JP6415899B2 - 圧延用複合ロールの外層材の製造方法及び圧延用複合ロールの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、熱間圧延に用いられる圧延用複合ロールの外層材及びこれを外層とする圧延用複合ロールに関するものである。
熱間圧延に用いられる圧延用複合ロールは、鋼板と接する外層にすぐれた耐摩耗性、耐肌荒れ性及び耐クラック性が求められている。このため、ロール外層を構成する外層材には、ハイス系鋳鉄材が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。
近年、生産性向上の面から圧延ピッチが短くなり、ロール外層表面の熱負荷が増大している。また、圧延される鋼板も薄く且つ硬くなっており、ロール外層の摩耗も増大している。このため、ロール外層に耐クラック性と耐摩耗性を兼ね備えることが必要であり、そのため、特に引張り強さの向上が求められている。
本発明の目的は、引張り強さの高い圧延用複合ロールの外層材及びこれを外層とする圧延用複合ロールを提供することである。
本発明の圧延用複合ロールの外層材は、
圧延用複合ロールの外層材であって、
質量％にて、Ｖ：５．５％以上１０．０％以下を含むハイス系鋳鉄材からなり、
凝固速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることで、引張り強さを１１００ＭＰａ以上とした。
圧延用複合ロールの外層材であって、
質量％にて、Ｖ：５．５％以上１０．０％以下を含むハイス系鋳鉄材からなり、
凝固速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることで、引張り強さを１１００ＭＰａ以上とした。
前記外層材には、オーステナイト化温度から７００℃までの冷却速度が１０００℃／ｈ以上、３２００℃／ｈ以下とする焼入処理が施されることが望ましい。
上記外層材は、質量％にて、さらに、Ｃ：１．８％以上２．５％以下、Ｓｉ：０％を越えて１．０％以下、Ｍｎ：０％を越えて１．０％以下、Ｎｉ：０％を越えて０．５％以下、Ｃｒ：３．０％以上８．０％以下、Ｍｏ：２．０％以上１０．０％以下、Ｗ：０％を越えて１０％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物を含んでいることが望ましい。
上記外層材は、質量％にて、Ｎｂ：０．０１％以上１．０％以下及び／又はＴｉ：０．０１％以上１．０％以下をさらに含有し、Ｎｂ及び／又はＴｉとＶとの合計が５．５％以上１０％以下であることが望ましい。
上記外層材は、質量％にて、Ｂ：０％を越えて０．０５％以下を含有することが望ましい。
また、本発明の圧延用複合ロールは、
上記外層材を外層とし、該外層材の内側に内層又は中間層と内層を具える。
上記外層材を外層とし、該外層材の内側に内層又は中間層と内層を具える。
本発明の圧延用複合ロールの外層材は、基地特性を向上させるために、凝固時にＭＣ型炭化物を構成し易いＶを基地中にもより多く存在させることで、基地の引張り強さを高めている。より具体的には、上記凝固速度で鋳造することで、基地中に存在するＶ量が高められ、引張り強さの向上を達成できる。
本発明の外層材を外層として用いた圧延用複合ロールは、外層が高い引張り強さを具備しているから、耐摩耗性、耐肌荒れ性及び耐クラック性にすぐれる。従って、圧延時に外層表面の損傷を抑えることができ、外層表面の研削頻度を低減やこれに伴う外層の消耗を低減することができる。
＜成分限定理由＞
本発明の圧延用複合ロールの外層を構成する外層材は、ハイス系鋳鉄材であり、以下の成分を含有する。なお、以下において、特に明示しない場合、「％」は、質量％である。
本発明の圧延用複合ロールの外層を構成する外層材は、ハイス系鋳鉄材であり、以下の成分を含有する。なお、以下において、特に明示しない場合、「％」は、質量％である。
Ｖ：５．５％以上１０．０％以下
Ｖは、必須成分であり、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗと共にＣと結合して、凝固時に主としてＭＣ型炭化物を構成するが、凝固速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ以上、さらに、オーステナイト化温度から７００℃までの冷却速度を１０００℃／ｈ以上３２００℃／ｈとする焼入処理を施すことで、Ｖが基地中により多く存在させることができ、基地の引張り強さを１１００ＭＰａ以上に高めることができる。このため、Ｖは、５．５％以上含有させることが望ましい。
