KR20140142334A

KR20140142334A - 복합 롤 및 압연 방법

Info

Publication number: KR20140142334A
Application number: KR1020147030183A
Authority: KR
Inventors: 츠요시 이노우에; 시게루 우치다; 세이지 이토오
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2014-12-11
Also published as: EP2871004A4; US9676015B2; BR112014027178A2; BR112014027178A8; IN2014DN08146A; US20150089987A1; WO2014010547A1; EP2871004A1; KR101642215B1; JP5594441B2; JPWO2014010547A1; EP2871004B1; CN104271275B; CN104271275A; BR112014027178B1

Abstract

본 발명의 복합 롤은, 강제의 롤 축재와, 상기 롤 축재의 주위에 설치된 외층을 구비하고, 상기 외층이, 철기 합금인 모재와, 세라믹스로 이루어지는 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 섬유상 개재물과, 세라믹스로 이루어지는 평균 입경 1∼100㎛의 입자상 개재물을 포함하는 소결체를 포함하고, 상기 섬유상 개재물의 함유량이, 상기 소결체에 대해 5∼40체적％이고, 상기 입자상 개재물의 함유량이, 상기 소결체에 대해 5∼30체적％이다.

Description

복합 롤 및 압연 방법 {COMPOSITE ROLL AND ROLLING METHOD}

본 발명은, 철강 등의 금속 제품의 제조 공정 중, 압연 가공 공정에서 사용되는 복합 롤 및 압연 방법에 관한 것이다. 특히, 열간 압연에서 사용되는 압연용 복합 롤 및 압연 방법에 관한 것이다.

본원은, 2012년 7월 9일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-153880호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

압연 가공 공정에서 사용되는 압연 롤에는, 금속 매트릭스 중에 탄화물 등의 세라믹스 성분이 분산된 경도가 높은 재료가 사용되고 있다. 이러한 압연 롤은, 일반적으로 주조법에 의해 제조되고 있다. 성분 조정 또는 열처리 조건 등의 최적화를 도모함으로써, 압연 롤로서 사용하기 위해 필요한 강도나 경도를 갖는 재료의 제조를 실현시키고 있다.

한편, 주조법 이외의 방법으로 제조되는 압연 롤로서, 금속 매트릭스로 되는 분말 입자와 세라믹스 섬유를 조합하여, 소결법에 의해 제조함으로써 강화된, 섬유 강화 복합 금속(Fiber Reinforced Metals:FRM)재로 이루어지는 압연 롤도 알려져 있다(특허문헌 1, 2 및 4). 또한, 이러한 제조 방법에 의해 얻어진 압연 롤은, 주조법에 의한 압연 롤보다도 우수한 내 마모성, 내 시징성이나 내 표면 조화(粗化)성을 갖고 있는 것도 알려져 있다. 또한, 금속 매트릭스로 되는 분말 입자에 세라믹스 분말 입자를 첨가함으로써 강화된 압연 롤도 알려져 있다(특허문헌 3). 그러나, 이들 문헌에 기재된 기술에는, 이하에 언급하는 과제가 포함된다.

특허문헌 1은, 강제의 축의 주변에 내 마모성 재료로 이루어지는 외층이 설치된 압연용 복합 롤에 관한 것이다. 이 내 마모성 재료로 이루어지는 외층은, 철기 합금 분말에 세라믹스 섬유의 소편을 첨가하여 소결함으로써 제조된다. 그러나, 본 발명자들은, 다량의 세라믹스 섬유를 롤 외층에 첨가함으로써, 롤의 표면 조도가 증대되는 것, 및 롤 외층의 강도가 저하되어 롤 외층에 깨짐이 발생하는 경우가 있는 것을 발견하였다. 본 발명자들은, 철기 합금 분말에 45체적％의 세라믹스 섬유의 소편을 첨가하여 롤 외층을 제조한 바, 롤 외층에 크랙 등의 재료 결함이 발생되어 있는 것을 발견하였다. 이러한 지식은, 특허문헌 1에 있어서 개시되어 있지 않다.

특허문헌 2는, 세라믹스 섬유를 첨가함으로써 강화된 금속에 관한 것이다. 이 세라믹스 섬유가 첨가된 금속은, 금속 분말과 세라믹스 섬유를 혼합한 것을 소결함으로써 제조된다. 이 소결 공정을 행할 때, 소결용 로(爐)의 내부의 압력을, 비교적 낮은 압력인 0.1∼7.0㎫로 할 필요가 있다고 특허문헌 2에는 기재되어 있다. 그러나, 이러한 압력하에서 소결된 세라믹스 섬유 첨가 금속은, 사용 중에 큰 하중을 받는 압연 롤의 외층재로서 사용하기에 적합하지 않다. 소결시에 충분히 가압되지 않은 소결재는 보이드를 많이 포함하고, 이 보이드는, 소결체가 큰 하중을 받았을 때 크랙 발생의 기점으로 되기 때문이다. 압연 롤의 외층재로서 사용하기 위해서는, 고압에서 행해지는 열간 정수압 성형(Hot Isostatic Pressing:HIP)에 의해 소결 공정을 행할 필요가 있다.

특허문헌 3은, 철기 합금의 분말과 SiC 입자 또는 B₄C 입자를 혼합한 분말을 소결하여 제조한 압연 롤의 외층재에 관한 것이다. 그러나, SiC 및 B₄C는, 철기 합금의 분말과 혼합하여 사용하기 위한 세라믹스 분말의 성분으로서 바람직하지 않다. SiC 및 B₄C는, 소결시에 철과 반응하여, 합금을 형성하기 때문이다. 합금의 형성은, 세라믹 첨가에 의한 소결 금속의 강도 향상을 방해한다. 본 발명자들은, SiC 및 B₄C의 분말을 철기 합금 분말과 혼합한 경우, 혼합 분말로부터 얻어지는 소결체가 압연 롤의 외층재로서 충분한 강도를 갖지 않는 것을 확인하였다.

특허문헌 4는, 직경 10㎛ 이하의 탄화물이 정출(晶出)된 철기 합금 분말에 산화물 세라믹스 섬유의 소편을 혼합한 것을 소결하여 형성한 외층재를 갖는 복합 부재 구조인 압연 롤이며, 소결법에 의해 이론 밀도를 99％ 이상으로 높인 것을 외층재로서 사용한 압연 롤에 관한 것이다. 그러나, 이론 밀도가 99％ 이상이라도, 세라믹스 섬유의 응집에 의해 생성되는 미소한 결함을 외층재로부터 완전히 없앨 수 없어, 이 외층재를 갖는 압연 롤을 압연에 사용한 경우, 미소한 결함을 기점으로 한 미소 크랙이 발생하는 것을 피할 수 없다. 이 미소 크랙의 진전에 의해, 압연 롤의 표면으로부터 재료의 결락이 발생하여, 압연 롤의 표면 조화가 발생하는 것이 과제로 되어 있다.

