JP2006263807A - 耐摩耗性に優れた連続鋳造用ロール - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた熱間耐摩耗性を備え、長寿命である連続鋳造用ロールの提供。
【解決手段】 ロール基材表面に炭化タングステン、炭化クロム、炭化ニオブ、炭化バナジウム等の炭化物或いは１種以上の金属バインダーにより結合された前記炭化物又は複合炭化物粒子又はそれらの混合物を１０〜５０ｗｔ％含有し、残部Ｃ：０．０２〜０．２５ｗｔ％、Ｃｒ：０．５〜１５ｗｔ％含有自溶合金（Ｎｉ基またはＣｏ基）よりなる溶射被覆層が０．５〜３ｍｍ形成される。
【選択図】 なし

Description

本発明は鋼等の連続鋳造に用いられる連続鋳造用ロールに関し、その耐摩耗性及び使用環境における溶射被覆層の耐剥離性の改善を図ろうとするものである。

連続鋳造設備の鋳片案内部及び引き抜き部には、鋳片を誘導する多数のロールが配置されているが、これらロールは急加熱と急冷却が繰り返される過酷な使用環境にあり、摩耗、熱亀裂や高温酸化又は水蒸気腐食等の厳しい損傷を受ける。これらの損傷対策として、通常、ロール基材の表面には肉盛溶接や自溶合金溶射による被覆がなされている。

これらの肉盛材料としては、Ｆｅ基マルテンサイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金或いは自溶合金溶射材料等が使用されているが、近年の連続鋳造設備は異鋼種連々鋳操業等により、ロール表面温度は上昇し、使用環境がますます過酷になっているため、従来材では耐摩耗性が十分ではなく、短期間でロール交換をしなければならない。したがって温度の上昇や腐食等の厳しい環境でも、耐摩耗性に優れ、長期間連続使用可能なロールが求められている。

これら諸問題に対する対策として特許文献１に開示されているように、Ｆｅ基の連続鋳造用ロールとして、Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｎｉ：３〜５％、Ｃｒ：１５．５〜１７．５％、Ｃｕ：３〜５％、Ｍｏ：１．５％以下、Ｎｂ：０．３〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる肉盛層を溶接により形成した連続鋳造用ロールが提案されている。

またＮｉ基の連続鋳造用ロールとして特許文献２に開示されているように、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：０．０５％以下、Ｍｎ：０．２％以下、Ｃｒ：１７〜２２％、Ｃｏ：１０〜１４％、Ｍｏ：４〜８％、Ｗ：０．８〜１．５％、Ａｌ＋Ｔｉ：３〜５％、残部Ｎｉおよび不可避不純物からなるＮｉ基合金系粉末を粉体プラズマアーク肉盛溶接法により厚さ２ｍｍ以上肉盛溶接した連続鋳造用ロールが提案されている。

さらに、特許文献３には、Ｃｒ：７〜２０％を含有するステンレス鋼製ロールの胴部表面にＮｉ基またはＣｏ基の自溶合金型溶射金属層を厚さ０．０５〜０．８０ｍｍに溶射肉盛し、該溶射層を溶融熱処理してなる連続鋳造用耐折損性、耐摩耗性ロールが提案されている。
特開２００１−３４０９９１ 特開２００２−２３９６９７ 特開昭５７−２０３７６５号公報

すなわち、特許文献１に記載された技術のＦｅ基マルテンサイト系ステンレス鋼では、マルテンサイトによる強化機構のため熱間強度に乏しく、耐摩耗性、耐腐食性能が不十分である。また特許文献２に提案されたＮｉ基合金系粉末を粉体プラズマアーク肉盛溶接法により厚さ２ｍｍ以上肉盛溶接した肉盛層も耐摩耗性は不十分であり、また熱膨張係数が１６〜２０×１０^−６／℃と大きいため、被覆層が基材との界面より剥離することがある。

