KR100370583B1 - 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선재공장의 사상 스탠드에 압연롤로 사용되는 초경롤의 텅스텐카바이드 함량을 증가시키고 특수원소인 티타늄카바이드를 첨가시켜 내마모성이 향상되도록 한 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 주원료인 텅스텐카바이드와, 부원료인 바인더를 혼합하여 냉간등방압축, 성형, 소결, 열간등방압축, 가공, 검사의 순서로 선재 압연롤을 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로 90.1∼92.7%의 WC와, 0.3∼3%의 TiC와, 5∼9.9%의 CO와, 1∼5%의 Ni과, 1∼4%의 Cr으로 조성하여 된 것이다.

이러한 본 발명에 의하여 종래의 롤을 사용할 때보다 내마모성이 증가되어 사용수명이 1.5∼1.8배 증가되었고, 이에 따른 수명연장으로 롤 비용절감 5,000만원/년, 교체휴지시간 감소로 인한 생산성 향상 3억원/년, 가공횟수 감소에 따른 공구비용 절감, 내식성 및 제품표면 품질향상, 편경차 향상 등의 우수한 효과가 제공된다..

Description

내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법

본 발명은 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법에 관한 것으로, 특히 선재공장의 사상 스탠드에 압연롤로 사용되는 초경롤의 텅스텐카바이드 함량을 증가시키고 특수원소인 티타늄카바이드를 첨가시켜 내마모성이 향상되도록 한 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 선재압연 공정을 나타내는 개략도로서, 일반적으로 선재압연은 소재인 빌렛트(Billet)(1)를 가열로(2)를 통해 적정 온도로 가열하여 조압연기(3), 중간조압연기, 중간사상압연기(4), 사상압연기(5)를 거쳐서 스텔모어 냉각구간(6)을 통하여 냉각시키며, 주문자의 용도 특성에 맞도록 약 5.5∼42㎜ ψ의 선재(Wire Rod)를 생산하게 되며, 생산된 선재코일(7)은 집적기(8)에 집적된다.

선재의 특성은 제품의 단면적이 작아(5.5㎜ ψ때 단면적이 23.8㎟로 후판의 1/1,000) 단위 시간당 생산량이 타 제품에 비해 많이 떨어지므로 압연 속도를 올려서 생산성을 향상시키고 있다.

초기에 선재압연에 사용되는 롤의 재질은 아다마이트(Adamite), 칠드(Chilled), 구상화흑연주철(DCI)이 주종이었으며, 이런 롤을 사용할 때는 롤 마모가 심해 제품 표면 조도와 수명에 많은 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 절삭공구의 재료로 사용되는 텅스텐카바이드(Tungsten Carbide,WC)를 주원료로 한 텅스텐카바이드 롤이 개발되었다.

상기 텅스텐카바이드 롤의 개발로 선재 압연속도가 100㎧를 넘게 되고, 최종 롤의 수명도 250 Ton 정도로 많은 발전을 하게 되었으며, 베어링강, 스프링강, 타이어 코드(Tire Cord), 카본 1%의 고탄소강, 특수 합금강 등의 다양한 재질의 압연이 가능하게 되었다.

이와 같이 고강도, 고합금 재료의 압연이 증가됨에 따라 롤 수명이 저하되었다. 일반적으로 사용되는 텅스텐카바이드 롤의 성분은 텅스텐카바이드 85%, 바인더(Binder:텅스텐카바이드 롤의 고온강도, 내열충격성 향상을 목적으로 사용하는 결합제,Co+Ni+Cr) 15%이다.

텅스텐카바이드 롤의 특성은 내마모성이 높은 반면, 취성이 높아 롤에 문제(절손, 스폴링,크랙등)가 많이 발생되었으나, 최근 압연기술, 냉각기술, 정비기술의 발달로 미스롤(Miss Roll)이 감소됨에 따라 더 높은 경도의 고내마모 롤이 필요하게 되었다.

