JP4569122B2

JP4569122B2 - 熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロール

Info

Publication number: JP4569122B2
Application number: JP2004041885A
Authority: JP
Inventors: 健司市野; 坂田　　敬; 浩光柴田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2024-02-18
Also published as: JP2005232519A

Description

本発明は、熱間圧延用複合ロールに係り、とくに鋼板の熱間圧延仕上後段スタンドに好適な熱間圧延用複合ロールに関する。

近年、鋼板の熱間圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、使用される熱間圧延用ロール特性の向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。このような耐摩耗性向上の要求に対し、外層組成を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質炭化物を析出させて耐摩耗性を格段に向上させた高性能ロール（以下、ハイス系ロールともいう）が開発され実用化されている。

一方、被圧延材の絞り事故や、被圧延材の焼付きが生じやすい圧延スタンド、例えば熱間圧延仕上後段スタンドには、黒鉛を含むことで、耐焼付き性に優れたNiグレン鋳鉄ロールが組み込まれている。しかし、従来のNiグレン鋳鉄ロールでは耐摩耗性が劣り、ロール寿命が短いという問題があった。一方、耐摩耗性に優れたハイス系ロールは、絞り事故に遭遇すると、鋼板がロールに焼付いたり、ロールに粗大な熱衝撃亀裂が生成するため、絞り事故の発生頻度が多い熱間圧延仕上後段スタンドでの使用には問題があった。このため、熱間圧延仕上後段スタンドには、耐摩耗性に劣るが、耐焼付き性に優れたNiグレン鋳鉄ロールを使用せざるを得ない状況にある。

このような状況から、Niグレン鋳鉄ロールの耐摩耗性を向上する試みがなされ、例えば、特許文献１には、Niグレン鋳鉄に1.0〜5.0％のＶを添加して、耐摩耗性を向上させるとした熱間圧延用ロールが提案されている。また、特許文献２には、Niグレン鋳鉄に2.0〜8.0％のＶを添加し、0.5〜５％の黒鉛に加えて0.2〜10％のＭＣ型炭化物を出現させて耐摩耗性を向上させるとした熱間圧延用ロールが提案されている。

また、特許文献３には、2〜10％のCrと0.1〜10％のＷと、Ｖ、Nbのうちの1種または2種を合計で、1.5〜10％含み、黒鉛を有するハイス系鋳鉄材が提案されている。

また、特許文献４には、Cr、V、Nbの合計含有量を３％以下に制限し、２％以上の黒鉛を晶出させて、肌荒れの発生を抑制した耐摩耗性熱間圧延用ロールが提案されている。これらの耐摩耗性熱間圧延用ロールは、いずれも黒鉛を有するロールである。
特開平１−２８７２４８号公報特開平６−３３５７１２号公報特開平６−２５６８８９号公報特開２００１−１８１７８０号公報

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ており、熱間圧延用ロールの使用環境はますます過酷化している。さらに、被圧延材の高合金化や、圧延製品の表面品質要求の厳格化により、耐肌荒れ性に優れると共に、耐焼付き性にも優れた熱間圧延作業ロールが要望されている。

特許文献１〜特許文献４に記載された技術で製造された熱間圧延用ロールは、黒鉛を含有することから、一般的なハイス系ロールにくらべ、耐焼付き性には優れているが、耐摩耗性や耐肌荒れ性が劣るという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題を有利に解決し、耐摩耗性および耐肌荒れ性がともに優れ、さらにNiグレン鋳鉄ロールに匹敵する優れた耐焼付き性を有する熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロールを提案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、絞り事故に遭遇したハイス系ロールの焼付き部について詳細に組織調査を行った。その結果、焼付いた鋼板とロールの界面には、被圧延材である鋼板とロール材、さらには鋼板表面に生成しているスケール（黒皮）とが融合した相が形成されており、絞り事故による加工摩擦発熱で、ロール表面が極めて高温になることがわかった。このことから、本発明者らは、絞り事故による発熱で鋼板とロール材が融合した相を形成したとしても、例えば、ロール表面が剥離してロールに鋼板が付着することを防止できれば、焼付きの発生を防止することができることに思い至った。そして、ロール表面が剥離して焼付きの発生を防止するためには、絞り事故の際の加工摩擦熱でロール表面が溶融・剥離できるロール組成にすることがよい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、耐摩耗性と耐肌荒れ性を有するハイス系ロール組成をベースに、ロール材の融点の低下におよぼす各種要因について検討した。その結果、Ｐを適正量含有するロール組成とすることにより、低融点共晶化合物相が形成され、熱間圧延用ロールの耐焼付き性が顕著に向上し、しかも耐摩耗性や耐肌荒れ性は劣化しないことを知見した。

