KR20140064953A

KR20140064953A - 열간 압연용 롤

Info

Publication number: KR20140064953A
Application number: KR1020147009616A
Authority: KR
Inventors: 멘데레스 카이한; 얀-에릭 칼손; 스티븐 휴윗
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-05-28
Also published as: JP6016927B2; UA111505C2; RU2014115715A; US9993858B2; EP2758559A1; US20150018185A1; JP2014531982A; BR112014006532A2; CN103814147A; KR101988685B1; MX367214B; MX2014003248A; CN108642401A; EP2758559B1; WO2013041559A1; EP2570508A1; RU2609115C2

Abstract

본 발명은 본체를 포함하는 열간-압연용 롤 (101) 에 관한 것이고, 상기 본체의 포위 표면 (104) 의 적어도 일부는 고속도강으로 제조되고 상기 고속도강은 그 화학적 조성을 참조하면 다음의 원소들로 이루어진다: 1-3 중량% 탄소 (C), 3-6 중량% 크롬 (Cr), 0-7 중량% 몰리브덴 (Mo), 0-15 중량% 텅스텐 (W), 3-14 중량% 바나듐 (V), 0-10 중량% 코발트 (Co), 0-3 중량% 니오븀 중량% (Nb), 0-0.5 중량% 질소 (N), 0.2-1 중량% 이트륨 (Y), 및 나머지 철 (Fe) 및 불가피한 불순물들.

Description

열간 압연용 롤{A ROLL FOR HOT ROLLING}

본 발명은 일반적으로 열간-압연용 롤들의 분야에 관한 것이다. 추가로, 본 발명은 특히 열간-압연용 작업 롤들의 분야에 관한 것이다.

금속의 열간 압연은 성형을 받는 금속의 재결정 온도 이상의 온도에서 실시하는 금속 성형 프로세스이다. 이는 압연이 상승된 온도들, 일반적으로 700 ℃ 이상의 온도들에서 수행된다는 것을 의미한다. 압연 작동 중에 그러한 고온은 열간-압연에서 사용되는 장비에 대해 기계적인 과제를 발생시킨다. 고온은 롤 재료의 경도 감소에 의해 문제점을 발생시키고, 따라서 롤의 고온 경도는 롤들의 보다 긴 수명을 가능하게 하는 데 몹시 중요하다.

고온에 더하여, 압연 순서는 롤들에 물을 가함으로써 압연된 금속을 냉각하는 것을 종종 포함하고, 이로써 많은 양의 스팀이 형성되게 한다. 상승된 온도들과 조합된 스팀은 사용된 압연 장비 및 특히 압연 장비의 작업 롤들의 심각한 산화를 발생시킨다. 따라서 압연 롤들을 위해 사용된 재료는 상기 온도들 및 분위기에서 양호한 마멸/마모 저항 뿐만 아니라 그 경도를 손상하지 않고 고온에 저항할 필요가 있다.

전통적으로, 열간 압연용 작업 롤들은 고크롬 니켈 주조 합금들로 제작된다. 오늘날 대부분의 경우들에서 열간-압연용 작업 롤들은 복합 롤들이다. 복합 롤은 열간 압연에 대해 충분한 고온-경도 및 충분한 마모 저항을 갖는 연성철 또는 강 및 슬리브와 같은 적절한 기계적 특성들을 갖는 코어를 포함한다.

롤의 외부층은 1980년대 초반에 고크롬 주철 및 Ni-경화 주철을 대신하는 Fe-C-Cr-W-Mo-V 을 함유하는 주조 합금들의 적용에서 절정 이후 빠르게 개발되어 왔다. 이러한 조성의 합금들은 총칭적으로 고속도강으로 칭해진다.

전통적인 고속도강은 모두 양호한 고온-경도 및 양호한 마모 저항을 나타낸다. 열간 압연 적용들을 위해 원하는 특성들을 추가로 개선하도록, 고속도강의 합금 구성은 소위 M2 강의 조성에 기초되고, 주 변화는 보다 높은 탄소 및 바나듐 함유량을 갖는다는 점이다. 그러한 고속도강의 일반적인 조성은 다음 범위들에 종종 포함된다: 1.5-2.5% C, 0-6% W, 0-6% Mo, 3-8% Cr, 및 4-10% V.

