KR102234330B1

KR102234330B1 - 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤

Info

Publication number: KR102234330B1
Application number: KR1020197004864A
Authority: KR
Inventors: 나오미치 이와타; 다케시 스즈키; 쇼이치 마츠무라
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2021-03-30
Also published as: CN109641250B; TWI655295B; EP3479915B1; CN109641250A; BR112019003360A2; JPWO2018047444A1; EP3479915A1; JP6292362B1; EP3479915A4; KR20190029716A; TW201812028A; WO2018047444A1

Abstract

내마모성을 확보함과 함께, 롤 표면의 피트상의 결함을 경감시켜, 내표면 거침성이 우수한 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤을 제공하는 것을 목적으로 한다. 질량％ 로, C : 2.0 ∼ 3.0 ％, Si : 0.2 ∼ 1.0 ％, Mn : 0.2 ∼ 1.0 ％, Cr : 4.0 ∼ 7.0 ％, Mo : 3.0 ∼ 6.5 ％, V : 5.0 ∼ 7.5 ％, Nb : 0.5 ∼ 3.0 ％, Ni : 0.05 ∼ 3.0 ％, Co : 0.2 ∼ 5.0 ％, W : 0.5 ∼ 5.0 ％ 를 함유하고, 또한 C, Cr, Mo, V, Nb, Ni, W 의 함유량이 하기 (1) 식을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 가지며, 기지 조직의 85 ％ 이상이 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직이고, 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경은 0.5 ∼ 3.0 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 열간 압연용 롤 외층재. 0.05 ≤ (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) ≤ 4.0 (1) 여기서, ％C, ％V, ％Nb, ％Cr, ％Mo, ％W, ％Ni 는, 각 원소의 함유량 (질량％) 이다.

Description

열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤

본 발명은, 열간 압연용 복합 롤에 관한 것으로, 특히, 강판의 열간 압연 마무리 밀용으로서 바람직한 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤에 관한 것이다.

최근, 강판의 열간 압연 기술의 진보에 따라 롤의 사용 환경은 가혹화되고 있고, 또, 고강도 강판이나 박육품 등 압연 부하가 큰 강판의 생산량도 증가하고 있다. 이 때문에, 압연용 워크 롤에는 압연면의 피로에서 기인된 표면 거침이나 치핑 결함이 발생하는 경우가 많아져, 이제까지 이상으로 내표면 거침성과 내치핑성에 대한 요구가 강해지고 있다. 현재, 열간 압연에서는 수 ％ 량의 V 를 첨가함으로써 경질 탄화물을 다량으로 형성시켜, 내마모성을 향상시킨 하이 스피드 스틸계 롤이 다용되고 있다.

이와 같은 하이 스피드 스틸계 롤의 외층재로서, 예를 들어, 특허문헌 1 에는, 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 포함하고, 또한, Nb 및 V 를, Nb, V 및 C 의 함유량이 특정 관계를 만족하며, 나아가 Nb 와 V 의 비가 특정 범위 내가 되도록 함유하는 압연용 롤 외층재가 제안되어 있다. 이로써, 원심 주조법을 적용해도 외층재에 있어서의 경질 탄화물의 편석이 억제되어, 내마모성과 내크랙성이 우수한 압연용 롤 외층재가 된다고 되어 있다. 또, 특허문헌 2 에는, 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 포함하고, 또한, Nb 및 V 를, Nb, V 및 C 의 함유량이 특정 관계를 만족하며, 나아가 Nb 와 V 의 비가 특정 범위 내가 되도록 함유하는 압연용 롤 외층재가 제안되어 있다. 이로써, 원심 주조법을 적용해도 외층재에 있어서의 경질 탄화물의 편석이 억제되어, 내마모성과 내크랙성이 향상되고, 열간 압연의 생산성 향상에 크게 공헌한다고 되어 있다.

한편, 열간 압연 제품의 품질 향상과 생산성 향상의 관점에서, 열간 압연용 롤의 사용 환경은 가혹화되고 있으며, 강판의 연속 압연량이 증가하고 있다. 또한, 열간 압연 제품의 표면 품질에 대한 요구도 엄격해지고 있다. 그 때문에, 마모보다 표면 거침과 같은 롤 표면의 피로 손상을 억제하는 것이 큰 과제가 되었다. 이와 같은 과제에 대해, 특허문헌 3 에는, 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 － 0.13Nb 가 특정 범위 내가 되도록 C, Mo, V, Nb 함유량을 조정하여, 열간 압연 환경하에서의 롤 표층의 내피로성이 우수하다고 한 원심 주조제 복합 롤이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 4 에는, C : 1.3 ∼ 2.2 ％, Si : 0.3 ∼ 1.2 ％, Mn : 0.1 ∼ 1.5 ％, Cr : 2.0 ∼ 9.0 ％, Mo : 9.0 ％ 이하, V : 4.0 ∼ 15.0 ％, 및 W : 20.0 ％ 이하, Ni : 5.0 ％ 이하, Co : 10.0 ％ 이하 중 어느 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 그 조직 중에 분산되는 탄화물의 사이즈가 특정 범위 내가 되는 압연용 롤 외층재가 제안되어 있다. 특허문헌 4 에서는, 조대한 탄화물로서 형성되기 쉬운 공정 (共晶) 탄화물량을 저감시킴으로써, 피트상의 결함을 경감시키는 것이 가능하다고 되어 있다.

