JP5950048B2 - 遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール - Google Patents
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Description
Cr/(Mo+0.5W)<−2/3[C−0.2(V+1.19Nb)]+11/6 ・・・(1)
により表される関係(ただし、任意成分であるW及びNbを含有しない場合、W=0及びNb=0である。)を満足し、面積率で1〜15%のMC炭化物、0.5〜20%の炭ホウ化物、及び0.5〜20%のMo系炭化物を含有することを特徴とする。
30.23+2.74×(MC炭化物の面積率)+4.01×(Mo系炭化物の面積率)−5.63×(炭ホウ化物の面積率)≦50 ・・・(2)
の関係を満足するのが好ましい。
図1は遠心鋳造法により形成された外層1と、外層1に溶着一体化した内層2とからなる熱間圧延用複合ロール10を示す。ダクタイル鋳鉄からなる内層2は、外層1に溶着した胴芯部21と、胴芯部21の両端から一体的に延出する軸部22,23とを有する。外層1は高速度鋼からなるのが好ましい。
(1) 必須元素
(a) C:1〜3質量%
CはV(Nb)、Cr及びMoと結合して硬質の炭化物を生成し、耐摩耗性の向上に寄与する。Cが1質量%未満では耐摩耗性に寄与するMC炭化物の晶出が不十分であり、また3質量%を超えると炭化物量が過剰となって靱性が低下する。C含有量の下限は好ましくは1.4質量%である。またC含有量の上限は好ましくは2.9質量%であり、より好ましくは2.5質量%であり、最も好ましくは2.3質量%である。
Siは溶湯の脱酸により酸化物の欠陥を減少させる効果を有する。Siが0.4質量%未満では脱酸効果が不十分である。Siは基地に優先的に固溶する元素であるが、3質量%を超えると外層は脆化する。Si含有量の下限は好ましくは0.45質量%であり、より好ましくは0.5質量%である。またSi含有量の上限は好ましくは2.7質量%であり、より好ましくは2.5質量%であり、最も好ましくは2.0質量%である。
Mnは溶湯の脱酸作用を有する他に、Sと結合して潤滑作用を有するMnSを生成する。Mnが0.3質量%未満ではそれらの効果は不十分である。一方、Mnが3質量%を超えてもさらなる効果は得られない。Mn含有量の下限は好ましくは0.35質量%である。またMn含有量の上限は好ましくは2.5質量%であり、より好ましくは1.9質量%であり、最も好ましくは1.7質量%である。
Niは基地の焼き入れ性を向上させる作用を有するので、大型の複合ロールの場合にNiを添加すると、冷却中のパーライトの発生を防止し、外層の硬さを向上させることができる。しかし、Niが5質量%を超えるとオーステナイトが安定化しすぎ、硬さが向上しにくくなる。Ni含有量の上限は好ましくは4質量%であり、より好ましくは3.8質量%であり、最も好ましくは3.5質量%である。添加効果が得られるNi含有量の下限は1質量%であり、好ましくは1.2質量%である。
Crは基地をベーナイト又はマルテンサイトにして硬さを保持し、耐摩耗性を維持するのに有効な元素である。Crが2質量%未満ではその効果が不十分であり、また7質量%を超えると基地組織が脆化する。Crの含有量の下限は好ましくは2.5質量%であり、より好ましくは3.0質量%である。またCr含有量の上限は好ましくは6.8質量%であり、より好ましくは6.5質量%である。
MoはCと結合して硬質炭化物(M6C、M2C)を形成し、外層の硬さを増加させる。また、MoはV(及びNb)とともに強靭かつ硬質なMC炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させる。Moが3質量%未満ではそれらの効果は不十分である。一方、Moが8質量%を超えると外層の靭性が劣化する。Mo含有量の下限は好ましくは3.5質量%であり、より好ましくは4.0質量%である。またMo含有量の上限は好ましくは7.8質量%であり、より好ましくは7.6質量%であり、最も好ましくは7.4質量%である。
VはCと結合して硬質のMC炭化物を生成する元素である。このMC炭化物は2500〜3000のビッカース硬さHvを有し、炭化物の中で最も硬い。Vが3質量%未満ではMC炭化物の晶出量が不十分である。一方、Vが7質量%を超えると、比重の軽いMC炭化物が遠心鋳造中の遠心力により内面側に濃化し、MC炭化物の半径方向偏析が著しくなるだけでなく、外層が内層と溶着一体化しにくくなる。V含有量の下限は好ましくは3.2質量%であり、より好ましくは3.5質量%である。またV含有量の上限は好ましくは6.9質量%であり、より好ましくは6.8質量%であり、最も好ましくは6.7質量%である。
