JP4387854B2 - 圧延用ロール材及び圧延用ロール - Google Patents

Description

本発明は圧延用ロール材及び圧延用ロールに関する。

熱間圧延用ロールとして、線材・棒鋼・小型形鋼等の粗列、中間スタンドロールには、従来、アダマイト系材若しくはダクタイル鋳鉄系材が使用されてきた。また圧延成績の向上を目的として、近年ではＣｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ等を各数％含有し、優れた耐摩耗性を有する高炭素ハイス系材、セミハイス系と称される材料が用いられ、これを外層材とした遠心鋳造製ロールが実用化されてきている。
特開２００２−３２１００４号公報 特開２００２−１６１３３４号公報 特開２００１−１７９３１１号公報 特開２０００−０６３９７６号公報

ところが上記ハイス系の圧延用ロール材を用いた圧延ロールは、耐摩耗性に優れているが、その組織はベイナイト若しくはマルテンサイトの基地中に非常に硬質な炭化物を晶析出させたものであり且つ黒鉛の晶出もないために、耐焼付き性、耐熱亀裂性に問題があった。
またハイス系の圧延用ロール材を用いた圧延ロールは、外層部の靭性が非常に低いため、遠心鋳造法を用いてダクタイル鋳鉄等の強靭な内層部を組み合わせた複合ロールとするのが基本となっている。しかし複合ロールとする場合には、鋳造時に内外層の境界部に欠陥が発生し易く、このために境界部の強度低下が起こり易い。また焼入れ・焼戻し熱処理時には外層部のみが変態膨張するために残留応力が高くなり、このため熱処理割れや圧延使用時の耐事故性に問題があり、製造条件的に非常に難しい面があった。

そこで本発明は、上記ハイス系の圧延用ロール材や複合圧延ロールの問題点を解消し、圧延ロールの製造が容易で、製造コストも低く、しかも圧延ロールの耐摩耗性、耐焼付き性、耐熱亀裂性等をバランスよく兼ね備え、よってまた線材・棒鋼・小型形鋼等の粗列、中間列スタンド用の圧延に好ましく用いることができる、特に熱間圧延用の単層ロールに適したアダマイト系の圧延用ロール材及びそれを用いた圧延用ロールの提供を課題とする。

上記課題を達成するため、本発明の圧延用ロール材は、成分組成が重量％で、Ｃ：１．７〜２．５％、Ｓｉ：１．０〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：１．０〜３．０％、Ｃｒ：０．１〜１．０％、Ｍｏ：１．０〜２．５％、Ｖ：０．５〜３．５％を含有すると共に、残部がＦｅから成り、且つＭｏ＋Ｖ：２．５〜４．５％及びＣ−０．２Ｖ：１．６〜１．９％を満たすことを第１の特徴としている。
また本発明の圧延用ロールは、上記第１の特徴の圧延用ロール材を用いて、単層ロールを焼入れ・焼戻し熱処理をして、基地をベイナイトと微細パーライトを主とした混合組織とすると共に、ロール表面硬度をショア硬度で６５以上にしたことを第２の特徴としている。

請求項１に記載の圧延用ロール材によれば、そこに示される各成分条件とすることにより、アダマイト系材料の組織に黒鉛を面積率で１〜４％晶出させることができる。この晶出黒鉛による高熱伝導性及び潤滑性の向上により、熱間圧延用ロールとしての耐焼付き性、耐熱亀裂性を大幅に改善させることができる。
また本発明の圧延用ロール材によれば、Ｍｏを１．０〜２．５％、Ｖを０．５〜３．５％、且つＭｏとＶとを合計で２．５〜４．５％として、その含有量を多くすることにより、アダマイト系圧延用ロール材の硬度を格段に向上させることができ、よって圧延用ロールとしての耐摩耗性を格段に向上させることができる。
よってアダマイト系材料のもつ強靭性に加えて、耐摩耗性と耐焼付き性と耐熱亀裂性とをバランスよく備えた、線材・棒鋼・小型形鋼等の粗列、中間列スタンド用の熱間圧延用で、特に単層ロールに適したロール材を提供できる。

