KR102378836B1

KR102378836B1 - 압연용 복합 롤 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR102378836B1
Application number: KR1020197021628A
Authority: KR
Inventors: 야스노리 노자키; 노조무 오다; 도시유키 핫토리
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2022-03-24
Also published as: EP3581287A4; TWI741145B; CN110290881B; BR112019013893A2; JPWO2018147370A1; BR112019013893B1; US11224907B2; CN110290881A; WO2018147370A1; JP6973416B2; US20190366402A1; KR20190116273A; TW201840398A; EP3581287A1; SI3581287T1; EP3581287B1

Abstract

원심 주조(鑄造)된 Fe기(基) 합금으로 이루어지는 외층 및 중간층과 (ductile) 주철(鑄鐵)로 이루어지는 내층이 각각 용착(溶着) 일체화한 구조를 가지고, 외층이 질량 기준으로 1∼3 %의 C와, 0.3∼3 %의 Si와, 0.1∼3 %의 Mn과, 0.5∼5 %의 Ni와, 1∼7 %의 Cr과, 2.2∼8 %의 Mo와, 4∼7 %의 V와, 0.005∼0.15 %의 N과, 0.05∼0.2 %의 B를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, 중간층이 0.025∼0.15 질량%의 B를 함유하고, 중간층의 B 함유량이 외층의 B 함유량의 40∼80 %이며, 중간층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량이 외층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량의 40∼90 %인 압연용 복합 롤.

Description

압연용 복합 롤 및 그 제조 방법

본 발명은, 외층과 내층이 양호하게 용착(溶着) 일체화하고, 내마모성, 내소부성(耐燒付性) 및 내표면거침성이 우수하고, 소부가 발생하기 쉬운 열간(熱間) 박판(薄板) 마무리 압연기의 후단(後段) 스탠드나 상이한 주속(周速) 압연형강 스탠드 등에 사용하기에 적합한 압연용 복합 롤에 관한 것이다.

연속 주조(鑄造) 등으로 제조한 두께 수백 mm의 가열 슬래브(slab)는, 조(粗)압연기 및 마무리 압연기를 가지는 핫스트립밀(hot strip mill)로 수∼수십 mm의 두께의 강판으로 압연된다. 마무리 압연기는 통상, 5∼7 스탠드의 4중식 압연기를 직렬로 배치한 것이다. 7 스탠드의 마무리 압연기의 경우, 제1 스탠드로부터 제3 스탠드까지를 전단(前段) 스탠드라고 하고, 제4 스탠드로부터 제7 스탠드까지를 후단 스탠드라고한다. 이와 같은 핫스트립밀에 사용되는 워크롤(work roll)은, 열간 박판과 접하는 외층과, 외층의 내면에 용착 일체화한 내층으로 이루어지고, 원심 주조법으로 외층을 형성한 후, 내층용의 용탕(溶湯)을 주입(鑄入)하는 것에 의해 제조되고 있다.

최근 열간 압연 강판의 판두께 정밀도 향상이나 표면 품질 향상의 요구가 높아지고 있고, 높은 내마모성을 가지는 압연용 롤이 요구되고, 얇은 강판을 제조하는 열간 마무리 압연기의 전단에서는 고속도강(high speed steel) 롤이 사용되게 되었다. 그러나, 압연재가 스탠드 사이를 이동할 때 중첩되어 상하 롤 사이에 맞물리는는 소위 폴디드 롤링 사고에 조우할 확률이 높은 열간 마무리 압연기의 후단에서는, 종래부터 고합금 그레인 주철(鑄鐵) 롤이 주로 사용되고 있다.

이와 같은 폴디드 롤링 사고에서는 압연재가 롤 외층의 표면에 소부되므로, 과대한 열적, 기계적 부하가 작용하여, 롤 외층 표면에 크랙이 발생하는 경우가 있다. 크랙을 방치한 채 롤을 계속 사용하면 크랙이 진전되어, 롤 절손(折損)이나 스폴링(spalling)과 같은 롤 파손을 일으키는 경우가 있다. 폴디드 롤링(맞물려서 멈춤) 사고가 발생한 경우 롤 표면을 연마하여 크랙을 제거해야 하므로, 크랙이 깊으면 롤의 손실도 커지고, 롤 비용이 증대한다. 롤 표면으로부터 크랙을 연삭(硏削) 제거하는 것은 「개삭(改削)」으로 불리운다. 따라서, 압연 사고가 일어나도 크랙에 의한 데미지가 적은 내소부성이 우수한 압연롤용 외층, 및 이러한 외층을 가지는 압연용 복합 롤이 요망되고 있다.

이와 같은 요구에 부응하기 위하여, 일본공개특허 제2005-264322호는, 질량%로 C: 1.8∼3.5 %, Si: 0.2∼2 %, Mn: 0.2∼2 %, Cr: 4∼15 %, Mo: 2∼10 %, V: 3∼10% , P: 0.1∼0.6 %, 및 B: 0.05∼0.5 %를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고, 내소부성이 우수한 열간 압연용 롤 외층 재료를 공개하고 있다. 일본공개특허 제2005-264322호는, 적정량의 P 및 B를 함유하는 롤 조성으로 함으로써, 저융점 공정(共晶) 화합물상이 형성되고, 열간 압연용 롤의 내소부성이 현저하게 향상하고, 또한 내마모성이나 내표면거침성은 열화되지 않는 것에 대하여 기재하고 있다. 또한, 일본공개특허 제2005-264322호는, 상기한 조성의 외층과 구형 흑연 주철 등으로 이루어지는 내층 사이에, 흑연강 또는 고탄소강으로 이루어지는 중간층을 설치해도 되는 것에 대하여 기재하고 있다. 그러나, 외층을 원심 주조법으로 형성한 후, 중간층 용탕을 주입하고, 외층이 중간층과 접합하여 재응고할 때, 경계 부근에 수축공(shrinkage cavity)이 발생하기 쉬운 과제가 있는 것을 알았다.

국제공개 제2015/045985호는, 외층이 질량 기준으로 C: 1.6∼3 %, Si: 0.3∼2.5 %, Mn: 0.3∼2.5 %, Ni: 0.1∼5 %, Cr: 2.8∼7 %, Mo: 1.8∼6 %, V: 3.3∼6.5 %, 및 B: 0.02∼0.12 %를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지고, 또한 Cr/(Mo＋0.5W)≥-2/3[C-0.2(V＋1.19Nb)]＋11/6의 식(1)에 의해 표시되는 관계(다만, 임의 성분인 W 및 Nb를 함유하지 않는 경우, W=0 및 Nb=0임)를 충족하고, 면적율로 1∼15 %의 MC 탄화물, 0.5∼20 %의 탄붕화물, 및 1∼25 %의 Cr계 탄화물을 함유하는 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤을 공개하고 있다. 이 복합 롤은, B의 첨가에 의해 형성된 탄붕화물의 윤활 작용에 의해 우수한 내소부성을 발휘하므로, 내마모성, 내소부성 및 내표면거침성을 겸비한다. 국제공개 제2015/045985호의 압연용 복합 롤을 제조할 때, 외층 내에 내층용 용탕을 주입할 때 경계에 미크로 캐비티 결함이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 외층 중 적어도 압연 유효 직경 내의 재가열 온도를 500∼1100 ℃로 제어하고 있다. 그러나, 내층용 용탕을 주입할 때 외층의 압연 유효 직경 내의 재가열 온도를 만족하도록 제조 공정을 제어하는 것이 곤란한 문제가 있는 것을 알았다.

