JP4354718B2

JP4354718B2 - 遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール

Info

Publication number: JP4354718B2
Application number: JP2003074466A
Authority: JP
Inventors: 和則上宮田; 拓田中
Original assignee: 日鉄住金ロールズ株式会社
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP2004082209A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材圧延用複合ロールにおいて、耐焼付性と耐摩耗性を兼備するとともに、製造時および圧延使用時の大根割れおよび縦割れ等の割損トラブル発生を抑制した遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、鉄鋼例えば形鋼、薄板、厚板等の熱間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まっている。当該圧延用ロールに対しても、高い耐摩耗性が求められてきており、薄鋼板を製造する熱間仕上圧延機の前段においては、ハイスロールの適用が進んできている。しかしながら、絞り事故の遭遇する確率の高い熱間仕上圧延機の後段においては、従来から使用されている高合金グレン鋳鉄ロールが主に使用されていた。
【０００３】
前記高合金グレン鋳鉄ロールは黒鉛、炭化物および基地組織からなり、特に耐焼付き性に優れているため、絞り事故に遭遇した際も、クラックの発生・進展が極めて少ない、つまり耐事故性に優れるという特徴がある。しかしながら、構成要素中の炭化物がＭ３Ｃ系（セメンタイト）であるため、ハイス材に比較すると耐摩耗性が劣るため種々の改善が行われている。例えば、前記高合金グレン鋳鉄ロールが有している課題、即ち、耐摩耗性を改善する先行技術として、特開平６−３３５７１２号公報に開示されている。この技術の概要は、Ｍ₃Ｃ系（セメンタイト）の炭化物及び黒鉛を有し耐焼付き性に優れた従来の高グレン鋳鉄材に、例えばＶ、Ｎｂ等の添加によるＭＣ炭化物等の硬質炭化物を共存させ、耐焼付性を確保すると共に耐摩耗性を向上させようとする技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に開示されている圧延用複合ロールでは、内層材が鋼系の材質である。従って、当該ロールを遠心鋳造法で製造する場合、内層材と比較して融点の低い前記外殻層と、外殻層より融点の高い鋼系内層材とが溶融して、外殻層と内層との接合部（境界部）を形成するため、境界部が最終凝固部となり、該接合部（境界部）に鋳巣、引け巣等の鋳造欠陥が発生しやすく実用化が難しい。前記の従来技術の課題に鑑み、本発明の目的は、耐焼付性と耐摩耗性を兼備する熱間圧延用のロールを遠心鋳造法にて、健全かつ安定した製造を可能とするとともに、製造時および圧延使用時の大根割れおよび縦割れ等の割損トラブル発生を抑制した遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、その発明の要旨とするところは、
（１）外殻層の化学成分が質量比で、Ｃ：３．０〜４．０％、Ｓｉ：０．８〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜１．２％、Ｎｉ：３．０〜５．０％、Ｃｒ：０．５〜２．５％、Ｍｏ：０．１〜３．０％、Ｖ：２．４〜５．０％、Ｎｂ：０．１〜０．８％、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、内層が、Ｃ：２．５〜４．０％を含有した普通鋳鉄または、球状黒鉛鋳鉄で形成されるとともに、外殻層厚み（Ｔ）と内層の半径（Ｒ）の関係が、（１）式を満足することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。
０．０３≦ Ｔ／Ｒ ≦０．５ ‥‥ （１）
【０００６】
（２）更に、外殻層には化学成分が質量比で、Ｂ：０．０１〜０．１％を含有する前記（１）に記載の遠心鋳造製圧延用複合ロール。
