hardfacing 용 용접소재 및 내마모 부품 개발을 위한 기술지원 · 2011. 12. 20. ·...

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용 용접소재 및 내마모 부품 개발을용 용접소재 및 내마모 부품 개발을용 용접소재 및 내마모 부품 개발을용 용접소재 및 내마모 부품 개발을HardfacingHardfacingHardfacingHardfacing

위한 기술지원위한 기술지원위한 기술지원위한 기술지원

2003. 9.2003. 9.2003. 9.2003. 9.

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: 세화엔지니어링 주세화엔지니어링 주세화엔지니어링 주세화엔지니어링 주( )( )( )( )

산업자원부산업자원부산업자원부산업자원부

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제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 용 용접소재 및 내마모 부품 개발을 위한 기술지원 지원"Hardfacing " (

기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다: 2002. 9. 1. ~ 2003. 10. 31.) .

2003 . 9. .

지원기관 기관명 한국생산기술연구원: ( )

대표자 주 덕 영( )

지원기업 기업명 세화엔지니어링 주: ( ) ( )

대표자 김 영 태( )

지원책임자 ː 김 정 한

참여연구원 ː 김 준 기

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과1.1.1.1.

육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과2.2.2.2.

육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과3.3.3.3.

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원1. CrC1. CrC1. CrC1. CrC

초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원2.2.2.2.

초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원3.3.3.3.

산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술지원산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술지원산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술지원산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술지원4.4.4.4.

용접방법 최적화를 위한 활성플럭스 적용 기술지원용접방법 최적화를 위한 활성플럭스 적용 기술지원용접방법 최적화를 위한 활성플럭스 적용 기술지원용접방법 최적화를 위한 활성플럭스 적용 기술지원5.5.5.5.

초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원6.6.6.6.

유리파쇄용 팸머의 내구성 향상을 위한 기술지원유리파쇄용 팸머의 내구성 향상을 위한 기술지원유리파쇄용 팸머의 내구성 향상을 위한 기술지원유리파쇄용 팸머의 내구성 향상을 위한 기술지원7.7.7.7.

상용 하드페이싱 용접재료와의 비교평가 기술지원상용 하드페이싱 용접재료와의 비교평가 기술지원상용 하드페이싱 용접재료와의 비교평가 기술지원상용 하드페이싱 용접재료와의 비교평가 기술지원8.8.8.8.

초경합금 코어드와이어 제품특성 기술지원초경합금 코어드와이어 제품특성 기술지원초경합금 코어드와이어 제품특성 기술지원초경합금 코어드와이어 제품특성 기술지원9.9.9.9.

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

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제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

생산된 제품이 더 이상 사용되지 못하고 폐기되는 원인으로는 유행이 지난 경우,

파손 부식 마모 등의 네 가지가 있다 이중에서 마모는 금속간 마찰 모래나 돌덩, , . ,

이와의 충돌 등과 같은 기계적 운동에 의해 부품 표면의 일부가 제거되는 즉 닳아,

없어지는 현상으로 정의된다.

마모는 발생규모가 작고 천천히 지속적으로 진행되는 특성이 있어 유행이 지나거나

파손된 것과 달리 눈에 잘 띠지는 않지만 미국의 경우 의 에 해당되는 막, GNP 6%

대한 경제적 손실을 발생시키는 용인으로 보고되어 있다 최근 국내에서도 제품의.

고급화 및 내구성 향상 추세에 따라 고급 내마모 재료의 인식과 요구가 증대되고

있다.

육성용접이란 일반강 스테인레스강 등과 같은 저렴한 재질의 표면에Hardfacing ,

내마모성 내식성 내열성 등이 우수한 고급 소재를 수 두께로 용접 육성하는, , mm ㆍ

기술이다 육성용접은 부품제작시 저렴한 모재를 사용하고 부품보수시. Hardfacing ,

보수할 부분이 적으며 보수로 인한 휴지기간이 짧기 때문에 전체적인 비용을 감소

시키는 장점이 있다.

육성용접은 제철 제강 제련 발전소 폐기물처리장 건설 준설 광산Hardfacing , , , , , , ,ㆍ

시멘트 종이 석유화학 공장 선박 등의 기간산업분야에서 중대형 내마모 기계부품, , ,

제작과 원전 밸브 비윤활 베어링 등의 특수산업분야에서 고성능 고, shaft bushㆍ ㆍ ㆍ

신뢰도의 정밀기계부품 제작에 주로 이용되고 있다.

국내 용접산업은 년대 중화학공업 육성정책을 토대로 산업의 고도성장에 따른1960

수요증가에 힘입어 꾸준한 발전을 보여 왔다 그러나 산업의 경우 상당. hardfacing

한 고부가가치 산업임에도 불구하고 국내 용접재료 수요의 이상을hardfacing 80%

수입에 의존하고 있어 원재료 및 공정기술에 대한 높은 해외의존도를 탈피하지 못

하고 있는 상황이다.

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국내 대규모 용접재료 생산업체들은 피복아크용접봉 형태의 용접재료를hardfacing

생산하고 있으나 재료의 연구개발 및 생산설비에 소요되는 비용에 비해 국내 하드

페이싱 용접재료 시장규모가 작기 때문에 용접재료의 품목과 생산량이 제한적이고

생산성이 높은 플럭스코어드 와이어 형태로는 생산하지 않고 있다.

국내에서 용접재료를 생산하고 있는 중소업체로는 개 업체 정도가 있hardfacing 3

으나 외국 전문기업과 합작회사이거나 생산품목이 극히 제한적이고 자체 수요을 충

당하는 정도를 생산하는 데에 그치고 있는 상황이다.

국외의 경우 오랜 역사를 가진 주요 용접재료 생산업체들이 축적된 노하우와 지속

적인 연구개발을 바탕으로 용접재료의 세계시장을 장악하고 있으며 다hardfacing

른 관련 업체들을 인수합병함으로써 규모를 증대시키고 취약점을 보완하여 기술경

쟁력과 시장점유율을 더욱 증대시키고 있다.

이러한 상황으로 인해 개에 이르는 국내 육성용접 시공업체들은20~30 hardfacing

고가의 수입 용접재료에 의존하고 있으며 용접제품의 단가경쟁으로 인해 적정 이윤

을 얻지 못함에 따라 경쟁력이 약화되고 실질적인 이익은 국외 업체들이 가져가고

있는 실정이다.

최근 경제적인 용접재료 확보의 필요성을 절감한 일부 중소업체에서 독자적인 연구

개발을 진행하고 있으나 육성용접 재료는 다양한 적용분야에 대한 제품hardfacing

개발이 필요하고 많은 시행착오를 통한 축적된 제조기술이 요구되기 때문에 연구자

금 및 전문 연구인력이 부족한 중소업체가 독자적으로 연구개발을 수행하기에는 어

려움이 있으므로 이에 대한 종합적인 기술지원이 필요한 상황이다.

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제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

본 연구에서는 하드페이싱 용접재료 생산 및 시공을 전문으로 하면서 새로운 아이

디어와 적극적인 연구개발 의지를 갖고 있으나 소재에 대한 기초기술과 연구개발

인력의 부족으로 어려움을 겪고 있는 중소업체에 대하여 수입에 의존하고 있는 내

마모 육성용접재료의 국산화를 위한 내마모 합금설계 및 용접재료 생산 용접시공, ,

내마모 기계부품의 품질관리 및 성능평가를 자력으로 수행할 수 있는 기술기반을

구축할 수 있도록 기술지원을 하고자 하였다.

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

본 연구에서 지원하고자 하는 주요 기술내용은 다음과 같다.

내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련1.

내마모성 향상을 위한 계 합금조성 설계 및 조직분석- CrC

모합금 용융을 통한 합금분말 조성 제어-

고충진 용접화이어 생산 및 용접조성 제어- Flux cored

육성용접 공정 최적화 및 자동화 기술 관련2.

계 육성용접재료의 기계부품별 용접공정 최적화- WC

비평면 기계부품 육성용접의 자동화-

육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 기술 관련3.

마모시험 및 시험- Abrasion, impact, sliding cavitation erosion

국내외 경쟁제품의 마모시험 및 특성 비교 평가-

적용 상황별 내마모성 평가 및 수명예측-

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제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과내마모 합금조성 설계 및 용접재료 생산기술 관련 성과1.1.1.1.

가 계 하드페이싱 용접분말 국산회 기술지원. CrC

기술지원 내용ㆍ

외산 계 용접분말 및 육성용접부의 특성 분석- CrC

외산 계 용접분말 생산공정 분석- CrC

자체생산 계 용접분말의 특성 분석- CrC

계 용접분말 자체생산용 분말 특성 분석- CrC ferro

기술지원 성과ㆍ

계 용접분말의 제조공정 개선- CrC

용도별 계 용접분말의 합금조성 설계- CrC

첨가 계 용접분말 제조공정 개발- B CrC

계 하드페이싱 제품 생산에 적용- CrC

나 초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원.


초경합금 코어드와이어의 기존 제조공정 분석-

용접성 및 용접부 특성에 미치는 영향인자 분석-

초경합금 분말 세척효과 조사-

재생 초경합금 분말 합금조성의 영향인자 분석-


초경합금 코어드와이어 생산공정 개선-

초경합금 분말의 합금조성 제어 방안 도출-

초경합금 하드페이싱 제품의 생산 및 품질관리에 적용-

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다 초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원.


용접부 가공감소를 위한 첨가제 조사-

플럭스 및 탈산 탈질소제 첨가에 따른 기공발생 특성 조사- /

탈산 탈질소제인 첨가 방법 조사- / Mn

첨가에 따른 기공발생 특성 및 내마모성 평가- Ferro Mn-C


기공발생 억제를 위한- CaF2 및 첨가 합금조성 설계Mn

분말 첨가 제조공정 개발- Ferro Mn-C

첨가 제품의 기공발생 감소 및 내마모성 향상 효과 확인- Mn

첨가 초경합금 코어드와이어 특허 준비- Mn

내충격성이 요구되는 내마모 부품 제작에 적용-

육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과육성용접 공정 최적화 및 자동화 관련 성과2.2.2.2.

가 산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술지원.


