JP2635973B2

JP2635973B2 - 高硬度黒鉛晶出高クロム複合ロール

Info

Publication number: JP2635973B2
Application number: JP62193938A
Authority: JP
Inventors: 隆橋本; 博彰片山; 長森川; 信朗前家
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1987-08-03
Filing date: 1987-08-03
Publication date: 1997-07-30
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JPS6439346A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、圧延使用層たる外層を高硬度耐焼付性およ
び耐摩耗性に優れ、特に残留応力を低く構成した黒鉛晶
出高クロム鋳鉄材で形成した複合ロールに関する。

（従来の技術とその問題点）高クロムロール材は、冶金学的には組織中に高硬度の
M₇C₃型クロム炭化物を含んでおり、耐摩耗性に優れるの
が特徴である。かかる高クロムロール材によって圧延使
用層たる外層が形成された複合ロールは、ホットストリ
ップミル用ワークロール等として普及している。

高クロムロール材は、ロールの用途により、組織中の
基地を熱処理によってパーライトからマルテンサイト、
ベーナイト等にすることにより、材質の硬度をHs50〜95
に調整して使用される。

一般的に高硬度になるほど耐摩耗性が良好になるが、
変態に伴う残留応力も高くなり、圧延時に生じる熱応力
があまり高くならない用途に制約される。

例えば、ホットストリップミルの圧延では、圧延材の
温度が800〜1000℃と高く、圧延に使用されるワークロ
ールは、圧延材に接するロール表面と中心部との温度差
が大となり、このため大きな熱応力を発生する。残留応
力の高いロールを使用した場合、残留応力と前記熱応力
とが合成されて、圧延初期のロールが折損する虞れがあ
る。従って、熱間圧延に使用される高クロムロールは、
外層硬度をHs50〜83程度に押えざるを得ないのが実情で
ある。

もっとも、熱応力が小さい冷間圧延用ロールとして
は、Hs90前後のものでも折損の虞れがなく適用可能であ
る。

また、高クロムロール材は、耐摩耗性に優れるが、そ
の反面、熱伝導性に劣り、焼付が生じ易いという欠点が
ある。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、熱間お
よび冷間圧延のいずれにおいても優れた耐摩耗性を発揮
し、更に耐焼付性にも優れた圧延用複合ロールを提供す
ることを目的とする。

（問題点を解決するための手段）上記目的を達成するためになされた本発明の複合ロー
ルは、化学組成が重量％で、 C:2.8〜3.6％、 Ni:4.5〜10％、 Si:2.5〜4.0％、 Cr:5〜10％、 Mn:0.5〜1.5％、 Mo:3.5〜6.0％、 P:0.1％以下但し、Cr＋1/2Mo:8.5〜11.5％ S:0.08％以下残部実質的にFeからなり、組織がCr炭化物、Mo炭化物、
黒鉛および恒温変態により生成したベーナイトを主体と
した基地からなり、残留応力を低く構成してなる高クロ
ム鋳鉄材で形成された外層と、 C:1.0〜2.5％、 Ni:1.5％以下、 Si:0.5〜1.5％、 Cr:2〜５％、 Mn:0.5〜1.5％、 Mo:0.5％、以下、 P:0.1％以下、 Ti:0.1％以下、 S:0.1％以下残部実質的にFeからなる中間層と、 C:3.0〜3.8％、 Ni:2.0％以下、 Si:1.8〜3.9％、 Cr:1.0％以下、 Mn:0.3〜1.0％、 Mo:1.0％以下、 P:0.1％以下、 Mg:0.02〜0.1％、 S:0.02％以下残部実質的にFeからなるダクタイル鋳鉄材で形成された
内層とが溶着一体化されていることを発明の構成とする
ものである。

（作用および実施例）第１図は本発明の複合ロールの概略構造を示したもの
であり、圧延使用層たる外層１は中間層２に溶着一体化
され、該中間層２は軸芯部たる内層３に溶着一体化され
ている。

各層の成分限定理由は次の通りである。尚、成分は重
量％で示す。

＜外層＞ C:2.8〜3.6％ＣはCr,Moと結合して、Cr炭化物、Mo炭化物を形成す
るほか、後述するSi,Niの黒鉛化生成元素により微細な
黒鉛として晶出する。2.8％未満では上記炭化物量が減
少して硬度が不足すると共に黒鉛が晶出し難くなり、黒
鉛の存在による残留応力の軽減および耐焼付性の改善が
図られない。一方、3.6％を越えると、本発明におけるC
r,Mo含有量では炭化物量が過多となると共に黒鉛がほと
んど晶出しなくなり、黒鉛の存在による残留応力の低減
を図ることができないばかりか、材質が脆くなり製造の
際に割れが発生する虞れがある。