Ｖは、必須成分であり、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗと共にＣと結合して、凝固時に主としてＭＣ型炭化物を構成するが、凝固速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ以上、さらに、オーステナイト化温度から７００℃までの冷却速度を１０００℃／ｈ以上３２００℃／ｈとする焼入処理を施すことで、Ｖが基地中により多く存在させることができ、基地の引張り強さを１１００ＭＰａ以上に高めることができる。このため、Ｖは、５．５％以上含有させることが望ましい。
なお、オーステナイト化温度は、外層材によって異なるが、１０００℃〜１２００℃程度である。
また、Ｖを含むＭＣ型の炭化物は、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。このＭＣ型炭化物は、厚さ方向に枝状に生成し、基地の塑性変形を抑制するから、機械的性質、さらには耐クラック性の向上にも寄与する。一方、あまりに多く含有すると、ＭＣ型炭化物が偏析を起こし易くなる。このため、Ｖの上限は１０.０％、望ましくは８．０％に規定する。
上記外層は、さらに以下の成分を含有させることができる。
Ｃ：１．８％以上２．５％以下
Ｃは、主としてＦｅ及びＣｒと結合してＭ7Ｃ3型の高硬度複合炭化物を形成すると共に、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗなどと結合して、ＭＣ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型等の高硬度複合炭化物をも形成する。この高硬度複合炭化物形成のために、 １．８％以上のＣ％が必要である。一方、２．５％を越えてＣが含有されると炭化物量が増すと共に脆くなり、耐クラック性が劣化するため、２．５％に規定する。
Ｃは、主としてＦｅ及びＣｒと結合してＭ7Ｃ3型の高硬度複合炭化物を形成すると共に、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗなどと結合して、ＭＣ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型等の高硬度複合炭化物をも形成する。この高硬度複合炭化物形成のために、 １．８％以上のＣ％が必要である。一方、２．５％を越えてＣが含有されると炭化物量が増すと共に脆くなり、耐クラック性が劣化するため、２．５％に規定する。
Ｓｉ：０％を越えて１．０％以下
Ｓｉは、湯流れ性の確保及び脱酸のために必要な元素であるため添加する。一方、１．０％を越えると焼入れ性が低下し材質が脆くなるため、Ｓｉの含有量は０％を越えて１．０％以下とする。
Ｓｉは、湯流れ性の確保及び脱酸のために必要な元素であるため添加する。一方、１．０％を越えると焼入れ性が低下し材質が脆くなるため、Ｓｉの含有量は０％を越えて１．０％以下とする。
Ｍｎ：０％を越えて１.０％以下
Ｍｎは、硬化能を増す働きがある。また、Ｓと結合してＭｎＳを生成し、Ｓによる脆化を防止するのに有効な元素である。一方、含有量が多くなりすぎると靱性の低下を招くため、Ｍｎの含有量は０％を越えて１.０％以下に規定する。
Ｍｎは、硬化能を増す働きがある。また、Ｓと結合してＭｎＳを生成し、Ｓによる脆化を防止するのに有効な元素である。一方、含有量が多くなりすぎると靱性の低下を招くため、Ｍｎの含有量は０％を越えて１.０％以下に規定する。
Ｎｉ：０％を越えて０．５％以下
Ｎｉは、高温硬度を低下させるため、少ない添加量が望まれるが、大型の圧延用複合ロールを作製する際に、熱処理時に十分な焼入速度が得られない場合や、本発明のように低Ｃ高Ｖ系の材質で材料自身の焼入れ性が悪くなる場合に、焼入れ性改善の目的で添加する。Ｎｉの含有量の下限は望ましくは０．０１％とする。一方、Ｎｉは、０．５％を越えると高温硬度の低下が大きくなるため、上限を０．５％、望ましくは０．３％とする。
Ｎｉは、高温硬度を低下させるため、少ない添加量が望まれるが、大型の圧延用複合ロールを作製する際に、熱処理時に十分な焼入速度が得られない場合や、本発明のように低Ｃ高Ｖ系の材質で材料自身の焼入れ性が悪くなる場合に、焼入れ性改善の目的で添加する。Ｎｉの含有量の下限は望ましくは０．０１％とする。一方、Ｎｉは、０．５％を越えると高温硬度の低下が大きくなるため、上限を０．５％、望ましくは０．３％とする。
Ｃｒ：３．０％以上８．０％以下
