JP4525444B2

JP4525444B2 - 熱間圧延用鋳造ロール材および熱間圧延用ロール

Info

Publication number: JP4525444B2
Application number: JP2005125913A
Authority: JP
Inventors: 健司市野; 浩光柴田; 坂田　　敬; 久平岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006207015A

Description

本発明は、熱間圧延用ロールに係り、とくに継目無鋼管圧延用のピアサーロール、エロンゲータロールや形鋼圧延用のカリバ付きロール等の用途に好適な、熱間圧延用アダマイト系鋳造ロール材に関する。

アダマイト系鋳造ロール材は、1.4〜2.4％程度のＣを少量の合金元素とともに含有する組成を有し、必要に応じ炭素量、合金量、鋳造法、熱処理法を変えることにより、そのミクロ組織を変化できるため、各種の熱間圧延に適する圧延ロールに利用されている。とくに、ロール内外の組織差が少ないことを利用して、継目無鋼管圧延や形鋼圧延等で用いるカリバの深いロールに適用できるという利点がある。

継目無鋼管圧延用や形鋼圧延用のロールではとくに、圧延素材を噛み込み、十分に把持する特性を有することが要求される。圧延ロールがこのような特性を消失し、被圧延材との間でスリップを起こすと、圧延の途中停止等の圧延不良が発生し、ミル停止等の大きなトラブルに繋がるという問題がある。このような問題に対し、例えば、特許文献１には、Ｃ：1.10〜1.85％、Si：0.3〜1.2％、Mn：0.4〜1.5％、Ni：0.5〜2.0％、Cr：0.5〜2.0％を含み、残部が実質的に鉄の高炭素合金鋳鋼を、熱間鍛造後、熱処理を施して、球状炭化物が35〜55面積％占めてなる金属学的組織を有するロールとする継目無鋼管圧延用鍛造ロールの製造方法が提案されている。特許文献１に記載された技術では、アダマイト系ロール材に熱間鍛造と熱処理を施すことにより、耐摩耗性と噛み込み性が向上するとしている。

また、特許文献２には、Ｂ、Al、Mg、CaおよびCuを微量含有したアダマイト系ロール材が提案され、耐摩耗性と耐肌荒れ性が向上するとしている。
特開平10−81937号公報特開2002−161334号公報

最近の鉄鋼圧延では、圧延製品の品質向上と効率的生産のため、圧延速度の増加や連続圧延量の増加などが指向され、さらに被圧延材の高級化が進み被圧延材の組成が高合金化して被圧延材の熱間変形抵抗が増加している。このため、圧延ロールと被圧延材との間のスリップが増加し、圧延ロールに被圧延材が焼付き、ロールの表面が損傷するという事故が増加する傾向を示している。このような過酷化する熱間圧延用ロールの使用環境のもとでは、特許文献１、特許文献２に記載された技術によって製造されたロールといえども、ロールと被圧延材とのスリップが増加し、圧延ロールの表面損傷が増加し圧延ロールの寿命が低下するという問題があった。

本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、たとえスリップした場合でも圧延ロールの表面損傷を軽減できる、耐スリップ性に優れ、かつ耐摩耗性と耐焼付き性に優れた熱間圧延用アダマイト系鋳造ロール材を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を達成するために、まず、アダマイト系ロール材における耐焼付き性に影響する各種要因について鋭意検討した。その結果、ロールへの焼付き発生を防止するためには、ロールと被圧延材との間でスリップが発生した際にロール表面が剥離してロールに被圧延材が付着することを防止できればよいことに思い至った。そしてそのためには、スリップした際の摩擦発熱でロール表面が溶融・剥離しやすいロール組成にすることが最も簡便な方策であるという考えに到達した。

本発明者らは、上記した考えに基づきさらに、アダマイト系ロール材組成をベースに、ロール材の融点低下におよぼす各種要因について検討した。その結果、Ｐ，Ｂを適正量含有するロール材組成とすることにより、ロールがスリップした際にロール表面で低融点化合物相の生成が促進され、スリップしたロール表面が薄く剥離して焼付きを防止でき、耐スリップ性、耐摩耗性を劣化させることなく、熱間圧延用アダマイト系ロール材の耐焼付き性を顕著に向上させることができることを知見した。

