KR20210040940A - 압연용 원심 주조 복합 롤 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 외층과 내층이 용착 일체화하여 이루어지는 압연용 원심 주조 복합 롤로서, 상기 외층이, 질량 기준으로 1.70∼2.70%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 1.1∼3.0%의 Ni와, 4.0∼10%의 Cr과, 2.0∼7.5%의 Mo와, 3∼6.0%의 V와, 0.1∼2%의 W와, 0.2∼2%의 Nb와, 0.01∼0.2%의 B와, 0.01∼0.1%의 N을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금으로 이루어지고, 상기 내층이 덕타일 주철로 이루어지는 압연용 원심 주조 복합 롤에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 내마모성이 우수한 외층과 인성이 우수한 축심부(軸芯部)가 용착(溶着) 일체화된 압연용 원심 주조 복합 롤 및 그의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 박강판의 핫 스트립 밀의 마무리 압연용 워크롤에 바람직한 압연용 원심 주조 복합 롤 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
연속 주조 등으로 제조한 두께 몇백㎜의 가열 슬래브는, 조압연기 및 마무리 압연기를 가지는 핫 스트립 밀에 의해 수∼몇십㎜의 두께의 강판에 압연된다. 마무리 압연기는 통상, 5∼7스탠드의 4중식 압연기를 직렬로 배치한 것이다. 7스탠드의 마무리 압연기의 경우, 제1 스탠드로부터 제3 스탠드까지를 전단(front stands) 스탠드라고 하고, 제4 스탠드로부터 제7 스탠드까지를 후단(rear stands) 스탠드라고 한다.
이와 같은 핫 스트립 밀에 사용되는 워크롤은, 열간(熱間)박판에 접촉하므로, 열적 및 기계적인 압연 부하에 의해 외층 표면에 생긴 마모, 표면 거칠어짐, 히트 크랙 등의 손상이 생긴다. 따라서, 이들 손상을 연삭 제거한 후, 워크롤은 다시 압연에 제공된다. 롤 외층의 표층부의 손상의 연삭 제거는 「개삭(damage-removing grinding)」이라고 불린다. 워크롤은, 초경(初徑)으로부터 압연에 사용 가능한 최소 직경(폐각경(廢却徑; discard diameter))까지 개삭된 후, 폐각된다. 이 사용 가능한 최소 직경을 폐각경이라고 한다. 폐각경은 통상 압연기의 사양에 따라서 정한다. 또한, 초경으로부터 폐각경까지를 압연 유효 직경이라고 한다. 압연 유효 직경에서는, 열간압연용 롤의 외층은 압연에 의한 마모가 적은 우수한 내마모성을 가지는 것이 요구된다.
이들의 고품질 요구에 대응하는 롤 재질로서, 종래 고합금 그레인 주철재나 고크롬 주철재 등의 외층과 주철 또는 주강의 내층이 용착 일체화한 복합 중실(中實) 롤이 사용되고 있었지만, 최근에는, 예를 들면, 일본공개특허 평8-60289호에 개시되어 있는 바와 같은 내마모성이 개선된 하이스피드(high-speed)재를 외층에 사용한 복합 롤이 사용되도록 되어 왔다. 이 하이스피드재는 Cr, Mo, V, W 등의 합금 원소를 다량으로 함유하고, 매우 경질의 탄화물이 정출되고 있어, 우수한 내마모성을 발휘한다.
그러나, 하이스피드 롤은 강판의 소부(燒付)가 발생하기 쉽고, 외층 표면에 300MPa를 넘는 큰 압축 잔류 응력을 가지므로, 띠강 또는 강판의 열간 마무리 압연기에 사용하면, 다음과 같은 문제가 생길 우려가 있다. 즉, 실제의 압연 조업에 있어서 각종 요인에 의해 강판의 단부(端部)가 절곡되어, 복수 개가 겹쳐서 압연되는 상황(이하 「코블(cobble)」이라고 함)이 발생하면, 강판이 롤 표면에 소부되기 쉽고, 롤의 표면에 깊은 균열이 생긴다. 이와 같은 균열은 롤 표면에 대하여 큰 각도로 내부에 진전되는 경향이 있고, 압축 잔류 응력은 전단 응력으로서 작용함으로써 균열의 진전을 촉진한다. 즉, 압축 잔류 응력이 높을수록, 균열의 진전은 촉진된다. 또한, 압축 잔류 응력은 롤 반경 방향에서는 외층을 떼어내는 인장 응력으로서 작용하므로, 외층 박리 등의 지연 파괴를 유발하는 위험을 증대시킨다. 일단 균열이 생기면, 압연용 롤의 교환 작업이 필요하게 되고, 압연 조업의 효율이 악화될뿐만 아니라, 비용도 든다. 그러므로, 하이스피드 롤은, 우수한 내마모성 및 강인성을 겸비하고 있음에도 불구하고, 압연용 롤로서의 종합적인 성능이 반드시 충분하지 않았다.
이와 같은 과제를 해결하는 압연용 롤로서, 일본공개특허 제2015-205342호는, 질량 기준으로 C: 1.0∼3.0%, Si: 0.3∼2.0%, Mn: 0.1∼1.6%, Ni: 0.1∼3.0%, Cr: 3.0∼10.0%, Mo: 2.0∼10.0%, W: 0.01∼8.0%, V: 4.0∼10.0%, 및 Nb: 0.1∼6.0%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 외층과, 덕타일 주철(ductile cast iron)로 이루어지는 축심부와, 주철제 중간층으로 이루어지고, 상기 중간층 내에서 축심부와의 경계부 부근에서의 V의 함유량은 상기 외층의 폐각경에서의 V의 함유량의 55% 이하이며, 또한 상기 중간층 내에서 축심부와의 경계부 부근에서의 Cr 함유량은 상기 외층의 폐각경에서의 Cr 함유량의 50% 이상인 원심 주조제 열간압연용 복합 롤을 개시하고 있다. 이 롤은, 내마모성이 우수하고, 또한 외층, 중간층 및 축심부의 용착이 양호하며, 크랙의 진전을 조장하지 않도록 외층의 압축 잔류 응력을 150∼500MPa로 하고 있다. 그러나, 상기와 같은 하이스스피드재를 외층에 사용한 복합 롤은, 내소부성(sticking resistance)이 개선되고 있지 않고, 코블의 발생을 저감한다는 관점에서는 충분하지 않다. 그러므로, 높은 내코블성과 함께, 우수한 내마모성 및 내소부성을 겸비한 하이스피드 롤이 요구되고 있다.
