KR101785182B1

KR101785182B1 - 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤

Info

Publication number: KR101785182B1
Application number: KR1020157022876A
Authority: KR
Inventors: 켄지 이치노; 테츠오 모치다; 히로미츠 시바타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2017-10-12
Also published as: US20150376748A1; EP2962776A1; CN105121043A; TW201446351A; CA2899293A1; WO2014132628A1; CA2899293C; CN105121043B; JP5949596B2; BR112015019928A2; EP2962776A4; EP2962776B1; ES2629413T3; JP2014168783A; KR20150110733A; TWI577461B; US9708695B2; BR112015019928B1

Abstract

롤 표층의 내피로성이 우수하고, 피로손상이나 치핑이 발생하기 어려운 열간 압연용 롤 외층재, 열간 압연용 복합 롤을 제공한다.
원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물을 500∼2500개/㎟함유하고, 또한, 원 상당 직경이 50㎛ 이상의 조대 탄화물의 존재가 20개/㎟이하인 롤 외층재이며, 바람직하게는, 질량%로, C:2.4∼2.9%, Si:0.2∼1.0%, Mn:0.2∼1.0%, Cr:4.0∼7.5%, Mo:4.0∼6.5%, V:5.3∼7.0%, Nb:0.5∼3.0%를 함유하고, 1.5≤(Cr+Mo)/V≤ 2.4(여기서, Cr, Mo, V: 각 원소의 함유량(질량%))를 만족하며, 더 바람직하게는, Al:0.001∼0.05% 혹은 REM:0.001∼0.03%의 일종 이상을 함유하며, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성으로 구성되는 롤 외층재. 및 그 외층재로 이루어지는 외층을 가지는 열간 압연용 복합 롤.

Description

롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤{ROLL OUTER LAYER MATERIAL, AND COMPOSITE ROLL FOR HOT ROLLING}

본 발명은, 강판의 열간 압연 마무리 밀(hot rolling finishing mill)용 열간 압연용 복합 롤(composite roll for hot rolling)의 외층(outer layer)을 구성하는 롤 외층재(roll outer layer material) 및 그 롤 외층재로 이루어진 외층을 가지는 열간 압연용 복합 롤에 관한 것이다.

요즈음, 강판의 열간 압연 기술의 진보에 따라, 롤의 사용 환경은 더욱 가혹화하고 있다. 또, 요즈음, 고강도 강판이나 박육품 등 압연 부하(rolling load)가 큰 강판의 생산량이 증가하고 있다. 이 때문에, 열간 압연용 롤의 압연면의 피로에 기인한 표면 거침(surface deterioration)과 치핑(chipping)이 발생하는 일이 많아진다. 또한, 여기서의 열간 압연용 롤은 마무리 압연에 이용되는 워크 롤을 의미한다.

현재, 수 %량의 V를 강에 첨가함으로써 경질 탄화물을 다량으로 출현시켜, 내마모성(abrasion resistance)을 향상시킨 HSS롤(high-speed steel roll)이 열간 압연에서 많이 쓰이고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2에는 HSS의 열간 압연용 롤 외층재가 제안되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 열간 압연용 롤 외층재는, C:1.5∼3.5%, Ni:5.5% 이하, Cr:5.5∼12.0%, Mo:2.0∼8.0%, V:3.0∼10.0%, Nb:0.5∼7.0%를 포함한다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 열간 압연용 롤 외층재는 Nb 및 V를, Nb, V 및 C의 함유량이 특정 관계를 만족하고, 나아가 Nb와 V의 비율이 특정 범위 내가 되도록 함유한다. 이로써, 원심 주조법(centrifugal casting method)을 적용하여도 외층재의 경질 탄화물(hard carbide)의 편석(segregation)이 억제되어, 내마모성(abrasion resistance)과 내크랙성(crack resistance)에 뛰어난 열간 압연용 롤 외층재로 되려 한다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 열간 압연용 롤 외층재는, C:1.5∼3.5%, Cr:5.5∼12.0%, Mo:2.0∼8.0%, V:3.0∼10.0%, Nb:0.5∼7.0%를 포함한다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 열간 압연용 롤 외층재는, C, Nb 및 V를, Nb, V 및 C의 함유량이 특정 관계를 만족하고, 나아가 Nb와 V의 비율이 특정 범위 내가 되도록 함유한다. 이로써, 원심 주조법을 적용해도 외층재의 경질 탄화물 편석이 억제되어, 열간 압연용 롤의 내마모성과 내크랙성이 향상된다. 이 때문에, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 열간 압연을 효율적으로 행하는 것에 공헌한다고 여겨지고 있다.

