JP3219987B2 - 耐肌荒性にすぐれる黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材 - Google Patents

耐肌荒性にすぐれる黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧延用複合ロール
の外層材として好適な黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材に関す
る。
【0002】
【従来の技術】圧延用複合ロールの外層材として使用さ
れている従来の黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材は、Cr、M
o、V、Nb、W等の如く高硬度複合炭化物を形成する
元素を含有している(例えば、特開平6−256889
号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】鋳鉄に晶出する炭化物
は、硬度が高く、耐摩耗性の確保に大きく寄与するが、
炭素量が多いことから、一方では比較的脆いという性質
がある。このため、熱間圧延のように、ロール表面に熱
負荷による昇温と降温が繰り返されると、鋳鉄基地と炭
化物の熱膨張率の相違から、比較的脆い炭化物は、ミク
ロ的な欠け落ちを生じ易い。冷間圧延でも、圧延時の摩
擦による発熱で圧延材の表面温度が上昇し、ロール表面
の昇温と降温が繰り返されるため、炭化物のミクロ的な
欠け落ちが発生する。また、高熱負荷の圧延条件下の使
用では、ロール表面に微細なヒートクラックが不可避的
に生じ、このヒートクラックにより、炭化物のミクロ的
な欠け落ちはより発生し易くなる。
【0004】炭化物の中でも、Crと、Feその他の成
分とにより形成されるM73型の複合炭化物は、結晶粒
界の近傍にまとまって晶出するため、他のM6C型、M2
C型等の炭化物と比べて、ミクロ的な欠け落ちを特に生
じ易い傾向にある。この炭化物のミクロ的な欠け落ち摩
耗は、ロール表面の肌荒れの原因になり、圧延製品の表
面性状を悪化させる不都合がある。
【0005】また、V、Nbが形成するMC型炭化物
は、厚さ方向に枝状に生成し、基地の塑性変形を抑制す
るから、耐摩耗性の他に機械的性質の向上にも寄与す
る。しかし、MC型炭化物は、他の炭化物に比べて、黒
鉛晶出温度よりもかなり高温で晶出を開始することか
ら、MC型炭化物の晶出部近傍では、溶湯中に含まれる
炭素が先に消費されてしまい、黒鉛の晶出が抑制される
傾向にある。特に、Vは優先的にMC型炭化物を形成し
て、黒鉛の晶出を妨げる傾向にある。黒鉛は、摩擦係数
を小さくし、衝撃荷重を緩和することにより、前記M7
3型炭化物のミクロ的な欠け落ちを抑制する作用を有
する。このため、黒鉛晶出量が不足すると、M73型の
共晶炭化物の欠け落ちを抑制し難くなり、ロール表面は
肌荒れし易くなる。本発明は、ロール表面が肌荒れし難
い黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材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】上記目的を達成するため
に、本発明のハイス系鋳鉄材は、炭化物の晶出・析出量
を、所望の耐摩耗性を確保するのに必要最少限の量に成
分調整すると共に、所定量の黒鉛が確実に晶出するよう
にしたものである。即ち、ミクロ的な欠け落ちを生じ易
いM73型の共晶炭化物と、黒鉛晶出を抑制するMC型
炭化物の晶出量を、従来のこの種鋳鉄材よりも少なくな
るように調整したことを特徴とする。
【0007】具体的には、本発明のハイス系鋳鉄材は、
重量%にて、C:2.5〜3.6%、Si:1.0〜3.5
%、Mn:0.1〜2.0%、Ni:0.5〜10.0%、
Cr:2.0%未満、Mo:0.1〜5.0%、W:0.1
〜5.0%、Nb:0.5〜5.0%、必要に応じてC
o:0.5〜10.0%を含有し、残部実質的にFeから
なり、黒鉛の晶出量は、面積率で2.0〜9.0%の範囲
内である。黒鉛の晶出量が2.0%に満たないと、摩擦
係数を小さくし、衝撃荷重を緩和する効果が不十分であ
り、一方9.0%を超えると、材質が脆くなる。なお、
黒鉛晶出による前記効果を十分に享受するには、5%以
上の黒鉛を晶出させることがより望ましい。
【0008】
【作用】M73型の複合炭化物は共晶炭化物であって、
Crはその形成に必須の成分である。本発明の黒鉛晶出
ハイス系鋳鉄材は、Crの含有量が少ないから、M73
型の共晶炭化物の形成も少ない。このため、炭化物のミ
クロ的な欠け落ちは少なくなり、ロール表面の肌荒れは
防止され、所定の表面粗さを維持できる。また、本発明
の黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材では、MC型炭化物を形成す
る元素はNbだけである。このため、MC型炭化物の形
成は必要最少限の量に抑えられるから、所望通りの量の
黒鉛を晶出させることができる。黒鉛の存在により、衝
撃荷重が緩和され、結果的にM73型炭化物のミクロ的
な欠け落ちが少なくなり、表面の肌荒れを防止すること
ができる。
【0009】
【成分限定理由の説明】
C:2.5〜3.6% Cは、Fe、Cr、Mo、W、Nbと結合して、高硬度
複合炭化物を形成する。また、後述の黒鉛化促進元素で
あるSiの作用により、また熱処理により微細な黒鉛と
なって組織中に晶出・析出する。適量の炭化物と黒鉛を
確保するために、Cの含有量は、2.5〜3.6%に規定
する。
【0010】Si:1.0〜3.5% Siは、湯流れ性の確保及び黒鉛を晶出・析出させるた
めに必要な元素である。含有量が1.0%に満たない
と、所望の効果が得られない。一方、3.5%を超える
と黒鉛の晶出・析出量が過多となり、黒鉛を起点とする
摩耗が著しくなる虞れがある。このため、含有量は1.
