KR20180055355A - 건설 기계 버켓 부품 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
건설 기계 부품은 저합금 주강을 포함하는 바디(body), 및 상기 바디의 일단부에 주조 접합되며 백주철을 포함하는 내마모 팁(tip)을 포함한다. 상기 건설 기계 부품은 이종 재질을 포함하며, 향상된 경제성 및 내마모성을 갖는다.
Description
본 발명은 건설 기계 버켓 부품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 이종 재질을 포함하는 건설 기계 버켓 부품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 건설 기계의 일종인 휠로더는 토사나 골재를 로딩하여 이동시키거나 상차하기 위해 사용되는 토목기계로서, 차체의 전방부에 아암(arm)을 구비되며, 상기 아암의 단부에 토사나 골재를 로딩하기 위한 버켓이 설치될 수 있다.
상기 버켓은 내마모성의 향상을 위해 높은 경도값을 가지는 강판으로 제조될 수 있다. 그러나 상기 버켓은 용접으로 제조되므로, 용접성 확보를 위해 탄소나 합금 성분을 혼합하는 것에 한계가 있어 원하는 경도값을 획득하기가 곤란할 수 있다. 이에 따라, 용접 방식 대신 버켓의 손상을 줄이기 위해 경도값이 높은 투스 포인트(tooth point), 슈라우드(shroud), 커터(cutter) 등과 같은 주강 부품을 결합 방식으로 장착할 수 있다. 그러나, 상기 부품 역시 마모에 의해 사용 수명의 한계가 있으며, 주기적인 교체가 필요하다. 상기 부품의 교체 주기가 지나치게 짧은 경우, 관리 비용 및 작업효율을 저하시킬 수 있다.
예를 들면, 실용신안문헌 1은 버켓에 결합되는 투스 포인트의 내마모수명을 높이기 위해 고경도의 텅스텐 카바이드를 아크용접하는 기술을 개시하고 있다. 그러나, 텅스텐 카바이드는 고비용이 소요되며, 텅스텐 카바이드를 고정시키는 용가재가 내마모성이 낮으므로, 텅스텐 카바이드가 탈락되는 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 과제는 우수한 기계적 특성을 갖는 건설 기계 버켓 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 과제는 우수한 기계적 특성을 갖는 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 과제를 실현하기 위한 건설 기계 버켓 부품은 저합금 주강을 포함하는 바디(body), 및 상기 바디의 일단부에 주조 접합되며, 백주철을 포함하는 내마모 팁(tip)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 바디의 저합금 주강은 총 중량 대비 탄소의 함량이 0.25 중량% 내지 0.36 중량%일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 바디는 약 490 내지 약 550 범위의 HB(브리넬 경도)를 가지며, 상기 내마모 팁은 약 60 내지 약 65의 HRC(로크웰 경도)를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설 기계 버켓 부품은 건설 기계 버켓에 장착되는 투스 포인트(tooth point), 슈라우드(shroud) 또는 커터(cutter)로 제공될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 바디는 저면 측에 구비된 삽입 기둥을 포함하며, 상기 내마모 팁은 중앙부에 형성된 홀을 포함할 수 있다. 상기 내마모 팁은 상기 삽입 기둥이 상기 홀에 체결되도록 상기 바디의 저면 측으로 결합될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 내마모 팁의 상면은 상기 바디와 주조 접합면을 형성하며, 상기 내마모 팁의 상기 상면은 볼록한 곡면을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 삽입 기둥은 상기 바디의 저면으로부터 돌출되는 높이가 증가할수록 두께가 더 두꺼워질 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 내마모 팁은 상기 바디의 저면 측으로 삽입되며 내부에 형성된 홀을 통해 상기 바디와 결합되는 제1 내마모 팁, 및 상기 바디의 상면 측으로 삽입되며, 막대 형상을 갖는 제2 내마모 팁을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 내마모 팁의 백주철은 총 중량 대비 탄소(C) 약 2.3 중량% 내지 약 3.3 중량%, 크롬(Cr) 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 규소(Si) 약 0.4 중량% 내지 약 1 중량%, 망간(Mn) 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 몰리브덴(Mo) 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 니켈(Ni) 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%, 0 중량%를 초과하며 약 0.3 중량% 이하의 구리(Cu), 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 다른 과제를 실현하기 위한 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법에 따르면, 총 중량 대비 탄소(C) 약 2.3 중량% 내지 약 3.3 중량%, 크롬(Cr) 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 규소(Si) 약 0.4 중량% 내지 약 1 중량%, 망간(Mn) 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 몰리브덴(Mo) 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 니켈(Ni) 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%, 0 중량%를 초과하며 약 0.3 중량% 이하의 구리(Cu), 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 백주철을 사용하여 내마모 팁을 형성할 수 있다. 