KR20200111669A

KR20200111669A - 초경합금제 복합 롤

Info

Publication number: KR20200111669A
Application number: KR1020207012598A
Authority: KR
Inventors: 다쿠미 오하타
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-09-29
Also published as: TW201936941A; WO2019151379A1; EP3677354B1; EP3677354A4; CN111356542B; KR102553279B1; US20210121925A1; EP3677354A1; CN111356542A; JP7259767B2; TWI787447B; JPWO2019151379A1; US11045849B2

Abstract

강제(鋼製)의 내층과, WC 입자를 포함하는 초경합금제(超硬合金製)의 중간층과, 외층으로 이루어지고, 외층을 구성하는 초경합금이, WC 입자 55∼90 질량부와, Fe를 주성분으로 하는 특정한 조성을 가지는 결합상(結合相) 10∼45 질량부를 함유하고, 중간층을 구성하는 초경합금이, WC 입자 30∼65 질량부와, Fe를 주성분으로 하는 특정한 조성을 가지는 결합상 35∼70 질량부를 함유하고, 외층의 WC 입자의 함유량을 c1 질량부, 중간층의 WC 입자의 함유량을 c2 질량부로 했을 때,
0.45≤c2/c1≤0.85
를 만족시키는 것을 특징으로 하는 초경합금제 복합 롤.

Description

초경합금제 복합 롤

본 발명은, 얇은 띠판, 판재, 선재(線材), 봉재(俸材) 등의 강재(鋼材)의 압연에 사용되고, 인성(靭性)이 우수한 재료로 이루어지는 내층재(內層材)의 외주(外周)에, 초경합금(超硬合金)으로 이루어지는 외층재가 금속 접합된 초경합금제 복합 롤에 관한 것이다.

강재의 치수정밀도의 향상, 표면 흠집의 감소, 표면 광택도의 향상 등 압연재에 대한 고품질화의 요구에 부응하기 위하여, 내마모성, 내표면거침성 등이 우수한 초경합금이 선재, 봉강, 평강 등의 압연용 롤에 적용되고 있다. 초경합금은 공지와 같이, 탄화 텅스텐(WC)을 Co, Ni, Fe 등의 금속 결합재로 결합한 소결 합금으로서, WC 외에 Ti, Ta, Nb 등의 탄화물을 함유하는 경우도 종종 있다.

초경합금은 고가이며, 대형품의 제조가 어려우므로, 금속제 축재(軸材)에 초경합금제 슬리브를 끼워맞춘 구조의 롤이 개시되어 있다. 예를 들면, 일본공개특허 소 60-83708호에는, 내주부보다 외주부가 점차 두꺼워지도록 형성된 스페이서를 가열하여 팽창시킨 상태로, 초경합금제 슬리브 및 디스크 스프링과 함께 축재에 장입(裝入)하여, 고정 부재의 사이에 끼워넣고, 스페이서의 냉각 수축에 의해 디스크 스프링에 큰 측압을 발생시켜, 슬리브의 측면을 압압(押壓) 고정시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이와 같은 끼워맞춤 방법은 스페이서, 고정 부재 등의 부재의 점수가 많고 조립 구조가 복잡하고, 높은 조립 정밀도가 요구되므로, 조립에 관한 공정 수나 비용이 드는 문제가 있어, 현실적이지 않다.

상기한 문제를 해소하기 위하여, 본출원인은, 일본공개특허 제2002-301506호에 있어서, 철계(鐵系) 재료로 이루어지는 내층재의 외주에, 탄화 텅스텐 입자를 포함하는 초경합금으로 이루어지는 외층재가 금속 접합된 초경합금제 복합 롤로서, 상기 내층재와 상기 외층재 사이에 1층 이상의 탄화 텅스텐 입자을 포함하는 초경합금으로 이루어지는 중간층을 가지고, 상기 중간층의 탄화 텅스텐 입자의 함유량을 상기 외층재보다 적게 한 것을 특징으로 하는 초경합금제 복합 롤을 공개하고 있다. 일본공개특허 제2002-301506호는, 이와 같은 구성으로 함으로써, 열팽창율, 경도, 탄성계수의 물성값이 외층재로부터 내층재를 향하여 연속적으로 변화하게 되고, 그 결과, 외층재와 내층재의 경계 접합부의 강도가 향상하고, 경계 접합부 근방에서의 롤 원주·축 방향의 첨두(尖頭) 잔류 응력을 저감할 수 있으므로, 내층재와 초경합금의 외층재의 접합 신뢰성을 높일 수 있고, 또한 가혹한 압연 용도에도 적용을 확대할 수 있는 초경합금제 복합 롤을 제공할 수 있는 것으로 기재하고 있다. 일본공개특허 제2002-301506호는, 실시예 1에서, 질량%로 WC: 85%, Co: 9.3%, Ni: 4.7% 및 Cr: 1%의 조성을 가지는 외층과, 질량%로 WC: 30% 및 Co: 70%의 조성을 가지는 중간층과, SNCM439 강제(鋼製)의 내층을 HIP 처리에 의해 일체화하여 이루어지는 초경합금제 복합 롤을 공개하고 있다.

일반적으로 판 강재에 사용되는 많은 압연기에는, 압연용 롤의 압연 하중에 의한 굴곡 변형을 저감할 목적으로 압연용 롤의 외측에 백업 롤이 배치되어 있고, 압연 시에는, 압연용 롤과 백업 롤의 접촉부에 압연 하중에 의한 큰 응력이 발생한다. 압연용 롤의 설계 시에는, 이 응력에 대한 롤 내용 강도의 검토가 필요하게 된다.

압연용 롤과 백업 롤의 접촉에 의해 압연용 롤에 발생하는 응력은 헤르츠 응력으로서 알려져 있고, 롤의 접촉면 근방의 응력 분포는 접촉면으로부터의 깊이에 의존한다. 그 중에서도 압연용 롤의 내부에 발생하는 전단(剪斷) 응력은, 롤의 직경이나 하중에도 의존하지만, 접촉면으로부터 수 mm의 깊이의 위치에서 최대가 된다(소성가공기술 시리즈 7 「판 압연, 10.3 Hertz압과 피로」, 코로나사, pp.257 참조).

일본공개특허 제2002-301506호에 기재된 초경합금제 복합 롤의 경우, 초경합금제 외층과 SNCM439제 내층 사이에 두께 0.2∼2 mm의 중간층을 설치하고 있으므로, 외층이 마모되어 얇아지고, 롤 폐각(廢却) 직경 근방이 되었을 경우에는, 이 전단 응력이 최대가 되는 위치가 중간층과 외층의 경계 부근, 중간층 내, 중간층과 내층의 경계 부근, 또는 내층 내에 위치하는 경우가 있다. 또한, 외층과 내층의 열팽창계수 차이에 의해, 외층에는 압축 잔류 응력이 부여되어 있으므로, 내층이나 경우에 따라서는 중간층에 인장의 잔류 응력이 작용하고 있다. 내층이나 중간층에 작용하는 인장 잔류 응력이 높을 경우, 압연에 의한 백업 롤과의 접촉에 의해 발생하는 전단 응력의 피크(롤 표면으로부터 수 mm의 깊이에 위치함)가 전술한 인장 잔류 응력에 중첩함으로써, 내층이나 중간층에 피로 파괴가 발생할 위험이 있다.

