JP6621650B2 - 熱延プロセス用ロールおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
このようなロールは、外周部の肉盛層が引張強度や耐力、伸び、絞り、硬さ(とくに高温での硬さ)等の機械的強度に富むほか、耐摩耗性、耐焼付き性、耐熱衝撃性、耐高温酸化特性等に優れている。そのため、ラッパーロールやピンチロール、ルーパーロール、搬送用テーブルロールなど、熱延鋼板の圧延設備に用いられる熱延プロセス用ロールに適しており、高い耐久性能を発揮する。
しかも、肉盛層の厚さが5mm以上と厚いため、摩耗が進行した場合や、使用中表面傷などが発生した場合等に外周面を再研削加工することにより再使用可能となるため、きわめて長期間の使用が可能である。また、肉盛層にその程度以上の厚みがあると、高い熱衝撃や物理的負荷を受けた場合にも、剥離や割れが発生しがたい。
従来の肉盛層と比べると、Crを13.5〜14.5%と増量するとともに1%前後のCuおよびCoを新たに添加した点で特徴的であり、その点で前記のもの(第1の熱延プロセス用ロール)と共通する。
このようなロールも、前記のものと同様に外周部の肉盛層が引張強度や耐力、伸び、絞り、硬さ(とくに高温での硬さ)等の機械的強度に富むほか、耐摩耗性、耐焼付き性、耐熱衝撃性、耐高温酸化特性等に優れているため、ラッパーロールやピンチロール、ルーパーロール、搬送用テーブルロールなど、熱延鋼板の圧延設備における熱延プロセス用ロールとして使用されるとき、高い耐久性能を発揮する。前記のものに比べると、CとSiをやや多く含むほか、MoとNbの含有量が多いことから、高温特性がさらに高い(高温において軟化しがたい)ため、鋼板が衝突して打ち疵が発生しやすいピンチロール等として使用するのにとくに適している。
このロールにおいても、外周部の肉盛層の厚さが5mm以上と厚いため、外周面の再加工を繰り返すことによりきわめて長期間の使用が可能である等の利点がある。
熱延プロセス用ロールにおける外周部の肉盛層は、一般に、表面が硬いほど耐久性に関して有利である。圧延鋼板に接触して表面が500℃前後になることから、その程度の高温度における表面硬度が高いことがとくに好ましい。
前記化学成分を有するロールにおいて500℃での表面硬度をHS50以上にすると、そのような温度での耐摩耗性や耐焼付き性がとくに高くなり、熱延プロセス用ロールとして優れた耐久性能を発揮するものとなる。
上記肉盛層については、SUS(ステンレス鋼)圧延時の耐焼付き性(発生限界滑り率、焼付き幅0.5mm以上)が60%以上であり、48時間の耐腐食性テスト(JIS Z2371)で耐腐食性(腐食減量)が0.0065mg/mm2以下であると、熱延プロセス用ロールの耐久性能に関してさらに好ましい。
発明の熱延プロセス用ロールとしては、ロール軸そのものが一体に胴部を有していてその外周部に肉盛層が設けられている、という構成も採用可能である。しかし、上記のとおりロール軸にスリーブが嵌め付けられて胴部をなし、そのスリーブの外周部に肉盛層が形成されていると、スリーブを交換することによって、同じロール軸をきわめて長期間使用することができる。たとえば、肉盛層が摩耗することに対応して切削加工を繰り返したことによりその肉盛層が薄くなった場合や、圧延鋼板の材質等に応じてロール(胴部)の表面の材質を変更しようとする場合等に、ロール軸を変更せずに肉盛層付きのスリーブのみを交換して使用することが可能になる。
スリーブ(肉盛層以外の部分)が炭素鋼(低炭素鋼すなわち軟鋼)製のものであれば、スリーブ全体として耐衝撃性と硬さとを併せもつこととなり、肉盛層が割れたり剥離したりしがたく、耐久性能についてとくに有利である。