벌크용접 직후 플럭스 도포효과 분석- SAW

플럭스 종륨 및 용접영향 분석- SAW

용융시 발생하는 산화알루미늄- AI (AI2O3 의 특성 조사)

벌크용접시 산화알루미늄의 플럭스 대체가능성 검토- SAW


벌크용접시 도포의 주된 효과는 외기차단으로 판단- SAW

산화알루미늄을 플럭스 대용으로 사용할 경우 탈산효과 기대- SAW

외기차단이 가능한 일부 용접공정에 적용-

나 용접방법 최적화를 위한 활성플럭스 적용 기술지원.

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용접 활성플럭스의 국외 개발 및 제품화 현황 소개- TIG

용접 활성플럭스의 원리 및 적용가능성 검토- TIG

미국 개발 활성플럭스 구입 지원- EWI


용접 활성플럭스의 용접공정 적용시험- TIG

일반강 및 스테인레스강 용접시 용입깊이 배 이상 증가 예상- 2

향후 국산화 연구개발 가능성 확보-

다 초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원.


용접 보호가스에 따른 용접부 특성 조사- GMA

용접극성에 따른 용접부 특성 조사- GMA

초경합금 코어드와이어의 산소 아세틸렌 용접 적용성 조사- -


우수한 내마모성을 위해 역극성 및 보호가스 사용 조건 확립- Ar

하드페이싱 제품의 개선된 용접공정 적용- GMA

초경합금 코어드와이어 산소 아세틸렌 용접의 비실용성 확인- -

육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과육성용접 기계부품의 성능평가 및 품질관리 관련 성과3.3.3.3.

가 유리파쇄용 햄머의 내구성 향상을 위한 기술지원.


유리파쇄용 햄머의 마모포면 관찰-

초경합금 벌크용접 제품의 마모 메커니즘 분석-

내마모성 강화를 위한 제조방안 도출-

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내마모성 향상을 위해서는 기지상의 강화가 필요-

기존 솔리드와이어를 대체하여 조성의 코어드와이어 적용- 13Mn

유리파쇄용 햄머의 수명 배 이상 증가 효과- 3

나 상용 하드페이싱 용접재료와의 비교평가 기술지원.


상용 하드페이싱 용접재료의 특성 및 적용분야에 대한 조사-

초경합금 코어드와이어의 주요 경쟁제품 도출-

상용제품 대비 초경합금 코어드와이어의 내마모성 비교-


상용 하드페이싱 용접재료의 특성 확보- DB

상용제품 대비 자체개발 제품의 내마모성 비교 자료 확보-

하드페이싱 제품 마케팅 및 적용분야 개척에 활용-

다 초경합금 코어드와이어 제품특성 기술지원.


초경합금 코어드와이어와 견품의 와이어 송급특성 비교-

용접작업시 기존 장비 적용 가능성 검토-


상용제품 대비 자체개발 제품의 송급성 비교 자료 확보-

기존 장비를 이용한 용접작업 가능성 확인-

자체개발 용접와이어 제품의 마케팅 자료로 활용-

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제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원계 하드페이싱 용접분말 국산화 기술지원1. CrC1. CrC1. CrC1. CrC

가 기술지원전 애로사항가 기술지원전 애로사항가 기술지원전 애로사항가 기술지원전 애로사항....

세화엔지니어링 주 에서는 종류의 하드페이싱 용접재료가 사용되는데 그중( ) ekdidgis

하나가 미국 사의 용접분말 제품으로 벌크용접 공정에 사용되고 있다 기존에Triten .

는 용접분말을 수입하여 사용하고 있었으나 최근 수입비용 대비 국내 하드페Triten

이싱 시공단가가 하락함에 따라 독자적인 합금분말 개발을 추진하게 되었다.

용접분말을 적용한 하드페이싱 용접부는 전형적인 과공정 고 고 철계Triten Cr, C

합금으로 다량의 Cr7C3 탄화물 형성에 따른 높은 경도로 인한 우수한 내마모성을

나타낸다 용접분말은 솔리드와이어와 함께 용융지로 투하되면서 내마모 합. Triten

금조성을 만들므로 합금원소의 함량이 매우 높다 업체에서는 일반적인 합금. ferro

분말을 이용하여 용접분말의 대체품을 국산화 개발하고자 하고 있으나 합금Triten

분말의 조성제어 및 제조공정 개발에 있어서 기술적인 어려움을 겪고 있다.

본 기술지원에서는 미국 사 합금분말 제품의 합금조성 및 제조공정을 다양한Triten

방법을 통해 분석하고 일반적인 합금분말과 업체의 제조설비를 활용하여 독ferro

자적인 합금분말을 제조할 수 있는 생산기술개발을 지원하고자 하였다.

나 기술지원 수행내용나 기술지원 수행내용나 기술지원 수행내용나 기술지원 수행내용....

용접부 및 분말의 화학조성 분석1) Triten T-200X

사에서 제시한 용접부 표준조성과 업체에서 시공한 하드페이싱 용접부의 실측Triten

조성을 에 나타내었다 업체에서 제작된 용접부의 합금원소 함량이 표준Table 1.1 .

조성보다 약간 적은 것을 볼 수 있다 이는 용접시 이 사가 제시한 것. dilution Triten

보다 다소 많았다는 것을 나타낸다.

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사눈 분말의 조성을 밝히지 않고 있으나 의 성분분석 결과Triten T-200X Table 1.1

를 보면 용접시 을 고려하여 합금원소의 함량을 매우 높게 한 것을 알 수, dilution

있다 분말과 전체 분말에 대한 성분분석 결과를 비교하여 보면 과 의. _#80 C Mn

함량에서 약간의 차이가 있는 것을 볼 수 있다 그러나 에 나타낸 분말. Fig. 1.1 SEM

사진에서 관찰되는 분말이 한 종류임을 고려하면 분말은 하나의 합금괴를, T-200X

제조한 후 이를 파쇄하여 제조되었을 것으로 판단되며 입도에 따른 약간의 조성차,

이는 합금원소 편석에 의한 불균일 파괴에 기인했을 것으로 생각된다.

용접부 및 분말의 화학조성2) Triten T-223X

사에서 제시한 용접부 표준조성과 업체에서 시공한 하드페이싱 용접부의 실측Triten

조성을 에 나타내었다 과 의 함량은 다소 낮고 와 등은 다소Table 1.2 . Cr C , Mo W

높은 것을 알 수 있다 이는 다음에는 설명되겠지만 가 두 종류의 분말을. T-223X

혼합하여 제조되었을 경우 이들 분말의 혼합비가 다소 차이가 있었을 것으로 판단

된다.

한편 용접부에서는 와 이 검출된 반면에 원료분말에서는 이들 원소가 검출되Nb W

지 않았는데 이는 성분분석상의 오차였을 가능성이 높은 것으로 생각된다 즉 분말. ,

제조공정상 분말과 또 하나의 분말을 혼합하여 를 제조하였다면T-200X T-223X ,

이 분말은 이었을 가능성이 높은 것으로 추측되며 이들이Nb-, W-rich carbide ICP

분석을 위한 전처리 과정에서 오류를 발생시켰을 것으로 판단된다.

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국산 및 외산 분말의 입도분포3)

업체에서 제조한 국산 및 외산 사 계 합금분말의 분포를 측Triten CrC particle size

정하여 에 나타내었다 은 계 의 종류에 따라 입Table 1.3 . Fig. 1.3~1.7 CrC powder

자 크기별 분포를 그래프로 나타낸 것이다 입도분포를 측정한 가지 종류의. 4 CrC

계 합금분말에서 직경이 안팎이 가장 많은 것을 알 수 있으며 국산particle 350㎛

합금분말의 경우 이상은 거의 없는 것으로 판명되었다400 .㎛

국산 및 외산 분말의 상분석4) XRD

업체에서 제조한 국산 계 합금분말과 합금분말의 탄화물상분석 결CrC Triten XRD

과를 에 나타내었다 국산 분말과 의 경우Table 1.4 . T-200X Cr7C3 결정구조의 탄화

물만 관찰되었다 반면에 와 에서는. T-211X T-223X Cr7C3 결정구조 외에도 Cr3C2

결정구조의 탄화물이 관찰되었다 이는 위의 에 나타낸 관찰결. Fig. 1.8~1.11 SEM

과와 함께 는T-200X Cr7C3 결정구조를 갖는 단일 합금분말인 반면에 와T-211X

에서는T-223X Cr7C3와 Cr3C2의 두종류의 합금분말로 이루어진 것으로 판단된다.

국산 및 외산 분말의 성분분석5) EDS

는 계 분말의 성분분석 결과를 나타낸 것이다 그러나 분석Table 1.5 CrC EDS . EDS

장비로는 절대 성분비를 산출할 수는 없고 상대적인 성분비만을 획득할 수 있으며

낮은 원자가 원소들은 정량분석이 정확하지 않은 맹점을 가지고 있다 따라서 생기.

는 분석치의 경우 의 분석이 생략되어 세화분석치와 비교해 볼 때 다소의 함량비C

차이가 존재함을 확인할 수 있었으며 세화분석에서 나타나지 않았던 미량의 이Ca

나 및 이 출현하였다Al W .

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국산 및 외산 분말의 자성시험6)

국산 및 외산 의 자성시험을 수행한 결과 가장 자성의 세기가 큰T-series CrxCy

것은 국산이며 순으로 자성의 세기가 증가하는 것을 관T-200 < T-223 < T-211

찰할 수 있었다 또한 산화 이 자성체와 비자성체 두가지가 존재하는 것을 착안. Cr

하여 구산 를 에서 분간 가열산화시켜 자성의 성질변화를 관찰하, powder 600oC 20

였으나 자성의 세기는 변화가 없는 것으로 확인되었다.

합금분말 제조를 위한 분말의 특성 분석6) CrC ferro

국산 계 용접분말의 제조에 사용되고 있는 분말들의 사진을CrC ferro-Cr SEM Fig

에 나타내었다 계는 표면형상의 각이 날카롭지 못하고 대체1.12~1.14 . Low carbon

로 불투명한 색깔을 지니고 있으며 계는 입자크기가 셋 중 가장 작고high carbon

이나 과 같은 표면형상을 보이고 있으며 인천제철 는 표면T-200 T-223 roll powder

에 미세입자들이 보이고 입자크기는 가장 큰 것을 볼수 있다.

