JP4254075B2 - 熱間圧延用ロールの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心鋳造製熱間圧延ロール用外層材の製造方法および遠心鋳造製熱間圧延用ロールの製造方法に係り、とくに、ラミネーション偏析、チル晶等の組織不均一の発生防止と組織粗大化による肌荒れの防止に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼圧延用ロールでは、そのロール外層（被圧延材と接触する円筒状部分、すなわち圧延作業層）は、製造コスト低減や省エネルギーの観点から、 軸心を中心にして回転する鋳型に溶融金属を鋳込む、いわゆる遠心鋳造法により製造するのが有利である。
【０００３】
しかし、遠心鋳造された熱延用ロールでは、図２に示すように、ロールの外殻層１内に、デンドライトの濃化部（デンドライト濃化層２）と硬質な炭化物の濃化部（炭化物濃化層３）とが交互に積層された形態の、半径方向に帯状あるいは斑状の層をなすバンド状偏析（以下、ラミネーション偏析ともいう）が形成される。これらの濃化層はロール外殻層内に１〜６本程度生じる。
【０００４】
このようなラミネーション偏析は、圧延中の磨耗や肌損傷に応じて幾度も研削されるロール表面に偏析模様となって現出し、偏摩耗や肌荒れ等を発生させる原因となる。とくに仕上げミル最終スタンドにラミネーション偏析が存在するロールを使用すると、その偏析模様が被圧延材の表面に転写して圧延製品の表面品質を低下させる。
【０００５】
このような問題に対し、特許第2778896 号公報には、鋳型への溶融金属（溶湯）の供給温度（鋳込み温度）を初晶生成温度Tc（℃）からTc＋90（℃）にかけての温度域に保って平均積層速度（鋳込み速度）を２〜40mm／分に管理し、ロール外殻層組織を微細かつ均一にする遠心鋳造方法が提案されている。特許第2778896 号公報に記載された技術によれば、遠心鋳造製ロール外殻層組織を微細かつ均一にすることにより、耐肌荒れ性、耐クラック性が向上するとされる。しかしながら、特許第2778896 号公報に記載された技術では、鋳込み速度が著しく小さいため、凝固が不安定となって外殻層表面に２枚皮欠陥やスパッタ状欠陥が生じやすく、また、鋳込み速度が非常に小さいことに加え鋳込み温度もTc〜 Tc+90℃と低いため、溶湯の流動性を確保することが困難であり安定した操業を行うことが難しいという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
熱延ロール用外層材を遠心鋳造法で製造すると、凝固の過程で溶湯中に晶出したデンドライトあるいは炭化物が、溶湯との比重差で遠心分離する。ラミネーション偏析はデンドライト濃化層と炭化物濃化層とが交互に重なってバンド状に偏析した形態を呈するが、このバンド状偏析の形成は、遠心鋳造での凝固過程における固相ー液相界面 (固液共存相）の剪断的流動にあると考えられる。大中らはアルミニウム合金を用いてラミネーション偏析について調査し、横型遠心鋳造でのバンド状偏析の発生には重力（1G）および鋳型回転数が影響していると報告している。（例えば、鋳造工学第69巻（1997) 第２号、第119 〜126 頁、鋳造工学第69巻（1997) 第３号、第240 〜246 頁）
一方、特開2000-141004 号公報には、Ｃ：1.0 〜4.0 ％、Mo+2Ｗ：2.0 〜24.0％を含有する鋳鉄材からなる外層を遠心鋳造により形成し、該外層に内層を溶着一体化させることにより圧延用複合ロールを製造する方法において、外層の遠心力鋳造工程で金型の回転数を、外層の鋳造後の外径寸法に応じ適宜変化する圧延用複合ロールの製造方法が提案されている。特開2000-141004 号公報に記載された技術によれば、重力作用に起因する溶湯の速度差が小さくなり、炭化物の「年輪状偏析」が低減するとされる。
