의 내용수명비는 3.5이고, 종래법으로 얻은 사출성형용 스크류의 내용수명비는 1.0이있다.
상기의 결과로 분명한 바와 같이 본 발명에 의한 사출성형용 스크류의 내용수명은 종래의 것에 비해 현저히 개량되어 있다는 것을 알 수있다.
실시예 6
실시예 4에서 사용한 재료 및 방법과 같은 방법에 의해 부재표면이 개질된 사출성형용 스크류를 제작하였다. 이 사출성형용 실린더의 단면도를 제17도에 도시한다. 도면중, 부호 1은 실린더 본체, 2는 플라스틱원료 공급구, 3은 표면처리이 대상부분인 실린더 내면이다.
이같이 하여 얻은 사출성형용 실린더와, 종재법에 의해 SACM645로 이루어지는 사출성형용 실린더 본체 내면에 질화처리를 시행한 것과 비교하는 실천시험을 행하였다. 이 경우의 내용수명 시험은 상기 종래법으로 표면개질된 실린더의 내용수명을 기준으로 하여, 이에 대해 본 발명의 실린더의 내용수명을 내용수명비로서 계산하였다. 본 발명에 관한 사출성형용 실린더의 내용수명비는 3.6이고, 종래법으로 얻은 사출성형용 실린더의 내용수명비는 1.0이있다.
상기의 결과로 분명한 바와 같이 본 발명에 의한 사출성형용 스크류의 내용수명은 종래의 것에 비해 현저히 개량되어 있다는 것을 알 수 있다.
실시예 7
중량비로, C : 0.2%, Si : 0.6%, Cr : 26.5%, Ni : 2.7%, Mo : 5.4%, Fe : 0.3%, 잔부가 실질적으로 Co로 이루어지는 Co기 합금분말(매트릭스금속분말)에 VC분말(평균입경 1.7㎛)을 중량비로 각각 20% 혼합한 재료를 조제하였다.
이들 분말혼합물 시료를 제20도에 예시하는 플라스마 분체 용접기를 이용하여 본 발명에 의한 내식ㆍ내마모성 합금을 제조하였다. 이때 냉각속도는 100℃/sec 이상이 되도록 콘트롤하였다.
얻어진 각 시료합금에 대하여 경도의 측정치는 Hv580~650이었다.
또 제21도는 합금의 금속조직의 현미경사진이다(비율 400배).
미세한 VC입자경(입경 약 1㎛이하를 주체로 한다)이 매트릭스금속상중에 있어서 균일한 분포상태로 존재하는 것을 알 수 있다.
다음에, 상기 시료합금에 대하여,부식시험을 행하였다. 이 부식시험은 부식액으로서 6N의 염산수용액과 6N의 초상수용액을 이용하여 행하였다. 얻어진 결과를 하기 표 6에 표시한다.
그리고, 상기 각 시료합금에 대하여 마모시험을 행하였다. 시험장치는 다이에츠식 마모시험장치를 이용하고, 상대재료 SKD-11(HRS58), 최종하중 18.9Kgf, 마찰거리 600M의 조건을 측정하였다.
결과를 제24도에 도시한다. 이 시험결과를 본 발명에 의한 합금은 양호한 내마모성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
실시예 8
실시예 2와 동일한 Fe기 합금체의 중공관내에 VC분말을 충전밀봉한 유심와이어(지름 1.6㎜φ, VC분말 충전율 약 30%)를 이용하고, 또한 제20도에 도시하는 플라스마 와이어 용접기와 같은 기종으로 와이어송금 수단이 부착된 것을 이용하여 본 발명의 합금을 형성하였다. 이 용접조건은 160밀리/분, 용접전류 160A, 아아크전압 22V였다. 얻어진 각 시료합금에 대하여 경도의 측정치는 Hv750~800이었다.
또, 제22도는 합금의 금속조직의 현미경사진이다(비율 400배).
미세한 VC입자경(입경 약 1㎛이하를 주체로 한다)이 매트릭스금속상중에 있어서 균일한 분포상태로 존재하는 것을 알 수 있다.
내식성 및 마모시험 결과는 이하와 같았다. 6N 염산수용액에 대한 부식량은 0.12㎎/㎠ㆍHr이었다. 또, 실시예 7과 같은 조건으로 다이에츠식 마모시험기를 이용하여 마모시험을 행하였다. 그 결과를 제24도에 도시한다.
