JP3927347B2

JP3927347B2 - 圧延用複合ロールの外層材

Info

Publication number: JP3927347B2
Application number: JP2000059933A
Authority: JP
Inventors: 修久保; 光生橋本
Original assignee: 日鉄住金ロールズ株式会社
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-03-06
Also published as: JP2001247928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧延用複合ロールのロール外層材質に関し、特に耐摩耗性及び耐肌荒れ性に優れた熱間或いは冷間圧延用のロール外層材質に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄鋼圧延分野においては、鋼板の板厚精度向上や表面品質向上の要求が高く、圧延用ロールに対しても、高い耐摩耗性と耐肌荒れ性が求められている。これらの高品質要求に対応するロール外層材質としては、従来、高合金グレン鋳鉄材や高クロム鋳鉄材等が用いられて来たが、最近では、例えば特開平８−６０２８９号公報に開示されているような、さらに耐摩耗性に優れたハイスロール材が適用されて来ている。
【０００３】
このハイスロール材は、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗ等の合金を多量に含有させ、非常に硬い炭化物を晶析出させて、優れた耐摩耗性を発揮させたものであるが、単に合金を高含有させただけでは、硬質な炭化物が不均一に晶析出するため、極低炭素鋼（Ｃ：０．０１％以下）等の難圧延材を圧延する際に、炭化物が集まった部分で微小な欠け落ちが発生し、それが成長してロール表面全体の肌荒れに至っていた。
【０００４】
そこで、ハイスロール材の炭化物を微細に晶析出させる方法については、例えば特開平８−１９９３０５号公報に開示されているような、ＴｉやＺｒを用いる方法が示されているが、これらの方法では晶析出する炭化物の形状は多角形で、そのために、圧延中に欠け落ちしやすい形状となっており、圧延用ロール材として、耐肌荒れ性が十分なものではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ハイスロール材に晶析出する炭化物の内、最も硬質なＭＣ炭化物に注目し、このＭＣ炭化物を欠け落ちしにくい球状形状とすること、及び微細均一に晶出させることにより、耐肌荒れ性を向上させると共に、付随して耐摩耗性についても優れた性能を持つハイスロール材を提供するものである。
【０００６】
【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、
（１）質量％で、Ｃ：１〜３％、Ｓｉ：０．２〜２％、Ｍｎ：０．２〜２％、Ｍｏ：０．２〜１０％、Ｃｒ：２〜１０％、Ｖ：２〜１０％及びＭｇまたはＣａの１種または２種を０．００５〜０．１％含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする圧延用複合ロールの外層材。
（２）さらに、質量％で、Ｗ：０．２〜１０％、Ｎｉ：０．１〜２％、Ｎｂ：０．２〜６％、Ｃｏ：０．２〜８％、Ｔｉ：０．０１〜２％の１種または２種以上含有する請求項１記載の圧延用複合ロールの外層材にある。
【０００７】
以下、本発明について詳細に説明する。
ハイスロール材のミクロ組織は、一般的に硬質のＶＣを主体としたＭＣ炭化物とＭ₆ＣもしくはＭ₇Ｃ₃炭化物及び適度な熱処理を施してマルテンサイトとなったマトリックス組織で構成されている。本発明は、この内、最も硬質なＭＣ炭化物に注目し、ＭｇまたはＣａを単独もしくは複合で含有させることにより、ＭｇＯやＣａＯの酸化物を生成させ、これを核として溶湯中から直接、ＭＣ炭化物を微細均一かつ球状に晶出させたミクロ組織を得るものである。このハイスロール材を遠心鋳造法や連続鋳掛け法等によって製造する圧延用複合ロールの外層材に適用し、耐摩耗性や耐肌荒れ性を大幅に向上させるものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る各化学成分の限定理由について述べる。
Ｃ：１〜３％
Ｃは主として、マトリックス中に固溶されマルテンサイト相を生成する。また、さらに、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗ等と結合して種々の炭化物を形成する。しかし、１％未満であると炭化物量が少なく、耐摩耗性が得られない。また、逆に３％を超えると、粗大な炭化物が形成され、靱性の低下や肌荒れの原因となる。従って、その範囲を１〜３％とする。
【０００９】
Ｓｉ：０．２〜２％