상기 내마모 팁을 건설 기계 부품 주형에 고정시킬 수 있다. 상기 주형에 총 중량 대비 약 0.25 중량% 내지 약 0.36 중량%의 탄소를 포함하는 저합금 주강 용탕을 주입하여 상기 내마모 팁과 주조 접합되는 바디를 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 내마모 팁을 형성한 후 약 940 ℃ 내지 약 980 ℃의 온도에서 완전 어닐링(full annealing)을 수행할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 저합금 주강 용탕을 주입하여 상기 바디를 형성한 후, 순차적으로 약 900 ℃ 내지 약 950 ℃의 온도에서 ??칭(quenching) 및 약 180 ℃ 내지 약 250 ℃ 온도에서 템퍼링(tempering)을 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 건설 기계 버켓 부품은 저합금 주강을 포함하는 바디(body)에 주조 접합 공정으로 장착된 내마모 팁(tip)을 포함할 수 있다. 상기 내마모 팁은 경도가 우수하며 가격이 저렴한 백주철로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 건설 기계 버켓 부품은 이종재질을 포함하며, 가격 대비 내마모 성능이 매우 우수하고 연장된 부품 교체주기를 가지므로 건설 기계의 작업 효율 향상 및 유지 비용 감축을 구현할 수 있다.
다만, 본 발명의 과제 및 효과는 상기 언급한 바에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품을 나타내는 측면도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각 도 1에 표시된 "A" 부분의 저면도, 측단면도 및 정단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 예시적인 실시예들에 따른 내마모 팁을 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품의 내마모 팁과 바디의 주조 접합 부분의 미세 조직을 나타내는 이미지이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 내마모 팁의 미세조직을 나타내는 이미지이다.
도 7은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 건설 기계 버켓 부품의 내마모 성능 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각 도 1에 표시된 "A" 부분의 저면도, 측단면도 및 정단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 예시적인 실시예들에 따른 내마모 팁을 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 5는 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품의 내마모 팁과 바디의 주조 접합 부분의 미세 조직을 나타내는 이미지이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 내마모 팁의 미세조직을 나타내는 이미지이다.
도 7은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 건설 기계 버켓 부품의 내마모 성능 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에 사용되는, 용어"약"은 개시된 함량, 농도 등과 같은 수치에 있어서, 전형적으로 언급된 수치의 균등물 범위에 있는 +/- 범위까지 포함하는 것으로 이해된다.
본 출원에서 사용되는 "잔량"이라는 용어는 언급된 성분들을 제외한 나머지 양을 의미하나, 추가적인 다른 성분들이 포함될 경우 가변적으로 변화될 수 있는 개방적 의미로 이해되어야 한다.
본 출원에 있어서, 일부 실시예들은 범위 형식으로 개시될 수 있다. 범위에 대한 설명은 모든 가능한 서브-범위들 뿐만 아니라, 그 범위 안에 있는 개별적 수치도 개시하는 것으로 이해된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품을 나타내는 측면도이다. 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 각각 도 1에 표시된 "A" 부분의 저면도, 측단면도 및 정단면도이다.
예를 들면, 상기 건설 기계 버켓 부품은 건설 기계 버켓에 결합되는 투스 포인트(tooth point)로 활용될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 건설 기계 버켓 부품은 바디(body)(100) 및 바디(100)와 결합된 내마모 팁(예를 들면, 200, 250)을 포함할 수 있다.
