JPH01191746A - 耐摩耗性および耐クラック性に優れた圧延用ロール外層材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、圧延用ロール外層材の製造方法に関し、特
に熱間仕上圧延機用後段のワークロール等に用いられる
耐摩耗性および耐クラック性に優れた圧延用ロール外層
材の有利な製造技術についての提案である。

（従来の技術） 近年、鋼板の熱間圧延工程、特に薄板の熱間仕上圧延工
程は、生産性の向上や省エネルギー等を目的として、よ
り高速度、高負荷で、しかも比較的低温での圧延が多く
なってきた。そのためにこの工程の仕上圧延機に使用さ
れるワークロールとしての特性は、より一層耐摩耗性や
耐肌荒れ性、耐クラック性等に優れていることが要求さ
れるようになってきた。とりわけ熱間仕上圧延機後段用
ワークロールについては、前記圧延条件下で操業される
ため、絞り込みやかみどめなどの圧延トラブルも多く、
このような異常が発生した時に、ロールの受ける損傷が
より軽微であることが重要である。

これに対して従来、上記熱間仕上圧延機後段用ワークロ
ールとしては、第１図に示す如く、円筒状外層材１とし
て高台金Ｎｉグレンロール材（Ｃ：３．０〜３．５ｗｔ
χ（以下は単にｒ％　Ｊで略記する）　Ｓｉ：０．５　
〜１．０％、　Ｍｎ：０．３〜０．９％、　Ｃｒ：’１
．２〜１．９Ｌ　　Ｎｉ：１．２〜１．９％、Ｍｏ：０
．２〜０．６χ）を用い、この円筒状外層材１内中空部
に、内層芯材２として普通鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄あるいは
黒鉛鋼等を注入し、溶着−体化させた複合鋳造ロールが
使用されている。

かようなロール外層材としての前記高台金Ｎｉグレンロ
ール材は、共晶炭化物、微小黒鉛、および基地からなる
組織を有し、このロール材に３５０℃〜５００℃の低温
焼なましを加えることにより、硬さ１ｌｓ７０〜８０と
すると共に耐摩耗性と耐クラック性を改善したものであ
る。すなわち、高い硬さを有する共晶炭化物は耐摩耗性
に寄与し、また適量に分布した微小黒鉛は耐クラック性
に寄与する結果、上記の特性を付与するものと考えるこ
とができる。

しかしながら、前記高合金Ｎｉグレンロールでは上述の
如き苛酷な圧延条件下では、もはや従来得られていたよ
うな耐摩耗性、耐クラック性を維持することは困難で、
より優れたロール外層材の開発が望まれていた。

このような状況下において、上述の如き課題を克服する
方法として、特開昭５７−１４９４５１号公報では、組
織とくに炭化物量を従来の高台金Ｎｉグレンロール材よ
りも少なくして強靭性を持たせるかわりに、基地の高硬
度化により１Ｉｓ７０〜８５としたロールを提案してい
る。

（発明が解決しようとする課題） 特開昭５７−１４９４５１号公報に開示のロールは、そ
れ以前の高台金Ｎｉグレンロールにくらべると、確かに
優れた耐摩耗性、耐クラック性を示しているが、より苛
酷な圧延条件下ではなお不十分である。

とくに耐摩耗性については炭化物量を低く制限している
ために向上が期待できない。

この発明は、上記問題を解決するためになされたもので
、従来の高合金Ｎｉグレンロールと同等以上の炭化物を
有していながら耐クラック性に優れたロール外層材を提
供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 発明者らは、耐摩耗性および耐クラック性に優れたロー
ル外層材の製造方法に関し、すでに特願昭６１−２８６
７２７号明細書にて提案した。

すなわち従来の高台金ニツケルグレンロール材に、微細
なＴｉＣを分散させて耐摩耗性の向上をはかり、また基
地の残留オーステナイトを低減させて良好なしん性を付
与し、耐クラック性を改善するものである。しかし、こ
の外層材を、たとえば熱間圧延工程の仕上後段用ワーク
ロールに通用した場合、この種のワークロールは通常径
が７５５　ｔｍから６４７ｍになるまで使用されるが、
径が小さくなるにつれて、板の蛇行による仮型なりのま
まの圧延のような異常圧延がおこり易くなり、異常圧延
がおこると耐クラック性が維持できない不利があった。

この不利を回避する手段として、ロール表面に大きな圧
縮応力を付与することが考えられるが、そのためには恒
温処理後、強制的に空冷する必要がある。しかしこの種
のロール材は、恒温処理後徐冷することを前提として、
Ｎｉ添加量を多くしているため、強制的に空冷すると、
マルテンサイト変態をおこしやすく、そのため膨張して
ロールの製造中に割れるおそれがある。

