KR980008370A - 내열 크래킹 및 내마모성이 증가된 열간 압연용 롤 - Google Patents

내열 크래킹 및 내마모성이 증가된 열간 압연용 롤 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 열간 압연용 롤에는 결합제 상으로 70 내지 95중량부, 양호하게는 85 내지 94중량부의 WC를 포함하며, 상기 결합제 상은 코발트만 또는 선택적으로 20 내지 35중량부의 Ni과 10중량부까지의 Cr을 포함하고 소량의 Mo이 첨가될 수도 있는 Co-Ni-Cr 합금을 포함하고 있다. WC 입자는 둥근 형태이며, 평균적으로 입자는 3 내지 10㎛, 양호하게는 4 내지 8㎛의 크기를 갖고 있다. 최대입자 크기는 평균 입자 크기의 2배를 초과해서는 안되며, 입자의 2% 이상이 평균입자 크기의 절반 이하여서는 안된다.

Description

내열 크래킹 및 내마모성이 증가된 열간 압연용 롤
제1도는 종래 기술에 의한 초경합금 롤의 미세 구조를 도시하는 1,200배 현미경 사진.
제2도는 본 발명에 의한 초경합금 롤의 미세 구조를 도시하는 1,200배 현미경 사진.
제3도는 소정 기간 동안의 사용 후의 패스폼(passform)의 마모 패턴을 도시하는 종래 기술에 의한 초경합금 롤의 사진.
제4도는 소정 기간 동안의 사용 후의 패스폼의 마모 패턴을 도시하는 본 발명에 의한 초경합금 롤의 사진.
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 스틸 와이어 및 로드의 열간 압연용 초경합금 롤에 관한 것이다. 상기 롤은 Co 또는, Co＋Ni의 합금 또는 Co＋Ni＋Cr의 합금인 결합제 상과 WC를 포함하는 초경합금 그레이드로 제조된다.
주철, 강 또는 고속도강으로 제조된 롤과 비교할 때, 초경합금을 열간 압연용 롤의 재료로서 이용하는 주요 장점 중 하나는 초경합금의 우수한 열전도성의 결과로 초경합금의 표면 온도가 낮다는 것이다. 초경합금의 표면 온도가 낮기 때문에 열 크랙의 개시를 지연시키고, 열간 스톡(hot stock)과 접촉해 있는 롤의 홈 형상부의 패스폼에서의 마모 마찰을 감소시킬 것이다. 또한, 초경합금의 표면 온도가 낮기 때문에 롤의 열 사이클링에 의한 피로를 감소시킬 것이다. 상기 효과와 함께, 초경합금의 표면 온도가 낮기 때문에 패스폼 수명이 다른 재료로 제조된 롤보다 10 내지 20배가 된다. 상기 장점 및 효과 때문에, 초경합금 롤은 와이어, 바아 및 연속 프로파일의 열간 압연용으로 널리 이용되고 있다.
초경합금의 열전도도는 결합제 상의 함량에 반비례한다. 이는 결합제 상에 비교할 때, 텅스텐 초경합금에서의 열전도도가 높기 때문이다. 결합제 상의 함량이 증가될 때, 탄화물/탄화물 계면 영역을 감소시켜서 보다 많은 열전달이 결합제상에서 발생하기 때문이다.
열간 압연용 조성을 선택할 때, 기계 가공 스트레스에 견디는 인성 재료에 대한 필요성과 열 크랙 및 열 피로의 생성을 억제하기 위한 목적 및 기계 가공 과부하에 의한 크랙킹의 위험을 증가시키지 않고 가능한한 패스폼의 수명을 길게 하기 위한 목적으로 가능한한 결합제 상의 함량을 최소화해야 할 필요성 사이의 균형 문제가 종종 발생한다.
