KR0162029B1 - 전자빔을 이용한 열연롤의 표면경화방법 - Google Patents

전자빔을 이용한 열연롤의 표면경화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자빔을 이용한 열연롤의 표면경화방법에 관한 것으로, 열연롤의 전자빔을 적정 전압 및 속도범위로 조사하여 열연롤의 표면을 경화시키는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
상기한 목적달성을 위한 본 발명은 열연롤에 전자빔을 조사하여 표면을 경화시키는 방법에 있어서, 상기 열연롤의 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV의 가속전압 범위 및 30-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 300-500℃의 온도범위로 가열하는 단계; 상기 가열된 열연롤의 표면에 전자빔을 1.0-3.0MeV의 가속전압 범위 및 10-50㎠/sec 의 조사속도 범위로 조사하여 900-1200℃의 온도범위로 가열하는 표면조직 개선단계; 및 상기 표면조직이 개선된 열연롤의 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV의 가속 전압범위 및 30-50㎠/sec 의 조사속도 범위로 조사하여 500-600℃ 온도범위로 템퍼링 처리한 후 냉각하는 단계를 포함하여 이루어지는 전자빔을 이용한 열연롤의 표면경화방법을 그 요지로 한다.

Description

전자빔을 이용한 열연롤의 표면경화방법
제1도는 구상흑연주철 롤을 전자빔 처리하였을 경우 전자빔 조사전후의 표면조직 변화를 나타낸 조직.
제2도는 구상흑연주철 롤을 전자빔 처리하였을 경우 전자빔 조사후의 표면경도 변화를 나타낸 그래프.
제3도는 고속도공구강 롤을 전자빔 처리하였을 경우 전자빔 조사전후의 표면 조직변화를 나타낸 사진.
제4도는 고속도공구강 롤을 전자빔 처리하였을 경우 전자빔 조사후의 표면경도 변화를 나타낸 그래프.
본 발명은 전자빔을 이용한 열연롤의 표면경화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구상화흑연주출(DCI)롤, 고속도공구강(HSS)롤, 및 고-Cr 롤등 열간압연에 사용되는 롤의 표면에 전자빔을 대기중에서 조사하여 롤의 표면을 경화시키는 방법에 관한 것이다.
현재 알려진 철강재료의 통상적인 경화법으로는 화염경화법, 고주파 유도경화법, 및 레이저 경화법등이 있으며, 최근 다음과 같은 사실이 알려졌다.
전자빔을 가속시켜 얻은 고출력 집속에너지를 재료에 직접 전달하면 이 에너지는 순차적으로 열에너지로 바뀌게 되어 강력한 열원으로 사용할 수 있다는 것은 공지의 사실이다. 따라서 높은 에너지를 가진 전자빔을 롤 표면에 투사시키면 표면을 쉽게 경화시킬 수 잇으며, 주조시에 불가피하게 생성되는 조대한 탄화물을 미세하게 분산시킬수 있다(참고문헌 : 대한금속학회지, 31권(1993), 921 페이지).
그 결과 상기와 같은 사실을 이용하여 롤표면을 경화시키는 방법에 대하여 많은 연구가 현재 행해지고 있으며, 본 발명자도 이에 대한 연구와 실험을 행한 결과, 구상흑연주철(이하, 'DCI'이라 함) 롤(C:2.5-3wt%, Cr:0.2-1.5wt%), 고-Cr롤(C:1.0-3.0wt%, Cr:10-20wt%) 및 고속도공구강(이하, 'HSS'이라 함) 롤(C:1.0-2.5wt%, Cr:3-5wt%, V:3-5wt%)에 전자빔을 조사하면 롤 표면의 경화 및 조대한 탄화물을 미세화시킬 수 있는 사실에 착안하고 본 발명을 제안하게 되었다.
본 발명은 고전압 전자가속기를 이용하여 대기중에서 열연롤에 전자빔을 적정전압 및 속도범위로 조사하여 열연롤의 표면을 경화시키는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명을 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 C:3중량%이하, Cr:20중량%이하를 포함하거나 여기에 V:3-5중량%를 포함하는 열연롤에 전자빔을 조사하여 표면을 경화시키는 방법에 있어서, 대기중에서 강기 열연롤의 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV의 가속전압 범위 및 30-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 300-500℃의 온도범위로 예열하는 단계;
상기 가열된 열연롤의 표면에 전자빔을 1.0-3.0MeV의 가속전압 범위 및 10-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 900-1200℃의 온도범위로 가열하는 표면조직 개선단계; 및
상기 표면조직이 개선된 열연롤의 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV의 가속 전압 범위 및 30-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 500-600℃ 온도범위로 템퍼링 처리한 후 냉각하는 단계를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 고전압 전자가속기를 이용하여 대기중에서 열연롤의 표면을 경화시키는 것으로, 본 발명에 적절히 적용되는 열연롤은, C:3중량%이하, Cr:20중량%이하를 포함하거나 여기에 V:3-5중량%를 포함하는 열연롤이다. 보다 바람직하게는 DCI 롤 (C:2.5-3wt%, Cr:0.2-1.5wt%), 고-Cr롤(C:1.0-3.0wt%, Cr:10-20wt%), HSS 롤 (C:1.0-2.5wt%, Cr:3-5wt%, V:3-5wt%) 및 칠드롤등이 있다.
