KR20140078739A

KR20140078739A - 내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 롤 외층재 및 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤

Info

Publication number: KR20140078739A
Application number: KR1020147012906A
Authority: KR
Inventors: 겐지 이치노; 데츠오 모치다; 히로미츠 시바타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-06-25
Also published as: ES2572528T3; BR112014009103A2; WO2013057914A1; TWI460284B; US20140287898A1; EP2770073A1; IN2014MN00580A; US9975158B2; CN103890208A; KR101704148B1; CA2850453C; EP2770073B1; EP2770073A4; CN103890208B; CA2850453A1; TW201329250A

Abstract

롤 표층의 내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 롤 외층재를 제공한다. 질량％ 로, C：2.3 ∼ 2.9 ％, Si：0.2 ∼ 0.8 ％, Mn：0.2 ∼ 1.0 ％, Cr：5.0 ∼ 7.5 ％, Mo：4.4 ∼ 6.5 ％, V：5.3 ∼ 7.0 ％, Nb：0.6 ∼ 1.5 ％, Co：0.1 ∼ 4.0 ％ 를, 14.0 ≤ (Mo ＋ 1.7 V) ≤ 17.0 (여기서, Mo, V：각 원소의 함유량 (질량％)) 을 만족시키도록 함유하고, 추가로 Al：0.001 ∼ 0.03 ％ 및/또는 REM：0.001 ∼ 0.03 ％ 를 함유하는 조성을 갖고, 탄화물을 면적률로 13 ∼ 40 ％ 함유하는 원심 주조제 롤 외층재로 한다. 이것에 의해, 표층의 내피로성이 현저하게 향상된다. 또, 이 롤 외층재에 축재를 용착 일체화하여 복합 롤로 함으로써, 표층의 내피로성도 우수한, 열간 마무리 압연용 롤로서 바람직한 원심 주조제 복합 롤이 된다.

Description

내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 롤 외층재 및 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤{ROLL SURFACE-LAYER MATERIAL FOR HOT ROLLING WITH EXCELLENT FATIGUE RESISTANCE PRODUCED BY CENTRIFUGAL CASTING, AND COMPOSITE ROLL FOR HOT ROLLING PRODUCED THROUGH CENTRIFUGAL CASTING}

본 발명은, 열간 압연용 (hot rolling mill) 롤 (roll) 에 관한 것으로, 특히 강판의 열간 압연 마무리 압연기 (hot finish rolling mill) 에 바람직한 원심 주조제 복합 롤 (centrifugal cast roll) 에 관한 것이다.

최근, 강판의 열간 압연 기술의 진보는 현저하고, 그에 수반하여 열간 압연용 롤의 사용 환경은 더욱 가혹화되고 있다. 특히 최근에는, 고강도 강판이나 박육 제품 등, 열간 압연 부하가 큰 강판의 생산량이 증대되고 있다. 이 때문에, 사용되는 열간 압연용 롤 특성의 향상, 특히 내마모성 (wear resistance) 의 향상이 강하게 요망되어 왔다. 이와 같은 내마모성 향상의 요구에 대하여, 외층 조성 (surface layer) 을 고속도 공구강 (high-speed tool steel) 조성과 유사한 조성으로 하고, 경질 탄화물을 다량으로 분산시켜 내마모성을 현격히 향상시킨 하이스피드 스틸계 롤 (high-speed steel roll) 이 개발되어 다용되고 있다.

이와 같은 하이스피드 스틸계 롤 외층재로서, 예를 들어, 특허문헌 1, 특허문헌 2 에 기재가 있다. 특허문헌 1 에 기재된 롤 외층재는, 질량％ 로, C：1.5 ∼ 3.5 ％, Si：1.5 ％ 이하, Mn：1.2 ％ 이하, Ni：5.5 ％ 이하, Cr：5.5 ∼ 12.0 ％, Mo：2.0 ∼ 8.0 ％, V：3.0 ∼ 10.0 ％, Nb：0.5 ∼ 7.0 ％ 를 함유하고, 또한, Nb 및 V 를 Nb, V 및 C 의 함유량이 특정 관계를 만족시키고, 또한 Nb 와 V 의 비가 특정 범위 내가 되도록 함유한다. 이로써, 원심 주조법을 적용해도 외층재에 있어서의 편석 (segregation) 이 억제되어, 내마모성과 내크랙성 (crack resistance) 이 우수한 압연용 롤 외층재가 되도록 하고 있다.

또, 특허문헌 2 에 기재된 롤 외층재는, 질량％ 로, C：1.5 ∼ 3.5 ％, Si：1.5 ％ 이하, Mn：1.2 ％ 이하, Cr：5.5 ∼ 12.0 ％, Mo：2.0 ∼ 8.0 ％, V：3.0 ∼ 10.0 ％, Nb：0.5 ∼ 7.0 ％ 를 함유하고, 또한, Nb 및 V 를 Nb, V 및 C 의 함유량이 특정 관계를 만족시키고, 또한 Nb 와 V 의 비가 특정 범위 내가 되도록 함유한다. 이로써, 원심 주조법을 적용해도 롤 외층재에 있어서의 편석이 억제되어 내마모성과 내크랙성이 향상되어, 열간 압연의 생산성 향상에 크게 공헌한다고 하고 있다.

