JP4823441B2 - 熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用および熱間圧延用ロール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温下で使用され、かつ繰返し加熱冷却される連続鋳造用肉盛ロール、特に熱間耐摩耗性にすぐれ、かつ繰返し加熱冷却されてもすぐれた耐熱亀裂性を有する肉盛表面層を形成した連続鋳造用ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所における連続鋳造設備の鋳片ピンチロール、ガイドロール等は、長時間にわたり高温度の鋳片との接触負荷による苛酷な熱サイクルのほか、静的または動的に鋳片圧による大きな曲げ応力や熱間摩耗を受ける。また鋳片による加熱と冷却水による冷却とにより加熱冷却を繰返し受ける苛酷な条件下で使用されるのが一般的であった。
【０００３】
そのために、ロール表面は摩耗の他にいわゆるヒートクラックを発生することが知られている。これは熱間圧延の場合についても同じである。
【０００４】
以上の諸問題に対する対策として、これら諸特性を改善するために、ロール表面に肉盛表面層を形成したロールとして、特開昭５６−１５２９４５号「耐摩耗性熱間ロール」、特開平１０−１５６５００号「耐熱亀裂性連続鋳造用肉盛ロール」等を提案した。
【０００５】
しかし近年の生産能率の向上、鋳片歩留まり向上のための連連鋳比率の増加により連鋳ロールの負荷条件はますます厳しくなって、前記提案の肉盛ロールでは一長一短があり、より一層の改良が要請されてきた。熱間ロールも同様であり、圧延能率向上のため、負荷条件は苛酷となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような情勢を背景に、より熱間耐摩耗性にすぐれ、かつヒートクラックの発生し難い肉盛ロールを開発することを目的としている。すなわち靱性の高いロール基体の表面に、熱間耐摩耗性にすぐれ、かつ耐ヒートクラック性の溶着層を形成し、ロール寿命を改良した肉盛ロールを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、Ｃｒ−Ｆｅ系耐熱合金肉盛材において、Ｃ含有量を低めにするとともに、Ｎｂ／Ｃを一定範囲に維持することがきわめて効果的であることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
上記知見に基づいてなされた本発明は、質量％で、Ｃ：０．５〜０．８％未満、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｃｒ：９．０〜１７．０％、Ｎｂ：２．０〜６．４％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物よりなり、かつＮｂ／Ｃが４．０〜８．０なる関係を満足する肉盛表面層を形成したことを特徴とする熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用ロールを要旨としている。
【０００９】
また本発明は、質量％で、さらにＭｏ：４．０％以下、Ｗ：４．０％以下、Ｖ：２．０％以下の１種以上を含む肉盛表面層を形成した上記記載の熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用ロールもその要旨としている。
【００１０】
【発明の実施の態様】
本発明の構成と、その作用、効果を説明する。
本発明は、靱性の高いロール基体の表面に、熱間耐摩耗性にすぐれ、かつ耐ヒートクラック性の溶着層を形成してロール寿命改善を提案したものである。
肉盛ロールの靱性を高くするために、肉盛表面層を形成する合金成分組成範囲を以下に説明するような技術的根拠に基づいて規定した。
【００１１】
本発明において、Ｃ含有量を質量％で０．５〜０．８％未満としたのは、先行例の特開昭５６−１５２９４５号「耐摩耗性熱間ロール」発明よりも低Ｃ含有量とすることにより、肉盛溶着層の靱性が増して耐熱亀裂性が向上し、現在の苛酷な使用条件下で亀裂に起因するロール折損等の事故を防ぐことが出来るためである。