이때, 전자빔 조사에 의한 열연롤의 표면조직 변화는, C, Cr, V 등의 합금원소 및 전자빔의 조사량, 조사속도에 따른 입열랑에 주로 의존한다.
DCI 롤, 고-Cr 롤, 칠드롤 및 HSS 롤과 같은 열연롤의 표면을 경화시키기 위하여 전자빔을 조사하면 급열 및 급냉에 의해 고탄소 및 고합금 조성의 열연롤에 균열이 발생할 우려가 있다. 따라서 열연롤을 전자빔을 조사하여 경화시킬 경우에는 입열량 및 공정제어가 매우 중요하다.
본 발명에서는 급열에 의한 열연롤의 균열을 방지하기 위하여 먼저 열연롤의 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV의 가속전압 범위 및 30-50㎠/sec의 조사속도범위로 조사하여 300-500℃의 온도범위까지 예열하는 것이 바람직하며, 그 이유는 다음과 같다.
가열온도가 300℃ 이하일 경우에는 표면조직 개선단계에서 고온으로 급속 승온시 균열이 발생될 우려가 있고, 500℃ 이상일 경우에는 예열단계에서 급속가열에 의한 균열 발생의 우려가 있기 때문이다.
가속전압이 0.5MeV 이하일 경우에는 예열온도가 너무 낮게될 우려가 있고, 1.0MeV 이상일 경우에는 예열온도가 너무 높아 균열발생의 우려가 있기 때문이다.
조사속도가 30㎠/sec 이하일 경우에는 단위면적당 에너지 유입량이 많아 과열될 우려가 있고 50㎠/sec 이상일 경우에는 단위면적당 에너지 유입량이 적어 예열효과를 얻지 못할 우려가 있기 때문이다.
상기와 같은 조건으로 가열된 열연롤은 표면조직을 개선시키기 위하여 열연롤의 표면에 전자빔을 1.0-3.0MeV의 가속전압 범위 및 10-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 900-1200℃의 온도범위로 가열함이 바람직하며, 그 이유는 다음과 같다.
가열온도가 900℃ 이하일 경우에는 탄화물 분해등 조직의 개선효과가 떨어지며 1200℃ 이상일 경우에는 재료의 국부적인 용해가 일어날 우려가 있기 때문이다.
가속전압이 1.0MeV 이하인 경우에는 표면처리부의 온도가 너무 낮아 조직개선의 효과를 볼 수 없으며, 3.0MeV 이상일 경우에는 재료가 너무 과열되어 국부용해가 일어날 우려가 있기 때문이다.
조사속도가 10㎠/sec 이하일 경우에는 재료에 에너지 유입이 너무 많아 과열되어 용해가 일어날 우려가 있고, 50㎠/sec 이상일 경우에는 재료의 처리온도가 너무 낮아 조직개선의 효과가 없기 때문이다.
상기와 같은 조건으로 전자빔을 조사하여 표면조직을 개선한 후 급냉시키게 되면 고탄소-고합금 재료인 롤에 잔류 오스테나이트가 생성되어 경도가 저하하는 현상이 발생한다. 따라서 본 발명에서는 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시켜 경도를 증가시키고 잔류 오스테나이트에 의한 압연도중 조업사고를 예방하기 위하여 롤 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV의 가속 전압범위 및 30-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 500-600℃의 온도범위로 템퍼링(Tempering) 처리한 후 냉각함이 바람직하며, 그 이유는 다음과 같다.
가열온도가 500℃ 이하일 경우에는 템퍼링 효과를 보지 못할 우려가 있고, 600℃ 이상일 경우에는 과 템퍼링(OVER TEMPERING)으로 인해 경도 저하의 우려가 있으므로, 가열온도는 500-600℃의 범위로 제한함이 바람직히다.
전자빔의 가속전압이 0.5MeV 이하일 경우에는 템퍼링 온도가 낮을 우려가 있으며, 1.0MeV 이상일 경우에는 템퍼링 온도가 높을 우려가 있기 때문에, 가속전압은 0.5-1.0MeV 범위로 제한함이 바람직하다.
