JP2001011564A

JP2001011564A - 耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロール

Info

Publication number: JP2001011564A
Application number: JP17750799A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hayashi; 清林; Nozomi Oda; 望小田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2001-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のロールでは基地組織が優先的に摩耗し
やすい点で耐摩耗性にやや劣るため耐摩耗性をさらに改
善した耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロールを提供する。【解決手段】化学成分が重量％でＣ：２．０〜４．０
％、Ｓｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５
％、Ｎｉ：２．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０
％、Ｖ：１．０〜７．０％、Ｍｏ：０．３〜４．０％、
残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、金属組織が基地組
織と、面積％で０．５〜５％の黒鉛と、１．０〜１０％
のＭＣ系炭化物と、１０〜４５％のセメンタイトからな
り、セメンタイトで囲まれる平均基地粒径が１００μｍ
以下である。また、常温での基地硬さがＨｖ６００以上
であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐摩耗性と耐事故
性が必要である耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロールに関
し、特に熱間薄板圧延機の仕上列の後段に用いるワーク
ロールに好適な耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロールに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱間薄板圧延機の仕上列の後段に
はグレン系鋳鉄材を外層とするロールが使われていた。
一般にグレンロールは耐焼付性に優れ、絞り圧延事故に
遭遇した際でも、被圧延材の焼付きが少なく、その際の
クラックの発生進展も少なかった。しかし、耐摩耗性に
ついては外層をハイス系材としたロールに比べかなり劣
っている。

【０００３】ロールの耐摩耗性を向上させる手段として
は、ＭＣ系、Ｍ2Ｃ系等の硬質炭化物を晶出あるいは析
出させる方法が知られている。また、耐焼付性を向上さ
せる手段としては、固体潤滑剤である黒鉛を晶出させる
方法が知られている。しかしながら、硬質炭化物を構成
する元素であるＶ、Ｍｏ、Ｗは白銑化元素であり、黒鉛
と共存させることは困難であった。また、Ｖ等を含有し
たグレンロールを遠心力鋳造法で製造した場合、晶出炭
化物と溶湯との比重差により、例えばＭＣ系炭化物は内
面側に偏析するという問題があった。

【０００４】このような問題を解決するために種々の提
案がされている。本出願人も既に特開平６−３３５７１
２号に、化学成分が重量％でＣ：２．０〜４．０％、Ｓ
ｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎ
ｉ：２．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０％、Ｖ：
２．０〜８．０％、残部Ｆｅおよび不純物元素からな
り、基地組織と、面積％で０．５〜５％の黒鉛と、０．
２〜１０％のＭＣ系炭化物と、１０〜４０％のセメンタ
イトとからなる金属組織を有する耐摩耗耐焼付性熱間圧
延用ロールを提案した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の特開平６−３３
５７１２号に開示された従来の熱間圧延用ロールにおい
ては、基地組織が優先的に摩耗しやすい点で耐摩耗性に
やや劣るため、本発明の目的は、この問題に対処して、
耐摩耗性をさらに改善した耐焼付性熱間圧延用ロールを
提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、耐摩耗性を
さらに改善するため基地組織の改良に努めた。つまり、
金属組織中の炭化物の大部分を占めるのはセメンタイト
であり、これにより囲まれる基地粒径が粗大になると、
摩耗の損傷形態が大きくなり、耐摩耗性が劣化する。そ
こで、セメンタイトにより囲まれる基地粒径に着目して
実験を行い、基地粒径の最適な範囲を選定した。また、
基地中に微細な硬質の炭化物を析出させる析出硬化を行
うことにより常温での基地硬さを高めることにより耐摩
耗性を向上させることができ本発明に至った。

【０００７】本発明の耐摩耗性耐焼付性熱間圧延用ロー
ルは、化学成分が重量％でＣ：２．０〜４．０％、Ｓ
ｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｎ
ｉ：２．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０％、Ｖ：
１．０〜７．０％、Ｍｏ：０．３〜４．０％、残部Ｆｅ
および不純物元素からなり、金属組織が基地組織と、面
積％で０．５〜５％の黒鉛と、１．０〜１０％のＭＣ系
炭化物と、１０〜４５％のセメンタイトからなり、セメ
ンタイトで囲まれる平均基地粒径が１００μｍ以下とな
ることを特徴とする。また、常温での基地硬さがＨｖ６
００以上であることを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明のロールについて以下詳細に説明する。（ａ）金属組織本発明のロールの外層が具備すべき金属組織は以下のと
おりである。

