JP5715467B2

JP5715467B2 - 連続鋳造機用ロール

Info

Publication number: JP5715467B2
Application number: JP2011079414A
Authority: JP
Inventors: 暢平遠城; 国秀橋本; 山口　宏; 宏山口
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012213781A

Description

本発明は、連続鋳造設備に用いられる連続鋳造機用ロールに関するものであり、より具体的には、軸状のアーバーの外周に嵌められる円筒状スリーブの耐摩耗性を高めた連続鋳造機用ロールに関するものである。

連続鋳造装置には、連続鋳造機用ロールが使用されている。連続鋳造機用ロールは、上流側のサポートロール、ガイドロール、ピンチロールなど多くのロールから構成される。これらのロールは、長時間に亘ってスラブからの矯正反力、機械的摩擦などの機械的応力を受けると共に、高温のスラブと接触して加熱を受け、また、冷却水で冷却されることにより、熱衝撃や熱応力を繰り返し受ける。

従って、連続鋳造機用ロールには、高温強度、耐酸化性、耐摩耗性、耐き裂進展性、さらには、耐熱衝撃性が要求される。

連続鋳造機用ロールは、スラブと直接接触する外周側のスリーブと、該スリーブの内周側に形成され、軸芯に冷却水の挿通する軸心とを、遠心鋳造や鋳掛け肉盛などで冶金学的に一体成形して作製されている。

しかしながら、上記のようにスリーブと軸芯が冶金学的に一体成形されている構造では、スリーブが機械的応力、熱衝撃、熱応力を受けることでスリーブ表面にクラックが生ずることがある。

生じたクラックは、スリーブ内を進展し、さらに、冶金学的に一体成形された軸芯にまで進展することがあり、破損してしまう虞がある。

そこで、スリーブと軸芯(「アーバー」と称される)を別々に作製し、スリーブをアーバーに焼き嵌めして組み立てる方法が提案されている(例えば、特許文献１参照)。

特開昭６０−２４８８６９号公報

スリーブをアーバーに嵌めて形成されるアーバースリーブロールは、スリーブの摩耗量やき裂深さがその寿命を決める要因となっている。特に耐摩耗性を高めようと硬度を上げると、相反して耐き裂進展性が低下するといった問題があった。

本発明の目的は、軸状のアーバーの外周に嵌められる円筒状スリーブにおいて、耐き裂進展性を維持しつつ、硬度を高めて耐摩耗性を向上させた連続鋳造機用ロールを提供することである。

本発明の連続鋳造機用ロールは、
軸状のアーバーの外周に円筒状のスリーブを嵌めてなる連続鋳造機用ロールであって、
スリーブは、質量％にて、
Ｃ：０.０１〜０.０６％、Ｓｉ：０％を超えて１.０％以下、Ｍｎ：０％を超えて１.０％以下、Ｎｉ：３.５〜６.５％、Ｃｒ：１１.０〜１４.０％、Ｍｏ：０％を超えて１.０％以下、Ｖ：０.１〜０.４％を含み、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる。

前記スリーブは、遠心鋳造により作製することができる。

＜成分限定理由＞
Ｃ：０.０１〜０.０６
Ｃは、ＣｒやＶと結合してＭＣ型炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるが、炭化物が多くなりすぎると、強度、伸び、靭性等の性質が低下するため、０.０６％以下とする。
Ｃを少なくすることで、耐熱衝撃性を高めることができるが、大気鋳造法では０．０１％以下にすることが難しいためこの値を下限値とする。
なお、Ｃの含有量は０.０４％以下がさらに望ましい。

Ｓｉ：０％を超えて１.０％以下
Ｓｉは湯流れ性の確保と脱酸剤としての作用を有する元素である。しかしながら、１.０％を越えると、耐摩耗性が劣化する。Ｓｉの含有量は０.３〜０.４％がより望ましい。なお、鋳込み時に、０.０５〜０.１５％程度の接種を行ない、最終製品の組成では上記範囲に調整することが望ましい。

Ｍｎ：０％を超えて１.０％以下
Ｍｎは硬化能を増し、また、原材料中に不可避的に含まれるＳと結合してＭｎＳを生成し、Ｓによる劣化を防ぐ元素である。しかしながら、１.０％を越えると靭性の低下を招くため好ましくない。Ｍｎの含有量は０.６〜０.８％がより望ましい。

Ｎｉ：３.５〜６.５％
Ｎｉは基地組織の改良と、焼入性を高めるために含有している。これら効果を得るためには、３.５％以上含有させる必要があり、６.５％を越えると、残留オーステナイトが増加し、後の熱処理によっても強靭組織にすることが難しくなって、耐摩耗性が低下し、また、硬度、強度、衝撃値が低下する。Ｎｉの含有量は４.０〜５.６％がより望ましい。