일본 특허 공개 평11-28508호 공보 일본 특허 공개2003-119554호 공보 일본 특허 공개 평11-061349호 공보 일본 특허 공개2001-59147호 공보

고강도의 강재의 압연량의 증가 및 압연 속도의 고속화 등과 같은, 압연 공정의 진보에 의해, 압연 롤의 사용 환경은 점점 엄격한 조건으로 되고 있어, 압연 롤에는 내 마모성, 내 표면 조화성의 가일층의 개선이 필요해지고 있다. 이들 특성을 향상시키기 위해, 압연용 복합 롤 외층 중의 세라믹스 성분을 증량하는 것이 생각된다. 그러나, 본 발명자의 지식에 따르면, FRM을 외층재로서 사용한 복합 롤(FRM 압연 롤)에 있어서, 세라믹스 성분을 증가시키기 위해 세라믹스 섬유의 배합량을 증가시키면, FRM 압연 롤을 제조할 때, 세라믹스 섬유끼리가 얽혀, 섬유 응집에 기인하는 결함이 발생하기 쉬워져, 건전한 롤을 제조하는 것이 곤란해진다. 그러나, 철기 합금 분말과 세라믹스 분말만을 사용하여, FRM 압연 롤과 동등한 세라믹스 배합량을 갖는 복합 롤을 제조한 경우에서는, 세라믹스 분말이 크랙의 전파 경로로 되어, 크랙이 진전하기 쉬워진다. 여기서 본 발명자들은, 철기 합금 분말에 세라믹스 분말을 배합하여 소결체를 제조하는 경우, 세라믹스 분말에 기인하는 크랙의 전파를 억제하기 위해 세라믹스 섬유를 더 배합하는 것이, 복합 롤의 성능 향상에 기여하는 것을 발견하였다. 그리고, 본 발명자들에 의한 가일층의 연구 결과, 세라믹스 섬유와 세라믹스 분말의 양쪽을 배합함으로써, 세라믹스 섬유의 응집과 세라믹스 분말에 기인하는 크랙 진전을 발생시키는 일 없이, 복합 롤 외층의 소결체 중의 세라믹스 성분의 함유량을 증대시키는 것이 가능해졌다.

본 발명은, 압연용 복합 롤에 필요한 특성인, 내 마모성 및 내 표면 조화성 등의 트라이볼로지 특성, 및 내 균열성 및 강도 등의 기계적 특성을 양립시킨, 종래의 FRM 압연 롤보다도 우수한 특성을 갖는 복합 롤을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해, 이하의 발명을 제공하는 것이다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 복합 롤은, 강제의 롤 축재와, 상기 롤 축재의 주위에 설치된 외층을 구비하고, 상기 외층이, 철기 합금인 모재와, 세라믹스로 이루어지는 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 섬유상 개재물과, 세라믹스로 이루어지는 평균 입경 1∼100㎛의 입자상 개재물을 포함하는 소결체를 포함하고, 상기 섬유상 개재물의 함유량이, 상기 소결체에 대해 5∼40체적％이고, 상기 입자상 개재물의 함유량이, 상기 소결체에 대해 5∼30체적％이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 복합 롤은, 상기 소결체의 상기 모재의 화학 성분이, 0.8∼3.5질량％의 C와, 1∼13질량％의 Cr과, 0∼18질량％의 Mo와, 0∼28질량％의 W와, 0∼15질량％의 Ni와, 0∼18질량％의 Co와, 합계 2∼20질량％의, V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어져도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 복합 롤은, 상기 입자상 개재물 및 상기 섬유상 개재물이, 산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상이어도 된다.

(4) 상기 (3)에 기재된 복합 롤은, 상기 입자상 개재물이, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 질화붕소, 질화규소 및 질화지르코늄 중 1종 이상이어도 된다.

(5) 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 복합 롤은, 상기 섬유상 개재물이, 알루미나, 멀라이트, 질화붕소 및 질화규소 중 1종 이상이어도 된다.

(6) 상기 (1)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 복합 롤은, 상기 입자상 개재물 및 상기 섬유상 개재물의 합계 함유량이, 상기 소결체의 체적에 대해 35체적％∼70체적％여도 된다.

(7) 본 발명의 다른 형태에 관한 복합 롤은, 강제의 롤 축재의 주위에 외층을 설치한 복합 롤이며, 상기 외층이, (a) 철기 합금 분말과, (b) 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 세라믹스 섬유와, (c) 평균 입경 1∼100㎛의 세라믹스 분말의 혼합물에 대해 소결을 행함으로써 얻어진 소결체를 포함하고, (a) 상기 철기 합금 분말, (b) 상기 세라믹스 섬유 및 (c) 상기 세라믹스 분말의 상기 소결 전의 합계량에 대해, (b) 상기 세라믹스 섬유가 상기 소결 전의 배합량으로 5∼40체적％, 및 (c) 상기 세라믹스 분말이 상기 소결 전의 배합량으로 5∼30체적％이고, (b) 상기 세라믹스 섬유 및 (c) 상기 세라믹스 분말은 상기 소결 후에 단독으로 존재해도 된다.

(8) 상기 (7)에 기재된 복합 롤은, 상기 소결 전의 (a) 상기 철기 합금 분말의 화학 성분이, 0.8∼3.5질량％의 C와, 1∼13질량％의 Cr과, 0∼18질량％의 Mo와, 0∼28질량％의 W와, 0∼15질량％의 Ni와, 0∼18질량％의 Co와, 합계 2∼20질량％의 V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어져도 된다.

(9) 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 복합 롤은, (c) 상기 세라믹스 분말이 산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상이어도 된다.

(10) 상기 (9)에 기재된 복합 롤은, (c) 상기 세라믹스 분말이 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 질화붕소, 질화규소 및 질화지르코늄 중 1종 이상이어도 된다.

(11) 상기 (7)∼(10) 중 어느 한 항에 기재된 복합 롤은, (b) 상기 세라믹스 섬유가 산화물계 섬유, 탄화물계 섬유 또는 질화물계 섬유 중 1종 이상이어도 된다.

(12) 상기 (7)∼(11) 중 어느 한 항에 기재된 복합 롤은, (b) 상기 세라믹스 섬유와 (c) 상기 세라믹스 분말의 상기 소결 전의 합계 배합량이, (a) 상기 철기 합금 분말, (b) 상기 세라믹스 섬유 및 (c) 상기 세라믹스 분말의 상기 소결 전의 합계량에 대해, 35체적％∼70체적％여도 된다.

(13) 본 발명의 다른 형태에 관한 압연 방법은, 상기 (1)∼(12) 중 어느 한 항에 기재된 복합 롤을 사용하여, 금속 재료를 압연해도 된다.

