JP3746610B2 - 高温での耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温での耐摩耗性を具え、圧延用複合ロールの外層材として好適な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、従来より、硬度が高く耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材が使用されている(特開平３−２１９０４７号等)。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ハイス系鋳鉄材の高硬度特性は、晶出する炭化物の寄与によるものであるが、遠心鋳造により圧延ロールを作製した際、遠心力作用を受けると、比重差により層状偏析を生じ易いという問題がある。この層状偏析は、ミクロ組織的には、炭化物の多い部分と少ない部分とが不均一に存在するため、ロール表面は肌荒れ或いは摩耗に微妙な差異が生じ、それが圧延製品に転写されて仕上がり表面を悪化させる不都合がある。
【０００４】
また、ハイス系鋳鉄材の高硬度特性は常温でのことである。従って、高温の被圧延材と接触する熱間圧延時にはその高硬度特性が十分でないこともあり、基地部分が優先的に摩耗及び降伏を生ずる問題があった。
そこで、発明者らは、ハイス系鋳鉄材の鋳造後のミクロ組織について鋭意研究したところ、材料組織は基地と晶出炭化物とからなり、基地は初晶オーステナイトとして晶出したものと、一次共晶としてＭＣ型炭化物と共に晶出したものが大部分であることがわかり、熱間圧延のような高温にさらされたとき、初晶オーステナイトの領域が優先的に摩耗及び降伏する傾向にあることをつきとめた。
【０００５】
本発明の目的は、遠心鋳造時における層状偏析の発生を抑制すると共に、熱間圧延時においてすぐれた耐摩耗性を発揮するハイス系鋳鉄材を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６８〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００７】
請求項２に記載した本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６８〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００８】
請求項３に記載された本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下／又はＴｉ：２.０％以下と、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.２１〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００９】
本発明のハイス系鋳鉄材は、必要に応じて、前記合金成分の他に、Ａｌ：０.０１〜０.５０％、Ｚｒ：０.０１〜０.５０％のうち一種又は二種、及び／又はＢ：０.０１〜０.５０％を含有することができる。
【００１０】
【作用】
本発明のハイス系鋳鉄材は、Ｃと、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｆｅ、さらにはＮｂ、Ｔｉとが相互に結合した高硬度の複合炭化物が晶出しており、常温における硬度が高く、耐摩耗性にすぐれている。また、Ｎｉ、Ｃｏを含有することにより、基地が強化され強靱性にすぐれている。
【００１１】
本発明のハイス系鋳鉄材に含まれるランタノイド元素は、鋳造時、ＭＣ型炭化物を微細分散させると共にオーステナイトの共晶領域を増やす作用があり、この共晶領域はＭＣ型炭化物の骨格構造の存在によって高強度を付与する。しかも、共晶領域が増えた分だけ初晶オーステナイト量が低減されるので高温での硬度低下を小さく抑えることができ、高温でも高硬度を確保することができる。従って、熱間圧延ロールの外層材として用いられたとき、高温ですぐれた耐摩耗性を発揮する。
また、ランタノイド元素は、溶湯の粘性を高める作用があり、遠心力鋳造中、凝固粒子が遠心力作用を受けて溶湯中を移動するのを抑制する。この結果、遠心鋳造時における層状偏析の発生は抑制される。
【００１２】
【成分限定理由の説明】
Ｃ：１.６〜３.０％
Ｃは、主としてＦｅ及びＣｒと結合してＭ7Ｃ3型の高硬度複合炭化物を形成すると共に、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと結合して、ＭＣ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型等の高硬度複合炭化物を形成する。Ｃの含有量が１.６％に満たないと炭化物量が少なくなる一方、含有量が３.０％を超えると炭化物量が過多となり、材質が脆くなる傾向があるため、Ｃの含有量は、１.６〜３.０％に規定する。
【００１３】
Ｓｉ：１.０％未満
Ｓｉは、湯流れ性を確保するために必要な元素である。また、耐焼付性の改善にも有効である。含有量が１.０％以上になると靱性の低下を招くため、含有量は１.０％未満に規定する。
【００１４】
Ｍｎ：１.２％以下
