JPH04220106A - 複合ロール - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄鋼材の熱間圧延用複合
ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧延用ロールは、圧延使用層の耐摩耗性
と軸部の強靭性とを確保するため、通常、高級鋳鉄や球
状黒鉛鋳鉄等の強靭鋳鉄材によって形成された軸部の外
周面に耐摩耗性に優れた高合金鋳鉄材によって形成され
た外層を溶着一体化して複合化される。この場合、軸部
としては一般に円柱状のものが使用されるが、形鋼圧延
用のものでは円筒状のものが使用される場合もある。

【０００３】圧延用複合ロールは、遠心力鋳造によって
外層を鋳造し、その内面が半凝固の状態で軸部を鋳造し
、両者を溶着一体化することにより製作される。また、
耐摩耗性が特に要求される鉄鋼圧延用ロールの外層材と
して、高クロム鋳鉄が使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
軸部が鋳鉄材によって形成されているため、引張強度が
５０ｋｇ／ｍｍ２　程度以下と十分な強度が得がたく、
また溶着の際に外層の高合金成分が軸部溶湯に混入し、
材質を劣化させる。このため、製造途中に外層の残留応
力によって軸部が破壊したり、また近年の圧延条件の苛
酷化に伴ない、圧延中に折損事故が生じる等の問題があ
った。

【０００５】かかる問題を解決するには、軸部を黒鉛鋼
や鋳鋼で形成すればよいと考えられるが、これらの鋼材
は凝固温度が外層材に対して高く、外層と軸部との溶着
の際に、外層内面が軸部の凝固よりも遅れるため、健全
な溶着が得がたく、溶着部における強度が不足するとい
う問題がある。また、近年、熱間圧延鋼板の断面形状や
寸法精度などに対する要求が厳しく、これらの要求に対
応するため、ロールの耐摩耗性向上の要求も強い。

【０００６】本発明はかかる問題に鑑みなされたもので
、外層ロール材が高クロム鋳鉄ロール材に比べて優れた
耐摩耗性を有し、また外層と軸部との接合健全性を損な
うことなく、軸部を鋼材で形成した複合ロールを提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本発明の複合ロールは、耐摩耗性に優れた特
定組成の高合金鋳鉄材で鋳造された円筒状外層部材又は
前記高合金鋳鉄材によって鋳造された外層の内面に特定
組成の鋳鋼材によって鋳造された中間層が溶着一体化し
た円筒状外層・中間層部材が、靭性に優れた鋼材で形成
された軸部材の外周面に配置されると共に両部材が熱間
等方圧加圧により固相拡散接合されている。

【０００８】前記高合金鋳鉄材は、化学組成が重量％で
、 　　Ｃ　　：２　〜３．５　％、　　　　Ｓｉ：０．２
　〜３．０　％、　　　　Ｍｎ：１．５　％以下、　　
Ｃｒ：３　〜２０％、　　　　　　Ｍｏ：３　〜９　％
、　　　　　　　　Ｗ　　：５　〜１４％、　　Ｖ　　
：４　〜１２％、　　　　　　Ｃｏ：７　〜１４％、残
部Ｆｅおよび不可避的不純物で形成されている。

【０００９】また、前記鋳鋼材は、化学組成が重量％で
、 　　Ｃ　　：０．１　〜１．５　％、　　Ｓｉ：０．２
　〜１．０　％、　　　　Ｍｎ：０．１　〜１．０　％
、　　Ｃｒ：０．１　〜３．０　％、　　Ｍｏ：０．１
　〜２．０　％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物で形成
されている。