（３）更に、外殻層には化学成分が質量比で、Ｗ：０．１〜３．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種以上を含有する前記（１）または（２）に記載の遠心鋳造製圧延用複合ロールである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の基本的な構成は、圧延用複合ロールの内層をＣ：２．５〜４．０％を含有した普通鋳鉄、または球状黒鉛鋳鉄で形成することにより、外層と内層との境界部での鋳造欠陥の発生を防止し、且つ外殻層厚み（Ｔ）と胴芯部の半径（Ｒ）の関係が、（１）式を満足させることにより、製造時の大根割れ及び製造・使用時でのチル剥げの発生を抑制するものである。
０．０３≦ Ｔ／Ｒ ≦０．５ ‥‥ （１）
【０００８】
以下に、まず、本発明の主要部の構成である外殻層の各化学成分について、その限定理由を説明する。
Ｃ：３．０〜４．０％
Ｃは、主として、黒鉛及びＦｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｗ等と結合してＭ₃Ｃ系（セメンタイト）やＭＣ系等種々の炭化物を形成する。また、マトリックス中に固溶され、ベイナイトやマルテンサイト相を生成する。多量に含有させるほど、耐摩耗性の向上には有効であるが、４．０％を超えると、粗大な炭化物や黒鉛が形成され、靱性の低下や肌荒れの原因となる。また、３．０％未満だと炭化物量が少なく、また、好適なる黒鉛量が得られなくなり、それにより耐摩耗性の劣化が起こる。従って、その範囲を３．０〜４．０％とする。
【０００９】
Ｓｉ：０．８〜２．５％
Ｓｉは、黒鉛の晶出を目的として添加する。しかし、０．８％未満だとその効果が不十分であり、逆に２．５％を超えると靱性を低下させるため、その範囲を０．８〜２．５％とする。
Ｍｎ：０．２〜１．２％
Ｍｎは、脱酸、脱硫作用を目的として添加する。しかし、０．２％未満だとその効果が不十分であり、また、１．２％を超えると靱性を低下させるため、その範囲を０．２〜１．２％とする。
【００１０】
Ｎｉ：３．０〜５．０％
Ｎｉは、マトリックス中に固溶されて、基地のベーナイトやマルテンサイトを安定化させる。そのためには、３．０％以上を含有させる必要がある。しかし、５．０％を超えて含有させた場合、残留オーステナイト量が過大となり、硬度の確保が困難になったり、熱間圧延使用中に変形等を起こすことがある。従って、その範囲を３．０〜５．０％とする。
【００１１】
Ｃｒ：０．５〜２．５％
Ｃｒは、焼入性の増加、硬度の増加、焼き戻し軟化抵抗の増加、炭化物硬度の安定化等のために添加する。しかし、２．５％を超えると共晶炭化物量が過大となり、靱性が低下するため、上限を２．５％とした。一方、０．５％未満であると前記効果が得られなくなる。従って、その範囲を０．５〜２．５％とする。
Ｍｏ：０．１〜３．０％
Ｍｏは、マリックス中に固溶されて基地を強化すると共に、前記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０．１％以上の含有が必要であるが、３．０％を超えると粗大炭化物が形成され靱性が低下する。
【００１２】
Ｖ：２．４〜５．０％
Ｖは、特に耐摩耗性を向上させるために重要な元素である。即ち、ＶはＣと結合して耐摩耗性に大きく寄与するＭＣ炭化物を形成する重要な元素である。しかし、２．４％未満ではＭＣ炭化物量が不十分で耐摩耗性の向上が不十分となり、また、５．０％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、黒鉛化を著しく阻害する。さらに、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、該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５．０％が上限である。
【００１３】
Ｎｂ：０．１〜０．８％
Ｎｂは、マトリックス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。さらに、Ｖ添加と比較してＮｂ添加の場合、黒鉛化阻害作用が極めて小さい。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や、黒鉛晶出量を増加させ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、０．１％未満ではその効果は不十分であり、０．８％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、靱性の低下に繋がる。