에 를 이용한 분말의 성분분석 결과를 나타내었다Table 1.6 EDS ferro-Cr . High

의 양이 보다 약 가량 많았으며carbon powder Cr low carbon powder 6% low

에서는 다른 에서 검출되지 않은 과 가 미소하게 검출carbon powder powder Ni Mg

되었다.

성분분석 결과7) Ferro-Mo

는 철계 합금의 내마모성과 내식성을 증가시키는 합금원소이다 업체가 보유하Mo .

고 있는 모합금을 파쇄한 분말의 성분분석 결과를 에 나Ferro-Mo EDS Table 1.7

타내었다.

의 분석 결과6) Inconel 738 EDS

은 업체가 재활용을 위해 확보한 폐기 로 재질이 함유하Inconel 738 turbine blade

고 있는 특수 성분은 유용한 합금원소가 될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

의 조각을 절단하여 유도로에서 용융시킨 시편을 로 분석한 성분Turbine blade EDS

분석 결과를 에 나타내었다Table 1.8 .

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의 주성분은 인 것으로 나타났는데 은 철계 내마모 합금의 내마모Inconel 738 Ni Ni

성을 저하시키는 원소이다 그러나 와 등의 유용한 성분이 함유되어 있으므. Co Mo

로 내식성이 요구되는 적용분야에는 적용이 가능할 것으로 판단된다.

다 기술지원 결과 및 성과다 기술지원 결과 및 성과다 기술지원 결과 및 성과다 기술지원 결과 및 성과....

업체에서는 외산 용접분말을 대체하기 위한 용접재료로서 기존에는 일반적인Triten

모합금을 파쇄한 분말을 그대로 사용하고 있었다 그러나 본 기술지원을 통해ferro .

외산 용접분말 정도의 내마모성을 얻기 위해서는 합금성분의 증가가 필요하며 이를

위해서는 기존의 분말을 그대로 사용하기보다는 재용융과 합금원소 첨가 공ferro

정이 필요한 것으로 나타났다.

기술제안에 따라 업체에서는 기존 모합금을 용융시켜 을 추가로 첨가하ferro-Cr C

고 제조된 합금괴를 파쇄하여 고합금 분말을 제조하였다 이를 벌크용접ferro-Cr .

공정에 적용시킨 결과 제품과 비슷한 함량수준의 합금조성을 얻을 수 있었으Triten

며 하드페이싱 용접부의 내마모성도 향상되는 결과를 얻었다 이에 따라 업체에서.

는 고합금 분말을 지속적으로 제품생산에 적용하는 한편 합금분말의 자체ferro-Cr

생산을 위한 유도용해로의 도입을 추진하고 있다.

또한 업체에서는 본 기술지원을 통해 습득한 합금설계 기술과 제조공정 기술을 이

용하여 제품의 성능을 보다 향상시키기 위해 등의 합금원소를 추가로 첨B, Nb,V

가하는 등의 실험을 진행하고 있어 자체적인 기술개발 능력확보를 통한 지속적인

제품개발이 기대된다.

- 16 -

화학조성 분석 결과Table 1.1 Triten T-200X (wt.%).

- 17 -

합금분말의 사진Fig. 1.1 Triten T-200X SEM .

- 18 -

화학조성 분석 결과Table 1.2 Triten T-223X (wt.%).

- 19 -


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계 용접분말의 입도 분포Table 1.3 CrC .

- 21 -

업체제조한 국산 계 합금분말의 입도 분포Fig. 1.3 CrC .

- 22 -

합금분말의 입도 분포Fig. 1.4 Triten T-200X .

- 23 -


- 24 -


- 25 -

계 합금분말의 입도분포Fig. 1.7 CrC .

- 26 -

계 합금분말의 분석결과Table. 1.4 CrC XRD .

45 ㎛ 전체

국산

Cr7C3 ○ Cr7C3 ○

Cr3C2 X Cr3C2 X

T-200X

Cr7C3 ○ Cr7C3 ○

Cr3C2 X Cr3C2 X

T-211X

Cr7C3 ○ Cr7C3 ○

Cr3C2 ○ Cr3C2 ○

T-223X

Cr7C3 ○ Cr7C3 ○

Cr3C2 ○ Cr3C2 ○

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업체제조 국산 계 합금분말의 사진Fig. 1.8 CrC SEM .

- 28 -


- 29 -


- 30 -


- 31 -

계 합금분말의 분석결과Table. 1.5 CrC EDS

- 32 -

분말의 사진Fig. 1.12 Ferro-Cr (L/C) SEM .

- 33 -

분말의 사진Fig. 1.13 Ferro-Cr (H/C) SEM .

- 34 -

인천제철 파쇄분말의 사진Fig. 1.14 roll SEM .

- 35 -

분말의 분석결과Table. 1.6 Ferro-Cr EDS .

- 36 -

와이어의 분석결과Table. 1.7 Mo EDS .

성분 함량 (wt.%)

Mo 55.93

Fe 39.82

Si 2.21

Cu 2.04

- 37 -

의 분석결과Table. 1.8 Inconel 738 EDS .

성분 함량 (wt.%)

Ni 51.03

Cr 16.89

Co 8.99

Mo 2.03

Al 9.23

Ti 4.72

Ta 7.10

- 38 -

초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원초경합금 코어드와이어 생산공정 기술지원2.2.2.2.


세화엔지니어링 주 에서는 최근 재생 초경합금 분말을 이용한 초경합금 코어드와이( )

어를 개발하여 벌크용접 공정에서 솔리드와이어를 대체 적용하기 시작하였다 솔리.

드와이어를 사용하는 기존 벌크용접 제품에서는 내마모성이 취약한 모재부분이 먼

저 마모되어 고경도 초경합금 분산체가 떨어져 나가는 현상이 발생하지만 초경합금

코어드와이어를 적용함에 따라 모재의 내마모성이 증가하여 하드페이싱 제품의 내

구성이 크게 향상되는 효과가 있다.

그러나 초경합금 코어드와이어의 제조공정이 아직 확립되지 않아 용접와이어간 품

질의 편차가 심하고 이에 따라 하드페이싱 제품의 성능도 큰 편차를 보이는 문제점

이 있다 이에 따라 본 기술지원에서는 초경합금 코어드와이어의 품질을 안정화시.

키기 위하여 초경합금 분말의 제조공정에 대한 분석을 통해 일정한 품질을 위한 제

조공정을 확립하고자 하였다.


초경합금 분말 세척효과1)

초경합금의 분쇄와 혼합과정에서는 오일 등의 이물질이 유입될 수 있으며 이러한

이물질은 용접시 용접성 저하 용접결함 발생 등의 문제를 일으킬 수 있다 세척 전, .

후 초경합금 분말의 사진을 각각 과 에 나타내었다 세척방법은 메SEM Fig. 2.1 2.2 .

틸알코올에서 초음파세척을 하였으며 세척시간은 회에 분 회를 수행하였다1 30 , 3 .

에서 보여지는 바와 같이 세척 전에는 굵은 입자들 사이로 미세 입자들이Fig. 2.1

다수 존재하였으나 의 세척 후에는 그러한 미세입자들이 제거되었음을 볼Fig. 2.2

수 있었다 특히 의 사진에서 약간 어두운 부분이 있는데 이는 오일에 의한. Fig. 2.1

오염부분으로 생각되며 이러한 오일 오염부분은 세척후 없어지는 것을 알 수 있다.

- 39 -

업체에서는 초경합금 분말 제조공정 중에 이러한 세척공정을 수행하기로 하였으며

업체에서 수행한 세척공정 직후의 분말의 사진을 에 나타내었다SEM Fig.2.3 . Fig.

을 보면 초경합금 분말은 에서와 같이 오일과 미세한 분말이 제거되는2.3 Fig. 2.2

것으로 나타났다.

초경합금 분말의 세척전후의 분말성분 변화를 조사하기 위하여 로 측정한 분말EDS

의 화학조성을 에 나타내었다 생기원에서 세척 전과 후의 화학성분을 비Table 2.1 .

교하여 보면 는 감소하고 은 증가한 것을 알 수 있다 는 주로 초경합금 분Fe W . Fe

쇄햄머가 마모되어 혼입된 것으로 생각되는데 세척과정을 통해 의 함량이 감소되Fe

었다는 것을 세척과정을 통해 제거되는 미세입자가 주로 를 함유하는 입자임을Fe

나타낸다 업체에서 세척된 초경합금 분말의 성분을 보면 함량이 생기원에 비해. W

상당히 높은 것을 볼 수 있는데 이는 초경합금 분말의 화학성분이 일정하게 제어되

지 못한 데에 기인하는 것으로 판단된다.

재생 초경합금 분말의 품질안정화 대책2)

재생 초경합금 분말은 에 나타낸 바와 같이 기계공구 바이트 금형 부품Table 2.2 ,

등을 파쇄하여 제조된다 파쇄된 분말은 전동체로 걸러 의 굵은 입자와. 5~10mesh

나타낸 이하의 분말로 분류된다 파쇄공정으로 제조된 분말들Fig. 2.4dp 40mesh .

은 분말입자가 날카로운 형상을 하고 있는데 이는 분쇄시 입자가 변형되기보다는

취성으로 인해 깨어지는 효과가 부도 크다는 것을 나타낸다.

의 입자는 벌크용접에서 투하하는 고경도 입자로 사용되고 이5~10mesh 40mesh

하의 분말은 코어드와이어 제조에 사용된다 코어드와이어를 제조하는 데에 있어서.

분말입도가 작을수록 고충진에 유리하지만 초경합금을 매우 작은 입도로 분쇄하기

위해서는 많은 시간과 비용이 소요되므로 경제성을 고려하여 이하를 사용40mesh

한다.

업체에서 차와 차에 걸쳐 제조한 재생 초경합금 분말에 대하여 의 를1 2 SEM EDS

이용하여 측정한 성분분석 결과를 에 나타내었다 합금원소중 의 함량은Table 2.3 . C

로는 측정이 곤란하기 때문에 에 함유된 것으로 가정하여 계산하였다EDS WC . Lot

과 의 조성은 과 함량에 있어서 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다#1 #2 W Fe .

