JP4223414B2

JP4223414B2 - 耐摩耗性、靱性に優れた圧延ロール用粉末高速度工具鋼

Info

Publication number: JP4223414B2
Application number: JP2004025195A
Authority: JP
Inventors: 敬介清水
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005213630A

Description

本発明は、ゼンジミア圧延ロールなどの鉄鋼材料の冷間圧延ロール用の素材に適する耐摩耗性と靱性に優れた圧延ロール用粉末高速度工具鋼に関するものである。

従来、圧延ロールには高硬度で耐摩耗性と靱性に優れた素材が求められている。そのための圧延ロールとして、例えば特開昭５７−５７８６２号公報（特許文献１）に開示されているように、重量％で炭素１．２〜１．６％、けい素０．５〜２．５％、マンガン０．６％以下、クロム３．０〜５．０％、モリブデン３．０〜５．０％、バナジウム３．０〜５．０％、タングステン１．０〜２．５％、ニオビウム１．０〜２．５％、その他、鉄及び不純物からなる圧延ロール材が提案されている。

また、特開平４−３５８０４６号公報（特許文献２）に開示されているように、Ｃ：１．７〜３．５％，Ｓｉ：０．４％以下、Ｍｎ：０．４％以下、Ｃｒ：３〜２０％、Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂのいずれか１種ないし２種以上の元素：１２％以下、Ｗ：５〜１４％、Ｍｏ：３〜９％、Ｃｏ：７〜１４％、残部実質的にＦｅからなり、基地中に、粒径１０〜５０μｍの炭化物粒が均一に分散し、その面積率は１０〜５０％である耐摩耗性・靱性等に優れた高速度鋼系焼結合金が提案されている。

また、特開平６−３３０２３４号公報（特許文献３）に開示されているように、重量％で、Ｃ：１．０〜２．５％，Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：３〜８％、２Ｍｏ＋Ｗ：６〜１４％、Ｖ：３〜８％、Ｔａ：０．３〜４％、及び残部が実質的にＦｅからなる高硬度ハイス系ロール材や、特開平１０−１７５００４号公報（特許文献４）に開示されているように、重量比で、Ｃ：１．３〜３．５％，Ｓｉ：２．０％以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｒ：３．０〜１０．０％、Ｗ：１．０〜１５．０％、Ｍｏ：１．０〜１５．０％、Ｖ：３．０〜１５．０％、Ｃｏ：１０．０％以下、残部Ｆｅ及び不純物からなり、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ添加による炭化物や炭窒化物の硬質粒子を分散させた耐摩耗性、靱性に優れた粉末高速度工具鋼系圧延ロールが提案されている。さらには、特許第３３６１４７３号公報（特許文献５）や特許第３０３２９９５号公報（特許文献６）等も知られている。

特開昭５７−５７８６２号公報特開平４−３５８０４６号公報特開平６−３３０２３４号公報特開平１０−１７５００４号公報特許第３３６１４７３号公報特許第３０３２９９５号公報

上述したように、従来より、圧延ロールには高硬度で耐摩耗性と靱性に優れた素材が求められている。そのための圧延ロールとしての特許文献１に掲げるＷ、Ｎｂの添加により高硬度、高靱性を得るものであるが、しかしながら、この特許文献１の場合には炭化物が少なく耐摩耗性が不足するだけでなく、製造性やコスト面で改善が必要である。また、特許文献２の場合は、Ｗ、Ｃｏを多量に添加するため製造性が悪く、しかもコスト的にも高すぎるという問題がある。また、特許文献３の場合は、Ｔａ添加に伴うコストアップだけでなく、焼入焼戻し硬さが６４ＨＲＣを超えておらず、耐摩耗性の改善も不十分である。

また、特許文献４にあっては、Ｗ、Ｃｏ添加や、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ添加による炭化物や窒化物、炭窒化物の硬質粒子を分散させ耐摩耗性を得ている。しかしながら、硬質粒子が粗大であり、粉末高速度工具鋼の靱性を劣化させてしまうと言う問題がある。
さらに、特許文献５は、コスト面では有利ではあるが、しかしながら、大気溶解の粗大な晶出炭化物により靱性が劣化する。特許文献６は、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｂの大量添加によりコスト的に高すぎると言う問題がある。このように、高硬度を得るために、さらにＣ、Ｃｒ、Ｗ、Ｃｏなどを多量に添加し高合金化するために、製造性を悪化させるだけでなく、素材費用、熱処理費用のコストアップや機械加工性の悪化などが問題となる。さらに、高合金化によって、靱性も劣化する傾向にあり、早期の割れや欠損が問題となっている。