また特許文献３では、熱亀裂による耐折損性向上を目的としてＦｅ基マルテンサイト系ステンレス鋼の上に自溶合金溶射層を被覆したロールが使用されているが、自溶合金溶射層が硬くて脆く、割れやすいために、溶射被覆層の厚みが厚いと、溶射被覆層が剥離するという問題があるため、溶射被覆層の厚みは０．０５〜０．８０ｍｍと薄膜に限定されている。なおかつ薄膜でも溶射被覆層を長期間保存できず耐摩耗性としては不十分である。

一般的に耐摩耗性材料として使用される自溶合金は、通常Ｃ：０．４〜０．９ｗｔ％のものが使用されるが、Ｃ％が高いために溶射被覆層の硬さは高くなるが、逆に割れやすくなる。また溶射被覆形成後のフュージング処理の際、基材と被覆層界面の相互拡散による合金層（拡散層）が生じることで基材と冶金結合し、被覆層の密着力を高めることが知られている。但し、この相互拡散により基材側へＣが拡散することとなり、Ｃ％が高いため基材側の被覆層直下で顕著な脆い浸炭層が生じる。その結果として表面から発生、進展した亀裂が基材側へ進展せず、浸炭層内を伝播しやすくなり、高温環境下の連続鋳造設備では溶射被覆層が剥離しやすい傾向にあった。
本発明は前記したこれらの問題を解決し、必要な性能すべてを有する、すなわち熱間耐摩耗性に優れた長寿命の連続鋳造用ロールを提供することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明者等は鋭意研究を重ねた結果、ロール基材表面に炭化物を主体とする皮膜層を形成することが有効であることを知見し、本発明を完成するに至った。
上記知見に基づいてなされた本発明は、ロール基材表面に炭化タングステン、炭化クロム、炭化ニオブ、炭化バナジウム等の炭化物或いは１種以上の金属バインダーにより結合された前記炭化物又は複炭化物粒子又はそれらの混合物を１０〜５０ｗｔ％含有し、残部Ｃ：０．０２〜０．２５ｗｔ％、Ｃｒ：０．５〜１５ｗｔ％含有自溶合金（Ｎｉ基またはＣｏ基）よりなる溶射被覆層が０．５〜３ｍｍ形成されていることを特徴とする連続鋳造用ロールを要旨としている。

また、前記の自溶合金がさらにＭｏ：１〜５％、Ｃｕ：１〜５％を含有する連続鋳造用ロールも本発明の要旨であり、さらに基材と溶射被覆層の間に肉盛溶接層が形成されている連続鋳造用ロールも本発明の要旨であり、そしてフュージング処理が施された溶射被覆層である連続鋳造用ロールも本発明の要旨である。

前記による本発明は、熱間耐摩耗性を備え、しかも長寿命の連続鋳造用ロールを提供することが出来、産業上極めて有用である。

本発明の構成と作用を説明する。
本発明者等の研究結果によれば、本発明においてロール基体の表面溶射皮膜を形成している技術的理由は次の通りである。

本発明において表面被覆層を形成する自溶合金のＣ含有量は０．０２〜０．２５ｗｔ％である。
従来、連続鋳造用ロールなどに適用してきた自溶合金材料は、一般的な耐摩耗材料としてＣ含有量の高い０．４〜０．９ｗｔ％のものが使用されてきた。
しかしながら、欠点としてはＣ含有量が高いために溶射被覆層が硬く脆いことと、フュージング処理における相互拡散により生じる浸炭層が顕著となるため、浸炭層内を亀裂が伝播し、特に溶射被覆層が厚いと剥離しやすくなることである。

そこで、Ｃを極めて少なくすることで溶射被覆層の脆性を改善し、かつ浸炭層の発生を抑制することにより、溶射被覆層が剥離しがたい皮膜になることを意図している。Ｃ含有量は低いことが望ましいが、自溶合金粉末の製造過程における溶解原料からの不可避不純物としてその量は０．０２ｗｔ％未満での製造は困難となる。またその量が０．２５ｗｔ％を超えると溶射被覆層が硬く脆くなって、被覆層の割れや剥離を起こしやすくなり、かつ浸炭層の発生が顕著となるため、その範囲は０．０２〜０．２５ｗｔ％とする。