- 40 -

초경합금이란 금속의 탄화물 분말을 소결하여 제조한 경도가 대단히 높은 합금으로

서 일반적으로 를 주체로 하고 중량비율이 정도인 를 결합 금속으로 사WC 6% Co

용한다 결합금속인 의 양은 부품의 종류에 따라 다르며 등과 같은 합금원소. Co Fe

가 첨가될 수도 있기 때문에 이들을 파쇄하여 혼합한 재생 초경합금 분말의 조성은

파쇄부품의 종류에 따라 변활될 수 있다.

특히 공구강 부품을 초경합금으로 오인하여 같이 파쇄하거나 파쇄용 햄머나 롤러가

고도하게 마모되는 경우에는 가 다량 유입될 수도 있다 이러한 이유로 인해Fe . WC

의 함량이 감소하고 의 함량이 증가하게 되면 를 주된 분산상으로 하는 초경Fe WC

합금 코어드와이어의 용접부 특성은 크게 변화될 수밖에 없다.

실험에 의하면 함량이 정도인 분말을 사용하여 코어드와이어를 제조하는WC 60%

경우 이상의 충진률을 갖도록 와이어를 제조해야 우수한 내마모성을 나타내는35%

것을 나타났다 이는 의 분말을 사용하는 경우에는 의 함량이. Table 2.3 Lot #2 WC

약 인 경우에는 충진률이 이상이 되어야 비슷한 내마모성을 얻을 수 있다48% 43%

는 것을 나타낸다.

현재 제조 가능한 코어드와이어의 안정적인 최대 충진률은 약 정도로 이러한40%

충진률에서 내마모성이 우수한 초경합금 코어드와이어를 제조하기 위해서는 의WC

함량이 적어도 이상이 되어야 한다는 계산이 나온다53% .

따라서 폐기 초경합금 부품을 분쇄하여 초경합금 분말을 생산하고 이를 이용하여

코어드와이어를 제조하는 데 있어서 코어드와이어의 품질을 관리하게 위해서는 제

조 마다 초경합금 분말의 성분을 함량이 이상이 되도록 조정하고lot WC 53% WC

함량에 따라 코어드와이어의 충진률을 조절하는 제조공의 확립이 요구된다.


- 41 -

초경합금 코어드와이어의 제조에 사용되는 초경합금 분말은 업체에서 수집한 폐기

초경합금 부품들을 분쇄하여 제조되기 때문에 분말의 오염과 성분제어에 문제가 있

었다.

분말의 오염에 있어서는 파쇄햄머 및 롤러의 마모로 인해 유입된 계 미세분말과Fe

오일을 제거하기 위해 메틸알코올을 이용한 초음파세척의 효과를 조사하여 이를 분

말 생산공정에 적용하였다.

초경합금 코어드와이어가 일정 내마모성의 품질을 유지하기 위해서는 초경합금 분

말내 의 함량이 이상이 필요한 것으로 밝혀짐에 따라 의 함량을 제어WC 53% WC

하기 위한 분쇄공정의 개선을 제안하였다.

업체에서는 이를 적용하여 분쇄를 하고자 하는 초경합금 부품의 성분을 대략적으로

파악한 후 성분을 고르게 하여 일정 비율로 부품을 혼합하여 분쇄을 하고 있으며

함량이 높은 부품을 분쇄한 분말을 따로 준비하여 분쇄분말의 함량이 부WC WC

족한 경우 이를 첨가하는 제조공정을 시행하고 있다.

- 42 -

(a) X30

(b) X200

세척전 초경합금 분말 의 사진Fig. 2.1. (-60mesh) SEM .

- 43 -

(a) X30

(b) X200

세척후 초경합금 분말 의 사진Fig. 2.2. (-60mesh) SEM .

- 44 -

(a) X30

(b) X200

세척후 초경합금 분말의 사진Fig. 2.3. SEM .

- 45 -

초경합금 분말의 분석 결과Table. 2.1. EDS

- 46 -

폐기 초경합금 부품의 종류Table. 2.2. .

No. 부품명 크기(mm)

1 바이트 팁 10~50

2 금형부품 50~150

3 시계부품 30~50

4 드릴 엔드밀, 10~150

5 압연 롤 150~300

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이하 초경합금 분말의 사진Fig. 2.4. 40mesh SEM .

- 48 -

이하 재생 초경합금 분말의 화학조성Table. 2.3. 40mesh .

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초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원초경합금 용접부 특성 개선을 위한 합금설계 기술지원3.3.3.3.


세화엔지니어링 주 에서는 폐기 초경합금 분말을 이용한 초경합금 코어드와이어를( )

개발하여 적용하고 있다 초경합금 분말은 폐기되는 각종 절삭공구의 팁이나 바이.

트 등을 분쇄하여 재생하기 때문에 순수 텅스텐카바이드 분말에 비하여 가격이 싸

고 환경에 유해한 폐기물을 재활용하는 석 조의 효과를 나타내고 있다1 2 .

폐기 초경합금 분말을 원료로 코어드와이어를 생산하여 제품에 적용한 결과 기존의

상용제품과 비교하여 약 의 가격경쟁력을 확보할 수 있으며 성능면에 있어서도1/6

벌크용접시 기존의 솔리드와이어를 사용하는 것에 비해 배 이상의 내구성 향상효3

과를 보고 있다.

그러나 초경합금 코어드와이어 용접부는 기존의 솔리드와이어 비해 경도가 크게 증

가됨에 따라 용접 크랙이 보다 심하게 발생하고 있으며 기공도 다량 발생하여 충격

마모 환경에서 사용시 내구성이 다소 저하되는 문제점이 있다.

따라서 본 기술지원에서는 초경합금 코어드와이어의 내크랙성을 상용제품보다 우수

하게 향상시키기 위하여 기공발생 억제를 위한 플럭스조성과 추가적인 합금원소의

첨가효과를 조사하여 초경합금 코어드와이어의 합금조성을 재설계하는 기술지원을

수행하였다.


기공발생 저감을 위한 플럭스 선정1)

하드페이싱 용접부 표면에서 기공이 발생되는 원인으로는 불량한 용융지차폐 용접,

부 오염 과도한 아크전압 그리고 보호가스 용접봉 모재 등의 상태등이 있다, , , , .

- 50 -

기공은 아크중 고온에서 용융금속이 다량의 산소 및 질소를 이온상태로 용해하고

있다가 상온으로 냉각됨에 따라서 이들 원소의 고용도가 감소하게 되고 감소된 양,

만큼 가스형태로 방출되어 용착금속 내부의 기공형태로 존재하게 된다.

기공의 발생을 방지하기 위해서는 아크중의 용적 및 용융금속이 대기 중에 노출되

지 않도록 해야 한다 이를 위해서는 먼저 용융금속이 완전히 응고하여 주위 공기.

내의 산소나 질소와 반응하지 않을 때까지 주위의 대기와 차폐시키는 역할을 하는

플럭스의 첨가를 고려할 수 있다.

플럭스 중에서 슬래그 형성제는 용융금속 표면에 부상하여 용융금속이 대기와①

직접 접촉하는 것을 방지한다 응고온도 및 응고범위에 따라서 표면비드형태에 영.

향을 미치며 고융점 슬래그인 경우 용융금속 내부에 일부가 혼입되어 충격치가 약,

화될 수 있다.

플럭스 보조제는 슬래그의 유동도를 조절하기 위해 첨가될 수 있다 슬래그 유.②

동도는 슬래그가 얼마의 두께로 용융금속을 효과적으로 보호하는지를 결정하고 또

한 용접후 박리가 잘 이루어지게끔 한다.

플럭스 형성제 이외에 기공의 발생을 억제하는 역할의 플럭스로는 탈산 및 탈질③

소 원소를 들 수 있다 탈산제에 함유되는 원소로는 에 나타낸 바와 같이. Fig. 3.1

산소친화력인 높은 등이 있다 탈질소제Cr, Mn, Si, C, V, Ti, Al, Zr, Ba, Mg, Ca .

에 함유되는 원소는 에 나타낸 바와 같이 질소친화력이 높은Fig. 3.2 Cr, Si, V, Ti,

등이 있다 용착금속내 탈산 및 탈질 작용 원소들의 효과를Al, Zr, Mg, Ta, B, Ce .

에 나타내었다Fig. 3.3 ~ 3. 5 .

질소의 경우에는 특수원소를 함유시켜 강 중의 질소포화 용해도를 증가시킴으로④

써 기공의 발생을 억제할 수 있다 강중에 질소의 포화용해도를 증가시키는 원소로.

는 에 나타낸 바와 같이 등이 있다Fig. 3.6 Mn, Ti, V, Nb, Cr, Ta, Mo .

- 51 -

용융지가 주위 대기와 접촉하는 것을 방지하기 위해 가스발생제를 첨가할 수도⑤

있다 플럭스내에 용접부를 보호할 수 있는 가스형성재를 첨가하여 기공발생을 줄.

이는 방법은 피복용접봉에 많이 사용된다 첨가제의 종류는self-shielded . Table

에 나타낸 바와 같이3.1 CaF2-Al, Caf2-TiO2, CaF3-CaCO3-TiO2, CaF2-CaCO3 계

로 나뉘어지며 이들의 일반적인 조성은 에 나타낸 바와 같다Table 3.2 .

아크안정성을 높여 기공발생 가능성을 감소시키는 방법도 사용될 수 있다 아크.⑥

안정성은 용접부 기공발생에 큰 영향을 미치므로 아크를 안정시키는 물질을 삽입하

여 이를 해결할 수 있다 아크안정제는 일반적으로 계열의 알칼리 금속을. Ca-,Na-

사용하며 아크안정성 유지 스패터 저감 용융금속 이행의 균일화 등의 작용을 한, ,

다.

강내의 불순물 제거를 통한 용접부 기공 감소를 유도할 수 있다 강내에 불순물.⑦

로서 존재하는 나 는 용접부내의 안좋은 게재물을 형성하고 또한 합금불균일에S P

의한 기공이 발생될 수 있으므로 제거하는 것이 좋다 일반적으로 사용되는 탈산제.

나 탈질소제의 첨가를 통해 이러한 효과를 얻을 수 있다.

