KR20210082226A

KR20210082226A - 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤

Info

Publication number: KR20210082226A
Application number: KR1020217015973A
Authority: KR
Inventors: 나오미치 이와타; 타케시 스즈키; 토모히사 마스미츠
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-07-02
Also published as: JP6866958B2; TWI735082B; EP3859025B1; JPWO2020110660A1; CN113166864B; EP3859025A4; TW202033786A; WO2020110660A1; BR112021009847A2; KR102551616B1; EP3859025A1; CN113166864A; BR112021009847B1

Abstract

종래와 동등 이상의 내마모성·내피로성을 갖고, 또한, 포로시티나 수축소를 경감시킨, 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤을 제공하는 것. 질량％로, C: 1.6∼2.5％, Si: 0.2∼1.5％, Mn: 0.2∼1.6％, Cr: 4.5∼7.0％, Mo: 1.0∼5.0％, V: 4.0∼6.0％, Nb: 0.5∼2.5％를 함유하고, 또한, N과 O의 합계가 100∼400질량ppm이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 열간 압연용 롤 외층재.

Description

열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤

본 발명은, 열간 압연용 복합 롤에 관한 것으로, 특히, 강판의 열간 압연 마무리 밀(mill)용으로서 적합한 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤에 관한 것이다.

최근, 강판의 열간 압연 기술의 진보에 따라 롤의 사용 환경은 가혹화되고 있고, 또한, 고강도 강판이나 박육품 등 압연 부하가 큰 강판의 생산량도 증가하고 있다. 그 때문에, 압연용 워크 롤(work roll)에 요구되는 품질 레벨이 높아지고 있어, 편석이나 포로시티(porosites), 수축소(shrinkage cavities) 등의 주조 결함이 없는, 압연용 워크 롤이 요구되고 있다.

이러한 압연용 워크 롤의 외층재로서, 예를 들면, 특허문헌 1에는, C: 1.5∼3.5％, Si: 1.5％ 이하, Mn: 1.2％ 이하, Ni: 5.5％ 이하, Cr: 5.5∼12.0％, Mo: 2.0∼8.0％, V: 3.0∼10.0％, Nb: 0.5∼7.0％를 포함하고, 또한, Nb 및 V를, Nb, V 및 C의 함유량이 특정의 관계를 만족하고, 추가로 Nb와 V의 비가 특정의 범위 내가 되도록 함유하는 압연용 롤 외층재가 제안되어 있다. 이에 따라, 원심력 주조법을 적용해도 외층재에 있어서의 경질 탄화물의 편석이 억제되어, 내마모성과 내크랙성(crack resistance)이 우수한 압연용 롤 외층재가 된다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, C: 1.5∼3.5％, Si: 1.5％ 이하, Mn: 1.2％ 이하, Cr: 5.5∼12.0％, Mo: 2.0∼8.0％, V: 3.0∼10.0％, Nb: 0.5∼7.0％를 포함하고, 또한, Nb 및 V를, Nb, V 및 C의 함유량이 특정의 관계를 만족하고, 추가로 Nb와 V의 비가 특정의 범위 내가 되도록 함유하는 압연용 롤 외층재가 제안되어 있다. 이에 따라, 원심력 주조법을 적용해도 외층재에 있어서의 경질 탄화물의 편석이 억제되어, 내마모성과 내크랙성이 향상하고, 열간 압연의 생산성 향상에 크게 공헌한다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, C: 1.5∼3.5％, Si: 0.1∼2.0％, Mn: 0.1∼2.0％, Cr: 5∼25％, Mo: 2∼12％, V: 3∼10％, Nb: 0.5∼5％를 포함하고, 또한, Mo와 Cr 비가 특정의 범위 내가 되도록 함유하고, 추가로 롤 반경 방향으로 표면에서 30㎜까지의 영역에서 서로 이웃하는 극대값과 극소값의 차가 평균값의 20％ 이하가 되는 탄화물량 분포를 갖는 압연용 롤 외층재가 제안되어 있다. 이에 따라, 라미네이션 편석(laminated segregation)이 경감함으로써 편석 모양의 발생이 억제되어, 표면 품질이 우수한 압연용 롤 외층재가 된다고 되어 있다.

일본공개특허공보 평04-365836호 일본공개특허공보 평05-1350호 일본공개특허공보 2000-239779호

전술한 특허문헌에 기재되어 있는 바와 같이, 화학 성분을 적절한 범위로 함으로써, 탄화물 편석을 저감한 압연용 롤 외층재는 제안되어 있지만, 포로시티나 수축소에 대한 유효한 대책에 대해서는, 명확하게 되어 있지 않은 것이 실상이다. 또한, 최근의 가혹한 롤 사용 환경에 있어서, 상기 특허문헌에 기재되어 있는 바와 같은 Cr 함유량이 많은 압연용 롤 외층재에서는, 열간 전동 피로에 의한 깊은 크랙이 롤 표면에 형성되는 경우가 있다. 그 때문에, 포로시티나 수축소를 저감하고, 또한, 내피로성이 우수한 압연용 롤 외층재가 요구되고 있다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 종래와 동등 이상의 내마모성·내피로성을 갖고, 또한, 포로시티나 수축소를 경감시킨, 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서, 상기와 같이 종래와 동등 이상의 내마모성을 갖는다는 것은, 이하의 방법에 의해 측정되는 마모비가 0.97 이상인 경우를 가리킨다.

