JP2715223B2

JP2715223B2 - ロール外層材及び複合ロール

Info

Publication number: JP2715223B2
Application number: JP16830092A
Authority: JP
Inventors: 義弘片岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1992-06-04
Publication date: 1998-02-18
Anticipated expiration: 2013-02-18
Also published as: JPH05339673A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性と耐クラック
性及び研削性を兼備した、圧延用ロール等として用いて
好適なロール外層材及び複合ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、耐摩耗性が要求される熱間圧延用
ロールは、外層と内層からなる複合ロールとされ、外層
材をセメンタイト系の炭化物が晶出した高Ｃｒ鋳鉄、又
はＮｉグレン鋳鉄、内層材を靱性に良いねずみ鋳鉄、又
はダクタイル鋳鉄として、遠心力鋳造法によって製造さ
れている。

【０００３】然るに、圧延条件の苛酷化及び圧延におけ
る生産性向上の要求から、より一層の耐摩耗性と耐クラ
ック性を備えた圧延用ロールの提供が要求されている。

【０００４】このような状況から、例えば特開昭60-124
407 号、特開昭61-177355 号には、従来の遠心力鋳造ロ
ールの外層材として高Ｖ鋳鉄を用いることが提案されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、遠心力鋳
造ロールの外層材として高Ｖ鋳鉄を用いる圧延用ロール
では、比重の小さいＶ炭化物が遠心分離により偏析し、
ロール外層内の特性が肉厚方向で不均一になる。この傾
向は大型ロールで外層肉厚が大なるほど著しく、実用ロ
ールとしての使用に耐えることができないという問題点
がある。

【０００６】尚、特開昭58-87249号、特開平1-96355 号
公報には、高速度鋼なみに高合金化した鋳鋼、鋳鉄を適
用したロール材が提案されている。然しながら、特開昭
58-87249号公報は焼嵌め又は組立ロールを対象としたも
のであり、圧延中に生じる外層と軸材間の滑りが問題と
なる。また、特開平1-96355 号公報は特殊な鋳かけ肉盛
法等、遠心力鋳造法以外の特殊な製造手法しか適用でき
ず、生産性、経済性の面で問題がある。

【０００７】即ち、圧延用ロールの製造に際し、ロール
外層にＶを多量に含有させることにより、耐摩耗性を著
しく向上させることは可能であるが、複合ロール製造時
に生産性、経済性が最も優れているとして一般に実施さ
れている遠心力鋳造法を採用した場合には、遠心分離に
よる炭化物の偏析を生じ特性を均一に得られないという
問題点がある。

【０００８】更に、耐摩耗性を向上した従来のロールで
は研削性が低下し、ロール改削時間が長くなるという問
題も生じている。

【０００９】本発明は、外層を形成する合金成分を適正
化し、炭化物組成、炭化物量及び基地組織を限定するこ
とにより、生産性、経済性の優れた遠心力鋳造法を適用
しても、偏析等の生じない耐摩耗性、耐クラック性、研
削性に優れた圧延用ロール外層材及びこの外層材を適用
した複合ロールを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、Ｃ：1.5 〜 3.5％，Ｓｉ：1.5 ％以下，Ｍｎ：1.2
％以下，Ｃｒ：12.0％以下，Ｍｏ：8.0 ％以下，Ｖ：3.
0 〜10.0％，Ｎｂ：7.0 ％以下を含有し、残部Ｆｅ及び
不可避的不純物よりなり、粒径 1μm 〜10μm の粒状炭
化物を面積率で 1〜10％含有し、基地組織の85％以上が
ベイナイトであるロール外層材である。

【００１１】請求項２に記載の本発明は、請求項１に記
載のロール外層材において更に、Ｎｉ：5.5 ％以下，Ｃ
ｏ：10.0％以下，Ｃｕ：2.0 ％以下，Ｗ：2.0 ％以下，
Ｔｉ：2.0 ％以下，Ｚｒ：2.0 ％以下，Ｂ：0.1 ％以下
の１種又は２種以上を更に含有するようにしたものであ
る。

【００１２】請求項３に記載の本発明は、請求項１又は
２に記載のロール外層材において更に、下記(1) 式と
(2) 式を満足するものである。Ｖ＋ 1.8Ｎｂ ≦ 7.5 Ｃ−6.0(％) …(1) 0.2 ≦ Ｎｂ／Ｖ ≦ 0.8 …(2)

