KR0156301B1

KR0156301B1 - 고강도 재질층을 갖는 롤

Info

Publication number: KR0156301B1
Application number: KR1019950042603A
Authority: KR
Inventors: 김강형; 류병진
Original assignee: 안복현; 삼성중공업주식회사
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 1998-11-16
Also published as: KR970025768A

Abstract

본 발명은 열간압연 또는 연속주조 등과 같이 고온에서 사용되는 롤 표면의 내열성, 인성, 내마모성부족을 극복하기 위해 코팅조직을 안정하고, 인성이 강한 조직으로 만들고 내마모성을 향상시키기 위한 방법으로 고용강화시켜 기준 코팅재료의 단점을 극복할 뿐만 아니라, 간단한 열처리에 의해 코팅조직이 내마모성이 큰 고경도의 고용체가 되게 하여 고면압에 의해서도 연화되지 않는 내마모성, 내부식성과 인성을 향상시킬 수 있는 고강도 재질층을 갖는 롤과 그 제조방법에 관한 것으로, 몸체가 저합금강으로 구성되어 있고, 용접층은 무게분율(wt%)로 탄소(C)0.2%이하, 크롬(Cr)20.0 - 36.0%, 규소(Si)0.5 - 3.9%, 망간(Mn)0.5 - 3.6%, 붕소(B)2.8 -4.6%, 그리고 나머지는 철(Fe)과 필연적으로 함유되는 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는 고강도 재질층을 갖는 롤과 그 제조방법 이다.

Description

고강도 재질층을 갖는 롤

제1도는 본 발명에 의한 고강도 재질층을 갖는 롤의 부분절개 사시도.

제2도는 본 발명에 의한 고강도 재질층을 갖는 롤의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 몸체

20 : 중량%로 C : 0.2%이하, Cr : 20.0 ~ 36.0%, Si : 0.5% ~ 3.6%, B : 2.8 ~ 4.6% 및 불가피한 불순물과 Fe로 이루어진 용접층 또는 용사층

30 : 중량%로 C : 0.2%이하, Cr : 20.0 ~ 36.0%, Si : 0.5% ~ 3.6%, B : 2.8 ~ 4.6% Mo : 4.6% 이하 및 불가피한 불순물과 Fe로 이루어진 용접층 또는 용사층

본 발명은 열간압연 또는 연속주조 등과 같이 고온에서 사용되는 롤에 관한 것으로서, 특히 롤 표면의 내열성, 인성, 내마모성의 부족을 극복하기 위해 코팅조직을 안정하게 하고, 인성이 간단한 열처리에 의해 코팅조직이 내마모성이 큰 고경도의 고용체가 되게 하여 고면압에 의해서도 연화되지 않는 내마모성, 내부식성과 인성을 향상시킬 수 있는 고강도 재질층을 갖는 롤에 관한 것이다.

일반적으로 열간에서의 압연 또는 연속주조 공정 등과 같이 높은 온도 영역에서 사용되는 롤은 높은 온도에서의 강도와 인성 그리고 내식성을 요구한다.

상기와 같이 높은 온도범위에서 사용되기 위해 용접층에 적용하는 롤 표면 코팅재료로는 크롬합금강(크롬 10~14%함유)이 일반적으로 사용된다.

그러나, 크롬 무게분율이 10~14% 함유된 전술한 합금강은 반복 열응력에 대한 내구성이 충분하지 않고, 연속주조 롤과 같이 계속 반복되는 가열, 냉각처리에서는 롤의 표면에 크랙과 같은 결함들이 나타나고, 결국 반복되는 열응력으로 인한 롤의 파손이 발생하게 된다.

본 발명은 전술한 바와 같이 종래의 문제점을 해결하기 위하여 롤의 표면에 크랙이 발생하지 않도록 고온강도와 인성을 가지면서 반복되는 가열과 냉각에 강한 용접층을 도포하여 내마모성 및 내열성과 내부식성을 향상시킬 수 있는 고강도 재질층을 갖는 롤을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 저합금강으로 이루어진 몸체와, 상기 몸체의 표면에 형성되며 중량%로 C : 0.2% 이하, Cr : 20.0~36.0%, Si : 0.5~3.6%, B : 2.8~4.6% 및 불가피한 불순물과 Fe로 이루어진 용접층 또는 용사층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 재질층을 갖는 롤을 제공한다.