(14) 본 발명의 다른 형태에 관한 복합 롤의 제조 방법은, 외층과 롤 축재를 구비하는 복합 롤의 제조 방법이며, 철기 합금 분말과, 평균 입경 1∼100㎛의 세라믹스 분말과, 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 세라믹스 섬유를 혼합하여 원료 혼합물을 얻는 혼합 공정과, 상기 원료 혼합물을, 상기 롤 축재의 주위에 설치된 통 형상의 캡슐 내에 충전하고, 이어서 상기 캡슐 내를 진공 탈기하고, 또한 70∼120㎫의 압력으로 열간 정수압 성형을 행함으로써 소결을 행하여, 상기 롤 축재의 주위에 상기 외층이 접합된 상기 복합 롤을 얻는 열간 정수압 성형 공정을 구비하고, 상기 원료 혼합물의 상기 소결 전의 합계량에 대해, 상기 세라믹스 섬유의 배합량이 상기 소결 전의 배합량으로 5∼40체적％이고, 상기 세라믹스 분말의 배합량이 상기 소결 전의 배합량으로 5∼30체적％여도 된다.

본 발명의 복합 롤에 따르면, 종래의 FRM 압연 롤(철기 합금 분말과 세라믹스 섬유의 복합체, 또는 철기 합금 분말과 세라믹스 분말의 복합체로 이루어짐)과 비교하여 내 마모성 및 내 표면 조화성을 향상시키고, 또한 내 균열성은 종래의 FRM 압연 롤과 동등한 레벨을 유지할 수 있다. 이에 의해, 압연 공정에서 사용된 경우, 복합 롤이 장수명화되어, 복합 롤의 교환 주기의 대폭적인 연장을 달성할 수 있고, 롤 원단위의 향상뿐만 아니라 생산성 및 수율의 향상도 기대할 수 있다.

도 1은 열간 정수압 성형을 사용한 일체 소결법의 설명도이다.
도 2는 복합 롤의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 실시 형태의 복합 롤은, 강제의 롤 축재(코어재)의 외측(주위)에 외층을 설치한 복합 롤이다. 외층은, 동심원 형상으로 롤 축재의 주위에 설치되어 있고, 그 두께는 통상 10㎜∼100㎜ 정도이다. 롤 축재와 외층 사이에 중간층이 형성되어 있어도 된다. 그 외층은, (a) 철기 합금 분말과, (b) 세라믹스 섬유와 (c) 세라믹스 분말의 혼합물을 소결함으로써 얻어진 소결체를 포함한다.

본 실시 형태에 관한 철기 합금 분말은, 0.8∼3.5질량％의 C와, 1∼13질량％의 Cr과, 0∼18질량％의 Mo와, 0∼28질량％의 W와, 0∼15질량％의 Ni와, 0∼18질량％의 Co와, 2∼20질량％의 V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것이 적합하다. 더욱 적합하게는, 본 실시 형태에 관한 철기 합금 분말은, 1.0∼2.8질량％의 C와, 2∼10질량％의 Cr과, 0∼15질량％의 Mo와, 0∼20질량％의 W와, 0∼10질량％의 Ni와, 0∼15질량％의 Co와, 3∼15질량％의 V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어진다. 이하에, 철기 합금 분말의 화학 성분을 규정하는 이유를 설명한다.

(C:0.8∼3.5질량％)

C는, 탄화물 형성을 위해 함유시킨다. 바람직한 상한값은 3.5질량％이고, 바람직한 하한값은 0.8질량％이다. C 함유량이 하한 미만에서는, 정출 탄화물이 적어, 소결체의 내 마모성을 충분히 확보할 수 없는 경우가 있다. C 함유량이 상한값을 초과하면, 소결체 중으로의 탄화물의 분산이 균일하지 않게 되어, 소결체의 강인성 및 내 표면 조화성의 점에서 문제가 일어날 수 있다. C 함유량은, 보다 바람직하게는 1.0∼2.8질량％이다.

(Cr:1∼13질량％)

Cr은, Cr계 탄화물을 형성하여, 소결체의 내 마모성의 향상에 기여한다. 이 효과를 얻기 위해서는, Cr 함유량을 1∼13질량％로 하는 것이 바람직하다. Cr 함유량이 상한값을 초과하면, Cr계 탄화물 정출량이 과다로 되어 인성이나 내 균열성이 저하되는 경우가 있다. Cr 함유량이 하한 미만에서는, 켄칭성이 저하되는 경우가 있다. Cr 함유량은, 보다 바람직하게는 2∼10질량％이다.

(Mo:0∼18질량％)

(W:0∼28질량％)

Mo 및 W를 소결체 중에 함유시키는 것은, 소결체의 켄칭성과 고온 경도를 향상시키기 위해 적합하다. 또한, W는 탄화물을 형성하는 원소로서 함유시켜도 된다. 이 효과를 얻기 위해서는, Mo에 관해서는, 그 함유량을 0∼18질량％로 하고, W에 관해서는, 그 함유량을 0∼28질량％로 하는 것이 바람직하다. Mo 및 W의 함유량이 상한을 초과하면, 소결체의 인성, 내 표면 조화성이 악화되는 경우가 있다. Mo 함유량은, 보다 바람직하게는 0∼15질량％이다. W 함유량은, 보다 바람직하게는 0∼20질량％이다.

(Ni:0∼15질량％)

(Co:0∼18질량％)

Ni는, 켄칭성을 향상시키는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Ni 함유량을 0∼15질량％로 하는 것이 바람직하다. Ni 함유량이 상한값을 초과하면, 소결체 중의 잔류 오스테나이트가 많아져, 깨짐 및 압연 중의 표면 조화가 발생하기 쉬워지는 경우가 있다. Co를 함유시킴으로써, 템퍼링 연화 저항 및 2차 경화에 관하여 유리한 효과가 얻어진다. 이 효과를 얻기 위해서는, Co 함유량을 0∼18질량％로 하는 것이 바람직하다. Co 함유량이 상한값을 초과하면, 켄칭성이 나빠지는 경우가 있다. Ni 함유량은, 보다 바람직하게는 0∼10질량％이다. Co 함유량은, 보다 바람직하게는 0∼15질량％이다.

(V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소:2∼20질량％)

V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf는, MC 탄화물을 형성하고, 또한 용융된 철기 합금과 세라믹스 섬유의 서로의 습윤성 개선에 기여한다. 덧붙여, V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf는, 초정 탄화물(입내에 정출되는 탄화물)을 형성하여 C를 소비함으로써, C와 Mo, Cr, 또는 W가 결부되어 형성되는 2차 정출 탄화물(입계에 정출되는 탄화물)이 정출되는 양을 저감시킨다. 입계에 정출되는 탄화물은, 소결체 내에서 메쉬 형상으로 분포하고, 균열 전파 경로로 되어, 소결체의 인성 및 내 표면 조화성을 저하시키는 경우가 있다. 이들 효과를 얻기 위해서는, V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf의 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소의 양의 합을 2∼20질량％로 하는 것이 바람직하다. V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf의 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소의 양의 합이 2질량％ 미만에서는, MC 탄화물의 정출량이 적어 내 마모성의 향상이 충분하지 않은 것에 더하여, 2차 정출 탄화물이 메쉬 형상으로 정출되기 쉬워져, 인성, 내 표면 조화성에 악영향을 미치는 경우가 있다. 또한, 원소의 양의 합이 상한을 초과하면, 큰 초정 탄화물이 정출되어 표면 조화가 발생하는 경우가 있다. 바람직하게는, V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf의 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소의 양의 합은 3∼15질량％이다.

