KR20030017109A

KR20030017109A - 용융금속 도금설비의 침절롤용 저널베어링

Info

Publication number: KR20030017109A
Application number: KR1020010051240A
Authority: KR
Inventors: 송진화; 이강호; 김용업; 성병근; 이상용
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2003-03-03
Also published as: KR100568340B1

Abstract

본 발명은 용융금속 도금설비의 침적롤(스태빌라이징롤 또는 싱크롤)의 저널베어링에 관한 것으로, 그 목적은 축수라이너의 경도를 높게 하되 축수라이너 재질 중에 포함된 강화재의 양과 경도를 조절함으로써, 강화재가 세라믹 재질로 된 부시의 표면을 손상시켜 발생되는 요철을 최소화하고 세라믹 재질로 된 부시가 상대재인 축수라이너의 마모를 가속화시키는 문제점을 개선하여 축수구동부품의 전체수명이 연장되도록 해주는 용융금속 도금설비용 저널베어링을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 롤의 축수외주면에 끼워지는 축수라이너(6), 부시(7), 부시고정틀(8)를 포함하여 구성되는 용융금속 도금설비의 침적롤용 저널베어링에 있어서, 상기 축수라이너는 체적율 40~60%의 라베스(Laves)상으로 이루어지는 코발트 또는 니켈 합금이며, 상기 부시는 세라믹이 사용되는 것을 포함하여 이루어지는 용융금속 도금설비의 침적롤용 저널베어링에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

용융금속 도금설비의 침절롤용 저널베어링{Journal Bearing for Plating Facillity of Melted Metals}

본 발명은 용융금속 도금설비의 침적롤(스태빌라이징롤 또는 싱크롤)의 저널베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 침적롤의 축수라이너와 부시의 재질을 적절히 선택함으로써 저널베어링의 내마모 수명을 향상시킬 수 있도록 하는 저널베어링에 관한 것이다.

일반적으로 용융금속 도금설비에서는 도 1에서와 같이 도금용 대상물인 강판(1)이 용융금속(2) 중에서 회전될 수 있도록 침적롤[싱크롤(3)과 스태빌라이징롤(4)]에 의해 안내되어 화살표 방향으로 이동되면서 용융금속(2)으로 도금된다. 침적롤인 싱크롤(3)과 스태빌라이징롤(4)은 아연, 알루미늄 등과 같은 용융금속(2) 중에서 큰 하중을 받으면서 고속으로 회전된다. 따라서, 침적롤의 회전구동부품(저널베어링)은 급격히 마모되므로 설비가동을 중단하여 부품을 자주 교환하여야 한다.

침적롤 구동부품의 급격한 마모를 개선하여 사용수명을 최대한 연장하기 위해서, 침적롤은 도 3에서와 같이 축수라이너(Liner)(6)로서 내마모성이 우수한 재질로 된 슬리브(Sleeve)가 축수외주면에 끼워지며, 이 축수라이너(6)의 외주면에는 축수(5)를 지지하면서 미끄럼 작용을 일으키는 미끄럼 베어링수단으로서 내마모성이 우수한 재질로 된 부시(7)가 끼워진다. 부시(7)는 부시고정틀(8)에 조립해서 사용된다. 축수(5)의 수명을 개선하기 위해 도 2에서와 같이 축수와 축수라이너(6)는 용접하여 사용하고 있다.

침적롤중에서도 싱크롤은 강판의 장력에 의해 가해지는 하중을 견디면서 회전되기 때문에 강판의 형상교정과 진동을 방지해주는 스태빌라이징롤 보다 가혹한 조건에서 사용되므로 그 회전구동부품인 축수라이너와 부시의 사용수명이 매우 짧다.

종래 침적롤의 저널베어링에서 축수라이너(5)는 내마모성과 용접성이 우수한 코발트합금인 스텔라이트6 (Stellite 6)합금을 이용해 왔다. 그리고, 부시(7)의 경우에도 스텔라이트6 (Stellite 6)합금을 부시 고정틀(8)에 용접해서 사용해왔다. 축수라이너(6)는 도 4에 도시한 바와 같이 코발트 고용체 합금으로 이루어진 기지(6a) 중에 강화재(6b)로써 높은 경도를 가지는 탄화물을 다량으로 정출시켜 내마모성을 부여한 합금이다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같이 축수라이너와 부시가 마찰될 때 경도가 높은 강화재(6b)가 마찰 상대재인 부시(7)를 손상시키면서 수명을 단축시키는 문제점을 가지고 있었다. 특히, 축수라이너(6)와 부시(7)의 재질이 동일한 경우에는 원주면 전체가 마모되는 축수라이너(6) 보다 원주면 일부분만 지속적으로 마모되는 부시(7) 쪽의 두께 감소가 3배 이상 빠르게 일어나면서 축수구동부품의 전체 수명이 단축되는 결과를 초래하는 문제점이 있었다.