0〜3.5%に規定する。後記実施例では、2.48%(N
o.1)、2.25%(No.2)、及び2.98%(No.3)の例
を示している。なお、黒鉛の晶出を促進するには、鋳込
み前のSi量を上記成分範囲よりも少なめにしておい
て、鋳込み時に接種を行ない、最終製品の成分で上記範
囲内に調整するのが好ましい。
【0011】Mn:0.1〜2.0% Mnは、硬化能を増す働きがある。また、Sと結合して
MnSを生成し、Sによる脆化を防止するのに有効な元
素である。一方、含有量があまりに多くなると、靱性の
低下を招くため、含有量は0.1〜2.0%に規定する。
【0012】Ni:0.5〜10.0% Niは、基地組織の改良と黒鉛を晶出・析出させる目的
で添加する。含有量が0.5%に満たないとその効果は
少ない。一方、10.0%を超えると、Siの場合と同
様、黒鉛が過多となり、また、残留オーステナイトが増
加して、後の熱処理によって強靭組織を得ることが困難
になる。このため、含有量は、0.5〜10.0%に規定
する。
【0013】Cr:2.0%未満 Crは、Fe、Mo、Nb、Wと共にCと結合して、主
としてM73型の複合炭化物を形成し、硬度を高めて耐
摩耗性の向上に寄与する。しかし、高熱負荷の圧延条件
下において、M73型炭化物はヒートクラックを起因と
してミクロ的な欠け落ちを生じ易く、ロール表面の肌荒
れの原因となる。このため、本発明にあっては、Crの
含有量を2.0%未満に規定する。
【0014】Mo:0.1〜5.0% Moは、Fe、Cr、Nb、Wと共にCと結合して、主
としてM7C型、M6C型、M2C型の複合炭化物を形成
し、硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。このた
め、少なくとも0.1%以上含有させる。一方、あまり
に多く含有すると、所定の黒鉛量を得ることが困難にな
る。このため、上限は5.0%に規定する。
【0015】W:0.1〜5.0% Wも同様に、Fe、Cr、Mo、Nbと共にCと結合し
て、主として複合炭化物を形成し、硬度を高めて耐摩耗
性の向上に寄与する。このため、少なくとも0.1%以
上含有させる。一方、あまりに多く含有すると、所定の
黒鉛量を得ることが困難になる。このため。、上限は
5.0%に規定する。
【0016】Nb:0.5〜5.0% Nbは、Fe、Cr、Mo、Wと共にCと結合して、主
としてMC型の炭化物を形成し、硬度を高めて耐摩耗性
の向上に寄与する。また、MC型炭化物は、厚さ方向に
枝状に生成し、基地の塑性変形を抑制するから、機械的
性質、さらには耐クラック性の向上にも寄与する。この
ため、少なくとも0.5%以上含有させる。一方、あま
りに多く含有すると、炭化物が偏析を起こし易くなり、
所定の黒鉛量を得ることが難しくなる。このため、上限
は5.0%に規定する。
【0017】本発明のハイス系鋳鉄材は上記成分を含有
し、残部はFe及び不可避的に混入する不純物で形成さ
れる。例えば、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好ましく、P:0.2
%以下、S:0.1%以下にするのがよい。なお、本発
明の鋳鉄材は、上記合金成分のほかに、必要に応じて、
Co:0.5〜10.0%を含有することができる。
【0018】Co:0.5〜10.0% Coは、基地を改善する上で大きな効果がある。Coは
Cの拡散を抑制する特殊な作用があり、炭化物形成には
無関係に基地に固溶して強靭性を増すと共に、硬度を高
めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、Coは炭化物生
成元素のオーステナイト中への固溶量を増大させるた
め、基地の硬度と焼戻し抵抗が増大する。これらの効果
を得るには、0.5%以上含有させることが好ましい。
一方、10.0%を超えて含有してもその効果は飽和
し、経済的に不利である。このため、必要に応じて含有
させる場合も、上限は10.0%とする。
【0019】
【発明の実施の形態】本発明のハイス系鋳鉄材は、外層
が中実状内層又は円筒状内層に溶着又は焼き嵌めされた
二層複合ロール、あるいは外層と内層との間に中間層を
鋳造形成した三層複合ロールの外層材として好適に使用
される。内層材として、高級鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、黒
鉛鋼等の強靭性を有する材料が使用され、中間層材とし
てアダマイト材が使用される。中実複合ロールは、金型
遠心力鋳造法により外層、必要に応じて中間層を鋳造し
た後、その内部に内層が静置鋳造することにより作製で
きる。スリーブ状のロールの場合、内層も遠心力鋳造に
より作製される。遠心力鋳造法には、金型の回転軸が水
平方向の横型、斜め方向の傾斜型、鉛直方向の縦型の各
種の方法を用いることができる。
【0020】
【実施例】高周波誘導溶解炉にて、表1に示す各種成分
組成の合金溶湯を溶製し、遠心力鋳造に付して供試用の
