JP3163561B2 - 複合ロールの製造方法 - Google Patents

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、耐肌荒れ性
に優れた圧延用複合ロール等として用いて好適な、複合
ロールの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、熱間圧延工程では、より高速度高
負荷の圧延が要求され、製品品質、特に表面状況への要
求が厳しくなっている。このため、このような圧延工程
の圧延機に利用されるロール特性として、より一層耐摩
耗性や耐肌荒れ性等に優れることが要求されている。

【０００３】従来、このような用途に対しては、高合金
鋳鉄を外層材とした複合ロールが用いられていた。この
ような複合ロールは、As cast のまま歪取り熱処理を行
なって製造するか、恒温変態処理（例えば、特公昭57-1
5647、特公昭57-15648、特開平1-191746）を行なって製
造されている。

【０００４】ここで、複合ロールの外殻層を構成する組
織は、黒鉛、共晶炭化物及び基地組織であるが、基地組
織はオーステナイト化後（或いは凝固後）の冷却条件に
よって決定される。即ち、オーステナイトの状態から常
温まで連続的に冷却する場合、冷却速度が遅いと基地組
織がパーライトになり、冷却速度が速くなるとベイナイ
ト或いはマルテンサイトが析出する。一般に、各基地組
織の耐摩耗性は、マルテンサイト、ベイナイト、パーラ
イトの順に良いため、圧延ロール等の複合ロールでは、
外殻層の基地にマルテンサイトを析出させて用いること
が多い。ところが、オーステナイト化後から連続的に冷
却して変態させた場合、冷却過程で生じたロール内部
と外殻層の温度差に起因する熱応力と、外殻層の変態膨
張に基づく変態応力が重なって、ロール内層に著しい引
張応力が発生してロールの割損を生じ易い。マルテン
サイトは、高硬度ではあるが、靭性が低いことから、圧
延ロールとして使用される際、局部的な熱応力や圧延応
力が加わるとクラックが生じ易い、等の欠点がある。

【０００５】そこで、従来技術では、特に内層の厚みが
薄いスリーブ式複合ロールの外層材において、割損を防
止するため、徐冷するとともに外殻層にパーライトを析
出させて（耐摩耗性を犠牲）製造することを余儀なくさ
れていた。また、変態応力を緩和する処理法としてオー
ステンパー処理が知られており、これを利用した技術と
して、特公昭57-15647と特公昭57-15648に記載される如
く、Ｎｉ：3.0 〜5.0％、Ｍｏ：0.2 〜0.8 ％含有する
複合ロール外殻層を 850℃以上の温度でオーステナイト
化処理し、引続いて急速冷却して 200〜 450℃で恒温変
態処理を行なう方法や、特開平1-191746に記載される如
く、 800〜 900℃の温度でオーステナイト化後、引続い
て 100〜 500℃／時間で急速冷却して 350〜 500℃で恒
温変態を起こさせる方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来技術
では、下記、の問題点がある。オーステナイト化
後、急冷して 325℃以上で保持した場合、ベイナイト変
態しないか、該変態が停滞して未変態オーステナイトが
残留し、等温変態後の冷却過程（室温〜200 ℃）で未変
態オーステナイトがマルテンサイトに変態する。マルテ
ンサイトは前述の如く靭性が低く、局部的な熱応力や圧
延応力によって、ロールの割損を生じ易い。

【０００７】オーステナイト化後、急冷して直接 200
〜 300℃に保持するとベイナイト変態は完了するが、長
く伸びたベイナイトが析出し、その間隙に粗大な残留オ
ーステナイトが形成されるため、耐摩耗性と耐熱衝撃性
を損なう。更に、ベイナイト変態温度までの急冷でロー
ル径方向に大きな温度差が生じ、これに基づいて過大な
熱応力が加わるためロールの割損を生じ易い。

【０００８】尚、本出願人は、上記、の問題点を解
決するため、特願平4-241428号により、「重量％で、Ｎ
ｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃｒ：0.8 〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜
3.0％、Ｓｉ：0.5 〜 1.5％を含有する合金鋳鉄を外層
材とした複合ロールの素材を遠心鋳造し、この素材を鋳
型内で常温まで冷却した以後、この素材を 850〜 950℃
に加熱した後、 450〜 510℃の温度域まで急冷し、該温
度域に保持した後、更に冷却し 200〜 350℃に保持し、
恒温変態処理するもの」を提案している。

【０００９】ところが、上述の先願技術では、遠心鋳造
後に鋳型内で常温まで冷却せしめた素材を、その後再び
高温で長時間熱処理するものとなり、製造工程の遅延と
製造コストの上昇とを伴う。