【００１３】請求項４に記載の本発明は、請求項１〜３
のいずれかに記載のロール外層材において更に、非粒状
炭化物を面積率で 3〜15％更に含有するものである。

【００１４】請求項５に記載の本発明は、請求項１〜４
のいずれかに記載の外層材と溶着一体化した普通鋳鉄又
はダクタイル鋳鉄の軸材とからなる複合ロールである。

【００１５】請求項６に記載の本発明は、請求項１〜４
のいずれかに記載の外層材と軸材の間に中間層を有し、
該中間層を介して外層材と軸材が溶着一体化してなる複
合ロールである。

【００１６】

【作用】本発明における合金元素の含有量の限定理由に
ついて説明する。Ｃ：1.5 〜3.5 ％Ｃはロール外層材の耐摩耗性を向上する硬い炭化物を形
成するための必須元素で1.5 ％以上必要であるが、3.5
％を越えると耐クラック性が著しく低下するため上限を
3.5 ％とする。

【００１７】Ｓｉ：1.5 ％以下Ｓｉは脱酸剤及び鋳造性の確保に必要な元素で添加する
が、1.5 ％を越えると耐クラック性を低下するため上限
を1.5 ％とする。

【００１８】Ｍｎ：1.2 ％以下Ｍｎも上記Ｓｉと同様必要であるが、1.2 ％を越えると
耐クラック性が低下するため好ましくなく上限を1.2 ％
とする。

【００１９】Ｃｒ：12.0％以下Ｃｒは炭化物を形成し、耐摩耗性を向上するために必要
な元素で添加するが、12.0％を越えると本発明が対象と
するＶ，Ｎｂを添加した場合には耐摩耗性が劣化するた
め上限を12.0％とする。尚、好適下限値は 4.0％であ
る。

【００２０】Ｍｏ：8.0 ％以下ＭｏはＣｒと同様に炭化物を形成して耐摩耗性の向上に
有効であるとともに、基地の焼入性、焼もどし軟化抵抗
を向上し、基地組織の強化に有効であるため必要である
が、8.0 ％を越えると耐クラック性が低下するため、上
限を8.0 ％をする。尚、好適下限値は 2.0％である。

【００２１】Ｖ：3.0 〜10.0％、Ｎｂ：7.0 ％以下Ｖは耐摩耗性の向上に最も有効な硬いＭＣ又はＭ₄ Ｃ₃
炭化物を形成するための必須元素で、その効果を発揮す
るためには3.0 ％以上必要であるが、10.0％を越えると
耐クラック性の低下、製造上の問題を生じるため上限を
10.0％とする。

【００２２】ＮｂもＶと同様耐摩耗性に有効な硬いＭＣ
型炭化物を形成するのでＶと複合添加するが、 7.0％を
越えると粗大な塊状炭化物となりその効果が得られない
だけでなく耐クラック性が問題となるので上限を 7.0％
とする。尚、好適下限値は0.6％である。

【００２３】次に、ＶとＮｂを複合添加した場合の母材
硬さに及ぼすＣ量との関係、及び遠心力鋳造したリング
材の炭化物分布に起因する外層、内層間の熱間摩耗比、
熱衝撃試験におけるクラックの最大深さとＮｂ，Ｖの含
有量比Ｎｂ／Ｖとの関係を調べた結果をそれぞれ図２及
び図３に示す。

【００２４】図２から耐摩耗熱間圧延用ロールとして必
要な硬さＨs 75以上を得るためにはＶ＋1.8 Ｎｂ≦7.5 Ｃ−6.0 （％）を満足する必要があることが明らかとなった。

【００２５】尚、図２の実験は、Ｓｉ：0.5 ％，Ｍｎ：
0.4 ％, Ｃｒ：6.8 ％，Ｍｏ：2.9％を含有し、Ｃ，
Ｖ，Ｎｂを変化させた溶湯を鋳造した25mmＹ−ブロック
について1050℃でオーステナイト化後、ベイナイト変態
させ、 550℃焼きもどし処理を施した試料を用いた。

【００２６】また、図３から遠心力鋳造法で製造した場
合にも均一な外層材を得ることができ、且つ耐クラック
性が強く要求される場合には、 0.2 ≦ Ｎｂ／Ｖ ≦ 0.8 を満足する必要があることが明らかとなった。

【００２７】尚、図３において、「摩耗比（内層／外
層）」は、リング材の内層側から採取した試験片の摩耗
量（Ｉｗ）と外層側から採取した試験片の摩耗量（Ｏ
ｗ）との比（Ｉｗ／Ｏｗ）であり、「熱衝撃クラック最
大深さ」は、熱衝撃試験で発生したクラックの最大深さ
である。

