JP2018202446A - 熱間圧延用複合ロール - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性および耐熱疲労特性に著しく優れ、然も、経済的に優れた遠心鋳造法で製造しても炭化物が偏析しない熱間圧延用複合ロールを提供することを目的とする。【解決手段】質量％で、Ｃ：２．４０〜２．９０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｃｒ：１２．０〜１５．０％、Ｍｏ：４．００〜８．００％、Ｖ：３．００〜８．００％、Ｎｂ：０．５０〜３．００％、Ｗ：１．００％未満（０％を含む）を含有し、かつ、下記（１）式および（２）式を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、さらに、ＭＣ型炭化物とＭ７Ｃ３型炭化物の合計の面積率が１５〜２７％であり、かつ前記ＭＣ型炭化物と前記Ｍ７Ｃ３型炭化物の合計の面積率のうち、前記Ｍ７Ｃ３型炭化物の割合が２割以上である外層と、質量％で、Ｃ：２．５０〜４．００％、Ｓｉ：１．５０〜３．５０％、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｃｒ：２．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｖ：３．００％以下、Ｎｂ：２．００％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋳鉄の内層が、溶着一体化してなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。０．４０≦Ｍｏ／Ｃｒ≦０．６５…（１）Ｃ＋０．２Ｃｒ≦５．９０…（２）ここで、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃは、各元素の含有量（質量％）である。【選択図】なし

Description

本発明は、著しく優れた耐摩耗性および耐熱疲労特性を有し、且つ、遠心鋳造法で製造しても炭化物の偏析の少ない熱間圧延用複合ロールに関するものである。

近年、鋼板の熱間圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、熱間圧延用複合ロールの使用環境は一段と苛酷化している。とくに最近では、高強度鋼板や薄肉製品など、熱間圧延負荷の大きな鋼板の生産量が増大している。このため、使用される熱間圧延用複合ロール特性の向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。このような耐摩耗性向上の要求に対し、外層組成を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質炭化物を多量に分散させて耐摩耗性を格段に向上させたハイス系ロールが開発され、多用されている（例えば、日本鉄鋼協会編「鋼板圧延技術の系譜（圧延品質に影響を与える周辺技術）」等）。

このようなハイス系ロール外層材として、例えば、特許文献１、特許文献２に記載がある。特許文献１に記載されたロール外層材は、質量％で、Ｃ：１．５〜３．５％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．２％以下、Ｎｉ：５．５％以下、Ｃｒ：５．５〜１２．０％、Ｍｏ：２．０〜８．０％、Ｖ：３．０〜１０．０％、Ｎｂ：０．５〜７．０％を含み、かつ、ＮｂおよびＶを、Ｎｂ、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにＮｂとＶの比が特定の範囲内となるように含有する。これにより、遠心鋳造法を適用しても外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性に優れた圧延用ロール外層材となるとしている。

また、特許文献２に記載されたロール外層材は、質量％で、Ｃ：１．５〜３．５％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．２％以下、Ｃｒ：５．５〜１２．０％、Ｍｏ：２．０〜８．０％、Ｖ：３．０〜１０．０％、Ｎｂ：０．５〜７．０％を含み、かつ、ＮｂおよびＶを、Ｎｂ、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにＮｂとＶの比が特定の範囲内となるように含有する。これにより、遠心鋳造法を適用してもロール外層材における偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性が向上し、熱間圧延の生産性向上に大きく貢献するとしている。

また、特許文献３には、ロール表層の耐疲労性に優れたロール外層材が記載されている。特許文献３に記載されたロール外層材では、質量％で、Ｃ：２．２〜２．６％、Ｓｉ：０．２〜０．７％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：５．０〜８．０％、Ｍｏ：４．４〜６．０％、Ｖ：５．３〜７．０％、Ｎｂ：０．６〜１．３％を含み、かつ、Ｍｏ＋Ｖ、Ｃ−０．２４Ｖ−０．１３Ｎｂがそれぞれ特定範囲内となるようにＭｏ、Ｖ、Ｃ、Ｎｂ含有量を調整して含有する。これにより、耐疲労性が顕著に向上し、ロール表面損傷を著しく抑制でき、ロール寿命を向上できるとともに、圧延製品の表面品質の顕著な向上が得られるとしている。

特開平０４−３６５８３６号公報 特開平０５−１３５０号公報 特開２００９−２２１５７３号公報

しかしながら、最近の熱延鋼板（圧延製品）には、更なる薄肉化、高強度化および高品質化が要望されており、熱間圧延負荷の増大は著しく、また生産性向上に伴う連続圧延量の増加など、熱間圧延条件は一層、厳しさを増し、熱間圧延用複合ロールの使用環境はますます苛酷化している。

ハイス系ロールでは、Ｖ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ等の多種類の合金成分が含有されるため、各元素の含有量に応じて種類の異なった複数の炭化物（ＭＣ、Ｍ_６Ｃ、Ｍ_７Ｃ_３、Ｍ_２Ｃ、Ｍ_３Ｃ等）が晶出する。また、上述の合金元素を多量に含有するほど炭化物量が増大するため、好適な組成範囲を見出せば、更に耐摩耗性が向上する可能性を秘めている。しかしながら、鋳造ロールの耐摩耗性を向上させるために多種類の炭化物を多量に生成させると、各々の炭化物の晶出するタイミングや比重の違いに基づいて炭化物の凝固偏析が顕著となり、熱間圧延中にロール表面に偏析模様が発生する。特に仕上圧延機の後段用ロールとして使用すると、圧延される鋼板の表面品質を劣化させるという問題がある。

ここで、製造コスト的に有利な遠心鋳造法でハイス系ロールを製造する場合には、遠心力が付与され、かつ凝固時間が長いため、その他のロール製造方法に比べて炭化物の偏析傾向が一層大きくなる。一方、溶接肉盛り法や連続鋳掛け肉盛り法等（製造コストが大）でハイス系ロールを製造すれば、遠心力が付与されずに、然も、外層材が急速に凝固することから、炭化物の偏析は抑制されるが、ロール製造コストが著しく高くなるという問題がある。

また、熱間圧延用複合ロール（作業ロール）の表面には、被圧延材を熱間圧延するに際し、ロール転動方向に作用するすべり応力、ロール軸方向に作用する転動応力とが熱間で作用し、加えてバックアップロールからの繰返し転動応力が冷却されながら作用することが繰返される。このような熱と応力の繰返し負荷により、作業ロール表層が熱疲労し、ロール圧延面の肌荒れ、疲労疵、表層の欠落ちなど、熱疲労損傷の発生が大きな問題となっている。また、表層の欠落ち、疲労疵等が発生する場合があるという問題もある。

