KR101391028B1 - 압연용 복합롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압연용 복합롤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 철계합금으로 이루어지며, 외측에 요홈부가 형성되는 원통형의 내층과, 초경합금으로 이루어지며, 상기 요홈부에 삽입되어 상기 내층과 확산접합되는 링 형태의 외층을 포함하여 구성됨으로써 박리현상 및 균열현상을 방지할 수 있는 압연용 복합롤 및 서스 캔(SUS can) 내부에 접합하고자 하는 압연용 복합롤을 다층 적층하여 진공을 형성한 후 열간등방가압(HIP) 처리함으로써 한 번에 다수의 압연용 복합롤을 제조할 수 있는 압연용 복합롤의 제조방법을 제공한다.

Description

압연용 복합롤{COMPOSITE ROLL FOR ROLLING}

본 발명은 압연용 복합롤의 제조에 관한 것으로, 특히, 이종 소재의 접합강도를 향상시켜 열팽창계수 차이로 인한 응력을 최소화함으로써 계면박리현상, 크랙 등을 방지할 수 있는 압연용 복합롤 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재, 선재 또는 봉재의 강 제조에 있어서 취급하는 강재의 고급화와 압연속도의 증가에 따라 경도 및 내마모성이 우수한 텅스텐카바이드(WC) 초경합금 소재의 압연롤이 개발되어 사용되고 있다.

특히, 최근에는 압연롤의 대형화 요구에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 실제 압연이 이루어지는 외층(11)은 초경합금으로 구성하고, 내층(12)은 스틸 또는 주철재로 구성하여 외층(11)과 내층(12)을 확산접합시킨 형태의 원통형 복합롤(10)이 개발되기에 이르렀다. 이러한 원통형 복합롤은 통상 열간등방가압법(Hot Isostatic Pressing; HIP)에 의해 확산접합된 원통형 접합체를 샤프트에 기계적으로 조립하거나 원통형 초경합금 내부에 주철재를 주조하여 접합하는 방식으로 제조된다.

그러나 원통형 복합롤을 구성하는 초경합금과 철계합금은 열팽창계수(초경합금: 7~8× 10^-6mm/mm℃, 철계합금: 12~13× 10^-6mm/mm℃)에 큰 차이가 있기 때문에 원통형 복합롤의 길이나 외경이 커질 경우 열팽창계수 차이에 따른 응력이 발생하여 접합강도가 저하될 수 밖에 없으며, 이에 따라 접합부위에서 계면박리나 균열이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자는 상술한 종래기술의 제반 문제점을 예의주시하여 초경합금과 철계합금의 접합강도를 향상시켜 대형화를 구현할 수 있는 압연용 복합롤에 대한 연구를 거듭한 끝에 본 발명에 이르게 된 것이다.

본 발명은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 외층을 구성하는 초경합금과 내층을 구성하는 철계합금의 접합강도를 향상시켜 이종 소재의 접합시 발생하는 계면에서의 열팽창계수 차이로 인한 응력을 최소화할 수 있는 압연용 복합롤을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은, 철계합금으로 이루어지며, 외측에 요홈부가 형성되는 원통형의 내층과, 초경합금으로 이루어지며, 상기 요홈부에 삽입되어 상기 내층과 확산접합되는 링 형태의 외층을 포함하여 구성되는 압연용 복합롤을 제공한다.

이 경우, 상기 요홈부는 테이퍼지게 형성될 수 있다.

이 경우, 상기 요홈부의 테이퍼진 각도는 1~30˚일 수 있다.

이 경우, 상기 내층과 상기 외층 사이에는 상기 내층 및 상기 외층의 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완충하는 중간층이 형성될 수 있다.

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이 경우, 상기 철계합금은 0.1~2.5wt%의 C와, 0.1~5wt%의 Mo과, 0.1~5wt%의 Ni과, 0.1~5wt%의 Cr 및 나머지 Fe로 구성되고, 상기 초경합금은 WC를 포함하는 95~40wt%의 탄화물 및 나머지 Co, Ni, Cr을 포함하는 금속으로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명은, 서스 캔(SUS can) 내부에 상기 압연용 복합롤을 다층 적층하여 진공을 형성한 후 열간등방가압(HIP) 처리함으로써 한 번에 다수의 압연용 복합롤을 제조하는 것을 특징으로 하는 압연용 복합롤의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 철계합금으로 이루어지는 원통형 내층의 외주면에 요홈부를 형성하고, 이러한 요홈부에 초경합금으로 이루어지는 링 형태의 외층을 삽입하여 확산접합시킴으로써 이종 소재의 접합에 따른 응력을 최소화하여 계면박리현상, 균열현상 등을 방지할 수 있다.