본 실시 형태의 일 형태 철기 합금 분말은, 상기 성분을 함유하고, 잔량부가 철 및 불순물을 포함한다. 불순물의 예로서는, 광석이나 스크랩 등의 원재료에 포함되는 것, 또는 제조 공정에 있어서 포함되는 것 등을 들 수 있다.

철기 합금 분말에는, 탄화물 세라믹스 성분이 포함된다. 이 탄화물 세라믹스 성분은, 철기 합금 분말이 소결체로 되었을 때, 철기 합금 소결체 자신의 강도, 인성 및 경도를, 복합 롤로서 충분한 레벨로 향상시킨다. 그러나, 철기 합금 분말만을 사용한 소결체는, 복합 롤로서 충분한 성능을 갖지 않는다. 소결체에 충분한 성능을 부여하기 위해서는, 철기 합금 분말에 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말을 더 혼합하여, 소결체 중의 세라믹스 함유량을 더 증가시켜야 한다.

(철기 합금 분말의 평균 입경:1∼100㎛)

철기 합금 분말의 평균 입경은 1∼100㎛이다. 철기 합금 분말의 평균 입경이 1㎛보다 작으면, 철기 합금 분말끼리가 응집되어, 소결 성형시에 보이드 결함(void defect)의 발생을 충분히 억제하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 한편, 철기 합금 분말의 평균 입경이 100㎛를 초과하면, 철기 합금 분말과 혼합됨으로써 철기 합금 분말의 주위에 배치되는 세라믹스 분말 및 세라믹스 섬유에서 유래되는 세라믹스 부분끼리의 간격이 지나치게 넓어질 우려가 있다. 이 경우, 소결체의 내 마모성, 내 시징성 및 내 표면 조화성 등의 특성이 저하된다. 철기 합금 분말의 바람직한 평균 입경은 5∼50㎛이다.

본 실시 형태에 있어서, 철기 합금 분말의 평균 입경이라는 용어는, 레이저 회절·산란법에 의해 측정된 입도 분포에 있어서의 적산 분포 곡선의 중앙값(적산값 50％)의 입경(메디안 직경)을 나타낸다. 측정 장치로서는, 예를 들어 SHIMADZU제의 SALD-3100이 사용된다.

본 실시 형태의 복합 롤에 있어서, 소결 전의 (a) 철기 합금 분말과, (b) 세라믹스 섬유와, (c) 세라믹스 분말의 합계량에 대해, (b) 세라믹스 섬유의 양이 소결 전의 배합량으로 5∼40체적％, 및 (c) 세라믹스 분말의 양이 소결 전의 배합량으로 5∼30체적％이다.

(세라믹스 섬유의 소결 전의 배합량:5∼40체적％)

세라믹스 섬유의 소결 전의 배합량이 5체적％ 미만이면, 복합 롤에 필요한 내 마모성, 내 표면 조화성 및 내 균열성이 충분히 얻어지지 않는다. 한편, 세라믹스 섬유의 소결 전의 배합량이 40체적％를 초과하면, 세라믹스 섬유끼리가 서로 얽혀 섬유 응집이 발생한다. 이 섬유 응집은, 소결 성형시에 보이드를 발생시킨다. 이것은, 재료 결함 발생의 충분한 억제를 곤란하게 한다. 또한, 세라믹스 섬유의 소결 전의 배합량이 40체적％를 초과하면, 롤의 내 표면 조화성이 악화된다. 이것은, 섬유가 응집됨으로써 미소한 보이드 형상의 결함이 발생하는 것에 기인한다. 적합하게는, 세라믹스 섬유의 소결 전의 배합량이 10∼30체적％이다.

(세라믹스 분말의 소결 전의 배합량:5∼30체적％)

세라믹스 분말의 소결 전의 배합량이 5체적％ 미만인 경우, 종래의 (a) 철기 합금 분말과 (b) 세라믹스 섬유만을 복합시킨 것과 비교하여, 내 마모성, 내 시징성 및 내 표면 조화성 등의 특성을 향상시키는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 세라믹스 분말의 소결 전의 배합량이 30체적％를 초과하는 경우, 소결체를 복합 롤의 외층으로서 사용할 때 필요한 인성 및 내 균열성 등의 기계적 성질을 충분히 유지할 수 없다.

(세라믹스 섬유와 세라믹스 분말의 소결 전의 합계 배합량:35∼70체적％)

(b) 세라믹스 섬유와 (c) 세라믹스 분말의 소결 전의 합계 배합량은, 35체적％∼70체적％인 것이 바람직하다. 이에 의해, 소결체에 있어서, 종래 기술보다도 더욱 적합하게, 복합 롤로서 구비해야 할 인성이나 내 균열성 등의 기계적 성질을 확보하여, 내 마모성 및 내 표면 조화성 등의 트라이볼로지 특성을 향상시킬 수 있다. 합계 배합량이 35체적％ 미만에서는, 내 마모성 및 내 표면 조화성 등의 트라이볼로지 특성을 종래 기술보다도 향상시키는 것이 어려운 경우가 있다. 합계 배합량이 70체적％를 초과하면, 복합 롤로서 구비해야 할 인성 및 내 균열성 등의 기계적 성질을 유지할 수 없는 경우가 있다. 또한 본 실시 형태의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, (b) 세라믹스 섬유와 (c) 세라믹스 분말의 소결 전의 합계 배합량은, 40체적％∼60체적％인 것이 적합하다.

(세라믹스 분말의 성분: 산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상)

세라믹스 분말은, 산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상으로부터 선택되는 것이 적합하다. 산화물로서는, 알루미나, 지르코니아, 티타니아 등이 적합하게 사용된다. 질화물로서는, 질화붕소, 질화규소, 질화지르코늄, 질화티탄 등이 적합하게 사용된다. 탄화물로서는, 탄화바나듐, 탄화크롬, 탄화티탄 등이 적합하게 사용된다.

그러나, 탄화물 중, 탄화규소(SiC) 및 탄화붕소(B₄C)는, 본 실시 형태의 세라믹스 분말로서 적절하지 않다. SiC 및 B₄C는, 소결시에 철기 합금 분말 중의 Fe와 반응하여, 합금을 형성하기 때문이다. 합금을 형성하면, 이들 세라믹스 분말의 첨가 효과가 저하되어, 롤의 내 마모성이 저하된다. 본 발명자들은, SiC 및 B₄C의 분말을 세라믹스 섬유 및 철기 합금 분말과 혼합한 경우, 혼합 분말로부터 얻어지는 소결체는, 분말을 첨가하지 않은 경우와 비교하여 약간의 강도 향상이 보이지만, 복합 롤의 외층 재료로서 충분한 내 마모성을 갖지 않는 것을 확인하였다. 단, PVD 또는 도금 등의 수단에 의해 SiC 및 B₄C의 분말의 표면에 다른 금속이 코팅되어 있는 경우, 이 코팅이 SiC 및 B₄C와 Fe의 반응을 방해하므로, SiC 및 B₄C는, 소결체의 강도나 내 마모성을 향상시키는 능력을 발휘할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 세라믹스 분말은, 소결 후에 단독으로 존재하는 것인 것이 필요하다. 「단독으로 존재한다」라는 표현은, 주위의 모재와 반응하여 화합물을 형성하는 경우가 실질적으로 없다는 것을 의미한다.

