JPH0665632A

JPH0665632A - 複合ロールの外層材製造方法

Info

Publication number: JPH0665632A
Application number: JP24142892A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ichino; 健司市野; Tadao Hashimoto; 忠夫橋本; Minoru Maeda; 稔前田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-08-19
Filing date: 1992-08-19
Publication date: 1994-03-08
Anticipated expiration: 2013-10-15
Also published as: JP2810907B2

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れ、割損の虞れの
ない、均一組織のロール外層材を製造すること。【構成】重量％で、Ｎｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃｒ：0.8
〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜3.0％、Ｓｉ：0.5 〜 1.5％を
含有する合金鋳鉄のロール外層材を、850 〜 950℃に加
熱した後、 450〜 510℃の温度域まで急冷し、該温度域
に保持した後、更に冷却し 200〜 350℃に保持し、変態
させる複合ロールの外層材製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性、耐肌荒れ性
に優れた圧延用複合ロール等として用いて好適な、複合
ロールの外層材製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、熱間圧延工程では、より高速度高
負荷の圧延が要求され、製品品質、特に表面状況への要
求が厳しくなっている。このため、このような圧延工程
の圧延機に利用されるロール特性として、より一層耐摩
耗性や耐肌荒れ性等に優れることが要求されている。

【０００３】従来、このような用途に対しては、高合金
鋳鉄を外層材とした複合ロールが用いられていた。この
ような複合ロールは、As cast のまま歪取り熱処理を行
なって製造するか、恒温変態処理（例えば、特公昭57-1
5647、特公昭57-15648、特開平1-191746）を行なって製
造されている。

【０００４】ここで、複合ロールの外殻層を構成する組
織は、黒鉛、共晶炭化物及び基地組織であるが、基地組
織はオーステナイト化後（或いは凝固後）の冷却条件に
よって決定される。即ち、オーステナイトの状態から常
温まで連続的に冷却する場合、冷却速度が遅いと基地組
織がパーライトになり、冷却速度が速くなるとベイナイ
ト或いはマルテンサイトが析出する。一般に、各基地組
織の耐摩耗性は、マルテンサイト、ベイナイト、パーラ
イトの順に良いため、圧延ロール等の複合ロールでは、
外殻層の基地にマルテンサイトを析出させて用いること
が多い。ところが、オーステナイト化後から連続的に冷
却して変態させた場合、冷却過程で生じたロール内部
と外殻層の温度差に起因する熱応力と、外殻層の変態膨
張に基づく変態応力が重なって、ロール内層に著しい引
張応力が発生してロールの割損を生じ易い。マルテン
サイトは、高硬度ではあるが、靱性が低いことから、圧
延ロールとして使用される際、局部的な熱応力や圧延応
力が加わるとクラックが生じ易い、等の欠点がある。

【０００５】そこで、従来技術では、特に内層の厚みが
薄いスリーブ式複合ロールの外層材において、割損を防
止するため、徐冷するとともに外殻層にパーライトを析
出させて（耐摩耗性を犠牲）製造することを余儀なくさ
れていた。また、変態応力を緩和する処理法としてオー
ステンパー処理が知られており、これを利用した技術と
して、特公昭57-15647と特公昭57-15648に記載される如
く、Ｎｉ：3.0 〜5.0％、Ｍｏ：0.2 〜0.8 ％含有する
複合ロール外殻層を 850℃以上の温度でオーステナイト
化処理し、引続いて急速冷却して 200〜 450℃で恒温変
態処理を行なう方法や、特開平1-191746に記載される如
く、 800〜 900℃の温度でオーステナイト化後、引続い
て 100〜 500℃／ｈで急速冷却して 350〜 500℃で恒温
変態を起こさせる方法が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来技術
では、下記、の問題点がある。オーステナイト化後、急冷して 325℃以上で保持した
場合、ベイナイト変態しないか、該変態が停滞して未変
態オーステナイトが残留し、等温変態後の冷却過程（室
温〜200 ℃）で未変態オーステナイトがマルテンサイト
に変態する。マルテンサイトは前述の如く靱性が低く、
局部的な熱応力や圧延応力によって、ロールの割損を生
じ易い。

