KR20000048806A - 복합 마모 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조에 의해 제조되고 금속 매트릭스로 이루어지고, 금속 매트릭스의 작업면(들) 이 양호한 내마모성을 갖는 삽입물로 이루어진 복합 마모 부품에 관한 것으로써, 삽입물이 주조시 금속 액상으로써 함침된 세라믹 주형 블랭크로부터 만들어지며, 이 주형 블랭크는 20 내지 80 중량% Al₂O₃및 80 내지 20 중량% ZrO₂의 균일한 고용체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 마모 부품 {COMPOSITE WEAR PART}

본 발명은 특히 시멘트 공장, 광업소, 야금, 전기 발전소 또는 각종 채석장과 같은 산업분야에서 취급되는 각종 마멸재의 그라인딩, 분쇄 및 운반을 위한 플랜트에 사용되는 마모 부품에 관한 것이다. 이러한 부품은 작업면 (working face) 에서 마멸에 의해 과다 마모 및 대량으로 높은 기계적 응력을 받게된다. 따라서, 이러한 부품은 충격과 같은 기계적 응력에 견딜 수 있고 필요에 따라 가공될 수 있도록 높은 내마모성 및 어느 정도의 연성을 갖는 것이 바람직하다.

상기 두 종류의 특성은 동일한 재료에서 상호 조화되는 것이 곤란하기 때문에, 양호한 내마모성을 갖는 분리 삽입물이 끼워진 비교적 연성인 합금으로 만들어진 코어를 갖는 복합 부품이 이미 제안되었다.

EP-A-0476496 호는 작업면이 크롬 선철로 만들어져 끼워넣어진 삽입물을 갖는 그라인딩 휠을 제조하는 기술을 제안하였다.

세라믹 재료가 양호한 내마멸성을 갖는 것으로 공지되었기 때문에, 마모 부품의 내마멸성을 향상시키기 위해 이 재료를 사용하는 것이 공지되었다.

EP-A-0575685 호는 작은 마모 부품의 로스트-왁스 (lost-wax) 정밀 주조에 의해 주조에서 세라믹 재료의 사용을 제안하고 있다.

이러한 공지된 방법은 금속으로 충전되어야 하는 주형 캐버티를 얻기위해 용융되어야 하는 왁스 모형을 이용하는데, 이 주형은 세라믹으로 만들어지지만 종래의 모래로는 만들어지지 않는다.

이 문헌에 따르면, 세라믹 패드 (웨이퍼 코어) 가 상호 전체적으로 연결하는 열린 기공의 3차원 네트워크를 갖는 스폰지 구조로써 우선 형성된다. 이 세라믹 패드는 세라믹 재료의 입자를 적합한 주형으로 부어 형성된 후, 양호한 유동성을 갖는 액상 접착제, 즉 액상 수지가 양생후 세라믹 구조를 형성하기 위해 입자를 보유한다. 세라믹 재료는 산화 알루미늄 또는 산화 지르코늄으로 이루어진다. 왁스로써 미리 함침된 후, 이 패드는 부품의 왁스 모형을 제조하도록 의도된 주형내에 위치된다. 왁스 모형은 그 후 주조되고, 결국, 세라믹 주형이 세라믹 슬러리 상태로 왁스 모형을 침지하여 제조된다. 왁스 모형을 포함하는 세라믹 주형은 그 후 가열되어 왁스 모형을 용융한다. 다라서, 왁스는 세라믹 주형으로부터 흐르지만 왁스 모형에 미리 삽입된 패드는 세라믹 주형의 벽에 접착하여 결합 유지된다.

세라믹 주형에서 금속의 주조를 위해, 최근에는 일반적으로 진공상태 아래인 약 1150℃ 의 온도로 예열된다.

그러나, 이러한 공지된 기술은 로스트-왁스 정밀 주조에 한계가 있다. 게다가, 특히 온도 반응에 관하여, 금속이 주조될 때, 주형 및 세라믹 구조는 고온으로 예열된다면, 금속 매트릭스와 세라믹 구조간의 양립성은 이 문헌에서 언급된 응용의 경우에 어떠한 문제를 거의 나타내지 않는다. 또한, 기술은 매우 정밀한 특별한 부품의 제조에 제한되는데, 이러한 부품은 로스트-왁스 주조 공정이 매우 비용이 많이들기 때문에 고가로 팔린다.

종래 발명의 문제점

상술된 기술은 그라인딩, 분쇄 또는 마멸재를 운반하는 플랜트에서 부닥히는 마모 부품과 같은 응용보다 큰 치수의 마모 부품의 제조를 위해 적합하게 된 것이 아니며, 그 부품은 일반적으로 25㎜ 이상의 단편을 가지며 가끔은 40㎜ 이상이다.