일본 공개특허공보 평04-365836호 일본 공개특허공보 평05-1350호 일본 공개특허공보 2009-221573호 일본 특허 제3962838호

그러나, 최근의 압연 기술은 압연 강판의 고품질화와 고급화를 향해 눈부신 스피드로 진보를 이루고 있다. 동시에, 압연에 대해 저비용화도 엄격히 추급되는 점에서, 롤의 사용 환경은 점점 더 엄격하다. 이 때문에, 종래까지의 탄화물에만 착안한 롤 재질의 설계에 의해서는, 피트상의 결함의 발생을 경감시킬 수 없는 경우가 생겨났다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 내마모성을 확보함과 함께, 롤 표면의 피트상의 결함을 경감시켜, 내표면 거침성이 우수한 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 열간 압연용 롤 표면에 형성된 피트상의 결함의 발생 지점을 상세히 조사하였다. 그 결과, 피트상의 결함은, 공정 탄화물 (주로 M₂C 계, M₆C 계, M₇C₃ 계 및 M₂₃C₆ 계 탄화물) 로부터 발생한 크랙이 기지 조직을 전파함으로써 피트상으로 치핑되는 것을 밝혀냈다. 그래서, 피트상의 결함을 경감시키기 위해서는, 종래까지의 탄화물 종류, 사이즈에 착안하는 것에 더하여, 기지 조직을 전파하는 크랙의 전파 속도를 저감시키는 것이 유효하다고 생각하여, 본 발명을 완성시켰다. 즉, 롤 외층재의 내열간 전동 (轉動) 피로성과 기지 조직 사이즈에 영향을 주는 각종 요인에 대해 연구한 결과, 각 원소의 성분 범위의 조정, 및 각 원소가 특정 관계를 만족하도록 각 원소의 함유량을 조정함으로써, 열간 압연시의 내피로성이 현저히 향상된다는, 종래에 없는 지견을 얻었다. 또한, 기지 조직 사이즈를 제어함으로써, 보다 열간 압연시의 내피로성이 현저히 향상된다는 지견도 얻었다.

먼저, 본 연구의 기초가 된 실험 결과에 대해 설명한다. 질량％ 로, Si : 0.1 ∼ 1.5 ％, Mn : 0.1 ∼ 1.5 ％ 로 하고, C : 1.6 ∼ 3.5 ％, Cr : 3.5 ∼ 9.0 ％, Mo : 2.1 ∼ 7.0 ％, V : 4.1 ∼ 8.5 ％, Nb : 0.3 ∼ 4.6 ％, Ni : 0.02 ∼ 3.6 ％, Co : 0.3 ∼ 8.0 ％, W : 0.2 ∼ 8.0 ％ 의 범위에서 변화시키고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성의 용탕을, 고주파 유도로에서 용해하여, 롤 외층재에 상당하는 링상 롤재 (외경 : 250 ㎜φ, 폭 : 65 ㎜, 두께 : 55 ㎜) 를 원심 주조법에 의해 주조하였다. 또한, 주입 (鑄入) 온도는 1450 ℃ ∼ 1530 ℃ 로 하고, 원심력은 링상 롤재의 외주부가 중력 배수로 180 G 가 되도록 하였다. 주조 후, ??칭 처리, 템퍼링 처리를 실시하여, 경도를 HS 78 ∼ 86 으로 하였다. 또한, ??칭 처리는, 가열 온도 : 1070 ℃ 로 가열하여, 공랭시키는 처리로 하였다. 또, 템퍼링 처리는, 온도 : 530 ∼ 570 ℃ 에서, 잔류 오스테나이트량이 체적％ 로 10 ％ 미만이 되도록, 성분에 따라 2 또는 3 회 실시하였다.

얻어진 링상 롤재로부터 열연 피로 시험편 (외경 60 ㎜φ, 두께 10 ㎜) 을 채취하여, 일본 공개특허공보 2010-101752호에서 실기 (實機) 에 있어서의 열간 압연용 작업 롤의 내피로성을 양호하게 재현 평가할 수 있는 것을 나타낸 열연 피로 시험을 실시하였다. 또한, 피로 시험편에는, 도 1 에 나타내는 바와 같은 노치 (깊이 t : 1.2 ㎜, 둘레 방향 길이 L : 0.8 ㎜) 를 외주면의 2 지점에, 0.2 ㎜φ 의 와이어를 사용한 방전 가공 (와이어 컷) 법에 의해 도입하였다. 또, 피로 시험편의 전동면의 단부에는 1.2 C 의 모따기를 실시하였다.