Ｓｉは脱酸作用を目的として添加する。しかし、０．２％未満であるとその効果が不十分であり、逆に、２％を超える添加は靱性を低下させるため、その範囲を０．２〜２％とする。
Ｍｎ：０．２〜２％
Ｍｎは脱酸、脱硫作用を目的として添加する。しかし、０．２％未満であるとその効果が不十分であり、また、２％を超えると靱性を低下させるため、その範囲を０．２〜２％とする。
【００１０】
Ｃｒ：２〜１０％
Ｃｒはマトリックス中に固溶されて焼入れ性を高めると共に、Ｃと結合して炭化物を形成する。しかし、２％未満だと炭化物量が少なく、耐摩耗性が低下し、逆に、１０％を超えると、粗大な炭化物が形成され、靱性の低下や肌荒れを招く。従って、その範囲を２〜１０％とする。
Ｍｏ：０．２〜１０％
ＭｏもＣｒと同様に、マトリックス中に固溶されて基地を強化すると共に、Ｃと結合して炭化物を形成する。従って、基地強化のためには、最低０．２％以上の含有が必要であるが、１０％を超えると粗大炭化物が形成され靱性が低下する。また、遠心鋳造法で１０％を超えた場合、層状偏析が発生する。従って、その範囲を０．２〜１０％とする。
【００１１】
Ｖ：２〜１０％
ＶはＣと結合してＭＣ炭化物を形成する重要な元素である。しかし、２％未満では炭化物量が不十分で耐摩耗性が確保できず、１０％を超えると、ＭＣ炭化物が粗大化し過ぎてやはり靱性の低下に繋がる。また、遠心鋳造法で製造する場合にはＶＣ炭化物の比重が溶湯よりも軽いために分離して偏析の原因となる。従って、その範囲を２〜１０％とする。
【００１２】
Ｍｇ，Ｃａ：０．００５〜０．１％
Ｍｇ，Ｃａは、本発明の圧延用ロールの耐肌荒れ性向上に最も寄与する元素である。Ｍｇ及びＣａは、脱酸や脱硫作用の強い元素であり、ＭｇＯやＣａＯの酸化物を生成し、これが溶湯中に懸濁されて核となり、ＭＣ炭化物を初晶として微細均一に晶出させる。また、その理由は明らかでないが、球状黒鉛鋳鉄の黒鉛がこれらの元素の添加によって球状化されるのと同様の現象と予測される作用によって、晶出するＭＣ炭化物が球状となることを見出した。Ｍｇ，Ｃａの単独の量、または両者の合計量が０．００５％以上でその効果が認められる、しかし、０．１％を超えてはその効果が飽和すると共に、Ｍｇ合金やＣａ合金の大量の添加は溶湯との反応が激しいために作業的に危険である。従って、Ｍｇ，Ｃａの単独の量、または両者の合計量の範囲を０．００５〜０．１％とする。
【００１３】
本発明材の基本成分は、上記の通りであるが、適用を対象とするロールのサイズ、要求されるロールの使用特性等により、その他の化学成分として、上記した本発明の化学成分に加えて、以下の種々の化学成分を適宜選択元素として含有してもよい。
Ｗ：０．２〜１０％
ＷはＭｏと同様にマトリックス中に固溶されて基地を強化すると共に、Ｃと結合して炭化物を形成する。基地強化のためには、最低０．２％以上の含有が必要であるが、１０％を超えると粗大炭化物が形成され靱性が低下する。また、遠心鋳造法で１０％を超えた場合、層状偏析が発生する。なお、Ｗの添加有無の選択については、例えば使用特性上の耐摩耗性や耐クラック性等を考慮し、その添加の要否を適宜判断するとよい。
【００１４】
Ｎｉ：０．１〜２％
Ｎｉはマトリックス中に固溶され、基地のオーステナイトを安定化して焼入れ性を向上する。そのため、０．１％以上の少量を含有させるが、２％を越えて含有させた場合、オーステナイトが安定化しすぎてオーステナイトの残留を来して、硬度の確保が困難になったり、圧延使用中の変形等を起こすことがある。
なお、前記Ｎｉ添加の選択有無については、例えば製造を対象とする圧延ロールのサイズ、硬度等を考慮し、その添加の要否を適宜判断するとよい。
【００１５】
Ｎｂ：０．２〜６％
ＮｂはＶと同様にＣと結合して高硬度のＭＣ炭化物を形成する。また、遠心鋳造法で製造する場合には、ＶＣ炭化物の偏析を軽減させる効果をもっている。０．２％未満ではその効果は不十分であり、６％を越えて含有させた場合、ＭＣ炭化物が粗大化しすぎて靱性の低下に繋がる。なお、Ｎｂ添加の選択有無については、例えば、遠心鋳造する際のＶの添加量に応じた内面偏析の軽減等を考慮し、その添加の要否を適宜判断するとよい。
【００１６】
Ｃｏ：０．２〜８％
Ｃｏはその殆どがマトリックス中に固溶され基地を強化する。そのため、高温での硬度及び強度を向上させる作用を有している。しかし、０．２％未満ではその効果は不十分であり、８％を越えてはその効果が飽和するため、経済性の観点からも８％以下が望ましい。なお、Ｃｏ添加の選択有無については、例えば、使用特性上の高温硬度や摩擦係数低減等を考慮し、その添加の要否を適宜判断するとよい。
【００１７】
Ｔｉ：０．０１〜２％
