KR20180017116A - 클래드판과 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

특히 가혹한 슬라이딩 환경하에서 사용되는 슬라이딩 부재의 소재로서 이용되어도, 마찰 압력과 마찰열에 의한 사용중의 변형에 대해서 높은 저항성을 갖는 클래드판을 제공한다. 판두께 방향으로 적층된 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4)을 이 순서로 구비하는 클래드판(1)이다. 제1층(2) 및 제3층(4)은, 담금질 경화한 탄소강 또는 마르텐사이트계 스테인리스강이며, 동일한 재료로 이루어진다. 제2층(3)은 알루미늄 합금으로 이루어진다. 400℃에 있어서의 알루미늄 합금의 내력은 10MPa 초과이다. 완전 소둔 후의 상온에 있어서의 알루미늄 합금의 내력은, 담금질 경화한 탄소강 또는 마르텐사이트계 스테인리스강의 내력의 1/10 이하이다. 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 잔류 응력의 차는 150MPa 이내이다.

Description

클래드판과 그 제조 방법
본 발명은, 클래드판과 그 제조 방법에 관한 것이다.
기계 부품의 슬라이딩 부재(예를 들면, 감속 장치의 로터판이나 클러치판 등)의 소재로서 이용되는 금속판은, 높은 내마모성의 표면을 가짐으로써, 슬라이딩시의 마찰에 의한 손상을 일으키지 않는 것이 요구된다.
이 금속판은, 열전도성이 뛰어남으로써, 마찰에 의해 발생하는 열을 효율적으로 방산할 수 있는 것이 요구된다. 이 금속판은, 압력이나 열사이클 등의 슬라이딩 환경이 가혹한 경우에는, 높은 면압과 열사이클에 의한 변형에 대한 높은 저항성이 요구된다.
적어도 표면에 이용하는 금속재료의 경도를 높게 하는 것이, 내마모성이 뛰어난 표면을 갖는 슬라이딩 부재를 얻기 때문에 유효하다. 이 경도는, JIS Z2244:2009에 규정되는 비커스 경도로 350Hv 이상인 것이 바람직하다. 담금질 경화한 탄소강판 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판이 뛰어난 내마모성을 갖는 금속판으로서 알려진다.
단일의 재료로 이루어지는 이들 금속판의 열전도성은 낮다. 이들 금속판은, 슬라이딩시에 발생하는 열을 충분히 방산할 수 없기 때문에, 열변형을 일으키고, 또는, 소부에 의해 손상된다.
뛰어난 내마모성을 갖는 금속판과 뛰어난 열전도성을 갖는 금속판을 적층하여 접합한 클래드판이, 뛰어난 내마모성을 갖는 금속판의 열전도성을 개선하기 때문에 유효하다.
본 발명자는, 특허 문헌 1에 의해, 3층으로 이루어지는 뛰어난 내마모성 및 열전도성을 갖는 클래드판을 개시했다. 3층은, 적어도 한쪽의 표면의 경도가 비커스 경도로 350Hv 이상인 금속층과, 알루미늄 또는 알루미늄 합금층과, 임의의 금속층이다.
일본국 특허공개 2005-21899호 공보
본 발명자가 검토한 결과, 특허 문헌 1에 의해 개시된 클래드판은, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에서 사용되는 슬라이딩 부재의 소재로서 이용되면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금층이 높은 면압에 의해 압축하여 변형될 우려가 있는 것, 및, 휨이 열사이클에 의해 발생할 우려가 있는 것이 판명되었다. 특히, 발생한 휨량이 크면 슬라이딩 부재가 다른 부재와 간섭하고, 기계 부품을 사용할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은, 뛰어난 내마모성을 갖는 고경도의 금속재료로 이루어지는 표층과, 뛰어난 열전도성을 갖는 중간층을 갖는 클래드판으로서, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에 있어서, 중간층이 높은 면압에 의해 압축하여 변형되는 것, 및, 휨이 열사이클에 의해 발생하는 것을 모두 방지할 수 있는 클래드판과, 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 목적은, 마찰 압력 및 마찰열에 의한 변형에 대해서 높은 저항성을 갖기 때문에, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에서 사용되는 슬라이딩 부재의 소재로서 적합하게 이용되는 클래드판과, 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자는, 이하에 열기의 지견 A~E를 얻어, 본 발명을 완성했다.
(A) 제1층(표층), 제2층(중간층) 및 제3층(표층)의 3층으로 이루어지는 클래드판이, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에서 사용되는 슬라이딩 부재의 소재로서 이용된다.
(B) 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강으로서, 동일한 재료가, 제1층 및 제3층으로서 이용된다.
(C) 알루미늄 합금이 제2층으로서 이용된다. 400℃에 있어서의 이 알루미늄 합금의 내력은 10MPa 초과이다. 또한, 완전 소둔 후의 상온에 있어서의 이 알루미늄 합금의 내력은, 제1, 3층을 구성하는 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강의 내력의 1/10 이하이다.