【００１２】
しかし、熱間での耐摩耗性が若干低下してくるので、溶接によって肉盛層を形成する場合、溶接熱サイクルを制御することにより、炭化物の析出状態を調整してこれを解決している。さらに低Ｃ化することにより耐熱亀裂性が大きく改善されることがわかったが、Ｃ含有量が０．５％未満では、熱間での耐摩耗性が低下し、好ましくないので上記範囲のＣ含有量が選定された。
【００１３】
Ｓｉは脱酸成分として添加されるもので、０．２％未満ではその効果が極めて小さく、３．０％を超えると溶接性が劣化し、特に肉盛溶接では高温割れの発生が顕著となるため前記範囲が採用された。
【００１４】
ＭｎもＳｉ同様に脱酸成分として添加されるが、０．３％未満では効果が不十分であり、溶着金属の靱性も低い。また肉盛溶着層の金属組織を、主にマルテンサイトまたはマルテンサイトとオーステナイトとの混合組織にするために添加されるもので、３．０％超ではオーステナイト組織の生成が多くなりすぎるため、添加上限を３．０％までとした。
【００１５】
Ｃｒは組織制御成分として添加される。Ｃと結合してクロム炭化物を生成し、熱間耐摩耗性を向上する。しかし、小量ではマルテンサイト、クロム炭化物の生成が少なく、過量の場合には組織がδフェライト化して十分な耐摩耗性が得られない。そのためＭｎとＣｒの添加量によって金属組織を主にマルテンサイトおよびクロム炭化物を含む組織に制御・調整するものであり、適量域として９．０〜１７．０％を選定した。
【００１６】
Ｎｂは本発明における構成成分としてもっとも重要なものであり、耐熱亀裂性向上に顕著な効果を示す。２．０％未満の添加ではその効果が小さい。また６．４％超ではニオブ炭化物を多量に形成して粒界析出分が多くなるので好ましくなく、熱間亀裂を生じやすくなるので、上限を６．４％とした。
【００１７】
Ｎｂはクロム炭化物の粒界析出を抑制し、金属組織中にニオブ炭化物として微細に分散するので、結晶粒の粗大化防止、靱性、耐摩耗性ならびに耐熱間亀裂性の向上に有効に作用する。したがってＣ含有量によってＮｂ添加量を制御することが必要であり、Ｎｂ／Ｃ比で４．０〜８．０の範囲が適切であることを確認した。特にこの値が８．０を超えるときは必要以上にＣを炭化物として固定してしまうため、金属組織のマルテンサイト量を減少してしまう傾向がある。そのため上記範囲に選定された。
【００１８】
１種以上が添加されるＭｏ、ＷおよびＶは、肉盛層の熱間耐摩耗性向上に効果があり、硬化性を増すとともに一部は炭化物を形成して組織中に分散する。しかしながら多量の添加はマトリックスの脆化をきたすためＭｏ、Ｗはそれぞれ４．０％以下、Ｖは２．０％以下に規定される。
【００１９】
以上の配合成分による肉盛層は、溶接による場合、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接などでロール基体表面に肉盛溶接が出来る。
しかし、生成する金属組織は溶接熱サイクルおよびその後の熱処理によって変化するので、所定の組織割合となるようにこれらの成分配合を選定することは当然である。
【００２０】
また炭化物の形成・分散状態は、溶接後の後熱処理によっても変化するので、肉盛ロールの残留応力除去焼鈍温度および保持時間を制御して、所定の硬度レベルと金属組織を得るようにすることは言うまでもない。この溶接後の後熱処理温度は５００〜６５０℃で１〜５時間程度保持し徐冷するのが適当である。
【００２１】
【実施例】
本発明の実施例について説明するが、これにり本発明が限定されるものではない。
ロールの耐久性を左右する熱間耐摩耗性試験と耐熱亀裂性を評価するための熱衝撃試験を行なった。
耐摩耗性試供試材は表１および表２の各種溶接材料を使用したフラックスコアードワイヤーを製造し、サブマージアーク溶接方法で基材の２５ｍｍ厚Ｓ２５Ｃ（Ｃ：０．２５％、Ｓｉ：０．２３％、Ｍｎ：０．７５％、Ｆｅ：ｂａｌ．）上に５ｍｍ厚の肉盛溶接を６層行い、溶接後５５０℃、３時間焼鈍した。そして、これらから各々の供試サンプルを切り出した。なお溶接条件は表１に示すとおりであり、溶着後の化学成分（分析サンプルは６層目より採取）は表３のとおりである。