WO 2015/045984 A1은, 원심 주조법에 의해 형성된 외층과, 덕타일 주철로 이루어지는 내층이 용착 일체화하여 이루어지고, 상기 외층이 질량 기준으로, C: 1∼3%, Si: 0.4∼3%, Mn: 0.3∼3%, Ni: 1∼5%, Cr: 2∼7%, Mo: 3∼8%, V: 3∼7%, 및 B: 0.01∼0.12%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성(組成)을 가지고, 또한 하기 식(1):
Cr/(Mo+0.5W)<-2/3 [C-0.2(V+1.19Nb)]+11/6 … (1)
에 의해 표시되는 관계(다만, 임의 성분인 W 및 Nb를 함유하지 않는 경우, W=0 및 Nb=0임)를 충족시키고, 면적율로 1∼15%의 MC 탄화물, 0.5∼20%의 탄붕화물, 및 0.5∼20%의 Mo계 탄화물을 함유하는 원심 주조제 열간압연용 복합 롤을 개시하고 있다. 또한, WO 2015/045985 A1은, 원심 주조법에 의해 형성된 외층과, 덕타일 주철로 이루어지는 내층이 용착 일체화하여 이루어지고, 상기 외층이 질량 기준으로, C: 1.6∼3%, Si: 0.3∼2.5%, Mn: 0.3∼2.5%, Ni: 0.1∼5%, Cr: 2.8∼7%, Mo: 1.8∼6%, V: 3.3∼6.5%, 및 B: 0.02∼0.12%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지고, 또한 하기 식(1):
Cr/(Mo+0.5W)≥-2/3[C-0.2(V+1.19Nb)]+11/6 … (1)
에 의해 표시되는 관계(다만, 임의 성분인 W 및 Nb를 함유하지 않는 경우, W=0 및 Nb=0임)를 충족시키고, 면적율에서 1∼15%의 MC 탄화물, 0.5∼20%의 탄붕화물, 및 1∼25%의 Cr계 탄화물을 함유하는 원심 주조제 열간압연용 복합 롤을 개시하고 있다. 그러나, 이들 원심 주조제 열간압연용 복합 롤의 외층은 내마모성, 내소부성(내사고성) 및 내표면거칠어짐성이 우수하지만, 저압축 잔류 응력이 얻어지지 않는 경우가 있고, 균열 진전의 억제나 지연 파괴의 방지라는 관점에서는 반드시 충분하지 않은 점이 있었다.
WO 2015/045720 A1은, 원심 주조법에 의해 형성한 외층과, 덕타일 주철로 이루어지는 내층이 용착 일체화하여 이루어지고, 상기 외층이, 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 상기 외층의 조직이 흑연을 함유하지 않고, 상기 내층이, 상기 외층에 용착한 코어부(core portion)와, 상기 코어부의 양단으로부터 일체적으로 연장되는 구동측 축부 및 종동측 축부를 가지고, 상기 구동측 축부의 단부에서의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계량이 0.35∼2 질량%이고, 상기 종동측 축부의 단부에서의 Cr, Mo, V, Nb 및 W의 합계량이 0.15∼1.8 질량%이며, 전자가 후자보다 0.2 질량% 이상 많은 원심 주조제 복합 롤을 개시하고 있다. 그러나, 이 원심 주조제 복합 롤의 외층은 내마모 및 내사고성이 우수하지만, 저압축 잔류 응력이 얻어지지 않는 경우가 있고, 균열 진전의 억제나 지연 파괴의 방지라는 관점에서는 반드시 충분하지 않은 점이 있었다.
일본공개특허 평6-179947호는, 외층재와, 상기 외층재와 용착 일체화한 보통 주철 또는 덕타일 주철의 축재(軸材)로 이루어지는 원심 주조제 복합 롤로서, 해당 외층재가, C: 1.5∼3.5%, Si: 1.5% 이하, Mn: 1.2% 이하, Cr: 5.5∼12.0%, Mo: 1.0∼8.0%, W: 1.0초∼4.0%, V: 3.0∼10.0%, Nb: 0.6∼7.0%를 함유하고, 또한 하기 식: V+1.8Nb≤7.5C-6.0(%), Mo+3.0W≤ 14.0, 및 0.2≤Nb/V≤0.8을 충족시키고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 원심 주조제 복합 롤을 개시하고 있다. 그러나, 이 원심 주조제 복합 롤의 외층은 내마모 및 내사고성이 우수하지만, 저압축 잔류 응력이 얻어지지 않는 경우가 있고, 균열 진전의 억제나 지연 파괴의 방지라는 관점에서는 반드시 충분하지 않은 점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은, 외층의 압연 사용층 전역에 걸쳐 압축 잔류 응력이 낮고, 또한 우수한 내마모성 및 내소부성을 겸비한 압연용 원심 주조 복합 롤, 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 압연용 원심 주조 복합 롤은 외층과 내층이 용착 일체화하여 이루어지고,
상기 외층이 질량 기준으로, 1.70∼2.70%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 1.1∼3.0%의 Ni와, 4.0∼10%의 Cr과, 2.0∼7.5%의 Mo와, 3∼6.0%의 V와, 0.1∼2%의 W와, 0.2∼2%의 Nb와, 0.01∼0.2%의 B와, 0.01∼0.1%의 N을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금으로 이루어지고, 상기 내층이 덕타일 주철로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 압연용 원심 주조 복합 롤에 있어서, 상기 외층의 폐각경에서의 원주 방향의 압축 잔류 응력은 150∼350MPa인 것이 바람직하다. 또한, 상기 외층의 초경에서의 쇼어 경도는 70∼90인 것이 바람직하다.