【０００７】
しかしながら、特開2000-141004 号公報に記載された技術では、ロール外径が大きくなるとともに回転数を増大する必要があり必然的に大型の鋳造機を必要とするうえ、鋼種によっては、ラミネーション偏析が出現する場合があり、ラミネーション偏析を完全には回避できるまでに至っていないのである。また過度に遠心力を増加すると図１に示すように表層に柱状晶が発達したチル晶が大きな厚みで出現し、チル晶を研削して除去すると所定のロール外層原を確保できないという問題があった。また過度の遠心力増加は溶湯の流動を抑制し、凝固組織の成長を助長し、組織が粗大化するという問題もあった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、ラミネーション偏析、チル晶の発生を防止し、さらに組織の粗大化を抑制し、極めて優れたロール肌を実現できる、遠心鋳造製熱間圧延ロール用外層材の製造方法および熱間圧延用ロールの製造方法を提案することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題を達成するために、外層材におけるラミネーション偏析生成とチル晶の生成および組織粗大化に影響する因子について鋭意研究した。その結果、鋳造鋳型の回転数を、鋳型内表面に作用する遠心力を特定範囲となるように調整し、鋳造鋳型表面に耐火物層を１〜５mm形成して、外層材溶湯の鋳込み温度を特定範囲として遠心力鋳造することにより、外層材の組織がマクロ的には均一な組織となり、ラミネーション偏析の発生、チル晶の発生、および組織の粗大化が実用上全く問題ない程度となることを知見した。
【００１０】
本発明は、上記した知見に基づいて、さらに検討を加えて完成されたものである。
すなわち、本発明は、遠心鋳造鋳型に外層材溶湯を鋳込んで圧延ロール用外層材を形成する熱間圧延ロール用外層材の製造方法において、 前記外層材溶湯の組成が、重量％で、Ｃ： 1.5 〜４％、 Si ： 0.2 〜 3 ％、 Mn ： 0.2 〜 2 ％、 Cr ： 1 〜 30 ％、 Mo ： 0.5 〜 10 ％を含み、あるいはさらに Ni ：６％以下、Ｖ：８％以下、 Nb ：３％以下、 Co ：４％以下、 REM ： 0.5 ％以下、Ｂ： 0.3 ％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部 Fe および不可避的不純物からなる組成とし、前記遠心鋳造鋳型を、鋳型表面に厚み１〜５mmの耐火物層を形成した鋳型とし、前記外層材溶湯の鋳込み温度を、（固相温度＋160 ℃）〜（固相温度＋264 ℃）の範囲とし、かつ前記外層材溶湯の鋳込み中に、前記遠心鋳造鋳型の回転数を、該遠心鋳造鋳型内面に作用する遠心力が重力倍数で160 〜200 Ｇとなるように調整して遠心力鋳造することを特徴とする熱間圧延ロール用外層材の製造方法である。
【００１２】
また、本発明は、上記した熱間圧延ロール用外層材の製造方法で製造された外層材を外殻層とし、ついで遠心力鋳造法で中間層を形成し、あるいは中間層を形成することなく、内層材溶湯を鋳込んで内層を形成し一体溶着させた複合ロールとする熱間圧延ロールとする熱間圧延ロールの製造方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明では、外層材溶湯の鋳込み中に、遠心鋳造鋳型の回転数を、鋳型内面に作用する遠心力が重力倍数で160 〜200 Ｇとなるように調整して遠心力鋳造する。これにより、ラミネーション偏析の生成、チル晶の生成、および組織の粗大化が抑制されて実用上問題のないレベルの均一組織とすることができる。鋳型内面に作用する遠心力が重力倍数で160 Ｇ未満となる回転数では、ラミネーション偏析を抑制することは不可能である。また、遠心力が重力倍数で200 Ｇを超える回転数ではチル晶の著しい成長と、組織の粗大化を抑制することが困難となり、ロール肌荒れが助長される。
