JP5443843B2 - 冷間圧延用鍛鋼ロールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁鋼板の圧延を行う冷間圧延用ワークロールなどに用いられる冷間圧延用鍛鋼ロールの製造方法に関するものである。

冷間圧延用鍛鋼ロールは、表面層の摩耗と変形に強い特性が要求されるため、通常、炭素鋼、あるいは炭素系のＣｒ−Ｍｏ系低合金鋼が用いられ、焼入れ処理（焼入れ硬化処理）が施されたのち、比較的低温（１００〜１５０℃）の焼戻し状態で用いられることが多い。

図２は冷間圧延用鍛鋼ロールの製造工程の一般的な例を示すブロック図である。

図２に示すように、冷間圧延用鍛鋼ロールは、（１）インゴットを製造する造塊工程、（２）鍛造工程でインゴットをロール形状に成形する鍛造工程、（３）鍛造成形されたロール中の炭化物を球状化させ、ロールの靭性を向上させるために行う球状化焼鈍処理工程、（４）ロール軸部の硬度を調整するため、ロール全体の焼入れ、焼戻しを行う調質処理工程、（５）焼入れ時のロール形状に機械加工を行う機械加工工程、（６）焼入れ処理を施すに先立ち、前記機械加工されたロールの全体を加熱炉にて予熱する予熱処理工程、（７）ロールの胴部に焼入れを行う胴部焼入れ処理工程、（８）胴部焼入れ処理されたロールを０℃程度の水槽中に浸漬させて冷却する水冷処理工程、（９）焼入れ処理による硬化部の残留オーステナイトのマルテンサイト化を図るためのサブゼロ処理工程、（１０）ロール胴部の硬度を調整するための焼戻し処理工程、（１１）研磨により最終ロール形状に加工する仕上げ加工工程、という各工程を経て製造されている。冷間圧延用鍛鋼ロールでは、胴部と軸部とで必要とされる硬度が異なるため、前記（４）の工程で軸部の硬度調節を行い、前記（７），（１０）の工程で胴部の硬度調節がなされている。製造される冷間圧延用鍛鋼ロールの軸部の表面硬度はショア硬さで４０〜５０ＨＳ、胴部の表面硬度は９０〜１００ＨＳである。

さて、冷間圧延用鍛鋼ロールの製造に際しては、冷間圧延用鍛鋼ロールが鍛鋼焼入れロールとも称されるように、鍛造工程とともにロール表面硬さを付与するための胴部焼入れ処理工程が重要な工程となっている。

図３は冷間圧延用鍛鋼ロールの一般的な焼入れ方法を説明するための図である。

図３において、１１は胴部に焼入れ処理が施されるロール（焼入れ時のロール形状に機械加工されたロール）、１２は上端部に水を噴出する噴水リング１２ａが設けられるとともに、冷却水が貯えらた水槽、１３は巻線が複数ターン巻回されてなる円筒状の第１の誘導加熱コイル、１４は第１の誘導加熱コイル１３の下方に所定間隔をあけて配置された円筒状の第２の誘導加熱コイルである。

ロール１１の胴部の焼入れ処理は、誘導加熱により急速加熱した後に水で急冷するものであり、ロール１１を一定の低速度で上方より下降させながら、誘導加熱コイル１３，１４中を通過させて加熱し、加熱された部分に噴水リング１２ａからの水を噴きつけて噴水焼入れするようにしている（連続加熱、連続噴水焼入れ）。誘導加熱コイルに流す電流の周波数としては、例えば、第１の誘導加熱コイル１３には６０Ｈｚの中周波電流、第２の誘導加熱コイル１４には１２００Ｈｚの高周波電流が流される。誘導加熱により、ロール胴部の最表面の温度は１０５０℃程度にまでなる。

冷間圧延用鍛鋼ロールでは、圧延製品の高品質化、ロール摩耗低減、及び、圧延中のロール表面下の極浅い位置でせん断力に起因する疲労破壊を起こさせないようにすることを目的に、胴部焼入れ処理により、表面硬度をできるだけ深くまで高硬度化させることが要望されている。この場合、大径のロールの表面だけを誘導加熱により急速加熱したのち急冷すれば温度勾配（線膨張率差）が大きくなるので、ロール割れを発生させないようにするため、また、誘導加熱時間を短縮して生産性を高めるため、ロール胴部に焼入れ処理を施すに先立ち、ロール全体を予熱することが行われている。

従来、冷間圧延用鍛鋼ロールの製造にあたり、胴部焼入れ処理に先立って行う予熱処理での予熱温度は、生産性に支障をきたさない誘導加熱時間にて誘導加熱によってロール表面からなるべく深いところまで、なるべく高温となるようにという点から、かなり高い温度に設定されており、５００〜６００℃の温度とされていた。

しかし、予熱温度が高いと、冷却の際にロール内部がなかなか冷えず、ロール中心部はかなり遅れて最後に収縮し、その収縮がロール表面の急冷による硬化部分を除いた全体に影響を及ぼし、硬化部分より内部におけるロール軸方向には、高い引張残留応力が存在することになる。

この内部の引張残留応力の存在は、ロール製造時のロール割れ破壊（焼入れ処理中、あるいはその後の水冷処理中にロール体が二つに割れる）や、ロール使用時の割れ（割損事故）の原因となり得る。そのため、適切な予熱温度を設定することで、胴部焼入れ処理後におけるロール内部の引張残留応力を低減する必要がある。従来の５００〜６００℃という予熱温度では、焼入れ処理中にロール体が二つに割れる割れ破壊が発生することがあった。