일본특허 제3458357호는, 내마모 주철 재료로 형성된 외층과, 상기 외층의 내주면에 용착된 중간층과, 상기 중간층의 내주면에 용착된 내층으로 이루어지고, 상기 외층과 중간층이 원심력 주조되어 이루어지고, 상기 외층은, 중량%로, C: 1.0∼3.0 %, Si: 0.1∼2.0 %, Mn: 0.1∼2.0 %, Ni: 0.1∼4.5 %, Cr: 3.0∼10.0 %, Mo: 0.1∼9.0 %, W: 1.5∼10.0 %, V, Nb: 1종 또는 2종의 총계로 3.0∼10.0 %, Co: 0.5∼10.0 %, B: 0.01∼0.50 % 및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지는 화학 조성을 가지고, 영률(Youngs modulus)이 21000∼23000 kgf/mm²이며, 상기 중간층은, 중량%로, C: 1.0∼2.5 %, Si: 0.2∼3.0 %, Mn: 0.2∼1.5 %, Ni: 4.0% 이하, Cr: 4.0% 이하, Mo: 4.0% 이하, W, V, Nb, B의 총계로 12% 이하, 잔부가 외층으로부터 혼입한 Co 및 실질적으로 Fe로 이루어지는 화학 조성을 가지고, 층 두께가 25∼30 mm이며, 영률이가 20000∼23000 kgf/mm²이며, 상기 내층은 편형 흑연 주철, 구형 흑연 주철 또는 흑연강으로 형성되어 있는, 복합 롤을 공개하고 있다. 이 복합 롤은, 외층을 특정 화학 조성을 가지는 특수 주철 재료로 형성하고, MC형, M₇C₃형, M₆C형, M₂C형 등의 고경도 度복합 탄화물이 존재하므로, 내마모성이 비약적으로 향상된다. 그러나, 일본특허 제3458357호에 기재된 복합 롤에는, 외층을 원심 주조법으로 형성한 후, 중간층 용탕을 주입하고, 외층이 중간층과 접합하여 재응고할 때, 경계 부근에 수축공이 발생하기 쉬운 과제가 있는 것을 알았다.

일본공개특허 제2005-264322호 국제공개 제2015/045985호 일본특허 제3458357

따라서 본 발명의 목적은, 외층과 내층이 양호하게 용착 일체화하고, 우수한 내마모성, 내소부성 및 내표면거침성을 구비하는 압연용 복합 롤, 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

내마모성, 내소부성 및 내표면거침성을 가지는 Fe기(基) 합금으로 이루어지는 외층과, 덕타일(ductile) 주철로 이루어지는 내층을 가지는 압연용 복합 롤에 있어서, 외층과 내층의 경계부에서 발생하는 수축공을 방지하기 위하여, 외층과 내층 사이에 중간층을 형성하는 것에 대하여 예의(銳意) 검토한 결과, 본 발명자들은, 중간층용 용탕의 주입 온도와 외층의 내면 온도를 조절함으로써, 외층과 중간층 사이의 수축공의 발생이 방지되어, 용착 일체화(금속 접합)한 복합 롤을 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

본 발명의 압연용 복합 롤은, 원심 주조된 Fe기 합금으로 이루어지는 외층 및 중간층과 덕타일 주철로 이루어지는 내층이 각각 용착 일체화한 구조를 가지고,

상기 외층이, 질량 기준으로 1∼3 %의 C와, 0.3∼3 %의 Si와, 0.1∼3 %의 Mn과, 0.5∼5 %의 Ni와, 1∼7 %의 Cr과, 2.2∼8 %의 Mo와, 4∼7 %의 V와, 0.005∼0.15 %의 N과, 0.05∼0.2 %의 B를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고,

상기 중간층이 0.025∼0.15 질량%의 B를 함유하고,

상기 중간층의 B 함유량이 상기 외층의 B 함유량의 40∼80 %이며,

상기 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량이 상기 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 40∼90 %인 것을 특징으로 한다.

상기 외층은 0.1∼3 질량%의 Nb 및/또는 0.1∼5 질량%의 W를 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 외층은 질량 기준으로 0.1∼10 %의 Co, 0.01∼0.5 %의 Zr, 0.005∼0.5 %의 Ti, 및 0.001∼0.5 %의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 압연용 복합 롤을 제조하는 본 발명의 방법은, (1) 회전하는 원심 주조용(鑄造用) 원통형 주형(鑄型)으로 상기 외층을 원심 주조하고,

(2) 상기 외층의 내면 온도가 상기 외층용 용탕의 응고 완료 온도 이상인 시간 내에, 상기 외층의 캐비티 내에 중간층의 응고 개시 온도＋110℃ 이상의 온도를 가지는 중간층용 용탕을 주입하여, 상기 중간층을 원심 주조하고,

(3) 상기 중간층의 응고 후에, 상기 중간층의 캐비티 내에 내층용 덕타일 주철 용탕을 주입하는 것에 의해 상기 내층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 압연용 복합 롤은, (a) 외층과 내층 사이에 형성하는 중간층의 조성을 적절하게 조절하고, 또한 (b) 중간층용 용탕을 주입할 때의 외층 내면 온도 및 중간층용 용탕의 온도를 조절함으로써 얻을 수 있고, 외층, 중간층 및 내층의 밀착성이 모두 양호하며, 이들의 경계 근방, 특히 외층과 중간층의 경계 근방의 수축공의 발생을 방지하고, 또한 우수한 내마모성, 내소부성 및 내표면거침성을 가진다.

도 1은 본 발명의 압연용 복합 롤을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 외층부터 내층에 걸친 B의 농도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 압연용 복합 롤의 제조에 사용하는 주형의 일례를 나타낸 분해 단면도이다.
도 3의 (b)는 본 발명의 압연용 복합 롤의 제조에 사용하는 주형의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 4는 압연 마모 시험기를 나타낸 개략도이다.
도 5는 마찰 열 충격 시험기를 나타낸 개략도이다.

본 발명의 실시형태를 이하 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경을 해도 된다. 특별히 언급하지 않으면, 단지 「%」로 기재되어 있을 때는 「질량%」를 의미한다.

[1] 압연용 복합 롤

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 압연용 복합 롤은, 원심 주조된 Fe기 합금으로 이루어지는 외층(1)과, 외층(1)의 내측에서 원심 주조된 Fe기 합금으로 이루어지는 중간층(2)과, 중간층(2)의 내측에서 정치(靜置) 주조된 내층(3)으로 이루어진다.

(A) 외층

원심 주조된 Fe기 합금으로 이루어지는 외층은, 질량 기준으로 1∼3 %의 C와, 0.3∼3 %의 Si와, 0.1∼3 %의 Mn과, 0.5∼5 %의 Ni와, 1∼7 %의 Cr과, 2.2∼8 %의 Mo와, 4∼7 %의 V와, 0.005∼0.15 %의 N과, 0.05∼0.2 %의 B를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가진다. 외층은 0.1∼3 질량%의 Nb 및/또는 0.1∼5 질량%의 W를 더 함유할 수도 있다. 외층은, 질량 기준으로 0.1∼10 %의 Co, 0.01∼0.5 %의 Zr, 0.005∼0.5 %의 Ti, 및 0.001∼0.5 %의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 더 함유할 수도 있다.