또, 특허문헌 3 에는, 롤 표층의 내피로성 (fatigue resistance) 이 우수한 롤 외층재가 기재되어 있다. 특허문헌 3 에 기재된 롤 외층재에서는, 질량％ 로, C：2.2 ∼ 2.6 ％, Si：0.2 ∼ 0.7 ％, Mn：0.2 ∼ 0.7 ％, Cr：5.0 ∼ 8.0 ％, Mo：4.4 ∼ 6.0 ％, V：5.3 ∼ 7.0 ％, Nb：0.6 ∼ 1.3 ％ 를 함유하고, 또한, Mo ＋ V, C-0.24V-0.13Nb 가 각각 특정 범위 내가 되도록 Mo, V, C, Nb 함유량을 조정하여 함유한다. 이로써, 내피로성이 현저히 향상되어, 롤 표면 손상을 현저히 억제할 수 있고, 롤 수명을 향상시킬 수 있음과 함께, 압연 제품의 표면 품질의 현저한 향상이 얻어진다고 하고 있다.

일본 공개특허공보 평04-365836호 일본 공개특허공보 평05-1350호 일본 공개특허공보 2009-221573호

그러나, 최근의 열연 강판 (압연 제품) 에는, 추가적인 박육화, 고강도화 및 고품질화가 요망되고 있고, 열간 압연 부하의 증대는 현저하며, 또 생산성 향상에 수반하는 연속 압연량의 증가 등, 열간 압연 조건은 한층 엄격해져, 열간 압연용 롤의 사용 환경은 더욱더 가혹화되고 있다.

열간 압연용 작업 롤 (work roll) 의 표면에는, 피압연재를 열간 압연할 때에, 롤 전동 방향으로 작용하는 마찰 응력 (friction stress), 롤 축 방향으로 작용하는 전동 응력 (rolling motion stress) 이 반복적으로 작용한다. 또한, 백업 롤 (back up roll) 로부터의 반복적인 전동 응력이 작용한다. 상기한 바와 같은 롤의 사용 환경의 가혹화에 수반하여, 특허문헌 1, 2 에 기재된 롤 외층재를 사용하더라도, 이와 같은 열과 응력의 반복적인 부하에 의해 작업 롤 표층이 피로하여, 롤 압연면의 표면 열화 (surface deterioration), 피로 흠집 (fatigue crack), 표층의 결락 (surface chipping) 등, 피로 손상 (fatigue damages) 의 발생이 큰 문제가 되고 있다.

또, 특허문헌 3 에 기재된 롤 외층재에 의해서도 또한 표층의 결락, 피로 흠집 등이 발생하는 경우가 있다는 문제가 있었다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 유리하게 해결하고, 결락이나 피로 흠집 등의 피로 손상을 억제할 수 있는, 내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 롤 외층재 및 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 원심 주조제 롤 표층의 결락이나 피로 흠집의 발생에 영향을 미치는 각종 요인에 대하여 예의 연구하였다. 그 결과, 롤 표층에 발생하는 결락이나 피로 흠집은, 롤의 사용 환경의 가혹화에 수반하는, 작업 롤 표면에 대한, 피압연재와 냉각수 (cooling water) 에 의한 열 이동의 반복을 수반하는 열간 전동 피로의 증가와, 백업 롤로부터의 과대한 면압 (압축 응력) 의 반복적인 부하의 중첩에 의한 것이 밝혀졌다. 롤 표층의 결락이나 피로 흠집의 발생을 방지하기 위해서는, 롤 외층재의 내열간 전동 피로성의 향상과, 압축 0.2 ％ 내력의 증가가 유효하다.

그리고, 롤 외층재의 내열간 전동 피로성과, 압축 0.2 ％ 내력에 영향을 미치는 각종 요인에 대하여 연구하였다. 그 결과, Mo 와 V 함유량을 특정 범위로 조정하고, 또한 탄화물량을 특정 범위가 되도록 조정한 후, Al 및/또는 REM 을 미량 함유시킴으로써, 내열간 전동 피로성이 현저히 향상되고, 또한 압축 0.2 ％ 내력도 향상되는 것을 신규로 알아냈다.