また、自溶合金材料中のＣ含有量が少ないと、自溶合金のマトリックス中に固溶される量が低下することと、Ｃｒ、Ｍｏといった元素と結合して形成される複炭化物の量が低下することから、溶射被覆層の硬さが低下し耐摩耗性も低下するが、被覆層全体の耐摩耗性は炭化タングステン等の炭化物或いは１種以上の金属バインダーにより結合された前記炭化物又は複合炭化物又はこれらの混合物を２０〜５０ｗｔ％をマトリックス中に分散して含有させることにより確保される。炭化物量が２０ｗｔ％未満では形成された被覆層の耐摩耗性が不足し、５０ｗｔ％を超えると被覆層の靱性低下が著しくなる。なおＳｉ、Ｂは自溶合金としての必須成分であり、必要量含まれることは勿論である。

このようにして自溶合金材料中のＣ含有量を極めて少なくし、かつ炭化タングステン等の炭化物あるいは１種以上の金属バインダーにより結合された前記炭化物又は複合炭化物粒子又はそれらの混合物を２０〜５０ｗｔ％含有させることにより、耐摩耗性に極めて優れ、また溶射被覆層の耐剥離性にも優れた溶射被覆層を得ることが出来る。

自溶合金を構成する他の元素の作用は次の通りである。
Ｃｒ：自溶合金必須元素であるＢと結合して複硼化物を形成し、またＣと結合して複炭化物を形成することにより硬さを高め、耐摩耗性を向上させるとともに、高温における耐酸化性を向上させる元素である。

一般に自溶合金材料に於いてはＣｒ含有量が高まることでその融点が上昇するため、ＣやＢを添加し融点を下げる必要があるが、Ｃ含有量が極めて少ないために、融点とのバランスからその量が０．５ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲でないと、著しい融点上昇を招くことから０．５ｗｔ％〜１５ｗｔ％とする。

Ｍｏ：ＭｏはＣｒと同様にＣと結合して複炭化物を形成し、またＢと結合し複硼化物を形成することから耐摩耗性を向上させる。ただしその量が１ｗｔ％より少ないとその効果が不十分であり、５ｗｔ％を超えると皮膜の脆化を招くことからその範囲は１〜５ｗｔ％とする。

Ｃｕ：Ｃｕはマトリックス中に固溶して皮膜全体の強度を高めることと、優れた耐食性を得ることが出来る。ただしその量が１ｗｔ％より少ないとその効果が不十分であり、５ｗｔ％を超えると高温における酸化が激しくなることから、その範囲は１〜５ｗｔ％とする。

このようにして形成された自溶合金溶射被覆層は、肉盛溶接で形成された被覆層に比べ気孔を含みポーラスな状態となっている。しかしこのような気孔が含まれることで、被覆層の加熱冷却過程で生じる熱膨張・収縮を吸収・緩和することが可能となり、被覆層全体の耐割れ性及び耐剥離性を改善する。

また前記のように自溶合金マトリックス中へのＣ固溶量が低下することから被覆層全体の強度も低下する。連続鋳造設備操業環境によるロール表面の凹み変形、曲げ歪み対策および熱亀裂が基材に達した場合の溶射被覆層と基材界面の腐食対策として上記被覆層の下に第１層として１３Ｃｒ系ステンレス鋼等の耐食性に優れた肉盛溶接層を設けることで十分な効果を発揮できる。

以下本発明を実施例によって具体的に説明するが、これによって本発明が限定されることはない。
ＳＮＣＭ２２０素材表面にマトリックス部分が表１に示すような化学組成（ｗｔ％）を有し、Ｃｏをバインダーとした炭化タングステンを２５ｗｔ％含有する溶射皮膜を形成、１０００℃以上でフュージング処理したのち、機械加工にて溶射被覆層厚さ１．５ｍｍにしたヒートチェック試験片（φ１２０×１３２２ｌ）を表２に示す条件でヒートナェック試験を行なった。また一般的に使用されている１３Ｃｒ系マルテンサイトステンレス鋼材料も同様に製作してヒートチェック試験を行なった。