초경합금 코어드와이어에 탈산 탈수소 가스발생제를 코어분말의 충진율 대비, ,

첨가하여 보호가스별로 기공발생 여부를 조사한 결과를 에 나타내1~6% Table 3.4

었다. CaF2와 을 첨가한 경우에 기공발생 효과가 있는 것으로 나타났으나Mn CaF2

의 경우에는 아크용접성을 크게 저하시키는 것으로 나타나 의 첨가가 보다 효과Mn

적일 것으로 판단된다.

첨가 효과2) Mn

은 용접부 기공 감소를 목적으로 첨가될 수 있지만 초경합금 코어드와이어에 있Mn

어서 충격에 대한 내마모성을 보다 향상시킬 수 있는 방법으로서 기지상의 완전한

오스테나이트화를 통한 취성이 큰 마르텐사이트상의 제거와 기지상의 강도증가를

통한 탄화물과의 결합력 증대 효과도 고려해 볼 수 있다.

- 52 -

철계합금의 대표적인 오스테나이트 형성원소로는 등이 있다 이C, n, Co, Ni, Mn .

중에서 은 오스테나이트 형성뿐만 아니라 오스테나이트 기지를 강화시키는 합금Mn

원소로 알려져 있다 은 강력한 오스테나이트 안정화 합금원소이면서 등과 결합. C W

하여 탄화물을 형성하는 원소이다.

따라서 초경합금 코어드와이어의 완전한 오스테나이트화를 위해서 첨가되는 합금원

소로는 과 이 바람직하다 과 을 순수 분말로 첨가하는 경우에는 분말밀도Mn C . Mn C

가 작아 가벼운 분말이 잘 혼합되지 않는 문제가 있으므로 모합금을C Ferro Mn-C

분말화하여 사용하는 것이 경제성 측면에서도 유리하다.

그러나 순수 첨가에 비해 탈산 및 탈질소 효과는 감소될 수 있다Mn .

초경합금 분말에 분말을 첨가한 경우의 마모시험35% FeMnC 2, 4, 6% abrasion

결과를 에 나타내었다 첨가량이 인 경우 무게손실량이Fig. 3.7 . FeMnC 2% 35.7mg

으로 를 첨가하지 않은 경우인 에 비해 마모량이 조금 감소하였으나FeMnC 40.2mg

첨가량이 와 로 증가하면서 무게 손실량은 각각 과FeMnC 6% 8% 44.8mg 47.3mg

으로 오히려 증가하였다 이는 단지 의 함량이 를 초과할 경우 를. FeMnC 2% FeMnC

첨가하지 않은 경우보다 내모마성이 저하되는 사실을 나타낸다.

첨가에 따른 경도의 변화를 보면 첨가량 에서는 경도가FeMnC FeMnC 2%

로 첨가하지 않은 경우인 와 비슷하였다 그러나 첨가량50.6HRC 49.9HRC . FeMnC

이 로 증가할 경우 각각 를 나타냈는데 이는 의 증가로4, 6% 41.9 47.3HRC FeMnC

경도값도 낮아지는 것으로 나타났다.

첨가에 따른 광학미세조직을 비교하여 보면 를 첨가하지 않은 경우FeMnC FeMnC

에는 기지상에 마르텐사이트 조직이 생성되지만 이상의 를 첨가한 경우2% FeMnC

기지상내에 마르텐사이트 조직이 관찰되지 않았다 또한 이 첨가됨에 따라. FeMnC

수지상 조직이 좀 더 분명해 지면서 조직의 미세화가 이루어졌다.

- 53 -

상분석 결과 를 첨가함에 따라 오스테나이트 피크가 강해지고 상XRD FeMnC 2%

대적으로 마르텐사이트 페라이트 피크는 거의 사라지는 것으로 나타나 의/ 2%

첨가만으로도 기지상의 완전한 오스테나이트화가 이루어지는 것으로 나타FeMnC

났다.

재료의 내충격성은 일반적으로 충격시험을 통해 평가되고 있으나Charpy V-notch

하드페이싱 용접재료의 경우에 있어서 재료의 내충격성은 의미를 갖지 못하고 반복

적인 충격에 대한 마모특성이 평가될 필요가 있다 충격마모 특성을 평가할 수 있.

는 시험방법은 규격으로 제정되어 있지 않기 때문에 표준화된 방법이 없다ATSM .

첨가에 따른 충격특성을 비교 조사하기 위한 초경합금 분말을 충진한FeMnC 40%

과 초경합금 분말 에 첨가한 경우의 충격마40HM 35% FeMnC 6% 35HM+6FeMnC

모시험 결과를 에 나타내었다 초경합금 분말 충진율 에 를 첨Fig. 3.8 . 35% FeMnC

가하여 제작한 시편의 경우 충격마모량이 으로 초경합금 분말 충진율 의01.mg 40%

에 비해 충격마모량이 감소하였다0.5mg .

충격시험후의 시편표면을 으로 관찰하여 보면 내마모 특성을 기여했던 탄화물SEM

이 충격마모시험에서는 충격에 견디지 못하고 손상된 것을 볼 수 있었다 그러나.

기지조직의 경우 충진율 시편에서는 다소 손상된 것에 비해 를 첨가한40% FeMnC

경우에서는 기지에서 충격에 의한 손상이 거의 관찰되지 않았다.

이것으로 보아 를 첨가함으로 인해 오스테나이트 기지의 인성이 증가하여FeMnC

충격마모에 견디는 성능이 향상된 것으로 생각된다 또한 이 됨으로써 탈산 및. Mn

탈질소에 따라 용접부 기공이 감소되는 효과도 있는 것으로 나타났으나 순수 을Mn

첨가한 경우에 비해서는 기공감소 효과가 적은 것으로 판단 되었다.

- 54 -


초경합금 코어드와이어에 탈산 탈수소 가스발생제를 코어분말의 충진율 대비, ,

첨가하여 보호가스별로 기공발생 여부를 조사한 결과1~6% , CaF2와 을 첨가한Mn

경우에 기공발생 효과가 있는 것으로 나타났으나 CaF2의 경우에는 아크용접성을

크게 저하시키는 것으로 나타나 의 첨가가 보다 효과적일 것으로 판단된다Mn .

합금의 내마모성도 증가시키기 위하여 순수 대신 합금분말을 첨가Mn Ferro Mn-C

한 경우 육성용접부의 내마모성이 다소 향상되는 것으로 나타났으며 특히 상당한

내충격성의 향상효과가 있는 것으로 나타났다.

따라서 마모와 충격마모가 동시에 발생하는 환경에 대해서는 기공의 발생abrasion

이 억제되고 기지상이 강화되어 내마모성도 향상되는 초경합금 분말 충진율 에35%

를 추가로 첨가한 조성이 적합한 하드페이싱 재료가 될 수 있을 것Ferro Mn-C 6%

으로 생각된다.

또한 초경합금 분말 충진율 에 를 추가로 첨가한 조성은 내마35% Ferro Mn-C 2%

모 내충격 특성이 을 첨가하지 않은 제품과 거의 비슷하면서 용접부의, Ferro Mn-C

크랙을 방지하는 효과가 있으므로 크랙 억제가 필요한 하드페이싱의 경우에 사용이

적합할 것으로 판단된다.

업체에서는 위의 실험결과에 따라 현재 초경합금 분말 충진율 에35% Ferro Mn-C

를 추가로 첨가한 조성의 코어드와이어를 제조하여 내마모 내충격용 기계부품6% ,

의 제작에 시험적으로 적용하고 있으며 일본에 수출한 시제품의 경우 기존 제품에

비해 내구성이 향상된 것으로 호평을 받고 있다.

- 55 -

산화물의 표준 생성 자유에너지Fig. 3.1.

- 56 -

질화물의 생성 자유에너지Fig. 3.2.

- 57 -

용착금속 내의 의 함량Fig. 3.3. Al, Ti, Zr .

- 58 -

플럭스내 산화물 용착금속내 금속Fig. 3. 4. vs. .

- 59 -

용착금속내의 질소량Fig. 3. 5. .

- 60 -

합금원소에 따른 용융철의 질소포화용해도Fig. 3. 6. (1600 , latm).℃

- 61 -

자체보호용접봉의 첨가물 첨가범위Table 3.1. .

Element wt% Function

Slag form

Rutile, Zircon sand,

Sodium feldspar,

Magnesium, Silicate

1-7

Control of the

bead shape,

melt coverage

Flux agent

Cryolite, Fluorspar,

Potassium Silicofluoride,

Sodium Silicofluoride,

Calcium fluoride,

Lithium fluoride

0.5-6Control of the

slag fluidity

Arc stabilizer

Calcium titanate, Sodium-

potasium titanate, Titanium

dioxide.

0.3.2 Decrease spatter

Melt

puri

Calcium, Magnesium,

Aluminium1.25-4

Decrease sulfide,

harmful inclusion,

oxygen,nitrogen

Gas formerCalcium carbonate, Potassium

carbonate, Calcium fluoride0-3

Shielding atmo-

sphere

- 62 -

자체보호 용접봉에 함유되는 가스발생재의 첨가범위Table 3.2. .

CaF2-Al CaF2-TiO2CaF2-CaCO3-TiO

2

CaF2-CaCO3

Al 10-20 TiO2 15-25 TiO2 10-20 SiO2 0-10

MgO 10-20 Fe 40-60 Fe 40-60 Fe 50-70

CaF2 55-70 CaF2 15-25 CaF2 10-20 CaCO3 0-10

기타 10 MgO 0-10 CaCO3 5-15 Mn 0-10

기타 10 SiO2 0-10 CaF 15-20

기타 10 기타 10

- 63 -

견본 용접와이어의 성분Table 3.3. .

- 64 -

용접보조제 첨가에 따른 기공발생Table 3.4. .

첨가제첨가량

충진율 대비( %)보호가스 시편 No.

기공발생여부

의 경우(NS )

견품-

WC Ar+CO2 , NS 1,2 X

CrC NS 3 X

T-series Ar+CO2 ? ○

재생 건조분말- Ar+CO2 4 ○

탈수소제- , CaF2

1 Ar+CO2 5 ○

2 Ar+CO2 6 ○

3 Ar+CO2 7 ○

4 Ar+CO2 8 X

- Mn

1.5 Ar+CO2 9 ○

3. Ar+CO2 10 ○

4.5 Ar+CO2 11 X

6 Ar+CO2 12 X

-Shielding gas agent

(CaCO3) + CaF2, Mn

1 NS 13 ○

2 NS 14 ○

3 NS 15 ○

4 NS 16 ○

- 65 -

첨가량에 따른 마모손실량Fig. 3.7. 35HM FeMnC abrasion .