【００２２】
【００２３】
【表２】
【００２４】
【表３】
【００２５】
熱間耐摩耗試験は図１のピンオンディスク式の摩耗試験とし、試験中試供サンプルを３５０℃に下部ヒーター１４により加熱する方式の試験機である。図１において、１１は肉盛層、１２はピン（材質ＳＫＤ−１１）、１３は摩耗面、１４はサンプル加熱用ヒーターである。
ピンの径は２０ｍｍで、荷重５Ｋｇで押しつけ、５０ｍｍ径の円軌道を描いて摺動摩擦させるものである。評価は肉盛層の摩耗深さで行なっている。
熱亀裂性を評価するためには熱衝撃試験を行なった。耐摩耗性試験と同じ溶接条件で、サンプルロール（１１５φ×１３２２Ｌ、ＳＮＣＭ２２０材）上に厚さ５ｍｍの肉盛溶接をし、５５０℃、３時間の焼鈍を行なった。そして、所定寸法１２０ｍｍφに機械仕上した。各サンプルロール材の溶着層成分は表２の板材の場合とほぼ同じであった。
【００２６】
この試験はサンプルロールへの荷重と、加熱冷却の熱応力により、ヒートクラックの発生、成長度を比較することが出来る。すなわち、図２に試験方法の概略を示すが、２１がサンプルロールで、これを回転させながら、フレーム２２で表面を４００℃に加熱し、反対側では水冷ヘッダー２３で２００℃まで急冷する。荷重は２４の油圧機構で負荷する。所定試験時間経過後、表面のヒートクラックの形状検査と断面を切断してヒートクラックの深さを測定する。この試験の条件は表４の通りであり、両者の試験結果は表５の通りである。
【００２７】
【００２８】
【表５】
【００２９】
Ｎ０．１〜４は本発明請求項１の例であり、Ｎｏ．５〜９は、請求項２の例である。その他は比較例であって、ＳＮＣＭ鍛鋼材（肉盛溶接しない無垢材に相当）に比べても、耐摩耗性ははるかに高いことを確認した。
試験結果から、本発明サンプル材は摩耗量が少なく、かつ熱衝撃試験による表面割れも少ない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているから、ロールに形成した表面肉盛層は鋳片による熱間摩耗や熱衝撃に強く、耐久性の高い連鋳用および熱間圧延用各種ロールとしての用途に最適であり、生産性が向上されるとともに産業上きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明肉盛ロール材料サンプルの熱間ピンオンディスク摩耗試験の概要説明図である。
【図２】本発明肉盛ロール材料サンプルの曲げ応力下の火炎加熱式熱衝撃試験の概要説明図である。
【符号の説明】
１１ 肉盛溶接層 ２１ サンプルロール
１２ ピン（加熱なし） ２２ フレームトーチ
１３ 摺動摩耗部 ２３ 水冷ノズル
１４ ヒーター ２４ 負荷油圧機構
２５ ロール抑えスタンド
２６ モーター駆動部
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温下で使用され、かつ繰返し加熱冷却される連続鋳造用肉盛ロール、特に熱間耐摩耗性にすぐれ、かつ繰返し加熱冷却されてもすぐれた耐熱亀裂性を有する肉盛表面層を形成した連続鋳造用ロールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
製鉄所における連続鋳造設備の鋳片ピンチロール、ガイドロール等は、長時間にわたり高温度の鋳片との接触負荷による苛酷な熱サイクルのほか、静的または動的に鋳片圧による大きな曲げ応力や熱間摩耗を受ける。また鋳片による加熱と冷却水による冷却とにより加熱冷却を繰返し受ける苛酷な条件下で使用されるのが一般的であった。
【０００３】
そのために、ロール表面は摩耗の他にいわゆるヒートクラックを発生することが知られている。これは熱間圧延の場合についても同じである。
【０００４】
以上の諸問題に対する対策として、これら諸特性を改善するために、ロール表面に肉盛表面層を形成したロールとして、特開昭５６−１５２９４５号「耐摩耗性熱間ロール」、特開平１０−１５６５００号「耐熱亀裂性連続鋳造用肉盛ロール」等を提案した。
【０００５】