上述したような問題を解消するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、本発明は、化学成分の最適化により、Ｃｒ系の一次炭化物を微細に分散させると共に、Ｍｏ系やＶ系の析出炭化物によって、焼入焼戻し硬さを上昇させて６４ＨＲＣ以上の高硬度を持たせ、かつ、耐摩耗性を確保させ、また、ＭｏやＷの過剰添加を抑えることで炭化物の粗大化を抑え、均一かつ球状でないＣｒ系炭化物を適度に分散させることで、クラックの進展を防ぎ、破壊靱性を高め、低コストで耐摩耗性と靱性の両方に優れた圧延ロール用素材を提供するものである。

その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：１．０〜１．８％、Ｓｉ：０．１〜１．０％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｃｒ：７．０〜１０．０％、Ｍｏ：２．０〜６．０％、Ｖ：１．０〜４．０％、を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、基地中にアスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物を面積率で４．０〜９．０％含有することを特徴とする耐摩耗性、靱性に優れた圧延ロール用粉末高速度工具鋼。
（２）前記（１）に記載の成分組成に、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｕ：３．０％以下、Ｃｏ：５．０％以下のうちの１種または２種以上を合計で２．０〜８．０％添加したことを特徴とする耐摩耗性、靱性に優れた圧延ロール用粉末高速度工具鋼である。

以上述べたように、本発明により、従来の高速度工具鋼では多量に添加されていたＷを添加せず、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖのバランスで６４ＨＲＣ以上の高硬度が得られ、かつ、圧延ロール用として十分な靱性を得るための炭化物の形状および分散状態を成分範囲の最適化によって得られ、その結果、クラックの進展を防ぎ、破壊靱性を高め、低コストで耐摩耗性と靱性の両方に優れた圧延ロール用素材が可能となる極めて優れた効果を奏するものである。

以下、本発明に係る成分組成の限定理由について述べる。
Ｃ：１．０〜１．８％
Ｃは、マトリックスに固溶して硬さを高めると共に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖなどの合金元素と共に炭化物を形成して、耐摩耗性を高めるために添加する。その効果を得るには、１．０％以上の添加が必要であり、また、過剰添加すると巨大な炭化物を形成し靱性を低下させるので、その上限を１．８％とした。

Ｓｉ：０．１〜１．０％
Ｓｉは、製鋼での脱酸効果と焼入性確保のために添加する。しかし、０．１％未満では脱酸効果が不十分である。また、過剰添加は加工性を低下させるので、その上限を１．０％とした。
Ｍｎ：０．１〜１．０％
Ｍｎは、焼入性確保のために添加する。しかし、０．１％未満では脱酸効果が不十分であり、一方、１．０％を超える添加はマトリックスを脆化させるので、その上限を１．０％とした。

Ｃｒ：７．０〜１０．０％
Ｃｒは、Ｃと共に炭化物を形成し、耐摩耗性を高める。アスペスト比で１．３以上の炭化物を面積率で４．０％以上得るために、７．０％以上の添加が必要であるが、しかし、過剰添加すると巨大な炭化物を形成し、靱性を低下させる。従って、その上限を９．０％とした。
Ｍｏ：２．０〜６．０％
Ｍｏは、Ｃと共に微細な析出炭化物を形成し、焼入焼戻し硬さを上昇させて、耐摩耗性を高める。しかし、６４ＨＲＣ以上の焼入焼戻し硬さを得るためには、２．０％以上の添加が必要であり、一方、過剰添加すると、巨大な炭化物を形成し靱性の低下を招くため、その上限を６．０％とした。

Ｖ：１．０〜４．０％
Ｖは、Ｃと共に微細な析出炭化物を形成し、焼入焼戻し硬さを上昇させて、耐摩耗性を高める。しかし、６４ＨＲＣ以上の焼入焼戻し硬さを得るためには、１．０％以上の添加が必要であり、一方、過剰添加すると、巨大な炭化物を形成し、靱性の低下を招くため、その上限を４．０％とした。
Ｎｉ：３．０％以下
Ｎｉは、マトリックスの靱性を向上させるために添加するが、しかし、過剰添加すると機械加工性が悪化するため、その上限を３．０％とした。

