[논문]내사고성이 우수한 냉간 압연용 단강 Roll 재질 개발

박세용; 이정훈; 원종철; 이우동; 윤종호; 박영철

내사고성이 우수한 냉간 압연용 단강 Roll 재질 개발
An Improved Alloy for Forged Rolls for Cold Rolling 원문보기

박세용 (주단소재기술팀, 주단BG, 두산중공업) , 이정훈 (주단소재기술팀, 주단BG, 두산중공업) , 원종철 (주단소재기술팀, 주단BG, 두산중공업) , 이우동 (주단소재기술팀, 주단BG, 두산중공업) , 윤종호 (주단소재기술팀, 주단BG, 두산중공업) , 박영철 (주단기술고도화팀, 주단BG, 두산중공업)

The process of cold rolling is becoming more severe with the increase in the production of high tensile steel strip as a result of increased demand. Consequently, there is a need to develop work roll materials with better resistance to wear and roll failure. DOOSAN has developed an improved in-house 5%Cr alloy, New HSR1, with properties superior to the existing in- house 5%Cr alloy, Old HSR1. Test alloys were designed with controlled amounts of Si and Mn based on Old HSR1 and an optimum alloy was chosen based on thermal shock tests. A prototype work roll was manufactured with New HSR1, and properties of test specimens were evaluated. The results indicated that New HSR1 has better properties than Old HSR1. After application of New HSR1 work rolls, productivity increased due to advanced resistance to wear and roll failure.

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문제 정의

그런데, 경도가 증가할수록 내마모성이 증가하는 반면 Klc 값은 감소하므로 내마모성과 내사고성은 서로 모순되는 성질을 지닌다. 내마모성 및 내사고성을 동시에 향상시키기 위해 화학 성분을 조정하고 열처리시 온도 조건을 변화하여 최적의 조건을 찾고자 하였다.
본 논문에서는 변화하는 압연 공정에 맞추어 내마모성 및 내사고성이 개선된 5%Cr 단강 Work Roll 재질의 개발과정 및 그 특성에 대해 설명하고 더불어 고객의 편의성을 돕고자 당사 Roll 의특성을 소개하고자 한다.

제안 방법

1) 변화하는 압연 조건에 대응하여 내마모성 및 내사고성이 우수한 재질 (N_HSR1) 을개발하였다.
A, B, C Test Alloy는 Mn 양을 일정하게 하고 Si 양을 조절하였고, D, E, F Test Alloy는 Si 양을 일정하게 하고 Mn 양을 조절하였다.
Sub- Zero 처리 없이 120°C, 180°C, 28(广C에서 3시간동안 템퍼링을 한 후 경도를 측정하여 경도편차 여부를 확인하고 열충격 시험기를 이용하여 5kg의 부하에서 15초간 열충격을 가한 후 냉각수(상온)로냉각하였다. Crack 깊이의 재현성을 위해 한 강종마다 4개의 시편을 만들어 유사한 경도를 얻은후 열충격을 실시하였다.
N_HSR1 Work Roll 을 실조업에 적용하여 O HSR1 Work Roll 및 타사 제품의 사용 실적 (Ton/mm)을 비 교하였다.(Fig 14) A, B 는 N_HSR1 으로 제작된 Work Roll 의 생산량을 나타낸 것이며, C 는 경 쟁사, D 는 O一HSR1 의 경 우를 의 미 한다.
Sub- Zero 처리 없이 120°C, 180°C, 28(广C에서 3시간동안 템퍼링을 한 후 경도를 측정하여 경도편차 여부를 확인하고 열충격 시험기를 이용하여 5kg의 부하에서 15초간 열충격을 가한 후 냉각수(상온)로냉각하였다. Crack 깊이의 재현성을 위해 한 강종마다 4개의 시편을 만들어 유사한 경도를 얻은후 열충격을 실시하였다.
Test Alloy로 열충격 시편을 제작하여 오스테나이트 온도에서 90분간 유지후 퀜칭을 하였다. Sub- Zero 처리 없이 120°C, 180°C, 28(广C에서 3시간동안 템퍼링을 한 후 경도를 측정하여 경도편차 여부를 확인하고 열충격 시험기를 이용하여 5kg의 부하에서 15초간 열충격을 가한 후 냉각수(상온)로냉각하였다.
예상된다.[1] 이에 대응하여 Work Roll 재질개선의 필요성이 제기되고 기존 5%Cr Work Roll의 재질인 HSR1 의 개선이 이루어졌다. 기존 HSR](이하 O_HSR1)에서 개선된 HSR1(이하 N_HSR1)은 압연조건의 악화에 대응하기 위해 내마모성과 내사고성을 향상시키는 방향으로 개발되었다.
강종 A(N_HSR1)를 이용하여 Work Roll을 제작하여 기존 O_HSR1 Work Roll과 특성별로 비교하여 평가하였다.
내마모성 및 내사고성 증가를 위해 고용 강화에 효과적인 Si와 Mn의 함량을 조정하여 합금을 설계하였다. 열충격 저항성을 예측하고자 Sub- Zero온도를 변화시켜 템퍼링 수축시작온도를 측정 하였다.
시편을 1000 °C 까지 17 °C/sec 의 속도로 가열하고 100 °C/sec 로 냉각하여 선팽창량을 측정하였으며 가열시 템퍼링 수축 거동을 관찰하였다.
후 절단면을 연마하였다. 연마면에 나타난 Crack 깊이를 마이크로미터로 측정하여 최대 깊이의 Crack 을 기록하고 4개의 시험편에서 최대 Crack 깊이를 평균하여 최대 Crack 깊이를 측정하였다.
열충격 저항성을 예측하고자 Sub- Zero온도를 변화시켜 템퍼링 수축시작온도를 측정 하였다. 최종적으로 카바이드 분율, 크기 측정 및열충격 실험을 통하여 최적의 합금을 선정하였다.
오스테나이트 온도에서 10분간 유지한 후 퀜칭한 시편을 상온, -40 °C, -60 °C, -80 °C, -100 °C, - 120 °C의 온도에서 Sub-Zero[3] 및 템퍼링을 하였다. 시편을 1000 °C 까지 17 °C/sec 의 속도로 가열하고 100 °C/sec 로 냉각하여 선팽창량을 측정하였으며 가열시 템퍼링 수축 거동을 관찰하였다.
열충격 저항성을 예측하고자 Sub- Zero온도를 변화시켜 템퍼링 수축시작온도를 측정 하였다. 최종적으로 카바이드 분율, 크기 측정 및열충격 실험을 통하여 최적의 합금을 선정하였다.
템퍼링 온도를 12O°C, 180°C, 280°C로 설정하고 Mn 함량이 일정할 때 Si 함량이 최대 Crack 깊이에 미치는 영향을 측정 하였다. (Fig 6)