【０００７】オーステナイト化後、急冷して直接 200
〜 300℃に保持するとベイナイト変態は完了するが、長
く伸びたベイナイトが析出し、その間隙に粗大な残留オ
ーステナイトが形成されるため、耐摩耗性と耐熱衝撃性
を損なう。更に、ベイナイト変態温度までの急冷でロー
ル径方向に大きな温度差が生じ、これに基づいて過大な
熱応力が加わるためロールの割損を生じ易い。

【０００８】本発明は、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れ、
割損の虞れのない、均一組織のロール外層材を製造可能
とすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の複合ロールの外
層材製造方法は、重量％で、Ｎｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃ
ｒ：0.8 〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜 3.0％、Ｓｉ：0.5 〜
1.5％を含有する合金鋳鉄のロール外層材を、850 〜 9
50℃に加熱した後、 450〜 510℃の温度域まで急冷し、
該温度域に保持した後、更に冷却し 200〜 350℃に保持
し、変態させるようにしたものである。

【００１０】

【作用】本発明者は、複合ロールの熱処理特性を種々検
討した結果、所定の化学組成の外層材においては、オー
ステナイト化後の冷却過程でパーライト変態もベイナイ
ト変態も生じない中間温度域（ 450〜 510℃）が存在す
ることを見い出し、オーステナイト化後にパーライトノ
ーズを回避する速度で急冷し、この温度域に保持すれ
ば、ベイナイト及びパーライト変態も生じず、熱応力を
弛緩できることを見い出した。更に、この温度域では、
その後の変態でオーステナイトから微細な２次炭化物が
析出（オーステナイト不安定化）し、引き続き冷却して
200〜350 ℃に保持すると、ベイナイトとオーステナイ
トが細かく分断された組織となり、耐摩耗性と耐熱衝撃
性が著しく向上することを見い出したのである。

【００１１】本発明において、外層材の化学組成を限定
した理由を以下に示す。Ｎｉ：2.0 〜 6.0％Ｎｉは焼入れ性を向上する元素でパーライト変態が起き
る臨界冷却速度を遅くする効果があり、またベイナイト
を強化する。 2％未満ではその効果が不足し、6％を越
えて含有しても効果が飽和するばかりか、ベイナイト変
態速度を遅くする。

【００１２】Ｃｒ：0.8 〜 0.4％ＣｒはＮｉと同様に焼入れ性を向上する元素であり、パ
ーライト変態終了温度とベイナイト変態開始温度の差を
拡げる作用を持つ。また、鉄、炭素と結合して炭化物を
形成するため、耐摩耗性が向上する。 0.8％未満では前
記の作用が不足し、 4％を超えると炭化物量が必要以上
に増大して脆化する。

【００１３】Ｍｏ：0.2 〜 3.0％Ｍｏはベイナイト変態時間をあまり延長させることなく
焼入れ性を向上する。また、パーライト変態温度を上昇
させる作用があるため、ＣｒとＮｉの複合添加において
パーライト変態温度とベイナイト変態温度の差を60℃以
上に拡げることができる。Ｍｏが 0.2％未満ではその効
果が不足し、 3％を超えても効果が飽和するため、経済
性の観点から上限を 3％とする。

【００１４】Ｓｉ：0.5 〜 2.0％溶解時の脱酸と基地組織の靱性付与のため 0.5％以上添
加することが好ましいが２％を超えて含有させると黒鉛
過多となって耐摩耗性が低下する。

【００１５】Ｃ：2.5 〜 4.0％ 2.5 ％以下では炭化物量が不足して耐摩耗性が低下し、
4％を超えると、炭化物量と黒鉛量が過多となり、脆化
すると共に耐摩耗性も低下する。

【００１６】Ｍｎ：0.3 〜 1.5％焼入れ性を高めると共に基地を強化する効果がある。0.
3 ％以上添加しなければ効果が得られない。1.5 ％を超
えて含有すると硬脆化する。

【００１７】Ｐ≦0.04％、Ｓ≦0.03％Ｐ、Ｓは共に有害成分であり少ないほど好ましいが、Ｐ
≦0.04％、Ｓ≦0.03％まで許容できる。

【００１８】そして、本発明では、上述の如くの化学組
成からなる外層材に図１に示す如くの熱処理を施したも
のである。熱処理条件を限定した理由を以下に示す。

【００１９】(1) 加熱条件： 850〜950 ℃ 外層材を 850〜 950℃に加熱するとその基地組織はオー
ステナイトに変態する。ここで、オーステナイト化温度
が 850℃より低いと、合金元素の均一化が不足し、熱処
理後の組織にムラが生ずる。 950℃を超えると組織が粗
大化して脆化する。