먼저, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대해 설명한다. 질량％ 로, C：2.1 ∼ 3.1 ％, Si：0.3 ∼ 0.7 ％, Mn：0.3 ∼ 1.0 ％, Nb：0.7 ∼ 1.4 ％, Co：0 ∼ 3.1 ％ 를 함유하고, 추가로 Cr 을 4.8 ∼ 9.8 ％, Mo 를 3.8 ∼ 6.9 ％, V 를 4.9 ∼ 7.3 ％ 의 범위에서 변화시키고, 추가로 Al 을 0 ∼ 0.018 ％, REM 을 0 ∼ 0.023 ％ 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성의 용탕을, 고주파로 (high frequency furnace) 에서 용해시키고, 롤 외층재에 상당하는 링상 롤재 (외경：250 ㎜φ, 두께：55 ㎜) 를 원심 주조법에 의해 주조하였다. 또한, 주입 온도 (pouring temperature) 는 1380 ℃ ∼ 1450 ℃, 원심력은 중력 배수로 176 G 로 하였다. 주조 후, ?칭 처리, 템퍼링 처리를 실시하고, 경도를 HS 78 ∼ 86 으로 조정하였다. 또한, ?칭 처리는, 가열 온도：1050 ℃ 로 가열하고, 공랭 혹은 노랭하는 처리로 하고, 템퍼링 처리는, 템퍼링 온도：540 ∼ 560 ℃ 로 가열하는 처리로 하였다.

또한, 열간 마무리 압연 압연기용으로서 사용되고 있는 하이스피드 스틸계 원심 주조제 롤 외층재 (2.1 질량％ C-0.4 질량％ Si-0.4 질량％ Mn-6.3 질량％ Cr-4.2 질량％ Mo-5.1 질량％ V-0.1 질량％ Nb-잔부 Fe 및 불가피적 불순물) 상당재 (링상 롤재) 를 동일하게 원심 주조하고, 이어서 동일한 열 처리를 실시하여 기준 (종래예) 으로 하였다.

얻어진 링상 롤재로부터 피로 시험편 (외경 60 ㎜φ, 두께 10 ㎜) 을 채취하여, 열간 전동 피로 시험을 실시하였다. 또한, 피로 시험편에는, 도 2 에 나타내는 바와 같은 노치 (깊이 (t)：1.2 ㎜, 둘레 방향 길이 (L)：0.8 ㎜) 를 외주면의 2 개 지점 (180°떨어진 위치) 에, 0.20 ㎜φ 의 와이어를 사용한 방전 가공 (와이어 컷) 법에 의해 도입하였다. 또, 피로 시험편의 전동면의 단부에는 모따기 (chamfer) (1.2 C) 를 실시하였다.

열간 전동 피로 시험은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 시험편과 상대재의 2 원반 슬라이딩 전동 방식으로 실시하였다. 도 2 에 나타내는 바와 같은 노치를 갖는 시험편 (피로 시험편) 을 수랭하면서 700 rpm 으로 회전시키고, 회전하는 그 시험편에 790 ℃ 로 가열한 상대편 (재질：S45C, 외경：190 ㎜φ, 폭：15 ㎜, 모따기 있음) 을 하중 980 N 으로 압접시키면서, 슬라이딩률：10 ％ 로 전동시켰다. 피로 시험편에 도입한 2 개의 노치가 절손될 때까지 전동시켜, 각 노치가 절손될 때까지의 전동 회전수를 각각 구하고, 그 평균값을 절손 전동 회전수로 하였다.

그리고, 종래예의 절손 전동 회전수를 1.0 (기준) 으로 하고, 기준에 대한 각 링상 롤재의 절손 전동 회전수의 비, (링상 롤재의 절손 전동 회전수)/(종래예의 절손 전동 회전수) 를 산출하였다. 이 비가 1.5 초과하는 경우를 내피로성이 현저히 우수하다고 평가하였다. 또한, 본 발명자들은, 이미 일본 공개특허공보 2010-101752호에 기재한 바와 같이, 이 열간 전동 피로 시험을 이용하면, 열간 압연용 롤에서 발생하는 표면 열화, 피로 균열의 발생·진전을 재현할 수 있다. 또, 열간 압연용 롤의 내피로성을 간편하게 평가할 수 있어, 이 열간 전동 피로 시험에 있어서, 절손 전동 회전수가 많은 롤 외층재이면, 우수한 내피로성을 갖는 롤 외층재가 되는 것을 확인하였다.

얻어진 결과를, 절손 전동 회전수의 비와 (Mo ＋ 1.7 V) (질량％) 양의 관계로 도 3 에 나타낸다. 도 3 에서는, 질량％ 로, C：2.1 ∼ 3.1 ％, Si：0.3 ∼ 0.7 ％, Mn：0.3 ∼ 1.0 ％, Nb：0.7 ∼ 1.4 ％, Co：0 ∼ 3.1 ％ 를 함유하고, 추가로 Cr 을 4.8 ∼ 9.8 ％, Mo 를 3.8 ∼ 6.9 ％, V 를 4.9 ∼ 7.3 ％ 를 함유하는 범위이고, 또한 Al 및/또는 REM 을 함유하는 경우와 Al, REM 을 함유하지 않는 경우로 한정하여 나타냈다. 또한, Co 을 함유하지 않는 경우도 구별하여 나타냈다.