실시예 9
실시예 3와 동일한 Ni기 합금체 및 VC분말을 이용하고, 다시 제20도에 도시하는 플라스마 분체 용접기를 이용하여 본 발명의 합금을 형성하였다.
얻어진 각 시료합금에 대하여 경도의 측정치는 Hv550~650이었다.
또, 제22도는 합금의 금속조직의 현미경사진이다(비율 400배).
미세한 VC입자경(입경 약 1㎛이하를 주체로 한다)이 매트릭스금속상중에 있어서 균일한 분포상태로 존재하는 것을 알 수 있다.
실시예 7과 동일한 방법으로 행한 마모시험 결과는 제24도에 도시하는 바와 같았다. 또, 6N 염산수용액에 대한 부식량은 0.01㎎/㎠ㆍHr이고, 6N 초산수용액에 대한 부식량은 0.07㎎/㎠ㆍHr이었다.
본 발명의 합금에 의하면 내식ㆍ내마모성을 종래에 비하여 현저히 향상시키고, 또한, 안정된 레벨로 유지시킬 수 있다. 또, 본 발명의 합금 제조방법에 의하면 1회의 용융으로 탄화바나듐을 완전하게 용융시킬 수 있을뿐더러 8㎛ 입경이하의 미세한 입자상으로 균일하게 석ㆍ정출(析ㆍ晶出)시킬 수가 있으며, 적은 공정으로 합금의 내식ㆍ내마모성을 향상시킬 수 있음과 동시에 각종 금속부재의 가공수명, 내구성이 현저하게 높아진다고 하는 우수한 효과를 가져온다.
또한, 본 발명의 합금용 재료는 상기 합금제조를 용이하게 하는데 있어 적합하며 , 분말혼합물 외에 유심와이어로서 각종 용접기,요접조건에 상응하여 자유롭게 선택할 수 있어, 실용성을 높일 수 있다.

Claims (6)

  1. Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속상중에 대략 균일하게 정출 및/ 또는 석출된 5㎛ 이하이 입경을 갖는 Vc입자사이 10%~65% 범위의 면적비로 존재하는 것을 특징으로 하는 내식ㆍ내마모성이 우수한 합금.
  2. Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속상중에 대략 균일하게 정출 및/ 또는 석출된 5㎛ 이하이 입경을 갖는 Vc입자사이 10%~65% 범위의 면적비로 존재하는 합금을, 표면의 소망위치에 피복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 내식ㆍ내마모성이 우수한 합금.
  3. Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속과, 입경 10㎛ 이하의 VC분말로 이루어지는 분말혼합물 또는 VC분말이 들어간 와이어를, 플라스마 용접 또는 레이저중 어느 하나에 의하여 시행되는 고에너지밀도의 열원을 이용한 용융방법에 의하여 용융한 뒤, 냉각함으로써 사기 매트릭스금속상중에 5㎛ 이하의 VC를 균일하게 정출 및/ 또는 석출시키는 것을 특징으로 하는,내식ㆍ내마모성이 우수한 합금의 제조방법.
  4. 금속부재의 소망위치에서, Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속과, 입경 10㎛ 이하의 VC분말로 이루어지는 분말혼합물 또는 VC분말이 들어간 와이어를, 플라스마 용접 또는 레이저중 어느 하나에 의하여 시행되는 고에너지밀도의 열원을 이용한 용융방법에 의하여 용융한 뒤, 냉각함으로써 사기 매트릭스금속상중에 5㎛ 이하의 VC를 균일하게 정출 및/ 또 석출시키는 것에 의하아, 상기 금속부재의 표면에 내식ㆍ내마모성이 우수한 합금층을 형성사는 것을 특징으로 하는, 표면개질금속부재의 제조방법.
  5. Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속으로 이루어지는 관안에 입경 10㎛ 이하의 VC분말을 충전하여 이루어지는 유심와이어인 것을 특징으로 하는, 내식ㆍ내마모성이 우수한 합금제조용 재료.
  6. Fe기 합금, Co기 합금 및 Ni기 합금에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 매트릭스금속과 입경 10㎛ 이하의 VC분말을 혼합한 분말혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 내식ㆍ내마모성이 우수한 합금제조용 재료.
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