KR20050065210A - 내마모성이 우수한 냉연 롤 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제철소의 냉연공장에서 강판을 이송하기 위하여 설치되는 냉연 롤에 관한 것으로, 용사코팅 후 재용융 처리를 함으로써 내마모성을 강화시킨 냉연 롤의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법은, 소정의 횡단면 직경을 갖는 롤을 준비하는 단계와; 상기 롤에 B 3∼5중량％, Si 3∼5중량％, C 0.3∼0.7중량％, Cr 14∼17중량％, 그리고 나머지는 Ni로 구성되는 NiCrBSiC 합금에 10∼30중량％의 WC-12％Co가 혼합된 복합재료 분말로 용사코팅 하는 단계; 및 상기 코팅된 롤의 코팅층을 1250℃ 이하에서 적어도 2회 재용융 처리하는 단계를 포함한다.

Description

내마모성이 우수한 냉연 롤 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF WEAR RESISTANT PROCESS ROLL IN COLD ROLLING PLANT}

본 발명은 제철소의 냉연공장에서 강판을 이송하기 위하여 설치되는 냉연 롤에 관한 것으로, 용사코팅 후 재용융 처리를 함으로써 내마모성을 강화시킨 냉연 롤의 제조방법에 관한 것이다.

제철소의 냉연공장에 설치되는 냉연 롤들은 오랜 기간 (수주, 수개월 혹은 수년간) 사용 시 강판과의 접촉에 의한 마모 현상이 발생되어 일정기간 지나면 롤을 교체하게 되므로, 경제성과 생산성, 그리고 내마모성을 고려하여 롤의 소재를 결정하게 된다. 특히, 강판을 산세하기 전의 소위 텐션 레블링 (tension levelling) 라인에서는 산세를 용이하게 하기 위하여 강판의 스케일(scale)을 제거하거나 스케일에 균열을 발생시켜 산세용액이 용이하게 강판 표면에 도달하도록 한다. 따라서 이러한 라인에 설치되는 롤은, 스케일 브레이커 (scale breaker) 롤이라고 불리는데, 높은 하중에 의한 강판 꺽임을 통하여 강판 스케일에 균열을 발생시키므로 강판 스케일과 높은 하중에 의한 마모 현상이 다른 냉연 공장 라인보다 더욱 심하게 된다.

이러한 롤들은 하중에 견디는 내마모성을 부여하기 위하여 통상적으로 베어링강에 표면 고주파 경화를 시켜 사용된다. 그러나 표면 고주파 경화 시는 표면에서 내부로 진행할수록 경도가 낮아지므로 마모가 진행되어 표면이 마모되면 경도가 낮은 부위가 접촉되어 마모속도는 가속된다. 또한 강판 이송 시 강판 끝 부위에 하중이 집중되므로 강판 끝 부위에서 편마모 현상이 나타나게 된다. 따라서 스케일 브레이커 롤의 경우는 냉연공장의 사용조건에 따라 다소간의 차이를 보이겠지만, 통상적으로 1∼2 주간 사용하게 되면 1∼3 ㎜ 정도의 편마모 현상이 발생하여 롤을 교체해야만 한다.

이러한 현상을 완화시켜 롤의 수명 증대를 위한 여러 시도가 제안되었는데, 그 중 내마모성이 우수한 WC-12％Co 소재를 용사코팅으로 코팅하는 방법이 있다. WC-12％Co 분말을 이용하여 코팅의 내마모성과 모재와의 접착력 증대를 위하여 고속용사 코팅방법으로 약 0.2∼0.3㎜ 두께로 코팅하는 방법이다. 그러나 이 용사코팅 방법은 근본적으로 모재와 기계적 결합을 이루고 있으므로 코팅소재 자체의 내마모성은 매우 우수하나 사용 중 발생하는 국부적인 높은 하중으로 인하여 빈번한 박리현상을 초래한다.

