KR910004078B1 - 주형부재 및 급냉응고용 수냉회전로울러부재 - Google Patents

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내용 없음.

Description

주형부재 및 급냉응고용 수냉회전로울러부재

제 1 도는 열피로 시험장치를 표시한 개략단면도.

제 2 도는 연속주조형의 개략측단면도.

제 3 도는 수냉회전로울러의 개략측단면도이다.

본 발명은 고온특성, 특히 고온강도, 고온경도 및 내열피로성, 또 내용탕표면 거칠음성이 우수할 것이 요구되는 부재, 즉 주조주형에 관한 것으로, 특히 가혹한 열피로 환경에 노출되는 용탕의 급냉응고용 수냉회전로울러부재에 관한 것이다.

일반적으로, 예컨대 통상의 연속주조주형을 비롯하여 상기의 수냉회전로울러에는 국부적인 열응력을 환화하기 위한 열전도도, 큰 열응력을 견디기 위한 고온강도, 과혹한 열피로 환경에 견디기 위한 고온신장, 또 주조시의 용탕마모 등에 의한 주형표면의 거칠기(거칠기가 발생하면 주조제품의 표면상태가 현저히 나빠진다)를 방지하기 위한 고온경도 및 내용탕표면 거칠기 등의 고온특성이 요구된다.

특히, 이 표면 거칠기는 상기의 수냉회전로울러에 있어서 현저하며, 거칠기에 의하여 로울러 수명이 결정된다고 하여도 무방하다.

여기서, 종래에는 이들의 요구특성을 구비하도록 Cu-Cr계 합금, 혹은 Cu-Zr계 합금, 또한 Cu-Cr-Zr계 합금 등이 사용되고 있었다.

한편, 최근에 있어서의 생산성의 향상의 필요성에 따라, 주조주형은 점점 더 가혹한 환경하에서 사용되는 경향이며, 특히 전자교반기술의 등장과 같은 연속주조기술의 진보 발전에 따라, 용탕과 접하는 주형의 표면 온도는 종래의 300∼400℃로부터 400∼500℃로 점차 상승되고 있다.

또한, 최근에는 여러 가지 우수한 특성을 나타내게 되므로, 예로서 규소강 등의 각종합금을 수냉회전로울러에 의하여 급냉응고 박판을 제조하는 것이 행하여지고 있다.

이 경우 수냉회전로울러에 있어서도 로울러 표면은 500℃의 고온에 노출되는 것이 보통이다. 또, 용탕이 끊임없이 동일부위에 부어지므로 열응력이 국부적으로 작용함과 동시에, 고속회전하는 수냉회전로울러(주속도 2∼40m/sec)는 국부적으로 가열냉각을 빈번히 반복하도록 하게 된다. 이것은 통상의 연속주조법에 있어서 주형이 주조가 안정상태에 달하면 그 주조는 끝나기까지 주형에 작용하는 열응력이, 크기, 분포와 더불어 일정하게 유지되는 경우에 비하여 국부적으로 보다 가혹한 열피로발생(열사이클피로) 조건하에 노출되어 있게된다.

이와같은 가혹한 사용조건하에 있는 연속주조주형, 수냉회전로울러를 상기의 종래 Cu합금으로 제조한 경우, 고온특성중 특히, 고온강도, 고온경도 및 내용탕표면 거칠기가 불충분하므로 주형의 수명이 감소되고, 특히 수냉회전로울러에 대하여는 그 실용화에 대하여 결정적인 문제점이라고 인식되기에 이르렀다.

이에 본 발명인 등은 통상의 연속주조주형은 물론, 더욱 우수한 특성이 요구되는 수냉회전 급냉응고로울러의 주형에 사용할 수 있도록 보다 우수한 고온특성을 표시하는 재료의 개발에 연구노력을 거듭한 결과, 중량%로(이하 %는 모두 중량%로 표시함) Ni 1.3-5%, Ti 0.2-2%, Cr 0.1-1.5%를 함유하고, 다시 Zr 0.01-0.5%를 함유하며, Al 0.01-0.1%를 함유하며, Fe 및 Co중의 1종 또는 2종 0.01-0.5%를 함유하고, Sn 0.05-1.2%, Mn 0.05-1.2%, Zn 0.05-1.2%, Mg 0.001-0.2%, P 0.001-0.2%를 함유하고, 다시 휘토류원소 0.001-0.2%를 함유하며, 나머지 Cu와 불가피한 불순물로서 되는 조성을 가지는 Cu합금은, 고온특성중 특히 고온강도, 고온경도 및 내열피로성, 내용량 거칠음성이 우수하고, 또한 수냉회전 급냉 응고로울러 등 용량과의 접속에 의해 국부적으로 큰 열응력이 반복 발생하는 가혹한 피로환경에 노출되는 부재로서 상기 Cu합금을 사용한 경우 그 수명이 현저히 개선되어 장기에 결쳐 안정한 성능을 나타냄을 알 수 있었다.