일본공개특허 평 5-171339호는, WC+Cr이 95중량% 이하, Co+Ni가 10중량% 미만, Cr/Co+Ni+Cr이 2∼40 %인 WC-Co-Ni-Cr로 이루어지는 초경합금을 개시하고 있다. 일본공개특허 평 5-171339호는, 이와 같은 조성의 초경합금으로 함으로써, 종래 조성의 합금보다 높은 내마모성 및 인성을 가지는 초경합금이 되므로, 열간 압연 롤이나 가이드 롤러로서 사용하면, 캘리버당의 압연량의 증대, 재연마량의 감소, 할손 현상 등, 롤 원단가의 저감에 크게 기여하는 것으로 기재하고 있다. 그러나, WC 입자 및 Co-Ni-Cr계 결합상으로 이루어지는 초경합금으로 이루어지는 압연 롤에서는, 강 띠판을 충분히 냉간 압연할 수 없는 문제가 있다. 예의(銳意) 검토한 결과, 이는 이 불충분한 냉간 압연은, Co-Ni-Cr계 결합상을 가지는 초경합금의 압축 시의 항복 강도가 300∼500 MPa로 낮으므로, 강 띠판을 냉간 압연할 때 롤 표면이 항복하여 미소(微小) 오목부가 발생하고, 강 띠판을 충분히 압축할 수 없기 때문인 것으로 밝혀졌다.

일본공개특허 제2000-219931호는, 담금질성이 있는 결합상 중에 50∼90 질량%의 서브미크론 WC를 함유시킨 초경합금으로서, 상기 결합상이, Fe에 더하여, 10∼60 질량%의 Co, 10질량% 미만의 Ni, 0.2∼0.8 질량%의 C, 및 Cr 및 W 및 임의의 Mo 및/또는 V로 이루어지고, 상기 결합상 중의 C, Cr, W, Mo 및 V의 몰 분률 X_C, X_Cr, X_W, X_Mo 및 X_V가 2X_C<X_W+X_Cr+X_Mo+X_V<2.5X_C의 조건을 만족시키고, 또한 Cr 함유량(질량%)이 0.03<Cr/[100-WC(질량%)]<0.05를 만족시키는 초경합금을 개시하고 있다. 일본공개특허 제2000-219931호는, 담금질성을 가지는 결합상에 의해, 이 초경합금은 높은 내마모성을 가지는 것으로 기재하고 있다. 그러나, 이 초경합금은, 결합상에 10∼60 질량%의 Co를 함유하므로, 특히 롤과 같은 대형품에 적용하는 경우에는 담금질성이 부족하며, 충분한 압축 항복 강도를 가지지 않는다. 또한, WC 입자가 서브미크론으로 미세하기 때문에, 이 초경합금은 인성이 부족하고, 압연 롤 외층재로서는 내(耐)크랙성이 뒤떨어지기 때문에 사용할 수 없다.

이상의 사정을 감안하여, 충분한 압축 항복 강도를 가지기 위하여, 금속 띠판의 냉간 압연에 사용한 경우라도 롤 표면에 항복에 의한 오목부가 쉽게 발생하지 않고, 또한 내층이나 중간층으로부터의 피로 파괴를 방지할 수 있는 초경합금제 복합 롤이 요망되고 있다.

일본공개특허 제2002-301506호 일본공개특허 평 5-171339호 일본공개특허 제2000-219931호

따라서, 본 발명의 목적은, 높은 내마모성 및 기계적 강도를 가지는 동시에, 충분한 압축 항복 강도를 가지는 초경합금을, 강제의 내층 외층 및 중간층으로서 사용함으로써, 금속 띠판의 냉간 압연에 사용한 경우라도 롤 표면의 오목부가 쉽게 생기지 않는 초경합금제 복합 롤을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 압연을 반복적으로 행했을 때, 중간층에 피로 파괴가 발생하지 않는 초경합금제 복합 롤을 제공하는 것이다.

본 발명자는, 상기 종래 기술의 과제를 감안하여, 초경합금의 결합상의 조성 및 조직에 대하여 예의 검토한 결과, 강제의 내층 외주(外周)에, WC 입자와 Fe를 주성분으로 하는 결합상으로 이루어지는 외층 및 중간층을 형성한 초경합금제 복합 롤에 의해 상기 과제를 해결할 수 있는 일을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 초경합금제 복합 롤은,

강제의 내층과, 초경합금제 외층과, 상기 내층 및 상기 외층에 금속 접합된 초경합금제 중간층으로 이루어지는 초경합금제 복합 롤로서,

상기 외층을 구성하는 초경합금이, WC 입자 55∼90 질량부와, Fe를 주성분으로 하는 결합상 10∼45 질량부를 함유하고, 상기 외층의 결합상이 0.5∼10 질량%의 Ni, 0.2∼2.0 질량%의 C, 0.5∼5 질량%의 Cr, 및 0.1∼5 질량%의 W를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지고,

상기 중간층을 구성하는 초경합금이, WC 입자 30∼65 질량부와, Fe를 주성분으로 하는 결합상 35∼70 질량부를 함유하고, 상기 중간층의 결합상이 0.5∼10 질량%의 Ni, 0.2∼2.0 질량%의 C, 0.5∼5 질량%의 Cr, 및 0.1∼5 질량%의 W를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지고,

상기 외층의 WC 입자의 함유량을 c1 질량부, 상기 중간층의 WC 입자의 함유량을 c2 질량부로 했을 때,

0.45≤c2/c1≤0.85

를 만족시키는 것을 특징으로 한다.

상기 중간층 및 상기 외층의 초경합금은 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 복탄화물을 실질적으로 함유하지 않은 것이 바람직하다.

상기 WC 입자의 메디안 직경 D50은 0.5∼10 ㎛인 것이 바람직하다.

상기 중간층 및 상기 외층의 결합상은, 0.2∼2.0 질량%의 Si, 0∼5 질량%의 Co, 및 0∼1 질량%의 Mn을 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 중간층 및 상기 외층의 결합상에서의 베이나이트상(bainite phase) 및/또는 마르텐사이트상(martensite phase)의 함유량은 합계하여 50면적% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 초경합금제 복합 롤은, 폐각 직경에서의 상기 외층의 두께가 5∼40 mm, 및 상기 중간층의 두께가 3∼15 mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 초경합금제 복합 롤은, 폐각 직경에서의 상기 초경합금제 복합 롤의 표면으로부터 상기 중간층과 상기 내층의 경계까지의 두께가 8 mm 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 초경합금제 복합 롤은, 금속 띠판(강 띠판)의 냉간 압연에 사용한 경우라도, 롤 표면에 압축 항복에 의한 미소한 오목의 발생이 저감되고 있으므로, 강판의 고품질의 냉간 압연을 연속적으로 행할 수 있고, 또한 장수명화도 달성할 수 있다.

