JP3059953B2 - 熱間圧延用ロール外層材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱間圧延用のロール
外層材に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱間圧延用ロールとして、高クロ
ム鋳鉄や高合金グレン鋳鉄が用いられている。高クロム
鋳鉄はM₇C₃型炭化物を面積率で20〜40％含んでおり、耐
摩耗性に優れるが、耐亀裂性に乏しく、圧延のトラブル
により、亀裂が大きく発生するなどの問題がある。一
方、高合金グレン鋳鉄は、M₃C 型炭化物を20〜40％含ん
でいると共に、黒鉛を晶出させているため、被圧延材の
焼き付きが少なく、圧延事故に対しても亀裂の発生・進
展が比較的少ないという特徴があり、これまでよく用い
られてきたが、耐摩耗性が十分ではない。近年、耐摩耗
性の要求水準が高度化し、より耐摩耗性に優れるロール
材質として、例えば特開平１−96355 号公報、特開平２
−88745 号公報、WO88／07594 号WIPO国際公開公報及び
WO91／19824 号WIPO国際公開公報に開示されているよう
な、高炭素系ハイス材質で製造された熱間圧延用ロール
が用いられている。これらのハイスロールはCr、Mo、
Ｗ、Ｖ、Co等を数％含有し、特に硬質のMC型炭化物を主
体とし、M₆C 型、M₂C 型炭化物も晶出させた組織構成と
しているため、優れた耐摩耗性を有している。しかし、
耐摩耗性を重視するために、硬質のMC型炭化物を多く分
散させているが、炭化物とマトリックスとの硬度差が大
きいため、圧延によりマトリックスの優先的な摩耗を起
こし、炭化物が表面に突出し、摩擦係数の上昇、圧延荷
重の増大や耐焼き付き性の劣化、或いは突出した炭化物
の脱落が原因となって、肌が荒れやすくなるという問題
がある。前記耐焼き付き性を改善するため、組織中に黒
鉛を晶出させたハイス系の材質が、特開平１−287248号
公報、特開平７−6030号公報及び特開平８−209299号公
報などに開示されている。これらの材質のロールは耐焼
き付き性は改善されているが、耐摩耗・耐亀裂特性につ
いては依然として従来のハイスの特性を超えるものでは
ない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、熱
間圧延用ハイスロールに生じる上記諸問題点を解消し、
熱間圧延における圧延材の品質を改善することができる
耐摩耗性と耐肌荒れ性に優れた熱間圧延用ロール外層材
の提供を課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、熱間
圧延用ハイスロールが具備すべき大きな特徴である耐摩
耗性に優れ且つ耐肌荒れ性に優れた材料を提供するた
め、本発明者は、まず、クラックが粒界に沿って進展し
て耐亀裂性を劣化させる原因となると共に炭化物硬度が
低いことによる耐摩耗性の劣化の原因になると考えられ
るM₇C₃型炭化物を極力抑制することが必要と考えた。本
発明者は次に、耐摩耗性の確保には不可欠であるが、基
地の摩耗により微細な突起を形成して耐肌荒れ性を低下
させると考えられるMC型炭化物を、耐摩耗性を劣化させ
ない範囲で減少させることを考えた。代わってロール表
面を滑らかな凹凸にすると考えられる棒状、或いは針状
の炭化物を積極的に晶出させ、更に晶出炭化物を微細化
することが有効であると考えた。そして以上の方針ない
し方策に従って、種々の材料について、炭化物形成元素
であるCr、Mo、Ｗ、Ｖ、Nb及び炭素の含有量と組織中の
M₇C₃型、M₆C 型、M₂C 型、MC型炭化物の面積率を詳細に
検討したり、硬さ、摩耗係数、摩耗量、摩耗試験後の表
面粗さを測定する等の鋭意、研究を行った結果、本発明
を完成した。

【０００５】即ち、本発明の熱間圧延用ロール外層材
は、Ｃを1.5 〜3.0 重量％、Siを0.3〜2.0 重量％、Mn
を0.3 〜1.5 重量％、Crを1.0 〜4.0 重量％、Moを3.0
〜12.0重量％、Ｗを3.0 〜12.0重量％、Ｖを1.0 〜5.0
重量％、Nbを5.0 重量％以下、Niを1.0 重量％以下含有
し、残部が実質的にFe及び不可不純物からなり、（Mo＋
Ｗ）／Crの値と（Mo＋Ｗ）／（Ｖ＋Nb）の値の何れか一
方の値、若しくは両方の値が4.0 〜10.0の範囲となるこ
とを第１の特徴としている。また本発明の熱間圧延用ロ
ール外層材は、上記第１の特徴に加えて、Ti、Zr、Hfの
中から選ばれた一種以上の成分を0.01〜2.5 重量％含有
することを第２の特徴としている。