기본적으로, 압연기 플랜트 (rolling mill plant) 의 본질적인 목표는 목표값들에 가능한 가깝게 압연된 금속의 형상 프로파일 및 표면 인성을 유지하는 것이다. 이전 사용된 열간 롤 재료들과 비교하여 고속도강 롤들의 보다 양호한 성능은 2 차 석출된 카바이드들에 의해 경화된 기저 매트릭스 및 많은 양의 높은 경도와 미세 MC 공정 카바이드들과 같은 고속도강의 미세 구조 특성들과 관련된다.

열간-압연에서 롤 마모는 적어도: 마멸, 산화, 점착, 및 열적 피로를 포함하는 몇몇 표면 열화 현상들의 동시 발생 동작 (concurrent operation) 을 특징으로 하는 복잡한 프로세스이다. 열적 피로는 롤 표면에 근접한 매우 얇은 경계층의 주기적인 가열 및 냉각에 의해 전개되는 스트레스로 기인한다. 밀착 (adhesion) 은 롤 갭의 접착 존에 있어서 롤 금속 내의 작업 금속의 미세 용접 영역들로부터 기인한다. 본 기술 분야에서, 공정 카바이드들의 부피율의 증가는 밀착 거동에 유익한 영향을 준다는 것이 공지되어 있다.

열간 압연 중에 롤의 산화는 이러한 층들이 매끈하고 밀착하여 연속적인 한, 고체 윤활제 및 열적 장벽으로서 작용함으로써 열화로부터 롤을 보호하기 때문에 롤 재료의 마모 거동에 현저한 영향을 준다.

US6095957 에는 Fe-C-Mo-Nb-V 를 포함하는 외부층을 갖는 열간 압연용 롤이 개시되어 있다. 이 해결책에서는 외부층의 추가의 개선이 가능하다고 제시되어 있다.

US4941251 에는 세라믹의 외부층을 갖는 열간 압연용 롤이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 세라믹층은 취성이 있고 작업 롤의 원하는 최후 치수로 기계 가공하기에 어렵다.

본 발명은 앞선 공지된 열간 압연용 복합 롤들의 전술된 단점을 회피하고 또한 개선된 열간-압연용 롤을 제공하는 것이다. 본 발명의 주목적은 상승된 온도들, 예를 들면 700 ℃ 이상에서 개선된 마모 저항을 갖는 열간 압연용 롤을 위한 포위 표면을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 적어도 주 목적은 독립 청구항에서 규정된 특징들을 갖는 최초 규정된 열간-압연용 롤에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시형태들은 종속 청구항에 추가로 규정된다.

본 발명에 따르면, 본체를 포함하는 최초 규정된 타입의 열간-압연용 롤이 제공되고, 롤은 상기 본체의 포위 표면의 적어도 일첨가 고속도강으로 제조되고 상기 고속도강은 그 화학적 조성을 참조하면 다음의 원소들: 1-3 중량% 탄소 (C), 3-6 중량% 크롬 (Cr), 0-7 중량% 몰리브덴 (Mo), 0-15 중량% 텅스텐 (W), 3-14 중량% 바나듐 (V), 0-10 중량% 코발트 (Co), 0-3 중량% 니오븀 (Nb), 0-0.5 중량% 질소 (N), 0.2-1 중량% 이트륨 (Y), 및 나머지 철 (Fe) 및 불가피한 불순물들로 이루어지고, Mo+0.5W = 2-10 중량% 인 것을 특징으로 한다. 이는 상승된 온도들에서 우수한 마모 저항을 갖는 상기 본체의 포위 표면을 생성한다.

"일 실시형태" 또는 "실시형태" 에 대해 명세서 전체를 통한 참조는 실시형태와 연결되어 설명된 특별한 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 주제물의 적어도 하나의 실시형태에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체를 통해 다양한 곳에서 "일 실시형태에서" 또는 "실시형태에서" 의 문장의 기재는 반드시 동일한 실시형태를 칭하는 것은 아니다. 추가로, 특별한 특성들, 구조들 또는 특징들은 하나 이상의 실시형태들에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

실시형태에 따르면, 상기 슬리브는 상기 고속도강의 분말의 압밀 (consolidation) 로 제조되고, 상기 분말은 상승된 열 및 상승된 압력으로 압밀된다. 분말은 바람직하게 상기 분말 내에 상기 원소들을 포함하는 용융된 금속의 아르곤-미립자화에 의해 제작된다. 용융된 금속의 아르곤-미립자화를 사용함으로써 질화물의 양은 질소-미립자화를 사용하는 것에 비해 최소화되고 질소 가스의 사용은 질화물을 형성시킨다.

