JP2005169424A

JP2005169424A - 圧延用複合ロール

Info

Publication number: JP2005169424A
Application number: JP2003409847A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Hayashi; 清林; Ryota Honda; 亮太本田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】本発明は、耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐事故性に優れた、および外層と内層との境界近傍の機械的性質に優れた圧延用複合ロールを提供することである。
【解決手段】化学成分が質量％で、Ｃ：３．０％を超えて４．０％以下、Ｓｉ：３．０％以下、Ｎｉ：２．３〜５．５％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｖ：０．３〜１０．０％、ＭｇまたはＣａの１種または２種を０．００５〜０．５％含有し、残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、金属組織に黒鉛を有する外層と、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄および黒鉛鋼のいずれかからなる内層との間に、金属組織に黒鉛を有する中間層を設けたことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、耐摩耗性、耐肌荒れ性および耐事故性に優れた圧延用複合ロールに関する。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として好適なものである。

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。一般にグレン系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い利点がある。

しかしながら、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗなどの合金を多量に含有させ、非常に硬いＭＣ系炭化物を晶析出させたハイス系材を外層とするロールに比べて耐摩耗性はかなり劣っている。

そこで、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考えられてきた。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系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。

このような問題を解決するために種々の発明がなされ、本出願人も既に特許文献１を提案した。すなわち、特許文献１には、化学成分が質量％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：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０．５〜５．０％の黒鉛と、０．２〜１０．０％のＭＣ系炭化物と、１０．０〜４０．０％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が記載されている。

特開平６−３３５７１２号公報

前記特許文献１の熱間圧延用ロールは、硬質のＭＣ系炭化物を晶析出させて、耐摩耗性を向上させたものである。しかしながら、単に合金を高濃度に含有させると、ＭＣ系炭化物が不均一に晶析出しやすいため、ロールの摩耗形態が不均一となり、耐摩耗性や耐肌荒れ性が未だ十分でなかった。また、硬質炭化物の形状が切り欠き係数の低い微細な粒状になりにくく耐事故性も十分でないという問題があった。

さらに、従来の外層と内層が金属接合された複合ロールでは、外層から合金成分が内層に混入して、外層と内層の間の境界部に欠陥や炭化物濃化層が発生し、境界部近傍の強度や靭性等の機械的性質が劣化しやすいという問題もあった。

したがって、本発明の目的は、これらの問題を解消し、耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐事故性に優れた、および外層と内層との境界近傍の機械的性質に優れた圧延用複合ロールを提供することである。

本発明者は、耐焼付性に優れた特許文献１のロール外層に対して改良を図り、特にＭｇまたはＣａを含有させることにより、ＭＣ系炭化物の形状を微細な粒状にするとともに、金属組織中に均一に分散できることを見いだし、耐摩耗性、耐肌荒れ性および耐事故性を向上させ得た。

さらに、外層と内層の間に金属組織に黒鉛を有する中間層を設けることで、外層から内層への合金成分の混入を抑制するとともに、外層と内層の境界部近傍の機械的性質を向上させ得た。

すなわち、化学成分が質量％で、Ｃ：３．０％を超えて４．０％以下、Ｓｉ：３．０％以下、Ｎｉ：２．３〜５．５％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｖ：０．３〜１０．０％、ＭｇまたはＣａの１種または２種を０．００５〜０．５％含有し、残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、金属組織に黒鉛を有する外層と、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄および黒鉛鋼のいずれかからなる内層との間に、金属組織に黒鉛を有する中間層を設けたことを特徴とする。

また、本発明において、前記外層に質量％で、希土類元素（ＲＥＭ）を０．００５〜０．５％含有することを特徴とする。また、前記外層に質量％で、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．１〜３．０％、Ｎｂ：０．３〜１０．０％、Ｃｏ：０．１〜１０．０％、Ｔｉ：０．０１〜２．０％、Ｂ：０．００２〜０．２％、Ｃｕ：０．０２〜１．０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする。

また、本発明の外層の金属組織に黒鉛を面積％で０．５〜５．０％有し、前記中間層中の黒鉛を面積％で、０．１〜１０．０％有することを特徴とする。また、前記中間層は質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．１〜８．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、中間層のロール半径方向の厚みが１０ｍｍ以上であることを特徴とする。さらに、本発明の圧延用複合ロールを熱間薄板圧延機の仕上列の後段用ワークロールに用いたことを特徴とする。

