KR101422902B1 - 열간 압연 설비용 롤 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

롤 기재가 고경도로 패임 등의 변형 손상을 받기 어렵고, 또한, 롤 기재 표면에 피성된 용사 피막이 피막 밀착성이나 내마모성, 강판 통판성이 우수한, 열간 압연 설비에 이용하여 바람직한 롤을 저비용으로 제공함과 함께, 그 유리한 제조 방법을 제안하는 것에 있다. 그 해결 수단으로서, 바람직하게는, Cr 이 0.9 ∼ 3.2 mass%, 또한, 하기 식 (1) 로 정의되는 탄소 당량 Ceq 가 0.45 ∼ 1.65 mass% 인 강을 사용한 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 자융 합금의 용사 피막을 피복한 후, 비산화성 분위기하에서 퓨징 처리를 실시하여 상기 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30 ∼ 200 ㎛ 인 확산층을 형성 후, 냉각시키거나 혹은 열처리하여, 롤 기재의 경도를 쇼어 경도 HS 로 35 ∼ 60 으로 한다.
탄소 당량 Ceq (mass%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 … (1)
여기서, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 을 나타냄

Description

열간 압연 설비용 롤 및 그 제조 방법{ROLL FOR HOT ROLLING EQUIPMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 열간 압연 설비용 롤 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 열간 압연의 권취 설비의 핀치 롤이나, 래퍼 롤 등 (이후, 이들을 총칭하여 「권취 설비용 롤」이라고도 한다) 에 사용되는 내충격 손상성, 내열 충격성, 내마모성 및 강판 통판성이 우수한 롤과 그 제조 방법에 관한 것이다.

열간 압연의 권취 설비에 이용되고 있는 핀치 롤이나 래퍼 롤 (유닛 롤이라고 칭해지는 경우도 있다) 등의 권취 설비용 롤은, 900 ℃ ∼ 500 ℃ 의 고온에서 권취 설비에 돌입해 오는 강판과의 충돌에 의한 충격 하중이나, 상기 강판과의 접촉에 의한 슬라이딩이나 승온, 혹은 냉각수에 의한 냉각이나 부식 등을 받는 매우 어려운 환경하에서 사용되기 때문에, 내충격 손상성이나 내열 충격성, 내마모성, 내식성이 우수한 것이 필요시되고 있다.

종래, 상기 롤에는, 경화 육성 (肉盛) 롤, 땜질 롤, 단강 롤 등이 이용되어 왔지만, 모두 내충격 손상성이나 내마모성 등의 면에서 문제를 안고 있는 것이었다. 그래서, 이러한 문제점을 해결하는 기술로서, 일본 특허공보 소63-032543호에는, 철계 롤의 몸체부 표면에, 경화 육성 용접을 실시하고, 추가로 그 위에 자융 합금 용사층을 육성하여, 모재의 경도와 육성 용접층과 자융 합금 용사층의 경도를 적정 범위로 제어함으로써, 내스포링성, 내마모성을 개선한 롤이 제안되어 있다. 또, 일본 공개특허공보 평08-121464호에는, 철계 롤의 몸체부 표면에 Hs 50 이상 경도의 경화 육성 용접층과, 추가로 그 위에 Hs 50 이상 경도의 자용 경화 합금 용사층을 형성한 열연 공장 권취기용 롤이 제안되어 있다. 그러나, 이들 롤은, 롤 성능으로부터 보았을 경우, 내마모성의 향상에는 한계가 있고, 또, 통판재의 반송성에 관계되는 용사층 표면의 마찰 계수가 낮아, 원활한 통판을 실시하기 위해서는 난점을 갖는 것이었다.

그래서, 상기 내마모성과 강판 통판성의 문제점을 해결하는 기술로서, 일본 공개특허공보 평09-067054호에는, 롤의 몸체부 표면에 하지 경화 육성층과, 추가로 그 위에 두께 0.5 ㎜ 이상의 탄화물 입자 분산형 자융 합금 용사층을 형성함으로써 내마모성과 강판 통판성을 개선한 열연 공장 권취 설비 각 롤이 제안되어 있다.

그러나, 상기 종래 기술의 롤은, 롤 기재로서 저탄소계 또는 저합금계의 용접성이 양호한 철계 소재를 이용하고 있기 때문에, 롤 표면에 피성된 용사층의 밀도를 증가시키거나, 밀착성을 향상시키거나 하기 위해서 실시되는 재용융 처리 (이후, 「퓨징 처리」라고도 한다) 에 의해 900 ∼ 1300 ℃ 의 온도로 가열된 경우에는, 롤 기재가 연화되어, 쇼어 경도 HS 가 30 이하로 저하된다. 그 결과, 상기 롤을 열간 압연기의 권취 설비에 사용한 경우에는, 강판 선단이 롤과 충돌했을 때에 받는 충격 하중 등에 의해, 롤 기재 자체에 패임 등의 변형 손상이 생겨, 이로써 표층에 용사된 피막이 박리를 일으켜, 롤 수명이 현저하게 저하된다는 문제가 있다.