또한, 본 발명의 기술에 따르면, 이것은 주조하기 곤란하거나, 또는 적어도 25㎜ 이하의 얇은 단편을 갖는 부품을 주조하는 것은 적어도 곤란한대, 그 이유는 주형 또는 세라믹 삽입물의 어떤 것도 금속이 주조되기 전에 고온으로 예열되지 않기 때문이다.

또한, 부품은 일반적으로 일련의 열처리를 겪는다. 따라서, 세라믹 재료와 금속간의 온도 반응의 관점으로부터 어떤 양립성이 있어, 액상 금속이 세라믹 삽입물 전체를 주조하게 될 때, 일련의 열처리시 발생하고 이러한 양 재료의 다른 팽창 계수에 의해 야기되는 열충격에 기인한 균열을 피할 수 있다.

또한, 세라믹 재료의 기계적인 특성이 금속의 특성에 적합하게 되어 의도된 특별한 응용의 필수조건에 대응하는 부품의 특성을 제조하는 것을 필요로 한다.

본 발명의 의도는 상술한 필수조건에 만족스럽게 대응하는 세라믹 삽입물을 갖는 복합 마모 부품을 제공하는 것이다.

제 2 문제는, 상술한 25㎜ 이상의 세라믹 재료의 두께는, 불량한 금속의 침투가 관찰된다는 사실로부터 기인한다. 본 발명의 다른 목적은 복합 마모 부품의 특별한 기하학적 배열을 제안함으로써 이러한 제 2 문제를 해결하는 것이다.

본 발명은 주조에 의해 제조되며 마모면이 양호한 내마모성을 갖는 삽입물을 포함하는 금속 매트릭스로 이루어진 복합 마모 부품에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 복합 마모 부품을 도시한 도면.

도 2 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 복합 마모 부품을 도시한 도면.

도 3 은 본 발명에 따른 복합 마모 부품에 대한 특별한 응용을 도시한 도면.

본 발명의 제 1 목적은 종래 또는 원심 주조에 의해 제조된 복합 마모 부품을 제안하는 것이다. 이는 금속 매트릭스로 이루어지는데, 상기 매트릭스의 마모면은 양호한 내마멸 특성을 갖는 삽입물을 포함하며, 이 삽입물은 20 내지 80% 의 Al₂O₃및 80 내지 20% 의 ZrO₂의 고용체 또는 균질상으로 이루어진 자체적으로 복합인 세라믹 재료로 만들어졌으며, 퍼센티지는 구성물의 중량으로 표현되었다.

본 발명의 소정의 제 1 실시예에 따르면, 세라믹 재료의 조성은 아래와 같다. 즉, 55 내지 60 중량% 의 Al₂O₃, 및 38 내지 42 중량% 의 ZrO₂이다.

다른 소정의 실시예에 따르면, 세라믹 재료의 조성은 70 내지 77 중량% 의 Al₂O₃, 및 23 내지 27 중량% 의 ZrO₂이다.

삽입물내의 세라믹 재료의 함량은 35 내지 80 중량% 이고, 바람직하게는 40 내지 60 중량% 이며, 약 50 중량% 가 유리하다.

이러한 복합 세라믹 재료는 FEPA 표준에 따라 F6 내지 F22 범위내 입도, 즉 직경은 약 0.7㎜ 내지 5.5㎜ 인 크기를 갖는 세라믹 입자의 집합체로부터 제조된다. 이 세라믹 입자는, 전기 융해, 소결, 화염 분사 또는 2 개의 구성물을 융해하기 위한 어떤 공정의, 종래 방식으로 제조된다.

세라믹 입자는 접착제의 도움으로 집합되며, 비율은 패드의 전체 중량에 대해 중량으로써 4% 를 초과하지 않으며 중량으로써 2 내지 3% 가 바람직하다. 이 접착제는 유기물이나 무기물일 수 있다. 규산염을 기초로한 접착제 또는 에폭시 수지 형태인 접착제가 실시예에 언급될 수 있다.

본 발명은 산화 알루미늄 (코런덤) 및 산화 지르코늄이 상대적으로 다른 특성을 가지며 이는 상술한 범위내 신중한 선택에 의해 양호한 경도 및 양호한 인성을 결합하기 위해, 세라믹 복합의 경도, 인성 및 열팽창 계수를 조정하는 것과; 또한, 한편으로는, 부품이 의도된 정밀한 응용과 양립하고, 다른 한편으로는, 선택된 주조 금속의 팽창계수와 가까운 복합 세라믹의 팽창계수, 즉 10 ×10^-6내지 11×10^-6사이의 팽창계수를 갖는 강 또는 선철을 얻을 수 있다.