【００１０】本発明は、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れ、
割損の虞れのない複合ロールを、工程短縮し、かつ低コ
ストで製造可能とすることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
によれば、重量％で、Ｎｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃｒ：0.8
〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜 3.0％、Ｓｉ：0.5 〜 1.5％を
含有する合金鋳鉄を外層材とした複合ロール素材を遠心
鋳造し、鋳型内で常温まで冷却する工程を省略し、その
凝固過程でパーライト変態しない冷却速度により450 〜
510 ℃まで冷却し、該温度域に保持した後、更に冷却し
200〜 350℃に保持し、変態させるようにしたものであ
る。

【００１２】請求項２に記載の本発明によれば、請求項
１に記載の本発明の具体的実施方法として、Ｎｉ：2.0
〜 6.0％、Ｃｒ：0.8 〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜 3.0％、
Ｓｉ：0.5 〜 1.5％の複合ロールを鋳造後に、その凝固
過程（鋳型内冷却過程）の620 ℃以上でロールを型抜き
した後、80℃／時間以上の冷却速度により450 〜510℃
まで冷却し、該温度域に保持した後、更に冷却し 200〜
350℃に保持し、変態させるようにしたものである。

【００１３】

【作用】本発明者は、複合ロールの熱処理特性を種々検
討した結果、Ｎｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃｒ：0.8 〜 4.0
％、Ｍｏ：0.2 〜 3.0％、Ｓｉ：0.5 〜 1.5％を含有す
る鋳鉄からなる外層材においては、オーステナイト化後
の冷却過程でパーライト変態もベイナイト変態も生じな
い中間温度域（ 450〜 510℃）が存在することを見い出
し、オーステナイト化後にパーライトノーズを回避する
速度で急冷し、この温度域に保持すれば、ベイナイト及
びパーライト変態も生じず、熱応力を弛緩できることを
見い出した。更に、この温度域では、その後の変態でオ
ーステナイトから微細な２次炭化物が析出（オーステナ
イト不安定化）し、引き続き冷却して200〜350 ℃に保
持すると、ベイナイトとオーステナイトが細かく分断さ
れた組織となり、耐摩耗性と耐熱衝撃性が著しく向上す
ることを見い出した。

【００１４】そして、本発明では、更に上述の熱処理
を、従来実施されていたような、鋳造後に鋳型内で常温
まで冷却することなく複合ロール鋳造後の冷却過程の62
0℃以上の熱間で型バラシを行ない、そのまま調質炉
（熱処理炉）に装入して実施すれば、耐熱衝撃性と耐磨
耗性の向上と製造工程短縮とコスト低減を実施できるこ
とを見出し、開示したのである。

【００１５】本発明において、外層材の化学組成を限定
した理由を以下に示す。 Ｎｉ：2.0 〜 6.0％ Ｎｉは焼入れ性を向上する元素でパーライト変態が起き
る臨界冷却速度を遅くする効果があり、またベイナイト
を強化する。 2％未満ではその効果が不足し、6％を越
えて含有しても効果が飽和するばかりか、ベイナイト変
態速度を遅くする。

【００１６】Ｃｒ：0.8 〜 0.4％ ＣｒはＮｉと同様に焼入れ性を向上する元素であり、パ
ーライト変態終了温度とベイナイト変態開始温度の差を
拡げる作用を持つ。また、鉄、炭素と結合して炭化物を
形成するため、耐摩耗性が向上する。 0.8％未満では前
記の作用が不足し、 4％を超えると炭化物量が必要以上
に増大して脆化する。

【００１７】Ｍｏ：0.2 〜 3.0％ Ｍｏはベイナイト変態時間をあまり延長させることなく
焼入れ性を向上する。また、パーライト変態温度を上昇
させる作用があるため、ＣｒとＮｉの複合添加において
パーライト変態温度とベイナイト変態温度の差を60℃以
上に拡げることができる。Ｍｏが 0.2％未満ではその効
果が不足し、 3％を超えても効果が飽和するため、経済
性の観点から上限を 3％とする。

【００１８】Ｓｉ：0.5 〜 2.0％ 溶解時の脱酸と基地組織の靭性付与のため 0.5％以上添
加することが好ましいが２％を超えて含有させると黒鉛
過多となって耐摩耗性が低下する。

【００１９】Ｃ：2.5 〜 4.0％程度が好ましい。 2.5 ％以下では炭化物量が不足して耐摩耗性が低下し、
４％を超えると、炭化物量と黒鉛量が過多となり、脆化
すると共に耐摩耗性も低下する傾向がある。

【００２０】Ｍｎ：0.3 〜 1.5％程度が好ましい。 焼入れ性を高めると共に基地を強化する効果がある。0.
3 ％以上添加しなければ効果が不足し、1.5 ％を超えて
含有すると硬脆化する傾向がある。