본 발명은 상기와 같은 지식에 기인하여 이루어진 것으로, 이하 Cu합금의 성분조성을 상기와 같이 한정한 이유를 설명한다.

(a) Ni 및 Ti

이들 성분에는 결정입내 (매트릭스중)에 미세히 석출하는 Ni_xTi_y의 금속간 화합물을 형성하고, 따라서 합금의 고온강도와 고온경도(내용탕표면의 거칠음성)을 비약적으로 향상시키는 작용이 있으나, 그 함유량이 어느것이나 Ni 1.3% 미만 및 TI 0.2% 미만에서는 상기 작용에 만족한 효과를 얻을 수 없고, 한편 그 함유량이 각기 Ni 5% 및 Ti 2%를 초과하여도 상기 작용이 포화되어 더 이상의 향상효과를 얻을 수 없을뿐아니라, 열전도성이 급격히 저하하게 되므로 그 함유량을 각각 Ni 1.3-5%, Ti 0.2-2%로 정한다.

(b) Cr

Cr성분에는 그 자체가 결정입내에 미세하게 석출하여 합금의 강도를 향상시키는 외에 Ni 및 Ti와의 공존에 있어서 합금의 고온강도 및 고온경도 (내용탕 표면 거칠음성)를 일층 향상시키는 작용이 있으나, 그 함유량이 0.1% 미만에서는 상기 작용에 원하는 효과를 얻을 수 없고, 한편 그 함유량이 1.5%를 초과해도 상기작용에 보다 좋은 효과를 얻을 수 없을 뿐아니라, 오히려 조대한 Cr의 정출물이 발생하여 연성을 현저히 저하시키며, 또 그 함유량이 1.5%를 초과해도 용해주조 자체가 곤란하게 되므로 그 함유량을 0.1-1.5%로 정한다.

(c) Zr

Zr 성분에는 Cu와 결합하므로서 미세한 금속간 화합물 Cu₃Zr를 주조하여 입계에 형성되고, 따라서 고온에 있어서 입계의 스립을 제어하여, 입계파단에 의한 취화(연성저하)를 방지하여 내열피로성을 개선하는 작용이 있으므로, 필요에 따라 함유시키지만 그 함유량이 0.5%를 초과하면 상기 작용에 보다 향상된 효과를 볼 수 없고 반대로 연성을 저하시키고, 용해주조를 곤란하게 하므로 그 함유량을 0.5%이하로 정한다.

(d) Al

Al성분에는 Ni 및 Ti와 결합하여 Ni_xAl_y또는 Ti_xAl_y의 미세한 금속간 화합물을 석출형성하고, 이에 의하여 합금의 상온 및 고온 강도를 향상시키는 외에, 실용시에 표면부에 Al₂O₃의 분산한 치밀한 층을 형성하여 용탕과의 젖음성을 저하시켜 예로서, 로울러법에 사용되는 수냉회전로울러 주형이면 로울러주형의 표면거칠음을 현저히 억제하는 작용이 있으므로, 필요에 따라 함유시키나 그 함유량이 1%를 초과하여도 전기 작용에 의한 일층의 향상효과를 볼 수 없고, 오히려 열전도성이 저하되게 되므로 그 함유량을 1%이하로 정한다.

(e) Fe 및 Co

이들 성분에는 Ti와 결합하여 결정입내에 미세하게 석출하는 (Fe,Co)_xTi_y의 금속간 화합물을 형성하며, 이에 의하여 합금의 강도 및 열전도성을 향상시키는 작용이 있으므로 필요에 따라 함유시키나, 그 함유량이 1종 또는 2종 합계로 0.5%를 초과하여도 전기작용에 일층의 향상효과를 얻을 수 없고, 반대로 열전도성이 급격히 저하하게 되므로 그 함유량을 1종 또는 2종 합계로 0.5% 이하로 정한다.