전술된 분말의 제공의 기술적 효과는 희토류 원소 이트륨이 분말에 고르게 분포된다는 것이다. 본 발명에 따른 고속도강이 주조 방법에 의해 생산된다면, 높은 반응성 원소 이트륨이 편석을 생성하고 고르게 분포되지 않는다. 고속도강 기저-매트릭스에서 이트륨의 고른 분포는 형성되는 산화물 스케일이 고속도강에 효과적으로 밀착되도록 한다. 첨가된 이트륨은 또한 산화물 스케일의 성장 동력학을 변경시켜 스케일이 포화 두께로 빠르게 성장한다; 산화물 스케일의 성장률은 이러한 포화 두께 이상으로 격렬하게 감소된다. 고속도강의 기저-매트릭스에서의 이트륨의 미세한 분산으로 인해 상승된 온도들에서 마모 저항에 대해 유익한 기술적 효과는 뜻밖에 양호하다. 이러한 기술적 효과는 본 기술 분야의 당업자가 분말 금속 가공 방법을 사용하여 이트륨의 첨가로부터 예상되는 것 이상이다.

본 발명에 따르면, 상기 고속도강의 탄소 (C) 함유량은 1-3 중량% 의 범위이다. 탄소의 양은 고속도강의 마모 저항에 대해 필수적인 카바이드들을 형성하는 데 충분해야만 한다. 바람직하게 탄소의 양은 충분한 경화성을 갖는 고속도강을 생산하는 데 충분해야만 한다. 3% 의 상한치는 최대 탄소 함유량을 규정한다; 상기 한도 이상에서는 보유된 오스테나이트가 형성될 수 있다. 실시형태에 따르면, 탄소 함유량은 1.1-1.4 중량% 의 범위이다.

본 발명에 따르면, 크롬 (Cr) 함유량은 3-6 중량% 의 범위이다. 이러한 구간은 필수적인 카바이드들의 형성 뿐만 아니라 양호한 경화성을 발생시킨다.

그러나, 너무 많은 크롬은 잔여 오스테나이트를 발생시키고 오버 템퍼링에 대한 위험을 증가시키므로, 6% 의 상한치는 초과해서는 안된다. 실시형태에 따르면, Cr 함유량은 4.0-5.0 중량% 의 범위이다.

본 발명에 따르면, 몰리브덴 (Mo) 함유량은 0-7 중량% 의 범위이다. 몰리브덴의 첨가는 고속도강의 고온 경도 및 마모 저항을 증가시키는 카바이드들의 석출에 의해 2 차 경화를 발생시킨다. 일 실시형태에 따르면, Mo 함유량은 4.5-5.5 중량% 의 범위이다.

본 발명에 따르면, 텅스텐 (W) 함유량은 0-15 중량% 의 범위이다. 텅스텐의 첨가는 고속도강의 고온 경도 및 마모 저항을 증가시키는 카바이드들의 석출에 의해 2 차 경화를 발생시킨다. 실시형태에 따르면, W 함유량은 6.0-7.0 중량% 이다.

본 발명에 따르면, 바나듐 (V) 함유량은 3-14 중량% 의 범위이다. 바나듐의 첨가는 고속도강의 고온 경도 및 마모 저항을 증가시키는 카바이드들의 석출에 의해 2 차 경화를 발생시킨다. 그러나, 너무 많은 바나듐은 고속도강이 취성을 갖게 되므로, 14% 의 상한치는 초과해서는 안된다. 실시형태에 따르면, V 함유량은 3.0-5.0 중량% 의 범위, 바람직하게 3.0-3.5 중량% 의 범위이다.

본 발명에 따르면, 상기 고속도강의 코발트 (Co) 함유량은 0-10 중량% 의 범위이다. 코발트와 고속도강을 합금하는 것은 템퍼링 저항 및 고온 경도를 개선하고, 이는 모두가 고온 마모 적용에 사용되는 고속도강에 대해 몹시 중요하다. 코발트의 양은 또한 보유된 오스테나이트의 양에 영향을 미침으로써 고속도강의 경도에 영향을 주어, 상기 보유된 오스테나이트가 템퍼링 중에 마르텐사이트로 용이하게 변환되게 한다. 코발트에 대해 선택된 구간은 이러한 조성의 고속도강에 대해 적절한 구간이고, 상한 레벨은 과학적 제약보다 경제적인 타협점이다. 본 발명의 일실시형태에 따르면, Co 함유량은 0% 이거나 또는 불순물 레벨인 한편, 대안적인 실시형태에 따르면, 8.0-9.0 중량% 의 범위이다.