또한 표면의 고주파 경화방법 대신에 더 우수한 내마모성을 보인다는 표면경화 열처리로서 질화 (nitriding) 혹은 연질화 (nitrocarburizing) 등을 시도하였으나, 이러한 표면 코팅은 코팅 두께가 0.01∼0.02㎜에 불과하므로 내마모성 증대에 의한 수명증대 효과는 미미하다.

롤 등의 내마모성 증대를 위한 방법으로 널리 사용되는 육성용접 방법은, 내마모성 증대 효과가 미미할 뿐만 아니라, 특히 구경이 작고 길이가 긴 롤이 사용되는 스케일 브레이커 롤의 경우는 육성 시 용탕이 흘러내리므로 작은 용량의 육성용접 방법을 사용할 수밖에 없다. 따라서 그로 인한 생산성 저하 및 변형 문제 등이 발생하여 방법 적용이 불가능하거나 적용하더라도 고비용의 문제를 해결하기 어렵다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 내마모성이 우수한 WC-Co 계통의 소재를 용사코팅 시 적용하고 용사코팅 후 재용융 처리를 함으로써 모재와 기계적 결합을 통한 박리현상을 방지할 수 있도록 한 냉연 롤 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 롤 내부에 소정 크기의 관통홀을 가공함으로써 코팅층의 높은 경도로 인하여 재용융 처리 시 발생하는 균열을 방지할 수 있도록 한 냉연 롤 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법은, 소정의 횡단면 직경을 갖는 롤을 준비하는 단계와; 상기 롤에 B 3∼5중량％, Si 3∼5중량％, C 0.3∼0.7중량％, Cr 14∼17중량％, 그리고 나머지는 Ni로 구성되는 NiCrBSiC 합금에 10∼30중량％의 WC-12％Co가 혼합된 복합재료 분말로 용사코팅 하는 단계; 및 상기 코팅된 롤의 코팅층을 1250℃ 이하에서 적어도 2회 재용융 처리하는 단계를 포함한다.

상기 WC-12％Co 분말의 형상은 구형이고, 직경은 45∼110㎛이며, WC의 직경은 0.5∼3㎛ 인 것을 특징으로 한다.

상기 용사코팅 단계는 화염 용사코팅 또는 플라즈마 용사코팅으로 수행되는 것이 바람직하며, 상기 재용용 처리단계는 코주파 코일을 이용하여 재용융하는 것이 바람직하다.

상기 롤은 축방향 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 롤에 형성되는 축방향 관통홀의 횡단면 직경(d)은, 롤의 횡단면 직경을 D(>50㎜)라고 할 때, 10∼(D-40)㎜ 의 범위에 속하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제철소 냉연공장에 설치되는 냉연 롤을 제조하기 위하여, 먼저 소정의 횡단면 직경을 갖는 롤을 준비한다. 상기 롤은 S45C와 같은 탄소강이나 SUJ2와 같은 베어링강으로 제작될 수 있다.

상기 롤에 니켈계 자용성합금(self-fusing alloy)을 코팅소재로 하여 용사코팅을 수행한다. 용사방법은 플라즈마 용사기법이나 고속용사 기법이 다 가능하지만, 화염용사 방법이 가장 바람직하다. 니켈(Ni)계 자용성합금은 용사코팅 후 재용융을 용이하게 하기 위한 것으로, 기본적으로 Ni에 B, Si, Cr, C가 첨가되는 NiCrBSiC 합금으로 이루어진다.

즉 Ni에 B 3∼5중량％, Si 3∼5중량％가 첨가되어 합금의 융점을 저하시켜 재용융을 용이하게 하고, 여기에 Cr 14~17중량％ 정도를 첨가하여 내부식성을 추가하며, 탄소를 소량 첨가하여 크롬 카바이드를 형성시킴으로써 내마모성을 향상시킨다. 이 때, 탄소량은 0.3∼0.7중량％ 로 제한하게 되는데, 탄소량 0.3중량％ 미만이면 카바이드 형성이 미미하고, 탄소량이 0.7중량％를 초과하면 저구경에 긴 롤의 재용융시 균열 발생이 빈번해진다.

