KR20040070428A - 코러게이터용 골 롤과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성과 내식성 그리고 내구성이 우수한 골판지 제조용 파형 골 롤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 골판지에 주름 모양의 골을 만들기 위한 코러게이터의 골 롤 표면을 비정질화 함으로써 보다 내마모성과 내식성, 그리고 내구성이 강한 골 롤을 성형하는 데 있다.

상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명은, 물품을 포장하는 박스 등의 소재로 사용되는 골판지에서 완충 역할을 하는 골심지의 외형을 성형하는 주름 모양의 파형 롤에 관한 것으로,

보다 상세하게는 상단 및 하단의 파형 골 롤 표면에 홈과 골이 구성되는데 이들 표면이 보다 강한 내마모성, 내식성 그리고 내구성을 가질 수 있도록 중량%로 Cr 40.0~50.0%, B 2.5~6.5%, Si 0.5~5.0%로 구성되고, C 0.0-0.5% 와 Cu, Mn, Ni, Mo, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W의 조성물을 0.0-5.0%로 단독 또 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성되는 조성물질로 코팅하여 비정질 상을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

코러게이터용 골 롤과 그 제조방법{Corrugating roll and the manufacturing method}

본 발명은 코러게이터용 골 롤(corrugating roll)과 골 롤의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포장용 상자 등으로 사용되는 골판지를 생산할 때 골판지에 골(flute)을 내기 위한 상단 및 하단의 골 롤 표면에 비정질상을 코팅하여 내마모성과 내식성을 동시에 개선함으로써 제품의 내구성을 향상시킨 코러게이터의 골 롤에 관한 것이다.

일반적으로, 포장용으로 사용되는 자재로는 종이, 판지제품, 플라스틱, 나무, 금속, 유리 등 여러 가지가 있지만 이 가운데 골판지가 전체 포장 재료의 약 4분의 1을 점하고 있는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 종이에 비하여 평량이나 두께가 두꺼운 종이를 판지라 하는데, 이들 판지 가운데서도 골이 성형된 특별한 판지를 골판지라 칭한다. 골판지가 이렇게 포장용으로 많이 사용되는 까닭은 생산성, 가공성이 뛰어날 뿐더러 가볍고 견고하며 그에 못지 않게 속 내용물을 잘 보호하고, 동시에 가격이 싸기 때문이다. 또한 포장지 표면에 다양한 인쇄가 가능하고 다양한 디자인으로 만들 수 있기 때문에 판매촉진에도 상당한 도움을 주고 있어 많이 선호되고 있다.

골판지는 코러게이터(corrugator)라 불리는 기계로 제작된다. 코러게이터 외에도 골심지(core paper)와 라이너(liner)를 접착시키기 위한 대체설비 장치가 필요하다. 또 골심지를 성형하고 골심지와 라이너를 접착시키기 위해 열이 필요하며, 히터(heater)가 이용된다. 골판지는 구조상으로 한번에 만드는 것이 불가능하기 때문에 싱글 페이서라 불리는 부분에서 골심지를 골 성형하여 라이너와 접착시켜 편면 골판지를 만든다. 다음으로 더블 백커(또는 더블 페이서, double backer, double facer)에 두고 편면 골판지에 라이너를 접착시켜서 양면 골판지를 만들고, 마지막으로 커터(cutter)로 일정한 길이로 절단하는 것으로 완전 성형한다. 골판지는 골의 조합에 따라서 다양한 골판지가 만들어지는데 구조적인 기준으로 편면 골판지, 양면골판지, 이중양면 골판지, 삼중양면 골판지 등으로 나눌 수 있다. 따라서 편면과 양면 골판지 외의 이중양면과 삼중양면 골판지를 만드는 경우에는 코러게이터에 여러 개의 싱글 페이서를 준비해야 한다.

이러한 골판지는 파형(wave shape)으로 이루어진 골심과 그 골심을 유지하기 위하여 접착된 라이너라 불리는 원지로 이루어지는데, 이 독특한 구조로 인하여 무척 가벼울뿐더러 견고함까지 갖추어 충격 흡수성이 뛰어난 포장재료로 크게 인정을 받고 있다.