그러나, 열간 압연하여 된 제품의 품질 향상(improved quality)과 생산성 향상(increase in productivity)을 위하여, 열간 압연용 롤의 사용 환경은 가혹화되고 있다. 게다가, 열간 압연 제품의 표면 품질(surface quality)에 대한 요구도 심해짐과 동시에 강판의 연속 압연량이 증가한 점에서, 마모보다도 표면 거침이라고 하는 롤 표면의 피로 손상을 억제하는 것이 큰 과제가 되었다.

이러한 과제에 대하여, 특허문헌 3에는, C:2.2∼2.6%, Cr:5.0∼8.0%, Mo:4.4∼6.0%, V:5.3∼7.0%, Nb:0.6∼1.3%를, Mo+V, C-0.24V-0.13Nb가 특정 범위 내가 되도록 C, Mo, V, Nb의 함유량을 조정하여 이루어진 원심 주조제 복합 롤이 제안되고 있다. 이 원심 주조제 복합 롤은, 열간 압연 환경하에서 롤 표층의 내피로성(fatigue resistance)에 뛰어나다고 여겨지고 있다.

특허문헌 1: 일본 특개 평04-365836호 공보 특허문헌 2: 일본 특개 평05-1350호 공보 특허문헌 3: 일본 특개 2009-221573호 공보

그러나, 최근의 압연 기술은, 압연 강판의 고품질화와 고급화를 향하여 눈부신 속도로 진보를 이루고 있다. 또한, 동시에 압연에 대해 저비용화가 요구되고 있다. 이처럼, 열간 압연용 롤의 사용 환경은 갈수록 어려워지고 있다. 특히 열간 압연용 롤 표면의 조대(粗大) 탄화물의 파괴를 주원인으로 한 표면 거침이나 치핑 등의 열간 압연용 롤 표면의 피로 손상(fatigue damages)의 발생이 문제시되고 있다. 특허문헌 3에 제시된 기술을 적용하여도 여전히, 상기의 피로 손상이 발생하는 것이 확인되었다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하고, 표층의 내피로성(여기에서는, 열간 압연에서 롤 표층부에 생기는 표면 거침이나 치핑 등의 피로 손상을 억제하는 성능을 "내피로성"이라 한다)이 우수한 열간 압연용 롤 외층재와 그 롤 외층재를 이용하여 외층을 형성하여 이루어진 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤(composite roll for hot rolling produced through centrifugal casting)(본 명세서에서, 열간 압연용 복합 롤(composite roll for hot rolling)이라고 하는 경우가 있다.)을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상술한 목적을 달성하기 위하여, 열연(熱延)(열간 압연)에 의해 표면 거침이나 치핑이 생긴 롤 표면을 상세하게 관찰, 조사하여, 표면 거침이나 치핑이 원 상당 직경으로 50㎛를 넘는 조대한 탄화물에 발생(initiation) 및 전파(propagation)된 균열(crack)이 원인이 되어, 롤 표층이 파괴된다는 중요한 식견을 얻었다. 그래서, 본 발명자들은, 어떻게 탄화물 형태(carbide morphology)를 제어하면, 내피로성(fatigue resistance)이 향상될 것인지에 대해서, 열간 압연용 복합 롤의 외층 표면 탄화물의 손상 형태(damage morphology)를 상세히 조사하는 등으로, 예의 검토하였다. 그 결과, 원 상당 직경으로 50㎛ 이상의 조대 탄화물의 수가 적어짐과 동시에, 미세한 탄화물(원 상당 직경으로 3∼30㎛의 다양한 사이즈의 탄화물이 혼재)이 다수 출현하면, 열간 압연용 복합 롤의 외층 표면의 손상이 현저하게 억제된다는 새로운 현상을 발견하기에 이르렀다.

본 발명자들은, 내피로성의 현저한 향상을 기술적으로 구현하기 위하여, 더욱 예의 검토하여, 조대 탄화물과 미세 탄화물의 정량적인 최적 범위를 분명히 하였다.

또한, 화학 조성에 대해서도 검토하여, 바람직한 성분 범위도 분명히 함과 동시에, V량과 (Cr+Mo)량이 특정의 관계를 만족하도록, 각 원소의 함유량을 조정함으로써, 열간 압연 시의 롤의 내피로성이 현저히 향상된다는 종래에 없는 식견을 얻었다.

우선, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대하여 설명한다.