<1> 롤 외층재로부터 채취한 마모 시험편(외경 60㎜φ, 두께 10㎜, 모따기 있음)과 상대편(opposing piece)의 2원반 미끄럼 전동 방식(도 3 참조)에 의해, 마모 시험편(5)을 냉각수로 수냉하면서 700rpm으로 회전시킨다.

<2> 회전하는 마모 시험편(5)에, 고주파 유도 가열 코일(7)로 800℃로 가열한 상대편(재질: S45C, 외경: 190㎜φ, 폭: 15㎜, C1 모따기)(8)을 하중 980N으로 접촉시키면서, 미끄럼률(slip ratio): 9％로 전동시킨다.

<3> 50분마다 상대편(8)을 신품으로 교환하는 300분간의 마모 시험을 실시하고, 종래예(후술의 표 1의 No.35(질량％로, C: 2.0％, Si: 0.5％, Mn: 0.5％, Cr: 6.0％, Mo: 5.0％, V: 7.0％, Nb: 0.4％를 함유하고, 또한, N과 O의 합계가 430질량ppm이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 롤 외층재))를 기준으로 하여, 기준값에 대한 각 시험편의 마모량의 비(마모비(＝(기준편의 마모량)/(각 시험편의 마모량)))를 측정하여, 마모비를 얻는다.

또한, 본 발명에서, 상기와 같이 종래와 동등 이상의 내피로성을 갖는다는 것은, 이하의 방법에 의해 측정되는 열연 피로 수명이 350천회(350000회)를 초과하는 경우를 가리킨다.

<1> 롤 외층재로부터 채취한 열연 피로 시험편(외경 60㎜φ, 두께 10㎜)에 대하여, 노치(깊이 t: 1.2㎜, 둘레 방향 길이 L: 0.8㎜)를 외주면의 2개소에, 0.2㎜φ의 와이어를 이용한 방전 가공(와이어 컷)법으로 도입한다(도 6 참조).

<2> 열연 피로 시험편(5)의 전동면의 단부에 1.2C의 모따기를 실시한다.

<3> 노치를 갖는 열연 피로 시험편(5)과 가열된 상대편(8)의 2원반의 구름 미끄럼 방식에 의해, 열연 피로 시험편(5)을 냉각수(6)로 수냉하면서 700rpm으로 회전시킨다.

<4> 회전하는 시험편(5)에, 고주파 유도 가열 코일(7)에 의해 800℃로 가열한 상대편(재질: S45C, 외경: 190㎜φ, 폭: 15㎜)(8)을 하중 980N으로 눌러대면서, 미끄럼률: 9％로 전동시킨다.

<5> 열연 피로 시험편(5)에 도입한 2개의 노치(9)가 꺾여 파손될 때까지 전동시켜, 각 노치(9)가 꺾여 파손될 때까지의 전동 회전수를 각각 구하고, 그의 평균값을 측정하여, 열연 피로 수명으로 한다.

또한, 본 발명에서, 상기와 같이 포로시티나 수축소를 경감시켰다는 것은, 롤 외층재의 표면에 대하여, 요철이나 스케일(scales)(산화물층)을 연삭으로 제거한 후, 최대 관전압(maximum tube voltage) 225㎸, 관전압 150㎸, 관전류 80㎂로 X선 CT 측정을 행하고, 촬영되는 포로시티 또는 수축소에 외접하는 원의 직경이 0.50㎜ 이하인 경우를 가리킨다.

본 발명자들은, 열간 압연용 롤 내부의 포로시티나 수축소와 화학 성분의 관계를 상세하게 조사했다. 그 결과, 포로시티나 수축소는 공정 탄화물(주로 M₂C계, M₆C계, M₇C₃계 및 M₂₃C₆계 탄화물)의 근방에 존재하고, 포로시티나 수축소의 발생은 N이나 O, Al, 공정 탄화물의 양과 관계가 있는 것을 밝혀냈다. 즉, 롤 외층재의 N이나 O, Al, 공정 탄화물의 양을 특정의 범위 내로 조정함으로써, 포로시티나 수축소가 없는, 열간 압연용의 롤 외층재가 얻어진다는, 종래에 없는 인식을 얻었다.

우선, 본 연구의 기초가 된 실험 결과에 대해서 설명한다. 질량％로, C: 2.2％, Si: 0.7％, Mn: 0.6％, Cr: 7.0％, Mo: 1.0％, V: 4.0％, Nb: 1.5％, P: 0.019％, Al: 0.01∼0.5％, N＋O: 100∼600질량ppm의 범위에서 변화시키고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성의 용탕을, 고주파 유도로(high-frequency induction furnace)에서 용해하고, 롤 외층재에 상당하는 링 형상 롤재(외경: 250㎜φ, 폭: 65㎜, 두께: 55㎜)를 원심 주조법에 의해 주조했다. 또한, 주입(鑄入) 온도(pouring temperature)는 1500℃로 하고, 원심력은 링 형상 롤재의 외주부가 중력 배수로(multiples of gravity) 150G가 되도록 했다. 주조 후, 퀀칭 처리, 템퍼링 처리를 실시했다. 퀀칭 처리는, 가열 온도: 1030℃로 가열하고, 공냉하는 처리로 했다. 또한, 템퍼링 처리는, 온도: 500℃에서, 잔류 오스테나이트량이 체적％로 10％ 미만이 되도록, 성분에 따라 2 또는 3회 실시했다.