本発明の外層における各化学成分の含有範囲（質量％）の限定理由について説明する。
Ｃ：３．０％を超えて４．０％以下
Ｃは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖなどと結合してセメンタイトやＭＣ、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃系炭化物などの硬質炭化物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３．０％以下では炭化物量が不足するとともに黒鉛の晶出量も不足する。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の含有量は、好ましくは３．０％を超えて３．４％以下である。

Ｓｉ：３．０％以下
Ｓｉは、黒鉛化促進元素である。外層中の全Ｓｉ量が３．０％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、全Ｓｉ量のうち０．０３％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量の０．１〜０．５％とする。外層中の全Ｓｉ量は、好ましくは０．８〜３．０％であり、より好ましくは１．０〜２．０％である。

Ｎｉ：２．３〜５．５％
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。本発明の外層は鋳造後の焼入れを特に必要としないため、２．３％以上含有すればよい。５．５％を超えるとオーステナイトが安定しすぎて、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、より好ましくは、４．０〜５．０％である。

Ｃｒ：０．１〜２．０％
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確保し、耐摩耗性を維持するのに有効な元素であり、０．１％以上必要である。Ｃｒが２．０％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る。また、Ｃｒ系炭化物（Ｍ₇Ｃ₃系、Ｍ₂₃Ｃ₆系）を形成し、この炭化物はＭＣ系、Ｍ₆Ｃ系炭化物に比べて硬さが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２．０％とする。Ｃｒの含有量は、より好ましくは１．０〜１．８％である。

Ｖ：０．３〜１０．０％
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、過剰に含有させると黒鉛の晶出を阻害し、靭性が低下する。それとともに、ＭＣ系炭化物が粗大化し耐肌荒れ性が低下するので好ましくない。Ｖの含有量は、好ましくは２．０〜５．０％である。

Ｍｇ、Ｃａ：０．００５〜０．５％
ＭｇおよびＣａは本発明のロール外層において最も特徴とする元素である。これらは脱酸や脱硫作用の強い元素であり、酸化物や硫化物を形成する。詳細な現象は不明であるが、これらが溶湯中に懸濁されて核となり、ＭＣ系炭化物を微細均一に晶出させる。また、球状黒鉛鋳鉄の黒鉛がＭｇなどの添加によって球状化されるのと同様に、晶出するＭＣ系炭化物が粒状となると推測される。ＭＣ系炭化物の形状を微細な粒状にするとともに、金属組織中に均一に分散させるためには、ＭｇおよびＣａの１種または２種を０．００５％以上必要である。一方、０．５％を超えるとその効果が飽和し、また大量の添加は溶湯との反応が激しく作業的に困難になる。

本発明の外層の基本化学成分は上記のとおりであるが、ロールの用途、使用特性などにより以下の種々の化学成分を選択的に添加することができる。

希土類元素（ＲＥＭ）：０．００５〜０．５％
本発明の外層において、希土類元素（ＲＥＭ）を０．００５〜０．５％添加してもよい。詳細は未だ明らかでないが、希土類元素（ＲＥＭ）は、ＭｇおよびＣａと同様にＭＣ系炭化物を粒状にするとともに、黒鉛を球状化する作用を有する。

Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎは、溶湯の脱酸や不純物であるＳをＭｎＳとして固定し、０．３％以上含有で効果がある。Ｍｎが２．０％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０．４〜１．５％であり、より好ましくは０．４〜１．０％である。

Ｍｏ：０．２〜３．０％
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であり、０．２％以上含有で効果がある。３．０％を超えると、黒鉛の晶出を阻害するので好ましくない。Ｍｏの含有量は、好ましくは０．２〜１．０％である。

Ｗ：０．１〜３．０％
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であり、０．１％以上含有で効果がある。３．０％を超えると、黒鉛の晶出を阻害するので好ましくない。Ｗの含有量は、好ましくは０．２〜２．０％である。

Ｎｂ：０．３〜１０．０％
ＮｂはＶと同様にＣと結合してＭＣ系炭化物を生成する。ロールの外層を遠心力鋳造法で形成させる場合、ＮｂはＭＣ系炭化物の偏析を少なからず軽減させる効果を有する。遠心力鋳造する際のＶの添加量に応じて、Ｎｂの添加の要否を選択すればよい。

