JP4260670B2

JP4260670B2 - 熱間圧延用アダマイトロール

Info

Publication number: JP4260670B2
Application number: JP2004111984A
Authority: JP
Inventors: 幸大徳永; 浩滝川; 拓田中
Original assignee: 日鉄住金ロールズ株式会社
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: JP2005296955A

Description

本発明は、例えば鉄鋼の形鋼、薄板、厚板等の熱間圧延に用いられ、特に耐摩耗・耐肌荒れ性に優れ且つ耐焼き付性に優れた熱間圧延用アダマイトロールに関するものである。

従来、アダマイト材は、強度・靭性と耐摩耗性を兼備した材料として、例えば、形鋼圧延のように圧延時の鋼材の噛み込み及び衝撃が大きい場合のロール材料等として古くから広く適用されている。しかしながら近年、鋼材製品の高精度化要求の高まりにより、圧延条件が苛酷化しており、ロールの使用条件も厳しくなってきている。その結果、従来材のアダマイトや特殊鋳鉄材では、亀裂性及び肌荒性に問題を生じるようになった。

この課題を解決する技術として、例えば特開平８−１２７８３８号公報（特許文献１）に開示されている。前記公報に開示されている内容は、従来のアダマイト材に対して、Ｂを適量に添加することにより、炭化物の微細分散が可能な程度の冷却速度において黒鉛を均一に微細分散させその結果、従来のアダマイト材に比し、耐肌荒性及び耐亀裂性が改善されるアダマイト材が提供されるというものである。

特開平８−１２７８３８号公報

一方、前記形鋼圧延用のように圧延負荷の大きなロールの中、特にＨ形鋼圧延用のユニバーサルミルの水平ロールや、アングル等の形鋼圧延用のカリバーロールでは、圧延材の延伸速度とロールの周速差により圧延材とロールの間にスリップが生じる範囲が存在する．そのため、前記特許文献１に記載されている材質のロールにおいては、耐肌荒性及び耐亀裂性は確保できるものの、実際の圧延においては前記の範囲に焼付が発生する。それにより、オフラインでの焼付き部の再研削・保守がその都度必要であり、結果として、圧延作業の生産性の低下し、またそれに伴ない当該ロールの原単位が低下する。
以上の従来技術の課題に鑑み、本発明の目的は、従来のアダマイト材が有している耐肌荒性及び耐亀裂性を確保すると共に、耐焼付性を兼備させたアダマイト材を提供するものである。

前記の課題を解決するために本発明のアダマイト材は、特許請求の範囲に記載の事項をその手段とする。その発明の要旨とするところは、
（１）質量％で、Ｃ：１．５〜２．５％、Ｓｉ：１．６〜２．２％、Ｍｎ：０．３〜１．２％、Ｎｉ：１．２〜２．６％、Ｃｒ：０．８〜１．７％、Ｍｏ：０．４〜２．１％、Ｂ：０．０１〜０．０５％、を含有し、下記（１）及び（２）式を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる外層材からなる熱間圧延用アダマイトロール。
Ｎｉ＋２．３（Ｃ＋１／３×Ｓｉ）−７．６＞０ … （１）
Ｎｉ＋３．７（Ｃ＋１／３×Ｓｉ）−１２．４＜０ … （２）
（２）外層材として、さらに、質量％で、Ｗ：０．２〜３．０％、Ｖ：０．２〜３．０％、Ｎｂ：０．２〜３．０％、Ｃｏ：０．２〜３．０％、の１種または２種以上含有する前記（１）記載の熱間圧延用アダマイトロールにある。

以上説明したように、本発明のアダマイト材は従来のアダマイト材に比べ黒鉛晶出量を向上させた上で、微細・均一分散して晶出させることにより、従来のアダマイト材が有している耐肌荒性及び耐亀裂性を確保すると共に、耐焼付性を兼備させることが可能である。それにより圧延製品の品質向上に寄与できると共に、オフラインでの焼付ロールの再研削・保守の頻度が激減し、結果として、圧延作業の生産性の向上、また当該ロールの原単位がその分向上する。

まず、本発明の熱間圧延用アダマイトロール用外層材の化学成分の限定範囲及びその限定理由を述べる。
Ｃ：１．５〜２．５％
従来のアダマイトロールと比較すると、黒鉛を晶出させる分高目にＣを含有させる。Ｃが下限値の１．５％未満であると黒鉛の晶出量が少なく耐焼付性の向上が望めない。一方、Ｃが上限値の２．５％を超えるときには、粗大化した黒鉛および共晶炭化物が多くなり、強度、靭性が低下するため上限を２．５とした。