このような問題から、従来は耐摩耗性および耐熱疲労特性を更に著しく向上したハイス系ロールを安価なコストで製造することは困難であった。

そこで本発明は、耐摩耗性および耐熱疲労特性に著しく優れ、然も、経済的に優れた遠心鋳造法で製造しても炭化物が偏析しない熱間圧延用複合ロールを提供することを目的とする。

本発明者らは、（ａ）炭化物の偏析防止、（ｂ）耐摩耗性の著しい向上、（ｃ）耐熱疲労特性の著しい向上、（ｄ）ロールの割損防止、を同時に達成する組成範囲を以下の視点から鋭意検討し、ＶとＮｂを含有した高Ｃｒ−Ｍｏ系組成の外層を有する熱間圧延用複合ロールにおいて、従来ロールでの問題を一挙に解決する好適組成を見出した。

（ａ）炭化物の偏析防止
（ｉ）炭化物の偏析を防止するには、凝固過程でオーステナイトと炭化物の晶出タイミング（晶出温度）の差が小さく、且つ、溶湯との比重差の小さな炭化物を晶出させること、或いは、多種類の炭化物を晶出させないことが有効である。
（ｉｉ）耐摩耗を著しく向上したハイス系ロールを得るための条件は、極めて硬質なＭＣ型炭化物と準硬質相となるＭ_６Ｃ、Ｍ_７Ｃ_３、Ｍ_２３Ｃ_６、Ｍ_２Ｃ、Ｍ_３Ｃ等の共晶炭化物が多量に存在した金属組織を持つことである。ここで、準硬質相である共晶炭化物が多いほど耐摩耗性が向上するが、共晶炭化物の種類が増えると、前述したように炭化物の偏析が助長されるため、多種類の共晶炭化物が共晶しない合金組成を設計することが重要になる。
（ｉｉｉ）高Ｃかつ高Ｃｒの組成とすると、Ｍ_７Ｃ_３を主とするＣｒ系炭化物がコロニー状の共晶炭化物として金属組織中に均一に分散することが、高Ｃｒ鋳鉄において知られている。この知見に基づき、ハイス系ロールの準硬質相としてＭ_７Ｃ_３型炭化物を利用すれば炭化物の偏析を抑制できることを見出した。すなわち、本発明では、準硬質相として主にＭ_７Ｃ_３型炭化物が適量晶出する組成範囲としてＣ：２．４０〜２．９０％、Ｃｒ：１２．０〜１５．０％を選定した。なお、この組成範囲は後述するＭｏ：４．００〜８．００％、Ｖ：３．００〜８．００％、Ｎｂ：０．５０〜３．００％の組成範囲を前提としたものである。また、一般の高速度鋼はＷを含有するが、今回対象とするハイス系ロールにおいてＷを含有すると、Ｍ_７Ｃ_３型と異なった炭化物（Ｍ_５ＣやＭ_２Ｃ等）が出現し、それらが偏析する場合がある。また、Ｗの比重が著しく大きいことから、溶湯と炭化物の比重差を拡大し、炭化物の偏析を一層助長するとともに耐摩耗性を劣化させることが判明した。したがって、本発明ではＷ系炭化物が出現するような量のＷを含有してはならない。
（ｉｖ）Ｖを主体とするＭＣ型炭化物は溶湯よりも比重が小さいため、遠心鋳造した場合には、比重差に基づいてＭＣ型炭化物が遠心分離する問題がある。ＭＣ型炭化物の遠心分離を抑制するには、ＭＣ型炭化物の比重を大きくすることで溶湯との比重差を減少させることが有効である。本発明では、Ｖ主体のＭＣ型炭化物に高比重元素であるＮｂとＭｏを複合させることでＭＣ型炭化物を比重の大きな複合炭化物に改質した。また、溶湯の比重を増加させる作用をもつＷを含有しないという方法でＭＣ型炭化物の遠心分離を防止した。これを達成するため、Ｖ：３．００〜８．００％、Ｎｂ：０．５０〜３．００％、Ｍｏ：４．００〜８．００％、Ｗ：１．００％未満であることを見出した。
（ｂ）耐摩耗性の著しい向上
ハイス系ロールとしての耐摩耗性を発揮するためにはＭＣ型炭化物が必須である。更に、耐摩耗性を著しく向上させるためにはより強い共晶炭化物を多量に存在させることが必要である。本発明では、前述のような偏析に関わる制限条件の中でハイス系ロールの耐摩耗性を更に著しく向上させるために鋭意検討し、ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の適量導入、及びＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の強化を図った。即ち、耐摩耗性を向上させるにはＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計が１５％以上必要であり、これらの炭化物を出現させるため、炭素供給源としてＣを２．４０％〜２．９０％含有し、Ｖ：３．００〜８．００％とＮｂ：０．５〜３％を含有させることにより、ＶとＮｂの複合型ＭＣ型炭化物を出現せしめ、更に適量のＭ_７Ｃ_３型炭化物を出現させるためにＣｒを１２．０〜１５．０％含有させるものである。但し、上記の組成限定だけでは安定的に耐摩耗性を著しく向上させることは不可能であった。そこで、偏析を助長しない範囲で耐摩耗性を向上すべく検討を重ね、Ｍｏの適正配合によって上述のＭＣ型炭化物とＣｒ炭化物が改質されて耐摩耗性が著しく向上することを見出した。即ち、Ｍｏを４．００〜８．００％含有させることにより、ＭＣ型炭化物とＣｒ炭化物中にＭｏが濃化し、各々の炭化物が強靭な複合炭化物に改質される。ここで、Ｃｒ量を多くするほどＭｏの含有量を増量する必要があり、Ｍｏ／Ｃｒで計算される値が０．４０以上０．６５以下であれば耐摩耗性が向上することが判明した。
（ｃ）耐熱疲労特性の著しい向上
耐熱疲労特性の向上、特に疲労亀裂の進展を抑制するには、ロール外層表面に圧縮残留応力を付与することにより亀裂を開口させないようにすることが有効である。本発明のような熱間圧延用複合ロールにおいては、内層に比較して外層の線膨張係数が小さいため、熱処理の冷却過程において、内層に引張、外層に圧縮の残留応力が生じる。なお、この冷却期間中には、内層、および外層は各々相変態による体積膨張を起こすため、結果として生じる内外層の残留応力は、線膨張係数の差の他に変態量の影響も受けたものとなる。したがって、製品段階で外層に適切なレベルの圧縮応力が残留するよう、組成と熱処理パターンの最適な組み合わせを見出す必要がある。このうち、組成の決定に当たっては、外層の線膨張係数が含有する炭化物量に大きく依存する点が重要なポイントとなる。すなわち、炭化物量が少ないと線膨張係数は大きくなり、内層のそれとの差が小さくなるため、残留応力レベルは小さくなる。本発明者らは、熱間圧延に供したロールの疲労層深さの計測と、表面の残留応力の測定を種々のロールについて繰り返し行なった。その結果、圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であれば、疲労亀裂の進展を抑制できることを見出した。さらに、ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計面積率で１５％以上あれば、この圧縮残留応力を安定して確保できることが確認できた。
（ｄ）ロールの割損防止
上述したように耐摩耗性の向上、および疲労亀裂の進展抑止のためには、炭化物量を著しく増加させた熱間圧延用複合ロールを製造することが考えられる。しかし、炭化物量を増加させ過ぎると、鋳込み後にロールが割損したり、熱処理中や圧延使用中にロールが折損する場合がある。割損や折損の原因は、外層の炭化物量が過度に多くなると内層との熱膨張・収縮量の差が拡大して、ロールの熱応力が過大になるためである。この知見から、本発明の熱間圧延用複合ロールでの割損や折損を抑制する限界の炭化物量を検討した結果、ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物を面積率の合計で２７％以下にする必要があることを見出した。なお、ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物を面積率の合計で２７％以下であれば、外層の残留圧縮応力が本発明の所望の範囲（２００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満）を確保できることも確認した。