【００２１】Ｐ≦0.04％、Ｓ≦0.03％ Ｐ、Ｓは共に有害成分であり少ないほど好ましいが、Ｐ
≦0.04％、Ｓ≦0.03％まで許容できる。

【００２２】そして、本発明の複合ロール素材は、上述
の如くの化学組成からなる高合金鋳鉄を外層とした複合
ロール素材の鋳型１０に、ロール外層にあたる外湯１
と、ロール内層を構成する内湯２を注湯して遠心鋳造
し、両層を冶金的に融着させたものである（図１）。こ
のとき、本発明の高合金鋳鉄材に施される熱処理条件を
ＣＣＴカーブとともに示せば図２の如くである。

【００２３】本発明において、熱処理条件を限定した理
由を以下に示す。 (1) 冷却条件 遠心鋳造された複合ロール素材は、鋳型内で凝固する
が、その凝固過程で、外層域がパーライト変態しない冷
却速度を選定しなければならない。パーライト変態が生
ずると、これが常温まで残留し、これを消失させるに
は、再びオーステナイト域まで加熱しなければならない
からである。ここで、パーライト変態温度（510〜650
℃）の間を80℃／時間以上の速度で冷却すれば、パーラ
イト変態を回避できる。

【００２４】(a) 鋳型内冷却速度が80℃／時間以上の場
合 鋳型内での外層温度が500 〜550 ℃で素材を型抜きし、
この素材を下記(2) の急冷保持条件、(3) の冷却保持条
件により熱処理すれば良い。

【００２５】即ち、500〜550℃で型抜きした素材を、予
め450 〜510 ℃に保持した調質炉内に装入し、その後、
図２に示す熱処理パターンで処理し、所要の外層組織
（ベイニティックフェライト＋残留オーステナイト）を
得る。

【００２６】一方、(b) 鋳型内冷却速度が80℃／時間未
満の場合、パーライト変態を避けるために鋳型内での外
層温度がパーライト変態上限温度（600 ℃）より高い62
0 〜650 ℃で素材を型抜きし、80℃／時間以上に冷却速
度を増加する必要がある。

【００２７】ここで、型抜きしたロール素材を一旦、調
質炉内に装入し、650 〜700 ℃で加熱保持すると、ロー
ルの内部温度分布は均一化でき、次工程の冷却を安定化
することができる。該素材を炉外に引出して80℃／時間
以上の冷却速度（パーライト変態しない冷却速度）で大
気放冷し、この素材を下記(2) の急冷保持条件、(3)の
冷却保持条件により熱処理する。

【００２８】即ち、鋳造後の素材をその冷却で80℃／時
間以上の冷却速度で450 〜510 ℃まで大気放冷すること
にてパーライト変態を回避した後、この素材を炉内に引
入れて図２に示す熱処理パターンで処理することで耐磨
耗性と耐熱衝撃性に優れた所要の外層組織を得ることが
できる。

【００２９】尚、本発明の実施において、前述(a) の鋳
型内冷却速度が80℃／時間以上の場合であっても、上述
(b) の鋳型内冷却速度が80℃／時間未満の場合と同様
に、遠心鋳造後の複合ロール素材を620 ℃以上で型抜き
した後、80℃／時間以上の冷却速度により450 〜510 ℃
まで冷却し、該温度域に保持した後、更に冷却し200 〜
350 ℃に保持し、変態させるようにしても良い。

【００３０】(2) 急冷保持条件： 450〜 510℃ 外層材を上述(1) の冷却により、 450〜 510℃まで冷却
して、一旦保持する。450〜 510℃までの冷却速度はパ
ーライト変態を完全に阻止するため、80℃／時間以上に
することが望ましい。 450℃〜 510℃の間は長時間保持
しても、パーライト変態やベイナイト変態を起こさない
ため、この温度に保持することによって冷却過程で発生
したロール内部の温度差をなくし、また、熱応力を弛緩
することができる。 450℃〜 510℃の保持時間は 5時間
以上が好適である。 510℃より高いとパーライト変態が
開始するため、上限は 510℃とする必要があり、また、
450℃より低いと、少量の粗大なベイナイトが析出する
ため、ロールの硬度を低下させる原因になると共に、熱
応力弛緩効果も減少するため下限を 450℃とした。ま
た、 450〜 510℃に保持した場合、オーステナイト中の
炭素が拡散均一化するとともに、過飽和炭素が最大径 3
μm 以下の２次炭化物として析出し、オーステナイトが
不安定化するためベイナイト変態が促進される。