이 문제에 대해, 상기 종래 기술은, 자융 합금 용사 피막의 하지 처리로서 경화 육성을 실시하여, 기재의 경도 저하의 영향을 경감시키고 있다. 그러나, 경화 육성의 두께는 얇기 때문에, 상기 문제를 완전하게 해결하고 있지 않다. 또, 상기 경화 육성은, Cr 을 많이 함유하는 성분계인 것이기 때문에, 퓨징 처리에 의해 자융 합금 피막과 경화 육성의 경계에, 딱딱하고 취약한 Cr 탄화물상이나 Cr 붕화물상이 형성되기 쉽고, 또, 용접 비드층 사이에서 성분 편석이나 조직 변화가 발생하기 때문에, 밀착력의 저하를 일으키거나 한다. 또한 육성 용접을 실시하는 경우에는, 추가로 자용성 합금을 용사하기 전에, 육성된 표면을 연마할 필요가 있기 때문에, 제조 비용이 높아진다는 문제점도 있다.

본 발명은, 종래 기술이 안고 있는 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 롤 기재가 고경도로 패임 등의 변형 손상을 받기 어렵고, 또한, 롤 기재 표면에 피성된 용사 피막이 피막 밀착성이나 내마모성, 강판 통판성이 우수한, 열간 압연 설비에 이용하여 바람직한 롤을 저비용으로 제공함과 함께, 그 유리한 제조 방법을 제안하는 것에 있다.

발명자들은, 상기 과제의 해결을 위해 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 성분 조성을 적정화한 강으로 제조된 롤 기재의 표면에 경질 세라믹스 입자를 함유하는 자융 합금을 직접 용사한 후, 비산화성 분위기하에서 재용융 처리 (퓨징 처리) 를 실시함으로써, 롤 기재와 자융 합금 용사 피막 사이에 두께가 두꺼운 확산층을 형성시킴과 함께, 상기 퓨징 처리 후의 롤 기재의 경도를 소정 범위로 제어함으로써, 내충격 손상성이나 내마모성, 피막 밀착성, 강판 통판성 모두 우수한 열간 압연 설비용 롤을 얻을 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명은, 쇼어 경도 HS 가 35 ∼ 60 인 강으로 제조된 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 자융 합금의 용사 피막이 피복되고, 상기 자융 합금 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30∼200 ㎛ 인 확산층이 형성되어 이루어지는 열간 압연 설비용 롤이다.

본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 롤 기재는, Cr 이 0.9 ∼ 3.2 mass% (이하, 질량% 라고도 한다), 또한, 하기 식 (1);

탄소 당량 Ceq (mass%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 … (1)

여기서, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 을 나타낸다.

로 정의되는 탄소 당량 Ceq 가 0.45 ∼ 1.65 mass% 인 강으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 자융 합금의 용사 피막은, JIS H 8303 에 규정된 Ni 자융 합금 MSFNi 1 ∼ 5 중 어느 것에 WC 입자를 함유하는 것, 혹은, JIS H 8303 에 규정된 텅스텐·카바이드 자융 합금 MSFWC 2 ∼ 4 중 어느 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤은, 권취 설비용 롤인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은, 강으로 제조된 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 자융 합금의 용사 피막을 피복한 후, 비산화성 분위기하에서 퓨징 처리를 실시하여 상기 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30 ∼ 200 ㎛ 인 확산층을 형성하고 냉각시켜, 롤 기재의 경도를 쇼어 경도 HS 로 35 ∼ 60 으로 하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법을 제안한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법은, 롤 기재에, Cr 이 0.9 ∼ 3.2 mass%, 또한, 하기 식 (1);

탄소 당량 Ceq (mass%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 … (1)

여기서, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 을 나타낸다.

로 정의되는 탄소 당량 Ceq 가 0.45 ∼ 1.65 mass% 인 강을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법은, 상기 자융 합금의 용사 피막을, JIS H 8303 에 규정된, Ni 자융 합금 MSFNi 1 ∼ 5 중 어느 것에 WC 입자를 함유시킨 것, 혹은, JIS H 8303 에 규정된 텅스텐·카바이드 자융 합금 MSFWC 2 ∼ 4 중 어느 것을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법은, 퓨징 처리를, Ar 가스, He 가스 및 N₂ 가스 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 혼합 가스로 이루어지는 불활성 가스 분위기 또는 상기 불활성 가스의 감압 분위기, 혹은, 진공 분위기로 한 열처리로 내에서 실시하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법은, 퓨징 처리 후, 노 내의 분위기 가스의 압력, 온도 및 유량 중 어느 하나 이상을 조정하여 냉각 속도를 제어하여 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법은, 퓨징 처리하여 냉각시킨 후, 추가로 열처리하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법은, 자융 합금 용사 피막의 용사를, 분말식 프레임 용사법, 플라즈마 용사법 및 고속 가스 프레임 용사법 (HVOF) 중 어느 방법을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법은, 자융 합금 용사 피막의 두께를, 퓨징 처리 전의 두께로 0.5 ∼ 5.0 ㎜ 로 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 롤 기재의 경도가 높고, 또한, 그 표면에 형성된 경질 세라믹스 입자를 함유하는 자융 합금 용사 피막의 피막 밀착성을 크게 개선시킬 수 있기 때문에, 내충격 손상성이나 내마모성, 강판 통판성, 내식성 등 모든 면에서 우수한 열간 압연 설비용 롤을 저비용으로 제공할 수 있다. 또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤은, 롤 수명을 현저하게 연장시킬 수 있기 때문에, 산업상, 발휘하는 효과는 매우 크다.