(D) 제1층 및 제3층 각각의 잔류 응력의 차이의 절대값은 150MPa 이내이다. 이로 인해, 슬라이딩 부재로서 사용 중에 있어서의 휨(열변형)의 발생이 실질적으로 방지된다.
(E) 이들 제1층, 제2층 및 제3층을 갖는 클래드판은, 높은 면압이나 열사이클에 노출되었을 때에도, 슬라이딩 부재의 변형을 실질적으로 방지할 수 있다.
본 발명은 이하에 열기한 바와 같다.
(1) 판두께 방향으로 적층된 제1층, 제2층 및 제3층을 이 순서로 구비하는 클래드판으로서,
상기 제1층 및 상기 제3층은, 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강이며, 동일한 재료로 이루어지고,
상기 제2층은 알루미늄 합금으로 이루어지고,
400℃에 있어서의 상기 알루미늄 합금의 내력은 10MPa 초과이며,
완전 소둔 후의 상온에 있어서의 상기 알루미늄 합금의 내력은, 상기 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강의 내력의 1/10 이하인 것과 더불어,
상기 제1층 및 상기 제3층 각각의 잔류 응력의 차의 절대값은 150MPa 이내인, 클래드판.
(2) 상기 알루미늄 합금은, JIS H4000:2014에 규정되는 3000계 알루미늄 합금 또는 5000계 알루미늄 합금인, 1항에 기재된 클래드판.
(3) 상기 제1층 및 상기 제3층의 경도는 모두, JIS Z2244:2009에 규정되는 비커스 경도로 350Hv 이상인, 1 또는 2항에 기재된 클래드판.
(4) 하기 마찰 시험에 의해 측정되는 휨량은 1.5㎜ 이하인, 1 또는 2항에 기재된 클래드판.
마찰 시험:클래드판을 직경 100㎜의 디스크로 가공하고, 디스크의 최외주로부터 반경 방향으로 10㎜ 떨어진 위치를, 재질:JIS G4805:2008에 규정되는 SUJ2, 및 단면적:1㎠의 2개의 핀 사이에 끼워 100N의 하중을 부하하면서, 디스크를 100rpm으로 회전시켜, 디스크의 표면 온도가 300℃에 도달한 시점에서 하중을 1000N으로 높여 제동하는 것을 10사이클 간 후, 디스크를 정반(定盤) 상에 평평하게 놓고, 디스크가 정반의 표면으로부터 떨어진 양의 최대치인 휨량을 측정한다.
(5) 상기 제1층 및 상기 제3층과 상기 제2층의 접합 강도는 10N/㎜ 이상인, 1 또는 2항에 기재된 클래드판.
(6) 제1의 담금질 경화한 탄소강판 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판과, 알루미늄 합금판과, 상기 제1의 담금질 경화한 탄소강판 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판과 동일한 재료로 구성되는 제2의 담금질 경화한 탄소강판 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판을, 250~430℃로 가열하고, 이 순서로 적층하여 적층체로 만드는 적층 공정과,
상기 적층체를 압하율 10% 이상으로 접합 압연하여, 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강으로 이루어지는 제1층과, 알루미늄 합금으로 이루어지는 제2층과, 상기 제1층과 동일한 재료로 이루어지는 제3층을 갖는 클래드대(帶)로 만드는 제1 압연 공정과,
상기 클래드대에 300~500℃에서 3분간 이상 유지하는 제1 열처리를 행하는 제1 열처리 공정과,
상기 제1 열처리가 행해진 클래드대를, 10kg/㎟ 이상의 전방 장력 및 후방 장력을 부여하면서 2.0% 이상 파단 신장률값 이하의 압하율로 압연하는 제2 압연 공정과,
상기 전방 장력 및 상기 후방 장력이 부여되면서 압연된 클래드대에 300~500℃에서 3분간 이상 유지하는 제2 열처리를 행하는 제2 열처리 공정을 포함하는, 클래드판의 제조 방법.
단, 상기 전방 장력 및 상기 후방 장력의 값은, 상기 클래드대에 있어서의 상기 제1층 및 제3층의 단면적에 의거하여 구해진다.
(7) 상기 전방 장력은 15kg/㎟ 이상인, 6항에 기재된 클래드판의 제조 방법.
(8) 상기 제2 열처리가 행해진 클래드대를 레벨러에 의해 평탄 교정하는 평탄 교정 공정을 포함하는, 6 또는 7항에 기재된 클래드판의 제조 방법.
본 발명에 따른 클래드판은, 마찰 압력과 마찰열에 의한 사용 중의 변형에 대해서 높은 저항성을 갖는다. 본 발명에 따른 클래드판은, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에서 사용되는 슬라이딩 부재의 소재로서 이용되는 경우에, 높은 면압에 의해 제2층이 압축하여 변형되는 것이나, 휨이 열사이클에 의해 발생하는 것을 실질적으로 방지할 수 있다.
