KR20190116274A

KR20190116274A - 압연용 복합 롤 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20190116274A
Application number: KR1020197021631A
Authority: KR
Inventors: 야스노리 노자키; 노조무 오다; 도시유키 핫토리
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2019-10-14
Also published as: BR112019014439A2; JP6977738B2; EP3581288A4; WO2018147367A1; TWI744476B; US20210237134A1; JPWO2018147367A1; TW201840399A; BR112019014439B1; CN110290880B; KR102378993B1; EP3581288A1; US11192156B2; EP3581288B1; CN110290880A

Abstract

본 발명은, 외층과 내층이 용착 일체화되어 이루어지고, 외층이, 질량 기준으로 1∼3%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 0.1∼5%의 Ni와, 1∼7%의 Cr과, 1∼8%의 Mo와, 4∼7%의 V와, 0.005∼0.15%의 N과, 0.05∼0.2%의 B를 함유하는 Fe기 합금로 이루어지고, 내층이, 질량 기준으로 2.4∼3.6%의 C와, 1.5∼3.5%의 Si와, 0.1∼2%의 Mn과, 0.1∼2%의 Ni와, 0.7% 미만의 Cr과, 0.7% 미만의 Mo와, 0.05∼1%의 V와, 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하는 흑연주철로 이루어지고, 내층이 외층에 용착한 몸통심부와, 몸통심부의 양단으로부터 일체적으로 연장되는 축부를 가지고, 축부 중 적어도 한쪽이 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상 함유하는 압연용 복합 롤에 관한 것이다.

Description

압연용 복합 롤 및 그의 제조 방법

본 발명은, 내마모성 및 내사고성이 우수한 외층과, 강인하고 내마모성이 우수한 내층이 용착(溶着) 일체화된 압연용 복합 롤, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

열간 압연용 작업 롤로서, 원심 주조법에 의해 형성한 내마모성 철기 합금으로 이루어지는 외층과, 강인한 연성의(ductile) 주철로 이루어지는 내층을 용착 일체화한 원심 주조제 복합 롤이 널리 이용되고 있다. 원심 주조제 복합 롤에서는, 압연재와의 접촉에 의한 열적 및 기계적 부하에 의해 롤 외층에 마모 및 표면 거칠음 등의 손상이 일어나고, 압연재의 표면 품질의 열화의 원인으로 된다. 또한, 복합 롤이 열간 마무리 압연기의 후단에서 사용되는 경우, 압연재가 스탠드간을 이동할 때 겹쳐서 상하 롤간에 물려 들어가는 이른바 코블(cobble) 사고에 조우하는 경우가 있고, 이와 같은 코블 사고에서는 압연재가 롤 외층의 표면에 눌러붙기 때문에, 과대한 열적, 기계적 부하가 작용하고, 롤 외층 표면에 크랙이 발생하는 경우가 있다.

그러므로, 외층의 손상이 어느 정도 진행되면, 롤의 교환이 행해진다. 압연기로부터 분리한 롤은, 외층으로부터 손상부를 연마 제거한 후, 다시 압연기에 조립된다. 롤 외층으로부터 손상부를 연마 제거하는 것은 「개삭(damage-removing grinding)」이라고 불린다. 작업 롤은, 초기 직경부터 압연에 사용 가능한 최소 직경[폐각(discard) 직경]까지 개삭된 후, 폐각된다. 초기 직경부터 폐각 직경까지를 「압연 유효 직경」이라고 한다. 외층의 손상을 위해 개삭이 빈번하게 행해지면 압연의 중단에 의해 생산성이 저하되거나, 개삭에 의해 압연 유효 직경이 작아지게 되므로, 압연 유효 직경 내의 외층은, 큰 손상을 방지하기 위해 우수한 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성(surface roughening resistance)을 가지는 것이 바람직하다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 복합 롤(10)은 압연재와 접하는 외층(1)과, 외층(1)의 내면에 용착한 내층(2)으로 이루어진다. 내층(2)은 외층(1)과 상이한 재질로 이루어지고, 외층(1)에 용착한 몸통심(body core)부(21)와, 몸통심부(21)로부터 일체적으로 양측으로 연장되는 구동측 축부(22) 및 종동측 축부(23)로 이루어진다. 구동측 축부(22)의 단부에는, 구동 토르크 전달에 이용하는 클러치부(24)가 일체적으로 설치되어 있다. 또한, 종동측 축부(23)의 단부에는, 복합 롤(10)의 핸들링 등에 필요한 볼록형부(25)가 일체적으로 설치되어 있다. 클러치부(24)는 단면(端面)(24a)과, 구동 수단(도시하지 않음)과 걸어맞추어지는 한 쌍이 평탄한 절결면(24b, 24b)을 가지고, 볼록형부(25)는 단면(25a)을 가진다.

통상, 축부(22, 23)는, 외층(1)이 개삭를 반복하여 폐각에 이르는 동안, 보수 작업을 받지 않고 사용되고 있지만, 최근의 외층(1)의 장수명화에 수반하여, 축부의 손상이 진행되어, 압연 작업에 지장을 초래하는 경우도 있고, 축부의 손상을 원인으로서, 조기에 폐각하지 않으면 안되는 상황에 이르는 경우도 있었다. 특히, 모터측으로부터 구동 토르크가 전달되는 클러치부(24)를 가지는 구동측 축부(22)는, 커플링과의 슬라이딩이나 모터로부터의 구동 토르크에 의한 높은 응력을 받으므로, 손상이 발생하기 쉽고, 내구성이 가장 요구되는 부위이다.

상기한 축부의 손상 문제를 해결하기 위하여, 본 출원인은 국제출원 제2015/045720호에 의해, 종동측 축부의 가공성을 유지한 채 구동측 축부의 내마모성을 개선한 원심 주조제 복합 롤을 제안하였다. 이 원심 주조제 복합 롤은, 원심 주조법에 의해 형성한 외층과 연성의 주철로 이루어지는 내층이 용착 일체화된 것이고, 상기 외층은, 질량 기준으로 1.3∼3.7%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 1∼7%의 Cr과, 1∼8%의 Mo와, 2.5∼7%의 V, 0.1∼3%의 Nb 및 0.1∼5%의 W로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 일종으로서, V가 필수인 원소와, 0.01∼0.2%의 B 및/또는 0.05∼0.3%의 S를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금으로 이루어지고, 또한 흑연을 함유하지 않는 조직(組織)을 가지고, 상기 내층은, 상기 외층에 용착한 몸통심부와, 상기 몸통심부의 양단으로부터 일체적으로 연장되는 구동측 축부 및 종동측 축부를 가지고, 상기 구동측 축부의 단부에 있어서의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계량은 0.35∼2 질량%이고, 상기 종동측 축부의 단부에 있어서의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계량은 0.15∼1.8 질량%이며, 전자는 후자보다 0.2 질량% 이상 많다.

