JPH0456106B2

JPH0456106B2 -

Info

Publication number: JPH0456106B2
Application number: JP60166924A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Era; Hideyo Kodama; Yasuo Kondo; Osamu Shimotamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1985-07-30
Publication date: 1992-09-07
Also published as: JPS6227553A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕本発明は圧延ロール材質とその製造法に係り、
特に、ニオブ及びバナジウムを含むことを特徴と
し、強靱性で高い圧延圧力に耐え、高硬度で耐摩
耗性に優れ、特に、耐スポーリング性を向上させ
た、高炭素−高クロム鋼とその製造方法に関す
る。〔発明の背景〕一般に冷間圧延用作業ロールに要求される性質
は、耐摩耗性、耐事故性、耐肌荒れ性、靱性が挙
げられる。また、中間ロールに要求される性質と
しては靱性、耐スポーリング性並びに耐摩耗性が
挙げられる。冷間圧延用作業ロール材質には軸受
鋼、工具鋼及び高速度鋼が用いられ、中間ロール
材質には熱間ダイス鋼や一部に工具鋼が使用され
ているのが現状である。一方、熱間圧延用ロールに要求される性質とし
ては粗前段作業ロールでは靱性、耐フアイヤクラ
ツク性、耐摩耗性、耐肌荒れ性が要求される。粗
後段作業ロールは耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐ヒー
トクラツク性、仕上前段作業ロールでは耐肌荒れ
性、耐摩耗性、耐スポーリング性、耐押し込みき
ず性の諸性質が要求される。その熱間作業ロール材質としては粗前段作業ロ
ール及び粗後段作業ロールには特殊鋳鋼、アダマ
イトが使用される。また、仕上前段作業ロールは
アダマイトロール、仕上げ後段作業ロールには鋳
鉄系のニツケルグレーンロールが使用されてい
る。しかしながら、冷間及び熱間用ロールにおいて
は上述の性質を同時に満足するロール材質は現状
では見当らない〔昭和55年５月15日、丸善(株)発
行、日本鉄鋼協会編「鉄鋼便覧」第巻(1)（第３
版）圧延基礎鋼板参照〕最近は圧延ラインの連続化、圧延温度の低温化
及び高速圧延等により、ロールもますます過酷な
使用状態になりつつある。これに対処するために
は耐摩耗性、耐スポーリング性及び靱性の優れた
ロール材質が要求されている。従来のロールにおいてはヘルツ応力が100〜150
Kg／mm²程度の荷重で疲労破壊を発生させ、スポー
リングの原因となつている。特に、最近は冷間及
び熱間圧延用ロール材質として高炭素−高クロム
鋼材が用いられるようになつて来ているが、鋳造
のままで使用するために、強度的に問題が生じ
る。特公昭59−28620号公報記載のものも、鋳造
のままで使用されており、強度的に不十分であ
り、過酷な状態下で使用することは非常に危険で
あることが明らかである。〔発明の目的〕本発明の主目的は金属組織の基地中にクロム、
特に、ニオブ及びバナジウムの特殊炭化物を晶出
させ、特殊炭化物を鍛造により、細粒状に分散さ
せ、200Kg／mm²以上のヘルツ応力に耐えられ、高
硬度で耐摩耗性並びに靱性の向上、特に、耐スポ
ーリング性の優れた高炭素−高クロム鋼及びその
製造方法を提供することにある。〔発明の概要〕本発明を概説すれば、本発明の第１の発明は耐
摩耗性高炭素−高クロム鋼に関する発明であつ