열연 피로 시험은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 노치를 갖는 시험편 (열연 피로 시험편) 과 가열된 상대재의 2 원반의 롤링 슬라이딩 전동 방식으로 실시하였다. 즉, 도 1 에 나타내는 바와 같이 시험편 (열연 피로 시험편) (1) 을 냉각수 (2) 로 수랭시키면서 700 rpm 으로 회전시키고, 회전하는 그 시험편 (1) 에, 고주파 유도 가열 코일 (3) 에 의해 800 ℃ 로 가열한 상대편 (片) (재질 : S45C, 외경 : 190 ㎜φ, 폭 : 15 ㎜) (4) 을 하중 980 N 으로 꽉 누르면서, 슬라이딩률 : 9 ％ 로 전동시켰다. 열연 피로 시험편 (1) 에 도입한 2 개의 노치 (5) 가 파손될 때까지 전동시켜, 각 노치가 파손될 때까지의 전동 회전수를 각각 구하고, 그 평균값을 열연 피로 수명으로 하였다. 그리고, 열연 피로 수명이 350 천 회를 초과하는 경우를 열연 피로 수명이 현저히 우수한 것으로 평가하였다.

또, 얻어진 링상 롤재에 대해, 조직 관찰을 실시하였다. 조직 관찰은, 링상 롤재의 외표면으로부터 10 ㎜ 내부의 임의의 위치에 있어서, 10 × 10 × 5 ㎜ (5 ㎜ 는 링의 두께 방향) 의 조직 관찰 시험편을 채취하고, 10 × 10 ㎜ 의 면을 경면 연마하여, 나이탈 (5 체적％ 질산 ＋ 에탄올) 로 10 초 정도 부식시키고, 광학 현미경을 사용하여 실시하였다.

또, 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경 (단축 길이) 을 측정하기 위해서, 얻어진 링상 롤재의 외표면으로부터 10 ㎜ 내부의 임의의 위치에 있어서, 측정 시험편 (5 ㎜ × 10 ㎜ × 5 ㎜) 을 채취하여, 5 ㎜ × 10 ㎜ 의 면을 경면 연마하고, EBSD 측정을 실시하였다. 가속 전압 15 ㎸, 스텝 사이즈 0.1 ㎛ 로, 10000 ㎛² 이상의 영역의 전자선 후방 산란 회절법 (EBSD) 에 의해, 측정을 실시하였다. 인접하는 측정점과의 방위차가 15 °이상인 지점에 경계선을 긋고, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 경계선으로 둘러싸인 영역을 하나의 결정으로 하여, 측정면 상에서, 장경이 5 ㎛ 이상인 20 개의 결정의 단경을 측정하고, 그 평균값을 산출하였다.

얻어진 결과에 대해, 열연 피로 수명과 (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 의 관계를 도 3 에 나타내고, 열연 피로 수명과 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경의 관계를 도 4 에 나타낸다.

도 3 으로부터, (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 가 0.05 이상 또는 4.0 이하가 되면, 열연 피로 수명이 현저히 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 여기서, V, Cr, Mo, Nb, W 는 탄화물을 만들기 쉬운 원소이며, (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) 은 기지에 고용되어 있는 탄소량을 나타낸다. 그 때문에, (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 는 기지에 고용되어 있는 탄소량과 Ni 량의 합이며, 이 값을 적정한 범위로 조정함으로써, 기지 중의 크랙의 전파 속도가 느린, 열연 피로 수명이 우수한 롤 외층재가 얻어진다. 또, 상기 성분 범위를 만족하고, 또한 기지 조직의 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 결정 사이즈를 도 4 에 나타내는 범위 내로 제어함으로써, 열연 피로 수명을 현저히 향상시키는 것이 가능해진다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 완성된 것으로, 그 요지는 다음과 같다.

[1] 질량％ 로, C : 2.0 ∼ 3.0 ％, Si : 0.2 ∼ 1.0 ％, Mn : 0.2 ∼ 1.0 ％, Cr : 4.0 ∼ 7.0 ％, Mo : 3.0 ∼ 6.5 ％, V : 5.0 ∼ 7.5 ％, Nb : 0.5 ∼ 3.0 ％, Ni : 0.05 ∼ 3.0 ％, Co : 0.2 ∼ 5.0 ％, W : 0.5 ∼ 5.0 ％ 를 함유하고, 또한 C, Cr, Mo, V, Nb, Ni, W 의 함유량이 하기 (1) 식을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 가지며, 기지 조직의 85 ％ 이상이 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직이고, 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경은 0.5 ∼ 3.0 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 열간 압연용 롤 외층재.