본 발명에 따르면, 고속도강은 0.2% 내지 1 % 의 구간으로, 예를 들면 0.4 내지 0.7 중량% 의 범위로, 바람직하게 0.45-0.60 중량% 의 범위로, 예를 들면 0.4 - 0.5 중량% 의 범위, 예를 들면 0.4, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 및 0.50 중량% 로 이트륨을 포함해야 한다. 상기 구간에서 규정된 이트륨 함유량은 산화물 스케일에 대해 전술된 긍정적인 효과를 부여한다. 특히 0.45-0.60 중량% 의 범위의 이트륨 함유량은 고온 마모에 저항하도록 고속도강의 능력에서 매우 양호한 증가를 부여한다. 구간의 하한치 0.2% 는 고온 마모에 대해 이트륨의 현저한 긍정적인 효과가 확인될 수 있는 시작 지점을 규정하고, 상한치 1% 는 고온 마모에 대해 이트륨의 현저한 긍정적인 효과가 확인될 수 있는 구간의 마지막을 나타낸다.

실시형태에 따르면, 상기 본체는 축방향으로 연장되는 코어 및 상기 코어 외측에서 방사상으로 배열된 축방향으로 연장되는 슬리브를 포함한다. 이로써, 코어는 우수한 열 전달 및 기계적 강인성을 제공하도록 구성될 수 있고, 한편으로는 슬리브는 우수한 마모 저항을 제공하도록 배열될 수 있다.

실시형태에 따르면, 상기 슬리브는 상기 고속도강으로 제조된다. 이는 상기 슬리브의 마모 저항이 마모 저항 및 고온 경도와 같은 열간 압연에 대한 우수한 특성들을 나타내게 한다.

실시형태에 따르면, 슬리브를 형성하는 분말은 긴 시간 (예를 들면 2 시간) 동안 상승된 열 (예를 들면 1150 ℃) 및 상승된 압력 (예를 들면 1000 bar) 을 받아, 분말의 압밀이 달성된다.

실시형태에 따르면, 압밀된 분말의 슬리브는 그 후 900 ℃ 에서 연화 어닐링 단계를 받은 후 10 ℃/시간의 냉각률에서 700 ℃ 로의 온도 감소가 이어지고, 그로부터 슬리브는 실온에서 자연적으로 냉각되게 한다. 이러한 연화 어닐링 단계는 고속도강에서 카바이드들이 구상화 (spheroidize) 되게 한다.

그후 슬리브는 바람직하게 기계 가공을 받고 그후 1100 ℃ 에서 경화 (오스테나이즈화) 단계 및 각각 60 분 동안 560 ℃ 에서 세개의 연속적인 어닐링 단계들로써 열처리되고, 실온에서의 자연적 냉각이 그 사이에 존재한다.

일 실시형태에 따르면, 상기 코어는 주강 또는 단조강으로 제조된다. 주강 또는 주철 또는 단조강으로 제조된 코어는 원하는 기능성으로 기계 가공하고 열처리하는 것이 용이하다. 그러한 코어는 또한 비용 효율적이고 생산하는 데 용이하다.

본 발명에 따르면, 슬리브의 미세 구조는 등방성이다. 그 결과로서, 슬리브 재료의 마모 특성들이 개선된다.

본 발명에 따르면, 상기 슬리브의 재료는 3 ㎛ 미만인 평균 카바이드 입자 크기를 갖는 카바이드 입자들을 포함하는 것이 바람직하다.

바람직한 실시형태에 따르면 상기 슬리브는 상기 코어 상에 수축 끼워 맞춤된다. 상기 코어 상으로 상기 슬리브의 수축 끼워 맞춤을 이용함으로써, 슬리브는 용이하게 제거되거나 교환될 수 있고, 이로써 현저한 비용의 감소를 발생시킨다.

지금부터 본 발명의 개념은 첨부된 도면들 및 그래프들과 관련된 참조 도면들을 사용하여 추가로 설명될 것이다.

도 1 은 복합 롤의 사시도이고,
도 2 는 "핀 온 디스크" 테스트 장비의 개략도이고,
도 3 은 종방향에 대해 수직인, "핀 온 디스크" 평가로부터 얻어진 일반적인 그루브의 횡단면도를 도시하고,
도 4 는 "핀 온 디스크" 실험에서 합금들 A, B 및 C 에 대해 실온 및 650 ℃ 에서 그루브 깊이를 도시하는 도표이고,
도 5 는 "핀 온 디스크" 실험에서 합금들 A, B 및 C 에 대해 650 ℃에서 미터당 부피 손실을 도시하는 도표이고, 및
도 6 은 합금 A, B 및 C 에 대한 HRC 에서의 경도를 도시한다.