또한, 본 발명은 저합금강으로 이루어진 몸체와, 상기 몸체의 표면에 형성되며 중량%로 C : 0.2% 이하, Cr : 20.0~36.0%, Si : 0.5%~36.0%, B : 2.8~4.6%, Mo : 4.6% 이하 및 불가피한 불순물과 Fe로 이루어진 용접층 또는 용사층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 재질층을 갖는 롤을 제공하여 상기의 목적을 달성한다.

이하, 본 발명의 수치한정의 이유에 대하여 설명한다.

먼저, C는 Fe를 강화시키는 강력한 원소이지만 취성을 예방하고 탄화물 형성을 억제하기 위해 0.2 중량%이하로 제한한다.

그리고, Fe와 함께 전율고용체를 형성하며 강도와 내식성을 향상시키는데 가장 유효한 원소인 Cr은 최소 20.0 중량% 이상 첨가되어야 비로서 장범위 정합구조를 억제시켜 비정질화 할 수 있는 특징을 나타낸다.

또한, 반복열충격에 대하여 용접 비드의 경계부위(용접계면부)를 따른 표면크랙과 부식된 홈, 열충격 크랙, 부식저항을 20.0 중량%이하에서는 액상으로부터 빠르게 α-ferrite(페라이트)상으로 상변태 하는 일이 생길 수 있으며 ,이는 조성의 파티션(Partition)이 요구되지 않는 파티션리스(Partitionless) 변태이므로 결정상인 α-ferrite상으로의 상변태를 억제시키기 어려워져 비정질상 형성이 어려워질 수 있다.

그리고, 36.0 중량% 이상인 경우는 α-ferrite와 Cr의 혼합상으로 존재하려는 구동력이 발생할 수 있으며, 이로 인해 비정질상 형성이 어려워질 수 있다.

기계적 물성 특히, 반복 가열, 냉각에 의한 표면 크랙 발생에 대한 저항성과 표면에서의 거친면의 개선에 사용되기 위ㅎ선 36.0% 이하로 함유하여 인성을 확보할 필요가 있다.

Si는 α-ferrite를 강화시키며, 비정질화 되었을 때 소지강도를 향상시킨다.

그러나, 0.5 중량% 이상에서 비정질화에 도움을 주므로 이 이상을 첨가하여야 하며, 3.9 중량% 이상에서는 Fe₃Si, Fe₂Si 등의 화합물이 나타나기 시작하므로 제한다.

통상적으로 비정질상을 얻기 위해서는 반금속계 원소의 첨가가 필수적이라고 볼 수 있으며, B는 융점을 낮추고 재료의 비정질화에 크게 기여하는 필수적인 원소이다.

특히 용융중에 다른 금속산화물을 용해하고 표면에 떠올라 기공율을 낮출 뿐만 아니라 자융합금의 원소로 널리 쓰이는데 본 발명에서는 용사(Thermal Spray)때 소지와 함께 녹아서 강한 접착성을 나타내므로 필수로 함유시킨다.

함량이 너무 낮으면 비정질 형성능이 저하되어 급냉상태에서 이미 결정화가 일어난다.

또, Cr과 함께 봉화물을 형성하는 수가 있으므로 기본 조성물인 Fe를 비정질화 시키는데 필요한 양을 감소시킬 수가 있어서 최소 2.8 중량% 이상을 함유하여야 하며, 4.6 중량% 이상에서는 FeB, Fe₂B 등의 금속간화합물이 생성되면서 안정한 경정질로 되려는 경향과 함께 취성이 나타나기 쉬우므로 제한한다.