て、重量％で炭素２〜3.4％、クロム10〜30％、
ニオブ2.02〜10％、バナジウム６〜15％、モリブ
デン１〜３％、タングステン１〜3.75％、ケイ素
0.5〜3.0％、及びマンガン0.5〜3.0％を含み、残
部が実質的に鉄と不可避不純物である高炭素−高
クロム鋼からなり、初晶炭化物が粒状であり、且
つ平均粒径が５〜25μmの鍛造組織を有すること
を特徴とする。また本発明の第２の発明は、上記の高炭素−高
クロム鋼を製造する方法に関する発明であつて、
該方法が、鋳塊を製造する工程、その鋳塊を固相
線温度より60〜100℃低い温度で拡散処理を施し
クロム炭化物の形態を変化させる工程、及び拡散
処理後1050〜1075℃の温度範囲における熱間拘束
鍛造によりクロム炭化物を分断させる工程の各工
程を包含することを特徴とする。更に本発明の第３の発明は、耐摩耗性高炭素−
高クロム鋼に関する発明であつて、重量％で炭素
２〜3.4％、クロム10〜30％、ニオブ2.02〜10％、
バナジウム６〜15％、モリブデン１〜３％、タン
グステン１〜3.75％、ケイ素0.5〜3.0％、及びマ
ンガン0.5〜3.0％と、ニツケル５〜10％、及びコ
バルト５〜10％の少なくとも１種と、更にチタン
0.5〜1.5％、アルミニウム0.5〜２％、及びホウ素
0.01〜0.1％の少なくとも１種とを含み、残部が
実質的に鉄と不可避不純物である高炭素−高クロ
ム鋼からなり、初晶炭化物が粒状であり、且つ平
均粒径が５〜25μmの鍛造組織を有することを特
徴とする。本発明の高炭素−高クロム鋼における必須成分
のうち、特にニオブ及びバナジウムは炭素の一部
と結合して、ニオブ及びバナジウム炭化物を形成
し、耐摩耗性を著しく向上させる元素である。し
かし、バナジウムを15％超含有させると炭素の割
合で製造が困難となる。第１図は液相面における
鉄−バナジウム−炭素系状態図であり、第１図か
らも明らかなように初晶として炭化物の晶出が生
じる。この初晶バナジウム炭化物は比重が56ｇ／
cm³と鉄の比重に比べて軽いので浮上し、鋳塊の上
下で鋳造組織が異なるようになる。また、晶出し
たバナジウムは粗大となり、マトリツクスからは
く離しやすくなる。このようなことから、バナジ
ウムを15％超含有させることは有害と考えられ
る。一方、ニオブ炭化物は比重が7.8ｇ／cm³と鉄
の比重にほぼ近いため、ニオブ、バナジウムが固
溶して晶出した炭化物は融液中で浮上及び沈降の
恐れがないことが明らかとなつた。しかし、ニオ
ブの単独添加は初晶のニオブ炭化物が粗粒となつ
て晶出し、靱性が極端に低下することが判明し
た。ニオブ及びバナジウムは炭素と結合させて微細
で粒状のニオブ及びバナジウム炭化物を面積率で
10〜21％マルテンサイト基地中に均一に分散させ
た。また、炭素とクロムの結合により、M₇C₃を
面積率で15〜42％晶出させ、全炭化物の面積率が
25〜63％晶出及び析出させても、炭化物が転動疲
労時の疲労き裂の起点にならず、高い圧延圧力に
耐え、耐摩耗性及び靱性並びに耐スポーリング性
を著しく向上することを特徴としている。更に、
本発明によつて製造された高炭素−高クロム鋼は
重量％で炭素２〜3.4％、クロム10〜30％、ニオ
ブ2.02〜10％、バナジウム６〜15％、モリブデン
１〜３％、タングステン１〜3.75％、ケイ素0.5
〜3.0％、マンガン0.5〜3.0％の他に靱性の向上及
び結晶粒を微細化にするため、ニツケル５〜10
％、コバルト５〜10％、チタン0.5〜1.5％、アル
ミニウム0.5〜２％、ホウ素0.01〜0.1％を添加し
た。以下、炭素、クロム、ニオブ、バナジウム、モ
リブデン及びタングステン添加の効果を具体的に
示すための化学組成を第１表に示す。

