JP3243257B2 - 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】本発明は鋳鋼材の熱間圧延用複合
ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧延用ロールは、圧延使用層の耐摩耗性
と軸部の強靱性とを確保するため、通常、高級鋳鉄や球
状黒鉛鋳鉄等の強靭鋳鉄材によって形成された軸部の外
周面に耐摩耗性に優れた高合金鋳鉄材によって形成され
た外層を溶着一体化して複合化される。この場合、軸部
としては一般に円柱状のものが使用されるが、形鋼圧延
用のものでは円筒状のものが使用される場合もある。

【０００３】圧延用複合ロールは、遠心力鋳造によって
外層を鋳造し、その内面が半凝固の状態で軸部を鋳造
し、両者を溶着一体化することにより製作される。ま
た、耐摩耗性が特に要求される鉄鋼圧延用ロールの外層
材として、高クロム鋳鉄が使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
軸部が鋳鉄材によって形成されているため、引張強度が
50kg／mm² 程度以下と十分な強度が得がたく、また溶着
の際に外層の高合金成分が軸部溶湯に混入し、材質を劣
化させる。このため、製造途中に外層の残留応力によっ
て軸部が破壊したり、また近年の圧延条件の苛酷化に伴
い、圧延中に折損事故が生じる等の問題があった。

【０００５】かかる問題を解決するには、軸部を黒鉛鋼
や鋳鋼で形成すればよいと考えられるが、これらの鋼材
は凝固温度が外層材に対して高く、外層と軸部との溶着
の際に、外層内面が軸部の凝固よりも遅れるため、健全
な溶着が得がたく、溶着部における強度が不足するとい
う問題がある。また、高クロムロール材は、Ｃ：2.0 〜
3.2 ｗｔ％、Ｃｒ：10〜30ｗｔ％を含み、組織中に高硬
度のＭ₇ Ｃ₃ 型のクロムカーバイドが多量に生成したも
のであり、比較的良好な耐摩耗性を有しているが、基地
組織中の炭素量が高いため比較的脆く、高硬度クロムカ
ーバイドが基地から欠け落ち易いという欠点がある。欠
け落ち摩耗が生じると、欠け落ちた部分が鋼板に転写さ
れて表面性状を悪化させ、不良品発生の原因となる。ま
た、近年、熱間圧延鋼板の断面形状や寸法精度などに対
する要求が厳しく、これらの要求に対応するため、ロー
ルの耐摩耗性向上の要求も強い。

【０００６】本発明はかかる問題に鑑みなされたもの
で、外層ロール材が高クロム鋳鉄ロール材に比べて優れ
た耐摩耗性を有し、また外層と軸部との接合健全性を損
なうことなく、軸部を鋼材で形成した複合ロールを提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本発明の複合ロールは、耐摩耗性に優れた特
定組成の高合金鋳鉄材で鋳造された円筒状外層部材又は
前記高合金鋳鉄材によって鋳造された外層の内面に特定
組成の鋳鋼材によって鋳造された中間層が溶着一体化し
た円筒状外層・中間層部材が、靱性に優れた鋼材で形成
された軸部材の外周面に配置されると共に両部材が熱間
等方圧加圧により固相拡散接合されている。

【０００８】前記高合金鋳鉄材は、化学組成が重量％
で、 Ｃ ：1.5 〜 2.5％、 Ｓｉ：0.2 〜 1.0％、 Ｍｎ： 1.5 ％以下、 Ｃｒ： ３〜10 ％、 Ｍｏ： １〜６ ％、 Ｗ ： ２〜８ ％、 Ｖ ： ２〜10 ％、 Ｃｏ： ２〜6.95％、 残部Ｆｅおよび不可避的不純物で形成されている。

【０００９】また、前記鋳鋼材は、化学組成が重量％
で、 Ｃ ：0.1 〜 1.5％、 Ｓｉ：0.2 〜 1.0％、 Ｍｎ：0.1 〜 1.0％、 Ｃｒ：0.1 〜3.0 ％、 Ｍｏ：0.1 〜2.0 ％、 残部Ｆｅおよび不可避的不純物で形成されている。