원 상당 직경이 50㎛ 이상의 조대 탄화물 수와 원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물의 수가 변화한 열간 전동 피로 시험편(hot rolling contact fatigue test specimens)의 소재를 제작하기 위해, 질량%로, C:1.9∼2.9%, Si:0.3∼0.9%, Mn:0.4∼1.0%로 하고, Cr을 3.7∼13.6%, Mo를 4.1∼7.0%, V를 4.5∼8.1%, Nb을 0∼3.6%, Al을 0∼0.046% 및 REM을 0∼0.027%의 범위에서 변화시켜, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성의 용탕(溶湯)을, 고주파로(high-frequency furnace)에서 제작하고, 롤 외층재에 상당하는 링 형상 롤재(ring roll material)(외경:250㎜Φ, 폭:75㎜, 두께:55㎜)를 원심 주조 법에 의해 주조하였다. 여기서 주조 온도(casting temperature)는 1450∼1530℃, 원심력(centrifugal force)은 중력 배수로 180G으로 하였다. 또한, 주조 후 1050℃부터의 담금질 처리, 530∼560℃에서의 템퍼링 처리를 여러 번 실시하여, 위 링 형상 롤재의 쇼어 경도(shore hardness)를 HS 80∼87로 하였다.

얻어진 링 형상 롤재에서 열간 전동 피로 시험편(외경 60㎜Φ, 두께 10㎜)을 채취하여, 실제 기기에서의 열간 압연용 작업 롤(work roll for hot rolling)의 내피로성을 재현하기 좋게 평가할 수 있음을 나타낸 열간 전동 피로 시험(일본 특개 2010-101752호에 기재된 시험)을 실시하였다. 또한, 열간 전동 피로 시험편에는, 도 3에 나타내는 것과 같은 노치(notch)(깊이 t:1.2㎜, 원주 방향 길이 L:0.8㎜)를 외주면의 2개소에, 0.2㎜Φ의 와이어(wire)를 이용한 방전 가공법(electric spark forming)(와이어 컷(wire cutting))으로 도입하였다. 또한, 열간 전동 피로 시험편의 전동면(rolling contact surface)의 단부(端部)에는 1.2C의 모따기(chamfer the corners)를 실시하였다.

열연 피로 시험(fatigue test)은, 도 3에 나타내듯이, 노치를 가지는 시험편(열연 피로 시험편)과 가열된 상대재의 2원반의 미끄럼 전동 피로 방식(Slip rolling fatigue type)으로 행하였다. 즉, 도 3에 나타내듯이, 시험편(열간 전동 피로 시험편)을 수냉하면서 700rpm으로 회전시켜, 회전하는 그 시험편에 810℃로 가열한 상대편(재질:S45C, 외경:190㎜Φ, 폭:15㎜)을 하중 980N으로 압접(壓接)하면서, 미끄럼율(slip ratio):9%로 전동시켰다. 열간 전동 피로 시험편에 도입한 2개의 노치가 절손(breakage)될 때까지 전동시키고, 각 노치가 절손되기까지 전동 회전수를 각각 구하여, 그 평균치를, 열간 전동 피로 수명(fatigue life)으로 하였다. 그리고, 열간 전동 피로 수명이 300천 회를 넘긴 경우를 열간 전동 피로 수명이 현저하게 우수하다고 평가했다. 얻은 결과를 도 1, 도 2에 나타냈다. 도 1은, 열간 전동 피로 수명(열연 피로는 열간 전동 피로를 의미한다. 그러므로, 내열연 피로성은 열간 전동 피로 수명을 의미한다)과 상기의 조대 탄화물 및 미세 탄화물의 단위 면적당의 개수와의 관계이며, 도 2는, 열간 전동 피로 수명과 (Cr(%)+Mo(%))/V(%)와의 관계이다.

도 1에서, 원 상당 직경(circle equivalent diameters)이 3∼30㎛의 미세 탄화물의 양이 증가함과 동시에, 열간 전동 피로 수명이 현저하게 향상하고 있음을 알 수 있다. 그러나, 원 상당 직경이 50㎛ 이상의 조대 탄화물의 양이 20개/㎟를 초과하면, 원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물의 양이 많아도 열간 전동 피로 수명이 현저히 저하되고 있다. 이 결과(도 1)로부터, 300천 회 이상의 열간 전동 피로 수명을 확보하기(열간 전동 피로 수명을 현저히 향상하기) 위해서는, 원 상당 직경이 50㎛을 초과하는 조대 탄화물의 양을 20개/㎟이하로 하고, 또한, 원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물의 양을 500∼2500개/㎟로 할 필요가 있음이 명확하다.