산화 지르코늄은 금속의 팽창 계수에 가까운 팽창 계수를 갖는 장점을 가진다. 또한, 양호한 인성을 제공하는데, 다시말해 파단의 위험을 줄인다.

그의 부분인, 산화 알루미늄은 양호한 경도를 제공한다. 패드내에서, 알루미늄내에 존재하는 지르코늄 미립자는 나중의 균열에 대한 내성을 증가시키어 ZrO₂또는 Al₂O₃와 같은 절연재로 고려된 각각의 부품의 인성보다 큰 인성을 얻는 것을 가능하게 한다.

다시 말해서, 강한 마멸을 경험한 마모 부품에서, 산화 알루미늄의 비율을 증가시키는 것이 유리하지만, 내마멸 및 인성이 감소하기 시작하는 점을 넘은 어떤 한계를 초과하지 않아야 한다. 이 경우에, 제 2 범위는 세라믹 조성물을 위해 선택되어야 한다.

한편, 상당한 충격 또는 높은 압력을 경험한 부품의 경우에, 경도를 대신하여 팽창계수를 선택하는 것과 부품에서 응력, 결과적으로 파단의 위험을 감소시키기 위해 산화 지르코늄의 비율을 증가시키는 것이 유리하다.

주조시 또는 일련의 열처리시 균열의 위험이 있는 부품의 경우에, 산화 지르코늄의 비율을 증가시키여 금속 매트릭스의 팽창 계수에 가까운 팽창 계수를 유도하는 것이 바람직하다.

복합 세라믹 삽입물의 구성물의 비율의 선택은, 물론, 부품이 의도된 응용에 의해 요구된 특성을 목적으로 주조 금속의 조성물을 고려할 수 있다. 유사하게는, 주조 금속의 조성물의 선택은 복합 삽입물의 성질에 적합하게 될 수 있다.

다양한 기하학적 배열이 세라믹상내에 액상 금속의 불량한 침투의 문제를 해결하기 위해 본 발명의 범위내로 제안되었다.

특히, 세라믹 재료로 만들어진 패드의 두께가 상당한 경우에, 세라믹 재료로 만들어진 2개 이상의 겹쳐진 패드가, 제 1 실시예에 따라, 제안될 것이며, 이는 액상 금속의 도달시키기 위해 약 10㎜ 의 최소 간격으로써 분리된다. 따라서, 이는 각종 패드의 정확한 침투를 얻는 것을 가능하게 한다. 이 방식에서, 삽입물내 세라믹상 비율의 상당한 증가는 금속에 의한 불량한 침투의 문제에 직면함이 없이 얻어진다.

다른 실시예에 따르면, 세라믹상내에 다각형 또는 원형 형상을 나타내는 다양한 기본적인 셀을 포함하는 "벌집모양" 구조의 형태인 패드를 제조하는 것이 제안될 것이다. 세라믹상을 구성하는 각종 셀의 벽 두께는 5 내지 25㎜ 가 바람직하다.

이 실시예는 부품의 마모가 깊이에서 특히 일어나는 경우에 액상 금속의 불량한 침투없이 세라믹상의 양을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

한편, 장점은, 벽이 액상 금속의 침투에 대한 한계 두께, 즉 25㎜ 를 초과하지 않지만, 높이로써는 복합 부품의 높이와 동일하다는 것이다. 또한, "벌집 모양" 형태인 패드의 제 2 실시예를 제안할 때, 그라인딩 공정의 향상이 관찰된다. 사실, 소정 기간동안의 사용 후, 오목한 피트 (pit) 가 셀룰라 금속 부품에 형성되며, 그라인드될 재료로 메워지며 이렇게 해서 마모에 대하여 자가 보호의 역할을 보장한다. 이러한 프로파일로, 제분기의 경우에 산출량의 저하에 영향을 미치게 되는 그라인딩된 재료의 선멸적인 마모 흔적의 발생을 피할 수 있다. 또한, 소정의 제 2 실시예에 따른 "벌집모양" 의 형태인 구조가 부품의 제조시 침투된 패드에서 전개되는 균열 전개의 위험을 감소시킨다. 사실, 형성된 균열이 그들 스스로 닫혀지고 전체 부품으로 전개하지 않는다.

실시예 1 : 수직 샤프트를 갖는 분쇄기용 배출기의 제조

75% 의 Al₂O₃및 23% 의 ZrO₂의 혼합물이 만들어지며, 이 2개의 구성물은 전기 융해에 의해 융해되어 FEPA 표준의 F6 내지 F20 의 카테고리내에 포함된 입도의 복합 입자를 형성한다. 이러한 입자는 양생 후 액상 접착제로써 적당한 형상의 주형으로 부어져서, 세라믹 패드를 형성하기 위해 상호 입자를 유지한다.

