JP3658099B2

JP3658099B2 - 耐摩耗型強靱ロールの製造方法

Info

Publication number: JP3658099B2
Application number: JP23567996A
Authority: JP
Inventors: 清司大友; 光生橋本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: JPH1081918A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱間圧延用ロールにおいて、特に軸部及び内層の強度が８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上を有する圧延用複合ロールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧延ロールの軸材に関しては、特公平７−６１４８９号公報に示すように、連続肉盛鋳造法により製造された圧延用複合ロールにおいて、その軸材はＣ：０．３〜１．０重量％、及びＮｉ３重量％以下を含有する鋳鋼或いは鍛鋼からなり、ロール鋳造後に９００〜１２００℃の温度から、その半分の温度まで冷却する時間が０．３〜７時間となるような冷却速度で焼入れが施され、この焼入処理により、軸部にフェライト、パーライト及びベーナイトが変態生成されたことを特徴とする複合ロールが知られている。しかし、本発明のようなロールの内層及び軸部の強度を８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上有する複合ロールで、熱処理時における発生応力を軽減して外層の割れを防止する製造方法に係わるものではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
圧延ロールの内層或いは軸部を強靱にする方法としては、Ｎｉ等の焼入性の優れる合金元素を添加して強度を向上させる方法がある。しかし、Ｎｉ等の焼入れ性の優れる合金元素を添加すると、焼入れ熱処理時に外層が冷却収縮する時、内層の膨張変態が低温域で起こり、外層に引張応力が働く。この時の引張応力が外層の引張強度を超えたときに、外層が割損するという問題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述した問題を解消したもので、その発明の要旨とするところは、
芯材の周囲に外層金属を鋳造にて製造する圧延ロールにおいて、外層成分が重量％で、
Ｃ：１．２〜２．５％、Ｓｉ：０．３〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：４．０〜１０．０％、Ｍｏ：３．０〜１０．０％、Ｖ：２．０〜１０．０％、Ｗ：３．０〜１０．０％、Ｃｏ：０．１〜１０．０％、Ｎｂ：０．１〜３．０％、残部Ｆｅからなる外層材と、内層成分が重量で、Ｃ：０．２５〜１．２％、Ｓｉ：０．１５〜１．５％、Ｍｎ：０．１５〜１．５％、Ｐ：≦０．０３０％、Ｓ：≦０．０３０％、Ｎｉ：０．１〜３．０％、Ｃｒ：０．５〜２．０％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、残部Ｆｅの材質組合せで、オーステナイト化温度：９００〜１１００℃に３時間以上加熱した後、４００℃まで１〜１０時間で冷却させる途中、３００〜４５０℃の温度で３時間以上保定して、外層の割れを防止する熱処理を施し、かつ、その後、焼戻し処理をし、内層の引張強度を８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上有することを特徴とする耐摩耗型強靱ロールの製造方法にある。
【０００５】
以下、本発明について詳細に説明する。
一般に圧延ロールの場合、外層は高硬度を要求されるため、焼入れ性の良くなる合金元素を多く含んだ成分となる。従って、γ→α＋Ｆｅ₃Ｃの膨張変態温度が低温側に移動する傾向にある。逆に内層は靱性を確保するため、極力合金元素を少なくするため、γ→α＋Ｆｅ₃Ｃの膨張変態温度が高温側となる。
また、複合ロールの焼入れ時の発生応力は、内外層の材質の違いによる変態応力と温度差による熱応力がある。従って、冷却過程での熱膨張曲線は、材質すなわち、化学成分によって異なる。
【０００６】
外・内層の収縮歪量の差△εが大きくなると、外・内層に発生する応力は大きくなる。すなわち、焼入れ時の冷却過程で内層が膨張変態すると、外層は内層の膨張によって収縮が制限されるため、外層に引張応力、内層に圧縮応力が働く。逆に、外層が膨張変態する時は、外層は内層によって拘束されるため、外層は圧縮応力、内層に引張応力が働く。圧延複合ロールの場合、外層の膨張変態が低温側で起こるため、常温において外層は圧縮、内層は引張応力の残留応力となる。
【０００７】
内層の膨張変態が外層の塑性域、つまり高温側で起こる場合は、内層が膨張する時に外層も塑性変形して膨張するため、外層には大きな引張応力が発生することはない。しかし、内層の強度を向上させるために、Ｃ，Ｎｉ等の焼入性を向上させる合金元素を増すと、γ→α＋Ｆｅ₃Ｃの膨張変態は低温側となる。従って、焼入れすると、内層が膨張するとき、外層は塑性変形せず、外層に過大な引張応力が働き、図１に示すように、外層が割損するという問題が発生した。すなわち、図１はロールの外層での割れ状況を示す図であり、ロール１の外層２に割れ３が発生する状況を示している。符号４は内層を示す。
【０００８】
この発生メカニズムとしては、図２のように内層が膨張している時、外層は更に低温に冷却されるため、内外層の温度差が大きくなることにより、熱応力が増大し、変態応力に加算された合成応力が材性強度を超え割損に至ると考えられる。すなわち、図２はロールの焼入熱処理時の冷却過程での温度と歪量及び発生応力との関係を示す図であって、この内層と外層との間に歪量差が発生し、その結果、外層は引張応力が増大し、発生応力が材料強度を超えた場合、外層が割損を起こす。
【０００９】
【数１】