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、含有量が多くなりすぎると靭性の低下を招くため、含有量の上限を１.２％に規定する。
【００１５】
Ｃｒ：１.５〜１０.０％
Ｃｒは、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと共にＣと結合して、高硬度複合炭化物を形成し耐摩耗性の向上に寄与する。また、一部は基地中に固溶して焼入れ性及び耐摩耗性を改善する。含有量が１.５％に満たないとその効果が少なく、一方１０.０％を超えると複合炭化物の晶出量が多くなりすぎて、耐熱性を劣化させる。このため、含有量は１.５〜１０.０％に規定する。
【００１６】
Ｍｏ：２.０〜８.０％
Ｍｏは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと共に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、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、２.０％に満たないとその効果を十分に得られず、一方、８.０％を超えると、複合炭化物の晶出量が多くなりすぎて炭化物が偏析を起こし易くなり好ましくない。このため、含有量は、２.０〜８.０％に規定する。
【００１７】
Ｗ：１.０〜８.０％、
Ｗも同様に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと共にＣと結合し複合炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。１.０％未満では、その効果を十分に得られず、一方、８.０％を超えると、靱性の低下をきたし、耐ヒートクラック性を悪化させる。また、遠心鋳造の際、マクロ偏析を生成し易くなる。このため、上限は８.０％に規定する。
【００１８】
Ｖ：２.０〜８.０％
Ｖは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどと共にＣと容易に結合して、主としてＭＣ型の炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、このＭＣ型炭化物は、厚さ方向に枝状に生成するから、基地の塑性変形を抑制し、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２.０％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るため、上限は８.０％に規定する。
【００１９】
Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下
Ｎｂ及びＴｉは、Ｖと同様に、Ｃと容易に結合してＭＣ型炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与するので、Ｖと共に添加することが効果的である。しかし、添加量が多すぎると溶解が困難になるため、上限はそれぞれ３.０％以下、２.０％以下とする。
【００２０】
Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下
Ｎｉ、Ｃｏは、基地に固溶して強靱性を増すと共に、高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、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硬化があるため、必要に応じて含有させる。一方、あまりに多く含有すると残留オーステナイトが増加し、後の熱処理で強靱組織を得ることが困難になる。このため、含有量の上限は、それぞれ３.０％以下及び５.０％以下とする。
【００２１】
ランタノイド元素：少なくとも一種を合計量で０.２１〜２.０％
ランタノイド元素とは、原子番号５７から７１までの１５種類の希土類元素、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを意味し、各元素は外側の電子配置が類似しており、互いによく似た性質を有している。
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素は、鋳造の際、過冷状態を生じさせる作用があり、ＭＣ型炭化物とオーステナイトの共晶領域を増やす効果がある。この共晶領域は、ＭＣ型炭化物の骨格により補強されるため、材質に高強度をもたらす。また、共晶領域の増加分だけ、初晶オーステナイト量が減少するので、高温での硬度低下は小さく抑えられ、高温でも高硬度を確保することができる。
これらの効果を発揮させるために、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素は、少なくとも０.２１％(複数種類を含有するときは合計量で)以上含有させるが、その含有量は０.２５％以上がより望ましく、０.３％以上がさらに望ましい。しかし、含有量があまり多くなると、介在物が増えて材料の清浄度が低下し、鋳造欠陥の原因となる虞れがある。このため、上限は２.０％(複数種類を含有するときは合計量で)に規定するが、清浄度の点からは１.８％以下がより望ましく、１.６％以下がさらに望ましい。