도 1은 시료 2의 초경합금 단면 조직을 나타내는 SEM 사진이다.
도 2는 시료 2 및 시료 8에 대하여, 1축 압축 시험에 의해 얻어진 응력-왜곡 선을 나타낸 그래프이다.
도 3은 1축 압축 시험에 사용하는 시험편을 나타내는 모식도이다.
도 4는 시차열분석장치에 의한 액상화(液相化) 개시 온도의 측정예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 초경합금제 복합 롤의 일례를 나타낸 부분 단면도이다.

본 발명의 실시형태를 이하 상세하게 설명하지만, 특별한 언급이 없으면 하나의 실시형태에 따른 설명은 다른 실시형태에도 적용된다. 또한 하기 설명은 한정적이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 각종 변경을 실시해도 된다.

[1] 초경합금제 복합 롤

본 발명의 초경합금제 복합 롤은, 강제의 내층과, 초경합금제의 외층과, 상기 내층 및 상기 외층에 금속 접합된 초경합금제 중간층으로 이루어진다.

[1-1] 외층 및 중간층

(A) 조성

외층을 구성하는 초경합금은, 55∼90 질량부의 WC 입자와 10∼45 질량부의 Fe를 주성분으로 하는 결합상으로 이루어지고, 중간층을 구성하는 초경합금은, 30∼65 질량부의 WC 입자와 35∼70 질량부의 Fe를 주성분으로 하는 결합상으로 이루어진다.

외층을 구성하는 초경합금에서의 WC 입자의 함유량 c1은 55∼90 질량부이다. 외층의 WC 입자가 55질량부 미만이면 경질(硬質)의 WC 입자가 상대적으로 적어지게 되므로, 초경합금의 영률(Young's modulus)이 지나치게 낮아진다. 한편, WC 입자가 90질량부를 초과하면, 결합상이 상대적으로 적어지게 되므로, 초경합금의 강도를 확보할 수 없게 된다. 외층의 WC 입자의 함유량의 하한은 60질량부가 바람직하고, 65질량부가 보다 바람직하다. 또한 외층의 WC 입자의 함유량의 상한은 85질량부가 바람직하다.

외층과 중간층의 경계 부분의 접합 강도, 및 내층과 중간층의 경계 부분의 접합 강도를 함께 향상시키고, 경계 접합부 근방에서의 롤 원주 및 축 방향의 잔류 응력을 저감하기 위하여, 중간층을 구성하는 초경합금에서의 WC 입자의 함유량 c2는 30∼65 질량부이다. 중간층의 WC 입자의 함유량의 하한은 33질량부가 바람직하고, 35질량부가 보다 바람직하다. 또한 중간층의 WC 입자의 함유량의 상한은 60질량부가 바람직하고, 55질량부가 보다 바람직하다.

또한 외층의 WC 입자의 함유량 c1(질량부), 중간층의 WC 입자의 함유량 c2(질량부)가, 식:

0.45≤c2/c1≤0.85

을 만족시키도록 외층 및 중간층의 WC 입자의 함유량을 설정한다. 본 발명의 초경합금제 복합 롤은, 후술하는 바와 같이 HIP 처리에 의해, 외층, 중간층, 내층이 금속 접합되어 일체화되지만, 외층 및 중간층의 WC 입자의 함유량을 상기한 바와 같이 설정함으로써, 중간층의 열수축량을 외층과의 열수축량차를 과대하게 하지 않고 외층의 열수축량과 내층의 열수축량의 중간적인 값으로 할 수 있고, HIP 처리 후의 냉각 과정에 있어서 잔류 응력을 저감할 수 있다. c2/c1의 하한은 0.5가 바람직하고, 0.55가 보다 바람직하다. 또한, c2/c1의 상한은 0.8이 바람직하고, 0.75가 보다 바람직하다.

(1) WC 입자

외층 및 중간층을 구성하는 초경합금에 포함되는 WC 입자는 0.5∼10 ㎛의 메디안 직경 D50(누적 체적의 50%의 입경(粒徑)에 상당)을 가지는 것이 바람직하다. 평균 입자 직경이 0.5㎛ 미만인 경우, WC 입자와 결합상 사이의 경계가 증가하므로, 후술하는 복탄화물이 발생하기 쉬워져, 초경합금의 강도가 저하된다. 한편, 평균 입자 직경이 10㎛를 초과하면, 초경합금의 강도가 저하된다. WC 입자의 메디안 직경 D50의 하한은 1㎛가 바람직하고, 2㎛가 보다 바람직하고, 3㎛가 가장 바람직하다. 또한 WC 입자의 메디안 직경 D50의 상한은 9㎛가 바람직하고, 8㎛가 보다 바람직하고, 7㎛가 가장 바람직하다.

초경합금 중에서는 WC 입자가 연결하도록 밀집하고 있으므로, WC 입자의 입경을 현미경 사진 상에서 구하는 것은 곤란하다. 본 발명에 따른 초경합금의 경우에는, 후술하는 바와 같이, 성형체를(액상화 개시 온도) 내지 (액상화 개시 온도+100℃)의 온도에서 진공 중에서 소결(燒結)하므로, 성형용 WC 분말의 입경과 초경합금 중의 WC 입자의 입경은 거의 차이가 없다. 따라서, 초경합금 중에 분산되는 WC 입자의 입경을 성형용 WC 분말의 입경으로 표시한다.

WC 입자는 비교적 균일한 입경을 가지는 것이 바람직하다. 이 때문에, WC 입자의 바람직한 입경 분포는, 레이저 회절 산란법으로 구한 누적 입경 분포 곡선에 있어서, 하기와 같은 범위이다. 즉, D10(10%의 누적 체적에서의 입경)의 하한은 0.3㎛인 것이 바람직하고, 1㎛인 것이 보다 바람직하다. D10의 상한은 3㎛인 것이 바람직하다. 또한 D90(90%의 누적 체적에서의 입경)의 하한은 3㎛인 것이 바람직하고, 6㎛인 것이 보다 바람직하다. D90의 상한은 12㎛인 것이 바람직하고, 8㎛인 것이 보다 바람직하다. 메디안 직경 D50은 전술한 바와 같다.

외층 및 중간층에 포함되는 WC 입자는, 상기 입경 분포를 만족시키는 한, 동일해도 되고 상이해도 되지만, 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

(2) 결합상

외층 및 중간층을 구성하는 초경합금에 있어서, 결합상은

0.5∼10 질량%의 Ni,

0.2∼2질량%의 C,

0.5∼5 질량%의 Cr, 및

0.1∼5 질량%의 W를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가진다.

(i) 필수 원소

(a) Ni: 0.5∼10 질량%

Ni는 결합상의 담금질성을 확보하는 데 필요한 원소이다. Ni가 0.5질량% 미만이면, 결합상의 담금질성이 불충분하여, 재료 강도가 저하될 가능성이 있다. 한편, Ni가 10질량%를 초과하면, 결합상이 오스테나이트화하여, 얻어지는 초경합금은 충분한 압축 항복 강도를 가지지 않는다. Ni의 함유량의 하한은 2.0질량%가 바람직하고, 2.5질량%가 보다 바람직하고, 3질량%가 더욱 바람직하고, 5질량%가 가장 바람직하다. 또한 Ni의 함유량의 상한은 8질량%가 바람직하고, 7질량%가 보다 바람직하다.