0.05 ≤ (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) ≤ 4.0 (1)

여기서, ％C, ％V, ％Nb, ％Cr, ％Mo, ％W, ％Ni 는, 각 원소의 함유량 (질량％) 이다.

[2] 외층과 내층이 용착 일체화되어 이루어지는 열간 압연용 복합 롤로서, 상기 외층이 [1] 에 기재된 열간 압연용 롤 외층재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 복합 롤.

본 발명에 의하면, 크랙의 전파 속도가 현저히 저감된 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤을 제조하는 것이 가능해진다. 그 결과, 표면 거침이나 치핑 등의 열간 압연에 의한 표면 손상을 억제할 수 있어, 연속 압연 거리의 연장이나 롤 수명의 향상을 달성할 수 있다는 효과도 있다.

도 1 은, 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.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 열간 압연용 롤 외층재를 EBSD 로 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 열연 피로 시험에 있어서의 열연 피로 수명과 (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 열연 피로 시험에 있어서의 열연 피로 수명과, 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경의 관계를 나타내는 도면이다.

본 발명의 열간 압연용 롤 외층재는, 공지된 원심 주조법 혹은 연속 주괘 육성법 (連續鑄掛肉盛法) 등의 주조법에 의해 제조되어, 그대로 링 롤, 슬리브 롤로 할 수도 있지만, 열간 마무리 압연용으로서 바람직한, 열간 압연용 복합 롤의 외층재로서 적용된다. 또, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 외층과, 그 외층과 용착 일체화된 내층으로 이루어진다. 또한, 외층과 내층 사이에 중간층을 배치해도 된다. 즉, 외층과 용착 일체화된 내층 대신에, 외층과 용착 일체화된 중간층 및 그 중간층과 용착 일체화된 내층으로 해도 된다. 본 발명에서는, 내층, 중간층의 조성은 특별히 한정되지 않지만, 내층은 구상 흑연 주철 (다크타일 주철) 이나 단강, 중간층은, C : 1.5 ∼ 3.0 질량％ 의 고탄소재로 하는 것이 바람직하다.

먼저, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 외층 (외층재) 의 조성 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 이하, 질량％ 는, 특별히 언급하지 않는 한 간단히 ％ 라고 기재한다.

C : 2.0 ∼ 3.0 ％

C 는, 고용되어 기지 경도를 증가시킴과 함께, 탄화물 형성 원소와 결합하여 경질 탄화물을 형성하고, 롤 외층재의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는다. C 함유량에 따라 공정 탄화물량이 변화된다. 공정 탄화물은 압연 사용 특성에 영향을 준다. 이 때문에, C 함유량이 2.0 ％ 미만에서는, 공정 탄화물량이 부족하고, 압연시의 마찰력이 증가하여 압연이 불안정해짐과 함께, 기지 조직 중에 고용되는 C 량이 낮기 때문에, 내열간 전동 피로성을 저하시킨다. 한편, 3.0 ％ 를 초과하는 함유는, 탄화물의 조대화나 공정 탄화물량을 과도하게 증가시켜, 롤 외층재를 경질, 취화시키고, 피로 균열의 발생·성장을 촉진하여, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, C 는 2.0 ∼ 3.0 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는 2.1 ∼ 2.8 ％ 이다.

Si : 0.2 ∼ 1.0 ％

Si 는, 탈산제로서 작용함과 함께, 용탕의 주조성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.2 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하여 함유해도, 효과가 포화되어 함유량에 걸맞은 효과를 기대할 수 없게 되어 경제적으로 불리해지고, 나아가서는, 기지 조직을 취화시키는 경우도 있다. 이 때문에, Si 는 0.2 ∼ 1.0 ％ 로 한정한다. 또한, 바람직하게는 0.3 ∼ 0.7 ％ 이다.

Mn : 0.2 ∼ 1.0 ％

Mn 은, S 를 MnS 로서 고정시켜, S 를 무해화하는 작용을 가짐과 함께, 일부는 기지 조직에 고용되어, ??칭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.2 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하여 함유해도, 효과가 포화되어 함유량에 걸맞은 효과를 기대할 수 없게 되고, 나아가서는 재질을 취화시키는 경우도 있다. 이 때문에, Mn 은 0.2 ∼ 1.0 ％ 로 한정한다. 또한, 바람직하게는 0.3 ∼ 0.8 ％ 이다.

Cr : 4.0 ∼ 7.0 ％

Cr 은, C 와 결합하여 주로 공정 탄화물을 형성하고, 내마모성을 향상시킴과 함께, 압연시에 강판과의 마찰력을 저감시켜, 롤의 표면 손상을 경감시키고, 압연을 안정화시키는 작용을 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 4.0 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 7.0 ％ 를 초과하는 함유는, 조대한 공정 탄화물이 증가하기 때문에, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, Cr 은 4.0 ∼ 7.0 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는 4.3 ∼ 6.5 ％ 이다.