도 1 은, 실시예 1 의 낙하구 시험에 사용한 시험 장치를 설명하는 도면이다.
도 2 는, 퓨징 처리에 의해 롤 기재와 자융 합금 용사 피막 사이에 형성된 확산층의 단면 사진의 일례이고, (a) 는, 종래의 대기 중에서 퓨징 처리한 예를, (b) 는, 비산화성 분위기하에서 퓨징 처리한 예이다.
도 3 은, 퓨징 처리에 의해 롤 기재와 자융 합금 용사 피막의 사이에 형성된 확산층의 단면을 EPMA 로 선 분석한 결과의 일례를 나타내는 도면이다.

발명을 실시하기 위한 형태

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명에 관련된 열간 압연 설비용 롤은, 쇼어 경도 HS 가 35 ∼ 60 인 강으로 제조된 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 Ni 자융 합금의 용사 피막이 피복되고, 상기 자융 합금 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30 ∼ 200 ㎛ 인 확산층이 형성되어 이루어지는 것인 것이 필요하다.

여기서, 상기 강으로 제조된 롤 기재의 경도를, 쇼어 경도 HS 로 35 ∼ 60 의 범위로 한정하는 이유는, HS 35 미만에서는 롤 기재가 지나치게 연질이기 때문에, 예를 들어, 열간 압연기의 권취 설비에 사용했을 때에는, 강판과의 충돌에 의한 충격 하중이나 강판이 맞물려 들어갈 때의 압력에 의해 롤 기재 자체가 국부적으로 패임 등의 변형을 일으키고, 그 결과, 그 표면에 피복된 용사 피막이 박리를 일으키기 때문이다. 한편, HS60 를 초과하면, 롤 기재 (강) 의 미크로 조직에 있어서의 마텐자이트 등의 변태 조직의 분율이 증가하기 때문에, 변태에 수반되는 체적 팽창에 의해, 롤 기재 표면에 피복된 용사 피막 사이에 내부 응력이 생겨, 피막에 균열이 발생하거나 박리를 일으키기 쉬워지거나 하기 때문이다. 또한, 상기 강으로 제조된 롤 기재의 경도는, 바람직하게는 HS 로 35 ∼ 45 의 범위이다.

또, 본 발명의 롤에 있어서의 상기 롤 기재를 구성하는 강은, Cr 이 0.9 ∼ 3.2 mass% 인 것임이 바람직하다. Cr 은, 내산화성을 향상시키는 원소이지만, 0.9 mass% 미만에서는, 용사 전의 예열시에 기재 표면에 산화 피막이 형성되기 때문에, 후술하는 용사 후의 퓨징 처리에서의 확산층의 형성이 저해되어, 피막의 밀착성의 저하를 초래한다. 한편, Cr 이 3.2 mass% 를 초과하면, 퓨징 처리에 의해, 롤 기재와 자융 합금 용사 피막의 경계에, 딱딱하고 취약한 Cr 탄화물상이나 Cr 붕화물상이 형성되어, 피막의 밀착성이 저하되기 때문이다. 또한, Cr 은, 내식성을 향상시키는 원소이기도 하고, 또, 퓨징 처리 후의 냉각에 의해 적당한 담금질성을 확보하여 롤 기재의 적정 경도를 안정적으로 확보하는 관점에서는, 0.9 ∼ 2.4 mass% 의 범위에서 함유하는 것이 바람직하고, 0.9 ∼ 1.6 mass% 의 범위가 보다 바람직하다.

상기의 Cr 함유량을 만족하는 강으로는, 예를 들어, JIS G 4053 에 규정된 「기계 구조용 합금강 강재」, JIS G 4805 에 규정된 「고탄소 크롬 베어링강 강재」, JIS G 4404 에 규정된 「합금 공구강 강재」에 규정된 SKD5 등을 들 수 있다.

또한 본 발명에 있어서의 상기 강으로 제조된 롤 기재는, 상기 Cr 함유량에 더하여, 하기 식 (1);

탄소 당량 Ceq (mass%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 … (1)

단, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 으로 정의되는 탄소 당량 Ceq 가 0.45 ∼ 1.65 mass% 의 범위인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 식 (1) 은, 강의 담금질성에 미치는 성분 원소의 영향을 탄소의 영향도로 환산하여 나타내는 탄소 당량의 일반식이고, Ceq 가 0.45 mass% 미만에서는, 퓨징 처리 후의 냉각이나 열처리에 의해, 롤 기재의 경도를 쇼어 경도 HS 35 이상으로 하기 어려워진다. 한편, Ceq 가 1.65 mass% 를 초과하면, 반대로, 담금질성이 지나치게 높아져 , 퓨징 처리 후의 냉각이나 열처리에 의해, 롤 기재의 경도가 HS 60 을 초과할 우려가 있기 때문이다.

또, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤은, 상기 강으로 제조된 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 Ni 자융 합금이 피복되어 이루어지는 것인 것이 필요하다.