외층과 내층이 용착 일체화하여 이루어지고, 상기 외층이 질량 기준으로, 1.70∼2.70%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 1.1∼3.0%의 Ni와, 4.0∼10%의 Cr과, 2.0∼7.5%의 Mo와, 3∼6.0%의 V와, 0.1∼2%의 W와, 0.2∼2%의 Nb와, 0.01∼0.2%의 B와, 0.01∼0.1%의 N을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금으로 이루어지고, 상기 내층이 덕타일 주철로 이루어지는 압연용 원심 주조 복합 롤을 제조하는 본 발명의 방법은,
회전하는 원심 주조용 원통형 주형으로 상기 외층을 원심 주조하는 공정, 및 상기 외층의 캐비티에 상기 내층용 용탕(溶湯)을 주입하는 공정을 포함하고,
상기 내층의 주조 후 또는 주조 중에, 상기 외층을 오스테나이트화(austenization) 온도 이상으로 다시 가열하고,
재가열 온도로부터 600℃까지의 사이를 10∼60℃/hr의 냉각 속도로 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
상기 원심 주조 복합 롤을 600℃로부터 상온∼450℃까지 냉각한 후, 500∼550℃의 온도에서 템퍼링(tempering) 처리를 행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 압연용 원심 주조 복합 롤은, 외층과 내층이 직접 용착 일체화한 구조를 가지고, 우수한 내마모성 및 내소부성을 겸비하고 있고, 또한 외층의 폐각경에 있어서 원주 방향의 압축 잔류 응력이 150∼350MPa로 낮으므로, 코블이 발생한 경우라도 롤의 표면에 생긴 균열이 나중에 지연 파괴를 유발하는 위험을 저감할 수 있다. 롤이 압연에 사용되는 초경 및 도중 직경에서는, 사용 가능한 최소 직경인 폐각경의 시점보다 외층 표면의 원주 방향의 압축 잔류 응력이 더 낮고, 폐각경에서의 원주 방향의 압축 잔류 응력을 제어함으로써 압연에 사용하는 초경으로부터 폐각경까지 전체의 원주 방향의 압축 잔류 응력을 일정 이하로 하는 것이 가능해진다. 그러므로, 외층에 균열이 생긴 후에도 균열의 내측으로의 진전을 효과적으로 방지할 수 있어, 원심 주조 복합 롤의 관리가 용이하다.
[도 1] 압연용 원심 주조 복합 롤의 일례를 나타내는 개략 단면도(斷面圖)이다.
[도 2a] 압연용 원심 주조 복합 롤을 제조하는 것에 사용하는 정치(靜置) 주조용 주형의 일례를 나타내는 분해 단면도이다.
[도 2b] 압연용 원심 주조 복합 롤을 제조하는 것에 사용하는 정치 주조용 주형의 일례를 나타내는 단면도이다.
[도 3] 마찰 열충격 시험기를 나타내는 개략도이다.
[도 2a] 압연용 원심 주조 복합 롤을 제조하는 것에 사용하는 정치(靜置) 주조용 주형의 일례를 나타내는 분해 단면도이다.
[도 2b] 압연용 원심 주조 복합 롤을 제조하는 것에 사용하는 정치 주조용 주형의 일례를 나타내는 단면도이다.
[도 3] 마찰 열충격 시험기를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 실시형태를 이하 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 각종 변경을 해도 된다. 특별히 단서가 없으면, 단지 「%」로 기재하고 있을 때는 「질량%」를 의미한다.
도 1은 원심 주조법에 의해 형성된 외층(1)과, 외층(1)에 용착 일체화한 내층(2)으로 이루어지는 압연용 원심 주조 복합 롤(10)을 나타낸다. 덕타일 주철로 이루어지는 내층(2)은, 외층(1)에 용착한 코어부(21)와, 코어부(21)의 양단으로부터 일체적으로 연장되는 축부(22, 23)를 가진다.
[1] 압연용 원심 주조 복합 롤
(A) 외층
원심 주조 외층을 형성하는 Fe기 합금은, 질량 기준으로 1.70∼2.70%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 1.1∼3.0%의 Ni와, 4.0∼10%의 Cr과, 2.0∼7.5%의 Mo와, 3∼6.0%의 V와, 0.1∼2%의 W와, 0.2∼2%의 Nb와, 0.01∼0.2%의 B와, 0.01∼0.1%의 N을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가진다. 이와 같은 조성의 외층으로 하는 것에 의해, 우수한 내마모성 및 내소부성을 겸비하고, 또한 외층의 폐각경에서의 원주 방향의 압축 잔류 응력이 낮은 원심 주조 복합 롤을 얻을 수 있다. 외층의 Fe기 합금은 또한, 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 Al으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 일종을 함유해도 된다.
(1) 필수 원소
(a) C: 1.70∼2.70 질량%
C는 V, Cr, Mo, Nb 및 W와 결합하여 경질 탄화물을 생성하고, 외층의 내마모성의 향상에 기여한다. C가 1.70 질량% 미만에서는 경질 탄화물의 정출량이 지나치게 적어서 외층에 충분한 내마모성을 부여할 수 없다. 한편, C가 2.70 질량%를 넘으면 과잉한 탄화물의 정출에 의해 외층의 인성이 저하되고, 내크랙성이 저하되므로, 압연에 의한 크랙이 깊어지고, 개삭 시의 롤 손실량이 증가한다. C 함유량의 하한은 바람직하게는 1.75 질량%이며, 보다 바람직하게는 1.80 질량%이다. 또한, C 함유량의 상한은 바람직하게는 2.65 질량%이며, 보다 바람직하게는 2.60 질량%이다. C 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 1.75∼2.65 질량%이며, 보다 바람직하게는 1.80∼2.60 질량%이다.
(b) Si: 0.3∼3 질량%
Si는 용탕의 탈산에 의해 산화물의 결함을 감소시키고, 또한 기지(基地)에 고용(固溶)하여 내소부성을 향상시키고, 또한 용탕의 유동성을 향상시켜 주조 결함을 방지하는 작용을 가진다. Si가 0.3 질량% 미만에서는 용탕의 탈산 작용이 불충분하며, 용탕의 유동성도 부족하고, 결함 발생율이 높다. 한편, Si가 3 질량%를 넘으면 합금 기지가 취화하고, 외층의 인성은 저하된다. Si 함유량의 하한은 바람직하게는 0.4 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.6 질량%이다. 또한, Si 함유량의 상한은 바람직하게는 2.7 질량%이고, 보다 바람직하게는 2.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 2 질량%이다. Si 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 0.4∼2.7 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.5∼2.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.6∼2 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 있으므로, 소정량의 MnS를 함유하는 것이 바람직하다. Mn이 0.1 질량% 미만에서는 그 첨가 효과는 불충분하다. 한편, Mn이 3 질량%를 넘어도 새로운 효과는 얻어지지 않는다. Mn 함유량의 하한은 바람직하게는 0.2 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.3 질량%이다. 또한, Mn 함유량의 상한은 바람직하게는 2.4 질량%이고, 보다 바람직하게는 1.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 1 질량%이다. Mn 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 0.2∼2.4 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.3∼1.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.3∼1 질량%이다.