(b) C: 0.2∼2.0 질량%

C는 결합상의 담금질성을 확보하는 동시에 복탄화물의 발생을 억제하는 데도 필요한 원소이다. C가 0.2질량% 미만에서는 결합상의 담금질성이 부족하고, 또한 복탄화물 발생이 많아 재료 강도가 저하된다. 한편, C가 2.0질량%를 초과하면, 생성되는 복탄화물이 조대(粗大)하게 되어 초경합금의 강도가 저하된다. C의 함유량의 하한은 0.3질량%가 바람직하고, 0.5질량%가 보다 바람직하다. 또한, C의 함유량의 상한은 1.5질량%가 바람직하고, 1.0질량%가 보다 바람직하다.

(c) Cr: 0.5∼5 질량%

Cr은 결합상의 담금질성을 확보하는 데 필요한 원소이다. Cr이 0.5질량% 미만이면, 결합상의 담금질성이 지나치게 낮고, 충분한 압축 항복 강도를 확보할 수 없다. 한편, Cr이 5질량%를 초과하면 조대한 복탄화물이 발생하여, 초경합금의 강도가 저하된다. Cr은 4질량% 이하가 바람직하고, 3질량% 이하가 보다 바람직하다.

(d) W: 0.1∼5 질량%

결합상 중의 W의 함유량은 0.1∼5 질량%이다. 결합상 중의 W의 함유량이 5질량%를 초과하면, 조대한 복탄화물이 발생하여, 초경합금의 강도가 저하된다. W의 함유량의 하한은 0.8질량%가 바람직하고, 1.2질량%가 보다 바람직하다. 또한, W의 함유량의 상한은 4질량%가 바람직하다.

(ii) 임의 원소

(a) Si: 0.2∼2.0 질량%

Si는 결합상을 강화하는 원소이며, 필요에 따라 함유할 수 있다. Si가 0.2질량% 미만이면, 결합상을 강화하는 효과를 거의 얻을 수 없다. 한편, Si가 2.0질량%를 초과하면, 흑연이 정출(晶出)되기 쉬워 초경합금의 강도가 저하된다. 이 때문에, Si를 함유시키는 경우, 0.2질량% 이상 2.0질량% 이하인 것이 바람직하다. 또한 결합상의 강화 효과는, Si의 함유량이 0.3질량% 이상, 나아가서는 0.5질량% 이상인 경우에 의해 발휘된다. 또한, Si의 함유량의 상한은 1.9질량%가 바람직하다.

(b) Co: 0∼5 질량%

Co는 소결성을 향상시키는 작용을 가지지만, 본 발명에 따른 초경합금에서는 필수적이지 않다. 즉, Co의 함유량은 실질적으로 0질량%인 것이 바람직하다. 그러나, Co의 함유량이 5질량% 이하이면, 초경합금의 조직 및 강도에 영향을 주지 않는다. Co의 함유량의 상한은 2질량%인 것이 보다 바람직하고, 1질량%인 것이 가장 바람직하다.

(c) Mn: 0∼5 질량%

Mn은 담금질성을 향상시키는 작용을 가지는이, 본 발명에 따른 초경합금에서는 필수적이지 않다. 즉, Mn의 함유량은 실질적으로 0질량%인 것이 바람직하다. 그러나, Mn의 함유량이 5질량% 이하이면, 초경합금의 조직 및 강도에 영향을 주지 않는다. Mn의 함유량의 상한은 2질량%가 보다 바람직하고, 1질량%가 가장 바람직하다.

(iii) 불가피한 불순물

불가피한 불순물로서는, Mo, V, Nb, Ti, Al, Cu, N, O 등을 예로 들 수 있다. 이들 중, Mo, V 및 Nb로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 함유량은 합계하여 2질량% 이하인 것이 바람직하다. Mo, V 및 Nb로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 함유량은, 합계하여 1질량% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.5질량% 이하인 것이 가장 바람직하다. 또한, Ti, Al, Cu, N 및 O로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 함유량은 단독으로 0.5질량% 이하이며, 합계하여 1질량% 이하인 것이 바람직하다. 특히, N 및 O는 각각 1000ppm 미만인 것이 바람직하다. 불가피한 불순물의 함유량이 상기한 범위 내이면, 초경합금의 조직 및 강도는 실질적으로 영향을 받지 않는다.

외층 및 중간층의 초경합금을 구성하는 결합상의 조성은 동일해도 되고 상이해도 되지만, 동일한 조성의 결합상으로 하는 것이 바람직하다.

(B) 조직

(1) 복탄화물

외층 및 중간층을 구성하는 초경합금의 조직은, WC 입자와 결합상을 주체로 하지만, 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 복탄화물을 실질적으로 함유하지 않은 것이 바람직하다. 복탄화물은 W와 금속 원소의 복탄화물이며, 예를 들면, (W, Fe, Cr)₂₃C₆, (W, Fe, Cr)₃C, (W, Fe, Cr)₂C, (W, Fe, Cr)₇C₃, (W, Fe, Cr)₆C 등이다. 여기서, 복탄화물의 원 상당 직경은, 초경합금의 연마 단면을 나타내는 현미경 사진(1000배 정도)에 있어서, 복탄화물 입자의 면적과 동일한 면적을 가지는 원의 직경이다. 결합상 중에 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 복탄화물이 존재하지 않는 초경합금은 1700 MPa 이상의 항절(抗折) 강도를 가진다. 여기서, 「복탄화물을 실질적으로 함유하지 않은」은, SEM 사진(1000배) 상에서 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 복탄화물이 관측되지 않는 것을 의미한다. 원 상당 직경이 5㎛ 미만인 복탄화물에 대해서는, 본 발명의 초경합금제 복합 롤의 외층 및 중간층을 구성하는 초경합금에 EPMA 분석으로 5면적% 미만 정도 존재해도 상관없다.

(2) 베이나이트상 및/또는 마르텐사이트상

외층 및 중간층을 구성하는 초경합금의 결합상은, 베이나이트상 및/또는 마르텐사이트상을 합계하여 50면적% 이상 함유하는 조직을 가지는 것이 바람직하다. 그리고, 「베이나이트상 및/또는 마르텐사이트상」으로 하는 것은, 베이나이트상 및 마르텐사이트상이 실질적으로 동일한 작용을 가지고, 또한 현미경 사진상에서 양자를 구별하는 것이 곤란하기 때문이다. 이와 같은 조직에 의해, 본 발명의 초경합금제 복합 롤의 외층 및 중간층을 구성하는 초경합금은 높은 압축 항복 강도 및 강도를 가진다.

결합상에서의 베이나이트상 및/또는 마르텐사이트상의 함유량이 합계하여 50면적% 이상이므로, 초경합금은 1200 MPa 이상의 압축 항복 강도를 가진다. 베이나이트상 및/또는 마르텐사이트상은 합계하여 70면적% 이상이 바람직하고, 80면적% 이상이 보다 바람직하고, 실질적으로 100면적%인 것이 가장 바람직하다. 베이나이트상 및 마르텐사이트상 이외의 조직은 펄라이트상, 오스테나이트상 등이다.