이 때문에, 본 발명에 따른 클래드판은, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에서 사용되는 슬라이딩 부재의 소재로서 적합하게 이용된다.
도 1은, 본 발명에 따른 클래드판의 일례의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
1. 본 발명에 따른 클래드판(1)
(1) 전체 구성
도 1은, 본 발명에 따른 클래드판(1)의 일례의 전체 구성을 나타내는 설명도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 클래드판(1)은, 제1층(표층)(2), 제2층(중간층)(3) 및 제3층(표층)(4)을 구비한다. 제2층(3)은, 두면 중 한쪽의 면을 개재하여 제1층(2)과 접합된다. 제2층(3)은, 두면 중 다른쪽의 면을 개재하여 제3층(4)과 접합된다.
클래드판(1)은, 내마모성이 뛰어난 고경도 금속으로 이루어지는 제1층(2) 및 제3층(4)을 표층으로서 갖는다. 또한, 클래드판(1)은, 열전도성이 뛰어난 알루미늄 합금으로 이루어지는 제2층(3)을 중간층으로서 갖는다.
예를 들면, 고경도 금속 및 알루미늄의 2층으로 이루어지는 클래드판, 혹은, 제1층(2) 및 제3층(4)에 열팽창율이 다른 금속을 갖는 3층으로 이루어지는 클래드판은, 바이메탈 효과에 의한 열변형이 슬라이딩 부재로서 사용 중에 발생하기 때문에, 열사이클에 의한 변형을 억제할 수 없다.
이 때문에, 본 발명에 따른 클래드판(1)은, 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4)의 3층으로 이루어지는 클래드판이다. 제1층(2) 및 제3층(4)은, 모두, 담금질 경화한 탄소강 혹은 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강이며, 동일한 재료로이루어진다. 또한, 제2층(3)은 알루미늄 합금으로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 「제1층(2) 및 제3층(4)은 동일한 재료로 구성된다」란, 제1층(2) 및 제3층(4)이 모두 담금질 경화한 탄소강들, 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강들이며, 금속 조직으로서의 상이나 강도가 공업적인 제조 편차의 범위 내에서 동일한 것을 의미하고, 화학 조성이 완전하게 동일한 것을 의미하지 않는다.
(2) 제1층(2), 제3층(4)
제1층(2) 및 제3층(4)은 모두 담금질 경화한 탄소강 혹은 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강(이후의 설명에서는 「담금질 경화강」이라고 총칭한다)이며, 동일한 재료로 이루어진다.
담금질 경화강을, 제1층(2) 및 제3층(4)으로서 이용하는 이유는,
(a) 담금질 경화강이 뛰어난 내마모성을 발휘할 수 있는, 350Hv 이상의 비커스 경도가 용이하게 얻어지는 것, 및
(b) 클래드판(1)의 사용 온도 범위(상온~400℃, 또한 단시간에 한해서 허용되는 최고 도달 온도인 500℃의 범위)에서의 변형 원인인, 온도 이력에 기인한 특성의 변화가, 사용 전에 미리 300~500℃에서 열처리하여 시효 경화시킴으로써, 비교적 작게 억제되는 것이다.
제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 잔류 응력의 차는, 150MPa 이내이며, 작은 값으로 억제된다. 이로 인해, 클래드판(1)은, 슬라이딩 부재로서 사용 중에 있어서의 휨을 실질적으로 방지할 수 있다. 이 잔류 응력의 차는, 바람직하게는 100MPa 이내이며, 더 바람직하게는 80MPa 이내이다.
클래드판(1)의 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 잔류 응력은, 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 외표면에 있어서의 압연 방향과 평행한 방향의 응력에 대해 측정하고, X선 회절 장치를 이용한 병경법(竝傾法) 측정에 의해 얻어지는 2θ-sin2ψ선도의 구배로부터 산출한다. 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 잔류 응력의 차는, 제1층(2)의 외표면에 있어서의 잔류 응력으로부터 제3층(4)의 외표면에 있어서의 잔류 응력을 감산함으로써 얻어진다.
(3) 제2층(3)
제2층(3)은 알루미늄 합금으로 이루어진다. 400℃에 있어서의 이 알루미늄 합금의 내력은 10MPa 초과이다. 또한, 완전 소둔 후의 상온에 있어서의 이 알루미늄 합금의 내력은, 담금질 경화강의 내력의 1/10 이하이다.
동, 알루미늄, 동 합금 또는 알루미늄 합금이 제2층(중간층)(3)에 이용하는 열전도성이 뛰어난 금속으로서 고려된다. 대기 중에서의 온간 압연 접합이 가능한 알루미늄 합금이, 클래드판의 제조성의 관점으로부터, 바람직하다.