얻어진 링 형상 롤재의 표면의 요철이나 스케일(산화물층)을 연삭으로 제거한 후, X선 CT 측정용 시험편(20×20×50㎜)을 3개 채취하여 X선 CT 측정을 행하고, 포로시티 및 수축소의 유무를 조사했다. X선 CT 측정용 시험편(2)을, 도 1과 같이, 링 형상 시험재(1)의 폭 중앙으로부터 120° 간격으로 3개 채취했다. 도 2는 X선 CT 측정으로 확인된, 시험편 내의 수축소(3)의 일 예이다. X선 CT로 시험편의 길이 방향으로 0.5㎜ 간격으로 투과상을 100매 촬영하고, 각 투과상에 확인되는 개개의 포로시티 또는 수축소에 외접하는 원(4)의 직경을 측정하여, 각 시험편의 외접원(4)의 직경의 최대값이 0.50㎜를 초과하는 경우를 결함 있음으로 하고, 0.50㎜ 이하인 경우를 결함 없음으로 했다.

얻어진 결과에 대해서, 포로시티 또는 수축소와 외접하는 원의 직경과 N과 O의 함유량의 합계 (N＋O)의 관계를 도 4, Al량과 내마모성의 관계를 도 5에 나타낸다.

도 4로부터, N＋O가 400질량ppm 이하가 되면, 외접원의 직경이 0.50㎜ 이하가 되는 것을 알 수 있고, 이는 품질상 문제가 되지 않는 크기이다.

포로시티는, 용탕 중에 포함되는 N이나 O가 응고에서 실온까지 냉각되는 과정에서 가스로서 생성된 것으로, N량 및 O량을 저감함으로써, 포로시티의 크기를 저감하는 것이 가능하다. 따라서, 여기에서 말하는 N량 및 O량에는, 강 중에 개재물(질화물 및 산화물)로서 존재하는 N 및 O는 포함하지 않고, 기지에 고용되어 있는 N 및 O이다.

수축소는 수축공(shrinkage cavity)으로, 공정 탄화물의 양을 적절한 범위로 함으로써, 수축소의 크기를 저감하는 것이 가능하다.

또한, 도 5로부터, Al량이 본 발명의 범위에서는, 특히 우수한 내마모성을 나타내는 것을 알 수 있다. 조대한(coarse) 포로시티나 수축소가 존재하면, 압연 중에 그의 주위가 이지러지듯이(peeled off) 탈락하기 때문에, 내마모성이 저하한다.

그 때문에, 내마모성의 향상에는 N＋O나 공정 탄화물량을 적절한 범위로 조정하여, 포로시티나 수축소의 사이즈를 저감하는 것이 필요하다. N이나 O는 원료에 미리 함유되어 있는 것이나, 원료 용해 중에 대기와 접촉하여 혼입되기 때문에, 사용하는 원료나 용해 중에 대기와 접촉하지 않도록 불활성 가스(Ar 등)로 표면을 덮음으로써 N＋O를 조정하는 것이 가능하지만, N이나 O는 Al과 결부되어, 질화물이나 산화물을 형성하기 쉽고, Al 함유량에 의해서도 조정하는 것이 가능하다. 또한, 공정 탄화물량은, 공정 탄화물을 구성하는 Mo, Cr, C의 함유량에 의해 조정하는 것이 가능하다.

본 발명은 상기의 인식에 기초하여 완성된 것으로서, 그의 요지는 다음과 같다.

[1] 질량％로, C: 1.6∼2.5％, Si: 0.2∼1.5％, Mn: 0.2∼1.6％, Cr: 4.5∼7.0％, Mo: 1.0∼5.0％, V: 4.0∼6.0％, Nb: 0.5∼2.5％를 함유하고, 또한, N과 O의 합계가 100∼400질량ppm이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 열간 압연용 롤 외층재.

[2] 추가로, 질량％로, Al: 0.01∼0.30％를 함유하는 상기 [1]에 기재된 열간 압연용 롤 외층재.

[3] 추가로, 질량％로, P: 0.010∼0.040％를 함유하는 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 열간 압연용 롤 외층재.

[4] C, V, Mo, Nb의 함유량이 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하는 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 열간 압연용 롤 외층재.

1.60≤(％V＋％Nb)/％Mo≤3.5···(1)식

9.00≤％V＋0.5×％Nb＋2.1×％C≤11.0···(2)식

여기에서, ％C, ％V, ％Nb, ％Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)이다.

[5] 외층, 중간층 및 내층의 3층 구조 또는 외층 및 내층의 2층 구조를 갖는 열간 압연용 복합 롤에 있어서, 상기 외층이 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 열간 압연용 롤 외층재를 갖는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 복합 롤.

본 발명에 의하면, 포로시티나 수축소의 발생이 경감되고, 내마모성 및 내피로성이 우수한 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤을 제조하는 것이 가능해진다. 그 결과, 피압연재의 표면 품질의 향상 및 롤 수명의 향상을 달성할 수 있다는 효과도 있다.