Ｃｏ：０．１〜１０．０％
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０．１〜１０．０％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。Ｃｏの含有量は、好ましくは３．０〜７．０％である。

Ｔｉ：０．０１〜２．０％
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。Ｔｉの含有量は、好ましくは０．０５〜０．５％である。

Ｂ：０．００２〜０．２％
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。Ｂの含有量は、好ましくは０．０１〜０．０５％である。

Ｃｕ：０．０２〜１．０％
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。Ｃｕの含有量は、好ましくは０．１〜０．５％である。

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。靭性の低下を防止するため、Ｐの含有量は０．１％以下、Ｓの含有量は０．０８％以下が好ましい。

ロールの外層の耐事故性を確保するためには、耐焼付性および破壊靭性値の向上が必要である。耐焼付性および破壊靭性値は、金属組織中の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５．０％を超えると耐焼付性および破壊靭性値の向上の効果は飽和し、耐摩耗性が低下する。黒鉛量は、好ましくは１．０〜３．０％である。

本発明の複合ロールの内層は、靭性に優れるものが好ましく、具体的には、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄および黒鉛鋼のいずれかからなるものが好ましい。

また、前記本発明の外層と内層との間に金属組織に黒鉛を有する中間層を設ける。中間層の望ましい成分範囲は、質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．１〜８．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物元素からなる。

この中間層を設けることにより、外層から内層への合金成分の混入を抑制することができ、外層と内層の境界部近傍の強度や靭性等の機械的性質を向上させることができる。また、中間層に黒鉛を面積率で０．１〜１０．０％晶出させることにより、境界近傍の伸びが向上し、一層強度および靭性が強化される。金属組織中の黒鉛の面積率が０．１％未満ではその効果が発揮されず、１０．０％を超えると境界部に黒鉛が密集し境界強度が劣化する。さらに、好ましい黒鉛の面積率０．２〜６．０％である。

また、該中間層の効果を十分に発揮するには、中間層の厚みはロール中径方向で１０ｍｍ以上必要である。より好ましい中間層の厚みは１５ｍｍ以上である。

本発明の圧延用複合ロールは、遠心力鋳造法により形成することが好ましい。鋳造に際しては、Ｓｉ含有接種剤を用いて接種する必要がある。

表１に示す化学成分（供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２５）の外層用溶湯に、取鍋にてＦｅ−Ｓｉ接種剤、Ｎｉ−Ｍｇ接種剤、Ｃａ−Ｓｉ接種剤を添加することで、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａの添加を行い、該外層用溶湯を回転する遠心力鋳造用金型に注湯して遠心力鋳造した。溶湯円筒状の外層がほぼ完全に凝固した後、続いて、前述の本発明の化学成分からなる中間層用の溶湯を遠心力鋳造し、外層の内面に中間層を溶着させた。外層と中間層がほぼ完全に凝固した後、金型の回転を止め、この金型を垂直に立てて、両端に上型および下型をセットして、金型の内部に内層として球状黒鉛鋳鉄を鋳込んだ。そして中間層と内層を完全に溶着させた。このようにして複合ロールが完全に冷却した後、金型から取り出し、本発明のロールを製造した。

図３に本発明の複合ロール胴体部の概略断面図を示す。図３において本発明のロールは外層２１と内層２３の間に、中間層２２を設けて構成される。なお、中間層は、一層のみでなく二層以上設けてもよい。さらに、内層は中実状のみならず、中空スリーブ状であってもよい。

表１に示す供試材Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は本発明例、供試材Ｎｏ．２１〜Ｎｏ．２５は比較例である。なお、供試材Ｎｏ．３１は従来のグレン系材、供試材Ｎｏ．３２は従来のハイス系材である。

これらの得られたロール外層から試験片を採取し、画像解析装置により組織構成要素の面積％を測定し、また破壊靭性値および引張強度を測定した。また、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。表２にそれぞれの試験結果を示す。

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。試験用ロールは前記の供試材から作製し、外径６０ｍｍ、内径４０ｍｍ、幅４０ｍｍの小型スリーブロールを用いた。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：２５％、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により測定した。

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、供試材１１に噛み込み材１２を強く接触させるものである。