선재 압연롤 구성은 조압연스탠드에는 아다마이트와 구상화흑연주철롤을 사용하고, 중간사상, 사상 스탠드에는 텅스텐카바이드 롤을 사용하고 있다.

도 2는 종래 텅스텐카바이드가 첨가된 초경롤 제조공정도로서, 주원료인 텅스텐카바이드와, 부원료인 바인더(코발트,니켈,크롬)를 혼합하여 냉간등방압축(Cold Isostatic Pressing), 성형(Forming), 소결(Sintering), 열간등방압축(Hot Isostatic Pressing), 가공, 검사의 순서로 되어 있다.

열간압연에 사용되는 초경롤에 대한 종래의 기술로는 일본 다이제트(Dijet)에서 미국에 특허출원(출원번호 3993446)한 것이 있는 바, 텅스텐카바이드 청구범위는 전체 중량의 70∼90% 이고, 코발트는 바인더 중량의 10∼80%, 니켈은 바인더 중량의 20∼90%, 크롬은 바인더 중량의 5∼25%이다.

일반적으로 선재 사상스탠드에 사용되는 텅스텐카바이드 롤의 주원료인 텅스텐카바이드 함량은 표 1에 나타난 바와 같이, 중량 기준으로 70∼87%이고, 부원료인 바인더의 함량은 13∼30%이다.

표 1.

주원료 %(WC)	부원료 %(Ni, Cr, Co)
70∼87	13∼30

도 3은 바인더 함량에 따른 경도, 항절력, 마모의 관계를 나타낸 그래프로서, 일반적으로 텅스텐카바이드 롤에 있어서 텅스텐카바이드의 함량이 증가되면 내마모서으 경도는 증가하고 절손에 견디는 힘인 항절력은 감소한다.

텅스텐카바이드의 함량이 70% 이하일 경우, 바인더를 사용하기에 부적합한 낮은 마모저항을 가지며, 87% 이상일 경우 열충격으로 인한 크랙(Crack) 발생으로 수명이 저하될 수 있다.

특히, 고속의 선재사상 최종 스탠드에 사용되는 롤은 높은 마모저항이 필요하고, 열크랙이 발생하지 않기 때문에 다른 사상압연 스탠드 롤보다 텅스텐카바이드 함량이 높은 85∼87%의 롤을 사용하고 있다.

종래의 사상롤(텅스텐카바이드 함량 85∼87%) 사용할 때 마모로 인한 롤 교체주기 과다(8회이상/일)로 생산성이 저하되며, 롤 소모량 과다로 비용증가, 정비부하 가중, 제품 불량 발생, 롤 부식 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 기존대비 텅스텐카바이드 함량을 증가시키고, 바인더 함량을 최대한 감소시키는 것에 의해 내마모성을 향상시키고 내식성 및 제품 표면향상을 도모할 수 있는 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 선재압연 공정을 나타내는 개략도,

도 2는 종래 텅스텐카바이드가 첨가된 초경롤 제조공정도,

도 3은 바인더 함량에 따른 경도, 항절력, 마모의 관계를 나타낸 그래프,

도 4는 종래의 사상 초경롤 조직사진,

도 5는 본 발명에 따른 티타늄카바이드가 첨가된 초경롤 조직사진,

도 6은 종래의 사상 초경롤 사용 후 표면사진,

도 7은 본 발명에 따른 티타늄카바이드가 첨가된 초경롤 사용 후 표면사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 빌렛트, 2 : 가열로,

3 : 조압연기, 4 : 중간사상압연기,

5 : 사상압연기, 6 : 스텔모어 냉각구간,

7 : 선재코일, 8 : 집적기

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 주원료인 텅스텐카바이드와, 부원료인 바인더를 혼합하여 냉간등방압축, 성형, 소결, 열간등방압축, 가공, 검사의 순서로 선재 압연롤을 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로 90.1∼92.7%의 WC와, 0.3∼3%의 TiC와, 5∼9.9%의 CO와, 1∼5%의 Ni과, 1∼4%의 Cr으로 제조되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법이 제공된다.