도 1은, X선 CT 측정에서 사용한 시험편의 (X선 CT용 시험편)을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는, X선 CT 측정에서 얻어진 투과상 중에 확인되는 시험편 내의 수축소의 일 예이다.
도 3은, 열간 전동 마모 시험에서 사용한 시험기의 구성, 열간 전동 마모 시험용 시험편(마모 시험편)을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 4는, 포로시티 또는 수축소의 외접원의 직경과 N＋O의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는, Al량과 내마모성의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은, 열간 전동 피로 시험에서 사용한 시험기의 구성, 열간 전동 피로 시험용 시험편(피로 시험편) 및, 열간 전동 피로 시험용 시험편(피로 시험편)의 외주면에 도입된 노치의 형상, 치수를 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 7은, 본 발명에 따른 내마모성과 내피로성의 관계를 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명의 롤 외층재는, 공지의 원심 주조법 혹은 연속 땜질 육성(肉盛)법(continuous pouring process for cladding) 등의 주조법에 의해 제조되고, 그대로 링 롤(ring roll), 슬리브 롤(sleeve roll)로 할 수도 있지만, 열간 마무리 압연용으로서 적합한, 열간 압연용 복합 롤의 외층재로서 적용된다. 또한, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 외층과, 당해 외층과 용착 일체화한 내층으로 이루어진다. 또한, 외층과 내층의 사이에 중간층을 배치해도 좋다. 즉, 외층과 용착 일체화한 내층에 대신하여, 외층과 용착 일체화한 중간층 및 당해 중간층과 용착 일체화한 내층으로 해도 좋다.

본 발명의 열간 압연용 롤 외층재는, 질량％로, C: 1.6∼2.5％, Si: 0.2∼1.5％, Mn: 0.2∼1.6％, Cr: 4.5∼7.0％, Mo: 1.0∼5.0％, V: 4.0∼6.0％, Nb: 0.5∼2.5％를 함유하고, 또한, N과 O의 합계가 100∼400질량ppm이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다.

우선, 본 발명의 열간 압연용 롤 외층재의 조성 한정 이유에 대해서 설명한다. 또한, 이하, 질량％는, 특별히 언급하지 않는 한, 간단히 ％라고 기재하고, 질량ppm은, 특별히 언급하지 않는 한, 간단히 ppm이라고 기재한다.

C: 1.6∼2.5％

C는, 고용되어 기지 경도를 증가시킴과 함께, 탄화물 형성 원소와 결합하여 경질 탄화물을 형성하여, 롤 외층재의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는다. C 함유량이 1.6％ 미만에서는, 탄화물량이 부족하기 때문에, 내마모성이 저하한다. 또한, 공정 응고량이 적어져, 수축소가 발생한다. 한편, 2.5％를 초과하는 C의 함유는, 탄화물의 조대화나 공정 탄화물량을 과도하게 증가시켜, 롤 외층재를 경질, 취화시키고, 피로 균열의 발생·성장을 촉진하여, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, C 함유량은 1.6∼2.5％의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는, C 함유량은 1.7％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, C 함유량은 2.4％ 이하이다.

Si: 0.2∼1.5％

Si는, 탈산제로서 작용함과 함께, 용탕의 주조성을 향상시키는 원소이다. 또한, Si는 기지 중에 고용되어, 기지를 강화하는 작용이 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.2％ 이상의 Si의 함유를 필요로 하고, Si의 함유량이 0.2％ 미만에서는, 기지의 강화 작용이 적어, 내마모성이 저하한다. 한편, 1.5％를 초과하여 Si를 함유해도, 효과가 포화하여 함유량에 상응하는 효과를 기대할 수 없게 되어 경제적으로 불리해지고, 나아가서는, 기지 조직이 취화되어, 내피로성을 저하시키는 경우도 있다. 이 때문에, Si 함유량은 0.2∼1.5％로 한정한다. 또한, 바람직하게는, Si 함유량은 0.3％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Si 함유량은 1.3％ 이하이다.

Mn: 0.2∼1.6％

Mn은, S를 MnS으로서 고정하여, S를 무해화하는 작용을 가짐과 함께, 일부는 기지 조직에 고용되어, 퀀칭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 또한, Mn은 기지 중에 고용되어, 기지를 강화(고용 강화)하는 작용이 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.2％ 이상의 Mn의 함유를 필요로 하고, Mn의 함유량이 0.2％ 미만에서는, 기지의 강화 작용이 적어, 내마모성이 저하한다. 한편, 1.6％를 초과하여 Mn을 함유해도, 효과가 포화하여 함유량에 상응하는 효과를 기대할 수 없게 되고, 나아가서는 재질이 취화되어, 내피로성이 저하하는 경우도 있다. 이 때문에, Mn 함유량은 0.2∼1.6％로 한정한다. 또한, 바람직하게는, Mn 함유량은 0.3％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Mn 함유량은 1.4％ 이하이다.

Cr: 4.5∼7.0％

Cr은, C와 결합하여 주로 공정 탄화물을 형성하여, 내마모성을 향상시킴과 함께, 압연 시에 강판과의 마찰력을 저감하고, 롤의 표면 손상을 경감시켜, 압연을 안정화시키는 작용을 갖는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 4.5％ 이상의 Cr의 함유를 필요로 한다. 또한, Cr의 함유량이 4.5％보다도 적어지면, 공정 탄화물량이 적어져, 내마모성이 저하한다. 한편, 7.0％를 초과하는 Cr의 함유는, 조대한 공정 탄화물이 증가하기 때문에, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, Cr 함유량이 4.5∼7.0％의 범위에서는, 내피로성이 우수한 압연용 롤 외층재가 얻어진다. 또한, 바람직하게는, Cr 함유량은 4.7％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Cr 함유량은 6.5％ 이하이다.

