JP7400718B2 - 圧延用遠心鋳造複合ロール及びその製造方法 - 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遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールを開示している。また、WO 2015/045985 A1は、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り、前記外層が質量基準で、C:1.6~3%、Si:0.3~2.5%、Mn:0.3~2.5%、Ni:0.1~5%、Cr:2.8~7%、Mo:1.8~6%、V:3.3~6.5%、及びB:0.02~0.12%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1~25%のCr系炭化物を含有する遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールを開示している。しかし、これらの遠心鋳造製熱間圧延用複合ロールの外層は、耐摩耗性、耐焼付き性(耐事故性)及び耐肌荒れ性に優れているが、低圧縮残留応力が得られない場合があり、亀裂進展の抑制や遅れ破壊の防止という観点では必ずしも十分ではないことがあった。
前記外層が質量基準で、1.70~2.70%のCと、0.3~3%のSiと、0.1~3%のMnと、1.1~3.0%のNiと、4.0~10%のCrと、2.0~7.5%のMoと、3~6.0%のVと、0.1~2%のWと、0.2~2%のNbと、0.01~0.2%のBと、0.01~0.1%のNとを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなるFe基合金からなり、
前記内層がダクタイル鋳鉄からなることを特徴とする。
回転する遠心鋳造用円筒状鋳型で前記外層を遠心鋳造する工程、及び前記外層のキャビティに前記内層用溶湯を鋳込む工程を有し、
前記内層の鋳造後又は鋳造中に、前記外層をオーステナイト化温度以上に再度加熱し、
再加熱温度から600℃までの間を10~60℃/hrの冷却速度で冷却することを特徴とする。
(A) 外層
遠心鋳造外層を形成するFe基合金は、質量基準で1.70~2.70%のCと、0.3~3%のSiと、0.1~3%のMnと、1.1~3.0%のNiと、4.0~10%のCrと、2.0~7.5%のMoと、3~6.0%のVと、0.1~2%のWと、0.2~2%のNbと、0.01~0.2%のBと、0.01~0.1%のNとを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる化学組成を有する。このような組成の外層とすることにより、優れた耐摩耗性及び耐焼付き性を兼備するとともに、外層の廃却径における円周方向の圧縮残留応力が低い遠心鋳造複合ロールを得ることができる。外層のFe基合金はさらに、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。
(a) C:1.70~2.70質量%
CはV、Cr、Mo、Nb及びWと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1.70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2.70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含有量の下限は好ましくは1.75質量%であり、より好ましくは1.80質量%である。また、C含有量の上限は好ましくは2.65質量%であり、より好ましくは2.60質量%である。C含有量の範囲を例示すると、好ましくは1.75~2.65質量%であり、より好ましくは1.80~2.60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、さら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%であり、最も好ましくは0.6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質量%である。Si含有量の範囲を例示すると、好ましくは0.4~2.7質量%であり、より好ましくは0.5~2.5質量%であり、最も好ましくは0.6~2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0.2質量%であり、より好ましくは0.3質量%である。また、Mn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%であり、最も好ましくは1質量%である。Mn含有量の範囲を例示すると、好ましくは0.2~2.4質量%であり、より好ましくは0.3~1.8質量%であり、最も好ましくは0.3~1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。また、焼入れ性が向上するため、外層の硬さを確保するための冷却速度を遅くすることができ、圧縮残留応力を低減する効果も有する。Niが1.1質量%未満ではその添加効果は十分でなく、また3.0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1.3質量%であり、最も好ましくは1.4質量%である。また、Ni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%であり、最も好ましくは2.7質量%である。Ni含有量の範囲を例示すると、好ましくは1.2~2.9質量%であり、より好ましくは1.3~2.8質量%であり、最も好ましくは1.4~2.7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、耐摩耗性を維持するのに有効な元素である。Crが4.0質量%未満ではその効果が不十分であり、Crが10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4.1質量%であり、より好ましくは4.2質量%である。また、Cr含有量の上限は好ましくは7.5質量%であり、より好ましくは7.3質量%である。Cr含有量の範囲を例示すると、好ましくは4.1~7.5質量%であり、より好ましくは4.2~7.3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。Moが2.0質量%未満では特に硬質炭化物の形成が不十分となるのでそれらの効果が不十分である。一方、Moが7.5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3.0質量%であり、より好ましくは3.2質量%である。