JP2986236B2 - 強靱な内層を備えた複合ロール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧延用複合ロールに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】複合ロールは、通常、耐摩耗性に優れた
高合金鋳鉄材によって形成された外層の内面に、強靭鋳
鉄材によって形成された内層が溶着一体化して形成され
ており、耐摩耗性と強靭性とを兼備したものである。複
合ロールの形態は、一般的には中実状であるが、形鋼圧
延用のものでは中空状のもの (スリーブロールと呼ばれ
る。) もある。

【０００３】前記中実ロールは、外層を遠心力鋳造した
後、その内面が未凝固ないし凝固直後に遠心力鋳造用金
型鋳型を起立させて、外層の内部に内層 (軸部) 材を静
置鋳造する。一方、中空ロールは、外層を遠心力鋳造し
た後、その内面が凝固ないし凝固直後に内層を遠心力鋳
造し、両者を溶着一体化する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来、複合ロールの内
層材としては、鋳造が容易で、強度的にも優れたダクタ
イル鋳鉄材 (球状黒鉛鋳鉄材) が一般的に使用されてい
る。しかし、高合金外層材の合金成分 (例えば、Ｃｒ,
Ｍｏ, Ｗ, Ｖ) が溶着時に内層材中に溶け込むため、内
層材質中のセメンタイト量が増加し、強靭性が低下する
という問題がある。

【０００５】また、複合ロールの鋳造後の冷却過程で、
あるいは外層に対する焼入れ等の熱処理時の加熱後の冷
却過程で、内層が 700℃付近でパーライト変態して膨張
するため、外層に引張応力が作用し、割れ発生の原因と
なっていた。本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、外層材の高合金成分が混入しても、内層の強靭性劣
化が生じにくく、また冷却時の変態膨張に起因して外層
に割れが生じるおそれがない複合ロールを提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の複合ロールは、
高合金ロール材によって形成された圧延使用層たる外層
の内面に内層が溶着一体化された複合ロールにおいて、
前記内層は化学組成が重量％で、 Ｃ ：2.0 〜3.5 ％、 Ｓｉ：1.0 〜3.5 ％、 Ｍｎ：
0.3 〜1.5 ％、 Ｎｉ： 8 〜 35 ％、 Ｃｒ：0.5 〜5.0％、 Ｍｏ：
0.1 〜2.0 ％、 Ｍｇ：0.01〜0.50％ を含有し、および Ｗ ：2.0 ％以下、 Ｖ ：2.0 ％以下、 Ｎｂ：
2.0 ％以下の内一種又は二種以上を含有し、残部Ｆｅお
よび不可避的不純物からなる高Ｎｉダクタイル鋳鉄材に
よって形成されていることを発明の構成とするものであ
る。

【０００７】

【作用】本発明複合ロールの内層を形成するダクタイル
鋳鉄材の化学組成 (wt％) は以下の理由により限定され
る。 Ｃ： 2.0〜3.5 ％ Ｃは基地に固溶すると共に黒鉛となって晶出する。黒鉛
晶出のためには2.0％以上必要であるが、3.5 ％を超え
ると機械的性質の劣化を招来する。 Ｓｉ： 1.0〜3.5 ％ Ｓｉは黒鉛を晶出させるために必要な元素であり、1.0
％以上含有させねばならないが、3.5 ％を超えると機械
的性質の劣化を来す。 Ｍｎ： 0.3〜1.5 ％ ＭｎはＳと結合してＭｎＳを生成し、Ｓによる脆化を防
ぐと共に脱酸作用も有している。このため、0.3 ％は必
要であるが、1.5 ％を超えると機械的性質が劣化する。 Ｎｉ： 8〜35％ Ｎｉは黒鉛化の補助手段として有効である。また一方、
基地のオーステナイトを安定にする。常温のオーステナ
イトを安定にするには 8％以上のＮｉが必要であるが、
本発明のように常温で安定なオーステナイト基地とする
には、35％以下で充分である。 Ｃｒ： 0.5〜5.0 ％ ＣｒはＣと結合してセメンタイトを形成し、耐摩耗性を
改善するが、量が増すと機械底板性質の劣化を来す。中
実状の圧延用複合ロールでは内層材はロール軸を構成し
ており、ロール両端で圧延機とベアリングを介して回転
接触している。このため適度の耐摩耗性が必要である。
従って、0.5 ％は必要である。一方、外層との溶着一体
化に際して、外層のＣｒが内層材中に混入するが、5.0
％を超えると機械的性質が劣化する。 Ｍｏ： 0.1〜2.0 ％ Ｍｏは基地組織の強化に効果がある。また、外層からも
混入するので0.1 ％は含有されるが、2.0 ％を超えると
コスト高かつ強靭性劣化の点でよくない。 Ｍｇ：0.01〜0.50％ Ｍｇは黒鉛を球状化する効果がある。この球状化によっ
て、強靭性が大幅に向上する。球状化のために0.01％は
必要であるが、0.50％以下で十分である。 Ｗ： 2.0％以下、Ｖ：2.0 ％以下、Ｎｂ：2.0 ％以下の
内一種又は二種以上 これらの元素は内層材質を劣化させる不純物元素であ
り、外層から混入するものである。これらは、球状化を
阻止し、セメンタイトの生成を助長し、機械的性質を劣
化させるため、少ない程よいが、本発明の成分系では各
々上記含有量（望ましくは各々１％）まで許容される。