최근에는 이와 같이 축수라이너(6) 보다 빨리 마모되면서 축수구동 부품의 전체 수명을 단축시키는 부시(7)의 수명을 연장하기 위해 내마모성이 뛰어난 세라믹재료를 사용하는 기술이 늘고 있다. 즉, 지르코니아 계 (ZrO₂계) 또는 실리콘나이트라이드계 (Si₃N₄계) 세라믹(ceramic) 재료로 만든 부시(7)를 부시 고정틀(8)에 조립해서 사용하고, 축수라이너(6) 재질로 스텔라이트6 (Stellite 6)합금을 사용해 왔다. 그러나, 이와 같은 재질조합의 경우에도 도 5에 도시한 바와 같이 스텔라이트6 (Stellite 6)합금 중에 강화재(6b)로 정출된 탄화물의 경도가 세라믹 재질 수준이상으로 높기 때문에 세라믹 재질로 된 부시(7)의 표면을 손상시켜 요철을 발생시키고, 부시(7)의 표면에 발생된 요철은 다시 상대재인 스텔라이트6(Stellite 6)합금으로 된 축수라이너(6)를 마모시키고, 또한 마모에 의해 떨어져 나온 강화재(6b) 입자가 마모를 일으키면서 축수라이너(6)가 급속히 마모되기 때문에 전체수명이 단축되는 결과를 초래해서 문제점이 여전히 해결되지 못해왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 축수라이너(6)의 경도를 높게 하되 축수라이너 재질 중에 포함된 강화재(6b)의 양과 강화재(6b)의 경도를 조절함으로써, 강화재(6b)가 세라믹 재질로 된 부시(7)의 표면을 손상시켜 발생되는 요철을 최소화하고 세라믹 재질로 된 부시(7)가 상대재인 축수라이너(6)의 마모를 가속화시키는 문제점을 개선하여 축수구동부품의 전체수명이 연장되도록 해주는 용융금속 도금설비용 저널베어링을 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 용융금속 도금설비의 개략 단면도,

도 2는 종래의 침적롤의 축수와 축수라이너의 구성 단면도,

도 3a는 종래의 침적롤의 부시 베어링과 부시 고정틀의 구성 단면도,

도 3b는 도 3a의 A-A'의 단면도,

도 4는 종래의 침적롤의 축수라이너 재질의 미세조직을 나타내는 모식도,

도 5는 종래의 침적롤의 축수라이너와 부시가 마찰될 때 강화재가 상대재를 마모시키는 모식도,

도 6은 본 발명에 의한 침적롤의 부시 베어링과 부시 고정틀의 구성 단면도이다

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 강판2: 용융금속

3: 싱크롤4: 스태빌라이징롤

5: 축수 6: 축수라이너

6a: 축수라이너의 기지 6b: 축수라이너의 강화재

7: 부시8: 부시 고정틀

9: 부시 지지대10: 부시 지지대와 부시 고정틀의 용접부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 롤의 축수외주면에 끼워지는 축수라이너(6), 부시(7), 부시고정틀(8)를 포함하여 구성되는 용융금속 도금설비의 침적롤용 저널베어링에 있어서,상기 축수라이너는 체적율 40~60%의 라베스(Laves)상으로 이루어지는 코발트 또는 니켈 합금이며, 상기 부시는 세라믹이 사용되는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 축수라이너의 재질의 경도를 부시 재질의 경도 보다도 낮게 한다면 부시의 표면을 손상시키지 않을 것이라는데 착안하여, 세라믹 재질의 부시 보다 경도가 낮으면서 축수라이너의 내마모성을 확보할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 그 동안의 수많은 연구와 실험과정에서 코발트 또는 니켈 합금의 라베스(Laves)상을 주목하게 되었다.