국제출원 제2015/045720호의 원심 주조제 복합 롤에서는, 축부의 내마모성이 개선되고 있지만, 최근의 몸통부의 장수명화에 대응하기 위해 가일층의 개선이 요망된다. 내층을 구성하는 연성 주철의 내마모성을 향상시키기 위해서는, 통상 연성의 주철에 V, Nb 등의 탄화물 형성 원소를 첨가하여, 시멘타이트가 아닌 경질 탄화물(MC 탄화물 등)을 정출시키는 것이 유효하지만, 이들 탄화물 형성 원소는, 연성 주철의 흑연화를 저해하고, 연성 주철의 신장을 저하시킨다. 따라서, 축부의 장수명화에는 한계가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은, 내마모성 및 내사고성이 우수한 외층과, 강인하고 내마모성이 우수한 내층이 용착 일체화된 압연용 복합 롤, 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 감안하여 예의(銳意) 연구한 결과, 본 발명자들은, 내층용의 용탕(溶湯)에 V 등의 탄화물 형성 원소를 원재료인 스크랩재 등으로부터 혼입되는 것 이외에 첨가하지 않고, 흑연주철제 축부 중 적어도 한쪽에 경질 MC 탄화물을 외층으로부터 적량 함유시키면, 축부의 강인성을 저하시키지 않고 내마모성을 현저하게 개선할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 상도(想到)하였다.

즉, 본 발명의 압연용 복합 롤은 외층과 내층이 용착 일체화하여 이루어지고,

상기 외층이, 질량 기준으로 1∼3%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 0.1∼5%의 Ni와, 1∼7%의 Cr과, 1∼8%의 Mo와, 4∼7%의 V와, 0.005∼0.15%의 N과, 0.05∼0.2%의 B를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금로 이루어지고,

상기 내층이, 질량 기준으로 2.4∼3.6%의 C와, 1.5∼3.5%의 Si와, 0.1∼2%의 Mn과, 0.1∼2%의 Ni와, 0.7% 미만의 Cr과, 0.7% 미만의 Mo와, 0.05∼1%의 V와, 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 흑연주철로 이루어지고,

상기 내층이 상기 외층에 용착한 몸통심부와, 상기 몸통심부의 양단으로부터 일체적으로 연장되는 축부를 가지고, 상기 축부 중 적어도 한쪽이 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 외층은 0.1∼3 질량%의 Nb를 더 함유하고, 또한 상기 내층은 0.5 질량% 미만의 Nb를 함유하는 것이 바람직하다.

상기 외층은 0.1∼5 질량%의 W를 더 함유하고, 또한 상기 내층은 0.7 질량% 미만의 W를 함유하는 것이 바람직하다.

상기 외층은 0.3 질량% 이하의 S를 더 함유할 수 있다.

상기 외층은, 질량 기준으로 0.1∼10%의 Co, 0.01∼0.5%의 Zr, 0.005∼0.5%의 Ti, 및 0.001∼0.5%의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 더 함유할 수 있다.

본 발명의 압연용 복합 롤의 제조 방법은,

(1) 회전하는 원심 주조용 원통형 주형으로 상기 외층을 원심 주조한 후,

(2) 상기 외층의 내면 온도가 950℃ 이상 1000℃ 미만일 때 상기 외층의 캐비티에 1330∼1400℃의 상기 내층용 용탕을 주입(鑄入)하고, 상기 외층의 내면을 두께 10∼30㎜만큼 재용융시키는 것을 특징으로 한다.

상기 내층용 용탕을 주입할 때의 상기 외층의 내면 온도는 960∼990℃인 것이 바람직하다.

상기 내층용 용탕는, 질량 기준으로 2.5∼3.6%의 C, 1.7∼3.3%의 Si, 0.1∼1.5%의 Mn, 0.1∼2%의 Ni, 0∼0.5%의 Cr, 0∼0.5%의 Mo, 및 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물인 조성을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의해, 외층이 우수한 내마모성과 내사고성을 가지고, 또한 내층 용탕에 V 등의 흑연화를 저해하는 탄화물 형성 원소를 첨가하지 않고, 흑연주철제 축부 중 적어도 한쪽에 경질 MC 탄화물을 많이 함유시키므로, 축부의 강인성을 저하시키지 않고 내마모성을 현저하게 개선한 압연용 복합 롤을 얻을 수 있다. 축부의 내마모성이 현저하게 개선되었기 때문에, 압연 롤로서의 가일층의 장수명화가 달성되고, 압연 작업의 비용 저감에 공헌한다.

[도 1] 복합 롤을 나타내는 개략 단면도이다.
[도 2] 도 1의 복합 롤의 클러치부측을 나타내는 부분 사시도이다.
[도 3a] 본 발명의 압연용 복합 롤의 제조에 사용하는 주형의 일례를 나타내는 분해 단면도이다.
[도 3b] 본 발명의 압연용 복합 롤의 제조에 사용하는 주형의 일례를 나타내는 단면도이다.
[도 4] 실시예 3의 압연용 복합 롤의 축부 단면의 알루미나 지립(砥粒) 연마후 무부식의 광학 현미경 사진이다.

본 발명의 실시형태를 이하 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 각종 변경을 해도 된다. 하나의 실시형태의 설명은, 특별히 단서가 없으면 다른 실시형태에도 적용된다. 다만, 「%」로 기재하고 있는 경우, 특별히 단서가 없으면 「질량%」를 의미한다.

[1] 압연용 복합 롤

(A) 외층

본 발명의 압연용 복합 롤을 구성하는 외층은, 질량 기준으로 1∼3%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 0.1∼5%의 Ni와, 1∼7%의 Cr과, 1∼8%의 Mo와, 4∼7%의 V와, 0.005∼0.15%의 N과, 0.05∼0.2%의 B를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금으로 이루어진다. 외층은 0.1∼3 질량%의 Nb를 더 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 외층은 0.1∼5 질량%의 W를 더 함유하는 것이 바람직하다. 외층은 0.3 질량% 이하의 S를 더 함유해도 된다. 또한, 외층은 질량 기준으로 0.1∼10%의 Co, 0.01∼0.5%의 Zr, 0.005∼0.5%의 Ti 및 0.001∼0.5%의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 함유해도 된다.

(1) 필수 원소

(a) C: 1∼3 질량%

C는 V, Cr 및 Mo와(Nb 및 W를 더 함유하는 경우에는 Nb 및 W와도) 결합하여 경질 탄화물을 생성하고, 외층의 내마모성 향상에 기여한다. C가 1 질량% 미만에서는 경질 탄화물의 정출량이 지나치게 적어 외층에 충분한 내마모성을 부여할 수 없다. 한편, C가 3 질량%를 초과하면 과잉한 탄화물의 정출에 의해 외층의 인성이 저하되고, 내크랙성이 저하되므로, 압연에 의한 크랙이 깊어지고, 개삭 시의 롤 손실량이 증가한다. C의 함유량의 하한은 바람직하게는 1.2 질량%이고, 보다 바람직하게는 1.5 질량%이다. 또한, C의 함유량의 상한은 바람직하게는 2.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 2.8 질량%이다.

