KR100530043B1

KR100530043B1 - 압연롤 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100530043B1
Application number: KR10-2000-0075662A
Authority: KR
Inventors: 강용중
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2005-11-22
Also published as: KR20020046335A

Abstract

본 발명은 압연기의 작업롤 등과 같은 압연롤에 관한 것이며; 그 목적은 우수한 내마모성과 적은 표면거침성을 구비한 압연롤을 제공함에 있다.

본 발명의 압연롤은 원심주조 금형에 중량%로, C: 2∼2.15%, W: 1.0~ 1.5%, Mo: 2.5~ 3.5%, V: 4.5~ 5.5%, Cr: 8∼9%, Si: 0.5~ 1.0%, Mn: 0.3~ 0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유한 용탕을 주입하여 압연롤의 쉘(shell)부를 주조하고, 이어서 구상흑연주철 용탕을 주입하여 코아(core)를 주조한 다음, 주조된 압연롤을 800~ 900℃의 온도에서 예열하고, 예열된 압연롤을 1000~ 1100℃ 에서 용체화 처리를 행하고, 소입한 후 530∼570℃의 온도에서 2중 또는 3중 소려(double or triple tempering) 열처리하여 제조된다.

Description

압연롤 및 그 제조방법{MILL ROLL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE ROLL}

본 발명은 압연기의 작업롤 등과 같은 압연롤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 내마모성과 적은 표면거침성을 구비한 압연롤 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 열간압연은 예전보다 가혹한 조건에서 이루어지고 있으며, 이에 따라 압연롤의 표면손상, 표면거침의 가속화, 균열발생(Spalling), 절손 및 롤 원단위 증가 등 롤과 관련한 많은 문제점들이 발생하고 있다. 특히, 압연롤의 마모는 마멸에 의해 발생한 마모분에 의한 마모(Abrasive wear)와 함께 산화마모(Oxidation wear), 열피로 및 열충격에 따른 균열발생, 탄화물의 탈락과정에 의한 피로마모(Fatigue wear), 피압연재의 롤로의 응착(Sticking) 및 응착부의 소성 유동현상 등이 복잡하게 연관되어 진행된다. 즉, 열간압연 작업과정에서 고온의 피압연재와 접촉되는 롤표면은 압연응력과 열응력을 반복적으로 받고, 피압연재와 마찰로 표면층이 파괴되어 손상을 입게 되며, 이로 인해 표층박리, 표면거침 현상이 발생되어 압연제품의 표면품질을 크게 저하시킬 뿐만 아니라 롤의 제반물성에도 나쁜 영향을 미친다.

또한, 압연롤의 표면상태는 제품의 표면품질에 직접적인 영향을 미친다. 특히, 마무리 압연롤의 경우 압연 전단부에서는 압연판의 온도가 높고 열간 스트립의 압하량이 많기 때문에 롤의 표면거침 및 마모 손상이 제품의 표면품질 및 치수형상에 영향을 크게 미치며, 마무리 압연 후단으로 갈수록 비교적 스트립의 압연 온도가 낮고 압하량이 적지만 마모 및 표면거침이 제품의 표면품질 및 치수형상에 직접적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 마무리 압연롤과 같은 압연롤은 내마모성 뿐만 아니라 표면 거침성이 특히 요구된다.

통상 압연롤은 크게 코아(core), 즉 심재(core material)와 그 외층을 둘러싼 쉘부(shell)로 이루어지는데, 쉘부에 사용되는 재질은 종래에는 경도가 높고 표면이 미려하여 윤활작용을 할 수 있는 흑연이 포함된 롤(Indefinite Chilled Roll)이나 고크롬주철롤을 사용하였다. 그러나, 고크롬주철롤의 경우 응고시 셀의 경계부위에 그물형태로 형성되는 탄화물들이 롤의 내마모성을 증대시키나 이 탄화물들은 열피로 균열을 생성시키고 균열의 전파경로로 작용하기 때문에 롤의 열피로 특성을 크게 저하시키는 단점이 있다.

이러한 결점을 개선시킨 압연롤로서, 최근 들어 쉘부를 기본적으로 고속도강(High Speed Steel; HSS)롤을 사용한 기술이 개발되어 강도가 높고 내거침성 및 내마모성이 더욱 우수한 HSS롤이 열간압연에 확대 적용되고 있다.