なお、ロール軸に嵌め付けられる前のスリーブは、ロール軸を含むロールの全体に対して寸法的に小さく、かつ軽量であって取り扱いが容易である。そのため、ロール軸に嵌め付ける前のスリーブに対して肉盛層を形成し熱処理等も行うなら、多くの工程において作業を簡略化・能率化し、熱延プロセス用ロールの低コスト化および製造期間の短縮が可能になる。
前述のとおり、連続鋳掛け鋳造法によると、溶接硬化肉盛法や溶射法で肉盛層を形成する場合とは異なり、成分や組織が均一であって十分な厚みを有する肉盛層が一度の鋳造で能率的に形成できるという利点がある。また、芯材と肉盛層との境界部を、剥離することのない強固な金属結合とすることができる。しかも、遠心鋳造や一般静置鋳造によっていずれかの層を形成する場合とは違って、鋳造時の冷却速度を高くできるほか、偏析や異常炭化物が生じにくいためCr、V、Mo等を多量に添加し得ることから、鋳造する層の機械的強度や耐食性等を高くすることが難しくない。そのため、連続鋳掛け鋳造法によって上記肉盛層が形成された上記ロールは、耐久性能に関する種々の特性についてきわめて好ましいといえる。
外周部の肉盛層を連続鋳掛け鋳造法により形成すると、上述のとおり、a)成分や組織が均一であって十分な厚み(5mm以上)を有する肉盛層が一度の鋳造にて能率的に形成できる、b)芯材と肉盛層との間を、剥離することのない強固な金属結合とすることができる、c)Cr、V、Mo等を多量に添加し得るため、肉盛層の機械的強度や耐食性等を高くすることが可能である、といった利点がある。したがって、上記製造方法によると、耐久性能に優れた熱延プロセス用ロールを能率的に製造することができる。
このように固溶化処理を行って急冷し時効硬化処理を行うと、固溶化処理によって鋼中に合金元素を均一に固溶化させたうえ、時効硬化処理によって均質でかつ微細な析出化合物を形成させることができる。そのため、上記化学成分を含む肉盛層が機械的強度や耐熱性、耐食性を向上させて、格別の耐久性能を有するものとなる。
連続鋳掛鋳造後の焼鈍しは、通常、冷却中の歪み防止や材質を柔らかくして加工性を改善するために行っている。しかし、今回の発明による材質の場合、鋳造後は約50%レベルのオーステナイト組織を持っているため、柔らかいうえに歪も少なく製造できる特徴がある。鋳造後に焼鈍しをする場合、折角高速冷却(焼入れ)で2次デンドライト及び結晶粒組織を微細化したにもかかわらず、高温かつ長時間の焼鈍しにより、結晶粒の粗大化をまねくとともに粒界近傍でのM23C6のCr主成分の2次析出炭化物を析出させるため結晶粒界付近でのCr濃度の偏析をもたらし、耐腐食性を損なうこととなる。さらに、連続鋳掛鋳造後に焼鈍しを行うと、M7C3やM23C6のCr炭化物を基地組織に多く固溶させるために行う固溶化処理には高温化及び維持時間の長時間化が必要になる。従って、連続鋳掛鋳造後に焼鈍しを省略することによって低温度・短時間の固溶化処理で均質化を図り、もって本件発明の材質成分が持つ耐食性をさらに向上させることが望ましい。
なお、仕上げのための肉盛層表面の機械加工は、上記した熱処理の後に行う。
この方法によって熱延プロセス用ロールを製造するなら、鋳造や熱処理に関する多くの工程において作業を簡略化・能率化することができ、製造コストの削減および製造期間の短縮が可能になる。ロール軸に嵌め付けられる前のスリーブは、ロール軸を含むロールの全体に対して寸法的に小さく、かつ軽量であって、取り扱いが容易だからである。
ロール1の胴部5は、圧延鋼板と摺動したり衝突したりしながら冷却水等に接触する高温腐食環境で使用されることから、その外周部の機械的強度や耐食性等を高くすべく、低炭素鋼(たとえばJIS-SS400)製のスリーブ3の外側に高合金鋼にてなる肉盛層4(厚さ5mm以上。同10mm以上であるのも好ましい)を設けたものである。