- 66 -

첨가에 따른 충격마모시험 결과Fig. 3.8. FeMnC .

- 67 -

산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술자원산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술자원산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술자원산화알루미늄의 벌크용접 플럭스 활용을 위한 기술자원4.4.4.4.


벌크용접은 의 개략도에서 보여지는 바와 같이 초경합금 입자를 모재에 투Fig. 4.1

하한 후 용접와이어로 하여금 용접하면서 그 위를 지나가게 함으로써 내마모 입자

가 분산된 용접부를 형성시키는 방법이다 벌크용접법은 기존의 하드페이싱 공정에.

서 모재가 받는 고입열에 의한 변형 높은 희석률 의 문제점을 해결하면서, (30~40%)

보다 간단한 방법으로 하드페이싱 제품을 생산할 수 있다는 장점이 있다.

한편 기존 벌크용접 공정에서 용접 직후 용접부에 플럭스를 도포한 결과 비드SAW

표면의 산화가 거의 없이 매우 우수한 외관을 보이는 것으로 나타났다 이에 따라.

세화엔지니어링 주 에서는 플럭스 도포공정을 사용하고자 하고 있으나( ) SAW SAW

플럭스가 고가이기 때문에 이를 대체할 수 있는 경제적인 플럭스가 요구되고 있다.

이에 따라 본 기술지원에서는 벌크용접에서 플럭스의 역할을 분석하고 업체SAW

가 보유하고 있는 산화알루미늄으로 대체 적용할 수 있는지 여부를 조사하고자 하

였다.


벌크용접은 기존의 하드페이싱 공법보다 우수한 제품을 생산할 수 있지만 보다 높

은 품질을 얻기 위해 에서 사용되는 를 이용하였다 일반적인 공정의SAW flux . SAW

개략도를 에 나타내었다 에서 사용되는 의 역할 및 요구 성질을Fig. 4.2 . SAW flux

살펴보면 다음과 같다.

에서 사용하는 는 입상의 광물성 물질에 소량의 합금원소와 탈산제 등이SAW flux

첨가되어 있다 에서 의 기능은 용접부를 대기로부터 보호하면서 아크를 안. SAW flux

정시키고 금속 정련 반응에 의하여 용착금속의 화학조성 및 기계적 성질을 확보할,

것 등인데 이를 위하여 다음과 같은 성질이 요구된다, .

- 68 -

적당한 요융온도 및 점성을 가져 양호한 비드를 얻을 수 있을 것- .

용착금소에 적당한 합금원소의 첨가할 수 있고 탈산 탈황 등의 정련작용으로- , ,

양호한 용착금속을 얻을 수 있을 것.

적당한 입도를 가져 아크의 보호성이 좋을 것- .

용접 후 슬래그의 박리성이 좋을 것- .

에서는 의 화학조성 및 제조방법에 따라 과 같이 분류하고KS D 7102 flux Table 4.1

있으며 표기 방법은 다음과 같다, .

F - S - FG 1

화학성분

의 제조방법flux

용접SAW

용접 flux

에서 사용하는 는 제조방법에 따라 용융형 와 소결형SAW flux flux(fused flux)

또는 로 분류하고 있다 또한 소결형 는 제조flux(agglomerated bonded flux) . flux

온도에 따라 저온 소결형 와 고온 소결형 로 구분하고 있다flux flux .

용융형 는 원료를 혼합하여 전기로에서 용해 냉각시켜 소정의 입도로 분쇄한flux ㆍ

것으로 외관은 파쇄된 유리 형상을 하고 있으며 화학 조성이 균일하고 슬래그 제,

거가 비교적 용이하며 흡수성이 적고 재사용 과정에서 입도 및 조성의 변화가 없, ,

다는 장점이 있는 반면 탈산제나 합금원소를 첨가할 수 없다는 단점이 있다, .

소결형 는 원료 광석 및 합금 성분을 적당한 크리 이하 로 분쇄 혼합하고flux (20 )㎛

점결제인 규산나트륨 등을 첨가하여 일정 크기로 입자화시킨 후 원료성분이 분해,

되지 않는 온도 범위에서 건조 소결한 것이다, .

- 69 -

특히 저온 소결형 는 용융금속의 탈산작용 용착금속의 화학성분 조정 및 조직flux ,

미세화가 비교적 용이한 반면 흡습되기 쉽고 용접 조건에 따라 용착금속의 화학조,

성이 달라질 수 있고 다층용접에 있어 각 층마다 화학조성이 달라질 수 있다는 단,

점을 갖고 있다.

또한 에 사용하는 는 염기도 즉 화학 조성에 따라 산성 중성 염기성SAW flux , , , flux

로 분류하기도 한다 염기도란 용융된 슬래그의 염기성 또는 산성의 정도를 나타낸.

것으로서 용접 시 용융지에서의 금속 정련 반응이 일어날 때 용착금속의 청정도 및

인성과 매우 깊은 관계가 있다.

산성 는 산성 산화물인flux SiO2와 Al2O3를 다량 함유하고 있어 높은 용접 전류와

고속용접에 적합하지만 용착 금속내의 와 등이 축적되어 낮은 충격인성을 유Si Mn

발한다.

중성 는flux SiO2와 Al2O3 함량이 비교적 낮은 로써 산성에 비해 용착 금속의flux ,

화학조성 변화가 거의 없지만 용착금속의 충격인성은 낮은 편에 속한다.

염기성 는 반 염기성 염기성 고 염기성으로 다시 구분하며 반 염기성의 경우flux , , ,

SiO2와 Al2O3 함량을 줄여 중간 정도의 용접전류와 속도가 가능하며 좋은 충격인성

을 보여준다 염기성일 경우 염기성 산화물. (CaO, MgO, CaF2 의 함량이 높으며 상)

대적으로 SiO2 함량이 낮다 용접전류와 속도가 낮으며 슬래그 박리성도 나쁘지만.

용착금속의 기계적 성질은 우수하다 고 염기성은 용착금속의 산소 함량을 극소화.

할 목적으로 다량의 염기성 화합물과 탈산제를 첨가한 것으로 작업성은 양호하지

못하지만 기계적 성질은 매우 양호하다.

는 기존의 용접 시스템에서 공급 장치를 추가하여 사용한다 이SAW flux bulk flux .

시스템을 통해 를 이용하여 제품을 생산해 본 결과 기존의 시스템보다 용SAW flux

접 결함이 감소하였고 비드의 외관 또한 보다 좋아지게 됨을 알게 되었다 하지만, .

용접에 를 적용하기에는 그 가격이 비싸기 때문에 보다 저렴한 가격bulk SAW flux

으로 비슷한 효과를 얻기 위해 산화알루미늄을 이용하여 그 가능성을 알아보았다.

- 70 -

알루미늄은 산소와 아주 높은 화학적 친화성이 있어서 공기 중에 방치하면 곧바로

산소와 결합하여 산화알루미늄이 형성되어 알루미늄 표면위로 수 의 아주 얇은Å

산화 필름이 형성되며 이 산화 필름을 산화 필름 또는 자연적 산화 필air-formed

름이라 한다 하지만 일단 산화 필름이 형성되면 광택은 잃게 되지만 산화알루미늄.

이 매우 치밀한 층을 이루어 산소를 차단하므로 소재의 내부까지 침식하는 것을 막

아준다.

그러므로 알루미늄 소재는 가공 이후 양극산화 피막법 등을 이용하여 인공적으로

제품의 표면에 산화피막을 생성시켜 부식을 막기도 한다 또한 이러한 성질을 이용.

하여 녹막이 도료에 이용하기도 한다.

하지만 알루미늄 소재의 산화 필름은 그 조직이 치밀함 및 높은 녹는점 등의 성질

로 인하여 가공의 어려움을 주기 때문에 알루미늄 소재를 가공할 때는 물리적 또는

화학적인 방법으로 이를 제거해야 할 필요성이 있다 이렇게 제거된 산화알루미늄.

을 이용하여 에서 사용하는 와 비슷한 효과를 얻을 수 있다면 경제적인 면SWA flux

에서 매우 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.

일반적인 아크 용접에서 많이 사용되는 에서 보호가스를 사용하지flux cored wire

않는 자체 보호 용접방법에 의 원료 중 일부 이 사용된다FC flux Al .

이 경우 은 탈산제와 탈질제로 사용되어 용접 시 아크 주위의 대기로부터 산소와Al

질소의 영향을 억제하는 역할을 한다 또한 에 포함된 산화알루미늄을 비롯한. flux

약간의 산화물(SiO2, MgO, ZrO2, MnO, Fe3O4 등 은 슬래그 박리 점도 표면장력) , ,

특성 등의 균형에 도움을 준다.

위와 같이 및 산화알루미늄은 용접 시 의 일부로써 사용되고는 있지만 용착Al flux

금속 중에 함량이 증가하게 되면 연성과 저온 충격 강도를 저하시키는 부작용을Al

갖는다 이러한 이유로 인해 에 성분이 들어 있는 것은 비교적 인성이 크게. flux Al

요구되지 않는 부위의 용접에 주로 사용한다 또한 과다한 산화물은 슬래그 혼입과.

같은 용접결함을 유발하게 되므로 이러한 화합물은 일반적으로 슬래그 성분계의

이하로 관리한다25% .

- 71 -

에 나타낸 벌크용접에 를 이용하는 시스템과 일반적인 에 나타Fig. 4.3 flux Fig. 4.2

낸 시스템과는 의 이용에 큰 차이가 있음을 알 수 있다 시스템에서SAW flux . SAW

는 를 우선 도포하고 그 속에 전극 를 연속적으로 송급하면서 선단과flux wire wire

모재사이의 아크를 방생시켜 용접을 진행하므로 발생된 아크열은 모재 및, wire,

를 용융시키며 용융된 는 슬랙그를 형성하고 용융금속은 용접 비드를 형성flux flux

한다.

반면 개선된 용접 시스템에서는 아크가 선행한 후 를 살포하므로 아크열에bulk flux

의해 직접적으로 가 용융되지는 않는다 만약 의 용융이 일어난다면 이것은flux . flux

아크에 의한 거이 아닌 용융지에 의한 것으로 아크열보다 매우 낮은 온도에서 일어

난다고 할 수 있다.