Ｃｒは、基地中に固溶し焼入れ性を改善する。また、ＭｏやＷと共に共晶炭化物を形成する。焼入れ性を改善するには、Ｃｒを３．０％以上含有させる必要があり、逆に８．０％を越えると、共晶炭化物が多くなり、材質の引張り強さが低下するため、Ｃｒは、３．０％〜８．０％に規定する。望ましくは、Ｃｒは、３．５％以上６．５％以下とする。
Ｃｒは、基地中に固溶し焼入れ性を改善する。また、ＭｏやＷと共に共晶炭化物を形成する。焼入れ性を改善するには、Ｃｒを３．０％以上含有させる必要があり、逆に８．０％を越えると、共晶炭化物が多くなり、材質の引張り強さが低下するため、Ｃｒは、３．０％〜８．０％に規定する。望ましくは、Ｃｒは、３．５％以上６．５％以下とする。
Ｍｏ：２．０％以上１０．０％以下
Ｍｏは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗと共にＣと結合して、主としてＭ7Ｃ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型の複合炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。このため、少なくとも２．０％以上、望ましくは４．０％以上含有させる。一方、あまりに多く含有すると、残留オーステナイトが安定化し、高硬度が得られ難くなるため、上限は１０.０％、望ましくは７．０％に規定する。
Ｍｏは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗと共にＣと結合して、主としてＭ7Ｃ型、Ｍ6Ｃ型、Ｍ2Ｃ型の複合炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。このため、少なくとも２．０％以上、望ましくは４．０％以上含有させる。一方、あまりに多く含有すると、残留オーステナイトが安定化し、高硬度が得られ難くなるため、上限は１０.０％、望ましくは７．０％に規定する。
Ｗ：０％を越えて１０．０％以下
Ｗも同様に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂと共にＣと結合して、複合炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与するため含有させる。一方、あまりに多く含有すると、靭性の低下をまねき、耐ヒートクラック性を悪化させる。このため、上限は１０.０％に規定する。望ましくは、Ｗの上限は２．０％とする。
Ｗも同様に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂと共にＣと結合して、複合炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与するため含有させる。一方、あまりに多く含有すると、靭性の低下をまねき、耐ヒートクラック性を悪化させる。このため、上限は１０.０％に規定する。望ましくは、Ｗの上限は２．０％とする。
Ｎｂ：０．０１％以上１．０％以下及び／又はＴｉ：０．０１％以上１．０以下
Ｎｂは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗと共にＣと結合して、主としてＭＣ型の炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、ＮｂはＭＣ型炭化物を微細分散する働きがあり、組織を微細化するため、機械的性質、さらには耐クラック性の向上にも寄与する。このため、Ｎｂは、０．０１％以上、望ましくは０．１％以上含有させる。一方、あまりに多く含有すると、炭化物が偏析を起こし易くなる。このため、Ｎｂの上限は１.０％、望ましくは０．６％に規定する。
Ｎｂは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗと共にＣと結合して、主としてＭＣ型の炭化物を形成し、常温及び高温硬度を高めて耐摩耗性の向上に寄与する。また、ＮｂはＭＣ型炭化物を微細分散する働きがあり、組織を微細化するため、機械的性質、さらには耐クラック性の向上にも寄与する。このため、Ｎｂは、０．０１％以上、望ましくは０．１％以上含有させる。一方、あまりに多く含有すると、炭化物が偏析を起こし易くなる。このため、Ｎｂの上限は１.０％、望ましくは０．６％に規定する。
また、Ｔｉは、溶湯中で酸化物を生成して、溶湯中の酸素含有量を低下させ、製品の健全性を向上させると共に、生成した酸化物が結晶核として作用するために凝固組織の微細化に効果がある。一方、あまりに多く含有すると介在物となって残存する不都合がある。このため、Ｔｉを添加する場合でも、含有量は０.０１％以上１．０％以下となるようにする。