대상 데이터

O_HSR1 의 화학성분에서 Si 와 Mn의 양을 조절하여 총 6개의 Test Alloy를 만들어 실험에 사용하였다.

성능/효과

2) 템퍼링 수축온도는 Mn 함량에 관계없이 Si 함량에 따라 비례적으로 증가하였으며, Si 함량이 낮을수록 Sub-Zero 온도와의 상관관계는 발견되지 않았다.
3) NHSR1 재질은 오스테나이트 온도에서 퀜칭시 경도는 HRc 67.5 (HS 99), 잔류 오스테나이트가 5%이하이며 표면에서깊이 e80mm 까지 펄라이트 조직이생성되지 않았다. 카바이드 평균 크기는 0.
4) NHSR1 Work Roll 의 표면에서 깊이 4>80mm까지 경도저하는 HsD 4에 불과하며 미세하고 균일한 결정립이 관찰된다.
5) N HSR1 Work Roll은 기존에 비해 열충격 저항성 및 파괴 인성이 향상되었으며, 실조업시 생산성 또한 우수하다고판단된다.
N HSR1 Work Roll 과 O HSR1 Work Roll의 표면에서의 미세조직(500배)와 N_HSR1 의 0>40mm, 0>80mm 에서의 미세조직(100배)을 살펴보면, O_HSR1 의 표면에서 결정립 크기가 조대하고 불균일한 반면, N_HSR1 의 표면에서 결정립 크기는 큰 변화 없이 미세하고 균일함을 알 수 있다(Fig 11). N_HSR1 은 표면 뿐만 아니라 ① 40mm, ①80mm에서 또한 결정립이 미세하고 균일하다.
Si 함량이 증가할수록 템퍼링 수축 시작 온도가비례적으로 증가하기 때문에 (Fig 3) 강종 C 가열충격 특성이 우수할 것으로 판단하였지만, 열충격 실험 결과 C보다는 A, E, F가 열충격특성에 우수하다고 판명되었다.
이상의 결과를 종합해 볼 때, A, E, F에서 최대 Crack 깊이가 짧게 관찰 되어 진다. 즉, 강종 A, E, F의 열충격 특성이 상대적으로 우수하다.

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