発明者らは、耐摩耗性および耐クラック性に優れたロー
ル外層材において、ロール表面に大きな圧縮応力を付与
してもロール製造中に割れを発生しない条件について検
討したところ、次の（１）〜（４）に従うことが有利で
あることを見い出した。

（１）Ｎｉの含有量を適量化することにより、恒温熱処
理におけるベイナイト変態を促進させて、完全ベイナイ
ト化をはかると共に、マルテンサイトの生成を阻止する
。

（２）Ｍｏを添加して、微細なＭＯ炭化物を基地中に分
散させて、基地の耐摩耗性向上をはかると共に、硬さ低
下をまねくパーライトの生成を阻止する。

（３）恒温変態後に強制冷却（１００″Ｃ／ｈ以上）し
て熱応力利用による残留圧縮応力を付与する。

（４）基地の耐摩耗性をあげるために、微細なＴｉ炭化
物を析出させる。

この発明は上記の知見に由来するものである。

すなわちこの発明は、 Ｃ：３．０〜４．０％、　Ｓｉ：１．０〜２．０％Ｍｎ
：　　０．８〜２．５％、　Ｃｒ：１，５〜５，０χＮ
ｉ：　　３．１〜４．５２　　　Ｍｏ：０．５〜３．０
％Ｔｉ：　　０．０２０〜０．０５０％、Ｐ≦０．０４
０χおよびＳ≦０．０３０χを含み残部がＰｅおよび不
可避的不純物からなる鋳鉄ロール材を、８００℃〜９５
０’Ｃの温度に保持した後１００〜５００”Ｃへの冷却
速度で冷却し、引き続き３５０℃〜５００℃の温度に５
〜５０時間保持して恒温変態を起させた後、１００℃／
ｈ以上の冷却速度で冷却することを特徴とする耐摩耗性
および耐クラック性に優れた圧延用ロール外層材の製造
方法である。

（作　用） 次にこの発明に従う製法について、素材の成分組成、熱
処理（冷却方法、恒温変態処理）の条件について詳しく
説明する。

まず、素材の成分組成について言及する。

■　Ｃ：３．０〜４．０χ Ｃは、炭化物量および黒鉛量を決める成分である。３．
０χ未満では耐摩耗性が保てず、４．０χを越えると炭
化物が過剰となり、基地の炭化物量は落ち防止効果がそ
こなわれる。

■　Ｓｉ：１．０〜２．０χ Ｓｉは、黒鉛化元素である。黒鉛は当該ロール外層材に
とって耐クラック性を維持するために必要欠くべからず
ものであり、１．０χ未満では最適黒鉛量（４χ〜６χ
）が得られず、２．０χを越えると、黒鉛量が増し、む
しろ耐摩耗性を劣化させる。

■　Ｍｎ：０．８〜２．５χ Ｍｎは、有害元素Ｓの無害化に寄与すると共に、基地の
焼入性を高めて強靭化に寄与する。また炭化物生成元素
であることから、炭化物の析出を促進するとともに基地
の硬さを高める。この効果は０．８χ未満では得られず
、一方２．５χを越えると、偏析して強靭化をさまたげ
ると共に耐クラック性を低下させる。

■Ｃｒ：　１．５〜５．０χ Ｃｒは、炭化物生成元素で高硬度化による耐摩耗性向上
に必要不可欠の合金元素である。１．５χ未満では上記
効果が得られず、５．０χを越えると炭化物量を増すと
共に炭化物自身をもろくする傾向があり、耐摩耗性をそ
こなう。

■Ｎｉ：　３．１〜４．５χ Ｎｉは、基地の強靭化に必要欠くべからず成分でありか
つ、ロール外層材の熱処理効果を高めるのに大きく寄与
する成分である。Ｎｉの添加量を減らすとベイナイト変
態を促進させることができるが、３．１χ未満では強靭
化に寄与せず、これは他の成分で補うことは困難で、一
方４．５χを越えるとベイナイト変態を完了させるのに
長時間を必要とし、経済的に不利となる。

■Ｍｏ：　０．５〜３．０χ Ｍｏは、Ｎｉと同様にロール外層材の熱処理効果を高め
るのに大きく寄与し、また炭化物生成成分であると共に
、基地の強靭化にも寄与する有益な合金成分である。０
．５χ未満ではＮｉ添加量の低減による基地のしん性の
劣化を補うことができず、一方３．０χを越えてもパー
ライト変態の長時間側への移行の達成に対して顕著な効
果は期待できないので、３．０％以下とする。