Mo : 3.0 ∼ 6.5 ％

Mo 는, C 와 결합하여 경질인 탄화물을 형성하고, 내마모성을 향상시키는 원소이다. 또, Mo 는, V, Nb 와 C 가 결합한 경질인 MC 형 탄화물 중에 고용되어, 탄화물을 강화함과 함께, 공정 탄화물 중에도 고용되어, 그들 탄화물의 파괴 저항을 증가시킨다. 이와 같은 작용을 통하여 Mo 는, 롤 외층재의 내마모성, 내피로성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 3.0 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 6.5 ％ 를 초과하는 함유는, Mo 주체의 딱딱하여 부러지기 쉬운 탄화물이 생성되어, 내열간 전동 피로성을 저하시키고, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, Mo 는 3.0 ∼ 6.5 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는 3.5 ∼ 6.0 ％ 이다.

V : 5.0 ∼ 7.5 ％

V 는, 롤로서의 내마모성과 내피로성을 겸비시키기 위해서, 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. V 는, 매우 경질인 탄화물 (MC 형 탄화물) 을 형성하여, 내마모성을 향상시킴과 함께, 공정 탄화물을 분단, 분산 정출 (晶出) 시키는 것에 유효하게 작용하여, 내열간 전동 피로성을 향상시키고, 롤 외층재로서의 내피로성을 현저히 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과는, 5.0 ％ 이상의 함유에서 현저해진다. 한편, 7.5 ％ 를 초과하는 함유는, MC 형 탄화물을 조대화시키기 때문에, 압연용 롤의 제특성을 불안정하게 한다. 이 때문에, V 는 5.0 ∼ 7.5 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는 5.2 ∼ 7.0 ％ 이다.

Nb : 0.5 ∼ 3.0 ％

Nb 는, MC 형 탄화물에 고용되어 MC 형 탄화물을 강화하고, MC 형 탄화물의 파괴 저항을 증가시키는 작용을 통하여, 내마모성, 특히 내피로성을 향상시킨다. Nb 와 Mo 가 함께 탄화물 중에 고용됨으로써, 내마모성과 나아가서는 내피로성의 향상이 현저해진다. 또, Nb 는, 공정 탄화물의 분단을 촉진시켜, 공정 탄화물의 파괴를 억제하는 작용을 가지며, 롤 외층재의 내피로성을 향상시키는 원소이다. 또, Nb 는 MC 형 탄화물의 원심 주조시의 편석을 억제하는 작용을 겸비한다. 이와 같은 효과는, 0.5 ％ 이상의 함유에서 현저해진다. 한편, 함유량이 3.0 ％ 를 초과하면, 용탕 중에서의 MC 형 탄화물의 성장이 촉진되어, 내열간 전동 피로성을 악화시킨다. 이 때문에, Nb 는 0.5 ∼ 3.0 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는 0.8 ∼ 1.5 ％ 이다.

Ni : 0.05 ∼ 3.0 ％

Ni 는, 기지 중에 고용되어, 열처리 중의 오스테나이트의 변태 온도를 저하시키고, 기지의 ??칭성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.05 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 3.0 ％ 를 초과하여 함유하면, 오스테나이트의 변태 온도가 지나치게 낮아지고, 또한 ??칭성이 향상되기 때문에, 열처리 후에 오스테나이트가 잔류하기 쉬워진다. 오스테나이트가 잔류하면, 열간 압연 중에 크랙이 발생하는 등, 내열간 전동 피로성을 저하시킨다. 그 때문에, Ni 는 0.05 ∼ 3.0 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 열처리 중의 냉각 속도가 느려도, 기지 조직의 결정 사이즈를 미세하게 하는 것이 가능해진다는, 조업 용이성에서, 바람직하게는 0.2 ∼ 3.0 ％ 이다.

Co : 0.2 ∼ 5.0 ％

Co 는, 기지 중에 고용되고, 특히 고온에 있어서 기지를 강화시켜, 내피로성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.2 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 5.0 ％ 를 초과하여 함유해도, 효과가 포화되어, 함유량에 걸맞은 효과를 기대할 수 없게 되어, 경제적으로 불리해진다. 이 때문에, Co 는 0.2 ∼ 5.0 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는 0.5 ∼ 3.0 ％ 이다.