しかし近年の生産能率の向上、鋳片歩留まり向上のための連連鋳比率の増加により連鋳ロールの負荷条件はますます厳しくなって、前記提案の肉盛ロールでは一長一短があり、より一層の改良が要請されてきた。熱間ロールも同様であり、圧延能率向上のため、負荷条件は苛酷となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような情勢を背景に、より熱間耐摩耗性にすぐれ、かつヒートクラックの発生し難い肉盛ロールを開発することを目的としている。すなわち靱性の高いロール基体の表面に、熱間耐摩耗性にすぐれ、かつ耐ヒートクラック性の溶着層を形成し、ロール寿命を改良した肉盛ロールを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、Ｃｒ−Ｆｅ系耐熱合金肉盛材において、Ｃ含有量を低めにするとともに、Ｎｂ／Ｃを一定範囲に維持することがきわめて効果的であることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
上記知見に基づいてなされた本発明は、質量％で、Ｃ：０．５〜０．８％未満、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｃｒ：９．０〜１７．０％、Ｎｂ：２．０〜６．４％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物よりなり、かつＮｂ／Ｃが４．０〜８．０なる関係を満足する肉盛表面層を形成したことを特徴とする熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用ロールを要旨としている。
【０００９】
また本発明は、質量％で、さらにＭｏ：４．０％以下、Ｗ：４．０％以下、Ｖ：２．０％以下の１種以上を含む肉盛表面層を形成した上記記載の熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用ロールもその要旨としている。
【００１０】
【発明の実施の態様】
本発明の構成と、その作用、効果を説明する。
本発明は、靱性の高いロール基体の表面に、熱間耐摩耗性にすぐれ、かつ耐ヒートクラック性の溶着層を形成してロール寿命改善を提案したものである。
肉盛ロールの靱性を高くするために、肉盛表面層を形成する合金成分組成範囲を以下に説明するような技術的根拠に基づいて規定した。
【００１１】
本発明において、Ｃ含有量を質量％で０．５〜０．８％未満としたのは、先行例の特開昭５６−１５２９４５号「耐摩耗性熱間ロール」発明よりも低Ｃ含有量とすることにより、肉盛溶着層の靱性が増して耐熱亀裂性が向上し、現在の苛酷な使用条件下で亀裂に起因するロール折損等の事故を防ぐことが出来るためである。
【００１２】
しかし、熱間での耐摩耗性が若干低下してくるので、溶接によって肉盛層を形成する場合、溶接熱サイクルを制御することにより、炭化物の析出状態を調整してこれを解決している。さらに低Ｃ化することにより耐熱亀裂性が大きく改善されることがわかったが、Ｃ含有量が０．５％未満では、熱間での耐摩耗性が低下し、好ましくないので上記範囲のＣ含有量が選定された。
【００１３】
Ｓｉは脱酸成分として添加されるもので、０．２％未満ではその効果が極めて小さく、３．０％を超えると溶接性が劣化し、特に肉盛溶接では高温割れの発生が顕著となるため前記範囲が採用された。
【００１４】
ＭｎもＳｉ同様に脱酸成分として添加されるが、０．３％未満では効果が不十分であり、溶着金属の靱性も低い。また肉盛溶着層の金属組織を、主にマルテンサイトまたはマルテンサイトとオーステナイトとの混合組織にするために添加されるもので、３．０％超ではオーステナイト組織の生成が多くなりすぎるため、添加上限を３．０％までとした。
【００１５】
Ｃｒは組織制御成分として添加される。Ｃと結合してクロム炭化物を生成し、熱間耐摩耗性を向上する。しかし、小量ではマルテンサイト、クロム炭化物の生成が少なく、過量の場合には組織がδフェライト化して十分な耐摩耗性が得られない。そのためＭｎとＣｒの添加量によって金属組織を主にマルテンサイトおよびクロム炭化物を含む組織に制御・調整するものであり、適量域として９．０〜１７．０％を選定した。