また、Mo含有量の上限は好ましくは7.0質量%であり、より好ましくは6.5質量%であり、最も好ましくは6.0質量%である。Mo含有量の範囲を例示すると、好ましくは3.0~7.0質量%であり、より好ましくは3.2~6.5質量%であり、最も好ましくは3.2~6.0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3質量%未満では、その添加効果が不十分である。一方、Vが6.0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5.8質量%であり、より好ましくは5.6質量%であり、最も好ましくは5.5質量%である。V含有量の範囲を例示すると、好ましくは3.2~5.8質量%であり、より好ましくは3.5~5.6質量%であり、最も好ましくは3.5~5.5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。Wが0.1質量%未満では、その添加効果が不十分である。一方、Wが2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。W含有量の下限は0.2質量%が好ましい。また、W含有量の上限は好ましくは1.9質量%であり、より好ましくは1.8質量%である。W含有量の範囲を例示すると、好ましくは0.2~1.9質量%であり、より好ましくは0.2~1.8質量%である。
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系のMC炭化物は、VC系のMC炭化物より溶湯との比重差が小さいので、MC炭化物の偏析を軽減させる。Nbが0.2質量%未満では、その添加効果が不十分である。一方、Nbが2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。Nb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。また、Nb含有量の上限は好ましくは1.9質量%であり、より好ましくは1.8質量%であり、最も好ましくは1.7質量%である。Nb含有量の範囲を例示すると、好ましくは0.4~1.9質量%であり、より好ましくは0.5~1.8質量%であり、最も好ましくは0.5~1.7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、耐焼付き性を向上させる。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焼き付き防止に効果的である。またBは硬さ向上に効果があり、外層の硬さを確保して圧縮残留応力の低減に寄与することが考えられる。Bが0.01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%を超えると外層が脆化する。B含有量の下限は好ましくは0.02質量%であり、より好ましくは0.03質量%である。また、B含有量の上限は好ましくは0.18質量%であり、より好ましくは0.15質量%である。B含有量の範囲を例示すると、好ましくは0.02~0.18質量%であり、より好ましくは0.03~0.15質量%である。
Nは炭化物を微細化する効果を有する。Nが0.01質量%未満であると、炭化物の微細化効果が不十分である。また、Nが0.1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0.015質量%であり、より好ましくは0.02質量%である。また、N含有量の上限は好ましくは0.09質量%であり、より好ましくは0.08質量%である。N含有量の範囲を例示すると、好ましくは0.015~0.09質量%であり、より好ましくは0.02~0.08質量%である。
外層はさらに、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の元素を含有しても良い。外層はさらに0.3質量%以下のSを含有しても良い。
Coは基地中に固溶し、基地の熱間硬さを増加させ、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%未満では添加効果はほとんどなく、また10質量%を超えてもさらなる向上は得られない。Co含有量の下限はより好ましくは1質量%である。また、Co含有量の上限はより好ましくは7質量%、最も好ましくは6質量%である。Co含有量の範囲を例示すると、より好ましくは1~7質量%であり、最も好ましくは1~6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、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。この効果を得るために、Zrの添加量は0.01質量%以上であるのが好ましい。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含有量の下限はより好ましくは0.02質量%である。Zr含有量の範囲を例示すると、より好ましくは0.02~0.3質量%である。
TiはC及びNと結合し、TiC、TiN及び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、耐摩耗性及び耐肌荒れ性の向上に寄与する。この効果を得るために、Tiの添加量は0.005質量%以上であるのが好ましい。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。また、十分な添加効果を得るためには、Ti含有量の下限はより好ましくは0.01質量%である。Ti含有量の範囲を例示すると、より好ましくは0.01~0.3質量%であり、最も好ましくは0.01~0.2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、形成された酸化物、窒化物、酸窒化物等は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。また十分な添加効果を得るためには、Al含有量の下限はより好ましくは0.01質量%である。Al含有量の範囲を例示すると、より好ましくは0.01~0.3質量%であり、最も好ましくは0.01~0.2質量%である。
Sは、前述のようにMnSの潤滑性を利用する場合には0.3質量%以下含有しても良い。0.3質量%を超えると外層の脆化が起こる。MnSの潤滑性を利用する場合には、S含有量の上限はより好ましくは0.2質量%であり、最も好ましくは0.15質量%である。また、S含有量の下限はより好ましくは0.05質量%である。S含有量の範囲を例示すると、より好ましくは0.05~0.2質量%であり、最も好ましくは0.05~0.15質量%である。一方、MnSの潤滑性を利用しない場合には、外層の脆化を抑えるため、Sは、0.1質量%以下が好ましく、0.05質量%以下がより好ましく、0.03質量%以下が最も好ましい。