【表】

【表】第１表において、１は従来の高炭素−高クロム
鋼鉄で本発明よりモリブデンが低く、他の元素の
タングステン、ニオブ及びバナジウムは添加され
ていない。２は本発明よりもニオブ及びバナジウ
ムが低い場合である。３〜17は本発明の組成例で
ある。本発明の最初の工程は試料を高周波溶解炉で溶
製し、鋳込み温度を1550℃と一定として鋳型に鋳
込み鋳塊を製造した。鋳込み後の鋳塊は880℃×
５時間×770℃×10時間→炉冷の等温焼なましを
行つた。第２の工程は固相線温度より60〜100℃
低い温度に30時間保持後炉冷の拡散処理を行い、
炭化物の形態を変化させた。第３の工程は1050〜
1075℃の温度範囲で熱間拘束鍛造たとえばスエー
ジング、タツプ鍛造、サヤ鍛造により炭化物を分
断する方法で行つた。鍛造温度を1050〜1075℃の
特定範囲とした根拠は1075℃超となると脱炭及び
酸化が激しくなり割れの原因となる。1050℃未満
では変形態が小さいために鍛造が困難となる。鍛
造後は上述の等温焼なましを行い、各試験片を加
工した。各試験片の熱処理は1000〜1025℃から油
冷し、二次硬化温度の500℃で１時間保持後、１
〜５回の繰返し操作を行つた。熱処理硬さはロツ
クウエル硬度計（HRC）を用いて測定した。第２表は熱処理硬さ、摩耗試験、曲げ試験、熱
衝撃試験及びスポーリング試験結果を示す。試験片は、いずれも500℃の温度で１時間保持
後空冷の操作を、５回繰返して行つた。

【表】

【表】熱処理硬さは第２表第１欄からも明らかなよう
に、従来材の１はHRC65.3と硬さについては満
足している。本発明よりもニオブ及びバナジウム
添加量が低い組成の２の硬さはHRC65.0とやや
低い硬さとなつている。本発明材の３〜17はいず
れの材質もHRC65.5〜67.5の非常に高い硬さが得
られ、ロール仕様硬さを十分に満足している。第２表第２欄の研摩式摩耗試験による摩耗減量
結果を示す。摩耗方法は回転数600rpmで回転す
る直径200mmのターンテーブル上にエメリーペー
パーを張り、その上に直径18mmの試験片を荷重
800ｇで押し付け、２分20秒間摩耗させる方法で
ある。試験前後の重量差をもつて摩耗量とし耐摩
耗製の検討を行つた。従来材の１及び実験材の２
は摩耗減量が多くなつている。本発明の３〜17は
摩耗減量が16〜10mgと非常に少なく、耐摩耗性
は従来材の２〜3.5倍となつている。第２図は、全炭化物（M₇C₃＋MC）の面積率
（％、横軸）と摩耗減量（ｇ、縦軸）との関係を
示すグラフであり、第２表をグラフ化したもので
ある。第３表に、M₇C₃及びMC各炭化物の面積率及
び全炭化物の面積率を示す。

【表】

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明
するが、本発明はこれら実施例に限定されるもの
ではない。実施例１以下、摩耗部材としての炭素、クロム、ニオ
ブ、バナジウム、モリブデン及びタングステン添
加の効果を具体的に示すための実施例の化学組成
を第４表に示す。