(d) Ni: 1.1∼3.0 질량%
Ni는 기지의 담금질성(hardenability)을 향상시키는 작용을 가지므로, 대형의 복합 롤의 경우에 Ni를 첨가하면, 냉각 중의 펄라이트의 발생을 방지하고, 외층의 경도를 향상시킬 수 있다. 또한, 담금질성이 향상되므로, 외층의 경도를 확보하기 위한 냉각 속도를 느리게 할 수 있고, 압축 잔류 응력을 저감하는 효과도 가진다. Ni가 1.1 질량% 미만에서는 그 첨가 효과는 충분하지 않고, 또한 3.0 질량%를 넘으면 오스테나이트가 지나치게 안정화되어, 경도가 향상되기 어려워진다. Ni의 함유량의 하한은 바람직하게는 1.2 질량%이고, 보다 바람직하게는 1.3 질량%이며, 가장 바람직하게는 1.4 질량%이다. 또한, Ni 함유량의 상한은 바람직하게는 2.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 2.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 2.7 질량%이다. Ni 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 1.2∼2.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 1.3∼2.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 1.4∼2.7 질량%이다.
(e) Cr: 4.0∼10 질량%
Cr은 기지를 베이나이트(bainite) 또는 마르텐사이트(martensite)로 하여 경도를 유지하고, 내마모성을 유지하는 데에 유효한 원소이다. Cr이 4.0 질량% 미만에서는 그 효과가 불충분하고, Cr이 10 질량%를 넘으면, 기지 조직의 인성이 저하된다. Cr의 함유량의 하한은 바람직하게는 4.1 질량%이고, 보다 바람직하게는 4.2 질량%이다. 또한, Cr 함유량의 상한은 바람직하게는 7.5 질량%이고, 보다 바람직하게는 7.3 질량%이다. Cr 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 4.1∼7.5 질량%이고, 보다 바람직하게는 4.2∼7.3 질량%이다.
(f) Mo: 2.0∼7.5 질량%
Mo는 C와 결합하여 경질 탄화물(M6C, M2C)을 형성하고, 외층의 경도를 증가시키고, 또한 기지의 담금질성을 향상시킨다. Mo가 2.0 질량% 미만에서는 특히 경질 탄화물의 형성이 불충분하게 되므로 이들의 효과가 불충분하다. 한편, Mo가 7.5 질량%를 넘으면, 외층의 인성이 저하된다. Mo 함유량의 하한은 바람직하게는 3.0 질량%이고, 보다 바람직하게는 3.2 질량%이다. 또한, Mo 함유량의 상한은 바람직하게는 7.0 질량%이고, 보다 바람직하게는 6.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 6.0 질량%이다. Mo 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 3.0∼7.0 질량%이고, 보다 바람직하게는 3.2∼6.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 3.2∼6.0 질량%이다.
(g) V: 3∼6.0 질량%
V는 C와 결합하여 경질의 MC 탄화물을 생성하는 원소이다. MC 탄화물은 2500∼3000의 비커스 경도 HV를 가지고, 탄화물 중에서 가장 단단하다. V가 3 질량% 미만에서는, 그 첨가 효과가 불충분하다. 한편, V가 6.0 질량%를 넘으면, 비중이 가벼운 MC 탄화물이 원심 주조 중의 원심력에 의해 외층의 내측에 농화하고, 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 3.2 질량%이고, 보다 바람직하게는 3.5 질량%이다. 또한, V 함유량의 상한은 바람직하게는 5.8 질량%이고, 보다 바람직하게는 5.6 질량%이며, 가장 바람직하게는 5.5 질량%이다. V 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 3.2∼5.8 질량%이고, 보다 바람직하게는 3.5∼5.6 질량%이며, 가장 바람직하게는 3.5∼5.5 질량%이다.
(h) W: 0.1∼2 질량%
W는 C와 결합하여 경질의 M6C의 경질 탄화물을 생성하고, 외층의 내마모성 향상에 기여한다. 또한 MC 탄화물에도 고용하여 그 비중을 증가시키고, 편석을 경감시키는 작용을 가진다. W가 0.1 질량% 미만에서는, 그 첨가 효과가 불충분하다. 한편, W가 2 질량%를 넘으면, M6C 탄화물이 많아지고, 조직이 불균질하게 되고, 표면 거칠어짐의 원인으로 된다. W 함유량의 하한은 0.2 질량%가 바람직하다. 또한, W 함유량의 상한은 바람직하게는 1.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 1.8 질량%이다. W 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 0.2∼1.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.2∼1.8 질량%이다.
(i) Nb: 0.2∼2 질량%
V와 마찬가지로, Nb도 C와 결합하여 경질 MC 탄화물을 생성한다. Nb는 V 및 Mo와의 복합 첨가에 의해, MC 탄화물에 고용하여 MC 탄화물을 강화하고, 외층의 내마모성을 향상시킨다. NbC계의 MC 탄화물은, VC계의 MC 탄화물보다 용탕과의 비중차가 작으므로, MC 탄화물의 편석을 경감시킨다. Nb가 0.2 질량% 미만에서는, 그 첨가 효과가 불충분하다. 한편, Nb가 2 질량%를 넘으면, MC 탄화물이 응집하고, 건전한 외층을 얻기 어려워진다. Nb 함유량의 하한은 바람직하게는 0.4 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.5 질량%이다. 또한, Nb 함유량의 상한은 바람직하게는 1.9 질량%이도, 보다 바람직하게는 1.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 1.7 질량%이다. Nb 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 0.4∼1.9 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.5∼1.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.5∼1.7 질량%이다.