外層の組成の残部は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) Moを主体とするM2CやM6Cの炭化物(Mo系炭化物)又はCrを主体とするM7C3やM23C6の炭化物(Cr系炭化物)、(c) 炭ホウ化物、及び(d) 基地からなる。炭ホウ化物は一般にM(C, B)の組成を有する。ただし、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。外層組織には黒鉛が存在しないのが好ましい。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焼付き性に優れている。
圧延用複合ロールの内層は強靭性に優れたダクタイル鋳鉄(球状黒鉛鋳鉄)により形成する。ダクタイル鋳鉄の好ましい組成は、質量基準で2.4~3.6%のC、1.5~3.5%のSi、0.1~2%のMn、0.1~2%のNi、0.7%未満のCr、0.7%未満のMo、0.01~1%のV、0~0.5%のW、0~0.2%のNb、及び0.01~0.1%のMgを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる。内層にダクタイル鋳鉄を用いると、仕上げスタンドでの圧延荷重により複合ロールが破損するのを防止できる。
本発明の圧延用遠心鋳造複合ロールにおいては、外層の廃却径における円周方向の圧縮残留応力は150~350 MPaであるのが好ましく、160~300 MPaであるのがより好ましい。このため、絞り事故に遭遇したとしても、外層表面にクラックが入りにくく、仮にクラックが入った場合であってもクラック進展が起こりにくい。なお、外層の廃却径は外層の使用可能な最大深さにおける直径であり、例えば600~850 mmの外径の複合ロールの場合、外層の使用可能な最大深さは初径から40~60 mm程度であり、450~600mm未満の外径の複合ロールの場合、外層の使用可能な最大深さは初径から30~60mm程度である。この範囲で外層の廃却径を圧延機の仕様に応じて決めることができる。
本発明の圧延用遠心鋳造複合ロールについて説明したが、外層と内層の間に緩衝層を形成する目的で、外層と内層の中間的組成の中間層を設けることができる。中間層の厚さは8~30 mmが好ましい。
本発明の遠心鋳造製複合圧延ロールのサイズは特に限定されないが、好ましい例は、外層の外径が200~1300 mmで、ロール胴長が500~6000 mmで、外層の圧延使用層の厚さが25~200 mmである。
本発明の圧延用遠心鋳造複合ロールの製造方法は、(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する工程、及び(2) 前記外層のキャビティに前記内層用溶湯を鋳込む工程を有し、前記内層の鋳造中又は鋳造後に、前記外層をオーステナイト化温度以上に再度加熱し、再加熱温度から600℃までの間を10~60℃/hrの冷却速度で冷却することを特徴とする。
図2(a) に示す構造の円筒状鋳型30を水平型の遠心鋳造機に設置し、表1に示す化学組成の各溶湯を用いて外層1を遠心鋳造した。外層外周における重力倍数は120 Gであった。外層1が凝固した後、内面に外層1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を立設し、図2(b) に示す静置鋳造用鋳型100を構成した。
各複合ロールの外層の初径表面のショア硬さをJIS Z 2246に基づき測定した。
各複合ロールの外層のロール軸方向中央部を廃却径まで除去し、廃却径における外層表面の円周方向圧縮残留応力をX線回折残留応力測定装置により測定した。
耐焼付き性を評価するため、図3に示す摩擦熱衝撃試験機を用いて、外層の軸方向端部から切り出した試験片(25 mm×30 mm×25 mm)に対して焼付き試験を行った。摩擦熱衝撃試験機は、ラック71に重り72を落下させることによりピニオン73を回動させ、試験片74に噛み込み材75(材質:軟鋼)を強く接触させるものである。焼付きの程度を焼付き面積率により以下の通り評価した。焼付き面積率が小さいほど耐焼付き性(耐事故性)が良い。
○:焼付きが少ない(焼付き面積率が40%未満)。
△:焼付きが多い(焼付き面積率が40%以上60%未満)。
×:焼付きが著しい(焼付き面積率が60%以上)。
2・・・内層
10・・・圧延用遠心鋳造複合ロール
21・・・胴芯部
22,23・・・軸部
30・・・遠心鋳造用円筒状鋳型
31,41,51・・・鋳型本体
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
100・・・静置鋳造用鋳型
Claims (2)
- 外層と内層とが溶着一体化してなる圧延用遠心鋳造複合ロールであって、
前記外層が、質量基準で1.70~2.70%のCと、0.3~3%のSiと、0.1~3%のMnと、1.1~3.0%のNiと、4.0~10%のCrと、2.0~7.5%のMoと、3~6.0%のVと、0.1~2%のWと、0.2~2%のNbと、0.01~0.2%のBと、0.01~0.1%のNとを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなるFe基合金からなり、
前記外層の廃却径における円周方向の圧縮残留応力が150~350 MPa、及び初径におけるショア硬さが70~90であり、
前記内層がダクタイル鋳鉄からなることを特徴とする圧延用遠心鋳造複合ロール。 - 外層と内層とが溶着一体化してなる圧延用遠心鋳造複合ロールを製造する方法であって、
前記外層が、質量基準で1.70~2.70%のCと、0.3~3%のSiと、0.1~3%のMnと、1.1~3.0%のNiと、4.0~10%のCrと、2.0~7.5%のMoと、3~6.0%のVと、0.1~2%のWと、0.2~2%のNbと、0.01~0.2%のBと、0.01~0.1%のNとを含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなるFe基合金からなり、
前記内層がダクタイル鋳鉄からなり、
回転する遠心鋳造用円筒状鋳型で前記外層を遠心鋳造する工程、及び前記外層のキャビティに内層用溶湯を鋳込む工程を有し、
前記内層の鋳造後又は鋳造中に、前記外層をオーステナイト化温度以上に再度加熱し、
再加熱温度から600℃までの間を10~60℃/hrの冷却速度で冷却し、
600℃から常温~450℃まで冷却した後、500~550℃の温度で焼戻処理を行うことを特徴とする圧延用遠心鋳造複合ロールの製造方法。
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