【表】１は従来材で高炭素−高クロム鋳鉄である。２
及び３は本発明の組成範囲である。本実施例では
炭素２〜3.4％、クロム10〜30％、モリブデン１
〜３％、タングステン１〜３％、バナジウム６〜
15％、ニオブ１〜10％、ニツケル５〜10％、アル
ミニウム２％以下、他不純物からなる、鋳塊を製
造し、固相線温度以下で拡散処理を施したのち、
熱間拘束鍛造で炭化物を分断した。鍛造後は等温
焼なましを行い、各種試験片を採取した。熱処理
硬さは975〜1050℃の温度に１時間保持後油冷を
行つた。焼入れした試験片を500℃の温度で１時
間保持後、空冷の操作を５回繰返し行つた場合の
硬さをロツクウエル硬度計を測定した。残留オー
ステナイト量の測定は5φ×57lの試験片を975〜
1050℃から焼入れ後、500℃で５回繰返した後の
残留オーステナイト量を磁気分析法により測定し
た。摩耗試験は回転数600rpmで回転する直径200mm
のターンテーブルにエメリーペーパーを張り、そ
の上に直径18mmの試験片を荷重800ｇで押付け、
２分20秒間摩耗させる方法で行つた。なお、焼入れした試験片は、500℃の温度で１
時間保持後空冷の操作を５回繰返して行つた。曲げ試験は試験片寸法を厚さ４mm、幅５mm、長
さ55mmであり、支点間距離40mmで中央１点荷重の
曲げ冶具を用いて試験した。焼入れした試験片は上記と同じ処理を行つた。第６図にこれらの試験結果を示す。すなわち、
第６図は、焼入温度（℃、横軸）と、摩耗減量
（ｇ）、硬さ（HRC）、たわみ量（mm）、及び残留
オーステナイト量（％）（縦軸）との関係を示す
グラフである。第６図において焼戻し硬さは、従来材の１では
焼入温度が上昇しても硬さはHRC64と一定値を
示している。本発明材の２及び３はHRC66〜67
の高い値を示している。残留オーステナイト量は、従来材の１では焼入
温度が上昇すると量も増加して、1050℃では約40
％残留しており、オーステナイトの安定化が著し
い。本発明材の２及び３は975〜1000℃で10％程
度であり、1050℃では約30％に減少することが明
らかである。摩耗量は従来材の１に比較して耐摩耗性が従来
材の1.5倍であることが明らかとなつた。靱性評価のたわみ量は炭化物が多いにもかかわ
らず、従来材の１よりも良いことがわかつた。以上の結果から明らかなように、バナジウム及
びニオブを特定範囲で添加することにより、高硬
度で耐摩耗性及び靱性を向上させるため、優れた
摩耗部材が得られることが明らかとなつた。実施例２以下、石炭粉砕用ボール及びレース材としての
炭素、クロム、ニオブ、バナジウム、モリブデン
及びタングステン添加の効果を具体的に示すため
の実施例の化学組成を第５表に示す。

【表】１及び２は従来材で高炭素−高クロム鋳鉄、
ニ・ハード鋳鉄である。３及び４は本発明の組成
範囲である。本実施例では炭素２〜3.4％、クロム10〜30％、
モリブデン１〜３％、タングステン１〜３％、バ
ナジウム６〜15％、ニオブ１〜10％、コバルト５
〜10％、ニツケル５〜10％、アルミニウム２％以
下、他不純物からなる、鋳塊を製造し、固相線温
度以下で拡散処理を施した後、熱間後側鋳造で炭
化物を分断した。鍛造後は等温焼なましを行い、
各種試験片を採取した。熱処理硬さは975〜1050
℃の温度に１時間保持後油冷を行つた。焼入れし
た試験片を500℃の温度に１時間保持後、空冷の
操作を５回繰返して行つた場合の硬さをロツクウ
エル硬度計で測定した。残留オーステナイト量の測定は5φ×57lの試験
片を975〜1050℃から焼入後、500℃で５回繰返し
た後の残留オーステナイト量を磁気分析法により
測定した。摩耗試験は回転数600rpmで回転する直径200mm
のターンテーブルにエメリーペーパーを張り、そ
の上に18mmの試験片を荷重800ｇで押付け、２分
20秒間摩耗させる方法で行つた。曲げ試験は試験片寸法を厚さ４mm、幅５mm、長
さ55mmであり、支点間距離40mmで中央１点荷重の
曲げ冶具を用いて試験した。いずれの焼入れした試験片も、実施例１と同じ
処理を施した。その結果を第６表に示す。

【表】熱処理硬さは第６表第１欄からも明らかなよう
に、従来材の１の硬さはHRC65を示しているが、
２のニ・ハード鋳鉄の硬さはHRC56と低くなつ
ている。これは鋳放し後のマルテンサイドがもど
されるためである。本発明材の３及び４はいずれ
もHRC67.3〜66.8の非常に高い硬さが得られてい
る。第６表第２欄は研摩式摩耗試験による摩耗減量
結果を示す。従来材の１及び２は摩耗減量が多く
なつているが、本発明材の３及び４は10〜11mg
と摩耗減量が少なく、従来材の３倍以上の耐摩耗
性を示している。第６表第３欄は曲げ試験結果を示す。従来材に
比較して本発明材はいずれも優れた靱性を示して
おり、特に、バナジウム及びニオブが多量に添加
されても靱性低下が少ないことが明らかであり、
従来材の1.5倍の値を示し、たわみ量が大幅に向
上することが判明した。第７表に残留オーステナイト量の測定結果を示
す。