도 3 으로부터, (Mo ＋ 1.7 V) 가 14.0 ∼ 17.0 의 범위이고, 또한 Al 및/또는 REM 을 함유하는 경우 (● 표시) 에는, 절손 전동 회전수의 비가 1.5 이상으로, 종래예 (△ 표시) 에 비해 증가하여, 내열간 전동 피로성이 현저히 향상되어 있는 것을 알 수 있다. 한편, (Mo ＋ 1.7 V) 가 14.0 ∼ 17.0 의 범위 내라도 Al, REM 을 함유하지 않는 경우 ( × 표시) 에는, 현저한 절손 전동 회전수의 비의 증가는 확인되지 않는다.

본 발명은, 이러한 지견에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성한 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤에 사용되는 롤 외층재로서, 질량％ 로, C：2.3 ∼ 2.9 ％, Si：0.2 ∼ 0.8 ％, Mn：0.2 ∼ 1.0 ％, Cr：5.0 ∼ 7.5 ％, Mo：4.4 ∼ 6.5 ％, V：5.3 ∼ 7.0 ％, Nb：0.6 ∼ 1.5 ％, Co：0.1 ∼ 4.0 ％ 를, 다음 (1) 식

14.0 ≤ (Mo ＋ 1.7 V) ≤ 17.0 ‥‥ (1)

(여기서, Mo, V：각 원소의 함유량 (질량％))

를 만족시키도록 함유하고, 추가로 Al：0.001 ∼ 0.03 ％ 및/또는 REM：0.001 ∼ 0.03 ％ 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 롤 외층재.

(2) (1) 에 있어서, 외층과, 그 외층과 용착 일체화된 내층으로 이루어지는 원심 주조제 복합 롤로서, 상기 외층이 질량％ 로, C：2.3 ∼ 2.9 ％, Si：0.2 ∼ 0.8 ％, Mn：0.2 ∼ 1.0 ％, Cr：5.0 ∼ 7.5 ％, Mo：4.4 ∼ 6.5 ％, V：5.3 ∼ 7.0 ％, Nb：0.6 ∼ 1.5 ％, Co：0.1 ∼ 4.0 ％ 를, 다음 (1) 식

14.0 ≤ (Mo ＋ 1.7 V) ≤ 17.0 ‥‥ (1)

(여기서, Mo, V：각 원소의 함유량 (질량％))

를 만족시키도록 함유하고, 추가로 Al：0.001 ∼ 0.03 ％ 및/또는 REM：0.001 ∼ 0.03 ％ 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤.

본 발명에 의하면, 높은 압축 0.2 ％ 내력과, 우수한 내열간 전동 피로성을 겸비하는 롤 외층재를 얻을 수 있고, 내피로성이 현저히 향상된 고성능의 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤을, 용이하게 또한 염가로 제조할 수 있어 산업상 각별한 효과를 나타낸다. 본 발명의 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤은, 내피로성이 현저히 향상되어, 고압연 부하가 작용하는 가혹한 열간 압연 환경하에 있어서도, 마모나 표면 열화, 표층 결락, 나아가서는 피로 흠집 등의 롤 표면 손상을 현저히 억제할 수 있다. 본 발명에 의하면, 열연 강판의 표면 품질의 현저한 향상, 열연 강판의 생산성 향상, 나아가서는 롤 수명의 향상을 모두 달성할 수 있다는 효과도 있다.

도 1 은 열간 전동 피로 시험에서 사용한 시험기의 구성을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2 는 실시예에서 사용한 열간 전동 피로 시험용 시험편 (피로 시험편) 의 외주면에 도입된 노치의 형상, 치수를 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 3 은 열간 전동 피로 시험에 있어서의 절손 전동 회전수의 비와 (Mo ＋ 1.7 V) 양의 관계에 미치는 REM 및/또는 Al 의 영향을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 롤 외층재는, 원심 주조제로, 그대로 링 롤, 슬리브 롤로 할 수도 있지만, 열간 마무리 압연용으로서 바람직한, 열간 압연용 복합 롤의 외층재로서 적용된다. 또, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 원심 주조된 외층과, 그 외층과 용착 일체화된 내층으로 이루어진다. 또한, 외층과 내층 사이에 중간층을 배치해도 된다. 즉, 외층과 용착 일체화된 내층 대신에, 외층과 용착 일체화된 중간층 및 그 중간층과 용착 일체화된 내층으로 해도 된다. 또한, 내층은 정지 주조법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, 내층, 중간층의 조성은 특별히 한정되지 않지만, 내층은 구상 흑연 주철 (spherical graphitic cast iron), 중간층은 C：1.5 ∼ 3 질량％ 의 고탄소재로 하는 것이 바람직하다.

먼저, 롤 외층재 (외층) 의 조성 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 이하, 질량％ 는, 특별히 언급하지 않는 한 간단히 ％ 로 기재한다.