本発明は、このような知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：0.8〜2.5％、Si：0.2〜2％、Mn：0.2〜2％、Cr：0.8〜4％、Mo：0.5〜3％を含み、さらに、Ｐ：0.1〜0.6％、Ｂ：0.05〜0.5％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐焼付き性に優れた熱間圧延用鋳造ロール材。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：3％未満および／またはNb：1％未満を含有する組成とすることを特徴とする熱間圧延用鋳造ロール材。
（３）（１）または（２）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：３％以下を含有する組成とすることを特徴とする熱間圧延用鋳造ロール材。
（４）（１）ないし（３）のいずれかに記載の熱間圧延用鋳造ロール材を、ロール使用層としてなることを特徴とする熱間圧延用ロール。

本発明によれば、継目無鋼管圧延用や形鋼圧延用のカリバ付きロール等の用途に好適な、耐スリップ性と耐摩耗性に優れ、かつ、耐焼付き性にも優れた熱間圧延用鋳造ロール材を安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明の熱間圧延用鋳造ロール材の組成限定理由について説明する。なお、組成における質量％は単に％と記す。
Ｐ：0.1〜0.6％
Ｐは、本発明では重要な元素であり、融点の低いＭ−Ｃ−Ｐ系共晶化合物（Ｍは金属）を形成することにより耐焼付き性を向上させる作用を有する。このような効果はＢとの複合添加において、0.1％以上の含有で認められる。一方、0.6％を超える含有は、材料を脆化させる。このため、本発明ではＰは0.1〜0.6％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.2〜0.5％である。

Ｂ：0.05〜0.5％
Bは、Pと共存して、融点の低いＭ−Ｃ−（Ｐ，Ｂ）系共晶化合物（Ｍは金属）を形成して耐焼付き性を著しく向上させる作用を有し、本発明では重要な元素である。Ｂは、Ｐとともに含有することにより、Ｐ単独含有にくらべ、さらに融点の低い共晶化合物相を多量に形成させる重要な作用を有する。このような効果はＢ：0.05％以上の含有で認められる。一方、Ｂ：0.5％を超える含有は、材料を脆化させる。このため、本発明ではＢは0.05〜0.5％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.07〜0.4％である。

Ｃ：0.8〜2.5％
Ｃは、基地硬さを増加させるとともに、Cr、Mo等と結合して硬質炭化物を形成し、ロールの耐摩耗性を向上させるために必要な元素であり、本発明では、0.8％以上の含有を必要とする。一方、2.5％を超えて含有すると共晶炭化物が多量に出現し、材料が脆化する。このため、Ｃは0.８〜2.5％の範囲に限定した。

Si：0.2〜2％
Siは、脱酸剤として作用する元素であり、また、湯流れ性を向上させる作用も有する。このような効果を得るために本発明では0.2％以上の含有を必要とする。一方、2％を超えて含有しても、上記した効果が飽和し、含有量に見合う効果が期待できず、経済的に不利となる。このため、Siは0.2〜2％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.3〜1.6％である。

Mn：0.2〜2％
Mnは、溶鋼中のＳをMnSとして固定し、耐摩耗性を阻害するＳを除去する作用を有するとともに、焼入れ性を向上し材料の硬さを増加させ、耐摩耗性を向上させる効果を有する。このような効果は0.2％以上の含有で認められる。一方、2％を超えて含有すると、偏析が顕著となると共に、材料が脆化する。このため、Mnは0.2〜2％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.3〜1.6％である。

Cr：0.8〜4％
Crは、基地の耐熱性を向上させて、ヒートクラックの発生や高温における塑性流動を抑制するとともに、焼入れ性を向上させる作用を有し、炭化物の安定化にも寄与する有用な元素であり、本発明では0.8％以上の含有を必要とする。一方、4％を超えて含有すると、クロム系共晶炭化物が生成し、ロール表面が平滑化してスリップが発生しやすくなり耐スリップ性が低下する。このため、Crは0.8〜4％の範囲に限定した。

Mo：0.5〜3％
Moは、基地の高温強度を増加させて、高温における塑性流動を抑制して耐摩耗性を向上させる作用を有する元素であり、本発明では、Mo：0.5％以上の含有を必要とする。一方、3％を超えて含有すると、共晶炭化物が生成し、材料が脆化する。このため、Moは0.5〜3％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.8〜2.5％である。