【表】第７表から、従来材の１及び２は20％以上のオ
ーステナイト量が残留することが明らかである。
本発明材の３及び４は10〜30％程度残留するが、
従来材の約1/2となつている。このため稼働中の
組織変化を極力少なくすることができ、稼働中の
破損等の事故を少なくすることが可能である。以上の結果から明らかなようにバナジウム及び
ニオブを特定範囲で添加することにより、高硬度
で耐摩耗性及び靱性並びに安定した組織を有する
ため、苛酷な使用条件に対しても十分に耐えられ
る石炭粉砕用ボール及びレース材として最適であ
る。実施例３以下、サンドポンプ用材としての炭素、クロ
ム、ニオブ、バナジウム、モリブデン及びタング
ステン添加の効果を具体的に示すための実施例の
化学組成を第８表に示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の高炭素−高クロ
ム鋼は、高硬度で耐摩耗性及び靱性に富み、更
に、高い圧延圧力に耐え、特に、耐スポーリング
特性を著しく向上した圧延作業ロール材に適した
化学組成である。

【図面の簡単な説明】

第１図は液相面における鉄−バナジウム−炭素
系状態図、第２図は全炭化物の面積率と摩耗減量
との関係を示すグラフ、第３図は全炭化物の面積
率と破断荷重との関係を示すグラフ、第４図は全
炭化物の面積率と耐熱衝撃性との関係を示すグラ
フ、第５図は全炭化物の面積率と耐スポーリング
性との関係を示すグラフ、第６図は焼入温度と、
摩耗減量、硬さ、たわみ量及び残留オーステナイ
ト量との関係を示すグラフ、第７図は従来材及び
本発明材について摩耗減量、硬さ、破断荷重及び
たわみ量を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１重量％で炭素２〜3.4％、クロム10〜30％、
ニオブ2.02〜10％、バナジウム６〜15％、モリブ
デン１〜３％、タングステン１〜3.75％、ケイ素
0.5〜3.0％、及びマンガン0.5〜3.0％を含み、残
部が実質的に鉄と不可避不純物である高炭素−高
クロム鋼からなり、初晶炭化物が粒状であり、且
つ平均粒径が５〜25μmの鍛造組織を有すること
を特徴とする耐摩耗性高炭素−高クロム鋼。２重量％で炭素２〜3.4％、クロム10〜30％、
ニオブ2.02〜10％、バナジウム６〜15％、モリブ
デン１〜３％、タングステン１〜3.75％、ケイ素
0.5〜3.0％、及びマンガン0.5〜3.0％を含み、残
部が実質的に鉄と不可避不純物である耐摩耗性高
炭素−高クロム鋼を製造する方法において、鋳塊
を製造する工程、その鋳塊を固相線温度より60〜
100℃低い温度で拡散処理を施しクロム炭化物の
形態を変化させる工程、及び拡散処理後1050〜
1075℃の温度範囲における熱間拘束鍛造によりク
ロム炭化物を分断させる工程の各工程を包含する
ことを特徴とする耐摩耗性高炭素−高クロム鋼の
製造方法。３重量％で炭素２〜3.4％、クロム10〜30％、
ニオブ2.02〜10％、バナジウム６〜15％、モリブ
デン１〜３％、タングステン１〜3.75％、ケイ素
0.5〜3.0％、及びマンガン0.5〜3.0％と、ニツケ
ル５〜10％、及びコバルト５〜10％の少なくとも
１種と、更にチタン0.5〜1.5％、アルミニウム0.5
〜２％、及びホウ素0.01〜0.1％の少なくとも１
種とを含み、残部が実質的に鉄と不可避不純物で
ある高炭素−高クロム鋼からなり、初晶炭化物が
粒状であり、且つ平均粒径が５〜25μmの鍛造組
織を有することを特徴とする耐摩耗性高炭素−高
クロム鋼。