【００２８】また、図３の実験は、Ｃ：2.3 ％，Ｓｉ：
0.5 ％，Ｍｎ：0.5 ％，Ｃｒ：6.5％，Ｍｏ：2.8 ％，
Ｖ： 5.2％，Ｎｂ：0 〜8.0 ％を含有する溶湯を遠心力
鋳造（140 Ｇ）して得た肉厚100mm のリングサンプルに
ついて1050℃でオーステナイト化後、ベイナイト変態さ
せ、550 ℃焼もどし処理を施した試料を用いた。

【００２９】そして、摩耗試験は、φ190 ×15の相手材
とφ50×10の試験材の２円盤のすべり摩耗方式で相手材
を800 ℃に加熱し、荷重100kgfで圧接した状態で試験材
を800rpmで回転させ、すべり率3.9 ％として120 分後の
摩耗減量を測定して行なった。

【００３０】また、熱衝撃試験は、1200rpm で回転して
いるローラーに55×40×15の板状試験片を圧接する方式
で、荷重150kgf、接触時間15ｓの条件で行ない、試験片
に発生したクラック長さを測定した。

【００３１】Ｎｉ：5.5 ％以下、Ｃｏ：10.0％以下Ｎｉは焼入れ性を向上し、基地組織を強化するために添
加するが、5.5 ％を越えると残留γの存在等不安定な組
織を形成するため好ましくなく、上限を 5.5％とする。
尚、好適下限値は 0.5％である。

【００３２】Ｃｏは高温における組織を安定化させるた
め添加するが、10.0％を越えるとその耐熱性向上効果が
飽和するため経済性の点から上限を10.0％とする。尚、
好適下限値は 1.0％である。

【００３３】Ｃｕ：2.0 ％以下、Ｗ：1.0 ％以下Ｃｕ、Ｗはともに基地組織を強化し、高温硬さを向上す
るため添加するが、Ｃｕは2.0 ％を越えるとロールの表
面性状を劣化するとともに耐摩耗性、耐クラック性を低
下するため上限を 2.0％とする。尚、Ｃｕの好適下限値
は 0.5％である。Ｗは過剰に添加すると研削性を低下す
るとともに比重の大きな元素であり遠心鋳造を適用する
場合に遠心分離によるＶ系炭化物の偏析を助長するため
上限を2.0％とする。尚、Ｗの好適下限値は 0.5％であ
る。

【００３４】Ｔｉ： 2.0％以下、Ｚｒ： 2.0％以下、
Ｂ： 0.1％以下Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂはともに粗大な共晶炭化物の形成を抑制
し、耐摩耗性、耐クラック性を向上するため添加する
が、ＴｉとＺｒは 2.0％を越えるとＶ、Ｎｂ複合炭化物
の形状を劣化し逆に耐摩耗性を低下するため上限を 2.0
％とする。尚、ＴｉとＺｒの好適下限値は 0.1％であ
る。Ｂは 0.1％を越えると粒界に偏析して耐クラック性
を低下するので上限を 0.1％とする。尚、Ｂの好適下限
値は 0.001％である。

【００３５】また、本発明において、炭化物形状と炭化
物量及び基地組織を限定した理由は以下の通りである。

【００３６】本発明者らは、耐摩耗性、耐クラック性、
研削性を兼備したロールを得るため種々の実験を行なっ
た。まず、基地組織と研削性との関係に着目し、図１を
得た。従来技術では耐摩耗性を得るためには基地組織を
マルテンサイトとすることが常識であり、マルテンサイ
ト組織を得ることが必須と考えられていた。ところがマ
ルテンサイト組織では、焼きもどしにより硬さを調整し
ても研削が非常に困難であった。これに対し、本発明で
は、基地組織をベイナイトとするとともに炭化物を制御
することにより研削性と耐摩耗性を同時に満足できるこ
とを初めて見出し、本発明の成立に至ったのである。

【００３７】即ち、研削性を確保するためには基地の85
％以上がベイナイトとする。尚、基地組織がパーライト
になると研削性は良いが、硬さと耐摩耗性が著しく低下
する。また、基地組織がマルテンサイトでは研削性が悪
い。

【００３８】尚、図１の実験は、Ｃ：2.2 ％，Ｓｉ：0.
4 ％，Ｍｎ：0.4 ％，Ｃｒ：6.5 ％，Ｍｏ：3.1 ％，
Ｖ： 5.2％，Ｎｂ：1.7 ％を含有する溶湯を鋳造した25
mmＹ−ブロックについて1050℃でオーステナイト化後、
冷却速度を変化させて焼入れ組織をマルテンサイトとベ
イナイトの混合組織とした後、 550℃で焼もどし処理
し、硬さをショアー硬さでＨ_s78 〜82に調整した試料を
用いた。