上記した基本成分に加えて本発明では、さらにＶ：3％未満、Nb：1％未満およびNi：３％以下を必要に応じ選択して単独あるいは複合して含有することができる。
Ｖ：3％未満、Nb：1％未満
Ｖ、Nbはともに、スリップ防止に有効な硬質なＭＣ炭化物を形成する元素であり、必要に応じ選択して単独又は複合して含有できる。含有する場合には上記した効果を得るためには0.1％以上含有することが望ましい。一方、Ｖを3％以上、Nbを1％以上含有すると硬質炭化物が粗大化したり、鋳造時に偏析したり、溶湯の流動性を阻害する。このため、Ｖは３％未満、Nbは1％未満とすることが好ましい。

Ni：３％以下
Niは、焼入れ性を向上し、基地硬さを増加させる作用を有する元素であり、通常の焼入れでは所望の硬さが確保できない恐れのある場合に含有することが好ましい。このような効果は、0.05％以上の含有で顕著となるが、3％を超えて含有すると、オーステナイトが安定化し、残留オーステナイト量が増加し、硬さが低下し、耐摩耗性が低下する。このため、本発明ではNiは3％以下に限定することが好ましい。

本発明の鋳造ロール材では、上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、Ｎ：0.08％以下、Ｓ：0.1％以下、Al：0.08％以下がそれぞれ許容できる。なお、Ｎは、通常の溶解であれば、0.05％以下程度は混入するが、この程度の混入は本発明の効果に影響することはない。
つぎに、本発明鋳造ロール材の好ましい製造方法について説明する。

本発明の鋳造ロール材の製造方法は、とくに限定されないが、遠心鋳造法で所定寸法のリングロールを鋳造したのち所定形状に加工することがエネルギーコスト、製造コストの観点から好ましい。なお、静置鋳造法や連続肉盛鋳造法を利用して製造しても何ら問題はないことはいうまでもない。
また、上記した組成の溶湯を遠心鋳造法でリング状に外層（ロール使用層）を鋳造しリングロールとした後、該外層の凝固途中あるいは完全凝固後、鋳型の回転を停止し内層材を静置鋳造して、鋳造ロール（複合ロール）とすることもできる。これにより、外層の内面側が再溶解され外層と内層とが溶着一体化した複合ロールとなる。

静置鋳造される内層は、鋳造性と機械的性質に優れた球状黒鉛鋳鉄，いも虫状黒鉛鋳鉄、黒鉛鋼などを用いることが好ましい。また、過共析鋼を用いてもよい。また、外層と内層の間に、黒鉛鋼や高炭素鋼からなる中間層を設けても良い。遠心鋳造法でロールを製造する場合には、中間層は外層の遠心鋳造に引き続いて遠心鋳造すればよい。
また、上記した組成の溶湯を遠心鋳造法でリング状に外層（ロール使用層）を鋳造し、リングロールとした後、該外層の凝固途中あるいは完全凝固後、上記した内層材あるいは中間層材を遠心鋳造して、外層と中間層材あるいは外層と内層材とが溶着一体化した円筒状スリーブロール（複合スリーブロール）とすることもできる。

また、上記したリングロールあるいはスリーブロールを所定寸法に加工したのち、軸材に焼嵌め、あるいは冷し嵌め等により、嵌合して組み立て式ロールとすることもできる。なお、軸材は、鋳鋼、鋳鉄、鍛鋼がいずれも適用できるが、炭素鋼、Cr-Mo鋼、球状黒鉛鋳鉄等が硬さ、靭性等の機械的性質の観点から好ましい。
なお、本発明の鋳造ロール材をロール使用層（外層）とするロールは、その後800〜1000℃に加熱し冷却する焼入れ処理と、靭性確保を目的とした400〜750℃に加熱し焼戻しする焼戻処理を施してもよい。焼戻し温度が400℃未満では、靭性が不足し、一方、750℃を超えて高くなると、硬さが低下する。

（実施例１）
表１に示す組成を有する溶湯を、高周波溶解炉で溶製し、遠心鋳造法によりリング状試験片（外径：250mmφ、肉厚：70mm）に鋳造した。なお、鋳込み温度は1400〜1600℃、遠心力は重力倍数で150Ｇとした。鋳造後、得られたリング状試験片に、950℃に加熱し冷却する焼入れ処理と530〜580℃で焼戻す焼戻し処理を施した。なお、鍛造アダマイト製ロール材を従来例（リング状試験材No.ＦＡＤ）とした。