【００１０】
発明者らは、この問題を解決するために、外層に発生する応力を抑える方法として、焼入れ冷却途中で一定温度に保定することにより、外・内層の温度差によって生じる熱応力を下げる実験・解析を行った。その結果、図３に示すような熱処理パターンで１１００℃で加熱した後、冷却途中の一定温度に保定する実験を行った。図４に実験結果を示す。実験により、冷却途中の一定温度に保定すると、外・内層の発生応力が小さくなり外層が割損しない範囲があることが判った。すなわち、保定温度は３００〜４５０℃の範囲、保定時間は３時間以上で、また、冷却速度の影響については、１１００℃〜４００℃までの冷却時間が１０時間以上とすると、外層の硬度が低く、圧延ロールの耐摩耗性を確保出来ない。また、１時間以内では４００℃まで冷却せず作業的に限界があるため、冷却時間を１〜１０時間とした。図５にそのメカニズムを示す。３００〜４５０℃の一定温度に保定すると、内層の膨張変態時に外層も内層との温度差が小さくなる。従って、熱応力が軽減し、発生応力が材料強度まで達しないため、外層が割損しない。
【００１１】
次に、外層の成分限定理由について説明する。
Ｃ：１．２〜２．５％
Ｃは焼入性を向上させ、マトリックス硬度を高くし、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗと化合し硬い炭化物をつくり、耐摩耗性を向上させる。１．２％未満では炭化物量も少なく、硬度も低く耐摩耗性の向上は少ない。また、２．５％を超えると炭化物が粗大になり、使用中に炭化物の欠落を生じ、逆に耐摩耗性を悪くする。
Ｓｉ：０．３〜１．５％
Ｓｉは鋳造性に影響し、少な過ぎると湯流れ性が悪くなり、鋳造欠陥等の原因となる。また、溶湯中の酸素と化合し、脱酸効果もあり、ガス巣等の鋳造欠陥の発生を防止するために添加する。１．５％を超えると、その効果が変わらないため、上限を１．５％とした。
【００１２】
Ｍｎ：０．３〜１．５％
ＭｎはＳｉと同様、溶湯の酸素と化合し、ガス欠陥の発生を防止する。また、ＭｎＳを生成し、溶湯中のＳを固定し、有害な欠陥の発生を防止する。０．３％未満ではその効果がなく、１．５％を超えても効果が変わらないため、上限を１．５％とした。
Ｎｉ：０．１〜３．０％
Ｎｉはマトリックスの焼入性を向上させ、硬度を高くする効果がある。焼入性を向上させるためには、０．１％以上必要である。また、３．０％を超えると残留オーステナイトが増え、逆に硬度低下するため上限を３．０％とした。
【００１３】
Ｃｒ：４．０〜１０．０％
Ｃｒは炭素と同様、マトリックスの焼入性を向上させ、硬度を上げる。また、Ｃと炭化物をつくり全体硬度を上げる。Ｃｒは４．０％以上加えないとその効果はなく、１０．０％を超えると炭化物が粗大化し、熱疲労特性が悪くなり、圧延使用中、肌あれ等が発生し、耐摩耗性が悪くなる。
Ｍｏ：３．０〜１０．０％
Ｍｏはマトリックスの焼入硬度を上昇させる効果的な元素である。また、Ｍｏは焼戻し抵抗性の優れた元素であり、Ｃｒ，Ｗと共に高硬度の複合炭化物をつくり、高温硬度を上げ耐摩耗性を向上させる。Ｍｏの量は３．０％以上ないと効果がなく、３．０％以上とした。また、１０．０％を超えても効果は変わらなく、コストも高くなるため、１０．０％以下とした。
【００１４】
Ｖ：２．０〜１０．０％
Ｖは炭素と結合し、ＭＣ系の硬い微細な炭化物を晶出し、耐摩耗性向上に効果的な元素である。その量は最低２．０％以上加えないと効果はない。１０．０％を超えると炭化物量が増え過ぎ、マトリックスの固溶Ｃ量が減少するためマトリックスを軟化させる。また、鋳造作業性においてもＶが１０．０％を超えると溶湯の湯流れ性を著しく悪くし、鋳造出来なくなる。
Ｗ：３．０〜１０．０％
ＷはＭｏ同様、マトリックスの焼入性を上げ、硬い炭化物をつくり、耐摩耗性向上に効果的な元素である。３．０％以上ないと効果がなく、逆に１０．０％を超えると粗大な炭化物を生成し、使用中に肌荒れの原因となる。
【００１５】
Ｃｏ：０．１〜１０．０％
ＣｏはＮｉと同じ効果を有し、焼入性を向上させマトリックス組織を緻密にし、マトリックス硬度を上げる効果がある。Ｃｏ量はＮｉ同様、０．１％以上必要であり、１０．０％を超えると、残留オーステナイト量が増え、硬度が低くなるため、１０．０％以下とした。
Ｎｂ：０．１〜３．０％
ＮｂはＶと同様、Ｃと硬いＭＣ炭化物を生成させ、耐摩耗性向上に効果的である。ＮｂはＶと一緒に添加するため０．１％以上ないとその効果はなく、３．０％を超えて添加すると、ＭＣ炭化物が増えマトリックス硬度を下げる。
【００１６】
さらに、内層の成分限定理由について説明する。
Ｃは鋼の焼入れ性に関して最も重要な元素であり、強度向上に効果がある。しかし、Ｃの含有量が０．２５％未満では強度を８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上確保するのは困難であり、１．２％を超えると初析セメンタイトが析出し、靱性が劣るため上限を１．２％とした。
Ｓｉ及びＭｎは脱酸元素として使用される。また、Ｍｎは焼入れ性を向上させる元素である。しかし、０．１５％未満では効果が得られない。また、多過ぎると効果がなく、逆に介在物等を生成するため上限を１．５％とした。
【００１７】
ＮｉはＣと共に焼入れ性を向上させる。しかし、０．２％未満では効果が少なく、３％以上では、逆に不安定な残留オーステナイトを生成するため、上限を３％とした。
Ｃｒも焼入れ性を向上させる元素である。しかし、２．０％を超えると硬い炭化物を形成し、靱性が劣化する。しかし、０．５％未満では効果がない。
Ｍｏも焼入れ性を向上させる元素であるが効果なため、上限を１．０％とした。また、０．１％未満ではその効果がない。
【００１８】
【実施例】
次に、本発明について実施例を掲げて詳細に説明する。
外径：４５０ｍｍ、外層厚：５０ｔ、胴長：１７５０ｍｍ、全長：３５００ｍｍのロールで、外層成分および内層成分組成を表１に示す。焼入れは１１００℃×１０時間加熱後、３５０℃まで３時間で冷却した後、３５０℃で５時間保定した後、再び常温まで冷却した後、５００℃×１０時間で焼戻しした。その時の硬度は外層が８６ＨｓＣ、内層は４３ＨｓＣで、外層に割れは発生しなかった。５００℃×２５Ｈｒの焼戻し処理後の内層の引張強度は９５ｋｇ／ｍｍ²であった。また、比較例として、同サイズのロールで１１００℃×１０時間加熱後、常温まで５時間で冷却させる焼入れ処理を行った時、約２００℃で外層に網目状の割れが発生した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によって、近年の熱間圧延用ワークロールの小径化により、高度な強靱性を要求される耐摩耗型の強靱な複合ロールの製造が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロールの外層での割れ状況を示す図、
【図２】ロールの焼入熱処理時の冷却過程での温度と歪量及び発生応力を示す図、
【図３】本発明に係る焼入れヒートサイクルを示す図、
【図４】本発明に係る保定温度と保定時間とを変えた実験結果を示す図、
【図５】本発明に係るメカニズムを示す温度と歪量及び発生応力の関係図である。
【符号の説明】
１ロール
２外層
３割れ
４内層