Mo: 1.0∼5.0％

Mo는, C와 결합하여 경질인 탄화물을 형성하여, 내마모성을 향상시키는 원소이다. 또한, Mo는, V, Nb와 C가 결합한 경질인 MC형 탄화물 중에 고용되어, 탄화물을 강화함과 함께, 공정 탄화물 중에도 고용되고, 그들 탄화물의 파괴 저항을 증가시킨다. 이러한 작용을 통하여 Mo는, 롤 외층재의 내마모성, 내피로성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 1.0％ 이상의 Mo의 함유를 필요로 한다. 한편, 5.0％를 초과하는 Mo의 함유는, Mo 주체의 경취(硬脆;hard and brittle)인 탄화물이 생성되고, 내열간 전동 피로성을 저하시켜, 내피로성을 저하시킨다. 이 때문에, Mo 함유량은 1.0∼5.0％의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는, Mo 함유량은 1.2％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Mo 함유량은 4.9％ 이하이다.

V: 4.0∼6.0％

V는, 롤로서의 내마모성과 내피로성을 겸비시키기 위해, 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. V는, 매우 경질인 탄화물(MC형 탄화물)을 형성하여, 내마모성을 향상시킴과 함께, 공정 탄화물을 분단, 분산 정출시키는 것에 유효하게 작용하고, 내열간 전동 피로성을 향상시켜, 롤 외층재로서의 내피로성을 현저하게 향상시키는 원소이다. 이러한 효과는, 4.0％ 이상의 V의 함유에서 현저해진다. 한편, 6.0％를 초과하는 V의 함유는, MC형 탄화물을 조대화시키기 때문에, 압연용 롤의 제(諸)특성을 불안정하게 한다. 이 때문에, V 함유량은 4.0∼6.0％의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는, V 함유량은 4.3％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, V 함유량은 5.9％ 이하이다.

Nb: 0.5∼2.5％

Nb는, MC형 탄화물에 고용되어 MC형 탄화물을 강화하고, MC형 탄화물의 파괴 저항을 증가시키는 작용을 통하여, 내마모성, 특히 내피로성을 향상시킨다. Nb와 Mo가 함께, 탄화물 중에 고용됨으로써, 내마모성과 나아가서는 내피로성의 향상이 현저해진다. 또한, Nb는, 공정 탄화물의 분단을 촉진시켜, 공정 탄화물의 파괴를 억제하는 작용을 갖고, 롤 외층재의 내피로성을 향상시키는 원소이다. 또한, Nb는 MC형 탄화물의 원심 주조 시의 편석을 억제하는 작용을 아울러 갖는다. 이러한 효과는, 0.5％ 이상의 Nb의 함유에서 현저해진다. 한편, Nb 함유량이 2.5％를 초과하면, 용탕 중에서의 MC형 탄화물의 성장이 촉진되어, 내열간 전동 피로성을 악화시킨다. 이 때문에, Nb 함유량은 0.5∼2.5％의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는, Nb 함유량은 0.8％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Nb 함유량은 2.0％ 이하이다.

N＋O: 100∼400질량ppm

N과 O는, 원료 중의 질소나 산소 및 대기 중에 존재하는 질소나 산소가 흡수됨으로써 용탕에 혼입된다. 그 때문에, 원료 중의 질소량·산소량을 저감하는, 원료의 용해 중에 대기와 차단하는(아르곤 가스 등의 불활성 가스로 용탕 표면을 덮어, 공기와 차단하는 등), 용탕을 원심 주조법 혹은 연속 땜질 육성법 등의 주조법으로 주조할 때에, 공기의 말려듦을 적게 하는 것 등으로, 용탕 중의 N과 O의 양을 조정하는 것이 가능하다. N과 O의 함유량의 합계 (N＋O)를 400질량ppm 이하로 함으로써, 포로시티를 저감하는 것이 가능하다. 한편, N과 O의 함유량의 합계를 100질량ppm 미만으로 하는 것은 경제상 불리하고, 또한, N과 O의 함유량의 합계가 100질량ppm 미만이 되면 내피로성이 저하하는 경우가 있다. 그 때문에, N＋O는 100∼400질량ppm의 범위로 한정한다. 또한, 바람직하게는, N＋O는 120질량ppm 이상이고, 보다 바람직하게는 150질량ppm 이상이다. 또한, 바람직하게는, N＋O는 370질량ppm 이하이고, 보다 바람직하게는 350질량ppm 이하이다.