ところで、鋳鉄材の溶製に際しては、ランタノイド元素の原料として、通常はミッシュメタルが使用される。ミッシュメタルを使用する場合、ランタノイド元素は、ＣｅとＬａが約６０〜８０％を占め、残部にはＮｄ、Ｐｒを含む他、微量のＰｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂなどが含まれる。
なお、ランタノイド元素は溶湯の粘性を高める効果もある。圧延用複合ロールを鋳造する場合、一般的には遠心力鋳造を用いて行われるが、溶湯中の粘性が高くなると、遠心分離による重量偏析が少なくなるため、ロールの外層表面側での層状偏析が軽減される利点を有する。
【００２２】
Ａｌ、Ｚｒ：各々０.０１〜０.５０％
Ａｌ、Ｚｒは、溶湯中で酸化物を生成して、溶湯中の酸素含有量を低下させ、製品の健全性を向上させると共に、生成した酸化物が結晶核として作用するために凝固組織の微細化に効果がある。このため、必要に応じて、含有することが望ましい。各元素は、含有量が０.０１％に満たないと、その効果は十分でなく、一方、０.５０％を超えて含有すると介在物となって残留し、好ましくない。なお、Ａｌ、Ｚｒの添加は、前述のように主として鋳造組織の微細化による耐摩耗性改善のために添加されるものであり、単に脱ガスを目的として添加されるものではない。
【００２３】
Ｂ：０.０１〜０.５０％
Ｂは、溶湯中の酸素と結合して脱酸効果を示す。その他、生成した酸化物を核とする凝固組織の微細化効果、及び基地中に溶け込んだＢによる焼入れ性の改善効果を有する。圧延ロールのような大質量の鋳物の場合、冷却温度を速くすることが困難な場合があるが、Ｂの添加により、焼入れ性の増大により良好な焼入れ組織を得易くなる。このため、必要に応じて含有させるものとするが、含有量が０.０１％に満たないとその効果が十分でなく、一方０.５０％を超えると材質が脆くなり好ましくない。
【００２４】
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からなる。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。
【００２５】
【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、黒鉛鋼等の強靱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。また、遠心力鋳造法以外にも、公知の連続肉盛溶接法(Continuous Pouring Process)を用いることもできる。
【００２６】
本発明のハイス系鋳鉄材を外層に用いた圧延用複合ロールの場合、鋳造後、外層に所定の熱処理が施される。例えば、オーステナイト化温度から６５０〜４００℃までの温度域を１００℃／Ｈｒ以上の冷却速度で急冷し、良好な焼入れ組織を得た後、５００〜６００℃の温度で１回乃至数回の焼戻しが行なわれる。
【００２７】
【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。遠心力鋳造時の金型回転数はＧナンバーが１４０、鋳込み温度は１３５５℃であり、 得られた供試材は外径２４０mm、内径１４０mm、長さ２００mmである。表１中、供試材 No. ２、 No. ３、 No. ６〜 No. １０及び No. １２は本発明の実施例であり、 No. １、 No. ４、 No. ５及び No. １１は、参考例である。また、No.２１はＣｅ、Ｌａを全く含まない比較例、No.２２はＣｅとＬａの含有量が本発明の規定よりも少ない比較例である。なお、本発明の実施例中、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂを含有するものがあるが、その量は極く微量であるため、測定対象から除外している。
【００２８】
各供試材を１１００℃で１時間加熱し、強制空冷により６００℃／Ｈｒの冷却速度で焼入れし、５５０℃で１０時間の焼戻しを３回繰り返した後、ビッカース硬度計を用いて、常温での表面硬度を測定した。
次に、各試料を再び５００℃の温度に加熱し、ビッカース硬度計を用いて、５００℃の温度での表面硬度を測定した。
供試材の合金化学成分及び硬度測定結果を表１に示す。
【００２９】
◎
【表１】
【００３０】
表１の結果から明らかなように、本発明の供試材No. ２、 No. ３、 No. ６〜 No. １０及びNo.１２は、比較例の供試材No.２１〜No.２２と比べて、特に５００℃の温度で高い硬度を具えていることがわかる。これは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ及び／又はＴｉ等の高硬度複合炭化物形成元素とＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素の含有による相乗効果により、高硬度複合炭化物によって補強された共晶領域が増大したこと、初晶オーステナイト量の低減により高温での硬度低下を少なく抑えられたことによるものと推察される。高温における高硬度を具えた鋳鉄材は、熱間圧延用複合ロールの外層材として使用されたとき、ロール表面は高温圧延材との接触による摩耗抵抗性が大きく、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