ついで、得られたリング状試験材から試験片を採取し、摩耗試験および焼付き試験を実施した。試験方法は次の通りとした。
（１）摩耗試験
リング状試験材から試験片（外径：60mmφ、肉厚：10mm）を採取し、相手材（材質：S45C，大きさ：190mmφ、肉厚：15mm）と試験片との２円盤すべり摩耗方式で摩耗試験を実施した。試験片を回転数700rpmで回転させながら。相手材を900℃に加熱し、試験片を水冷し、試験片と相手材のすべり率を15％として、荷重75kgf（735Ｎ）で圧接しながら30min間転動させる摩耗試験を４回行った。試験後、試験片の摩耗減量（摩耗量）を測定した。耐摩耗性は、鍛造アダマイト製ロール材の摩耗量に対する比（＝（ＦＡＤの摩耗量）／（試験片の摩耗量））で評価した。この数値が大きい場合が耐摩耗性に優れることを意味する。
（３）焼付き試験
リング状試験材から試験片（25mm厚の板状）を採取し、図１に示す方式の試験機で焼付き試験を実施した。試験片に、高周波誘導加熱コイルにより、950℃に加熱されて175rpmで回転する円板状の相手材（材質：SUS410、大きさ：190mmφ、肉厚：15mm）を荷重100kgf(980Ｎ)で20ｓ間圧接した。試験後の試験片表面に相手材がへばり付いたように焼付いている場合を「焼付き有り」（×）、へばり付きがなく表面が摩耗している場合を「焼付きなし」(○)として、耐焼付き性を評価した。

得られた結果を表２に示す。

本発明例はいずれも、従来例（リング状試験材No.ＦＡＤ）と同等以上の優れた耐摩耗性を有し、しかも焼付きの発生がない。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、焼付きが発生している。
（実施例２）
表３に示す組成の溶湯を低周波炉で溶製し、金型に鋳込み遠心鋳造した。なお、鋳込温度は1480℃とした。

冷却後、金型を解体し、リング状の鋳造ロール材を取出し、焼入れ処理および焼戻し処理を施した。焼入れ処理は960℃に加熱し冷却する処理とし、焼戻し処理は660℃に加熱し冷却する処理を２回施す処理とした。焼入れ・焼戻し処理後、機械加工を施し、胴外径1185mmφ×胴内径508mmφ×胴長780mmのスリーブロールとした。
これらスリーブロールをSCM440材製の芯材に焼嵌めしてマンネスマン式ピアサロールとした。これらロールをピアサミルスタンドに組込み、13Crマルテンサイト系ステンレス鋼を素材とする鋼管圧延に供し、同一ロールで累積圧延本数が最大2000本に達するまで圧延した。なお、途中で噛込み不良が発生した場合にはその時点で圧延を中止した。なお、圧延後にロール表面を目視で観察した。圧延結果を表４に示す。

本発明例（ロールNo.１）は、スリップや噛込み不良の発生がなく、累積圧延本数が2000本になるまで圧延ができた。
また、圧延後のロール表面も良好であった。これに対し、従来例（アダマイト系ロール）では、227本の圧延で噛込み不良が発生し、ロール表面に最大10cm²程度の大きさの焼付きが発生していた。

焼付き試験に使用した試験機の概要を模式的に説明する説明図である。

Claims

質量％で、
Ｃ：0.8〜2.5％、 Si：0.2〜2％、
Mn：0.2〜2％、 Cr：0.8〜4％、
Mo：0.5〜3％
を含み、さらに、
Ｐ：0.1〜0.6％、Ｂ：0.05〜0.5％
を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐焼付き性に優れた熱間圧延用鋳造ロール材。
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ｖ：3％未満および／またはNb：1％未満を含有する組成とすることを特徴とする請求項1に記載の熱間圧延用鋳造ロール材。
前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni：３％以下を含有する組成とすることを特徴とする請求項1または２に記載の熱間圧延用鋳造ロール材。
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱間圧延用鋳造ロール材をロール使用層としてなることを特徴とする熱間圧延用ロール。