W : 0.5 ∼ 5.0 ％

W 는, 기지 중에 고용되고, 특히 고온에 있어서 기지를 강화시켜, 내피로성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이며, 또한 M₂C 또는 M₆C 계의 탄화물을 형성하여, 내마모성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.5 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 5.0 ％ 를 초과하여 함유하면, 효과가 포화될 뿐만 아니라, 조대한 M₂C 또는 M₆C 계의 탄화물이 형성되어, 내열간 전동 피로성을 저하시킨다. 이 때문에, W 는 0.5 ∼ 5.0 ％ 의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는 1.0 ∼ 3.5 ％ 이다.

본 발명에서는, C, Cr, Mo, V, Nb, Ni, W 를, 상기한 범위에서 함유하고, 또한 하기 (1) 식을 만족하도록 조정하여 함유한다.

(％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 에 대해, 상기 (1) 식을 만족하도록 조정함으로써, 파손 전동수가 현저히 증가하여, 내열간 전동 피로성이 현저히 향상된다. (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 는, 내열간 전동 피로성 향상의 구동력이 되는 중요한 팩터이며, 상기 (1) 식의 범위를 벗어나면, 내열간 전동 피로성이 열화된다. V, Cr, Mo, Nb, W 는 탄화물을 만들기 쉬운 원소이며, (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) 은 기지에 고용되어 있는 탄소량을 나타낸다. 그 때문에, (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 는 기지에 고용되어 있는 탄소량과 Ni 량의 합이며, 이 값을 적정한 범위로 조정함으로써, 기지 중의 크랙의 전파 속도가 느린, 열연 피로 수명이 우수한 롤 외층재가 얻어진다. 이 때문에, 본 발명에서는 (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) 에 대해, 상기 (1) 식을 만족하도록 조정한다.

상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

또, 본 발명에서는, 기지 조직의 85 ％ 이상이 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직이며, 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경이 0.5 ∼ 3.0 ㎛ 가 되도록 하는 것이 바람직하다. 잔류 오스테나이트나 펄라이트 조직의 분율이 많으면, 내열간 전동 피로성이 저하되기 때문에, 기지 조직 중에 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직이 85 ％ 이상 포함되는 것이 바람직하고, 내열간 전동 피로성의 관점에서 90 ％ 이상 포함되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 잔부로는, 잔류 오스테나이트 및/또는 펄라이트를 들 수 있다. 또한, 기지 조직의 85 ％ 이상을 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트로 하기 위해서는, 500 ∼ 570 ℃ 로 가열 유지한 후, 냉각시키는 공정의 반복 횟수에 의해 제어하면 된다.

또, 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경이 0.5 ㎛ 보다 작아지는 성분계에서는, 변태 온도가 지나치게 낮아져, 템퍼링을 반복해서 실시해도 잔류 오스테나이트량을 낮게 하는 것이 곤란해져, 잔류 오스테나이트를 기인으로 한 열간 압연 중의 크랙의 발생이 생길 가능성이 있어, 내열간 전동 피로성이 저하된다. 또, 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경이 3.0 ㎛ 를 초과하면, 기지 조직의 크랙 전파 속도가 빨라, 내열간 전동 피로성이 저하된다. 그 때문에, 기지 조직의 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경을 0.5 ∼ 3.0 ㎛ 의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 내열간 전동 피로성의 관점에서 바람직하게는 0.5 ∼ 2.0 ㎛ 의 범위이다. 또, 이 단경을 얻기 위해서는, 기지의 변태 온도가 200 ∼ 400 ℃ 의 범위가 되도록, 성분 및 냉각 속도를 제어하면 된다.

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

본 발명에서는, 롤 외층재의 제조 방법은, 공지된 원심 주조법 혹은 연속 주괘 육성법 등의 주조법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는, 이들 방법에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.

원심 주조법으로 롤 외층재를 주조하는 경우, 먼저, 내면에 지르콘 등을 주재로 한 내화물이 1 ∼ 5 ㎜ 두께로 피복된, 회전하는 주형에, 상기한 롤 외층재 조성의 용탕을, 소정의 두께가 되도록 주탕하고, 원심 주조한다. 여기서, 주형의 회전수는, 롤의 외표면에 인가되는 중력 배수가 120 ∼ 220 G 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 중간층을 형성하는 경우에는, 롤 외층재의 응고 도중 혹은 완전히 응고된 후, 주형을 회전시키면서, 중간층 조성의 용탕을 주탕하고, 원심 주조하는 것이 바람직하다. 외층 혹은 중간층이 완전히 응고된 후, 주형의 회전을 정지시키고 주형을 세우고 나서, 내층재를 정치 (靜置) 주조하여, 복합 롤로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 롤 외층재의 내면측이 재용해되고 외층과 내층, 혹은 외층과 중간층, 중간층과 내층이 용착 일체화된 복합 롤이 된다.

