JP6977738B2 - 圧延用複合ロール及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記外層が、質量基準で1〜3%のCと、0.3〜3%のSiと、0.1〜3%のMnと、0.1〜5%のNiと、1〜7%のCrと、1〜8%のMoと、4〜7%のVと、0.005〜0.15%のNと、0.05〜0.2%のBとを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなるFe基合金からなり、
前記内層が、質量基準で2.4〜3.6%のCと、1.5〜3.5%のSiと、0.1〜2%のMnと、0.1〜2%のNiと、0.7%未満のCrと、0.7%未満のMoと、0.05〜1%のVと、0.01〜0.1%のMgとを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなる黒鉛鋳鉄からなり、
前記内層が前記外層に溶着した胴芯部と、前記胴芯部の両端から一体的に延出する軸部とを有し、前記軸部の少なくとも一方が5μm以上の円相当径を有する硬質MC炭化物を200個/cm2以上含有することを特徴とする。
(1) 回転する遠心鋳造用円筒状鋳型で前記外層を遠心鋳造した後、
(2) 前記外層の内面の温度が950℃以上1000℃未満のときに前記外層のキャビティに1330〜1400℃の前記内層用溶湯を鋳込み、前記外層の内面を厚さ10〜30 mmだけ再溶融させることを特徴とする。
(A) 外層
本発明の圧延用複合ロールを構成する外層は、質量基準で1〜3%のCと、0.3〜3%のSiと、0.1〜3%のMnと、0.1〜5%のNiと、1〜7%のCrと、1〜8%のMoと、4〜7%のVと、0.005〜0.15%のNと、0.05〜0.2%のBとを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなるFe基合金からなる。外層は更に0.1〜3質量%のNbを含有するのが好ましい。また、外層は更に0.1〜5質量%のWを含有するのが好ましい。外層はまた0.3質量%以下のSを含有しても良い。更に、外層は質量基準で0.1〜10%のCo、0.01〜0.5%のZr、0.005〜0.5%のTi、及び0.001〜0.5%のAlからなる群から選ばれた少なくとも一種を含有しても良い。
(a) C:1〜3質量%
CはV、Cr及びMoと(更に、Nb及びWを含有する場合にはNb及びWとも)結合して硬質炭化物を生成し、外層の耐摩耗性の向上に寄与する。Cが1質量%未満では硬質炭化物の晶出量が少なすぎて外層に十分な耐摩耗性を付与することができない。一方、Cが3質量%を超えると過剰な炭化物の晶出により外層の靱性が低下し、耐クラック性が低下するため、圧延によるクラックが深くなり、改削時のロール損失量が増加する。Cの含有量の下限は好ましくは1.2質量%であり、より好ましくは1.5質量%である。またCの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2.8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とともに、基地に固溶して耐焼付き性を向上させ、更に溶湯の流動性を向上させて鋳造欠陥を防止する作用を有する。Siが0.3質量%未満では溶湯の脱酸作用が不十分であり、溶湯の流動性も不足し、欠陥発生率が高い。一方、Siが3質量%を超えると合金基地が脆化し、外層の靱性は低下する。Si含有量の下限は好ましくは0.4質量%であり、より好ましくは0.5質量%である。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%である。
Mnは溶湯の脱酸作用の他に、SをMnSとして固定する作用を有する。MnSは潤滑作用を有し、圧延材の焼き付き防止に効果があるので、所望量のMnSを含有するのが好ましい。Mnが0.1質量%未満ではその添加効果は不十分である。一方、Mnが3質量%を超えても更なる効果は得られない。Mnの含有量の下限は好ましくは0.3質量%である。Mnの含有量の上限は好ましくは2.4質量%であり、より好ましくは1.8質量%である。
Niは外層の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を含有すると、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。Niの添加効果は0.1質量%未満ではほとんどなく、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含有量の下限は好ましくは0.2質量%であり、より好ましくは0.3質量%であり、更に好ましくは0.5質量%である。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3.5質量%である。