表２から本発明例のロール外層は、ＭｇまたはＣａを含有させることにより、ＭＣ系炭化物の形状を微細な粒状にするとともに、金属組織中に均一に分散させたので、耐摩耗性、耐肌荒れ性および耐事故性とも良好な結果が得られた。

本発明例に比べて、比較例２１は破壊靭性値に劣る。比較例２２は摩耗量が多く耐摩耗性に劣る。比較例２３は焼付面積率が大きく耐焼付性に劣る。比較例２４は摩耗量が多く耐摩耗性に劣る。比較例２５は焼付面積率が大きく、また肌粗さも大きいので耐焼付性、耐肌荒れ性に劣ることが確認できた。

また、外層として本発明例の供試材Ｎｏ．１、内層として球状黒鉛鋳鉄を用いて、金属組織に黒鉛を有する中間層（質量％でＣ：３．２％、Ｓｉ：１．１％、Ｍｎ：０．５％、Ｎｉ：３．９％、Ｃｒ：１．４％、Ｍｏ：０．３％、Ｖ：１．８％、残部Ｆｅおよび不純物元素）を設けた本発明の複合ロールにおいて、外層と中間層との境界部、中間層と内層の境界部の引張強度を測定した。その結果、それぞれの境界部の引張強度は、５８．３ｋｇ／ｍｍ^２、６１．５ｋｇ／ｍｍ^２であった。

また、前記本発明例は、中間層中に黒鉛を３．２面積％を有するものであり、境界部の引張強度および伸びも十分であることを確認できた。

また、外層として本発明例の供試材Ｎｏ．１、内層として球状黒鉛鋳鉄を用いた複合ロール、すなわち中間層を有しない比較例のロールにおいて、前記同様に外層と内層の境界部の引張強度を測定した。その結果、境界部の引張強度は５０．７ｋｇ／ｍｍ^２であった。つまり、本発明の圧延用複合ロールは中間層を設けたため、外層から内層への合金混入が抑制され、境界部の強度が十分であることが判った。

以上述べたように、本発明の圧延用複合ロールの外層は黒鉛と硬質炭化物の共存により、耐摩耗性と耐事故性を併せ持つ。また硬質炭化物を微細均一に分散させ、形状を粒状にすることで、さらに耐摩耗性および耐事故性を向上させることができる。また、金属組織に黒鉛を有する中間層を設けることにより、外層と内層との境界部近傍の機械的性質を向上させることができる。本発明の圧延用ロールの外層は熱間圧延用ワークロール全般で、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。

実施の形態で用いた圧延摩耗試験機の概略図である。実施の形態で用いた摩擦熱衝撃試験機の概略図である。本発明の複合ロール胴体部の概略断面図である。

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供試材、
１２噛み込み材、２１外層、２２中間層、２３内層

Claims

化学成分が質量％で、Ｃ：３．０％を超えて４．０％以下、Ｓｉ：３．０％以下、Ｎｉ：２．３〜５．５％、Ｃｒ：０．１〜２．０％、Ｖ：０．３〜１０．０％、ＭｇまたはＣａの１種または２種を０．００５〜０．５％含有し、残部Ｆｅおよび不純物元素からなり、金属組織に黒鉛を有する外層と、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄および黒鉛鋼のいずれかからなる内層との間に、金属組織に黒鉛を有する中間層を設けたことを特徴とする圧延用複合ロール。
さらに、前記外層は質量％で、希土類元素（ＲＥＭ）を０．００５〜０．５％含有することを特徴とする請求項１に記載の圧延用複合ロール。
さらに、前記外層は質量％で、Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｍｏ：０．２〜３．０％、Ｗ：０．１〜３．０％、Ｎｂ：０．３〜１０．０％、Ｃｏ：０．１〜１０．０％、Ｔｉ：０．０１〜２．０％、Ｂ：０．００２〜０．２％、Ｃｕ：０．０２〜１．０％の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の圧延用複合ロール。
前記外層中の黒鉛を面積％で、０．５〜５．０％有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
前記中間層中の黒鉛を面積％で、０．１〜１０．０％有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
前記中間層は質量％で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：４．０％以下、Ｎｉ：１．０〜５．０％、Ｃｒ：０．１〜１．５％、Ｖ：０．１〜８．０％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物元素からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
前記中間層のロール半径方向の厚みが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧延用複合ロール。
熱間薄板圧延機の仕上列の後段用ワークロールに用いたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧延用複合ロール。