【０００６】上記特徴を有する本発明の熱間圧延用ロー
ル外層材によれば、Mo、Ｗを適宜含有させることで、MC
型炭化物の代わりに、微細な棒状或いは針状のM₆C 型、
M₂C型炭化物を多く晶出させることにより、耐摩耗性、
耐亀裂性を劣化させることなく、耐肌荒れ性を改善する
ことができる。よって本外層材を用いた熱間圧延用ロー
ルによれば、従来のハイスロールに較べて、特に肌荒れ
性に優れ、耐摩耗性、耐亀裂性等は従来公知のハイスロ
ールに劣らない性能となる。

【０００７】本発明において、Ｃの含有量は1.5 〜3.0
重量％とする。ＣはCr、Mo、Ｗ、Ｖ、Nb等と化合して、
炭化物を晶出、析出させ、耐摩耗性を向上させる。1.5
重量％未満では炭化物の生成量が少なく、充分な耐摩耗
性が得られない。また3.0 重量％を超えると、炭化物が
多すぎて靱性が低下する。

【０００８】Siの含有量は0.3 〜2.0 重量％とする。Si
は、溶湯の脱酸と良好な鋳造性のために必要である。2.
0 重量％を超えると残量が脆化し、好ましくない。

【０００９】Mnの含有量は0.3 〜1.5 重量％とする。Mn
は溶湯の脱酸、脱硫のために0.3 重量％以上を添加す
る。またMnは焼き入れ性を向上させ、耐摩耗性を向上さ
せる作用があるが、1.5 重量％を超えると材料の靱性が
低下し、好ましくない。

【００１０】Crの含有量は1.0 〜4.0 重量％とする。Cr
は基地中に固溶して焼き入れ性が向上すること、及び炭
化物生成のために1.0 重量％以上を添加する。しかし、
4.0重量％を超えるとM₇C₃等の炭化物が多く晶出し、耐
摩耗性の劣化、耐亀裂性の劣化の問題を生じる。好まし
くは3.0 ％未満である。

【００１１】Moの含有量は3.0 〜12.0重量％とする。Mo
は基地に固溶して基地の高温硬度を高めると共に棒状、
或いは針状のM₆C 型やM₂C 型の炭化物を形成し、耐肌荒
れ性の改善に効果がある。Moが3.0 重量％未満では、こ
れら炭化物の占める面積率が少なく、その効果が期待で
きない。また12.0重量％を超えると炭化物が過剰に晶出
し、靱性の低下を招き、好ましくない。

【００１２】Ｗの含有量は3.0 〜12.0重量％とする。Ｗ
はMoと同様、Ｃと結合してM₆C 型やM₂C 型の炭化物を形
成し、耐摩耗性を確保すると共に、炭化物の形態によ
り、耐肌荒れ性を改善する効果がある。また基地へも固
溶し、高温軟化抵抗を改善する効果がある。3.0 重量％
未満ではこれらの効果がなく、12重量％を超えると材料
の靱性を低下させ、好ましくない。

【００１３】Ｖの含有量は1.0 〜5.0 重量％とする。Ｖ
はＣと結合して、MC型の高硬度の炭化物を形成し、耐摩
耗性の向上には不可欠である。1.0 重量％未満ではその
効果が期待できない。一方、5.0 重量％を超えると、MC
型炭化物の面積率が高くなり、圧延により表面に突起状
の凹凸が生成され、摩擦係数の増大や肌荒れを起こし、
好ましくない。

【００１４】Nbの含有量は5.0 重量％以下とする。Nbは
Ｖと同様、硬質のMC型炭化物を形成し、その添加は耐摩
耗性の改善に有効である。しかし、炭化物の形態によ
り、摩擦係数の増大を生じる。NbとＶは、MC型炭化物を
形成するが、NbC はVCに較べ、比重が高く、溶湯との比
重差が少ないため、特に遠心鋳造法で製造の場合、偏析
防止の効果がある。よってＶに代わってNbを添加するの
が好ましい。しかし、5.0 重量％を超えると溶湯の酸化
が激しくなり、大気中での溶解鋳造が困難になり、好ま
しくない。

【００１５】Niの含有量は1.0 重量％以下とする。Niは
焼き入れ性を向上させるために、若干量を含有させるこ
とが好ましいが、2.0 重量％を超えると残留オーステナ
イトの量が過剰となり、硬度の低下や変態割れ等の問題
を生じる。好ましくは0.5 ％以下とする。