(1) 필수 원소

(a) C: 1∼3 질량%

C는 V, Cr 및 Mo와 (Nb 및/또는 W를 포함하는 경우에 Nb 및/또는 W와도) 결합하여 경질(硬質) 탄화물을 생성하여, 외층의 내마모성 향상에 기여한다. C가 1질량% 미만에서는 경질 탄화물의 정출량(晶出量)이 지나치게 적어 외층에 충분한 내마모성을 부여할 수 없다. 한편, C가 3질량%를 초과하면 과잉의 탄화물의 정출에 의해 외층의 인성(靭性)이 저하되어, 내크랙성이 저하되므로, 압연에 의한 크랙이 깊어지고, 개삭 시의 롤 손실량이 증가한다. C의 함유량의 하한은 바람직하게는 1.5질량%이며, 보다 바람직하게는 1.7질량%이다. 또한 C의 함유량의 상한은 바람직하게는 2.9질량%이며, 보다 바람직하게는 2.8질량%이다.

(b) Si: 0.3∼3 질량%

Si는 용탕의 탈산에 의해 산화물의 결함을 감소시키고, 또한 기지(基地)에 고용(固溶)하여 내소부성을 향상시키고, 또한 용탕의 유동성(流動性)을 향상시켜 주조 결함을 방지하는 작용을 가진다. Si가 0.3질량% 미만에서는 용탕의 탈산 작용이 불충분하여, 용탕의 유동성도 부족하고, 결함 발생율이 높다. 한편, Si가 3질량%를 초과하면 합금 기지가 취화(脆化)하고, 외층의 인성은 저하된다. Si 함유량의 하한은 바람직하게는 0.4질량%이며, 보다 바람직하게는 0.5질량%이다. Si 함유량의 상한은 바람직하게는 2.7질량%이며, 보다 바람직하게는 2.5질량%이다.

(c) Mn: 0.1∼3 질량%

Mn은 용탕의 탈산 작용의 외에, S를 MnS로서 고정시키는 작용을 가진다. MnS는 윤활 작용을 가지고, 압연재의 소부 방지에 효과가 있으므로, 원하는 양의 MnS를 함유하는 것이 바람직하다. Mn이 0.1질량% 미만에서는 그 첨가 효과는 불충분하다. 한편, Mn이 3질량%를 초과해도 더 이상의 효과는 얻을 수 없다. Mn의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.3질량%이다. Mn의 함유량의 상한은 바람직하게는 2.4질량%이며, 보다 바람직하게는 1.8질량%이다.

(d) Ni: 0.5∼5 질량%

Ni는 기지의 담금질성을 향상시키는 작용을 가지므로, 대형의 복합 롤의 경우에 Ni를 첨가하면, 냉각 중의 펄라이트의 발생을 방지하고, 외층의 경도를 향상시킬 수 있다. Ni가 0.5질량% 미만에서는 그 첨가 효과는 충분하지 않고, 또한 5질량%를 초과하면 오스테나이트가 안정화되지 않아, 경도가 향상되기 어려워진다. Ni의 함유량의 하한은 바람직하게는 1.0질량%이며, 보다 바람직하게는 1.5질량%이며, 더욱 바람직하게는 2.0질량%이다. Ni 함유량의 상한은 바람직하게는 4.5질량%이며, 보다 바람직하게는 4.0질량%이며, 더욱 바람직하게는 3.5질량%이다.

(e) Cr: 1∼7 질량%

Cr은 기지를 베이나이트(bainite) 또는 마르텐사이트(martensite)로 하여 경도를 유지하고, 내마모성을 유지하는 데도 유효한 원소이다. Cr이 1질량% 미만에서는 그 효과가 불충분하며, Cr이 7질량%를 초과하면, 기지 조직의 인성이 저하된다. Cr의 함유량의 하한은 바람직하게는 1.5질량%이며, 보다 바람직하게는 2.5질량%이다. Cr 함유량의 상한은 바람직하게는 6.8질량%이다.

(f) Mo: 2.2∼8 질량%

Mo는 C와 결합하여 경질 탄화물(M₆C, M₂C)을 형성하고, 외층의 경도를 증가시키고, 또한 기지의 담금질성을 향상시킨다. Mo가 2.2질량% 미만에서는 경질 탄화물의 형성이 특히 불충분하게 되므로, 이들의 효과가 불충분하다. 한편, Mo가 8질량%를 초과하면, 외층의 인성이 저하된다. Mo 함유량의 하한은 바람직하게는 2.4질량%이며, 보다 바람직하게는 2.6질량%이다. Mo 함유량의 상한은 바람직하게는 7.8질량%이며, 보다 바람직하게는 7.6질량%이다.

(g) V: 4∼7 질량%

V는 C와 결합하여 경질의 MC 탄화물을 생성하는 원소이다. MC 탄화물은 2500∼3000의 비커스 경도 HV를 가지고, 탄화물 중에서 가장 경질이다. V가 4질량% 미만에서는, 그 첨가 효과가 불충분하다. 한편, V가 7질량%를 초과하면, 비중이 가벼운 MC 탄화물이 원심 주조 중의 원심력에 의해 외층의 내측으로 농화(濃化)하여, MC 탄화물의 반경 방향 편석(偏析)이 현저해질 뿐만 아니라, MC 탄화물이 조대화(粗大化)하여 합금 조직이 거칠어져, 압연 시에 표면이 거칠어지기 쉽다. V 함유량의 하한은 바람직하게는 4.1질량%이며, 보다 바람직하게는 4.2질량%이다. V 함유량의 상한은 바람직하게는 6.9질량%이며, 보다 바람직하게는 6.8질량%이다.

(h) N: 0.005∼0.15 질량%

N은 탄화물을 미세화하는 효과을 가지지만, 0.15질량%를 초과하면 외층이 취화한다. N 함유량의 상한은 바람직하게는 0.1질량%이다. 충분한 탄화물 미세화 효과를 얻기 위해서는, N 함유량의 하한은 0.005질량%이며, 바람직하게는 0.01질량%이다.

(i) B: 0.05∼0.2 질량%

B는 탄화물에 고용하고 또한, 윤활 작용을 가지는 탄붕화물을 형성하고, 내소부성을 향상시킨다. 탄붕화물의 윤활 작용은 특히 고온에서 현저하게 발휘되므로, 열간 압연재의 맞물림 시의 소부 방지에 효과적이다. B가 0.05질량% 미만에서는 충분한 윤활 작용이 얻어지지 않는다. 한편, B가 0.2질량%를 초과하면 외층을 취화시킨다. B 함유량의 하한은 바람직하게는 0.06질량%이며, 보다 바람직하게는 0.07질량%이다. 또한 B 함유량의 상한은 바람직하게는 0.15질량%이며, 보다 바람직하게는 0.1질량%이다.

(2) 임의 원소

외층은 0.1∼3 질량%의 Nb 및/또는 0.1∼5 질량%의 W를 더 함유할 수도 있다. 외층은, 질량 기준으로 0.1∼10 %의 Co, 0.01∼0.5 %의 Zr, 0.005∼0.5 %의 Ti, 및 0.001∼0.5 %의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 함유할 수도 있다. 외층은 0.3질량% 이하의 S를 더 함유할 수도 있다.