Crは基地をベイナイト又はマルテンサイトにして硬さを保持し、外層の耐摩耗性を維持するのに有効な元素である。Crが1質量%未満ではその効果が不十分であり、Crが7質量%を超えると、基地組織の靭性が低下する。Crの含有量の下限は好ましくは1.5質量%であり、より好ましくは2.5質量%である。Cr含有量の上限は好ましくは6.8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とともに、基地の焼入れ性を向上させる。また、MoはV及び/又はNbとともに強靭かつ硬質MC炭化物を生成し、耐摩耗性を向上させる。Moが1質量%未満ではそれらの効果が不十分である。一方、Moが8質量%を超えると、外層の靭性が低下する。Mo含有量の下限は好ましくは1.5質量%であり、より好ましくは2.5質量%である。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。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4質量%未満では、MC炭化物の析出量が不十分であるだけでなく、内層に溶け込むMC炭化物量が不足することにより、クラッチ部の耐損傷性の向上効果が不十分である。一方、Vが7質量%を超えると、鉄溶湯より比重の軽いMC炭化物が遠心鋳造中の遠心力により外層の内側に濃化し、MC炭化物の半径方向偏析が著しくなるだけでなく、MC炭化物が粗大化して合金組織が粗くなり、圧延時に肌荒れしやすくなる。V含有量の下限は好ましくは4.5質量%であり、より好ましくは5質量%である。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%である。
Nは炭化物を微細化する効果を有するが、0.15質量%を超えると外層が脆化する。N含有量の上限は好ましくは0.1質量%である。十分な炭化物微細化効果を得るには、N含有量の下限は0.005質量%であり、好ましくは0.01質量%である。
Bは炭化物に固溶するとともに、潤滑作用を有する炭ホウ化物を形成し、外層の耐焼付き性(耐事故性)を向上させる。炭ホウ化物の潤滑作用は特に高温で顕著に発揮されるので、熱間圧延材のかみ込み時の外層の焼き付き防止に効果的である。Bが0.05質量%未満では十分な潤滑作用が得られない。一方、Bが0.2質量%を超えると外層を脆化させる。B含有量の下限は好ましくは0.06質量%であり、より好ましくは0.07質量%である。またB含有量の上限は好ましくは0.15質量%であり、より好ましくは0.1質量%である。
外層は更に、0.1〜3質量%のNbを含有しても良い。また、外層は0.1〜5質量%のWを含有しても良い。外層は更に0.3質量%以下のSを含有しても良い。外層は更に、質量基準で0.1〜10%のCo、0.01〜0.5%のZr、0.005〜0.5%のTi、及び0.001〜0.5%のAlからなる群から選ばれた少なくとも一種を含有しても良い。
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。NbはVより原子量が大きいためVを主体としたMC炭化物に固溶することにより、鉄溶湯より比重の小さなV主体のMC炭化物の比重が大きくなるため、遠心鋳造中の遠心力によるMC炭化物の偏析を軽減させる作用を有する。Nbが0.1質量%未満では、MC炭化物の晶出量の寄与が少なく内層に溶け込むMC炭化物量を増加させる効果がほとんどなく、クラッチ部の耐損傷性の向上効果への寄与が少ない。一方、Nbが3質量%を超えると、鉄溶湯より比重の重いNbを主体とするMC炭化物の晶出量が増加し、遠心力により表面側に濃化及び偏析しやすくなる。Nb含有量の下限は好ましくは0.2質量%である。Nb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2.8質量%である。
WはCと結合して硬質のM6C等の硬質炭化物を生成し、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5質量%を超えると、M6C炭化物が多くなり、組織が不均質となり、肌荒れの原因となる。従って、Wを含有する場合、5質量%以下とする。一方、Wが0.1質量%未満ではその効果は不十分である。Wの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質量%である。
MnSの潤滑性を利用する場合、0.3質量%以下のSを含有しても良い。しかし、Sが0.3質量%を超えると外層の脆化が起こる。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。MnSの潤滑性を利用する場合、S含有量の下限は0.05質量%がより好ましい。