【０００９】耐焼付性は黒鉛量に応じて向上する。黒鉛
量が面積％で０．５％未満では耐焼付性の効果が十分で
ない。また、黒鉛量が５％を超えると機械的性質が著し
く低下する。このため、必要とされる黒鉛量は０．５〜
５％である。好ましい黒鉛量は２〜４％であり、黒鉛粒
子の粒径は５〜５０μｍが望ましい。

【００１０】耐摩耗性を向上させるためには、硬質な炭
化物を分散させる必要がある。特に硬質な炭化物である
ＭＣ系炭化物は面積％で１．０〜１０％含有する必要が
ある。硬質炭化物の面積％が１．０％未満では耐摩耗性
が十分でない。また黒鉛との共存関係により、１０％を
超えて硬質炭化物を含有させるのは製造上困難である。
好ましいＭＣ系炭化物の面積％は２．０〜６％である。

【００１１】セメンタイトはＭＣ系炭化物に比べ軟質で
あるものの、高価な合金を使用することなく容易に晶出
できる。また多量に晶出させることにより、軟質な基地
の粒径を微細にし、かつ基地面積率を減少させ、耐摩耗
性を向上させることができる。炭化物の大部分を占める
のはセメンタイトであり、これにより囲まれる基地粒径
が粗大になると、摩耗の損傷形態が大きくなり、耐摩耗
性が劣化する。このためセメンタイトで囲まれる平均基
地粒径は１００μｍ以下とすることが必要である。セメ
ンタイトの晶出量は１０％未満では黒鉛の晶出が困難に
なり、４５％を超えると靭性が低下する。好ましいセメ
ンタイトの面積％は１５〜４０％である。

【００１２】基地は炭化物と比較し軟質であり、圧延に
使用すると優先的に基地が摩耗する。そのため耐摩耗性
を改善するには基地を硬くする必要がある。ロールの基
地組織は実質的にマルテンサイト、ベイナイトまたはパ
ーライトからなるが、マルテンサイト量の増加等の組織
的な硬化だけでは製造上限界が有り、また高温での硬さ
が期待出来ない。この点を改善するために基地中に微細
な硬質の炭化物を析出させる析出硬化を行った。これに
より常温で基地硬さＨｖ６００以上を得ることが出来
た。

【００１３】（ｂ）外層上述の金属組織とするため、本発明のロール外層の化学
組成（重量％）を以下のとおりとする。

【００１４】Ｃ：２．０〜４．０％Ｃは、同時に含有されるＣｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗと結合して
硬質炭化物（ＭＣ、Ｍ2Ｃ、Ｍ6Ｃ、Ｍ7Ｃ3等）を生成し
耐摩耗性を高めるとともに、黒鉛を晶出して耐焼付性を
付与するのに必要な元素である。Ｃが２．０％未満では
硬質炭化物の生成量が不足するとともに黒鉛が晶出しな
い。Ｃが４．０％を超えると、セメンタイトや硬質炭化
物が多くなりすぎ靭性が低下する。Ｃは、好ましくは
２．８〜３．４％である。

【００１５】Ｓｉ：０．５〜４．０％Ｓｉは、黒鉛化促進元素であるため０．５％以上必要で
ある。Ｓｉが４．０％を超えると、基地が脆化し靭性が
低下する。また黒鉛を晶出させるためには、この範囲の
含有総Ｓｉ量のうち０．１％以上を接種で添加する必要
がある。接種するＳｉ量は、好ましくは全Ｓｉの０．１
〜０．８％とする。なお、ロール中の全含有量は、好ま
しくは０．８〜３．５％であり、より好ましくは１．０
〜２．０％である。

【００１６】Ｍｎ：０．１〜１．５％Ｍｎは、溶湯の脱酸や不純物であるＳをＭｎＳとして固
定する効果があり、０．１％以上必要である。Ｍｎが
１．５％を超えると残留オーステナイトを生じやすくな
り安定して硬さを維持できない。Ｍｎの含有量は、好ま
しくは０．２〜１．０％であり、より好ましくは０．４
〜０．９％である。

【００１７】Ｎｉ：２．０〜６．０％Ｎｉは、黒鉛の晶出および基地組織の焼入れ性を向上さ
せるため有効であるが、本発明材は鋳造後の焼入れを特
に必要としないため、２．０％以上必要である。６．０
％を超えるとオーステナイトが安定しすぎ、ベイナイト
あるいはマルテンサイトに変態しにくくなる。Ｎｉの含
有量は、好ましくは３．０〜５．０％であり、より好ま
しいは、４．０〜５．０％である。