또한, 화학 조성의 균형을 보면, 도 2에 나타내듯이 (Cr(%)+Mo(%))/V(%)이 1.5 미만 또는 2.4 초과가 되면 열간 전동 피로 수명이 현저하게 저하된다. 여기서, Cr과 Mo는 조대 탄화물을 만들기 쉬운 원소이며, V는 역으로 미세 탄화물을 만들기 쉽게 상기 조대 탄화물을 분단·미세화하는 효과도 가진다. 이 점에서, (Cr(%)+Mo(%))/V(%)는, 탄화물의 형태를 개선하고 열간 전동 피로 수명을 향상시키기 위한 지수로서 새로이 발견한 한정식(限定式)이다.

또한, 본 발명자들의 검토에 의하면, 이 열간 전동 피로 시험을 이용하면, 열간 압연용 롤재의 열간 전동 피로 수명을 간편하게 평가할 수 있다. 열간 전동 피로 수명의 수가 클수록, 가혹한 압연 환경하에서 사용되었을 때에도, 표면이 거칠어지기 어렵고, 치핑이 적은 우수한 내구성을 열간 압연용 복합 롤의 외층에 부여할 수 있는 롤 외층재이다.

또한, 롤의 탄화물 조직의 정량은, 이하의 방법으로 행하였다. 우선 롤 사용 초기의 외표면에서 깊이 방향으로 20∼25㎜의 범위의 임의의 위치에서 잘라낸 시료의 절단면을 경면 연마(mirror polishing)까지 마무리했다. 이어서, 연마 후의 절단면을 나이탈(natal)로 강하게 부식시켜 광학 현미경(optical microscope)에서 탄화물을 희게 기지를 검게 보이게 했다. 이어서, 화상 해석 장치(image analysis device)를 이용하여 현미경의 배율 100배(모니터상의 배율 200배)에서 절단면의 탄화물 형태를 조사했다. 원 상당 직경이 50㎛ 이상의 조대 탄화물의 수와 원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물의 수를 정량치로 하였다. 또한, 관찰한 시야 면적(field of view area)은 9㎟이다.

본 발명은, 상술한 식견에 근거하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

[1] 열간 압연용 복합 롤의 외층에 이용되는 주철계 롤 외층재(cast-iron roll outer layer material)로서, 질량%로, C:2.4∼2.9%, Si:0.2∼1.0%, Mn:0.2∼1.0%, Cr:4.0∼7.5%, Mo:4.0∼6.5%, V:5.3∼7.0%, Nb:0.5∼3.0%를 함유하고, 또한, Cr, Mo, V의 함유량이 다음 (1)식을 만족하며, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 가지며,
원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물을 500∼2500개/㎟함유하고, 또한, 원 상당 직경이 50㎛ 이상의 조대 탄화물의 존재가 20개/㎟이하인 것을 특징으로 하는 롤 외층재.
다음
1.5≤(Cr+Mo)/V≤ 2.4...(1)
여기에서, Cr, Mo, V: 각 원소의 함유량(질량%)

[2] 상기 조성에 더하여, 질량%로, Al:0.001∼0.05% 또는 REM:0.001∼0.03%의 일종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 [1]에 기재된 롤 외층재.

삭제

[3] 외층과 내층이 용착(溶着) 일체화하여 이루어진 열간 압연용 복합 롤로서, 상기 외층이 [1] 또는 [2]에 기재된 롤 외층재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 복합 롤.

삭제

본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 고압연 부하가 작용하거나 혹은 연속 압연량이 많은 가혹한 열간 압연 환경하에서 사용되었다 하여도, 표면 거침이나 표층 치핑(surface chipping) 등의 롤 표면의 열연 피로 손상(열간 압연에 의한 피로 손상)이 생기기 어렵다. 그러므로, 본 발명에 의하면, 표면 품질의 현저한 향상, 롤 수명의 향상을 양립할 수 있다는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 내피로성이 현저히 향상된 열간 압연용 복합 롤을, 용이하게 제조할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 의하면, 열연 강판의 생산성 향상, 표면 품질의 현저한 향상, 나아가서는 롤 수명의 향상을 모두 달성할 수도 있다.

[도 1] 도 1은, 열간 전동 피로 시험에서의 열간 전동 피로 수명과, 입상 탄화물의 면적률 및 단위 면적당의 조대 탄화물의 개수와 관계를 나타내는 도면이다.
[도 2] 도 2는, 열간 전동 피로 시험에서의 열간 전동 피로 수명과 (Cr(%)+Mo(%))/V(%)와의 관계를 나타내는 도면이다.
[도 3] 도 3은, 열간 전동 피로 시험에서 사용한 시험기의 구성, 열간 전동 피로 시험용 시험편(피로 시험편) 및 열간 전동 피로 시험용 시험편(피로 시험편)의 외주면에 도입된 노치의 형상, 치수를 모식적으로 나타내는 설명도이다.