또한, 정치 주조되는 내층은, 주조성과 기계적 성질이 우수한 구상 흑연 주철, 유충상 흑연 주철 (CV 주철) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 원심 주조제 롤은, 외층과 내층이 일체 용착되어 있기 때문에, 외층재의 성분이 1 ∼ 8 ％ 정도 내층에 혼입된다. 외층재에 포함되는 Cr, V 등의 탄화물 형성 원소가 내층에 혼입되면, 내층을 취약화한다. 이 때문에, 외층 성분의 내층에 대한 혼입률은 6 ％ 미만으로 억제하는 것이 바람직하다.

또, 중간층을 형성하는 경우에는, 중간층재로서, 흑연강, 고탄소강, 아공정 주철 등을 사용하는 것이 바람직하다. 중간층과 외층은 동일하게 일체 용착되어 있으며, 외층 성분이 중간층에 10 ∼ 95 ％ 의 범위에서 혼입된다. 내층에 대한 외층 성분의 혼입량을 억제하는 관점에서, 외층 성분의 중간층에 대한 혼입량은 가능한 한 저감시켜 두는 것이 매우 중요해진다.

본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 주조 후, 열처리가 실시되는 것이 바람직하다. 열처리는, 950 ∼ 1100 ℃ 로 가열하고 공랭 혹은 충풍 (衝風) 공랭시키는 공정과, 추가로 500 ∼ 570 ℃ 로 가열 유지한 후, 냉각시키는 공정을 2 회 이상 실시하는 것이 바람직하다. 이 때, 변태 온도가 200 ∼ 400 ℃ 의 범위가 되도록, 성분에 따라 냉각 속도를 조정함으로써, 전술한 바람직한 단경 사이즈를 얻는 것이 가능해진다. 또, 500 ∼ 570 ℃ 로 가열 유지한 후, 냉각시키는 공정의 반복 횟수에 따라, 기지 조직 중의 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트의 양이 변화되기 때문에, 기지 조직의 85 ％ 이상이 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트가 되도록 반복 횟수를 설정하면 된다.

또한, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 바람직한 경도는, 79 ∼ 88 HS (쇼어 경도), 보다 바람직한 경도는 80 ∼ 86 HS 이다. 80 HS 보다 경도가 낮으면, 내마모성이 열화되고, 반대로 경도가 86 HS 를 초과하면, 열간 압연 중에 열간 압연용 롤 표면에 형성된 크랙을 연삭에 의해 제거하기 어려워진다. 이와 같은 경도를 안정적으로 확보할 수 있도록, 주조 후의 열처리 온도, 열처리 시간을 조정하는 것이 바람직하다.

실시예

표 1 에 나타내는 롤 외층재 조성의 용탕을, 고주파 유도로에서 용해하고 원심 주조법에 의해, 링상 시험재 (링 롤 ; 외경 : 250 ㎜φ, 폭 : 65 ㎜, 두께 : 55 ㎜) 로 하였다. 또한, 주입 온도는 1450 ∼ 1530 ℃ 로 하고, 원심력은 링상 롤재의 외주부가 중력 배수로 180 G 가 되도록 하였다. 주조 후, ??칭 온도 : 1070 ℃ 로 재가열하고, 공랭시켜, ??칭하는 ??칭 처리, 템퍼링 처리는, 온도 : 530 ∼ 570 ℃ 에서, 잔류 오스테나이트량이 체적％ 로 10 ％ 미만이 되도록, 성분에 따라 2 또는 3 회 실시하고, 또한, 경도를 78 ∼ 86 HS 로 조정하였다. 얻어진 링상 시험재로부터, 경도 시험편, 열간 전동 피로 시험편 및 EBSD 측정용 시험편을 채취하여, 경도 시험, 열간 전동 피로 시험 및 조직 관찰 시험을 실시하였다.

얻어진 경도 시험편에 대해, JIS Z 2244 의 규정에 준거하여, 비커스 경도계 (시험력 : 50 kgf (490 N)) 로 비커스 경도 HV50 을 측정하고, JIS 환산표로 쇼어 경도 HS 로 환산하였다. 또한, 측정점은 각 10 점으로 하여, 최고값, 최저값을 삭제하고 평균값을 산출하여, 그 시험재의 경도로 하였다.