Mn은 스태킹 폴트(Stacking Fault) 생성 에너지 준위를 낮추고 계(System)의 자유에너지 준위를 높여 스태킹 폴트 생성시 파셜밴드(Partial Band)의 폭을 넓히는 효과가 있어 준안정 결정질상이 외부에서 압력으로 가해진 에너지로 안정한 비정질상이 되도록 도와준다.

강에서는 중요한 오스테나이트화 원소로 사용되며 불안정한 오스테나이트 조직을 가공에 의해 마르텐사이트로 변태하도록 하는 원소이다.

Mn은 높은 가공경화능(High Work Hardenability)을 가지는 특성이 있으며, 습식분위기에서는 공동(Cavity)에 의한 반복적인 임펄시브 워킹(Impulsive Working)을 받을 때 높은 이로젼 레지스턴스(Erosion Resistance)를 가진다.

이것이 미세 국부적인 전기적 부식과 피팅(Pitting) 등을 예방하게 함으로써 낮은 마찰계수를 유지하게 하며 높은 내마모성과 내식성을 나타낸다.

그러나, 0.5 중량% 이하에서는 효과가 미미하고, 3.6 중량% 이상에서는 γ-Fe 즉, 오스테나이트가 나타나 비정질상을 형성하는데 방해하는 역효과가 있으므로 제한한다.

Mo는 α-ferrite 형성과 강화 원소로 작용하는 원소이면서 자융합금(Self-Fluxing) 효과를 얻을 수 있으므로 첨가하여 기계적 물성 특히, 반복가열 및 냉각에 의한 표면 크랙발생에 대한 저항성과 표면에서의 거친면의 개선에 사용된다.

이를 첨가하는 경우 4.6 중량% 이상에서는 더 이상 효과가 증가하지 않으므로 제한하고, Cr의 양에 따라 변동이 가능하므로 바람직하게는 3.0 중량% 이하로 첨가한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

통상적으로 롤에서 면압과 마찰마모에 의해 매우 국부적인 표면층의 박리현상에 따른 균열이 급속하게 진행되어 인접한 피막층까지 잠식하여 피막이 떨어져 나가게 된다.

이때 용접층 피막이 본 발명의 재료로 되면 다른 조성의 재료보다 마찰계수가 낮아 마찰응력에 대한 감수성을 낮추므로 상호표면간에 미끄럼이 잘 일어나게 되어 뛰어난 내마모성을 갖게 되는 것이다.

이와 같이 사용될 수 있는 재료로는 Fe계 비정질재료가 있다.

이에 대해서는 1970년대 초 H. S. Chen의 US3856513을 선두로 마사키 나카(Masaki Naka)의 US3986867, 란젠 라이(Ranjan Ray)의 US4067732, US42551 89, US4439236 등이 있다.

이들은 철(Fe)-붕소(B)를 기본 조성으로 하는 비정질재료이지만 비정질조직을 얻기 위해서는 10^-6℃/s 이상의 냉각속도에서 비로소 비정질화되어지는 단점으로 인해 미세한 스트립박판 또는 미분말 상태로 제조된다.

그러나, 본 발명에서 사용되는 재료는 냉각속도 뿐만 아니라, 고면압하에 가해지는 압력을 에너지원으로 하여 비정질변태를 일으키기 때문에 냉각속도를 기존재료와 같이 높이지 않더라도 비정질화한다.

또 이러한 특징 때문에 코팅을 하면 최표면층이 고면압으로 인해 전단변형이나 균열이 생기기전에 그 에너지를 변태에너지로 소모하고 자신은 내마모성과 우수한 비정질로 변태함으로써 면압에 의해 더욱 강도가 우수한 표면으로 변한다.

본 발명에서는 본 재료가 제품에 부분적으로 용접되어 있던지 제품자체를 전부 본 재료로 제조하였던지 간에 최초에는 비정질상태가 아닌 나노 결정질 조직(Nanocrystal Structured surface) 또는 준안정 결정질(Metastable Crystal) 등과 같은 비유리화(Nonmitriform) 상태로 되기 쉽다.