【００１８】Ｃｒ：１．０〜７．０％Ｃｒは、基地組織をベイナイトあるいはマルテンサイト
にして硬さを保持し、耐摩耗性を保持するのに有効な元
素であり、１．０％以上必要である。Ｃｒが７．０％を
超えると、黒鉛の晶出を阻害したり基地組織の靭性を低
下させたりするばかりでなく、Ｃｒ系炭化物（Ｍ7Ｃ3
系、Ｍ23Ｃ6系）を形成する。この炭化物は、硬さがＭ
Ｃ系、Ｍ6Ｃ系炭化物に比べて低いため耐摩耗性向上効
果が期待できず、かつ脆くなる。このためＣｒの上限は
７．０％とする。Ｃｒの含有量は、好ましくは１．０〜
５．０％であり、より好ましいは１．５〜３．０％であ
る。

【００１９】Ｖ：１．０〜７．０％ＶはＣと結合してＭＣ系炭化物を生成する。このＭＣ系
炭化物の硬さはＨｖ２５００〜３０００であり、炭化物
の中でも非常に硬質である。このため、Ｖは耐摩耗性の
向上に最も効果のある必須元素の１つである。晶出炭化
物だけでなく、基地中の微細な析出炭化物として耐摩耗
性の向上に寄与する。しかし過剰になると黒鉛の晶出を
阻害し、かつセメンタイトで囲まれる基地粒径が粗大化
する。そのため、Ｖの含有量は１．０〜７．０％とす
る。Ｖの含有量は、好ましくは２．０〜５．０％であ
る。

【００２０】Ｍｏ：０．３〜４．０％Ｍｏは、Ｃと結合して硬質のＭ6Ｃ系、Ｍ2Ｃ系炭化物を
生成し、かつ基地組織中に固溶して基地組織を強化する
ので耐摩耗性の向上に有効な元素である。反面、白銑化
元素であるので過剰になると、黒鉛の晶出を阻害する。
このため、好ましいＭｏの含有量は、０．３〜４．０％
である。より好ましいＭｏの含有量は０．５〜２．０％
である。

【００２１】Ｗ：０．３〜４．０％本発明のロールは上記必須元素の他にＷを含有すること
ができる。ＷはＭｏと同様、Ｃと結合して硬質のＭ6Ｃ
系、Ｍ2Ｃ系炭化物を生成し、かつ基地組織中に固溶し
て基地組織を強化するので耐摩耗性の向上に有効な元素
である。反面、白銑化元素であるので過剰になると、黒
鉛の晶出を阻害する。このため、好ましいＷの含有量
は、０．３〜４．０％である。より好ましいＷの含有量
は０．５〜２．０％である。

【００２２】Ｃｏ：１．０〜１０．０％本発明のロールは上記必須元素の他にＣｏを含有するこ
とができる。Ｃｏは、基地組織の強化に有効な元素であ
るが、過剰になると靭性を低下させる。そのため、Ｃｏ
の含有量は１．０〜１０．０％とする。また、Ｃｏには
セメンタイトを不安定化し、黒鉛を晶出しやすくする効
果もある。より好ましいＣｏ量は、３．０〜７．０％で
ある。

【００２３】Ｎｂ：１．０〜１０．０％本発明のロールは上記必須元素の他にＮｂを含有するこ
とができる。Ｎｂは、Ｖと同様にＣと結合してＭＣ系炭
化物を生成する。ＭＣ系炭化物は炭化物の中で最も硬い
ので、Ｎｂは耐摩耗性の向上に最も効果のある元素であ
るが、過剰になると、黒鉛の晶出を阻害する。そのた
め、Ｎｂの含有量は１．０〜１０．０％とする。より好
ましいＮｂの含有量は、２．０〜１０．０％である。

【００２４】Ｔｉ：０．０１〜２．０％本発明のロールは上記必須元素の他にＴｉを含有するこ
とができる。Ｔｉは、黒鉛化阻害元素であるＮおよびＯ
と結合して酸窒化物を形成する。Ｔｉは０．０１％未満
では効果を期待できず、また含まれているＮおよびＯの
量からＴｉは２．０％で十分である。より好ましいＴｉ
の含有量は、０．０５〜０．５％である。