또한, 압연용 복합롤을 구성하는 내마모성 소재로 순수한 초경합금 대신 초경합금과 철계합금을 접합하여 사용함으로써 제조단가를 낮추는 동시에 경량화를 실현할 수 있다.

도 1은 종래의 원통형 복합롤을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 제조방법을 나타낸 공정도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 제조방법을 예시한 도면,
도 6의 (a)는 항절력 시편의 접합부위의 사진, (b)는 b-c의 경계면 사진, (c)는 a-b의 경계면 사진,
도 7은 항절력 시편의 접합면에 따른 성분 변화를 나타낸 그래프.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤(100)은 철계합금으로 구성되는 내층(110)과, 초경합금으로 구성되어 상기 내층(110)에 확산접합되는 외층(120)으로 구성된다.

구체적으로, 상기 내층(110)은 상기 압연용 복합롤(100)의 설치시 샤프트(도면 미도시) 등을 삽입하기 위한 구성으로 원통형으로 형성된다. 본 발명에서는 상기 내층(110)의 외주부에 원주방향을 따라 요홈부(111)가 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다. 즉, 상기 내층(110)을 단순한 원통형으로 구성하면 상기 외층(120)과의 접합면이 하나로 국한되어 접합강도가 낮아질 수 밖에 없으므로 상기 내층(110)의 외주부에 상기 요홈부(111)를 형성하여 상기 외층(120)이 상기 요홈부(111)의 양측면(111a)(111b)과 바닥면(111c)의 3영역에서 접합되도록 함으로써 접합강도를 향상시켜 박리현상을 방지한 것이다.

이 경우, 접합강도를 보다 향상시키기 위해 상기 요홈부(111), 보다 상세하게는 상기 양측면(111a)(111b)을 테이퍼지게 구성하는 것도 가능하다. 구체적으로, 상기 내층(110)과 상기 외층(120)을 고온에서 접합한 후 냉각시키게 되면 수축이 발생하는데, 상술한 바와 같이 상기 내층(110)은 철계합금으로 구성되고, 상기 외층(120)은 초경합금으로 구성되기 때문에 열팽창계수가 큰 상기 내층(110)이 훨씬 많이 수축되어 상기 외층(120)에 인장력이 가해지게 된다. 따라서 본 발명에서는 상기 요홈부(111)를 테이퍼지게 구성함으로써 냉각시 상기 양측면(111a)(111b) 자체가 수축하면서 상기 외층(120)에 압축응력이 가해지도록 한 것이다. 이에 따라, 압축응력이 상기 외층(120)에 가해지는 인장응력을 상쇄하게 되어 박리현상이나 균열현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 상기 양측면(111a)(111b)의 경사각(A)은 1~30˚인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 경사각(A)이 1˚ 미만이면 수축시 압축응력이 거의 발생하지 않아 상기 외층(120)에 가해지는 인장응력을 상쇄할 수 없고, 30˚ 초과이면 압축응력이 인장응력보다 커져 상기 외층(120)을 파손시킬 수 있기 때문이다.

계속하여, 본 발명의 다른 구성인 상기 외층(120)은 강을 압연하기 위한 구성으로 링 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 공형설계를 통해 상기 외층(120)을 링 형태로 구성하여 상기 요홈부(111)에 삽입되도록 함으로써 접합이 용이하도록 한 것이다. 이 경우, 상기 외층(120)의 외주면은 선재, 봉재 등 압연 대상에 따라 다양한 형태로 가공될 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 구성에 대해 설명하였다. 본 발명에서 상기 내층(110) 및 상기 외층(120)의 소재는 필요에 따라 적의 선택하여 사용할 수 있으나, 내마모성 및 접합강도를 극대화하고, 제조단가를 절감하는 동시에 경량화를 구현하기 위해 다음과 같이 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 내층(110)을 이루는 철계합금으로는 스틸 및 주철재를 사용하며, 구체적으로 C, Mo, Ni, Cr 및 Fe로 구성될 수 있다. 또한, 상기 외층(120)을 이루는 초경합금으로는 WC를 포함하는 탄화물과, Co, Ni, Cr, Fe 등의 금속합금 기지상 성분으로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 내층(110)과 상기 외층(120)의 접합강도를 향상시키기 위해 상술한 구성 외에 중간층을 추가적으로 구비할 수 있는 바 이하 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 대해 도면을 참고하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤(200)은 내층(210)과, 외층(220) 및 중간층(230)을 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 내층(210)과 상기 외층(220)의 기술내용은 앞서 설명한 실시예에서와 동일하므로 이하에서는 상기 중간층(230)에 대해서만 상세히 설명하도록 한다.