본 발명의 롤 외층재는, 원심 주조제로, 그대로 링 롤, 슬리브 롤로 할 수 있다. 또한, 본 발명의 롤 외층재는, 열간 마무리 압연용으로서 알맞은, 열간 압연용 복합 롤 외층재로 적용된다. 또한, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 원심 주조된 외층과, 그 외층과 용착 일체화된 내층으로 이루어진다. 또한, 외층과 내층(inner layer) 사이에 중간층을 배치하여도 된다. 즉, 외층과 용착 일체화된 내층을 대신하여, 외층과 용착 일체화된 중간층 및 그 중간층과 용착 일체화된 내층으로 하여도 된다. 이 경우, 중간층을 통하여 외층과 내층이 용착 일체화하고 있다 할 수 있다. 또한, 내층은 정치(靜置) 주조법(static casting)으로 제조하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 내층, 중간층의 조성은 특별히 한정되지 않으나, 내층은 구상 흑연 주철(nodular graphite cast iron), 중간층은 C:1.5∼3질량%의 고탄소재로 구성된 것이 바람직하다.

다음으로, 롤 외층재(외층)의 바람직한 조성 범위의 한정 이유에 대하여 설명한다. 또한, 이하에서 질량%는 미리 언급하지 않는 한, 단지 %로 기재한다.

C:2.4∼2.9%

C는, 고용(固溶)하여 기지(base phase)의 경도를 증가시킴과 동시에, 탄화물 형성 원소(carbide-forming element)와 결합하여 경질 탄화물을 형성하고, 롤 외층재의 내마모성을 향상시키는 작용을 가진다. C 함유량에 따라 압연 사용 특성에 영향을 미치는 탄화물의 형태가 변화한다. 여기에서, 압연 사용 특성이란, 압연시의 롤 외층재 표면의 윤활성과 내피로성을 복합한, 압연 롤 외층재로서의 필요 특성을 의미한다. C 함유량이 2.4% 미만에서는, 탄화 물량이 부족하고, 압연시에 롤 외층재 표면의 마찰력이 증가하여 압연이 불안정하게 되는 경우가 있다. 한편, 2.9%를 초과하는 C의 함유는, 탄화물량을 지나치게 증가시켜, 연결된 조대 탄화물을 형성하고, 내피로성을 저하시키는 경우가 있다. 이 때문에, C의 함유량은 2.4∼2.9% 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, Al, REM을 함유하지 않는 경우는, C의 함유량은 2.7∼2.9% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Si:0.2∼1.0%

Si는 탈산제(deoxidizing agent)로서 작용함과 동시에, 용탕의 주조성(casting performance)을 향상시키는 원소이다. 본 발명에서는 Si의 함유량을 0.2% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, Si의 함유량이 1.0%를 초과하여도 효과가 포화(飽和)하여 함유량에 알맞은 효과를 기대할 수 없게 되며, Si의 함유량을 증가시키는 것에 의한 비용 증가분만큼 경제적으로 불리하게 된다. 이 때문에, Si의 함유량은 0.2∼1.0%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Mn:0.2∼1.0%

Mn은, S를 MnS로 고정하고, 무해화하는 작용을 가진다. 또한, Mn은, 기지에 고용하여, 담금질성(hardenability)을 향상시키는 효과를 가지는 원소이다. 이러한 효과를 얻으려면, Mn의 함유량이 0.2% 이상인 것이 바람직하다. 또한, Mn의 함유량이 1.0%를 초과하여도, 효과가 포화하여 함유량에 알맞은 효과를 기대할 수 없게 되며, Mn의 함유량을 증가시키는 것의 의한 비용 증가만큼 경제적으로 불리하게 된다. 또한, Mn의 함유량이 1.0%를 초과하면, 롤재가 취화(脆化)하는 경우가 있다. 이 때문에, Mn의 함유량은 0.2∼1.0% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Cr:4.0∼7.5%

Cr은, C와 결합하여 주로 공정 탄화물(eutectic carbide)을 형성하고, 내마모성을 향상시키는 동시에, 압연시에 강판과 롤 외층재 표면 사이의 마찰력을 줄이며, 롤 표면의 손상을 경감시켜, 압연을 안정화시키는 작용을 가지는 원소이다. 또한, 본 발명에서는, Cr은 입상 탄화물(granular carbide)이나 기지 중에도 적당히 고용하여 롤 외층재를 강화하는 작용을 가진다. 이러한 효과를 얻기 위하여, Cr 함량을 4.0% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Cr 함량이 7.5%를 초과하면, 조대 공정 탄화물이 과하게 증가하여, 내피로성이 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, Cr함량은 4.0∼7.5% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Mo:4.0∼6.5%