(세라믹스 분말의 평균 입경:1∼100㎛)

세라믹스 분말의 평균 입경은 1∼100㎛이다. 세라믹스 분말의 평균 입경이 1㎛보다 작으면, 세라믹스 분말끼리가 응집되므로, 소결 성형시에 보이드 결함의 발생을 충분히 억제하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 세라믹스 분말끼리의 응집을 보다 확실하게 방지하기 위해, 세라믹스 분말의 평균 입경의 하한값을 2㎛, 2㎛ 초과, 5㎛, 15㎛, 또는 20㎛로 해도 된다. 한편, 세라믹스 분말의 평균 입경이 100㎛를 초과하면, 얻어진 소결체를 복합 롤로서 사용하였을 때, 세라믹스 분말에 기인하는 소결체 중의 입자상 개재물이 균열의 진전 경로로 되어, 복합 롤의 기계적 특성을 저하시킬 우려가 있다. 본 실시 형태에서는, 적합하게는, 평균 입경이 3∼50㎛인 세라믹스 분말을 사용한다.

또한, 분말의 형상을 어스펙트비에 의해 규정하는 것은, 본 기술 분야 및 분체 공학의 분야에 있어서 일반적이지 않다. 「분말」이라는 용어는, 어스펙트비(분말의 형상이 타원 구상의 형상이라 하면, 긴 직경/짧은 직경으로 표현되는 비율)가 1∼2 정도인 입자를 의미한다고 해석되는 것이 통상이지만, 본 실시 형태에 있어서 세라믹스 분말의 어스펙트비의 구체적인 숫자는 규정되지 않는다.

본 실시 형태에 있어서, 세라믹스 분말의 평균 입경이라는 용어는, 레이저 회절·산란법에 의해 측정된 입도 분포에 있어서의 적산 분포 곡선의 중앙값(적산값 50％)의 입경(메디안 직경)을 나타낸다. 측정 장치로서는, 예를 들어 SHIMADZU제의 SALD-3100이 사용된다.

(세라믹스 섬유의 성분:산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상)

세라믹스 섬유는 산화물계 섬유, 탄화물계 섬유 또는 질화물계 섬유 중 1종 이상인 것이 적합하다. 산화물계의 섬유, 탄화물계의 섬유 또는 질화물계의 섬유로서는, 적합하게는 알루미나 섬유, 멀라이트 섬유, 질화붕소 섬유, 질화규소 섬유, 또는 SiBN₃C 섬유 등이 사용된다.

그러나, 탄화규소(SiC) 및 탄화 붕소(B₄C)는, 본 실시 형태의 세라믹스 섬유의 성분으로서 사용할 수 없다. 그 이유는, 이들 화합물이 본 실시 형태의 세라믹스 분말의 성분으로서 사용할 수 없는 이유와 동일하다. 단, PVD 또는 도금 등의 수단에 의해 SiC 및 B₄C의 섬유의 표면에 다른 금속이 코팅되어 있는 경우, SiC 및 B₄C는, 소결체의 강도나 내 마모성을 향상시키는 능력을 발휘할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 세라믹스 섬유는, 소결 후에 단독으로 존재하는 것인 것이 필요하다.

(세라믹스 섬유의 형상:평균 굵기 1∼30㎛, 평균 어스펙트비 10∼500)

세라믹스 섬유의 평균 굵기는, 1∼30㎛이고, 적합하게는 3∼15㎛이다. 세라믹스 섬유의 평균 굵기가 1㎛ 미만인 경우, 제조시에 섬유끼리가 서로 얽혀, 보이드 형상의 결함 발생을 피할 수 없다. 한편, 세라믹스 섬유의 평균 굵기가 30㎛ 초과인 경우, 복합 롤을 압연 롤로서 사용함에 따라 복합 롤의 표면의 조도가 커져, 과잉의 마찰열 발생에 의해 표면 조화가 발생하기 쉬워지는 경우가 있다.

세라믹스 섬유의 평균 어스펙트비는 10∼500이고, 보다 적합하게는 30∼300 정도이다. 세라믹스 섬유의 평균 어스펙트비가 10 미만인 경우, 세라믹스 섬유는, 섬유 강화로서의 기능을 발휘할 수 없다. 즉, 입자로서의 세라믹스만을 철기 합금 분말 중에 혼합하는 제조 방법과 실질적으로 동일한 효과밖에 얻어지지 않아, 세라믹스 섬유와 세라믹스 분말을 혼합시키는 효과가 얻어지지 않는다. 이 경우, 철기 합금 분말과 세라믹스 분말만을 사용하여 FRM 압연 롤을 제조한 경우와 마찬가지로, 세라믹스 섬유가 크랙의 전파 경로로 되어, 크랙이 진전하기 쉬워질 우려가 있다. 한편, 세라믹스 섬유의 평균 어스펙트비가 500 초과인 경우, 섬유끼리가 얽히기 쉬워져, 보이드 형상의 결함의 발생을 피할 수 없다.

본 실시 형태에 있어서, 세라믹스 섬유의 평균 굵기 및 평균 어스펙트비는, 이하의 수단에 의해 구한다. 우선, 50개 이상의 섬유를 무작위로 추출하고, 이어서 그들을 현미경으로 관찰하여, 섬유의 직경과 길이를 측정하고, 다시 이들 측정값의 산술 평균값을 구한다. 세라믹스 섬유의 직경의 산술 평균값을 세라믹스 섬유의 평균 굵기로 하고, 세라믹스 섬유의 길이의 산술 평균값을 세라믹스 섬유의 직경 산술 평균값으로 나눈 값을 세라믹스 섬유의 평균 어스펙트비로 한다.

본 실시 형태의 복합 롤은, 상기한 바와 같이 (a) 철기 합금 분말과, (b) 세라믹스 섬유와, (c) 세라믹스 분말의 소결체를 포함한다. 혼합 분말을 소결 성형하여 제조된 소결체 중의 세라믹스는, 원료로서 배합된 세라믹스 분말 및 세라믹스 섬유 유래의 세라믹스에 더하여, 소결체 중의, 철기 합금 분말에서 유래되는 개소 중에 석출 또는 정출된, 철기 합금 분말의 성분에서 유래되는 탄화물을 더 포함한다. 이 철기 합금 분말에서 유래되는 개소 중에 석출 또는 정출된 탄화물은, 철기 합금 분말을 소결 성형하여 생기는 소결체 자신의 강도, 인성 및 경도를 확보하는 데에 필요한 것이다. 본 실시 형태에서는, 철기 합금 분말에서 유래되는 개소 중에 석출 또는 정출된 탄화물에 더하여, 세라믹스 섬유와 세라믹스 분말에서 유래되는 세라믹스를 소결체에 함유시킴으로써, 종래보다도 내 마모성 및 내 표면 조화성 등의 트라이볼로지 특성, 및 내 균열성 및 강도 등의 기계적 특성이 우수한 복합 롤을 실현할 수 있다.

