KR100374209B1 - 롤의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제지기의 스테인레스 스틸 롤 외판의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 가스-분무에 의하여 용융 스틸로부터 분말을 제조하여 이 분말로 롤의 외판 예비 성형물을 제조하고 상기 롤 외판 예비 성형물을 기계 가공하여 롤 외판을 제조한다. 본 발명에 따른 롤 외판의 이점은 부식 피로 내성이 우수하다는 것이다.

Description

롤의 제조방법{ROLL MANUFACTURE}
본 발명은 롤의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스테인레스 스틸로 제조되는 제지기 롤의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 제지기(製紙機)란 일반적으로 종이 및 판지 기계 모두를 의미한다.
작업과정에서, 제지기 롤은 기계적 변형, 부식 및 마모를 동시에 받는다. 주기적으로 변화하는 하중은 전형적인 변형력이다. 비교적 높은 작동온도와 작업 환경 내에 존재하는 염소로 인하여 부식이 우선적으로 발생한다.
다양한 종류의 스테인레스와 스테인레스 듀플렉스 스틸이 현재 롤의 재료로써 사용된다. 듀플렉스 스틸은 페라이트와 오스테나이트를 함유하는 마이크로구조에 의해 특성화된다. 동등한 부피 분담은 일반적으로 이를 목표로 한다. 듀플렉스 스틸은 2개상(相)의 마이크로구조 때문에 양호한 부식 피로 내성을 특징으로 한다.
오늘날 롤의 외관은 주조, 압연된 시이트의 용접 또는 단조에 의한 원심분리방법으로 제조된다.
예를들면, 핀란드 특허공고 제FI-86747호에는 제지기 롤용 주조 스틸이 기재되어 있는데, 그 조성은 다음과 같다: C 0.10% 이하, Si 1.5% 이하, Mn 2.0% 이하, Cr 25.0 내지 27.0%, Ni 5.0 내지 7.5%, Cu 1.5 내지 3.5%, N 0.15% 이하, Mo 0.5% 이하.
본 발명자들은 특허청구의 범위 제 1항에 따른 제지기 롤 외판의 제조방법을 완성하게 되었다.
본 발명에 따르면, 롤 외판의 예비 성형품은 고온 등압 압축성형 또는 압출성형에 의해 가스-분무된 스틸 분말로 제조된다.
본 발명에 따른 롤 외판의 주요 장점은 이들이 양호한 부식 피로 내성을 가진다는 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은,
-. 오스테나이트-페라이트 스테인레스 스틸을 스틸로 사용하여 이것으로 종이 또는 판지 기계 롤 외판 또는 롤 외관 예비 성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는,
-. 불활성 가스 분무에 의하여 응용 스틸로부터 분말을 제조하고,
-. 롤의 외판 예비 성형물 또는 롤의 외판 예비 성형물의 섹션을 분말로부터 제조하여 몰드를 이 분말로 충전하고 고온에서 가압하 및/또는 고온 가공 하에 넣고 롤 외판 예비 성형물의 섹선이 제조되면 이들을 결합하여 롤의 외판 예비 성형물을 제조하고,
-. 롤 외판 예비 성형물을 기계 가공하여 롤 외판을 제조하는 것인 스틸로 된 롤 외판의 제조방법인 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 제지기 롤의 길이는 5 내지 10미터이고, 직경은 0.5 내지 1.3미터이며 벽 두께는 50 내지 80mm이다. 롤의 회전 속도는 1500 RPM 정도인데, 즉 피로 균열을 일으키는 하중 변화수는 초당 25 배리에이션이다.
부식은 주기적 하중으로 인한 피로 손상의 개시를 촉진한다. 실제로, 부식 피로는 흡입 롤 외판 내에서의 가장 빈번한 손상 메카니즘이다. 이것은 일반적으로 주조 또는 용접 결함, 부식 피트(pit) 또는 비금속성 슬래그 함유물로 개시된다.
주조 결함은 고체화 결함 또는 가스 함유물로 인하여 고체화 과정에서 발생한다.