여기서, 상기 Ni 자융 합금으로는, JIS H 8303 에 규정된 니켈 자융 합금 SFNi 1 ∼ 5 중 어느 것이면 바람직하게 사용할 수 있다.

또, 상기 Ni 자융 합금에 경질 세라믹스 입자를 함유시키는 목적은, 용사 피막의 내마모성을 개선함과 함께, 강판과의 마찰 계수를 높여, 강판의 통판성을 높이기 때문이다. 여기서, 상기 자융 합금 중에 함유시키는 경질 세라믹스 입자로는, WC, Cr₃C₂, NbC, VC, MoC, TiC 및 SiC 등의 탄화물, 혹은, 이들 탄화물 입자를 Co 등의 바인더 금속으로 소결 후, 분쇄한 입자 등에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있는데, 그 중에서도, WC 의 입자 및 WC 의 분말을, Co 등을 바인더로서 소결하여 분쇄한 입자 (이후, 이들을 총칭하여 「WC 입자」라고도 한다) 는, 내마모성을 확보하는 관점에서 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 상기의 자융 합금 대신에, 마찬가지로 JIS H 8303 에 규정된, Ni 자융 합금에 WC 의 입자를 20 ∼ 80 mass% 함유시킨 텅스텐·카바이드 자융 합금 (MSFWC 2 ∼ 4) 중 어느 것을 이용해도 된다.

또, 본 발명에 관련된 열간 압연 설비용 롤은, 상기 자융 합금 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30 ∼ 200 ㎛ 인 확산층이 형성되어 이루어지는 것인 것이 필요하다. 상기 확산층의 두께가 30 ㎛ 미만에서는, 원자의 확산이 불충분하기 때문에, 용사 피막의 치밀화나 피막의 밀착성의 개선 효과가 불충분하다. 한편, 상기 확산층의 두께가 200 ㎛ 를 초과하게 되면, 피막과 기재 경계부에 형성되는 취약한 Cr 탄화물층이나 Cr 붕화물층이 극도로 발달하여, 밀착력이 반대로 저하되게 되기 때문이다. 또한, 상기 확산층의 바람직한 두께는 30 ∼ 100 ㎛ 의 범위이다.

다음으로, 본 발명에 관련된 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 열간 압연 설비용 롤은, 강으로 제조된 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 Ni 자융 합금의 용사 피막을 피복한 후, 비산화성 분위기하에서 퓨징 처리를 실시하여 상기 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30 ∼ 200 ㎛ 인 확산층을 형성하고 나서 냉각시키거나, 혹은 추가로 열처리하여, 롤 기재의 경도를 쇼어 경도 HS 로 35 ∼ 60 으로 제조할 수 있다.

여기서, 본 발명의 열간 압연 설비용 롤의 롤 기재에 사용하는 강은, Cr 이 0.45 ∼ 3.2 mass% 의 범위이고, 또한, 상기 서술한 식 (1) 로 정의되는 탄소 당량 Ceq 가 0.45 ∼ 1.65 mass% 인 범위의 것이면 어느 것이어도 되고, 또, 롤 기재의 제조 방법에 대해서도, 예를 들어, 압연재를 가공한 것, 단조 (鍛造) 하여 제조한 것, 원심 주조하여 제조한 것 등 중 어느 것이어도 되며, 특별히 제한은 없다.

또, 상기 롤 기재의 표면에 용사 피복하는 자융 합금은, 경질 세라믹스 입자를 함유시킨 자융 합금이면 특별히 제한은 없지만, 그 중에서도, 전제한 JIS H 8303 에 규정된 니켈 자융 합금 (SFNi1 ∼ 5) 에 경질 세라믹스 입자를 함유시킨 것, 혹은, 마찬가지로 JIS H 8303 에 규정된 WC 를 함유하는 니켈 자융 합금 (MSFWC 2 ∼ 4) 은 바람직하게 사용할 수 있다.

또, 자융 합금 중에 함유시키는 경질 세라믹스 입자에 대해서도, 특별히 제한은 없고, 예를 들어, WC, Cr₃C₂, NbC, VC, MoC, TiC 및 SiC 등의 탄화물, 혹은, 이들 탄화물 입자를 복합한 탄화물 입자 등을 사용할 수 있고, 그 중에서도 WC 입자는 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 상기 경질 세라믹스 입자의 크기는 3 ∼ 300 ㎛ 의 입상 혹은 편상인 것이 바람직하다. 3 ㎛ 미만에서는, 용착 금속 내에 대한 균일 분산이 어려워짐과 함께, 강판과의 마찰 계수가 작아져 강판 통판성이 저하된다. 한편, 300 ㎛ 를 초과하면, 이 입자가 기점이 되어 피막 파괴를 일으키기 쉬워지기 때문이다.

또, 자융 합금 중에 함유시키는 양으로는, 3 ∼ 60 mass% 의 범위가 바람직하다. 함유량이 3 mass% 미만에서는, 경질 세라믹스 입자의 첨가 효과를 얻을 수 없고, 한편, 60 mass% 를 초과하면, 첨가 효과가 포화되어, 원료 비용의 상승을 초래함과 함께, 용사 피막의 질긴 성질이 저하되게 되기 때문이다.