본 실시 형태의 복합 롤은, 예를 들어 도 2에 나타내어지는 다음과 같은 방법에 의해 제조된다. 즉,

(1) 혼합 공정에 있어서, (a) 철기 합금 분말과 (b) 평균 입경 1∼100㎛의 세라믹스 분말과 (c) 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 세라믹스 섬유를 혼합하여 원료 혼합물을 얻고,

(2) 열간 정수압 성형 공정에 있어서, 원료 혼합물을, 롤 축재의 주위에 설치된 통 형상의 캡슐 내에 충전하고, 이어서 캡슐 내를 진공 탈기하고, 또한 70∼120㎫의 압력으로 열간 정수압 성형을 행하여 소결함

으로써, 롤 축재의 주위에 외층이 접합된 복합 롤을 얻는다.

원료로 되는 분말 및 섬유를 혼합하는 순서는, 충분한 혼합 시간이 확보되어 있으면, 어떠한 순서로 혼합해도 된다. 예를 들어, (a) 철기 합금 분말과 (c) 세라믹스 분말을 혼합한 것에 (b) 세라믹스 섬유를 혼합해도 되고, 또는 (a) 철기 합금 분말과 (b) 세라믹스 섬유를 혼합한 것에, (c) 세라믹스 분말을 혼합해도 된다.

이하에, 상술한 제조 방법에 관하여 상세하게 설명한다.

본 실시 형태의 복합 롤의 외층은, 예를 들어 연강제의 통 형상의 캡슐 내에 상기 원료 혼합물을 충전하고, 이 캡슐에 연강제의 덮개(탈기용 파이프가 장착되어 있음)를 장착 및 용접함으로써 캡슐을 밀폐하고, 이어서 탈기용 파이프를 사용하여 진공 탈기 및 진공 봉착한 후에, 열간 정수압 성형(HIP)에 의해 소결 성형하여 제조된다. 캡슐의 재료는, 판 두께가 2∼10㎜ 정도인 연강제의 강판이다. 캡슐은, 열간 정수압 성형 후의 소결체의 형상이, 목적으로 하는 롤의 외층 형상으로 가공되기에 충분한 마무리 허용치(finishing allowance)도 포함한 형상으로 되도록, 롤 축재의 주위에 형성된다. 또한, 캡슐 형상은, 열간 정수압 성형시의 소결체의 변형도 고려하여 결정된다. 캡슐을 롤 축재의 주위에 설치하여 제조를 행하는 경우(즉, 롤 축재와의 일체 소결법)에는, 롤 축재와 캡슐은, 원료로 되는 분말이나 섬유가 누출되지 않도록 용접 등에 의해 접합된다.

도 1은 열간 정수압 성형을 사용한 일체 소결법을 설명하는 도면이다. 롤 축재(1)의 외주에 통 형상의 철제 캡슐(2)을 용접하고, 롤 축재(1)와 캡슐(2)로 구성된 충전 공간 내에, 철기 합금 분말과 세라믹스 섬유와 세라믹스 분말의 혼합체인 원료 혼합물(4)을 충전하고, 캡슐(2)에 덮개(3)를 설치하여, 덮개(3)의 주위를 용접[용접부(6)]하여, 진공 탈기(부호 5는 탈기구를 나타냄)하고, 진공 봉착한 후, 열간 정수압 성형된다. 캡슐(2) 내의 원료 혼합물(4)은 열간 정수압 성형에 의해 소결되고, 동시에 롤 축재와 야금적으로 접합된다.

충분한 강도를 갖는 복합 롤을 얻기 위해서는, 외층의 소결 성형을, 70㎫ 이상의 가압을 행하는 열간 정수압 성형에 의해 행할 필요가 있다. 만일 충분히 가압되지 않은 경우, 소결체의 내부에 공공이 발생하여, 외층(소결체)의 강도가 저하된다. 열간 정수압 성형시의 압력의 하한은, 바람직하게는 85㎫이다.

열간 정수압 성형시의 압력의 상한을 규정할 필요는 없다. 그러나, 설비 능력을 고려하면, 열간 정수압 성형시의 압력의 상한은 통상 120㎫로 된다.

소결법에 의해 성형된 소결체는, 철기 합금 분말의 성분 및 롤의 사용 조건에 따라서, 필요한 경도나 표면 마무리 조도로 되도록, 열처리 조건 및 연삭 연마 가공 조건을 선정하여 처리하면 된다.

이러한 재료 및 제조 방법에 의해 얻어진 본 실시 형태에 관한 복합 롤의 외층은, 철기 합금인 모재와, 세라믹스로 이루어지는 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 섬유상 개재물과, 세라믹스로 이루어지는 평균 입경 1∼100㎛의 입자상 개재물을 포함하는 소결체를 포함한다. 섬유상 개재물의 함유량은, 소결체에 대해 5∼40체적％이고, 입자상 개재물의 함유량은, 소결체에 대해 5∼30체적％이다.

철기 합금인 모재는 철기 합금 분말에서 유래되고, 섬유상 개재물은 세라믹스 섬유에서 유래되고, 입자상 개재물은 세라믹스 분말에서 유래된다. 세라믹스 분말 및 세라믹스 섬유는, 입자상 개재물 및 섬유상 개재물로서, 소결체 중에서 단독으로 존재한다. 따라서, 세라믹스 분말 및 세라믹스 섬유와 철기 합금 분말은, 서로 화합물을 형성하는 일은 없다. 소결시의 온도의 설정에 따라서는, 화합물이 형성되는 경우가 있지만, 화합물의 형성량은 근소하다. 따라서, 모재, 섬유상 개재물 및 입자상 개재물의 화학 성분과, 철기 합금 분말, 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말의 화학 성분은 각각 대략 동일하다. 덧붙여, 섬유상 개재물 및 입자상 개재물의 형상과, 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말의 형상은 각각 대략 동일하다. 따라서, 섬유상 개재물 및 입자상 개재물의 적합한 형상은, 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말의 적합한 형상과 대략 동일하다.

