KR20160060062A

KR20160060062A - 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤

Info

Publication number: KR20160060062A
Application number: KR1020167008302A
Authority: KR
Inventors: 도시유키 핫토리; 노조무 오다; 야스노리 노자키
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-05-27
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: BR112016004075B1; CN105579156A; US9718106B2; KR102219333B1; WO2015045984A1; EP3050636A4; EP3050636A1; EP3050636B1; US20160193638A1; JPWO2015045984A1; TWI616243B; TW201521895A; SI3050636T1; JP5950048B2; CN105579156B

Abstract

원심 주조법에 의해 형성된 외층(1)과, 덕타일 주철로 이루어지는 내층이 용착 일체화되어 이루어지고, 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 조성을 가지고, 또한 Cr/(Mo＋0.5W)<-2/3[C-0.2(V＋1.19Nb)]＋11/6로 표시되는 관계(단, W 및 Nb를 함유하지 않은 경우, W=0 및 Nb=0임)를 만족시키고, 면적율로 1∼15%의 MC 탄화물, 0.5∼20%의 탄소붕화물, 및 0.5∼20%의 Mo계 탄화물을 함유하는 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤이다.

Description

원심 주조제 열간 압연용 복합 롤{CENTRIFUGALLY CAST COMPOSITE ROLL FOR HOT ROLLING}

본 발명은, 내마모성, 내소부성(耐燒付性)(내사고성) 및 내표면거침성이 우수한 외층 및 인성이 우수한 내층을 가지는 복합 구조의 원심 주조제(鑄造製) 열간 압연용 복합 롤에 관한 것이다.

연속 주조 등으로 제조한 두께 수백㎜의 가열 슬래브(slab)는, 조압연기(粗壓延機) 및 마무리 압연기를 가지는 핫 스트립 밀에 의해 수∼수십㎜의 두께의 강판에 압연된다. 마무리 압연기는 통상, 5∼7 스탠드의 4중식 압연기를 직렬로 배치한 것이다. 7 스탠드의 마무리 압연기의 경우, 제1 스탠드로부터 제3 스탠드까지를 전단(前段) 스탠드라고 하고, 제4 스탠드로부터 제7 스탠드까지를 후단(後段) 스탠드라고 한다.

이와 같은 핫 스트립 밀에 사용되는 작업 롤은, 열간 박판과 접촉하는 외층과, 외층의 내면에 용착 일체화된 내층으로 이루어진다. 열간 박판에 접촉하는 외층은, 일정한 기간의 열간 압연에 의해 큰 열적(熱的) 및 기계적인 압연 부하를 받으므로, 표면에 마모, 표면거칠어짐, 열 균열 등의 손상이 생기는 것은 피할 수 없다. 외층으로부터 이들의 손상을 연삭 제거한 후, 작업 롤은 다시 압연에 제공된다. 롤 외층으로부터 손상부를 연삭 제거하는 것은 「개삭(改削)」이라고 불린다. 작업 롤은, 초기 직경으로부터 압연에 사용 가능한 최소 직경[폐각경(廢却徑)]까지 개삭된 후, 폐각된다. 초기 직경으로부터 폐각경까지를 압연 유효 직경이라고 한다. 압연 유효 직경 내의 외층은, 열 균열과 같은 큰 손상을 방지하기 위하여, 우수한 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성을 가지는 것이 바람직하다.

우수한 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성이 요구되는 핫 스트립 밀의 마무리 후단 스탠드용의 작업 롤로서, 종래부터 내사고성이 양호한 고합금 그레인 주철(grain cast iron)에 내마모성을 향상시키기 위해 Mo, V 등의 경질 탄화물 형성 원소를 첨가한 합금을 외층재로 한 복합 롤이 제안되어 있다. 예를 들면, 일본공개특허 제2004-82209호는, 외각층의 화학 성분이 질량비로, C: 3.0∼4.0%, Si: 0.8∼2.5%, Mn: 0.2∼1.2%, Ni: 3.0∼5.0%, Cr: 0.5∼2.5%, Mo: 0.1∼3.0%, V: 1.0∼5.0%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 축심(軸芯)부가 C: 2.5∼4.0%를 함유하는 보통 주철 또는 구형(球形) 흑연 주철로 형성되어 있고, 외각층의 두께(T)와 축심부의 반경(R)이 0.03≤T/R≤0.5의 관계를 만족시키는 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤을 제안하고 있다. 이 복합 롤은 양호한 내소부성 및 내마모성을 가진다. 그러나, 열간 압연용 복합 롤의 외층에는 더욱 높은 내마모성이 요구되도록 되었다.

높은 내마모성을 가지는 고속도강으로 이루어지는 외층을 가지는 열간 압연용 복합 롤도 제안되어 있다. 예를 들면, 열간 압연 마무리 전단에 사용되는 복합 롤의 외층재로서, 일본공개특허 평08-020837호는, 중량비로 C: 1.50∼3.50%, Si: 1.50% 이하, Mn: 1.20% 이하, Cr: 5.50∼12.00%, Mo: 2.00∼8.00%, V: 3.00∼10.00%, Nb: 0.60∼7.00%, B: 0.01 초과∼0.200% 이하, N: 0.08 초과∼0.300% 이하를 함유하고, 또한 하기 식 (1) 및 식 (2)를 만족시키고, V＋1.8Nb≤7.5C-6.0 …(1), 및 0.20≤Nb/V≤0.80 …(2), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 마찰 계수가 작은 고속도강계 압연용 롤 외층재를 개시하고 있다. B의 첨가에 의해 외층재의 내소부성은 향상되어 있지만, 열간 압연용 복합 롤의 외층에 요구되는 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성에 대해서는 아직 불충분하였다.