바디(100)의 일측부의 내부에는 예를 들면, 삽입부(110)가 형성될 수 있다. 삽입부(110)를 통해 예를 들면, 건설 기계 버켓의 투스 어댑터(tooth adapter)가 삽입될 수 있다. 상기 투스 포인트와 같은 건설 기계 버켓 부품은 상기 투스 어댑터를 통해 건설 기계의 버켓(예를 들면, 립 플레이트(lip plate))에 고정 설치될 수 있다.
바디(100)의 상기 일측부에 반대측의 단부("A"로 표시됨)는 제1 표면(100a) 및 제2 표면(100b)을 포함할 수 있다. 제1 표면(100a) 및 제2 표면(100b)은 각각 바디(100)의 상기 단부의 저면 및 상면에 해당할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제1 표면(100a)은 실질적으로 평탄할 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 단부의 제1 표면(100a) 측에는 오목부(115)가 형성될 수 있다. 제2 표면(100b)은 실질적으로 볼록한 곡면을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 바디(100)는 저합금 주강을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 바디(100)는 총 중량 대비 탄소(C)의 함량이 약 0.25 중량% 내지 약 0.36 중량%인 저합금 주강으로 형성될 수 있다.
상기 합금 성분의 비제한적인 예로서, 망간(Mn), 규소(Si), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 크롬(Cr) 등을 들 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 내마모 팁(200)이 바디(100)의 제1 표면(100a) 측으로 결합될 수 있다. 제1 내마모 팁(200)은 내부에 홀(hole)(210)을 포함할 수 있다. 바디(100)의 제1 표면(100a) 측에 구비된 삽입 기둥(120)은 제1 내마모 팁(200)의 홀(210) 내부로 삽입될 수 있다. 따라서, 제1 내마모 팁(200)의 바디(100)로의 결속력이 강화될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 삽입 기둥(120)은 제1 표면(100a)에 형성된 리세스의 내부면으로부터 돌출 형성될 수 있다. 삽입 기둥(120)은 두께(직경)가 균일한 기둥 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게, 삽입 기둥(120)은 상기 리세스의 내부면으로부터 멀어질수록 두께가 더 두꺼워지는 형상을 가질 수 있다. 삽입 기둥(120)의 말단부(distal portion)가 근위부(proximal portion)보다 더 두꺼운 형상을 가지도록 형성됨으로써, 제1 내마모 팁(200)이 바디(100)로부터 이탈되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 상기 건설 기계 버켓 부품은 제2 내마모 팁(250)을 더 포함할 수 있다. 제2 내마모 팁(250)은 바디(200)의 제2 표면(100b) 측으로 결합될 수 있다. 예를 들면, 제2 내마모 팁(250)은 바디(200)의 상기 단부의 상부에 매립된 막대 형상을 가질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제2 내마모 팁(250)의 상면은 제2 표면(100b)의 프로파일에 따라 볼록한 곡면을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 내마모 팁(200, 250)은 백주철을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에 있어서, 내마모 팁(200, 250)은 총 중량 대비 탄소(C) 약 2.3 중량% 내지 약 3.3 중량%, 크롬(Cr) 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 규소(Si) 약 0.4 중량% 내지 약 1 중량%, 망간(Mn) 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 몰리브덴(Mo) 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 니켈(Ni) 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%, 0 중량%를 초과하며 약 0.3 중량% 이하의 구리(Cu), 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 백주철로 형성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 불순물은 인(P), 황(S) 등과 같은 비금속 불순물을 더 포함할 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 각각 예시적인 실시예들에 따른 내마모 팁을 나타내는 사시도 및 단면도이다. 