400℃(클래드판(1)의 계속적인 사용 온도 범위의 상한)에 있어서, 제2층(3)의 내력이 10MPa를 밑돌면, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에 있어서 슬라이딩 부재의 온도가 상승한 경우에, 제2층(3)이 높은 마찰력과 마찰 발열에 의해 압축의 소성변형을 일으키고, 슬라이딩 부재가 변형될 우려가 있다. 이 때문에, 클래드판(1)의 제2층(3)은, JIS H4000:2014에 의해 규정되는 순알루미늄(1000번계)이 아니라, 알루미늄 합금으로 이루어진다.
400℃에 있어서의 제2층(3)의 내력은, 바람직하게는 12MPa 이상이며, 더 바람직하게는 15MPa 이상이다.
또한, 중간층인 제2층(3)으로서 이용하는 알루미늄 합금의 내력은, 제1층(2), 제3층(4)으로서 이용하는 담금질 경화강의 내력의 1/10 이하이다. 이로 인해, 슬라이딩 중의 열이력에 의해 슬라이딩 부재가 가열되어 제1층(2), 제3층(4)과 제2층(3)의 사이에 열팽창차가 발생해도, 내력이 작은 알루미늄 합금으로 이루어지는 제2층(3)이 소성 변형하여 응력을 해방하고, 휨이 경감된다.
알루미늄 합금의 내력은 제1층(2), 제3층(4)으로서 이용하는 담금질 경화강의 내력의 1/12.5 이하인 것이 바람직하다.
특히, 사용 개시 전부터 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 두께가 다른 경우, 또는, 사용 중의 마모에 의해 제1층(2) 및 제3층(4) 각각이 불균일하게 감육했기 때문에 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 두께가 다른 경우라도, 제2층(3)의 알루미늄 합금의 내력이 제1층(2), 제3층(4)의 담금질 경화강의 내력에 비해 충분히 작기 때문에, 슬라이딩 부재의 변형이 경감된다.
JIS H4000:2014에 의해 규정되는 3000계나 5000계의 비열처리형 알루미늄 합금을 제2층(3)에 이용하는 것이, 제2층(3)에 요구되는 특성을 만족하기 때문에, 바람직하다.
두랄루민으로 대표되는 2000계, 6000계, 7000계의 열처리형(석출 경화형) 알루미늄 합금의 내력은 높다. 그러나, 열처리형 알루미늄 합금의 강도는, 클래드판(1)의 사용 온도 범위(상온~500℃)에서 크게 변화한다. 이 때문에, 열처리형 알루미늄 합금을 제2층(3)에 이용하는 것은 바람직하지 않다.
제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각의 두께는, 슬라이딩 부재에 요구하는 성능을 감안하여 적절히 설정하면 된다. 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 두께는, 휨을 경감하기 위해 같은 것이 바람직하다. 예를 들면, 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 두께:0.2~1.0㎜, 제2층의 두께:0.5~1.0㎜이다.
2. 클래드판(1)의 제조 방법
(1) 전체 공정
클래드판(1)을 제조하는 방법은, 특허 문헌 1에 의해 개시된 방법과 대체로 같다. 차이점은, 클래드대에 전방 장력을 높여 제2 압연을 행하는 것, 및, 필요에 따라서, 최종 공정에서 레벨러에 의해 평탄 교정하는 것이다.
［적층 공정］
제1층(2)의 소재(경도가 비커스 경도로 350Hv 이상인 담금질 경화한 탄소강판 혹은 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판, 이후의 설명에서는 「담금질 경화 강판」이라고 총칭한다)와, 제2층(3)의 소재(알루미늄 합금판)와, 제3층(4)의 소재(제1층(2)과 동일 재료로 구성되는 담금질 경화 강판)를 개별적으로 250~430℃로 가열하고, 이 순서로 적층하여 적층체로 만드는 공정,
［제1 압연 공정］
적층체를 압하율 10% 이상으로 접합 압연(제1 압연)하여, 담금질 경화강으로 이루어지는 제1층과, 알루미늄 합금으로 이루어지는 제2층과, 제1층과 동일한 재료로 이루어지는 제3층을 갖는 클래드대로 만드는 공정,
［제1 열처리 공정］
클래드대에, 300~500℃에서 3분간 이상 유지하는 제1 열처리를 행하는 공정,
［제2 압연 공정］
제1 열처리가 행해진 클래드대에, 10kg/㎟ 이상의 전방 장력 및 후방 장력을 부여하여 2.0% 이상 파단 신장률값 이하의 압하율로 제2 압연을 행하는 공정, 및
［제2 열처리 공정］
제2 압연이 행해진 클래드대에, 300~500℃에서 3분간 이상 유지하는 제2 열처리를 행하는 공정
을 거쳐, 클래드판(1)이 제조된다. 필요에 따라서, 추가로
［평탄 교정 공정］
제2 열처리가 행해진 클래드대를 레벨러에 의해 평탄 교정하는 공정
을 거쳐도 된다. 이하, 각 공정을 순차적으로 설명한다.