【０００８】本発明の内層材は、以上の成分のほか残部
実質的に形成される。尚、Ｎｉの一部をＣｕに置き替え
ることができる。但し、Ｎｉ： 0.4〜2.0 ％、Ｃｕ：2.
0 ％以下でＮｉ＋Ｃｕ： 0.4〜4.0 ％とするのがよい。

【０００９】

【実施例】本発明の中実状複合ロールの構造例を図１に
示す。図中、1 は圧延使用層たる外層であり、その内面
に軸部を構成する内層2 が溶着一体化して形成されてい
る。内層材は既述の通りであるが、外層材としてはＣ
ｒ,Ｍｏ, Ｗ, Ｖ，Ｎｂ等の炭化物生成用の合金素材を
含有した各種ロール材を使用することができる。尚、本
発明の複合ロールは従来と同様にして製造される。

【００１０】前記外層ロール材としては、例えば、下記
組成 (wt％) の高クロムロール材や黒鉛晶出高クロムロ
ール材が挙げられる。 ・高クロムロール材 Ｃ ：2.0 〜3.2 ％、 Ｓｉ：0.5 〜1.5 ％、 Ｍｎ：
0.5 〜1.5 ％、 Ｎｉ：1.0 〜2.0 ％、 Ｃｒ： 10 〜 25％、 Ｍｏ：
0.5 〜1.5 ％、 Ｎｂ：1.0 ％以下、 Ｖ ：1.0 ％以下、 残部実
質的にＦｅ ・黒鉛晶出高クロムロール材 Ｃ ：2.4 〜3.4 ％、 Ｓｉ：2.0 〜3.4 ％、 Ｍｎ：
0.5 〜1.5 ％、 Ｎｉ：4.5 〜 10 ％、 Ｃｒ： 5 〜 10％、 Ｍｏ：
0.4 〜1.5 ％、 残部実質的にＦｅ また、高クロム系ロール材より、耐摩耗性を著しく向上
させたロール材として下記組成 (wt％) のものが本発明
者等によって開発された。

【００１１】Ｃ ：1.0 〜3.0 ％、 Ｓｉ：0.1 〜2.0
％、 Ｍｎ：0.1 〜2.0 ％以下、 Ｃｒ：3.0 〜10.0％、 Ｍｏ：0.1 〜9.0％、 Ｗ ：
1.5 〜10.0％、 Ｎｂ, Ｖの一種又は二種の合計：3.0 〜10.0％、残部実
質的にＦｅ尚、必要に応じて、Ｆｅの一部に代えて、Ｎ
ｉ：0.1 〜4.5 ％又は／および、Ａｌ：0.01〜0.50％、
Ｔｉ：0.01〜0.50％の内一種又は二種を含有させること
ができる。