그 대표적인 예로서, 대한민국 공개특허 제2000-16457호에는 쉘부를 C: 0.9~ 1.5%, Si: 0.3~ 1.0%, Mn: 0.3~ 1.0%, Cr: 0.4~ 10.0%, Mo: 2.0~ 8.0%, V: 0.5~ 5.0%를 포함하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성된 압연용 작업롤이 개시되어 있다. 이러한 HSS 압연롤은 경도가 매우 높은 탄화물들이 롤재료의 내마모성을 향상시키며, 미세한 탄화물들을 포함하는 템퍼드 마르텐사이트 기지가 롤재료의 파괴인성을 증진시키는 특징이 있다.

또한, 미세조직학적 개념하에 HSS 롤들은 V, W, Mo 등과 같은 강한 탄화물 형성원소 들을 포함하여 경도가 매우 높은 탄화물들을 형성하고, Cr 등과 같은 원소를 첨가하여 산화억제, 흑피(black iron oxide layer) 안정화로 경도 및 내마모성의 향상에 기여한다. 그러나, 탄화물들은 기지에 비해 매우 높은 경도를 가지기 때문에 열간 압연 중 기지만 선택적으로 마모가 일어나 탄화물의 융기가 형성될 수 있다. 이로 인해 롤표면이 거칠어져 마찰계수가 상승되어 압연하중을 증가시켜 압연가능 제품의 치수가 제한되고, 제품의 치수정밀도의 유지를 곤란하게 할 뿐만 아니라 제품의 스케일 흠 등이 발생되는 문제가 있다.

본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 그 목적은 주로 탄소와 크롬을 적정 함유량으로 조절하여 롤의 외층 표면 내부에 MC, M₇C₃ 탄화물이 균일하게 분포되어 우수한 내마모성과 적은 표면거침성을 갖는 압연롤을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 그러한 압연롤을 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 쉘부와 코아로 이루어진 압연롤에 있어서,

중량%로, C: 2∼2.15%, W: 1.0~ 1.5%, Mo: 2.5~ 3.5%, V: 4.5~ 5.5%, Cr: 8∼9%, Si: 0.5~ 1.0%, Mn: 0.3~ 0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유한 쉘부와,

상기 쉘부의 내측에는 구상흑연주철로 된 코아로 이루어지고, 그리고

상기 쉘부 표면 내측에는 부피분율로 8~ 9%의 M₇C₃탄화물이 분포되어 있는 압연롤에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 압연롤의 제조방법에 있어서,

원심주조 금형에 중량%로, 상기한 조성을 갖는 용탕을 주입하여 압연롤의 쉘부를 주조하고, 이어서 구상흑연주철 용탕을 주입하여 코아를 주조한 다음, 주조된 압연롤을 800~ 900℃의 온도에서 예열하고, 예열된 압연롤을 1000~ 1100℃ 에서 용체화(austenitization) 처리를 행하고, 소입한 후 530∼570℃의 온도에서 2중 또는 3중 소려(double or triple tempering) 열처리하는 것을 포함하여 구성되는 압연롤 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 압연롤은 쉘(shell)부와 코아부로 구성되며, 상기 쉘부는 기본적으로 Fe-C-V-Cr-Mo-W의 다원계 백주철(HSS롤계)로 조성되고, 코아부는 구상흑연주철로 이루어진다.

상기 쉘부의 Fe-C-V-Cr-Mo-W의 다원계 백주철의 응고과정은 먼저 초정 오스테나이트가 형성된 후, 1차 공정반응(L →오스테나이트 + MC)을 거쳐 2차 공정반응(L →오스테나이트 + M₇C₃)이 진행된다.

본 발명의 압연롤의 전반적인 마모특성을 향상시키기 위해서는 쉘부의 내마모성과 표면거침성을 동시에 고려하여야 한다. 즉, 셀 내부에 고른 분포를 가지고 형성되는 MC 탄화물은 많을수록 내마모성을 향상시키지만, 기지와의 경도차가 커져서 마모시 표면요철을 심하게 하기 때문에 표면거침성을 나쁘게 한다. 또한, 피압연재의 응착이 잘 일어나고 롤의 마찰계수를 증가시킴으로써 압연하중을 크게 증가시키며, 이에 따라 열간압연작업을 어렵게 하므로 많은 MC탄화물의 형성은 전반적인 마모특성을 오히려 나쁘게 한다. 반면, M₇C₃탄화물은 MC탄화물보다 경도는 낮으나 기지와의 경도 차이가 작아 표면 거침성 면에선 MC탄화물보다 좋으므로 M₇C₃탄화물을 적당량 형성시키는 것이 표면거침성과 내마모성을 동시에 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 압연롤은 쉘부의 표면 내부에 M₇C₃탄화물을 8∼9% 정도 형성시켜야 한다. 바람직하게는 M₇C₃탄화물을 8~ 8.5% 정도 균일하게 분포시키는 것이다. 쉘부의 표면 내부에 M₇C₃탄화물이 부족하면 표면 경도가 떨어지고 너무 많으면 압연시간 경과시 M₇C₃탄화물 밀집조직에서 균열이 발생하여 탄화물로 둘러싸인 기지의 탈락을 유발시켜 롤 표면 내거침성이 나빠진다.