【００１０】

【作用】外層部材又は外層・中間層部材は各々単独で製
造することができるため、製造容易である。外層部材と
軸部材とは熱間等方圧加圧　（以下、ＨＩＰという。）
　により固相拡散接合されているため、接合時に外層部
材の内面が溶融することがなく、凝固時間の遅れに起因
する接合不良が生じることがない。また、接合部の拡散
層の厚さは、拡散容易で軽元素のＣについて見ても５ｍ
ｍ以内であり、溶着の場合に生じる混合層　（外層と軸
部との成分が混合した中間的な成分を有する層）　に比
べて極めて薄く、外層部材は境界部近傍まで有効に使用
することができる。

【００１１】また、外層の内面に中間層を形成した外層
・中間層部材の場合、部材の内周面（嵌合面）　の機械
加工が容易で、また軸部材との固相拡散接合も極めて容
易に行うことができる。しかも、ＨＩＰ処理後の冷却又
は熱処理に際し、外層と軸部材との材質の相違に起因し
た変態温度差を中間層によって段階的に変えることがで
き、残留応力を低減することができる。

【００１２】前記外層部材又は外層を形成する高合金鋳
鉄材の化学組成　（単位重量％）　は以下の理由により
限定される。 Ｃ：　２〜３．５　％ Ｃはマトリックスに固溶し、また一部はＶ，　Ｗの炭化
物を形成することにより鋳造合金の硬度を高める。２　
％未満では、Ｖ，　Ｗ炭化物の生成量が不足し、高硬度
化が不十分となる。他方、３．５　％を越えると、Ｖ，
　Ｗの炭化物粗大化等により靭性が低下する。 Ｓｉ：　０．２〜３．０　％ Ｓｉは鋳造合金の耐孔蝕性の向上や鋳造時の鋳造性の確
保に効果がある。０．２　％未満では湯流れが悪く鋳造
できない。又、３．０　％を越えると鋳造合金の熱的、
機械的衝撃特性の低下傾向を招く。Ｍｎ：　１．５％以
下Ｍｎは焼入れ性を改善する元素であるが、焼もどし処
理による２次硬化は期待できないので、高温硬さの改善
効果は小さく、従って　１．５％までの添加で十分であ
る。 Ｃｒ：　３〜２０％ Ｃｒは鋳造合金の焼入れ性を改善し、また焼もどし軟化
抵抗性を高める。更に、その添加量の増量に伴い、耐孔
蝕性向上効果を得る。Ｃｒ添加による耐孔蝕性の改善を
得るためにはすくなくとも　３％を必要とし、その増量
により効果は大きくなるが、赤熱鋼材に対する焼付抵抗
性が減じ、また耐肌荒れ性の低下傾向をみるので２０％
を上限とした。 Ｍｏ：　３〜９　％ Ｍｏは、焼入れ性を高めると共に、焼もどし処理により
微細な炭化物を形成して顕著な２次硬化を起こし、高温
硬さの保持に効果を発揮する。この効果は　３％以上の
添加により得られる。しかし、９　％を越えるとその効
果はほぼ飽和するので、９　％以下とする。 Ｗ：　５〜１４％ Ｗは強力な炭化物形成元素であり、焼もどし処理により
ＭＣ型炭化物として微細析出し、顕著な２次硬化をもた
らす。また、焼もどし軟化抵抗性を示す。添加量の下限
を　５％としたのは、ＭＣ型炭化物の析出による十分な
２次硬化を得るためである。添加量の増量によりその効
果を増すが、反面析出炭化物の粗大化による靭性等の機
械的性質の低下をみるので１４％を上限とした。 Ｖ：　４〜１２％ Ｖは焼入れ後の焼もどし処理により、微細なＭＣ炭化物
として析出し顕著な２次硬化現象を生成し、併せて焼も
どし軟化抵抗性を示す。また、鋳造合金の組織の微細化
による靭性等の機械的性質の向上に寄与する。組織の微
細化による機械的性質の改善効果は　４％未満でも得ら
れるが、ＭＣ型炭化物の析出による高硬度、高耐摩耗性
を得るには、すくなくとも　４％必要である。一方、１
２％を越えると、鋳造時の偏析発生、また、材質を脆く
する欠点を生じる。 Ｃｏ：　７〜１４％ Ｃｏは焼もどし処理による炭化物の析出と、マトリック
スの２次マルテンサイト化による鋳造合金の強化を助長
すると共に高温硬さの向上に効果がある。７　％未満で
はかかる効果が得難く、一方１４％を越えるとその効果
はほぼ飽和する。

