KR102148026B1 - 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용하여 제조된 압연롤 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용하여 제조된 압연롤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, TiC를 포함하는 분말로 중공부를 구비하는 예비성형체를 성형하는 단계; 상기 예비성형체를 함침용 몰드에 구비된 캐비티에 충진하여 외층부를 형성하는 단계; 상기 예비성형체의 중공부에 스틸을 삽입하여 내층부를 형성하는 단계; 상기 캐비티에 충진된 예비성형체 상부에 기지재를 충진하는 기지재 충진단계; 및 상기 예비성형체, 기지재 및 스틸을 가압하여 상기 예비성형체 내부로 상기 기지재가 함침되고, 상기 예비성형체 및 스틸이 접합되는 이종재료 접합 및 가압 함침단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 가압 함침 공정시 가압 함침된 기지재 및 예비성형체의 외층부와 접합된 내층부의 스틸이 기지재의 중공부로의 이동을 막아주고, 가공성이 우수하고 저비용의 압연롤을 제조할 수 있다.

Description

이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용하여 제조된 압연롤 및 그 제조방법{ROLLING ROLL MANUFACTURED BY PROCESS OF DISSIMILAR MATERIALS JOINT AND PRESSURE-IMPREGNATION AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용하여 제조된 압연롤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명의 가압 함침 공정을 이용하여 가압 함침된 기지재 및 예비성형체의 외층부와 상기 외층부와 접합된 스틸로 구성된 내층부을 포함하는 압연롤 및 그의 제조방법에 관한 것이다
압연에 사용되는 롤의 종류에는 연주철(DCI: Ductile Cast Iron) 롤, 애더마이트(Adamite) 롤, 냉경주물(Chilled casting) 롤, 하이스공구강(HSS: High Speed Steel) 롤 및 초경(TC: Tungsten Carbide) 롤 등이 있다. 그 중 상기 초경 롤은 기존 다른 재질의 롤 보다 내마모성이 우수하여 수명이 길기 때문에 생산성이 높다는 장점을 갖는다. 또한, 상기 초경 롤은 경도가 높아서 생산된 제품의 외관이 미려하고, 형상 정확도가 우수하고 균일한 양질의 제품을 생산할 수 있다. 이러한 여러 장점으로 초경 롤은 압연에서 가장 중요한 비중을 차지하는 롤이다.
이러한, 초경 롤을 제조하는 종래의 방법은 다음과 같다. 먼저, 탄화텅스텐(WC)분말과 일정량의 결합제(binder) 분말(코발트, 니켈 및 크롬 등)을 혼합하여 냉간 정수압 성형(CIP, Cold Isostatic Pressing) 또는 금형 압축성형(Die pressing) 공정으로 롤의 형상을 성형한 후 소결단계를 거친 후 품질 향상을 위하여 잔류기공을 없애기 위한 열간 정수압 성형(HIP, Hot Isostatic Pressing) 처리를 통하여 상기 초경 롤이 제조될 수 있다. 또한, 종래 선행기술로서, 대한민국 공개번호 제2014-0045639호는 압연롤 제조방법 및 그에 따른 압연롤을 개시하고 있다.
그러나, 종래 기술에서는 금속과 합금으로 구성된 기지(Matrix)에 세라믹 입자가 포함되어 금속과 세라믹의 장점을 함께 지닌 써멧을 가압 함침하여 제조된 압연롤의 제조방법에 관하여는 개시하고 있지 않다. 또한, 가압 함침 공정에 의하여 압연롤을 제조할 경우 압연롤의 중공부 형성용 함침몰드의 코어가 파손되기 때문에, 몰드 코어를 사용하지 않고 가압 함침시 기지재가 사용되지 않은 코어의 빈 영역으로 이동하게 되는 문제가 발생된다.
따라서, 가압 함침 공정을 이용한 압연롤 제조 공정 및 기술의 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다.