일본공개특허 제2005-264322호는, 외층과 내층이 용착 일체화되어 이루어지는 열간 압연용 복합 롤로서, 상기 외층이, 질량비로 C: 1.8∼3.5%, Si: 0.2∼2%, Mn: 0.2∼2%, Cr: 4∼15%, Mo: 2∼10%, V: 3∼10%, P: 0.1∼0.6%, 및 B: 0.05∼0.5%를 함유하고, 또한 Nb: 3% 이하, W: 5% 이하, Ni: 5% 이하, 및 Co: 2% 이하를 함유해도 되고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성(組成)을 가지는 내소부성이 우수한 열간 압연용 복합 롤을 개시하고 있다. 일본공개특허 제2005-264322호는, 0.03% 이하의 S를 함유해도 된다고 기재하고 있다. 그러나, 이 외층의 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성은 불충분했다.

일본공개특허 평10-008212호는, 적어도 롤의 외각층이, 중량비로 C: 1.5∼3%, Cr: 0.5∼5%, Mo: 0.5∼8%, V: 1∼8%, W: 1 초과∼8%, Nb: 0.1∼5% 및 B: 0.01∼1%를 함유하는 고탄소 고속도강으로 이루어지고, 조직 중에 입경이 15㎛ 이하이며 긴 직경/짧은 직경비가 2 이하의 MC형 탄화물을 5∼20 면적% 가지는 열간 압연용 롤을 개시하고 있다. S는 불가피한 불순물로 간주되고, 0.08% 이하이면 함유해도 된다고 기재되어 있다. 그러나, 일본공개특허 평10-008212호의 롤의 외각층에서는 충분한 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성을 얻을 수 없었다.

일본공개특허 소61-26758호는, 화학 조성이 중량비로, C: 1.0∼2.0.%, Si: 0.2∼2.0%, Mn: 0.5∼1.5%, Ni: 3.0% 이하, Cr: 2∼5%, Mo: 3∼10%, V: 4.0% 이하, 및 S: 0.1∼0.6%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지는 내소부성이 우수한 복합 롤 외층을 개시하고 있다. 그러나, 이 복합 롤 외층은 B를 전혀 함유하지 않으므로, 역시 충분한 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성을 갖지 않는다.

따라서 본 발명의 목적은, 내마모성, 내사고성 및 내표면거침성이 우수한 외층과, 강인한 내층을 가지는 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤을 제공하는 것이다.

본 발명의 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤은, 원심 주조법에 의해 형성된 외층과, 덕타일 주철로 이루어지는 내층이 용착 일체화되어 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 조성을 가지고, 또한 하기 식(1):

Cr/(Mo＋0.5W)< -2/3[C-0.2(V＋1.19Nb)]＋11/6 … (1)

로 표시되는 관계(단, 임의 성분인 W 및 Nb를 함유하지 않은 경우, W=0 및 Nb=0임)를 만족시키고, 면적율로 1∼15%의 MC 탄화물, 0.5∼20%의 탄소붕화물, 및 0.5∼20%의 Mo계 탄화물을 함유하는 것을 특징으로 한다.

상기 외층은 3 질량% 이하의 Nb 및 4 질량% 이하의 W를 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 외층은 0.05∼0.3 질량%의 S를 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 외층은 0.01∼0.07 질량%의 N을 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 외층은 질량 기준으로, Co: 5% 이하, Zr: 0.5% 이하, Ti: 0.5% 이하 및 Al: 0.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 일종을 더 함유하는 것이 바람직하다.

상기 외층은 하기 식(2):

30.23＋2.74×(MC 탄화물의 면적율)＋4.01×(Mo계 탄화물의 면적율)-5.63×(탄소붕화물의 면적율)≤50 … (2)

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

상기 외층은 500 이상의 비커스 경도(Vickers hardness) Hv를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤의 외층은, 0.01∼0.12%의 B를 함유하므로, 생성하는 탄소붕화물에 의해 내소부성이 향상되어 있다. 더욱이, 본 발명의 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤의 외층은 MC 탄화물에 의해 높은 내마모성을 가진다. 또한, 본 발명의 롤은, 내마모성이 뛰어나기 때문에 압연 부하에 대한 표면 손상이 적고, 또한 내소부성에도 우수하므로, 압연재가 소부, 부착되는 표면거칠어짐에 대해서도 우수한 특성을 가지고 있다. 이 결과, 압연 후의 롤 표면이 매끄럽고, 이로써, 압연되는 제품 품질도 양호한 것이 얻어진다. 높은 내마모성뿐 아니라, 우수한 내소부성 및 내표면거침성을 가지는 본 발명의 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤은, 핫 스트립 밀의 마무리 압연단에 사용하는 데 바람직하다.

도 1은 열간 압연용 복합 롤을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 원심 주조제 복합 롤의 제조에 사용하는 주형의 일례를 나타낸 분해 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 원심 주조제 복합 롤의 제조에 사용하는 주형의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 3은 Mo계 탄화물을 주체로 하는 공정 탄화물이 생성되는 영역을 나타낸 그래프이다.
도 4는 압연 마모 시험기를 나타낸 개략도이다.
도 5는 마찰열 충격 시험기를 나타낸 개략도이다.
도 6은 실시예 2의 시험편의 광학 현미경 사진 A다.
도 7은 실시예 2의 시험편의 광학 현미경 사진 B다.
도 8은 실시예 2의 시험편의 광학 현미경 사진 C다.
도 9는 실시예 2의 시험편의 광학 현미경 사진 D다.