Si:2.5〜4.0％ Siは黒鉛を晶出させるために必要である。本発明の場
合、白銑化促進元素であるCr,Moを夫々５〜10％、3.5〜
6.0％含有するので、2.5％未満では黒鉛の晶出が困難と
なり、一方4.0％を越えると黒鉛晶出が過多となり、耐
摩耗性が劣化する。

尚、黒鉛を容易に晶出させるためには、鋳込前のSi量
を上記成分範囲よりも低目にしておいて、鋳込時に接種
を行い、最終的に上記範囲内に調整する手段を採ること
が有効である。

Mn:0.5〜2.5％ Mnは溶湯の脱酸のためにSiと共に積極的に添加され
る。0.5％未満では脱酸作用が不足し、一方1.5％を越え
ると機械的性質、特に靱性の劣化が著しく現れる。

P:0.1％以下ロール材質において少なければ少ないほど望ましい
が、脆化を防ぐ点から0.1％以下とする。

S:0.08％以下ＳはＰと同様にロール材質を脆くするため、少なけれ
ば少ないほど望ましく、0.08％以下とする。

Ni:4.5〜10％ Niは基地組織の改良と黒鉛を晶出させるため積極的に
含有させる。4.5％未満では黒鉛の晶出がほとんどな
く、10％を越えると黒鉛過多となり、かつ、残留オース
テナイトが増加すると共に安定になり、後の熱処理にお
いても変態し難くなり、耐肌荒性が劣化する。

Cr:5〜10％ CrはＣと結合して高硬度Cr炭化物を形成する。５％未
満では炭化物が少なく耐摩耗性が不足し、一方10％を越
えると上記Ni,Si含有量では黒鉛の晶出が困難となる。

Mo:3.5〜6.0％ Moは焼入焼戻し抵抗を高めると共にMo炭化物を生成す
るので、高硬度の材質を得るのに有効である。3.5％未
満ではMo炭化物の生成が少なく、材質の高硬度化が困難
となる。一方、6.0％を越えると前記Si,Ni含有量では黒
鉛の晶出が著しく抑制され、黒鉛がほとんど晶出しなく
なる。

なお、MoはCrと共に高硬度炭化物の生成に寄与するも
のであるが、両者は白銑化傾向を有する元素であり、Cr
はMoよりもこの傾向は強い。従って、黒鉛の適度な晶出
の下で高硬度化を図るには、（Cr％＋1/2Mo％）が8.5〜
11.5％にするように成分調整する。

本発明の複合ロールの外層は、上記の合金成分のほ
か、残部Feおよび不可避的に混入した不純物で構成され
る。

＜中間層＞中間層は外層の高クロムロール材質から内層（軸芯
部）にCrが拡散し、軸芯部材質の強靱性がCrにより劣化
するのを防止する。その結果、ロールの耐折損性が向上
する。

C:1.0〜2.5％中間層には外層のCrが溶け込み、Cr含有量が２〜５％
と高められるが、このさいC1.0％未満では中間層の鋳込
温度が高くなり、これによって外層の溶解が促進され、
ますます中間層へのCrの混入量が増加し、ひいては内層
へのCrの拡散を防止せんとする中間層の存在意義がなく
なる。一方、C2.5％を越えると炭化物が多くなり中間層
自身その靭性が損なわれ、中間層を鋳込む意義が失われ
る。

Si:0.5〜1.5％ Siは溶湯の脱酸のために0.5％以上は必要であるが、
1.5％を越えると材質的に脆くなり、中間層の機械的性
質が劣化する。

Mn:0.5〜1.5％ MnもSiと同様の作用を有し、又MnSとしてＳの悪影響
を除去する上でも0.5％以上必要であるが、1.5％を越え
るとその効果も飽和し、却って機械的性質が劣化する。