(j) B: 0.01∼0.2 질량%
B는 탄화물에 고용하고, 또한 윤활 작용을 가지는 탄붕화물를 형성하고, 내소부성을 향상시킨다. 탄붕화물의 윤활 작용은 특히 고온에서 현저하게 발휘되므로, 열간압연재의 물림 시의 소부 방지에 효과적이다. 또한 B는 경도 향상에 효과가 있고, 외층의 경도를 확보하여 압축 잔류 응력의 저감에 기여하는 것이 고려된다. B가 0.01 질량% 미만에서는 충분한 윤활 작용이 얻어지지 않는다. 한편, B가 0.2 질량%를 넘으면 외층이 취화된다. B 함유량의 하한은 바람직하게는 0.02 질량%이며, 보다 바람직하게는 0.03 질량%이다. 또한, B 함유량의 상한은 바람직하게는 0.18 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.15 질량%이다. B 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 0.02∼0.18 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.03∼0.15 질량%이다.
(k) N: 0.01∼0.1 질량%
N은 탄화물을 미세화하는 효과를 가진다. N이 0.01 질량% 미만이면, 탄화물의 미세화 효과가 불충분하다. 또한, N이 0.1 질량%를 넘으면 외층이 취화된다. 충분한 탄화물 미세화 효과를 얻기 위해서는, N 함유량의 하한은 바람직하게는 0.015 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.02 질량%이다. 또한, N 함유량의 상한은 바람직하게는 0.09 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.08 질량%이다. N 함유량의 범위를 예시하면, 바람직하게는 0.015∼0.09 질량%이고, 보다 바람직하게는 0.02∼0.08 질량%이다.
(2) 임의 원소
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 Al으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 일종의 원소를 더 함유해도 된다. 외층은 0.3 질량% 이하의 S를 더 함유해도 된다.
(a) Co: 0.1∼10 질량%
Co는 기지 중에 고용하고, 기지의 열간 경도를 증가시키고, 내마모성 및 내표면거칠어짐성을 개선하는 효과를 가진다. Co가 0.1 질량% 미만에서는 첨가 효과는 거의 없고, 또한 10 질량%를 넘어도 새로운 향상은 얻어지지 않는다. Co 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 1 질량%이다. 또한, Co 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 7 질량%, 가장 바람직하게는 6 질량%이다. Co 함유량의 범위를 예시하면, 보다 바람직하게는 1∼7 질량%이며, 가장 바람직하게는 1∼6 질량%이다.
(b) Zr: 0.01∼0.5 질량%
V 및 Nb와 마찬가지로, Zr은 C와 결합하여 MC 탄화물을 생성하고, 내마모성을 향상시킨다. 또한, Zr은 용탕 중에서 산화물을 생성하고, 이 산화물이 결정핵(結晶核)으로서 작용하므로, 응고 조직이 미세해진다. 또한, Zr은 MC 탄화물의 비중을 증가시키고, 편석 방지에 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위하여, Zr의 첨가량은 0.01 질량% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, Zr이 0.5 질량%를 넘으면, 개재물이 되므로 바람직하지 않다. Zr 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3 질량%이다. 또한, 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Zr 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.02 질량%이다. Zr 함유량의 범위를 예시하면, 보다 바람직하게는 0.02∼0.3 질량%이다.
(c) Ti: 0.005∼0.5 질량%
Ti는 C 및 N과 결합하고, TiC, TiN 및 TiCN과 같은 경질의 입상 화합물을 형성한다. 이들은 MC 탄화물의 핵이 되므로, MC 탄화물의 균질 분산 효과가 있고, 내마모성 및 내표면거칠어짐성의 향상에 기여한다. 이 효과를 얻기 위하여, Ti의 첨가량은 0.005 질량% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, Ti 함유량이 0.5 질량%를 넘으면, 용탕의 점성이 증가하고, 주조 결함이 발생하기 쉬워진다. Ti 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.3 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.2 질량%이다. 또한, 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Ti 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.01 질량%이다. Ti 함유량의 범위를 예시하면, 보다 바람직하게는 0.01∼0.3 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.01∼0.2 질량%이다.
(d) Al: 0.001∼0.5 질량%
Al은 산소와의 친화성이 높기 때문에, 탈산제로서 작용한다. 또한, Al은 N 및 O와 결합하고, 형성된 산화물, 질화물, 산질화물 등은 용탕 중에 현탁되어 핵이 되고, MC 탄화물을 미세 균일하게 정출시킨다. 그러나, Al이 0.5 질량%를 넘으면, 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. 또한 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Al 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.01 질량%이다. Al 함유량의 범위를 예시하면, 보다 바람직하게는 0.01∼0.3 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.01∼0.2 질량%이다.
(e) S: 0.3 질량% 이하
S는, 전술한 바와 같이 MnS의 윤활성을 이용하는 경우에는 0.3 질량% 이하 함유해도 된다. 0.3 질량%를 넘으면 외층의 취화가 일어난다. MnS의 윤활성을 이용하는 경우에는, S 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 0.2 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.15 질량%이다. 또한, S 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 0.05 질량%이다. S 함유량의 범위를 예시하면, 보다 바람직하게는 0.05∼0.2 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.05∼0.15 질량%이다. 한편, MnS의 윤활성을 이용하지 않는 경우에는, 외층의 취화를 억제하기 위해, S는 0.1 질량% 이하가 바람직하고, 0.05 질량% 이하가 보다 바람직하며, 0.03 질량% 이하가 가장 바람직하다.
(3) 불가피한 불순물
외층의 조성의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 불가피한 불순물 중, P는 기계적 성질의 열화를 초래하므로, 될 수 있는 한 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. 외층의 우수한 내마모성 및 내사고성을 확보하기 위하여, 불가피한 불순물의 합계량은 0.7 질량% 이하인 것이 바람직하다.
(4) 조직
외층의 조직은, (a) MC 탄화물, (b) Mo를 주체로 하는 M2C나 M6C의 탄화물(Mo계 탄화물) 또는 Cr을 주체로 하는 M7C3이나 M23C6의 탄화물(Cr계 탄화물), (c) 탄붕화물, 및 (d) 기지로 이루어진다. 탄붕화물는 일반적으로 M(C, B)의 조성을 가진다. 단, 금속 M은 주로 Fe, Cr, Mo, V, Nb 및 W 중 적어도 1종이며, 금속 M, C 및 B의 비율은 조성에 의해 변화된다. 외층 조직에는 흑연이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 압연용 복합 롤의 외층은, 경질의 MC 탄화물, Mo계 탄화물 또는 Cr계 탄화물을 가지므로, 내마모성이 우수하고, 또한 탄붕화물를 함유하기 위해 내소부성이 우수하다.