본 발명의 실시 형태를 이하 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 각종 변경을 해도 된다. 특별히 언급이 없으면, 단지 「%」라고 기재하고 있을 때는 「질량%」를 의미한다.

[1] 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤

도 1은 원심 주조법에 의해 형성된 외층(1)과, 외층(1)에 용착 일체화된 내층(2)으로 이루어지는 열간 압연용 복합 롤(10)을 나타낸다. 덕타일 주철로 이루어지는 내층(2)은, 외층(1)에 용착한 동심부(胴芯部)(21)와, 동심부(21)의 양단으로부터 일체로 연장되는 축부(22, 23)를 가진다. 외층(1)은 고속도강으로 이루어지는 것이 바람직하다.

(A) 외층

(1) 필수 원소

(a) C: 1∼3 질량%

C는 V(Nb), Cr 및 Mo와 결합하여 경질의 탄화물을 생성하고, 내마모성의 향상에 기여한다. C가 1 질량% 미만에서는 내마모성에 기여하는 MC 탄화물의 정출(晶出)이 불충분하고, 또한 3 질량%를 넘으면 탄화물양이 과잉으로 되어 인성이 저하된다. C 함유량의 하한은 바람직하게는 1.4 질량%이다. 또한, C 함유량의 상한은 바람직하게는 2.9 질량%이며, 더욱 바람직하게는 2.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 2.3 질량%이다.

(b) Si: 0.4∼3 질량%

Si는 용탕의 탈산에 의해 산화물의 결함을 감소시키는 효과를 가진다. Si가 0.4 질량% 미만에서는 탈산 효과가 불충분하다. Si는 기지(基地)에 우선적으로 고용되는 원소이지만, 3 질량%를 넘으면 외층은 취화(脆化)된다. Si 함유량의 하한은 바람직하게는 0.45 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.5 질량%이다. 또한, Si 함유량의 상한은 바람직하게는 2.7 질량%이며, 더욱 바람직하게는 2.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 2.0 질량%이다.

(c) Mn: 0.3∼3 질량%

Mn은 용탕의 탈산 작용을 가지는 것 외에, S와 결합하여 윤활 작용을 가지는 MnS를 생성한다. Mn이 0.3 질량% 미만에서는 이들 효과는 불충분하다. 한편, Mn이 3 질량%를 넘어도 추가적인 효과는 얻을 수 없다. Mn 함유량의 하한은 바람직하게는 0.35 질량%이다. 또한, Mn 함유량의 상한은 바람직하게는 2.5 질량%이며, 더욱 바람직하게는 1.9 질량%이며, 가장 바람직하게는 1.7 질량%이다.

(d) Ni: 1∼5 질량%

Ni는 기지의 담금질성을 향상시키는 작용을 가지므로, 대형의 복합 롤의 경우에 Ni를 첨가하면, 냉각 중의 펄라이트(pearlite)의 발생을 방지하고, 외층의 경도를 향상시킬 수 있다. 그러나, Ni가 5 질량%를 넘으면 오스테나이트가 지나치게 안정화되어, 경도가 향상되기 어려워진다. Ni 함유량의 상한은 바람직하게는 4 질량%이며, 더욱 바람직하게는 3.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 3.5 질량%이다. 첨가 효과가 얻어지는 Ni 함유량의 하한은 1 질량%이며, 바람직하게는 1.2 질량%이다.

(e) Cr: 2∼7 질량%

Cr는 기지를 베이나이트 또는 마르텐사이트(martensite)로 하여 경도를 유지하고, 내마모성을 유지하는 데 유효한 원소이다. Cr이 2 질량% 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 또한 7 질량%를 넘으면 기지 조직이 취화된다. Cr의 함유량의 하한은 바람직하게는 2.5 질량%이며, 더욱 바람직하게는 3.0 질량%이다. 또한, Cr 함유량의 상한은 바람직하게는 6.8 질량%이며, 더욱 바람직하게는 6.5 질량%이다.

(f) Mo: 3∼8 질량%

Mo는 C와 결합하여 경질 탄화물(M₆C, M₂C)을 형성하고, 외층의 경도를 증가시킨다. 또한, Mo는 V(및 Nb)와 함께 강인하고 또한 경질인 MC 탄화물을 생성하고, 내마모성을 향상시킨다. Mo가 3 질량% 미만에서는 이들 효과는 불충분하다. 한편, Mo가 8 질량%를 넘으면 외층의 인성이 열화된다. Mo 함유량의 하한은 바람직하게는 3.5 질량%이며, 더욱 바람직하게는 4.0 질량%이다. 또한, Mo 함유량의 상한은 바람직하게는 7.8 질량%이며, 더욱 바람직하게는 7.6 질량%이며, 가장 바람직하게는 7.4 질량%이다.