(a) Nb: 0.1∼3 질량%

V와 마찬가지로, Nb도 C와 결합하여 경질 MC 탄화물을 생성한다. Nb는 V 및 Mo의 복합 첨가에 의해, MC 탄화물에 고용하여 MC 탄화물을 강화하고, 외층의 내마모성을 향상시킨다. NbC계의 MC 탄화물은, VC계의 MC 탄화물보다 용탕의 비중과의 차가 작으므로, MC 탄화물의 편석을 경감시킨다. Nb 함유량의 하한은 바람직하게는 0.2질량%이다. Nb 함유량의 상한은 바람직하게는 2.9질량%이며, 보다 바람직하게는 2.8질량%이다.

(b) W: 0.1∼5 질량%

W는 C와 결합하여 경질의 M₆C 등의 경질 탄화물을 생성하고, 외층의 내마모성 향상에 기여한다. 또한 MC 탄화물에도 고용하여 그 비중을 증가시키고, 편석을 경감시키는 작용을 가진다. 그러나, W가 5질량%를 초과하면, M₆C 탄화물이 많아지고, 조직이 불균질이 되어, 표면 거칠어짐의 원인이 된다. 따라서, W를 첨가하는 경우, 5질량% 이하로 한다. 한편, W가 0.1질량% 미만에서는 그 첨가 효과는 불충분하다. W의 함유량의 상한은 바람직하게는 4질량%이며, 보다 바람직하게는 3질량%이다.

(c) Co: 0.1∼10 질량%

Co는 기지 중에 고용하고, 기지의 열간 경도를 증가시키고, 내마모성 및 내표면거침성을 개선하는 효과를 가진다. Co가 0.1질량% 미만에서는 첨가 효과는 거의 없으며, 또한 10질량%를 초과해도 더 이상의 향상은 얻을 수없다. Co 함유량의 하한은 바람직하게는 1질량%이다. 또한 Co 함유량의 상한은 바람직하게는 7질량%, 보다 바람직하게는 6질량%, 더욱 바람직하게는 5질량%, 가장 바람직하게는 3%이다.

(d) Zr: 0.01∼0.5 질량%

V 및 Nb와 마찬가지로, Zr은 C와 결합하여 MC 탄화물을 생성하고, 내마모성을 향상시킨다. 또한, Zr은 용탕 중에서 산화물을 생성하고, 이 산화물이 결정핵으로서 작용하므로, 응고 조직이 미세하게 된다. 또한, Zr은 MC 탄화물의 비중을 증가시키고, 편석 방지에 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위하여, Zr의 첨가량은 0.01질량% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, Zr이 0.5질량%를 초과하면, 개재물이 되므로, 바람직하지 않다. Zr 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3질량%이다. 또한, 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Zr의 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.02질량%이다.

(e) Ti: 0.005∼0.5질량%

Ti는 C 및 N과 결합하고, TiC, TiN 또는 TiCN과 같은 경질의 입상(粒狀) 화합물을 형성한다. 이들은 MC 탄화물의 핵이 되므로, MC 탄화물의 균질 분산 효과가 있어, 내마모성 및 내표면거침성의 향상에 기여한다. 이 효과를 얻기 위하여, Ti의 첨가량은 0.005질량% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, Ti 함유량이 0.5질량%를 초과하면, 용탕의 점성이 증가하여, 주조 결함이 발생하기 쉬워진다. Ti 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3질량%이며, 가장 바람직하게는 0.2질량%이다. 또한, 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Ti의 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.01질량%이다.

(f) Al: 0.001∼0.5 질량%

Al은 산소와의 친화성이 높으므로, 탈산제로서 작용한다. 또한, Al은 N 및 O와 결합하고, 형성된 산화물, 질화물, 산질화물 등이 용탕 중에 현탁되어 핵이 되고, MC 탄화물을 미세 균일하게 정출시킨다. 그러나, Al이 0.5질량%를 초과하면, 외층이 취화된다. 또한, Al이 0.001질량% 미만에서는 그 효과가 충분하지 않다. Al 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3질량%이며, 가장 바람직하게는 0.2질량%이다. 또한 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Al의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.01질량%이다.

(g) S: 0.3질량% 이하

S는, 전술한 바와 같이 MnS의 윤활성을 이용하는 경우에는 0.3질량% 이하 함유할 수도 있다. 0.3질량%를 초과하면 외층의 취화가 일어난다. S 함유량의 상한은 바람직하게는 0.2질량%이며, 보다 바람직하게는 0.15질량%이다. S 함유량의 하한은 0.05질량% 이상이 바람직하다.

(3) 불가피한 불순물

외층의 조성 잔부는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 불가피한 불순물 중, P는 기계적 성질의 열화를 초대하므로, 적게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, P의 함유량은 0.1질량% 이하가 바람직하다. 그 외의 불가피한 불순물로서, Cu, Sb, Te, Ce 등의 원소를 외층의 특성을 손상시키지 않는 범위에서 함유할 수도 있다. 외층의 우수한 내마모성 및 내사고성(耐事故性)을 확보하기 위하여, 불가피한 불순물의 합계량은 0.7질량% 이하인 것이 바람직하다.

(4) 조직

외층의 조직은, (a) MC 탄화물, (b) M₂C나 M₆C의 Mo를 주체로 하는 탄화물(Mo계 탄화물) 또는 M₇C₃이나 M₂₃C₆의 Cr을 주체로 하는 탄화물(Cr계 탄화물), (c) 탄붕화물, 및 (d) 기지로 이루어진다. 탄붕화물은 일반적으로 M(C, B)의 조성을 가진다. 다만, 금속 M은 주로 Fe, Cr, Mo, V, Nb 및 W 중 적어도 1종이며, 금속 M, C 및 B의 비율은 조성에 따라 변화한다. 본 발명의 외층 조직에는 흑연이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 압연용 복합 롤의 외층은, 경질의 MC 탄화물, Mo계 탄화물 또는 Cr계 탄화물을 가지므로, 내마모성이 우수하고, 또한 탄붕화물을 함유하므로 내소부성이 우수하다.

(B) 내층

본 발명의 압연용 복합 롤의 내층은 강인성이 우수한 덕타일 주철(「구형 흑연 주철」으로로 불리움)에 의해 형성된다. 강인한 덕타일 주철의 바람직한 조성은, 질량 기준으로 2.5∼4 %의 C, 1.5∼3.1 %의 Si, 0.2∼1 %의 Mn, 0.4∼5 %의 Ni, 0.01∼1.5 %의 Cr, 0.1∼1 %의 Mo, 0.02∼0.08 %의 Mg, 0.1% 이하의 P, 및 0.1% 이하의 S를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 내층에 덕타일 주철을 사용하면, 마무리 스탠드에서의 압연 하중에 의해 복합 롤이 파손되는 것을 방지할 수 있다.

(C) 중간층

본 발명의 압연용 복합 롤은, 외층과 내층의 성분 혼입을 억제하기 위하여, 양자의 경계에 원심 주조된 Fe기 합금으로 이루어지는 중간층을 구비한다. 중간층은 외층과 유사한 조성을 가지고, 외층 및 내층의 경계 근방에서 발생하는 수축공의 발생을 방지하고, 또한 외층과 내층의 밀착성을 양호하게 하기 위하여, 이하의 특징을 가진다.