또한, 상기 자융 합금을 용사하는 방법에 대해서도, 자융 합금의 용사에 통상 이용되고 있는 방법이면, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어, 분말식 프레임 용사법, 플라즈마 용사법 및 고속 가스 프레임 용사법 (HVOF) 중 어느 방법이면 바람직하게 사용할 수 있다.

또, 상기 자융 합금의 용사 피막의 두께는, 후술하는 퓨징 처리하기 전 상태에서, 0.5 ∼ 5.0 ㎜ 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 두께가 0.5 ㎜ 미만에서는, 피막 두께가 지나치게 얇아, 용사 피막의 효과를 얻을 수 없다. 한편, 5.0 ㎜ 를 초과하면, 퓨징 처리 후의 냉각 혹은 그 후의 열처리에 의해 발생하는 용사 피막 내의 잔류 응력이 상승하여, 피막에 박리나 균열이 생기기 때문이다. 보다 바람직한 용사 피막의 두께는, 2.5 ∼ 3.5 ㎜ 의 범위이다.

상기와 같이 하여, 롤 기재의 표면에 직접, 자융 합금의 용사 피막을 형성한 롤은, 그 후, 퓨징 처리 (재용융 처리) 를 실시하여, 용사 피막 내의 기공을 저감시키고, 급밀화를 도모함과 함께, 롤 기재와 용사 피막 사이에 두께가 30 ㎛ 이상의 확산층을 형성시켜 밀착력이 높은 용사 피막으로 할 필요가 있다. 그러기 위해서는, 상기 퓨징 처리는, 비산화성 분위기하에서, 1000 ∼ 1100 ℃ 의 온도에서, 30 ∼ 240 분의 재용융을 따른 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.

퓨징 처리를, 비산화성 분위기하에서 실시하는 이유는, 이하와 같다.

자융 합금 용사 피막의 퓨징 처리는, 일반적으로, 대기 중에서, 화염 버너로 900 ∼ 1200 ℃ 의 온도로 가열함으로써 실시되고 있다. 그러나, 이 방법에서는, 자융 합금의 용사층 내부에 산소가 침입하여, 용사된 입자의 표면에 산화 피막이 형성되기 때문에, 원자의 확산이 억제되어, 용사 피막의 치밀화가 저해되거나, 롤 기재와 용사 피막 사이에 형성되는 확산층의 성장이 저해되거나 한다. 그 결과, 자융 합금과 롤 기재 사이에 형성되는 확산층의 두께는 겨우 15 ㎛ 정도로, 최대여도 30 ㎛ 에 미치지 못하는 것이 보통이다. 그 때문에, 종래의 방법으로 퓨징 처리한 용사 피막은, 밀착력이 낮아, 박리를 일으키기 쉽다는 결점을 갖는다.

그래서, 본 발명에서는, 상기 폐해를 회피하기 위해, 비산화성 분위기하에서 퓨징 처리를 실시하기로 하였다. 이로써, 용사 피막 내부의 산화가 방지되기 때문에, 용사 피막의 치밀화가 촉진되고, 또한 롤 기재와 용사 피막 사이에 형성되는 확산층의 성장이 촉진되고, 그 결과, 종래의 퓨징 처리에서는 실현할 수 없었던 30 ㎛ 이상의 확산층을 용이하게 얻을 수 있으므로, 밀착력이 우수하고, 박리를 일으키기 어려운 용사 피막층을 형성하는 것이 가능해진다.

상기와 같은 비산화성 분위기하에서 퓨징 처리를 실시하는 방법으로는, 용사 피막을 피성한 롤 전체를, 노 내를 비산화성 분위기로 할 수 있는 열처리 로, 예를 들어, 노 내를 불활성 가스 분위기 또는 상기 불활성 가스의 감압 분위기, 혹은, 진공 분위기로 할 수 있는 열처리 로에 장입하고, 이 노 내에서 상기 서술한 소정의 온도×시간의 퓨징 처리를 실시하는 방법이 바람직하다. 또한, 상기 불활성 가스로는, Ar 가스, He 가스 및 N₂ 가스 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 혼합 가스인 것이 바람직한데, 비용적으로는, N₂ 가스가 가장 바람직하다.

또한, 상기 비산화성 분위기하에서 실시하는 퓨징 처리는, 1000 ∼ 1100 ℃×30 ∼ 240 분의 조건에서 실시하는 것이 바람직한 이유는, 퓨징 온도가 1000 ℃ 미만 혹은 30 분 미만에서는, 원자의 확산이 부족하여, 30 ㎛ 이상의 확산층을 얻을 수 없고, 한편, 1100 ℃ 초과 혹은 240 분 초과에서는, 과용융이 되어 충분한 피막 경도가 얻어지지 않는 것이나, 확산층이 200 ㎛ 초과가 되어, 피막과 기재의 경계부에 형성되는 취약한 Cr 탄화물상이나 Cr 붕화물상이 극도로 발달하여, 밀착력이 반대로 저하되거나, 제조 비용의 상승을 초래하거나 하기 때문이다.