【００１０】

【作用】外層部材又は外層・中間層部材は各々単独で製
造することができるため、製造容易である。外層部材と
軸部材とは熱間等方圧加圧 (以下、ＨＩＰという。）に
より固相拡散接合されているため、接合時に外層部材の
内面が溶融することがなく、凝固時間の遅れに起因する
接合不良が生じることがない。また、接合部の拡散層の
厚さは、拡散容易で軽元素のＣについて見ても５mm以内
であり、溶着の場合に生じる混合層（外層と軸部との成
分が混合した中間的な成分を有する層）に比べて極めて
薄く、外層部材は境界部近傍まで有効に使用することが
できる。

【００１１】また、外層の内面に中間層を形成した外層
・中間層部材の場合、部材の内周面（嵌合面）の機械加
工が容易で、また軸部材との固相拡散接合も極めて容易
に行うことができる。しかも、ＨＩＰ処理後の冷却又は
熱処理に際し、外層と軸部材との材質の相違に起因した
変態温度差を中間層によって段階的に変えることがで
き、残留応力を低減することができる。

【００１２】前記外層部材又は外層を形成する高合金鋳
鉄材の化学組成（単位重量％）は以下の理由により限定
される。 Ｃ：1.5 〜2.5 ％ Ｃは、Ｃｒ, Ｍｏ, Ｗ，Ｖと結びついて、高硬度の各種
カーバイドを形成し、耐摩耗性を向上する。1.5 ％未満
ではカーバイド量が過少となり、耐摩耗性が不足する。
2.5 ％を越えると、溶融状態から直接晶出する１次カー
バイドが多くなり、耐クラック性が低下する。

【００１３】 Ｓｉ：0.2 〜1.0 ％ Ｓｉは溶湯の脱酸のために必要な元素であり、また、湯
流れを良くするので、0.2 ％以上添加する。一方、1.0
％を越えると、材質を脆くする。 Ｍｎ：1.5 ％以下 Ｍｎは溶湯の脱酸および脱硫のために添加する。また、
焼入れ性を向上させ、耐摩耗性を向上させるが、1.5 ％
を越えるとオーステナイト結晶粒が粗大化し焼入れ時の
割れの原因となるので好ましくない。

【００１４】 Ｃｒ：３〜10％ Ｃｒは一部基地組織中に固溶して基地の焼入性を改善
し、耐摩耗性を向上する。また、Ｃと結合して高硬度の
炭化物を形成し、耐摩耗性をさらに向上する。３％未満
では炭化物量が少なく耐摩耗性が劣り、10％を越える
と、炭化物量が過多となるので靱性が低下する。

【００１５】 Ｍｏ：１〜９％ Ｍｏは基地組織の焼入性を向上すると共にＣと結合して
Ｍｏ₂ Ｃ型の微細な炭化物を生成して耐摩耗性を向上す
る。１％未満では焼入性向上の効果が顕著に現われず、
生成炭化物量も少ないため、耐摩耗性が劣り、９％を越
えると炭化物量が飽和するので、コスト的に不利にな
る。さらに、過飽和に溶け込んだＭｏは、基地の残留オ
ーステナイトを安定化し耐肌荒性を劣化させる。

【００１６】 Ｗ：２〜９％ Ｗは強力な炭化物形成元素であり、焼もどし処理によ
り、ＭＣ型炭化物として微細析出し、顕著な２次硬化を
もたらす。その効果を得るためには２％以上必要である
が、９％を越えると、晶出炭化物が増し、耐クラック性
が劣化する。 Ｖ：２〜10％ Ｖは鋳造組織を微細緻密化して基地を強靭化する。ま
た、Ｃと結合して高硬度のＶカーバイドを形成する。該
カーバイドは組織中に微細分散して形成されるので耐摩
耗性を向上する。本発明のＣ含有量の範囲（1.5 〜2.5
％) においてＶの上記効果を得るには、２％以上の添加
が望ましい。一方、10％を越えるとその効果は飽和し、
材質を脆くする。

【００１７】 Ｃｏ：２〜6.95％ Ｃｏは高温における組織の安定性を向上する効果があ
る。２％未満ではその効果が期待できなく、また、6.95
％を越えると効果の増加割合が小さくなる。本発明の外
層材は以上の成分のほか、残部実質的にＦｅで形成され
る。尚、Ｐ，Ｓはいずれも材質を脆くするので少ない程
望ましい。Ｐ：0.05％未満、Ｓ：0.05％未満に止めてお
くのがよい。