(g) V: 3∼7 질량%

V는 C와 결합하여 경질의 MC 탄화물을 생성하는 원소이다. 이 MC 탄화물은 2500∼3000의 비커스 경도 Hv를 가지고, 탄화물 중에서 가장 경질이다. V가 3 질량% 미만에서는 MC 탄화물의 정출량이 불충분하다. 한편, V가 7 질량%를 넘으면, 비중이 가벼운 MC 탄화물이 원심 주조 중의 원심력에 의해 내면측에 농화하고, MC 탄화물의 반경 방향 편석이 현저해질 뿐 아니라, 외층이 내층과 용착 일체화되기 어려워진다. V 함유량의 하한은 바람직하게는 3.2 질량%이며, 더욱 바람직하게는 3.5 질량%이다. 또한, V 함유량의 상한은 바람직하게는 6.9 질량%이며, 더욱 바람직하게는 6.8 질량%이며, 가장 바람직하게는 6.7 질량%이다.

(h) B: 0.01∼0.12 질량%

B는 윤활 작용을 가지는 탄소붕화물을 형성한다. 탄소붕화물은 금속 원소, 탄소 및 붕소를 포함하는 상(相)이며, 전형적으로는 50∼80 질량%의 Fe, 5∼17 질량%의 Cr, 0.5∼2 질량%의 V, 5∼17 질량%의 Mo＋W, 3∼9 질량%의 C, 및 1∼2.5 질량%의 B를 주성분으로 한다. 탄소붕화물은 미량 성분으로서 Si, Mn, Ni 및 Nb를 함유해도 된다.

탄소붕화물의 윤활 작용은 특히 고온에서 현저하게 발휘되므로, 열간 압연재의 물릴 때의 소부 방지에 효과적이다. 유효한 윤활 작용을 발휘하게 하기 위해서는, 탄소붕화물의 면적율은 1∼20%이다. B가 0.01 질량% 미만에서는 상기 면적율 범위의 탄소붕화물이 형성되지 않는다. 한편, B가 0.12 질량%를 넘으면 외층이 취화된다. B 함유량의 하한은 바람직하게는 0.02 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.03 질량%이다. 또한, B 함유량의 상한은 바람직하게는 0.1 질량%이다.

(2) 임의 원소

(a) Nb: 3 질량% 이하

V와 마찬가지로, Nb도 C와 결합하여 경질 MC 탄화물을 생성한다. Nb는 V 및 Mo와의 복합 첨가에 의하여, MC 탄화물에 고용되어 MC 탄화물을 강화하고, 외층의 내마모성을 향상시킨다. NbC는 VC보다 용탕 밀도와의 차가 작으므로, MC 탄화물의 편석을 경감시킨다. Nb가 3 질량%를 넘으면 MC 탄화물이 응집하여, 건전한 외층을 얻기 어려워진다. 외층의 내마모성 향상 효과를 얻는 데에는, NB 함유량의 하한은 0.1 질량%가 바람직하다. NB 함유량의 상한은 바람직하게는 2.8 질량%이며, 더욱 바람직하게는 2.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 2.3 질량%이다.

(b) W: 4 질량% 이하

W는 C와 결합하여 경질의 M₆C 및 M₂C의 탄화물을 생성하고, 외층의 내마모성 향상에 기여한다. 또한, MC 탄화물에도 고용되어 그 비중을 증가시키고, 편석을 경감시키는 작용을 가진다. 그러나, W가 4 질량%를 넘으면, 용탕의 비중을 무겁게 하기 때문에, 탄화물 편석이 발생하기 쉬워진다. 따라서, W를 첨가하는 경우에는, 그 바람직한 함유량은 4 질량% 이하이다. W 함유량의 상한은 더욱 바람직하게는 3.5 질량%이며, 가장 바람직하게는 3 질량%이다. 또한, 상기 첨가 효과를 얻는 위해서는, W 함유량의 하한은 더욱 바람직하게는 0.1 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.2 질량%이다.

(c) S: 0.05∼0.3 질량%

S는 윤활 작용을 가지는 MnS를 형성하지만, 0.3 질량%를 넘으면 외층의 취화가 일어난다. 충분한 MnS의 윤활 작용을 얻는 데에는, S 함유량의 상한은 바람직하게는 0.2 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.15 질량%이다.

(d) N: 0.01∼0.07 질량%

N는 탄화물을 미세화하는 효과를 갖지만, 0.07 질량%를 넘으면 외층이 취화된다. 충분한 탄화물 미세화 효과를 얻는 데에는, N 함유량의 하한은 바람직하게는 0.01 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.015 질량%이다. 또한, N 함유량의 상한은 더욱 바람직하게는 0.06 질량%이다.

(e) Co: 5 질량% 이하

Co는 기지 조직의 강화에 유효한 원소이지만, 5 질량%를 넘으면 외층의 인성을 저하시킨다. 충분한 기지 조직 강화 효과를 얻는 데에는, Co 함유량의 하한은 0.1 질량%가 바람직하다. Co 함유량의 상한은 더욱 바람직하게는 3 질량%이다.

(f) Zr: 0.5 질량% 이하

Zr은 C와 결합하여 MC 탄화물을 생성하고, 내마모성을 향상시킨다. 또한, Zr은 용탕 중에서 산화물을 생성하고, 이 산화물이 결정핵으로서 작용하므로, 응고 조직이 미세하게 된다. 또한, Zr은 MC 탄화물의 비중을 증가시키고, 편석 방지에 효과가 있다. 그러나, Zr이 0.5 질량%를 넘으면, 개재물로 되므로 바람직하지 않다. Zr 함유량의 상한은 더욱 바람직하게는 0.3 질량%이다. 또한, 충분한 첨가 효과를 얻기 위해서는, Zr의 함유량의 하한은 더욱 바람직하게는 0.01 질량%이다.