なお、Ｎｂ及び／又はＴｉを含有する場合であっても、Ｎｂ及び／又はＴｉとＶとの合計は５．５％以上１０．０％以下とすることが好適である。これらの合計が多くなると、炭化物が偏析を起こし易くなるため、望ましくは７．０％以下となるようにする。
Ｂ：０％を越えて０．０５％以下
Ｂは、焼入れ性を良くする働きを有する。圧延用複合ロールのように質量の大きな鋳物の場合、冷却速度を速くすることは一般に困難であるが、焼入れ性の向上により、良好な焼入れ組織を得易くなる。一方、含有量が多すぎると材質が脆くなり好ましくない。このため、必要に応じて含有させる場合でも、鋳鉄材における含有量は上限を０.０５％、望ましくは０．０３％となるようにする。
Ｂは、焼入れ性を良くする働きを有する。圧延用複合ロールのように質量の大きな鋳物の場合、冷却速度を速くすることは一般に困難であるが、焼入れ性の向上により、良好な焼入れ組織を得易くなる。一方、含有量が多すぎると材質が脆くなり好ましくない。このため、必要に応じて含有させる場合でも、鋳鉄材における含有量は上限を０.０５％、望ましくは０．０３％となるようにする。
Ｐ：０％を越えて０．０８％以下、Ｓ：０％を越えて０．０６％以下
Ｐの含有量が０．０８％、Ｓの含有量が０．０６％を夫々越えると、耐酸化性、靭性が低下するから、Ｐ及びＳは夫々０．０８％以下、０．０６％以下好適である。望ましくは、Ｐ及びＳの上限を０．０５％以下とする。一方で、Ｐは、被削性を向上させるので０％を越えて含有させることが好適であり、０．０１５％以上含有することが望ましい。また、Ｓは、Ｍｎと化合して被削性を向上させるため、０％を越えて含有させることが好適であり、０．００５％以上含有することが望ましい。
Ｐの含有量が０．０８％、Ｓの含有量が０．０６％を夫々越えると、耐酸化性、靭性が低下するから、Ｐ及びＳは夫々０．０８％以下、０．０６％以下好適である。望ましくは、Ｐ及びＳの上限を０．０５％以下とする。一方で、Ｐは、被削性を向上させるので０％を越えて含有させることが好適であり、０．０１５％以上含有することが望ましい。また、Ｓは、Ｍｎと化合して被削性を向上させるため、０％を越えて含有させることが好適であり、０．００５％以上含有することが望ましい。
本発明の外層材は、上記成分を含有し、残部はＦｅ及び不可避的に混入する不純物で形成される。
本発明の圧延用複合ロールは、圧延に供される外層と、外層の内側に中間層及び／又は内層と、軸材によって構成することができる。内層を構成する内層材として、高級鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、黒鉛鋼等の強靱性を有する材料を例示でき、中間層を構成する中間層材としてアダマイト材を例示できる。
外層は、上記成分の外層材の合金溶湯を溶製し、たとえば、遠心力鋳造や静置鋳造によって鋳込むことができる。遠心力鋳造は、縦型（回転軸が鉛直方向）、傾斜型（回転軸が斜め方向）や横型（回転軸が水平方向）の何れであってもよい。
外層材の鋳込み時に、凝固速度は１０ｍｍ／ｍｉｎ以上とする。凝固速度の調整は、鋳型を空冷や水冷することで実施できる。
このように外層材の凝固速度を規定することで、Ｖを基地中により多く固溶させることができ、基地の熱処理特性を改善し、引張り強さを高めることができる。
鋳造された外層材には、内層又は中間層と内層を鋳込んだり、焼き嵌め等することで圧延用複合ロールが作製される。
望ましくは、圧延用複合ロールには、焼入処理を施す。このとき、外層材の焼入れ時の冷却速度は、オーステナイト化温度から７００℃までの冷却速度を１０００℃／ｈ以上、３２００℃／ｈ以下に調整する。オーステナイト化温度から７００℃（略フェライト化温度）までの冷却速度を早くすることで、基地中に分散したＶにより焼入れ性を高めることができ、引張り強さをさらに向上させることができる。
本発明に係る外層は、上記成分及び凝固速度、焼入れ時の冷却速度の調整により、引張り強さ１０００ＭＰａ、好適には１１５０ＭＰａ、望ましくは１２５０ＭＰａを実現できる。
そして、上記外層材を外層として構成される圧延用複合ロールは、外層の引張り強さが高く、耐摩耗性、耐肌荒れ性及び耐クラック性にすぐれる。従って、外層表面の研削頻度を低減できるから、外層の消耗を低減することができる。
本発明の外層材を外層として構成される圧延用複合ロールは、とくに、熱負荷の大きい熱間仕上げ圧延の前・中段スタンドへの適用に好適である。
高周波誘導溶解炉にて、表１に示す各種成分の合金溶湯を溶製し、遠心力鋳造を行なった。表１中、実施例１〜７は発明例である。
表１中、凝固速度とは、遠心力鋳造時の合金溶湯の冷却速度である。