예를 들면, 도 3a 및 도 3b는 상술한 제1 내마모 팁을 도시하고 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 내마모 팁(300)은 실질적으로 다각형 평면을 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 내마모 팁(300)은 예를 들면, 사다리 꼴 형상의 상면 및/또는 저면을 포함할 수 있다. 그러나, 내마모 팁(300)의 형상이 특별히 제한되는 것은 아니며, 도 2a에 도시된 바와 같이, 부메랑 형상의 오목 다각형 평면을 포함할 수도 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 내마모 팁(300)은 중앙부에 홀(310)을 포함하며, 도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조로 설명한 바와 같이, 바디(100)의 삽입 기둥(120)이 홀(310) 내부로 삽입될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 내마모 팁(300)은 제1 면(300a) 및 제2 면(300b)을 포함할 수 있다. 제1 면(300a) 및 제2 면(300b)은 각각 내마모 팁(300)의 상면 및 저면에 해당될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 제1 면(300a)은 볼록한 곡면을 포함할 수 있다. 제1 면(300a)은 바디(100) 내부로 삽입되어 바디(100)의 표면과 접촉할 수 있다. 제1 면(300a)이 볼록하게 형성됨에 따라, 바디(100)와의 결속력이 강화되어 내마모 팁(300)의 이탈이 방지될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 제2 면(300b)은 실질적으로 편평할 수 있다. 제2 면(300b)은 상기 건설 기계 버켓 부품의 외부로 노출되며, 실제 작업 시 마모 환경에 노출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품은 저합금 주강으로 형성된 바디(100) 및 백주철로 형성된 내마모 팁(200, 250)을 포함하는 이종 재질 구조를 가질 수 있다. 건설 작업 중 내마모성 강화가 필요한 단부에 상대적으로 가격이 저렴하며, 경도가 우수한 백주철을 사용하여 내마모 팁(200, 250)을 결합시킴으로써, 상기 건설 기계 버킷 부품의 교체 주기를 연장시킬 수 있으며, 건설 기계의 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 건설 기계 버켓 부품은 상술한 바와 같이, 투스 포인트로 활용될 수 있다. 그러나, 상기 건설 기계 버켓 부품의 용도가 특별히 한정되는 것은 아니며, 슈라우드(shroud) 또는 커터(cutter)와 같은 다양한 부품들에 적용될 수도 있다.
도 4는 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 순서도이다.
도 4를 참조하면, 예를 들면 단계 S10에서 백주철을 사용하여 내마모 팁을 성형할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 내마모 팁은 총 중량 대비 탄소 약 2.3 중량% 내지 약 3.3 중량%, 크롬 약 15 중량% 내지 약 25 중량%, 규소 약 0.4 중량% 내지 약 1 중량%, 망간 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 몰리브덴 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%, 니켈 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%, 0 중량%를 초과하며 약 0.3 중량% 이하의 구리 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 백주철을 사용하여 형성될 수 있다.
탄소 및 크롬은 예를 들면, M7C3 탄화물(예를 들면, 카바이드)을 형성하여 백주철의 경도를 향상시키고 내마모성을 향상시키는 주 성분으로 제공될 수 있다. 그러나, 탄소 및 크롬의 조합이 부적절한 경우, 상기 M7C3 탄화물이 지나치게 증가하여 취성이 증가할 수 있으며, 또는 상기 M7C3 탄화물의 양이 미달되어 내마모성이 저하될 수 있다.
크롬의 함량이 약 15 중량% 미만인 경우 상기 M7C3 탄화물의 양이 지나치게 감소하여 충분한 내마모 성능 확보가 곤란할 수 있다. 반면, 크롬의 함량이 약 25 중량%를 초과하는 경우 상기 M7C3 탄화물의 양이 지나치게 증가하여 상기 내마모 팁의 취성이 급격히 증가할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 탄소의 약 2.3 중량%는 크롬의 함량이 약 25중량%인 경우 상기 M7C3 탄화물 생성을 통해 경도를 향상시킬 수 있는 최소 함량일 수 있다. 탄소의 함량이 약 3.3 중량%를 초과하는 경우, 크롬 약 15 중량%에 의해 형성되는 상기 M7C3 탄화물의 양 대비 탄소가 기지(matrix)에 분배되는 양이 상대적으로 증가하여 상기 기지에 페라이트가 형성되며, 예를 들면 오스테나이트 대비 탄화물을 붙잡고 있는 특성이 낮아져 내마모성이 감소될 수 있다.