한편, 상기 쉘부의 M₇C₃탄화물을 적정 범위로 가져가기 위해서는 상기 HSS롤의 조성을 적정 범위로 유지하여야 한다. 이하, 본 발명의 쉘부를 이루는 HSS롤의 조성을 상세히 설명한다.

상기 HSS롤 중에 함유되는 탄소는 1, 2차 공정 반응을 일으키는 필수 성분으로서, 탄소 함량이 증가하면 MC형 탄화물량은 일정하나 M₇C₃탄화물량이 증가한다. 그러나, 탄소 함량은 2.0% 미만이면 상기 공정반응이 충분히 진행되지 못하여 탄화물의 양이 부족하게 되며, 2.15%보다 많으면 공정반응을 일으키고 남는 고용탄소량이 증가하여 열간 안정성을 저하시킬 우려가 있다.

또한, 상기 W은 1차 공정반응에서 MC탄화물을 형성하는데, 그 함량이 너무 적으면 탄화물 형성이 부족하고, 너무 많으면 과잉의 원소가 기지조직내에 고용되어 물성이 떨어지므로 1.0~ 1.5%의 범위가 바람직하다.

또한, 상기 Mo 역시 1차 공정반응에서 MC탄화물을 형성하는데, 그 함량이 너무 적으면 탄화물 형성이 부족하고, 너무 많으면 과잉의 원소가 기지조직내에 고용되어 롤 표면의 내거침성이 나빠진다. 따라서, 본 발명에서는 Mo의 함량은 2.5~ 3.5%의 범위가 바람직하다.

또한, 상기 V 역시 1차 공정반응에서 MC탄화물을 형성하는데, 그 함량이 너무 적으면 탄화물 형성이 부족하고, 너무 많으면 과잉의 원소가 기지조직내에 고용되어 물성이 떨어진다. 본 발명에서는 V의 함량은 4.5~ 5.5%의 범위가 적당하다.

본 발명에 있어 Cr은 2차 공정반응에 영향을 미치는 가장 중요한 역할을 하는 원소로서 1차 공정반응은 상대적으로 줄고 2차 공정반응이 늘어나 MC탄화물은 감소시키면서 M₇C₃탄화물을 증가시키는 역할을 한다. 이를 위해 상기 Cr함량은 8∼9%의 범위로 함유함이 적당한데, Cr의 함량이 부족하면 2차 공정반응이 충분히 진행되지 못하여 M₇C₃탄화물의 분율이 적어지고, 초과하게 되면 여분의 Cr이 기지조직에 고용되어 기지 표면경도가 떨어져 바람직하지 않다.

상기 Si은 탈산 효과를 위한 원소로서, 적어도 0.5%이상되어야 탈산 효과를 발휘한다. 그러나, Si 함량이 1.0%이상되면 소재가 취화되어 바람직하지 않다.

상기 Mn은 Si과 같은 탈산 기능을 갖는 원소로서, 0.3~ 0.4%의 범위가 바람직하다.

이러한 조성을 갖는 본 발명의 압연롤은 통상 고크롬주철롤에 비해서 약 3∼4 배 우수한 내마모성을 가진다. 이는 고크롬주철롤이 템퍼드 마르텐사이트 기지에 비교적 저경도의 조대한 M₇C₃탄화물로만 구성된 것에 비해 본 발명의 HSS롤은 고경도의 탄화물들이 고르게 분포하기 때문이다. 구체적으로, 쉘 표면 내부에 균일한 M₇C₃탄화물이 분포된 본 발명의 압연롤은 고온 압연을 하는데 필요한 정도, 즉 약 60~ 62HRc 정도의 경도를 유지할 수 있어 매우 양호한 열간안정성을 갖는다.

이하, 본 발명의 압연롤 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명의 제조방법의 특징은 소려(tempering)를 연속하여 2~3회에 걸쳐 실시하므로써, 상기한 조성을 갖는 HSS롤 쉘부의 표면 내부에 잔류 오스테나이트는 거의 존재하지 않고, M₇C₃탄화물을 균일하게 분포시키도록 하는 것이다.