(3) WC 입자 중으로의 Fe의 확산

EPMA 분석의 결과, 본 발명의 초경합금제 복합 롤의 외층 및 중간층을 구성하는 초경합금에서는 WC 입자 중에 Fe가 0.3∼0.7 질량% 존재하고 있는 것을 알 수 있었다.

(C) 구성

초(初) 직경에서의 외층의 두께는 5∼40 mm이며, 중간층의 두께는 3∼15 mm인 것이 바람직하다. 여기서 초 직경은 초경합금제 복합 롤의 초기 직경, 즉 사용을 시작한 시점에서의 직경이다. 또한 폐각 직경에서의 복합 롤 표면으로부터 중간층과 내층의 경계까지의 두께는 8 mm 이상인 것이 바람직하다. 여기서 폐각 직경은, 롤의 압연 사용에 따른 외층 표면의 마모에 의해 초 직경이 서서히 작아져 갈 때의 사용 가능한 최소 직경이며, 통상 롤 사용자와 롤 제조자가 결정한다. 외층은 초 직경으로부터 폐각 직경까지의 사이가 실제로 압연에 사용되고, 이 치수는 각 밀의 사양에 맞추어서 설정된다. 외층 두께가 두꺼운 것이 압연에 사용 가능한 영역이 많아지지만, 중간층 및 내층의 금속 접합에 따라 내층에 작용하는 인장 잔류 응력이 높아지므로, 외층이 지나치게 두꺼워지면 내층이 강도적으로 내용(耐用)할 수 없게 된다. 중간층은 외층과 내층의 중간적인 재질이며, 급격한 응력 변화를 완화하기 위해 외층과 내층의 사이에 삽입된다. 또한, 폐각 직경 부근까지 사용이 진행되었을 때 등, 외층 두께가 얇아졌을 경우, 압연면으로부터 내층까지의 거리를 확보하는 작용도 가진다. 전술한 바와 같이 압연 시에 롤에 작용하는 헤르츠 압은 압연면으로부터 수 밀리(mm) 내부에 들어온 위치에 최대의 전단 응력이 작용하지만, 이 최대 전단 응력부가 인장 잔류 응력의 부여되고 있는 내층이나 중간층에 작용하면 롤이 피로 파괴할 가능성이 있다. 이것을 방지하기 위하여, 중간층에는 높은 인장 잔류 응력이 발생하지 않도록 재질이나 제조법을 조정하고, 폐각 직경에 있어서도 최대 전단 응력부가 중간층 혹은 외층에 위치하고 인장 잔류 응력이 작용하고 있는 내층에 위치하지 않도록, 외층과 중간층을 합친 층을 8 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(D) 특성

상기 조성 및 조직을 가지는 초경합금은, 1200MPa 이상의 압축 항복 강도, 및 1700 MPa 이상의 항절 강도를 가지므로, 상기 초경합금으로 이루어지는 외층( 및 중간층)을 가지는 압연 롤을 금속 띠판(강 띠판)의 냉간 압연에 사용한 경우에, 롤 표면의 압축 항복에 의한 패임을 저감할 수 있다. 이 때문에, 금속 띠판의 고품질의 압연을 연속하여 행할 수 있는 동시에, 압연 롤의 장수명화를 달성할 수 있다. 또한, 압연을 반복적으로 행했을 때, 중간층이나 내층으로부터의 피로 파괴의 발생을 방지할 수 있어, 압연 롤의 장수명화를 달성할 수 있다. 물론, 본 발명의 초경합금제 복합 롤은 금속 띠판의 열간 압연 롤에도 사용할 수 있다.

압축 항복 강도는, 도 3에 나타낸 시험편을 사용하여 축 방향으로 하중을 가하는 1축 압축 시험에서의 항복 응력을 일컫는다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 1축 압축 시험의 응력-왜곡선에 있어서, 응력과 변형이 직선관계로부터 벗어나는 점의 응력을 압축 항복 강도로 정의한다.

외층 및 중간층을 구성하는 초경합금에 있어서, 압축 항복 강도는 1500MPa 이상이 보다 바람직하고, 1600MPa 이상이 가장 바람직하다. 항절 강도는 2000MPa 이상이 보다 바람직하고, 2300MPa 이상이 가장 바람직하다.

외층 및 중간층을 구성하는 초경합금은 더욱 385GPa 이상의 영률, 및 80HRA이상의 로크웰 경도를 가진다. 영률은 400GPa 이상이 바람직하고, 450GPa 이상이 보다 바람직하다. 또한, 로크웰 경도는 82HRA 이상이 바람직하다.

[1-2] 내층

내층은 철계(鐵系) 합금으로 이루어지는 것이 바람직하고, 특히 인성이 우수한는 강재 또는 주강재(鑄鋼材)가 바람직하다. 그 중에서도, Cr, Ni, 및 Mo로부터 선택된 적어도 1종을 합계하여 2.0질량% 이상 함유하는 철계 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 철계 합금은, C: 0.2∼0.45 질량%, Cr: 0.5∼4.0 질량%, Ni: 1.4∼4.0 질량%, 및 Mo: 0.10∼1.0 질량%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 철계 합금인 것이 특히 바람직하다. 내층에 이와 같은 철계 합금을 사용함으로써, 외층과 중간층과 내층을 금속 접합한 후의 냉각 과정에서 내층에 베이나이트 변태 혹은 마르텐사이트 변태를 일으킬 수 있고, 그 결과, 저열팽창의 초경합금과의 열팽창차를 작게 하고, 외층 및 중간층의 잔류 응력을 저감할 수 있다.

[2] 초경합금제 복합 롤의 제조 방법

(A-1) 성형용 분말(외층용)

WC 분말 55∼90 질량부와, 0.5∼10 질량%의 Ni, 0.3∼2.2 질량%의 C, 및 0.5∼5 질량%의 Cr을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 금속 분말 10∼45 질량부를 볼 밀 등으로 습식 혼합한 후, 건조하여, 초경합금의 소재로 하는 외층용의 성형용 분말을 조제한다. 소결 중에 WC 분말 중의 W가 결합상으로 확산하므로, 상기 금속 분말에 W를 포함시키지 않아도 된다. WC 분말의 함유량은 60∼90 질량부인 것이 바람직하고, 65∼90 질량부인 것이 보다 바람직하다. 그리고, WC 분말의 함유량의 상한은 85질량부인 것이 바람직하다. 복탄화물의 생성을 방지하기 위하여, 상기 금속 분말 중의 C 함유량은 0.3∼2.2 질량%일 필요가 있고, 바람직하게는 0.5∼1.7 질량%, 보다 바람직하게는 0.5∼1.5 질량%이다.

(A-2) 성형용 분말(중간층용)

WC 분말 30∼65 질량부와, 0.5∼10 질량%의 Ni, 0.3∼2.2 질량%의 C, 및 0.5∼5 질량%의 Cr을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 금속 분말 35∼70 질량부를 볼 밀 등으로 습식 혼합한 후, 건조하여, 초경합금의 소재로 하는 중간층용의 성형용 분말을 조제한다. 소결 중에 WC 분말 중의 W가 결합상으로 확산하므로, 상기 금속 분말에 W를 포함시키지 않아도 된다. WC 분말의 함유량은 33∼65 질량부인 것이 바람직하고, 35∼65 질량부인 것이 보다 바람직하다. 그리고, WC 분말의 함유량의 상한은 60질량부인 것이 바람직하다. 복탄화물의 생성을 방지하기 위하여, 상기 금속 분말 중의 C 함유량은 0.3∼2.2 질량%일 필요가 있고, 바람직하게는 0.5∼1.7 질량%, 보다 바람직하게는 0.5∼1.5 질량%이다.