점식(pitting)은 일반적으로 스틸 표면의 수동 필름에서 발생하는 손상에서 비롯된 것으로, 염소(鹽素) 등의 영향 하에서 국소적인 활성 영역이 발생하고 여기에서 높은 부식 전류밀도와 급속한 피트 부식이 발생한다. 외부 하중은 수동 필름의 손상을 촉진한다.
산화물과 황화물 등의 비금속성 슬래그 함유물은 이들의 국소 노치 효과로 인하여 피로성 균열의 개시 부위로 작용할 수 있다. 또한, 예를들면 황화 망간은 부식 때문에 용해되어 생성된 점식이 피로성 균열을 일으킨다.
피로성 균열이 발생한 후에, 동시에 존재하는 부식과 주기적으로 변화하는 외부 변형력의 효과 하에서 균열이 진행될 것이다.
본 발명에 따르면, 롤 외판은 가스-분무 및 예비합금된 스틸 분말로 제조된다. 상기 분말은, 예를들면 바람직한 종류의 용융 스틸을 먼저 만들고 불활성 가스 제트를 실시하여 제조된다. 가스 제트는 용융 스틸을 주로 500 마이크로미터 이하의 작은 입자로 분해하고, 이 입자들은 급속히 고체화된다. 실제로, 임의 형태의 특정한 세라믹 노즐을 통하여 특정한 분무 챔버에 용융 스틸을 부어서 분무한다.
상기 분말은 생성물에 기공이 없도록 고온 등압 압축성형 또는 고온 압출성형에 의하여 고체화된다.
고온 등압 압축성형에 있어서는, 먼저 얇은 시이트로 몰드를 제조하여 이것을 스틸 분말로 채운다. 분말의 충전은 몰드의 필요한 크기를 고려하여 최종 크기가 원하는 크기에 가능한 근접하여야 한다. 충전된 몰드를 빼서 용접 밀폐하여 고온 등압 프레스로 옮긴다. 여기에서, 불활성 기체(아르곤), 고온 및 고압을 몰드에 가함으로써 몰드가 압축되고 분말은 소심 변형, 크리프 및 확산으로 인하여 치밀화된다. 일반적으로 압력은 100 내지 120 MPa이고, 온도는 1100 내지 1200℃이며, 가압시간은 스테인레스 스틸에 대하여는 적어도 3시간이다. 에칭 또는 기계 가공에 의하여 몰드를 표면에서 분리한다.
분말 압출성형에 있어서는, 스틸 몰드를 먼저 분말로 충전한다. 필요하다면, 몰드 내의 분말을 냉압에 의해 어느 정도까지 압축할 수 있다. 다음으로 몰드를 예열하고 원하는 형태로 압출한다. 임의로, 이 몰드를 특정한 몰드에서 먼저 고온 압축하여 다소 치밀화된 예비 성형물을 얻는다. 최종적으로 이 예비 성형물을 고온 압출한다. 일반적인 압출 온도는 1100 내지 1300℃이다. 압출 성형물은 수분 내에 처리되어 압출된다.
압출성형 전에 예비 성형물은 펀칭에 의하여 더욱 치밀화될 수 있다. 펀칭에 있어서는 먼저 특정한 펀칭 도구가 예비 성형물을 통과하므로써 예비 성형물이 성형되고 분말은 약 100%의 밀도로 압축된다. 동시에 예비 성형물은 튜브와 같이 된다.
2개의 방법 모두 피로성 균열의 개시체로써 작용할 수 있는 어떠한 기공 또는 결함 없이 매우 치밀한 재료의 롤 외판을 제조하는데 사용될 수 있다.