(B) 내층
압연용 복합 롤의 내층은 강인성이 우수한 덕타일 주철(구상 흑연 주철)에 의해 형성한다. 덕타일 주철의 바람직한 조성은, 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, 0.01∼1%의 V, 0∼0.5%의 W, 0∼0.2%의 Nb, 및 0.01∼0.1%의 Mg를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 된다. 내층에 덕타일 주철을 사용하면, 마무리 스탠드에서의 압연 하중에 의해 복합 롤이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
불가피한 불순물 중, P, S 및 N은 기계적 성질의 열화를 초래하므로, 될 수 있는 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 저해하므로, 0.05 질량% 미만이 바람직하다. 외층에 Zr, Co, Ti, Al 등의 원소가 포함되는 경우, Zr, Co, Ti, Al 등의 원소도 불가피한 불순물로 들 수 있고, 또한 Ba, Cu, Sb, Te, Ce, 희토류 금속 원소 등의 원소도 불가피한 불순물로 들 수 있지만, 이들 원소의 함유량은 합계하여 0.7 질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
(C) 특성
본 발명의 압연용 원심 주조 복합 롤에 있어서는, 외층의 폐각경에서의 원주 방향의 압축 잔류 응력은 150∼350MPa인 것이 바람직하고, 160∼300MPa인 것이 보다 바람직하다. 그러므로, 코블과 만나더라도, 외층 표면에 크랙이 들어가기 어렵고, 만일 크랙이 들어간 경우라도 크랙 진전이 일어나기 어렵다. 그리고, 외층의 폐각경은 외층의 사용 가능한 최대 깊이에서의 직경이며, 예를 들면, 600∼850㎜의 외경의 복합 롤인 경우, 외층의 사용 가능한 최대 깊이는 초경으로부터 40∼60㎜ 정도이며, 450∼600㎜ 미만의 외경의 복합 롤인 경우, 외층의 사용 가능한 최대 깊이는 초경으로부터 30∼60㎜ 정도이다. 이 범위에서 외층의 폐각경을 압연기의 사양에 따라서 정할 수 있다.
외층의 내면에 내층이 용착할 때 외층의 내면이 어느 정도 용해되므로, 제품에서의 외층과 내층의 경계는 외층의 내면보다 대경(大徑)이 된다. 용착 후의 외층과 내층의 경계에는 필연적으로 요철이 있으므로, 경계부가 압연 사용부에 들어가는 일이 없도록, 안전 마진을 취하여 외층의 폐각경이 용착 후의 외층과 내층의 경계보다 확실하게 대경이 되도록 설정한다. 구체적으로는, 폐각경에서의 외층 두께(폐각경에서의 롤 외경으로부터 내층과의 용착 후의 경계까지의 거리)는 8㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 외층 두께가 얇아질수록 원주 방향의 압축 잔류 응력이 증가하므로, 일정 이상의 외층 두께는 필요하다. 외층의 폐각경과 주조한 대로의 외층의 내경의 관계에 주목하면, 후술하는 실시예로부터 명백한 바와 같이, 외층의 폐각경=주조한 대로의 외층의 내경+18∼27.5㎜로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 압연용 원심 주조 복합 롤은 또한, 상기 외층의 초경 표면에서의 쇼어 경도가 70∼90인 것이 바람직하고, 75∼85인 것이 보다 바람직하다. 그러므로 외층의 내마모성이 확보된다. 그리고, 외층의 초경은 원심 주조한 대로의 외층을 연삭 가공하여 사용 가능한 상태로 했을 때의 직경이며, 그 직경(초경)으로부터 연삭 가공을 반복하여 폐각경까지 사용한다. 외층의 초경은, 통상 원심 주조한 외면으로부터 깊이 5∼30㎜만큼 가공 제거했을 때의 직경이다.
후술하는 중간층이 있는 경우, 폐각경 시점에서의 롤 외경으로부터, 중간층과 내층의 용착 경계까지의 거리는 8㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(D) 중간층
본 발명의 압연용 원심 주조 복합 롤에 대하여 설명하였으나, 외층과 내층 사이에 완층층을 형성할 목적으로, 외층과 내층의 중간적 조성의 중간층을 형성할 수 있다. 중간층의 두께는 8∼30㎜가 바람직하다.
(E) 롤 사이즈
본 발명의 원심 주조제 복합 압연 롤의 사이즈는 특별히 한정되지 않지만, 바람직한 예는, 외층의 외경이 200∼1300㎜이며, 롤 보디 길이가 500∼6000㎜이고, 외층의 압연 사용층의 두께가 25∼200㎜이다.
[2] 압연용 원심 주조 복합 롤의 제조 방법
본 발명의 압연용 원심 주조 복합 롤의 제조 방법은, (1) 회전하는 원심 주조용 원통형 주형으로 상기 외층을 원심 주조하는 공정, 및 (2) 상기 외층의 캐비티에 상기 내층용 용탕을 주입하는 공정을 포함하고, 상기 내층의 주조 중 또는 주조 후에, 상기 외층을 오스테나이트화 온도 이상으로 다시 가열하고, 재가열 온도로부터 600℃까지의 사이를 10∼60℃/hr의 냉각 속도로 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
외층의 재가열은, (a) 용착 일체화한 외층과 내층으로 이루어지는 원심 주조 복합 롤을 제조한 후에, 다시 외층을 가열하는 경우와, (b) 주입한 내층용 용탕에 의해 외층의 내면측이 재가열되는 경우의 양쪽을 포함한다. 외층의 재가열 온도는, (a)의 경우 외층의 외면측을 재가열하는 온도이며, (b)의 경우 내층용 용탕을 주입하는 것에 의해 외층의 내면측이 재가열되는 온도이다.
본 발명의 방법에서의 제1 필수 조건은, 외층의 재가열 온도를 오스테나이트화 온도 γ 이상으로 하는 것이다. 본 발명의 외층을 형성하는 Fe기 합금의 오스테나이트화 온도 γ은 800∼840℃이다. 따라서, 외층의 재가열 온도는 800℃ 이상이 된다. 외층의 재가열에 의해 외층과 내층의 경계가 재용융되어 결함이 발생하기도 하므로, 외층의 재가열 온도의 상한은, 외층과 내층의 경계가 재용융하지 않는 온도 이하로 한다. 구체적으로는, 외층의 재가열 온도는 800∼1200℃인 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에서의 제2 필수 조건은, 재가열 온도로부터 600℃까지의 사이를 10∼60℃/hr의 냉각 속도로 냉각하는 것이다. 재가열 온도로부터 600℃까지의 사이의 냉각 속도가 10℃/hr 미만이면, 외층의 경도가 지나치게 낮아지고, 또한 60℃/hr 초과이면 외층의 압축 잔류 응력이 지나치게 커진다. 재가열 온도로부터 600℃까지의 사이의 냉각 속도의 하한은 15℃/hr이 바람직하고, 상한은 55℃/hr이 바람직하다. 재가열 온도로부터 600℃까지의 사이의 바람직한 냉각 속도는, 예를 들면 15∼55℃/hr이다.