열간 전동 피로 시험 방법은 다음과 같이 하였다. 얻어진 링상 시험재로부터 열간 전동 피로 시험편 (외경 60 ㎜φ, 두께 10 ㎜, 모따기 있음) 을 채취하였다. 열간 전동 피로 시험편에는, 도 1 에 나타내는 바와 같은 노치 (깊이 t : 1.2 ㎜, 둘레 방향 길이 L : 0.8 ㎜) 를 외주면의 2 지점 (180 °떨어진 위치) 에, 0.20 ㎜φ 의 와이어를 사용한 방전 가공 (와이어 컷) 법에 의해 도입하였다. 열간 전동 피로 시험은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 시험편과 상대재의 2 원반 슬라이딩 전동 방식으로 실시하였다. 시험편 (1) 을 냉각수 (2) 로 수랭시키면서 700 rpm 으로 회전시키고, 회전하는 그 시험편 (1) 에, 고주파 유도 가열 코일 (3) 로 800 ℃ 로 가열한 상대편 (재질 : S45C, 외경 : 190 ㎜φ, 폭 : 15 ㎜, C1 모따기) (4) 을 하중 980 N 으로 접촉시키면서, 슬라이딩률 : 9 ％ 로 전동시켰다. 그리고, 열간 전동 피로 시험편 (1) 에 도입한 2 개의 노치 (5) 가 파손될 때까지 전동시키고, 각 노치가 파손될 때까지의 전동 회전수를 각각 구하여, 그 평균값을 열연 피로 수명으로 하였다. 그리고, 열연 피로 수명이 350 천 회를 초과하는 경우를 열연 피로 수명이 현저히 우수한 것으로 평가하였다.

조직 관찰은, 링상 롤재의 외표면으로부터 10 ㎜ 내부의 임의의 위치에 있어서, 10 × 10 × 5 ㎜ (5 ㎜ 는 링의 두께 방향) 의 조직 관찰 시험편을 채취하고, 10 × 10 ㎜ 의 면을 경면 연마하여, 나이탈 (5 체적％ 질산 ＋ 에탄올) 로 10 초 정도 부식시키고, 광학 현미경을 사용하여 실시하였다.

템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경 (단축 길이) 은, 얻어진 링상 롤재의 외표면으로부터 10 ㎜ 내부의 임의의 위치로부터 EBSD 측정 시험편 (5 ㎜ × 10 ㎜ × 5 ㎜) 을 채취하여, 5 ㎜ × 10 ㎜ 의 면을 경면 연마하고, EBSD 측정에 의해 구하였다. 가속 전압 15 ㎸, 스텝 사이즈 0.1 ㎛ 로, 10000 ㎛² 이상의 영역의 EBSD 측정을 실시하였다. 얻어진 데이터를 사용하여, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 인접하는 측정점과의 방위차가 15 °이상인 지점에 경계선을 긋고, 경계선으로 둘러싸인 영역을 하나의 결정으로 하여, 측정면 상에서, 장경이 10 ㎛ 이상인 20 개의 결정의 단경을 측정하고, 그 평균값을 산출하였다.

얻어진 결과를 표 2 에 나타낸다.

본 발명예에서는 열연 피로 수명은 현저히 증가되어 있으며, 350 천 회를 초과하는 우수한 열연 피로 수명을 나타냈다. 또, 조직 관찰의 결과, 본 발명예는 모두 기지 조직의 85 ％ 이상이 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직인 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명에 의하면, 크랙의 전파 속도가 현저히 저감된 열간 압연용 복합 롤을 제조하는 것이 가능해진다. 그 결과, 표면 거침이나 치핑 등의 열간 압연에 의한 표면 손상을 억제할 수 있기 때문에, 연속 압연 거리의 연장이나 롤 수명의 향상을 달성할 수 있다는 효과도 얻어진다.

1 : 시험편 (열연 피로 시험편)
2 : 냉각수
3 : 고주파 유도 가열 코일
4 : 상대편
5 : 노치

Claims

질량％ 로, C : 2.0 ∼ 3.0 ％,
Si : 0.2 ∼ 1.0 ％,
Mn : 0.2 ∼ 1.0 ％,
Cr : 4.0 ∼ 7.0 ％,
Mo : 3.0 ∼ 6.5 ％,
V : 5.0 ∼ 7.5 ％,
Nb : 0.5 ∼ 3.0 ％,
Ni : 0.05 ∼ 3.0 ％,
Co : 0.2 ∼ 5.0 ％,
W : 0.5 ∼ 5.0 ％ 를 함유하고, 또한 C, Cr, Mo, V, Nb, Ni, W 의 함유량이 하기 (1) 식을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 가지며, 기지 조직의 85 ％ 이상이 템퍼드 마텐자이트 및/또는 베이나이트 조직이고, 측정면 상에서, 장경이 5 ㎛ 이상인 템퍼드 마텐자이트 또는 베이나이트의 단경은 평균값으로 0.5 ∼ 3.0 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 열간 압연용 롤 외층재.
0.05 ≤ (％C －％V × 0.177 －％Nb × 0.129 －％Cr × 0.099 －％Mo × 0.063 －％W × 0.033) ＋ (％Ni) ≤ 4.0 (1)
여기서, ％C, ％V, ％Nb, ％Cr, ％Mo, ％W, ％Ni 는, 각 원소의 함유량 (질량％) 이다.
외층과 내층이 용착 일체화되어 이루어지는 열간 압연용 복합 롤로서, 상기 외층이 제 1 항에 기재된 열간 압연용 롤 외층재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 복합 롤.