가스 분무에 있어서, 입자들은 매우 급속히 고체화되어 그 조성이 입자 전체에서 완전히 균질화된다. 이러한 방법으로 합금 성분들이 롤 재료 내에서 완전히 균질하게 분포된다. 한편, 주물이 고체화될 때 마이크로편석(偏析)과 마크로편석이 본체에서 발생하여, 그 결과 고체화된 재료의 조성이 본체의 상이한 부분에서 목적하는 최적의 조성과 달라진다. 본 발명에 따라 제조된 롤에 있어서, 재료의 부식 피로 내성은, 예를들면 본체 전체에서 균일하게 높다. 본체는 합금 성분의 국소적인 고함량으로 인한 어떠한 결함도 가지지 않는다. 본 발명에 따른 방법에 있어서는 고농도의 크롬과 몰리브덴 합금을 사용하며, 부식 내성을 감소시킬 수 있는 시그마 상(相)과 같은 메짐성 상의 발생없이 부식 내성을 개선할 수 있다.
분말 입자들이 급속히 냉각될 때 분말 입자 내에 기공이 생성되지 않는다. 그러므로, 필요하다면 강도와 부식 내성을 더욱 개선하기 위해 비교적 높은 농도의 질소를 합금에 사용할수 있다.
고온 등압 압축성형 또는 압출성형에 의하여 예비 성형물을 직접 목적하는 롤 형태로 제조할수 있는데, 이 예비 성형물은 기계 가공되어 최종 제품으로 제조된다. 큰 롤은 용접에 의하여 서로 결합되는 수개의 섹터 모양의 부분들로부터 제조될 수 있다. 가압에 의하여, 고온 가공으로 최종 형태를 형성하는 중간 예비 성형물을 먼저 제조할 수 있다. 본체 내에서의 편석에 의한 파열 위험이 없기 때문에 작업성이 우수하다.
분말 재료는 오스테나이트-페라이트 스테인레스 스틸이며, 특히 그 조성은다음과 같다(이하의 함량은 중량%임):
다음 조성은 특히 큰 롤에 적당하다:
또한, 필요하다면 3중량% 이하의 텅스텐과 총 0.5중량% 이하의 바나듐, 니오븀 및 티타늄 등의 소량의 기타 합금 재료를 사용할 수 있다.
본 발명에 사용하기 위한 스틸 등급의 부식 내성은 PREN(질소와 등가인 피팅 내성) 인덱스에 의해 표시될 수 있는데 PREN 인덱스는 다음 식에 의하여 Cr, Mo 및 N으로부터 계산된다:
PREN = Cr-% + 3.3*Mo-% + 16*N-%
텅스텐을 사용하면 PRENW 인덱스가 사용된다:
PRENW = Cr-% + 3.3*(Mo-%+0.5*W-%) + 16*N-%
제 1도는 ASTM G 48 방법 A 스탠다드로 시험된 본 발명(P/M)과 종래의 주조방법에 의해 제조된 듀플렉스 스틸 각각의 피팅 내성을 PRENW 인덱스의 함수로 나타낸 것이다. 본 발명에 따라 제조된 제품은 피팅 내성이 본질적으로 향상되었으며 증가된 합금율이 주조 제품 이상으로 피팅 내성을 개선하였다.
제 2도에서 보이는 바와 같이, 항복 강도와 인장 강도 모두 PREN 인덱스를따라 증가하였다.
제 3도는 부식 피로 내성에 대한 PRENW 인덱스의 효과를 나타낸 것이다. 이 시험에는 회전-벤딩 피로 시험 (f 85 Hz, 3-% NaCl 용액)이 사용되었다. 수평축은 분쇄 전의 하중 변화수를 나타낸다. 이 도면으로부터 PRENW 인덱스가 증가하면 부식 피로 내성이 개선되는 것을 알수 있다.
제 4도는 고온 가공성 측면에서 고온 등압 압축성형에 의해 분말로부터 제조된 예비 성형물(DUP27)과 주조 예비 성형물(DUP27 C)을 비교한 것이다. 가압된 예비 성형물의 인성은 파열 영역의 변형에 의해 측정되었다. 가압된 예비 성형물이 주조 예비 성형물보다 고온 가공온도에서 분명히 더 우수한 것을 알수 있다.
PRENW(또는 PREN) 인덱스는 35 이상이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 40 이상이다.