【００３１】
参考例である供試材No.４と、比較例である供試材No.２１について、前述の焼入れ焼戻し後の金属組織の顕微鏡写真を夫々、図１及び図２に示す。図１及び図２中、片状に現れているのがＭＣ型炭化物である。図１では、微細なＭＣ型炭化物がほぼ均一に分布しているのに対し、図２では、粗大なＭＣ型炭化物が局部的に密集していることがわかる。本発明の鋳鉄材では、共晶領域が均一に分布したＭＣ型炭化物の骨格により補強されており、材質に高強度がもたらされる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のハイス系鋳鉄材は、高温において高い硬度を具えている。従って、外層に本発明の鋳鉄材を用いたロールは、熱間圧延に際して、非常にすぐれた耐摩耗性を発揮する。
また、本発明のハイス系鋳鉄材は、遠心鋳造時における層状偏析の発生は抑制されるため、本発明の鋳鉄材を用いた熱間圧延ロールは、圧延量が増大してもロール表面に層状偏析による模様が生じない。このため、１回のロール組込み当たりの圧延量を増加でき、圧延の生産性向上が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例である供試材No.４の金属組織を示す図面代用顕微鏡写真である。
【図２】比較例である供試材No.２１の金属組織を示す図面代用顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温での耐摩耗性を具え、圧延用複合ロールの外層材として好適な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、従来より、硬度が高く耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材が使用されている(特開平３−２１９０４７号等)。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ハイス系鋳鉄材の高硬度特性は、晶出する炭化物の寄与によるものであるが、遠心鋳造により圧延ロールを作製した際、遠心力作用を受けると、比重差により層状偏析を生じ易いという問題がある。この層状偏析は、ミクロ組織的には、炭化物の多い部分と少ない部分とが不均一に存在するため、ロール表面は肌荒れ或いは摩耗に微妙な差異が生じ、それが圧延製品に転写されて仕上がり表面を悪化させる不都合がある。
【０００４】
また、ハイス系鋳鉄材の高硬度特性は常温でのことである。従って、高温の被圧延材と接触する熱間圧延時にはその高硬度特性が十分でないこともあり、基地部分が優先的に摩耗及び降伏を生ずる問題があった。
そこで、発明者らは、ハイス系鋳鉄材の鋳造後のミクロ組織について鋭意研究したところ、材料組織は基地と晶出炭化物とからなり、基地は初晶オーステナイトとして晶出したものと、一次共晶としてＭＣ型炭化物と共に晶出したものが大部分であることがわかり、熱間圧延のような高温にさらされたとき、初晶オーステナイトの領域が優先的に摩耗及び降伏する傾向にあることをつきとめた。
【０００５】
本発明の目的は、遠心鋳造時における層状偏析の発生を抑制すると共に、熱間圧延時においてすぐれた耐摩耗性を発揮するハイス系鋳鉄材を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６８〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００７】
請求項２に記載した本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６８〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００８】
請求項３に記載された本発明のハイス系鋳鉄材は、重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下／又はＴｉ：２.０％以下と、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下と、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.２１〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなる。
【０００９】
本発明のハイス系鋳鉄材は、必要に応じて、前記合金成分の他に、Ａｌ：０.０１〜０.５０％、Ｚｒ：０.０１〜０.５０％のうち一種又は二種、及び／又はＢ：０.０１〜０.５０％を含有することができる。
【００１０】
【作用】
本発明のハイス系鋳鉄材は、Ｃと、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｆｅ、さらにはＮｂ、Ｔｉとが相互に結合した高硬度の複合炭化物が晶出しており、常温における硬度が高く、耐摩耗性にすぐれている。また、Ｎｉ、Ｃｏを含有することにより、基地が強化され強靱性にすぐれている。
【００１１】