Ｃｒ：１１.０〜１４.５％
Ｃｒは一部が基地中に固溶して焼入れ性を改善し、耐摩耗性を向上させる。また、耐酸化性を有するために含有させる元素である。しかしながら、１１.０％未満であれば、このような作用を得ることができず、１４.５％を越えると高温強度が低下するため、上限を１４.５％とする。Ｃｒの含有量は１２.０〜１４.０％がより望ましい。

Ｍｏ：０.１〜１.０％
Ｍｏは、主に基地に固溶し、焼入れ性を改善し、耐摩耗性を向上させる。しかしながら、０.１％未満ではこのような効果が不十分であり、１.０％を越えると靭性を低下させる。Ｍｏの含有量は０.３〜０.８％がより望ましい。

Ｖ：０.１〜０.４％
ＶはＣと結合し、ＭＣ型炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。また、炭化物が核となることで、結晶が小さくなり、金属組織の微細化を図ることが出来る。しかしながら、０.１％未満であればその効果が不十分となる。一方、０.４％を越えると、ＭＣ型炭化物が粗大化し、摩擦係数が大きくと共に、靭性が低下する。
Ｖの含有量は、０.３５％以下とすることがより望ましい。

その他、Ｐ、Ｓ、Ｏ等の不可避的な不純物の混入は許容される。しかしながら、これら不純物は材質を脆くするため、合計で約０.２％以下に抑えることが望ましい。

本発明の連続鋳造機用ロールは、軸上のアーバーの外周に円筒状のスリーブを嵌めてなる構成とすることで、スリーブに生じたクラックがアーバーにまで進展することはなく、耐破損性を高めることができる。

また、本発明の連続鋳造機用ロールは、上記のようにＶを添加した組成とすることによって、金属組織中のマルテンサイトが微細化するため、硬度を向上させながら、スリーブ表面に生ずるクラックが微細となり、耐き裂進展性を高く維持できる。従って、連続鋳造機用ロールの耐久性や長寿命化を図ることができる。

図１は、本発明の連続鋳造機用ロールの断面図である。図２は、発明例及び比較例の引張り試験果を示すグラフである。図３は、発明例及び比較例の硬度試験結果を示すグラフである。図４は、発明例及び比較例のき裂進展試験の結果を示すグラフである。図５は、発明例４の金属組織の４００倍拡大写真である。図６は、比較例１の金属組織の４００倍拡大写真である。

以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
図１は、本発明の連続鋳造機用ロール(10)の断面図である。図に示すように、連続鋳造機用ロール(10)は、軸芯となるアーバー(20)と、該アーバー(20)の外周に嵌められたスリーブ(30)を有する。

＜アーバー(20)＞
アーバー(20)は、スリーブ(30)が嵌まる円柱状の胴部(22)と、該胴部(22)の両端に軸部(24)(26)を突設して形成される。アーバー(20)には、回転軸に沿って冷却水の挿通する流路(26)が貫通開設されている。

アーバー(20)は、機械強度を確保するものであり、熱間圧延，熱間鍛造品等の熱間鍛圧品から構成することができる。その例として、ＳＳ４１、ＳＳ５０等の一般構造用鋼(JIS
G3101)、Ｓ３０Ｃ(Ｃ：０.２７〜０.３３％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６〜０.９％)、Ｓ４５Ｃ(Ｃ：０.４２〜０.４８％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６〜０.９％)等の構造用炭素鋼(JIS
G4051)、ＳＮＣＭ４２０(Ｃ：０.１７〜０.２３％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.４〜０.７％、Ｎｉ：１.６〜２％、Ｃｒ：０.４〜０.６５％、Ｍｏ：０.１５〜０.３％)、ＳＮＣＭ６２５(Ｃ：０.２〜０.３％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.３５〜０.６％、Ｎｉ：３〜３.５％、Ｃｒ：１〜１.５％、Ｍｏ：０.１５〜０.３％)、ＳＣＭ８２２(Ｃ：０.２〜０.２５％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６〜０.８５％、Ｃｒ：０.９〜１.２％、Ｍｏ：０.３５〜０.４５％)、ＳＣＭ４１５(Ｃ：０.１３〜０.１８％、Ｓｉ：０.１５〜０.３５％、Ｍｎ：０.６〜０.８５％、Ｃｒ：０.９〜１.２％、Ｍｏ：０.１５〜０.３％)等の機械構造用合金鋼(JSI G4103、G4105)等が挙げられる。なお、アーバー(20)は、上記の材料に限定されるものではない。

アーバー(20)は、静置鋳造等により作製することができる。一般的なアーバー(20)の胴部(22)の外径は約１００〜２０００ｍｍ，胴部(22)の長さは約１０００〜７０００ｍｍとすることができる。