롤의 내마모성을 보다 더 증대시키기 위하여 WC-12％Co 탄화물을 10∼30중량％ 첨가한다. 여기서 WC-12％Co 탄화물이 10중량％ 미만일 경우는 내마모성 향상 정도가 미미하고, 30중량％ 초과일 경우는 탄화물이 너무 많아져서 재용융 시 균일한 코팅이 잘 만들어지지 않고 균열 발생이 빈번해진다.

도 1은 니켈계 자용성 합금(NiCrBSiC)에 30중량％의 WC-12％Co 분말이 혼합된 모습을 확대하여 나타낸 사진이다. 도 1에서 표면이 매끈한 분말은 NiCrBSiC 합금 분말이고, 표면이 불규칙한 분말은 WC-12％Co 분말이다.

도 2는 도 1의 WC-12％Co 분말의 단면을 확대하여 나타낸 사진이다. 도 2에서 검은 부위는 Co이고, 밝은 부위는 WC 탄화물 입자이다.

WC-12％Co 탄화물의 분말 형상은 도 1에서 보는 바와 같이, 구형으로 이루어지고 그 크기는 직경이 45∼110㎛의 범위에 속하는 것이 바람직하다. 또한 도 2에서 보는 바와 같이, WC 탄화물 입자는 미세한 입자로 Co 금속에 균일하게 분포되어야 하는 바, 그 크기는 직경이 0.5∼3㎛로 이루어지는 것이 바람직하다. WC-12％Co 전체 분말과 그 안에 함유된 WC 입자의 크기를 상기와 같이 제한하는 이유는, 너무 작은 입자를 사용할 경우 용사코팅 시 화염온도가 높으면 WC 입자가 분해되면서 상변태를 일으켜 내마모성이 저하되고, 너무 큰 입자를 사용할 경우 입자 탈락에 의한 내마모성 저하가 예상되기 때문이다.

한편, 도 3을 참조하면, 재용융을 용이하게 할 수 있고 재용융 시 균열 발생이 저감되도록 롤(10)에는 축방향 관통홀(15)이 형성된다. 즉 관통홀(15)을 형성함으로써 열을 가해야 할 롤(10)의 두께가 그만큼 얇아지게 되므로 보다 적은 출력으로도 재용융 처리를 할 수 있고, 표면부가 늘어남에 따라 잔류응력의 영향에 의한 균열발생을 감소시킬 수 있다.

일례로, 횡단면 외경이 80㎜인 롤(10)의 경우 관통홀(15)을 10∼40㎜의 횡단면 직경을 갖도록 형성한다. 이 때, 관통홀(15) 직경이 10㎜ 미만일 경우 재용융 시 열전달 감소현상이 미미하고 응력 제거효과가 미미하며, 40㎜ 초과일 경우에는 롤(10)의 두께가 20㎜ 미만이 되므로 충분한 강도을 얻을 수 없다.

따라서 롤(10)의 횡단면 직경을 D라고 하면, D는 50㎜보다 클 필요가 있고, 관통홀(15)의 횡단면 직경(d)은 10∼(D-40)㎜의 범위에 속하도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉 다른예로 롤(10)의 횡단면 직경이 100㎜라고 하면, 관통홀(15)의 횡단면 직경은 10∼60㎜의 범위 내에 속하도록 형성될 수 있다.

상기 롤을 용사코팅한 다음, 코팅된 롤의 코팅층을 재용융 처리한다.

용사코팅 후 재용융 처리하는 방법은 열처리 노 (furnace)나 산소-아세틸렌 토치 등이 가능하나, 롤의 경우는 고주파 코일을 이용한 고주파 재용융이 바람직하다. 여기서 고주파 재용융은 적어도 2회 처리한다.