【００１６】
Ｎｂは本発明における構成成分としてもっとも重要なものであり、耐熱亀裂性向上に顕著な効果を示す。２．０％未満の添加ではその効果が小さい。また６．４％超ではニオブ炭化物を多量に形成して粒界析出分が多くなるので好ましくなく、熱間亀裂を生じやすくなるので、上限を６．４％とした。
【００１７】
Ｎｂはクロム炭化物の粒界析出を抑制し、金属組織中にニオブ炭化物として微細に分散するので、結晶粒の粗大化防止、靱性、耐摩耗性ならびに耐熱間亀裂性の向上に有効に作用する。したがってＣ含有量によってＮｂ添加量を制御することが必要であり、Ｎｂ／Ｃ比で４．０〜８．０の範囲が適切であることを確認した。特にこの値が８．０を超えるときは必要以上にＣを炭化物として固定してしまうため、金属組織のマルテンサイト量を減少してしまう傾向がある。そのため上記範囲に選定された。
【００１８】
１種以上が添加されるＭｏ、ＷおよびＶは、肉盛層の熱間耐摩耗性向上に効果があり、硬化性を増すとともに一部は炭化物を形成して組織中に分散する。しかしながら多量の添加はマトリックスの脆化をきたすためＭｏ、Ｗはそれぞれ４．０％以下、Ｖは２．０％以下に規定される。
【００１９】
以上の配合成分による肉盛層は、溶接による場合、被覆アーク溶接、サブマージアーク溶接などでロール基体表面に肉盛溶接が出来る。
しかし、生成する金属組織は溶接熱サイクルおよびその後の熱処理によって変化するので、所定の組織割合となるようにこれらの成分配合を選定することは当然である。
【００２０】
また炭化物の形成・分散状態は、溶接後の後熱処理によっても変化するので、肉盛ロールの残留応力除去焼鈍温度および保持時間を制御して、所定の硬度レベルと金属組織を得るようにすることは言うまでもない。この溶接後の後熱処理温度は５００〜６５０℃で１〜５時間程度保持し徐冷するのが適当である。
【００２１】
【実施例】
本発明の実施例について説明するが、これにり本発明が限定されるものではない。
ロールの耐久性を左右する熱間耐摩耗性試験と耐熱亀裂性を評価するための熱衝撃試験を行なった。
耐摩耗性試供試材は表１および表２の各種溶接材料を使用したフラックスコアードワイヤーを製造し、サブマージアーク溶接方法で基材の２５ｍｍ厚Ｓ２５Ｃ（Ｃ：０．２５％、Ｓｉ：０．２３％、Ｍｎ：０．７５％、Ｆｅ：ｂａｌ．）上に５ｍｍ厚の肉盛溶接を６層行い、溶接後５５０℃、３時間焼鈍した。そして、これらから各々の供試サンプルを切り出した。なお溶接条件は表１に示すとおりであり、溶着後の化学成分（分析サンプルは６層目より採取）は表３のとおりである。
【００２２】
【表２】
【表３】
熱間耐摩耗試験は図１のピンオンディスク式の摩耗試験とし、試験中試供サンプルを３５０℃に下部ヒーター１４により加熱する方式の試験機である。図１において、１１は肉盛層、１２はピン（材質ＳＫＤ−１１）、１３は摩耗面、１４はサンプル加熱用ヒーターである。
ピンの径は２０ｍｍで、荷重５Ｋｇで押しつけ、５０ｍｍ径の円軌道を描いて摺動摩擦させるものである。評価は肉盛層の摩耗深さで行なっている。
熱亀裂性を評価するためには熱衝撃試験を行なった。耐摩耗性試験と同じ溶接条件で、サンプルロール（１１５φ×１３２２Ｌ、ＳＮＣＭ２２０材）上に厚さ５ｍｍの肉盛溶接をし、５５０℃、３時間の焼鈍を行なった。そして、所定寸法１２０ｍｍφに機械仕上した。各サンプルロール材の溶着層成分は表２の板材の場合とほぼ同じであった。
【００２６】
この試験はサンプルロールへの荷重と、加熱冷却の熱応力により、ヒートクラックの発生、成長度を比較することが出来る。すなわち、図２に試験方法の概略を示すが、２１がサンプルロールで、これを回転させながら、フレーム２２で表面を４００℃に加熱し、反対側では水冷ヘッダー２３で２００℃まで急冷する。荷重は２４の油圧機構で負荷する。所定試験時間経過後、表面のヒートクラックの形状検査と断面を切断してヒートクラックの深さを測定する。この試験の条件は表４の通りであり、両者の試験結果は表５の通りである。
【００２７】
【表５】