Coは基地中に固溶し、基地の熱間硬さを増加させ、外層の耐摩耗性及び耐肌荒れ性を改善する効果を有する。Coが0.1質量%未満では効果はほとんどなく、また10質量%を超えても更なる向上は得られない。Co含有量の下限は好ましくは1質量%である。またCo含有量の上限は好ましくは7質量%である。
V及びNbと同様に、ZrはCと結合してMC炭化物を生成し、外層の耐摩耗性を向上させる。また、Zrは溶湯中で結晶核として作用する酸化物を生成し、凝固組織を微細にする。更に、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。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0.02質量%である。
TiはC及びNと結合し、TiC、TiN又はTiCNのような硬質の粒状化合物を形成する。これらは、MC炭化物の核となるため、MC炭化物の均質分散効果があり、外層の耐摩耗性及び耐肌荒れ性の向上に寄与する。しかし、Ti含有量が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。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。十分な添加効果を得るために、Tiの含有量の下限はより好ましくは0.01質量%である。
Alは酸素との親和性が高いため、脱酸剤として作用する。また、AlはN及びOと結合し、形成された酸窒化物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、外層が脆くなる。また、Alが0.001質量%未満ではその効果が十分でない。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。十分な添加効果を得るために、Alの含有量の下限はより好ましくは0.01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、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等の元素を外層の特性を損なわない範囲で含有しても良い。外層の優れた耐摩耗性及び耐事故性を確保するために、不可避的不純物の合計量は0.7質量%以下であるのが好ましい。
外層の組織は、(a) MC炭化物、(b) M2CやM6CのMoを主体とする炭化物(Mo系炭化物)又はM7C3やM23C6のCrを主体とする炭化物(Cr系炭化物)、(c) 炭ホウ化物、及び(d) 基地からなる。炭ホウ化物はM(C, B)やM23(C, B)6等の組成を有する。金属Mは主にFe、Cr、Mo、V、Nb及びWの少なくとも一種であり、金属M,C及びBの割合は組成により変化する。本発明の外層組織には黒鉛が存在しないのが好ましい。本発明の圧延用複合ロールの外層は、硬質のMC炭化物、Mo系炭化物又はCr系炭化物を有するので、耐摩耗性に優れ、かつ炭ホウ化物を含有するために耐事故性に優れている。
本発明の圧延用複合ロールの内層は、質量基準で2.4〜3.6%のCと、1.5〜3.5%のSiと、0.1〜2%のMnと、0.1〜2%のNiと、0.7%未満のCrと、0.7%未満のMoと、0.05〜1%のVと、0.01〜0.1%のMgとを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなる黒鉛鋳鉄からなる。
(a) C:2.4〜3.6質量%
Cは基地に固溶するとともに、黒鉛として晶出する。黒鉛晶出のためにはCの含有量は2.4質量%以上である必要があるが、3.6質量%を超えると内層の機械的性質の劣化を招来する。Cの含有量の下限は2.7質量%が好ましい。またCの含有量の上限は3.5質量%が好ましい。
Siは黒鉛を晶出させるために必要な元素であり、1.5質量%以上含有する必要があるが、3.5質量%を超えると内層の機械的性質の劣化を来す。Siの含有量の下限は1.7質量%が好ましい。またSiの含有量の上限は3質量%が好ましい。
Mnは、溶湯の脱酸作用の他に不純物であるSと結合してMnSを生成し、Sによる脆化を防ぐ作用も有している。Mnの含有量は0.1質量%以上である必要があるが、2質量%を超えると内層の機械的性質が劣化する。Mnの含有量の下限は0.15質量%が好ましい。またMnの含有量の上限は1.2質量%が好ましい。