Bは潤滑作用を有する炭ホウ化物を形成する。炭ホウ化物は金属元素、炭素及びホウ素を含む相であり、典型的には50〜80質量%のFe、5〜17質量%のCr、0.5〜2質量%のV、5〜17質量%のMo+W、3〜9質量%のC、及び1〜2.5質量%のBを主成分とする。炭ホウ化物は微量成分としてSi、Mn、Ni及びNbを含有しても良い。
(a) Nb:3質量%以下
Vと同様に、NbもCと結合して硬質MC炭化物を生成する。NbはV及びMoとの複合添加により、MC炭化物に固溶してMC炭化物を強化し、外層の耐摩耗性を向上させる。NbCはVCより溶湯密度との差が小さいので、MC炭化物の偏析を軽減させる。Nbが3質量%を超えるとMC炭化物が凝集し、健全な外層を得にくくなる。外層の耐摩耗性向上効果を得るには、Nb含有量の下限は0.1質量%が好ましい。Nb含有量の上限は好ましくは2.8質量%であり、より好ましくは2.5質量%であり、最も好ましくは2.3質量%である。
WはCと結合して硬質のM6C及びM2Cの炭化物を生成し、外層の耐摩耗性向上に寄与する。またMC炭化物にも固溶してその比重を増加させ、偏析を軽減させる作用を有する。しかし、Wが4質量%を超えると、溶湯の比重を重くするため、炭化物偏析が発生しやすくなる。従って、Wを添加する場合には、その好ましい含有量は4質量%以下である。W含有量の上限はより好ましくは3.5質量%であり、最も好ましくは3質量%である。また上記添加効果を得るには、W含有量の下限はより好ましくは0.1質量%であり、最も好ましくは0.2質量%である。
Sは潤滑作用を有するMnSを形成するが、0.3質量%を超えると外層の脆化が起こる。十分なMnSの潤滑作用を得るには、S含有量の上限は好ましくは0.2質量%であり、より好ましくは0.15質量%である。
Nは炭化物を微細化する効果を有するが、0.07質量%を超えると外層が脆化する。十分な炭化物微細化効果を得るには、N含有量の下限は好ましくは0.01質量%であり、より好ましくは0.015質量%である。またN含有量の上限はより好ましくは0.06質量%である。
Coは基地組織の強化に有効な元素であるが、5質量%を超えると外層の靱性を低下させる。十分な基地組織強化効果を得るには、Co含有量の下限は0.1質量%が好ましい。Co含有量の上限はより好ましくは3質量%である。
ZrはCと結合してMC炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させる。また、Zrは溶湯中で酸化物を生成し、この酸化物が結晶核として作用するために、凝固組織が微細になる。さらに、ZrはMC炭化物の比重を増加させ、偏析防止に効果がある。しかし、Zrが0.5質量%を超えると、介在物となるので好ましくない。Zr含有量の上限はより好ましくは0.3質量%である。また、十分な添加効果を得るためには、Zrの含有量の下限はより好ましくは0.01質量%である。
TiはN及びOと結合し酸窒化物を形成する。これらが溶湯中に懸濁されて核となり、MC炭化物を微細化及び均質化する。しかし、Tiが0.5質量%を超えると、溶湯の粘性が増加し、鋳造欠陥が発生しやすくなる。十分な添加効果を得るには、Ti含有量の下限は0.005質量%が好ましく、0.01質量%がより好ましい。またTi含有量の上限はより好ましくは0.3質量%であり、最も好ましくは0.2質量%である。
Alは、黒鉛化阻害元素であるN及びOと結合し酸窒化物を形成する。これらが溶湯中に懸濁されて核となり、MC炭化物を微細均一に晶出させる。しかし、Alが0.5質量%を超えると、外層が脆くなり機械的性質の劣化を招く。十分な添加効果を得るには、Al含有量の下限は好ましくは0.001質量%であり、より好ましくは0.01質量%である。また、Al含有量の上限はより好ましくは0.3質量%であり、最も好ましくは0.2質量%である。
外層の組成の残部は実質的にFe及び不可避的不純物からなる。不可避的不純物のうち、Pは機械的性質の劣化を招くので、できるだけ少なくするのが好ましい。具体的には、Pの含有量は0.1質量%以下が好ましい。その他の不可避的不純物として、Cu、Sb、Te、Ce等の元素は合計で0.7質量%以下であれば良い。
外層は下記式(1):
Cr/(Mo+0.5W)<−2/3[C−0.2(V+1.19Nb)]+11/6 ・・・(1)