【００１３】本発明の高合金鋳鉄材は、以上の成分のほ
か残部Ｆｅおよび不可避的に混入した不純物で形成され
る。尚、不純物であるＰ，　Ｓはいずれも材質を脆くす
るので少ない程望ましく、いずれも　０．１％以下に止
めるのがよい。また、外層・中間層部材の中間層を形成
する鋳鋼材の化学組成　（単位重量％）　は以下の理由
により限定される。 Ｃ：　０．１〜１．５　％ ０．１　％未満では鋳造性が悪くなり、一方　１．５％
を越えると主としてセメンタイトからなる炭化物が増加
し、脆くなると共に、溶接性が悪くなるからである。 Ｓｉ：　０．２〜１．０　％ ０．２　％未満では脱酸効果が充分でなく、一方　１．
０％を越えると機械的性質が劣化する。 Ｍｎ：　０．１〜１．０　％ ＭｎはＳの悪影響除去およびＳｉの補助脱酸剤として添
加される。０．１　％未満ではその作用が不足し、一方
１．０　％を越えると材質を硬くもろくする。 Ｃｒ：　０．１〜３．０　％ Ｃｒは基地の焼入れ性を向上させ、強度向上に寄与する
。０．１　％未満ではその作用が不足し、一方　３．０
％を越えて添加すると炭化物が増加し、脆くなる。 Ｍｏ：　０．１〜２．０　％ Ｃｒと同様な作用を有し、０．１　〜２．０　％の含有
が適切である。

【００１４】本発明に係る中間層材は以上の成分のほか
、残部実質的にＦｅで形成される。尚、Ｐ，　Ｓはいず
れも材質の強靭性を劣化させるため少ない程よく、０．
１　％以下に止めておくのがよい。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の複合ロールの構造を示してお
り、圧延使用層（外層）を形成する外層部材１　が軸部
材２　の外周面に配置され、ＨＩＰにより固相拡散接合
されている。外層部材１　は円筒体であり、遠心力鋳造
　（横型、傾斜型、立型）　や静置鋳造によって鋳造さ
れる。単一材質であるため、鋳造後の冷却速度に注意を
払えば、過大な残留応力による割れ発生のおそれもない
。外層部材１　の材質としては、既述の高合金鋳鉄材が
使用される。

【００１６】軸部材２　は円柱体であり、静置鋳造や鋳
造後に鍛造することによって製造される。尚、軸部材が
円筒状のものでは遠心力鋳造の適用も可能である。材質
としては、低合金鋳鋼、高合金鋳鋼、ＪＩＳ規定のＳＣ
Ｍ材、ＳＮＣＭ材等の鋼材を使用することができる。こ
れによって軸部材の引張強度を６０ｋｇ／ｍｍ２　以上
にすることができ、充分な強度、強靭性を確保すること
ができる。

【００１７】前記外層部材１　と軸部材２　とを固相拡
散接合するには、外層部材１　を軸部材２　に嵌合し、
両部材１，２　間の嵌合部空隙にある空気を除去し、Ｈ
ＩＰ処理することによって行われる。嵌合部空隙の空気
を除去するには、図３に示すように、軸部材２　の一方
のメタル部（径小部）３　から他方のメタル部４　を覆
うように軟鋼板製カバー５　を設け、その内部の空気を
脱気することによって行われる。６　は脱気管であり、
真空脱気後、カシメや溶接によって閉塞される。