외층용 및 중간층용 모두에, 결합상을 형성하기 위한 금속 분말은, 각 구성 원소의 분말 혼합물이라도, 모든 구성 원소를 합금화한 분말이라도 된다. 탄소는 그래파이트, 카본블랙 등의 분말형으로 첨가해도 되고, 각 금속 또는 합금의 분말에 함유시켜도 된다. 각 금속 또는 합금의 분말 메디안 직경 D50에 대해서는, 예를 들면, Fe 분말, Ni 분말, Co 분말, Mn 분말 및 Cr 분말 모두 1∼10 ㎛인 것이 바람직하다.

(B) 외층 및 중간층의 성형

상기 성형용 분말을, 금형 성형, 냉간정수압 성형(CIP) 등의 방법으로 원통형으로 형성하여 외층 및 중간층의 성형체를 얻는다.

(C) 소결

얻어진 성형체를, (액상화 개시 온도) 내지 (액상화 개시 온도+100℃)의 온도에서 진공 중에서 소결한다. 성형체의 액상화 개시 온도는, 소결의 승온 과정에서 액상화가 개시되는 온도이며, 시차열분석장치를 사용하여 측정한다. 도 4에 측정 결과의 일례를 나타낸다. 성형체의 액상화 개시 온도는, 도 4에 화살표로 나타낸 바와 같이, 흡열 반응이 개시되는 온도이다. 액상화 개시 온도+100℃를 초과하는 온도에서 소결하면, 조대한 복탄화물이 생성되어, 얻어지는 초경합금의 강도는 저하된다. 또한 액상화 개시 온도 미만의 온도에서 소결하면, 치밀화가 불충분하여, 얻어지는 초경합금의 강도는 낮다. 소결 온도의 하한은 액상화 개시 온도+10℃가 바람직하고, 소결 온도의 상한은 액상화 개시 온도+90℃가 바람직하고, 액상화 개시 온도+80℃가 보다 바람직하다.

(D) HIP 처리

얻어진 소결체를 내층재의 외주에, 중간층, 외층을 배치하고, 이들 부재를HIP캔 내에 삽입하고, HIP캔 내를 진공 배기하고, HIP캔을 용접으로 밀봉한 후, HIP 처리를 행하고, 내층, 중간층 및 외층을 일체화한다. 그리고 내층재로서는, 예를 들면, Cr, Ni, 및 Mo로부터 선택된 적어도 1종을 합계하여 2.0질량% 이상 함유하는 철계 합금을 사용하는 것이 바람직하다. HIP 처리의 온도는 1100∼1350 ℃가 바람직하고, 압력은 50MPa 이상이 바람직하다.

(E) 냉각

얻어진 HIP체를, 900℃∼600℃의 사이에 60℃/시간 이상의 평균 속도로 냉각한다. 60℃/시간 미만의 평균 속도로 냉각하면 초경합금의 결합상 중의 펄라이트상의 비율이 많아지므로, 베이나이트상 및/또는 마르텐사이트상을 합계하여 50면적% 이상으로 할 수 없고, 초경합금의 압축 항복 강도가 저하된다. 60℃/시간 이상의 평균 속도에서의 냉각은, HIP 처리에 있어서 HIP로(爐) 중의 냉각 과정에서 행해도 되고, 다시 900℃ 이상으로 가열하여 60℃/시간 이상의 평균 속도로 행해도 된다.

(F) 가공

HIP 처리 후에 HIP캔을 가공 제거한 후, 일체화된 초경합금제 복합 롤의 외형을 가공하여, 압연에 사용 가능한 초경합금제 복합 롤을 얻는다. 외층을 가공할 때, 외층 표면의 표면거칠기를, Ra: 0.1∼1.2 ㎛로 하는 것이 바람직하다. 이는 본 발명의 초경합금제 복합 롤을 사용하여 강판의 냉간 압연을 행할 때, 피압연재의 슬립을 방지하는 동시에, 윤활제의 유막 두께를 확보하기 위해서이다. 외층 표면의 표면거칠기 Ra의 하한은 0.2㎛가 바람직하고, 0.3㎛가 보다 바람직하다. 외층 표면의 표면거칠기 Ra의 상한은 1㎛가 바람직하고, 0.9㎛가 보다 바람직하다. 그리고, 압연 롤이 사용되는 스탠드에 따라서도 최적인 표면거칠기가 상이하며, 전단(前段) 스탠드에서는 Ra: 0.6∼0.9 ㎛가 바람직하고, 0.7∼0.8 ㎛가 보다 바람직하고, 마무리 스탠드에서는 0.2∼0.5 ㎛가 바람직하고, 0.3∼0.4 ㎛가 보다 바람직하다.

외층 표면의 표면거칠기를 Ra: 0.3∼1.2 ㎛로 하기 위하여, 다이아몬드 숫돌(grindstone)을 사용하여 외층의 외주의 연삭 가공을 행한다. 다이아몬드 숫돌의 입도(粒度)는 #100∼#180이 바람직하다. 다이아몬드 숫돌의 결합제는, 각종 것을 사용할 수 있지만, 메탈 본드 숫돌, 비트리파이드 본드 숫돌를 사용하는 것이 바람직하다.

[3] 용도

본 발명의 초경합금제 복합 롤은, 높은 압축 항복 강도, 항절 강도, 영률 및 경도를 가지는 초경합금으로 이루어지는 외층 및 중간층을 가지므로, 특히 금속 띠판(강 띠판)의 냉간 압연에 바람직하다. 본 발명의 초경합금제 복합 롤은, (a) 금속 띠판을 압연하는 상하 한 쌍의 작업 롤과, 각 작업 롤을 지지하는 상하 한 쌍의 중간 롤과, 각 중간 롤을 지지하는 상하 한 쌍의 보강 롤을 구비하는 6단식의 압연기, 또는 (b) 금속 띠판을 압연하는 상하 한 쌍의 작업 롤과, 각 작업 롤을 지지하는 상하 한 쌍의 보강 롤을 구비하는 4단식의 압연기에 있어서, 작업 롤로서 사용하는 것이 바람직하다. 적어도 1스탠드의 상기 압연기를, 복수의 압연기 스탠드를 배열한 텐덤 압연기에 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.

참고예 1

WC 분말(순도: 99.9%, 메디안 직경 D50: 6.4㎛, 레이저 회절식 입도분포측정장치(가부시키가이샤 시마즈제작소(島津製作所)에서 제조한 SALD-2200)로 측정한D10: 4.3㎛, D50: 6.4㎛, D90: 9.0㎛)과, 표 1의 조성이 되도록 배합한 결합상용 분말을 표 2에 나타낸 비율로 혼합하여, 혼합 분말(시료 1∼10)을 조정했다. 그리고 결합상용 분말은 모두 1∼10 ㎛의 메디안 직경 D50을 가지고, 미량의 불가피한 불순물을 포함하고 있었다.