ちなみに、Ｖはその大部分が凝固時に粒状のＭＣ炭化物として晶出するが、更にその後に行われる熱処理によって基地中に微細炭化物として析出させることができる。このＶによるＭＣ炭化物は組織中に均一に分布することから、圧延用ロール材の強靭性を低下させることなく、耐摩耗性を大幅に向上させる。
また前記Ｍｏの含有量は、鋳造凝固時に粗大炭化物として晶出することなく、その後に行われる熱処理において、微細粒状炭化物として基地中に析出するように設定されたものである。そしてまた焼入れ・焼戻し処理を施すことで、基地をベイナイトと微細パーライトとの混合組織になるように設定されたものである。基地を全てベイナイトにする場合には変態応力による熱処理割れが発生し易く、また基地を全てパーライトにする場合には耐摩耗性が低下し、何れの場合も好ましくない。
またＣｒ含有量を０．１〜１．０％とし、且つＣ−０．２Ｖ（材料の共晶凝固時の溶湯Ｃ量）を１．６〜１．９％に限定したことにより、一次の粗大セメンタイト晶出量を５〜１０％にコントロールできるため、アダマイト系材料の持つ強靭性を確保することができる。前記範囲を下回る場合は材料の耐摩耗性が低下し、上回ると強靭性が低下する。

また請求項２に記載の圧延用ロールによれば、請求項１に記載の圧延用ロールからなる単層ロールを焼入れ・焼戻し熱処理をして、基地をベイナイトと微細パーライトを主とした混合組織とすると共に、ロール表面硬度をショア硬度で６５以上にしたことにより、現に耐焼付き性、耐熱亀裂性、及び極めて良好な耐摩耗性を兼ね備えた強靭な熱間圧延用ロールを、単層ロールとして提供することができる。

本発明の実施形態に係る圧延用ロール材及び圧延用ロールについて、以下の図面も参照して、更に詳細に説明する。
図１は実施形態に係る圧延用ロールの製造において、ロール鋳造後に、機械加工を容易にするためと組織調整のために行う高温拡散炭化物粒状化焼鈍の熱処理工程を示す図、図２は実施形態に係る圧延用ロールの製造において、ロール鋳造後に高温拡散炭化物粒状化焼鈍を行い、且つ必要な加工を行った後に行う焼入れ・焼戻しの熱処理工程を示す図である。

本発明の実施形態の圧延用ロール材及び圧延用ロールは、その成分組成として、上記第１の特徴に記載した組成を有する。この成分組成における各成分元素の含有範囲と、その限定理由を先ず説明する。含有量は全て重量％とする。

Ｃの含有量は１．７〜２．５％とする。黒鉛、セメンタイト、Ｖ炭化物を晶出させるためには、通常のアダマイト系材料よりもやや高めにＣを含有させるのがよい。このＣの含有量は後述のＶ含有量との関係が重要となる。Ｃの含有量が１．７％未満では黒鉛量、セメンタイト量、Ｖ炭化物量が不十分となる。Ｃの含有量が２．５％を超えると、セメンタイトが過剰となって、ロールの強靭性を劣化させる。
Ｃの含有量は、好ましくは１．８〜２．２％とする。

Ｓｉの含有量は１．０〜２．５％とする。Ｓｉは黒鉛化促進元素であると共に、溶湯の脱酸と鋳造性を良くする。含有量が１．０％未満の場合には黒鉛の晶出が不十分となり、含有量が２．５％を超えると材質が脆くなる。
Ｓｉの含有量は、好ましくは１．３〜２．０％とする。

Ｍｎの含有量は０．５〜１．５％とする。Ｍｎは溶湯の脱酸効果があると共に、Ｓと反応し、ＭｎＳを形成してＳの悪影響を抑える働きがある。含有量が０．５％未満の場合はその効果が小さく、一方、含有量が１．５％を超えるとロールの内部まで硬くなり、ロールの靭性が低下する。
Ｍｎの含有量は、好ましくは０．６〜１．０％とする。