(f) Sn, Mn, Zn, Mg, P

이들 성분에는 합금의 내열성과 강도를 향상시키는 작용(이하 이들 성분을 총칭하여 내열강화성분 이라함)이 있으므로 필요에 따라 함유시키나 그 함유량이 Sn, Mn 및 Zn에 있어서는 1.2% 또는 Mg 및 P에 있어서는 0.2%를 각각 과하면 강도의 향상은 기대할 수 있으나, 반면에 연성과 열전도성이 현저히 저하하게 되므로 그 함유량을 각각 Sn 1.2%이하, Mg 0.2%이하 및 P 0.2%이하로 정한다.

(g) 휘토류원소

휘토류원소에는 합금의 강도, 열전도성을 저하시킴이 없이 깍임성(被消性)을 향상시키는 외예 예로서 후락스에 유래하는 유황성분에 의하여 일어나는 부식피로 균열에 대한 저항성 즉 내유황부식성을 개선하는 작용이 있으므로, 필요에 따라 함유시키나 그 함유량이 0.2%를 초과하면 열간 가공성이 손상되므로 그 함유량을 0.2% 이하로 정한다. 또한 휘토류원소로서는 Ce, La, Nd, Pr, Sn 등이 있으나 예로서 입수하기 쉬운 밋슈메탈을 사용하여 첨가 함유시켜도 좋다,

다음으로 본 발명의 Cu합금을 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다. 통상의 진공용해도를 사용하여 흑연도가니 내에서 각각 제 1표에 표시된 성분조성을 가진 각종의 Cu합금 용탕을 15kg씩 용해하고 금형에 주조하여 5kg의 잉고트 3개를 얻고 면삭한 후, 1개의 잉고트에 대하여 열간단조 및 열간압연을 행하고 폭 100mm×5mm의 판재로하여 이것을 적당한 길이로 절단하므로 본 발명의 Cu합금판재 1∼83, 비교 Cu합금판재 1∼6, 종래 Cu합금판재 1∼3을 각기 제조하였다.

또, 이들의 Cu합금판재의 어느것이나 온도 980℃에서 30분간 유지후 수냉담금질 처리를 하고 다시 계속하여 본 발명 판재 1∼83 및 비교 합금판재 1∼6에 대하여 525℃에서 2시간 유지조건, 또 종래 Cu합금판재 1에 대하여 450℃에서 1시간 유지조건, 또한 종래 Cu합금판재 2,3에 대하여 475℃에서 2시간 유지조건에서 각각 시효처리를 하였다.

또, 비교 Cu합금판재 1∼6 어느것이나 구성성분중의 어느것인가에 성분함유량(제 1 표에 *로 표시)이 본 발명범위를 벗어난 조성을 가지는 것이다.

다음으로 이들의 각종 Cu합금판재에 대하여 상온 및 500℃에서의 빅커스 경도 및 열전도성을 평가할 목적으로 전기전도도를 측정하고, 다시 상온 인장시험의 온도 50℃에서 10분간 유지후의 인장시험을 측정하는 고온인장시험, 내열시험 및 열사이클피로 시험을 행하고 각각의 결과를 제 2표에 표시하였다. 또 내열시험은 450∼700℃의 온도범위 내에서 10℃간격마다 온도를 선정하여 차례로 각각의 온도로 가열하고, 다시 같은 온도에서 1시간 온도 유지한 후 실온까지 공냉한 각각의 시험편의 상온경도를 측정하고 이 측정치가 원해의 상온경도의 90%에 도달한 가열온도를 가지고 "내열온도"로 표시하였다.

또 열사이클피로 시험은 제 1 도에 개략단면도로 표시된 열피로시험장치를 사용하여 중앙부에 절결이 형성된 시험편(1)을 시험편 홀더(2)에 고정지지하고, 이홀더지지봉(4)에 취착한 상태에서 프로판가스버너(5)의 염(6)으로 시험편(1)을 40초간 대고 그 중앙부를 500℃±25℃의 최고온도로 가열하고 다음으로 회전축(3)을 자동적으로 화살표방향에 90°회전시켜 그 가열된 시험편(1)을 직수(7)중에 급냉함과 동시에, 다음의 시험편(1)을 버너 가열위치로 옮기어 상기와 같이 40초간 가열하고, 이 가열과 냉각의 일련의 조작을 각 시험편(1)에 대하여 1000사이클을 행하고 그간 시험편에 있어서 균열 및 변형발생시의 부가사이클수를 조사하였다.