얻어진 혼합 분말을 볼 밀을 사용하여 20시간 습식 혼합하고, 건조한 후, 98MPa의 압력으로 프레스 성형하여, 직경 60mm×높이 40mm의 원통형 성형체(시료 1∼10)를 얻었다. 각 성형체로부터 1mm×1mm×2mm의 시료를 잘라내고, 시차열분석장치를 사용하여 액상화 개시 온도를 측정했다. 결과를 표 3에 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

각 성형체를 표 4에 나타낸 조건으로 진공 소결 후, 표 4에 나타낸 조건으로 HIP 처리하여, 시료 1∼10의 초경합금을 제작했다. 각 초경합금을 이하의 방법에 의해 평가했다. 그리고 시료 7, 8 및 10은 본 발명의 초경합금제 복합 롤의 외층에 사용하는 초경합금의 조성 범위 외의 예이다.

[표 4]

(1) 압축 항복 강도

각 초경합금으로부터 잘라 낸 도 3에 나타낸 각 압축시험용 시험편의 중앙부 표면에 왜곡 게이지를 장착하고, 축 방향으로 하중을 가하여, 응력-왜곡선을 작성했다. 응력-왜곡선에 있어서, 응력과 변형이 직선 관계로부터 벗어났을 때의 응력을 압축 항복 강도로 했다. 결과를 표 5에 나타낸다.

(2) 항절 강도

각 초경합금으로부터 잘라 낸 4mm×3mm×40mm의 시험편에 대하여, 지점간 거리 30mm의 4점 굽힘의 조건으로 항절 강도를 측정했다. 결과를 표 5에 나타낸다.

(3) 영률

각 초경합금으로부터 잘라 낸 폭 10mm×길이 60mm×두께 1.5mm의 시험편에 대하여, 자유 공진식 고유 진동법(JIS Z2280)으로 측정했다. 결과를 표 5에 나타낸다.

(4) 경도

각 초경합금에 대하여, 로크웰 경도(A 스케일)를 측정했다. 결과를 표 5에 나타낸다.

[표 5]

(5) 조직의 관찰

각 시료를 경면(鏡面) 연마한 후, SEM 관찰을 행하고, 복탄화물의 존재, 결합상 중의 베이나이트상 및 마르텐사이트상의 합계 면적율을 구했다. 결과를 표 6에 나타낸다. 도 1은, 시료 2의 초경합금 SEM 사진이다. 백색 입상부(粒狀部)는 WC 입자이며, 회색 부분은 결합상이다.

[표 6]

(6) 결합상의 조성

각 시료의 결합상의 조성을 전계 방출형 전자선 마이크로 아날라이저(FE-EPMA)로 측정했다. 빔 직경 1㎛의 점 분석에 의해, WC 입자 이외의 부분에 대하여 임의의 10군데의 점에서 측정을 행하고, 얻어진 측정값을 평균함으로써, 결합상의 조성을 구했다. 결과를 표 7에 나타낸다. 또한, WC 입자 및 복탄화물에 대해서도 동일한 점분석을 행하고, W 함유량과 C 함유량의 조성비에 의해 WC 입자나 복탄화물의 판정을 행하였다.

[표 7]

참고예 2

참고예 1에 있어서의 시료 1과 동일한 조성의 성형용 분말을 사용하여, 참고예 1과 동일한 방법으로 원기둥형 성형체를 제작했다. 각 성형체를 참고예 1과 동일하게 행하여 소결하여, 외경 44mm×전장(全長) 620mm의 일체 롤을 제작했다. 이 롤을, 두께 0.6mm의 순(純) Ni 판재의 냉간 압연에 사용한 결과, 순 Ni 판재에 롤 표면의 패임에 기인하는 흠집이 발생하지 않았다.

참고예 1에 있어서의 시료 10과 동일한 조성의 성형용 분말을 사용하여, 동일하게 외경 44mm×전장 620mm의 일체 롤을 제작했다. 이 롤을, 두께 0.6mm의 순 Ni 판재의 압연에 사용한 결과, 순 Ni 판재에 롤 표면의 패임에 기인하는 흠집이 발생했다.

실시예 1∼4, 비교예 1, 2

참고예 1에서 제작한 시료 1과 동일한 원료를 사용하여, 표 8의 조성이 되도록 성형용 분말을 조정하고, 냉간 정수압 프레스(CIP)에 의해, 외층용 및 중간층용의 원통형 성형체를 제작했다. 얻어진 성형체를, 참고예 1의 시료 1과 동일하게 하여 표 9에 나타낸 조건으로 진공 소결한 후, 표 10에 나타낸 형상으로 가공하여, 실시예 1∼4, 비교예 1 및 2의 외층용 및 중간층용의 원통형 소결체를 제작했다.

[표 8]

[표 9]

[표 10]

표 11에 나타낸 원기둥형의 내층 외주에 제작한 중간층용의 원통형 소결체를 배치하고, 그 외주에 제작한 외층용의 원통형 소결체를 배치했다. 또한, 외층용의 원통형 소결체의 외면을 원통형 HIP캔으로 덮고, 상기 원통형 HIP캔에 용접하기 위한 플랜지부를 가지는 원통형 HIP캔에 의해 내층재를 덮고, 또한 상기 플랜지부를 가지는 원통형 HIP캔에 원판형 HIP캔을 용접한 후, 탈기용(脫氣用) 배기관으로부터 HIP캔 내를 진공 탈기하고 밀폐했다. 그 후, HIP캔을 HIP 로에 넣고, 1230℃, 140MPa, 2시간의 조건으로 HIP 처리를 행하였다. 그리고 HIP 처리 후의 외층 및 중간층은 80∼100 ℃/시간의 평균 속도로 되도록 냉각했다.

[표 11]

HIP캔을 가공 제거, 외형 가공을 행하여, 도 5에 나타낸 바와 같은, 강제의 내층(1)과, 상기 내층(1)과 초경합금제 중간층(2)을 통하여 금속 접합된 초경합금제 외층(3)으로 이루어지는 초경합금제 복합 롤(10)을 얻었다. 각 시료의 형상을 표 12에 나타낸다.

[표 12]

얻어진 초경합금제 복합 롤의 외층, 중간층 및 내층의 단부로부터 시험편을 잘라내어, 결합상의 조성 분석, 조직 관찰, 650℃∼500℃ 사이의 열수축률, 압축 항복 강도, 굽힘 강도, 및 잔류 응력의 측정을 행하였다.

(a) 결합상의 조성 분석 및 조직 관찰

결합상의 조성 분석의 결과를 표 13에 나타낸다. 조직 관찰의 결과, 실시예 1∼4, 비교예 1 및 2의 외층 및 중간층을 구성하는 초경합금은, 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 복탄화물이 관찰되지 않았다. 또한 외층 및 중간층을 구성하는 초경합금의 결합상에서의 베이나이트상 및 마르텐사이트상의 합계 함유량은, 비교예 2의 중간층을 제외하고, 모든 시료에서 50면적% 이상이었다. 비교예 2의 중간층은 100% 오스테나이트상이었다.