Claims

芯材の周囲に外層金属を鋳造にて製造する圧延ロールにおいて、外層成分が重量％で、
Ｃ：１．２〜２．５％、
Ｓｉ：０．３〜１．５％、
Ｍｎ：０．３〜１．５％、
Ｐ：≦０．０３０％、
Ｓ：≦０．０３０％、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｃｒ：４．０〜１０．０％、
Ｍｏ：３．０〜１０．０％、
Ｖ：２．０〜１０．０％、
Ｗ：３．０〜１０．０％、
Ｃｏ：０．１〜１０．０％、
Ｎｂ：０．１〜３．０％、
残部Ｆｅからなる外層材と、内層成分が重量で、
Ｃ：０．２５〜１．２％、
Ｓｉ：０．１５〜１．５％、
Ｍｎ：０．１５〜１．５％、
Ｐ：≦０．０３０％、
Ｓ：≦０．０３０％、
Ｎｉ：０．１〜３．０％、
Ｃｒ：０．５〜２．０％、
Ｍｏ：０．１〜１．０％、
残部Ｆｅの材質組合せで、オーステナイト化温度：９００〜１１００℃に３時間以上加熱した後、４００℃まで１〜１０時間で冷却させる途中、３００〜４５０℃の温度で３時間以上保定して、外層の割れを防止する熱処理を施し、かつ、その後、焼戻し処理をし、内層の引張強度を８０ｋｇｆ／ｍｍ²以上有することを特徴とする耐摩耗型強靱ロールの製造方法。