Niは黒鉛化の補助元素として有効である。黒鉛化の効果を得るためには0.1質量%以上が必要であり、0.2質量%以上が好ましい。これに加え、内層鋳込み時の外層との溶着時に外層内面が溶融し内層に混入するため、外層のNi含有量が内層より高い場合、内層のNi含有量が増加する。Ni含有量が増加すると、高温でのオーステナイト相から常温での主体となるパーライト相への変態温度が低下し、鋳造後冷却中の外層の軸方向割れが生じやすくなるため、Niの上限は2質量%とする必要があり、1.8質量%が好ましい。
CrはCと結合してセメンタイトを形成し、耐摩耗性を改善するが、多すぎると内層の機械的性質の劣化を来す。Crが0.7質量%以上であると内層の機械的性質が劣化する。Crの含有量の上限は0.5質量%が好ましい。なお、Crの含有量の下限は0.05質量%で良い。またCrは溶着一体化する外層から内層に混入するので、外層からの混入量を見込んで、溶着一体化後の内層中のCrの含有量が0.7質量%未満となるように、内層用溶湯中のCrの含有量を設定する必要がある。Crの含有量の上限は0.5質量%が好ましい。
Moは白銑化元素であり、黒鉛化を阻害するため、その含有量を制限する必要がある。外層との溶着一体化(外層内面の溶融)により外層から内層に混入するMoはMC炭化物に含まれ、あるいはM2C炭化物の状態にある。本発明は、意識的に外層から内層にMoをMC炭化物の状態で混入させ、MC炭化物を再溶融させずにそのまま内層内に残留させることにより、内層の耐摩耗性の向上を図ることを特徴としている。このため、Mo含有量の下限は0.05質量%が好ましい。一方、Moが0.7質量%以上になると黒鉛化が著しく阻害され、内層の靭性が劣化する。Moの含有量の上限は0.5質量%が好ましい。
Vは強い白銑化元素であり黒鉛化を阻害するため、含有量は制限される。外層との溶着一体化(外層内面の溶融)により外層から内層に混入するVの多くはMC炭化物の状態にある。本発明は、意識的に外層から内層にMC炭化物を混入させ、再溶融せずにそのまま内層内に残留させることにより、Vの黒鉛化阻害作用を抑制しながら内層の耐摩耗性の向上を図ることを特徴とする。内層の耐摩耗性を十分に確保するために、Vは0.05質量%以上なければならない。しかし、Vの含有量が1質量%を超えると、Vの黒鉛化阻害の作用の影響が大きくなりすぎる。Vの含有量の下限は0.1質量%が好ましい。またVの含有量の上限は0.7質量%が好ましく、0.5質量%が更に好ましい。
Mgは黒鉛を球状化する効果がある。球状化により内層の強靭性が大幅に向上する。球状化のためにMgは0.01質量%以上である必要があるが、0.1質量%以下で十分である。Mgの含有量の下限は0.015質量%が好ましい。またMgの含有量の上限は0.05質量%が好ましい。
(a) Nb:0.5質量%未満
Vと同様に、Nbは強い白銑化元素であり黒鉛化を阻害するため、含有量は制限される。外層にNbが含まれる場合、外層との溶着一体化(外層内面の溶融)により外層から内層に混入するNbの多くはMC炭化物の状態にある。Nbの含有量が0.5質量%を超えると、Nbの黒鉛化阻害の作用の影響が大きくなりすぎる。Nbの含有量の上限は0.4質量%が好ましい。なお、Nbの含有量は、0.02質量%以上であると、MC炭化物による内層の耐摩耗性の更なる向上を図ることができるため、好ましい。
Wは炭化物形成元素であり、内層の黒鉛化を阻害する。外層にWが含まれる場合、Wを含有する外層との溶着一体化(外層内面の溶融)により外層から内層にWが混入することは避けられないが、黒鉛化阻害防止のためWを0.7質量%未満に抑える必要がある。Wの含有量の上限は0.6質量%が好ましい。
内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、S及びN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%以下が好ましく、Sの含有量は 0.05質量%以下が好ましく、Nは0.07質量%以下が好ましい。また、Bは内層の黒鉛化を阻害するため、0.05質量%未満が好ましい。その他の不可避的不純物として、外層にZr、Co、Ti、Al、Ba、Cu、Sb、Te、Ce、希土類金属元素等の元素が含まれる場合、これらの元素の含有量は合計で0.7質量%以下とするのが好ましい。
本発明の圧延用複合ロールの内層は黒鉛が晶出した黒鉛鋳鉄からなる。黒鉛鋳鉄は黒鉛を含有しない白鋳鉄より軟らかく、変形能が大きい。黒鉛鋳鉄は、球状、片状、隗状等の黒鉛の形状に応じて分類される。特に、球状黒鉛が晶出した球状黒鉛鋳鉄は大きな強靭性を有するため、ロール内層材に好ましい。