(2) 적층 공정 및 제1 압연 공정
처음에, 제1층(2)의 소재인 담금질 경화 강판과, 제2층(3)의 소재인 알루미늄 합금판과, 제1층(2)과 동일 재료로 구성되는 제3층(4)의 소재인 담금질 경화 강판을, 개별적으로, 250℃ 이상 430℃ 이하로 가열하고, 이 순서로 적층하여 적층체로 한다. 그리고, 이 적층체를 압하율 10% 이상으로 접합 압연(제1 압연)하여 클래드대로 한다.
가열 온도가 250℃ 미만인 경우, 접합계면의 화학적인 활성을 충분히 얻을 수 없다. 한편, 가열 온도가 430℃ 초과인 경우, 두꺼운 산화 피막이 제1층(2), 제2층(3), 제3층(4)의 소재의 표면에 형성되고, 접합이 저해된다. 이 때문에, 어느 경우에도 충분한 접합 강도를 얻을 수 없다. 따라서, 가열 온도는 250~430℃이다. 가열 온도는, 바람직하게는 300℃ 이상이며, 바람직하게는 400℃ 이하이다.
제1 압연은, 제1층(2)의 소재, 제2층(3)의 소재 및 제3층(4)의 소재를 가접합 상태로 하고, 제1 압연 후의 제1 열처리에 의해 상호 확산을 진행시키기 위해, 행한다. 그러나, 제1 압연의 압하율이 10% 미만이면, 제1 열처리를 행해도 상호 확산이 접합계면에서 충분히 진행하지 않는다
따라서, 제1 압연의 압하율은, 10% 이상이며, 바람직하게는 20% 이상이다. 제1 압연의 압하율의 상한은 한정하지 않는다. 제1 압연의 압하율은, 압연기에의 부하의 증대나, 제품 형상의 확보의 곤란성의 관점에서, 바람직하게는 60% 이하이며, 바람직하게는 50% 이하이다. 또한, 압하율(%)은, 100×｛(적층체의 판두께)-(클래드대의 판두께)｝/(적층체의 판두께)로 하여 구해진다.
적층 공정 및 제1 압연 공정에서는, 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각의 소재를 적층한 적층체가 대기중에서 온간 압연 접합된다. 이로 인해, 적층체는, 담금질 경화강으로 이루어지는 제1층과, 알루미늄 합금으로 이루어지는 제2층과, 제1층과 동일한 재료로 이루어지는 제3층을 갖는 클래드대로 된다.
클래드판(1)을 구성하는 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재(담금질 경화 강판)는, 제2층(3)의 소재(알루미늄 합금판)에 비해 특히 고강도이다. 이 때문에, 제2층(3)의 소재(알루미늄 합금판)만이 접합 압연시에 전신한다.
클래드 접합에 필요한 신생 표면이, 클래드판(1)을 구성하는 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재(담금질 경화 강판)에는 대부분 생성되지 않는다. 이 때문에, 제1 압연을 완료한 클래드대는 충분한 접합 강도를 갖지 않는다. 제1층(2)의 소재, 제2층(3)의 소재 및 제3층(4)의 소재는 가접합 상태에 있다.
(3) 제1 열처리 공정 및 제2 압연 공정
300℃ 이상 500℃ 이하에서 3분간 이상 유지하는 제1 열처리가, 제1 압연 공정을 거쳐 얻어진 클래드대에 행해진다. 또한, 제2 압연이 제1 열처리가 행해진 클래드대에 행해진다. 제2 압연은, 압하율:2.0% 이상 파단 신장률값 이하, 전방 장력(압연기 출구측에서 압연 방향을 향한 장력) 및 후방 장력(압연기 입구측에서 압연 방향과 반대의 방향을 향한 장력):10kg/㎟ 이상의 조건으로 행해진다. 단, 전방 장력 및 후방 장력의 값은, 클래드대의 제1층 및 제3층의 단면적에 의거하여 구해진다.
제1 열처리는, 접합계면에서의 상호 확산을 진행시키기 위해 행한다. 높은 접합 강도가, 제1 열처리를 행한 후에 후술의 제2 압연 및 제2 열처리를 행함으로써 얻어진다.
그러나, 제1 열처리의 온도가 300℃ 미만인 경우에는, 접합계면에서의 상호 확산이 진행하지 않는다. 한편, 제1 열처리의 온도가 500℃를 초과하는 경우에는, 무른 금속간 화합물이 접합계면에 생성된다. 이 때문에, 어느 경우에도 최종적으로 충분한 접합 강도를 얻을 수 없다. 제1 열처리의 온도는, 바람직하게는 320℃ 이상이며, 바람직하게는 400℃ 이하이다.