[ただし、C、Cr、Mo、V、Nb及びWの記号はそれらにより表される元素の含有量(質量%)を示し、任意成分であるNb及びWを含有しない場合Nb及びWは0である。]により表される関係を満足することを特徴とする。式(1) はこれらの成分を含有する鋼材の組織を調べた結果得られたものである。式(1) の左辺のCr/(Mo+0.5W)はCr系炭化物形成元素とMo系炭化物形成元素の比率を表し、右辺の[C−0.2(V+1.19Nb)]はCバランスを表す。下記式(1’):
Cr/(Mo+0.5W)=−2/3[C−0.2(V+1.19Nb)]+11/6 ・・・(1’)
は図3において直線Aにより表され、直線Aより下の領域(線上を含まない)はMo系炭化物を主体とする共晶炭化物が生成する領域であり、直線Aより上の領域(線上を含む)はCr系炭化物を主体とする共晶炭化物が生成する領域である。従って、式(1) は、図3において直線Aより下のMo系炭化物を主体とする共晶炭化物が生成する領域を表す。直線Aより下のMo系炭化物を主体とする共晶炭化物が生成する領域は、一般に直線Aより上のCr系炭化物を主体とする共晶炭化物が生成する領域に比べ耐摩耗性が良好であると言える。
外層の組織は、MC炭化物、M2CやM6CのMoを主体とする炭化物(Mo系炭化物)、及び炭ホウ化物を含有する。分析の結果、炭ホウ化物はM23(C, B)6の組成を有すると考えられる。外層1の組織はその他に、僅かな量のM7C3やM23C6のCrを主体とする炭化物(Cr系炭化物)を含有する。
30.23+2.74×(MC炭化物の面積率)+4.01×(Mo系炭化物の面積率)−5.63×(炭ホウ化物の面積率)≦50 ・・・(2)
の関係を満足するのが好ましい。式(2) は、各組織要素の耐焼付き性に対する影響から実験的求めたものである。MC炭化物の面積率、Mo系炭化物の面積率及び炭ホウ化物の面積率が式(2) の関係を満足することにより、耐焼付き性に優れた外層1が得られる。外層1のビッカース硬さHvは500以上が好ましく、550〜800がより好ましい。
内層2は高強度のダクタイル鋳鉄(「球状黒鉛鋳鉄」とも呼ばれる。)からなる。外層1の長寿命化に応じて内層2のジャーナル部(軸部)22,23の寿命も長くするために、高い耐摩耗性を有するのが好ましい。ジャーナル部の摩耗により軸受との間のガタが大きくなると、複合ロール10を廃却せざるを得ない。高耐摩耗性のジャーナル部を提供するため、内層2のダクタイル鋳鉄は35%以下のフェライト面積率を有するのが好ましい。ダクタイル鋳鉄では、球状黒鉛の晶出によりその周囲の炭素量が低下し、低硬度のフェライト組織となりやすい。フェライト面積率が多くなるほど基地の硬さは低下し、よって耐摩耗性が低下する。内層2用のダクタイル鋳鉄のフェライト面積率は好ましくは32%以下である。
図2(a) 及び図2(b) は、遠心鋳造用円筒状鋳型30で外層1を遠心鋳造した後に内層2を鋳造するのに用いる静置鋳造用鋳型の一例を示す。静置鋳造用鋳型100は、内面に外層1を有する円筒状鋳型30と、その上下端に設けられた上型40及び下型50とからなる。円筒状鋳型30内の外層1の内面は内層2の胴芯部21を形成するためのキャビティ60aを有し、上型40は内層2の軸部23を形成するためのキャビティ60bを有し、下型50は内層2の軸部22を形成するためのキャビティ60cを有する。円筒状鋳型30を用いる遠心鋳造法は水平型、傾斜型又は垂直型のいずれでも良い。
図2(a) に示す構造の円筒状鋳型30(内径800 mm、及び長さ2500 mm)を水平型の遠心鋳造機に設置し、表1に示す組成の各溶湯を用いて外層1を遠心鋳造した。外層1が凝固した後、内面に外層1(厚さ:90 mm)が形成された円筒状鋳型30を起立させ、軸部22形成用の中空状下型50(内径600 mm、及び長さ1500 mm)の上に円筒状鋳型30を立設し、円筒状鋳型30の上に軸部23形成用の中空状上型40(内径600 mm、及び長さ2000 mm)を立設し、図2(b) に示す静置鋳造用鋳型100を構成した。
(2) −2/3[C−0.2(V+1.19Nb)]+11/6の値。
工程1:各試験片を炭化物が浮き立たないように鏡面研磨した。
工程2:各試験片を村上氏薬で約30秒間腐食した後、各試験片の組織の光学顕微鏡写真Aを撮影した。
工程3:各試験片を平均粒径3μmのダイヤモンド微粒子のペーストを用いて10〜30秒間バフ研磨した。
工程4:工程2の写真と同じ視野で各試験片の組織の光学顕微鏡写真Bを撮影した。
工程5:各試験片をクロム酸電解腐食で約1分間腐食した後、工程2の写真と同じ視野で各試験片の組織の光学顕微鏡写真Cを撮影した。
工程6:各試験片を過硫酸アンモニウム水溶液で約1分間腐食した。