本発明は上記の知見に基づき完成されたものであり、その要旨は次のとおりである。
［１］質量％で、Ｃ：２．４０〜２．９０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｃｒ：１２．０〜１５．０％、Ｍｏ：４．００〜８．００％、Ｖ：３．００〜８．００％、Ｎｂ：０．５０〜３．００％、Ｗ：１．００％未満（０％を含む）を含有し、
かつ、下記（１）式および（２）式を満足し、
残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、
さらに、ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率が１５〜２７％であり、かつ前記ＭＣ型炭化物と前記Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率のうち、前記Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の割合が２割以上である外層と、
質量％で、Ｃ：２．５０〜４．００％、Ｓｉ：１．５０〜３．５０％、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｃｒ：２．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｖ：３．００％以下、Ｎｂ：２．００％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋳鉄の内層が、
溶着一体化してなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
０．４０≦Ｍｏ／Ｃｒ≦０．６５…（１）
Ｃ＋０．２Ｃｒ≦５．９０…（２）
ここで、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃは、各元素の含有量（質量％）である。
［２］さらに前記外層は、質量％で、Ｎｉ：１．００％以下、Ｃｏ：１．００％未満のうちから選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする［１］に記載の熱間圧延用複合ロール。
［３］前記外層のロール軸方向の圧縮残留応力が、２００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満であることを特徴とする［１］または［２］に記載の熱間圧延用複合ロール。
［４］前記外層と前記内層は、中間層を介して溶着一体化し、前記中間層は、質量％で、Ｃ：０．８０〜３．００％、Ｓｉ：０．３０〜３．００％、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｃｒ：１０．０％以下、Ｍｏ：４．００％以下、Ｖ：５．００％以下、Ｎｂ：３．００％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする［１］〜［３］のいずれかに記載の熱間圧延用複合ロール。
［５］中間層材への外層混入比を５〜５０％とし、かつ、内層材への中間層混入比を５〜２０％とすることを特徴とする［４］に記載の熱間圧延用複合ロール。

本発明によれば、耐摩耗性および耐熱疲労特性に著しく優れ、然も、経済的に優れた遠心鋳造法で製造しても炭化物が偏析しない熱間圧延用複合ロールを提供することができる。

図１は、本発明のロールを示す模式図であり、（Ａ）はロール中心軸を通る位置のロール長手方向断面図、（Ｂ）はロール長手方向中央のロール径方向断面図である。

まず、本発明の熱間圧延用複合ロールの外層の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は、とくに断らない限り、単に％と記す。

Ｃ：２．４０〜２．９０％
Ｃはロールの耐摩耗性を向上するための炭化物形成に必須な元素である。２．４０％未満では炭化物量が不足して優れた耐摩耗性を得ることができない。一方、２．９０％を超えると炭化物量が過多となるとともに、炭化物の偏析が発生する。

Ｓｉ：０．１０〜０．５０％
Ｓｉは脱酸および鋳造性確保のために、０．１０％以上含有する。一方、０．５０％を超えて含有しても効果が飽和する。なお、好適範囲は０．２０〜０．４０％である。

Ｍｎ：０．１０〜０．８０％
Ｍｎは溶湯中のＳをＭｎＳとして固定し、Ｓの悪影響を除去する。このため、Ｍｎは０．１０％以上含有する。０．８０％を超えて含有してもその効果が飽和する。なお、好適範囲は０．２０〜０．６０％である。

Ｃｒ：１２．０〜１５．０％
Ｃｒは、コロニー状のＭ_７Ｃ_３型炭化物を適量出現させ、耐摩耗性と耐肌荒れ性を向上させるために１２．０％以上含有する必要がある。１２．０％未満ではＣｒ炭化物が不足し、耐摩耗性の劣化とロール肌荒れが発生する。また、１５．０％を超えると、針状のＣｒ炭化物が晶出するとともに炭化物の偏析が発生するため、圧延鋼板表面品質を劣化させる原因となる。なお、好適には１２．０〜１４．０％である。

Ｍｏ：４．００〜８．００％
ＭｏはＭＣ型炭化物およびＭ_７Ｃ_３型炭化物中に濃化してそれらの炭化物を強化し、ロールの耐摩耗性を著しく向上する効果を持つ。同時に、ＭＣ炭化物の偏析を抑制する効果を持つ。これらの効果を得るためにＭｏは４．００％以上必要である。一方、Ｍｏが８．００％を超えると、Ｍｏ系の炭化物が多量に出現し、炭化物の偏析を助長するとともに耐摩耗性の著しい劣化をもたらす。なお、好適には５．００〜７．００％である。