【００１８】また、図４に示すように、両方の嵌合端部
を溶接し、嵌合部空隙に連通するように取付けた脱気管
６　より脱気してもよい。尚、メタル部３，４　を分割
し、ＨＩＰ処理することにより、ＨＩＰ処理炉を小形化
することができ、設備費の低減を図ることができる。軸
部材２　は鋼材で形成されているので、分割したメタル
部はＨＩＰ処理後、溶接により容易に接合一体化するこ
とができる。

【００１９】図５は、軸部材が円筒体であるＨ形鋼用ス
リーブロールの場合を示し、カバー５　は外層部材１　
を軸部材２　に嵌合した複合ロール素材を包み込むよう
に形成されている。一方、図２に示すように、前記外層
部材１　の代りに外層１２の内面に中間層１３が溶着一
体化された外層・中間層部材１１を用いることにより、
外層１２と中間層１３とが溶着され、中間層１３と軸部
材２　とが固相拡散接合された三層構造の複合ロールが
得られる。外層・中間層部材１１は、外層１２を遠心力
鋳造後、その内面に中間層材溶湯を遠心力鋳造すること
により容易に鋳造される。 尚、中間層１３の厚さは　　１０〜３０　　ｍｍ程度と
薄く、中間層材の溶湯量は軸部材のそれに比べて少量な
ため、凝固温度の逆転による溶着不良は問題とならない
。

【００２０】ＨＩＰ処理後、複合ロール素材は、粗加工
後、外層部材の硬化のために　９５０〜１２００℃に保
持してオーステナイト化した後、噴霧水冷等によって急
冷して焼入れ、その後　５００〜６５０　℃で　２〜２
０時間保持する焼戻しが数回行われる。尚、素材が小形
のものでは、空冷するだけで焼入れが可能である。本発
明の複合ロールは、小形の鋼材圧延用ロールから、広幅
帯鋼圧延ロール等の胴径φ４００　〜φ９００　ｍｍの
大形ロール、並びにＨ形鋼圧延用スリーブロール等の広
範囲の圧延用ロールに適用可能である。

【００２１】次に具体的実施例を掲げる。 （１）外層部材および外層・中間層部材として外径　３
４０ｍｍ、内径２７０．０　〜２７０．２　ｍｍ、長さ
１２５０ｍｍの円筒体を遠心力鋳造により製作した。尚
、外層・中間層部材の中間層厚さは２０ｍｍとした。こ
れらの部材を外径２６９．８　〜２７０．０　ｍｍ、長
さ１４５０ｍｍの軸部材に嵌合し、嵌合部隙間を脱気し
た後ＨＩＰ処理を施した。ＨＩＰ処理条件は、圧力２０
０　ｋｇ／ｃｍ２　、温度１０８０℃である。外層部材
、外層・中間層部材の化学組成　（ｗｔ％、残部実質Ｆ
ｅ）を下記表１に示す。尚、比較例の外層部材は高クロ
ム鋳鉄材である。

【００２２】

【表１】

【００２３】（２）ＨＩＰ処理後、下記表２のオーステ
ナイト化温度に加熱後、急冷し、下記の温度で焼戻し、
歪取り熱処理を施した。

【００２４】

【表２】

【００２５】（３）熱処理後、表面硬度、境界４５°圧
縮強さ　（外層部材と軸部材との接合境界面を荷重方向
に対して４５°に配置した試験片により測定した圧縮強
さ）　等を測定した。その結果を下記表３に示す。

【００２６】

【表３】

【００２７】（４）表３より本発明の複合ロールは、軸
部材が８０ｋｇ／ｍｍ２　程度以上と高強度であり、境
界４５°圧縮強さがほぼ２５０　ｋｇ／ｍｍ２　以上で
、外層部材表面にも大きな圧縮応力が残留しており、接
合境界部の健全性、耐折損性に優れることが確認された
。また、表面強度も比較例に比べて高く、耐摩耗性に優
れることが推認される。