(b) Si: 0.3∼3 질량%

Si는 용탕의 탈산에 의해 산화물의 결함를 감소시키고, 또한 기지(基地)에 고용(固溶)되어 내소부성(耐燒付性)을 향상시키고, 용탕의 유동성을 더 향상시켜 주조 결함를 방지하는 작용을 가진다. Si가 0.3 질량% 미만에서는 용탕의 탈산 작용이 불충분하고, 용탕의 유동성도 부족하여, 결함 발생율이 높다. 한편, Si가 3 질량%를 초과하면 합금 기지가 취화되고, 외층의 인성은 저하된다. Si 함유량의 하한은 바람직하게는 0.4 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.5 질량%이다. Si 함유량의 상한은 바람직하게는 2.7 질량%이고, 보다 바람직하게는 2.5 질량%이다.

(c) Mn: 0.1∼3 질량%

Mn은 용탕의 탈산 작용의 이외에, S를 MnS로서 고정하는 작용을 가진다. MnS는 윤활 작용을 가지고, 압연재의 소부 방지에 효과가 있어서, 원하는 양의 MnS를 함유하는 것이 바람직하다. Mn이 0.1 질량% 미만에서는 그 첨가 효과는 불충분하다. 한편, Mn이 3 질량%를 초과해도 가일층의 효과는 얻어지지 않는다. Mn의 함유량의 하한은 바람직하게는 0.3 질량%이다. Mn의 함유량의 상한은 바람직하게는 2.4 질량%이고, 보다 바람직하게는 1.8 질량%이다.

(d) Ni: 0.1∼5 질량%

Ni는 외층의 기지의 담금질성을 향상시키는 작용을 가지므로, 대형의 복합 롤의 경우에 Ni를 함유하면, 냉각 중의 펄라이트의 발생을 방지하고, 외층의 경도를 향상시킬 수 있다. Ni의 첨가 효과는 0.1 질량% 미만에서는 거의 없고, 5 질량%를 초과하면 오스테나이트가 지나치게 안정화하여, 경도가 향상되기 어려워진다. Ni 함유량의 하한은 바람직하게는 0.2 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.3 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.5 질량%이다. Ni 함유량의 상한은 바람직하게는 4 질량%이고, 보다 바람직하게는 3.5 질량%이다.

(e) Cr: 1∼7 질량%

Cr은 기지를 베이나이트 또는 마르텐사이트로 하여 경도를 유지하고, 외층의 내마모성을 유지하는 데에 유효한 원소이다. Cr이 1 질량% 미만에서는 그 효과가 불충분하고, Cr이 7 질량%를 초과하면, 기지 조직의 인성이 저하된다. Cr의 함유량의 하한은 바람직하게는 1.5 질량%이고, 보다 바람직하게는 2.5 질량%이다. Cr 함유량의 상한은 바람직하게는 6.8 질량%이다.

(f) Mo: 1∼8 질량%

Mo는 C와 결합하여 경질 탄화물(M₆C, M₂C)을 형성하고, 외층의 경도를 증가시키고, 또한 기지의 담금질성을 향상시킨다. 또한, Mo는 V 및/또는 Nb와 함께 강인하고 또한 경질인 MC 탄화물을 생성하고, 내마모성을 향상시킨다. Mo가 1 질량% 미만에서는 이들의 효과가 불충분하다. 한편, Mo가 8 질량%를 초과하면, 외층의 인성이 저하된다. Mo 함유량의 하한은 바람직하게는 1.5 질량%이고, 보다 바람직하게는 2.5 질량%이다. Mo 함유량의 상한은 바람직하게는 7.8 질량%이고, 보다 바람직하게는 7.6 질량%이다.

(g) V: 4∼7 질량%

V는 C와 결합하여 경질의 MC 탄화물을 생성하는 원소이다. MC 탄화물은 2500∼3000의 비커스 경도 HV를 가지고, 탄화물 중에서 가장 단단하다. V가 4 질량% 미만에서는, MC 탄화물의 석출량이 불충분할 뿐만 아니라, 내층에 용해되는 MC 탄화물량이 부족한 것에 의해, 클러치부의 내손상성의 향상 효과가 불충분하다. 한편, V가 7 질량%를 초과하면, 철 용탕보다 비중이 가벼운 MC 탄화물이 원심 주조 중의 원심력에 의해 외층의 내측에 농화되고, MC 탄화물의 반경 방향 편석이 현저해질 뿐만 아니라, MC 탄화물이 조대화(粗大化)하여 합금 조직이 거칠어지고, 압연 시에 표면이 거칠어지기 쉬워진다. V 함유량의 하한은 바람직하게는 4.5 질량%이고, 보다 바람직하게는 5 질량%이다. V 함유량의 상한은 바람직하게는 6.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 6.8 질량%이다.

(h) N: 0.005∼0.15 질량%

N은 탄화물을 미세화하는 효과를 갖지만, 0.15 질량%를 초과하면 외층이 취화된다. N 함유량의 상한은 바람직하게는 0.1 질량%이다. 충분한 탄화물 미세화 효과를 얻기 위해서는, N 함유량의 하한은 0.005 질량%이고, 바람직하게는 0.01 질량%이다.

(i) B: 0.05∼0.2 질량%

B는 탄화물에 고용되고, 또한 윤활 작용을 가지는 탄화붕소화물(carboboride)을 형성하고, 외층의 내소부성(내사고성)을 향상시킨다. 탄화붕소화물의 윤활 작용은 특히 고온에서 현저하게 발휘되므로, 열간 압연재가 물려 들어갈 때의 외층의 소부 방지에 효과적이다. B가 0.05 질량% 미만에서는 충분한 윤활 작용을 얻을 수 없다. 한편, B가 0.2 질량%를 초과하면 외층을 취화시킨다. B 함유량의 하한은 바람직하게는 0.06 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.07 질량%이다. 또한, B 함유량의 상한은 바람직하게는 0.15 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.1 질량%이다.

(2) 임의 원소

외층은 0.1∼3 질량%의 Nb를 더 함유해도 된다. 또한, 외층은 0.1∼5 질량%의 W를 함유해도 된다. 외층은 0.3 질량% 이하의 S를 더 함유해도 된다. 외층은, 질량 기준으로 0.1∼10%의 Co, 0.01∼0.5%의 Zr, 0.005∼0.5%의 Ti 및 0.001∼0.5%의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 더 함유해도 된다.