[표 13]

(b) 650℃∼500℃ 사이의 열수축률

열수축률의 측정은 열팽창측정장치를 사용하여, 상기 각 시험편을 650℃ 이상으로 가열 후, 650℃로부터 500℃로의 냉각 과정에서의 650℃∼500℃의 평균 수축률로서 구했다. 650℃∼500℃ 사이의 열수축률의 측정 결과, 및 중간층과 외층의 열수축률의 차 및 내층과 중간층의 열수축률의 차를 표 14에 나타낸다.

[표 14]

(c) 압축 항복 강도, 굽힘 강도 및 잔류 응력

결과를 표 15 및 표 16에 나타낸다. 그리고 잔류 응력은, 변형게이지를 사용한 파괴법에 의해, 복합 롤의 원주 방향을 따라 측정했다.

[표 15]

[표 16]

외층의 외주면에 대하여, 다이아몬드 숫돌을 사용하여 연삭 가공을 행하였다. 사용한 숫돌의 상세한 것 및 외주면의 표면거칠기 Ra를 표 17에 나타낸다.

[표 17]

이상의 결과로부터, 외층의 WC 입자의 함유량 c1(질량부)에 대한 중간층의 WC 입자의 함유량 c2(질량부)의 비 c2/c1가 44%이며, 식: 0.45≤c2/c1≤0.85를 만족시키지 않는 비교예 1은, 외층과 중간층의 열수축률의 차가 크고, 중간층에 인장의 잔류 응력이 작용하므로, 외층과 중간층에서의 파손의 가능성이 높은 것으로 여겨진다. 또한 중간층의 Ni 함유량이 50질량%로 크고, 중간층의 조직이 100% 오스테나이트인 비교예 2는, 압축 항복 강도가 1000MPa로 낮으며, 외층와 비교하여 중간층의 열수축률이 크고, 중간층의 인장 잔류 응력이 높으므로, 외층과 중간층의 경계에서의 파손의 가능성이 높은 것으로 여겨진다.

한편, 실시예 1∼4의 초경합금제 복합 롤은, 압연 시의 반복 고부하가 작용해도 피로에 의해 롤이 파손될 가능성이 낮다. 이는, 높은 인장 잔류 응력이 작용하고 있는 롤 부위에, 압연 표면 아래 수 밀리의 위치에 압연에 의해 발생하는 전단 응력의 피크가 위치하지 않도록 롤이 구성되어 있기 때문이다. 인장 잔류 응력이 작용하고 있는 롤 부위에, 압연 응력의 반복 전단 피크가 중첩하면, 피로에 의해 파괴될 가능성이 높아진다. 이와 같은 파괴를 회피하기 위해서는, 압연 응력이 발생하는 롤 표면으로부터 수 밀리의 깊이의 위치보다 더욱 내부에는 높은 인장 잔류 응력이 작용하지 않도록, 롤 표면으로부터 수 밀리의 깊이까지의 범위에 압축 응력이 잔류하는 외층, 또는 높은 인장 응력이 작용하고 있지 않는(극히 낮은 인장 응력 혹은 압축 응력이 잔류하는) 중간층이 위치하도록 롤 치수 관계를 구성하는 것이 유효하다.

중간층으로부터의 파괴를 방지하기 위해서는, 중간층의 재질의 열수축량이 외층의 열수축량차를 적게 하고 높은 인장의 응력이 잔류하지 않도록 하는 것이 유효하다. 또한, 높은 인장의 응력이 잔류하는 내층이 압연 표면으로부터 수 밀리 이상 내부로 되도록, 가장 외층 두께가 얇아지는 폐각 직경에 있어서도 충분한 외층 내지 중간층의 두께를 확보할 수 있도록 외층 및 중간층의 두께를 설정하는 것도 필요하다. 실시예 1∼4는 모두 중간층의 WC 입자 함유량 c2를 외층의 WC 입자 함유량 c1의 0.45 이상으로 함으로써 열수축차를 저감하고 있다. 또한, 결합상에서의 베이나이트상 및/또는 마르텐사이트상의 함유량이 합계하여 50면적% 이상으로 함으로써, 변태 팽창에서 열수축량을 외층에 더욱 가깝게 하고, 높은 인장 잔류 응력이 발생하는 것을 방지하고 있다. 어느 실시예에 있어서도 폐각 직경 시점에서의 잔존 외층과 중간층의 합계 두께를 확보하고, 롤 표면으로부터 중간층과 상기 내층의 경계까지의 두께가 8mm 이상이 되도록 구성하고, 폐각 직경에 있어서도 압연에 의한 전단 응력 피크가 내층에 위치하지 않도록 구성되어 있다.

Claims

강제(鋼製)의 내층과, 초경합금제(超硬合金製)의 외층과, 상기 내층 및 상기 외층에 금속 접합된 초경합금제 중간층으로 이루어지는 초경합금제 복합 롤로서,
상기 외층을 구성하는 초경합금이, WC 입자 55∼90 질량부와, Fe를 주성분으로 하는 결합상(結合相) 10∼45 질량부를 함유하고, 상기 외층의 결합상이 0.5∼10 질량%의 Ni, 0.2∼2.0 질량%의 C, 0.5∼5 질량%의 Cr, 및 0.1∼5 질량%의 W를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지고,
상기 중간층을 구성하는 초경합금이, WC 입자 30∼65 질량부와, Fe를 주성분으로 하는 결합상 35∼70 질량부를 함유하고, 상기 중간층의 결합상이 0.5∼10 질량%의 Ni, 0.2∼2.0 질량%의 C, 0.5∼5 질량%의 Cr, 및 0.1∼5 질량%의 W를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지고,
상기 외층의 WC 입자의 함유량을 c1 질량부, 상기 중간층의 WC 입자의 함유량을 c2 질량부로 했을 때,
0.45≤c2/c1≤0.85
를 만족시키는, 초경합금제 복합 롤.
제1항에 있어서,
상기 중간층 및 상기 외층의 초경합금이, 5㎛ 이상의 원 상당 직경을 가지는 복탄화물을 실질적으로 함유하지 않는, 초경합금제 복합 롤.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 중간층 및 상기 외층에 포함되는 상기 WC 입자의 메디안 직경 D50이 0.5∼10 ㎛인, 초경합금제 복합 롤.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층 및 상기 외층의 결합상이, 0.2∼2.0 질량%의 Si, 0∼5 질량%의 Co, 및 0∼1 질량%의 Mn을 더 함유하는, 초경합금제 복합 롤.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층 및 상기 외층의 결합상에서의 베이나이트상(bainite phase) 및/또는 마르텐사이트(martensite phase)의 함유량이 합계하여 50면적% 이상인, 초경합금제 복합 롤.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
초(初) 직경에서의 상기 외층의 두께가 5∼40 mm, 및 상기 중간층의 두께가 3∼15 mm인, 초경합금제 복합 롤.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
폐각(廢却) 직경에서의 상기 초경합금제 복합 롤의 표면으로부터 상기 중간층과 상기 내층의 경계까지의 두께가 8 mm 이상인. 초경합금제 복합 롤.