상기 내마모팁 형성을 위한 백주철은 총 중량 대비 약 0.4 중량% 내지 약 1 중량%의 규소를 포함할 수 있다. 규소의 함량이 약 0.4 중량% 미만인 경우 백주철의 주조성이 저하되며, 약 1.0 중량%를 초과하는 경우 주조 시 이산화규소(SiO2)와 같은 부산물이 생성되어 백주철의 인성이 열화될 수 있다.
상기 내마모팁 형성을 위한 백주철은 총 중량 대비 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%의 망간을 포함할 수 있다. 망간의 함량이 약 0.6 중량% 미만인 경우 후술하는 완전 어닐링(full annealing) 수행 시, 페라이트 변태를 통한 충분한 M3C 석출이 진행되지 않을 수 있다. 망간의 함량이 약 1 중량%를 초과하면 후술하는 ??칭 공정시 백주철의 균열 또는 변형을 유발할 수 있다.
상기 내마모팁 형성을 위한 백주철은 총 중량 대비 약 0.6 중량% 내지 약 1 중량%의 몰리브덴을 포함할 수 있다. 몰리브덴은 크롬과 함께 탄화물을 형성하는 합금 원소이면서 템퍼링 취성을 방지할 수 있으며, 약 0.6 중량%에 미달하는 경우, 상기 특성 구현이 곤란할 수 있다. 몰리브덴의 함량이 약 1 중량%를 초과하는 경우, 상기 탄화물 형성이외에 상기 기지에 분배되는 양이 증가하여 취성이 증가할 수 있다.
니켈은 상기 내마모팁 형성을 위한 백주철에 첨가되어 상기 기지의 인성을 증대하고, 기지조직 미세화에 기여할 수 있다. 니켈은 상기 백주철의 총 중량 대비 약 0.4 중량% 내지 약 0.8 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다. 니켈의 함량이 약 0.4 중량% 미만인 경우, 상술한 기지조직의 인성 증대 미세화 효과가 충분히 구현되지 않을 수 있다. 반면, 니켈의 함량이 약 0.8 중량%를 초과하는 경우 크롬 및 몰리브덴과 함께 경화능을 증대시켜 인성 증대 효과가 오히려 감소할 수 있다.
구리는 상기 백주철에 첨가되어 상기 기지조직을 강화할 수 있다. 예를 들면, 구리는 오스테나이트 또는 페라이트를 고용강화시켜 항복강도를 향상시킬 수 있다. 구리는 상기 백주철의 총 중량 대비 0 중량%를 초과하되 약 0.3 중량% 이하의 함량으로 첨가될 수 있다. 구리의 함량이 약 0.3 중량%를 초과하는 경우 미세 석출 경화를 유발하며, 연신율이 지나치게 저하될 수 있다.
철은 상기 백주철의 잔량의 양으로 포함될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 예를 들면 인, 황과 같은 비금속 불순물이 상기 잔량 내에 추가적으로 더 포함될 수 있다.
예를 들면 단계 S20에서 상기 내마모 팁에 대해 제1 열처리를 수행할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따르면, 상기 제1 열처리는 약 940 ℃ 내지 약 980 ℃의 온도에서 수행되는 완전 어닐링을 포함할 수 있다(예를 들면, 약 3시간 동안). 상기 완전 어닐링 처리에 의해 상기 기지의 페라이트가 M3C로 석출 변태되어 내마모 성능이 향상될 수 있다. 또한 상기 기지 조직이 오스테나이트화되어 탄화물을 붙잡고 있는 특성이 강화될 수 있다.
이후, 예를 들면 단계 S30에서 상기 완전 어닐링 처리된 상기 내마모팁을 건설 기계 버켓 부품(예를 들면, 투스 포인트) 주형에 고정시킬 수 있다.
예를 들면, 단계 S40에서 상기 주형에 저합금 주강 용탕을 주입하여, 예비 건설 기계 버켓 부품을 형성할 수 있다.