【００１４】
なお、本発明では鋳型内面の遠心力が160 〜200 Ｇの範囲であれば、鋳造開始から凝固終了の範囲の一部あるいは全てを回転数を変動させることによって遠心力を強制変動させてもよい。遠心力を変動させると未凝固相の成分偏析を抑制する効果が得られる。
また、本発明では、上記した遠心鋳造鋳型の回転数を、調整することに加えて、遠心鋳造鋳型内表面に厚み１〜５mmの耐火物層を形成する。これにより、溶湯の鋳型からの抜熱が抑制され、チル晶の成長を抑制でき、凝固組織を均一化することが可能となる。
【００１５】
耐火物層の厚みが１mm未満では、上記した効果が少なく、一方５mmを超えると、凝固速度が小さくなりすぎて組織が粗大化する。なお、耐火物組成は特に限定刷る必要はなく、市販のジルコン系、シリカ系、あるいはムライト系などの耐火物を使用することができる。
また、本発明では、外層材溶湯の鋳込み温度を（固相温度＋160 ℃）〜（固相温度＋264 ℃）の範囲とする。
【００１６】
鋳込み温度が低いと溶湯の粘性が増加するため、凝固過程での流動や速度差が抑制されてラミネーション偏析が抑制される傾向にあるが、場合によっては、鋳型と溶湯が接触した際に初晶が晶出して遠心分離され、偏析が発生することがある。さらに、凝固速度の増大によりチル晶の生成領域が拡大する傾向もある。一方、鋳込み温度が高いと、逆にラミネーション偏析が発生しやすくなるとともに凝固組織が粗大化する。またさらには高温溶解に起因したチル晶の発達も生ずる。
【００１７】
鋳込み温度を（固相温度＋160 ℃）以上とすることにより、初晶の遠心分離偏析とチル晶の成長を抑制することができる。また、鋳込み温度が（固相温度＋160 ℃）未満では、鋳造性が著しく低下し、鋳造欠陥が発生する。一方、鋳込み温度が（固相温度＋264 ℃）を超えるとラミネーション偏析と組織の粗大化の抑制が困難となる。
【００１８】
つぎに、本発明における外層材の好ましい組成範囲について、説明する。以下、組成における％は、質量％を意味するものとする。
Ｃ：1.5 〜４％
Ｃは、ロールの耐摩耗性を向上させるための炭化物形成に必須の元素であり、1.5 ％未満では炭化物量が不足して優れた耐摩耗性を得ることができないうえ、溶湯の鋳造性が劣化する。一方、４％を超えると、炭化物が過多となり、炭化物偏析や肌荒れが促進される。
【００１９】
Si：0.2 〜３％
Siは、脱酸剤として必要な元素であり、また、Crと共に基地に固溶して高温酸化への抵抗力を高める作用もあるが、0.2 ％未満ではこれらの効果が認められず、一方、３％超えでは効果が飽和する。
Mn：0.2 〜２％
Mnは、溶湯中のＳをMnS として固定し、Ｓの悪影響を除去する効果を有し、さらには、Mnは、焼入れ性を向上させる効果も有する。しかし、0.1 ％未満ではこのような効果は認められず、一方、２％を超える含有は、組織中にオーステナイトが多量に残留してロール特性を劣化させる。
【００２０】
Cr：１〜30％
Crは、Ｃと結合しCr系炭化物を形成し、耐磨耗性と耐肌荒れ性を向上させる作用を有し、さらにロールの熱膨張量を現象せしめ、ロールの通板性を向上させる有用な作用がある。このような効果は、１％以上の含有で顕著となる。一方、30％を超える含有は、炭化物を初晶として晶出させ炭化物偏析を助長させる。なお、好ましくは１〜25％である。
【００２１】
Mo：0.5 〜10％
Moは，Cr系炭化物およびMC型炭化物中に濃化して、それらの炭化物を強化して、ロールの耐肌荒れ性と耐摩耗性を高める効果を有する。このような効果を得るためには、Moを0.5 ％以上含有する必要がある。一方、Moが10％を超える含有は、強化されたCr系炭化物に比べて脆弱なMo系炭化物が多量に出現し、耐肌荒れ性と耐摩耗性が著しく劣化する。