분말 금속 가공 고속도강에 기초된 반가공된 제품들 (semi-finished products), 컴포넌트들 및 절삭 공구들의 산업 생산은 35 년 전에 시작되었다. 고속도강의 제 1 분말 금속 가공 생산는 열간 정수압 소결법 (HIP) 및 미립자화된 분말들의 압밀에 기초되었다. HIP 단계 이후에 일반적으로 HIP된 빌릿들의 열간 단조가 이어진다. 이러한 생산 방법은 여전히 고속도강을 생산하는 주된 분말 금속 가공 방법이다.

고속도강의 분말 금속 가공 프로세싱에 대한 연구 및 개발의 원래 목적은 까다로운 적용에서 고속도강의 기능적 특성들 및 성능을 개선하는 것이었다. 분말 금속 가공 제작 프로세스로부터의 주 이점들은 편석이 없고 균일하고 등방성의 미세 구조를 갖는다는 점이다. 따라서 통상적인 주강 및 단조강에서 거칠고 심각한 카바이드 편석을 갖는 흔히 공지된 문제점들은 분말 금속 가공 고속도강에서 회피된다.

따라서, 충분한 양의 탄소 및 카바이드 형성 원소들을 갖는 고속도강의 분말 금속 가공 제작 방법은 카바이드들의 분산된 분포를 발생시키고 이는 통상적으로 생산된 고속도강과 관련된 낮은 강도 및 인성의 문제점을 광범위하게 해결한다.

도 1 은 열간-압연용 복합 롤 (101) 을 도시한다. 롤 (101) 은 축방향으로 연장되는 코어 (102) 의 외측에서 방사상으로 배열된 축방향으로 연장되는 슬리브 (103) 에 의해 형성된 포위 표면 (104) 을 갖는 상기 코어 (102) 를 포함한다.

코어 (102) 는 양호한 기계적 특성들 및 양호한 열전도 특성들을 갖는 재료로 제작되고, 그러한 재료들의 예들은 연성철 또는 강이다. 코어 (102) 는 제 1 단부 및 제 2 단부에서 베어링들을 지지하기 위한 수단을 포함하는 원통형 저널이다. 지지 베어링들은 작업 롤이 열간 압연기에 장착되게 허용한다. 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에는 상기 코어 (102) 상에 슬리브 (103) 를 수축 끼워 맞춤하기 위해 배열된 종방향 영역이 제공된다.

슬리브 (103) 는 상기 코어 (102) 상에 슬리브 (103) 를 수축 끼워 맞춤하기 위해 치수 설정된 내부 직경을 갖는 원통형 슬리브이다. 슬리브 (103) 의 벽 두께는 기하학적 제약들 뿐만 아니라 열 전달 및 작업 롤 수명에 대해 치수 설정된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서 슬리브의 두께는 40 밀리미터이다.

본 발명에 따르면, 슬리브 (103) 는 고속도강으로 제조되고 상기 고속도강은 그 화학적 조성을 참조하면 다음의 원소들로 구성된다: 1-3 중량% 탄소 (C), 3-6 중량% 크롬 (Cr), 0-7 중량% 몰리브덴 (Mo), 0-15 중량% 텅스텐 (W), 3-14 중량% 바나듐 (V), 0-10 중량% 코발트 (Co), 0-3 중량% 니오븀 (Nb), 0-0.5 중량% 질소 (N), 0.2-1 중량% 이트륨 (Y), 및 나머지 철 (Fe) 및 불가피한 불순물들. 0% 의 하한을 갖는 원소들은 선택적이고 따라서 생략될 수 있다는 것에 유념해야 한다. 상기 고속도강의 분말로 슬리브 (103) 를 제작하는 것은 상기 분말로부터 본체를 형성하는 것을 포함한다. 이러한 형성은 예를 들면 슬리브 (103) 의 형태의 캡슐 내로 상기 분말을 주입하는 것을 포함할 수 있다; 캡슐은 그 후 진공화되고 밀봉된다. 분말을 압밀하도록, 캡슐은 소위 열간 정수압 프로세싱 (HIP) 단계에서 열과 압력을 받는다.