Ｓｉ：１．６〜２．２％
Ｓｉは、黒鉛晶出に不可欠な元素であるが、Ｓｉが１．６％未満であると、黒鉛晶出効果不十分で、耐焼付性の向上は望めない。一方、Ｓｉが２．２％を超えると靱性が低下するため、上限を２．２％とした。

Ｍｎ：０．３〜１．２％
Ｍｎは、脱酸・脱硫を目的として添加する。下限値の０．３％は、その効果が現れる最小添加量である。また、Ｍｎが上限値１．２％を超えると機械的性質、特に靭性の劣化が起こるために、上限値をこの量とした。

Ｎｉ：１．２〜２．６％
Ｎｉは、基地の強度・靭性を改善させ、かつ黒鉛化促進元素である。Ｎｉが１．２％未満であると、基地の強度の改善効果が不足するため、強度・靭性が劣ると共に黒鉛の晶出効果も不十分なため、焼付き性の向上も望めない。一方、Ｎｉが２．６％を超えると残留オーステナイトが多くなり割れを生じ易く、製造性が悪くなるため上限を２．６％とした。

Ｃｒ：０．８〜１．７％
Ｃｒは、Ｃと結合して硬いＣｒ炭化物を形成するが、０．８％未満であると、その炭化物量が少なく、材質改善効果が見られない。一方、Ｃｒが上限値の１．７％を超えると、粗大化したクロム炭化物が多くなり、これが強度・靭性を劣化させる。

Ｍｏ：０．２〜２．１％
Ｍｏは、焼入、焼戻抵抗を維持し炭化物中に入り炭化物強度を高める効果があるが、０．２％未満ではその効果は期待できない。また、Ｍｏは高価な合金であるためにその添加量を２．１％以下と限定した。

Ｂ：０．０１〜０．０５％
Ｂの添加量は、０．０１％以下では黒鉛晶出の増量効果が無く、一方、０．０５％を超すと均一微細分散効果より、むしろ優先的にＢ含有炭化物を生成し、黒鉛量を減少させ、かつ材料の脆化をもたらす。従って、その添加量は０．０１〜０．０５％の範囲にした。

Ｎｉ＋２．３（Ｃ＋１／３×Ｓｉ）−７．６＞０ … （１）
Ｎｉ＋３．７（Ｃ＋１／３×Ｓｉ）−１２．４＜０ … （２）
耐肌荒性・耐亀裂性及び耐焼付性を兼備させるロール材料の構成として、前記黒鉛の晶出において、晶出量を従来のものより向上させた上で、微細・均一分散させることにより課題を解決することにある。そのための手段として、Ｂの添加量は、従来と同じ程度とし、一般に古くから黒鉛化促進元素としても知られているＮｉの添加量と、一般に炭素当量と知られているＣ＋１／３Ｓｉとの相関を上記（１）式及び（２）式の範囲に限定することにより、黒鉛の晶出を微細・均一分散させ、その目的を達成することが可能となった。すなわち、上記（１）式及び（２）式を満足させることにより、耐肌荒性・耐亀裂性及び耐焼付性を得ることができるものである。従って、（１）式または（２）式のみでは、その効果を十分達成することができない。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
（実施例１）まず、本発明のアダマイト材の前記最適な範囲を限定するために以下のテストを実施した。鋳造用の鋳型は実際の圧延用ロールに近い凝固条件となるように、直径５００ｍｍ、高さ１０００ｍｍのサイズとした。低周波誘導電気炉で溶製した表１に示す外層用アダマイト材からなる溶湯を１４００〜１４５０℃で前記鋳型に鋳込み、円柱型の試験材を製作した。その後、９５０〜１１００℃での拡散処理、７５０〜９００℃での球状化処理、８５０〜９５０℃からの焼入れ処理、５５０〜６５０℃の焼戻し処理を施した素材より転動焼付き試験片を作成した。

次に、図１に示すような熱間転動摩耗試験機を用いて、耐焼付き性についての比較試験を実施した。図１に示すような加熱片１（圧延材相当）および試験片２（ロール材相当）を接触状態で回転させる転動装置３と、加熱片１および試験片２を囲み、これらを加熱する高周波誘導加熱コイル４と冷却装置５と放射温度計６とを備えたディスク対ディスクタイプの試験機を使用した。その時の試験条件は、両ディスク間の最大接触応力は約３０ｋｇｆ／ｍｍ²で、試験片２の周速度（回転数）は、２００ｒｐｍとし、両ディスク間のすべり率は６０％で行った。また、熱間圧延材に相当する加熱片の温度は６００℃とし、試験片の温度は３００℃として２０００回転動させ、試験片の焼付きの有無を観察した。