Mo는, C와 결합하여 경질(硬質)의 탄화물을 형성하며, 내마모성을 향상시키는 원소이다. 또한, Mo는, 경질의 MC형 탄화물 중에 고용하여, 탄화물을 강화함과 동시에, 공정 탄화물 중에도 고용하여, 이들 탄화물의 파괴 저항(fracture resistance)을 증가시킨다. 이러한 작용을 통하여 Mo는, 롤 외층재의 내피로성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위하여, Mo의 함유량을 4.0% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, Mo의 함유량이 6.5%를 초과하면, Mo 주체의 경취(硬脆) 탄화물(hard and brittle carbide)이 생성되고, 내피로성이 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, Mo의 함유량은 4.0∼6.5% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

V:5.3∼7.0%

V는, 내마모성과 내피로성을 겸비하기 위해서, 본 발명에서 중요한 원소이다. V는 극히 경질인 입상 탄화물(MC형 탄화물)을 형성하고, 내마모성을 향상시키는 동시에, 조대 공정 탄화물을 분단, 분산 정출(dispersedly crystallize)시키는 것에 유효하게 작용하며, 롤 외층재의 내피로성을 현저히 향상시키는 원소이다. 이런 효과는, V의 함유량을 5.3% 이상으로 함으로써 현저하게 된다. 또한, 7.0%를 초과하는 V의 함유는, MC형 탄화물을 조대화 시키는 동시에, MC형 탄화물의 원심 주조 편석(centrifugal casting segregation)을 조장시키는 경우가 있어, 이 경우, 열간 압연용 롤의 모든 특성이 불안정하게 된다. 이 때문에, V의 함유량은 5.3∼7.0% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Nb:0.5∼3.0%

Nb는, 입상의 MC형 탄화물에 고용하여 MC형 탄화물을 강화하고, Mo와 공존하는 것에 의해 파괴 저항을 증가시키는 작용을 통하여, 내피로성을 향상시킨다. 또한, Nb는, 조대 공정 탄화물의 분단을 촉진시키고, 공정 탄화물의 파괴를 억제하는 작용을 가지며, 롤 외층재의 내피로성을 향상시키는 원소이다. 또한, Nb는 MC형 탄화물의 원심 주조시의 편석을 억제하는 작용을 가진다. 이런 효과는, Nb의 함유량이 0.5% 이상에서 현저하게 된다. 또한, 3.0%를 초과하는 Nb의 함유는, 용탕 중에서의 MC형 탄화물의 성장을 촉진시켜, 원심 주조시의 탄화물 편석을 조장하는 경우가 있다. 이 때문에, Nb의 함유량은 0.5∼3.0% 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 0.5∼2.0%이다.

Al:0.001∼0.05% 및 REM:0.001∼0.03%의 일종 이상

Al, REM은, 모두 입상 탄화물의 생성을 강하게 촉진하는 작용이 있으며, 미세 탄화물을 증량하는 효과가 있다. 이 때문에, Al 및 REM은 우수한 내피로성을 롤 외층재에 부여한다. 이러한 효과를 얻으려면, Al 및 REM의 적어도 1종을 합계로 0.001% 이상 함유하는 것이 바람직하다. Al의 함유량이 0.05%, 혹은 REM함량이 0.03%를 초과하여도, 효과가 포화하며, 심지어 가스 결함(gas defect)이 생기기 쉬워진다. 이 때문에, Al:0.001∼0.05% 또는 REM:0.001∼0.03%의 일종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.

여기에서, REM은 2종 이상의 희토류 원소의 혼합물인 미시 메탈(misch metal)이며, 모든 희토류 원소를 분석하기 어려운 경우, REM의 함유량은 Ce 분석치의 2배로 하여도 된다.

본 발명에서는 Cr, Mo, V을, 상기한 함유 범위 내에서, 또한 다음 (1)식을 만족하도록 조정하여 함유하는 것이 바람직하다.

1.5≤(Cr+Mo)/V≤2.4....(1)

(여기에서, Cr, Mo, V:각 원소의 함유량(질량%))

(Cr+Mo)량과 V량의 비가, 1.5 미만으로 (1)식을 만족하지 않는 경우에는, 소망의 우수한 열간 전동 피로 수명을 확보할 수 없게 되는 경우가 있다. 한편, (Cr+Mo)량과 V량의 비가 2.4를 초과하면, 조대 공정 탄화물이 과하게 증가하여, 열간 전동 피로 수명이 현저히 저하하는 경우가 있다. 이 때문에, (Cr+Mo)/V를 1.5 이상, 2.4 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상술한 성분 외의 잔부는, Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 불가피한 불순물로는, P:0.05% 이하, S:0.05% 이하, N:0.06% 이하, B:0.03% 이하, Ni:0.2% 이하를 예시할 수 있다.