【００２０】(2) 急冷保持条件： 450〜 510℃ 外層材を上述(1) の加熱後、 450〜 510℃まで冷却し
て、一旦保持する。 450〜 510℃までの冷却速度はパー
ライト変態を完全に阻止するため、60℃／Ｈ以上にする
ことが望ましい。 450℃〜 510℃の間は長時間保持して
も、パーライト変態やベイナイト変態を起こさないた
め、この温度に保持することによって冷却過程で発生し
たロール内部の温度差をなくし、また、熱応力を弛緩す
ることができる。 450℃〜 510℃の保持時間は 5時間以
上が好適である。 510℃より高いとパーライト変態が開
始するため、上限は 510℃とする必要があり、また、 4
50℃より低いと、少量の粗大なベイナイトが析出するた
め、ロールの硬度を低下させる原因になると共に、熱応
力弛緩効果も減少するため下限を 450℃とした。また、
450〜 510℃に保持した場合、オーステナイト中の炭素
が拡散均一化するとともに、過飽和炭素が最大径 3μm
以下の２次炭化物として析出し、オーステナイトが不安
定化するためベイナイト変態が促進される。

【００２１】(3) 冷却保持条件： 200〜 350℃ 外層材を上述(2) の急冷保持後、更に冷却して 200〜 3
50℃に保持すると、オーステナイトとベイナイトが細か
く分断された基地組成が均一に形成される。保持温度が
200℃より低いとマルテンサイトが析出し、 350℃を超
えるとベイナイト変態が完了しなくなるとともに硬度の
低い粗大なベイナイトが析出するため、ロールの靱性或
いは耐摩耗性を低下させる。 200〜 350℃の保持時間は
20時間以上が好適である。

【００２２】このようにして製造された本発明複合ロー
ルの外層材の組織は、黒鉛、共晶炭化物と基地組織がベ
イナイト、オーステナイト及び最大径 3μm 以下の２次
炭化物で構成された形となり、優れた耐摩耗性、耐熱衝
撃性、強度を示す。また、オーステナイト化後の冷却過
程で 450〜 510℃に保持されるため、ロール内部の温度
差と熱応力が解放されて、ロール割損の虞れがなくな
り、また均一な組織が得られる。ロール径方向に温度差
がつき易い大型ロールや、内層の厚みが薄いスリーブ式
複合ロール等を熱処理する場合でも、上述の 450〜 510
℃に保持した際の応力の解放によって割損の虞れがな
く、熱処理時の冷却速度に制限を受けずに均一な組織を
持つ複合ロールを製造できる。

【００２３】尚、本発明複合ロールに適用される内層材
は、鋳鉄や鋳鋼等何でもかまわないが、球状黒鉛鋳鉄や
黒鉛鋼等、強靱な材質を用いることが好ましい。

【００２４】

【実施例】

（実施例１）遠心鋳造法により、表１に示す化学組成の
外層材（高合金グレン鋳鉄）と内層材（黒鉛鋼）を用い
て外径：1330mm、内径： 750mm、幅： 900mmのスリーブ
式複合ロールを製造した。本ロールは内層の厚みが約10
0mm と非常に薄く、普通に冷却するとマルテンサイト変
態して割損するため、鋳造後に徐冷し、外層の基地組織
をパーライト変態させて、割損を防止した。かくして得
られた複合ロールの外層部から50× 200× 200mmの試料
を採取し、表２に示す各種熱処理を施した。試料Ａ〜Ｄ
は本発明実施例、Ｅ〜Ｇは比較例である。Ｅは焼入れ焼
き戻しを行なって焼き戻しマルテンサイト組織とした試
料で、Ｆはパーライト組織試料（現行条件）、Ｇは中間
温度での保持工程を省略したベイナイト組織の試料であ
る。各試料から、引張り試験片、熱衝撃試験片、摩耗試
験片（φ50mm）を採取した。熱衝撃試験は、1200rpm で
回転している鋼製ローラー（φ300 ）に試験片を荷重14
70Ｎ、接触時間15sec.の条件で圧接し、直接に水冷する
方式で行なった。また、摩耗試験は相手材をS45Cとした
２円盤の滑り摩耗方式で、滑り率3.9 ％、相手材加熱温
度 800℃、荷重 980Ｎ、滑り距離588 ｍの条件で行なっ
た。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】試験結果を表３に示す。現行条件のパーラ
イト組織試料Ｆに比べた場合、本発明実施例の試料Ａ〜
Ｄは引張り強さで16〜23％向上し、耐熱衝撃性は維持さ
れて耐摩耗性が 2〜 4倍向上している。焼き戻しマルテ
ンサイト組織にした試料Ｅと比べた場合、本発明実施例
の試料Ａ〜Ｄは耐熱衝撃性が 2倍向上し、耐摩耗性は同
等から 2倍に向上している。また、オーステナイト化
後、 450〜 510℃に一旦保持する工程を省略し、 300℃
で恒温変態させた試料Ｇ（公知の熱処理法）と、450〜
510℃で18時間保持後に 300℃で恒温変態させた本発明
実施例の試料Ｂを比べた場合、試料Ｂは試料Ｇに比べて
耐熱衝撃性が約 2倍、耐摩耗性が約 2.5倍に向上してお
り、いずれの比較においても本発明の有効性が明白であ
る。