【００１６】Ti、Zr、Hfは何れも炭化物の偏析を抑制す
ると共に、炭化物を微細に晶出・析出させる効果があ
る。本発明においては、M₆C 型やM₂C 型等の棒状或いは
針状の炭化物を晶出させ、耐肌荒れ性を改善している。
前記M₆C 型やM₂C 型炭化物が粗大であると、耐亀裂性、
靱性等の点で好ましくない。特にMo、Ｗの含有量が多い
場合にはTi、Zr、Hfを一種類以上で、0.01〜2.5 重量％
含有させることにより、前記M₆C 型やM₂C 型炭化物を微
細化することができ、耐亀裂性、靱性の劣化防止に効果
を発揮する。

【００１７】本発明の熱間圧延用ロール外層材において
は、（Mo＋Ｗ）／Crの値と（Mo＋Ｗ）／（Ｖ＋Nb）の値
の何れか一方、若しくは両方の値が4.0 〜10.0の範囲に
入るようにしている。前記値が4.0 未満であると、後述
の実施例からも明らかなように、M₆C 型やM₂C 型の炭化
物の晶出量が少なく、肌荒れ性の改善には効果が少な
い。また（Mo＋Ｗ）／Crの値が4.0 未満であると、M₇C₃
型のCr炭化物が主体となり、耐亀裂性が劣化する。即
ち、（Mo＋Ｗ）／Crの値と（Mo＋Ｗ）／（Ｖ＋Nb）の値
の何れか一方、若しくは両方の値を4.0 〜10.0の範囲に
限定し、これによって組織中にM₆C 型とM₂C型の炭化物
の面積率を９〜20％、MC型炭化物及びM₇C₃型炭化物の面
積率をそれぞれ５％以下にすることが好ましい。一方、
（Mo＋Ｗ）／（Ｖ＋Nb）の値が4.0 未満であると、MC型
炭化物が多く晶出し、摩擦係数の増大、耐焼き付き性の
劣化、或いは耐肌荒れ性の劣化等の問題が生じる。この
値が10.0を超えると、M₆C 型やM₂C 型の炭化物が過剰と
なり、Ti、Zr、Hfの添加により炭化物を微細化しても耐
亀裂性の劣化、靱性の低下が生じて好ましくない。

【００１８】なお、本発明の外層材を有する熱間圧延用
ロールは、内部に高靱性を有する複合ロールとすること
が好ましく、その場合、外層材の溶湯と鋼系芯材とを溶
着一体化させる方法、或いは外層材を鋳込んだ後、内層
材を鋳込む遠心鋳造法によって鋳造される。さらに上記
のようにして製造されたロール素材に焼き入れ焼き戻し
処理を施し、適当な硬さと靱性を有する基地を形成させ
る。本発明のロール外層材は熱延仕上げワークロール用
外層材の他に、条鋼圧延用ロール、製管用ロール等の熱
間で使用されるあらゆるロールに適用することができ
る。

【００１９】

【実施例】表１においてNo.1〜No.8で示す本発明の熱間
圧延用ロール外層材を用いて、熱間圧延用のロールを製
作した。No.1〜No.6の外層材については、外層材の溶湯
と鋼系芯材とを溶着一体化させる方法でロールを製作し
た。またNo.7とNo.8の外層材についてロールを遠心鋳造
法により製作した。遠心鋳造法による場合は、本発明の
No.7とNo.8で示す材料の溶湯を遠心条件下において鋳込
んで中空外層を形成した後、内層材として黒鉛鋼溶湯若
しくはダクタイル鋳鉄溶湯を鋳込んでロールを製作し
た。各得られたロールは、そのロール表面の硬さがショ
ア硬さ（Hs）で80〜90になるように焼き入れ・焼き戻し
処理を施した。比較例として、本発明の範囲には入らな
いがハイス成分を有するNo.9〜No.13で示す材料につい
ても、同様に外層材の溶湯と鋼系芯材とを溶着一体化さ
せる方法若しくは遠心鋳造法によりロールを製作した。
また、他の比較例として高合金グレン鋳鉄材及び高クロ
ム鋳鉄材についても、ロールを製作して、比較をした。
各材料の成分を表１に示す。なお、表１において成分値
等に下線を引いているものは、本発明における成分の範
囲、条件から外れていることを示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】製作したロールの外層の組織をＥＰＭＡ面
分析と画像解析により、M₇C₃型炭化物、M₂C 型及びM₆C
型炭化物、MC型炭化物の３つの形態に分けて炭化物の面
積率を測定した。同様に動摩擦係数、摩耗減量、摩耗試
験後の表面粗さ、耐亀裂性、ショア硬度を測定した。前
記摩耗摩擦試験は次の条件で行った。即ち、試験方式は
ピンオンディスク方式、試験片温度は300 ℃、荷重は５
kg／cm² 、速度は100 ｍ／min 、摺動距離は20000 ｍ。
耐熱亀裂性はφ20×30mmの試験片を所定温度に昇温、保
持後、水中急冷し、亀裂の入った時点の熱衝撃温度差
（℃）で評価した。結果を表２に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】実施例の熱間圧延用ロール外層材No.1〜N
o.8は、表２に示すように、M₂C 型とM₆C 型の炭化物が
面積率で9.7 〜16.8％、MC型炭化物が0.5 〜4.3 ％、及
びM₇C₃型炭化物の面積率が0.4 〜3.0 ％となっている。
即ち比較例等に較べて、M₂C 型とM₆C 型の炭化物が多
く、MC型炭化物とM₇C₃型炭化物が少なくなっている。こ
れにより、実施例No.1〜No.8は摩耗試験後の表面粗さが
Ra1.3 〜2.9 μm となり、比較例No.9〜No.13 に較べて
改善されていることが分かる。一方、実施例No.1〜No.8
の摩耗減量、耐熱亀裂性も、表２から明らかなように、
従来のハイスロールと同等の比較例No.9〜No.13 とほぼ
同程度かそれ以上であり、良好である。また、本発明の
実施例No.1〜No.8は従来の高合金グレン鋳鉄材や高クロ
ム鋳鉄材と比較しても、耐摩耗性、耐肌荒れ性（表面粗
さ）、耐亀裂性等の何れの特性も優れていることがわか
る。