600℃ 이상에서는 경도를 저하시키는 펄라이트 변태가 발생하는 경우가 있으므로, 펄라이트 변태를 발생시키지 않고 오스테나이트인채로 600℃까지 냉각한다. 600℃까지 냉각한 후의 냉각 속도는 한정되지 않는다. 예를 들면, 원심 주조 복합 롤을 주조용 주형 내에서 방랭해도 된다.
600℃로부터 상온∼450℃까지 냉각한 후, 500∼550℃의 온도에서 템퍼링 처리를 행하는 것이 바람직하다. 템퍼링 처리에 의해, 충분한 내마모성을 유지한 채 높은 인성이 얻어진다.
원심 주조 복합 롤은, 구체적으로는 이하의 방법에 의해 주조하는 것이 바람직하다. 도 2a 및 도 2b는, 원심 주조용 원통형 주형(30)에서 외층(1)을 원심 주조한 후에 내층(2)을 주조하는 데에 이용하는 정치 주조용 주형의 일례를 나타낸다. 정치 주조용 주형(100)은, 내면에 외층(1)을 가지는 원통형 주형(30)과, 그 상하단에 형성되는 상형(40) 및 하형(50)으로 이루어진다. 원통형 주형(30)은 주형 본체(31)와, 그 내측에 형성된 사형(砂型)(32)과, 주형 본체(31) 및 사형(32)의 하단부에 형성된 사형(33, 33)으로 이루어진다. 상형(40)은 주형 본체(41)와, 그 내측에 형성된 사형(42)으로 이루어진다. 하형(50)은 주형 본체(51)와, 그 내측에 형성된 사형(52)으로 이루어진다. 하형(50)에는 내층용 용탕을 유지하기 위한 바닥판(53)이 설치되어 있다. 원통형 주형(30) 내의 외층(1)의 내면은 내층(2)의 코어부(21)을 형성하기 위한 캐비티(60a)를 가지고, 상형(40)은 내층(2)의 축부(23)를 형성하기 위한 캐비티(60b)를 가지고, 하형(50)은 내층(2)의 축부(22)를 형성하기 위한 캐비티(60c)를 가진다. 원통형 주형(30)을 이용하는 원심 주조법은 수평형, 경사형 또는 수직형 중 어느 것이라 된다.
축부(22) 형성용 하형(50)의 상단부(54) 상에, 외층(1)을 원심 주조한 원통형 주형(30)을 기립시켜 설치하고, 원통형 주형(30) 위에 축부(23) 형성용의 상형(40)을 설치하면, 정치 주조용 주형(100)이 구성된다. 정치 주조용 주형(100)에 있어서, 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)가 구성된다.
원심 주조법에 의해 형성한 외층(1)의 응고 후에, 내층(2)용의 덕타일 주철(구상 흑연주철) 용탕이 상형(40)의 상방 개구부(43)로부터 캐비티(60) 내에 주입됨에 따라서, 캐비티(60) 내의 용탕의 탕면은 하형(50)으로부터 상형(40)까지 차례로 상승하고, 축부(22), 코어부(21) 및 축부(23)로 이루어지는 내층(2)이 일체적으로 주조된다.
원심 주조에 의해 주입한 외층의 내면에, 내층과의 사이의 완층층으로서 중간층을 원심 주조에 의해 형성할 수 있다.
본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1∼4, 및 비교예 1∼2>
도 2a에 나타낸 구조의 원통형 주형(30)을 수평형의 원심 주조기에 설치하고, 표 1에 나타내는 화학 조성의 각 용탕을 이용하여 외층(1)을 원심 주조하였다. 외층 외주에서의 중력 배수는 120G였다. 외층(1)이 응고한 후, 내면에 외층(1)이 형성된 원통형 주형(30)을 기립시키고, 축부(22) 형성용의 중공형 하형(50) 위에 원통형 주형(30)을 세워 설치하고, 원통형 주형(30) 위에 축부(23) 형성용의 중공형상형(40)을 세워 설치하여, 도 2b에 나타낸 정치 주조용 주형(100)을 구성하였다.
정치 주조용 주형(100) 내의 외층(1)의 캐비티(60)에, 내층용 용탕으로서 표 1에 나타내는 화학 조성의 덕타일 주철 용탕을 상방 개구부(43)로부터 주탕(注湯)하고, 도중에 Si를 포함하는 흑연화 접종재를 접종하였다. 내층의 응고 완료 후, 정치 주조용 주형(100)을 해체하고, 얻어진 복합 롤을 취출하였다. 이 복합 롤을 열처리 노(furnace)에 삽입하고, 표 2에 나타내는 재가열 온도 T℃까지 가열하여, 2시간 유지한 후, 열처리 노내에서 외층(1)의 재가열 온도로부터 600℃까지의 사이를, 표 2에 나타내는 냉각 속도로 되도록 열처리 노를 제어하여 냉각하였다. 냉각 속도는 외층 표면에 열전대를 접촉시켜 계측하고, 재가열 온도와 600℃ 사이의 평균 냉각 속도를 산출하였다. 600℃ 미만이 된 각 원심 주조 복합 롤에 대하여, 530℃에서 10시간의 템퍼링 처리를 2회 행하고, 외층(1)의 내면에 내층(2)이 일체적으로 용착한 원심 주조 복합 롤을 얻었다. 주조된 대로의 복합 롤의 사이즈를 표 3에 나타낸다.