잔부 Fe 및 불가피적 불순물

본 발명에서는, 상기한 조성 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, S나 Ni, Cu, Ca, Sb, Ti, Zr, B 등을 들 수 있다. 이들은, 원료나 용해 중에 내화물 등으로부터 혼입된다. 이들 불가피적 불순물은, S: 0.05％ 이하, Ni: 0.15％ 이하, Cu: 0.20％ 이하, Ca: 0.01％ 이하, Sb: 0.01％ 이하, Ti: 0.05％ 이하, Zr: 0.05％ 이하, B: 0.008％ 이하인 것이 바람직하고, 이들 불가피적 불순물의 합계량이 0.5％ 이하이면 내마모성이나 내열 피로성에 악영향을 미치지 않기 때문에, 합계량은 0.5％ 이하이면 좋다. 또한, 보다 바람직하게는, 합계량은 0.4％ 이하이다. 또한, 불가피적 불순물로서 Al과 P가 혼입되기도 한다. 이들 함유량은, Al: 0.01％ 미만, P: 0.010％ 미만이다.

또한, 본 발명에서는, 상기한 조성 외에, Al: 0.01∼0.30％ 및/또는 P: 0.010∼0.040％를 함유해도 좋다.

Al: 0.01∼0.30％

Al은, 용탕 중의 질소 및 산소와 결합하여, 산화물이나 질화물을 형성하는 원소로서, 포로시티나 수축소의 형성을 억제하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Al을 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 0.30％를 초과하여 Al을 함유하면, 산화물 또는 질화물이 다량으로 형성되어, 열간 전동 피로성을 악화시키는 경우가 있다. 그 때문에, Al을 함유하는 경우에는, 바람직한 Al 함유량의 범위는 0.01∼0.30％이다. 또한, 보다 바람직하게는, Al 함유량은 0.02％ 이상이다. 또한, 보다 바람직하게는, Al 함유량은 0.25％ 이하이다.

P: 0.010∼0.040％

P는, 제조 과정에서 원료 등으로부터 불가피적으로 혼입되어, 기계적 성질의 열화를 초래한다고 생각되어 왔지만, 발명자들의 예의 검토의 결과, 소량의 P의 함유는 경도나 인장 강도·압축 강도를 향상시키는 효과가 있는 것을 밝혀냈다. P에 의한 고강도(고경도) 작용은, P가 기지 조직에 고용되는 것에 의한 고용 강화라고 생각하고 있다. P 함유량이 0.010∼0.040％이면, 기지 조직의 고강도화에 의한 내마모성 향상의 효과가 얻어지지만, 0.040％를 초과하는 P의 함유는, 기계적 성질의 열화를 초래하는 경우가 있다. 그 때문에, P를 함유하는 경우에는, P 함유량은 0.010∼0.040％의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, P 함유량은 0.012％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, P 함유량은 0.035％ 이하이다.

또한, 본 발명에서는, C, V, Nb, Mo의 함유량이 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하는 것이 바람직하다.

1.60≤(％V＋％Nb)/％Mo≤3.5···(1)식

9.00≤％V＋0.5×％Nb＋2.1×％C≤11.0···(2)식

여기에서, ％C, ％V, ％Nb, ％Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)이다. V, Nb 및 Mo의 함유량이 (1)식의 범위 내에서는, MC형 탄화물 중에 Mo가 고용되어 고용 강화되어, 내마모성이 향상한다. 또한, V, Nb 및 C의 함유량이 (2)식의 범위 내에서는, 탄화물 편석이 억제되어, 내마모성, 내피로성이 향상한다. 내마모성, 내피로성이 향상하는 것은, V, Nb 및 C의 함유량이 (2)식의 범위를 만족함으로써, 용탕이 응고할 때의 조직 형성 과정이 변화하는 것이 원인이라고 생각된다.

다음으로, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 바람직한 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명에서는, 롤 외층재의 제조 방법은, 공지의 원심 주조법 혹은 연속 땜질 육성법 등의 주조법에 의해 제조되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는, 이들 방법에 한정되지 않는 것은 말할 것도 없다.

원심 주조법으로 롤 외층재를 주조하는 경우, 우선, 내면에 지르콘 등을 주재료로 한 내화물이 1∼5㎜ 두께로 피복된, 회전하는 주형에, 상기한 롤 외층재 조성의 용탕을, 소정의 두께가 되도록 주탕하여, 원심 주조한다. 여기에서, 주형의 회전수는, 롤의 외표면에 인가되는 중력 배수가 100∼200G의 범위로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 중간층을 형성하는 경우에는, 롤 외층재의 응고 도중 혹은 완전하게 응고한 후, 주형을 회전시키면서, 중간층 조성의 용탕을 주탕하여, 원심 주조하는 것이 바람직하다. 외층 혹은 중간층이 완전하게 응고한 후, 주형의 회전을 정지하고 주형을 세우고 나서, 내층재를 정치 주조하여, 복합 롤로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 롤 외층재의 내면측이 재용해되어 외층과 내층, 혹은 외층과 중간층, 중간층과 내층이 용착 일체화한 복합 롤이 된다.

본 발명에서는, 내층, 중간층의 조성은 특별히 한정되지 않지만, 정치 주조되는 내층은, 주조성과 기계적 성질이 우수한 구 형상(spheroidal) 흑연 주철(덕타일(ductile) 주철), 우충 형상(compacted vermicular) 흑연 주철(CV 주철), 또는 단강(forged steel) 등을 이용하는 것이 바람직하다. 원심 주조제 롤은, 외층과 내층이 일체 용착되어 있기 때문에, 외층재의 성분이 1∼8％ 정도 내층에 혼입된다. 외층재에 포함되는 Cr, V 등의 탄화물 형성 원소가 내층으로 혼입되면, 내층을 취약화한다. 이 때문에, 외층 성분의 내층으로의 혼입률은 6％ 미만으로 억제하는 것이 바람직하다.