본 실시 형태에 관한 복합 롤의 소결체의 모재의 화학 성분은, 0.8∼3.5질량％의 C와, 1∼13질량％의 Cr과, 0∼18질량％의 Mo와, 0∼28질량％의 W와, 0∼15질량％의 Ni와, 0∼18질량％의 Co와, 합계 2∼20질량％의, V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어져도 된다. 더욱 적합하게는, 본 실시 형태에 관한 복합 롤의 소결체 모재 화학 성분은, 1.0∼2.8질량％의 C와, 2∼10질량％의 Cr과, 0∼15질량％의 Mo와, 0∼20질량％의 W와, 0∼10질량％의 Ni와, 0∼15질량％의 Co와, 3∼15질량％의 V와, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어져도 된다. 입자상 개재물 및 섬유상 개재물은, 산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상이어도 되고, 입자상 개재물은, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 질화붕소, 질화규소 및 질화지르코늄 중 1종 이상이어도 되고, 섬유상 개재물은, 알루미나, 멀라이트, 질화붕소 및 질화규소 중 1종 이상이어도 된다. 또한, 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말 각각의 형상 및 함유량과, 섬유상 개재물 및 입자상 개재물 각각의 형상 및 함유량은, 각각 대략 동일하다. 본 실시 형태에 관한 입자상 개재물 및 섬유상 개재물의 합계 함유량은, 소결체의 체적에 대해 35체적％∼70체적％여도 된다. 이들 구성을 본 실시 형태가 갖는 것에 의한 효과는, 이들 구성을 얻기 위한 원료를 선정하는 것에 의한 효과와 동일하다.

복합 롤의 소결체는, 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말에서 유래되는 세라믹스 외에, 철기 합금 분말에서 유래되는 탄화물을 더 포함한다. 이 탄화물은, 철기 합금 분말에 포함되는 각 원소의 탄화물 혼합물로서 소결체 중에 존재한다. 따라서, 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말에서 유래되는 세라믹스와 철기 합금 분말에서 유래되는 탄화물은, 그들의 성분을 분석함으로써 판별할 수 있다. 구체적으로는, EPMA 등의 국소 분석이 가능한 장치에 의해 대상물을 분석한 경우에, 그 대상물이 Fe, Cr, Mo 및 W 등으로 이루어지는 복합 탄화물인 세라믹스이면, 그 대상물은 철기 합금 분말에서 유래되는 탄화물이라고 간주할 수 있다. 철기 합금 분말에서 유래되는 탄화물의 평균 입경은, 통상 0.1㎛∼2㎛ 정도이지만, 열간 정수압 성형의 온도나 시간, 그 후의 필요에 따라서 실시되는 열처리 조건에 의해, 그 크기는 변화된다.

(압연 방법)

본 실시 형태에 의해 얻어지는 복합 롤을 사용하여, 금속 재료를 압연할 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 복합 롤은, 박판 강대의 열간 압연 롤뿐만 아니라, 시임리스, 선재 철강 압연, 열압출, 단조 등의 열간 가공용 공구 및 박판 강대의 냉간 압연 롤, 냉간 가공 공구로서도 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 내 마모성이 우수한 재료로서, 압연기 주변의 롤러 및 가이드류에도 적용할 수 있다.

실시예

이하에 나타내는 원료 및 방법에 의해, 다양한 복합 롤의 실시예 및 비교예를 제작하여, 특성을 평가하였다.

(사용 원료)

철기 합금 분말로서, 질량비로 C가 2.1질량％, Cr이 4.8질량％, V가 6.0질량％, Mo가 5.1질량％, W가 4.5질량％, Si가 1.3질량％, Mn이 0.9질량％, 잔량부가 실질적으로 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 사용하였다. 이 철기 합금 분말의 평균 입경은 0.5∼125㎛의 범위에서 몇 개의 평균 입경의 것을 선택하여 사용하였다. 세라믹스 분말로서는, 평균 입경이 0.7∼125㎛인 범위에서 몇 개 선택하고, 알루미나 분말, SiC 분말, B₄C 분말 및 질화규소 분말을 사용하였다. 세라믹스 섬유로서는, 알루미나 섬유(평균 굵기:0.8∼36㎛, 평균 어스펙트비:8∼603 정도), 질화규소 섬유(평균 굵기:10㎛, 평균 어스펙트비:105), SiC 섬유(평균 굵기:8㎛, 어스펙트비:89) 및 B₄C 섬유(평균 굵기:7㎛, 평균 어스펙트비:95)를 사용하였다.

(복합 롤의 제작)

상기한 분말 및 섬유를 이용하여, 표 1∼2에 나타내는 배합량으로 복합 롤(직경 110㎜, 몸통 길이 300㎜)을 제작하였다. 롤 축재(Cr-Mo강)의 주위에, 성형용 형인 철제 캡슐을 제작하여, 그 안에 표 1∼2에 기재된 철기 합금 분말, 세라믹스 분말 및 세라믹스 섬유의 혼합 원료를 충전하였다. 또한, 철기 합금 분말, 세라믹스 분말 및 세라믹스 섬유의 혼합 원료는, 우선 철기 합금 분말 및 세라믹스 분말을 충분히 혼합한 후에, 세라믹스 섬유를 더 혼합하여 얻어진 것이다. 혼합은, 회전식 볼 밀을 이용하여 행하였다. 이어서, 캡슐의 덮개를 용접하고, 캡슐 내를 진공 탈기하여, 1050℃ 및 60∼120㎫의 소정의 압력으로 열간 정수압 성형을 행하였다. 냉각 후에, 캡슐을 제거하고, 쇼어 경도가 85∼90 정도로 되도록, 철기 합금 성분에 가까운 공구재의 열처리 조건에 가까운 조건으로 켄칭, 템퍼링의 열처리를 행하였다.

(열간 코일 압연 실험)

이와 같이 하여 제작된 복합 롤을 사용하여, 열간 코일 압연 실험에 의해, 보통강의 압연 코일재 4000m를 압연하였을 때의 복합 롤의 마모 깊이, 균열(크랙) 깊이 및 표면 조도를 측정하였다. 이들의 측정법은, 이하와 같다.

소결체의 결함 유무 : 초음파 탐상법에 의해 결함의 유무를 확인하였다. 결함이 발견된 시료는 불합격으로 하였다.

마모 깊이 : 압연 전후의 롤 프로필의 차이로부터 마모 깊이를 측정하였다. 마모 깊이가 15㎛ 이상인 시료는 불합격으로 하였다.

균열(크랙) 깊이 : 압연 후의 롤을 절단하여 롤 표층 부근을 관찰하고, 발생한 크랙의 최대 깊이를 균열 깊이로 하였다. 균열 깊이가 100㎛ 이상인 시료는 불합격으로 하였다.

표면 조도 : 산술 평균 조도(중심선 평균 조도) Ra를 측정하였다. 측정 방법은, JIS B0601에 준하였다. 표면 조도가 0.8㎛Ra 이상인 시료는 불합격으로 하였다.

이상에 나타내는 측정법으로, 복합 롤을 평가하고, 모든 측정에 있어서 합격한 시료를 합격품(GOOD)으로 하였다.

열간 코일 압연 실험 조건은, 가열 온도 800℃, 압연 속도 100m/분, 입구측 장력 1㎏f/㎟, 출구측 장력 3㎏f/㎟, 압하율 43∼46％, 윤활유 없음이었다.

그 결과를 표 1∼2에 나타낸다.