골(flute)은 그 높이와 피치(pitch)에 따라 종류를 달리하는데 A골은 높이가 4.5~4.8mm, B골은 높이가 2.5~2.8mm, C골은 높이가 3.5~3.8mm로 분류된다, 일반적으로 양면골판지에는 A골과 B골이 사용되며, 이중양면 골판지에는 A와 B를 조합한AB골이 사용되고, 구미에서는 C골이 주로 사용되는 것으로 알려져 있다. 그 외에 내장용이나 개별포장용으로는 골의 높이가 현저히 낮은 1mm나 그 이하의 마이크로 골로 E골, F골, N골이 사용되는데 국가마다 약간씩의 기준 차이가 있는 편이며 마이크로 골은 아직까지 완전한 표준이 정해지지 않은 상태에 있다.

일반적으로 골판지가 만들어지는 과정을 양면 A골 골판지를 예를 들어보면, 원지인 라이너는 압력 롤(press roll)에 부착되어 있으며 이 라이너는 프리 히터에서 예열되어 싱글 페이서(single facer, 편면기)로 이송된다. 골심지는 싱글 페이서 안에서 예비 가열기(dryer)나 조습기를 통해 종이의 습기를 제거하고 가열, 건조시켜 골이 성형된 골심지와 라이너가 잘 접착될 수 있도록 한다. 골심지(core paper)에 대한 가열(pre heating)과 스티밍(steaming)이 끝나면 본 발명에서 다루고자 하는 상단 파형 골 롤(upper corrugating roll)과 하단 파형 골 롤(lower corrugating roll)을 지나면서 골이 만들어진다. 골이 성형된 골심의 골 정상부에 전분 접착제(glue)가 도포되고, 압력 롤(press roll)의 압력과 열에 의해 이면 라이너와 접착되고 이로써 편면 골판지가 완성된다. 편면 골판지는 이후 예열, 접착된 뒤 더블 페이서로 이송되고 다시 가열, 냉각의 과정의 거쳐 양면 골판지로 만들어지게 된다. 싱글 페이서가 골심지를 파도 모양으로 성형하고 그 골 꼭대기에 접착제를 도포한 뒤 바로 라이너와 접착시켜 「편면 골판지」로 제조하는 부분이 골판지의 기본적인 품질을 형성하는 매우 중요한 부분이며, 코러게이터의 중추기구를 이루고 있다고 해도 과언이 아니다.

일반적으로 종래의 싱글 페이서에는 파형 골 롤이 상, 하 세트로 고정 장착되어 있었으나 골 롤의 마모가 심하고 코팅부가 빨리 벗겨지는 단점이 있어, 최근에는 골 롤을 빨리 교환할 수 있는 카세트 시스템으로 바뀌고 있다. 카세트 머신(cassette machine) 골 롤들은 제거가 가능한 카세트가 여러 개 조립장치에 설치되어 신속하게 기존 골 롤의 제거 및 새 골 롤의 교체, 그리고 구동의 단계가 이어지게 한다. 예비 롤은 독킹 구역(docking area)에서 증기로 미리 가열되어 공급되는데 우수한 품질의 골판지를 위한 이 공정은 아직 필수적이다. 새로운 골 롤이 교체된 뒤, 이전 골 롤의 운전속도에 도달하기 위해 기계가 정지되어야 하는 시간(run-to-run time)은 평균 15분에서 20분이 걸린다. 그러나 그러한 교체시간에도 불구하고 이 카세트 장치는 운전자가 카세트를 가지고 있는 숫자만큼 골판지를 생산할 수 있기 때문에 많이 선호되고 있다.

또 다른 카세트 시스템으로는 이중 골 싱글 페이서가 있는데, 이 시스템은 두 개의 완전한 골 롤 세트를 코러게이터 내부에 장착하고 있는 싱글 페이서이다. 이 시스템은 앞의 운전자가 골 롤을 교체해주는 시스템이 아니라 일반적으로 버튼을 사용하여 교체 작업을 수행함으로써 작업효율을 현저히 높여준다.이 장치는 카세트 장치보다 마모나 찢어지는 경향이 적으며 교체시간도 5분 이내로 단축되었는데 이는 교체 이전에 미리 공회전 상태로 골 롤을 가열시켜 놓기 때문이다.

이 외에도 마모가 잘 되는 골 롤의 교체시간을 줄여 작업 효율을 높이려는 노력으로 조합 다중 골 싱글 페이서(combination multi-flute single facer)나 세 개의 골 롤 세트를 장착하여 교환시키는 MRF-Evolution 장치 등이 개발되어 있다.

싱글 페이서는 두 개의 종이를 사용하는데 하나는 라이너이고 하나는 골심지이다. 골을 성형하는 과정과 라이너에 접착하는 과정이 이루어지는데 이를 위해서 싱글 페이서에는 일반적으로 다섯 개의 롤이 구성된다.