또, 접합계면의 상호 확산은 단시간의 열처리에서도 진행한다. 3분간 이상, 바람직하게는 10분간 이상의 열처리 시간이, 접합계면 전체에서 균질하게 상호 확산시키기 때문에 유효하다. 따라서, 제1 열처리는, 300~500℃에서 3분간 이상 유지함으로써 행한다. 또한, 제1 열처리의 시간은, 제조 코스트의 관점에서, 바람직하게는 2시간 이하이다.
상술한 바와 같이, 이 제2 압연 전의 클래드대는, 제1 열처리에 의해 접합계면에서의 상호 확산이 진행한 상태에 있다. 이 때문에, 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재(담금질 경화 강판)와, 제2층(3)의 소재(알루미늄 합금판)는, 어느 정도의 접합 강도(예를 들면 3N/㎜ 이상)로 접합된다. 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각의 소재가, 이 상태의 클래드대에 제2 압연을 행함으로써, 대략 같은 압하율로 전신한다. 이로 인해, 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재의 표면에 있어서의 신생 표면이 효율적으로 생성된다.
제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각의 개별 압하율은 모두 총압하율과 거의 같다. 이 때문에, 신생 표면이 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재의 표면에 총압하율과 같은 비율로 생성되고, 접합이 진행한다.
그러나, 제2 압연의 압하율이 2.0% 미만이면, 제2 압연 후에 제2 열처리를 행해도, 클래드판(1)의 접합 강도가 10N/㎜를 밑돈다. 이 때문에, 제2 압연의 압하율은, 2.0% 이상이며, 바람직하게는 3.0% 이상이다.
한편, 제1 열처리 후의 클래드대의 파단 신장률값을 초과하는 압하율로 제2 압연을 행하면, 제1층(2) 및 제3층(4)에 단속적인 균열이 발생하고, 클래드대의 접합계면이 박리한다. 이 때문에, 제2 압연의 압하율은, 제1 열처리 후의 클래드대의 파단 신장률값 이하이다.
또한, 제2 압연의 압하율(%)은, 100×｛(제2 압연 전의 클래드대의 판두께)-(제2 압연 후의 클래드대의 판두께)｝/(제2 압연 전의 클래드대의 판두께)로 하여 구해진다.
이와 같이, 클래드대는, 제1 열처리를 행함으로써, 계속해서 행해지는 제2 압연에 견딜 수 있는 접합 강도를 갖는다. 그리고, 클래드대에 제2 압연을 행함으로써, 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재(담금질 경화 강판)가 전신한다. 이로 인해, 신생 표면이 접합계면에 발생한다.
클래드대에 전방 장력을 높여 제2 압연을 행하는 이유는, 제2 압연에 의해 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재에 부여되는 가공 왜곡을 균일화하고, 이로 인해, 클래드판(1)의 표면, 이면을 이루는 제1층(2), 제3층(4)의 잔류 응력의 차의 절대값을 작게 하기 위해서이다.
압연 롤의 직하에서의 클래드대의 변형에 필요로 하는 압하력이 후방 장력의 증가에 따라 감소하고, 판두께가 보다 작은 압하력으로 감소한다. 이에 대해, 압연된 클래드대의 제1층 및 제3층 각각에 내재하는 잔류 응력의 차가 전방 장력의 증가에 따라 작아지고, 클래드판(1)의 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 표층에 있어서의 잔류 응력의 차가 150MPa 이내로 작아진다.
일반적으로, 금속판의 냉간압연에서는, 압연 부하를 경감하기 위해 후방 장력을 높인다. 이에 대해, 본 발명에서는, 전방 장력을 높여 제2 압연을 행함으로써, 제1층(2) 및 제3층(4) 각각에 부여되는 가공 왜곡을 균일화한다.
전방 장력 및 후방 장력의 값은, 모두, 클래드대에 있어서의 제1층 및 제3층의 단면적에 의거하여 구해지고, 10kg/㎟ 이상이다. 전방 장력은, 바람직하게는 15kg/㎟ 이상이다. 또한, 전방 장력은, 너무 강하게 하면 판폭 방향의 축소 변형에 기인하여 폭 휨을 일으킬 우려가 있기 때문에, 바람직하게는 35kg/㎟ 이하이다.
(4) 제2 열처리 공정 및 평탄 교정 공정
클래드판(1)은, 300~500℃에서 3분간 이상 유지하는 제2 열처리를 행함으로써 제조된다. 제2 열처리의 목적은, 클래드판(1)으로서 필요한 접합 강도를 확보하는 것, 및, 슬라이딩 부재로서의 사용에 앞서 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각을 미리 균질화함으로써, 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각의 강도를 사용중의 열사이클에 의해 변동시키지 않는 것이다.