【００３９】また、本発明における粒状炭化物は、ＭＣ
又はＭ₄ Ｃ₃ 等で表されるＶとＮｂ系の炭化物で硬さが
高く、凝固時に晶出したものである。従って、その大き
さと量は溶湯の化学組成と凝固速度によって変化する。
本発明では、外層材中の上記粒状炭化物の平均粒径を 1
〜10μm とし、含有量は面積率で 1〜10％とする。粒径
が 1μm 未満又は面積率が 1％未満では十分な耐摩耗性
向上の効果がなく、粒径が10μm を越えるか又は面積率
が10％を越えると研削性が低下する。

【００４０】また本発明において、非粒状炭化物とは、
Ｍ₃ Ｃ、Ｍ₆ Ｃ、Ｍ₇ Ｃ₃ 等で表される成長した共晶炭
化物であり、外層材中の上記非粒状炭化物の含有量を、
面積率で 3〜15％とすることがより好適である。面積率
が 3％未満では耐摩耗性が低下し、また15％を越えると
耐クラック性、研削性が低下する。

【００４１】尚、本発明において、基地組織をベイナイ
トとするための熱処理条件は、例えば以下の如くであ
る。即ち、オーステナイト化後、ベイナイト変態開始温
度以下でマルテンサイト変態開始温度以上の温度まで急
冷し、その後保持又は徐冷する。但し、本発明は、以上
の熱処理条件に限定されるものではない。

【００４２】また、本発明において、ロール外層材は遠
心鋳造により製造することが好適である。但し、本発明
のロール外層材は、他の製法、例えば連続鋳掛け肉盛法
によっても製造できる。

【００４３】

【実施例】表１に示す化学組成の溶湯（本発明材：Ｂ〜
Ｋ、Ｕ、Ｖ比較材Ａ、Ｌ〜Ｔ）を遠心力鋳造により鋳造
し、肉厚100mm のリングサンプルを試作し、1050℃から
焼入れし、その 550℃にて焼きもどしを行なう熱処理で
ベイナイト主体の基地組織とした後、ショアー硬さ、熱
間摩耗及び熱衝撃試験を行なった。

【００４４】

【表１】

【００４５】尚、摩耗試験は、リング材の内層側と外層
側からそれぞれφ50×10の試験片を採取し、前記条件と
同一の方法で行なった。

【００４６】また、熱衝撃試験は、リング材の外層側よ
り前記した板状試験片を採取し、同一の条件で行なっ
た。

【００４７】それらの摩耗試験と熱衝撃試験の結果を表
２に示す。表２によれば、本発明材は従来のＮｉ−グレ
ン材（Ａ材）と比べ、硬さは同程度であるが、耐摩耗
性、耐クラック性ともに著しく向上していることが認め
られる。

【００４８】

【表２】

【００４９】また、比較材Ｌ〜Ｔ材は本発明の限定を外
れているため、Ｌ材は硬さが不足しているとともに外層
側の耐摩耗性が著しく低下し、Ｍ材はＣ量が過多である
ため非粒状共晶炭化物量が多く耐クラック性、研削性が
低下し、Ｎ材はＳｉ量が過多であるため耐クラック性、
研削性が低下し、Ｏ材はＭｎ量が過多であるため耐クラ
ック性が低下し、Ｐ材はＣｒ量が過多であるため非粒状
共晶炭化物量が多く耐摩耗性、耐クラック性、研削性が
低下し、Ｑ材はＭｏ量が過多であるため耐クラック性が
低下し、Ｒ材はＶ量が不足しているため粒状炭化物量が
少なく耐摩耗性、耐クラック性が低下し、Ｓ材はＶ量が
過多であるため粒状炭化物量が多く耐クラック性、研削
性が低下し、Ｔ材はＴｉ、Ｂ量が過多であるため耐摩耗
性、耐クラック性、研削性が低下している。

【００５０】（実施例−２）表３に示す組成の外層及び
内層を有し、胴径 670mm、胴長1450mmの複合ロールを以
下に示す手順で製造した。低周波溶解炉にて外層材の溶
湯を溶解し、遠心力140Ｇで回転する遠心鋳造用鋳型内
に1490℃で厚さ75mmになるように鋳込んだ。外層材の鋳
込み後20分後に鋳型の回転を停止し、鋳型を直立させ、
外層材鋳込み後35分後に内層材溶湯を鋳込んだ。室温ま
で冷却後、鋳型を解体し、粗加工を行なった後、1050℃
から焼入れし、その後 550℃にて焼きもどしを行なう熱
処理を行なった。熱処理後超音波探傷等の検査を行なっ
たが、欠陥のない健全なロールであり、仕上げ加工後の
外層厚は45mmであり、表面硬さはショアー硬さで78〜82
であった。