【００２８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の複合ロール
は、靭性に優れた鋼材で形成された軸部材の外周面に圧
延使用層　（外層）　たる外層部材がＨＩＰにより固相
拡散接合されているので、両部材の接合に際し、外層部
材の内面が溶融することがなく、それ故接合部が健全で
強度劣化が生じず、また軸部材の材質特性をそのまま生
かすことができ、高強度の確保ひいては耐折損性の向上
を図ることができる。また、両部材の拡散層も　５ｍｍ
程度以下とごく薄いため高価な高合金材で形成された外
層部材の有効利用を図ることができる。

【００２９】また、外層の内面に特定成分の中間層が溶
着された外層・中間層部材を用いることにより、嵌合面
の加工が容易で、軸部材との固相拡散接合も極めて容易
に行うことができ、変態温度差を段階的に変えることが
できるため残留応力の調節にも効果がある。また、本発
明の外層材は、高硬度炭化物の形成およびマトリックス
の強化のために、Ｍｏ，　Ｃｒ，　Ｖ，　Ｗ，　Ｃｏを
積極的に添加した高合金鋳鉄で形成されているので、強
靭な基地中にＭｏ，　Ｃｒ，　Ｖ，　Ｗを含む高硬度の
各種形態の複炭化物が生成した組織となり、従来の高ク
ロム鋳鉄ロール材に比べて優れた耐摩耗性、耐肌荒性を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合ロールの断面図である。

【図２】本発明の他の複合ロールの断面図である。

【図３】複合ロール素材の接合部の脱気要領を示す断面
図である。

【図４】複合ロール素材の接合部の他の脱気要領を示す
断面図である。

【図５】複合ロール素材の接合部の他の脱気要領を示す
断面図である。

【符号の説明】

１　　外層部材 ２　　軸部材 １１　　外層・中間層部材 １２　　外層 １３　　中間層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　化学組成が重量％で、　　Ｃ　　：２
   　〜３．５　％、　　　　Ｓｉ：０．２　〜３．０　％
   、　　　　Ｍｎ：１．５　％以下、　　Ｃｒ：３　〜２
   ０％、　　　　　　Ｍｏ：３　〜９　％、　　　　　　
   　　Ｗ　　：５　〜１４％、　　Ｖ　　：４　〜１２％
   、　　　　　　Ｃｏ：７　〜１４％、残部Ｆｅおよび不
   可避的不純物からなる高合金鋳鉄材で鋳造された円筒状
   外層部材が靭性に優れた鋼材で形成された軸部材の外周
   面に配置されると共に両部材が熱間等方圧加圧により固
   相拡散接合されていることを特徴とする複合ロール。
2. 【請求項２】　　化学組成が重量％で、　　Ｃ　　：２
   　〜３．５　％、　　　　Ｓｉ：０．２　〜３．０　％
   、　　　　Ｍｎ：１．５　％以下、　　Ｃｒ：３　〜２
   ０％、　　　　　　Ｍｏ：３　〜９　％、　　　　　　
   　　Ｗ　　：５　〜１４％、　　Ｖ　　：４　〜１２％
   、　　　　　　Ｃｏ：７　〜１４％、残部Ｆｅおよび不
   可避的不純物からなる高合金鋳鉄材で鋳造された外層の
   内面に、 　　Ｃ　　：０．１　〜１．５　％、　　Ｓｉ：０．２
   　〜１．０　％、　　　　Ｍｎ：０．１　〜１．０　％
   、　　Ｃｒ：０．１　〜３．０　％、　　Ｍｏ：０．１
   　〜２．０　％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からな
   る鋳鋼材で鋳造された中間層が溶着一体化した円筒状外
   層・中間層部材が靭性に優れた鋼材で形成された軸部材
   の外周面に配置されると共に両部材が熱間等方圧加圧に
   より固相拡散接合されていることを特徴とする複合ロー
   ル。