(g) Ti: 0.5 질량% 이하

Ti는 N 및 O와 결합하여 산질화물을 형성한다. 이들이 용탕 중에 현탁되어 핵으로 되고, MC 탄화물을 미세화 및 균질화한다. 그러나, Ti가 0.5 질량%를 넘으면, 용탕의 점성이 증가하고, 주조 결함이 발생하기 쉬워진다. 충분한 첨가 효과를 얻는 데에는, Ti 함유량의 하한은 0.005 질량%가 바람직하고, 0.01 질량%가 더욱 바람직하다. 또한 Ti 함유량의 상한은 더욱 바람직하게는 0.3 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.2 질량%이다.

(h) Al: 0.5 질량% 이하

Al은, 흑연화 저해 원소인 N 및 O와 결합해 산질화물을 형성한다. 이들이 용탕 중에 현탁되어 핵으로 되고, MC 탄화물을 미세 균일하게 정출시킨다. 그러나, Al이 0.5 질량%를 넘으면, 외층이 부서지기 쉬워져 기계적 성질의 열화를 초래한다. 충분한 첨가 효과를 얻는 데에는, Al 함유량의 하한은 바람직하게는 0.001 질량%이며, 더욱 바람직하게는 0.01 질량%이다. 또한, Al 함유량의 상한은 더욱 바람직하게는 0.3 질량%이며, 가장 바람직하게는 0.2 질량%이다.

(3) 불가피한 불순물

외층의 조성의 잔부는 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 불가피한 불순물 중, P는 기계적 성질의 열화를 초래하므로, 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, P의 함유량은 0.1 질량% 이하가 바람직하다. 그 외의 불가피한 불순물로서, Cu, Sb, Te, Ce 등의 원소는 합계로 0.7 질량% 이하이면 된다.

(4) 관계식

외층은 하기 식(1):

Cr/(Mo＋0.5W)< -2/3[C-0.2(V＋1.19Nb)]＋11/6 … (1)

[단, C, Cr, Mo, V, Nb 및 W의 기호는 그들에 의해 나타내어지는 원소의 함유량(질량%)을 나타내고, 임의 성분인 Nb 및 W를 함유하지 않는 경우 Nb 및 W는 0임]로 표시되는 관계를 만족시키는 것을 특징으로 한다. 식(1)은 이들의 성분을 함유하는 강재의 조직을 조사한 결과 얻어진 것이다. 식(1)의 좌변의 Cr/(Mo＋0.5W)은 Cr계 탄화물 형성 원소와 Mo계 탄화물 형성 원소의 비율을 나타내고, 우변의 [C-0.2(V＋1.19Nb)]는 C 밸런스를 나타낸다. 하기 식(1'):

Cr/(Mo＋0.5W)=-2/3[C-0.2(V＋1.19Nb)]＋11/6 … (1')

은 도 3에 있어서 직선(A)에 의해 나타내어지고, 직선(A)보다 아래의 영역(선상을 포함하지 않음)은 Mo계 탄화물을 주체로 하는 공정(共晶) 탄화물이 생성되는 영역이며, 직선(A)보다 위의 영역(선상을 포함함)은 Cr계 탄화물을 주체로 하는 공정 탄화물이 생성되는 영역이다. 따라서, 식(1)은, 도 3에 있어서 직선(A)보다 아래의 Mo계 탄화물을 주체로 하는 공정 탄화물이 생성되는 영역을 나타낸다. 직선(A)보다 아래의 Mo계 탄화물을 주체로 하는 공정 탄화물이 생성되는 영역은, 일반적으로 직선(A)보다 위의 Cr계 탄화물을 주체로 하는 공정 탄화물이 생성되는 영역에 비해 내마모성이 양호하다고 말할 수 있다.

(5) 조직

외층의 조직은, MC 탄화물, M₂C나 M₆C의 Mo를 주체로 하는 탄화물(Mo계 탄화물), 및 탄소붕화물을 함유한다. 분석의 결과, 탄소붕화물은 M₂₃(C, B)₆의 조성을 갖는다고 고려된다. 외층(1)의 조직은 그 외에, 근소한 양의 M₇C₃나 M₂₃C₆의 Cr을 주체로 하는 탄화물(Cr계 탄화물)을 함유한다.

외층은 면적율로 1∼15%의 MC 탄화물을 함유한다. 내마모성에 기여하는 MC 탄화물의 면적율이 1% 미만에서는 외층(1)은 충분한 내마모성을 갖지 않는다. 한편, MC 탄화물의 면적율이 15%를 넘으면, 외층(1)은 취화된다. MC 탄화물의 면적율의 하한은 바람직하게는 4%이며, MC 탄화물의 면적율의 상한은 바람직하게는 12%이다.

외층은 면적율로 0.5∼20%의 탄소붕화물을 함유하고, 그 윤활 작용에 의해 우수한 내소부성을 나타낸다. 탄소붕화물의 면적율의 하한은 바람직하게는 1%이며, 더욱 바람직하게는 2%이다. 또한, 탄소붕화물의 면적율의 상한은 바람직하게는 15%이며, 더욱 바람직하게는 10%이다.

외층은 또한 면적율로 0.5∼20%의 Mo계 탄화물을 함유하고, 내마모성의 향상에 기여한다. Mo계 탄화물의 면적율의 하한은 바람직하게는 1%이며, Mo계 탄화물의 면적율의 상한은 바람직하게는 12%이다. 기지는 마르텐사이트 및/또는 베이나이트가 주체이지만, 트루스타이트가 석출되는 경우도 있다.