【００２５】Ｂ：０．００２〜０．２％本発明のロールは上記必須元素の他にＢを含有すること
ができる。Ｂは、炭化物を微細化する効果があり、０．
００２％未満ではその効果が十分に発揮されず、０．２
％を超えると、炭化物が不安定になる。より好ましいＢ
の含有量は０．０１〜０．０５％である。

【００２６】Ｃｕ：０．０２〜１．０％本発明のロールは上記必須元素の他にＣｕを含有するこ
とができる。ＣｕはＣｏと同様、セメンタイトを不安定
化し、黒鉛を晶出しやすくする効果がある。０．０２％
未満ではその効果が十分でなく、１．０％を超えると靭
性を低下させる。より好ましいＣｕの含有量は、０．１
〜０．５％である。

【００２７】上記元素以外は不純物を除いて残部は実質
的にＦｅである。不純物として主な元素はＰおよびＳで
あるが、Ｐは靭性低下防止のため０．１％以下、Ｓも同
様の理由により０．０８％以下が好ましい。

【００２８】（ｃ）複合ロールおよびその製造方法複合ロールとする場合、上記金属組織および化学組成を
有する外層を形成し、外層に金属的に接合する内層材は
鋳鋼、鍛鋼および鋳鉄のいずれでもよい。その引張強さ
は４０ｋｇ／ｍｍ2以上、伸びは０．３％以上必要であ
る。これは圧延用ロールとして用いた場合に大きな圧下
力がかかるとともに、圧延中の撓みを補正するために軸
の両端部に曲げ力をかけるので、それらに対する耐久力
を有する必要があるからである。また、内層材は外層と
強固に接合させ、内層材と外層が接合された境界部の引
張試験を行った場合、境界部から破断しないことが必要
である。

【００２９】本発明のロールは、遠心力鋳造法あるいは
連続肉盛鋳造法により製造することができる。いずれの
場合も鋳造に際して、上記組成の溶湯にＳｉ含有接種剤
を用いて接種する必要がある。接種するＳｉの量は０．
１重量％以上必要であり、０．５重量％を超えると接種
剤が溶湯に均一に溶けにくくなり、鋳造組織にむらが生
じ易くなる。

【００３０】例えば遠心力鋳造法の場合、回転する鋳型
内の溶湯中に、Ｓｉ含有接種剤を注入する。Ｓｉ含有接
種剤としては、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｃａ−Ｓｉ等が挙げられ
る。接種剤中のＳｉの含有量は３０〜８０重量％であ
る。

【００３１】本発明のロールは、Ｎｉを多く含むため焼
入れ性がよい。したがって、鋳造後の熱処理時に特に焼
入れを必要としない。残留オーステナイトの分解と歪み
取りのために５００℃以下の熱処理を施せばよい。

【００３２】

【発明の実施の形態】表１に示す化学成分（本発明材）
の１５５０℃に加熱した溶湯を、前もってＣａ−Ｓｉ接
種材をＳｉ量で０．２重量％入れた直径８０ｍｍ、深さ
１００ｍｍの砂型へ鋳込温度１３００℃で鋳込んだ。こ
のようにして得た試験材を、４５０℃で１０時間加熱
し、徐冷することにより、残留オーステナイトの分解と
歪み取りを行った。

【００３３】試験材の底面から２０ｍｍの位置より試験
片を切り出し、組織構成要素の面積％を画像解析装置
（日本アビオニクス（株）製）により測定した結果、面
積％で黒鉛が２．２％、ＶＣ炭化物（ＭＣ系炭化物）が
２．５％、セメンタイトが３５％であった。セメンタイ
トで囲まれる平均基地粒径は６４μｍであった。また、
常温での基地硬さはＨｖ６２３であった。これらの結果
は後述の表２に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１の試験材から外径６０ｍｍ、内径４０
ｍｍ、幅４０ｍｍの小型スリーブロール試験片を作製
し、圧延摩耗試験機で摩耗試験を、摩擦熱衝撃試験機で
焼付試験を行った。比較のため、表１に示す従来のグレ
ン材およびハイス材のロール試験片も同様に試験を行っ
た。