그러나 이를 가공하고 사용중에 작용되는 고응력에 의해 비정질화(Stress Indu ced Mitriform)하는 특징이 있을 뿐만 아니라 비정질화 되지 않은 상태에서도 크롬같은 합금원소의 영향으로 내식성이 우수한 스테인레스강의 조성이 되게 함으로써 내식성, 인성을 얻고 아울러 붕소와 같은 강화원소로 내마모성을 향상시킨다.

롤 제조상의 기존 문제점중 하나는 D. P. Tanzman의 US3322546 특허와 같이 고경도의 C-W-Co 원소를 함유함으로써 내마모성을 향상시키면 그로인해 인성이 극도로 저하되어 내충격성이 부족하게 되므로 피팅(Pitting), 스폴링(Spalling)과 같은 표면층의 손상이 불가피하였던 것이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 초기에는 고용강화를 통해 경도를 유지하고 고면압 마모에 의해 비정질화 됨으로써 경화되는 특징을 가진다.

이는 인성을 가진 소지층이 고경도의 표면층을 지지하면서 충격하중을 흡수하고 표면에서는 수직하중이나 전단응력을 담당함으로써 인성과 내마모성을 갖추게 된다.

한편, 본 발명은 소지층자체는 미변태층일 때 고용강화 등의 효과로 HV600∼900 정도의 경도를 가지지만 최표면층은 비정질화 될 때 HV1200 이상의 경도를 나타내며 자연적인 경도경사를 지난다.

더욱이 스코어링(Scoring)이나 와이퍼링(Wipering)과 같은 심한 마모흠 발생에 대한 저항성이 높도록 표면층은 마찰계수를 낮추는 역할을 하고 소지층은 면압을 고루 분산시켜 높은 밀착강도를 나타내게 된다.

본 발명의 일실시예로 제작된 고강도 재질층을 갖는 롤의 부분절개 사시도인 제1도를 참조하면, 본 발명에 의한 롤은 저합금강으로 이루어진 몸체(10)와, 몸체의 주표면으로 도포된 용접층 또는 용사층(20, 30)으로 이루어지며, 상기 용접층 또는 용사층(20, 30)은 무게분률(중량%)로 C : 0.08%, Cr : 27.5%, Si : 1.4%, Mn : 2.3%, B : 3.8% 및 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성되거나 Mo : 4.6% 이하를 더 첨가하여 반복 열응력의 저항성을 높인 것이다.

이러한 용접층 또는 용사층(20, 30)은 Fe-Cr-B계의 비정질재료로 이루어져 있으며, 상기 몸체(10)도 Fe-Cr-B계의 비정질재료로 구성할 수 있고, 티그(TIG), 미그(MIG), 아크용점(Arc Welding), 열용사 등에 의해 형성되는 것이다.

이러한 용접방법중 미그(MIG)일 경우를 예로 들면,

예열 : 200∼250℃, 극성 : 역극성, 전류 : 250∼270 A, 전압 : 27∼30 V, 혼합가스 : 공기 95%, 산소 5% 또는 공기 98%, 산소 2%, 홉합유량 : 25ft³/hr, 와이어 이송량 : 219 inch/min이다.

상기와 같은 본 발명에 의해 롤의 표면에 고경도와 인성을 가지는 Fe-Cr-B계 비정질재료를 용접함으로써 열응력에 대한 저항성이 향상되어 높은 내구성을 가지게 된다.

Claims

저합금강으로 이루어진 몸체(10)와, 상기 몸체의 표면에 형성되며 중량%로 C : 0.2% 이하, Cr : 20.0∼36.0%, Si : 0.5∼3.6%, B : 2.8∼4.6% 및 불가피한 불순물과 Fe로 이루어진 용접층 또는 용사층(20)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 재질층을 갖는 롤.
저합금강으로 이루어진 몸체(10)와, 상기 몸체의 표면에 형성되며 중량%로 C : 0.2% 이하, Cr : 20.0∼36.0%, Si : 0.5∼3.6%, B : 2.8∼4.6%, Mo : 4.6% 이하 및 불가피한 불순물과 Fe로 이루어진 용접층 또는 용사층(30)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도 재질층을 갖는 롤.