本発明のハイス系鋳鉄材に含まれるランタノイド元素は、鋳造時、ＭＣ型炭化物を微細分散させると共にオーステナイトの共晶領域を増やす作用があり、この共晶領域はＭＣ型炭化物の骨格構造の存在によって高強度を付与する。しかも、共晶領域が増えた分だけ初晶オーステナイト量が低減されるので高温での硬度低下を小さく抑えることができ、高温でも高硬度を確保することができる。従って、熱間圧延ロールの外層材として用いられたとき、高温ですぐれた耐摩耗性を発揮する。
また、ランタノイド元素は、溶湯の粘性を高める作用があり、遠心力鋳造中、凝固粒子が遠心力作用を受けて溶湯中を移動するのを抑制する。この結果、遠心鋳造時における層状偏析の発生は抑制される。
【００１２】
【成分限定理由の説明】
Ｃ：１.６〜３.０％
Ｃは、主としてＦｅ及びＣｒと結合してＭ7Ｃ3型の高硬度複合炭化物を形成すると共に、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと結合して、ＭＣ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型等の高硬度複合炭化物を形成する。Ｃの含有量が１.６％に満たないと炭化物量が少なくなる一方、含有量が３.０％を超えると炭化物量が過多となり、材質が脆くなる傾向があるため、Ｃの含有量は、１.６〜３.０％に規定する。
【００１３】
Ｓｉ：１.０％未満
Ｓｉは、湯流れ性を確保するために必要な元素である。また、耐焼付性の改善にも有効である。含有量が１.０％以上になると靱性の低下を招くため、含有量は１.０％未満に規定する。
【００１４】
Ｍｎ：１.２％以下
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、含有量が多くなりすぎると靭性の低下を招くため、含有量の上限を１.２％に規定する。
【００１５】
Ｃｒ：１.５〜１０.０％
Ｃｒは、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと共にＣと結合して、高硬度複合炭化物を形成し耐摩耗性の向上に寄与する。また、一部は基地中に固溶して焼入れ性及び耐摩耗性を改善する。含有量が１.５％に満たないとその効果が少なく、一方１０.０％を超えると複合炭化物の晶出量が多くなりすぎて、耐熱性を劣化させる。このため、含有量は１.５〜１０.０％に規定する。
【００１６】
Ｍｏ：２.０〜８.０％
Ｍｏは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと共に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、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。しかし、２.０％に満たないとその効果を十分に得られず、一方、８.０％を超えると、複合炭化物の晶出量が多くなりすぎて炭化物が偏析を起こし易くなり好ましくない。このため、含有量は、２.０〜８.０％に規定する。
【００１７】
Ｗ：１.０〜８.０％、
Ｗも同様に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉなどと共にＣと結合し複合炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。１.０％未満では、その効果を十分に得られず、一方、８.０％を超えると、靱性の低下をきたし、耐ヒートクラック性を悪化させる。また、遠心鋳造の際、マクロ偏析を生成し易くなる。このため、上限は８.０％に規定する。
【００１８】
Ｖ：２.０〜８.０％
Ｖは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどと共にＣと容易に結合して、主としてＭＣ型の炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、このＭＣ型炭化物は、厚さ方向に枝状に生成するから、基地の塑性変形を抑制し、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２.０％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るため、上限は８.０％に規定する。
【００１９】
Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下
Ｎｂ及びＴｉは、Ｖと同様に、Ｃと容易に結合してＭＣ型炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与するので、Ｖと共に添加することが効果的である。しかし、添加量が多すぎると溶解が困難になるため、上限はそれぞれ３.０％以下、２.０％以下とする。
【００２０】
Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下
Ｎｉ、Ｃｏは、基地に固溶して強靱性を増すと共に、高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、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硬化があるため、必要に応じて含有させる。一方、あまりに多く含有すると残留オーステナイトが増加し、後の熱処理で強靱組織を得ることが困難になる。このため、含有量の上限は、それぞれ３.０％以下及び５.０％以下とする。