【００１２】上記高耐摩耗ロール材の組成限定理由を以
下に示す。 Ｃ： 1.0〜3.0 ％ Ｃは主としてＦｅおよびＣｒと結合してＭ₇ Ｃ₃ 型の高
硬度複合炭化物を形成すると共に、Ｃｒ, Ｍｏ, Ｖ, Ｎ
ｂ,Ｗと結合してＭＣ型の高硬度複合炭化物をも形成す
る。この高硬度複合炭化物形成のために 1.0％以上のＣ
％が必要である。一方、3.0 ％を超えてＣが含有される
と炭化物量が増すと共に脆くなり、耐クラック性が劣化
するため、3.0 ％以下とする。 Ｓｉ： 0.1〜2.0 ％ Ｓｉは本発明材が鋳造合金であるため、湯流れ性の確保
のために必要な元素であり、同時に又、使用原材料から
0.1％程度は不可避的に含有される。しかし、2.0 ％を
超えると靭性の低下を招くため好ましくない。 Ｍｎ： 0.1〜2.0 ％ Ｍｎは硬化能を増し、また、Ｓと結合してＭｎS を生成
し、Ｓによる脆化を防ぐ元素であり、同時に使用原材料
から 0.1％程度は不可避的に含有される。しかし、2.0
％を超えると靭性の低下を招くため好ましくない。 Ｃｒ： 3.0〜10.0％ ＣｒはＦｅ, Ｍｏ, Ｖ, Ｎｂ, Ｗと共にＣと結合して、
高硬度複合炭化物を形成して高温に於ける耐摩耗性の向
上に寄与する。また、一部は基地中に固溶して焼入れ性
および耐摩耗性を改善する。3.0 ％未満ではこれらの効
果が少なく、耐摩耗性改善が期待できない。一方、10.0
％を超えて含有されると靭性の劣化を来すため好ましく
ない。 Ｍｏ： 0.1〜9.0 ％ ＭｏはＦｅ, Ｃｒ, Ｖ, Ｎｂ, Ｗと共にＣと容易に結合
して、主としてＭＣ型複合炭化物を形成し、常温および
高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。ＭｏはＷ
に比較して少量添加でその効果を発揮する。このさい、
0.1 ％未満では所期の耐摩耗性を得ることができず、一
方、9.0 ％を超えると靭性の低下を来し好ましくない。 Ｗ： 1.5〜10.0％ Ｗも同様にＦｅ, Ｃｒ, Ｍｏ, Ｖ, Ｎｂと共に容易に結
合して複合炭化物を形成し、常温および高温硬度を高め
て耐摩耗性の向上に寄与する。1.5 ％未満では所期の耐
摩耗性を得ることができず、一方、10.0％を超えると靭
性の低下を来し、耐ヒートクラック性を悪化させる。ま
た、遠心力鋳造の際、マクロ偏析を生成し易くさせる。
このため10.0％以下とする。

【００１３】 Ｖ, Ｎｂの内一種又は二種の合計： 3.0〜10.0％ ＶはＮｂと同様にＦｅ, Ｃｒ、Ｍｏ, Ｗと共にＣと容易
に結合して、主としてＭＣ型の複合炭化物を形成し、常
温および高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。
また、このＭＣ型複合炭化物は厚さ方向に枝状に生成す
るために、基地の塑性変形を抑止し、機械的性質、さら
には耐クラック性の向上にも寄与する。単独または二種
を複合し 3.0％以上添加しないとかかる効果は現れにく
い。しかし、添加量が10.0％を超えると靭性の低下を招
来すると共に、遠心力鋳造の際、マクロ偏析を生成し易
くなる。このため、10.0％以下とする。 Ｎｉ： 0.1〜4.5 ％ Ｎｉは基地中に固溶し、連続冷却変態線図(CCT図) およ
び等温変態線図(TTT図) におけるベーナイト変態を長時
間側に移動させるため、焼入れ性が向上し、焼入れ時に
冷却速度を遅くしても途中でベーナイト変態が起こら
ず、多量のオーステナイトがマルテンサイト変態するた
め、高硬度が得られる。本発明のような圧延用ロール材
の場合、焼入れ時の外層と芯材の熱膨張差に起因する熱
応力、および重量物であるため熱容量が大きく、冷却速
度を大きくすることが困難である点から、焼入れ時の冷
却速度が遅くても焼入れ組織が得られることは大変重要
である。この際、0.1 ％未満ではこのような効果が得ら
れず、一方、4.5 ％を超えて含有されると、残留オース
テナイトが増して、高硬度が得難くなる。なお、0.1％
Ｎｉ以上では焼入れ温度から 400〜650 ℃までの温度に
使用原材料から0.1 ％程度は不可避的に含有される。し
かし、2.0 ％を超えると靭性の低下を招くため好ましく
ない。 Ａｌ：0.01〜0.50％、Ｔｉ：0.01〜0.50％の一種又は二
種 ＡｌおよびＴｉは溶湯中で酸化物を生成して、溶湯中の
酸素含有量を低下させ、製品の健全性を向上させると共
に、生成した酸化物が結晶核として作用するために凝固
組織の微細化に効果がある。0.01％未満ではこの効果は
十分ではなく、0.50％を超えて含有されると介在物とな
って残留し、好ましくない。尚、Ａｌ,Ｔｉは、本発明
では主として鋳造組織の微細化による耐摩耗性改善のた
めに添加されるものであり、単に脱ガスを目的として添
加されるものではない。