(a) Nb: 0.1∼3 질량%

V와 마찬가지로, Nb도 C와 결합하여 경질 MC 탄화물을 생성한다. Nb는 V 및 Mo와의 복합 첨가에 의해, MC 탄화물에 고용되어 MC 탄화물을 강화하고, 외층의 내마모성을 향상시킨다. Nb는 V보다 원자량이 크기 때문에 V를 주체로 한 MC 탄화물에 고용하는 것에 의해, 철 용탕보다 비중이 작은 V 주체의 MC 탄화물의 비중이 커지므로, 원심 주조 중의 원심력에 의한 MC 탄화물의 편석을 경감시키는 작용을 가진다. Nb가 0.1 질량% 미만에서는, MC 탄화물의 정출량의 기여가 적고 내층에 용해되는 MC 탄화물량을 증가시키는 효과가 거의 없고, 클러치부의 내손상성의 향상 효과에 대한 기여가 적다. 한편, Nb가 3 질량%를 초과하면, 철 용탕보다 비중이 무거운 Nb를 주체로 하는 MC 탄화물의 정출량이 증가하고, 원심력에 의해 표면측에 농화 및 편석되기 쉬워진다. NB 함유량의 하한은 바람직하게는 0.2 질량%이다. NB 함유량의 상한은 바람직하게는 2.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 2.8 질량%이다.

(b) W: 0.1∼5 질량%

W는 C와 결합하여 경질의 M₆C 등의 경질 탄화물을 생성하고, 외층의 내마모성 향상에 기여한다. 또한, MC 탄화물에도 고용되어 그 비중을 증가시키고, 편석을 경감시키는 작용을 가진다. 그러나, W가 5 질량%를 초과하면, M₆C 탄화물이 많아지고, 조직이 불균질로 되어, 표면 거칠음의 원인이 된다. 따라서, W를 함유하는 경우, 5 질량% 이하로 한다. 한편, W가 0.1 질량% 미만에서는 그 효과는 불충분하다. W의 함유량의 상한은 바람직하게는 4 질량%이고, 보다 바람직하게는 3 질량%이다.

(c) S: 0.3 질량% 이하

MnS의 윤활성을 이용하는 경우, 0.3 질량% 이하의 S를 함유해도 된다. 그러나, S가 0.3 질량%를 초과하면 외층의 취화가 일어난다. S 함유량의 상한은 바람직하게는 0.2 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.15 질량%이다. MnS의 윤활성을 이용하는 경우, S 함유량의 하한은 0.05 질량%가 보다 바람직하다.

(d) Co: 0.1∼10 질량%

Co는 기지 중에 고용되고, 기지의 열간 경도를 증가시키고, 외층의 내마모성 및 내표면거침성을 개선하는 효과를 가진다. Co가 0.1 질량% 미만에서는 효과는 거의 없고, 또한 10 질량%를 초과해도 가일층의 향상은 얻어지지 않는다. Co 함유량의 하한은 바람직하게는 1 질량%이다. 또한, Co 함유량의 상한은 바람직하게는 7 질량%이다.

(e) Zr: 0.01∼0.5 질량%

V 및 Nb와 마찬가지로, Zr은 C와 결합하여 MC 탄화물을 생성하고, 외층의 내마모성을 향상시킨다. 또한, Zr은 용탕 중에서 결정핵으로서 작용하는 산화물을 생성하고, 응고 조직을 미세하게 한다. 또한, Zr은 MC 탄화물의 비중을 증가시키고, 편석 방지에 효과가 있다. 그러나, Zr이 0.5 질량%를 초과하면, 개재물로 되므로 바람직하지 않다. Zr 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3 질량%이다. 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Zr의 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.02 질량%이다.

(f) Ti: 0.005∼0.5 질량%

Ti는 C 및 N과 결합하고, TiC, TiN 또는 TiCN과 같은 경질fml 입상 화합물을 형성한다. 이들은, MC 탄화물의 핵으로 되므로, MC 탄화물의 균질 분산 효과가 있고, 외층의 내마모성 및 내표면거침성의 향상에 기여한다. 그러나, Ti 함유량이 0.5 질량%를 초과하면, 용탕의 점성이 증가하고, 주조 결함이 발생하기 쉬워진다. Ti 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3 질량%이고, 가장 바람직하게는 0.2 질량%이다. 충분한 첨가 효과를 얻기 위하여, Ti의 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.01 질량%이다.

(g) Al: 0.001∼0.5 질량%

Al은 산소와의 친화성이 높기 때문에, 탈산제로서 작용한다. 또한, Al은 N 및 O와 결합하고, 형성된 산질화물이 용탕 중에 현탁되어 핵으로 되고, MC 탄화물을 미세 균일하게 정출시킨다. 그러나, Al이 0.5 질량%를 초과하면, 외층이 물러진다. 또한, Al이 0.001 질량% 미만에서는 그 효과가 충분하지 않다. Al 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.2 질량%이다. 충분한 첨가 효과를 얻기 위하여, Al의 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.01 질량%이다.

(3) 불가피한 불순물

외층의 조성 잔부는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 불가피한 불순물 중, P는 기계적 성질의 열화를 초래하므로, 적게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, P의 함유량은 0.1 질량% 이하가 바람직하다. 기타의 불가피한 불순물로서, Cu, Sb, Te, Ce 등의 원소를 외층의 특성을 손상시키지 않는 범위에서 함유해도 된다. 외층이 우수한 내마모성 및 내사고성을 확보하기 위하여, 불가피한 불순물의 합계량은 0.7 질량% 이하인 것이 바람직하다.

(4) 조직

외층의 조직은, (a) MC 탄화물, (b) M₂C나 M₆C의 Mo를 주체로 하는 탄화물(Mo계 탄화물) 또는 M₇C₃이나 M₂₃C₆의 Cr을 주체로 하는 탄화물(Cr계 탄화물), (c) 탄화붕소화물 및 (d) 기지로 이루어진다. 탄화붕소화물은 M(C, B)이나 M₂₃(C, B)₆ 등의 조성을 가진다. 금속 M은 주로 Fe, Cr, Mo, V, Nb 및 W 중 적어도 1종이며, 금속(M, C) 및 B의 비율은 조성에 의해 변화한다. 본 발명의 외층 조직에는 흑연이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 압연용 복합 롤의 외층은, 경질의 MC 탄화물, Mo계 탄화물 또는 Cr계 탄화물을 가지므로, 내마모성이 우수하고, 또한 탄화붕소화물을 함유하기 때문에 내사고성이 우수하다.

(B) 내층

본 발명의 압연용 복합 롤의 내층은, 질량 기준으로 2.4∼3.6%의 C와, 1.5∼3.5%의 Si와, 0.1∼2%의 Mn과, 0.1∼2%의 Ni와, 0.7% 미만의 Cr과, 0.7% 미만의 Mo와, 0.05∼1%의 V와, 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 흑연주철로 이루어진다.

(1) 필수 원소

(a) C: 2.4∼3.6 질량%

C는 기지에 고용되고, 또한 흑연으로서 정출된다. 흑연 정출을 위해서는 C의 함유량은 2.4 질량% 이상일 필요가 있지만, 3.6 질량%를 초과하면 내층의 기계적 성질의 열화를 초래한다. C의 함유량의 하한은 2.7 질량%가 바람직하다. 또한, C의 함유량의 상한은 3.5 질량%가 바람직하다.

(b) Si: 1.5∼3.5 질량%

Si는 흑연을 정출시키기 위해 필요한 원소이고, 1.5 질량% 이상 함유할 필요가 있지만, 3.5 질량%를 초과하면 내층의 기계적 성질의 열화를 초래한다. Si의 함유량의 하한은 1.7 질량%가 바람직하다. 또한, Si의 함유량의 상한은 3 질량%가 바람직하다.