본 발명의 실시형태에서, 분말 혼합물의 제공은 상기 분말 내에 상기 원소들을 포함하는 용융된 금속의 아르곤 가스-미립자화 단계를 포함한다. 본 발명의 실시형태에서, 용융된 고속도강의 아르곤 가스-미립자화는 160 ㎛ 의 최대 크기의 고속도강 입자들이 형성되게 한다.

분말의 제공 후에, 슬리브는 상기 분말로부터 형성된다. 이러한 형성은 예를 들면 캡슐 내로 상기 분말을 주입하는 것을 포함할 수 있다; 캡슐은 그 후, 예를 들면 상기 캡슐을 진공화하도록 24 시간 동안 0.004 mbar 이하의 압력을 받음으로써 진공화된다. 캡슐은 그 후 캡슐에서 상기 압력을 유지하도록 밀봉된다. 분말의 압밀은 캡슐이 긴 시간, 예를 들면 2 시간 동안 상승된 온도, 예를 들면 약 1150 ℃, 및 상승된 압력, 예를 들면 약 1000 bar 을 받음으로써 달성된다. 이러한 마지막 압밀 단계는 열간 정수압 소결법 (HIP) 으로 칭한다.

연화 어닐링 단계는 HIP 단계 후에 이어지고, 바람직하게 연화 어닐링 단계는 900 ℃ 에서 수행된 후 10 ℃/시간의 냉각률에서 700 ℃ 로의 온도 감소가 이어지고, 그로부터 슬리브는 실온에서 자연적으로 냉각되게 한다.

연화 어닐링 이후에 슬리브는 기계 가공 및 바람직하게 1100 ℃ 에서 경화 (오스테나이즈화) 단계 및 각각 60 분 동안 560 ℃ 에서 세개의 연속적인 어닐링 단계들을 받을 수 있고, 실온에서 자연 냉각 단계가 그 사이에 존재한다.

이러한 연속적인 단계들로부터 완성된 슬리브는 전술된 편석들 및 거친 카바이드 구조 없이 매우 양호한 균일성을 나타내고 가장 중요한 효과는 이트륨 원소가 고속도강의 기저-매트릭스에서 고르게 분포된다는 점이다.

표 1

슬리브 (103) 재료의 뛰어난 특성들을 입증하도록, 고속도강은 선택적인 원소들 없이 구성되었고, 표 1 을 참조하라. 선택적인 원소들의 배제는 상기 방법으로 인해 개선된 고온 마모를 확실하고 간결하게 입증하게 한다. 고온 마모에 대해 간단한 평가 방법인 "핀-온-디스크 (pin-on-disc)" 는 아래에 설명된다.

표 1 은 실험에서 사용되는 고속도강의 원소들을 나타낸다. 스멜트들 (smelts) 은 표 1 의 원소들로써 생산되었고, 이러한 스멜트들로부터 분말들은 아르곤을 사용하여 가스 미립자화에 의해 생산되었다. 표 1 의 합금 B 및 C 의 분말들은 <160 ㎛ 의 입자 크기를 갖고, 합금 A 의 분말은 <500 ㎛ 의 입자 크기를 갖는다.

다음의 설명에서 본 발명을 추가로 예시하도록, 수행된 비제한적인 실험이 상세하게 설명될 것이다.

샘플들의 제조는 분말로 캡슐들을 충전함으로써 시작되었고, 상기 캡슐들은 73 mm 의 직경을 갖는 나선형의 용접된 튜브들로부터 제조되었다. 캡슐들은 그 후 24 시간 동안 0.004 mbar 이하의 압력에 노출되었다. 캡슐들은 그 후 상기 압력을 유지하도록 밀봉되었다.

캡슐들에서 분말을 압밀하도록, 열간 정수압 소결법 작동은 2 시간 동안 1150 ℃ 및 1000 bar 에서 수행되었다. 샘플들은 그 후 900 ℃ 에서 연화 어닐링 단계를 받은 후 10 ℃/시간의 냉각률에서 700 ℃ 로의 온도 감소가 이어졌고, 그로부터 샘플들은 실온에서 자연적으로 냉각되게 하였다.

샘플들은 그 후 기계 가공되고 1100 ℃ 에서 경화 (오스테나이즈화) 단계 및 각각 60 분 동안 560 ℃ 에서 세개의 연속적인 어닐링 단계들로써 열 처리되었고, 실온에서의 자연 냉각이 그 사이에 존재하였다.

최후 제조 단계는 단계적으로 자동 연삭기/연마기에서 샘플들을 연삭하고 연마하는 것을 포함하였다. 최후 연마 단계 중에 1 ㎛ 다이아몬드 현탁액이 사용되었다.