Ｎｉの含有量は１．０〜３．０％とする。Ｎｉは黒鉛化促進元素であると共に、基地に固溶して基地を強化し、靭性を向上させる効果がある。含有量が１．０％未満の場合には黒鉛が晶出し難く、基地強度を上げる効果も期待できない。含有量が３．０％を超えると、残留オーステナイトが増加し、圧延ロールとして好ましくない。
Ｎｉの含有量は、好ましくは１．２〜１．６％とする。

Ｃｒの含有量は０．１〜１．０％とする。Ｃｒは炭化物生成元素である。０．１％未満の場合にはセメンタイトが出難く、１．０％を超えるとロール内部まで硬くなりすぎてロールの靭性が低下し、また黒鉛も晶出し難くなる。
本発明においては、Ｃｒの含有量を低めに設定している。高硬度となるほど強靭性は低下するため、材質を脆くするＣｒの値は低いほどよい。特に線材・棒鋼・小型形鋼等の圧延に用いることができる比較的小型の単層ロールとする場合には、Ｃｒ含有量を低くしてロール内部の強靭性を確保することが重要である。
Ｃｒの含有量は、好ましくは０．３〜０．７％とする。

Ｍｏの含有量は１．０〜２．５％とする。Ｍｏは基地を強化し、焼入れ性を向上させる。本発明においてはＣｒの代わりにＭｏの含有量を高く設定している。Ｍｏは基地強化、焼入れ性を向上させる効果が高いため、ロールの強靭性を低下させることなく基地硬度を高め、耐摩耗性を向上させる。含有量が１．０％未満では、焼入れ時のベイナイト変態が少なく、硬度、耐摩耗性が上がらない。一方、含有量が２．５％を超えると、焼入れ時にロール内部までベイナイト変態が進行してしまい、靭性の低下を招く。更に２．５％を超えると、鋳造時に粗大なＭｏ炭化物が晶出するため強靭性が低下し、単層ロールとして好ましくなくなる。
Ｍｏの含有量は、好ましくは１．５〜２．０％とする。

Ｖの含有量は０．５〜３．５％とする。ＶはＣと結合して高硬度のＭＣ炭化物を形成し、ロールの耐摩耗性を向上させる。０．５％未満ではＭＣ炭化物がほとんど晶出せず、耐摩耗性の向上に効果が少ない。また３．５％を超えると、一次の粗大ＭＣ炭化物が晶出して黒鉛の晶出を阻害し、耐焼付き性と強靭性が低下する。Ｖは基地中に微細粒状炭化物として分布させることが有効である。
Ｖの含有量は、好ましくは１．０〜２．０％とする。

上記の各成分の含有量の範囲に加えて、ＭｏとＶの合計量は２．５〜４．５％とする。合計量が２．５％未満の場合は、前述のねらいの基地組織が得られず、また耐摩耗性の向上が期待できない。一方、合計が４．５％を超えると、ロール内部まで硬くなりすぎてロールの強靭性が低下し、単層ロールには好ましくなくなる。

また上記各成分の含有量の範囲に加えて、Ｃ−０．２Ｖの値が１．６〜１．９％になるようにする。Ｃの含有量は一次の粗大なセメンタイト晶出量に大きく影響するために、単層ロールとする場合には特に重要となる。セメンタイトは共晶凝固時に晶出するため、共晶凝固時のＣ濃度をコントロールする必要がある。より具体的に言えば、Ｖは凝固の初期にＭＣ炭化物を形成し、未凝固溶湯のＣ濃度を低下させるため、共晶凝固時のＣ濃度は、Ｖによって先に消費される分を考慮する必要があるのである。前記０．２Ｖは共晶凝固時に至る前にＶによって消費されるＣの量である。
Ｃ−０．２Ｖが１．６％未満ではセメンタイトの晶出量が少なく、耐摩耗性が低下する。またＣ−０．２Ｖが１．９％を超えると、セメンタイトがネット状に晶出してロールの強靭性を著しく劣化させ、また焼入れ・焼戻しの熱処理時に折損の危険が高くなる。