롤 속으로 이송되는 열간 스톡의 차가운 단부로부터 다량의 블로우에 의한 기계 가공 스트레스 및 높은 분리력 때문에 600 내지 1,250HV3범위의 경도치 및 10 내지 30중량부의 코발트 함량을 갖는 그레이드가 이용되고 있다. 그러한 낮은 경도를 유지시키기 위해, 재료의 경도를 증가시키지 않고 인성을 감소시키지 않으며 결합제 상의 함량을 감소시킬 수 있는, 가능한한 굵고 거친 입자를 갖는 그레이드가 이용될 필요가 있다.
초경합금은 견고한 성분 및 결합제 상을 형성하는 분말을 포함하는 분말 혼합물을 습식 밀링하고, 양호한 유동성을 갖는 분말이 되도록 밀링된 혼합물을 건조시키고, 건조된 분말을 원하는 형상으로 프레싱하여, 최종적으로 소결을 하는 단계로 구성되는 분말야금법에 의해 제조된다.
고도화 밀링 동작은 초경합금 밀링 본체를 이용함으로써 서로 다른 크기의 밀들 내에서 수행된다. 밀링은 밀링된 혼합물에서 결합제 상의 균일한 분포를 얻기 위하여 필요하다. 고도화 밀링은 혼합물을 반응시켜 소결 중 조밀한 구조의 형성을 더욱 촉진시킨다. 최근 밀링 시간은 수 시간 정도이다.
밀링된 분말로부터 제조된 재료의 소결 후의 미세 구조의 특징은 오히려 넓은 분포의 WC 입자, 종종상대적으로 큰 입자를 갖는 예리한 각의 WC 입자이다. 상기의 입자는 소결 사이클 중 미세 입자의 용해, 재결정 및 입자 성장의 결과이다.
미국 특허 제5,505,902호 및 제5,529,804호에서는 밀링이 반드시 제외되는 초경합금의 제조법을 개시하고 있다. 대신에 분말 혼합물에서 균일한 분포의 결합제 상을 얻기 위해서, 견고한 입자가 결합제 상에 사전 코팅되며, 혼합물은 프레싱제로 더욱 혼합되며, 프레스되고 소결된다. 미국 특허 제 5,505,902호에서는 졸-겔법에 의해 코팅되며, 미국 특허 제 5,529,804호에서는 폴리올(polyol)이 이용된다. 이들 양 방법을 이용할 때에는, 소결 중 입자 성장이 없기 때문에 소결 전과 마찬가지로 동일한 입자 크기 및 형상을 유지시키는 것이 가능하다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
이제 상기 미국 특허의 공정으로 제조된 초경합금은 개선된 기계 가공적, 열적, 피로적 성질을 가지므로 개선된 열간 압연용 롤을 위한 수행 능력을 갖는다는 것이 판명되었다. 최종 재료에서는, 동일한 결합제 상 함량 및 경도를 갖고 단지 소결 중 밀링된 분말에서 명확한 재결정 및 입자 성장이라는 상이점을 갖는 밀링된 분말로부터 제조된 재료에 비해 WC 골격이 더욱 근접되어 있다. 소결 중 다른 거동에 의해 얻어진 더욱 근접된 WC 골격 때문에 성형체에서 더욱 높은 열전도도를 갖는다. 더욱 연속적이고 견고한 WC 골격이 생성되기 때문에, 강도가 증가되는 것은 당연하다. 제어된 소결 공정 덕분에 입자 크기 분포가 더욱 좁아지고 WC 입자가 매우 굵고 거칠기 때문에 크랙의 생성 및 전파에 대한 저항이 개선된다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명에 의한 열간 압연용 롤에는 결합제 상으로 70 내지 95중량부, 양호하게는 85 내지 94중량부의 WC를 포함하고 있으며, 상기 결합제 상은 코발트만 또는 선택적으로 20 내지 35중량부의 Ni과 10중량부까지의 Cr을 포함하고 소량의 Mo이 첨가될 수도 있는 Co-Ni-Cr 합금을 포함하고 있다. WC 입자는 둥근 형태이며, 평균적으로 입자는 3 내지 10㎛, 양호하게는 4 내지 8㎛의 크기를 갖고 있다. 최대 입자 크기는 평균 입자 크기의 2배를 초과해서는 안되며, 입자의 2% 이상이 평균 입자 크기의 절반 이하여서는 안된다.
