KR100411716B1 - 오버레이 용접용 합금재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철강소재의 이송에 사용되는 핀치롤(pinch roll), 유닛롤(unit roll) 등의 표면 오버레이 용접용 합금재에 관한 것으로서, 중량%로, C : 0.8∼1.0%, Mn : 0.5∼2%, Si : 0.5∼2%, Cr : 6∼8%, Ni : 2~4%, Ti : 1∼3%, Nb : 1∼3%, 기타 W, V, Mo 각각 0.1∼5%, 나머지: Fe 및 기타 불순물로 조성되고, 상기 Ti, Nb로 구성된 복합 탄화물의 균일한 분포로 내마모성이 우수하면서 낮은 마르텐사이트 변태개시온도를 가지는 것을 그 특징으로 하므로, 내마모성이 뛰어나면서, 용접비드간 경도편차가 크지 않고, 또한 내식성도 뛰어나므로 열연강판 이송롤의 오버레이 용접용 재질의 수명을 상용재에 비해 연장할 수 있다.

Description

오버레이 용접용 합금재

본 발명은 철강소재의 이송에 사용되는 핀치롤(Pinch Roll) 및 유니트롤(Unit Roll) 등의 표면 상에 오버레이 용접하기 위한 합금재에 관한 것이고, 보다 상세하게는 열연코일의 이송시 마모와 부식 등이 발생하는 고온 분위기에서 뛰어난 내마모성을 가지는 오버레이 용접용 합금재에 관한 것이다.

핀치롤에 사용되는 오버레이 용접용 합금재가 지녀야 할 요구특성으로는 먼저 마모가 균일하게 발생되도록 용접부의 경도값의 편차가 적어야 한다는 것이다. 이는 마모가 불균일하게 발생하는 경우에 롤 표면에서 축방향을 따라 골이 생기게 되고 이것이 열연코일의 표면에 전사되어 제품의 표면불량을 야기시키기 때문이다.

또한, 열연코일 표면의 철계 산화물에 의한 핀치롤 표면의 긁힘마모에 대한 저항성이 우수하여야 한다. 이것은 마모정도에 따라 핀치롤의 사용수명이 결정되기 때문이다.

그리고, 핀치롤은 고온 및 부식환경에서 사용되므로 내식성을 지녀야 한다. 이는 내식성이 불량한 경우에 핀치롤의 표면에 부식흠이 발생하고 결국 열연코일 표면에 부식흠의 자국을 남겨 표면 불량을 야기하기 때문이다.

한편, 핀치롤 상의 용접부에서 경도편차가 균일하기 위해서는 미세조직상의 편차가 없어야 한다. 그러나, 일반적인 용접의 특성상 열영향부와 비열영향부가 겪게 되는 열이력(thermo history)이 다르기 때문에 미세조직상의 차이는 용접부에서 필연적으로 나타나게 된다.

이러한 경도편차를 줄이기 위하여, 후열처리를 통해 오스테나이트 변태온도 이상으로 가열한 후에 균일하게 냉각함으로써, 용접중 발생되는 상이한 열이력에 의한 미세조직상의 차이를 없앨 수 있다. 하지만, 변태온도 이상으로 후열처리를 수행하는 것 자체가 비용상승을 초래하는 단점이 있다.

또 다른 방법으로는, 용접부의 예열온도를 용접재료의 마르텐사이트 변태온도 이상으로 유지하여 오스테나이트 영역에서 용접을 마친 후 전체적으로 서냉시키면 용접부의 경도편차를 줄일수 있다. 즉, 마르텐사이트의 템퍼링이 되는 온도와 시간이 상이함으로 인하여 경도편차가 커지므로 마르텐사이트 변태가 일어나지 않는 고온영역에서 용접함으로써 경도편차를 줄일 수 있다. 이런 효과를 얻기 위해서는, 용접재료의 마르텐사이트 변태 개시온도를 낮게 유지할 필요가 있다.

재료의 내마모성을 높이기 위해서는 재질의 경도를 높여주는 것이 가장 유력한 방법인데, 지나치게 경도가 높아서 재질의 인성이 떨어지면 오히려 균열이 쉽게 발생하여 수명이 단축될 수 있으므로, 비교적 연한 기지 조직에 경한 석출물이 균일하고 미세하게 분포되어 인성과 내마모성을 함께 지니도록 해야 한다.

마지막으로 철계 용접용 재료가 내식성을 가지려면 크롬을 첨가하는 것이 가장 유력한 방법이다. 그러나 크롬이 지나치게 많이 첨가되는 것은 경제적으로도 바람직하지 않고, 또한 열연코일이 핀치롤에 달라붙어 표면흠이 생길 수도 있다는 문제점이 있다.