도 4는 재용융 처리 전 롤의 모재와 코팅층 간의 접경을 확대하여 나타낸 단면사진이고, 도 5는 고주파 재용융 1회 처리 후 단면사진이며, 도 6은 고주파 재용융 2회 처리 후 단면사진이다.

도 4를 참조하면, 재용융 처리 전 롤의 모재와 코팅층 간에는 기계적 결합상태를 보이고 있으며, 코팅층은 10∼20％의 기공을 포함하여 불균일한 조직을 보이고 있다.

도 5를 참조하면, 고주파 재용융 1회 처리 후에도 롤의 모재와 코팅층 간에는 완벽한 금속결합이 형성되지 못하여 현장세서 사용 시 순간적인 하중에 의하여 박리 가능성이 있다. 고주파 재용융 시 온도를 높이면 과하게 높은 재용융 온도에 의하여 코팅층의 용탕이 흘러내리거나 표면의 조도가 높아져서 가공을 많이 해야 하거나, 코팅층의 WC가 분해되어 내마모성이 감소한다. WC가 Co₃W₃C로 분해되기 위한 온도는 1200∼1430^oC 정도이다. 따라서 재용융 온도는 1250^oC 이하에서 수행될 필요가 있다. 그러나 1250^oC 이하의 고주파 재용융 1회 처리 시는 도 5와 같이 모재와 코팅층 간에 접경을 보이므로 사용 시 박리 가능성이 높다. 따라서 1250^oC 이하에서 고주파 재용융을 2회 처리하여 도 6에서 보는 바와 같이 롤의 모재와 코팅층 간에 완전한 금속결합을 형성시키면 사용 시 박리는 일어나지 않는다.

[실시예]

본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법을 제철소 냉연공장 롤 중 마모 현상이 가장 심하여 사용수명이 가장 짧은, 즉 가장 내마모성이 요구되는 스케일 브레이커 롤에 적용하였다. 롤의 횡단면 직경은 80㎜, 길이는 1500㎜로 하였으며, 소재는 S45C에 언더컷(undercut)을 편측으로 1.5㎜ 형성하여 횡단면 직경 77㎜의 롤을 준비하였다. 또한 횡단면 직경 30㎜의 관통홀을 형성하여 롤의 두께 25㎜가 되도록 하였다. 롤에 용사코팅 전 알루미나로 브레스팅 후 화염용사기를 이용하여 편측으로 2.5㎜ 두께로 코팅하여 횡단면 직경 82㎜의 롤을 제작하였다. 고주파 재용융 장치를 이용하여 재용융을 통하여 코팅층이 약 20％ 정도 수축하므로 재용융 후에는 약 81㎜의 횡단면 직경을 가지는 롤이 된다. 나머지 편측 0.5㎜는 연마를 하여 직경 80㎜의 롤을 완성하였다.

표 1은 냉연공장의 현장시험에 사용된 롤의 종류 및 결과를 나타내고 있다. 각 롤의 소재 및 처리방법의 차이는 표 1에 나타낸 바와 같으며, 사용기간과 마모량을 비교하여 나타내었다.

표 1에서 보는 바와 같이, 실시예들1, 2는 비교예들에 비하여 사용기간이 2달 내지 3달로 훨씬 길지만 오히려 마모량은 매우 미미한 것을 확인할 수 있다. 비교예 2와 3은 고가 및 소량 육성용접 기법으로 PTA로 롤을 표면 육성하여 제작된 롤인데, 내마모성 측면에서 실시예에 훨씬 미치지 못함을 알 수 있다.