먼저 본 발명에서 다루고자 하는 파형 골 롤(corrugating roll)이 두 개 있다. 상단 골 롤과 하단 골 롤로 구성되어 있으며 골심지가 이 두 롤을 통과하여 지나가면서 압력과 열에 의해 골이 만들어진다.

세번째 롤은 가열 압력 롤(press roll)이다. 이 롤은 예비 가열기(dryer)와 같은 역할을 하여 페이서(facer)나 라이너에 압력을 가하여 골 꼭대기에 접착선을 형성한다.

네번째 롤은 접착제 적용 롤(glue application roll)이다. 이 롤은 골 꼭대기에 접착제의 흐름을 전이시켜 주는 역할을 한다.

마지막으로 닥터 롤(doctor roll)이 있는데 이 롤은 접착제 적용 롤로부터 접착제의 과도한 양을 닦아주고 롤 위에 일정한 양 이상의 필름 잔여량을 제거해 준다.

이 다섯 개의 롤들은 골심지가 균일하고 연속적으로 설계된 형태대로 성형되도록 증기를 이용해 180℃의 표면 온도까지 가열한다. 그리고 성형된 골심지는 속도가 높아지고 울리는 경향을 피하도록 위쪽 골 롤에 단단히 고정시켜 접착제 적용 롤이 진공력이나 공기압을 가한다.

이 다섯 개의 롤 가운데 골판지의 품질을 결정하는 가장 중요한 롤은 본 발명이 이루고자 하는 파형 골 롤(corrugating roll)이다. 골심지(core paper)가 상단 골 롤(upper corrugating roll)을 지나 하단 골 롤(lower corrugating roll)로 들어가는 순간 상단과 하단으로 나뉘어진 골 롤의 파형 부분이 서로 만나 맞물려 맞물림(nip)을 형성하게 되는데, 이 때 골 롤의 파형이 주는 압력에 의해 골심지는 골이 만들어진다. 그리고 하단 부분의 골 롤 한쪽에서는 접착액이 접착적용 롤(glue application roll)로부터 묻혀지고 또 다른 한쪽에서는 압력 롤(press roll)을 통해 라이너 원지가 올라와 파형(wave)이 만들어진 골심지(core paper)와 접착이 되면서 편면 골판지가 만들어지기 때문이다. 골이 찌그러지거나 끄트머리 부분이 정상적인 상태로 나오지 않는 등의 불량품 골판지가 만들어지는 원인은 근본적으로 닥터 롤 장치와 골 롤의 마모에 기인하게 되는데, 이는 골 롤이 과중한 종이와의 마찰로 인해 쉽게 박피 현상과 마모 현상이 일어나 제 기능을 수행하지 못하기 때문이다.

한 쌍의 골 롤의 홈 사이에서 맞물림 닙(nip)이 실제의 인벌루트(involute)가 아닌 두 롤이 압착될 때 롤의 공동 회전운동을 통해 발생하기 때문에 이 때 어느 정도의 와이핑이나 미끄러짐 운동을 포함한다. 그리고 이러한 미끄러짐 운동은 결국 마모로 인한 롤 재료의 손실에 상당한 영향을 미치게 되고 홈 팁(tip)과 골들에 따른 롤 재료의 손실이 불량제품을 생산하는 정도까지 진행되면 골 롤은 교체하여야만 한다. 그러나 사실 전체 골 롤 가운데 마모가 되어 손상되는 재료의 양은 면적이나 질량면에서 아주 적은 부분을 차지한다.

이러한 가운데 상당한 특허들이 골 롤의 문제점을 해결하기 위한 다양한 방법들을 제시하고 있다.

유럽특허 제0696648호 에서는 골 롤과 롤의 이빨(tooth) 부분에 이온 질화열처리나 탄질화처리를 한 뒤, 퀸칭과 템퍼링으로 골 롤의 표면을 강화시키는 기술을 선 보이고 있다. 그러나 이 방법은 표면 경화층이 인성이 적어 고속으로 작동하는 중에 롤의 골과 골이 마주치면서 균열이 발생하는 문제가 있다.

한국특허공개 제1995-000378호는 튜브 몸체를 수용하는 롤러장치로 구성되는데, 튜브 몸체는 경성인 폴리우레탄 내층과 변형 가능한 폴리우레탄 외층으로 구성되어 있다. 또한 나선형 실이 감긴 구조가 내층을 감싸고 있는데 내층과 외층의 쇼어 경도는 25 내지 50, 35 내지 45, 40 내지 90인 롤러로 이루어진다. 이 방법은 폴리우레탄 층이 탄성변형하면서 골판지에 고르게 압력을 가하지 못하게 되어 골판지 두께와 품질이 불균일한 문제를 발생시칸다.