【００２２】
本発明では、上記した成分に加えてさらに、Ni：６％以下、Ｖ：８％以下、Nb：３％以下、Co：４％以下、REM ：0.5 ％以下、Ｂ：0.3 ％以下のうちの１種または２種以上を含有することができる。
Ni：６％以下
Niは、焼入れ性を増加させる元素であり、熱処理での変態挙動を抑制する際に有用である。また、黒鉛存在型のロールでは、Niは黒鉛の出現を促進させる作用を有する。しかし、６％を超えて含有しても効果が飽和し、オーステナイト相の残留を助長し、むしろ耐摩耗性を劣化させる。
【００２３】
Ｖ：８％以下
Ｖは、硬質なMC型炭化物を形成し、ロールの耐摩耗性を著しく向上させる元素であるが、８％を超えると液相温度が著しく上昇し、鋳造性が劣化する。
Nb：３％以下
Nbは、Ｖと同様にMC型炭化物形成元素であるが、MC炭化物をより強靱な(V,Nb,Mo)C系の複合MC型炭化物に改質し、耐摩耗性を著しく、また、NbはMC型炭化物の鋳造偏析を抑制する。しかし、３％を超えて含有すると液相温度が著しく上昇し、鋳造性を劣化させるとともにMC型炭化物の著しい粗大化を招いて炭化物の偏析を助長する。
【００２４】
Co：４％以下
Coは、基地中に固溶するとともに他の合金元素の基地への固溶量を高めて基地をより強化する作用を有するが、４％を超えて含有してもその効果が飽和する。
REM ：0.5 ％以下
REM は、脱酸作用と炭火物形成作用を持ち、さらに黒鉛存在型ロールにおいては黒鉛を球状化して耐摩耗性を向上する作用を有する。しかし、0.5 ％を超えて含有すると脆弱な炭火物が生成し、ロール肌荒れを助長する。
【００２５】
Ｂ：0.3 ％以下
Ｂは、炭火物形成作用と黒鉛出現作用を合せ持ち、炭火物と黒鉛の形態制御に有用な元素である。しかし、0.3 を超えて含有するとロールを著しく脆弱にする。
本発明では、上記した成分以外に、炭化物形成元素であり、耐摩耗性を向上する作用がある。0.3 ％以下のTa、１％以下のＷ，O.1 ％以下のTi、の１種または２種以上を選択して含有しても何ら問題はない。また、ロール快削性向上のために0.3 ％以下のPb、Biおよび0.2 ％以下のＳを含有してもよい。
【００２６】
本発明の外層材、外層材溶湯の組成においては、上記した成分以外の残部はFeおよび不可避的不純物からなる。不可避的不純物としてはＮ等があるが、Ｎはザク巣防止の観点から0.1 ％以下に制限することが望ましい。
本発明では、上記した成分組成の外層材用溶湯を溶製し、遠心鋳造鋳型に鋳込んで熱間圧延ロール用外層材を形成する。溶湯の溶製方法はとくに限定する必要はなく、通常公知の溶製方法がいずれも好適である。
【００２７】
また、本発明では、上記した好ましい組成の外層を形成し熱間圧延ロールの外殻層としたのち、ついで、遠心力鋳造法によりに中間層を形成し、あるいは中間層を形成することなく、さらに内層を鋳造して、熱間圧延ロール用の複合ロールとする。
本発明では、中間層、内層の材質は特に限定されないが鋳造用に優れ、かつ高強度あるいは高動性を有する材質とすることが好ましい。中間層は例えば黒鉛鋼で形成することが好ましく、内層は例えば球状黒鉛鋳鉄で形成することが好ましい。
【００２８】
【実施例】
表１に示す組成の溶湯を、表２に示す鋳込温度で内径680mm φあるいは、720mm φ（外層No.10 、 No.11 のみ肉厚200mm ）遠心鋳造機の遠心鋳造鋳型に供給し、厚さ80mmの熱間圧延ロール用外層材を鋳造した。なお、遠心鋳造鋳型の表面（内面）には、表２に示す厚さの耐火物層を形成した。
【００２９】
表２に示す条件で凝固完了まで遠心鋳造鋳型の回転数ｎを一定とした。なお、鋳型表面（内面）に作用する遠心力の重力倍数は、Dn²/178730（ここに、Ｄ：鋳型内径cm、ｎ：回転数rpm ）により算出した。