상기 저합금 주강 용탕은 상기 건설 기계 버켓 부품의 바디(100, 도 1 참조) 형성을 위해 주입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 저합금 주강 용탕은 총 중량 대비 탄소의 함량이 약 0.25 중량% 내지 약 0.36 중량% 범위일 수 있다.
예를 들면, 약 1,550℃ 내지 약 1,650 ℃ 온도의 상기 저합금 주강 용탕이 주입된 후 냉각되어 상기 내마모 팁과 주조 접합되며 저합금 주강으로 형성된 바디를 포함하는 상기 예비 건설 기계 버켓 부품이 제조될 수 있다.
예를 들면, 도 2a 또는 도 3a를 참조로 설명한 바와 같이, 상기 내마모 팁은 홀(210, 310)을 포함하며, 상기 저합금 주강과 접촉하는 표면이 볼록하게 형성될 수 있다. 따라서, 상기 저합금 주강과 상기 내마모 팁의 결합력이 강화되며, 상기 내마모 팁의 이탈이 방지될 수 있다.
이후, 단계 S50에서 상기 예비 건설 기계 버켓 부품에 대한 제2 열처리를 수행하여 건설 기계 버켓 부품을 제조할 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 상기 제2 열처리는 순차적으로 수행되는 ??칭(quenching) 공정 및 템퍼링(tempering) 공정을 포함할 수 있다. 상기 제2 열처리를 통해 상기 건설 기계 버켓 부품의 경도를 원하는 범위로 조절할 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 ??칭 공정은 약 900 ℃ 내지 약 950 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 이후, 상기 템퍼링 공정은 약 180 ℃ 내지 약 250 ℃ 온도에서 수행될 수 있다.
상술한 공정에 의해, 저합금 주강을 포함하는 상기 바디, 및 백주철을 포함하는 상기 내마모 팁이 주조 접합된 상기 건설 기계 버켓 부품이 제조될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 열처리를 통해 저합금 주강을 포함하는 상기 바디의 경도는 HB(브리넬 경도) 약 490 내지 약 550으로 조절되며, 백주철을 포함하는 상기 내마모 팁의 경도는 HRC(로크웰 경도) 약 60 내지 약 65의 범위로 조절될 수 있다.
이에 따라, 소정의 영역에 내마모성 향상되도록 이종 재질, 이종 물성으로 설계되어 기계적 특성 및 경제성이 향상된 건설 기계 버켓 부품을 제조할 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실험예를 참조로 예시적인 실시예들에 따른 건설 기계 버켓용 부품의 특성에 대해 보다 상세히 설명한다.
실험예
하기의 표 1에 나열된 조성 및 열처리 조건을 사용하여 실시예 및 비교예들에 따른 백주철로 형성된 내마모 팁들을 제조하였다. 구체적으로, 비교예 1에서는 열처리가 생략되었으며, 나머지 실시예들 및 비교예들에서는 960℃에서 3시간 동안 완전 어닐링이 수행되었다.
이후, 생형주조법(Green sand casting process)을 통해 탄소 0.30 중량%를 포함하는 저합금 주강을 사용하여 상기 내마모 팁과 결합된 바디를 형성함으로써 이종 재질을 포함하는 투스 포인트를 형성하였다. 상기 투스 포인트에 대해 910℃에서 ??칭을 실시한 후, 210℃에서 템퍼링을 실시하였다.
도 5는 실시예들에 의해 제조된 내마모 팁과 바디의 주조 접합 부분의 미세 조직을 나타내는 이미지이며, 도 6은 실시예들에 의해 제조된 내마모 팁의 미세조직을 나타내는 이미지이다.
[표 1]
상기 실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 내마모 팁을 포함하는 투스 포인트의 물성을 아래와 같이 평가하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
1) 표면경도: 로크웰 경도기(150kg)로 측정
2) 토사마모량: ASTM G65-85(Standard Practice for Conducting Dry Sand/Runner Wheel Abrasion Tests)에 의거해 평가
3) KIC(Fracture Toughness: 파괴 인성): ASTM E399의 KIC 측정법에 의해 평가
[표 2]
상기 표 2에서 종래예로 표시된 것은 선행기술문헌으로 기재한 대한민국공개실용신안공보 제1999-011857호에 개시된 텅스텐 카바이드가 용접된 튜스캡을 사용한 예를 나타낸다.