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：1.8〜3.5％、Si：0.2〜２％、Mn：0.2〜２％、Cr：5.1〜15％、Mo：３〜７％、Ｖ：３〜10％、Ｐ：0.3〜0.7％を含み、さらに、Nb：３％以下を含有し、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ロール外層材。
（２）外層と内層が溶着一体化してなる熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が、質量％で、Ｃ：1.8〜３.5％、Si：0.2〜２％、Mn：0.2〜２％、Cr：5.1〜15％、Mo：３〜７％、Ｖ：３〜10％、Ｐ：0.3〜0.7％を含み、さらに、Nb：３％以下を含有し、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複合ロール。

本発明によれば、鋼板の熱間仕上圧延後段スタンド用ロールとして、優れた耐摩耗性と耐肌荒れ性と、さらに優れた耐焼付き性を兼備する熱間圧延用複合ロールが安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明の熱間圧延用複合ロールの外層（外層材）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。

Ｃ：1.8〜３.5％
Ｃは、基地硬さを増加させるとともに、Ｖ、Nb、Cr、Mo等と結合して硬質炭化物を形成し、さらに、Ｐとともに低融点共晶化合物を形成し、ロールの耐摩耗性、耐肌荒れ性および耐焼付き性を向上させるために有効な元素であり、本発明では、1.8％以上の含有を必要とする。一方、3.5％を超えて含有すると共晶炭化物が多量に出現し、ＭＣ型炭化物が粗大化して、耐肌荒れ性が低下する。このため、Ｃは1.8〜３.5％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、湯流れ性を向上する作用も有するため本発明では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。

Mn：0.2〜２％
Mnは、ＳをMnSとして固定し、耐摩耗性を阻害するＳを無害化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て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。

Cr：5.1〜15％
Crは、Moと共に硬質な共晶炭化物を生成し、耐摩耗性と耐肌荒れ性を向上させる元素であり、しかもＰの低融点共晶化合物相の融点を必要以上低下させない作用があり、本発明では４％以上の含有を必要とする。一方、15％を超えて含有すると、耐焼付き性が低下する。このため、Crは5.1〜15％の範囲に限定した。

Mo：３〜７％
Moは、Cr、Ｖ、あるいはさらにNbとともに含有することにより、より強靭な硬質炭化物を生成して、耐摩耗性を著しく向上させる効果を有する。このような効果を得るために、本発明では、２％以上の含有を必要とするが、10％を超えて含有すると、炭化物量が過多となり、材料が脆化する。なお、好ましくは３〜７％である。このため、Moは３〜７％の範囲に限定した。

Ｖ：３〜10％
Ｖは、硬質なＭＣ型炭化物を形成し、耐摩耗性を顕著に向上させる効果を有する。高耐摩耗性ロールとして一定レベル以上の耐摩耗性を確保するために、本発明では３％以上の含有を必要とする。しかし、10％を超える含有は、溶湯の粘性を増大させ鋳造欠陥が生成しやすくなり、健全なロール作製上問題となる。このため、本発明ではＶは３〜10％の範囲に限定した。なお、好ましくは、３〜７％である。

Ｐ：0.3〜0.7％
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）を形成して耐焼付き性を向上させる。このような効果は、0.3％以上の含有で認められる。一方、0.7％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0.3〜0.7％の範囲に限定した。

Nb：３％以下
Nbは、ＭＣ型炭化物を微細粒状化させるとともにＭＣ型炭化物に固溶してＭＣ型炭化物を強化する作用を介し、耐摩耗性と、さらには耐肌荒れ性を向上させる。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、ＭＣ型炭化物が粗大化し、炭化物の偏析を助長し、耐肌荒れ性を劣化させる。このため、Nbは３％以下に限定した。
上記した基本成分に加えて、さらに、Ｗ、あるいはNi、あるいはCo、あるいはAl、Tiのうちから選ばれた1種または2種を、必要に応じ選択して単独あるいは複合して含有できる。

Ｗ：5％以下
Ｗは、耐摩耗性を向上させる元素であり、必要に応じ選択して含有できる。

Ｗは、硬質炭化物の形成を介して、耐摩耗性を向上させる。このような効果は0.05％以上の含有で認められるが、５％を超えて含有すると、炭化物の偏析を助長し、耐肌荒れ性を劣化させる。このため、Ｗは５％以下に限定することが好ましい。なお、遠心鋳造法を用いる場合には、Ｗは偏析を助長する傾向があるため、２％未満に限定することがより好ましい。

Ni：５％以下
Niは、焼入れ性を向上し、材料の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、５％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5％以下に限定することが好ましい。なお、より好ましくは0.2〜４％である。