구체적으로, 상기 중간층(230)은 이종 소재의 접합으로 인해 발생하는 응력을 완충시키기 위한 수단으로 상기 내층(210)과 상기 외층(220) 사이에 1~10mm의 두께로 형성된다. 이 경우, 상기 중간층(230)은 Ni, Co 및 Fe로 구성되거나, Ni 및 Fe로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 상기 중간층(230)을 상기 내층(210) 및 상기 외층(220)과 동종의 원소들로 구성함으로써 확산 접합능을 향상시킨 것에 기술적 특징이 있다. 또한, 상기 중간층(230)을 상술한 바와 같이 구성하면 고온에서의 열팽창계수가 상기 내층(210) 및 상기 외층(220)과 비슷하거나 중간의 값(5× 10^-6mm/mm℃)을 가지게 되어 열팽창계수 차이로 인한 응력 또한 감소된다. 따라서 상기 중간층(230)의 형성으로 접합강도가 향상되는 것은 물론 박리나 크랙 등의 결함 발생도 억제되어 보다 높은 품질의 압연용 복합롤을 얻을 수 있다.

이상으로 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤에 대해 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 제조방법에 대해 도면을 참고하여 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 제조방법을 나타낸 공정도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압연용 복합롤의 제조방법을 예시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 서스 캔(SUS can)을 제작(S110)하고, 제작된 서스 캔 내부에 접합하려는 압연용 복합롤을 장입(S120)한 후 서스 캔을 용접(S130)한다. 이 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 서스 캔(300) 내부에 압연용 복합롤(100)(200)을 다층 적층하게 되면 한 번에 다수의 압연용 복합롤을 제조할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다. 다음, 튜브에 진공펌프를 연결하여 진공 상태를 형성한 후 리크 테스트(leak test)를 실시(S140)한다. 계속하여, 리크 테스트가 완료되면 오븐 로에 서스 캔을 장입하여 200℃에서 500℃까지 2~5℃/분의 승온속도로 5~8시간 정도 유지시키면서 내부에 존재하는 수분, 오일 등을 연소시켜 제거(S150)한다. 이후, 튜브를 압착하여 아르곤(Ar) 용접(S160)한 후 HIP 장치에 넣어 HIP 처리(S170)를 수행한다. 이 경우, HIP 처리 조건은 온도: 1,100~1300℃, 압력: 100MPa, 승온: 2~5℃/분, 유지시간: 2~4hr이다.

상술한 방법으로 제조된 압연용 복합롤의 접합강도를 측정하기 위해 항절력 시편을 제작하여 항절력을 테스트하였으며, 그 결과 외층에서는 파단이 발생하였으나 외층과 내층의 접합부위에서는 파단이 발생하지 않았다. 이와 관련하여, 도 6의 (a)에는 항절력 시편의 접합부위의 사진을, (b)에는 b-c의 경계면 사진을, (c)에는 a-b의 경계면 사진을 각각 나타내었으며, 이로부터 접합면에 크랙이 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7에는 항절력 시편의 접합면에 따른 성분 변화를 나타내었으며, 이로부터 접합부위에서 원자간의 이동이 일어나 확산접합이 이루어진 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 압연용 복합롤을 이용할 경우 접합면에 박리현상이나 크랙이 발생하지 않아 대형화가 가능할 뿐 아니라 가볍고 제조단가가 저렴하여 대량생산도 가능할 것으로 기대된다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 압연용 복합롤 110 : 내층
111 : 요홈부 111a, 111b : 요홈부의 양측면
111c : 요홈부의 바닥면 120 : 외층
200 : 압연용 복합롤 210 : 내층
220 : 외층 230 : 중간층
300 : 서스 캔

Claims (9)

1. 철계합금으로 이루어지며, 외측에 요홈부가 형성되는 원통형의 내층; 및
   초경합금으로 이루어지며, 상기 요홈부에 삽입되어 상기 내층과 확산접합되는 링 형태의 외층;을 포함하되,
   상기 요홈부가 테이퍼지게 구성되어 냉각시 수축으로 상기 외층에 압축응력을 인가함으로써 상기 외층에 가해지는 인장응력을 상쇄하여 박리나 균열을 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 압연용 복합롤.
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4. 제 1 항에 있어서,
   상기 내층과 상기 외층 사이에는 상기 내층 및 상기 외층의 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완충하는 중간층이 형성되는 것을 특징으로 하는 압연용 복합롤.
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