(a) 중간층은 0.025∼0.15 질량%의 B를 함유하고,

(b) 중간층의 B 함유량은 외층의 B 함유량의 40∼80 %이며,

(c) 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량은 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 40∼90 %이다.

외층 중에는 B가 0.05∼0.2 질량% 존재하고, 탄붕화물이 형성되어 있다. 탄붕화물은 비교적 저융점이므로, 응고 완료 온도가 저하된다. 외층 내면에 중간층용 용탕을 주입할 때, 중간층용 용탕의 응고 완료 온도가 외층용 용탕의 응고 완료 온도보다 지나치게 높으면, 외층보다 중간층의 응고가 먼저 완료하므로, 경계 근방에서 수축공이 발생할 우려가 있다. 중간층의 응고 완료 온도를 저하시켜 외층의 응고 완료보다 중간층의 응고 완료를 늦추는 것에 의해 경계 근방의 수축공의 발생을 방지하기 위하여, 본 발명에서는 중간층의 B 함유량을 외층의 B 함유량의 40∼80 %로 하고, 중간층의 B 함유량을 0.025∼0.15 질량%로 한다. 그러나, 중간층의 B 함유량이 0.15질량%를 초과하면, 내층 덕타일 주철과의 접합 시에 내층으로의 B 혼입량이 과잉으로 되어, 덕타일 주철의 흑연화를 저해하고, 내층을 취화시킨다. 또한, 중간층의 B 함유량이 외층의 B 함유량의 80%를 초과하면, 외층과 중간층의 경계 근방에서 발생하는 결함의 개선 정도는 포화한다. 내층의 흑연화를 저해하는 B의 내층으로의 필요 이상의 혼입을 회피하기 위하여, 중간층의 B 함유량은 외층의 80%를 상한으로 한다.

중간층의 B 함유량의 하한은 0.027질량%가 바람직하고, 0.028질량%가 보다 바람직하다. 또한 중간층의 B 함유량의 상한은 0.1질량%가 바람직하고, 0.06질량%가 보다 바람직하다. 중간층의 B 함유량은 외층의 B 함유량의 45% 이상이 바람직하고, 50% 이상이 보다 바람직하다. 또한, 중간층의 B 함유량은 외층의 B 함유량의 75% 이하가 바람직하고, 70% 이하가 보다 바람직하다.

중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량은 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 40∼90 %이다. 본 발명에 있어서, 외층 및 중간층의 탄화물 형성 원소는 Cr, Mo, V, Nb 및 W이다. 탄화물 형성 원소는 B보다 중간층의 응고 완료 온도에 대한 영향도가 작지만, 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량이 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 40% 미만이 되면, 외층과 중간층의 응고 완료 온도의 차가 커지므로, 경계와 그 근방의 응고가 불연속이 되어 수축공이 발생할 우려가 있다. 한편, 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량이 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 90%를 초과하면, 덕타일 주철제 내층으로의 이들 원소의 혼입량이 많아지므로, 덕타일 주철의 흑연화를 저해하고, 내층의 강도를 저하시킨다. 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량은, 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 45% 이상이 바람직하다. 또한, 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량이 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 70% 이하가 바람직하고, 60% 이하가 보다 바람직하다.

탄화물 형성 원소의 각각에 대해서는, 중간층/외층의 함유량비는 40∼100 %가 바람직하다. 즉, 중간층 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 각각의 함유량은, 외층 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 각각의 함유량의 40∼100 %인 것이 바람직하다. 중간층 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 각각의 함유량이 외층 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 각각의 함유량의 40% 미만이면, 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계량이 외층의 탄화물 형성 원소의 합계량의 40% 미만이 되기 쉽다. 한편, 중간층 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 각각의 함유량이 외층 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 각각의 함유량의 100%를 초과하면, 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계량이 외층의 탄화물 형성 원소의 합계량의 90%를 초과하기 쉽게 된다. 중간층 중의 탄화물 형성 원소 중 어느 하나가 외층중의 탄화물 형성 원소의 어느 하나의 100%라도, 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계량이 외층의 탄화물 형성 원소의 합계량의 90% 이하인 조건을 만족하면, 외층과 중간층의 응고 완료 온도의 차이를 작게 할 수 있다.

전술한 조건을 만족하는 중간층의 바람직한 조성은, 질량 기준으로 1.5∼3.5 %의 C와, 0.3∼3.0 %의 Si와, 0.1∼2.5 %의 Mn과, 0.1∼5 %의 Ni와, 0.4∼7 %의 Cr과, 0.4∼6 %의 Mo와, 0.15∼5 %의 V와, 0.025∼0.15 %이며 외층의 B 함유량의 40∼80 %의 B를 함유하고, 탄화물 형성 원소의 합계 함유량이 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 40∼90 %이며, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 된다. 중간층은 0∼2.5 질량%의 Nb 및/또는 0∼4 질량%의 W를 더 함유할 수도 있다. 중간층의 전술한 조성은, 이하에 나타낸 바와 같이, 특정 원소 B에 주목하여 측정한다.

중간층은 외층 및 내층과 용착 일체로 되어 있으므로, 외층과 중간층의 경계 및 중간층과 내층의 경계는 불명확하다. 이에, 특정 원소(예를 들면, B)에 주목하고, 외층부터 내층에 걸쳐 2∼5 mm의 피치로 분석용 시험편을 채취하고, B의 농도를 ICP(Inductively Coupled Plasma) 발광 분석법에 의해 측정한다. 도 2는 B의 농도를 롤 표면에서의 깊이에 대하여 플롯한 그래프이다. 도 2로부터 밝혀진 바와 같이, B의 농도 분포에는, 외층과 중간층의 경계 영역, 및 중간층과 내층의 경계 영역에 각각 변곡점 A1, A2이 있으므로, 양 변곡점 A1, A2의 사이를 중간층으로 정의하고, 양 변곡점 A1, A2의 중점 Am에서의 B의 농도를 중간층에서의 B의 농도로 한다.

중간층의 두께는 10∼30 mm가 바람직하다. 중간층은 경질 탄화물을 포함하는 외층으로부터 덕타일 주철제 내층으로의 응고 완료 온도 변화를 작게 하는 효과를 가지므로, 적어도 10 mm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 중간층이 10 mm 미만이면, 응고 완료 온도 변화의 저감 효과가 불충분하여, 결함의 발생을 확실하게 방지할 수 없을 우려가 있다. 한편, 중간층은, 탄화물 형성 원소를 많이 함유하므로 덕타일 주철제 내층보다 취약하므로, 지나치게 두꺼워지면 내층의 비율이 상대적으로 낮아져, 롤 절손 등의 위험성이 증대한다. 따라서, 중간층의 두께는 30mm 이하가 바람직하다. 중간층의 두께 하한은, 12mm가 보다 바람직하고, 15mm가 더욱 바람직하다. 또한, 중간층의 두께 상한은 28mm가 보다 바람직하고, 25mm가 더욱 바람직하다.

