JP2655860B2

JP2655860B2 - 冷間成形ロール用合金鋼およびロール

Info

Publication number: JP2655860B2
Application number: JP2715788A
Authority: JP
Inventors: 敦輔中尾; 憲中村
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1988-02-08
Publication date: 1997-09-24
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JPH01201443A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、高温焼もどし処理を施すことにより、ロッ
クウェル硬さHRC63以上の高い硬さと、優れた靭性が得
られる耐摩耗性の優れた冷間成形ロール用合金鋼、およ
びそれを用いた冷間成形ロールに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、軟鋼やステンレス鋼板を冷間成形するロール材
質には、主にJIS−SKD11やその改良鋼が用いられてい
る。改良鋼も多数提案されており、例えば、特公昭48
−4695号、特開昭52−37511号、特開昭52−105557
号、特開昭53−108021号、特開昭55−2756号および
特開昭59−145763号などをあげることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、最近の被加工材は、高張力鋼など強度の高い
材料を対象にする場合が多く、特にリムを成形するリル
ロール、管や棒をサイジングするサイジングロールなど
では、より過酷な成形となるため、摩耗や焼付き現象が
発生しやすい。

ロールの表面部の昇温によっても軟化せず、かつ高い
靭性を有するようにするため、1030〜1050℃から焼入
後、500〜550℃のいわゆる高温焼もどしを適用する方法
も採用されているが、このような高温焼もどしで安定し
て、HRC硬さ63以上が得られ、かつ靭性の高い鋼が望ま
れていた。HRC63以上が必要であるのは、主に耐摩耗性
を向上させ、高温焼もどしとの相乗効果で、ロール使用
時の焼き付きを防止すること、および圧縮耐力を向上さ
せるためである。

高温焼もどしによる二次硬化硬さを向上させる手段
は、前述の公知例のように、Ｎを添加するもの（特公昭
48−4695号）、Niを添加するもの（特開昭52−37511
号）、Siを高めるもの（特開昭53−108021号）がある。
しかしこれらの鋼は、Ｃ含有量がせいぜい1.6％まで
で、従来のSKD11と同程度のものであり、焼入温度まで
高めて、焼もどし硬さを一段と向上させるものではな
い。特開昭59−145763号はMoを多量に添加して焼もどし
硬さの向上を狙ったものであるが、Mo添加量が多いと焼
入加熱時の未固溶の炭化物が多くなり、靭性が劣化し、
ロール成形時の割れや欠けの事故につながるという危険
性がある。またMoは高価な元素であるから、他の元素で
代替できるなら、Moは必要最小限が望ましいのである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、従来のロール用の合金鋼よりもＣ、Si、Mn
を相対的に高めとし、Mo、Ｖ、Coは最適量に調整したも
のである。これにより高温焼もどし処理を施して、HRC6
3以上の高い硬さが安定して得られ、従来の硬さを増す
と靭性が劣化を招くという問題を解消した冷間成形ロー
ル用合金鋼およびそれを用いて、さらに表面処理を施し
た冷間成形ロールを提供するものである。

本発明は、重量％でC1.6％を越え2.2％、Si0.5〜1.2
％、Mn0.3〜1.2％、Cr11.0〜15.0％、Mo0.6〜1.5％未
満、V1.5〜２％、Co1.0〜2.5％を含み、残部Feおよび通
常の不純物よりなることを特徴とする耐摩耗性に優れた
冷間成形ロール用合金鋼、さらにこの鋼にNb0.5％以下
（ただし０を含まず）、B0.0005〜0.07％、希土類元素
0.001〜0.3％のうちの１種または２種以上を含むことを
特徴とする耐摩耗性に優れた冷間成形ロール用合金鋼、
また、重量％でC1.6％を越え2.2％、Si0.5〜1.2％、Mn
0.3〜1.2％、Cr11.0〜15.0％、Mo0.6〜1.5％未満、V1.5
〜２％、Co1.0〜2.5％を含み、残部Feおよび通常の不純
物の鋼からなり、少なくともカリバー表面が浸硫窒化
層、窒化層およびTiCから選ばれる１種の表面硬化層を
有することを特徴とする冷間成形ロール、および重量％
でC1.6％を越え2.2％、Si0.5〜1.2％、Mn0.3〜1.2％、C
r11.0〜15.0％、Mo0.6〜1.5％未満、V1.5〜２％、Co1.0
〜2.5％、およびNb0.5％以下（ただし０を含まず）、B
0.0005〜0.07％、希土類元素0.001〜0.3％のうちの１種
または２種以上を含み、残部Feならびに通常の不純物の
鋼からなり、少なくともカリバー表面が浸硫窒化層、窒
化層およびTiCから選ばれる１種の表面硬化層を有する
ことを特徴とする冷間成形ロールである。