ＴｉはＣと結合して高硬度のＭＣ炭化物を形成する。また、ＮやＯと反応して窒化物や酸化物を生成する。この酸化物はＭｇやＣａと同様にＭＣ炭化物の核生成物質となり、炭化物の球状化効果は持たないものの微細化効果を有する。しかし、０．０１％未満ではその効果は不十分であり、２％を越えて含有してもその効果が飽和し、作業的にも溶湯流動性を低下させるために鋳造が困難となる。なお、Ｔｉ添加の選択有無については、例えば、炭化物の微細均一化をさらに発揮させる必要がある場合等に、その添加の要否を適宜判断するとよい。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を従来材及び比較例とともに説明する。
（実施例１）
高周波誘導炉にて溶解した後、表１に示す化学成分の溶湯を、遠心鋳造機で高速回転させている外径２５０ｍｍ、内径１８０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円筒金型内に注入し、外径１７４ｍｍ、肉厚３５ｍｍ、長さ３００ｍｍのスリーブを鋳造した。なお、前記試験材の製造において、表１に示す本発明例であるＡ〜Ｐ材及び比較例であるＳ〜Ｖ材についての溶湯へのＣａ，Ｍｇの添加については、炉から出湯後の溶湯に、取鍋にてＣａ−Ｓｉ合金やＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を添加した。このようにして製造されたスリーブを１０００℃からの焼入れ処理とさらに５００〜５５０℃の焼戻し処理を施した後、図１に示す要領でミクロ組織試験片及び回転摩耗試験片を採取した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１に示す化学組成としては、Ａ〜Ｐは本発明例であり、Ｑ，Ｒは従来例であり、また、Ｓ〜Ｖは比較例である。その各試験材でのミクロ組織の結果を図２によって模式図をもって示す。すなわち、図２（ａ）は遠心鋳造試験機で製造したスリーブから採取した材料の金属組織の模式図である。この図２（ａ）に示すように、スリーブ表面より１０ｍｍ深さ位置のミクロ組織を本発明例（代表例としてＩ相）と図２（ｂ）に示す従来例（代表例としてＱ材）で比較して示した。この図２（ｂ）から従来例の組成Ｑ材の化学成分のものでは、そのミクロ組織は、最も硬質なＭＣ炭化物が結晶粒界のみに殆ど晶出し、全体的な均一化が図られていないことが明らかである。また、一部にマトリックス内にも一部のその晶出が認められるが、形状は不規則な多角形となっている。これに対して、本発明例のＩ材のものは、ＭＣ炭化物がマトリックス内も含め均一、かつ微細に晶出しており、また、その形状も不均則に角張った所がなく、球状に近い形状で晶出していることが明らかである。
【００２１】
次に、図３に示す回転摩耗試験機を用いて、比較試験を行った。すなわち、
相手材：ＳＵＳ３０４
試験温度：常温
線荷重：６０Ｎ／ｍｍ
すべり率：１０％
回転数：５×１０⁴回
の条件で試験を行い、試験前後の摩耗減量及び試験後の表面粗度を測定した。
【００２２】
図４は本発明材及び従来材の回転摩耗試験による摩耗減量の測定結果を示す図である。また、図５は本発明材及び従来材の回転摩耗試験後の表面粗度の測定結果を示す図である。この図４及び図５から明らかなように、本発明材は従来材に比較し、いずれもその摩耗減量が少なく、また、耐肌荒れ性の評価の指標となる表面粗度も小さくなっている。また、比較材の化学成分は、本発明材の特徴とするＣａ、Ｍｇの量が本発明材と比べ低いものと、高いものであり、そのため低いＳ，Ｔ材のものでは、その添加の効果が不十分なため、従来材と変わらない摩耗減量と表面粗度となっている。
【００２３】
一方、高いＵ，Ｖ材のものでは、本発明材と同等の摩耗減量と表面粗度となっているが、本発明材を超える結果は得られず、効果が飽和してきている。このように、高いＣａ，Ｍｇの添加は、添加時の安全性確保の点から好ましくない。
以上、各種の試験結果により、本発明材は、実際の圧延ロールに適用した場合、その目的とする耐摩耗性と耐肌荒れ性の作用、効果を十分に奏することが明らかとなり、続いて、実際の圧延ロールに適用した結果について説明する。
【００２４】
（実施例２）
低周波誘導炉を用いて溶解した外層溶湯に、出湯後取鍋にてＦｅ−Ｓｉ−Ｍｇ合金を添加して、表２に示す本発明の化学組成のものを、熱間圧延用ロールの用途として、下記の通り製造した。すなわち、上記化学組成の溶湯を傾斜角２０度の遠心鋳造機に組み込んだ内径８００ｍｍ、長さ２０００ｍｍの回転鋳型内に注入した。さらに、適正な待ち時間を経た後、内層用材料として表２に示す化学組成のダクタイル鋳鉄を数度に分けて注入した。次に、このロールを冷却・遠心鋳造鋳型から解体後、粗削加工を行い、１０００℃の焼入れと５００〜５５０℃で数回の焼き戻し処理を実施した後、仕上げ加工を行った。その後、超音波探傷を行い、欠陥のない健全なロールであることを確認した。また、ロール胴部の表面ミクロ組織を確認し、図６に本発明の実施により製造したロールの胴部中央における金属組織の顕微鏡写真（１００倍）を示す。この図からも、硬質なＭＣ炭化物が球状で微細均一に晶出されていることが確認できる。
【００２５】
【表２】

