JP4140027B2

JP4140027B2 - 圧延用複合ロールの製造方法及びそのロール

Info

Publication number: JP4140027B2
Application number: JP2003044195A
Authority: JP
Inventors: 俊二松本; 真継内田; 望小田; 清澄時川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP2004250764A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄鋼の圧延用複合ロールの製造方法およびロールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱間圧延用ワークロールとして、従来から遠心鋳造法製の圧延用複合ロールが使用されてきた。近年、圧延効率の向上、合理化の観点から圧延用複合ロールの外層の高合金化が進んでいる。しかしながら、遠心鋳造法では偏析等の不具合により添加する合金量に限度がある。そのため、より高合金成分の添加が可能である連続鋳掛け肉盛法によりハイス系合金の外層を形成した複合ワークロールの研究開発が進んできた。
【０００３】
例えば特許文献１には、複合ロールの外層部が、重量％で、Ｃ：１．５〜２．４％、Ｖ：３〜６％、Ｃｒ、ＭｏおよびＷの３元素を総和で１０〜２２％含有し、必要により接種材としてＡｌ：０．０５〜０．２０％またはＴｉ：０．０２〜０．１０％の１種または２種の元素を含有し、この外層部の組織が３０〜１５０μｍの結晶粒径を有し、かつその粒界に晶出したＭ_６Ｃ型の共晶炭化物で囲まれるとともに粒内にＭＣ型の初晶炭化物を有する金属組織からなることを特徴とする連続鋳掛け肉盛法による熱間圧延用複合ロールおよびその製造方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、重量比でＣ：１．５〜３．５％、Ｓｉ：０．３〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜１．５％、Ｃｒ：２〜７％、Ｍｏ：９％以下、Ｗ：２０％以下、Ｖ：３〜１５％、さらにＮｉ：５％以下、Ｃｏ：５％以下、Ｎｂ：５％以下のいずれか１種または２種以上を含有する鉄基合金の外層が鋼製の軸に鋳造肉盛され、この外層の表面硬さがショア硬さ７０以上、軸の引張強さ及び伸びがそれぞれ５５ｋｇ／ｍｍ^２以上及び１．０％以上であり、外層と軸との接合部の接合強さが外層及び軸の弱い方の強さと同等以上であることを特徴とする耐摩耗複合ロール及びその製造方法が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、連続鋳掛け肉盛法にて外層を形成してなる熱間圧延用複合ロールの製造方法において、外層の成分は重量％で、Ｃ：１．０〜３．０％、Ｓｉ：０．３〜２．０％Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｍｏ：３．０〜１５％、Ｖ：１．０〜１０．０％、さらにＷ：０．１〜１０％、Ｎｉ：０．１〜５％、Ｃｏ：０．１〜１０％、Ｎｂ：０．５〜１０％のいずれか１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避元素からなり、肉盛後、低周波誘導加熱にて漸進誘導加熱・焼入れの後、焼戻しを行い、かつ芯材の境界近傍を焼入れ時に変態膨張させることを特徴とする熱間圧延用複合ロールの製造方法が開示されている。また、この方法によって、得られたロールは外層表面硬さがショア硬さで８０以上で、かつ表面圧縮残留応力が５００ＭＰａ以下であることが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特公平７−７８２６７号公報
【特許文献２】
特公平７−９０５２号公報
【特許文献３】