(c) Mn: 0.1∼2 질량%

Mn은, 용탕의 탈산 작용 외에 불순물인 S와 결합하여 MnS를 생성하고, S에 의한 취화를 방지하는 작용도 가지고 있다. Mn의 함유량은 0.1 질량% 이상일 필요가 있지만, 2 질량%를 초과하면 내층의 기계적 성질이 열화된다. Mn의 함유량의 하한은 0.15 질량%가 바람직하다. 또한, Mn의 함유량의 상한은 1.2 질량%가 바람직하다.

(d) Ni: 0.1∼2 질량%

Ni는 흑연화의 보조 원소로서 유효하다. 흑연화의 효과를 얻기 위해서는 0.1 질량% 이상이 필요하고, 0.2 질량% 이상이 바람직하다. 이에 더하여, 내층 주입 시의 외층과의 용착 시에 외층 내면이 용융되고 내층에 혼입하므로, 외층의 Ni 함유량이 내층보다 높을 경우, 내층의 Ni 함유량이 증가한다. Ni 함유량이 증가하면, 고온에서의 오스테나이트상으로부터 상온에서의 주체가 되는 펄라이트상으로의 변태 온도가 저하되고, 주조 후 냉각 중의 외층의 축방향 깨짐이 발생하기 쉬워지므로, Ni의 상한은 2 질량%로 할 필요가 있고, 1.8 질량%가 바람직하다.

(e) Cr: 0.7 질량% 미만

Cr은 C와 결합하여 시멘타이트를 형성하고, 내마모성을 개선하지만, 지나치게 많으면 내층의 기계적 성질의 열화를 초래한다. Cr이 0.7 질량% 이상이면 내층의 기계적 성질이 열화된다. Cr의 함유량의 상한은 0.5 질량%가 바람직하다. 그리고, Cr의 함유량의 하한은 0.05 질량%로 된다. 또한, Cr은 용착 일체화하는 외층으로부터 내층에 혼입하므로, 외층으로부터의 혼입량을 예상하고, 용착 일체화 후의 내층 중의 Cr의 함유량이 0.7 질량% 미만으로 되도록, 내층용 용탕 중의 Cr의 함유량을 설정할 필요가 있다. Cr의 함유량의 상한은 0.5 질량%가 바람직하다.

(f) Mo: 0.7 질량% 미만

Mo는 백철화 원소이고, 흑연화를 저해하기 때문에, 그 함유량을 제한할 필요가 있다. 외층과의 용착 일체화(외층 내면의 용융)에 의해 외층으로부터 내층에 혼입하는 Mo는 MC 탄화물에 포함되고, 혹은 M₂C 탄화물의 상태에 있다. 본 발명은, 의식적으로 외층으로부터 내층에 Mo를 MC 탄화물의 상태로 혼입시키고, MC 탄화물을 재용융시키지 않고 그대로 내층 내에 잔류시키는 것에 의해, 내층의 내마모성 향상을 도모하는 것을 특징으로 하고 있다. 그러므로, Mo 함유량의 하한은 0.05 질량%가 바람직하다. 한편, Mo가 0.7 질량% 이상으로 되면 흑연화가 현저하게 저해되고, 내층의 인성이 열화된다. Mo의 함유량의 상한은 0.5 질량%가 바람직하다.

(g) V: 0.05∼1 질량%

V는 강한 백철화 원소이고 흑연화를 저해하기 때문에, 함유량은 제한된다. 외층과의 용착 일체화(외층 내면의 용융)에 의해 외층으로부터 내층에 혼입하는 V의 대부분은 MC 탄화물의 상태에 있다. 본 발명은, 의식적으로 외층으로부터 내층에 MC 탄화물을 혼입시키고, 재용융하지 않고 그대로 내층 내에 잔류시키는 것에 의해, V의 흑연화 저해 작용을 억제하면서 내층의 내마모성 향상을 도모하는 것을 특징으로 한다. 내층의 내마모성을 충분히 확보하기 위하여, V는 0.05 질량% 이상이어야 한다. 그러나, V의 함유량이 1 질량%를 초과하면, V의 흑연화 저해의 작용 영향이 지나치게 커진다. V의 함유량의 하한은 0.1 질량%가 바람직하다. 또한, V의 함유량의 상한은 0.7 질량%가 바람직하고, 0.5 질량%가 보다 바람직하다.

(h) Mg: 0.01∼0.1 질량%

Mg는 흑연을 구상화(Spheroidization)하는 효과가 있다. 구상화에 의해 내층의 강인성이 대폭으로 향상된다. 구상화를 위해 Mg는 0.01 질량% 이상일 필요가 있지만, 0.1 질량% 이하로 충분하다. Mg의 함유량의 하한은 0.015 질량%가 바람직하다. 또한, Mg의 함유량의 상한은 0.05 질량%가 바람직하다.

(2) 임의 원소

(a) Nb: 0.5 질량% 미만

V와 마찬가지로, Nb는 강한 백철화 원소이고 흑연화를 저해하기 때문에, 함유량은 제한된다. 외층에 Nb가 포함되는 경우, 외층과의 용착 일체화(외층 내면의 용융)에 의해 외층으로부터 내층에 혼입하는 Nb의 대부분은 MC 탄화물의 상태에 있다. Nb의 함유량이 0.5 질량%를 초과하면, Nb의 흑연화 저해의 작용 영향이 지나치게 커진다. Nb의 함유량의 상한은 0.4 질량%가 바람직하다. 그리고, Nb의 함유량은, 0.02 질량% 이상이면, MC 탄화물에 의한 내층의 내마모성의 가일층의 향상을 도모할 수 있으므로 바람직하다.

(b) W: 0.7 질량% 미만

W는 탄화물 형성 원소이고, 내층의 흑연화를 저해한다. 외층에 W가 포함되는 경우, W를 함유하는 외층과의 용착 일체화(외층 내면의 용융)에 의해 외층으로부터 내층에 W가 혼입하는 것은 피할 수 없지만, 흑연화 저해 방지를 위해 W를 0.7 질량% 미만으로 억제할 필요가 있다. W의 함유량의 상한은 0.6 질량%가 바람직하다.

(3) 불가피한 불순물

내층 조성의 잔부는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 불가피한 불순물 중, P, S 및 N은 기계적 성질의 열화를 초래하므로, 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, P의 함유량은 0.1 질량% 이하가 바람직하고, S의 함유량은 0.05 질량% 이하가 바람직하고, N은 0.07 질량% 이하가 바람직하다. 또한, B는 내층의 흑연화를 저해하기 위하여, 0.05 질량% 미만이 바람직하다. 기타의 불가피한 불순물로서, 외층에 Zr, Co, Ti, Al 등의 원소가 포함되는 경우에는, Zr, Co, Ti, Al 등의 원소 및 Ba, Cu, Sb, Te, Ce, 희토류 금속 원소 등의 원소를 들 수 있지만, 이들 원소의 함유량은 합계하여 0.7 질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(4) 조직

본 발명의 압연용 복합 롤의 내층은 흑연이 정출된 흑연주철로 이루어진다. 흑연주철은 흑연을 함유하지 않는 백주철보다 부드럽고, 변형능이 크다. 흑연주철은 구상, 편상, 과립상 등의 흑연의 형상에 따라서 분류된다. 특히, 구상 흑연이 정출된 구상 흑연주철은 큰 강인성을 가지므로, 롤 내층재에 바람직하다.