상기의 퓨징 처리를 실시한 롤은, 그 후, 롤 기재의 Ceq 의 값에 따라 냉각 속도를 제어하여 냉각시키고, 롤 기재의 경도를 쇼어 경도 HS 로 35 ∼ 60 의 범위로 제어한다. 또한, 상기 냉각 속도의 제어는, 퓨징 처리 후의 열처리 로 내에 도입하는 분위기 가스의 압력을 조정하여 분위기 가스의 열전도율을 변화시키거나, 노 내에 도입·배출하는 분위기 가스의 유량이나 온도를 바꾸거나 함으로써 실시할 수 있다.

또한, 상기 퓨징 처리 후의 냉각에 의해, 롤 기재의 경도를 쇼어 경도 HS 로 35 ∼ 60 의 범위로 제어할 수 있는 이유는, 본 발명의 롤 기재는 Cr 을 0.9 mass% 이상 함유하고, 또한, Ceq 가 0.45 mass% 이상의 강이기 때문에, 고용 경화 이외에, 퓨징 처리 후의 냉각시에 담금질이 발생하여, 마텐자이트상이나 베이나이트상 등의 저온 변태상이 형성되는 것에 의한 변태 경화나, 냉각 중에 Cr 탄화물이나 Cr 붕화물 등이 석출되는 것에 의한 석출 경화 등이 기여하고 있기 때문이다.

또한, 상기와 같이 퓨징 처리 후의 냉각만으로, 원하는 경도를 확보하도록 해도 되는데, 상기 냉각 후, 추가로 열처리를 실시하여, 원하는 경도를 확보하도록 해도 된다. 상기 열처리는, 퓨징 처리와 동일한 노를 이용하여 실시해도 되는데, 냉각 속도를 더욱 올려 냉각하고자 하는 경우나 냉각 속도를 보다 양호한 정밀도로 제어하고자 하는 경우 등일 때에는, 다른 열처리 방법을 이용하여 실시해도 된다. 이 경우, 치밀화와 확산층의 형성은 이미 완료되어 있으므로, 가열 온도는 800 ∼ 1100 ℃ 의 온도 범위로 하고, 그 후, 원하는 경도가 얻어지는 속도로 제어하여 냉각시키는 것이 바람직하다. 또, 열처리 분위기는, 대기 분위기 중에서 실시해도 된다. 따라서, 열처리 로를 이용하지 말고, 종래의 퓨징 처리와 같이, 대기 중에서 버너 가열하여 실시해도 된다.

상기 본 발명의 방법에 의해 제조된 열간 압연 설비용 롤은, 내충격 손상성이나 내마모성, 강판 통판성이 우수하므로, 상기 롤을 열간 압연기의 권취 설비의 핀치 롤 혹은 래퍼 롤 (유닛 롤) 등의 권취 설비용 롤에 사용한 경우에는, 롤 수명의 대폭적인 연장이 가능해진다.

실시예 1

Cr 함유량 및 C 당량 Ceq 가 상이한 표 1 에 나타낸 성분 조성의 각종 강재를 이용하여, 외경 100 ㎜φ, 내경 50 ㎜φ, 길이 100 ㎜ 인 링 형상의 시험편을 제조하였다. 이어서, 이 시험편의 외주 표면에, 입경이 45 ∼ 125 ㎛ 인 WC 입자 (WC-12 Co 소결 분쇄 분말) 를 30 mass% 혼입시킨 Ni 자융 합금을, 분말식 프레임 용사법을 이용하여 용사하여 두께 3 ㎜ 의 자융 합금 용사 피막을 형성하였다. 단, 일부의 시험편에 대해서는, 비교예로서, 자융 합금을 용사하기 전의 하지에 두께가 10 ㎜ 인 경화 육성층을 형성하거나, 혹은, WC 입자를 함유하지 않는 Ni 자융 합금만의 피막을 형성하거나 하였다. 상기 피막 형성에 사용한 자융 합금 및 경화 육성의 성분에 대해서는 표 2 에 나타내었다.

이어서, 상기 용사 피막 형성 후의 시험편을, 20 torr 까지 감압시킨 질소 가스의 비산화성 분위기로 한 열처리 로에서 1000 ℃×60 분의 퓨징 처리를 실시한 후, 액체 질소를 기화한 질소 가스를 제어하여 노 내에 도입하고, 상기 처리 온도로부터 300 ℃ 까지 냉각 (노냉) 시켰다. 이 때, 일부의 시험편에 대해서는, 상기 질소 가스의 유량을 증가시켜 냉각 속도를 빠르게 하거나 (급속 노냉), 혹은, 상기 퓨징 처리 후, 다른 대기 분위기 로에서 900 ℃×30 분의 열처리를 실시하고 나서 급속 노냉하거나 하였다. 또한 다른 일부의 시험편에 대해서는, 대기 중에서 버너 가열하여, 1000 ℃×20 분의 퓨징 처리를 실시한 후, 대기 중에서 방랭 처리하였다.

상기의 링 형상 시험편에 실시한 처리 조건을 표 3 에 정리하여 나타내었다.

이어서, 상기 퓨징 처리 후의 링 형상 시험편을 이하의 평가 시험에 제공하였다.

<기재 경도의 측정>

링 형상 시험편의 단부를 절단하고, 원통 연삭 (다이아몬드 지석 #120) 에 의해 피막을 연삭 제거하고, 추가로 피막과 기재의 경계부로부터 1 ㎜ 깊이까지 깎은 후, 쇼어 경도를 측정하여, 쇼어 경도 HS 가 35 ∼ 60 의 범위에 있는 것을 합격이라고 평가하였다.