도 2 는 마찰 공학적 테스팅을 위해 사용되는 간단화된 테스트를 도시한다; 이러한 셋업은 본 기술 분야에서 "핀 온 디스크" 로 칭해진다. "핀 온 디스크" 마찰 공학적 테스팅의 원리는 다음과 같다; 샘플 1 은 축 (5) 을 중심으로 회전되고, 속도 (ω) 는 회전수에 대한 것이다.

샘플 1 의 회전과 동시에, 힘 (F) 은 핀 (2) 으로 가해지고 핀 (2) 은 차례로 볼 (3) 에 동일한 힘 (F) 을 가한다. 볼 (3) 은 Al₂0₃ 로 제조되고 6 mm 의 직경을 갖는다. 샘플 1 의 회전 및 볼 (3) 상으로의 힘 (F) 은 그루브 (6) 가 샘플 1 에서 형성되게 한다.

상승된 온도들에서 마모 거동을 평가하도록 "핀 온 디스크" 셋 업의 하부 부분은 노 (4) 에 수용된다. 따라서, 노 (4) 는 원하는 작동 온도로 샘플 1, 볼 (3) 및 핀 (2) 의 하부 부분을 가열할 수 있다.

도 3 은 그루브 (6) 의 종방향에 대해 수직인 그루브 (6) 의 횡단면도를 도시한다. 샘플의 연마된 표면으로부터 그루브 (6) 의 바닥부까지 측정된 깊이 (d) 는 샘플의 마모 저항의 측정으로서 사용된다. 마모 저항의 또 다른 도면은 횡단면 구역 (7) 이고, 횡단면 구역 (7) 은 그루브 (6) 의 종방향에 대해 수직인 샘플 1 의 연마된 표면 아래에 그루브 (6) 의 횡단면 구역으로서 규정된다. 그루브 (6) 의 프로파일 및 깊이 (d) 는 Veeco Wyko NT9100 백시광 간섭계 (white light interferometer) 를 사용하여 추정되었다.

상기 설명에 따른 일련의 샘플들이 상기 약술된 "핀 온 디스크" 절차에 따라 생산되고 테스트되었다. "핀 온 디스크" 결과는 도 3 에 제공된다. 이러한 테스트에서 선형 속도는 20 cm/s 이었고, 가해진 힘 (F) 은 각각 5N 및 20N 이었고, 샘플들은 20000 회 회전되었다.

도 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 이트륨의 첨가는 그루브의 깊이가 650 ℃ 에서 감소되게 한다; 5.7 ㎛ 와 동등한 그루브 깊이 (d) 를 갖는 합금 A, 1.9 ㎛ 와 동등한 그루브 깊이 (d) 를 갖는 합금 B 및 3.7 ㎛ 와 동등한 그루브 깊이 (d) 를 갖는 합금 C 를 참조하라. 이는 본 발명의 방법에 의해 생산된 합금들에 대해 상승된 온도들에서 예상되는 증가된 마모 저항을 나타낸다. 고속도강 (합금 B) 에 대해 0.5 % 이트륨의 첨가는 이트륨 (합금 A) 이 없는 고속도강과 비교하여 대략 세배의 그루브 깊이 (d) 의 감소를 발생시켰다. 또한 고속도강 (합금 C) 에 대해 1 % 이트륨의 첨가는 650 ℃ 에서 그루브 깊이 (d) 의 감소를 발생시켰다.

마모 저항의 보다 대표적인 측정은 미터당 부피 손실이다 (㎣/m). 미터 당 부피 손실의 연산은 트랙의 종방향에 걸쳐 그리고 그루브의 원주에 의해 분할된 횡단면 구역 (7) 을 적분함으로써 수행되었다. 도 5 에, 미터당 부피 손실이 제공된다; 합금 A 에 대한 부피 손실은 4.6×10^-5 ㎣/m 이고, 합금 B 에 대한 부피 손실은 1.8×10^-5 ㎣/m 이고, 최후로 합금 C 에 대한 부피 손실은 4×10^-5 ㎣/m 이다. 고속도강의 이트륨 함유량과 그 미터당 부피 손실 사이의 관계는 도 5 에 예시된다. 도 5 로부터 0.5 % 의 이트륨 함유량이 가장 낮은 미터당 부피 손실을 발생시킨다는 결론을 낼 수 있다. 1 % 보다 높은 이트륨 함유량은 또한 미터당 부피 손실에 유익한 영향을 준다. 이러한 관계는 0.5% 의 이트륨 함유량이 고속도강의 내재된 마모 저항에서 뛰어난 증가를 부여한다는 것을 의미한다. 실시예들 D 및 E 는 도면들에 도시되지 않지만 또한 고속도강에 이트륨의 첨가로 인해 상응하는 긍정적인 효과를 나타낸다는 것에 주목해야 한다.