이를 위해 먼저, 통상의 원심주조기에서 상기한 조성을 갖는 용탕을 고속으로 회전하는 금형 내에 주입하여 압연롤의 쉘부를 주조한다. 이때, 금형의 크기는 압연롤의 직경에 따라 임의로 변경 가능함은 물론이다.

그 다음, 상기 금형에 다시 구상흑연주철 용탕을 주입하면 상기 쉘부의 내측에 코아가 형성된다.

이렇게 원심주조된 압연롤은 800~ 900℃에서 예열하는데, 오스테나이트가 퍼얼라이트로 변태되면서 초정 오스테나이트 내에서 미세한 서브 결정(sub-grain)이 생성되며, 추후 용체화 처리(austenitization)시에 오스테나이트에 서브 결정립계가 형성되므로 결정립이 미세해져 롤 표면 강도 및 경도가 향상된다. 이때, 상기 예열온도를 벗어나면 퍼얼라이트 변태가 불충분하여 롤 표면 강도 및 경도가 떨어진다.

그 다음 예열된 압연롤은 약 1000~ 1100℃ 에서 용체화 처리를 행한다. 용체화 처리는 상기 예열후 발생되는 퍼얼라이트를 오스테나이트로 만들어 준다. 이때, 용체화처리의 온도가 높으면 에너지 손실이 크고, 너무 낮으면 퍼얼라이트가 오스테나이트로 되지 못하여 역시 롤 표면 강도 및 경도가 낮아진다.

용체화처리된 압연롤은 바로 통상의 방법으로 소입(quenching)하는데, 본 발명의 경우 500~ 600℃까지는 수냉소입을 행하고, 이후 상온까지 공랭소입(air quenching)이 바람직하다. 이는 급격한 소입에 의해 소입 균열의 위험이 발생될 수 있기 때문이다. 소입을 행한 후에는 압연롤의 기지조직은 마르텐사이트 변태와 잔류 오스테나이트가 형성된다.

그 다음, 소입된 압연롤은 약 530∼570℃의 온도에서 2중 또는 3중 소려(double tempering) 열처리를 행하는데, 롤경에 따라 소려시간이 다르다. 이러한 소려과정을 통해 압연롤의 잔류 오스테나이트는 마르텐사이트 변태가 이루어져 잔류 오스테나이트는 거의 존재하지 않는다. 잔류 오스테나이트는 X선 회절 또는 뫼스바우어로 측정가능하다. 이렇게 하면 기지조직 내에 M₇C₃탄화물이 약 8~9%의 범위에서 균일하게 존재할 수 있다. 그러나, 소려온도가 너무 낮으면 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 충분히 변태하지 못하여 기지조직의 경도가 불균일하여 취성이 발생될 수 있다. 또한, 소려온도가 너무 높으면 쇼킹(soaking) 현상으로 롤 표면의 경도가 저하될 수 있어 바람직하지 않다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 6종류의 HSS 시험롤과 상용 고크롬주철(Hr-Cr) 용탕을 각각 고속 회전하는 수평형 원심주조기의 금형에 주입하여 60mm 두께의 쉘부를 형성시키고, 이어서 구상흑연주철을 주입하여 직경 400 mm, 길이 600 mm의 롤들을 원심주조하였다. 주조된 각각의 롤들을 850℃에서 예열한 후 1050 ℃에서 2시간 용체화 처리한 후, 바로 550℃까지 수냉소입한 다음, 상온까지 공랭소입하고 나서, 약 530∼ 570℃의 온도범위에서 0.5시간/inch 동안 2회에 걸쳐 소려하였다.

이렇게 제조된 각각의 압연롤의 외층 부위에서 시편들을 채취하여 마모시험기에서 회전수에 따른 마모량과 표면 조도를 측정하고, 그 결과를 각각 도1a 및 도1b에 나타내었다.

또한, 발명재(1)와 비교재(3)의 롤 시편에 대하여 현미경 조직을 관찰하여 도2에 나타내었다.