이러한 본 발명에 있어서, 상기 TiC는 텅스텐-티타늄카바이드(70:30 WTiC) 파우더 형태로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 티타늄카바이드가 첨가된 초경롤 조직사진, 도 7은 본 발명에 따른 티타늄카바이드가 첨가된 초경롤 사용 후 표면사진이다.

이를 참조하면, 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법은 주원료인 텅스텐카바이드와, 부원료인 바인더를 혼합하여 냉간등방압축, 성형, 소결, 열간등방압축, 가공, 검사의 순서로 선재 압연롤을 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로 90.1∼92.7%의 WC와, 0.3∼3%의 TiC와, 5∼9.9%의 CO와, 1∼5%의 Ni과, 1∼4%의 Cr으로 제조되도록 한 것이다.

표 2는 본 발명에 따른 티타늄카바이드가 첨가된 초경롤의 화학조성으로서, 주원료(텅스텐카바이드) 함량을 87%에서 90.1∼93%로 3.1∼6% 증가시키고, 부원료 함량을 13%에서 7∼9.9%로 감소시켰다.

특히, 고내마모 초경롤을 제조하기 위하여 텅스텐카바이드의 일부분을 텅스텐카바이드 대비 내마모성이 우수한 티타늄카바이드로 대치하였다.

표 2.

주원료 %(WC+TiC)	부원료 %(Ni, Cr, Co)
90.1∼93.0	7∼9.9

티타늄카바이드는 소량 첨가시 경도 및 내열성 향상에 효과가 있으나, 다량 첨가시 취성이 문제가 되어 압축응력, 항절력이 저하되기 때문에 최적의 효과를 낼 수 있는 최적량인 0.3∼3%를 첨가하였다.

텅스텐카바이드의 함량을 90.1∼92.7%, 코발트 5∼9.9%, 니켈 1∼5%, 크롬 1∼4%, 티타늄카바이드 0.3∼3%를 첨가하여 롤을 제조하였다.

이때 티타늄카바이드는 텅스텐-티타늄카바이드(70:30 WTiC) 형태로(WC:TiC=70:30) 첨가하였다.

티타늄카바이드를 첨가하여 롤 제조시 볼밀(Ball mill, 분쇄,혼합하는 기계)에서의 물리적인 배합시 균일한 혼합이 되지 않을 때, 소결된 롤에 있어서 텅스텐카바이드와 티타늄카바이드의 비중 차이로 인한 중량 밸런스의 문제(티타늄카바이드가 편중되어 있는 경우)로 고속의 사상 압연 스탠드에 사용할 때 편심으로 인한 문제가 발생될 가능성이 있기 때문에 이런 문제점을 해결하기 위하여 초경공구 제작시 인선부위의 내마모성 향상을 위해 사용되는 텅스텐-티타늄카바이드 파우더(powder)를 사용하여 불균일 혼합으로 인한 언밸런스의 문제점을 해결할 수 있었다.

텅스텐-티타늄카바이드 첨가는 텅스텐카바이드와 티타늄카바이드를 각각 첨가하여 물리적으로 혼합한 것에 비해 제품의 조직에 있어서 텅스텐카바이드와 티타늄카바이드를 균일하게 분포시키고, 첨가시 효과를 극대화하여 소결된 제품의 고온특성을 향상시킨다.

텅스텐카바이드 함량은 92.7% 초과시 바인더 함량 부족으로 인한 결합력 저하, 항절력 저하로 인한 문제(절손,크랙)가 발생될 수 있고, 90.1% 미만시에는 기존 롤과 비교하여 내마모성 향상 효과가 거의 없다.

코발트의 함량은 5% 미만시 결합력 부족으로 열충격에 대한 저항력이 감소되고, 9.9% 초과시 기존 롤보다 내마모성 향상을 기대할 수 없다.

니켈은 1% 미만시 열크랙성 개선, 내부식성 향상을 기대할 수 없고, 5% 초과시 경도 하락으로 내마모성이 저하된다.