工程7:工程2の写真と同じ視野で各試験片の組織の光学顕微鏡写真Dを撮影した。
(1) 光学顕微鏡写真Aにおいて黒い部分はMo系炭化物及びCr系炭化物であるので、写真AからMo系炭化物+Cr系炭化物の面積率を求めた。
(2) 光学顕微鏡写真Bにおいて黒い部分はMo系炭化物であるので、写真BからMo系炭化物の面積率を求めた。写真Aから求めたMo系炭化物+Cr系炭化物の面積率から、写真Bから求めたMo系炭化物の面積率を差し引くことにより、Cr系炭化物の面積率を求めた。
(3) 光学顕微鏡写真Cにおいて黒い部分はMC炭化物及びMo系炭化物であるので、写真CからMC炭化物+Mo系炭化物の面積率を求めた。写真Cから求めたMC炭化物+Mo系炭化物の面積率から、写真Bから求めたMo系炭化物の面積率を差し引くことにより、MC炭化物の面積率を求めた。
(4) 光学顕微鏡写真Dにおいて黒い部分は基地、MC炭化物及びMo系炭化物であり、白い部分は炭ホウ化物及びCr系炭化物であるので、写真Dで求めた炭ホウ化物+Cr系炭化物の面積率から上記(2) で求めたCr系炭化物の面積率を差し引くことにより、炭ホウ化物の面積率を求めた。
圧延材:SUS304
圧下率:25%
圧延速度:150 m/分
圧延材温度:900℃
圧延距離:300 m/回
ロール冷却:水冷
ロール数:4重式
○:焼付き殆ど無し(焼付き面積率が40%未満)。
△:僅かな焼付き有り(焼付き面積率が40%以上60%未満)。
×:著しい焼付き有り(焼付き面積率が60%以上)。
1・・・外層
2・・・内層
21・・・胴芯部
22,23・・・軸部
11・・・圧延機
12,13・・・試験用ロール
14・・・加熱炉
15・・・冷却水槽
16・・・巻取機
17・・・コントローラ
18・・・圧延材
100・・・静置鋳造用鋳型
30・・・遠心鋳造用円筒状鋳型
32,33,42,52・・・砂型
40・・・静置鋳造用上型
50・・・静置鋳造用下型
60,60a,60b,60c・・・キャビティ
71・・・ラック
72・・・重り
73・・・ピニオン
74・・・試験材
75・・・噛み込み材
Claims (6)
- 遠心鋳造法により形成された外層と、ダクタイル鋳鉄からなる内層とが溶着一体化してなる遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が質量基準で、C:1〜3%、Si:0.4〜3%、Mn:0.3〜3%、Ni:1〜5%、Cr:2〜7%、Mo:3〜8%、V:3〜7%、及びB:0.01〜0.12%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有し、かつ下記式(1):
Cr/(Mo+0.5W)<−2/3[C−0.2(V+1.19Nb)]+11/6 ・・・(1)
により表される関係(ただし、任意成分であるW及びNbを含有しない場合、W=0及びNb=0である。)を満足し、面積率で1〜15%のMC炭化物、0.5〜20%の炭ホウ化物、及び0.5〜20%のMo系炭化物を含有することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。 - 請求項1に記載の遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールにおいて、前記外層がさらに3質量%以下のNb及び4質量%以下のWを含有することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。
- 請求項1又は2に記載の遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールにおいて、前記外層がさらに0.05〜0.3質量%のSを含有することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールにおいて、前記外層がさらに0.01〜0.07質量%のNを含有することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールにおいて、前記外層がさらに質量基準で、Co:5%以下、Zr:0.5%以下、Ti:0.5%以下及びAl:0.5%以下からなる群から選ばれた少なくとも一種を含有することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールにおいて、前記外層が500以上のビッカース硬さHvを有することを特徴とする遠心鋳造製熱間圧延用複合ロール。
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