中空円筒体を得た。表1中、供試No.1〜No.3は、本発
明の実施例、No.4はCrが本発明の範囲から外れる比
較例、No.5はVを含みCrが本発明の範囲から外れる
比較例である。
【0021】
【表1】
【0022】各円筒体より組織観察用の試験片を採取
し、ミクロ組織を顕微鏡観察し、晶出黒鉛の面積率を測
定した。その結果を表2に示す。
【0023】次に、高温摩耗試験用のリングを作製する
ために、各円筒体から軸心に直交して試験用リングを切
り出し、該リングを1100℃で1時間保持した後、強
制空冷により焼入れし、その後540℃で10時間の焼
戻しする熱処理を3回繰り返した。熱処理後、試験用リ
ングの外径と内径の機械加工仕上げを行ない、図1に示
す高温摩耗試験装置により、摩耗試験を行なった。
【0024】図1において、摩耗試験装置は、下段に試
験ロール(1)、上段に外径が試験ロール(1)よりも大きい
加圧ロール(2)が互いに反対方向に回転可能に配備され
た構成であり、加圧ロール(2)を試験ロール(1)に押し当
てつつ回転駆動させると、径差により試験ロール(1)が
スリップしながら回転するようにしたものである。試験
ロール(1)は、軸(11)の胴部(12)に試験用リング(13)が
固定されており、加圧ロール(2)は、軸(21)の胴部(22)
に加圧リング(23)が固定され、加圧リング(23)の幅
方向中央部には周方向に突条(24)が形成されてい
る。加圧ロール(2)の上半分は、突条(24)を囲むように
高周波コイル(3)(図1では仮想線で示す)が配備され、
試験中、加圧ロール(2)の突条(24)は加熱される。試験
ロール(1)には、冷却水管(4)を通じて冷却用の水が吹き
付けられる。なお、試験ロール(1)の胴部(12)の外径は
70mm、試験リング(13)の外径は210mmである。加圧
ロール(2)は、加圧リング(23)の材質がSS41、突条
(24)は外径230mm、幅5mmである。試験中、加圧ロー
ル(2)の突条(24)は高周波コイル(3)により800℃の温
度に加熱され、試験ロール(1)に対して、3トンの荷重
が負荷された。軸(21)の回転速度は50rpm、回転時間
は60分である。上記の要領にて試験用リング(13)の表
面に摩耗を生じさせた後、表面粗度計(サーフコム59
0A−3D、株式会社東京精密製)を用いて、夫々の試
験用リング(13)の表面粗さを測定した。測定は、試験用
リング(13)の摩耗を生じた円周表面の任意の4箇所につ
き、長さ3mmに亘って測定した。第1位置乃至第4位置
の測定結果、及びそれらの平均値を表2に併せて示す。
【0025】
【表2】
【0026】本発明の供試No.1〜No.3は、比較例の供
試No.4及びNo.5に比べて、表面粗さがはるかにすぐれ
ており、耐摩耗性と耐肌荒れ性にすぐれることがわか
る。
【0027】
【発明の効果】本発明の黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材を外層
として用いた複合ロールは、圧延に際して、所望の耐摩
耗性と、すぐれた耐肌荒れ性を具備しており、熱間圧延
あるいは冷間圧延用の圧延用複合ロールの外層材として
好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】高温摩耗試験の概要を説明する図である。
【符号の説明】
(1) 試験ロール (2) 加圧ロール (3) 高周波コイル (4) 冷却水管 (13) 試験用リング (24) 突条
フロントページの続き (72)発明者 辻本 豊 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 (72)発明者 岡林 昭利 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 (72)発明者 森川 長 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 (56)参考文献 特開 昭57−149451(JP,A) 特開 昭53−25213(JP,A) 特開 平6−256889(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 37/00 - 38/60

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%にて、C:2.5〜3.6%、S
    i:2.25〜3.5%、Mn:0.1〜2.0%、Ni:
    0.5〜10.0%、Cr:2.0%未満、Mo:0.1〜
    5.0%、W:0.1〜5.0%、Nb:0.5〜5.0%
    及び残部実質的にFeからなり、耐肌荒性にすぐれる黒
    鉛晶出ハイス系鋳鉄材。
  2. 【請求項2】 Co:0.5〜10.0%を含有している
    請求項1に記載の黒鉛晶出ハイス系鋳鉄材。
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