【００２１】
ランタノイド元素：少なくとも一種を合計量で０.２１〜２.０％
ランタノイド元素とは、原子番号５７から７１までの１５種類の希土類元素、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを意味し、各元素は外側の電子配置が類似しており、互いによく似た性質を有している。
Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素は、鋳造の際、過冷状態を生じさせる作用があり、ＭＣ型炭化物とオーステナイトの共晶領域を増やす効果がある。この共晶領域は、ＭＣ型炭化物の骨格により補強されるため、材質に高強度をもたらす。また、共晶領域の増加分だけ、初晶オーステナイト量が減少するので、高温での硬度低下は小さく抑えられ、高温でも高硬度を確保することができる。
これらの効果を発揮させるために、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素は、少なくとも０.２１％(複数種類を含有するときは合計量で)以上含有させるが、その含有量は０.２５％以上がより望ましく、０.３％以上がさらに望ましい。しかし、含有量があまり多くなると、介在物が増えて材料の清浄度が低下し、鋳造欠陥の原因となる虞れがある。このため、上限は２.０％(複数種類を含有するときは合計量で)に規定するが、清浄度の点からは１.８％以下がより望ましく、１.６％以下がさらに望ましい。
ところで、鋳鉄材の溶製に際しては、ランタノイド元素の原料として、通常はミッシュメタルが使用される。ミッシュメタルを使用する場合、ランタノイド元素は、ＣｅとＬａが約６０〜８０％を占め、残部にはＮｄ、Ｐｒを含む他、微量のＰｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂなどが含まれる。
なお、ランタノイド元素は溶湯の粘性を高める効果もある。圧延用複合ロールを鋳造する場合、一般的には遠心力鋳造を用いて行われるが、溶湯中の粘性が高くなると、遠心分離による重量偏析が少なくなるため、ロールの外層表面側での層状偏析が軽減される利点を有する。
【００２２】
Ａｌ、Ｚｒ：各々０.０１〜０.５０％
Ａｌ、Ｚｒは、溶湯中で酸化物を生成して、溶湯中の酸素含有量を低下させ、製品の健全性を向上させると共に、生成した酸化物が結晶核として作用するために凝固組織の微細化に効果がある。このため、必要に応じて、含有することが望ましい。各元素は、含有量が０.０１％に満たないと、その効果は十分でなく、一方、０.５０％を超えて含有すると介在物となって残留し、好ましくない。なお、Ａｌ、Ｚｒの添加は、前述のように主として鋳造組織の微細化による耐摩耗性改善のために添加されるものであり、単に脱ガスを目的として添加されるものではない。
【００２３】
Ｂ：０.０１〜０.５０％
Ｂは、溶湯中の酸素と結合して脱酸効果を示す。その他、生成した酸化物を核とする凝固組織の微細化効果、及び基地中に溶け込んだＢによる焼入れ性の改善効果を有する。圧延ロールのような大質量の鋳物の場合、冷却温度を速くすることが困難な場合があるが、Ｂの添加により、焼入れ性の増大により良好な焼入れ組織を得易くなる。このため、必要に応じて含有させるものとするが、含有量が０.０１％に満たないとその効果が十分でなく、一方０.５０％を超えると材質が脆くなり好ましくない。
【００２４】
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からなる。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。
【００２５】
【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、黒鉛鋼等の強靱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。また、遠心力鋳造法以外にも、公知の連続肉盛溶接法(Continuous Pouring Process)を用いることもできる。
【００２６】
本発明のハイス系鋳鉄材を外層に用いた圧延用複合ロールの場合、鋳造後、外層に所定の熱処理が施される。例えば、オーステナイト化温度から６５０〜４００℃までの温度域を１００℃／Ｈｒ以上の冷却速度で急冷し、良好な焼入れ組織を得た後、５００〜６００℃の温度で１回乃至数回の焼戻しが行なわれる。
【００２７】
【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。遠心力鋳造時の金型回転数はＧナンバーが１４０、鋳込み温度は１３５５℃であり、 得られた供試材は外径２４０mm、内径１４０mm、長さ２００mmである。表１中、供試材 No. ２、 No. ３、 No. ６〜 No. １０及び No. １２は本発明の実施例であり、 No. １、 No. ４、 No. ５及び No. １１は、参考例である。また、No.２１はＣｅ、Ｌａを全く含まない比較例、No.２２はＣｅとＬａの含有量が本発明の規定よりも少ない比較例である。なお、本発明の実施例中、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂを含有するものがあるが、その量は極く微量であるため、測定対象から除外している。