코발트 또는 니켈 합금의 라베스(Laves)상은 경도가 부시(7)의 재질로 사용되는 지르코니아 계(ZrO₂계) 또는 실리콘나이트라이드 계 (Si₃N₄계) 세라믹(ceramic)보다 낮기 때문에 부시(7)의 표면을 손상시키지 않으면서 동시에 축수라이너(6)용 코발트 또는 니켈 합금의 경도를 증가시켜 축수라이너(6)의 내마모성을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

일명 Tribaloy계 합금은 천이금속 원소인 코발트 또는 니켈을 주성분으로 하고 Si, Mo을 합금원소로 함유하고 있으며, Co(또는 Ni)-Mo-Si의 금속간화합물인 라베스상을 함유하고 있다. 본 발명자들의 연구에 따르면 코발트 또는 니켈 합금의 라베스(Laves)상은 그 체적율이 40~60%일 때 강화재로 작용하여 축수라이너의 내마모성을 확보하고 나아가 부시의 표면을 손상하지 않는다. 코발트 또는 니켈 합금에서 라베스(Laves)상의 입자의 체적율이 40% 미만의 경우에는 강화재(6b)의 양이 너무 적어서 축수라이너(6)의 내마모성을 충분히 확보할 수 없고, 60% 초과의 경우에는 충격인성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명에 따르면 부시(7)는 경도가 높아서 내마모성을 충분히 확보할 수 있고 노출되는 기계적 또는 열적충격에 대한 저항성이 우수한 세라믹을 이용한다. 대표적인 예로는 지르코니아계(ZrO₂계) 또는 실리콘나이트라이드계(Si₃N₄계) 세라믹(ceramic)을 예로 들 수 있다.

본 발명에 따라 축수라이너에는 적정 라베스상을 가진 코발트 또는 니켈 합금을 적용하고, 부시(7)에는 세라믹을 적용하면, 종래보다 매우 평활한 마모표면이 형성되기 때문에 축수라이너와 부시가 마찰되면서 발생되는 진동이 감소되고, 그 결과 용융도금강판의 진동이 감소됨으로써 도금강판의 표면품질을 향상시키는 작용을 하게 된다.

한편, 본 발명에 따라 세라믹으로 제조되는 부시(7)는 일반적으로 이용되는 용접방법에 의해 부시 고정틀(8)에 조립되기가 어렵다. 따라서, 열박음 방법에 의해 부시 고정틀(8)에 조립한 다음에, 부시 지지대(9)를 이용해서 고정하는 것이 바람직하다.

열박음 방법과 부시 지지대(9) 설치방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 열박음에 앞서 부시(7)와 부시 고정틀(8)이 용융금속(2)의 온도로 가열된 상태에서 억지끼움에 의한 구속응력이 가해지도록 부시(7)의 외주면 직경과 부시고정틀(8)의 내주면 직경을 가공해서 치수공차를 부여한다.

다음으로 부시 고정틀(8)을 가열해서 그 내주면 직경이 상온으로 유지된 부시(7)의 외주면 직경보다 큰 치수가 되도록 해서 부시 고정틀(8)과 부시(7)를 헐거운 끼워맞춤한 후 서서히 냉각해서 부시 고정틀(8)이 수축되면서 부시(7)와 조립되도록 한다. 이때, 부시(7)와 부시 고정틀(8) 사이의 구속응력의 크기는 다음 식을이용해서 계산한다.

[관계식]

최대 구속응력 = [{(부시 외주면의 최대 직경)-(부시 고정틀 내주면의 최소 직경)} / (부시 고정틀 내주면의 평균 직경)] ×(부시 고정틀 재질의 탄성계수)

최소 구속응력 = [{(부시 외주면의 최소 직경)-(부시 고정틀 내주면의 최대 직경) } / (부시 고정틀 내주면의 평균 직경)] ×(부시 고정틀 재질의 탄성계수)

상기와 같은 열박음 방법에 의해 세라믹 부시(7)가 부시 고정틀(8)에 삽입 설치한 후 도 6에 도시한 바와 같이 부시 지지대(9)를 부시 고정틀(8) 내면에 끼운 후 부시 지지대(9)와 부시 고정틀(8)을 용접하면 조립이 완료된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표 1과 같이 축수라이너(6)와 부시(7)를 제조한 다음, 용융아연 중에서 하중을 가하면서 5시간 동안 원통상으로 접촉 마찰했을 때 측정된 두께 마모량을 표 1에 나타내었다.

축수라이너(6)의 초기 치수는 내경 60mm, 외경 76mm, 길이 70mm 로 하였고, 부시(7)의 초기 직경과 길이는 각각 78mm와 50mm 로 하였으며, 부시(7)의 초기 치수는 내경 78mm, 외경 108mm, 길이 50mm 로 하였다. 그리고 부가하중은 900kg로, 마찰속도는 20 m/min 로 시험시간은 6시간으로 하였다.