日本鉄鋼協会編「第３版鉄鋼便覧、第Ｖ巻、鋳造・鍛造・粉末治金」、丸善、昭和５７年１０月１日発行、ｐ．３４１−３４４

そこで、本発明の課題は、ロール製造時におけるロール割れ破壊や、ロール使用時におけるロール割損を防止でき、耐割れ性に優れた冷間圧延用鍛鋼ロールを製造することができる冷間圧延用鍛鋼ロールの製造方法を提供することにある。

前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

請求項１の発明は、冷間圧延用鍛鋼ロールを製造する方法において、造塊、鍛造、球状化焼鈍処理、調質処理及び機械加工の各工程をこの順に経て、焼入れ時の形状に加工されたロールを作製し、前記ロールの胴部に、誘導加熱により急速加熱した後に水で急冷する焼入れ処理を施すに先立ち、加熱炉にて前記ロール全体を予熱するに際し、予熱温度を３７５℃以上４２５℃以下とすることを特徴とする冷間圧延用鍛鋼ロールの製造方法である。

本発明による冷間圧延用鍛鋼ロールの製造方法は、焼入れ時の形状に加工されたロールの胴部に、誘導加熱により急速加熱した後に水で急冷する焼入れ処理を施すに先立ち、加熱炉にて前記ロール全体を予熱するに際し、予熱温度を３７５℃以上４２５℃以下とし、従来の５００〜６００℃という予熱温度よりも低くしている。したがって、従来方法に比べて胴部焼入れ処理でのロール内部における常温との温度差が少なく熱収縮が小さいので、ロール内部におけるロール軸方向の引張残留応力を低減することができ、ロール製造時におけるロール割れ破壊や、ロール使用時におけるロール割損を防止することができる。

予熱温度を変化させた場合におけるロールの軸方向残留応力分布を示すグラフである。 冷間圧延用鍛鋼ロールの製造工程の一般的な例を示すブロック図である。 冷間圧延用鍛鋼ロールの一般的な焼入れ方法を説明するための図である。

本発明の方法では、胴部焼入れ処理を施すに先立ち、加熱炉にてロール全体を予熱するに際し、予熱温度を３７５℃以上４２５℃以下とし、従来の５００〜６００℃という予熱温度よりも低くしている。予熱温度が４２５℃を上回ると冷却の際の熱収縮が大きくなってロール内部に高い引張残留応力が生じることとなり、ロール製造時における焼入れ処理中、あるいはその後の水冷処理中にロールが二つに割れる割れ破壊や、ロール使用時の割損の原因となり得る。また、予熱温度の下限値については、３００℃以下ではロール鋼種によっては水素起因の低温割れ（遅れ割れ）を起こす可能性があること、予熱温度を低くするに伴い誘導加熱時間が増加（ロール降下速度が低下）して生産性が低くなることなどから、３７５℃とした。

以下、本発明の実施形態について説明する。予熱処理での予熱温度を６００℃（比較例）、５００℃（比較例）及び４００℃（発明例）とし、表１に示す条件で胴部焼入れ処理を行い、該胴部焼入れ処理されたロールを常温（３０℃）まで冷却した場合のロールの残留応力分布を、変態層の線膨張率と推定温度−引張強度とを用いて作成したシミュレーションにより解析してから求めた。結果を図１に示す。

図１は予熱温度を変化させた場合におけるロールの軸方向残留応力分布を示すグラフである。図１のグラフにおいて、横軸はロール表面からの距離（深さ）、縦軸はロールの引張強度（引張強さ）σＢに対する残留応力σｒの比率（σｒ／σＢ）である。縦軸におけるマイナス符号は残留応力が圧縮残留応力であることを表し、マイナス符号なしは残留応力が引張残留応力であることを表している。また、０．２％耐力をσｙとすると、本材料は、（σｙ／σＢ）＝０．８である。

図１に示すように、予熱温度が６００℃の場合（比較例）では、ロール半径方向における中心部近傍では引張強度σＢと同程度の引張残留応力σｒが発生し、ロール内部の介在物などの影響も伴い、割れ破壊が発生する可能性が高いという結果であった。また、予熱温度が５００℃の場合（比較例）では、ロール半径方向における中心部近傍では引張強度σＢの約０．８倍の引張残留応力σｒが発生し、０．２％耐力程度の内部引張残留応力が存在して、割れ破壊が発生する可能性があるという結果であった。

これに対して、予熱温度が４００℃の場合（発明例）では、ロール半径方向における中心部近傍では（σｒ／σＢ）≪０．８となり、引張残留応力をこのロール鋼種では０．２％耐力より小さい値にまで低減することができ、ロール製造時におけるロール割れ破壊や、ロール使用時におけるロール割損を防止できるという結果が得られた。そして、予熱温度を３７５℃以上４２５℃以下とすることで、以後、製造現場でのロール製造時におけるロール割れの発生がなくなった。

１１…ロール（焼入れ時のロール形状に機械加工されたロール）
１２…水槽 １２ａ…噴水リング
１３…第１の誘導加熱コイル
１４…第２の誘導加熱コイル

Claims (1)

1. 冷間圧延用鍛鋼ロールを製造する方法において、造塊、鍛造、球状化焼鈍処理、調質処理及び機械加工の各工程をこの順に経て、焼入れ時の形状に加工されたロールを作製し、前記ロールの胴部に、誘導加熱により急速加熱した後に水で急冷する焼入れ処理を施すに先立ち、加熱炉にて前記ロール全体を予熱するに際し、予熱温度を３７５℃以上４２５℃以下とすることを特徴とする冷間圧延用鍛鋼ロールの製造方法。

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