흑연주철 중의 흑연의 면적율은 2∼12%가 바람직하다. 흑연의 면적율이 2% 미만이면, 시멘타이트량이 많아 재질의 신장이 부족하고, 압연 시의 열적, 기계적 부하에 견딜 수 없어, 롤의 파손을 일으킬 우려가 크다. 한편, 3.6 질량%의 탄소량 상한으로, 흑연의 면적율의 상한은 12%이다.

본 발명의 압연용 복합 롤은, 내층 중 적어도 한쪽의 축부가 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상 함유하는 것을 특징으로 한다. 경질 MC 탄화물이란, V를 주체로 하고, Mo 등을 포함하는 MC계 탄화물(Nb, W를 포함하는 경우에는, V 및/또는 Nb를 주체로 하고, Mo, W 등을 포함하는 MC계 탄화물)이다. 알루미나 지립보다 고경도의 경질 MC 탄화물은, 내층재로부터 채취한 시험편의 평면에 다이아몬드 연마 및 알루미나 지립 연마를 순차 행하면, 알루미나 지립으로 연마되지 않아 볼록형으로 남으므로, 광학현미경 관찰에 의해 확인할 수 있다.

클러치부(24)를 가지는 구동측 축부(22)가 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상 함유하면, 클러치부(24)의 손상을 방지할 수 있다. 클러치부(24) 손상의 주된 원인은, 커플링과의 슬라이딩 시에 그리스 중에 포함되는 스케일 등의 입자에 의해 긁히는 것에 의한 마모이다. 원 상당 직경이 5㎛ 이하이면, 경질 MC 탄화물은 주위의 조직과 함께 탈락하기 쉽고, 축부의 내마모성을 향상시키는 효과가 작다. 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물이 많을수록 내마모성에 유리하고, 200개/㎠ 이상 필요하다. 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물은 300∼5000개/㎠가 바람직하다. 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물이 5000개/㎠를 초과하면, 내층이 지나치게 단단해져, 인성을 충분히 확보할 수 없게 된다. 그리고, 경질 MC 탄화물의 원 상당 직경의 상한은 20㎛가 바람직하다.

다른 쪽 축부, 즉 클러치부(24)가 없는 종동측 축부(23)에서는, 핸들링 등에 필요한 볼록형부(25)가 일체적으로 형성되어 있고, 커플링과의 슬라이딩이 없기 때문에, 구동부와 같은 내마모성은 요구되지 않는다.

다른 쪽 축부에 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물의 개수는 한쪽 축부에 20∼80%인 것이 바람직하다. 다른 쪽 축부의 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물의 개수는 한쪽 축부의 20% 이상이면, 다른 쪽 축부도 내마모성의 향상이 도모되기 때문이며, 다른 쪽 축부의 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물의 개수는 한쪽 축부의 80% 이하이면, 다른 쪽 축부의 가공성이 개선되기 때문에, 생산 코드의 저감에 기여할 수 있기 때문이다. 다른 쪽 축부의 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물의 개수는 한쪽 축부의 30% 이상이 바람직하고, 40% 이상이 보다 바람직하다. 다른 쪽 축부의 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물의 개수는 한쪽 축부의 70% 이하가 바람직하고, 60% 이하가 보다 바람직하다.

본 발명의 압연용 복합 롤에 대하여 설명하였으나, 외층과 내층 사이에 완충층을 형성할 목적으로, 외층과 내층의 중간적 조성의 중간층을 설치할 수 있다.

[2] 압연용 복합 롤의 제조 방법

도 3a 및 도 3b는, 원심 주조용 원통형 주형(30)으로 외층(1)을 원심 주조한 후에 내층(2)을 주조하는 데에 이용하는 정치(靜置) 주조용 주형의 일례를 나타낸다. 이 정치 주조용 주형(100)은, 내면에 외층(1)을 가지는 원통형 주형(30)과, 그 상하단에 설치된 상형(上型))(40) 및 하형(下型)(50)으로 이루어진다. 원통형 주형(30) 내의 외층(1)의 내면은 내층(2)의 몸통심부(21)를 형성하기 위한 캐비티(60a)를 가지고, 상형(40)은 내층(2)의 종동측 축부(23)를 형성하기 위한 캐비티(60b)를 가지고, 하형(50)은 내층(2)의 구동측 축부(22)를 형성하기 위한 캐비티(60c)를 가진다. 원통형 주형(30)을 이용하는 원심 주조법은 수평형, 경사형 또는 수직형 중 어느 하나라도 된다.

회전 중의 원심 주조용 원통형 주형(30) 내에 외층(1)의 용탕을 주입하여 원심 주조할 때, Si 등을 주체로 하는 산화물로 이루어지는 플럭스를 첨가하고, 외층의 내면에 두께 0.5∼30㎜의 플럭스층을 형성하고, 외층 응고 후의 외층의 내주면(內周面)의 산화를 방지하는 것이 바람직하다.

도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 구동측 축부(22) 형성용의 하형(50) 위에, 외층(1)을 원심 주조한 원통형 주형(30)을 기립시켜 설치하고, 원통형 주형(30) 위에 종동측 축부(23) 형성용 상형(40)을 설치하여, 내층(2) 형성용의 정치 주조용 주형(100)을 조립한다. 이에 의해, 외층(1) 내의 캐비티(60a)는 상형(40)의 캐비티(60b) 및 하형(50)의 캐비티(60c)와 연통하고, 내층(1) 전체를 일체적으로 형성하는 캐비티(60)를 구성한다. 원통형 주형(30) 내의 도면부호 32 및 도면부호 33은 사형(砂型)이다. 또한, 상형(40) 내의 도면부호 42 및 하형(50) 내의 도면부호 52는 각각 사형이다. 그리고, 하형(50)에는 내층용 용탕을 유지하기 위한 바닥판(53)을 설치한다.