미국특허 제4154565호 에서는 롤의 플룻(Flute) 부분에 레이저 빔이나 일렉트론 빔과 같이 높은 전자기(Electro Magnetic) 에너지를 가함으로써 고온으로 급속가열하고 급냉함으로써 고경도층을 얻는 기술을 선 보이고 있다. 미국특허 제 5160556호와 미국특허 제 5180448호 역시 레이저 빔을 사용하여 롤의 플룻 부분을 열처리하는 특허인데 미국특허 제 5160556호는U자형 레이저 빔을 사용하는 것이 특징이다. 이런 공정은 표면층을 깊게 가열하지 못하고 고에너지를 얇은 층에 집적함으로써 마르텐사이트 변태에 의해 강화하는 방법인데, 경화층의 깊이가 0.5mm 이하로 낮고 기지층과 경도차이가 커서 사용 중에 박리나 균열이 발생하는 것이 문제를 야기시킨다.

미국특허 제 5582874호는 고속 산소 건(gun)을 사용하여 스프레이 코팅(spray coating)하는 기술을 보여주는데 이 때 코팅 재료로 사용되는 것으로는WC-Co 또는 하드 카바이드, 산화카바이드를 사용한다.

일본특허 제11034190호 에서도 내부 안쪽면은 니켈 스프레이로 처리하고, 바깥쪽은 크롬 스프레이, 그리고 중간층은 WC-Ni-Cr 스프레이 코팅하는 골 롤에 대한 발명을 보여주고 있다.

그러나, 이같이 탄화물 초경재료를 코팅한 골 롤들은 코팅부의 경도와 기지 조직의 경도 차이가 커서 표면층이 박리되거나, 인성이 적어 종이와의 과도한 마찰에서 쉽게 마모가 되고 고속 작동 중 경화층에 균열이 생기는 문제가 있다.

위에 열거한 특징적인 방법 외에도 코러게이터의 제조사들은 골 롤의 홈 부분에 대한 내마모성을 강화시키기 위하여, 롤 표면에 크롬, 서멧, 다이아몬드상이나 TiC 등의 박막, Ni-P도금 등 재료를 사용하여 얇은 층으로 경질 페이스나 도금층을 형성하여 표준적으로 사용하고 있다.

이러한 경질 표면 코팅은 마모 속도를 더디게 함으로써 롤의 수명을 연장시켜 주는 역할을 한다. 그러나 이러한 방법은 가격이 비쌀 뿐더러 고른 코팅층을 얻지 못하여 좋은 마무리를 내기 어려운 단점을 안고 있다. 또한 코팅부가 쉽게 조각나거나 부서져 골 롤을 자주 교환시켜주어야 하는 코러게이터의 고질적인 문제점을 안고 있었다. 골 롤의 교체 시기에 따라 골판지의 불량률이 높아지고, 교환하는 동안 작업생산의 효율이 떨어지기 때문에 골 롤의 수명연장을 위한 요구는 끊임 없이 요청되고 있는 사항이다.

그 중에서 보편적으로 사용되고 있던 크롬 도금의 골 롤은 최근 미국과 유럽을 중심으로 환경 문제를 일으킨다는 판단 하에 점점 사용 하지 못하도록 하는 규제가 강화되었으며, 이로 인해 한국에서도 마찬가지 이유로 규제 방안이 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 크롬 도금을 사용한 골 롤의 사용이 힘들어지면서 대체 개발품에 주력하게 되었는데, 이를 극복하기 위해 WC계 탄화물을 용사 코팅하여 사용하려는 움직임이 많아지고, 이에 따른 기술개발과 특허출원도 이어지게 되었다. 따라서 최근에는 S43C나 SCM440을 기본 소재로 하여 HV 1500을 가지는 WC-Co 열 스프레이 코팅 방법이 등장하여 많이 사용되고 있다. 이 방법은 기존의 크롬 도금한 골 롤의 원천적인 문제점들을 다소 완화시켜 주거나 개선시켜 주어 대체 개발품으로 큰 각광을 받고 있다. 그러나 WC함량이 높은 경우에는 코팅 후 가공이 곤란하기 때문에 얇게 코팅하여 적용하게 되는데, 소재와 경도의 차이가 커서 고속으로 사용하면 균열이 생기는 문제가 발생한다. 특히 WC계 용사코팅 방법은 WC에 Co, Ni, Cr 등의 조성 성분뿐만 아니라, 분말의 제조품질이나 용사 코팅하는 공정의 변수에 따라서도 품질에 많은 차이점을 보여준다. 또한 골 롤 자체적인 문제에 있어서 싱글 페이서에서 사용되는 다른 압력 롤이나 접착용 롤처럼 일반적인 원통형의 둥근 롤이 아니라 롤 표면에 골(flute)이 형성되어 있어, 용사 코팅시 고융점의 초경입자가 80% 이상으로 많이 함유되기 때문에 골 형상에 따라 코팅 두께에 차이를 보이게 되어 고르지 못한 품질을 보여주고 있다. 더욱이 코팅층을 연마하기 위해서는 고가의 다이아몬드 공구로 오랜 시간 연마해야 하는 문제점이 있으며, 또한 연마 후에도 조도나 연마 품질이 거칠어지는 단점을 보여주고 있다.