Ｎ０．１〜４は本発明請求項１の例であり、Ｎｏ．５〜９は、請求項２の例である。その他は比較例であって、ＳＮＣＭ鍛鋼材（肉盛溶接しない無垢材に相当）に比べても、耐摩耗性ははるかに高いことを確認した。
試験結果から、本発明サンプル材は摩耗量が少なく、かつ熱衝撃試験による表面割れも少ない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているから、ロールに形成した表面肉盛層は鋳片による熱間摩耗や熱衝撃に強く、耐久性の高い連鋳用および熱間圧延用各種ロールとしての用途に最適であり、生産性が向上されるとともに産業上きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明肉盛ロール材料サンプルの熱間ピンオンディスク摩耗試験の概要説明図である。
【図２】本発明肉盛ロール材料サンプルの曲げ応力下の火炎加熱式熱衝撃試験の概要説明図である。
【符号の説明】
１１ 肉盛溶接層 ２１ サンプルロール
１２ ピン（加熱なし） ２２ フレームトーチ
１３ 摺動摩耗部 ２３ 水冷ノズル
１４ ヒーター ２４ 負荷油圧機構
２５ ロール抑えスタンド
２６ モーター駆動部
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：０．５〜０．８％未満、Ｓｉ：０．２〜３．０％、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｃｒ：９．０〜１７．０％、Ｎｂ：２．０〜６．４％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物よりなり、かつＮｂ／Ｃが４．０〜８．０なる関係を満足する肉盛表面層を形成したことを特徴とする熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用ロール。
- 質量％で、Ｍｏ：４．０％以下、Ｗ：４．０％以下、Ｖ：２．０％以下の１種以上を含む肉盛表面層を形成した請求項１記載の熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用ロール。
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| JP2001191986A JP4823441B2 (ja) | 2001-05-23 | 2001-05-23 | 熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用および熱間圧延用ロール |
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|---|---|---|---|
| JP2001191986A JP4823441B2 (ja) | 2001-05-23 | 2001-05-23 | 熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用および熱間圧延用ロール |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002348638A JP2002348638A (ja) | 2002-12-04 |
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| JP2001191986A Expired - Lifetime JP4823441B2 (ja) | 2001-05-23 | 2001-05-23 | 熱間耐摩耗性および耐熱亀裂性にすぐれた連続鋳造用および熱間圧延用ロール |
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- 2001-05-23 JP JP2001191986A patent/JP4823441B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JP2002348638A (ja) | 2002-12-04 |
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