표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 5에 따라 제조된 투스 포인트(내마모 팁)들은 HRC 60 내지 65의 고경도를 가지면서 내마모성 및 파괴 인성이 비교예들에 비해 향상된 것을 확인 할 수 있다. 예를 들면, 실시예들의 경우 종래예에 비해 내마모성은 약 2배 이상 개선되면서 파괴 인성은 최대 약 89%까지 개선되었다.
한편, 비교예 1의 경우 완전 어닐링을 수행되지 않아, M3C 미석출로 인해 내마모성이 저하되었다. 비교예 2의 경우는 탄소의 함량의 지나치게 증가됨에 따라 마모량이 증가되었다. 이는 크롬과 결합하는 함량 대비 탄소가 기지에 분배되는 양이 증가하여 상기 기지에 페라이트가 형성되고 오스테나이트가 확연히 줄어들어 탄화물을 붙잡고 있는 특성이 낮아짐에 기인한다. 비교예 3의 경우 크롬 함량 대비 탄소의 함량이 미달되어 탄화물의 형성량이 부족함에 따라, 경도가 낮아지고 마모량이 증가하였다. 비교예 4의 경우 니켈 함량 증가로 경화능이 증대되어 파괴 인성이 감소하였다. 비교예 5의 경우, 규소의 함량 증가로 주조 결함이 형성되고, 파괴 인성이 저하가 초래되었다. 비교예 6의 경우 망간 함량 미달로 상기 완전 어닐링시 M3C 석출이 유도되지 않아 마모량이 증가하였다. 비교예 7의 경우, 몰리브덴 함량의 지나친 증가로 인해, 탄화물 형성 이외에 기지에 분배되는 양이 증가하여 취성의 증가로 인한 파괴인성이 열화되었다.
상기 실시예들 및 비교예들을 통해, 상술한 예시적인 실시예들에 따른 조성의 백주철의 적용 및 완전 어닐링 처리를 통해 건설기계의 작업특성을 만족하는, 예를 들면 파괴인성 25 MPam1/2 이상을 만족시키면서 내마모 성능이 향상된 내마모 팁이 수득됨을 확인할 수 있었다.
도 7은 실시예 및 비교예에 따라 제조된 건설 기계 버켓 부품의 내마모 성능 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 상기 실시예 1의 내마모 팁을 포함하는 투스 포인트, 상기 종래예에 따른 투스 포인트, 및 탄소 0.3 중량%의 저합금 주강으로 구성된 투스 포인트를 각각 휠로더의 버켓에 결합시켰다. 이후, 실제 골재 작업 현장에서 상기 휠로더를 적용하여 시간에 따른 투스포인트의 길이 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 상기 실시예 1의 내마모 팁을 포함하는 투스 포인트의 경우 종래예의 투스포인트보다 약 2배 이상 수명이 향상되었으며, 일반적으로 사용되는 저합금 주강보다 약 3배 이상 수명이 향상된 것을 확인하였다.
상술한 예시적인 실시예들에 따르면 건설 기계 버켓 부품은 투스 포인트(tooth point), 슈라우드(shroud), 커터(cutter) 등과 같은 각종 건설 기계의 보조 부품으로 활용되어 상기 건설 기계의 내구성, 작업 효율을 향상시킬 수 있다.
100: 바디
100a: 제1 표면
100b: 제2 표면 110: 삽입부
115: 오목부 120: 삽입 기둥
200: 제1 내마모 팁 210. 310: 홀
250: 제2 내마모 팁 300: 내마모 팁
100b: 제2 표면 110: 삽입부
115: 오목부 120: 삽입 기둥
200: 제1 내마모 팁 210. 310: 홀
250: 제2 내마모 팁 300: 내마모 팁
Claims (12)
- 저합금 주강을 포함하는 바디(body); 및
상기 바디의 일단부에 주조 접합되며, 백주철을 포함하는 내마모 팁(tip)을 포함하는 건설 기계 버켓 부품. - 제 1 항에 있어서, 상기 바디의 저합금 주강은 총 중량 대비 탄소의 함량이 0.25 중량% 내지 0.36 중량%인 건설 기계 버켓 부품.