【００２６】
（実施例３）
高周波誘導炉を用いて溶解した外層溶湯に、出湯時Ｃａ−Ｓｉ合金を添加して、表３に示す本発明の化学組成とした。この溶湯を、鋳造製芯材のまわりに配された耐火枠内に注入する連続肉盛鋳造により、胴径６５０ｍｍ、長さ２０００ｍｍの複合ロールを製造した。このロールを冷却後粗削加工を行い、１０００℃の焼入れと５００〜５５０℃で数回の焼戻し処理を実施した後、仕上げ加工を行った。このように、本発明材を他の製造方法での適用可否を実証するため、ロールを連続肉盛製造により製造した結果、本発明材が適用可能であることを確認した。
【００２７】
【表３】

【００２８】
すなわち、実施例２と同様に、仕上げ加工後超音波探傷を行い、欠陥のない健全なロールであることを確認した。また、胴部の表面ミクロ組織を確認し、図７に本発明の他の実施により製造したロールの胴部中央における金属組織の顕微鏡写真（１００倍）を示す。この図に示すように、やはり硬質なＭＣ炭化物が球状で微細均一に晶出していることを確認した。なお、前記の実施例２及び３で製造したロールは、外層材とロール軸材とが溶着一体化した複合ロールであるが、本発明材の用途としては、これに限定されるものではない。例えば、遠心鋳造法により本発明材の化学成分からなるスリーブを製作し、その後別途作製した、例えば鋼製のロール軸に取り付け、一体型の圧延用ロールとすることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の組成からなる材料を外層材として圧延用複合ロールを使用することにより、硬質のＭＣ炭化物の球状化と微細均一化により、耐肌荒れ性と耐摩耗性の大幅な向上が可能となり、圧延ロールの長寿命化が図れる。また、ロール性能の向上による圧延製品の品質改善にも大幅に寄与する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠心鋳造試験機で製造したスリーブから、金属組織試験片及び回転摩耗試験片を採取する要領を示す図である。
【図２】遠心鋳造試験機で製造したスリーブから採取した材料の金属組織の模式図である。
【図３】回転摩耗試験機の構成を示す図である。
【図４】本発明材及び従来材の回転摩耗試験による摩耗減量を示す図である。
【図５】本発明材及び従来材の回転摩耗試験後の表面粗度を示す図である。
【図６】本発明の実施により製造したロールの胴部中央における金属組織の顕微鏡写真（１００倍）である。
【図７】本発明の他の実施により製造したロールの胴部中央における金属組織の顕微鏡写真（１００倍）である。
【符号の説明】
１スリーブ
２ミクロ組織試験片
３回転摩耗試験片
４基地（マルテンサイト）
５ＭＣ炭化物
６Ｍ₇Ｃ₃炭化物
７相手片（ＳＵＳ３０４）
８試験片

Claims

質量％で、
Ｃ：１〜３％、
Ｓｉ：０．２〜２％、
Ｍｎ：０．２〜２％、
Ｍｏ：０．２〜１０％、
Ｃｒ：２〜１０％、
Ｖ：２〜１０％
及びＭｇまたはＣａの１種または２種を０．００５〜０．１％含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする圧延用複合ロールの外層材。
さらに、質量％で、
Ｗ：０．２〜１０％、
Ｎｉ：０．１〜２％、
Ｎｂ：０．２〜６％、
Ｃｏ：０．２〜８％、
Ｔｉ：０．０１〜２％
の１種または２種以上含有する請求項１記載の圧延用複合ロールの外層材。