구분	축수라이너	부시	마모두께(mm)
	재질명	강화재	재질명	강화재
		종류	체적율(%)	경도(Hv)			종류	체적율(%)	경도(Hv)
종래	Stellite 6	M₇C₃	27	1530	Stellite 6	M₇C₃	27	1530	3
비교예1	Stellite 6	M₇C₃	27	1530	Stellite 4	M₇C₃	33	1540	2.8
비교예2	Stellite 6	M₇C₃	27	1530	Tribaloy800	Laves	53	1170	3.2
본발명1	Tribaloy800	Laves	53	1170	ZrO₂계	-	-	1250	1
본발명2	Tribaloy400	Laves	40	1150	ZrO₂계	-	-	1250	1.5
본발명3	Tribaloy800	Laves	53	1170	Si₃N₄계	-	-	1450	0.9
본발명4	Tribaloy700	Laves	60	1050	ZrO₂계	-	-	1250	1.8

표 1에서 축수라이너(6)와 부시(7)가 모두 스텔라이트 합금 또는 Tribaloy 합금인 경우, 마모두께는 상대적으로 마모가 빨리 일어나는 부시(7)의 마모두께를 측정한 것이고, 본 발명의 경우에는 상대적으로 마모가 빨리 일어나는 축수라이너(6)의 마모두께를 측정한 것이다. 또한, 표 1에서 부시(7)는 그 재질이 Stellite 6 합금인 경우를 제외하고 모두 열박음 방법에 의해 부시고정틀(8)에 조립되어 사용되었다.

표 1에서 알 수 있듯이, 축수라이너(6) 재질로 라베스상의 체적율이 40~60% 인 코발트 또는 니켈합금을 사용하고, 부시(7) 재질로는 경도가 높은 세라믹으로조합해서 사용한 발명재는 축수구동부품의 마모량이 종래보다 2~3배 감소되었다. 축수라이너(6) 재질 중에서 Tribaloy 800 합금의 조성은 16.8% Cr, 0.06% C, 0.3% Fe, 3.2% Si, 28.5% Mo, 나머지 Co 이었으며, Tribaloy 400 합금의 조성은 8.3% Cr, 0.07% C, 0.9% Fe, 2.5% Si, 28.1% Mo, 나머지 Co 이었으며, Tribaloy 700 합금의 조성은 15.1% Cr, 0.07% C, 1.2% Fe, 3.2% Si, 31.9% Mo, 나머지 Ni 이었다. 부시(7) 재질 중 ZrO₂계 세라믹 조성은 ZrO₂+ 3.5% MgO 이었으며, Si₃N₄계 세라믹 조성은 Si₃N₄+ 8%Al₂O₃+ 7% Y₂O₃이었다.

비교예1의 경우 종래와 같이 축수라이너(6)와 부시(7) 재질로 상대재 표면을 손상시키는 탄화물을 다량 포함하는 코발트합금이 사용되었기 때문에 마모량 감소효과가 크지 않았다. 비교예2 의 경우 부시(7) 재질로 탄화물보다 경도가 낮은 라베스상으로 강화된 코발트합금이 사용되었지만, 축수라이너(6) 재질로 탄화물 체적율이 지나치게 높은 코발트합금이 사용되어 부시(7) 쪽이 급속히 마모되면서 종래보다 오히려 마모량이 증가 되었다.

상기의 실시예의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 제조된 축수라이너는 원주면이 전체적으로 마찰되기 때문에 상대적으로 두께 감소가 적고, 부시는 원주면의 일부분이 마찰되기 때문에 상대적으로 두께 감소가 크게 발생되나 축수라이너(7)의 강화재보다 경도가 높고 기계적 또는 열적 충격에 대한 저항성이 우수하기때문에 내마모성을 충분히 확보할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 축수라이너와 부시의 각각의 내마모성을 최대한 확보함과 동시에 상대재의 마모를 최소화하여 도금설비에 있어서 미끄럼 베어링 수단으로 이용되는 축수구동부품의 수명을 종래보다 2~3배 연장하는 효과를 제공하는 장점이 있다.

Claims

롤의 축수외주면에 끼워지는 축수라이너(6), 부시(7), 부시고정틀(8)를 포함하여 구성되는 용융금속 도금설비의 침적롤용 저널베어링에 있어서,

상기 축수라이너는 체적율 40~60%의 라베스(Laves)상으로 이루어지는 코발트 또는 니켈 합금이며, 상기 부시는 세라믹이 사용되는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 용융금속 도금설비의 침적롤용 저널베어링.
제 1항에 있어서, 상기 세라믹은 지르코니아계(ZrO₂계) 또는 실리콘나이트라이드계(Si₃N₄계)의 그룹에서 선택된 1종임을 특징으로 하는 용융금속 도금설비의 침적롤용 저널베어링.
제1항에 있어서, 상기 부시(7)는 부시고정틀에 열박음으로 조립된 것임을 특징으로 하는 용융금속 도금설비의 침적롤용 저널베어링.