図3(a) 及び図3(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。この静置鋳造用鋳型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の従動側軸部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の駆動側軸部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3(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3に示す外層組成(残部はFe及び不可避的不純物である。)が得られる溶湯を用いて外層1を遠心鋳造した。遠心鋳造中にSiを主体とする酸化物系フラックスを添加し、外層の内面に厚さ5 mmのフラックス層を形成した。その後、鋳型の内面に外層1(厚さ:90 mm)及びその内面にフラックス層(厚さ:5 mm)が形成された円筒状鋳型30を起立させ、駆動側軸部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の上に従動側軸部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3(b) に示す静置鋳造用鋳型100を構成した。
円相当径が5μm以上の硬質MC炭化物の数のカウントは、任意の10視野(1視野:660μm×989μm)で行い平均値を求め、1 cm2当たりの個数に換算した。
Claims (8)
- 外層と内層とが溶着一体化してなる圧延用複合ロールであって、
前記外層が、質量基準で1〜3%のCと、0.3〜3%のSiと、0.1〜3%のMnと、0.1〜5%のNiと、1〜7%のCrと、1〜8%のMoと、4〜7%のVと、0.005〜0.15%のNと、0.05〜0.2%のBとを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなるFe基合金からなり、
前記内層が、質量基準で2.4〜3.6%のCと、1.5〜3.5%のSiと、0.1〜2%のMnと、0.1〜2%のNiと、0.7%未満のCrと、0.7%未満のMoと、0.05〜1%のVと、0.01〜0.1%のMgとを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物からなる黒鉛鋳鉄からなり、
前記内層が前記外層に溶着した胴芯部と、前記胴芯部の両端から一体的に延出する軸部とを有し、前記軸部の少なくとも一方が5μm以上の円相当径を有する硬質MC炭化物を200個/cm2以上含有することを特徴とする圧延用複合ロール。 - 請求項1に記載の圧延用複合ロールにおいて、前記外層が更に0.1〜3質量%のNbを含有するとともに、前記内層が0.5質量%未満のNbを含有することを特徴とする圧延用複合ロール。
- 請求項1又は2に記載の圧延用複合ロールにおいて、前記外層が更に0.1〜5質量%のWを含有するとともに、前記内層が0.7質量%未満のWを含有することを特徴とする圧延用複合ロール。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の圧延用複合ロールにおいて、前記外層が更に0.3質量%以下のSを含有することを特徴とする圧延用複合ロール。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の圧延用複合ロールにおいて、前記外層が更に、質量基準で0.1〜10%のCo、0.01〜0.5%のZr、0.005〜0.5%のTi、及び0.001〜0.5%のAl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圧延用複合ロール。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の圧延用複合ロールを製造する方法において、
(1) 回転する遠心鋳造用円筒状鋳型で前記外層を遠心鋳造した後、
(2) 前記外層の内面の温度が950℃以上1000℃未満のときに前記外層のキャビティに1330〜1400℃の前記内層用溶湯を鋳込み、前記外層の内面を厚さ10〜30 mmだけ再溶融させることを特徴とする圧延用複合ロールの製造方法。 - 請求項6に記載の圧延用複合ロールの製造方法において、前記内層用溶湯を鋳込むときの前記外層の内面温度が960〜990℃であることを特徴とする圧延用複合ロールの製造方法。
- 請求項6又は7に記載の圧延用複合ロールの製造方法において、前記内層用溶湯が、質量基準で2.5〜3.6%のC、1.7〜3.3%のSi、0.1〜1.5%のMn、0.1〜2%のNi、0〜0.5%のCr、0〜0.5%のMo、及び0.01〜0.1%のMgを含有し、残部が実質的にFe及び不可避的不純物である組成を有することを特徴とする圧延用複合ロールの製造方法。
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