外層材を鋳込んだ後、内層を鋳込み、圧延用複合ロールを作製した。
得られた圧延用複合ロールの胴部余長部から外層部の供試材を切り出し、ロール本体に実施する熱処理と同等のオーステナイト化熱処理及び、焼入れ、焼戻し熱処理を施した。表１中、外層冷却速度とは、焼入れ時の外層のオーステナイト化温度から７００℃までの冷却速度である。なお、このとき、外層の廃棄径付近の冷却速度は４００℃／ｈ〜７００℃／ｈと推定される。
焼入れを施した実施例及び比較例の圧延用複合ロールの供試材について、機械加工を施した後、縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ１５ｍｍの試験片を夫々切り出し、ロックウェル硬さ試験法（ＪＩＳ Ｇ ０２０２）に従って外層のロックウェル硬さ（ＨＲＣ）を測定した。結果を表１に示す。
また、ＪＩＳ１４号試験片を用いて、引張り強さを測定した。引張り強さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に従って実施した。結果を表１に示す。
表１を参照すると、実施例は、硬度が比較例に比して同等又は若干劣っているが、引張り強さが２００ＭＰａ〜３００ＭＰａ以上向上していることがわかる。
一方で、引張り強さは、上記規定したＶを含有し、外層材の凝固速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ以上に調整したことで、Ｖを基地中により多く固溶させることができたことによるものである。
そして、さらに、焼入れ時の冷却速度をオーステナイト化温度から７００℃までの冷却速度を１０００℃／ｈ、以上３２００℃／ｈ以下に調整したことで、基地中に固溶したＶにより焼入れ性を高めることができ、引張り強さをさらに向上させることができた。
実施例どうしを比較すると、外層材の凝固速度が速いほど、また、外層冷却速度が速い程、引張り強さが向上していることがわかる。これは、上記したとおり、Ｖを基地中により多く残存させることができたこと、また、基地中に分散したＶにより焼入れ性を高めることができたことによるものである。
上記より、外層の引張り強さ１２５０ＭＰａとするためには、凝固速度を１１ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることが望ましく、また、外層冷却速度を１５００℃／ｈ以上とすることが望ましいことがわかる。
上記説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を限縮するように解すべきではない。また、本発明の各部構成は、上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。
Claims (5)
- 圧延用複合ロールの外層材の製造方法であって、
質量％にて、Ｖ：５．５％以上１０．０％以下を含むハイス系鋳鉄材からなる合金溶湯を、凝固速度を１０ｍｍ／ｍｉｎ以上で遠心力鋳造する鋳込み工程と、
オーステナイト化温度から７００℃までの冷却速度が、１０００℃／ｈ以上３２００℃／ｈである焼入処理工程と、を含み、
引張り強さが１１００ＭＰａ以上である、
ことを特徴とする圧延用複合ロールの外層材の製造方法。 - 前記外層材は、質量％にて、さらに、Ｃ：１．８％以上２．５％以下、Ｓｉ：０％を越えて１．０％以下、Ｍｎ：０％を越えて１．０％以下、Ｎｉ：０％を越えて０．５％以下、Ｃｒ：３．０％以上８．０％以下、Ｍｏ：２．０％以上１０．０％以下、Ｗ：０％を越えて１０％以下、残部Ｆｅ及び不可避的不純物を含んでいる、
請求項１に記載の圧延用複合ロールの外層材の製造方法。 - 前記外層材は、質量％にて、Ｎｂ：０．０１％以上１．０％以下及び／又はＴｉ：０．０１％以上１．０％以下をさらに含有し、Ｎｂ及び／又はＴｉとＶとの合計が５．５％以上１０％以下である、
請求項１又は請求項２に記載の圧延用複合ロールの外層材の製造方法。 - 前記外層材は、質量％にて、Ｂ：０％を越えて０．０５％以下を含有する、
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の圧延用複合ロールの外層材の製造方法。 - 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の製造方法によって製造された外層材を外層とし、該外層材の内側に内層又は中間層と内層を具える、
圧延用複合ロールの製造方法。
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