Ｖ：３．００〜８．００％
Ｖは硬質なＭＣ型炭化物を形成させ、ハイス系ロールとしての一定レベルの耐摩耗性を得るために必須な元素である。その効果を得るためには３．００％以上必要である。一方、８．００％を超えると溶湯の融点を上昇させるとともに溶湯に流動性を低下させ、ロール製造上の問題を発生させる。なお、好適には４．００〜６．００％である。

Ｎｂ：０．５０〜３．００％
ＮｂもＭＣ型炭化物形成元素であり、ＭｏをＭＣ型炭化物中に濃化させる作用がある。Ｎｂを含有することによって、ＭＣ型炭化物をより強靭な（Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ）Ｃ系の複合ＭＣ型炭化物に改質し、耐摩耗性を著しく向上する。また、複合ＭＣ型炭化物となることによってその比重が溶湯の比重に近づくため、ＭＣ型炭化物の偏析が抑制される。その効果を得るためには、Ｎｂは０．５０％以上必要である。一方、３．００％を超えて含有するとＮｂ系の炭化物が独自に晶出し、炭化物の偏析を助長する。なお、好適には１．００〜２．００％である。

Ｗ：１．００％未満（０％を含む）
本発明では、Ｗの含有は耐摩耗性を向上する効果がないばかりか、炭化物の偏析を助長する弊害を及ぼすため、Ｗを含有することは好ましくないため、含有しなくても良い（含有量が０％）。なお、溶解原料等から不可避的に含有されるような場合でも、なるべく弊害を少なくするため、Ｗは１．００％未満、好適には０．５０％未満になるように、溶解原料を変更することが必要である。

本発明では、各成分を上記範囲で含有し、さらに、下記（１）式および（２）式を満足するように調整して含有する。
０．４０≦Ｍｏ／Ｃｒ≦０．６５…（１）
Ｃ＋０．２Ｃｒ≦５．９０…（２）
ここで、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃは、各元素の含有量（質量％）である。

本発明者らが鋭意検討した結果、Ｍｏ／Ｃｒで計算される値が０．４０以上になると顕著に耐摩耗性が向上することが判明したため、本発明では、０．４０≦Ｍｏ／Ｃｒとする。一方で、Ｍｏ／Ｃｒで計算される値が０．６５を超えると、Ｍｏ系の炭化物が多量に出現し、炭化物の偏析を助長するとともに耐摩耗性の著しい劣化をもたらす。なお、好適には０．４５≦Ｍｏ／Ｃｒ≦０．６０である。

また、Ｃ＋０．２Ｃｒで計算される値が５．９０を超えると、針状のＣｒ炭化物が晶出するとともに炭化物の偏析が発生するため、圧延鋼板表面品質を劣化させる原因となる。

上気した成分が基本の成分である。基本成分に加えて、下記の選択元素を含有しても良い。

Ｎｉ：１．００％以下
Ｎｉは本発明の必須元素ではないが、焼入れ性を向上させ、ロール焼入れ時の操作範囲を広げる作用をもつことから、必要に応じて含有してもよい。但し、１．００％を超えて含有しても効果が飽和するとともに、不安定な残留γの形成を促進するため、１．００％以下とすることが好ましい。なお、Ｎｉを含有する場合は、焼入れ性向上効果が明瞭になる含有量として、０．２％以上含有することが好ましい。

Ｃｏ：１．００％未満
Ｃｏは、本発明の必須元素ではないが、高温における組織を安定化させる働きがあり、また、熱膨張率を減少させる効果もあるため、含有してもよい。但し、本発明のロールの耐摩耗性、耐肌荒れ性を向上する作用は小さく、ロールの特性向上に対するメリットは低いため、経済性の観点から１．００％未満とすることが好ましい。なお、Ｃｏを含有する場合は、高温特性向上効果が明瞭になる含有量として、０．２％以上含有することが好ましい。

上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。

次に、本発明の外層の炭化物含有量は以下のように定められる。

ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率が１５〜２７％
優れた耐摩耗性、ならびに耐熱疲労特性を得るためには、ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計が面積率で１５％以上必要である。一方で、合計の面積率が２７％を超えるとロールが割損しやすくなる。なお、ＭＣ炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率が１５〜２７％であれば、後述する外層の初径表面におけるロール軸方向の圧縮残留応力を２００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満に確保できる。

ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率のうち、Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の割合が２割以上
ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率のうち、Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の割合を２割以上にすると、耐摩耗性が著しく向上するとともに、ロール或いは圧延鋼板の表面性状も向上する。また、ロールの熱膨張を抑制して通板性を向上させる効果もある。Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の割合が２割未満ではその効果が得られない。

次に、本発明の熱間圧延用複合ロールの内層（内層材）について説明する。中実一体の複合ロールを鋳造で製造する点から、内層には鋳造性が良好で凝固収縮量の少ない鋳鉄を選定する。ここで鋳鉄とは、Ｃの含有量が２％以上のＦｅ−Ｃ合金であり、その組織により、片状黒鉛鋳鉄（ねずみ鋳鉄）、ＣＶ黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）、合金鋳鉄、白鋳鉄等に区別される。本発明では、機械的特性および加工性に優れた球状黒鉛鋳鉄を適用することが望ましい。

なお、強度の確保等、必要な特性を満足させるためには、外層成分の混入を抑える必要がある。後述するように、中間層を設けることにより、外層成分、特にＣｒの内層への混入を大きく低下せしめ得るが、完全には防止できない。したがって、このＣｒ％の上昇分を考慮して、内層の化学成分およびその成分割合を選択する必要がある。

以下に、内層の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は、とくに断らない限り、単に％と記す。

Ｃ：２．５０〜４．００％
Ｃが２．５０％未満では黒鉛の量が少なくなり、引け巣が発生し易くなる。一方、４．００％を超えて含有させると脆弱となるため、２．５０〜４．００％の範囲に規定する。

Ｓｉ：１．５０〜３．５０％
Ｓｉが１．５０％未満では黒鉛の量が少なくなり、セメンタイトが多く晶出するために、硬くて脆くなる。一方、３．５０％を超えると、黒鉛量が多くなり過ぎて強度の低下をきたすので、１．５０〜３．５０％の範囲に規定する。

Ｍｎ：１．５０％以下
ＭｎはＳの害を抑えるのに有効である。しかしながら、１．５０％を超えると、材質を脆化させるので、１．５０％以下の範囲に規定する。なお、０．３０％未満ではその効果が十分ではない。そのため、０．３０％以上であることが好ましい。