Ｃｕ：３．０％以下
Ｃｕは、マトリックスの靱性と耐食性を向上させるために添加するが、しかし、過剰添加すると焼入焼戻し硬さが低下するため、その上限を３．０％とした。
Ｃｏ：５．０％以下
Ｃｏは、マトリックスを強化して、焼入焼戻し硬さを高めると共に、耐食性を向上させるために添加するが、しかし、過剰添加は効果が飽和することから、その上限を５．０％とした。

アスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物を面積率で４．０〜９．０％
６０ＨＲＣ以上の高硬度材では、マトリックスが脆く、割れ感受性が非常に高いため、微小なクラックを起点として割れが直線的に結晶粒内を進展し大割れに至る。そこで、高硬度で脆いマトリックスを補うため成分組成を検討した結果、従来の粉末高速度工具鋼で球状、かつ微細、かつ多量に分散しているＭｏ、Ｗ系炭化物を、アスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物と球状のＭｏ系炭化物の混在したミクロ組織に変えることによって、靱性が改善された。これは、クラック進展の際に、短径３．０μｍ以上の粗大なＣｒ系炭化物が、その歪みエネルギーを緩和し、クラック進展を抑制する効果によるものである。その効果を発揮するには面積率４．０％以上分散させる必要があるが、しかし、過剰に存在すると靱性が低下するので上限を９．０％とした。

以下、本発明について、実施例によって具体的に説明する。
表１に示す化学成分の鋼材を、粉末冶金法によって製造した。これを、１１００〜１２００℃の温度に加熱して、鍛造、圧延および熱間押出しにより、試作材（φ５０）を製造した。次に、焼なましを８００〜９５０℃の温度から、１５℃／ｈで徐冷を行ない、シャルピー試験片（１０×１０×５０Ｌ、１０Ｒ、２ｍｍＣノッチ）と大越式摩耗試験片（１０×２５×５０ｍｍ）を切り出して作製した。試験片を１０５０〜１１５０℃で焼入れ後、本発明鋼では６４ＨＲＣ以上を狙い、４５０〜６００℃で焼戻しを行った。その結果を表２に示す。

表２に示すように、Ｎｏ．１〜６は本発明鋼であり、Ｎｏ．７〜１１は比較鋼である。比較鋼Ｎｏ．７はＣｒ含有量が高く、Ｍｏ含有量が低く、かつＶ含有量が低い上に、アスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物の面積率が高いために、焼入焼戻し硬さが低く、かつ耐摩耗性、靱性のいずれも劣る。比較鋼Ｎｏ．８はアスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物の面積率が高いために靱性が劣る。比較鋼Ｎｏ．９はＣ，ＶおよびＣｏのいずれの含有量も高く、かつアスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物の面積率も高いために、靱性が悪い。比較鋼Ｎｏ．１０はＣ含有量が低く、かつＳｉ含有量が高い上にアスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物の面積率が低いために、焼入焼戻し硬さが低く、耐摩耗性および靱性に劣る。比較鋼Ｎｏ．１１はＣ，ＣｒおよびＣｏのいずれの含有量も高く、かつアスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物の面積率が高いために耐摩耗性および靱性が劣る。

これに対し、本発明鋼であるＮｏ．１〜６のいずれも、比較鋼に比べて比摩耗量が少なく抑えられており、特に、高ＣかつＭｏ、Ｖ、Ｃｏ添加量の多いＮｏ．５で優れた耐摩耗性が得られている。また、シャルピー衝撃値においても、本発明鋼では比較例に比べて大幅に改善されていることが判る。このように、本発明鋼をロール用素材として適用した場合、比較鋼に比べて使用中の摩耗を低減できるだけでなく、ステンレスなどの高強度な被加工材における使用環境においても、割れや欠けなどを抑制し、ロール寿命を大幅に改善することができる等、優れた効果を奏するものである。

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

質量％で、
Ｃ：１．０〜１．８％、
Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ：０．１〜１．０％、
Ｃｒ：７．０〜１０．０％、
Ｍｏ：２．０〜６．０％、
Ｖ：１．０〜４．０％、
を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、基地中にアスペクト比１．３以上のＣｒ系炭化物を面積率で４．０〜９．０％含有することを特徴とする耐摩耗性、靱性に優れた圧延ロール用粉末高速度工具鋼。
請求項１に記載の成分組成に、Ｎｉ：３．０％以下、Ｃｕ：３．０％以下、Ｃｏ：５．０％以下のうちの１種または２種以上を合計で２．０〜８．０％添加したことを特徴とする耐摩耗性、靱性に優れた圧延ロール用粉末高速度工具鋼。