アーバー(20)の胴部(22)には、一端にスリーブ(30)を嵌めたときにスリーブ(30)の移動を防止するストッパー(40)が取り付けられている。また、スリーブ(30)を嵌めた後、スリーブ(30)の抜止めとなるピン(42)が他端側に溶接される。

アーバー(20)の胴部(22)は、全長に亘って外径が一定なフラット型、一端に向けて外径が縮小する勾配型やテーパー型、胴部(22)の略中央の外径が太いサインカーブ型を例示することができる。サインカーブ型を適用することで、スリーブ(30)の焼き嵌め面圧を中央で高く、端部側で低くなるよう調整することができ、スリーブ(30)の軸方向の拘束を緩和することができる。

＜スリーブ(30)＞
スリーブ(30)は、質量％にて、Ｃ：０.０１〜０.０６％、Ｓｉ：０％を超えて１.０％以下、Ｍｎ：０％を超えて１.０％以下、Ｎｉ：３.５〜６.５％、Ｃｒ：１１.０〜１４.０％、Ｍｏ：０％を超えて１.０％以下、Ｖ：０.１〜０.４％を含み、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなり、遠心鋳造、静置鋳造等により円筒状に作製することができる。

スリーブ(30)は、望ましくは遠心鋳造で作製する。遠心鋳造で作製することにより、静置鋳造に比して冷却速度を速くすることができ、結晶および組織の粗大化を防ぎ、結晶が小さくなり、組織の微細化を図ることができる。その結果、強度、伸び、靭性を高めることができる。

作製されたスリーブ(30)の組織は、オーステナイトとフェライトであるが、焼入れ及び焼戻しを施すことにより、オーステナイトを微細なマルテンサイト組織に変態させることができる。特に、本発明では、スリーブ(30)の材料にＮｉ及びＶを多く含んでいるから、焼入性を高めることができる。

本発明では、スリーブ(30)の材料にＮｂやＴｉ等の材料を添加していない。
その理由として、Ｎｂは、炭化物の生成に関して、Ｍ２Ｃとなることが知られているがこれはＶのＭＣと比べ炭素原子との結合に２倍の量が必要である。さらに原子量がＮｂはＶの約２倍であるため、Ｖ炭化物と同等のＮｂ炭化物を形成するためには、結果的にＶの約４倍量のＮｂが必要となるからである。また、Ｔｉについては、溶湯中で酸化しやすく、歩留りが悪いため添加をしていない。

スリーブ(30)の内径は、アーバー(20)の胴部(22)に合わせて適宜調整することができ、また、スリーブ(30)の肉厚は、１０ｍｍ〜２００ｍｍ程度とすることができる。

作製されたスリーブ(30)は、アーバー(20)の胴部(22)に焼き嵌めすることで装着される。焼き嵌めは、ストッパー(40)の形成されていない胴部(22)の一端側から行われ、スリーブ(30)が胴部(22)に嵌められた後、胴部(22)の端部とスリーブ(30)の端部との接合部分に図１に示すようにピン(42)を１又は複数箇所溶接することでスリーブ(30)がアーバー(20)に装着される。

作製された連続鋳造機用ロール(10)は、スリーブ(30)が、すぐれた耐食性、強度、硬度等の機械的特性を有すると共に、組織中にフェライトが存在することで、高い衝撃特性と繰り返し熱サイクルに対する耐熱衝撃性にすぐれる。また、使用後の表面状況を観察したところ、スリーブ(30)に生ずるクラックは、微細な亀甲割れであり、耐き裂進展性にもすぐれる。従って、連続鋳造機用ロール(10)の耐久性や長寿命化を図ることができ、長期間に亘ってスラブの圧延に供することができる。

遠心鋳造機を用いて、鋳込み温度１６３０〜１６５０℃の条件で、外径４６２ｍｍ、内径２６８ｍｍ、長さ６２２５ｍｍ(２本分の長さ)のスリーブ(表1：発明例１〜４及び比較例１)を作製した。鋳込み開始には、Ｇｎｏ．は８０(１００２ｒｐｍ)に設定し、２２分経過後、３００ｒｐｍで２３分保持する遠心鋳造を行なった。なお、Ｇｎｏ．を変化させたのは、スリーブの曲がり、偏析、楕円形状化を防止するためである。

作製された発明例１〜４及び比較例１の組成分析結果を表１に示している。

なお、比較例１は、ＳＣＳ６(JIS G5121)に類似する鋼材であり、十分な機械的特性及び熱的特性を有する材料であり、本発明は、比較例１に比して同等又は比較例１を超える機械的特性及び熱的特性を有するスリーブ(30)を提供するものである。

作製されたスリーブ(30)に以下の条件で熱処理を施した。
焼入れ：１０００±１０℃×１時間／インチの後空冷
焼戻し：６００±１０℃×３時間／インチの後空冷(発明例３のみ６５０℃)