<확산층의 두께 측정>

링 형상 시험편의 단부를 절단하고, 기재와 용사 피막의 경계부에 있어서의 Fe 와 Ni 의 두께 방향의 농도 분포를 EPMA 로 선 분석하고, 퓨징 처리에 의해 자융 합금층과 롤 기재 사이 혹은 자융 합금층과 경화 육성층 사이에 형성된 확산층의 두께를 측정하였다.

<용사 피막의 균열 유무의 확인>

링 형상 시험편의 외주에 피성한 용사 피막의 표면을, 컬러 체크 (침투 탐상 검사) 하여, 열처리 후의 냉각에 수반되는 열변형이나 변태 변형에 의한 피막 균열의 발생 유무를 조사하고, 균열이 확인되지 않은 것을 ○, 균열이 확인된 것을 × 로 판정하였다.

<강구 낙하 시험>

냉각 후 혹은 열처리 후의 용사 피막에 균열이 확인되지 않은 링 형상 시험편에 대해, 외주면을 #400 의 다이아몬드 지석을 이용하여 연마하고, 그 후, 그 연마한 외주 표면에, 도 1 에 나타낸 바와 같은 시험 장치를 이용하여, SUJ2 를 담금질 처리한 직경 50 ㎜φ 의 강구를 높이 2.1 m 의 높이로부터 100 회 연속하여 낙하시켜, 외주면에 생긴 패임의 깊이를 측정하였다. 그 결과, 패임 깊이가 0.2 ㎜ 미만이면 내충격 손상성이 양호 (○), 0.2 ㎜ 이상 0.4 ㎜ 미만이면 불량 (×), 0.4 ㎜ 이상을 열악 (×) 으로 평가하였다. 또한, 비교로서, 용사 피막을 형성하지 않은 시험편에 대해서도 동일한 평가를 실시하였다.

상기 시험의 결과를, 표 3 에 병기하여 나타내었다. 이 결과로부터, 기재의 경도가 본 발명의 범위 내에 있어서, 본 발명에 적합한 용사 피막을 형성한 발명예의 시험편은, 모두, 퓨징 처리나 열처리 후의 냉각에 수반되는 피막의 균열 발생도 없고, 강구 낙하 시험의 결과도 양호하다. 따라서, 본 발명에 적합한 용사 피막은, 열간 압연 설비용 롤에 이용해도, 우수한 내통판 손상성을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 도 2 는, 종래의 대기 중에서 퓨징 처리한 예 (No.10) 와 비산화성 분위기하에서 퓨징 처리한 예 (No.11) 에 있어서의 자융 합금 용사 피막의 단면 사진을 나타낸 것이고, 본 발명의 퓨징 처리를 실시한 경우에는, 기공이 적어 치밀한 용사 피막을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

또, 도 3 은, 상기 No.11 의 예에 있어서의 확산층을 EPMA 로 선 분석한 결과를 나타낸 것이고, 본 발명의 퓨징 처리를 실시한 경우에는, 기재와 용사 피막의 경계부에는 큰 확산층이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

실시예 2

표 1 에 나타낸 각종 강재로부터 20 ㎜t×100 ㎜×100 ㎜ 의 평판을 채취하고, 이 평판의 한쪽 표면에, 실시예 1 의 표 3 에 나타낸 용사 조건 중에서, 냉각 후 혹은 열처리 후의 용사 피막에 균열이 확인되지 않은 조건에서 용사 피막을 피성하여, 퓨징 처리한 후, 냉각 혹은 열처리를 실시하였다. 이어서, 상기 용사 피막의 표면을, #400 의 다이아몬드 지석을 이용하여 연마한 후, 측면과 비용사면을 절단, 연삭하여 5 ㎜t×50 ㎜×50 ㎜ 의 판상 마모 시험편을 제조하여, JIS H 8503 에 규정된 사초 마모 시험에 제공하였다.

상기 마모 시험은, SiC#320 의 연마지를 32 N 의 하중으로 가압하고 2000 회 왕복 운동시키는 조건에서 실시하여, 시험 전후의 시험편의 질량 변화 (감량) 로부터 내마모성을 평가하였다. 그 결과, 마모 감량이 20 ㎎ 미만이면 내마모성이 양호 (○), 20 ㎎ 이상 100 ㎎ 미만이면 불량 (△), 100 ㎎ 이상을 열악 (×) 으로 평가하였다. 또한, 비교로서, 용사 피막을 형성하지 않은 시험편에 대해서도 동일한 평가를 실시하였다.