特開２００１−４９３４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のロールは主に熱延仕上げスタンドに用いられているが、特に仕上げスタンド後段においては絞りと呼ばれる圧延板が二重に噛み込む圧延事故が頻発する。その際、ロールの外層表面の圧縮残留応力が大きいと、ロール表面に発生したクラックの伝播速度が速くなり、クラックが容易に境界近くまで進展し、外層が剥離するスポールにつながることが多い。
【０００８】
このため表面圧縮残留応力を制御するために、焼戻し温度を高くする、あるいは焼戻し回数を多くする等、熱処理条件の調整が図られてきた。しかし、この方法では表面圧縮残留応力は低減されるものの、硬さも低くなるため耐摩耗性が劣化するという問題があった。
【０００９】
そこで、この問題に対し特許文献３のような低周波誘導加熱による漸進加熱・焼入れ後、焼戻しすることが提案された。しかしながら、この方法は低周波誘導加熱装置を必要とし、製造コストの面で不利である。そこで、本発明者等は、特許文献３ではロール全体を加熱後、噴水冷却（ミスト冷却）あるいは衝風冷却することではなし得なかった最適な熱処理条件を見出すことを検討した。したがって、本発明は、適切なロール表面圧縮残留応力を確保するとともに、十分な耐摩耗性の得られるより簡便な複合ロールの製造方法およびロールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
連続鋳掛け肉盛法にてＳＣＭ４４０からなる芯材の外周に厚さが７５ｍｍ以下の外層を形成してなる圧延用複合ロールの製造方法において、外層の成分が重量比で、
Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．３〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：３．０％以下、
Ｃｒ：２．０〜１０．０％、Ｍｏ：９．０％以下、
Ｖ：１．０〜１０．０％、Ｗ：１０．０％以下
を含有し残部がＦｅおよび不可避元素からなり、ロール製造後に外層と芯材との境界から芯材側へ少なくとも１００ｍｍ以内の範囲で、芯材がそのオーステナイト化温度以上になるように、ロール全体を加熱後、ミスト冷却によりロール表面を１５００〜３０００℃／Ｈの冷却速度で焼入れを行うことを特徴とする。
【００１２】
【作用】
本発明の圧延用複合ロールは、ロール製造後に外層および外層とＳＣＭ４４０からなる芯材との境界から芯材側へ少なくとも１００ｍｍ以内の範囲で、芯材がそのオーステナイト化温度以上になるようにロール全体を加熱後、ミスト冷却によりロール表面を１５００〜３０００℃／Ｈの冷却速度で焼入れを行うことにより、外層の表面硬さがショア硬さで８０以上となり（より好ましくは８８以上）、十分な耐摩耗性が得られる。また、外層の表面圧縮残留応力が２００〜５００ＭＰａとなりクラックよる外層の剥離を十分に防止できる。より好ましくは、ロール表面を１０００〜３０００℃／Ｈの冷却速度で焼入れを行う。また、外層と芯材との境界から芯材側へ少なくとも１００ｍｍ以内の範囲で芯材の引張り強度が８５０〜１０５０ＭＰａ、芯材のショア硬さが４０〜４７となり、耐事故性、耐摩耗性を格段に向上させることができる。より好ましくは、外層と芯材との境界から芯材側へ少なくとも５０ｍｍ以上の範囲で前記特性を満足することが望ましい。この構成により、特に熱間圧延用ロールの仕上げ用ロールとして全てのスタンドで有効に用いることができる。
【００１３】
本発明における外層の各成分元素の含有範囲（重量％）の限定理由について説明する。
【００１４】
Ｃ：１．０〜３．５％
Ｃは、耐摩耗性向上のための炭化物の形成と、基地への固溶による焼入れ・焼戻し時の基地硬さの向上に必要である。Ｃは、耐摩耗性を付与すべきＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃、Ｍ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ、Ｍ₇Ｃ₃などの炭化物を生成する。Ｃが１．０％未満では炭化物の生成量が不足して耐摩耗性に劣る。Ｃが３．５％を超えると、耐摩耗性は良好であるが、耐クラック性が低下する。