특히 한국에서는 재활용 종이를 많이 사용하여 골판지를 만들기 때문에 외국에 비해 종이의 회분양이 과다하게 발생한다. 따라서 외국 업체의 골 롤 교체시기와 비교할 때, 골 롤을 3분의 1 정도로 빨리 교체하여 전체적인 골 롤의 수명이 단축되므로 골 롤의 인성과 내마모성 향상에 대한 요구가 절실히 요청되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 내식성과 인성, 내마모성이 우수한 비정질 재료의 장점을 적용한 골 롤을 제공함으로써, 종이에 골을 형성하게 될 때에 품질이 뛰어난 골판지가 생산되도록 하는데 발명의 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 골 롤이 쉽게 마모되거나 코팅부가 쉽게 벗겨져 자주 갈아주어야 하는 불편함을 해소하고 골 롤의 기본적인 수명(life)을 연장시켜 줌으로써 코러게이터의 작업 효율을 높이도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기존 코러게이터 골 롤보다 내마모성과 내식성 그리고 내구성이 월등히 향상되는 골 롤에 있어서,

골 롤의 표면에 중량%로 Cr 40.0~50.0%, B 2.5~6.5%, Si 0.5~5.0%로 구성되고, C 0.0~0.5% 와 Cu, Mn, Ni, Mo, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W0.0~5.0% 단독 또는 복합 첨가하고, 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성된 비정질상을 코팅하여 내마모성과 내식성 및 내구성이 우수한 코러게이터용 골 롤을 제공한다.

본 발명의 골 롤 표면에 비정질상을 구성하는 각각의 조성성분을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

중량%로 Cr 40.0~50.0%, B 2.5~6.5%, Si 0.5~5.0%로 구성되고, C 0.0~0.5% 와 Cu, Mn, Ni, Mo, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W0.0~5.0%로 단독 또는 복합 첨가하고, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성된 비정질상을 골 롤의 표면에 코팅하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에서는 회분이 많은 종이재료나 금속재료를 이용한 골판지를 제조할 때 마모에 대한 저항성이 향상되도록 하기 위하여 비정질상에 WC, Cr₃C₂(Cr₇C₃, Cr₂₃C₆포함)와 같은 크롬탄화물, TiC, TaC와 같은 탄화물 입자를 0~70% 단독 또는 복합 첨가하여 용사함으로써 비정질상과 탄화물 혼합상을 형성하여 용사층을 형성하는 것도 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 비정질층 또는 비정질상과 탄화물상이 혼합된 용사층을 골 롤의 표면에 0.05-1.5mm의 두께로 형성한다.

본 발명에서 Cr은 내식성과 내마모성을 향상시키기 위한 중요한 원소이며, Fe와 금속간화합물에 해당하는 상을 이루어 급냉 중에 비정질상 형성이 용이하도록 한다. 40.0% 미만에서는 γFe상이 나타날 수 있고 기지강화효과가 부족하며, 50.0%를 초과하면 잉여 Cr이 분리되어 비정질상 형성을 방해할 수 있어 제한한다. 바람직하기로는 43.0~46.0%로 조성하는 것이 비정질상을 얻기가 용이하다.