정치 주조용 주형(100) 내의 외층의 내면 온도(플럭스층 표면의 온도)가 950℃ 이상 1000℃ 미만의 범위 내인 것을 확인한 후, 1330∼1400℃의 내층용 용탕을 상형(40)의 상방 개구부(43)로부터 캐비티(60) 내에 주입한다. 캐비티(60) 내의 용탕의 탕면(湯面)은 하형(50)으로부터 상형(40)까지 점차로 상승하면서, 플럭스층이 제거되고, 구동측 축부(22), 몸통심부(21) 및 종동측 축부(23)로 이루어지는 내층(2)이 외층(1)과 일체적으로 주조된다. 내층용 용탕의 조성은, 질량 기준으로 2.5∼3.6%의 C, 1.7∼3.3%의 Si, 0.1∼1.5%의 Mn, 0.1∼2%의 Ni, 0∼0.5%의 Cr, 0∼0.5%의 Mo, 및 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물인 것이 바람직하다. 그리고, 내층용 용탕에는 스크랩재 등의 원재료로부터 불가피한 불순물로서 혼입하는 V를 0∼0.1 질량% 정도 함유해도 된다. 기타의 불가피한 불순물로서는 P, S, N, B, Zr, Co, Ti, Al, Ba, Cu, Sb, Te, Ce 및 희토류 금속 원소 등을 들 수 있다.

주입된 내층용 용탕의 열량에 의해, 외층(1)의 내면을 두께 10∼30㎜만큼 재용융시킨다. 외층(1)의 내면의 재용융에 의해, 외층(1) 중 Cr, Mo 및 V는(Cr, Mo, V, Nb 및 W를 더 함유하는 경우에는 Cr, Mo, V, Nb 및 W도) 내층(2)에 혼입한다. 그리고, 하형(50)에서 형성되는 구동측 축부(22) 쪽이, 상형(40)에서 형성되는 종동측 축부(23)보다, 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 개수가 많아진다. 그 결과, 적어도 구동측 축부(22)에 있어서의 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 개수는 200개/㎠ 이상이 된다. 구동측 축부(22) 쪽이 종동측 축부(23)보다 경질 MC 탄화물이 많아지는 이유는, 내층용 용탕의 대류의 정도가 하형(50)과 상형(40)에서 상이하기 때문이라고 생각된다.

외층의 내면 온도가 950℃ 미만인 경우, 1330∼1400℃의 내층용 용탕을 주입해도 외층 내면을 충분히(10∼30㎜의 두께까지) 재용융할 수 없으므로, 경질 MC 탄화물의 외층으로부터 내층으로의 혼입이 충분하지 않아, 경계부에 결함이 남기 쉬워지고, 또한 적어도 한쪽의 축부에 있어서 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상으로 할 수 없다. 경질 MC 탄화물의 혼입량을 충분히 확보하기 위하여, 동일한 관점에서, 외층의 내면 온도의 하한은 960℃가 바람직하다. 또한, 외층의 내면 온도가 1000℃ 이상인 경우, 내층용 용탕을 주입했을 때 외층 내면의 용융량이 지나치게 많아, 내층의 흑연화가 저해된다. 동일한 관점에서, 외층의 내면 온도의 상한은 990℃가 바람직하다.

내층용 용탕의 주입 온도가 1330℃ 미만인 경우, 외층의 내면 온도가 950℃ 이상 1000℃ 미만이어도 외층 내면을 충분히 재용융할 수 없으므로, 경질 MC 탄화물의 외층으로부터 내층으로의 혼입이 충분하지 않고, 적어도 한쪽의 축부에 있어서 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상으로 할 수 없다. 동일한 관점에서, 내층용 용탕의 주입 온도는 1340℃ 이상이 바람직하고, 1350℃ 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 1400℃를 초과하는 내층용 용탕을 주입하면, 외층 내면이 재용융될 때 외층 중의 경질 MC 탄화물이 내층 용탕 중에서 소실되어 버리고, 적어도 한쪽의 축부에 있어서 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상으로 할 수 없다. 동일한 관점에서, 내층용 용탕의 주입 온도는 1390℃ 이하가 바람직하고, 1380℃ 이하가 더욱 바람직하다.

원심 주조에 의해 주입한 외층의 내면에, 내층과의 사이의 완충층으로서 중간층을 원심 주조에 의해 형성해도 된다. 중간층의 주입에 의해 외층의 내면이 재용융되지만, 중간층은 내층에 비해 탕량이 적기 때문에 재용융의 열량이 적고, 외층에 포함되는 MC 탄화물은 재용융되지 않고 중간층에 잔류한다. 특히 비중이 가벼운 MC 탄화물은 원심력의 작용에 의해 중간층의 내면에 농화된다. 본 발명의 조건에 있어서, 외층 내면 온도를 중간층 내면 온도로 치환하고 나서, 내층을 주입하는 것에 의해, 중간층의 내면을 재용융시키고, 중간층 중의 MC 탄화물을 내층에 혼입시킬 수 있다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1∼실시예 6 및 비교예 1∼비교예 4>

도 3a에 나타내는 구조의 원통형 주형(30)[내경(內徑) 800㎜, 및 길이 2500㎜]을 수평형의 원심 주조기에 설치하고, 표 3에 나타내는 외층 조성(잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임)이 얻어지는 용탕을 사용하여 외층(1)을 원심 주조하였다. 원심 주조 중에 Si를 주체로 하는 산화물계 플럭스를 첨가하고, 외층의 내면에 두께 5㎜의 플럭스층을 형성하였다. 그 후, 주형의 내면에 외층(1)(두께: 90㎜) 및 그 내면에 플럭스층(두께: 5㎜)이 형성된 원통형 주형(30)을 기립시키고, 구동측 축부(22) 형성용의 중공형 하형(50)(내경 600㎜, 및 길이 1500㎜) 위에 원통형 주형(30)을 세워 설치하고, 원통형 주형(30) 위에 종동측 축부(23) 형성용의 중공형 상형(40)(내경 600㎜, 및 길이 2000㎜)을 세워 설치하고, 도 3b에 나타내는 정치 주조용 주형(100)을 구성하였다.

외층(1)의 내면 온도(플럭스층의 표면 온도)가 방사 온도계의 측정에 의해 표 2에 나타내는 온도로 되었다고 판단한 후, 정치 주조용 주형(100)의 캐비티(60)에, 표 1에 나타내는 조성(잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임)의 연성의 주철 용탕을 표 2에 나타내는 온도에서 상방 개구부(43)로부터 주탕하였다. 연성 주철 용탕의 탕면은, 구동측 축부(22) 형성용 하형(50), 몸통심부(21) 형성용의 원통형 주형(30)(외층1) 및 종동측 축부(23) 형성용 상형(40)의 순서로 상승하면서, 플럭스가 제거되고, 외층의 내면의 일부는 내층용 용탕의 열량에 의해 용융되어, 외층(1)의 내부에 구동측 축부(22), 몸통심부(21) 및 종동측 축부(23)로 이루어지는 일체적인 내층(2)을 형성하였다.

[표 1-1]

[표 1-2]

주: (1) 잔부는 불가피한 불순물을 포함함

내층(2)이 완전히 응고한 후, 정치 주조용 주형(100)을 해체하여 복합 롤을 취출하고, 500℃의 템퍼링 처리를 행하였다. 그 후, 기계 가공에 의해 외층(1), 구동측 축부(22) 및 종동측 축부(23)를 소정의 형상으로 가공하고, 클러치부(24) 및 볼록형부(25)를 형성하였다. 이와 같이 하여 얻어진 각 복합 롤에 있어서의 외층(1) 및 내층(2)의 조성(잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임)을 표 3에 나타낸다. 내층(2)의 조성은, 구동측 축부(22)가 상당하는 부분의 분석값이다.