Ｃｒ：２．００％以下
Ｃｒは低い程望ましいが、中間層が設けられていても、Ｃｒのある程度の内層の混入は避けられず、２．００％までは許容できる。２．００％を超えて含有させるとセメンタイト量が多くなり、材質強度と靭性が著しく劣化する。

Ｍｏ：１．００％以下
Ｍｏは基地硬さを高める効果を有する。しかしながら、１．００％を超えると脆くなり、また不経済でもある。したがって、１．００％以下とする。

Ｖ：３．００％以下、Ｎｂ：２．００％以下
ＮｂとＶは、微細な炭化物を均一に分散させ、内層の強度を向上させると共に、ロール内層で構成されるロールの軸部の耐摩耗性も改善する。但し、Ｖが３．００％、Ｎｂが２．００％をそれぞれ超えて含有されると、内層の鋳造性が著しく劣化し、また硬化脆化が顕著になる。

上記した成分が基本の成分である。基本成分に加えて、下記の選択元素を含有しても良い。

Ｎｉ：５．０％以下
Ｎｉは強度を増加させるが、５．０％を超えて含有しても顕著な効果がない。よって、５．０％以下が好ましい。なお、Ｎｉを添加する場合には、０．３％未満ではその効果が不十分である。

上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。なお、不可避的不純物としては、Ｐ：０．１％以下、Ｓ：０．０４％以下が許容できる。Ｐは不純物であり、０．１％を超えて含有すると材質を脆弱にする。また、Ｓは黒鉛の球状化を阻害するため低く抑える必要があり、０．０４％以下とする。

本発明では、外層のロール軸方向の圧縮残留応力を、２００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満とすることが好ましい。上述したように、耐熱疲労特性の向上、特に疲労亀裂の進展を抑制するには、ロール外層表面に圧縮の残留応力を付与することにより亀裂を開口させないようにすることが有効である。熱間圧延用複合ロールにおいては、内層に比較して外層の線膨張係数が小さいため、熱処理の冷却過程において、内層に引張、外層に圧縮の残留応力が生じる。また、この冷却期間中には、内層、および外層は各々相変態による体積膨張を起こすため、結果として生じる内外層の残留応力は、線膨張係数の差に加えて変態量の影響も受けたものとなる。したがって、製品段階で外層に適切なレベルの圧縮応力が残留するよう、組成と熱処理パターンの最適な組み合わせを見出す必要がある。本発明者らは、熱間圧延に供したロールの疲労層深さの計測と、表面の残留応力の測定を種々のロールについて繰り返し行なった。その結果、疲労亀裂の進展を顕著に抑制し得る圧縮残留応力が２００ＭＰａ以上であることを見出した。さらに、前述したような、外層におけるＭＣ炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計面積率で１５％以上あれば、この圧縮残留応力レベルを安定して確保できる。一方で、圧縮残留応力が４００ＭＰａ以上では、ロールの折損リスクが高くなる。

また、本発明におけるロール外層表面の残留応力の測定は、オンサイト型のＸ線残留応力測定装置により行うことができる。Ｘ線残留応力測定には、回折Ｘ線の検出方法と残留応力値の演算方法により、複数の種類があるが、いずれも基本的な原理（無応力状態のロール外層材料の格子定数からのズレを測定し、応力に換算）は同一であり、本発明で適用可能である。具体的な測定方法としては、内外層を鋳造し、所定の熱処理が完了した後、少なくとも熱処理で生成した外層表面の酸化層を、機械加工により除去した段階のロール材について実施する。まず、測定する外層表面位置を決め、その位置を含む５ｍｍφ程度の領域を電解エッチングする。電解エッチングは、前段階の機械加工による影響層を除去するため実施する。電解エッチング深さは、電解エッチング前の表面状態によるが、２００μｍから５００μｍ程度である。次に電解エッチングした領域にＸ線を照射して測定を行なう。ロール外層材料は、基地と炭化物とで構成されるが、基地でない部位にＸ線が照射されると、不正確な測定値が得られる場合がある。このため、１箇所の電解研磨領域内で、３点以上の位置で測定を行なうことが望ましい。なお、ロール外層表面内での残留応力測定位置は、ロール軸方向の中央を代表位置とすればよい。また、軸方向中央位置で異なる周方向位置でも測定を行なえば、測定値の確度がより高くなるので望ましい。

ロールの外層と内層を直接、溶着一体化させると、内層に外層の合金成分が多量に混入し、内層が硬化脆化する場合がある。特に、内層を球状黒鉛鋳鉄にした場合、内層の硬化脆化が顕著となる。このような場合、外層の合金成分の内層への混入を抑制するため、外層と内層の間に中間層を設けることが好ましい。本発明の熱間圧延用複合ロール（製品）の中間層は、外層の合金成分が混入するため、合金元素含有が高くなる。中間層の顕著な高合金化は脆化によるロール割損の原因となる。したがって、中間層の合金組成は、以下の範囲にすることが好ましい。

Ｃ：０．８０〜３．００％
Ｃは基地中に溶け込んで強度を確保する。Ｃが０．８０％未満ではその効果が不十分であり、一方、３．００％を超えると、炭化物が多くなり強靭性が劣化する。よって、Ｃは０．８０〜３．００％が好ましい。

Ｓｉ：０．３０〜３．００％
Ｓｉは、硬脆化の抑制と鋳造性確保のために、０．３０％以上であることが好ましい。３．０％を超えて含有してもその効果が飽和する。よって、０．３０〜３．００％が好ましい。

Ｍｎ：１．５０％以下
Ｍｎは材質強度を向上させる効果がある。しかしながら、１．５０％を超えても効果が飽和するため、１．５０％以下が好ましい。

Ｃｒ：１０．０％以下
Ｃｒは炭化物を形成して材質を脆化させるため低い方が望ましい。このため、外層のＣｒ量が著しく高い場合でも、１０．０％以下にすることが好ましい。

Ｍｏ：４．００％以下
ＭｏはＮｉと同様に強靭性確保の点で重要な元素である。しかしながら、４．００％を超えても材質を脆化させるため、４．００％以下が好ましい。

Ｖ：５．００％以下、Ｎｂ：３．００％以下
ＶとＮｂは、中間層の強度を向上する作用がある。但し、Ｖが５．００％、Ｎｂが３．００％をそれぞれ超えて含有されると、中間層にミクロ的な引け巣が形成され易くなり、中間層の強度を著しく劣化させる。

なお、脱酸剤として、上記以外にＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒをそれぞれ０．１％以下含有してもよい。