본 발명에 따르면, 고속도강의 이트륨 함유량은 0.2 내지 1 중량% 의 범위 내이다. 고속도강의 이트륨 함유량은 0.4 중량% 보다 많고, 0.7 중량% 보다 작고, 보다 바람직하게 0.4 내지 0.6 중량%, 예를 들면 0.4 내지 0.5 중량%, 예를 들면 0.4, 0.41, 0.42, 0.43, 0.44, 0.45, 0.46, 0.47, 0.48, 0.49 및 0.5 인 것이 바람직하다.

도 6 에서, 샘플들의 경도가 제공된다. 경도는 합금 A 에 대해 63 HRC 이고, 경도는 합금 B 에 대해 57 HRC 이고 경도는 합금 C 에 대해 56 HRC 이다. 도 6 으로부터의 결론은 경도가 이트륨의 첨가와 함께 감소된다는 것이다. 임의의 특정 이론에 구속되는 것을 원치 않는다면, 이러한 감소에 대한 하나의 가능성 있는 설명은 보다 적은 탄소가 이트륨을 함유하는 합금들에서 사용 가능됨으로써 경도를 감소시킨다는 것이다. 이는 도 4 에서 고속도강의 마모률이 실온에서 고속도강의 경도에 의해 주로 지배된다는 이론을 예증한다. 실온에서 마모률은 경도가 감소할수록 증가한다. 그러나, 상승된 온도들에서, 다른 매커니즘들이 산화물 스케일의 기계적 특성들 및 성장 동력학과 같은 마모를 지배하고 있다.

Claims

본체를 포함하는 열간-압연용 롤 (101) 로서,
상기 본체의 포위 (envelope) 표면 (104) 의 적어도 일부는 고속도강으로 제조되고, 상기 고속도강은 그 화학적 조성을 참조하면 다음의 원소들:
1-3 중량% 탄소 (C)
3-6 중량% 크롬 (Cr)
0-7 중량% 몰리브덴 (Mo)
0-15 중량% 텅스텐 (W)
3-14 중량% 바나듐 (V)
0-10 중량% 코발트 (Co)
0-3 중량% 니오븀 (Nb)
0-0.5 중량% 질소 (N)
0.2-1 중량% 이트륨 (Y), 및
나머지 철 (Fe) 및 불가피한 불순물들로 이루어지고, Mo+0.5W = 2-10 중량% 인 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항에 있어서,
상기 본체는,
- 축방향으로 연장되는 코어 (102), 및
- 상기 코어 (102) 외측에서 방사상으로 배열된 축방향으로 연장되는 슬리브 (103) 를 포함하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 2 항에 있어서,
상기 슬리브 (103) 는 상기 고속도강으로 제조되는, 열간-압연용 롤 (101).
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 슬리브는 상기 고속도강의 분말의 압밀로 제조되고, 상기 분말은 상승된 열 및 상승된 압력으로 압밀되는, 열간-압연용 롤 (101).
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어 (102) 는 주강 또는 주철 또는 단조강로 제조되는, 열간-압연용 롤 (101).
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬리브 (103) 의 재료는 3 ㎛ 미만인 평균 카바이드 입자 크기를 갖는 카바이드 입자들을 나타내는 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬리브 (103) 는 등방성 미세 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 슬리브 (103) 는 상기 코어 (102) 에 수축 끼워 맞춤되는, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 이트륨 (Y) 함유량은 0.4 중량% 초과인, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 상기 이트륨 (Y) 함유량은 0.6 중량% 미만인, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 상기 이트륨 (Y) 함유량은 0.45-0.60 중량% 의 범위인, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
Mo+0.5W = 5.0-8.5 중량% 인 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 탄소 (C) 함유량은 1.1-1.4 중량% 의 범위인 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 크롬 (Cr) 함유량은 4.0-5.0 중량% 의 범위인 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 몰리브덴 (Mo) 함유량은 4.5-5.5 중량% 의 범위인 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 텅스텐 (W) 함유량은 6.0-7.0 중량% 의 범위인 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고속도강의 바나듐 (V) 함유량은 3.0-5.0 중량% 의 범위인 것을 특징으로 하는, 열간-압연용 롤 (101).