鋳造後、外層材から試験片を採取し、600 ℃×10h の焼戻処理を行ったのち、ロール径方向断面を研磨後王水でエッチングして現出させたマクロ組織を観察した。
【００３０】
マクロ組織を目視でラミネーション偏析（初晶偏析を含む）の有無を観察し、ラミネーション偏析よりを×、なしを○として評価した。また、マクロ組織からチル晶の厚みを測定し、チル晶の厚さが外表面から10mm以下であれば○、10mmを超える場合を×として評価した。また、粗大化した組織が存在する場合には×、ない場合には○とした。
【００３１】
得られた結果を表２に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【表２】

【００３４】
表２より、本発明例はいずれも、ラミネーション偏析、初晶偏析、チル晶の著しい成長および組織の粗大化は全く認められなかった。これに対し、本発明の範囲を外れる比較例では、ラミネーション偏析、初晶の偏析、チル晶の著しい成長あるいは組織の粗大化のいずれかが顕著に認められた。
【００３５】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、難しい制御を行うことなく、ラミネーション偏析の生成、チル晶の成長や組織の粗大化を抑制でき、圧延トラブルを生じる恐れのない遠心鋳造製熱間圧延ロール用外層材および熱間圧延ロールが安価でかつ容易に得られるという産業上格段の効果を奏する。また、本発明によれば、均質、高性能の圧延ロールが安価に製造でき、製造コストの削減、合金設計の自由度の増加、圧延成品の品質向上、圧延の生産性向上などの効果も期待できる。さらに、偏析を助長しない範囲でCr、 Mo、 V 、 Mb等の炭火物あるいは基地強化元素を添加することにより、ロールの耐摩耗性が向上でき、圧延コストの低減も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧延ロール用外層材の断面組織の一例を模式的に示す説明する説明図である。
【図２】ラミネーション偏析の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 外殻層 (外層）
２ デンドライト濃化層
３ 炭化物濃化層
４ 鋳型

Claims (2)

1. 遠心鋳造鋳型に外層材溶湯を鋳込んで圧延ロール用外層材を形成する熱間圧延ロール用外層材の製造方法において、 前記外層材溶湯の組成を、質量％で、Ｃ： 1.5 〜 4 ％、 Si ： 0.2 〜 3 ％、 Mn ： 0.2 〜 2 ％、 Cr ： 1 〜 30 ％、 Mo ： 0.5 〜 10 ％を含み、あるいはさらに Ni ： 6 ％以下、Ｖ： 8 ％以下、 Nb ： 3 ％以下、 Co ： 4 ％以下、 REM ： 0.5 ％以下、Ｂ： 0.3 ％以下のうちの１種または２種以上を含有し、残部 Fe および不可避的不純物からなる組成とし、前記遠心鋳造鋳型を、鋳型内表面に厚み１〜５mmの耐火物層を形成した鋳型とし、前記外層材溶湯の鋳造温度を、（固相温度＋160 ℃）〜（固相温度＋264 ℃）の範囲とし、かつ前記遠心鋳造鋳型の回転数を、該遠心鋳造鋳型内面に作用する遠心力が重力倍数で160 〜200 Ｇとなるように調整して遠心力鋳造することを特徴とする熱間圧延ロール用外層材の製造方法。
2. 請求項１に記載の熱間圧延ロール用外層材の製造方法で製造された外層材を外殻層とし、ついで遠心力鋳造法で中間層を形成し、あるいは中間層を形成することなく、内層材溶湯を鋳込んで内層を形成し一体溶着させたロールとする熱間圧延ロールの製造方法。

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