■Ｔｉ：　０．０２０〜０．０５０χ Ｔｉは、当該ロール外層材の主要合金成分で、チタン炭
化物をつくり、基地中に微細分散し、基地自身の高硬度
化に寄与して耐摩耗性を向上させる。０．０２０χ未満
では上記効果が期待できず、０、．０５０χを越えると
チタン炭化物が粗大となって耐クラック性を悪化させる
。

■　Ｐ≦０．０４０％、Ｓ≦０．０３０χＰ、　　Ｓは
、ともに有害成分であり、少ないほど好ましい。しかし
、脱硫、脱燐には多額の費用がかかるため、経済性およ
び許容限度を考慮して上記範囲に制限する。

次にロール外層材の熱処理の方法について説明する。

第２図は、ロール外層材の熱処理（加熱・冷却）曲線を
示したものである。図中（Ａ）はオーステナイト化を目
的とした加熱保持であり、（Ｂ）は（Ｃ）の恒温変態を
起させる保持温度に温度降下するまでにパーライト変態
がおこらないようにするための冷却速度制限であり、（
Ｃ）はオーステナイトをベイナイトに変態させることを
目的とする恒温変態である。すなわち、最終的には、上
記成分系の素材について恒温変態を起させて、残留オー
ステナイトを低減または消失させることにより、耐摩耗
性、耐クラック性の向上をはかるのである。

上述の如き成分組成のロール外層材のように、合金成分
添加量の多い材料に、３５０℃〜５００″Ｃの低温熱処
理を加えただけでは、残留オーステナイトが低減または
消失しにくい。即ち、基地中の合金成分が偏析濃化して
いるため、その部分のオーステナイトは強い安定化状態
にあるからである。

従ってオーステナイト中の合金濃度の均質化をはかるた
め、高温に加熱・保持することが必要である。

まず、オーステナイト化温度を第２図の（Ａ）に示すよ
うに、８００″Ｃ〜９５０℃の範囲に制限した理由を述
べる。オーステナイト化温度を上げると、炭化物が溶は
込みオーステナイト中のｃ：ａ度が上がり、オーステナ
イトが安定化し変態が起りにくくなり、残留オーステナ
イトを低減または消失しにく（なる。一方、オーステナ
イト化温度が低いと、変態点からの温度差が小さいため
、加熱時のオーステナイト量が少なく、硬さがでなくな
る。

そこで、こうした兼合いから上記温度範囲を８００℃〜
９５０’Ｃに限定する。

次に、上記オーステナイト保持温度からの第２図ＣＢ）
に示す冷却速度について述べる。このオーステナイト化
温度からの冷却速度は、恒温変態温度保持までの間に、
パーライト変態がおこらないように決めればよい。ロー
ル外層材は、Ｍｏの添加によりパーライト変態開始まで
に長時間を要するため、パーライト変態がおこりにくい
ことから、冷却速度も１００℃／ｈ以上にすれば十分で
ある。、しかし、作業のしやすさも考えて５００℃／ｈ
以下に制限する。

次に、第２図の（ｃ）として示す恒温変態について説明
すると、この処理に際しての保持温度と時間は、耐摩耗
性決定要因である硬さに大きく寄与する。

さて、第３図は、表１に示す試料Ｎα１を、８５０’Ｃ
Ｘ１０ｈの熱処理によるオーステナイト化後、１００’
Ｃ／ｈの冷却速度で冷却して恒温変態処理をしたときの
ショアー硬さ（）Ｉｓ）が８０以上となる範囲を、温度
と時間との関係のもとに示したものである。

この図かられかるように、５００℃を越えると、保持時
間を大きくしてもＩｓ≧８０は得られず、３５０℃未満
では保持時間を５０時間を越えて保持する必要があるた
め、経済性を考慮して３５０℃以上に制限した。

また、第２図（Ｄ）の恒温変態処理終了後に１００”Ｃ
／ｈ以上で冷却するのは、圧延用ロールを作成するに当
って、ロール表面に圧縮残留応力を付与するためである
。すなわち、大きな圧延用ロールを急冷すると、外表面
側は温度が低く、内部に向うにしたがって高くなる温度
勾配が生じる。一般に金属は冷却すると収縮するから、
外表面から内部に向かって順に収縮していく。この過程
において、内部は温度が高いため変形能があり、その外
側の冷えた部分の収縮に追随するため、残留応力は発生
しない。しかし、外側の冷えた部分が収縮し終ったあと
でも、内部は温度降下により収縮するため、その外側の
冷えた部分に圧縮残留応力を付与することになり、した
がって圧延用ロールには温度勾配に応じた圧縮残留応力
が付与されることになる。この圧縮残留応力は急冷すれ
ばするほど大きくなるが、１００℃／ｈ以上にすれば、
十分な残留圧縮応力を付与することが出来る。