[2] 압연용 복합 롤의 제조 방법

본 발명의 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤은, (1) 회전하는 원심 주조용 원통형 주형으로 상기 외층 조성이 되도록 조제한 외층용 용탕을 원심 주조하고, (2) 외층의 내면 온도가 외층의 응고 온도 이상인 시간 내에, 외층의 캐비티 내에 중간층의 응고 개시 온도＋110℃ 이상의 온도를 가지는 중간층용 용탕을 주입하여, 상기 중간층을 원심 주조하고, (3) 중간층의 응고 후에, 외층 및 중간층을 가지는 원통형 주형을 기립시키고, 그 상하단에 상형(上型) 및 하형(下型)을 설치하고, 정치 주조용 주형을 구성하고, (4) 상기 상형, 상기 외층 및 중간층을 가지는 원통형 주형 및 상기 하형에 의해 구성되는 중공부(中空部)(캐비티)에 내층용 덕타일 주철용탕을 주입하는 것에 의해 제조한다. 그리고, 외층 및 중간층을 형성하는 원통형 주형과, 내층을 형성하는 상형 및 하형이 미리 일체로 설치된 주형을 정치 주조용 주형으로 해도 된다.

(A) 외층의 형성

(1) 주입 온도

외층용 용탕의 주입 온도는, Ts＋30℃∼Ts＋150℃(다만, Ts는 오스테나이트 정출 개시 온도임)의 범위 내인 것이 바람직하다. 주입 온도가 Ts＋30℃보다 낮으면, 주입한 용탕의 응고가 지나치게 빠르고, 미세한 개재물 등의 이물질이 원심력에 의한 분리 전에 응고하므로, 이물질 결함이 잔존하기 쉽다. 한편, 주입 온도가 Ts＋150℃보다 높으면, 공정(共晶) 탄화물이 밀집한 영역이 층형으로 생성된다. 주입 온도의 하한은 Ts＋50℃가 보다 바람직하다. 주입 온도의 상한은 Ts＋120℃가 보다 바람직하다. 그리고, 오스테나이트 정출 개시 온도 Ts는, 시차 열분석 장치에 의해 측정한 응고 발열의 개시 온도이다. 통상, 외층용 용탕은, 레이들(ladle)로부터 깔때기, 주탕(注湯) 노즐 등을 통하여, 또는 턴디쉬로(tundish)로부터 주탕 노즐 등을 통하여, 원심 주조용 금형 내에 주입되므로, 본 발명에서의 주입 온도는, 레이들 내 또는 턴디쉬 내의 용탕의 온도를 일컫는다.

(2) 원심력

원심 주조용 금형으로 외층을 주조할 때의 원심력은, 중력배수로 60∼200 G의 범위 내이다. 중력배수가 60G 미만에서는, 외층 용탕의 권취가 부족하다. 한편, 중력배수가 200G를 초과하면, 원심분리가 현저해져 편석이 일어나기 쉽다. 중력배수(G No.)는 식: G No.=N×N×D/1,790,000[다만, N은 금형의 회전수(rpm)이며, D는 금형의 내경(內徑)(외층의 외주에 상당)(mm)임]에 의해 구해진다.

(3) 원심 주조용 주형

도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 외층(1) 및 중간층(2)을 원심 주조하는 원통형 주형(30)은, 원통형 금형(31)과, 원통형 금형(31)의 내주면에 도포된 도형층(塗型層)(32)과, 원통형 금형(31)의 상하 개구부에 설치된 사형(砂型)(33)으로 이루어지고, 원통형 주형(30) 내의 중간층(2)의 내측은 내층(3)을 형성하기 위한 캐비티(60a)로 되어 있다. 원심 주조는 수평형, 경사형 또는 수직형 중 어느 것이라도 된다.

(4) 도형제(塗型劑)

외층(1)이 원통형 금형(31)에 소부하는 것을 방지하기 위하여, 원통형 금형(31)의 내면에 실리카, 알루미나, 마그네시아 또는 지르콘을 주체로 하는 도형제를 도포하고, 0.5∼5 mm의 두께의 도형층(32)를 형성하는 것이 바람직하다. 도형층(32)이 5mm보다 두꺼우면, 용탕의 냉각이 늦어 액상(液相)의 잔존 시간이 길므로, 원심 분리가 일어나기 쉽고, 편석이 일어나기 쉽다. 한편, 도형층(32)이 0.5mm보다 얇으면, 외층(1)의 원통형 금형(31)으로의 소부 방지 효과가 불충분하다. 도형층(32)의 보다 바람직한 두께는 0.5∼4 mm이다.

(B) 중간층의 형성

주입한 외층(1)의 내면 온도가 외층(1)의 응고 완료 온도 이상인 시간 내에, 외층의 캐비티 내에 중간층의 응고 개시 온도＋110℃ 이상의 온도를 가지는 중간층용 용탕을 주입한다. 외층(1)의 내면이 완전히 응고하지 않고 있는 상태에서, 용융 상태에 있는(응고 개시 온도＋110℃ 이상) 중간층 용탕을 주입하므로, 양자가 확산하여 응고하고, (a) 중간층(2)이 0.025∼0.15 질량%의 B를 함유하고, (b) 중간층(2)의 B 함유량이 외층(1)의 B 함유량의 40∼80 %가 되고, (c) 중간층(2)의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량이 외층(1)의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 40∼90 %인 조건을 만족하는 중간층(2)을 얻을 수 있다. 이로써, 외층과 중간층의 경계의 수축공 발생이 방지되어, 외층(1)과 중간층(2)이 용착 일체화한다.

주입한 외층(1)의 내면 온도가 외층(1)의 응고 완료 온도 미만이면, 중간층 용탕의 열량에 의한 외층 내면의 재용융량이 충분하지 않으므로, 외층(1)과 내층(3)의 확산이 충분하지 않고, 전술한 조건을 만족하는 중간층을 얻을 수 없다. 또한 중간층 용탕의 온도가 응고 개시 온도＋110℃ 미만이면, 마찬가지로, 중간층 용탕의 열량에 의한 외층 내면의 재용융량이 충분하지 않으므로, 외층(1)과 내층(3)의 확산이 충분하지 않고, 전술한 조건을 만족하는 중간층을 얻을 수 없다. 외층(1)의 내면 온도는, 외층(1)의 응고 완료 온도＋250℃ 이하이면 외층을 지나치게 용융하지 않고, 소정의 외층 두께를 확보할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 중간층 용탕의 주입 온도를 응고 개시 온도＋280℃ 이하로 하면, 외층을 지나치게 용융하지 않고, 소정의 외층 두께를 확보할 수 있으므로 바람직하다. 중간층 용탕의 주입 온도는, 응고 개시 온도＋120℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한 중간층 용탕의 주입 온도는, 응고 개시 온도＋250℃ 이하인 것이 보다 바람직하다.

외층용 용탕의 응고 완료 온도는, 외층(1)이 완전히 고상(固相)이 될 때의 온도이며, 외층(1)을 구성하는 가장 융점이 낮은 부분(예를 들면, 탄붕화물)의 응고 온도에 상당한다. 또한, 중간층의 응고 개시 온도는, 중간층 용탕 중에 초정(初晶)(예를 들면, 초정 오스테나이트)이 생성될 때의 온도이다. 외층용 용탕의 응고 완료 온도 및 중간층의 응고 개시 온도는 시차열분석장치를 사용하여 측정할 수 있다.

중간층용 용탕의 바람직한 조성은, 질량 기준으로 1.5∼3.7 %의 C와, 0.3∼3.0 %의 Si와, 0.1∼2.5 %의 Mn과, 0.1∼2.0 %의 Ni와, 0.1∼5.0 %의 Cr과, 0∼2.0 %의 Mo와, 0∼2.0 %의 V와, 0∼0.1 %의 B를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 중간층용 용탕은 0∼1.0 질량%의 Nb 및/또는 0∼2.0 질량%의 W를 함유할 수도 있다.