대한민국 공개번호 제2014-0045639호 (2014. 04. 17)
따라서 본 발명의 목적은 가압 함침 공정에 의하여 압연롤을 제조할 경우 가압 함침시 기지재가 사용되지 않은 코어의 빈 영역으로의 이동을 방지할 수 있는 압연롤 제조방법 및 그에 의하여 제조된 압연롤을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 가공성이 우수하고 저비용의 압연롤을 제조할 수 있는 압연롤 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법은, TiC를 포함하는 분말로 중공부를 구비하는 예비성형체를 성형하는 단계; 상기 예비성형체를 함침용 몰드에 구비된 캐비티에 충진하여 외층부를 형성하는 단계; 상기 예비성형체의 중공부에 스틸을 삽입하여 내층부를 형성하는 단계; 상기 캐비티에 충진된 예비성형체 상부에 기지재를 충진하는 기지재 충진단계; 및 상기 예비성형체, 기지재 및 스틸을 가압하여 상기 예비성형체 내부로 상기 기지재가 함침되고, 상기 예비성형체 및 스틸이 접합되는 이종재료 접합 및 가압 함침단계를 포함할 수 있다.
상기 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법에 있어서, 상기 분말은 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말을 더 포함할 수 있다.
상기 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법에 있어서, 상기 스틸은 S20C 인 것을 특징으로 한다.
상기 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법에 있어서, 상기 기지재는 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 예비성형체 내부에 가압 함침되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법에 있어서, 상기 기지재는 온도 1,500 내지 1,700 ℃ 및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 압연롤은, 공구강계 분말 및 티타늄카바이드(TiC) 분말을 포함하고, 중공부를 구비하여 외층부를 형성하는 예비성형체; 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 예비성형체 내부에 가압 함침되는 기지재; 및 상기 예비성형체의 중공부에 삽입되어 내층부를 형성하는 스틸을 포함할 수 있다.
상기 압연롤에 있어서, 상기 공구강계 분말은 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 압연롤에 있어서, 상기 스틸은 S20C 인 것을 특징으로 한다.
상기 압연롤에 있어서, 상기 기지재는 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 예비성형체 내부에 가압 함침되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용하여 제조된 압연롤 및 그 제조방법에 따르면, 종래의 가압 함침 공정의 경우 압연롤의 중공부 형성용 함침몰드의 코어가 파손되기 때문에 몰드 코어를 사용하지 않고 가압 함침시 기지재가 중공부 영역으로 이동하게 되나, 본 발명의 가압 함침 공정시 가압 함침된 기지재 및 예비성형체의 외층부와 접합된 내층부의 스틸이 기지재의 중공부로의 이동을 막아준다.
또한, 스틸로 구성된 내층부의 두께를 증가시킴으로써 고가의 TiC를 함유하는 외층부의 두께를 줄일 수 있고, 이로 인해 저비용의 압연롤을 제조할 수 있다.
또한, 압연롤의 외층부는 가압 함침된 기지재 및 예비성형체로 구성되어 내마모성을 구현함과 동시에, 내마모성이 필요없는 내층부는 HRC 20의 스틸로 구성되어 종래의 HRC 50의 고경도에서의 압연롤 제작시 가공성의 어려움을 내층부의 HRC 20의 저경도의 스틸을 가공함으로 인하여 가공성 및 절삭성이 향상될 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 가압 함침 공정의 모식도이다.
도 2는 종래의 가압 함침 공정에 의하여 압연롤을 제조할 경우 압연롤의 중공부 형성용 함침몰드의 코어가 파손된 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용하여 압연롤을 제조하는 공정의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압연롤의 외층부, 내층부 및 접합계면의 표면 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 가압 함침 공정의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 내마모용 써멧(100)은 예비성형체(200) 및 기지재(300)를 포함한다. 써멧(cermet)이란 세라믹(cermaic)과 금속(metal)의 합성어로서, 넓은 범위로 금속과 합금이 기지(Matrix)가 되며, 이에 세라믹 입자가 포함되어, 금속과 세라믹의 장점을 함께 지닌 재료를 말한다.
예비성형체(200)는 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 분말 및 고분자수지를 포함할 수 있다.
상기 공구강계 분말은 스테인레스 합금계를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스테인레스 합금계는 마르텐사이트형 또는 석출경화형일 수 있다.
STD 11 및 STD 61은 합금공구강 재료로 주성분으로 Fe, C, Si, Mn, P, S, Cr, Mo, V 등을 포함한다. SKH 2 및 SKH9는 고속도강이다.