【００１５】
Ｓｉ：０．３〜２．０％
Ｓｉの含有量は０．３〜２．０％が好ましい。Ｓｉは、脱酸剤として作用し、またＭ₆Ｃ炭化物中に固溶してＷ、Ｍｏなどの元素を置換して含有されるため、Ｗ、Ｍｏなどの高価な元素の節減を図るために有効である。Ｓｉが０．３％未満では脱酸効果が不足して鋳造欠陥を生じやすい。また、２．０％を超えると脆化が生じやすい。
【００１６】
Ｍｎ：０．３〜２．０％
Ｍｎの含有量は０．３〜２．０％が好ましい。Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸作用がある。また、不純物であるＳをＭｎＳとして固定する作用がある。Ｍｎが０．３％未満では脱酸性に乏しい。また、２．０％を超えると残留オーステナイトが生じやすくなり、安定して十分な硬さを維持できない。
【００１７】
Ｎｉ：３．０％以下
Ｎｉは焼入性を向上させ高硬度化させる効果を有する。しかし、３．０％を超えると残留オーステナイトが過剰となりかえって高硬度が得られなくなるためその上限を３．０％とした。より好ましいＮｉ含有量は２％以下である。さらに０．２〜０．８％であることが好ましい。
【００１８】
Ｃｒ：２．０〜１０．０％
Ｃｒは、焼入れ性を向上させ、硬さを高くする。Ｃｒが２．０％未満ではその効果が小さい。また、１０．０％を超えると、常温での残留オーステナイトが多くなるので、焼戻し回数が多くなり不経済となる。さらに、Ｃｒは比較的硬さの低いＭ₇Ｃ₃やＭ₂₃Ｃ₆炭化物を形成し、多量の添加はこれらの炭化物が過剰となり耐摩耗性が劣化する。より好ましいＣｒ含有量は、４．０〜７．０％である。
【００１９】
Ｍｏ：９．０％以下
Ｍｏは、焼入れ性の向上と基地の高温硬さを得るために必要である。基地組織中に固溶して焼入れ性の向上をもたらす。また、Ｃと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ炭化物を生成する。９．０％を超えると、ＣとＶとＭｏのバランスにおいてＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ炭化物が多く晶出しすぎ、耐クラック性が低下する。
【００２０】
Ｖ：１．０〜１０．０％
Ｖは、耐摩耗性の向上に最も寄与する硬質な炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃を形成する。Ｖが１．０％未満では炭化物の生成が少なく耐摩耗性が劣化する。Ｖが１０．０％を超えると、本発明のＣ含有量とのバランスにより、初晶としてＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃炭化物が晶出する。ＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃が初晶で晶出すれば凝固中に凝集し、圧延用ロールとして使用した場合、硬質炭化物であるＭＣ、Ｍ₄Ｃ₃の凝集偏析が被圧延材に転写されるので好ましくない。
【００２１】
Ｗ：１０．０％以下
Ｗは、Ｍｏと同様に焼入れ性の向上と基地の高温硬さを得るために必要である。基地の焼入れ性を上げ、Ｃと結合して硬質のＭ₂Ｃ、Ｍ₆Ｃ炭化物を生成する。Ｗの下限は０％である。また、１０．０％を超えると、Ｍ₆Ｃ炭化物が増加して耐クラック性及び耐肌荒れ性の点で好ましくない。
【００２２】