P는, 입계에 편석하고, 재질을 열화시키기 때문에, 본 발명에서는 가급적 P의 함유량을 줄이는 것이 바람직하다. 다만, P의 함량이 0.05% 이하이면 허용할 수 있다.

또한, S는, 황화물계 개재물로서 존재하여 재질을 저하시키기 때문에, 가급적 S의 함유량을 줄이는 것이 바람직하다. 다만, S의 함유량이 0.05% 이하이면 허용할 수 있다.

N은, 통상의 용해라면, 0.01∼0.06% 정도 혼입한다. 이 정도의 N의 함유량이라면 본 발명의 효과에 영향을 미치는 일은 없다. 다만, N은, 복합 롤의 외층과 중간층 또는 중간층과 내층의 경계에 가스 결함을 발생시키는 경우가 있으므로, N의 함유량은 0.05% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, B는, 용해 원료(raw metal for melting metal)인 스크랩(scrap)이나 주조 플럭스(casting flux) 등에서 혼입되는 원소이며, 탄화물에 고용한 탄화물을 취약화시키는 작용을 가진다. 본 발명에서는 B의 함유량을 가급적 줄이는 것이 바람직하다. 다만, B의 함유량이 0.03% 이하이면 본 발명의 효과에 현저한 악영향을 미치지 않으며, 허용할 수 있다.

Ni은, 용해 원료인 스크랩에서 혼입되는 원소이며, 롤 외층재의 담금질성에 영향을 미치고, 열처리 후의 경도나 잔류 응력(residual stress)의 불균형(variation)을 발생시킨다. 본 발명에서는, 가급적 Ni의 함유량을 줄이는 것이 바람직하다. 다만, Ni의 함유량이 0.2% 이하이면, 롤의 제조에서 허용할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 바람직한 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에서는, 롤 외층재의 제조 방법은 에너지 비용(energy costs)이 낮은 값싼 원심 주조법으로 한다.

우선, 지르콘(zircon) 등을 주원료로 한 내화물이 1∼5㎜ 두께로 내면에 피복된, 회전하는 주형에, 상기한 롤 외층재 조성의 용탕을 소정의 두께가 되도록 주탕(注湯)(pouring)하여 원심 주조한다. 여기서, 주형(casting mold)의 회전수는, 롤의 외표면에 인가되는 중력 배수가 120∼220G의 범위가 되도록 조정되는 것이 바람직하다. 그리고, 중간층을 형성하는 경우에는, 롤 외층재의 응고 도중 혹은 완전히 응고된 후, 주형을 회전시키면서 중간층 조성의 용탕을 주탕하여, 원심 주조하는 것이 바람직하다. 외층 혹은 중간층이 완전히 응고된 후, 주형의 회전을 정지하고 주형을 세우면서, 내층재를 정치 주조하여, 복합 롤로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 롤 외층재의 내면 측이 재용해되어 외층과 내층, 혹은 외층과 중간층, 중간층과 내층이 용착 일체화된 복합 롤이 된다.

또한, 정치 주조되는 내층은, 주조성과 기계적 성질이 우수한 구상 흑연 주철, 버미큘러 흑연 주철(VC주철) 등을 이용하는 것이 바람직하다. 원심 주조제의 롤은, 외층과 내층이 일체로 용착되어 있기 때문에, 외층재의 성분이 1∼8% 정도 내층에 혼입된다. 외층재에 포함되는 Cr, V 등의 탄화물 형성 원소가 내층에 혼입되면, 내층이 취약화된다. 이 때문에, 외층 성분의 내층으로의 혼입률은 6% 미만으로 억제하는 것이 바람직하다.

또한, 중간층을 형성하는 경우는, 중간층재로서 흑연 강(graphite steel), 고탄소강(high-carbon steel), 아공정 주철(hypoeutectic cast iron) 등을 이용하는 것이 바람직하다. 중간층과 외층은 동일하게 일체로 용착되어 있으며, 외층 성분이 중간층으로 10∼95% 범위에서 혼입된다. 내층으로의 외층 성분의 혼입량을 억제한다는 관점에서, 외층 성분의 중간층으로의 혼입량은 가급적 줄여두는 것이 중요하다.