B 은 본 발명에서 가장 중요한 비정질상 형성 원소이다. Fe 및 Cr과 쉽게 결합하여 금속간화합물을 형성하는 원소로서 비정질상을 형성하기 위한 요건을 잘 갖춘 원소이다. B이 함유된 Fe-Cr합금을 응고 중에 급냉하면 금속간화합물을 형성하지 못하고 비정질상으로 변태하게 된다. 그러나 2.5% 미만에서는 γFe나 αFe가 나타나면서 비정질상 형성을 방해할 수 있으므로 제한한다. 그리고 6.5%를 초과하면 잉여의 B이 취약한 금속간화합물을 형성하게 되므로 제한한다. 바람직하기로는 5.6~6.2%로 조성하는 것이 비정질상 형성이 용이하다.

Si은 기지의 고용 강화와 코팅 중에 발생하는 산소와의 접촉에서 고온산화를 억제하며 기지 조직을 강화할 뿐 아니라 B과 다른 원소들의 고용도를 높이는 효과를 위해 첨가한다. 0.5% 미만에서는 효과가 없고, 5% 이상에서는 취약한 ε상이나 η상이 나타날 수 있어 억제한다. 바람직하기로는 1.75~2.25%로 조성하는 것이 비정질상 형성이 용이하면서 기지를 강화하고 산화를 억제하는 효과가 있다.

C는 기지 조직을 강화하고 B, Cr등과 복탄화물을 만들어 내마모성을 향상시키는 효과가 있어 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나 0.5% 이상에서는 코팅 후 냉각 중에 균열을 유발할 수 있으므로 억제한다.

Cu는 융점을 낮추고 용사 중에 용액이 피처리물과 결합이 잘 되도록 도와주며, Mn, Ni, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W은 B나 C와 결합하여 탄붕화물을 형성함으로써 기지 조직을 강화하고, 스폴링(spalling), 피팅(pitting), 치핑(chipping)과 같은 피로마모에 대한 저항성이 높아지는 효과로 필요시 5.0% 이하로 첨가한다. 이를 초과하면 고용한도를 넘어 비정질상 형성을 해치는 효과가 있어 제한한다.

그리고 상기 비정질층 또는 비정질상과 탄화물상이 혼합된 용사층이 1.5mm를초과하여 지나치게 두꺼우면 재료의 손실 뿐만 아니라 기공율이 증가하여 층의 내구성이 저하하는 문제가 생기고, 0.05mm 미만으로 얇으면 표면에서 압력을 충분히 견디지 못하여 박리되거나 균열이 생기는 문제가 있어 제한한다.

이하 본 발명의 조성에 의한 코러게이팅 골 롤 제조방법에 대한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

(a) 통상적으로 롤을 만드는 저합금강을 사용하여 골 롤을 형성한 후 퀸칭(quenching, 소입) 열처리와 템퍼링(tempering, 소둔) 열처리를 행한다.

(b) 상기 템퍼링 후에는 필요에 따라 육성물을 골 롤의 표면에 육성 용접하여 표면층 직하에서 압력을 감당할 강화층을 형성한 뒤 골을 가공하여 시효 경화 열처리한다. 그러나 경우에 따라서는 이 공정을 생략하고 바로 골 롤을 만들어 표면 코팅하는 다음 단계로 넘어갈 수도 있다.

육성 용접 방법은 서브머지드(submerged) 방법을 사용한다. 이 때 육성 용접시 사용하는 재료는 시중에 판매되는 철계, 니켈계, 코발트계 합금들을 사용하며, 본 발명에서는 Cr 15% 이하, C 0.02-1.0%, Si 0.50-1.0%, Mn 1.0-1.5%, Ni 1.0-1.5% 및 나머지는 Fe와 불가피한 불순물 등의 범위로 각각 함유된 재료를 이용하여 육성 용접한 뒤 시효 경화 열처리 후 연마하여 7mm 정도의 육성층을 만든다. 이 때 육성층의 경도는 약 HRC 48-51이었다. 또 플럭스(Flux) 성분으로는 마그네사이트(Magnesite) 30%, Al₂O₃-보크사이트(Bauxite) 20%, 미네랄 실리케이트(Mineralsilicate) 15%, Fe 15%, 기타 결합용 실리케이트 10%, 불가피한 특수원소 10% 등의 범위로 함유된 재료를 사용한다. 육성 가공된 층은 재료에 따라 HRC 40-60의 고경도와 인성을 갖추게 된다.

(c) 육성 용접이 완료되면 골 롤을 만들고 용사코팅을 행한다. 골 롤을 만들기 위해서는 육성층에 다이아몬드, 세라믹팁 또는 CBN(Cubic Boron Nitride) 코팅 초경공구 등으로 골을 가공한다. 용사코팅의 용재는 상기와 같이 중량%로 Cr 40.0~50.0%, B 2.5~6.5%, Si 0.5~5.0%로 구성되고, C 0.0~0.5% 와 Cu, Mn, Ni, Mo, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W의 조성물을 0.0~5.0%로 단독 또는 복합 첨가하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성된다.