에 사용되는 를 용접에 이용할 경우 와 의선정이 적절하고SAW flux bulk , flux wire ,

사용된 의 녹는점이 낮다면 용착금속에 적당한 합금성분을 첨가하여 요구되는flux

기계적 성질을 유도할 수 있고 탈산 및 탈황 등의 정련작용을 통해 양호한 용착,

금속을 얻을 수 있다 그러나 아크가 내부에서 발생하지 않기 때문에 아크의. flux

보호 기능과 높은 열효율은 기대할 수 없다.

대용으로 산화알루미늄을 사용한다면 산화알루미늄의 경우 그 녹는점이Flux 200

이상으로 매우 높기 때문에 용융지의 열에 의해 녹는다는 것은 매우 어렵다고0℃

볼 수 있으므로 위와 같은 효과는 기대하기가 힘들다 만약 용융지의 온도가 충분.

히 높아서 산화알루미늄을 녹일 수 있다고 하더라도 앞서 알루미늄과 관련하여 설

명한 내용과 같이 오히려 연성과 저온 충격 강도를 저하시키고 낮은 충격인성을,

유발하는 등의 부적 효과가 더 크게 된다.

하지만 용융지의 온도가 산화알루미늄이 화학적인 변화를 일으킬 정도의 온도보다

낮을 경우 아크를 통해 혼합금속 분말이 융착된 표면을 덮는 역할을 하게 된다 산, .

화알미늄 분말이 용접부를 덮음으로 대기로부터 용접부를 보호하는 효과가 있다.

- 72 -

의사용과 같은 특별한 방법을 사용하지 않을 경우 용접부는 대기 중의Shiedl-gas

산소에 노출되어 산화가 진행된다 그러나 산화알루미늄 분말이 용접부를 덮게 되.

면 이러한 산화를 방지하는 효과를 가져 올 수 있다 또한 산화알루미늄은 열전도.

도가 낮은 세라믹이므로 용접부를 산화알루미늄이 덮을 경우 냉각속도를 느리게 하

여 크랙의 발생을 억제하고 용접부 조직을 치밀하게 하여 비드 외관을 좋게 해 주

며 크레이터 및 기공과 같은 용접결함을 방지할 수 있고 용접 잔류응력을 완화하, ,

여 변형을 줄일 수 있을 것으로 생각된다.


이상에서 알아본 바와 같이 벌크용접에서 산화알루미늄을 의 대용으로 사SAW flux

용할 경우 용융지의 온도가 산화알루미늄에 화학적인 변화를 일으키는 온도보다 높

지 않게끔 사용조건을 조절한다면 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단되었

다.

이에 따라 업체에서는 보유하고 있는 정련과정에서 발행한 산화알루미늄을 벌크Al

용접 플럭스로서 사용을 시도하고 있으나 현재 산화알루미늄의 파쇄공정이 원활하

게 이루어지지 않는 관계로 아직 제품생산 공정에 적용하지 못한 상태이다.

- 73 -

벌크용접의 개략도Fig. 4.1. .

- 74 -

표 탄소강 및 저합금강용 플럭스의 종류1. (KS D 7102)

종 류

조 성 (%)

제조 방법

SiO2SiO2+MnO+

TiO2CaO+MgO Fe

FS-FG1 이하50 - - *

용 융 형

FS-FG2 이하55 이상60 - *

FS-FG3 이하55 30 ~ 80 12 ~ 45 *

FS-FG4 - 이하50 이상22 *

FS-FP1 - 이상50 - *

FS-BN1 - - 이하50 이하10소 결 형

FS-BN2 - - 40 ~ 80 이하10

FS-BT1 - - 이하50 15 ~ 60 소결형 철분(

계)

를 첨가해서는 안된다* Fe .

- 75 -

의 원리Fig. 4.2. SAW .

- 76 -

를 사용하는 벌크용접 시스템Fig. 4.3. Flux .

- 77 -

용접방법 최적화를 위한 활성 플럭스 적용 기술지원용접방법 최적화를 위한 활성 플럭스 적용 기술지원용접방법 최적화를 위한 활성 플럭스 적용 기술지원용접방법 최적화를 위한 활성 플럭스 적용 기술지원5.5.5.5.


세화엔지니어링 주 에서는 내마모 제품의 생산에 주로 용접 및 벌크용접 공정( ) GMA

을 적용하고 있으나 치밀한 용접부가 요구되는 일부 용접공정에서는 용접도 사TIG

용하고 있다 그러나 용접은 용접에 비해 생산성이 매우 낮기 때문에. TIG GMA

용접속도를 증가시킬 수 있는 공정이 요구되고 있다TGI .

본 기술지원에서는 용접의 생산속도를 증가시킬 수 있는 방법으로서 최근 국외TIG

에서 개발되어 실용화가 시도되고 있는 용접 활성플럭스를 제품 생산에 적용하TIG

기 위하여 용접 활성플럭스에 대한 원리 및 제품특성에 대한 기술지원을 수행TIG

하였다.


용접 활성플럭스를 모재 표면에 도포하여 용접을 하면 도포하지 않고 용접한TIG

경우에 비해 용입깊이가 배 증가한다 이와 같은 활성플럭스에 의한 용입깊이2~3 .

증가효과는 스테인레스강의 용접에서 특히 현저히 나타나며 판두께 의TIG 6mm

스테인레스 강을 로 판재의 이면까지 용융하는 것도 가능한 것으로 알려져1pass

있다.

활성플럭스를 이용하여 용입깊이를 증가시키는 용접방법은 용접 이라TIG "A-TIG "

불리며 러시아 연구소에서 제안된 후 영국 미국 등에서 개발 및Paton TWI, EWI

개량을 진행하여 등의 상품명으로 제품화가 진행 되고 있다 일본에"FASTIG SS7" .

서도 다양한 연구개발 및 실용화가 진행되고 있으며 일부에서는 이미 산업현장에

적용예가 보고되고 있다.

활성플럭스에는 에 나타낸 바와 같이Table 6.1 TiO2, SiO2 및 Cr2O3 등의 금속산화

물이 함유되어 있으며 이들이 혼합된 분말을 휘발성 용제에 녹여서 모재에 도포하

는 방법이 일반적이다.

- 78 -

아크형상에 미치는 활성플럭스의 영향을 보여주는 사진을 에 나타내었TIG Fig. 5.1

다 기존의 플럭스를 쓰지 않는 용접에서는 아크가 용융지 전체에 분포하지만. TIG

활성플럭스를 도포한 용접에서는 전극 바로 아래에 집중된 아크가 형성됨과A-TIG

동시에 용융지 중앙부에 양극점이 존재하는 것을 볼 수 있다.

활성플럭스 도표의 효과를 와 에 나타내었는데 스테인레Fig. 5.2 Fig. 5.3 SUS 304

스강의 용접에 있어서 각각 단면 마크로 및 용입깊이 비교를 나타내고 있다TIG .

전반적으로 TiO2 도포에 따라 비드폭은 감소하고 용입깊이는 증가하는 경향이 있으

며 그 경향은 용접전류가 증가할수록 현저하게 나타난다.

이러한 아크 플라즈마의 분포의 감소를 시키는 중요 원인에 대하여 용융지표면의

온도분포를 고려할 수 있다 방법으로 측정한 용융지 표면의 온도분포 측정. Kraus

결과를 에 나타내었다 기존의 용접의 경우 전극 바로 아래부터 반경Fig. 5.4 . TIG

방향에 완만한 온도구배가 있다 반면 의 경우에는 중심에서 약 를 보. A-TIG 2350K

여 기존의 용접의 경우보다 높은 온도를 보인다TIG .

용융지 진동을 이용한 용융지 표면장력의 측정결과를 에 나타내었다 표면Fig. 5.5 .

장력은 활성플럭스의 도포량에 따라 급격히 감소하여 1mg/cm2

정도에서 일정한

겂을 보이고 있다.

용입깊이에 미치는 활성플럭스 도포량의 영향을 에 나타내었다 도포량의Fig. 5.6 .

증가에 따라 용입깊이가 급격히 증가하는데 약 1mg/cm2에서 포화상태에 도달하는

것을 볼 수 있다 이러한 경향은 에 나타낸 표면장력의 변화와 일치하는 것. Fig. 5.5

으로 보아 활성플럭스에 의한 용입깊이의 증가에 미치는 중요한 인자는 표면장력임

을 확인할 수 있다.

용접에 있어서 용입깊이의 증가 메커니즘에 대해서는 에서 보여지듯A-TIG Fig. 5.7

이 아크 플라즈마의 수축에 따른 모재에의 입열밀도의 증가가 주요 원으로 보고된

바 있다.

- 79 -

한편 등 모재가 함유하고 있는 미량의 불순물원소들이 용융지 형상에O, S Se, Te

영향을 미치는 경우 용입깊이가 증가된다는 것을 오래전부터 알려져 있다 용. TIG

접에 있어서 용융지내 대류의 구동력으로는 기존에 나타낸 가지가 고Fig. 5.8dp 4

려된다.

에서 순금속에서의 표면장력은 온도에 따라 감소하며 이것을 구동력으로Fig. 5.10

하여 대류는 중심에서 바깥쪽으로 일어난다 그러나 여기에 등의 표. O, S Se, Te

면활성원소가 미량의 불순물원소가 모재에 비교적 고농도로 존재하는 경우 표면작

력의 온도구배는 역전되어 용융지 내로 대류현상이 발생하게 되며 이로 인해 용입

이 깊어지게 된다.


본 기술지원을 통해 용접시 활성플럭스를 사용하면 용입깊이 증가를 통해 용접TIG

생산성이 향상될 수 있다는 것을 확인하게 되었다 또한 미국 와의 연결을 주선. EWI

하여 시험적으로 적용한 용접 활성플럭스를 도입하도록 하였으며 현재 수입된TIG

활성플럭스의 사용법 및 효과에 대해 실험중에 있다 업체에서는 활성플럭스의 효.

용성이 확인되면 제품생산에 적용함은 물론 향후 국산화 연구개발을 시도하고자 하

고 있다.