図1のロール1は、図2の配置におけるピンチロール13やラッパーロール14として使用すべく構成したものだが、他の熱延プロセス用ロールとして使用してもよい。また、いずれの熱延プロセス用ロールとするにも、ロールの構造は図1のものに限るわけではない。たとえば、スリーブを含まず、ロール軸が胴部を一体に有していて、その胴部に肉盛層が形成されているロールであっても、熱延プロセス用ロールとして使用できる。
図1と異なる構造のロールであっても、図2に示す熱延プロセス用ロール12〜15等は、同様に図3のような連続鋳掛け鋳造法によって形成するのがよい。ロールがスリーブを有しない場合には、ロール軸の胴部を中実の芯材23とし、その外周に肉盛層24を形成することができる。
中空または中実の芯材23の外周に肉盛層24を形成した後は、肉盛層4等を適切に熱処理し、そのうえで表面等を機械仕上げする。図1の例のように中空のスリーブ3を使用するロール1では、熱処理および機械仕上げの完了したスリーブ3をロール軸2に嵌め付ける。
なお、各試験のうち、後述する実機試験については、図3に示す連続鋳掛け鋳造法で肉盛層を形成したロールを製造し使用したが、実機試験以外については、連続鋳掛け鋳造法で製造する場合と凝固速度が類似する試験用金型モールド(内径φ90mm×長さ400mm)によって得る試験片を用いて試験を行った。製造した試験片および実機試験用ロールは、1000℃で7時間の固溶化処理を行ったのち強制空冷し、さらに400〜600℃で7時間の時効硬化処理をするという熱処理を施したうえで使用する。連続鋳掛鋳造後の焼鈍しは行っていない。
Crは耐食性を高める作用があり、Siは焼付きを防止する作用があるため、双方の作用がバランスして適切に得られるよう、両者の含有量の範囲を上記のとおり設定している。Siは、上記の範囲の量を含めることにより、高温酸化性と高温水蒸気下での耐食性を改善する作用もある。MoやCoは高温特性を向上させるために適量を含めている。Nbは、粒界及び粒内へのCr炭化物の析出を抑制させ、金属Crの減少による耐腐食性及び靭性の低化防止、ならびに凝固や固溶化処理時結晶粒の成長を抑制し結晶粒を微細化させる目的で適量を添加している。またCuは、析出硬化型元素であるため、上記のとおり適量を添加することによって基地の強度向上を図っている。
実施例1のものに比べるとCとMo、Nbを増量している。増量して上記範囲でそれらを含有させることにより、肉盛層4の高温特性を強化したものである。
実施例1の試験片は、引張強度と耐力、伸び、絞り、硬さのいずれにおいても比較例1のものより高く、高温での各特性についても同様となっている。実施例1の試験片において線膨張係数が低く耐力が高いことから、耐熱き裂性について実施例1のものが優れることも推測される。そのほか、耐腐食性、耐焼付き性、高温酸化特性に関しても、実施例1のものが比較例1のものを上回っている。
耐腐食性: JIS Z 2371の塩水噴霧試験方法に基づいて48時間の試験を行い、試験前・後の腐食減量を測定した。
耐焼付き性: (株)フジコーが開発した熱間焼付き・摩耗試験機を用い、試験片を回転させてその表面に所定の圧力で負荷材を押し付ける(SUSの圧延時を想定してステンレス鋼材を負荷材とする)ことにより、焼付き発生時の滑り率(発生限界滑り率。焼き付き幅は0.5mm以上)を調べた。
耐熱衝撃性: き裂のないことを事前確認した試験片を、所定の温度まで加熱したうえ水中に投入し、割れが発生するときの加熱温度を測定した。
高温酸化特性: 試験片を洗浄・乾燥させた後、大気中の電気炉に900℃で24時間維持したうえ冷却し、スケールの質量を含めて試験片の酸化増量を測定した。