클래드대의 접합 강도는, 제2 압연 및 제2 열처리를 행함으로써, 급격하게 증가한다. 신생 표면이, 제2 압연이 행해진 채의 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 소재의 접합 계면에 생성된다. 그러나, 상호 확산이 이 접합계면에 진행되어 있지 않다. 이 때문에, 제2 압연 후의 클래드대의 접합 강도는 작다. 이 클래드대에 제2 열처리를 행함으로써 접합계면에 상호 확산이 진행되고, 접합 강도가 증가한다.
그러나, 제2 열처리의 온도가 300℃ 미만인 경우에는, 접합계면에서의 상호 확산이 진행되지 않는다. 한편, 제2 열처리의 온도가 500℃를 초과하는 경우, 무른 금속간 화합물이 접합계면에 생성된다. 따라서, 어느 경우에도 충분한 접합 강도를 얻을 수 없다. 제2 열처리의 온도는, 바람직하게는 300℃ 이상이며, 바람직하게는 400℃ 이하이다.
여기서, 3분간 이상의 열처리 시간이 접합계면 전체에 균질한 상호 확산을 얻기 때문에 유효하다. 따라서, 제2 열처리는, 300~500℃에서 3분간 이상, 바람직하게는 10분간 이상 유지함으로써 행한다. 또한, 제조 코스트의 관점에서는, 제2 열처리의 시간은 2시간 이하인 것이 바람직하다.
또, 제2 열처리는, 마르텐사이트계 스테인리스강에 있어서는 300~500℃에서 진행하는 시효경화를 미리 발생시키고, 또, 알루미늄 합금에 있어서는 300~500℃에서 진행하는 연화 열처리를 미리 발생시킨다. 이로 인해, 클래드판(1)의 실제의 사용시에 있어서의 열사이클에 의한 특성의 변화가 방지된다.
제2 열처리를 행한 후에, 필요에 따라서, 레벨러에 의한 평탄 교정을 행하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 상기 특성의 변화에 의해 발생하는 내부 응력의 밸런스의 왜곡이 균질화된다.
이와 같이 하여, 내마모성이 뛰어난 표층인 제1층(2) 및 제3층(4)과, 열전도성이 뛰어난 중간층인 제2층(3)을 갖는 클래드판(1)이 제조된다.
클래드판(1)은, 특히 가혹한 슬라이딩 환경하에서 사용되는 경우에 있어서의 높은 면압에 의해, 알루미늄 합금으로 이루어지는 제2층(3)이 압축하여 변형하는 것, 및 열사이클에 의해 휨이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
실시예
표 1에 나타내는 바와 같이, 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각의 소재의 구성과 제조 조건을 여러 가지 변경함으로써, 도 1에 나타내는 클래드판(1)을 작성하고, 얻어진 클래드판(1)의 제1층(2)의 비커스 경도 및 접합 강도와, 제1층(2) 및 제3층(4)의 잔류 응력차를 측정했다. 잔류 응력차는 상술한 방법에 의해 구했다. 또, 제2 압연의 전방 장력, 후방 장력은, 각각 릴 모터의 전력값으로부터의 환산에 의해 구했다.
또, 클래드판(1)에 상기 마찰 시험을 행하여, 상기 휨량을 측정했다. 이 휨량이 1.5㎜를 초과한 경우를 불량으로서 판정했다.
시험의 조건 및 결과를 표 1에 정리하여 나타낸다. 표 1에 있어서의 번호 1~5, 12는, 본 발명의 규정을 모두 만족하는 본 발명예이며, 번호 6~11, 13~15는, 본 발명의 규정을 만족하지 않는 비교예이다.
[표 1]
Figure pct00001
표 1에 나타내는 바와 같이, 번호 1~5, 12의 본 발명예는, 모두, 휨량이 1.5㎜ 이하의 목표치로 억제되어 있다. 또한, 번호 12의 본 발명예는, 레벨러에 의한 평탄 교정을 행하지 않았기 때문에, 휨량이 1.5㎜로 약간 커졌지만, 합격 레벨이었다.
이에 반해, 번호 6의 비교예는, 제1층의 비커스 경도가 320Hv로 본 발명의 범위에 이르지 않기 때문에, 마찰 시험에 의해 디스크의 표면(제1층(2) 및 제3층(4))이 마모하고, 7사이클째에서 파손했다.
번호 7의 비교예는, 제1층(2) 및 제3층(4)이 다른 재료로 이루어지기 때문에 휨량이 3.5㎜가 되었다.
번호 8의 비교예는, 제2층(3) 및 제3층(4)의 가열 온도가 본 발명의 범위에 이르지 않기 때문에 접합 강도가 낮고, 마찰 시험의 3사이클째에서 박리를 일으켜 파손했다.
번호 9의 비교예는, 제1 압연의 압하율이 본 발명의 범위에 이르지 않기 때문에, 미접합이며, 이후의 실험을 중지했다.