【００１４】
Ｂ：０．００１〜０．５０％
Ｂは、０．００１％以上で焼入性が高まり、靱性の低下を防ぐとともに、晶出する黒鉛を均一微細分散化させる効果がある。しかし、過剰になると、靱性が低下するため０．５％以下に抑える必要がある。なお、Ｂの添加有無の選択については、例えば、耐肌荒れ性向上が要求される場合に添加するとその効果がより大きい。
【００１５】
Ｗ：０．２〜２．０％
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Ｍ₂ＣやＭ₆Ｃ等の共晶炭化物を形成し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、２．０％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。
【００１６】
Ｃｏ：０．１〜２．０％
Ｃｏは、ほとん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。０．１％未満ではその効果は不十分であり、２．０％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２．０％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。
Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．１％以下
Ｐ、Ｓは、原材料より不可避的に混入するものであり、材質を脆くするので少ないほど好ましく、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．１％以下にすると良い。
【００１７】
次に内層材について、Ｃ：２．５〜４．０％を含有した高級鋳鉄、または球状黒鉛鋳鉄に限定する理由を説明する。
当該ロールを遠心鋳造法で製造する場合、内層材を上記の如く構成することにより、前記外殻層の融点と内層との融点との差が極めて小さくなる。この結果、最終凝固部は内層材の押湯部（製品外）となり、外殻層と内層との接合部（境界部）において、鋳巣、引け巣等の鋳造欠陥が無い健全なロールの製造が可能となる。なお、Ｃが２．５％より低いと内層材の収縮量が大きくなるため、その下限は２．５％以上必要である。一方、４．０％を超えると黒鉛晶出量が過大となり、内層材の強靭性が劣化するため、その上限は、４．０％以下が好ましい。
【００１８】
また、前記の普通鋳鉄、ダクタイル鋳鉄の好適な組成例（質量比）を以下に示す。普通鋳鉄としては、Ｃ：２．５〜４．０％、Ｓｉ：０．８〜２．５％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．１％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物。さらに、ダクタイル鋳鉄としては、Ｃ：２．５〜４．０％、Ｓｉ：１．５〜３．５％、Ｍｎ：０．２〜２．０％、Ｐ：０．２％以下、Ｓ：０．１％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｃｒ：２．０％以下、Ｍｏ：２．０％以下、Ｍｇ：０．０１〜０．１％、残部：Ｆｅ及び不可避的不純物からなる。
【００１９】
本発明の外殻層厚み（Ｔ）と内層の半径（Ｒ）の関係が、（１）式を満足すること。０．０３≦ Ｔ／Ｒ ≦０．５ ‥‥ （１）
一般に当該圧延用複合ロールは、ある一定の期間、圧延に供されるとロールの外周面が摩耗、肌荒れなどにより損傷する。従って、ある損傷状態になると、該ロールは、圧延機より取り外され外周面を研削により平坦化し、再度、圧延機に取り付けられ圧延に供される。この繰り返りしにより、使用中トラブルに遭遇しない限り、圧延ロールは内層材が表面に現出しない範囲まで使用された後、廃棄されている。従って、該当圧延用複合ロールのロール原単位の点から、外殻層の肉厚は、極力厚い方がその原単位は、大きくなり好ましい。
【００２０】