本発明の外層の鉄基合金は上記元素の他にＣｏ、Ｎｂを単独で又は複合して含有することができる。Ｃｏは焼戻し軟化抵抗と二次硬化の点で有用な元素であり、５．０％以下が好ましい。ＮｂはＶと同様にＭＣ系炭化物を形成し耐摩耗性向上の作用を有するが、５．０％を超えると酸化が激しくなり大気中での溶解が困難となるので５．０％以下が好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の複合ロールの芯材は鋼製であり、鋳鋼又は鍛鋼のいずれでもよい。その引張強さは外層と芯材との境界から芯材側へ少なくとも１００ｍｍ以内の範囲で８５０ＭＰａ以上、伸びは１．０％以上である必要がある。これは圧延ロールとして用いた場合に、大きな圧下力がかかるとともに、圧延中のたわみを補正するために芯材の両端部にかける曲げ力に対して耐えられる必要があるためである。
【００２４】
図１に本発明の圧延用複合ロールの製造方法を実施するのに使用し得る連続鋳掛け肉盛装置の一例を示す。本装置はテーパ部および平行部の周壁を有するロート状の耐火枠１と、その下に同軸的に設置された冷却型４とからなる組合せモールド１０を有する。
【００２５】
耐火枠１には、この外周を包囲するように環状の誘導加熱用コイル２が配置されており、また、その下部に同軸的に耐火枠１の下部と同径の内孔を有する環状の緩衝型３が設けられている。またその下方の冷却型４は緩衝型３とほぼ同じ内径を有し、かつ同軸的である。冷却型４の入口１４から冷却水が連続的に型内に導入され、出口１４´から排出される。
【００２６】
以上の構成の組合せモールド１０の内側にロールの芯材５をセットする。芯材５の下端又は必要に応じて下端から適宜離れた位置に注入外層の外径とほぼ同径の外径を有する閉止部材（図示せず）を固定し、さらにその下部は芯材５の昇降機構（図示せず）に取付ける。芯材５と耐火枠１との間の空間に溶湯７を注入し、溶湯表面は溶融フラックス６で空気に触れないようにシールする。そして溶湯７が凝固しないように加熱コイル２で加熱撹拌する。
【００２７】
溶湯７は図中の矢印Ａで示す方向に流動し撹拌運動を起こす。つぎに芯材５に固定された閉止部材を芯材とともに逐次降下させる。芯材５及び閉止部材の降下と連動して溶湯７も降下し、緩衝型３および冷却型４面で溶湯７の凝固が始まる。この凝固のとき芯材５と外層８は完全に金属的に接合される。湯だまりの溶湯７の表面も芯材５及び閉止部材の降下に併せて低下してくるが、新しい溶湯７を適宜注入して液面をある水準に保持する。そして、降下と注入を順次くり返して溶湯を下方から逐次凝固させて外層８の形成を行う。このようにしてこの後、本発明の焼入れ方法を施す。
【００２８】
本発明の実施例について以下に説明する。
表１に示す成分の外層を連続鋳掛け肉盛法により、ＳＣＭ４４０からなる芯材に肉盛りして、ロール外径がφ７５０ｍｍの、本発明例及び比較例のロールを製造した。境界径、外層厚さ、肉盛り長さはそれぞれφ６００ｍｍ、７５ｍｍ、３０００ｍｍである。箱型の雰囲気炉あるいは大気炉を使用して、ロール全体がオーステナイト化するように、すなわち、外層と芯材との境界近傍の芯材がそのオーステナイト化温度以上になるようにロール全体を１０４０〜１１００℃に加熱した。その後、本発明例ロールは、ミスト冷却により１５００℃／Ｈの冷却速度で焼入れした後、４５０〜５５０℃で焼戻しを３回行った。また、冷却速度を従来通り行ったものを比較例とした。比較例ロールは、ミスト冷却によりロール表面を４００℃／Ｈの冷却速度で焼き入れした後、同様に４５０〜５５０℃で焼戻しを３回行った。
【００２９】
表１にこれらの熱処理を施したロールの外層の表面ショア硬さと、外層の表面圧縮残留応力を測定した結果を示す。また、表２に外層と芯材との境界から芯材側方向に離れた位置における芯材の引張り強度（ＭＰａ）を示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
表１より、外層成分が同一であっても、本発明例は冷却速度を１５００℃／Ｈ以上にすることによりショア硬さが８４となり、比較例よりも耐摩耗性に優れる。また、外層の表面圧縮残留応力は３２５ＭＰａとなり、比較例よりも圧縮残留応力を低く抑えることができ、耐事故性に優れることがわかった。また、表２より本発明例は、外層と芯材との境界から芯材側へ２０ｍｍ離れた範囲内で、芯材の引張り強度が９８３ＭＰａ、境界から芯材側へ１５５ｍｍ離れた範囲内での引張り強度が９０１ＭＰａといずれも８５０ＭＰａ以上を満足することができ、外層と芯材との境界から破壊するのを防止できる。