또한, 중간층을 형성하는 경우는, 중간층재로서, 흑연강, C: 1.5∼3.0질량％의 고탄소강, 아공정 주철 등을 이용하는 것이 바람직하다. 중간층과 외층은 동일하게 일체 용착되어 있고, 외층 성분이 중간층으로 10∼95％의 범위에서 혼입된다. 내층으로의 외층 성분의 혼입량을 억제하는 관점에서, 외층 성분의 중간층으로의 혼입량은 가능한 한 저감해 두는 것이 중요해진다.

본 발명의 열간 압연용 복합 롤은, 주조 후, 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 열처리는, 950∼1100℃로 가열하고 공냉 혹은 충풍 공냉(air blast cooling)하는 공정과, 추가로 480∼570℃로 가열 유지한 후, 냉각하는 공정을 2회 이상 행하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 열간 압연용 복합 롤의 바람직한 경도는, 79∼88HS(쇼어 경도), 보다 바람직한 경도는 80∼86HS이다. 79HS보다도 경도가 낮으면, 내마모성이 열화하고, 반대로 경도가 88HS를 초과하면, 열간 압연 중에 열간 압연용 롤 표면에 형성된 크랙을 연삭에 의해 제거하기 어려워진다. 이러한 경도는 상기의 열처리 온도를 조정함으로써 얻을 수 있다.

실시예

표 1에 나타내는 롤 외층재 조성의 용탕을 고주파 유도로에서 용해하고, 원심 주조법에 의해, 링 형상 시험재(링 롤; 외경: 250㎜φ, 폭: 65㎜, 두께: 55㎜)로 했다. 또한, 주입 온도는 1500℃로 하고, 원심력은 링 형상 롤재의 외주부가 중력 배수로 150G가 되도록 했다. 주조 후, 1030℃로 가열하고, 공냉하는 퀀칭 처리, 템퍼링 처리는, 온도: 500℃에서, 잔류 오스테나이트량이 체적％로 10％ 미만이 되도록, 성분에 따라 2 또는 3회 실시했다. 템퍼링 온도로부터의 냉각은 로냉으로 했다. 얻어진 링 형상 시험재로부터, 마모 시험편 및 X선 CT 측정용 시험편을 채취하여, 마모 시험 및 X선 CT 측정을 실시했다.

얻어진 링 형상 롤재의 표면의 요철이나 스케일(산화물층)을 연삭으로 제거한 후, X선 CT 측정용 시험편(20×20×50㎜)을 3개 채취하여 X선 CT 측정을 행하여, 포로시티 및 수축소의 유무를 조사했다. X선 CT 측정용 시험편(2)은, 도 1과 같이, 링 형상 시험재(1)의 폭 중앙으로부터 120° 간격으로 3개 채취했다. X선 CT 장치는, 최대 관전압 225㎸의 것을 이용하고, 관전압 150㎸, 관전류 80㎂로 시험편 전체의 투과상을 촬영했다. 검출된 개개의 포로시티 또는 수축소에 외접하는 원의 직경이 0.50㎜를 초과하는 경우를 결함 있음으로 하고, 0.50㎜ 이하인 경우를 결함 없음으로 했다.

마모 시험 방법은 다음과 같이 했다. 얻어진 링 형상 시험재로부터 마모 시험편(외경 60㎜φ, 두께 10㎜, 모따기 있음)을 채취했다. 마모 시험은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 시험편과 상대편의 2원반 미끄럼 전동 방식으로 행했다. 시험편(5)을 냉각수(6)로 수냉하면서 700rpm으로 회전시키고, 회전하는 당해 시험편(5)에, 고주파 유도 가열 코일(7)로 800℃로 가열한 상대편(재질: S45C, 외경: 190㎜φ, 폭: 15㎜, C1 모따기)(8)을 하중 980N으로 접촉시키면서, 미끄럼률: 9％로 전동시켰다. 마모 시험은 300분간 실시하고, 50분마다 상대편을 신품으로 교환하여, 시험을 실시했다. 종래예를 기준으로 하여, 기준값에 대한 각 시험편의 마모량의 비를, 마모비(＝(기준편의 마모량)/(각 시험편의 마모량))로 평가하여, 마모비가 0.97 이상인 경우를 종래예와 동등 이상의 내마모성을 갖고 있다고 하고, 0.97보다도 작은 경우를 내마모성이 뒤떨어진다고 판정했다.