また、同一の素材から引張試験片および３点曲げＣＯＤ試験片を作成し、機械試験値を測定すると共に、画像解析装置を用いて試験片における黒鉛面積率および黒鉛粒数を測定した。以上の結果を表１に示す。また、前記票におけるＡ〜Ｗの鋼種において、Ｎｉ量とＣ＋１／３Ｓｉとの相関を各々プロットしたものを図２に示す。以下、前記表１及び図２を用いて、前記のテスト結果を説明する。

比較材Ｏ，Ｐは、本発明における前記（１）及び（２）式を満足しているもののＮｉの量が多いため残留オーステナイトが多くなり割れが生じ易く、表１に示す如く製造時に割れが発生した。すなわち、製造性が劣るものである。比較材Ｔは、本発明における前記（１）及び（２）式は、満足しているもののＮｉの量が少なく、Ｎｉによる黒鉛化が過小なため、表１に示す如く、晶出する黒鉛粒が少なく且つ黒鉛面積率も小さくなり、焼付きが発生した。また、Ｎｉによる基地強化の効果も不足するため強度・靱性が劣っている。

比較材Ｌ，Ｍ，Ｎ，Ｑ，Ｒは、前記（１）式を満足しておらず表１に示す如く、炭素当量が過小なため、晶出する黒鉛粒が少なく且つ黒鉛面積率も小さくなり焼付きが発生した。比較材Ｓ，Ｕは、前記（２）式を満足しておらず表１に示す如く、炭素当量が過大なため、黒鉛や共晶炭化物が粗大化して強度・靱性が劣っている。

これに対し、本発明材、Ａ〜Ｋ、すなわち、図の太線で囲まれる内部の領域においては、表１に示す如く、黒鉛の晶出はＮｉと炭素当量による黒鉛化の調整とＢの微細・均一化効果により適当に微細・均一分散されている。その結果、焼付きも発生せず、引張り強度、破壊靱性値もロール材として要求される値を満足している。以上により本発明材Ａ〜Ｋは、比較材並の耐肌荒れ性及び耐亀裂性を有し、更に耐焼付き性を兼備していることが確証できた。

本発明における外層の基本成分としては前記のものであるが、更に、適用を対象とするロールのサイズ、当該圧延用ロールとして要求される使用・具備特性等により、その他の成分として以下に記載する化学成分を適宜選択し含有してもよい。
Ｗ：０．２〜３．０％
Ｗは、Ｍｏと同様に基地中に固溶されて基地を強化するとともに、Ｃと結合してＭ₂ＣやＭ₆Ｃ等の共晶炭化物を形成して、耐摩耗性が向上する。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、３．０％を超えると粗大共晶炭化物が形成されて靱性が低下する。従って、Ｗの添加有無の選択については、例えば、共晶炭化物増量により耐摩耗性の向上を図る場合に添加するとその効果がより大きい。

Ｖ：０．２〜３．０％
Ｖは、前記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、０．２％未満ではＭＣ炭化物量が不十分で耐摩耗性が不十分となり、３．０％を超えるとＭＣ炭化物が粗大化しすぎて靱性の低下に繋がるとともに、低密度のＭＣ炭化物が初晶として単独で晶出する領域となり、遠心力鋳造法で製造する場合、ＭＣ炭化物の密度は、溶湯の密度に比べ小さいため、重力偏析が著しく発生するため３．０％が上限である。したがって、その範囲を０．２〜３．０％とする。

Ｎｂ：０．２〜３．０％
Ｎｂは、基地中にはほとんど固溶されず、そのほとんどが高硬度のＭＣ炭化物を形成して、耐摩耗性を向上する。特に、Ｎｂの添加で生ずるＭＣ炭化物は、Ｖの添加で生ずるＭＣ炭化物に比べ、溶湯密度との差が小さいため、遠心鋳造による重力偏析の発生が少ない。従って、Ｎｂの添加有無の選択については、例えばＭＣ炭化物の重力偏析を軽減したい場合に添加するとその効果がより大きい。添加量について、３．０％を超えて含有させた場合、ＭＣ炭化物が初晶として粗大なデンドライト状に晶出するため、偏析の発生や耐肌荒れ性の低下に繋がる。また、０．２％未満では前記の効果を奏さないので、その下限を０．２％以上とする。従って、その範囲を０．２〜３．０％とする。

Ｃｏ：０．２〜３．０％
Ｃｏは、ほとんどが基地中に固溶され、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、３．０％を超えてはその効果が飽和するため、経済性の観点からも３．０％以下とする。従って、Ｃｏの添加有無の選択については、例えば、耐摩耗性の向上が要求され、共晶炭化物の増量が困難である場合に添加するとその効果が大きい。