この急冷過程でマルテンサイト変態がおこれば、逆にロ
ール表面には引張残留応力が働らくことになり、製造中
に割損するおそれが生じるが、この発明に従うロール外
層材は成分的にマルテンサイト変態がおこりにくくかつ
、完全にベイナイト変態を終了させるため、急冷しても
割れなどの問題は生じない。

なお、上記ロール外層材を圧延用ロールとするためには
、このロール外層材を外殻層とし、内層を普通鋳鉄、球
状黒鉛鋳鉄、または球状黒鉛鋼として遠心鋳造法を利用
して溶着一体化せしめ、ついで、通常の熱処理炉を２基
用い、１基はオーステナイト化のために用い、もう１基
は、あらかじめ所定の恒温熱処理温度に保持し、オース
テナイト化処理終了後ただちに引き出し、測温等によっ
て所定の冷却速度になっていることをたしかめてから恒
温保持炉に装入し、所定の処理を施す。

（実施例） ２０ｋｇ高周波溶解炉を用いて、表１に示すロール外層
材溶湯を溶製し、各溶湯を径６０ｍｍ、長さ１５０Ｉｎ
Ｉ１１の丸棒および厚さ３０ｍ、幅１５Ｑｍｍ、長さ２
００　ａｍのキールブロックに砂型鋳造した。これら鋳
造品について、表１中に示す熱処理を行った。これらか
ら、径５０閣、厚さ１０則の高温摩耗試験片およびＡＳ
ＴＭ−３９９に準拠した厚さ１５鵬のＣＴ試験片をそれ
ぞれ採取した。耐摩耗性は８００℃に加熱した直径１９
０閤、厚さ１５閣の回転円板に試験片を１００ｋｇｆの
荷重で押し付け、高温摩耗試験を行ってすべり長さ１Ｉ
１１当りの摩耗減量で評価した。この時のすべり率は６
，１ｚである。また耐クラック性は、ＣＴ試験片を用い
て破壊靭性試験を行って、ＬＣ値にて評価した。

表１の試料Ｎｏ、　１〜７はこの発明に従うロール外層
材で、試料Ｎｏ、　８〜１３は比較材で、なお比較材の
うち試料Ｎα１３は現在用いられている高台金Ｎｉグレ
ンロール材で、低温焼なましのみを行なったものである
。

この発明に従うロール外層材は、比較材にくらべ、硬さ
も高く、耐摩耗性および耐クランク性に優れていること
がわかる。

（発明の効果） 以上の説明ならびに実施例の結果かられかるようにこの
発明のロール外層材は、苛酷な圧延条件となる熱間圧延
機の仕上後段用ワークロールとして使用しても、耐クラ
ック性を損なうことなく優れた耐摩耗性を有することか
ら、生産性の向上、ロール原単位の低下に大きく寄与す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、複合鋳造ロールの樅断面図、第２図は、この
発明のロール外層材製造時に採用する熱処理曲線の図、 第３図は、表１に示す試料Ｎα１を用いて実験したＨｓ
≧８０を示す温度、保持時間の関係を示すグラフである
。 １・・・外層材　　　　　　２・・・内層芯材第３図 ｆ　　　　　　　　　５　　　　ｆｏ　　　　２０　　
　　５；０　　９０時Ｍ（ｈ） ＝Ｍ　ａ　（”ｃ　）　　− へＪ 万 Ｑキ ４ヤ 碕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｃ：３．０〜４．０ｗｔ％ｎＳｉ：１．０〜２．０
   ｗｔ％Ｍｎ：０．８〜２．５ｗｔ％、Ｃｒ：１．５〜５
   ．０ｗｔ％Ｎｉ：３．１〜４．５ｗｔ％Ｍｏ：０．５〜
   ３．０ｗｔ％Ｔｉ：０．０２０〜０．０５０ｗｔ％、 Ｐ≦０．０４０ｗｔ％およびＳ≦０．０３０ｗｔ％を含
   み残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋳鉄ロール
   材を、８００℃〜９５０℃の温度に保持した後１００〜
   ５００℃／ｈの冷却速度で冷却し、引き続き３５０℃〜
   ５００℃の温度に５〜５０時間保持して恒温変態を起さ
   せた後、１００℃／ｈ以上の冷却速度で冷却することを
   特徴とする耐摩耗性および耐クラック性に優れた圧延用
   ロール外層材の製造方法。