- 제 1 항에 있어서, 상기 바디는 490 내지 550 범위의 HB(브리넬 경도)를 가지며, 상기 내마모 팁은 60 내지 65의 HRC(로크웰 경도)를 가지는 건설 기계 버켓 부품.
- 제 1 항에 있어서, 상기 건설 기계 버켓 부품은 건설 기계 버켓에 장착되는 투스 포인트(tooth point), 슈라우드(shroud) 또는 커터(cutter)로 제공되는 건설 기계 버켓 부품.
- 제 1 항에 있어서, 상기 바디는 저면 측에 구비된 삽입 기둥을 포함하며, 상기 내마모 팁은 중앙부에 형성된 홀을 포함하고,
상기 내마모 팁은 상기 삽입 기둥이 상기 홀에 체결되도록 상기 바디의 저면 측으로 결합되는 건설 기계 버켓 부품. - 제 5 항에 있어서, 상기 내마모 팁의 상면은 상기 바디와 주조 접합면을 형성하며, 상기 내마모 팁의 상기 상면은 볼록한 곡면을 포함하는 건설 기계 버켓 부품.
- 제 5 항에 있어서, 상기 삽입 기둥은 상기 바디의 저면으로부터 돌출되는 높이가 증가할수록 두께가 두꺼워지는 건설 기계 버켓 부품.
- 제 1 항에 있어서, 상기 내마모 팁은,
상기 바디의 저면 측으로 삽입되며, 내부에 형성된 홀을 통해 상기 바디와 결합되는 제1 내마모 팁; 및
상기 바디의 상면 측으로 삽입되며, 막대 형상을 갖는 제2 내마모 팁을 포함하는 건설 기계 버켓 부품. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내마모 팁의 백주철은 총 중량 대비 탄소(C) 2.3 중량% 내지 3.3 중량%, 크롬(Cr) 15 중량% 내지 25 중량%, 규소(Si) 0.4 중량% 내지 1 중량%, 망간(Mn) 0.6 중량% 내지 1 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.6 중량% 내지 1 중량%, 니켈(Ni) 0.4 중량% 내지 0.8 중량%, 0 중량%를 초과하며 0.3 중량% 이하의 구리(Cu), 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 건설 기계 버켓 부품.
- 총 중량 대비 탄소(C) 2.3 중량% 내지 3.3 중량%, 크롬(Cr) 15 중량% 내지 25 중량%, 규소(Si) 0.4 중량% 내지 1 중량%, 망간(Mn) 0.6 중량% 내지 1 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.6 중량% 내지 1 중량%, 니켈(Ni) 0.4 중량% 내지 0.8 중량%, 0 중량%를 초과하며 0.3 중량% 이하의 구리(Cu), 불순물 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 백주철을 사용하여 내마모 팁을 형성하는 단계;
상기 내마모 팁을 건설 기계 부품 주형에 고정시키는 단계; 및
상기 주형에 총 중량 대비 0.25 중량% 내지 0.36 중량%의 탄소를 포함하는 저합금 주강 용탕을 주입하여 상기 내마모 팁과 주조 접합되는 바디를 형성하는 단계를 포함하는 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법. - 제10항에 있어서, 상기 내마모 팁을 형성한 후 940 ℃ 내지 980 ℃의 온도에서 완전 어닐링(full annealing)을 수행하는 단계를 더 포함하는 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 저합금 주강 용탕을 주입하여 상기 바디를 형성한 후, 순차적으로 900 ℃ 내지 950 ℃의 온도에서 ??칭(quenching) 및 180 ℃ 내지 250 ℃ 온도에서 템퍼링(tempering)을 수행하는 단계를 더 포함하는 건설 기계 버켓 부품의 제조 방법.
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