비교예 1∼17은 본원 규정 범위를 벗어났으므로, 마모 깊이, 균열 깊이 및/또는 표면 조도가 저하되었다.

비교예에 대해, 본 발명의 규정 범위 내에서 제조가 행해진 실시예는, 소결 성형시에 발생하기 쉬운 응집에 수반되는 보이드 등의 결함이 발생하는 일이 없고, 내 마모성도 우수하였다. 또한, 실시예는 압연 후의 롤의 표면 조도도 작고 내 표면 조화성도 양호하고, 균열 진전 깊이도 작은 것이 판명되었다. 즉, 실시예는, 종래 기술보다도 기계적 성질을 유지·향상시키면서, 내 마모성이나 내 표면 조화성 등의 트라이볼로지 특성을 향상시킬 수 있었다. 또한, 알루미나 섬유를 본 발명에서 규정하는 배합량보다도 많이 배합하면, 제조시의 결함이 발생하고, 세라믹스 분말의 배합량을 본 발명에서 규정하는 배합량보다도 적게 하면, 내 마모성 및 내 표면 조화성 등이 향상되는 효과가 얻어지지 않는 것을 알 수 있었다. 세라믹스 섬유 및 세라믹스 분말의 배합량을, 본 발명의 범위 내에서 많게 하면, 복합 롤이 한층 더 우수한 성능을 발휘하는 것도 확인되었다.

이상과 같이, 본 발명의 복합 롤을 사용함으로써, 내 마모성이 현저하게 향상될 수 있고, 표면 조도도 작은 레벨로 유지되어 내 표면 조화성에 대해서도 향상될 수 있고, 균열 깊이도 종래의 FRM 롤과 동등 레벨로 유지될 수 있는 것이 나타내어진다.

본 발명의 복합 롤에 따르면, 종래의 FRM 롤과 비교하여 내 마모성 및 내 표면 조화성을 향상시키고, 내 사고성은 동등 레벨을 유지할 수 있으므로, 복합 롤의 교환 주기의 대폭적인 연장을 달성할 수 있고, 롤 원단위의 향상뿐만 아니라 생산성 및 수율의 향상도 기대할 수 있다.

1 : 롤 축재
2 : 캡슐
3 : 덮개
4 : 원료 혼합물
5 : 탈기구
6 : 용접부
S1 : 혼합 공정
S2 : 열간 정수압 성형 공정

Claims

강제의 롤 축재와, 상기 롤 축재의 주위에 설치된 외층을 구비하는 복합 롤이며,
상기 외층이, 철기 합금인 모재와, 세라믹스로 이루어지는 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 섬유상 개재물과, 세라믹스로 이루어지는 평균 입경 1∼100㎛의 입자상 개재물을 포함하는 소결체를 포함하고,
상기 섬유상 개재물의 함유량이, 상기 소결체에 대해 5∼40체적％이고,
상기 입자상 개재물의 함유량이, 상기 소결체에 대해 5∼30체적％인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제1항에 있어서, 상기 소결체의 상기 모재의 화학 성분이,
0.8∼3.5질량％의 C와,
1∼13질량％의 Cr과,
0∼18질량％의 Mo와,
0∼28질량％의 W와,
0∼15질량％의 Ni와,
0∼18질량％의 Co와,
합계 2∼20질량％의, V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와,
잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입자상 개재물 및 상기 섬유상 개재물이, 산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제3항에 있어서, 상기 입자상 개재물이, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 질화붕소, 질화규소 및 질화지르코늄 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 섬유상 개재물이, 알루미나, 멀라이트, 질화붕소 및 질화규소 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자상 개재물 및 상기 섬유상 개재물의 합계 함유량이, 상기 소결체의 체적에 대해 35체적％∼70체적％인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
강제의 롤 축재의 주위에 외층을 설치한 복합 롤이며, 상기 외층이, (a) 철기 합금 분말과, (b) 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 세라믹스 섬유와, (c) 평균 입경 1∼100㎛의 세라믹스 분말의 혼합물에 대해 소결을 행함으로써 얻어진 소결체를 포함하고,
(a) 상기 철기 합금 분말, (b) 상기 세라믹스 섬유 및 (c) 상기 세라믹스 분말의 상기 소결 전의 합계량에 대해, (b) 상기 세라믹스 섬유가 상기 소결 전의 배합량으로 5∼40체적％, 및 (c) 상기 세라믹스 분말이 상기 소결 전의 배합량으로 5∼30체적％이고,
(b) 상기 세라믹스 섬유 및 (c) 상기 세라믹스 분말은 상기 소결 후에 단독으로 존재하는 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제7항에 있어서, 상기 소결 전의 (a) 상기 철기 합금 분말의 화학 성분이,
0.8∼3.5질량％의 C와,
1∼13질량％의 Cr과,
0∼18질량％의 Mo와,
0∼28질량％의 W와,
0∼15질량％의 Ni와,
0∼18질량％의 Co와,
합계 2∼20질량％의 V, Nb, Ti, Ta, Zr 및 Hf로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소와,
잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제7항 또는 제8항에 있어서, (c) 상기 세라믹스 분말이 산화물, 질화물 또는 탄화물 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제9항에 있어서, (c) 상기 세라믹스 분말이 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 질화붕소, 질화규소 및 질화지르코늄 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, (b) 상기 세라믹스 섬유가 산화물계 섬유, 탄화물계 섬유 또는 질화물계 섬유 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, (b) 상기 세라믹스 섬유와 (c) 상기 세라믹스 분말의 상기 소결 전의 합계 배합량이, (a) 상기 철기 합금 분말, (b) 상기 세라믹스 섬유 및 (c) 상기 세라믹스 분말의 상기 소결 전의 합계량에 대해, 35∼70체적％인 것을 특징으로 하는, 복합 롤.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 복합 롤을 사용하여, 금속 재료를 압연하는 것을 특징으로 하는, 압연 방법.
외층과 롤 축재를 구비하는 복합 롤의 제조 방법이며,
철기 합금 분말과, 평균 입경 1∼100㎛의 세라믹스 분말과, 평균 굵기 1∼30㎛, 또한 평균 어스펙트비 10∼500의 세라믹스 섬유를 혼합하여 원료 혼합물을 얻는 혼합 공정과,
상기 원료 혼합물을, 상기 롤 축재의 주위에 설치된 통 형상의 캡슐 내에 충전하고, 이어서 상기 캡슐 내를 진공 탈기하고, 또한 70∼120㎫의 압력으로 열간 정수압 성형을 행함으로써 소결을 행하여, 상기 롤 축재의 주위에 상기 외층이 접합된 상기 복합 롤을 얻는 열간 정수압 성형 공정을 구비하고,
상기 원료 혼합물의 상기 소결 전의 합계량에 대해, 상기 세라믹스 섬유의 배합량이 상기 소결 전의 배합량으로 5∼40체적％이고, 상기 세라믹스 분말의 배합량이 상기 소결 전의 배합량으로 5∼30체적％인 것을 특징으로 하는, 복합 롤의 제조 방법.