【００３１】(3) 冷却保持条件： 200〜 350℃ 外層材を上述(2) の急冷保持後、更に冷却して 200〜 3
50℃に保持すると、オーステナイトとベイナイトが細か
く分断された基地組成が均一に形成される。保持温度が
200℃より低いとマルテンサイトが析出し、 350℃を超
えるとベイナイト変態が完了しなくなるとともに硬度の
低い粗大なベイナイトが析出するため、ロールの靭性或
いは耐摩耗性を低下させる。 200〜 350℃の保持時間は
20時間以上が好適である。

【００３２】このようにして製造された本発明複合ロー
ルの外層材の組織は、黒鉛、共晶炭化物と基地組織がベ
イナイト、オーステナイト及び最大径 3μm 以下の２次
炭化物で構成された形となり、優れた耐摩耗性、耐熱衝
撃性、強度を示す。また、オーステナイト化後の冷却過
程で 450〜 510℃に保持されるため、ロール内部の温度
差と熱応力が解放されて、ロール割損の虞れがなくな
り、また均一な組織が得られる。ロール径方向に温度差
がつき易い大型ロールや、内層の厚みが薄いスリーブ式
複合ロール等を熱処理する場合でも、上述の 450〜 510
℃に保持した際の応力の解放によって割損の虞れがな
く、熱処理時の冷却速度に制限を受けずに均一な組織を
持つ複合ロールを製造できる。更に、鋳込み後の冷却過
程の熱間で熱処理を実施するため、鋳込み後の鋳型内冷
却時間の短縮と、エネルギーコストを省略できる。

【００３３】尚、本発明複合ロールに適用される内層材
は、鋳鉄や鋳鋼等何でもかまわないが、球状黒鉛鋳鉄や
黒鉛鋼等、強靭な材質を用いることが好ましい。

【００３４】

【実施例】遠心鋳造法により、表１に示す化学組成の外
層材（高合金グレン鋳鉄）と内層材（黒鉛鋼）を用いて
外径：1330mm、内径： 750mm、幅： 900mm（実施例１）
及び外径：1000mm、内径： 520mm、幅： 500mm（実施例
２）のスリーブ式複合ロールを製造した。比較例とし
て、実施例１と同一サイズのロールを鋳型内で常温まで
冷却して外層をパーライトとした鋳放材を、前述した特
願平4-241428号の熱処理を行なって製造した。

【００３５】この結果、表２に示すように、実施例１、
２では比較例に対し、製造時間、製造コスト共に著しい
効果を確認できた。尚、図３は、表２の熱処理パターン
(1) 〜(5) を示す模式図である。

【００３６】

【表１】

【００３７】実施例１、２とも図１に示す鋳造方案で遠
心鋳造後、その冷却過程でロール外表面温度が約650℃
に冷却されたタイミングで型バラシを行ない、700℃に
加熱保持された調質炉に装入し5時間保持し、その後、
炉外に引き出し、80℃／時間以上（80〜120℃／時間）
の速度で470度まで冷却した（図４）。その後、480℃に
保持した中間保持炉にロールを装入し、15時間保持した
後に、更に300℃まで炉 内で冷却し、300℃に到達した時
点から30時間、300℃まま保持することでベイナイト変
態させ、その後炉冷して熱処理を終了した。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、耐摩耗
性、耐熱衝撃性に優れ、割損の虞れのない複合ロール
を、短期間かつ低コストで製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による複合ロール鋳造方案を示す
模式図である。

【図２】図２は高合金鋳鉄材のＣＣＴカーブと熱処理パ
ターンの関係を示す線図である。

【図３】図３は表２の熱処理パターンを示す模式図であ
る。

【図４】図４は実施例１の型抜き〜中間保持の熱処理パ
ターンを示す模式図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 5/00 B22D 19/16 B22D 13/00 - 13/10 C22C 37/00 - 37/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｎｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃｒ：
   0.8 〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜 3.0％、Ｓｉ：0.5 〜 1.5
   ％を含有する合金鋳鉄を外層材とした複合ロール素材を
   遠心鋳造し、その凝固過程でパーライト変態しない冷却
   速度により450 〜510 ℃まで冷却し、該温度域に保持し
   た後、更に冷却し 200〜 350℃に保持し、変態させるこ
   とを特徴とする複合ロールの製造方法。
2. 【請求項２】 重量％で、Ｎｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃｒ：
   0.8 〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜 3.0％、Ｓｉ：0.5 〜 1.5
   ％を含有する合金鋳鉄を外層材とした複合ロール素材を
   鋳造し、その凝固過程の620 ℃以上で型抜きした後、80
   ℃／時間以上の冷却速度により450 〜510 ℃まで冷却
   し、該温度域に保持した後、更に冷却し200〜 350℃に
   保持し、変態させることを特徴とする複合ロールの製造
   方法。