(C) 내층의 형성

도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 정치 주조용 주형(100)은, 외층(1) 및 중간층(2)을 가지는 원심 주조용 원통형 주형(30)과, 그 상하단에 설치되어 있는 상형(40) 및 하형(50)으로 이루어진다. 상형(40)은 원통형 금형(41)과 그 내부에 형성된 사형(42)으로 이루어지고, 하형(50)은 원통형 금형(51)과 그 내부에 형성된 사형(52)으로 이루어진다. 상형(40)은 내층(3)의 일단부를 형성하기 위한 캐비티(60b)를 가지고, 하형(50)은 내층(3)의 타단부를 형성하기 위한 캐비티(60c)를 가진다. 하형(50)에는 내층용 용탕을 유지하기 위한 바닥판(53)을 설치한다.

하형(50) 위에, 원심 주조한 외층(1) 및 중간층(2)을 가지는 원통형 주형(30)을 기립시켜 설치하고, 원통형 주형(30) 위에 상형(40)을 설치하여, 내층(3)형성용의 정치 주조용 주형(100)을 조립한다. 이로써, 중간층(2) 내의 캐비티(60a)는 상형(40)의 캐비티(60b) 및 하형(50)의 캐비티(60c)와 연통하여, 내층(3) 전체를 일체적으로 형성하기 위한 캐비티(60)를 구성한다.

상형(40)의 상방 개구부(43)로부터, 캐비티(60)에 내층(3)용의 덕타일 주철 용탕을 주입한다. 덕타일 주철 용탕의 바람직한 조성은, 질량 기준으로 2.5∼4 %의 C, 1.5∼3.1 %의 Si, 0.2∼1 %의 Mn, 0.4∼5 %의 Ni, 0.01∼1.5 %의 Cr, 0.1∼1 %의 Mo, 0.02∼0.08 %의 Mg, 0.1% 이하의 P, 및 0.1% 이하의 S를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물이 된다. 중간층(2)의 내면이 재용융된 후, 내층(3)이 응고하므로, 양자는 양호하게 용착 일체화(금속 접합)한다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 외층과 중간층의 경계부, 및 중간층과 내층의 경계부에서 각각 원소의 상호 확산이 일어나므로, 응고한 중간층의 조성은 그 용탕 조성과 상이하며, 외층으로부터 내층까지 구배(勾配)를 가진다.

(D) 열처리

내층(3)의 주조 후에, 필요에 따라 담금질 처리를 행하고, 템퍼링 처리를 1회 이상 행한다. 템퍼링 온도는 480∼580 ℃가 바람직하다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1∼3

(1) 복합 롤의 제조

표 1에 나타낸 조성(잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임)의 각 외층용 용탕을, 고속 회전하는 내경 650mm, 및 길이 3000mm의 원심 주조용 원통형 주형(30)에 1410℃에서 주입하고, 원심 주조했다. 상기한 조성의 외층용 용탕의 응고 완료 온도를 표 2에 나타내었다. 외층 내면의 응고가 완료되기 전에, 외층 내면의 온도(플럭스(flux)층 표면의 온도)가 1200℃일 때, 외층 내의 캐비티(60a)에, 표 1에 나타낸 조성(잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임)의 각 중간층용 용탕을, 표 2에 나타낸 주입 온도로 주입하고, 원심 주조했다. 상기한 조성의 중간층용 용탕의 응고 개시 온도를 표 2에 함께 나타내었다.

중공형 중간층이 응고한 후, 원심 주조용 원통형 주형(30)의 회전을 멈추고, 원통형 주형(30) 상하단에 각각 상형(40)(길이 2000mm) 및 하형(50)(길이 1500mm)을 설치하여 정치 주조용 주형(100)을 구성했다. 이 정치 주조용 주형(100)의 캐비티(60)에, 표 1에 나타낸 조성(잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임)의 각 내층용 덕타일 주철 용탕을 1423℃에서 주입하고, 정치 주조했다. 내층의 응고 완료 후에 정치 주조용 주형(100)을 해체하고, 얻어진 복합 롤을 꺼내고, 525℃에서 10시간의 템퍼링 처리를 행하였다.

얻어진 복합 롤을 초음파 탐상(探傷)에 의해 검사한 결과, 외층, 중간층 및 내층의 경계부에 수축공은 없으며, 건전하게 용착하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

외층으로부터 내층에 걸쳐 5mm의 피치로 분석용 시험편을 채취하고, B의 농도를 ICP(Inductively Coupled Plasma) 발광분석법에 의해 측정하여, B의 농도 분포를 구했다. B의 농도 분포의 변곡점 A1, A2의 중점 Am에 있어서, 성분 원소(C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Nb, W 및 B)의 농도를 측정하여, 중간층의 성분 원소 농도로 했다. 또한, 외층의 가사(可使) 영역 내(외층의 표면으로부터 폐기 직경까지의 영역)의 중앙에 있어서, 성분 원소(C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Nb, W 및 B)의 농도를 측정하여, 외층의 성분 원소 농도로 했다. B의 농도 분포에 주목하여 구한 외층의 평균 두께는 65mm이며, 중공형 중간층의 평균 두께는 22mm였다.

비교예 1

(a) 표 1에 나타낸 조성을 가지는 외층용 용탕, 중간층용 용탕 및 내층용 덕타일 주철 용탕을 사용하였고, (b) 중간층용 용탕의 주입 시의 외층 내면의 온도를 1080℃로 하고, 중간층용 용탕의 주입 온도를 1560℃로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 복합 롤을 제조했다. 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 외층 및 중간층에서의 성분 원소의 농도를 측정했다. 초음파 탐상 검사의 결과, 외층과 중간층의 경계부에서 수축공이 발생하고 있는 것을 알 수 있었다.

비교예 2

(a) 표 1에 나타낸 조성을 가지는 외층용 용탕, 중간층용 용탕 및 내층용 덕타일 주철 용탕을 사용하였고, (b) 중간층용 용탕의 주입 온도를 1400℃로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 복합 롤을 제조했다. 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 외층 및 중간층에서의 성분 원소의 농도를 측정했다. 초음파 탐상검사의 결과, 외층과 중간층의 경계부에서 수축공이 발생하고 있는 것을 알 수 있었다.

실시예 1∼3, 및 비교예 1 및 2에 대하여, 외층 및 중간층에서의 성분 원소의 농도를 표 1에 나타내고, 복합 롤의 제조 조건, 중간층과 외층의 B 함유량의 비 및 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량의 비, 및 외층과 중간층의 경계부의 결함 유무를 표 2에 나타내었다.

[표 1-1]

[표 1-2]

주: (1) 잔부는 불가피한 불순물을 포함한다.

[표 2]

주: (1) 중간층의 B 함유량/외층의 B 함유량의 비율(%).

(2) 중간층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량/외층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량의 비율(%).

(3) 중간층용 용탕을 주입할 때의 외층 내면의 온도.

(4) 수축공.