C：2.3 ∼ 2.9 ％

C 는, 고용되어 기지 경도를 증가시킴과 함께, 탄화물 형성 원소와 결합하여 경질 탄화물을 형성하여 (form hard carbide), 롤 외층재의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는다. C 함유량에 따라 공정 탄화물 (eutectic carbide) 량이 변화한다. 공정 탄화물은 압연 사용 특성에 영향을 미치기 때문에, C 함유량이 2.3 ％ 미만에서는, 공정 탄화물량이 부족하고, 압연시의 마찰력이 증가하여 압연이 불안정해짐과 함께, 롤 외층재의 압축 0.2 ％ 내력이 저하된다. 한편, 2.9 ％ 를 초과하는 함유는, 공정 탄화물량을 과도하게 증가시켜, 롤 외층재를 경질, 취화시키고, 피로 균열의 발생·성장을 촉진시켜, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, C 는 2.3 ∼ 2.9 ％ 의 범위로 한정하였다.

Si：0.2 ∼ 0.8 ％

Si 는, 탈산제로서 작용 (serves as deoxidizer agent) 함과 함께, 용탕의 주조성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.2 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.8 ％ 를 초과하여 함유해도 효과가 포화되어, 함유량에 알맞는 효과를 기대할 수 없게 되어 경제적으로 불리해진다. 이 때문에, Si 는 0.2 ∼ 0.8 ％ 로 한정하였다.

Mn：0.2 ∼ 1.0 ％

Mn 은, S 를 MnS 로서 고정하여 S 를 무해화하는 작용을 가짐과 함께, 일부는 기지에 고용되어, ?칭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.2 ％ 이상의 함유를 필요로 하지만, 1.0 ％ 를 초과하여 함유해도 효과가 포화되어 함유량에 알맞는 효과를 기대할 수 없게 되고, 나아가서는 재질을 취화시키는 경우도 있다. 이 때문에, Mn 은 0.2 ∼ 1.0 ％ 로 한정하였다.

Cr：5.0 ∼ 7.5 ％

Cr 은, C 와 결합하여 주로 공정 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킴과 함께 압연시에 강판과의 마찰력을 저감시키고, 롤의 표면 손상을 경감시켜, 압연을 안정화시키는 작용을 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 5.0 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 7.5 ％ 를 초과하는 함유는, 경취 (硬脆) 한 공정 탄화물이 지나치게 증가하여, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, Cr 은 5.0 ∼ 7.5 ％ 의 범위로 한정하였다.

Mo：4.4 ∼ 6.5 ％

Mo 는, C 와 결합하여 경질인 탄화물을 형성하여, 내마모성을 향상시키는 원소이다. 또, Mo 는, V, Nb 와 C 가 결합한 경질인 MC 형 탄화물 (MC carbide) 중에 고용되어, 탄화물을 강화시킴과 함께, 공정 탄화물 중에도 고용되어, 그들 탄화물의 파괴 저항을 증가시킨다. 이와 같은 작용을 통하여 Mo 는, 롤 외층재의 내마모성, 내피로성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 4.4 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 6.5 ％ 를 초과하는 함유는, Mo 주체의 경취한 탄화물이 생성되어, 내열간 전동 피로성을 저하시키고, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, Mo 는 4.4 ∼ 6.5 ％ 의 범위로 한정하였다.

V：5.3 ∼ 7.0 ％

V 는, 롤로서의 내마모성과 내피로성을 겸비시키기 위해 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. V 는, 매우 경질인 탄화물 (MC 형 탄화물) 을 형성하여, 내마모성을 향상시킴과 함께, 공정 탄화물을 분단, 분산 정출 (晶出) 시키는 데에 유효하게 작용한다. 또, 내열간 전동 피로성을 향상시켜, 롤 외층재로서의 내피로성을 현저히 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과는, 5.3 ％ 이상의 함유로 현저해진다. 그러나, 7.0 ％ 를 초과하는 함유는, MC 형 탄화물을 조대화시킴과 함께, MC 형 탄화물의 원심 주조 편석을 조장 (助長) 시키기 때문에, 압연용 롤의 여러 특성을 불안정하게 한다. 이 때문에, V 는 5.3 ∼ 7.0 ％ 의 범위로 한정하였다.

Nb：0.6 ∼ 1.5 ％

Nb 는, MC 형 탄화물에 고용되어 MC 형 탄화물을 강화시키고, MC 형 탄화물의 파괴 저항을 증가시키는 작용을 통하여, 내마모성, 특히 더욱 내피로성을 향상시킨다. Nb 와 Mo 가 모두 탄화물 중에 고용됨으로써, 내마모성과 나아가서는 내피로성의 향상이 현저해진다. 또, Nb 는, 공정 탄화물의 분단을 촉진시켜, 공정 탄화물의 파괴를 억제하는 작용을 갖고, 롤 외층재의 내피로성을 향상시키는 원소이다. 또, Nb 는 MC 형 탄화물의 원심 주조시의 편석을 억제하는 작용을 겸비한다. 이와 같은 효과는, 0.6 ％ 이상의 함유로 현저해지지만, 1.5 ％ 를 초과하는 함유는, 용탕 중에서의 MC 형 탄화물의 성장을 촉진시켜, 원심 주조시의 탄화물 편석을 조장한다. 이 때문에, Nb 는 0.6 ∼ 1.5 ％ 의 범위로 한정하였다.