【００１４】尚、Ｐ, Ｓは原料より不可避的に混入する
が、材質を脆くするので少ない程望ましく、Ｐ： 0.2％
以下、Ｓ： 0.1％以下に止めておくのがよい。該ロール
材は、Ｍｏ： 0.1〜9.0 ％、Ｗ： 1.5〜10.0％を含み、
Ｖ, Ｎｂの内一種又は二種の合計 3.0〜10.0％を含有さ
せたので、Ｖ, Ｎｂ炭化物の特殊形態とあいまって、耐
摩耗性を飛躍的に向上させることができる。また、遠心
力鋳造してもマクロ偏析は生じにくく、組織の均一性に
優れる。更にまた、Ｎｉを 0.1〜4.5 ％含有させること
により、ベーナイト変態を長時間側に移行させることが
でき、焼入れ時の冷却速度を遅くすることができ、熱処
理作業性を大幅に改善することができる。

【００１５】本発明の複合ロールは、従来と同様にして
外層を遠心力鋳造した後、内層を静置鋳造 (内層が中実
の場合) あるいは遠心力鋳造によって鋳造され、外層の
高硬度化、鋳造歪や残留応力の除去等のために種々の熱
処理が適宜施される。尚、外層、内層の境界の性状を改
善するために、Ｃ： 1.0〜2.5 ％のアダマイト材溶湯を
外層に続いて遠心力鋳造し、その後、内層を鋳造しても
よい。

【００１６】以下、具体的実施例を挙げる。 (1) 表１の外層材溶湯を内径φ420mm の遠心力鋳造用金
型に鋳込厚さで60mm分鋳込んだ。同表中実施例１は耐摩
耗性を向上させたロール材、実施例２および従来例は高
クロムロール材である。

【００１７】

【表１】

【００１８】(2) 外層鋳造後、外層を内有した金型を垂
直に立って、両端に上型および下型を連設して、その内
部に内層材（軸部材）として表１に示したダクタイル鋳
鉄溶湯を鋳込んだ。 (3) 後日、鋳型を解体し、ロール素材を取出し、粗加工
後、1000℃で２時間保持後、下記の焼入れ熱処理を施し
た後、550 ℃×10Hr保持の焼戻し熱処理を２回繰り返し
た。 ・実施例１ 空冷により 450℃まで 200℃／Hrで冷却後、50℃／Hrで
徐冷して常温まで冷却した。 ・実施例２、従来例 噴霧水冷により 450℃まで 420℃／Hrで冷却後、50℃／
Hrで徐冷して常温まで冷却した。 (4) 熱処理後の外層表面硬度を測定したところ、実施例
１：Hs84、実施例２：77Hs、従来例：Hs77であった。 (5) 各複合ロールの内層より、試験片を採取し、組成、
引張強度等を調べた。組成は表２(1)の通りであり、溶
着の際、外層から高合金成分が内層溶湯に混入したこと
が認められる。また、引張強さ等は表２(2)の通りであ
った。

【００１９】

【表２】

【００２０】(6) 表２(2) より、実施例および従来例
とも炭化物生成元素の内層への混入が認められるにも拘
らず、実施例は比較例に比べて強度、伸びが大きく、強
靭性に優れている。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の複合ロール
は、その内層をＮｉ：8 〜35％の高Ｎｉダクタイル鋳鉄
材で形成したので、外層と内層との溶着の際に、外層か
ら羽状化阻止・炭化物生成元素が混入しても、その影響
を効果的に除去することができ、内層の強靭性を確保す
ることができる。またオーステナイト温度域からの冷却
過程で、内層がパーライト変態するのを防止することが
でき、パーライト変態に伴う熱膨張が生じないため、外
層の割れ発生の防止に効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合ロールの一部断面図である。

【符号の説明】

1 外層 2 内層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 志方 敬 兵庫県尼崎市西向島町64番地 株式会社 クボタ 尼崎工場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 37/00 B21B 27/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高合金ロール材によって形成された圧延
   使用層たる外層の内面に内層が溶着一体化された複合ロ
   ールにおいて、前記内層は化学組成が重量％で、 Ｃ ：2.0 〜3.5 ％、 Ｓｉ：1.0 〜3.5 ％、 Ｍｎ：
   0.3 〜1.5 ％、 Ｎｉ： 8 〜 35 ％、 Ｃｒ：0.5 〜5.0％、 Ｍｏ：
   0.1 〜2.0 ％、 Ｍｇ：0.01〜0.50％ を含有し、および Ｗ ：2.0 ％以下、 Ｖ ：2.0 ％以下、 Ｎｂ：
   2.0 ％以下の内一種又は二種以上を含有し、残部Ｆｅお
   よび不可避的不純物からなる高Ｎｉダクタイル鋳鉄材に
   よって形成されていることを特徴とする強靭な内層を備
   えた複合ロール。