Co：2％以下
Coは、基地に固溶し、基地の耐熱性を向上する作用がある元素であり、必要に応じて含有できる。このような効果は、0.05％以上の含有で顕著となるが、２％を超える含有は、焼入れ性が低下して硬さが低下することがある。このため、Coは２％以下に限定することが好ましい。なお、Coを0.5％以上含有させる場合には、Niを0.1％以上含有させることが望ましい。

Al：0.1％以下、Ti：0.1％以下のうちから選ばれた1種または2種
Al、Tiは、いずれも、ＭＣ型炭化物の晶出核を形成し、ＭＣ型炭化物を粒状分散させる作用を介し、耐肌荒れ性を向上させる元素であり、必要に応じ選択して含有できる。このような効果は0.01％以上のAl、Tiそれぞれの含有で顕著となるが、0.1％を超えるAl、Tiそれぞれの含有は、溶湯の流動性を低下させ、鋳造欠陥発生の危険性が増大する。このため、Al：0.1％以下、Ti：0.1％以下にそれぞれ限定することが好ましい。

本発明の外層材では、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：0.1％以下、Ｓ：0.03％以下が許容できる。Ｎは、通常の溶解であれば、0.1％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、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい製造方法について説明する。

本発明では、ロール外層材の製造方法としては、遠心鋳造法や連続肉盛鋳造法などが好ましく、製造コストの観点からは遠心鋳造法がより好ましい。なお、本発明では、これらの方法に限定されないことはいうまでもない。

遠心鋳造法でロール外層材を鋳造する場合、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型の回転を停止し内層材を静置鋳造して、複合ロールとすることが好ましい。これにより、ロール外層材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、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。

本発明の熱間圧延用複合ロールには、鋳造後、熱処理を施すことが好ましい。熱処理は、800℃〜1080℃に加熱し焼入れする焼入れ処理と、さらに300〜600℃で焼戻し処理を１回以上施す処理とすることが好ましい。焼入れの加熱温度が800℃未満では、加熱温度が低すぎて硬さの確保が困難となる。一方、加熱温度が1080℃を超えて高くなると、Ｐの低融点共晶化合物が溶融してミクロポロシティ欠陥が増加する。このため、焼入れ加熱温度は800〜1080℃の範囲の温度とすることが好ましい。なお、好ましい硬さは70〜90Ｈｓである。

表１に示す組成を有する溶湯を、高周波溶解炉で溶解し、ロール外層材に相当するリング状試験片（外径：250mmφ、肉厚：70mm）を遠心鋳造法により鋳造した。なお、鋳込み温度は1450〜1500℃、遠心力は重力倍数で160Ｇとした。鋳造後、表１に示す条件で焼入れ処理、焼戻し処理を施した。焼戻し後の硬さはＨｓ78〜84であった。なお、Niグレン鋳鉄（試験材No.NIG）、ハイス系ロール材（試験材No.HSS）を従来例とした。

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820℃に加熱し、試験片を水冷し、試験片と相手材のすべり率を10％として、荷重100kgf（980Ｎ）で圧接しながら30min間転動させる摩耗試験を3回行った。試験後、試験片の摩耗減量（摩耗量）を測定した。耐摩耗性は摩耗比、すなわちNiグレン鋳鉄の摩耗量に対する比（＝（NIGの摩耗量）／（試験片の摩耗量））で評価した。この数値が大きい時が耐摩耗性に優れることを意味し、例えば、試験片No.HSSはNIGの4.9倍の耐摩耗性を示す。
（２）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、900℃に加熱されて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。なお、相手材の回転数は190rpmとした。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」（×）、焼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１に示す。

本発明例はいずれも、従来例（試験材No.NIG）に比べ数倍の優れた耐摩耗性を有し、従来例（試験材No.HSS）のような焼付きも発生していない。すなわち、本発明例は耐摩耗性と耐焼付き性がともに優れたロール外層材となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は耐摩耗性、耐焼付き性のいずれか、あるいはすべてが低下している。

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：1.8〜３.5％、 Si：0.2〜２％、
Mn：0.2〜２％、 Cr：5.1〜15％、
Mo：３〜７％、Ｖ：３〜10％、
Ｐ：0.3〜0.7％
を含有し、さらに、Nb：３％以下を含有し、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ロール外層材。
外層と内層が溶着一体化してなる熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が、質量％で、
Ｃ：1.8〜３.5％、 Si：0.2〜２％、
Mn：0.2〜２％、 Cr：5.1〜15％、
Mo：３〜７％、Ｖ：３〜10％、
Ｐ：0.3〜0.7％
を含有し、さらに、Nb：３％以下を含有し、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複合ロール。