이에 본 발명자는 앞서 언급한 여러 가지 요구특성을 지니면서 기존의 재질보다 우수한 열연코일 권취용 핀치롤 및 유니트롤에 적합한 오버레이 용접용 합금재를 개발하기 위하여 연구와 실험을 행하였고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 합금성분 및 그 함량을 적절히 제어함으로서, 열연코일 권취용 핀치롤 및 유니트롤에 적합하게 사용되는, 경도편차가 적으면서, 뛰어난 내마모성을 지니고, 내식성도 양호한 오버레이 용접용 합금재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 오버레이 용접용 합금재는, 중량%로, C : 0.8∼1.1%, Mn : 0.5∼2%, Si : 0.5∼2%, Cr : 7∼8%, Ni : 2~4%, Ti : 1∼3%, Nb : 0.9∼2%, W : 5% 이하, 기타 V, Mo 각각 0.1∼5%를 갖고, 나머지는 Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 상기 Ti, Nb로 구성된 복합 탄화물의 균일한 분포로 내마모성이 우수하면서 낮은 마르텐사이트 변태 개시 온도를 갖는다.

이하, 본 발명에 있어서, 강의 조성범위 한정이유에 대하여 보다 상세히 설명한다.

C는 철을 강화시켜 주는 원소로서 일반적으로 경도를 증가시킨다. 본 발명에 따르면, C는 Ti, Nb, W 등과 결합하여 고경도의 탄화물을 형성하고, 나머지는 이들탄화물을 둘러싸는 기지조직 중에 고용된다. 이때, 기지조직 중에 고용되는 C의 양이 너무 많으면 재질의 인성이 부족하여 균열감수성이 높아져서 바람직하지 않으므로, Ti, W, Nb 등의 첨가량을 고려하여 0.8∼1.1% 정도가 바람직하다.

Cr은 본 발명의 합금에 있어서 필수적인 원소이다. 핀치롤의 고온의 열연강판과 지속적으로 접촉하고, 또한 냉각수가 핀치롤 표면에 지속적으로 뿌려지는 환경 하에 있기 때문에 마모와 더불어 부식이 심하게 발생할 수 있다. 따라서, 핀치롤용 오버레이 용접용 합금재는 부식에 대한 저항성, 즉 내식성을 지녀야 하고, 이를 위하여 Cr을 첨가하여야 한다. 그런데, 만약 Cr의 첨가량이 8%를 초과해서 너무 많으면 열연 코일이 핀치롤 표면에 달라붙어 표면 불량을 야기하는 반면에 7% 미만이면 핀치롤에 적합한 내식성을 제공하지 못한다. 따라서, 적정한 Cr 첨가량은 7∼8% 정도이다.

Ni은 본 발명의 합금에 있어서 필수적인 원소이다. Ni의 역할은 기지중에 고용되어 오스테나이트 상을 안정시킴으로써 Mn과 더불어 마르텐사이트 변태개시온도를 점차적으로 저하시킨다. 한편, Ni의 첨가량이 4%를 초과하여 지나치게 많은 경우 상온에서도 오스테나이트가 잔류하여 기지조직의 경도가 저하되는 반면에 2% 미만이면 오스테나이트 안정화효과를 만족시키지 못한다. 따라서, 적정한 Ni의 첨가량은 2∼4% 정도이다.

Ti 및 Nb은 탄소와 결합하여 고경도의 복합탄화물을 형성하는 탄화물 형성원소이다. 이들을 함유함으로써 오버레이 용접용 합금재의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 탄화물 형성원소가 많을수록 내마모성은 증가하지만 인성은 감소하게 된다. 즉, Ti의 첨가량이 3%를 초과하여 지나치게 많으면 균열이 발생할 가능성이 높은 반면에 1% 미만이면 내마모성 효과를 만족시키지 못한다. 그러고, Nb의 첨가량이 2%를 초과하여 지나치게 많으면 균열이 발생할 가능성이 높은 반면에 0.9% 미만이면 내마모성 효과를 만족시키지 못한다. 따라서, Ti의 적정 첨가량은 1∼3% 정도이고, Nb의 적정 첨가량은 0.9∼2%정도이다.

Mo 및 V은 본 발명의 합금재에서 일부는 탄화물을 형성하고 나머지는 기지중에 고용되어 고온에서의 뜨임에 대한 저항성을 가지게 한다. Mo와 V의 첨가량이 0.1% 미만이면 기지 중에 고용되는 고용량이 감소되어 뜨임에 대한 저항효과가 미미한 반면에 5%를 초과하면 고온에서의 뜨임효과에 비해 비용이 과다하게 된다. 따라서, 경제성을 감안하여 Mo와 V의 첨가량은 0.1∼5% 정도가 바람직하다.

W은 탄소와 결합하여 고경도의 복합탄화물을 형성하는 탄화물 형성원소이다. 따라서, W이 첨가되면 합금재의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 그러나, W의 첨가량이 5%를 초과하면 내마모성 향상효과에 비해 비용상승이 더 크다. 따라서, W의 첨가량은 5% 이하로 제한한다.