【００５１】

【表３】

【００５２】上記複合ロールを、実際のホットストリッ
プミル仕上げスタンドに使用した結果、図５に示すよう
に、従来のニッケルグレン鋳鉄ロールの使用成績を大き
く上回るものであった。また、ロール表面の肌荒れ等も
問題無く、良好な結果が得られた。

【００５３】（実施例−３）表４に示す組成の外層、中
間層、及び内層を有し、図４に示す胴径 670mm、胴長14
50mmの複合ロールを以下に示す手順で製造した。低周波
溶解炉にて外層材の溶湯を溶解し、遠心力 140Ｇで回転
する遠心力鋳造用鋳型内に1490℃で厚さ75mmになるよう
に鋳込んだ。外層材が凝固した直後に中間層の溶湯を15
40℃で厚さ40mmになるように鋳込んだ。この中間層が完
全凝固した後に鋳型の回転を停止し、鋳型を直立させ、
外層材鋳込み後40分後に内層材溶湯を1450℃で鋳込ん
だ。室温まで冷却後、鋳型を解体し、粗加工を行なった
後、1050℃から焼入れし、その後550℃にて焼き戻しを
行なう熱処理を行なった。熱処理後超音波探傷等の検査
を行なったが、外層と中間層の境界及び中間層と内層と
の境界ともに欠陥は発生せず、内部性状も健全なロール
であり、仕上げ加工後の外層厚は45mmであり、表面硬さ
はショアー硬さで78〜82であった。

【００５４】

【表４】

【００５５】上記複合ロールを、実際のホットストリッ
プミル仕上げスタンドに使用した結果、図５に示すよう
に、従来のニッケルグレン鋳鉄ロールの使用成績を大き
く上回るものであった。また、ロール表面の肌荒れ等も
問題無く、良好な結果が得られた。

【００５６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、生産性、
経済性の優れた遠心力鋳造法を適用しても、偏析等の生
じない耐摩耗性と耐クラック性及び研削性に優れたロー
ル外層材及び複合ロールを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は基地組織中のベイナイトの割合と研削性
の関係を示す線図である。

【図２】図２はＶとＮｂの複合添加量とＣ量とが母材硬
さに及ぼす影響を示す線図である。

【図３】図３は遠心力鋳造したリング材の炭化物分布に
起因する外層と内層間の熱間摩耗比と、熱衝撃試験にお
けるクラック最大深さに及ぼすＮｂとＶの含有量比Ｎｂ
／Ｖの影響を示す線図である。

【図４】図４は実施例３に関わる複合ロールの縦断面図
である。

【図５】図５は実施例２、３で製造した複合ロールの実
機ミルでの圧延成績を従来ロールのそれと比較して示す
線図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃ：1.5 〜 3.5％，Ｓｉ：1.5 ％以下，
Ｍｎ：1.2 ％以下，Ｃｒ：12.0％以下，Ｍｏ：8.0 ％以
下，Ｖ：3.0 〜10.0％，Ｎｂ：7.0 ％以下を含有し、残
部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなり、粒径 1μm 〜10μ
m の粒状炭化物を面積率で 1〜10％含有し、基地組織の
85％以上がベイナイトであることを特徴とするロール外
層材。
【請求項２】Ｎｉ：5.5 ％以下，Ｃｏ：10.0％以下，
Ｃｕ：2.0 ％以下，Ｗ：2.0 ％以下，Ｔｉ：2.0 ％以
下，Ｚｒ：2.0 ％以下，Ｂ：0.1 ％以下の１種又は２種
以上を更に含有する請求項１に記載のロール外層材。
【請求項３】下記(1) 式と(2) 式を満足するＶ＋ 1.8Ｎｂ ≦ 7.5 Ｃ−6.0(％) …(1) 0.2 ≦ Ｎｂ／Ｖ ≦ 0.8 …(2) 請求項１又は２に記載のロール外層材。
【請求項４】非粒状炭化物を面積率で 3〜15％更に含
有する請求項１〜３のいずれかに記載のロール外層材。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の外層材
と溶着一体化した普通鋳鉄又はダクタイル鋳鉄の軸材と
からなる複合ロール。
【請求項６】請求項１〜４のいずれかに記載の外層材
と軸材の間に中間層を有し、該中間層を介して外層材と
軸材が溶着一体化してなる複合ロール。