크롬은 1% 미만시 내부식성 향상을 기대할 수 없고, 4% 초과시 내열크랙성, 내충격성이 저하된다.

티타늄카바이드는 0.3% 미만 첨가시 내마모성 향상에 영향이 없고, 3% 초과첨가시 취성 증가로 내충격성에 문제가 발생된다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

도 2에 도시된 것과 같은 공정으로 중량 % 기준으로 텅스텐카바이드 함량을 89.2%, 코발트 6.0%, 니켈 2.0%, 크롬 1.5%, 티타늄카바이드 1.3%로하여 3선재 공장의 사상 최종 스탠드(158/87×57㎜) 롤을 제작하여 테스트를 실시하였다.

티타늄카바이드 1.3%를 첨가하기 위하여 텅스텐-티타늄카바이드(WTiC 70:30) 파우더의 형태로 첨가하였다.

즉, 표 3에서와 같이 텅스텐-티타늄카바이드가 첨가된 롤을 3선재공장 사상 최종 스탠드 롤에 사용한 결과, 종래의 롤과 비교하여 우수한 내마모성을 나타내었다.

표 3.

구 분	사용실적(Ton/Cal')	사용 개소
종래 사용롤	250	3선재 #28,29 스탠드
TiC 첨가롤	410	"

※ Cal' : 공형(Caliber의 약자)

도 3에서와 같이, 바인더의 함량이 증가되면 경도는 감소되고, 항절력과 마모는 증가됨을 알 수 있다. 바인더 함량은 항절력, 마모와 비례하고 경도와는 반비례한다.

이것을 이론적 배경으로하여 내마모성 주요 인자인 주원료(텅스텐카바이드, 티타늄카바이드) 함량을 증가시킨 결과, 경도와 내마모성이 향상되었다.

사용전 기술검토시 우려되었던 텅스텐카바이드 함량증가 및 티타늄카바이드 첨가로 발생될 수 있는 열크랙발생 및 항절력 감소로 인한 문제는 발생되지 않았다.

이것은 기존 사상 스탠드 롤이 압연 하중에 의한 마모보다 고속에 의한 단순 마모이고, 열크랙 발생이 없고, 티타늄카바이드 첨가시 텅스텐-티타늄카바이드 첨가로 균일한 조직이 되었기 때문이라고 판단되었다.

즉, 사상 최종 스탠드 롤에 있어서 열크랙, 항절력은 큰 영향이 없음을 알 수 있었다.

한편, 종래의 롤과 본 발명에 따른 롤과의 표면마모 상태를 비교하기 위하여 도 6 및 도 7에서와 같이 레프리카(Replica)를 사용하여 전자현미경으로 50배 확대하여 표면마모사진을 인화하였다.

사진에서와 같이, 양쪽 모두 열크랙, 편마모현상이 발생하지 않았고, 종래의 롤 대비 본 발명의 롤은 사용량 증가에도 불구하고 양호한 표면 조도를 나타내었다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 롤을 사용한 결과 종래의 롤을 사용할 때보다 내마모성이 증가되어 사용수명이 1.5∼1.8배 증가되었고, 이에 따른 수명연장으로 롤 비용절감 5,000만원/년, 교체휴지시간 감소로 인한 생산성 향상 3억원/년, 가공횟수 감소에 따른 공구비용 절감, 내식성 및 제품표면 품질향상, 편경차 향상 등의 우수한 효과가 있었다.

이상에서 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (2)

1. 주원료인 텅스텐카바이드와, 부원료인 바인더를 혼합하여 냉간등방압축, 성형, 소결, 열간등방압축, 가공, 검사의 순서로 선재 압연롤을 제조하는 방법에 있어서,

   중량 %로 90.1∼92.7%의 WC와, 0.3∼3%의 TiC와, 5∼9.9%의 CO와, 1∼5%의 Ni과, 1∼4%의 Cr으로 제조되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 TiC는 텅스텐-티타늄카바이드(70:30 WTiC) 파우더 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 선재 압연롤 제조방법.