また、強度および靭性を確保するため、Ｎｉを５．００％以下含有してもよい。５．００％を超えても効果が飽和するため、５．００％以下が好ましい。

上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。なお、不可避的不純物としては、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０３％以下が許容できる。Ｐは溶湯の流動性を増加させるが、材質を脆弱にするため低いほど良く、０．０５％以下とするのが好適である。ＳはＰと同様に材質に脆弱にするため、その含有量は低いほど良く、０．０３％以下とするのが好適である。

本発明の熱間圧延用複合ロールにおいては、中間層を設ける場合、外層、中間層および内層を冶金学的に結合させるために、外層の内面側と中間層材を混合させること、中間層の内面側と内層材を混合させることが不可欠である。しかしながら、内層と中間層の優れた強靭性を損なうまで過度に外層を混入させてはならない。中間層は、外層の内層への混入を抑制するために設けているものの、それでも外層は中間層を介して内層へ混入する。

そこで、本発明においては、中間層材への外層混入比を５〜５０％とするのが好ましい。外層混入比が５％未満では、外層と中間層の境界に未溶着或いは介在物等の鋳造欠陥が発生し易くなり、境界部の健全性を確保できない。また外層混入比が５０％を超えると、外層に含有する炭化物形成元素（特にＣｒ）が多量に混入し、中間層の靭性が損なわれる。

また、本発明においては、内層材への中間層混入比を５〜２０％とするのが好ましい。中間層混入比が５％未満では、中間層と内層の境界に未溶着或いは介在物等の鋳造欠陥が発生し易くなり、境界部の健全性を確保できない。一方、中間層混入比が２０％を超えると、内層と中間層の結合状態を改善する効果が飽和する。また、中間層に含有される炭化物形成元素（特にＣｒ）が内層に多量に混入し、内層が著しく脆化して、ロールが割損する原因となる。

なお、「中間層材への外層混入比」とは、中間層鋳造時に外層が再溶解することにより、中間層の鋳込み組成に外層の成分がどれだけ混入するかを管理する値である。即ち、成分偏析を起こしにくいＣｒに着目してロール外層のＣｒ量を（ａ質量％）、中間層の鋳込みＣｒ量を（ｂ質量％）、鋳造後のロール中間層のＣｒ量を（ｃ質量％）とした場合、「中間層材への外層混入比」は以下のように定義される。
「中間層材への外層混入比」＝（（ｃ質量％）−（ｂ質量％））／（（ａ質量％）−（ｂ質量％））×１００％
また、「内層材への中間層混入比」とは、内層鋳造時に中間層が再溶解することにより、内層の鋳込み組成に中間層の成分がどれだけ混入するかを管理する値である。即ち、成分偏析を起こしにくいＣｒに着目して鋳造後のロール中間層のＣｒ量を（ｃ質量％）、内層の鋳込みＣｒ量を（ｄ質量％）、鋳造後のロール内層のＣｒ層を（ｅ質量％）とした場合、「内層材への中間層混入比」は以下のように定義される。
「内層材への中間層混入比」＝（（ｅ質量％）−（ｄ質量％））／（（ｃ質量％）−（ｄ質量％））×１００％
また、「中間層材」、「内層材」の用語は、「鋳込み前の溶湯」を意味し、「外層」、「中間層」、「内層」の用語は「凝固後」のものを意味する。

つぎに、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい製造方法について説明する。

本発明の熱間圧延用複合ロールの外層の製造方法は、エネルギーコストの低い安価な、遠心鋳造法とすることが好ましい。

まず、内面にジルコン等を主材とした耐火材で被覆された、回転する鋳型に、上記した外層組成の溶湯を、所定の肉厚となるように、注湯し、遠心鋳造する。そして、中間層を形成する場合には、外層の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することが好ましい。外層あるいは中間層が完全に凝固したのち、鋳型の回転を停止し鋳型を立ててから、内層を静置鋳造して、熱間圧延用複合ロールとすることが好ましい。これにより、外層の内面側が再溶解され外層と内層、あるいは外層と中間層、中間層と内層とが溶着一体化した熱間圧延用複合ロールとなる。

本発明の熱間圧延用複合ロールは、鋳造後、熱処理を施されることが好ましい。熱処理は、焼入れ温度：９５０〜１１５０℃の範囲で選ばれた温度に加熱し空冷あるいは衝風空冷して、２００℃〜４５０℃で焼入れを停止させる焼入れ処理と、さらに焼戻し温度：４５０〜６００℃の範囲で選ばれた温度に加熱保持したのち冷却する焼戻し処理を２回以上施す熱処理とすることが好ましい。このような熱処理を施すことにより、本発明の熱間圧延用複合ロールにおいて、外層の初径表面における残留圧縮応力が２００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満となる。

本発明における遠心鋳造製ロールは、図１に示すような構成であり、本発明のロールの製造方法について説明する。

先ず、遠心力鋳造機の上で回転し、内面に耐火材を被覆した金属製鋳型の中に、外層１を形成すべき溶湯を鋳込んだ後、その外層１の内面に中間層２を鋳込む。この両者、即ち、外層１、及び中間層２が完全に凝固後、この鋳型を垂直に立てて、上部から内層３を鋳込み、この外層１、中間層２、及び内層３を完全に冶金学的に結合させて一体のロールとする。尚、外層１と中間層２の両者が完全に凝固し終らなくても、内面の一部が未凝固の状態でそれらを水平又は傾斜させた姿勢で、適当な方法により内層３を鋳込んでも良い。

（実施例１）
ロール外層に相当する表１に示す成分組成の溶湯にて、肉厚１００ｍｍの試料を遠心鋳造した。なお、焼入れ前に試料断面の組織を観察することで、炭化物の偏析有無を判定した。偏析判定方法は下記のとおりである。

鋳込み表面から肉厚方向に１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、および５０ｍｍの位置について組織観察し、各々画像処理により全炭化物面積率の測定（後述）を行なう。５か所の測定値のうち、最大値を最小値の差が１５ポイント以上ある場合を偏析ありとした。（例えば、２０ｍｍ位置、および３０ｍｍ位置の全炭化物面積率が、それぞれ３０％、および１０％の場合、これらの差は２０ポイントで「偏析あり」と判定される。）
次に、１０５０℃から焼入れ、５５０℃で焼戻し処理を行なった後、炭化物の面積率の測定試験片と摩耗試験片を作成した。