Co：0.1 ∼ 4.0 ％

Co 는, 기지 중에 고용되고, 특히 고온에 있어서 기지를 강화하여, 내피로성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.1 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 4.0 ％ 를 초과하여 함유해도 효과가 포화되어, 함유량에 알맞는 효과를 기대할 수 없게 되어 경제적으로 불리해진다. 이 때문에, Co 는 0.1 ∼ 4.0 ％ 의 범위로 한정하였다. 또한, 바람직하게는 0.2 ∼ 3.0 ％ 이다.

본 발명에서는 Mo, V 를 상기한 범위로 함유하고, 또한 다음 (1) 식

14.0 ≤ (Mo ＋ 1.7 V) ≤ 17.0 ‥‥ (1)

(여기서, Mo, V：각 원소의 함유량 (질량％))

를 만족시키도록 조정하여 함유한다.

도 3 에 나타내는 바와 같이, Mo, V 를 (Mo ＋ 1.7 V) 가 상기한 (1) 식을 만족시키도록 조정하여 함유함으로써, Al 및/또는 REM 을 함유하는 경우에는, 기준 (종래예) 에 비해 절손 전동수가 현저히 증가하여, 내열간 전동 피로성이 현저히 향상된다. (Mo ＋ 1.7 V) 는, 내열간 전동 피로성 향상의 구동력이 되는 중요한 팩터로, (Mo ＋ 1.7 V) 가 14.0 ∼ 17.0 의 범위로 조정되어 비로소 우수한 내열간 전동 피로성을 유지할 수 있다. (Mo ＋ 1.7 V) 가 14.0 ∼ 17.0 의 범위를 벗어나면, Al 및/또는 REM 을 함유하는 경우라도, 내열간 전동 피로성이 열화된다. 이 때문에, 본 발명에서는 Mo, V 함유량을 (1) 식을 만족시키도록 조정하도록 하였다.

본 발명에서는, Mo, V 를 상기한 (1) 식을 만족시키도록 조정한 후에, Al 및/또는 REM 을 필수 함유시킨다.

Al：0.001 ∼ 0.03 ％ 및/또는 REM：0.001 ∼ 0.03 ％

Al 및/또는 REM 은, Mo, V 가 상기한 (1) 식을 만족시키도록 함유되는 경우에 비로소 도 3 에 나타내는 바와 같이, 내열간 전동 피로성을 현저히 향상시키는 작용을 갖는다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Al, REM 을 각각 0.001 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, Al, REM 을 각각 0.03 ％ 를 초과하여 함유해도, 상기한 효과가 포화되는 데다가, 기포 생성이나 용강의 유동성이 저하되는 등 주조성이 저하된다. 이 때문에, Al：0.001 ∼ 0.03 ％ 및/또는 REM：0.001 ∼ 0.03 ％ 의 범위로 한정하였다.

상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

불가피적 불순물로는, P：0.05 ％ 이하, S：0.05 ％ 이하, N：0.06 ％ 이하를 예시할 수 있다. P 는, 입계에 편석되어 재질을 열화시키기 때문에, 본 발명에서는 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.05 ％ 이하이면 허용할 수 있다. 또, S 는, 황화물계 개재물로서 존재하여 재질을 저하시키기 때문에, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하지만, 0.05 ％ 이하이면 허용할 수 있다. N 은, 통상적인 용해이면 0.06 ％ 이하 정도 혼입되지만, 이 정도이면 본 발명의 효과에 영향을 미치는 경우는 없다. 또한, N 은, 복합 롤의 외층과 중간층 혹은 내층과의 경계에 결함을 생성시키는 경우가 있기 때문에, 0.05 ％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 롤 외층재에서는, Cr, V, Mo 등을 다량으로 함유하고 있고, 매우 경질인 탄화물 (MC 형 탄화물) 및 공정 탄화물이 분산되어, 원하는 경도, 원하는 내마모성 등을 확보하고 있다. 탄화물량이, 면적률로 13 ％ 미만에서는 원하는 경도, 내마모성 등을 확보하기 어렵다. 한편, 20 ％ 를 초과하여 함유하면 롤 재질을 취화시키는 경우가 있다. 이 때문에, 탄화물은, 면적률로 13 ∼ 20 ％ 의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 바람직한 제조 방법에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명에서는, 롤 외층재의 제조 방법은 에너지 비용이 낮은 저렴한 원심 주조법으로 한다.