본 발명에 따른 공구강계 분말은 써멧 제조 공정 중에서 소결 후에 바인더 역할을 함으로써 예비성형체의 강도를 증가시킬 수 있고, 함침시 열충격 등으로 인한 예비성형체의 파손을 억제하는 효과를 가진다.
도 2는 종래의 가압 함침 공정에 의하여 압연롤을 제조할 경우 압연롤의 중공부 형성용 함침몰드의 코어가 파손된 사진이다.
도 2를 참조하면, 종래의 가압 함침 공정의 경우 가압 함침시 예비성형체의 수축으로 인하여 압연롤의 중공부 형성용 함침몰드의 코어가 파손되는 문제점이 발생된다. 이에 따라 함침몰드의 코어를 사용하지 않고 가압 함침시 예비성형체 내부로 기지재가 함침됨과 동시에 기지재가 사용되지 않은 코어의 빈 영역으로 이동하게 되는 문제가 발생된다. 이로 인해 가압 함침 공정으로 제조된 압연롤 내의 기지재의 함량 손실로 인한 특성의 저하를 야기하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 압연롤은 외층부를 형성하는 예비성형체, 상기 예비성형체 내부에 가압 함침되는 기지재 및 내층부를 형성하는 스틸을 포함할 수 있다.
예비성형체는 공구강계 분말 및 티타늄카바이드(TiC) 분말을 포함하고, 중공부를 구비하여 외층부를 형성한다.
상기 압연롤에 있어서, 상기 공구강계 분말은 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
기지재는 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 예비성형체 내부에 가압 함침된다.
스틸은 상기 예비성형체의 중공부에 삽입되어 내층부를 형성한다. 여기서, 상기 스틸은 S20C 인 것이 바람직하다.
이때, 상기 스틸은 예비성형체에 기지재가 가압 함침되어 형성된 외층부에 가압 함침 공정에 의하여 접합되어 있다. 압연롤의 내층부를 형성하는 스틸이 기지재가 압연롤의 내층부로 이동하는 것을 방지하여 준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용하여 압연롤을 제조하는 공정의 모식도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압연롤의 외층부, 내층부 및 접합계면의 표면 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법은 예비성형체를 성형하는 단계(S10), 외층부를 형성하는 단계(S20), 내층부를 형성하는 단계(S30), 기지재 충진단계(S40) 및 이종재료 접합 및 가압 함침단계(S50)를 포함할 수 있다.
예비성형체를 성형하는 단계(S10)는 TiC를 포함하는 분말로 중공부를 구비하는 예비성형체를 성형한다.
상기 분말은 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말을 더 포함할 수 있다.
외층부를 형성하는 단계(S20)는 상기 예비성형체를 함침용 몰드에 구비된 캐비티에 충진하여 외층부를 형성한다.
내층부를 형성하는 단계(S30)는 상기 예비성형체의 중공부에 스틸을 삽입하여 내층부를 형성한다.
여기서, 상기 스틸은 S20C 인 것이 바람직하다.
기지재 충진단계(S40)는 상기 캐비티에 충진된 예비성형체 상부에 기지재를 충진한다.
이종재료 접합 및 가압 함침단계(S50)는 상기 예비성형체, 기지재 및 스틸을 가압하여 상기 예비성형체 내부로 상기 기지재가 함침되고, 상기 예비성형체 및 스틸이 접합된다.
상기 기지재는 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 예비성형체 내부에 가압 함침되어 형성된다. 이때, 상기 기지재는 온도 1,500 내지 1,700 ℃ 및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침되어 형성된다.
본 발명에 따르면, 종래의 가압 함침 공정의 경우 압연롤의 중공부 형성용 함침몰드의 코어가 파손되기 때문에 몰드 코어를 사용하지 않고 가압 함침시 기지재가 중공부 영역으로 이동하게 되나, 본 발명의 가압 함침 공정시 가압 함침된 기지재 및 예비성형체의 외층부와 접합된 내층부의 스틸이 기지재의 중공부로의 이동을 막아준다.