양호한 실시예에서, 합성물은 32중량부의 Ni 및 8중량부의 Cr을 포함하는 Co계 결합제 상을 갖는 약 87%의 WC이고 크기가 4.5㎛이어야 한다. 근접도(C)는 다음 선형 분석식에 의해 결정되며 〉0.5이어야 한다.
2·NWC/WC
C = ────────────
2·NWC/WC＋ NWC/binder
상기 NWC/WC는 기준선이 단위 길이당 탄화물/탄화물 경계선의 수이고, NWC/binder는 기준선의 단위 길이당 탄화물/결합제 경계선의 수이다.
본 발명의 방법에 의한 열간 압연용 롤은 WC 입자를 여과하여 또는 여과하지 않고 제트 밀링하여 미세한 입자와 굵고 거친 입자를 제거한 균일한 입자 크기 분포를 갖는 입자를 제조한다. 양호하게는, 다음에 WC 분말을 상기 미국 특허 중 어느 하나에 의한 방법으로 Co 코팅을 한다. WC분말은 조심스럽게 습식 혼합되어서 원하는 최종의 합성물 및 프레싱제에 결합제 상을 형성하기 위한 분말을 갖는 슬러리가 된다. 또한, 굵고 거친 WC 입자가 침전되지 않게 하기 위해 스웨덴 특허 출원 제 9702154-7호에 의하여 성장제를 첨가한다. 밀링하지 않고, 즉 입자 크기의 감소가 발생하지 않고 균일한 혼합물이 얻어지도록 혼합될 것이다. 슬러리는 스프레이 건조법에 의해 건조된다. 스프레이로 건조된 분말로부터 롤은 표준 절차에 의해 프레스되고 소결된다.
[실시예 1]
158mm 및 65mm의 직경을 갖는 2세트의 열간 압연용 초경합금 롤을 제조하였다. 초경합금은 평균적으로 입자의 크기가 4.5㎛인 WC 입자 및, 60중량부의 코발트, 32중량부의 니켈 및 8중량부의 크롬을 갖는 13%의 결합제 상을 가졌다. 상기 두 재료의 경도는 약 1,000HV3이었다.
변형예 A : 원하는 합성물을 얻기 위해 소정 양의 WC, Co, Ni 및 Cr 분말을 밀링하고, 건조시키고, 프레스하고 소결하였다. 롤은 제1도에 도시한 미세 구조를 가졌다.
변형예 B : WC 분말을 제트 밀링하고 2 내지 9㎛ 크기로 분리하였다. 상기 WC 분말을 미국 특허 제5,505,902호에 개시되는 방법에 의해 코발트로 코팅하여 약 2중량부의 Co를 갖는 WC 분말을 제조하였다.
상기 분말은 원하는 최종 합성물 및 프레싱제를 얻기 위해 Co, Ni 및 Cr 분말을 밀링하지 않고 조심스럽게 혼합하였다. 건조후 분말을 압축시키고 소결하였다. 제2도에 도시된 미세 구조를 얻었다.
상기 두 변형예의 근접도의 결과는 다음과 같다.
두 변형예에 의한 테스트 바아로부터의 횡방향 파열 강도는 다음과 같다.
종래 기술에 의해 제조된 동일한 합성물 및 경도를 갖는 재료에 비교할 때, 본 발명에 의한 재료의 횡방향 파열 강도는 개선되었다는 것은 명백하다. 얻어진 값의 표준 편차도 더욱 좁았다. 이는 상기 재료가 보통 밀링의 루트에 의해 제조된 재료에 비교하여 더욱 좁은 성질을 갖는다는 것을 의미한다.