次に本発明鋼の成分限定理由について述べる。

Ｃは炭化物形成元素であるCr、Mo、Ｖ等と結合し、硬
い複炭化物を形成するので、焼入焼もどし硬さを高め
る、耐摩耗性を向上させる元素として重要である。本発
明鋼においては、主にCrを主体とする炭化物を形成し、
これが耐摩耗性向上に寄与している。またMo、Ｗおよび
Ｖとの炭化物は焼入によって一部基地に固溶し、焼もど
し軟化抵抗を増大するので、ロール表面が摩擦で昇温し
ても軟化することがない。Ｃは炭化物形成元素と炭化物
を形成するのに十分な量が必要であり、また十分な焼入
焼もどし硬さとするためには1.6％を越えて添加するこ
とが必要である。また本発明鋼は焼入温度が1060〜1100
℃と、従来のロール用鋼より高い温度であるため、Ｃが
2.2％以上になると残留オーステナイト量が増加し、か
えって硬さが低下しやすくなること、熱処理変形も大き
くなりやすく、ロールの加工工数が増加すること、およ
び結晶粒が粗大化して靭性が劣化することから、Ｃ含有
量は1.6％を越え2.2％に限定する。

Siは500〜550℃付近の焼もどし硬さの向上に効果があ
り、本発明鋼のように高温焼もどしでHRC63以上とする
ためには最低0.5％以上が必要である。しかしSiの含有
量が必要以上に多くなると非金属介在物が増加したり、
脆くなって靭性が低下するので、上限は1.2％までとし
た。

Mnは脱酸効果のある元素であり、焼入性を向上させる
と同時に残留オーステナイトを増加させる元素である。
ロール用の本発明鋼では、500〜550℃付近での焼もどし
硬さが高くなることが必要であり、この温度付近の焼も
どし条件でも残留オーステナイトを極力少なくする必要
があることから上限を1.2％とした。また製鋼時の脱酸
をよくし、焼入製を高める目的から0.3％以上を必要と
する。

CrはＣと結合して、あるいはさらにMoやＶとも複炭化
物を形成することにより、本発明鋼の主用途であるロー
ルの耐摩耗性を著しく向上させる元素である。Crはま
た、鋼の基地中にも固溶する。本願発明鋼のように高い
焼入温度が採用される場合には、従来のSKD11やその類
似鋼に比較して、より多量に基地に固溶して鋼の焼入深
さを増大し、高温焼もどしにおいて高い硬さが得られる
ようになる。本願発明鋼は従来のロール用鋼よりＣ量が
多いので、この場合にはCr量が11％より少ないとCrはＣ
と結合してしまい、基地に固溶するCr量が減少すること
から、高温焼もどしで高い硬さを得られなくなり、耐摩
耗性が不十分となる。しかし、Cr量が15％を越えると鋼
の自硬性が小さくなり、硬さが出にくくなると共に、粗
大な炭化物の増加により、靭性も劣化してくるので、Cr
含有量は11〜15％に限定する。

Moは焼もどし軟化抵抗を増大させ、Si、Cr、Ｖ、Coと
共に焼もどし硬さの向上に寄与する。もちろん複炭化物
の形成により耐摩耗性を与える効果も大きい。したがっ
て、Moは最少量として、0.6％以上が必要であり、0.6％
未満では、他の合金元素をもってMoと同様の効果を代替
することは極めて困難となる。しかしMoを1.5％以上添
加することは本発明鋼では不用であり、むしろ弊害の方
が多い。すなわち、Moの過剰添加は極度に焼入温度を上
昇させるし、本願発明鋼に適する焼入温度である1060〜
1100℃では未固溶の炭化物が多くなり、靭性が劣化する
ので、ロール成形時の被加工材の衝撃によりロールの欠
損事故につながるものである。またMoは高価な元素であ
り、他の元素で効果が代替できるなら、抑え得る範囲内
でMoの添加は極力少量とすることが経済的にも得策であ
る。したがって、本願発明鋼のMo含有量は0.6〜1.5％未
満に限定している。Moの焼もどし軟化抵抗や焼きもどし
硬さを高める効果の一部は、むしろ結晶粒の粗大化を強
く抑制するＶの高めの添加と、炭化物を形成しなくて同
じ焼入温度でも焼もどし軟化抵抗を増大させるCoの添加
で補い、Moの過剰添加を避けた点に本願発明鋼の大きな
特徴がある。MoはMo量の２倍のＷと一部または全部を置
換することが可能であるので、本願発明鋼ではMoまたは
Ｗのうち１種または２種を含み、その総和としてMo＋1/
2Wを0.6〜1.5％に限定する。