[표 1-1]
주: (1) 각 화학 조성에서의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임
[표 1-2]
주: (1) 각 화학 조성에서의 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물임
[표 2]
주: (1) 외층의 재가열 온도
(2) T∼600℃의 온도 범위에서의 냉각 속도
[표 3]
주: (1) 외층의 평균 두께
각 원심 주조 복합 롤의 외층 표면을 가공 제거하고, 압연용 원심 주조 복합 롤로 하였다. 각 복합 롤의 초경 및 폐각경을 표 4에 나타낸다. 각 복합 롤의 외층의 쇼어 경도 및 내소부성, 및 외층의 폐각경에서의 원주 방향의 압축 잔류 응력을 이하의 방법에 의해 측정하였다. 결과를 표 4에 나타낸다.
(1) 외층의 쇼어 경도(Hs)
각 복합 롤의 외층의 초경 표면의 쇼어 경도를 JIS Z 2246에 기초하여 측정하였다.
(2) 외층의 폐각경에서의 원주 방향 압축 잔류 응력(MPa)
각 복합 롤의 외층의 롤 축 방향 중앙부를 폐각경까지 제거하고, 폐각경에서의 외층 표면의 원주 방향 압축 잔류 응력을 X선 회절 잔류 응력 측정 장치에 의해 측정하였다.
(3) 내소부성
내소부성을 평가하기 위하여, 도 3에 나타낸 마찰 열충격 시험기를 이용하여, 외층의 축 방향 단부로부터 잘라낸 시험편(25㎜×30㎜×25㎜)에 대하여 소부 시험을 행하였다. 마찰 열충격 시험기는, 랙(71)에 추(72)을 낙하시킴으로써 피니언(73)을 회동시키고, 시험편(74)에 물림 부재(biting member)(75)(재질: 연강)를 강하게 접촉시키는 것이다. 소부의 정도를 소부 면적율에 의해 이하와 같이 평가하였다. 소부 면적율이 작을수록 내소부성(내사고성)이 양호하다.
○: 소부가 적음(소부 면적율이 40% 미만)
△: 소부가 많음(소부 면적율이 40% 이상 60% 미만)
×: 소부가 현저함(소부 면적율이 60% 이상)
[표 4]
주: (1) 외층의 초경에서의 쇼어 경도
(2) 외층의 폐각경에서의 원주 방향 압축 잔류 응력
표 4로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1∼4의 복합 롤은 모두 초경에서의 쇼어 경도가 76 이상으로 우수한 내마모성을 실현하고, 또한 폐각경에서의 원주 방향 압축 잔류 응력이 150∼350MPa의 범위 내, 특히 160∼300MPa의 범위 내였다. 한편, 비교예 1 및 2의 복합 롤은 초경에서의 쇼어 경도는 높지만 폐각경에서의 원주 방향 압축 잔류 응력은 각각 392MPa, 418MPa로 컸다. 또한, 실시예 1∼4의 외층의 시험편에서는 소부가 적었지만, 비교예 1의 시험편에서는 비교적 큰 소부가 생기고,또한 비교예 2의 시험편에서는 현저한 소부가 생긴 것으로부터, 실시예 1∼4의 복합 롤에서는, 열간의 마무리 압연에 사용했을 때에 코블이 발생해도, 롤의 표면에 들어간 균열이 나중에 지연 파괴를 유발하는 위험을 저감할 수 있는 것을 기대할 수 있다.
1 : 외층
2 : 내층
10 : 압연용 원심 주조 복합 롤
21 : 코어부
22, 23 : 축부
30 : 원심 주조용 원통형 주형
31, 41, 51 : 주형 본체
32, 33, 42, 52 : 사형
40 : 정치 주조용 상형
50 : 정치 주조용 하형
60, 60a, 60b, 60c : 캐비티
100 : 정치 주조용 주형
2 : 내층
10 : 압연용 원심 주조 복합 롤
21 : 코어부
22, 23 : 축부
30 : 원심 주조용 원통형 주형
31, 41, 51 : 주형 본체
32, 33, 42, 52 : 사형
40 : 정치 주조용 상형
50 : 정치 주조용 하형
60, 60a, 60b, 60c : 캐비티
100 : 정치 주조용 주형
Claims (5)
- 외층과 내층이 용착(溶着) 일체화하여 이루어지는 압연용 원심 주조 복합 롤로서,
상기 외층이, 질량 기준으로 1.70∼2.70%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 1.1∼3.0%의 Ni와, 4.0∼10%의 Cr과, 2.0∼7.5%의 Mo와, 3∼6.0%의 V와, 0.1∼2%의 W와, 0.2∼2%의 Nb와, 0.01∼0.2%의 B와, 0.01∼0.1%의 N을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금으로 이루어지고,
상기 내층이 덕타일 주철(ductile cast iron)로 이루어지는,
압연용 원심 주조 복합 롤. - 제1항에 있어서,
상기 외층의 폐각경(廢却徑; discard diameter)에서의 원주 방향의 압축 잔류 응력이 150∼350MPa인, 압연용 원심 주조 복합 롤. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 외층의 초경(初徑)에서의 쇼어 경도가 70∼90인, 압연용 원심 주조 복합 롤. - 외층과 내층이 용착 일체화하여 이루어지는 압연용 원심 주조 복합 롤을 제조하는 방법으로서,
상기 외층이, 질량 기준으로 1.70∼2.70%의 C와, 0.3∼3%의 Si와, 0.1∼3%의 Mn과, 1.1∼3.0%의 Ni와, 4.0∼10%의 Cr과, 2.0∼7.5%의 Mo와, 3∼6.0%의 V와, 0.1∼2%의 W와, 0.2∼2%의 Nb와, 0.01∼0.2%의 B와, 0.01∼0.1%의 N을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 Fe기 합금으로 이루어지고,
상기 내층이 덕타일 주철로 이루어지고,
회전하는 원심 주조용 원통형 주형으로 상기 외층을 원심 주조하는 공정, 및 상기 외층의 캐비티에 상기 내층용 용탕(溶湯)을 주입하는 공정을 포함하고,
상기 내층의 주조 후 또는 주조 중에, 상기 외층을 오스테나이트화(austenization) 온도 이상으로 다시 가열하고,
재가열 온도로부터 600℃까지의 사이를 10∼60℃/hr의 냉각 속도로 냉각시키는,
압연용 원심 주조 복합 롤의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 원심 주조 복합 롤을 600℃로부터 상온∼450℃까지 냉각한 후, 500∼550℃의 온도에서 템퍼링(tempering) 처리를 행하는, 압연용 원심 주조 복합 롤의 제조 방법.
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