한편, 30％ 초경(WC-12％Co)이 함유된 실시예 2의 경우 마모량이 실시예 1에 비하여 증가한 것을 볼 수 있다. 따라서 초경 함유량은 30％가 넘지 않도록 하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

구 분	설 명	사용기간(일수)	마모량(mm)	비 고
비교예 1	SUJ2 베어링강 모재에 표면 고주파경화 열처리	14	1.5
비교예 2	PTA 공법으로 Co계 합금 육성	40	1.25
비교예 3	PTA 공법으로 Co계 합금 육성	48	0.7
비교예 4	S45C 모재에 NiCrBSiC + 20％(WC-12％Co) 코팅	7	사용중 코팅층 박리	1회 고주파 재용융
비교예 5	S45C 모재에 NiCrBSiC + 20％(WC-12％Co) 코팅	19	사용중 코팅층 박리	1회 고주파 재용융
실시예 1	S45C 모재에 NiCrBSiC + 20％(WC-12％Co) 코팅	89	0.25	2회 고주파 재용융
실시예 2	S45C 모재에 NiCrBSiC + 30％(WC-12％Co) 코팅	63	0.35	2회 고주파 재용융

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법에 의하면, 니켈계 자용성합금에 WC-Co 초경을 사용하여 용사코팅함으로써 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 고주파 재용융 시 무균열의 냉연 롤을 제작할 수 있다.

또한 용사코팅 후 고주파 코일로 적어도 2회 재용융 처리함으로써 내마모성을 더욱 강화할 수 있고, 박리현상을 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법에서 사용되는 니켈계 자용성 합금(NiCrBSiC)에 30중량％의 WC-12％Co 분말이 혼합된 모습을 확대하여 나타낸 사진이다. 표면이 매끈한 분말은 NiCrBSiC 합금 분말이고, 표면이 불규칙한 분말은 WC-12％Co 분말이다.

도 2는 도 1의 WC-12％Co 분말의 단면을 확대하여 나타낸 사진이다. 검은 부위는 Co이고, 밝은 부위는 WC 탄화물 입자이다.

도 3은 본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법에서 사용되는 축방향 관통홀이 형성된 롤을 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법에서 재용융 처리 전 롤의 모재와 코팅층 간의 접경을 확대하여 나타낸 단면사진이다.

도 5는 본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법에서 고주파 재용융 1회 처리 후 롤의 모재와 코팅층 간의 접경을 확대하여 나타낸 단면사진이다.

도 6은 본 발명에 따른 냉연 롤 제조방법에서 고주파 재용융 2회 처리 후 롤의 모재와 코팅층 간의 접경을 확대하여 나타낸 단면사진이다.

Claims (7)

1. 제철소 냉연공장의 강판을 이송하는 냉연 롤(roll)을 제조하는 방법에 있어서,

   소정의 횡단면 직경을 갖는 롤을 준비하는 단계;

   상기 롤에 B 3∼5중량％, Si 3∼5중량％, C 0.3∼0.7중량％, Cr 14∼17중량％, 그리고 나머지는 Ni로 구성되는 NiCrBSiC 합금에 10∼30중량％의 WC-12％Co가 혼합된 복합재료 분말로 용사코팅 하는 단계; 및

   상기 코팅된 롤의 코팅층을 1250℃ 이하에서 적어도 2회 재용융 처리하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉연 롤 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 WC-12％Co 분말의 형상은 구형이고, 직경은 45∼110㎛인 것을 특징으로 하는 냉연 롤 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 WC의 직경은 0.5∼3㎛ 인 것을 특징으로 하는 냉연 롤 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 용사코팅 단계는 화염 용사코팅 또는 플라즈마 용사코팅으로 수행되는 것을 특징으로 하는 냉연 롤 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 재용용 처리단계는 코주파 코일을 이용하여 재용융하는 것을 특징으로 하는 냉연 롤 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 롤은 축방향 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉연 롤 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 롤에 형성되는 축방향 관통홀의 횡단면 직경(d)은, 롤의 횡단면 직경을 D(>50㎜)라고 할 때, 10∼(D-40)㎜ 의 범위에 속하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 냉연 롤 제조방법.