또한 본 발명에서는 용사재료에 WC, Cr₃C₂(Cr₇C₃, Cr₂₃C₆포함)와 같은 크롬탄화물, TiC, TaC와 같은 탄화물 입자를 0~70% 단독 또는 복합 첨가하여 용사함으로써 비정질상과 탄화물 혼합상을 형성하여 실시할 수도 있다.

용사 코팅 방법은 주로 HVOF (High Velocity Oxygen-Fuel) 시스템을 사용한다.

또 다른 용사 코팅 방법으로는 전기 아크 용사법을 사용할 수 있는데 직류전원에서 공급된 전기가 2개의 선 또는 봉에 양극과 음극으로 연결되고 이 2개의 선 또는 봉의 접촉으로 발생한 전기 아크에 의해 재료를 용융시키는 방법이다. 이 때 아크의 온도는 약 4,000℃ 이상으로 올라가며, 전기 아크에 의해 선재의 끝이 녹으면 압축 공기나 불활성 가스에 의해 모재에 분사하게 되며, 두 개의 다른 선재를사용하여 합금코팅을 얻을 수 있는 것이 이 용사방법의 특징이다. 이 방법은 작업온도가 높고 산화 정도가 적기 때문에 와이어 용사에 비해 코팅 품질이 훨씬 우수하다.

HVOF 기법으로 용사하는 경우, 1개의 건으로 하면 모재의 코팅 부위에 피막층에 대한 균질력이 떨어지는 경향이 있을 수 있으며, 경우에 따라 2개의 건으로 서로 다른 각도에서 용사를 하거나 또는 하나의 건으로 용사한 뒤 다시 두 개의 건으로 각도를 달리하며 용사하는 등 다양한 방법으로 용사를 행할 수 있다.

(d) 마지막 단계로 골이 형성되고 코팅 용사를 마친 코팅층을 다이아몬드, 세라믹팁 또는 CBN(Cubic Boron Nitride) 코팅 초경공구 등으로 연마를 하여 최종적으로 두께를 0.05-1.5mm 로 형성하면 골 롤이 완성된다.

기존의 크롬도금 대체 코팅으로 사용되는 WC계 용사를 할 경우에는, 마지막 연마에서 과다한 양의 다이아몬드저석이 소모되어 연마 비용이 비싸지고 연마품질이 떨어지는 단점이 있다.

그러나 본 발명의 비정질 코팅에서는 코팅층의 품질이 우수하여 연마가 잘 되기 때문에 소량의 연마저석으로도 충분한 품질을 얻을 수 있으며 비정질층의 내식성과 내마모성이 우수하여 WC계 코팅의 대체효과가 아주 뛰어나다.

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 실시예가 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

(a) 350mm의 직경과 1800mm 길이의 KS SCM440 소재의 외측을 원통 가공한 후 퀸칭 열처리(850℃ 가열후 유냉)를 한 다음 템퍼링은 650℃에서 7시간 행하였다. 이 때 승온속도는 시간당 50℃로 하고 냉각속도는 시간당 30℃로 하였다.

(b) 열처리를 완료한 재료에 철계 합금 육성용접을 행하였다. 본 실시예에서는 Cr 15% 이하, C 0.2-0.25%, Si 0.50-1.0%, Mn 1.0-1.5%, Ni 1.0-1.5% 및 나머지는 Fe와 불가피한 불순물 등의 범위로 각각 함유된 재료를 육성 용접한 뒤 가공하여 약 7mm 정도의 육성층을 만들고 시효 경화 열처리를 행하였다. 이 때 육성층의 경도는 약 HRC 45이었다. 또 플럭스(Flux) 성분으로는 마그네사이트(Magnesite) 30%, Al₂O₃-보크사이트(Bauxite) 20%, 미네랄 실리케이트(Mineral silicate) 15%, Fe 15%, 기타 결합용 실리케이트 10%, 불가피한 특수원소 10% 등의 범위로 함유된 재료를 사용한다.

(c) 육성강화층을 세라믹 팁으로 셰이빙 가공하여 골을 만들고 Cr 46.0%, B 5.9%, Si 1.8%, C 0.12%, Cu 2.1%, Mn 0.8%, Ni 0.5%, Mo 0.5% 나머지는 철로 구성된 조성물을 용사코팅하였다.