【００３３】
図２にロール表面からの深さとショア硬さとの関係を示す。本発明例では、芯材の硬さは外層と芯材との境界から芯材側に１００ｍｍの位置（図２でロール表面からの深さ１７５ｍｍの位置）までショア硬さ４０以上を維持することができた。また、ロールを破壊調査した結果、外層と芯材との境界から芯材側へ約１５５ｍｍ離れた位置（（図２でロール表面からの深さ２３０ｍｍの位置）まではベイナイトおよびマルテンサイトの組織となっていた。また、境界から芯材側へ約１５５ｍｍ以上離れた位置（図２でロール表面からの深さ２３０ｍｍの位置）ではパーライトの組織となっていた。
【００３４】
図２に示す比較例では、芯材の硬さは外層と芯材との境界近傍からショア硬さ４０を下回った。また、境界から芯材側は全てパーライトの組織となっていた。
【００３５】
外層と芯材との境界から芯材側へ少なくとも１００ｍｍ以内の範囲でベイナイト変態またはマルテンサイト変態を起こさせるためには、その部位をオーステナイト化温度以上に加熱する必要がある。その後、ロール表面を本発明の冷却速度で焼入れを行うことにより、その芯材の部分が変態膨張する。芯材の変態膨張により、外層の変態膨張によって境界に発生する引張応力が緩和されるため、表面側の圧縮応力から芯材側の引張り応力に変わる部分の応力の変動が緩やかになり、それによって外層の剥離を抑制することができる。
【００３６】
図３にロール中心からの距離とロール半径との比に対する残留応力の関係のグラフを示す。図３において、σｔはロール円周方向の残留応力（ＭＰａ）、σｒはロール半径方向の残留応力（ＭＰａ）を表す。特に境界付近のσｔに着目すると、本発明例では境界近傍の応力の変化は緩やかである。また、比較例では、境界近傍の応力の変化は本発明例に比べ傾斜が急である。すなわち、前述のように、本発明例では境界近傍の応力変化が緩やかであるため、境界からの剥離、スポール等の事故に対してより安全となる傾向を示している。
【００３７】
また、本発明例の連続鋳掛け肉盛法製複合ロールを実際の熱間圧延の仕上げスタンドに供したところ、従来の連続鋳掛け肉盛法製複合ロールより、圧延操業に起因する絞り事故等の耐事故性に優れることがわかった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の圧延用複合ロールは、従来に比べ外層の表面残留応力が低く、外層の剥離を抑制でき、耐事故性に優れ、特に熱間圧延用の仕上げ用ロールとして有効に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法を実施するのに使用し得る連続鋳掛け肉盛装置の一例を示す図である。
【図２】ロール表面からの深さとショア硬さとの関係を示す図である。
【図３】ロール中心からの距離と半径との比に対する残留応力の関係を示す図である。
【符号の説明】
１耐火枠、２誘導加熱用コイル、３緩衝型、４冷却型、
５ロール芯材、６フラックス、７溶湯、８外層、
１０組合せモールド、１４冷却水入口、１４´ 冷却水出口

Claims

連続鋳掛け肉盛法にてＳＣＭ４４０からなる芯材の外周に厚さが７５ｍｍ以下の外層を形成してなる圧延用複合ロールの製造方法において、外層の成分が重量比で、
Ｃ：１．０〜３．５％、Ｓｉ：０．３〜２．０％、
Ｍｎ：０．３〜２．０％、Ｎｉ：３．０％以下、
Ｃｒ：２．０〜１０．０％、Ｍｏ：９．０％以下、
Ｖ：１．０〜１０．０％、Ｗ：１０．０％以下
を含有し残部がＦｅおよび不可避元素からなり、ロール製造後に外層と芯材との境界から芯材側へ少なくとも１００ｍｍ以内の範囲で、芯材がそのオーステナイト化温度以上になるように、ロール全体を加熱後、ミスト冷却によりロール表面を１５００〜３０００℃／Ｈの冷却速度で焼入れを行うことを特徴とする圧延用複合ロールの製造方法。