외층은 하기 식(2):

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다. 식(2)는, 각 조직 요소의 내소부성에 대한 영향으로부터 실험적으로 구한 것이다. MC 탄화물의 면적율, Mo계 탄화물의 면적율 및 탄소붕화물의 면적율이 식(2)의 관계를 만족시킴으로써, 내소부성이 우수한 외층(1)이 얻어진다. 외층(1)의 비커스 경도 Hv는 500 이상이 바람직하고, 550∼800가 더욱 바람직하다.

(B) 내층

내층(2)은 고강도의 덕타일 주철(「구형 흑연 주철」이라고도 불림)로 이루어진다. 외층(1)의 장수명화에 따라, 내층(2)의 저널부(축부)(22, 23)의 수명도 길게 하기 위하여, 높은 내마모성을 가지는 것이 바람직하다. 저널부의 마모에 의해 베어링과의 사이의 틈새(clearance)가 커지면, 복합 롤(10)을 폐각하지 않을 수 없다. 고내마모성의 저널부를 제공하므로, 내층(2)의 덕타일 주철은 35% 이하의 페라이트(ferrite) 면적율을 가지는 것이 바람직하다. 덕타일 주철에서는, 구형 흑연의 정출에 의해 그 주위의 탄소량이 저하되고, 저경도의 페라이트 조직으로 되기 쉽다. 페라이트 면적율이 높아질수록 기지의 경도는 저하되고, 따라서 내마모성이 저하된다. 내층(2)용의 덕타일 주철의 페라이트 면적율은 바람직하게는 32% 이하이다.

덕타일 주철의 페라이트 면적율은, 합금 원소의 양에 영향을 받는다. 페라이트 면적율이 35% 이하로 되는 덕타일 주철의 조성은, 질량 기준으로 C: 2.3∼3.6%, Si: 1.5∼3.5%, Mn: 0.2∼2.0%, Ni: 0.3∼2.5%, Cr: 0.05∼1.0%, Mo: 0.05∼1.0%, Mg: 0.01∼0.08%, 및 V: 0.05∼1.0%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물이다. 상기 필수 원소 외에, Nb: 0.7% 이하, 및 W: 0.7% 이하를 함유해도 된다. 또한, 페라이트 면적율을 저하시키기 위하여, P는 통상 불순물 원소로서 0.005∼0.05% 정도 덕타일 주철에 들어가 있지만, 페라이트 면적율을 저하시키기 위하여 0.5%까지 첨가해도 된다. 덕타일 주철은, 철 기지가 페라이트 및 펄라이트를 주체로 하고, 그 외에 흑연 및 미량의 세멘타이트(cementite)를 포함한다.

[2] 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤의 제조 방법

도 2a 및 도 2b는, 원심 주조용 원통형 주형(30)으로 외층(1)을 원심 주조한 후에 내층(2)을 주조하는 데 사용하는 정치 주조용 주형의 일례를 나타낸다. 정치 주조용 주형(100)은, 내면에 외층(1)을 가지는 원통형 주형(30)과, 그 상하단에 설치된 상형(40) 및 하형(50)으로 이루어진다. 원통형 주형(30) 내의 외층(1)의 내면은 내층(2)의 동심부(21)를 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 사용하는 원심 주조법은 수평형, 경사형 또는 수직형 중 어느 하나여도 된다.

원통형 주형(30)의 상하로 상형(40) 및 하형(50)을 조립하면, 외층(1) 내의 캐비티(60a)는 상형(40)의 캐비티(60b) 및 하형(50)의 캐비티(60c)와 연통하고, 내층(1) 전체를 일체로 형성하는 캐비티(60)를 구성한다. 원통형 주형(30) 내의 도면부호 32 및 도면부호 33은 사형이다. 또한, 상형(40) 내의 도면부호 42 및 하형(50) 내의 도면부호 52는 각각 사형이다. 그리고, 하형(50)에는 내층용 용탕을 유지하기 위한 바닥판(53)이 설치되어 있다. 축부(22) 형성용의 하형(50)의 위에, 외층(1)을 원심 주조한 원통형 주형(30)을 기립시켜 설치하고, 원통형 주형(30)의 위에 축부(23) 형성용의 상형(40)을 설치하여, 내층(2) 형성용의 정치 주조용 주형(100)을 구성한다.

정치 주조용 주형(100)에 있어서, 원심 주조법에 의해 형성한 외층의 응고 도중 또는 응고 후에, 내층(2)용의 덕타일 주철 용탕이 상형(40)의 위쪽 개구부(43)로부터 캐비티(60) 내에 주입됨에 따라, 캐비티(60) 내의 용탕의 탕면은 하형(50)으로부터 상형(40)까지 점차로 상승하고, 축부(22), 동심부(21) 및 축부(23)로 이루어지는 내층(2)이 일체로 주조된다.

원심 주조법으로 외층을 형성한 후에 내층용의 용탕을 주입하면, 내층용 용탕의 영향으로 외층(1)의 온도가 상승한다. 그 때의 외층(1)의 사용 영역의 온도를 외층(1)의 재가열 온도라고 한다. B를 함유하는 외층(1)에는 비교적 저융점(약 1100℃)의 탄소붕화물이 생성되고 있지만, 재가열 온도가 1100℃를 초과할 만큼 높으면, 탄소붕화물이 녹아 마이크로캐비티 결함이 발생한다. 반대로, 외층(1)의 재가열 온도가 지나치게 낮으면[내층(2)의 캐스팅(casting) 온도가 지나치게 낮음], 외층(1)과 내층(2)의 용착이 불충분해진다. 따라서, 외층(1)의 사용 영역의 재가열 온도를 500℃∼1100℃로 하는 것이 바람직하다. 이 조건은 적어도 외층(1)의 압연 유효 직경 내에서 만족시키고 있으면 된다.