구분	화학조성(중량%)								비고
구분	C	W	Mo	V	Cr	Si	Mn	W당량	비고
발명재1	2.00	1.5	3.0	5.0	9.00	0.75	0.35	7.5
발명재2	2.15	1.5	3.0	5.0	8.00	0.75	0.35	7.5
비교재1	1.97	1.5	3.0	5.05	3.94	0.75	0.35	7.5
비교재2	2.08	1.5	3.0	5.05	6.17	0.75	0.35	7.5
비교재3	1.74	1.5	3.0	5.0	6.25	0.75	0.35	7.5
비교재4	2.37	1.5	3.0	5.0	6.37	0.75	0.35	7.5
종래재	2.9	-	-	-	18.0	1.0	1.07	-	Hi-Cr

표1에서 비교재(2)는 C: 2.0%, W: 1.5%, Mo: 3.0%, V: 5.0%, Cr: 6.17%, Si 0.75%, Mn 0.35%를 기본조성으로 한 롤이며, 이 비교재(2)를 기준으로 비교재(1)은 크롬을 적게 첨가한 강이고, 그리고 비교재(3)은 탄소를 적게 첨가한 강이며, 비교재(4)는 탄소를 많이 첨가한 강이었다.

도1a는 각 시편의 회전수에 따른 마모량의 관계를 보이고 있다. 도1a에 나타난 바와 같이, 모든 HSS롤 시편의 무게는 마모초기인 1000회전에서 증가되며, 그 후 회전수가 많아질수록 거의 선형적으로 감소됨을 알 수 있다. 구체적으로 비교재(1), 비교재(4), 비교재(2), 발명재(1)(2), 비교재(3) 및 종래재의 순서로 마모량이 증가되었다.

한편, 도1b는 회전수에 따른 HSS롤 시편의 표면조도를 보이고 있다. 도1b에 나타난 바와 같이, 모든 HSS롤 시편의 표면조도는 마모초기 1000회전에서 매우 나쁘며, 그 후 4000회전까지 표면조도는 크게 향상되다가 다시 점차 나빠지는 경향을 보인다. 구체적으로 표면조도는 비교재(1), 비교재(4), 비교재(2), 비교재(3) 및 발명재(1)(2)의 순서로 향상되었다.

한편, 도2a는 발명재(1)의 단면 조직사진이고, 도2b는 비교재(3)의 단면조직사진으로서, 도2에서도 알 수 있듯이, 발명재(1)의 경우 M₇C₃탄화물이 균일하게 분포되어 있는 반면, 비교재(3)의 경우 M₇C₃탄화물과 MC탄화물이 불균일한 분포를 이루고 있다. 즉, 도1에서는 비교재(3)의 경우 발명재와 비슷한 표면조도와 마모 정도를 보이고는 있으나 M₇C₃탄화물이 균일한 발명재의 경우 보다 열간 안정성이 우수함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 압연롤은 외층 표면 내부에 MC, M₇C₃탄화물이 균일하게 분포되어 기존의 HSS롤에 비하여 내마모성이 우수하고 압연시간이 경과함에 따라 롤 표면 내거침성이 우수하여 고급 열간압연제품의 표면 품질을 향상시키면서 연속적인 생산이 가능하고 롤 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

도1a는 각각의 압연롤 시편에 대한 회전수에 따른 마모량을 보이는 그래프.

도1b는 각각의 압연롤 시편에 대한 회전수에 따른 표면조도를 보이는 그래프.

도 2는 각각 본 발명 압연롤 및 비교 압연롤의 쉘부의 조직사진.

Claims

쉘부와 코아로 이루어진 압연롤에 있어서,

중량%로, C: 2∼2.15%, W: 1.0~ 1.5%, Mo: 2.5~ 3.5%, V: 4.5~ 5.5%, Cr: 8∼9%, Si: 0.5~ 1.0%, Mn: 0.3~ 0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유한 쉘부와,

상기 쉘부의 내측에는 구상흑연주철로 된 코아로 이루어지고, 그리고

상기 쉘부 표면 내측에는 부피분율로 8~ 9%의 M₇C₃탄화물이 분포되어 있음을 특징으로 하는 압연롤.
압연롤의 제조방법에 있어서,

원심주조 금형에 중량%로, C: 2∼2.15%, W: 1.0~ 1.5%, Mo: 2.5~ 3.5%, V: 4.5~ 5.5%, Cr: 8∼9%, Si: 0.5~ 1.0%, Mn: 0.3~ 0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유한 용탕을 주입하여 압연롤의 쉘(shell)부를 주조하고, 이어서 구상흑연주철 용탕을 주입하여 코아(core)를 주조한 다음, 주조된 압연롤을 800~ 900℃의 온도에서 예열하고, 예열된 압연롤을 1000~ 1100℃ 에서 용체화 처리를 행하고, 소입한 후 530∼570℃의 온도에서 2중 또는 3중 소려(double or triple tempering) 열처리함을 특징으로 하는 압연롤 제조방법.