【００１８】上記合金成分の他、高クロム鋳鉄材質を改
善する合金元素として下記の一種又は二種以上の元素を
Ｆｅの一部に代えて含有させることができる。Ｎｉは、
焼もどしにおける２次硬化は期待できないが、焼入れ性
を向上する。２％を越えるとオーステナイトが安定化す
るため、良くない。Ａ１は、脱ガスに効果が大きく、外
層材の鋳造時に、0.1 ％以下の含有により、有効に鋳造
欠陥を除去し得る。Ｎｂは、鋳造組織の微細化に効果が
あり、また、Ｎｂは析出硬化にも寄与するが、偏析し易
い元素であるため、1.0 ％以下が良い。

【００１９】本発明の外層材は、Ｃ含有量を低く抑えな
がら、基地組織の焼入れ性を改善すると共に高硬度の炭
化物を形成するＭｏ，Ｃｒ，Ｖ，Ｗを積極的に添加した
耐摩耗性に優れた高合金鋳鉄材である。従って、本外層
ロール材は、従来の高クロムロール材に比べてＣ含有量
が低いが、従来のロールがＣｒカーバイド主体の組織で
あるのに対し、本ロール材は、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗによ
って、高硬度の各種形態の複炭化物を基地組織中に生成
させることにより、耐摩耗性を向上させている。一方、
上記基地組織も、Ｃ含有が低いため、靱性が向上し、前
記複炭化物の生成と相まって、既述の組織の欠け落ちの
発生が防止され、この結果ロール寿命を著しく向上させ
ることができる。

【００２０】また、外層・中間層部材の中間層を形成す
る鋳鋼材の化学組成（単位重量％）は以下の理由により
限定される。 Ｃ：0.1 〜1.5 ％ 0.1 ％未満では鋳造性が悪くなり、一方1.5 ％を越える
と主としてセメンタイトからなる炭化物が増加し、脆く
なるとともに、溶接性が悪くなるからである。

【００２１】 Ｓ：0.2 〜1.0 ％ 0.2 ％未満では脱酸効果が充分でなく、一方1.0 ％を越
えると機械的性質が劣化する。 Ｍｎ：0.1 〜1.0 ％ ＭｎはＳの悪影響除去およびＳｉの補助脱酸剤として添
加される。0.1 ％未満ではその作用が不足し、一方1.0
％を越えると材質を硬くもろくする。

【００２２】 Ｃｒ：0.1 〜3.0 ％ Ｃｒは基地の焼入れ性を向上させ、強度向上に寄与す
る。0.1 ％未満ではその作用が不足し、一方3.0 ％を越
えて添加すると、炭化物が増加し、脆くなる。 Ｍｏ：0.1 〜2.0 ％ Ｃｒと同様な作用を有し、0.1 〜2.0 ％の含有が適切で
ある。

【００２３】本発明に係る中間層材は以上の成分のほ
か、残部実質的にＦｅで形成される。尚、Ｐ，Ｓはいず
れも材質の強靭性を劣化させるため少ない程よく、0.1
％以下に止めておくのがよい。

【００２４】

【実施例】図１は本発明の複合ロールの構造を示してお
り、圧延使用層（外層）を形成する外層部材1 が軸部材
2 の外周面に配置され、ＨＩＰにより固相拡散接合され
ている。外層部材1 は円筒体であり、遠心力鋳造 (横
型、傾斜型、立型) や静置鋳造によって鋳造される。単
一材質であるため、鋳造後の冷却速度に注意を払えば、
過大な残留応力による割れ発生のおそれもない。外層部
材1 の材質としては、既述の高合金鋳鉄材が使用され
る。

【００２５】軸部材2 は円柱体であり、静置鋳造や鋳造
後に鍛造することによって製造される。尚、軸部材が円
筒状のものでは遠心力鋳造の適用も可能である。材質と
しては、低合金鋳鋼、高合金鋳鋼、ＪＩＳ規定のＳＣＭ
材、ＳＮＣＭ材等の鋼材を使用することができる。これ
によって軸部材の引張強度を60kg／mm² 以上にすること
ができ、充分な強度、強靭性を確保することができる。