용사 코팅 방법은 DJ (Diamond Jet) HVOF 시스템을 사용하였는데, 이 방법은 1차 가스로 산소를 사용하며, 2차 가스로 프로필렌, 수소 또는 프로판을 사용하였다. 이 때 화염의 온도는 3,100?이며 용융입자의 비산속도는 2,100m/sec의 고속으로 분사하여 기공율이 5% 이하이고 경도가 HV 1,200인 경화층을 1.1mm 두께로 얻었다.

그 결과 코팅층의 품질이 우수하여 연마가 잘 되었기 때문에 소량의 연마저석으로도 충분한 품질을 얻을 수 있었으며, 비정질층의 내식성과 내마모성이 우수하였다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 357mm의 직경과 1800mm 길이의 KS SCM440 소재의 외측을 골 롤을 제조하되, 상기 템퍼링 열처리 후에 골을 가공한 뒤, 표면에 전기 아크 용사법으로 용사코팅을 시행하였다.

코팅 용사를 마친 후 최종적으로 비정질층이 약 1mm 두께인 골 롤을 완성하였다.

불활성 가스로는 아르곤가스를 사용하였고, 연마 후 경도가 HV 1,300인 경화층을 0.9mm 두께로 얻었다.

실시예 3

상기 실시예 1과 동일한 HVOF 방법으로 골 롤을 제조하되, 상기 용사 코팅의 용사 재료에 WC 30%, 크롬탄화물 15%를 혼합하여 첨가한 분말을 용사하였다. 연마한 후에는 다이아몬드 공구를 이용하여 연마하였으며 경화층 두께는 약 0.9mm 였다.

그 결과 회분이 많은 종이재료나 금속재료를 이용한 골판지를 제조할 때 마모에 대한 저항성이 향상되는 효과가 있었다.

상기와 같이 본 발명은 기존 코러게이터의 골 롤보다 내마모성과 내식성 그리고 내구성이 월등히 향상되므로 기존의 크롬도금 골 롤이나 WC코팅 골 롤을 대체할 수 있는 우수한 골 롤이다. 따라서 코팅부가 쉽게 벗겨지지 아니하고 강인한 코팅부를 유지함으로써 골 롤의 수명이 증대되어 교체시기를 늘임으로써 코러게이터의 수명도 함께 길어지며, 골판지의 품질도 현저히 향상되는 발명인 것이다. 본 발명의 재료로 코팅한 롤은 알루미나 공구로도 연마가 가능하며, 다이아몬드 공구로 연마할 경우에는 연마시간이 40% 이상 단축되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 판상의 재료에 골을 형성하는 골 롤에 있어서,

   상기 골 롤의 표면에 중량%로 Cr 40.0~50.0%, B 2.5~6.5%, Si 0.5~5.0%로 구성되고, C 0.0~0.5% 와 Cu, Mn, Ni, Mo, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W의 조성물을 0.0~5.0%로 단독 또는 복합 첨가하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성된 용사물을 용사코팅하여 비정질상 표면층이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 코러게이터용 골 롤.
2. 제1항에 있어서, 상기 용사물에 WC,크롬탄화물, TiC, TaC와 같은 경질 탄화물입자를 중량비로 0~70% 단독 또는 복합 첨가하여 용사함으로써 비정질상과 탄화물 혼합상을 형성한 층을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 코러게이터용 골 롤.
3. 제1항과 제2항에 있어서, 상기 용사층의 두께가 0.05~1.5mm 인 것을 특징으로 하는 코러게이터용 골 롤.
4. 통상의 강으로 형성된 골 롤을 퀸칭 후 템퍼링 하는 단계와;

   상기 골 롤을 열처리한 후 그 표면에 비정질상인 용사물을 용사코팅하여 비정질상 표면층이 형성되도록 하는 단계와;

   상기 용사 코팅층을 연마하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 코러게이터용 골 롤의 제조방법.
5. 통상의 강으로 형성된 골 롤을 퀸칭 후 템퍼링 하는 단계와;

   상기 열처리된 골롤의 표면에 육성물을 육성 용접한 뒤 경화하는 단계와;

   상기 육성물이 용접된 골 롤을 골 가공한 뒤 그 표면에 비정질상인 용사물을 용사코팅하여 비정질상 표면층이 형성되도록 하는 단계와;

   상기 용사 코팅층을 연마하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 코러게이터용 골 롤의 제조방법.