상기 마모 시험의 결과를, 표 3 에 병기하였다. 이 결과로부터, 본 발명에 적합한 경질 세라믹스 입자 (WC) 를 함유시킨 자융 합금 용사 피막은, 우수한 내마모성을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

실시예 3

롤 소재로서 표 1 에 나타낸 C 의 강 (Cr : 1.3 mass%, Ceq : 1.25 mass%) 을 이용하여 제조한, 외경 320 ㎜φ×몸체부 길이 2250 ㎜ 의 롤 외주면에, 실시예 1 의 낙하구 시험 및 실시예 2 의 마모 시험에서 양호한 결과를 나타낸 No.11 과 동일한 처리 조건에서 WC 함유 Ni 자융 합금을 용사하여 3 ㎜ 두께의 용사 피막을 형성한 후, 퓨징 처리 후 냉각시켜, 롤 기재의 쇼어 경도 HS 가 45 이고, 롤 기재와 자융 합금의 확산층의 두께가 30 ㎛ 인 열연 장비용 롤을 제조하였다. 이 롤을, 제철소의 열간 압연 권취 설비의 래퍼 롤에 적용했는데, 강판 선단부의 돌입에 의한 롤 표면의 패임이나 그에 따른 용사 피막의 박리가 대폭 경감되어, 롤 수명을 결정하는 률속 요인이, 강판과의 접촉에 의한 마모가 되었다. 그 결과, 경화 육성층 상에 자융 합금의 용사 피막을 형성하는 특허문헌 1 ∼ 3 에 개시된 종래 롤의 수명이 약 6 개월인 것에 비해, 그 2 배 이상인 1 년 이상의 수명을 달성할 수 있었다.

산업상 이용가능성

본 발명의 열간 압연 설비용 롤은, 내충격 손상성이나 내마모성, 내식성 등이 우수하므로, 열간 압연기의 핀치 롤 혹은 래퍼 롤 (유닛 롤) 등의 권취 설비용 롤 이외에, 상기와 동일한 특성이 요구되는 제철 설비 전반, 예를 들어, 산세 라인이나 냉간 압연 라인, 연속 소둔 라인, 표면 처리 라인 등에 설치되어 있는 반송용 롤에도 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims (14)

1. 쇼어 경도 HS 가 35 ∼ 60 인 강으로 제조된 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 자융 합금 (self-fluxing alloy) 의 용사 피막이 피복되고, 상기 자융 합금 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30 ∼ 200 ㎛ 인 확산층이 형성되어 이루어지고,
   상기 롤 기재는, Cr 이 0.9 ∼ 3.2 mass%, 또한, 아래 식 (1) 로 정의되는 탄소 당량 Ceq 가 0.45 ∼ 1.65 mass% 인 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤.
   아래
   탄소 당량 Ceq (mass%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 … (1)
   여기서, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 을 나타냄
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 자융 합금의 용사 피막은, JIS H 8303 에 규정된 Ni 자융 합금 MSFNi 1 ∼ 5 중 어느 것에 WC 입자를 함유하는 것, 혹은, JIS H 8303 에 규정된 텅스텐·카바이드 자융 합금 MSFWC 2 ∼ 4 중 어느 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 열간 압연 설비용 롤은, 권취 설비용 롤인 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤.
5. 강으로 제조된 롤 기재의 표면에, 경질 세라믹스 입자를 함유하는 자융 합금의 용사 피막을 피복한 후, 비산화성 분위기하에서 재용융 처리를 실시하여 상기 용사 피막과 롤 기재 사이에 두께가 30 ∼ 200 ㎛ 인 확산층을 형성하고, 냉각시켜, 롤 기재의 경도를 쇼어 경도 HS 로 35 ∼ 60 으로 하고,
   상기 롤 기재에, Cr 이 0.9 ∼ 3.2 mass%, 또한, 아래 식 (1) 로 정의되는 탄소 당량 Ceq 가 0.45 ∼ 1.65 mass% 인 강을 사용하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 장비용 롤의 제조 방법.
   아래
   탄소 당량 Ceq (mass%)=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 … (1)
   여기서, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 을 나타냄
6. 삭제
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 자융 합금의 용사 피막을, JIS H 8303 에 규정된, Ni 자융 합금 MSFNi 1 ∼ 5 중 어느 것에 WC 입자를 함유시킨 것, 혹은, JIS H 8303 에 규정된 텅스텐·카바이드 자융 합금 MSFWC 2 ∼ 4 중 어느 것을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 재용융 처리를, Ar 가스, He 가스 및 N₂ 가스 중 어느 1 종 또는 2 종 이상의 혼합 가스로 이루어지는 불활성 가스 분위기 또는 상기 불활성 가스의 감압 분위기, 혹은, 진공 분위기로 한 열처리로 내에서 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 재용융 처리 후, 노 내의 분위기 가스의 압력, 온도 및 유량 중 어느 하나 이상을 조정하여 냉각 속도를 제어하여 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 재용융 처리하고 냉각시킨 후, 추가로 열처리하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.
11. 제 5 항에 있어서,
    상기 자융 합금 용사 피막의 용사를, 분말식 프레임 용사법, 플라즈마 용사법 및 고속 가스 프레임 용사법 (HVOF) 중 어느 방법을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.
12. 제 5 항에 있어서,
    상기 자융 합금 용사 피막의 두께를, 재용융 처리 전의 두께로 0.5 ∼ 5.0 ㎜ 로 하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 자융 합금 용사 피막의 용사를, 분말식 프레임 용사법, 플라즈마 용사법 및 고속 가스 프레임 용사법 (HVOF) 중 어느 방법을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 자융 합금 용사 피막의 두께를, 재용융 처리 전의 두께로 0.5 ∼ 5.0 ㎜ 로 하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 설비용 롤의 제조 방법.

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