【００２４】本発明の実施例No.6とNo.8はTi、Zr、Hfの
何れか1 以上の成分を添加しているが、これらのTi、Z
r、Hfを何れも添加せず、且つ同程度の炭化物面積率を
有する実施例No.1とNo.2と比較すると、実施例No.6とN
o.8において、表面粗さが僅かではあるが小さく、耐熱
亀裂性が高くなっており、炭化物が微細化することの効
果が現れていることがわかる。

【００２５】本発明の実施例No.7とNo.8及び比較例No.1
3 は遠心鋳造法で製造しているが、それらと同程度の炭
化物面積率を有する外層材の溶湯と鋼系芯材とを溶着一
体化させて製造された外層材に較べて、僅かに耐摩耗性
が劣っている。これは外層凝固時の冷却速度の違いによ
るものであり、遠心鋳造では冷却速度が遅く炭化物が粗
大化するためである。

【００２６】以上の実施例に示すように、本発明のロー
ル外層材は、従来のハイスロール材と同等の耐摩耗性を
有しながら、耐肌荒れ性に優れている。熱間圧延におけ
るロール原単位は、ロール材の摩耗量もさることなが
ら、肌荒れの多少、及び熱亀裂深さの多少による改削量
の増減が大きく影響する。従って、本発明のロール外層
材は耐肌荒れ性に優れ、耐摩耗性、耐熱亀裂性にも優れ
ることから、ロール原単位を低減させると共に、圧延品
質を向上させることができる。尚、本発明の熱間圧延用
ロール外層材は、熱延仕上げ用ワークロールの他、鋼管
圧延用ロール、条鋼圧延用ロールの中でも、特にロール
の耐肌荒れ性を要求される熱間圧延用ロールへの適性が
高い。

【００２７】

【発明の効果】請求項１に記載の熱間圧延用ロール外層
材によれば、熱間圧延における良好な耐摩耗性、耐熱亀
裂性を維持しつつ、且つ非常に良好な耐肌荒れ性を発揮
することができる。耐肌荒れ性が従来のハイス系ロール
材料よりも良好であるので、従来のハイス系材料より
も、一層ロール原単位の低減を図ることができると共に
圧延製品の品質の向上を図ることができる。また、請求
項２に記載の熱間圧延用ロール外層材によれば、上記請
求項１に記載の構成による効果に加えて、炭化物の微細
化を図ることができ、耐摩耗性、耐熱亀裂性、靱性を一
層向上させることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹羽 徹 兵庫県姫路市大津区吉美403 虹技株式 会社 姫路西工場内 (56)参考文献 特開 平８−109441（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−100241（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−256889（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−179392（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−191347（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−96355（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 37/00 B21B 27/00 C22C 37/08

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ： 1.5 〜3.0 重量％ Si： 0.3 〜2.0 重量％ Mn： 0.3 〜1.5 重量％ Cr： 1.0 〜4.0 重量％ Mo： 3.0 〜12.0重量％ Ｗ： 3.0 〜12.0重量％ Ｖ： 1.0 〜5.0 重量％ Nb： 5.0 重量％以下 Ni： 1.0 重量％以下 を含有し、残部が実質的にFe及び不可不純物からなり、
   （Mo＋Ｗ）／Crの値と（Mo＋Ｗ）／（Ｖ＋Nb）の値の何
   れか一方の値、若しくは両方の値が4.0 〜10.0の範囲と
   なることを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
2. 【請求項２】 Ti、Zr、Hfの中から選ばれた一種以上の
   成分を0.01〜2.5 重量％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ロール外層材。