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

실시예 1∼7, 비교예 1 및 2

도 2a에 나타낸 구조의 원통형 주형(30)[내경(內徑) 800㎜, 및 길이 2500㎜]을 수평형의 원심 주조기에 설치하고, 표 1에 나타낸 조성의 각 용탕을 사용하여 외층(1)을 원심 주조하였다. 외층(1)이 응고된 후, 내면에 외층(1)(두께: 90㎜)이 형성된 원통형 주형(30)을 기립시키고, 축부(22) 형성용의 중공형 하형(50)(내경 600㎜, 및 길이 1500㎜)의 위에 원통형 주형(30)을 세워 설치하고, 원통형 주형(30)의 위에 축부(23) 형성용의 중공형 상형(40)(내경 600㎜, 및 길이 2000㎜)을 세워 설치하고, 도 2b에 나타낸 정치 주조용 주형(100)을 구성하였다.

정치 주조용 주형(100)의 캐비티(60)에, 질량 기준으로 C: 3.0%, Si: 2.6%, Mn: 0.3%, Ni: 1.4%, Cr: 0.1%, Mo: 0.2%, Mg: 0.05%, P: 0.03%, 및 S: 0.03%를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물인 화학 조성을 가지는 덕타일 주철 용탕을 위쪽 개구부(43)로부터 주탕하고, 도중에 Si를 포함하는 흑연화 접종재(inoculating agent)를 접종하여, 외층(1)의 내면에 내층(2)이 일체로 용착한 복합 롤을 제조하였다.

[표 1-1]

[표 1-2]

주: 「-」은 「첨가하지 않음」을 의미함

[표 1-3]

주: (1) Cr/(Mo＋0.5W)의 값

(2) -2/3[C-0.2(V＋1.19Nb)]＋11/6의 값

각 실시예 및 각 비교예의 외층으로부터 잘라낸 각 시료의 비커스 경도 Hv를 측정하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

각 실시예 및 각 비교예의 외층으로부터 잘라낸 시험편에 대하여, 하기의 순서에 따라 광학 현미경에 의해 조직 관찰을 행하였다.

공정 1 : 각 시험편을 탄화물이 들뜨지 않도록 경면 연마하였다.

공정 2 : 각 시험편을 무라카미 시약(Murakami’s reagent)으로 약 30초간 부식한 후, 각 시험편의 조직의 광학 현미경 사진 A를 촬영하였다.

공정 3 : 각 시험편을 평균 입경 3㎛의 다이아몬드 미립자의 페이스트를 사용하여 10∼30초간 버프(buffing) 연마하였다.

공정 4: 공정 2의 사진과 같은 시야에서 각 시험편의 조직의 광학 현미경 사진 B를 촬영하였다.

공정 5 : 각 시험편을 크롬산 전해 부식으로 약 1분간 부식한 후, 공정 2의 사진과 같은 시야에서 각 시험편의 조직의 광학 현미경 사진 C를 촬영하였다.

공정 6 : 각 시험편을 과황산암모늄 수용액으로 약 1분간 부식하였다.

공정 7 : 공정 2의 사진과 같은 시야에서 각 시험편의 조직의 광학 현미경 사진 D를 촬영하였다.

실시예 2의 시험편에 대하여, 광학 현미경 사진 A를 도 6에 나타내고, 광학 현미경 사진 B를 도 7에 나타내고, 광학 현미경 사진 C를 도 8에 나타내고, 광학 현미경 사진 D를 도 9에 나타낸다. 사진 A∼D로부터 측정 가능한 조직 요소를 표 2에 ○로 나타낸다.

[표 2]

화상 해석 소프트를 이용하여, 각각의 사진으로부터 하기 방법에 의해 MC 탄화물, Mo계 탄화물 및 탄소붕화물의 면적율을 구하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

(1) 광학 현미경 사진 A에 있어서 검은 부분은 Mo계 탄화물 및 Cr계 탄화물이므로, 사진 A로부터 Mo계 탄화물＋Cr계 탄화물의 면적율을 구하였다.

(2) 광학 현미경 사진 B에 있어서 검은 부분은 Mo계 탄화물이므로, 사진 B로부터 Mo계 탄화물의 면적율을 구하였다. 사진 A로부터 구한 Mo계 탄화물＋Cr계 탄화물의 면적율로부터, 사진 B로부터 구한 Mo계 탄화물의 면적율을 빼는 것에 의하여, Cr계 탄화물의 면적율을 구하였다.

(3) 광학 현미경 사진 C에 있어서 검은 부분은 MC 탄화물 및 Mo계 탄화물이므로, 사진 C로부터 MC 탄화물＋Mo계 탄화물의 면적율을 구하였다. 사진 C로부터 구한 MC 탄화물＋Mo계 탄화물의 면적율로부터, 사진 B로부터 구한 Mo계 탄화물의 면적율을 빼는 것에 의하여, MC 탄화물의 면적율을 구하였다.

(4) 광학 현미경 사진 D에 있어서 검은 부분은 기지, MC 탄화물 및 Mo계 탄화물이며, 흰 부분은 탄소붕화물 및 Cr계 탄화물이므로, 사진 D에서 구한 탄소붕화물＋Cr계 탄화물의 면적율로부터 상기 (2)에서 구한 Cr계 탄화물의 면적율을 빼는 것에 의하여, 탄소붕화물의 면적율을 구하였다.