【００３６】図１は圧延摩耗試験機の概略図を示す。図
１において、圧延摩耗試験機は、圧延機１と、圧延材Ｓ
を余熱する加熱炉４と、圧延材Ｓを冷却する冷却水槽５
と、圧延材Ｓの巻取り機６とテンションコントローラ７
とから構成される。圧延機１には試験用ロール２、３が
組み込まれる。圧延摩耗試験機に試験用ロールを組み込
み、試験条件が、圧延材料：ＳＵＳ３０４、圧下率：２
５％、圧延速度：１５０ｍ／ｍｉｎ、圧延温度：９００
℃、圧延距離：３００ｍ／回、ロール冷却：水冷、ロー
ル数：４重式にて試験を行った。圧延後、試験用ロール
の表面に生じた摩耗の深さを触針式表面粗さ計（SURFCO
M）により測定した。

【００３７】図２は摩擦熱衝撃試験機の概略図を示す。
図２において、摩擦熱衝撃試験機は、ラック８に重り９
を落下させることによりピニオン１０を回動させ、試験
材１１に噛み込み材１２を強く接触させるものである。

【００３８】表２に試験結果を示す。本発明のロール
は、摩耗量がグレン鋳鉄ロールの約６０％であり、ハイ
ス系ロールの約２倍である。また、焼付面積率は、グレ
ン鋳鉄ロールとほぼ同等であり、ハイス系ロールの約６
０％である。これらの結果より、本発明ロールは、耐焼
付性が従来のグレン鋳鉄ロールと同等で、耐摩耗性が約
１．６倍という優れた性能を発揮することが明らかとな
った。

【００３９】

【表２】

【００４０】

【発明の効果】本発明の熱間圧延用ロールは、黒鉛と硬
質炭化物の共存により、耐摩耗性と耐焼付性を併せ持
つ。この耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロールは特に熱間薄
板圧延機の仕上列後段において優れた性能を発揮し、圧
延工場における生産性の向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態で用いた圧延摩耗試験機の概略図で
ある。

【図２】実施の形態で用いた摩擦熱衝撃試験機の概略図
である。

【符号の説明】

１圧延摩耗試験機、２試験用ロール、３試験
用ロール、４加熱炉、５冷却水槽、６巻取り
機、７テンションコントローラ、Ｓ圧延材、８
ラック、９重り、１０ピニオン、１１試験
材、１２噛み込み材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学成分が重量％でＣ：２．０〜４．０
％、Ｓｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５
％、Ｎｉ：２．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０
％、Ｖ：１．０〜７．０％、Ｍｏ：０．３〜４．０％、
残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、金属組織が基地組
織と、面積％で０．５〜５％の黒鉛と、１．０〜１０％
のＭＣ系炭化物と、１０〜４５％のセメンタイトからな
り、セメンタイトで囲まれる平均基地粒径が１００μｍ
以下となることを特徴とする耐摩耗耐焼付性熱間圧延用
ロール。
【請求項２】化学成分が重量％でＣ：２．０〜４．０
％、Ｓｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５
％、Ｎｉ：２．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０
％、Ｖ：１．０〜７．０％、Ｍｏ：０．３〜４．０％、
残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、金属組織が基地組
織と、面積％で０．５〜５％の黒鉛と、１．０〜１０％
のＭＣ系炭化物と、１０〜４５％のセメンタイトからな
り、常温での基地硬さがＨｖ６００以上であることを特
徴とする耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロール。
【請求項３】化学成分が重量％でＣ：２．０〜４．０
％、Ｓｉ：０．５〜４．０％、Ｍｎ：０．１〜１．５
％、Ｎｉ：２．０〜６．０％、Ｃｒ：１．０〜７．０
％、Ｖ：１．０〜７．０％、Ｍｏ：０．３〜４．０％、
残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、金属組織が基地組
織と、面積％で０．５〜５％の黒鉛と、１．０〜１０％
のＭＣ系炭化物と、１０〜４５％のセメンタイトからな
り、セメンタイトで囲まれる平均基地粒径が１００μｍ
以下であり、かつ常温での基地硬さがＨｖ６００以上で
あることを特徴とする耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロー
ル。
【請求項４】前記基地組織が実質的にマルテンサイ
ト、ベイナイトまたはパーライトからなることを特徴と
する請求項１〜３に記載の耐摩耗耐焼付性熱間圧延用ロ
ール。
【請求項５】前記化学成分が重量％でさらにＷ：０．
３〜４．０％、Ｃｏ：１．０〜１０．０％、Ｎｂ：１．
０〜１０．０％、Ｔｉ：０．０１〜２．０％、Ｂ：０．
００２〜０．２％、Ｃｕ：０．０２〜１．０％の１種以
上を含むことを特徴とする請求項１〜４に記載の耐摩耗
性耐焼付性熱間圧延用ロール。