ここで、本発明の圧延用複合ロールにおいては、外殻層の化学成分がＭ₃Ｃ系（セメンタイト）の炭化物及び黒鉛を有し耐焼付き性に優れた従来の高グレン鋳鉄材に、例えばＶ、Ｎｂ等の添加によるＭＣ炭化物等の硬質炭化物を共存させ、耐焼付性を確保すると共に耐摩耗性を保持させてものであり、一方、内層材としては、Ｃ：２．５〜４．０％を含有した普通鋳鉄、または球状黒鉛鋳鉄である。この材質からなる複合ロールを遠心鋳造で製造する場合、前記の如く、ロール原単位の低減を狙って、当該複合ロールの外殻層を厚くした場合、遠心鋳造での製造後、内層材には、引張りの、外殻層には圧縮の残留応力が発生し、この残留応力が両者の材力を超えた場合、当該複合ロールの内層を起点にして、外殻層にわったって亀裂（大根割れ）が発生することが判明した。
【００２１】
しかしながら、本発明では、その上限を０．０３≦ Ｔ／Ｒ ≦０．５ ‥‥（１）としているので、前記複合ロールの内層材に発生する引張残留応力が低減されたことにより、製造時や圧延使用中に、前記の大根割れ発生は皆無となり、健全なロールが安定して製造可能となるとともに、圧延使用中においても割損トラブルの発生しない安全なロールが供給可能となった。
【００２２】
以下、本発明の実施例を、比較材とともに説明する。
【実施例】
表１に示す化学成分、すなわち、Ｎｏ．１〜４は本発明例であり、Ｎｏ．５〜８は比較例からなる複合ロールを、遠心鋳造法により、内層径６００ｍｍ、外径８００ｍｍ、外殻厚１００ｍｍ、胴長２４００ｍｍの熱延仕上用ロールを製作した。溶解温度は１５００℃、鋳込み温度は１３２０℃である。鋳造後、４３０℃で３０時間加熱し、徐冷することにより残留オーステナイトの分解と歪取りを行った。その後、前記複合ロールにおける外殻層と内層との境界部における鋳造欠陥の有無を確認するため、超音波探傷検査にて、その欠陥の有無を調査した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
その結果、前記表１にその内容を示す境界部での鋳造欠陥が、比較例であるＮｏ．５〜８の複合ロールにおいては、いずれも発生していた。この理由は、比較例の圧延用複合ロールの場合、内層の材質が鋼系であるため、当該ロールを遠心鋳造法で製造する場合、融点の低い前記外殻層と融点の高い鋼系内層とが溶融して、外殻層と内層との接合部（境界部）を形成するが、境界部は内層材より溶融点が高くなるため、最終凝固部となり、該接合部（境界部）に鋳巣、引け巣等の鋳造欠陥が発生したものである。
一方、本発明例であるＮｏ．１〜４においては、いずれも境界部での鋳造欠陥は皆無であった。これは、溶融点が外殻層とほぼ同等の内層材を選択した効果が顕著に認められたものである。つまり、溶融点が外殻層とほぼ同等の内層材を適用したため、内層材の凝固において、外殻層近傍（境界部）から内部に向かって凝固が進行する指向性凝固が確保されたためである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、耐焼付性と耐摩耗性を兼備する熱間圧延用のロ−ルを遠心鋳造法にて、健全且つ安定して製造可能にすると共に、製造時および圧延使用時の大根割れおよび縦割れ等の割損トラブル発生を抑制した遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールを提供することが、可能となり、その工業的な効果は、多大である。

Claims

外殻層の化学成分が質量比で、
Ｃ：３．０〜４．０％、
Ｓｉ：０．８〜２．５％、
Ｍｎ：０．２〜１．２％、
Ｎｉ：３．０〜５．０％、
Ｃｒ：０．５〜２．５％、
Ｍｏ：０．１〜３．０％、
Ｖ：２．４〜５．０％、
Ｎｂ：０．１〜０．８％、
残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、内層が、Ｃ：２．５〜４．０％を含有した普通鋳鉄または、球状黒鉛鋳鉄で形成されるとともに、外殻層厚み（Ｔ）と内層の半径（Ｒ）の関係が、（１）式を満足することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。
０．０３≦ Ｔ／Ｒ ≦０．５ ‥‥ （１）
更に、外殻層には化学成分が質量比で、Ｂ：０．０１〜０．１％を含有する請求項１に記載の遠心鋳造製圧延用複合ロール。
更に、外殻層には化学成分が質量比で、Ｗ：０．１〜３．０％、Ｃｏ：０．１〜２．０％の１種以上を含有する請求項１または２に記載の遠心鋳造製圧延用複合ロール。