표 1로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼3에서는, 중간층용 용탕 중의 B 함유량이 0.01질량%라도, 응고한 중간층 중의 B 함유량은 각각 0.04질량%(실시예 1), 0.05질량%(실시예 2) 및 0.034질량%(실시예 3)로 많아지며, 또한, 중간층용 용탕 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량이 각각 0.38질량%(실시예 1), 0.33질량%(실시예 2) 및 0.62질량%(실시예 3)라도, 응고한 중간층 중의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량은 각각 7.22질량%(실시예 1), 7.48질량%(실시예 2) 및 7.24질량%(실시예 3)로 많아졌다. 그 결과, 실시예 1∼3의 복합 롤은 모두, (a) 중간층이 0.025∼0.15 질량%의 B를 함유하고, (b) 중간층의 B 함유량이 외층의 B 함유량의 40∼80 %이며, 또한 (c) 중간층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량이 외층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량의 40∼90 %의 조건을 만족하고 있었다. 이는, 외층의 내면 온도가 외층용 용탕의 응고 완료 온도 이상인 동안, 외층의 캐비티 내에 중간층의 응고 개시 온도＋110℃ 이상의 온도를 가지는 중간층용 용탕을 주입하였으므로, 외층 내면이 적절하게 재용융되어 외층 중의 B, Cr, Mo, V, Nb 및 W가 중간층용 용탕 중에 혼입되었기 때문이며, 외층과 중간층이 양호하게 용착 일체화(금속 접합)한 것을 의미한다. 이에 따라, 실시예 1∼3의 복합 롤은 모두, 외층과 중간층의 경계부에 수축공 등의 결함이 없었다.

이에 대하여, 비교예 1 및 2에서는, 실시예 1∼3과 거의 동일한 중간층용 용탕을 사용해도, 응고한 중간층 중의 B 함유량은 모두 0.02질량%로 적고, 또한 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량도 각각 3.60질량%(비교예 1) 및 3.25질량%(비교예 2)로 적었다. 이 때문에, 중간층의 B 함유량은 외층의 B 함유량의 25.0%(비교예 1 및 2)이며, 또한 중간층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량은 외층의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계 함유량의 각각 23.3%(비교예 1) 및 21.1%(비교예 2)이며, 모두 상기한 요건 (a)∼(c)를 만족하지 않았다. 이는, 비교예 1에서는, 외층의 내면 온도가 외층용 용탕의 응고 완료 온도보다 낮아졌을 때 중간층용 용탕을 주입하였기 때문에, 외층 내면이 적절하게 재용융하지 않아, 외층 중의 B, Cr, Mo, V, Nb 및 W가 중간층용 용탕 중에 충분히 혼입도지 않았기 때문이다. 또한 비교예 2에서는, 중간층용 용탕의 주입 온도가 중간층용 용탕의 응고 개시 온도＋110℃보다 낮았기 때문에, 외층 내면이 적절하게 재용융하지 않아, 외층 중의 B, Cr, Mo, V, Nb 및 W가 중간층용 용탕 중에 충분히 혼입되지 않았기 때문이다. 이에 따라, 비교예 1 및 2에서는, 외층과 중간층이 양호하게 용착 일체화(금속 접합)하지 않아, 외층과 중간층의 경계부에서 수축공이 발생하였다.

실시예 1∼3, 및 비교예 1 및 2에서 제조한 복합 롤의 외층으로부터 슬리브 형상의 시험용 롤(외경(外徑) 60mm, 내경 40mm 및 폭 40mm)을 잘라내어, 도 4에 나타낸 압연 마모 시험기(200)를 사용하여 각 시험용 롤의 내마모성을 평가했다. 압연 마모 시험기(200)는, 압연기(211)와, 압연기(211)에 내장된 시험용 롤(212, 213)과, 압연재(218)를 예열하는 가열로(214)와, 압연재(218)를 냉각시키는 냉각 수조(215)와, 압연 중에 일정한 장력을 부여하는 권취기(216)와, 장력을 조절하는 콘트롤러(217)를 구비한다. 하기 압연 마모 조건으로 마모 시험(압연)을 행하고, 압연 후, 시험용 롤의 표면에 생긴 마모의 깊이를 촉침식 표면조도계에 의해 측정하여, 각 시험용 롤의 내마모성을 평가한 바, 실시예 1∼3, 및 비교예 1 및 2의 모든 시료에서 내마모성은 양호하여, 실용적으로 문제가 없는 레벨인 것을 알았다.

압연재: SUS304

압하율: 25%

압연 속도: 150m/분

압연재 온도: 900℃

압연 거리: 300m/회

롤 냉각: 수냉

롤 수: 4중식

실시예 1∼3, 및 비교예 1 및 2에서 제조한 복합 롤의 외층으로부터 시험편(30 mm×25 mm×25 mm)을 잘라내어, 도 5에 나타낸 마찰열충격시험기(300)를 사용하여 각 시험편의 내소부성을 평가했다. 마찰열충격시험기(300)는, 랙(rack)(301)에 추(302)를 낙하시킴으로써 피니언(pinion)(303)을 회동시켜, 시험편(304)에 맞물리림재(305)를 강하게 접촉시키는 것이다. 소부의 정도를 소부 면적율에 의해 평가한 바, 실시예 1∼3, 및 비교예 1 및 2의 모든 시료에서 소부는 거의 관찰되지 않아, 실용적으로 문제가 없는 레벨인 것을 알았다.

Claims

원심 주조(鑄造)된 Fe기(基) 합금으로 이루어지는 외층 및 중간층과 덕타일(ductile) 주철(鑄鐵)로 이루어지는 내층이 각각 용착(溶着) 일체화한 구조를 가지는 압연용 복합 롤로서,
상기 외층이, 질량 기준으로 1∼3 %의 C와, 0.3∼3 %의 Si와, 0.1∼3 %의 Mn과, 0.5∼5 %의 Ni와, 1∼7 %의 Cr과, 2.2∼8 %의 Mo와, 4∼7 %의 V와, 0.005∼0.15 %의 N과, 0.05∼0.2 %의 B를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지고,
상기 중간층이 0.025∼0.15 질량%의 B를 함유하고,
상기 중간층의 B 함유량이 상기 외층의 B 함유량의 40∼80 %이며,
상기 중간층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량이 상기 외층의 탄화물 형성 원소의 합계 함유량의 40∼90 %인, 압연용 복합 롤.
제1항에 있어서,
상기 외층이 0.1∼3 질량%의 Nb 및/또는 0.1∼5 질량%의 W를 더 함유하는, 압연용 복합 롤.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 외층이 질량 기준으로 0.1∼10 %의 Co, 0.01∼0.5 %의 Zr, 0.005∼0.5 %의 Ti, 및 0.001∼0.5 %의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 더 함유하는, 압연용 복합 롤.
제1항 또는 제2항에 기재된 압연용 복합 롤을 제조하는 방법에 있어서,
(1) 회전하는 원심 주조용(鑄造用) 원통형 주형(鑄型)으로 상기 외층을 원심 주조하고,
(2) 상기 외층의 내면 온도가 상기 외층용 용탕(溶湯)의 응고(凝固) 완료 온도 이상인 시간 내에, 상기 외층의 캐비티 내에 중간층의 응고 개시 온도＋110℃ 이상의 온도를 가지는 중간층용 용탕을 주입(鑄入)하여, 상기 중간층을 원심 주조하고,
(3) 상기 중간층의 응고 후에, 상기 중간층의 캐비티 내에 내층용 덕타일 주철 용탕을 주입하는 것에 의해 상기 내층을 형성하는, 압연용 복합 롤의 제조 방법.