次に本発明の実施形態の圧延用ロール材及び圧延用ロールについての熱処理を説明する。この熱処理は、高温拡散炭化物粒状化焼鈍（軟化焼鈍）と焼入れ・焼戻しの処理とからなる。

前記高温拡散炭化物粒状化焼鈍（軟化焼鈍）は、ロールを鋳造後、機械加工を容易にするため及び組織調整のために行う熱処理である。
図１を参照して、ロールを鋳造後すぐに９５０〜１０５０℃まで加熱して、１５〜２５時間保持する。その後、一旦５５０〜６００℃まで、例えばエアーを吹き込んで冷却して、５〜１５時間保持する。そして再び８００〜９００℃まで加熱して、５〜１５時間程度保持する。その後、５５０〜６００℃まで冷却して、５〜１５時間保持した後に炉冷する。
以上の高温拡散炭化物粒状化焼鈍を行うことにより、組織中の成分偏析が解消され、基地中に粒状炭化物が均一に析出した強靭性に優れた組織となると共に、硬さもショア硬度で４５〜５０となって加工がし易くなる。

前記焼入れ・焼戻しの処理は、高温拡散炭化物粒状化焼鈍（軟化焼鈍）を行い、ロールに必要な加工を施した後に、組織の調整と所定の硬度を得るために行う熱処理である。
図２を参照して、先ずロールを９５０〜１０５０℃に加熱して、５〜１５時間保持する。次に１０〜２０℃／分の冷却速度で、ロール表面温度が４５０〜５５０℃付近になるまで冷却（焼入れ）する。このとき、冷却速度が前記範囲を超えて大きすぎると、ロール表層部が全てベイナイト組織となり、変態応力による割れが発生し易くなる。逆に冷却速度が前記範囲未満になると、ロール内部まで焼きが入ってしまったり、所定の表面硬度が得られなくなったりする。
前記焼入れの後、直ちに５００〜６００℃に５〜１５時間保持し、炉冷する。この処理により、基地がベイナイトと微細パーライトの混合組織となる。その後、残留オーステナイトのベイナイト変態と応力除去を目的に、５００〜６００℃で焼戻し処理を２回程度実施する。

上記高温拡散炭化物粒状化焼鈍処理と焼入れ・焼戻し処理とからなる一連の熱処理を施すことにより、ベイナイトと微細パーライトとが混在した基地中に一次の粗大セメンタイト、微細粒状炭化物、及び粒状黒鉛が均一に分散してなる組織が得られる。そしてまた表面硬度がショア硬度で６５以上となるロールを得ることができる。

表１に示す各成分組成をもつ、胴径４００ｍｍ、胴長６００ｍｍの単層ロールを、金型静置鋳造法にて鋳造した。実施例１〜５は本発明の圧延用ロールとしての成分範囲を満たす単層ロールで、比較例１〜４は成分組成の何れかが本発明の圧延用ロールとしての成分範囲から外れた単層ロールである。これら鋳造がなされた各単層ロールに対して、同じ条件にて図１の高温拡散炭化物粒状化焼鈍処理を行い、機械加工を行った後、図２に示す焼入れ・焼戻し処理を施した。
各単層ロールの胴部余長部よりサンプルを採取し、ロール表面の組織、硬度を調査し、また耐摩耗性を評価するために摩擦摩耗試験を実施して摩耗減量を測定した。
調査、測定結果を表２に示す。
摩擦摩耗試験は次の条件にて実施した。
試験方法 ： ピンオンディスク法
試験温度 ： ３００℃
試験荷重 ： ５ｋｇ／ｃｍ^２
回転速度 ： １００ｍ／ｍｉｍ
試験距離 ： ２００００ｍ