또한, 얻어진 링 형상 롤재로부터 열연 피로 시험편(외경 60㎜φ, 두께 10㎜)을 채취하여, 일본공개특허공보 2010-101752호에서 실기에 있어서의 열간 압연용 작업 롤의 내피로성을 재현성 좋게 평가할 수 있는 것을 나타낸 열연 피로 시험을 실시했다. 또한, 피로 시험편에는, 도 6에 나타내는 노치(깊이 t: 1.2㎜, 둘레 방향 길이 L: 0.8㎜)를 외주면의 2개소에, 0.2㎜φ의 와이어를 이용한 방전 가공(와이어 컷)법으로 도입했다. 또한, 피로 시험편의 전동면의 단부에는 1.2C의 모따기를 실시했다. 열연 피로 시험은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 노치를 갖는 시험편(열연 피로 시험편)(5)과 가열된 상대편(8)의 2원반의 구름 미끄럼 방식으로 행했다. 즉, 도 6에 나타내는 바와 같이 시험편(열연 피로 시험편)(5)을 냉각수(6)로 수냉하면서 700rpm으로 회전시키고, 회전하는 당해 시험편(5)에, 고주파 유도 가열 코일(7)에 의해 800℃로 가열한 상대편(재질: S45C, 외경: 190㎜φ, 폭: 15㎜)(8)을 하중 980N으로 눌러대면서, 미끄럼률: 9％로 전동시켰다. 열연 피로 시험편(5)에 도입한 2개의 노치(9)가 꺾여 파손될 때까지 전동시켜, 각 노치가 꺾여 파손될 때까지의 전동 회전수를 각각 구하고, 그의 평균값을 열연 피로 수명으로 했다. 그리고, 열연 피로 수명이 350천회를 초과하는 경우를 열연 피로 수명이 현저하게 우수하다고 평가했다.

얻어진 결과를 표 2에 나타낸다.

여기에서, 내마모성에 대해서는, 종래와의 대비에 있어서, 0.97 이상인 것을 「○」(합격), 0.97 미만인 것을 「×」(불합격)로 하고, 내피로성에 대해서는 410천회(410000회)를 초과하는 것을 「◎」(합격, 특히 우수함), 350천회를 초과하여 410천회 이하(350001∼410000회)인 것을 「○」(합격), 350천회(350000회) 이하인 것을 「×」(불합격)로 하고, 그들을 기초로 종합 평가를 행했다.

종합 평가로서는, 포로시티나 수축소의 결함이 없고, 내마모성의 평가가 「○」(합격)이고, 또한 내피로성의 평가가 「○」(합격)였던 것을 「○」(합격)로 했다.

또한, 포로시티나 수축소의 결함이 없고, 내마모성의 평가가 「○」(합격)이고, 또한 내피로성의 평가가 「◎」(합격, 특히 우수함)였던 것은, 「◎」(합격, 특히 우수함)로 했다.

또한, 포로시티나 수축소의 결함: 「있음」, 내마모성의 평가: 「×」(불합격), 내피로성의 평가: 「×」(불합격) 중 어느 하나라도 해당한 것은 종합 평가를 「×」(불합격)로 했다.

본 발명예에서는 종래예와 동등 이상의 내마모성을 갖고, 또한, 포로시티나 수축소가 현저하게 저감하고 있는 것을 알 수 있다. 특히, Al 함유량이 적합 범위인 실시예(No.7∼13)에 있어서는, 마모비가 커, 내마모성이 우수한 것을 알 수 있다. 이는, 포로시티나 수축소가 존재하면, 마모 시험 중에 그의 주위가 이지러지듯이 탈락하여, 시험편의 중량이 크게 감소하지만, Al 함유량을 바람직한 범위로 함으로써, 포로시티나 수축소의 사이즈가 크게 감소하여, 마모 시험 중의 시험편의 질량 변화가 작아지기 때문이다.

또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, C, V, Nb, Mo가 (1)식 및 (2)식을 만족하는 경우(No.11∼13)에는, 포로시티나 수축소의 형성을 억제하면서, 종래예나 (1)식 및 (2)식을 만족하지 않는 본 발명예에 비해 우수한 내마모성 및 내피로성을 갖는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 포로시티나 수축소의 발생이 경감되어, 내마모성 및 내피로성이 우수한 열간 압연용 롤 외층재 및 열간 압연용 복합 롤을 제조하는 것이 가능해진다. 그 결과, 피압연재의 표면 품질의 향상 및 롤 수명의 향상을 달성할 수 있다는 효과도 있다.

1 : 링 형상 시험재
2 : 시험편(X선 CT 측정용 시험편)
3 : 포로시티 또는 수축소
4 : 외접원
5 : 시험편(마모 시험편, 열연 피로 시험편)
6 : 냉각수
7 : 고주파 유도 가열 코일
8 : 상대편
9 : 노치

Claims

질량％로,
C: 1.6∼2.5％,
Si: 0.2∼1.5％,
Mn: 0.2∼1.6％,
Cr: 4.5∼7.0％,
Mo: 1.0∼5.0％,
V: 4.0∼6.0％,
Nb: 0.5∼2.5％를 함유하고,
또한, N과 O의 합계가 100∼400질량ppm이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 열간 압연용 롤 외층재.
제1항에 있어서,
추가로, 질량％로, Al: 0.01∼0.30％를 함유하는 열간 압연용 롤 외층재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
추가로, 질량％로, P: 0.010∼0.040％를 함유하는 열간 압연용 롤 외층재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
C, V, Mo, Nb의 함유량이 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하는 열간 압연용 롤 외층재.
1.60≤(％V＋％Nb)/％Mo≤3.5···(1)식
9.00≤％V＋0.5×％Nb＋2.1×％C≤11.0···(2)식
여기에서, ％C, ％V, ％Nb, ％Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)이다.
외층, 중간층 및 내층의 3층 구조 또는 외층 및 내층의 2층 구조를 갖는 열간 압연용 복합 롤에 있어서,
상기 외층이 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 열간 압연용 롤 외층재를 갖는 열간 압연용 복합 롤.