이러한 특유의 실시예에서, 도 1 에 도시된 구성을 사용하도록 추천되었으며, 이는 겹쳐진 2개의 세라믹 패드를 취하고 그들 사이의 간격이 10㎜ 이도록 한다. 바람직하게는 모래로 만들어진 적당한 주형에 패드가 배치되어, 3% 의 탄소, 26% 의 크롬 및 소량으로 이러한 타입의 합금에 필요한 다른 보통의 원소를 포함하는 액상 선철을 주조한다. 따라서, 마모 부품은 약 1600Hv 의 경도와 8 ×10^-6에 가까운 팽창계수를 갖는 세라믹 삽입물로써 제조되어, 750Hv 에 가까운 경도를 갖는 선철 매트릭스를 유지한다.

실시예 2 : 분쇄기 로터의 제조

세라믹 재료는 실시예 1에서 같이 제조되지만 이 상황은 경도 대신에 팽창계수를 택하는 조성물, 즉 40% 의 ZrO₂및 60% 의 Al₂O₃를 취하여 선택한다.

만약 두께가 특히 이러한 종류의 부품에서 상당히 두껍다면, "벌집모양" 형상 구조가 도 2 에 도시된 바와 같이 사용된다. 이 경우에, 구조는 벽 두께가 약 20㎜ 이고 높이가 특히 복합 부품의 높이와 같은 "벌집모양" 의 셀 형태이다. 이 구조는 1% 의 탄소, 14% 의 망간 및 1.5% 의 몰리브덴의 조성물을 갖는 망간 강의 도움으로 제조된다.

따라서, 복합 부품은 약 1350HV 의 경도와 9 ×10^-6에 가까운 팽창계수로써 제조된다. 이러한 목적물은 이 타입의 부품에 고충격을 가하여야 하기 때문에 부품내의 균열의 위험을 감소시켜야 한다.

실시예 3 : 혼합기

도 3 은 혼합기에서 응용물로 사용된 세라믹 패드의 일례를 도시한 것으로써, 혼합기의 3개의 마모상이 강화되도록 허용된다. 세라믹 패드는 금속상내에 위치된 단일 부품이다.

본 발명은 특히 시멘트 공장, 광업소, 야금, 전기 발전소 또는 각종 채석장과 같은 산업분야에서 취급되는 각종 마멸재의 그라인딩, 분쇄 및 운반을 위한 플랜트에 사용되는 마모 부품에 관한 것이다.

Claims (12)

1. 주조에 의해 제조되고 작업면 또는 면들이 매우 높은 내마모성을 갖는 삽입물을 포함하는 금속 매트릭스로 이루어진 복합 마모 부품에 있어서, 삽입물이 20 내지 80 중량% Al₂O₃및 80 내지 20 중량% ZrO₂의 균일한 고용체로 이루어진 세라믹 패드로 구성되며, 또한 주조시 상기 패드에 액상 금속이 함침되는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 재료가 55 내지 60 중량% 의 Al₂O₃및 38 내지 42 중량% 의 ZrO₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 재료가 70 내지 77 중량% 의 Al₂O₃및 23 내지 27 중량% 의 ZrO₂를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 삽입물내 세라믹 재료의 함량이 35 내지 80 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량% 및 유리하게는 약 50 중량% 인 것을 특징으로 복합 마모 부품.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 삽입물이 FEPA 표준에 따라 F6 내지 F22 의 입도를 갖는 복합 세라믹 입자의 집합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 입자가 전기 융해, 소결, 화염분사 및 다른 어떠한 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹 입자들이 세라믹 패드의 제조 목적으로 무기 또는 유기 액상 접착제의 도움으로 서로 일체적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 패드내의 접착제의 양이 4% 를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
9. 주조에 의해 제조되고 하나 이상의 세라믹 패드를 포함하는 금속 매트릭스로 이루어진 복합 마모 부품에 있어서, 상기 2개 이상의 세라믹 패드가, 그들 사이의 최소 간격으로, 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 최소 간격은 액상 금속의 도달을 허용하기 위해서 약 10㎜ 인 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
11. 주조에 의해 제조되고 내마모 세라믹 패드를 포함하는 금속 매트릭스로 구성된 복합 마모 부품에 있어서, 상기 세라믹 패드가, 다양한 셀이 세라믹 패드상내에서 다각형 또는 원형 형상으로 존재하는 벌집모양 구조인 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.
12. 제 11 항에 있어서, 세라믹 상을 구성하는 다양한 셀의 벽 두께가 5 내지 25㎜ 인 것을 특징으로 하는 복합 마모 부품.