P:0.1％以下Ｐについては溶湯の流動性を高めるが、ロール材質に
おいては靭性を低下するので0.1％以下とする。

S:0.1％以下ＳもＰと同様にロール性質を脆弱にするため、実害の
ない0.1％以下とする。

Ni:1.5％以下 Niについては別段添加しなくとも外層からの混入で0.
3％以上は含まれるが、1.5％以下までは材質上問題とな
らない。しかし、1.5％を越えると、焼入性が良く基地
が硬くなり過ぎ、靭性の面及び残留応力の面から望まし
くない。

Cr:2〜５％ Crについては中間層を鋳込む目的から低い方が望まし
く、溶湯成分では工業的に制御し易い1.0％以下に抑え
る。この場合1.0％を越えると、外層から溶け込むCr量
との和でCr含有量が増大し、ひいては内層へのCr混入量
も許容範囲を越えることになる。中間層元湯のCr含有量
を1.0％以下とした場合、外層からのCrが中間層に溶け
込んでも、中間層は最終的に２〜５％のCr含有量とな
り、内層のCr含有量を所定の範囲とすることができる。

Mo:0.5％以下 MoについてもNiと同様の作用を有するが、0.5％を越
えると中間層が硬くなりすぎ、実害のない0.5％以下と
する。

Ti:0.1％以下 Tiは脱酸に寄与するが、0.1％を越えると、溶湯が過
酸化状態になり、かつ溶湯の流動性を低下させるので好
ましくない。

中間層は、上記成分のほか、残部実質的にFeで形成さ
れる。

＜内層＞内層を形成するダクタイル鋳鉄材については、上記中
間層を介在させることにより外層からのCrの混入を非常
に低くすることができるが、Crの混入を完全に無くする
ことはできない。従って、この若干のCr増量を考慮して
その溶湯成分組成を選定する必要がある。

C:3.0〜3.8％ 3.0％未満では材質のチル化が進行し、内層としての
靭性低下が著しくなる。また、C3.8％を越える場合で
は、黒鉛化が過剰となり、内層材として強度不足となる
と同時にネック部の硬度が低下し、ネック部が使用中に
肌荒れを起こし易くなる。

Si:1.8〜3.0％ Si1.8％未満では黒鉛化が悪く、セメンタイトを多く
析出して内層の強度劣化を来たし、また残留応力により
鋳造時に割れ易いという欠陥がある。一方、3.0％を越
えると黒鉛化が促進され過ぎて強度の劣化を来たす。

Mn:0.3〜1.0％ MnはＳと結合しMnSとしてＳの悪影響を除くが、0.3％
未満ではこの効果がほとんどなく、一方、1.0％を越え
るとむしろ材質の劣化が著しくなる。

P:0.1％以下Ｐは溶湯の流動性を高めるが、材質を脆弱にするため
低い程望ましく、0.1％以下とする。

S:0.02％以下ＰはＰと同様に材質を脆弱にするため低い程望まし
く、また内層材質はダクタイル鋳鉄であるため黒鉛球状
化に必要なMgをMgSとして減少させるＳは可及的に低く
抑えることが必要であり、0.02％以下とする。

Ni:2.0％以下 Niは黒鉛の安定化剤として添加されるが、2.0％を越
えても顕著な効果はなく、かつコスト高となるため2.0
％以下とする。

Cr:1.0％以下 Crは外層が高クロムロール材であるため中間層の介在
によってもある程度の混入は避けられないが、最終的に
は、1.0％以下のできるだけ低い含有量に抑えることが
必要である。このためにはその鋳込み溶湯成分で、Siと
バランスしつつCr含有量を0.5％以下に抑える必要があ
る。元湯のCr量が0.5％を越えると中間層からの混合分
との和で1.0％を越えて含有されることになり、これに
よって材質中にセメンタイトが多くなり、内層の強靱性
が劣化するためである。

Mo:1.0％以下 Moは実害のない1.0％以下とする。

Mg:0.02〜0.1％ Mgは黒鉛の球状化のために添加されるが、Mg0.02％未
満では球状化不良を起こし内層を強靱なダクタイル鋳鉄
材で形成することができない。しかし、Mgが0.1％を越
えて含有されるとMgのチル化作用及びドロスの点で好ま
しくない。

内層は上記成分のほか、残部実質的にFeで形成され
る。

本発明の複合ロールを鋳造するには、遠心力鋳造法に
より外層を形成した後、その内面が凝固ないし未凝固状
態のときに中間層溶湯を鋳込む。その後、中間層が完全
に凝固してから、外層および中間層を内有した遠心力鋳
造用金型を起立させて静置鋳型を構成し、その内部に内
層溶湯を鋳込めばよい。