먼저, 내면에 지르콘 등을 주재로 한 내화물이 피복된, 회전하는 주형에, 상기한 롤 외층재 조성의 용탕을 소정의 두께가 되도록 주탕하여 원심 주조한다. 그리고, 중간층을 형성하는 경우에는, 롤 외층재의 응고 도중 혹은 완전히 응고된 후, 주형을 회전시키면서 중간층 조성의 용탕을 주탕하고, 원심 주조하는 것이 바람직하다. 외층 혹은 중간층이 완전히 응고된 후, 주형의 회전을 정지시켜 주형을 세우고 나서 내층재를 정치 (靜置) 주조하여 복합 롤로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 롤 외층재의 내면측이 재용해되어 외층과 내층, 혹은 외층과 중간층, 중간층과 내층이 용착 일체화된 복합 롤이 된다.

또한, 정치 주조되는 내층은, 주조성과 기계적 성질이 우수한 구상 흑연 주철, 버미큘러상 흑연 주철 (VC 주철) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 원심 주조제 롤은 외층과 내층이 일체 용착되어 있기 때문에, 외층재의 성분이 1 ∼ 8 ％ 정도 내층에 혼입된다. 외층재에 함유되는 Cr, V 등은 강력한 탄화물 형성 원소이고, 이들 원소가 내층에 혼입되면, 내층을 취약화시킨다. 이 때문에, 외층 성분의 내층으로의 혼입률은 6 ％ 미만으로 억제하는 것이 바람직하다.

또, 중간층을 형성하는 경우에는, 중간층재로서 흑연강, 고탄소강, 아공정 주철 등을 사용하는 것이 바람직하다. 중간층과 외층은 동일하게 일체 용착되어 있고, 외층 성분이 중간층으로 10 ％ 이상 90 ％ 이하 정도의 범위에서 혼입된다. 내층으로의 외층 성분의 혼입량을 억제하는 관점에서, 외층 성분의 중간층으로의 혼입량은 가능한 한 저감시켜 두는 것이 중요하다.

본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 주조 후, 열 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 열 처리는 950 ∼ 1150 ℃ 로 가열하여 공랭 혹은 충풍 공랭하는 공정과, 추가로 450 ∼ 600 ℃ 로 가열 유지한 후 냉각시키는 공정을 1 회 이상 실시하는 처리로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 바람직한 경도는 79 ∼ 88 HS, 보다 바람직한 경도는 80 ∼ 86 HS 이다. 이와 같은 경도를 안정적으로 확보할 수 있도록 주조 후의 열 처리를 조정하는 것이 추장된다.

실시예

표 1 에 나타내는 롤 외층재 조성의 용탕을 고주파로에서 용해시키고, 원심 주조법에 의해 링상 시험재 (링 롤；외경：250 ㎜φ, 두께：55 ㎜) 로 하였다. 또한, 주입 온도는 1380 ∼ 1450 ℃, 원심력은 중력 배수로 176 G 로 하였다. 주조 후, ?칭 온도：1050 ℃ 로 재가열하고, 공랭하고, ?칭 처리 및 템퍼링 온도：450 ∼ 600 ℃ 로 가열·유지하고 냉각시키는 템퍼링 처리를 실시하여, 경도를 78 ∼ 84 HS 로 조정하였다.

또한, 열간 마무리 압연 압연기용으로서 사용되고 있는 하이스피드 스틸계 원심 주조제 롤 외층재 (질량％ 로, 2.1 ％ C-0.4 ％ Si-0.4 ％ Mn-6.3 ％ Cr-4.2 ％ Mo-5.1 ％ V-0.1 ％ Nb-잔부 Fe 및 불가피적 불순물) 조성의 링상 시험재 (링 롤) 를 동일하게 원심 주조법으로 주조하고, 추가로 열 처리를 실시하여, 기준재 (종래예) 로 하였다.

얻어진 링상 시험재로부터 경도 시험편, 압축 시험편, 열간 전동 피로 시험편 및 조직 관찰용 시험편을 채취하여, 경도 시험, 압축 시험, 열간 전동 피로 시험 및 조직 관찰 시험을 실시하였다. 시험 방법은 다음과 같이 하였다.

(1) 경도 시험

얻어진 경도 시험편에 대하여, JIS Z 2244 의 규정에 준거하여, 비커스 경도계 (시험력：50 ㎏f (490 kN)) 로 비커스 경도 HV50 을 측정하고, JIS 환산표로 쇼어 경도 HS 로 환산하였다. 또한, 측정점은 각 10 점으로 하여, 최고값, 최저값을 삭제하고 산술 평균하여, 그 시험재의 경도로 하였다.

(2) 압축 시험

얻어진 압축 시험편 (직경 10 ㎜φ × 길이 20 ㎜) 에 대하여, 실온에서 압축 시험을 실시하였다. 반복수는 2 개로 하였다. 또한, 압축 시험에서는, 압축 시험편의 중앙부에 변형 게이지를 첩부 (貼付) 하여, 응력-변형 곡선을 측정하고, 얻어진 응력-변형 곡선으로부터 0.2 ％ 내력을 판독하였다. 각 시험재의 0.2 ％ 내력은, 시험편 2 개에서 각각 얻어진 0.2 ％ 내력의 평균값으로 하였다.