번호 10의 비교예는, 제2 압연에 있어서의 전방 장력이 본 발명의 범위에 이르지 않기 때문에 제1층(2) 및 제3층(4)에 부여되는 가공 왜곡이 균일해지지 않고, 제1층(2) 및 제3층(4) 각각의 잔류 응력의 차의 절대값이 본 발명의 범위의 상한을 초과하고, 휨량이 1.7㎜가 되었다.
번호 11의 비교예는, 제2 열처리의 온도가 본 발명의 범위에 이르지 않기 때문에 제1층(2), 제2층(3) 및 제3층(4) 각각의 재료 특성이 균일화되지 않고, 휨량이 1.9㎜가 되었다.
번호 13, 15의 비교예는, 제2층(3)으로서 이용하는 알루미늄 합금의 400℃에 있어서의 내력이 본 발명의 범위에 이르지 않기 때문에, 휨량이 각각 2.7㎜, 3.3㎜가 되었다.
또한, 번호 14, 15의 비교예는, 제2층(3)으로서 이용하는 알루미늄 합금의 상온에 있어서의 내력이 본 발명의 범위를 웃돌기 때문에, 휨량이 각각 2.1㎜, 3.3㎜가 되었다.
1: 본 발명에 따른 클래드판 2: 제1층
3: 제 2층 4: 제3층

Claims (8)

  1. 판두께 방향으로 적층된 제1층, 제2층 및 제3층을 이 순서로 구비하는 클래드판으로서,
    상기 제1층 및 상기 제3층은, 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강이며, 동일한 재료로 이루어지고,
    상기 제2층은 알루미늄 합금으로 이루어지고,
    400℃에 있어서의 상기 알루미늄 합금의 내력은 10MPa 초과이며,
    완전 소둔 후의 상온에 있어서의 상기 알루미늄 합금의 내력은, 상기 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강의 내력의 1/10 이하인 것과 더불어,
    상기 제1층 및 상기 제3층 각각의 잔류 응력의 차는 150MPa 이내인, 클래드판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은, JIS H4000:2014에 규정되는 3000계 알루미늄 합금 또는 5000계 알루미늄 합금인, 클래드판.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1층 및 상기 제3층의 경도는 모두, JIS Z2244:2009에 규정되는 비커스 경도로 350Hv 이상인, 클래드판.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    하기 마찰 시험에 의해 측정되는 휨량은 1.5㎜ 이하인, 클래드판.
    마찰 시험:클래드판을 직경 100㎜의 디스크로 가공하고, 디스크의 최외주로부터 반경 방향으로 10㎜ 떨어진 위치를, 재질:JIS G4805:2008에 규정되는 SUJ2, 및 단면적:1㎠의 2개의 핀 사이에 끼워 100N의 하중을 부하하면서, 디스크를 100rpm으로 회전시켜, 디스크의 표면 온도가 300℃에 도달한 시점에서 하중을 1000N으로 높여 제동하는 것을 10사이클 행한 후, 디스크를 정반(定盤) 상에 평평하게 놓고, 디스크가 정반의 표면으로부터 떨어진 양의 최대치인 휨량을 측정한다.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1층 및 상기 제3층과 상기 제2층의 접합 강도는 10N/㎜ 이상인, 클래드판.
  6. 제1의 담금질 경화한 탄소강판 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판과, 알루미늄 합금판과, 상기 제1의 담금질 경화한 탄소강판 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판과 동일한 재료로 구성되는 제2의 담금질 경화한 탄소강판 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스 강판을, 250~430℃로 가열하고, 이 순서로 적층하여 적층체로 만드는 적층 공정과,
    상기 적층체를 압하율 10% 이상으로 접합 압연하여, 담금질 경화한 탄소강 또는 담금질 경화한 마르텐사이트계 스테인리스강으로 이루어지는 제1층과, 알루미늄 합금으로 이루어지는 제2층과, 상기 제1층과 동일한 재료로 이루어지는 제3층을 갖는 클래드대(帶)로 만드는 제1 압연 공정과,
    상기 클래드대에 300~500℃에서 3분간 이상 유지하는 제1 열처리를 행하는 제1 열처리 공정과,
    상기 제1 열처리가 행해진 클래드대를, 10kg/㎟ 이상의 전방 장력 및 후방 장력을 부여하면서 2.0% 이상 파단 신장률값 이하의 압하율로 압연하는 제2 압연 공정과,
    상기 전방 장력 및 상기 후방 장력이 부여되면서 압연된 클래드대에 300~500℃에서 3분간 이상 유지하는 제2 열처리를 행하는 제2 열처리 공정을 포함하는, 클래드판의 제조 방법.
    단, 상기 전방 장력 및 상기 후방 장력의 값은, 상기 클래드대에 있어서의 상기 제1층 및 제3층의 단면적에 의거하여 구해진다.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전방 장력은 15kg/㎟ 이상인, 클래드판의 제조 방법.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 열처리가 행해진 클래드대를 레벨러에 의해 평탄 교정하는 평탄 교정 공정을 포함하는, 클래드판의 제조 방법.
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