本発明の複合ロールの外層は、鋳放し状態で、残留オ
ーステナイト、パーライトおよび一部マルテンサイトに
よって形成された基地中にCr炭化物、Mo炭化物および黒
鉛が晶出したものとなり、前記炭化物による高硬度化
と、黒鉛の晶出による耐焼付性の改善が図れる。

本発明では、鋳造後に更に後述する熱処理を複合ロー
ルに施して、基地を恒温変態によりベーナイトを主体と
したものにする。これによってHs85以上の高硬度化が図
られ、しかも黒鉛の存在とあいまって残留応力の著しい
低減が図られる。

すなわち、ベーナイト変態は後述のように比較的高温
状態（350〜550℃）で生じると共に組織が恒温変態中に
自己焼鈍され、かつ組織中には晶出黒鉛が存在している
ため、変態により生じた応力は速やかに緩和されるから
である。

前記熱処理は、鋳造材をオーステナイト化温度に加熱
保持した後、冷却速度300℃/Hr以上で350〜500℃に急冷
し、この温度で10〜20Hr保持し、基地の全部乃至大部分
をベーナイト変態させ、その後徐冷する工程が採られ
る。オーステナイト化後急冷するのは、冷却途中でパー
ライト変態を阻止しベーナイト変態域までオーステナイ
トの状態で持ちこす必要があるからである。

上記熱処理によって、外層基地はベーナイトを主体と
したものに変態するが、この際、中間層および内層の組
織は、低合金であるため、冷却途中でパーライト変態を
し、強靱性が具備したものとなる。

尚、従来の高クロム材の高硬度化熱処理は、オーステ
ナイト化後、通常300℃以下の温度でマルテンサイト変
態させるため、残留応力は緩和されない。

次に、圧延用複合ロール（製品胴径570mm、胴長1400m
m、全長3600mm）の具体的製造実施例について説明す
る。

（１）第１表に示す化学組成の外層材溶湯を鋳造機上で
回転する遠心力鋳造用金型に肉厚80mm分（鋳込重量1Ton
200kg）鋳込んだ。鋳込みに際して、実施例において
は、黒鉛を容易に晶出させるために、出銑前元湯にFe−
Siを接種した。元湯のSi含有量は接種による増加分を考
慮して第１表の値より0.5％低目に調整した。

尚、従来例１は黒鉛の晶出のない従来の高Ｃ系高クロ
ム材、従来例２は高合金グレン材を示す。

（２）外層鋳込開始から18分後に外層内面は、凝固ない
し未凝固の混在状態となった。このとき、実施例につい
ては下記の中間層溶湯を外層内面に1470℃の鋳込温度で
肉厚35mm分（鋳込重量400kg）鋳込んだ。従来例につい
ては、中間層を鋳込むことなく、金型の回転を継続し
て、外層を完全に凝固させた。

実施例中間層溶湯組成（単位重量％） C:1.51％、Si:0.73％、Mn:0.76％ P:0.040％、S:0.023％、Ni:0.74％ Cr:0.04％、Mo:0.23％、Ti:0.064％残部実質的にFe （３）実施例は、外層の鋳込開始後30分で外層および中
間層は完全に凝固した。

（４）その後、金型の回転を止めて、外層および中間層
（実施例の場合）又は外層（従来例の場合）を内有した
金型を垂直に立てて、金型の両端にロール軸部形成用の
上型および下型を連設して静置鋳型を構成し、その内部
に第２表に示した内層材（ダクタイル鋳鉄）溶湯を鋳込
んで完全に満した後、押湯保温材でカバーした。

（５）溶湯が凝固し完全に冷却した後、ロールを鋳型か
ら取り出して、下記の熱処理を施し、機械加工を行って
製品ロールを得た。

実施例 1000℃で５時間保持してオーステナイト化した後、熱
処理炉から引き出し、噴霧水冷によって400℃/Hrの冷却
速度で450℃まで急冷し、更にこの温度で15時間保持し
て基地をベーナイト組織とした後、炉冷した。

従来例１ 1000℃で５時間保持してオーステナイト化した後、熱
処理炉から引き出し400℃/Hrの冷却速度で450℃まで急
冷し、更にこの温度で15時間保持し、外表面と中心部の
温度の均一化を図った後、常温まで冷却しマルテンサイ
ト変態をさせた。