本発明に係る成分は以上の成分の他、残部不純物及び実質的にＦｅで形成され。
Ｐ：０．１％以下
Ｐは、材質を脆くするという点から０．１％以下とした。
Ｓ：０．０５％以下
Ｓは、材質を脆くするという点から０．０５％以下とした。

前記実施例１のラボ試験の結果、本発明材の作用・効果を十分に確性できたので、次に、実際の圧延用ロールを製作し、その後、実際の圧延に供した。以下に、その結果を実施例２に説明する。
（実施例２）低周波誘導炉を用いて溶解した表２に示す化学成分のアダマイト材からなる溶湯を、内径が８５０ｍｍ、長さ１８００ｍｍの金型を用いた鋳型に静置鋳造した。凝固完了後、鋳型を解体して９５０〜１１００℃での拡散処理、７５０〜９００℃での球状化処理、８５０〜９５０℃からの焼入れ、５５０〜６５０℃での焼戻し処理を実施した後、機械加工を行って圧延用ロールを製造した。金型該当位置のロール表面のミクロ組織より画像解析装置を用いて黒鉛面積率および黒鉛粒数を測定した。また、その後、各々の圧延用ロールを実際の形鋼圧延（仕上げスタンド用カリバーロール）に供して異常の有無を確認した。以上の結果を表２に示す。

また、前記表におけるＡ〜Ｌの鋼種において、Ｎｉ量とＣ＋１／３Ｓｉとの相関を各々プロットしたものを図３に示す。以下、前記表２及び図３を用いて、前記のテスト結果を説明する。表２及び図３から明らかなように、比較材Ｇ〜Ｉでは、黒鉛晶出量の不足のため焼付きが発生した。また、比較材であるＪ，Ｋ，Ｌは強度、靱性が十分に確保できず折損するトラブルが発生した。これに対し、本発明材Ａ〜Ｆでは、いづれも適切な黒鉛晶出量により焼付きの発生はなく、また折損のトラブル発生もなく、十分な強度・靱性を確保していることも確認でき、実機ロールにおいても本発明材の効果を確認することができた。

なお、前記実施例２で製造した圧延用ロールは、静置鋳造法により製作した一体ロールであるが、本発明の適用としては、これに限定されるものではなく、例えば、遠心鋳造法により単層のスリーブロールとしてもよいし、軸とスリーブとの焼き嵌め応力が大きいときや、圧延荷重が大きい等スリーブロールの強度を要求される時は、前記の通り遠心鋳造法にて、まず本発明材の外層を形成の後、続いて、黒鉛鋳鋼等の溶湯を注入し、複合のスリーブロールとしてもよい。

また、別の適用例としては、鋼板圧延用の場合には、スリーブロールだけでなく、中実ロールとしても適用が可能である。例えば、遠心鋳造機に本発明の化学成分からなる、外層用の溶湯を注入後、適正な待ち時間を経た後中間層となる溶湯を注入し、さらに、適正な待ち時間を経た後、遠心鋳造機の回転を停止させ、その後芯材用の内層用材料としてダクタイル鋳鉄、または黒鉛鋼等の溶湯を数度に分けて注入して製作する３層構造の中空ロールにも同様に適用できる。他の例としては、前記の例において、中間層を設けない２層構造の中実ロールとしてもよい。

熱間転動摩耗試験機の概要構成を示す説明図である。Ｎｉ量とＣ＋１／３×Ｓｉとの相関をプロットした図である。Ｎｉ量とＣ＋１／３×Ｓｉとの相関をプロットした図である。

符号の説明

１加熱片
２試験片
３転動装置
４高周波誘導加熱コイル
５冷却装置
６放射温度計

特許出願人新日本製鐵株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

質量％で、
Ｃ：１．５〜２．５％、
Ｓｉ：１．６〜２．２％、
Ｍｎ：０．３〜１．２％、
Ｎｉ：１．２〜２．６％、
Ｃｒ：０．８〜１．７％、
Ｍｏ：０．４〜２．１％、
Ｂ：０．０１〜０．０５％、
を含有し、下記（１）及び（２）式を満足し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる外層材からなる熱間圧延用アダマイトロール。
Ｎｉ＋２．３（Ｃ＋１／３×Ｓｉ）−７．６＞０ … （１）
Ｎｉ＋３．７（Ｃ＋１／３×Ｓｉ）−１２．４＜０ … （２）
外層材として、さらに、質量％で、Ｗ：０．２〜３．０％、Ｖ：０．２〜３．０％、Ｎｂ：０．２〜３．０％、Ｃｏ：０．２〜３．０％、の１種または２種以上含有する請求項１記載の熱間圧延用アダマイトロール。