この試験は図１に示す装置により試験片への荷重と加熱、冷却による熱応力でヒートクラックの発生及び亀裂進展に伴う被覆層の剥離を比較できる。この結果を表３に示す。

ＳＳ４００素材上に第１層として１３Ｃｒ系材料を肉盛溶接後、厚さ１．５ｍｍに機械加工した。その後表１に示す材料を上述したのと同じ方法で溶射を行なった後、溶射被覆層厚さ１．５ｍｍに機械加工した熱間摩耗試験片（１５ｗ×５０Ｌ×１０ｔ）を、図２に示す装置で、表４に示す条件で熱間摩耗試験を行なった。

この試験は、上記試験片を相手材としてＳＫＤ−１１（φ３０−４０Ｌ／硬さＨｓ８０〜８５）にある一定荷重、一定時間で押し付け、試験片の摩耗原料及び摩耗痕深さをもって耐摩耗性を評価する方法である。その結果を表５に示す。

表３および表５からわかるように、本発明例１〜４はヒートチェック試験において溶射皮膜層の剥離もなく、さらに耐摩耗性も良好な結果を示し、耐摩耗性、耐剥離性に優れていることが確認された。

一方比較例１〜３は本発明例のマトリックス中Ｃ含有量を増やしたものである。表３および表５からわかるように、Ｃ含有量が増すと溶射被覆層の剥離が生じ、かつ耐摩耗性も炭化タングステンを含有した本発明例と比較して劣ることがわかる。

また比較例４は通常ロール基材に肉盛りされているＦｅ基マルテンサイト系ステンレス鋼であるが、表３および表５からわかるように、被覆層の剥離もなく最大亀裂深さも浅いことから耐熱亀裂性には優れるが、耐摩耗性では本発明例よりもはるかに劣ることがわかる。このように耐摩耗性に極めて優れ、また溶射被覆層の耐剥離性にも優れた本発明例１〜４のようなロールは優れた耐久性を示す。

以上説明したように本発明連続鋳造用ロールは、優れた熱間耐摩耗性を備え、しかも長寿命であり、産業上極めて有用である。

本発明連続鋳造ロールのヒットクラック形状と深さの試験を実施する装置の概要説明図である。 本発明連続鋳造ロールの効果確認のための熱間摩耗試験法を示す概要図である。

符号の説明

１ サンプルロール
２ バーナー
３ 水冷ノズル
４ 荷重負荷油圧機構
５ ロール押さえスタンド
６ モーター駆動部
７ 試験片
８ テストロール
９ バックアップ材
１０ バーナー
１１ 火炎
１２ 駆動源

Claims (4)

1. ロール基材表面に炭化タングステン、炭化クロム、炭化ニオブ、炭化バナジウム等の炭化物或いは１種以上の金属バインダーにより結合された前記炭化物又は複合炭化物粒子又はそれらの混合物を１０〜５０ｗｔ％含有し、残部Ｃ：０．０２〜０．２５ｗｔ％、Ｃｒ：０．５〜１５ｗｔ％含有自溶合金（Ｎｉ基またはＣｏ基）よりなる溶射被覆層が０．５〜３ｍｍ形成されていることを特徴とする連続鋳造用ロール。
2. 自溶合金がさらにＭｏ：１〜５ｗｔ％、Ｃｕ：１〜５ｗｔ％含む請求項１記載の連続鋳造用ロール。
3. 基材と溶射被覆層の間に肉盛溶接層が形成されている請求項１または２記載の連続鋳造用ロール。
4. フュージング処理が施された溶射被覆層である請求項１、２または３記載の連続鋳造用ロール。

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