上記実機試験の結果、実施例1の肉盛層の外径が摩耗等によって減少した量(単位時間あたりの減少量)は、比較例1の肉盛層が同様に減少した量の3.5分の1であった。しかも、上記試験期間の終了時点で、比較例1の肉盛層の表面には赤錆が観察されたが、実施例1の肉盛層4には観察されず、試験開始前の光沢が表面の全域に維持されていた。
実施例1〜4の試験片は、いずれも、300℃・500℃(およびその付近)での硬度が比較例1のものを大幅に上回る。これは、実施例1〜4において高温強度維持特性をもつ特殊添加元素の影響であると考えられる。高温領域での硬さが高いことは、実機使用環境でのロールの摩耗特性を始め耐打ち傷性や耐焼付き性等に有利に作用すると推測される。
2 ロール軸
3 スリーブ
4 肉盛層
5 胴部
13 ピンチロール
15 ラッパーロール
Claims (9)
- 外周部に、質量比でC:0.5〜0.7%、Si:2.8〜4.0%、Cu:0.9〜1.1%、Mn:1.4〜1.6%、Ni:2.7〜3.3%、Cr:13.5〜14.5%、Mo:0.8〜1.1%、Co:0.9〜1.1%、Nb:0.2〜0.4%を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる、厚さ5mm以上の肉盛層を有することを特徴とする熱延プロセス用ロール。
- 外周部に、質量比でC:0.7〜0.9%、Si:3.0〜4.5%、Cu:0.9〜2.0%、Mn:1.4〜1.6%、Ni:2.7〜3.3%、Cr:13.5〜14.5%、Mo:1.8〜4%、Co:0.9〜3.0%、Nb:0.4〜1.5%を含有し残部がFeおよび不可避的不純物からなる、厚さ5mm以上の肉盛層を有することを特徴とする熱延プロセス用ロール。
- 上記肉盛層について、500℃における高温硬度がHS50以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱延プロセス用ロール。
- SUS圧延時の耐焼付き性(発生限界滑り率、焼付き幅0.5mm以上)が60%以上であり、48時間の耐腐食性テスト(JIS Z2371)で腐食減量が0.0065mg/mm2以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱延プロセス用ロール。
- 炭素鋼製のスリーブが外周部に上記の肉盛層を有し、そのスリーブが、ロール軸の外側に嵌め付けられて胴部をなしていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱延プロセス用ロール。
- 胴部をなす中実軸またはスリーブの外周部に、連続鋳掛け鋳造法にて形成された上記肉盛層を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱延プロセス用ロール。
- 請求項1〜6のいずれかに記載した熱延プロセス用ロールの製造方法であって、
胴部とする中実軸またはスリーブを芯材とし、その外周部に、連続鋳掛け鋳造法によって上記肉盛層を形成する
ことを特徴とする熱延プロセス用ロールの製造方法。 - 上記肉盛層を形成した中実軸またはスリーブを、1000℃で7時間の固溶化処理を行ったのち強制空冷によって焼入れをし、さらに、400〜600℃で7時間の時効処理を行うこととし、連続鋳掛鋳造後に焼鈍し熱処理を行わないことを特徴とする請求項7に記載した熱延プロセス用ロールの製造方法。
- 上記肉盛層を形成したスリーブを、上記の固溶化処理、焼入れおよび時効処理を行ったのち、ロール軸の外側に嵌め付けて胴部とすることを特徴とする請求項8に記載した熱延プロセス用ロールの製造方法。
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