주사속도가 30㎠/sec 이하일 경우에는 에너지 유입이 많아져 과열될 우려가 있으며, 50㎠/sec 이하일 경우에는 에너지 유입이 적어 템퍼링 효과를 보지 못할 우려가 있으므로, 주사속도는 30-50㎠/sec 범위로 제한함이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하며, 이들 실시예가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
하기 표 1과 같이 조성되는 DCI 롤의 표면에 러시아 버드커(Budker) 핵물리 연구소의 고전압 전자가속기를 이용하여 하기표 2와 같은 조건으로 가속전자빔을 조사한후, 롤의 표면층의 상태를 관찰하여 그 결과를 하기표 2에 나타내었다. 이때 전자빔의 조사거리는 7.5cm, 빔지름은 1.27cm, 조사폭은 3.1cm 이었으며, DCI 롤의 경도는 Hv 400 이었다.
상기 표 2에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명에 부합되는 발명예(a-d)의 경우 롤의 표면층의 상태가 모두 정상인 반면에, 본 발명에 부합되지 못하는 비교예(1-4)의 경우 롤의 표면층에 크랙발생, 잔류 오스테나이트과다 및 경도저하와 같은 결함이 발생함을 알 수 있다.
상기와 같은 조건으로 전자빔을 조사한 후, 발명예(b)의 전자빔 조사 전후의 표면층의 조직변화를 500배의 배율로 전자현미경 관찰하여 제1도(가) 및 (나)에, 전자빔 조사후의 경도변화를 제2도에 나타내었다.
제1도(a) 및 (b)에서 알수 있는 바와같이, 초기조직은 베이나이트 조직에서 전자빔 조사후 마르텐사이트 조직으로 변화였음을 알 수 가 있다. 또한 제2도에 나타난 바와 같이 경도, 변화를 살펴보면 가속전자빔 처리전의 경도치는 최초 Hv 400 정도이던 것이 가속전자빔 처리후의 표면경도는 Hv 600 정도로 상승하고 경화깊이는 1mm 정도가 됨을 알 수 있다.
[실시예 2]
하기표 3과 같이 조성되는 HSS 롤의 표면에 러시아 버드커(Budker) 핵물리 연구소의 고전압 가속기를 이용하여 하기표 4와 같은 조건으로 가속전자빔을 조사한 후, 롤의 표면층의 상태를 관찰하여 그 결과를 하기표 4에 나타내었다. 이때, 전자빔의 조사거리는 7.5cm, 빔지름은 1.5cm, 조사폭은 3.2cm 이었으며, HSS 롤의 경도는 Hv 700 이었다.
상기 표 4에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명에 부합되는 발명예(e-h)의 경우 롤의 표면층의 상태가 모두 정상으로 나타남에 대하여, 본 발명에 부합되지 못하는 비교 예(5-8)의 경우 롤의 표면층에 크랙발생, 잔류 오스테나이트 과다 및 경도저하와 같은 결함이 발생함을 알 수 있다.
또한, 상기와 같은 조건으로 전자빔을 조사한 후, 발명예(F)의 전자빔 조사전후의 표면층의 조직변화를 500배의 비율로 전자현미경 관찰하여 제3도 (a) 및 (b)에, 전자빔 조사후이 경도변화를 제4도에 나타내었다.
제3도(a) 및 (b)에서 알 수 있는 바와같이, 미세조직은 초기조직에서 존재하는 조대한 탄화물은 완전히 분리되어, 가속전자빔 처리후의 미세조직에서는 관찰할 수가 없으며, 기지조직은 미세한 주상정 조직으로 변화되었음을 알 수가 있다.
또한, 제4도에서 알 수 있는 바와같이, 경도는 가속전자빔 처리전에 Hv 700 정도에서 Hv 750 으로 상승하였으며, 경화층 깊이는 600-700㎛ 정도가 됨을 알 수 있다.
상술한 바와같이, 본 발명은 열연롤에 전자빔을 적정전압 및 속도범위로 조사하므로서 열연롤 표면층의 조대한 탄화물들을 미세한 탄화물로 정출시켜 조직의 미세화를 얻을 수 있으므로 크랙발생이 없고 표면경도가 우수한 열연롤을 제공할 수 있으며, 또한 롤 표면이 가열 및 냉각되는 시간이 매우 짧기 때문에 표면산화가 일어나지 않으므로 후처리없이 롤을 바로 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. C:3중량%이하, Cr:20중량%이하를 포함하거나 여기에 V:3-5중량%를 포함하는 열연롤에 전자빔을 조사하여 표면을 경화시키는 방법에 있어서, 대기중에서 상기 열연롤의 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV 의 가속전압 범위 및 30-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 300-500℃의 온도범위로 예열하는 단계; 상기 가열된 열연롤의 표면에 전자빔을 1.0-3.0MeV의 가속전압 범위 및 10-50㎠/sec의 조사속도 범위로 조사하여 900-1200℃의 온도범위로 가열하는 표면조직 개선단계; 및 상기 표면조직이 개선된 열연롤의 표면에 전자빔을 0.5-1.0MeV의 가속전압 범위 및 30-50㎠/sec 의 조사속도 범위로 조사하여 500-600℃ 온도범위로 템퍼링 처리한 후 냉각하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 열연롤의 표면경화방법.
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