ＶはＣとの親和力が大きいためにVCの形で炭化物を形
成し、極めて硬い炭化物のため、耐摩耗性向上に寄与す
る。また一部のＶは基地に固溶し、焼もどし硬さを高
め、ロールが昇温したときの軟化抵抗を高める作用があ
る。Ｖの炭化物は微細に分布して結晶粒の粗大化を抑制
する効果の大きい元素であるので、この点ではMoより優
れている。本願発明鋼は高温焼もどしでも高い硬さが得
られるようにするために高温の焼入温度が選択される。
したがって焼もどし硬さの向上、昇温時の軟化抵抗に寄
与するMoよりも、さらに結晶粒の粗大化を抑制して、か
つ極めて硬い炭化物が得られるという特性を合わせ持つ
Ｖを従来のロール用鋼よりも多量に添加する点でも本願
発明鋼の特徴がある。これらの効果を得るためには、本
願発明鋼ではＶ量は1.5％以上が必要である。しかし、
２％を越えるとVCが過剰となり、熱間、冷間加工性を阻
害することになるのでＶ含有量は1.5〜２％とする。

Coは、Mo、Ｖと同様に500〜550℃での焼もどし硬さを
高め、焼もどし軟化抵抗を向上させる元素として本願発
明鋼では重要な元素である。特にCoはMo、Ｖと異なっ
て、そのほとんどが基地中に固溶するので、焼入時に焼
入温度の高低にかかわらず未固溶の炭化物として残存す
るようなことなく500℃付近の焼もどし硬さを向上させ
ることができる元素である。その効果を得るためには1.
0％以上が必要であるが、過剰の添加は靭性を低下さ
せ、焼入性にも悪影響がある上、Coは高価な元素である
ので上限を2.5％とした。

NbはＣとの炭化物生成能力が大きく、また結晶粒成長
の抑制効果もあるので、必要に応じて0.5％以下を含有
してもよい。

Ｂは焼入焼もどしの熱処理において、残留オーステナ
イトのマルテンサイト変態を促進し、焼入時の結晶粒成
長の抑制効果もあるので、特に焼入温度が高い時に添加
すると有効である。これらの効果を得るためには、必要
に応じてＢを0.0005％以上含有させるとよいが、Ｂ添加
は靭性劣化に敏感であり、本発明鋼への添加の上限は0.
07％である。

REMは必須元素ではないが、必要に応じて添加すれば
本発明鋼の要求特性である靭性向上に寄与する。本発明
鋼の非金属介在物を顕微鏡で観察するとREMが硫化物や
酸化物の形で認められること、また一部のREMは微細な
炭化物として認められることから、REMは非金属介在物
や炭化物の一部の微細化に役立っているものと考えられ
る。これらの効果を得るために、必要に応じて0.001〜
0.3％の範囲で添加することが望ましい。0.001％未満で
はその効果が期待できないし、多量に添加すると、かえ
って靭性を損い、加工性も劣化させる。

ロール表面には、少なくともカリバー表面が浸硫窒化
層、窒化層およびTiCから選ばれる１種の表面硬化層を
有するようにする。この表面処理の目的は、ロール表面
層の硬さを一段と向上させると共に、被加工材との間に
潤滑性を与えて焼付きを防止するためである。この目的
からは浸硫窒化や窒化が望ましいが、TiC層も耐摩耗性
を向上させる効果が大きい。

〔実施例〕

第１表に冷間成形用ロール材として採用あるいは提案
されている従来鋼と本発明鋼について溶解して製造した
分析値を示す。

第１表において、合金番号１ないし13は本発明鋼であ
る。比較鋼のうち、合金番号14は冷間成形用ロール材と
して代表的なSKD11である。合金暗号15ないし20は、そ
れぞれ前述の公知文献（特許公報）ないしに相当す
る合金である。これらの公知合金については、それぞれ
の文献に実施例として記載されている成分に近似するよ
うに製造した。

合金番号１ないし20の鋼から、供試材を採取し、実験
を行なった熱処理条件と硬さおよび機械的性質を第２表
に示す。

以下に機械的性質の実験方法について解説する。

（１）抗折試験５φ×70mmの試験片を作製し、10tアムスラー万能試
験機を使用して、支点間距離50mmの一点中央荷重式抗折
試験を行なった。

（２）衝撃試験 10R深さ2mmの有溝シャルピー試験片について、シャル
ピー衝撃値を求めた。

（３）耐摩耗性大越式迅速摩耗試験機により測定した比摩耗量で比較
した。試験条件は次の通りとし、均一な輝面摩耗になる
よう設定した。

試験条件摩擦速度 0.51m/sec 摩擦距離 400m 最終荷重 6.8g 摩耗リング材質 SKD11 HRC62 試験個数 10個（４）耐圧縮性 5mmφ×10mmの試料を用い、30tアムスラー万能試験機
で圧縮試験を行ない、圧縮耐力（0.2％永久歪に対応す
る応力値、kg/mm²）を測定した。