스틸 분말의 산소 함량은 가능한 낮아야 한다. 바람직하기로는 250 ppm 이하이다. 분말을 주의 깊게 처리하고 분무화 가스의 순도를 조절하며 캡슐 재료의 정확한 처리와 제조에 의해 낮은 산소 농도가 얻어진다.
큰 입자들은 사용 전에 스틸 분말로부터 선별하여 제거하는 것이 바람직하다. 분말의 바람직한 최대 크기는 500 마이크로미터이고, 더욱 바람직하기로는 250 마이크로미터 이하이다. 이러한 방법으로 최종 제품에서 어떠한 거대 비금속성 함유물의 생성도 방지할 수 있다. 상기한 함유물은 피로 내성 면에서 특히 문제가 된다.
제 1도는 본 발명(P/M)과 종래의 주조방법에 의해 제조된 듀플렉스 스틸 각각의 피팅 내성을 PRENW 인덱스의 함수로 나타낸 것이다.
제 2도는 상이한 합금 비율에서의 듀플렉스 스틸의 항복 강도와 인장강도를 나타낸 것이다.
제 3도는 부식 피로 내성에 대한 PRENW 인덱스의 효과를 나타낸 것이다.
제 4도는 고온 가공성 측면에서 고온 등압 압축성형에 의해 분말로부터 제조된 예비 성형물(DUP27)과 주조 예비 성형물(DUP27 C)을 비교한 것이다.

Claims (11)

  1. 불활성 가스의 분무에 의해 용융 스틸로부터 분말을 제조하고,
    - 상기 분말로 몰드를 충전하고 고온 가압 하에 또는 고열 가공하에 놓아 상기 분말로 롤의 외판 예비 성형물 또는 롤의 외판 예비 성형물의 섹션을 제조하고, 그리고 롤 외판 예비 성형물의 섹션이 만들어졌다면 이들을 결합하여 롤의 외판 예비 성형물을 제조하며,
    - 상기 롤 외판 예비 성형물을 기계 가공하여 롤 외판을 제조하는 스틸로 된 롤 외판의 제조방법으로서,
    스틸로서 오스테나이트-페라이트 스테인레스 스틸을 사용하고, 이것으로 종이 또는 판지 기계의 롤 외판 또는 롤 외판 예비 성형물을 제조하는 것을 특징으로 하는 롤 외판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가압은 고온 등압적으로 수행하여서 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 중간 예비 성형물은 분말을 고온 등압 압축성형하여 제조되고, 최종 롤 외판 예비 성형물 또는 롤의 외판 예비 성형물의 섹션은 분말을 고열 가공하여서 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 스틸은 하기 중량%의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
    C 최대 0.08
    Si 최대 2
    Mn 최대 2
    Cr 18 내지 29
    Mo 1.5 내지 4.5
    Ni 4.5 내지 9
    Cu 최대 3
    N 0.1 내지 0.35
    S 최대 0.03
    P 최대 0.03
    Al 최대 0.1
  5. 제 4 항에 있어서, 합금 재료로서, 상기 스틸은 텅스텐 3중량% 이하, 바나듐, 니오븀 또는 티타늄을 총 0.5중량% 이하를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 흡입 롤을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 스틸의 PRENW 인덱스, 즉 PRENW = Cr-% + 3.3*(Mo-%+0.5*W-%) + 16*N-%가 35 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 산소 함량이 최대 250ppm인 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 예비 성형물을 제조하기 전에 500 마이크로미터 이상의 입자들을 상기 분말에서 제거하여서 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 몰드를 분말로 충전하고, 고온 가압 하에 또는 고열가공하에 넣어 가스-분무된 스틸 분말로 예비 성형물을 제조하여서 스틸로 된 롤 외판 예비 성형물 또는 롤 외판 예비 성형물의 섹션을 제조하는 방법으로서, 오스테나이트-페라이트 스테인레스를 스틸로 사용하고 이것으로 종이 또는 판지 기계 롤을 제조하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
  11. 제1항 또는 제10항에 있어서, 스틸 분말로 예비 성형물을 제조하는 공정은 가압 및 고열 가공 하에서 진행되는 제조방법.
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