[표 3]

주: 식(2)의 좌변=30.23＋2.74×(MC 탄화물의 면적율)＋4.01×(Mo계 탄화물의 면적율)-5.63×(탄소붕화물의 면적율)

실시예 1∼실시예 7의 외층 조직을 관찰한 결과, 압연 유효 직경 내에 마이크로캐비티는 인지되지 않았다. 내층의 캐스팅에 의해 외층이 1100℃ 초과로 재가열되면 저융점의 탄소붕화물의 용융에 의해 마이크로캐비티가 발생하므로, 이상의 관찰 결과로부터, 압연 유효 직경 내에서의 외층의 재가열 온도가 1100℃ 이하였다고 추정할 수 있다.

실시예 2의 외층 조직 중에 존재하는 탄소붕화물을, 전계 방출형 전자선 마이크로애널라이저(FE-EPMA)로 분석한 결과, 탄소붕화물은 66.2 질량%의 Fe, 12.8 질량%의 Cr, 1.2 질량%의 V, 13.3 질량%의 Mo＋W, 3.6 질량%의 C, 및 1.7 질량%의 B를 주성분으로 하는 조성을 가지는 것을 알았다.

실시예 1∼실시예 7 및 비교예 1 및 비교예 2의 각 외층용 용탕을 사용하여, 외경 60㎜, 내경 40㎜ 및 폭 40㎜의 슬리브 구조의 시험용 롤을 제작하였다. 내마모성을 평가하기 위하여, 도 4에 나타낸 압연 마모 시험기를 사용하여, 각 시험용 롤에 대하여 마모 시험을 행하였다. 압연 마모 시험기는, 압연기(11)와, 압연기(11)에 조립된 시험용 롤(12, 13)과, 압연재(18)를 예열하는 가열로(14)와, 압연재(18)를 냉각하는 냉각 수조(15)와, 압연 중에 일정한 장력을 부여하는 권취기(16)와, 장력을 조절하는 컨트롤러(17)를 구비한다. 압연 마모 조건은 이하와 같았다. 압연 후, 시험용 롤의 표면에 생긴 마모의 깊이를 촉침식 표면 조도계에 의해 측정하였다. 결과를 표 4에 나타낸다.

압연재: SUS304

압하율: 25%

압연 속도: 150m/분

압연재 온도: 900℃

압연 거리: 300m/회

롤 냉각: 수냉

롤 수: 4중식

내사고성을 평가하기 위하여, 도 5에 나타낸 마찰열 충격 시험기를 사용하여, 각 시험용 롤에 대하여 소부 시험을 행하였다. 마찰열 충격 시험기는, 랙(rack)(71)에 추(72)를 낙하시킴으로써 피니언(73)을 회동(回動)시키고, 시험재(74)에 물림 부재(member to be bitten)(75)를 강하게 접촉시키는 것이다. 소성의 정도를 소성 면적율에 의해 이하와 같이 평가하였다. 결과를 표 4에 나타낸다. 소성이 적을수록 내사고성이 좋다.

○ : 소성 거의 없음(소성 면적율이 40% 미만)

△ : 약간의 소성 있음(소성 면적율이 40% 이상 60% 미만)

× : 현저한 소성 있음(소성 면적율이 60% 이상)

[표 4]

10: 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤
1: 외층
2: 내층
21: 동심부
22, 23: 축부
11: 압연기
12, 13: 시험용 롤
14: 가열로
15: 냉각 수조
16: 권취기
17: 컨트롤러
18: 압연재
100: 정치 주조용 주형
30: 원심 주조용 원통형 주형
32, 33, 42, 52: 사형
40: 정치 주조용 상형
50: 정치 주조용 하형
60, 60a, 60b, 60c: 캐비티
71: 랙
72: 추
73: 피니언
74: 시험재
75: 물림 부재

Claims

원심 주조법에 의해 형성된 외층과, 덕타일 주철로 이루어지는 내층이 용착 일체화되어 이루어지는 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤로서,
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 조성을 가지고,
또한, 하기 식(1):
Cr/(Mo＋0.5W)< -2/3[C-0.2(V＋1.19Nb)]＋11/6 … (1)
로 표시되는 관계(단, 임의 성분인 W 및 Nb를 함유하지 않은 경우, W=0 및 Nb=0임)를 만족시키고, 면적율로 1∼15%의 MC 탄화물, 0.5∼20%의 탄소붕화물, 및 0.5∼20%의 Mo계 탄화물
을 함유하는 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤.
제1항에 있어서,
상기 외층이 3 질량% 이하의 Nb 및 4 질량% 이하의 W를 더 함유하는, 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 외층이 0.05∼0.3 질량%의 S를 더 함유하는, 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외층이 0.01∼0.07 질량%의 N을 더 함유하는, 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외층이 질량 기준으로, Co: 5% 이하, Zr: 0.5% 이하, Ti: 0.5% 이하 및 Al: 0.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 일종을 더 함유하는, 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외층이 하기 식(2):
30.23＋2.74×(MC 탄화물의 면적율)＋4.01×(Mo계 탄화물의 면적율)-5.63×(탄소붕화물의 면적율)≤50 … (2)
의 관계를 만족시키는, 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외층이 500 이상의 비커스 경도 Hv를 가지는, 원심 주조제 열간 압연용 복합 롤.