炭化物の面積率は、画像解析装置を用いて以下の方法で測定し、最大径１μｍ以上の炭化物を定量した。

＜炭化物の面積率＞
本発明における炭化物の面積率の測定方法を以下に示す。なお、本発明のロール材には、主としてＭＣ、Ｍ_７Ｃ_３型およびＭ_２Ｃ型あるいはＭ_６Ｃ型の炭化物が存在する。一方で、Ｃｒ含有量が大きいためＭ_３Ｃ型炭化物はほとんど存在しない。
１．全炭化物量（面積率）の測定
試料表面を鏡面仕上げ研磨し、５％硝酸アルコール溶液、或いは塩酸−ピクリン酸アルコール溶液、或いは王水に浸漬すると基地が腐食される。腐食面を光学顕微鏡で観察すると基地部は黒色、炭化物は白色に見えるため、画像解析装置を用いて白部の面積を測定する方法で、全炭化物量（面積率）を測定した。なお、腐食しても基地部が十分に黒くならない場合、腐食面を黒色の鉛筆で均一にベタ塗りし、表面をガーゼ等で軽くふくと黒（基地）、白（炭化物）がはっきりする。
２．ＭＣ型炭化物量（面積率）の測定
ＭＣ型炭化物は鏡面仕上げ（ノーエッチ）のままの場合、光学顕微鏡で灰色に見える。この状態で灰色部の面積を画像解析装置にて測定することにより、ＭＣ型炭化物量（面積率）を測定した。
３．Ｍ_２Ｃ型およびＭ_６Ｃ型炭化物量（面積率）の測定
試料表面を鏡面仕上げ研磨し、村上試薬（水：１００ｍｌに対し、水酸化カリウム：１０ｇおよびフェリシアン化カリウム：１０ｇを添加した水溶液）によって３〜５秒腐食するとＭ_２Ｃ型およびＭ_６Ｃ型炭化物が黒く着色する。この状態で画像解析装置にて黒色部の面積を測定することにより、Ｍ_２Ｃ型およびＭ_６Ｃ型の炭化物量（面積率）を測定した。
４．Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の面積率
１で求めた全炭化物量から２、３で求めたＭＣ型炭化物量と、Ｍ_２Ｃ型およびＭ_６Ｃ型炭化物量をそれぞれ差し引いた値をＭ_７Ｃ_３型炭化物量とした（下記式）。
（Ｍ_７Ｃ_３型炭化物量）＝（全炭化物量）−（ＭＣ型炭化物量＋Ｍ_２Ｃ型およびＭ_６Ｃ型炭化物量）
５．ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率
１で求めた全炭化物量から３で求めたＭ_２Ｃ型およびＭ_６Ｃ型炭化物量を差し引いた値をＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率とした（下記式）。
（ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率）＝（全炭化物量）−（Ｍ_２Ｃ型およびＭ_６Ｃ型炭化物量）
＜摩耗試験＞
摩耗試験は、相手材（Ｓ４５Ｃ）と試験片の２円盤のすべり摩耗方式で、相手材９００℃に加熱し、試験片を水冷しながら８００ｒｐｍで回転させ、試験片と相手材のすべり率を１４．２％として、荷重１００ｋｇで１５分間圧接した。この試験を、相手材を替えて１２回行なった後の試験片の摩耗量を測定した。

炭化物の偏析有無および摩耗試験の結果を表１に示す。

本発明材は、炭化物の偏析がなく、その結果、極めて優れた耐摩耗性を示した。

一方、比較材Ｂ−１およびＢ−２は、Ｍｏ量が本発明の成分範囲を超え、またＭｏ／Ｃｒも本発明の範囲を満たしていない。このため、炭化物が偏析するとともに耐摩耗性が悪化した。また、比較材Ｃ−１〜Ｃ−３は、Ｃ或いはＣｒが不足するとして本発明の成分範囲を満たさず、また、炭化物量も本発明の範囲を満たさない例である。いずれも、炭化物の偏析は認められないものの耐摩耗性が著しく悪化した。なお、比較材Ｃ−１〜Ｃ−２は、Ｍｏ／Ｃｒも本発明の範囲を満たさない。

比較材Ｃ−４は、Ｍｏ／Ｃｒが小さく、本発明の範囲を満たさない例である。炭化物の偏析は認められないが耐摩耗性が著しく悪化した。

比較材Ｃ−５〜Ｃ−８は、Ｃ或いはＣｒが過多となって本発明の範囲を満たさない例であり、針状の炭化物とコロニー状の炭化物が肉厚方向に分離して偏析していた。

比較材Ｃ−９は、Ｃ＋０．２Ｃｒの値が６．２を超えたために炭化物が偏析し、またＭｏおよびＭｏ／Ｃｒの不足により、耐摩耗性も著しく悪化した。

比較材Ｄ−１は、Ｎｉが過剰に含有されたため、本発明の成分範囲を満たさない例であり、耐磨耗性が悪化した。比較材Ｄ−２は、Ｗが本発明の成分範囲を満たさない例であり、炭化物が偏析すると共に耐磨耗性も悪化した。

（実施例２）
表２に示す成分組成の外層、中間層および内層を溶解し、胴径φ６７０ｍｍ、胴長１４５０ｍｍ、の熱間圧延ロール２本を、以下の手順で製造した。
（１）遠心力１４０Ｇで回転する鋳型内に外層として肉厚７５ｍｍに相当する溶湯を鋳込んだ。
（２）外層の鋳込み完了から１２〜１８分後に、外層の内面に肉厚４０ｍｍに相当する量の中間層を鋳造して外層の内面を再溶解させ、中間層と一体溶着させた。
（３）外層の鋳込み完了から４０〜４６分後に鋳型の回転を停止し、内層を鋳造することによって外層−中間層−内層を一体溶着させた。
（４）外層の表面温度が６０℃以下になるまで冷却した後、鋳型を解体した。
（５）熱処理として、９５０℃〜１１５０℃から焼入れ、２００℃〜４５０℃で焼入れを停止させた後、引き続き４５０℃〜６００℃で２〜４回焼き戻しを行った。なお、比較ロール４については、９５０℃〜１１５０℃から焼入れ、１００℃〜２００℃で焼入れを停止させた後、引き続き４５０℃〜６００℃で１回焼き戻しを行った。

得られた熱間圧延用複合ロールについて、引張強度、圧縮残留応力およびクラック深さを測定した。

＜引張強度＞
内層について、引張強度を測定した。熱処理後のロールの軸端部、軸半径の１／２位置よりＪＩＳ Ｚ ２２０１に従い引張試験片を２本づつ採取して実施した。なお、５００ＭＰａ以上（ロール２本分の平均値）を合格とした。