- 80 -

Chemical composition (%)

Principal

element

TiO2 60

Cr2O3 30

SiO2 10

Minor element

Pb < 0.01

Zn < 0.01

Al < 0.01

Sn < 0.01

Cl < 0.01

F < 0.01

C < 0.03

제품의 화학성분 분석결과Fig. 5. 1. FASTIG-SS7 .

- 81 -

아크형태에 미치는 활성플럭스의 영향Fig. 5.1. .

- 82 -

용접전류 플럭스도포없음 플럭스도포

100A

150A

200A

용접비드 단면형상에 미치는 활성플럭스의 영향Fig. 5.2. TIG .

- 83 -

용입깊이에 미치는 활성플럭스의 영향Fig. 5.3. .

- 84 -

와 기존 용접에 대한 용융지 표면온도의 비교Fig. 5.4. A-TIG TIG .

- 85 -

용융지의 표면장력에 미치는 활성플럭스 도포량의 영향Fig. 5.5. .

- 86 -

용입깊이에 미치는 활성플럭스 도포량의 영향Fig. 5.6. .

- 87 -

플럭스에 기인한 아크수축에 대한 의 메커니즘Fig. 5.7. A-TIG .

- 88 -

용접 용융지내 대류의 가지 구동력Fig. 5.8. TIG 4 .

- 89 -

말랑고니 대류의 유동방향Fig. 5.9. .

- 90 -

초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원초경합금 코어드와이어 용접공정 최적화 기술지원6.6.6.6.


세화엔지니어링 주 에서는 최근 개발한 초경합금 코어드와이어를 벌크용접 및( ) GMA

용접공정에 적용하고 있다 그러나 초경합금 코어드와이어를 사용한 하드페이싱 용.

접부는 본 장의 절에서 조사된 용접와이어 자체의 제조공정상 품질문제 뿐만 아니2

라 용접 공정조건에 따라서도 내마모 성능 등에 있어서 편차가 심한 것으로 나타나

고 있어 이에 대한 품질안정화 대책이 필요하다.

또한 분산형 하드페이싱 용접재료의 경우 용접시 코어드와이어에 충진된WC WC

가 용융되지 않고 융착금속 내에 덩어리형으로 남아서 우수한 내마모 특성을 나타

내는 것으로 알려져 있어 초경합금 코어드와이어의 경우에도 저입열의 산소 아세. -

틸렌 용접법을 적용함으로써 분말의 용융방지에 따른 내마모성 향상효과가 있는지

조사할 필요가 있다.

본 기술지원에서는 초경합금 코어드와이어의 용접에 있어서 용접부의 내마모GMA

성능을 향상시키고 품질을 안정화시키기 위하여 보호가스와 용접극성의 영향을 조

사하였으며 산소 아세틸렌 용접에 따른 용접성 및 하드페이싱 용접부의 내마모 특-

성을 조사를 통해 용접법의 실용성을 검토하고자 하였다.


보호가스 최적화1)

용접 보호가스에 따른 하드페이싱부 특성을 조사하기 위하여 초경합금 분말GMA

충진률 인 제품에 대하여 코어드와이어를 제작하여 순수 과40% 40HM 2.4mm Ar∅

80%Ar+20%CO2 혼합가스를 보호가스로 사용하여 용접을 수행하였다.

보호가스로서 순수 을 사용한 경우Ar , Ar+CO2 혼합가스를 사용한 경우에 비해 아

크의 강도가 매우 강하였다.

- 91 -

이는 순수 을 상용한 경우Ar , Ar+CO2 혼합가스를 사용한 경우에 비해 금속이 이온

화되는 에너지가 더 요구되기 때문이며 아크열은 더 높아지기 때문이다.

또한 Ar+CO2 혼합가스를 사용하는 경우 비드가 좀더 퍼지는 경향이 나타났는데 이

는 용융금속의 가 낮아져 용융풀 유동이 활발하게 일어나면서 비드의 퍼짐viscosity

성이 좋아지게 되기 때문이다.

보호가스로서 순수 과Ar Ar+CO2 혼합가스를 사용한 경우에 대한 마모시abrasion

험 결과를 에 나타내었다 순수 을 보호가스로 사용한 경우의 마모손실량Fig. 6.1 . Ar

은 으로34.9mg Ar+CO2 혼합가스를 사용한 경우의 에 비해 상당히 적었다90.3mg .

이는 순수 이 아닌Ar Ar+CO2 혼합가스를사용한 경우 동일한 조건에서 용접부의 내

마모성이 크게 저하됨을 나타낸다.

보호가스별 육성용저부의 크로웰 경도를 측정한 결과 순수 을 보호가스로GMA Ar

사용한 경우의 경도는 인데 비해49.4HRC Ar+CO2 혼합가스를 사용한 경우 경도가

각각 로 높아졌다 이는 마모시험 결과와 비교해 볼 때57.2HRC . abrasion Ar+CO2

혼합가스를 사용한 경우 내마모성이 저하되었지만 경도는 높아진 것으로 보아 순수

과Ar Ar+CO2 혼합가스를사용한 경우에 있어서 내마모성의 차이는 경도로 평가될

수 없는 것으로 나타났다.

보호가스별 육성용접부의 상분석 결과 순수 을 보호가스로 사용했을GMA XRD , Ar

때와 Ar+CO2 혼합가스를 사용했을 때 모두 비슷하게 탄화물 피크와 마르텐사이트

피크가 주로 관찰되었고 소량의 오스테나이트 피크가 관찰된 것으로 보아 육GMA

성용접시 순수 과Ar Ar+CO2 혼합가스의 사용에 따른 상의 차이가 내마모성에 미치

는 영향은 적은 것으로 생각되었다.

한편 을 이용한 미세조직 관찰 결과 보호가스로SEM , Ar+CO2 혼합가스를 사용한

순수 을 사용한 것에 비해 낮은 내마모성을 보인 것은 탄화물형성량이 감소한 데Ar

에 기인하는 것으로 생각되었다. Ar+CO2 혼합가스의 경우 탄화물 형성량이 감소된

것은 용접시 CO2 가스가 용융금속 내의 과 결합하여C CO2 를 형성하기+C 2CO→

때문에 의 함량이 저하되었기 때문으로 생각된다C .

- 92 -

용접극성 최적화2)

정극성과 역극성 용접에 따른 하드페이싱부의 마모실험 결과를abrasion Fig. 6.2

에 나타내었다 정극성으로 용접한 경우의 마모손실량은 으로 역극성으로 용. 84mg

접한 에 비해 내마모성이 낮은 것으로 나타났다34.9mg .

용접에서 역극성 을 사용하면 코어드와이어에 전자가 집중되어 용적이GMA (DCRP)

높은 온도로 가열되고 용입이 깊어지는 현상이 발생된다 이에 반해 정극성. (DCSP)

를 사용하면 전극에서 모재로 전자의 흐름이 바뀌어 역극성에 비해 코어드와이어의

과입열이 적어질 것으로 예상되어 초경합금 분말의 용융이 감소되는 것으로 알려져

있다.

정극성 및 역극성 용접부에 대한 조직관찰을 통한 탄화물 형성량 분석 결과SEM

정극성 용접에 비해 역극성 용접시에 탄화물 형성량이 많은 것으로 나타났는데 이

는 초경합금 코어드와이어의 경우 역극성 용접시 코어드와이어가 접중적으로 용융

되면서 모재의 용융이 감소하여 모재희석률이 낮아진 데에 기인하는 것으로 판단된

다.

산소 아세틸렌 용접 적용성 검토3) -

산소 아세틸렌 용접시 발생하는 스패터의 양은 용접시보다는 적으며 슬래그- GMA

도 거의 형성되지 않지만 용접후 표면이 산화물로 뒤덮인 형상을 보이며 용접비드

의 형상은 극히 불량하여 평평한 정도가 전혀 확보되지 않았다.

산소 아세틸렌 용접시 용접성을 개선하기 위해 일반적으로 사용되는 붕사의 사진을-

에 나타내었으며 코어드와이어에 붕사를 도포한 용접작업 광경을Fig. 6.3 Fig. 6.4

에 나타내었다 붕사를 사용한 경우에는 붕사를 사용하지 않은 경우에 비해 비교적.

양호한 비드표면을 얻을 수 있었으나 실용적으로 쓰기에는 부적절한 상태인 것으로

판단되었다.

- 93 -

제품의 붕사사용 산소 아세틸렌 육성용접부의 마모시험 결과와 마40HM - abrasion

모손실량은 으로 용접시의 에 비해 내마모성이 낮은 것으로81.6mg GMA 34.9mg

나타났다 산소 아세틸렌 육성용접부의 로크웰 경도는 로 용접부에. - 55.7HRC GMA

비해 다소 높았으나 이는 산소 아세틸렌 용접에 의한 함량의 감소에 따른 마르- C

텐사이트 형성에 의한 것으로 저입열에 의한 초경합금 입자의 용융방지 효과는 거

의 없는 것으로 나타나 초경합금 코어드와이어에 산소 아세틸렌 용접을 적용하는-

것은 실용성이 없는 것으로 판단된다.


보호가스로 Ar+CO2 혼합가스를 사용한 경우 용접시 CO2 가스가 용융금속내의 과C

결합하여 CO2 를 형성하기 때문에 의 함량이 저하되어 순수 을 사용한+C 2CO C Ar→

것에 비해 낮은 내마모성을 보이는 것으로 판단됨에 따라 초경합금 코어드와이어의

용접시 보호가스로서 순수 을 사용할 것을 권장하였다GMA Ar .

또한 정극성 용접에서 전극에서의 입열량은 줄어드나 모재에서의 입열량이 증가하

여 모재의 용융으로 인한 현상이 증가하여 이로 인해 형성되는 탄화물이dilution ,

양이 줄어들어 역극성 용접에 비해 동일한 충진율에서의 내마모 특성이 저하된 것

으로 판단됨에 따라 역극성 용접법을 표준 용접조건으로 제시하였다GMA .

산소 아세틸렌 용접시 붕사를 사용한 경우 비드외관은 다소 개선되었으나 용접시-

이 제거됨에 따라 내마모성이 저하되기 때문에 초경합금 코어드와이어에 있어서C

산소 아세�

hardfacing 용 용접소재 및 내마모 부품 개발을 위한 기술지원 · 2011. 12. 20. ·...

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