다시, 나머지의 2개의 잉고트를 사용하여 각각 열간단조로 외경 약 105mm× 내경 약 75mm × 폭 약 55mm의 링형상으로 성형하고, 계속하여 기계가공으로 외경 100mm × 내경 80mm × 폭 50mm의 치수로 다듬질하므로서 한쌍의 수냉회전로울러 주형을 제조하고 이 로울러주형에 대하여 내용탕표면의 거칠어짐을 평가할 목적으로

회 전 수 30r.p.m

로울러간격 1mm

주 입 재 SUS 304(jis)

(AISI 304)

주입 온도 1600℃

주입 중량 5kg

의 조건으로 주조시험을 행하고 주조후의 로울러 표면의 거칠어짐 상태를 눈과 실체 현미경에 의하여 관찰하고 거칠어짐이 전혀 없거나 발생이 거의 볼 수 없는 경우를 ○표, 거칠어짐의 발생이 약간이라도 있는 경우는 ×표, 거칠음의 발생이 대단히 많은 경우는 ××표로 평가 표시하고 이들의 결과를 제 2 표에 표시하였다.

제 2 표에 표시된 결과로부터 본 발명에 의한 주형부재용 합금 1∼83은 어느것이나 종래합금 1∼3에 비하여 일층 우수한 상온 및 고온강도, 상온 및 고온경도, 내열성 및 내피로성을 구비하고 또한 열전도성 및 내용탕 표면거칠음이 우수한데 비하여, 비교합금 1∼6에서 보는 바와 같이 구성성분 중 어느 것인가의 한 성분이라도 본 발명 범위를 벗어나면 상기의 특성중 적어도 어느 것인가의 특성이 저하되는 것이 명백하다.

이상과 같이 본 발명의 합금은 우수한 고온강도, 우수한 고온 경도, 우수한 고온연성 및 내열성을 균형되게 가지며 특히 우수한 내열피로성 및 내용탕표면 거칠음성을 구비하고 있으므로 예로서 특히 급냉응고용수냉회전로울러 또는 전자교반기술의 도입에 의하여 점점 엷어짐이 요구되는 연속주조주형 등으로 사용한 경우에 현저히 장기에 걸쳐 우수한 성능을 발휘하는 것이다.

[표 1a]

[표 1b]

[표 1c]

[표 2a]

[표 2b]

[표 2c]

[표 2d]

Claims (2)

1. Ni 1.3-5%, Ti 0.2-2%, Cr 0.1-5%를 함유하고, 다시 Zr 0.01-0.5%와, Al 0.01-0.1%와, Fe 및 Co중의 1종 또는 2종 0.01-0.5%와, Sn 0.05-1.2%, Mn 0.05-1.2%, Zn 0.05-1.2%, Mg 0.001-0.2% 및 P 0.001-0.2%중의 1종 또는 2종 이상과 휘토류원소 0.001 - 0.2%와의 이상 5개 성분류 중에서 1개 성분류 또는 2개 성분류를 함유하고, 나머지 Cu와 불가피 불순물로 되는 조성(이상 중량%)을 가짐을 특징으로 한 주형부재.
2. Ni 1.3-5%, Ti 0.2-2%, Cr 0.1-5%를 함유하고, 다시 Zr 0.01-0.5%와, Al 0.01-0.1%와, Fe 및 Co중의 1종 또는 2종 0.01-0.5%와, Sn 0.05-1.2%, Mn 0.05-1.2%, Zn 0.05-1.2%, Mg 0.001-0.2% 및 P 0.001-0.2%중의 1종 또는 2종 이상과 휘토류원소 0.001-0.2%와의 이상 5개 성분류 에서 1개 성분류 또는 2개 성분류를 함유하고, 나머지 Cu와 불가피 불순물로 되는 조성(이상 중량%)을 가짐을 특징으로 한 급냉응고용 수냉회전로울러부재.

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