また、本発明鋼の焼もどし硬さの一例として、合金番
号２について、硬さを測定した結果を、合金番号14（SK
D11）と比較して第１図に示す。

合金番号２は顕著な二次硬化を示し、高温焼もどしで
HRC63以上が安定して得られる鋼である。

第１表から本発明鋼は、従来の冷間成形用ロール材
（比較鋼）と比較して、Ｃ、Si、Mnが相対的に高めであ
ること、およびＶ、Coも相対的に高めであることがわか
る。したがって焼入温度も相対的に高めの設定が必要で
ある。第２表から本願発明鋼は靭性（抗折力、シャルピ
ー衝撃値）を損うことなく耐摩耗性、圧縮耐力が向上し
ていることがわかる。抗折力、シャルピー衝撃値も本発
明鋼の組成範囲のほとんどが比較鋼を上回っている。比
較鋼20は本願発明鋼よりMo含有量の高い鋼であるが、耐
摩耗性では本発明鋼と比肩し得るものの、靭性の点でか
なり劣ることがわかる。比較鋼20はMoの限定理由のとこ
ろで説明したように、Moが多いため、焼入時に未固溶の
炭化物が残留しやすくなるためであると考えられる。

次に本発明鋼で、サイジングロールとリムロールを製
造し、従来のSKD11製のロールとの寿命比較を行なっ
た。その結果をそれぞれ第３表、第４図に示す。

本発明鋼によるロールを用いた結果、いずれも従来の
SKD11のロールより格段の寿命向上ができた。特に本発
明のロールでは、従来発生していたロールの初期の焼付
がほとんど認められなかった点が寿命向上に寄与したと
考えらえる。これは、硬さの高い本発明鋼および表面処
理の複合効果によるものである。

〔発明の効果〕本発明によれば、従来不十分であった靭性を保持しつ
つ高温焼もどしで、HRC硬さが63以上が得られる。さら
に請求項３、４のロールを用いて冷間成形すると、ロー
ルの高い硬さと表面処理の複合効果により改削までの寿
命を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明鋼と従来鋼（SKD11）について、焼もど
し温度と焼もどし硬さとの関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 8/28 Ｃ２３Ｃ 8/28

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でC1.6％を越え2.2％、Si0.5〜1.2
％、Mn0.3〜1.2％、Cr11.0〜15.0％、Mo0.6〜1.5％未
満、V1.5〜２％、Co1.0〜2.5％を含み、残部Feおよび通
常の不純物よりなることを特徴とする耐摩耗性に優れた
冷間成形ロール用合金鋼。
【請求項２】重量％でC1.6％を越え2.2％、Si0.5〜1.2
％、Mn0.3〜1.2％、Cr11.0〜15.0％、Mo0.6〜1.5％未
満、V1.5〜２％、Co1.0〜2.5％、およびNb0.5％以下
（ただし０を含まず）、B0.0005〜0.07％、希土類元素
0.001〜0.3％のうちの１種または２種以上を含み、残部
Feならびに通常の不純物よりなることを特徴とする耐摩
耗性に優れた冷間成形ロール用合金鋼。
【請求項３】重量％でC1.6％を越え2.2％、Si0.5〜1.2
％、Mn0.3〜1.2％、Cr11.0〜15.0％、Mo0.6〜1.5％未
満、V1.5〜２％、Co1.0〜2.5％を含み、残部Feおよび通
常の不純物の鋼からなり、少なくともカリバー表面が浸
硫窒化層、窒化層およびTiCから選ばれる１種の表面硬
化層を有することを特徴とする冷間成形ロール。
【請求項４】重量％でC1.6％を越え2.2％、Si0.5〜1.2
％、Mn0.3〜1.2％、Cr11.0〜15.0％、Mo0.6〜1.5％未
満、V1.5〜２％、Co1.0〜2.5％、およびNb0.5％以下
（ただし０を含まず）、B0.0005〜0.07％、希土類元素
0.001〜0.3％のうちの１種または２種以上を含み、残部
Feならびに通常の不純物の鋼からなり、少なくともカリ
バー表面が浸硫窒化層、窒化層およびTiCから選ばれる
１種の表面硬化層を有することを特徴とする冷間成形ロ
ール。