Mn 및 Si은 본 발명의 합금재를 응고시킬 때 용강 중의 용존산소를 제거하는 역할을 수행한다. Mn과 Si의 첨가량이 0.5% 미만이면 용존산소 제거효과가 미미한 반면에 2%를 초과한 경우에 용존산소 제거효과에 비해 비용상승이 더 크고 특히 Mn은 용강중의 S와 반응하여 MnS를 형성하게 된다. 따라서, Mn과 Si의 첨가량은 각각 0.5∼2.0% 정도로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같은 조성 및 함량범위로 합금을 조성하고, 오버레이 용접에 의해 내마모성을 부여하고자 하는 대상물 위에 육성층, 즉 오버레이층(overlay layer)을 형성한 후에 잔류응력의 제거를 위해 후열처리를 실시한다. 이때, 후열처리 온도가 600℃를 초과하여 너무 높으면 오버레이층의 경도가 지나치게 저하하여 내마모성이 나빠지는 반면에 500℃ 미만인 경우에 잔류응력 제거효과가 미미한다. 따라서, 후열처리는 500∼600℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 합금성분계를 갖는 합금재를 오버레이 용접에 의해 제조했다. 즉, 오버레이 용접에 의한 본 발명의 합금화는 먼저 용접시 희석률을 고려해서 용착금속이 본 발명재의 합금 성분이 되도록 금속분말을 배합하여 플러스 코어드 와이어를 제조하였고, 와이어와 모재간에 아크를 발생시키고 아크열에 의해 용접봉이 녹아 모재 표면에 융착되게 하여 제조하였다.

[표 1]

위와 같이 제조된 오버레이 용접부의 응력제거 등을 위해 후열처리를 실시한 후, 용접부의 경도분포를 측정하여 그 최대 편차값을 알아 보았고, 더불어 마르텐사이트 변태 개시온도를 측정하였으며, 마지막으로 마모시험을 통한 내마모성을 조사하였다.

적정한 후열처리 온도는 용접부의 경도분포가 적으면서 전체적인 경도값이 크게 하락하지 않는 범위의 온도에서 실시하였다. 그리고, 마모시험은 저응력 건식 긁힘마모 시험기(Dry sand rubber wheel abrasive test: ASTM Standard G65-85)에서 하중 20kg, 회전속도: 300rpm, 시험시간 30분, 사용모래 직경: 0.15∼0.3mm인 동일 조건에서 시험했을 때의 마모량을 나타낸 것이다. 이상의 시공 조건과 실험 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

[표 2]

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 종래재에 비해서 발명재의 내마모성이 매우 우수함을 알 수 있다. 또한, 종래재 3은 탄화물 형성원소인 W, Ti 및 Nb를 포함하고 있지 않을 경우로서, 경도편차가 적은 반면에 내마모성이 매우 열악함을 알 수 있다. 종래재 1과 2는 내마모성이 양호한 특성을 나타내는 반면에 경도편차가 크게 나타난다. 이는 열처리를 통한 경도편차 감소효과를 향상시키기 위하여 마르텐사이트 변태개시온도를 낮게 유지하여야 하지만, 종래재 1과 2에는 마르텐사이트 변태개시온도를 저하시키는 효과를 나타내는 Ni 성분이 본원 발명의 성분범위를 벗어나 있기 때문에 경도편차가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서, 종래재 1과 2는경도편차가 크기 때문에 불균일한 마모가 발생할 확률이 높다.

그러나, 발명재의 경우 Ni이 본 발명의 성분범위를 만족하고 있으므로 마르텐사이트 변태 개시온도가 낮아져서 용접부의 경도편차가 적다. 그리고, Ti, Nb로 구성된 복합 탄화물의 균일한 분포로 내마모성은 매우 우수하므로 핀치롤의 오버레이 용접용 합금재료로 매우 효과가 좋다. 또한, 종래재에 대비하여 Cr함량도 높기 때문에 사용중 부식에 의한 표면흠 발생도 줄어들 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 합금재는 그의 합금성분 및 그 함량을 적절히 제어하여 내마모성이 뛰어나면서 용접비드간 경도편차가 크지 않고, 또한 내식성도 뛰어나므로 열간압연 이송롤, 특히 핀치롤의 오버레이 용접용 합금재로 사용될 때, 상용재에 비해 수명연장 효과가 크다.

Claims (2)

1. 내마모성을 부여하고자 하는 대상물 상에서 오버레이 용접에 적합한 합금재에 있어서,

   중량%로, C : 0.8∼1.1%, Mn : 0.5∼2%, Si : 0.5∼2%, Cr : 7∼8%, Ni : 2~4%, Ti : 1∼3%, Nb : 0.9∼2%, W : 5% 이하, 기타 V, Mo 각각 0.1∼5%, 나머지: Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 상기 Ti, Nb로 구성된 복합 탄화물의 균일한 분포로 내마모성이 우수하면서 낮은 마르텐사이트 변태개시온도를 가지는 티타늄이 첨가된 크롬강 오버레이 용접용 합금재.
2. 제1항에 있어서,

   상기 대상물 상에 상기 합금재의 오버레이층을 형성한 후에 잔류응력의 제거를 위하여 500∼600℃에서 후열처리를 실시한 것을 특징으로 하는 티타늄이 첨가된 크롬강 오버레이 용접용 합금재.