[표 2]

[표 3-1]

[표 3-2]

주: (1) 잔부는 불가피한 불순물을 포함함

각 복합 롤의 내층(2)의 양 축부(22, 23)에 대하여 다이아몬드 연마 및 알루미나 지립 연마를 순차 행한 후, 무부식의 상태에서 광학 현미경 사진(배율 200배)을 촬영하고, 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 수를 카운팅하였다. 도 4는, 실시예 3의 압연용 복합 롤의 축부의 광학 현미경 사진을 나타낸다. 도 4에 있어서, 동그라미 1로 나타내는 흑색 부분은 흑연이고, 동그라미 2로 나타내는 파선으로 둘러싼 회색 부분은 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물이다.

원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 수의 카운팅은, 임의의 10시야(1시야: 660㎛×989㎛)로 행하고 평균값을 구하여, 1 ㎠당 개수로 환산하였다.

또한, 외층(1) 내면의 재용융 두께, 및 외층(1)과 내층(2)의 경계에 있어서의 용착 상태를 초음파 검사에 의해 관찰하였다. 외층(1) 내면의 재용융 두께는, 내층을 주입하기 전의 외층 두께(90㎜)로부터, 초음파 검사에 의해 구한 외층 두께를 빼서 산출하였다. 양 축부(22, 23)에 있어서의 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 수, 외층(1)의 재용융 깊이 및 외층(1)과 내층(2)의 경계에 있어서의 용착 상태를 표 4에 나타낸다.

[표 4]

주: (1) 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 개수(단위: 개/㎠)

실시예 1∼실시예 6에서는, 내층용 용탕을 주입하기 전의 외층의 내면 온도(플럭스 표면 온도)는 950℃ 이상 1000℃ 미만의 범위 내이고, 내층용 용탕의 주입 온도는 1330∼1400℃의 범위 내였다. 그러므로, 외층과 내층의 용착 일체화 시의 외층 내면의 재용융 두께는 10∼30㎜의 범위 내이고, 외층과 내층은 건전하게 용착되어, 경계에 결함이 없었다. 또한, 내층의 구동측 축부 및 종동측 축부 중 적어도 한쪽(클러치부)은, 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상 함유하고 있고, 우수한 내마모성을 가지고, 내구성이 개선되어 있었다.

이에 대하여, 비교예 1에서는 외층의 내면 온도가 735℃로 지나치게 낮고, 또한 내층용 용탕의 주입 온도가 1410℃로 지나치게 높았기 때문에, 외층 내면의 재용융 두께도 작고, 외층과 내층의 경계에 결함이 생기고, 어떠한 축부에서도 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 수가 200개/㎠ 미만이었다.

비교예 2에서는 외층의 내면 온도가 1067℃로 지나치게 높고, 또한 내층용 용탕의 주입 온도도 1465℃로 지나치게 높았기 때문에, 외층 내면의 재용융 두께가 40㎜로 지나치게 클 뿐만 아니라, 내면으로부터 플럭스가 벗겨져 외층과 내층의 경계에 결함이 생겼다. 또한, 내층용 용탕의 주입 온도가 지나치게 높았기 때문에, 경질 MC 탄화물이 소실되고, 어떠한 축부에서도 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 수는 200개/㎠ 미만이었다.

비교예 3에서는 외층의 내면 온도가 900℃로 지나치게 낮고, 또한 내층용 용탕의 주입 온도가 1498℃로 지나치게 높았기 때문에, 외층과 내층의 경계는 양호했지만, 경질 MC 탄화물이 소실되고, 어떠한 축부에서도 원 상당 직경이 5㎛ 이상인 경질 MC 탄화물의 수가 200개/㎠ 미만이었다.

비교예 4에서는 외층의 내면 온도가 905℃로 지나치게 낮고, 또한 내층용 용탕의 주입 온도도 1315℃로 지나치게 낮았기 때문에, 외층 내면의 재용융 두께가 5㎜로 지나치게 얇을 뿐만 아니라, 외층의 내면의 재용융에 의해 내층에 혼입되는 경질 MC 탄화물의 수가 지나치게 적었다.

Claims

외층과 내층이 용착(溶着) 일체화되어 이루어지는 압연용 복합 롤로서,
상기 외층이, 질량 기준으로 1∼3%의 C, 0.3∼3%의 Si, 0.1∼3%의 Mn, 0.1∼5%의 Ni, 1∼7%의 Cr, 1∼8%의 Mo, 4∼7%의 V, 0.005∼0.15%의 N, 및 0.05∼0.2%의 B를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금로 이루어지고,
상기 내층이, 질량 기준으로 2.4∼3.6%의 C, 1.5∼3.5%의 Si, 0.1∼2%의 Mn, 0.1∼2%의 Ni, 0.7% 미만의 Cr, 0.7% 미만의 Mo, 0.05∼1%의 V, 및 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 흑연주철로 이루어지고,
상기 내층이 상기 외층에 용착한 몸통심(body core)부와, 상기 몸통심부의 양단으로부터 일체적으로 연장되는 축부를 가지고, 상기 축부 중 적어도 한쪽이 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 경질 MC 탄화물을 200개/㎠ 이상 함유하는,
압연용 복합 롤.
제1항에 있어서,
상기 외층이 0.1∼3 질량%의 Nb를 더 함유하고, 또한 상기 내층이 0.5 질량% 미만의 Nb를 더 함유하는, 압연용 복합 롤.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 외층이 0.1∼5 질량%의 W를 더 함유하고, 상기 내층이 0.7 질량% 미만의 W를 더 함유하는, 압연용 복합 롤.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외층이 0.3 질량% 이하의 S를 더 함유하는, 압연용 복합 롤.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외층이, 질량 기준으로 0.1∼10%의 Co, 0.01∼0.5%의 Zr, 0.005∼0.5%의 Ti, 및 0.001∼0.5%의 Al로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 더 함유하는, 압연용 복합 롤.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 압연용 복합 롤을 제조하는 방법으로서,
(1) 회전하는 원심 주조용 원통형 주형으로 상기 외층을 원심 주조한 후,
(2) 상기 외층의 내면 온도가 950℃ 이상 1000℃ 미만일 때 상기 외층의 캐비티에 1330∼1400℃의 상기 내층용 용탕(溶湯)을 주입(鑄入)하고, 상기 외층의 내면을 두께 10∼30㎜만큼 재용융시키는,
압연용 복합 롤의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 내층용 용탕을 주입할 때의 상기 외층의 내면 온도가 960∼990℃인, 압연용 복합 롤의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 내층용 용탕이, 질량 기준으로 2.5∼3.6%의 C, 1.7∼3.3%의 Si, 0.1∼1.5%의 Mn, 0.1∼2%의 Ni, 0∼0.5%의 Cr, 0∼0.5%의 Mo, 및 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물인 조성을 가지는, 압연용 복합 롤의 제조 방법.