롤을 스테인레스 와이어(주로 그레이드 AISI 316 L)를 최종 직경 5,6mm로 압연하는 밀링에서 진행시켰다. 롤은 타원형 형상의 패스폼을 갖고 최종 블럭의 제1스탠드에 설치되었으며, 스톡 속도는 약 40m/s이고 감율은 20%이었다. 상기 특정 스탠드에서의 열간 스톡의 표면 온도는 약 950℃이었다.
결과 :
변형예 A : 1200톤을 진행한 후, 패스폼은 심한 열 크랙(제3도 참조)을 갖게 되며 모든 크랙을 제거하기 위해 0.6mm의 깊이를 재연마하였다.
형예 B : 1200톤을 진행한 후에는 열 크랙을 볼 수 없으며(제4도 참조) 보통의 마모만을 볼 수 있었다. 1800톤을 진행한 후에는 가벼운 열 크랙 패턴을 패스폼에서 볼 수 있고, 0.4mm의 깊이를 재연마하였다.
[발명의 효과]
제어된 소결 공정 덕분에 입자 크기 분포가 더욱 좁아지고 WC 입자가 매우 굵고 거칠기 때문에 크랙의 생성 및 전파에 대한 저항이 개선된다.

Claims (4)

  1. 결합제 상으로 70 내지 95중량부, 양호하게는 85 내지 94중량부의 WC를 포함하고 있으며, 상기 결합제 상은 코발트만 또는 선택적으로 20 내지 35중량부의 Ni과 10중량부까지의 Cr을 포함하고 소량의 Mo이 첨가될 수도 있는 Co-Ni-Cr 합금을 포함하는 열간 압연용 롤에 있어서, WC 입자는 둥근 형태이고 평균적으로 입자는 3 내지 10㎛, 양호하게는 4 내지 8㎛의 크기를 갖고 있으며, 최대 입자 크기는 평균 입자 크기의 2배를 초과해서는 안되며, 입자의 2%이상이 평균 입자 크기의 절반 이하여서는 안되는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 롤.
  2. 제1항에 있어서, 합성물은 32중량부의 Ni 및 8중량부의 Cr을 포함하는 Co 바탕의 결합제 상을 갖는 약 87%의 WC이고 크기가 4.5㎛이어야 한다. 근접도(C)가 다음 선형 분석식에 의해 결정되며 〉0.5인 것을 특징으로 하는 열간 압연용 롤.
    2·NWC/WC
    C = ---------＆#12316;---------＆#12316;-----
    2·NWC/WC＋NWC/binder
    상기 NWC/WC는 기준선의 단위 길이당 탄화물/탄화물 경계선의 수이고, NWC/binder는 기준선의 단위 길이당 탄화물/결합제 경계선의 수이다.
  3. 평균적으로 3 내지 10㎛입자 크기를 갖고 70 내지 95중량부의 WC를 포함하는 열간 압연용 롤의 제조법에 있어서, WC 입자를 여과하여 또는 여과하지 않고 제트 밀링하여 미세한 입자와 굵고 거친 입자를 제거한 균일한 입자 크기 분포를 갖는 입자를 제조하며, WC 분말은 습식 혼합되어서 원하는 최종의 합성물, 프레싱제 및 성장제를 얻기 위해 결합제 상을 형성하기 위한 분말을 갖는 슬러리가 되고 밀링하지 않고, 즉 입자 크기의 감소가 발생하지 않게 균일하게 혼합되며, 슬러리는 스프레이 건조법에 의해 건조되며, 표준 절차에 의해 프레스되고 소결되는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 롤의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 혼합하기 전에 Co로 WC 분말을 코팅하는 것을 특징으로 하는 열간 압연용 롤의 제조 방법.
    ※ 참고사항：최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.
KR1019970033117A 1996-07-19 1997-07-16 내열 크래킹 및 내마모성이 증가된 열간 압연용 롤 KR980008370A (ko)

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