또한, 스틸로 구성된 내층부의 두께를 증가시킴으로써 고가의 TiC를 함유하는 외층부의 두께를 줄일 수 있고, 이로 인해 저비용의 압연롤을 제조할 수 있다.
또한, 압연롤의 외층부는 가압 함침된 기지재 및 예비성형체로 구성되어 내마모성을 구현함과 동시에, 내마모성이 필요없는 내층부는 HRC 20의 스틸로 구성되어 종래의 HRC 50의 고경도에서의 압연롤 제작시 가공성의 어려움을 내층부의 HRC 20의 저경도의 스틸을 가공함으로 인하여 가공성 및 절삭성이 향상될 수 있는 우수한 효과가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예
용융가압함침 및 이종재료 접합을 적용한 TiC계열 가이드롤을 제조하기 위하여 D50=3~5㎛의 TiC 및 D50=10㎛의 STD11의 분말을 중량비 75%:25%의 비율로 혼합하여 혼합분말을 조성하였다.
균일한 분말의 혼합을 위하여 SUS좌를 활용한 볼밀 공정을 적용하였으며, SUS좌 내부에 혼합분말과 헵탄(heptane)을 장입하여 200rpm의 속도로 48hr의 시간동안 공정을 수행하였다.
볼밀 공정 후 분말은 4%의 바인더를 첨가하여 건조 후 325mesh의 시빙체를 이용하여 분말을 회수하였으며 이를 이용하여 성형 금형 및 단압프레스를 이용하여 충진율 60%의 압연롤 형상의 외층부를 형성하는 중공 성형체의 예비성형체를 성형하였다.
이러한 예비성형체를 5X10-2 Torr의 진공분위기 및 1100℃의 온도가 유지되는 탈지 소결로에서 1시간 동안 예비 소결을 수행한 후 소결로 내부에서 로냉으로 상온까지 냉각시켰다.
예비 소결을 수행한 예비성형체의 중공부에 내층부를 형성할 S20C의 내부철강을 삽입하고, 함침용 알루미나 몰드에 장입후 STD11 벌크재를 예비성형체 상부에 비치한 후 가압 함침장비 내에 장입하였다.
5X10-2 Torr의 진공분위기에서 1500℃의 온도까지 상승 후 Ar 가스를 장입하여 9bar의 압력으로 1분 유지 후 함침장비 내부에서 상온까지 냉각시켰다. 그 결과 TiC 및 SKD11의 금속 복합소재와 S20C가 결합된 이종재료가 접합된 압연롤을 제조할 수 있었다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (9)

  1. TiC를 포함하는 분말로 중공부를 구비하는 예비성형체를 성형하는 단계;
    상기 예비성형체를 함침용 몰드에 구비된 캐비티에 충진하여 외층부를 형성하는 단계;
    상기 예비성형체의 중공부에 스틸을 삽입하여 내층부를 형성하는 단계;
    상기 캐비티에 충진된 예비성형체 상부에 기지재를 충진하는 기지재 충진단계; 및
    상기 예비성형체, 상기 예비성형체 상부에 충진된 기지재 및 상기 예비성형체의 중공부에 삽입된 스틸을 가압하여 상기 예비성형체 내부로 상기 기지재가 함침되고, 상기 예비성형체 및 스틸이 접합되는 이종재료 접합 및 가압 함침단계;를 포함하고,
    상기 내층부를 형성하는 단계 이전에, 상기 예비성형체를 소결로에서 예비 소결을 수행한 후 소결로 내부에서 상온까지 냉각시키는 단계;를 더 포함하고,
    상기 분말은 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말을 더 포함하고,
    상기 기지재는 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내층부를 형성하는 단계 이전에, 상기 예비성형체를 소결로에서 예비 소결을 수행한 후 소결로 내부에서 상온까지 냉각시키는 단계는,
    상기 예비성형체를 5X10-2 Torr의 진공분위기 및 1100℃의 온도가 유지되는 소결로에서 1시간 동안 예비 소결을 수행한 후 소결로 내부에서 상온까지 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스틸은 S20C 인 것을 특징으로 하는 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기지재는 온도 1,500 내지 1,700 ℃및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이종재료 접합 및 가압 함침 공정을 이용한 압연롤의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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