【００２６】前記外層部材1 と軸部材2 とを固相拡散接
合するには、外層部材1 を軸部材2に嵌合し、両部材1,2
間の嵌合部空隙にある空気を除去し、ＨＩＰ処理する
ことによって行われる。嵌合部空隙の空気を除去するに
は、図３に示すように、軸部材2 の一方のメタル部 (小
径部) 3 から他方のメタル部4 を覆うように軟鋼板製カ
バー5 を設け、その内部の空気を脱気することによって
行われる。6 は脱気管であり、真空脱気後、カシメや溶
接によって閉塞される。

【００２７】また、図４に示すように、両方の嵌合端部
を溶接し、嵌合部空隙に連通するように取付けた脱気管
６より脱気してもよい。尚、メタル部3,4 を分割し、Ｈ
ＩＰ処理することにより、ＨＩＰ処理炉を小形化するこ
とができ、設備費の低減を図ることができる。軸部材2
は鋼材で形成されているので、分割したメタル部はＨＩ
Ｐ処理後、溶接により容易に接合一体化することができ
る。

【００２８】図５は、軸部材が円筒体であるＨ形鋼用ス
リーブロールの場合を示し、カバー5 は外層部材1 を軸
部材2 に嵌合した複合ロール素材を包み込むように形成
されている。一方、図２に示すように、前記外層部材1
の代りに外層12の内面に中間層13が溶着一体化された外
層・中間層部材11を用いることにより、外層12と中間層
13とが溶着され、中間層13と軸部材12とが固相拡散接合
された三層構造の複合ロールが得られる。外層・中間層
部材11は、外層12を遠心力鋳造後、その内面に中間層材
溶湯を遠心力鋳造することにより容易に鋳造される。
尚、中間層13の厚さは10〜30 mm程度と薄く、中間層材
の溶湯量は軸部材のそれに比べて少量なため、凝固温度
の逆転による溶着不良は問題とならない。

【００２９】ＨＩＰ処理後、複合ロール素材は、粗加工
後、外層部材の硬化のために 950〜1200℃に保持してオ
ーステナイト化した後、噴霧水冷等によって急冷して焼
入れ、その後500 〜650 ℃で２〜20時間保持する焼戻し
が数回行われる。尚、素材が小形のものでは、空冷する
だけで焼入れが可能である。本発明の複合ロールは、小
形の鋼材圧延用ロールから、広幅帯鋼圧延ロール等の胴
径φ400 〜φ900 mmの大形ロール、並びにＨ形鋼圧延用
スリーブロール等の広範囲の圧延用ロールに適用可能で
ある。

【００３０】次に具体的実施例を掲げる。 （１）外層部材および外層・中間層部材として外径340
mm、内径290.0 〜290.2 mm、長さ1250mmの円筒体を遠心
力鋳造により製作した。尚、外層・中間層部材の中間層
厚さは20mmとした。これらの部材を外径289.8 〜290.0
mm、長さ1450mmの軸部材に嵌合し、嵌合部隙間を脱気し
た後ＨＩＰ処理を施した。ＨＩＰ処理条件は、圧力200
kg／mm² 、温度1080℃である。外層部材、外層・中間層
部材の化学組成 (ｗｔ％、残部実質Ｆｅ）を下記表１に
示す。尚、比較例の外層部材は高クロム鋳鉄材である。

【００３１】

【表１】

【００３２】（２）ＨＩＰ処理後、下記表２のオーステ
ナイト化温度に加熱後、急冷し、下記の温度で焼戻し、
歪取り熱処理を施した。

【００３３】

【表２】

【００３４】（３）熱処理後、表面硬度、境界45°圧縮
強さ (外層部材と軸部材との接合境界面を荷重方向に対
して45°に配置した試験片により測定した圧縮強さ) 等
を測定した。その結果を下記表３に示す。

【００３５】

【表３】

【００３６】（４）表３より本発明の複合ロールは、軸
部材が80kg／mm² 程度以上と高強度であり、境界45°圧
縮強さがほぼ240 kg／mm² 以上で、外層部材表面にも大
きな圧縮応力が残留しており、接合境界部の健全性、耐
折損性に優れることが確認された。また、表面強度も比
較例に比べて高く、耐摩耗性に優れることが推認され
る。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の複合ロール
は、靱性に優れた鋼材で形成された軸部材の外周面に圧
延使用層 (外層) たる外層部材がＨＩＰにより固相拡散
接合されているので、両部材の接合に際し、外層部材の
内面が溶融することがなく、それ故接合部が健全で強度
劣化が生じず、また軸部材の材質特性をそのまま生かす
ことができ、高強度の確保ひいては耐折損性の向上を図
ることができる。また、両部材の拡散層も５mm程度以下
とごく薄いため高価な高合金材で形成された外層部材の
有効利用を図ることができる。