＜圧縮残留応力＞
本発明におけるロール外層表面の残留応力の測定は、オンサイト型のＸ線残留応力測定装置により行なった。熱処理後の熱間圧延用複合ロール２本について、熱処理で生成した外層表面の酸化層を機械加工により除去した。除去後のロール材について、胴中央の２か所を深さ２５０μｍ電解エッチングし、電解エッチングした２箇所の内側を各々３回づつ（ロール１本について６回測定）、ロール軸方向成分を測定した。ロール２本分の平均値を圧縮残留応力とした。

＜クラック深さ＞
各ロールについて、実際の熱間圧延仕上げミルで使用し、Ｆ１スタンドで使用されるロール表面の疲労亀裂深さ（クラック深さ）を測定し、耐熱疲労特性を判断した。疲労亀裂の測定は、圧延１サイクルごと、ロール研削前の使用後ロールについて、胴中央表面の一部を亀裂が消失するまで１０μｍづつ研削することによって実施した（亀裂が消失した時点の研削深さを亀裂深さとする）。この測定を繰り返し、圧延量１００００ｔｏｎあたりの亀裂深さとして換算した。なお、比較ロール４は、製造した２本（１セット）のロールのうち、１本が熱処理中に折損したため、熱間圧延仕上げミルでの使用には至らなかった。また、比較ロール１は、製造した２本（１セット）のロールのうち、１本が、熱間圧延仕上げミルでの使用中に外層が割れる（割損）トラブルが発生したため、その時点で使用を中止した。

結果を表２に示す。

比較ロール４のうち１本は、上述したように熱処理中に内層から折損した。それ以外のロールは、折損を起こすことなく熱処理を完了した。また、胴部を超音波探傷法で検査したが、中間層及びその近傍へのザク巣などの欠陥も無く、内部性状も健全であった。なお、比較例４のロールについては、１セット２本のうち、１本が熱処理中に折損したので、残りの１本のみについての測定結果を表記している。

本発明例１〜３は、本発明の範囲内の圧縮残留応力値を示しているが、比較例４は本発明の範囲を超えた高い圧縮残留応力値、比較例３は本発明の範囲に満たない低い圧縮残留応力値となっている。比較例４のロール１本は熱処理中に折損しているが、これは残留応力が高いと、ロール内に何らかの欠陥が存在した場合、その欠陥を起点とした破壊が生じるリスクが高いことを示している。また、比較例１のロール１本は熱延使用中に１本割損しているが、ＭＣ＋Ｍ_７Ｃ_３の値が本発明の限定範囲を超えて高くなっているため、靭性の低い炭化物を亀裂が伝播して割れやすくなるためと推定される。また、外層内の炭化物が多くなると内外層の線膨張係数差が大きくなり、残留応力も大きくなりやすい。外層の圧縮残留応力は、ロール表面に対して垂直な方向の亀裂はこの進展を抑える効果があるが、亀裂の方向がロール表面に対して斜めになると、亀裂を進展させるよう働くとの説もあり、これらが相乗して作用し割損に至ったと推定される。

また、本発明のロールは、比較ロール２および比較ロール３のクラック深さより大幅に浅く、優れた耐熱疲労特性を示した。また、本発明ロール１〜３、および比較ロール２と３の圧縮残留応力値とクラック深さの関係を見ると、圧縮残留応力値が大きいほどクラック深さが浅い傾向となっており、圧縮残留応力値を適正な範囲に管理することで、耐熱疲労特性を安定させることが可能になると考えられる。

以上より、本発明によれば、外層を形成する合金成分を適正化し、炭化物組成を限定するとともに、外層表面の残留応力値を適正な範囲に管理することにより、耐摩耗性や耐熱疲労性に著しく優れたロールを得ることができる。然も、経済的に優れた、遠心鋳造法で製造しても炭化物の偏析がない外層にするとともに、内層に鋳鉄系材料で最も強靭な球状黒鉛鋳鉄を使用し、外層と内層との間に中間層を設けて、それらを完全に冶金学的に結合させて一体とした遠心鋳造製高性能ロールを得ることができる。

１ 外層
２ 中間層
３ 内層

Claims (5)

1. 質量％で、Ｃ：２．４０〜２．９０％、Ｓｉ：０．１０〜０．５０％、Ｍｎ：０．１０〜０．８０％、Ｃｒ：１２．０〜１５．０％、Ｍｏ：４．００〜８．００％、Ｖ：３．００〜８．００％、Ｎｂ：０．５０〜３．００％、Ｗ：１．００％未満（０％を含む）を含有し、
   かつ、下記（１）式および（２）式を満足し、
   残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、
   さらに、ＭＣ型炭化物とＭ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率が１５〜２７％であり、かつ前記ＭＣ型炭化物と前記Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の合計の面積率のうち、前記Ｍ_７Ｃ_３型炭化物の割合が２割以上である外層と、
   質量％で、Ｃ：２．５０〜４．００％、Ｓｉ：１．５０〜３．５０％、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｃｒ：２．００％以下、Ｍｏ：１．００％以下、Ｖ：３．００％以下、Ｎｂ：２．００％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋳鉄の内層が、
   溶着一体化してなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
   ０．４０≦Ｍｏ／Ｃｒ≦０．６５…（１）
   Ｃ＋０．２Ｃｒ≦５．９０…（２）
   ここで、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃは、各元素の含有量（質量％）である。
2. さらに前記外層は、質量％で、Ｎｉ：１．００％以下、Ｃｏ：１．００％未満のうちから選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延用複合ロール。
3. 前記外層のロール軸方向の圧縮残留応力が、２００ＭＰａ以上４００ＭＰａ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱間圧延用複合ロール。
4. 前記外層と前記内層は、中間層を介して溶着一体化し、前記中間層は、質量％で、Ｃ：０．８０〜３．００％、Ｓｉ：０．３０〜３．００％、Ｍｎ：１．５０％以下、Ｃｒ：１０．０％以下、Ｍｏ：４．００％以下、Ｖ：５．００％以下、Ｎｂ：３．００％以下を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱間圧延用複合ロール。
5. 中間層材への外層混入比を５〜５０％とし、かつ、内層材への中間層混入比を５〜２０％とすることを特徴とする請求項４に記載の熱間圧延用複合ロール。

Images