従来例２鋳放し状態で在留オーステナイトとマルテンサイトの
混合基地組織であり、残留オーステナイトの分解のため
300℃〜450℃の温度で保持しベーナイト又は焼戻しマル
テンサイトの組織とした。

（６）このようにして得られたロールの製品組成を第３
表に示す。尚、外層組成は溶湯組成とほぼ同様であるの
で記載省略する。

また、胴部を超音波探傷した結果、実施例および従来
例とも外層の内層とは完全に溶着一体化していることが
確認された。

また、実施例外層組織を顕微鏡観察した結果、ベーナ
イト基地中にM₇C₃型Cr炭化物およびMo₂Cが析出してお
り、また黒鉛が微細晶出している状態が看取された。

（７）外層の硬度および残留応力を調査した結果を第４
表に示す。残留応力はＸ線残留測定によって測定した。

第４表によると、本発明実施例では、外層が高硬度で
かつ残留圧縮応力も低いことが知られる。

従来例１では、外層残留応力の値からすると、中心部
の残留応力は15〜18kg/mm²の引張応力が作用しているも
のと推定され、熱間圧延に供した場合、胴部で折損する
虞れがある。

尚、この場合、残留応力を低下させるには、歪取り熱
処理を行えばよいが、該熱処理は500〜600℃で十数時間
保持する必要があり、そのため硬度もHs80以下に低下し
てしまう。因みに、550℃×15Hrの歪取り熱処理を施し
た結果、残留応力は圧縮25kg/mm²となったが、硬度もHs
73〜75に低下した。

従来例２では、残留応力は実施例より若干高い程度で
あるが、硬度はHs83が限度であり、これ以上の硬度を得
ることはできない。

（発明の効果）以上説明した通り、本発明の複合ロールによれぱ、圧
延使用層に当る外層をCr:5〜10％、Mo:3.5〜6.0％（但
し、Cr＋1/2Mo:8.5〜11.5％）を有する特定組成および
黒鉛が晶出した特定組織の高クロム鋳鉄材で形成したか
ら、耐焼付性に優れ、かつ残留応力の増大を招来するこ
となく、Hs85以上の高硬度を具備するものとなり、耐摩
耗性に極めて優れる。

また、外層は高硬度、高耐摩耗性に具備するにも拘ら
ず残留応力が低いので、耐折損性に優れ、熱応力の大き
い熱間圧延にも充分使用することができる。

更に、外層と内層との間に中間層を設けたので、各層
の溶着に際し、高クロム材質の外層から内層にCrが混入
拡散するのを防止することができ、内層の強靱性劣化を
可及的に阻止することができ、その結果、内層の耐折損
性を一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合ロールの概略構造を示す断面図で
ある。１……外層、２……中間層、３……内層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前家信朗兵庫県尼崎市西向島町64番地久保田鉄工株式会社尼崎工場内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】化学組成が重量％で、 C:2.8〜3.6％、 Ni:4.5〜10％、 Si:2.5〜4.0％、 Cr:5〜10％、 Mn:0.5〜1.5％、 Mo:3.5〜6.0％ P:0.1％以下但し、Cr＋1/2Mo:8.5〜11.5％、S:0.08
％以下残部実質的にFeからなり、組織がCr炭化物、Mo炭化物、
黒鉛および恒温変態により生成したベーナイトを主体と
した基地からなり残留応力を低く構成してなる高クロム
鋳鉄材で形成された外層と、 C:1.0〜2.5％、 Ni:1.5％以下、 Si:0.5〜1.5％、 Cr:2〜５％、 Mn:0.5〜1.5％、 Mo:0.5％、以下、 P:0.1％以下、 Ti:0.1％以下、 S:0.1％以下残部実質的にFeからなる中間層と、 C:3.0〜3.8％、 Ni:2.0％以下、 Si:1.8〜3.0％、 Cr:1.0％以下、 Mn:0.3〜1.0％、 Mo:1.0％以下、 P:0.1％以下、 Mg:0.02〜0.1％、 S:0.02％以下残部実質的にFeからなるダクタイル鋳鉄材で形成された
内層とが溶着一体化されていることを特徴とする高硬度
黒鉛晶出高クロム複合ロール。