熱処理の後、外径４３０ｍｍ、内径３０４ｍｍ、長さ２３２０ｍｍとなるように機械加工を施し、夫々２本ずつのスリーブ(30)を得た。

得られたスリーブ(30)から所定の大きさの試験片を作製し、ＪＩＳ規格に基づく各種試験を行なった。
実施した試験は、引張り試験(引張り強さを測定)、硬度試験(ビッカース硬度試験)、高温引張り試験(４００℃と６００℃における引張り強さを測定)、高温硬度試験(４００℃と６００℃)、き裂進展試験(発明例１及び４と比較例１に実施)である。
表２乃至表４及び図２乃至図４に各試験結果を示す。

＜引張り試験結果＞

表２及び図２より、常温引張り試験の結果を参照すると、発明例は、引張り強さが向上していることがわかる。また、４００℃における高温引張り試験の結果を参照すると、発明例は、何れも比較例１よりも引張り強さにすぐれている。６００℃においては、比較例１と同等であることが分かる。

＜硬度試験結果＞

表３及び図３より、硬度試験について、発明例は何れも比較例１よりもすぐれた硬度(Ｈｖ)を有していることがわかる。また、４００℃及び６００℃における高温硬度は、発明例１が比較例１とほぼ同等であるが、その他発明例は何れも比較例１に対してすぐれた高温硬度を有していることがわかる。特に、発明例４は、比較例に対して常温で約１５％、４００℃及び６００℃で約１０％硬度が上昇していることがわかる。

＜き裂進展試験結果＞

表４及び図４を参照すると、発明例１及び発明例４のき裂進展性は、比較例１とほぼ同等であることがわかる。

図５及び図６は、発明例４と比較例１の金属組織の４００倍ミクロ写真である。図５と図６を比較すると、図５の発明例４は、図６の比較例１に比べて、基地中のマルテンサイト組織が微細化していることがわかる。

Ｖ成分は、Ｃと結合し炭化物を形成しやすい元素であるが、発明例はＣ濃度が低いため、Ｖ炭化物が基地中に微細に分散して形成される。この微細に分散して形成されたＶ炭化物を核として、基地成分がオーステナイト組織として成長することで、微細なオーステナイト相を有する基地が形成される。

その後の焼入と焼戻し工程により、微細なオーステナイト組織は微細なマルテンサイト組織を主体とする基地に変態する結果、図５に示すような組織を得ることができる。特に、Ｖを添加している発明例は、添加されたＶにより焼入れ性が増すため、比較例と同様の焼入れ、焼戻しを行なっても、高温焼戻しでの硬さの低下が小さい、即ち、焼戻し軟化抵抗を大きくできるから、硬度を高くすることができたものと考えられる。

このように、微細なマルテンサイト組織を有する発明例は、き裂が発生した場合でも、その進展は浅い位置でと留まって進展しないから、耐き裂進展性にすぐれた効果を発揮できる。

つまり、発明例が比較例に対してすぐれるのは、添加されたＶが、Ｖ炭化物として基地組織の粒界に分散して存在する結果、マルテンサイト組織の微細化が図られて耐き裂進展性を高めることができたこと、且つ、Ｖは基地の焼入性を増すことで基地を硬化させ、炭化物と基地の両方に作用して高い硬度を具備できたことが理由であると考えられる。

上記実施例からわかるように、発明例であるスリーブ(30)は、すぐれた強度、硬度等の機械的特性を有すると共に、高い耐熱衝撃性を有していることがわかる。また、耐き裂進展性にもすぐれることから、連続鋳造機用ロール(10)のスリーブ(30)として好適であり、連続鋳造機用ロールの耐久性や長寿命化を達成できる。

本発明は、すぐれた機械的特性と熱的特性をもつスリーブを有する耐久性、長寿命化を達成できる連続鋳造機用ロールとして有用である。

(10) 連続鋳造機用ロール
(20) アーバー
(22) 胴部
(24) 軸部
(26) 軸部
(30) スリーブ
(40) ストッパー
(42) ピン

Claims

軸状のアーバーの外周に円筒状のスリーブを嵌めてなる連続鋳造機用ロールであって、
スリーブは、質量％にて、
Ｃ：０.０１〜０.０６％、Ｓｉ：０％を超えて１.０％以下、Ｍｎ：０％を超えて１.０％以下、Ｎｉ：３.５〜６.５％、Ｃｒ：１１.０〜１４.０％、Ｍｏ：０％を超えて１.０％以下、Ｖ：０.１〜０.４％を含み、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする連続鋳造機用ロール。
前記スリーブは、遠心鋳造により作製される請求項1に記載の連続鋳造機用ロール。