【００３８】また、外層の内面に特定成分の中間層が溶
着された外層・中間層部材を用いることにより、嵌合面
の加工が容易で、軸部材との固相拡散接合も極めて容易
に行うことができ、変態温度差を段階的に変えることが
できるため残留応力の軽減にも効果がある。また、本発
明の外層材は、Ｃを低く抑えると共に基地組織の焼入れ
性の改善および高硬度炭化物の形成のため、Ｍｏ，Ｃ
ｒ，Ｖ，Ｗを積極的に添加した高合金鋳鉄で形成されて
いるので、Ｃ含有量の低い強靭な基地中にＭｏ，Ｃｒ，
Ｖ，Ｗを含む高硬度の各種形態の複炭化物が生成した組
織となり、炭化物の欠け落ちの発生が防止され、従来の
高クロム鋳鉄ロール材に比べて極めて優れた耐摩耗性、
耐肌荒性を有する。特にＷは強力な炭化物形成元素であ
り、焼きもどし処理によりＭＣ型炭化物として微細析出
し、顕著な２次硬化をもたらす。更にＣｏは高温におけ
る組織の安定性を向上するという顕著な効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合ロールの断面図である。

【図２】本発明の他の複合ロールの断面図である。

【図３】複合ロール素材の接合部の脱気要領を示す断面
図である。

【図４】複合ロール素材の接合部の他の脱気要領を示す
断面図である。

【図５】複合ロール素材の接合部の他の脱気要領を示す
断面図である。

【符号の説明】

１ 外層部材 ２ 軸部材 11 外層・中間層部材 12 外層 13 中間層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２１Ｄ 9/38 Ｃ２１Ｄ 9/38 Ａ Ｃ２２Ｃ 37/06 Ｃ２２Ｃ 37/06 Ａ 38/00 ３０１ 38/00 ３０１Ｌ ３０２ ３０２Ｅ 38/30 38/30 (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 (72)発明者 藤田 秀雄 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 船越 淳 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 木村 広之 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 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 (56)参考文献 特開 昭62−148005（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−219405（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−23958（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−101643（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 37/00 B21B 27/00 B23K 20/00 C21D 5/00 C21D 9/38 C22C 37/06 C22C 38/00 301 C22C 38/00 302 C22C 38/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学組成が重量％で、 Ｃ ：1.5 〜 2.5％、 Ｓｉ：0.2 〜 1.0％、 Ｍｎ：1.5 ％ 以下、 Ｃｒ： ３〜10 ％、 Ｍｏ： １〜６ ％、 Ｗ ： ２〜８ ％、 Ｖ ： ２〜10 ％、 Ｃｏ： ２〜6.95％、 残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる高合金鋳鉄材で
   鋳造された円筒状外層部材が靱性に優れた鋼材で形成さ
   れた軸部材の外周面に配置されると共に両部材が熱間等
   方圧加圧により固相拡散接合されていることを特徴とす
   る複合ロール。
2. 【請求項２】 化学組成が重量％で、 Ｃ ：1.5 〜 2.5％、 Ｓｉ：0.2 〜 1.0％、 Ｍｎ：1.5 ％ 以下、 Ｃｒ： ３〜10 ％、 Ｍｏ： １〜６ ％、 Ｗ ： ２〜８ ％、 Ｖ ： ２〜10 ％、 Ｃｏ： ２〜6.95％、 残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる高合金鋳鉄材で
   鋳造された外層の内面に、 Ｃ ：0.1 〜 1.5％、 Ｓｉ：0.2 〜 1.0％、 Ｍｎ：0.1 〜 1.0％、 Ｃｒ：0.1 〜3.0 ％、 Ｍｏ：0.1 〜2.0 ％、 残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋳鋼材で鋳造さ
   れた中間層が溶着一体化した円筒状外層・中間層部材が
   靱性に優れた鋼材で形成された軸部材の外周面に配置さ
   れると共に両部材が熱間等方圧加圧により固相拡散接合
   されていることを特徴とする複合ロール。