(3) 열간 전동 피로 시험

얻어진 링상 시험재로부터 도 2 에 나타내는 형상의 열간 전동 피로 시험편 (외경 60 ㎜φ, 두께 10 ㎜, 모따기 있음) 을 채취하였다. 열간 전동 피로 시험편에는, 도 2 에 나타내는 바와 같은 노치 (깊이 (t)：1.2 ㎜, 둘레 방향 길이 (L)：0.8 ㎜) 를 외주면의 2 개 지점 (180°떨어진 위치) 에, 0.20 ㎜φ 의 와이어를 사용한 방전 가공 (와이어 컷) 법에 의해 도입하였다. 열간 전동 피로 시험은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 시험편과 상대재의 2 원반 슬라이딩 전동 방식으로 실시하고, 시험편을 수랭하면서 700 rpm 으로 회전시키고, 회전하는 그 시험편에, 790 ℃ 로 가열한 상대편 (재질：S45C, 외경：190 ㎜φ, 폭：15 ㎜, 모따기 있음) 을 하중 980 N 으로 압접시키면서, 슬라이딩률：10 ％ 로 전동시켰다. 그리고, 열간 전동 피로 시험편에 도입한 2 개의 노치가 절손될 때까지 전동시켜, 각 노치가 절손될 때까지의 전동 회전수를 각각 구하여, 그 평균값을 절손 전동 회전수로 하였다. 그리고, 종래예의 절손 전동 회전수를 기준 (1.0) 으로 하여, 얻어진 각 링상 시험재와 종래예의 절손 전동 회전수의 비, (각 링상 시험재의 절손 전동 회전수)/(종래예의 절손 전동 회전수) 를 산출하여 내피로성의 지표로 하고, 절손 전동 회전수의 비가 1.5 초과인 경우를 내피로성이 우수하다고 평가하였다.

(4) 조직 관찰 시험

얻어진 조직 관찰용 시험편을 연마하고, 나이탈 부식하여, 화상 해석 장치를 사용하여 광학 현미경 배율：50 배로 조직을 관찰하였다. 얻어진 화상을 2 치화하여, 탄화물의 면적률을 측정하고, 각 시험재의 탄화물량으로 하였다.

얻어진 결과를 표 2 에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 종래예 (기준) 에 비해 절손 전동 횟수가 1.5 배를 초과하여 증가되어 있고, 내열간 전동 피로성이 현저히 향상되였다. 또, 압축의 0.2 ％ 내력이 2000 ㎫ 이상으로 높은 압축 0.2 ％ 내력을 유지하여, 높은 압축 0.2 ％ 내력과 우수한 내열간 전동 피로성을 겸비한, 내피로성이 우수한 롤 외층재로 되어 있다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 압축 0.2 ％ 내력이 저하되어 있거나, 내열간 전동 피로성이 저하되어 있거나, 혹은 양방 모두 저하되어 있다.

Claims

열간 압연용 원심 주조제 복합 롤에 사용되는 롤 외층재로서, 질량％ 로,
C：2.3 ∼ 2.9 ％, Si：0.2 ∼ 0.8 ％,
Mn：0.2 ∼ 1.0 ％, Cr：5.0 ∼ 7.5 ％,
Mo：4.4 ∼ 6.5 ％, V：5.3 ∼ 7.0 ％,
Nb：0.6 ∼ 1.5 ％, Co：0.1 ∼ 4.0 ％
를 하기 (1) 식을 만족시키도록 함유하고, 추가로 Al：0.001 ∼ 0.03 ％ 및/또는 REM：0.001 ∼ 0.03 ％ 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 롤 외층재.
14.0 ≤ (Mo ＋ 1.7 V) ≤ 17.0 ‥‥ (1)
여기서, Mo, V：각 원소의 함유량 (질량％)
외층과, 그 외층과 용착 일체화된 내층으로 이루어지는 원심 주조제 복합 롤로서, 상기 외층이 질량％ 로,
C：2.3 ∼ 2.9 ％, Si：0.2 ∼ 0.8 ％,
Mn：0.2 ∼ 1.0 ％, Cr：5.0 ∼ 7.5 ％,
Mo：4.4 ∼ 6.5 ％, V：5.3 ∼ 7.0 ％,
Nb：0.6 ∼ 1.5 ％, Co：0.1 ∼ 4.0 ％
를 하기 (1) 식을 만족시키도록 함유하고, 추가로 Al：0.001 ∼ 0.03 ％ 및/또는 REM：0.001 ∼ 0.03 ％ 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 내피로성이 우수한 열간 압연용 원심 주조제 복합 롤.
14.0 ≤ (Mo ＋ 1.7 V) ≤ 17.0 ‥‥ (1)
여기서, Mo, V：각 원소의 함유량 (질량％)