表２から明らかなように、実施例１〜５では、セメンタイト量が６．０〜８．７％、ＭＣ炭化物が１．８〜２．８％、黒鉛晶出量が２．０〜３．６％、基地はベイナイトと微細パーライトの混合割合Ｂ／Ｐが８０／２０〜５０／５０％の混合組織となっており、ショア硬度（Ｈｓ）が６６〜７２、耐摩耗減量が２３．８〜２９．５ｍｇ／ｃｍ^２である。これらの結果として、熱処理時、圧延使用時に折損が発生しない十分な強靭性を有し、且つ耐焼付き性、耐摩耗性に優れた単層ロールを提供することができる。

比較例１は、Ｍｏ＋Ｖの合計が２．５〜４．５重量％の範囲を超えている（５．３０重量％）。このため組織中に黒鉛が晶出しておらず、焼付きの問題がある。またＣ−０．２Ｖが１．６〜１．９重量％の範囲未満となっている（１．１５重量％）。このためセメンタイト量が極めて少ない。結果として摩耗減量が非常に多くなり、耐摩耗性に問題がある。
比較例２は、Ｃ−０．２Ｖが１．６〜１．９重量％の範囲よりも少し低くなっている（１．５８重量％）。このためセメンタイト量が少ない。結果として、硬度が小さく、摩耗減量が多くなり、ロールの耐摩耗性に問題が生じる。その他、Ｍｏ含有量が１．０〜２．５重量％の下限に近いために、パーライト量に比べてベイナイト量が少なく、硬度の改善が不十分のままである。
比較例３は、Ｃｒ含有量が０．１〜０．６重量％を超えている（１．１２重量％）。またＭｏ＋Ｖの合計が２．５〜４．５重量％の範囲未満となっている。またＣ−０．２Ｖが１．６〜１．９重量％の範囲を超えている（１．９４重量％）。これらのために材料が脆くなり、Ｍｏ含有量が１．０〜２．５％の下限に近いために硬度が上がらず、またネット状に晶出する粗大セメンタイトが非常に多くなる。結果として、焼入れ・焼戻し熱処理において、ロールにクラックが発生する問題が生じた。
比較例４は、Ｃｒ含有量が０．１〜１．０重量％を超えている（１．２１重量％）。またＣ−０．２Ｖが１．６〜１．９重量％の範囲を超えている（２．１８重量％）。このため材料が脆くなり、粗大セメンタイトがネット状に多量に晶出する。結果として、ロール内部の靭性が低下し、焼入れ・焼戻し熱処理においてロールにクラックが発生した。この比較例４は、複合ロールの外層となる場合には、硬度が高く、摩耗減量が少なく、耐摩耗性に優れており、また黒鉛の晶出量も多くて耐焼付き性や耐熱亀裂性も良好で好ましい材料と言える。しかし、単層ロールとしてはロール折損の危険性が高く、適当とは言えない。

本発明の実施形態に係る圧延用ロールの製造において、ロール鋳造後に、機械加工を容易にするためと組織調整のために行う高温拡散炭化物粒状化焼鈍の熱処理工程を示す図である。 本発明の実施形態に係る圧延用ロールの製造において、ロール鋳造後に高温拡散炭化物粒状化焼鈍を行い、且つ必要な加工を行った後に行う焼入れ・焼戻しの熱処理工程を示す図である。

Claims (2)

1. 成分組成が重量％で、
   Ｃ ：１．７〜２．５％
   Ｓｉ：１．０〜２．５％
   Ｍｎ：０．５〜１．５％
   Ｎｉ：１．０〜３．０％
   Ｃｒ：０．１〜１．０％
   Ｍｏ：１．０〜２．５％
   Ｖ ：０．５〜３．５％
   を含有すると共に、残部がＦｅから成り、且つ
   Ｍｏ＋Ｖ：２．５〜４．５％及び
   Ｃ−０．２Ｖ：１．６〜１．９％
   を満たすことを特徴とする圧延用ロール材。
2. 請求項１に記載の圧延用ロール材からなる単層ロールを焼入れ・焼戻し熱処理をして、基地をベイナイトと微細パーライトを主とした混合組織とすると共に、ロール表面硬度をショア硬度で６５以上にしたことを特徴とする圧延用ロール。

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