【００２８】
各供試材を１１００℃で１時間加熱し、強制空冷により６００℃／Ｈｒの冷却速度で焼入れし、５５０℃で１０時間の焼戻しを３回繰り返した後、ビッカース硬度計を用いて、常温での表面硬度を測定した。
次に、各試料を再び５００℃の温度に加熱し、ビッカース硬度計を用いて、５００℃の温度での表面硬度を測定した。
供試材の合金化学成分及び硬度測定結果を表１に示す。
【００２９】
◎
【表１】
表１の結果から明らかなように、本発明の供試材No. ２、 No. ３、 No. ６〜 No. １０及びNo.１２は、比較例の供試材No.２１〜No.２２と比べて、特に５００℃の温度で高い硬度を具えていることがわかる。これは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ及び／又はＴｉ等の高硬度複合炭化物形成元素とＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｐｒなどのランタノイド元素の含有による相乗効果により、高硬度複合炭化物によって補強された共晶領域が増大したこと、初晶オーステナイト量の低減により高温での硬度低下を少なく抑えられたことによるものと推察される。高温における高硬度を具えた鋳鉄材は、熱間圧延用複合ロールの外層材として使用されたとき、ロール表面は高温圧延材との接触による摩耗抵抗性が大きく、すぐれた耐摩耗性を発揮する。
【００３１】
参考例である供試材No.４と、比較例である供試材No.２１について、前述の焼入れ焼戻し後の金属組織の顕微鏡写真を夫々、図１及び図２に示す。図１及び図２中、片状に現れているのがＭＣ型炭化物である。図１では、微細なＭＣ型炭化物がほぼ均一に分布しているのに対し、図２では、粗大なＭＣ型炭化物が局部的に密集していることがわかる。本発明の鋳鉄材では、共晶領域が均一に分布したＭＣ型炭化物の骨格により補強されており、材質に高強度がもたらされる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明のハイス系鋳鉄材は、高温において高い硬度を具えている。従って、外層に本発明の鋳鉄材を用いたロールは、熱間圧延に際して、非常にすぐれた耐摩耗性を発揮する。
また、本発明のハイス系鋳鉄材は、遠心鋳造時における層状偏析の発生は抑制されるため、本発明の鋳鉄材を用いた熱間圧延ロールは、圧延量が増大してもロール表面に層状偏析による模様が生じない。このため、１回のロール組込み当たりの圧延量を増加でき、圧延の生産性向上が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例である供試材No.４の金属組織を示す図面代用顕微鏡写真である。
【図２】比較例である供試材No.２１の金属組織を示す図面代用顕微鏡写真である。
Claims (7)
- 重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６８〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、高温での耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材。
- 重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６８〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、高温での耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材。
- 重量％にて、Ｃ：１.６〜３.０％、Ｓｉ：１.０％未満、Ｍｎ：１.２％以下、Ｃｒ：１.５〜１０.０％、Ｍｏ：２.０〜８.０％、Ｗ：１.０〜８.０％、Ｖ：２.０〜８.０％、さらに、Ｎｂ：３.０％以下及び／又はＴｉ：２.０％以下、Ｎｉ：３.０％以下及び／又はＣｏ：５.０％以下、ランタノイド元素群の中の少なくとも一種を合計量で０.６８〜２.０％含有し、残部Ｆｅ及び不可避の不純物からなり、高温での耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材。
- Ａｌ：０.０１〜０.５０％及び／又はＺｒ：０.０１〜０.５０％を含有している請求項１乃至３の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
- Ｂ：０.０１〜０.５０％を含有している請求項１乃至４の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
- ハイス系鋳鉄材に含有されるランタノイド元素の少なくとも一種は、Ｃｅ又はＬａである請求項１乃至５の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
- ハイス系鋳鉄材に含有されるランタノイド元素は、少なくともＣｅとＬａを含んでいる請求項１乃至５の何れかに記載のハイス系鋳鉄材。
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