본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 주조 후 열 처리를 시행하는 것이 바람직하다. 열 처리는, 950∼1150℃로 가열하여 공랭(空冷) 혹은 공기 분사식 공랭(air blast cooling)하는 공정과, 450∼600℃로 더 가열 유지한 후 냉각하는 공정을 1회 이상 실시하여 처리하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 바람직한 경도는, 79∼88HS, 보다 바람직한 강도는 80∼87HS이다. 이러한 경도를 안정되게 확보할 수 있도록, 주조 후의 열처리를 조정하는 것이 권장된다.

실시예 1

표 1에 나타내는 롤 외층재 조성의 용탕을 고주파로(high-frequency furnace)에서 용해하여 원심 주조법으로 링 형상 시험재(링 롤;외경:250㎜Φ 폭:75㎜, 두께:55㎜)로 하였다. 또한, 주조 온도는 1430∼1550℃, 원심력은 중력 배수로 180G로 하였다. 주조 후, 1050℃부터의 담금질 처리, 540∼560℃에서의 템퍼링 처리를 실시하고, 경도를 79∼86HS로 조정하였다. 얻어진 링 형상 시험재에서 마이크로 조직 관찰용 시험편과 피로 시험편을 채취하여, 마이크로 조직 관찰(observation of microstructure) 및 열간 전동 피로 시험을 실시하였다. 시험 방법은 다음과 같이 하였다.

(1) 열간 전동 피로 시험

얻어진 링 형상 시험재에서 도 3에 나타내는 형상의 피로 시험편(외경 60㎜Φ, 두께 10㎜, 모따기 있음)을 채취하였다. 피로 시험편에는, 도 3에 나타내는 것과 같은 노치(깊이 t:1.2㎜, 원주 방향 길이 L:0.8㎜)를 외주면의 2개소에, 0.2㎜Φ의 와이어를 이용한 방전 가공(와이어 컷)법으로 도입하였다.

열간 전동 피로 시험은, 도 3에 나타내듯이, 열간 전동 피로 시험편과 상대재의 2원반 미끄럼 전동 방식으로 행하여, 열간 전동 피로 시험편을 수냉하면서 700rpm으로 회전시켜, 회전하는 그 시험편에 810℃로 가열한 상대편(재질:S45C, 외경:190㎜Φ 폭:15㎜)을 하중 980N으로 압접하면서, 미끄럼율:9%로 전동시켰다. 그리고, 열간 전동 피로 시험편에 도입한 2개의 노치가 절손될 때까지 전동시켜, 각 노치가 절손되기까지의 전동 회전수를 각각 구하여, 그 평균치를 열간 전동 피로 수명으로 하였다. 이 열간 전동 피로 수명이 300천 회를 초과한 경우를, 열간 전동 피로 수명이 우수하다고 하였다.

얻은 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명예는 모두 비교예에 비하여 열간 전동 피로 수명이 현저하게 향상되어 있다.

또한, 비교예 M, R, S, U, V는 원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물이 적고 열간 전동 피로 수명이 떨어지고 있다. 또한, 비교예 L, M, N, P, Q, S, T는 원 상당 직경이 50㎛를 초과하는 조대 탄화물이 과잉으로 존재하므로, 그 조대 탄화물의 균열이 전파하여 열간 전동 피로 특성이 현저히 저하하였다. 또한, 비교예 W는 미소 탄화물 수가 과도하게 많아지면서, 근접한 탄화물에 균열이 전파하여 열간 전동 피로 수명이 현저히 저하하였다.

Claims

열간 압연용 복합 롤의 외층에 이용되는 주철계 롤 외층재로서,
질량%로, C:2.4∼2.9%, Si:0.2∼1.0%, Mn:0.2∼1.0%, Cr:4.0∼7.5%, Mo:4.0∼6.5%, V:5.3∼7.0%, Nb:0.5∼3.0%를 함유하고, 또한, Cr, Mo, V의 함유량이 다음 (1)식을 만족하며, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 가지며,
원 상당 직경이 3∼30㎛의 미세 탄화물을 500∼2500개/㎟함유하고, 또한, 원 상당 직경이 50㎛ 이상의 조대 탄화물의 존재가 20개/㎟이하인 것을 특징으로 하는 롤 외층재.
다음
1.5≤(Cr+Mo)/V≤ 2.4...(1)
여기에서, Cr, Mo, V: 각 원소의 함유량(질량%)
청구항 1에 있어서,
상기 조성에 더하여, 질량%로, Al:0.001∼0.05% 또는 REM:0.001∼0.03%의 일종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 롤 외층재.
외층과 내층이 용착(溶着) 일체화하여 이루어진 열간 압연용 복합 롤로서, 상기 외층이 청구항 1 또는 2에 기재된 롤 외층재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 복합 롤.
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