【００２８】

【表３】

【００２９】また、外層の金属組織の構成を表４に示
し、その一例として、試料Ｂ、ＧのＳＥＭ組織をそれぞ
れ図２、３に示す。また、試料Ｇの光学顕微鏡組織を図
４に示す。本発明実施例の試料の場合、一例として示し
た試料Ｂに見られるような２次炭化物（最大径で 3μm
以下）が基地部に析出して、オーステナイトとベイナイ
トが均一に分布している。これに対し、試料Ｇの場合、
２次炭化物がなく、ベイナイトが密集して析出している
部分と粗大なオーステナイトが残留している部分が不均
一に分布している。つまり、本発明実施例では、２次炭
化物の存在と、それに伴って均一な組織が形成される結
果、耐摩耗性と耐熱衝撃性が著しく向上するのである。

【００３０】

【表４】

【００３１】（実施例２）遠心鋳造法により、表５に示
す化学組成の外層材（高合金グレン鋳鉄）と内層材（黒
鉛鋼）を用いて、外径：1330mm、内径： 750mm、幅： 9
00mmのスリーブ式複合ロールを２本溶製し、表６に示す
熱処理を行なった。試料Ｈは本発明実施例であり、Ｉは
比較例である。試料Ｈ、Ｉの光学顕微鏡組織を図５、図
６に示す。

【００３２】

【表５】

【００３３】

【表６】

【００３４】比較例Ｉのロールは熱処理終了後、放置中
に内面から割損した。外表層部のミクロ組織を確認した
結果、図６に示すように、基地組織はマルテンサイトと
少量のベイナイトで構成されていることが確認された。
即ち、比較例に適用された熱処理では、ベイナイト変態
の進行が不完全となり、 325℃で保持後の冷却過程及び
放置中に残留したオーステナイトがマルテンサイトに変
態し、このロール外層材の変態膨張によって割折したの
である。

【００３５】本発明実施例Ｈのロールは割損を起こすこ
となく、健全に製造された。外表層部のミクロ組織を確
認した結果、図５に示すようにベイナイトが均一に析出
しており、良好な組織が得られていることが明らかにな
った。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、合金鋳
鉄の変態特性を把握し、所定量の合金を含有した合金鋳
鉄を外層材とした複合ロールを、オーステナイト化後の
冷却過程で 450〜 510℃のベイナイト、パーライト変態
しない温度に一旦保持して、オーステナイト中の炭素を
均一分散させるとともに過飽和炭素を２次炭化物として
析出させ、その後冷却して 200〜 330℃で保持する間に
均一にベイナイトを析出させるようにした。従って、耐
摩耗性、耐熱衝撃性に優れ、割損の虞れのない、均一組
織のロール外層材を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の熱処理パターンの概略を示す模
式図である。

【図２】図２は本発明実施例（Ｂ）の金属組織を示す50
00倍のＳＥＭ写真である。

【図３】図３は比較例（Ｇ）の金属組織を示す5000倍の
ＳＥＭ写真である。

【図４】図４は比較例（Ｇ）の金属組織を示す 400倍の
光学顕微鏡写真である。

【図５】図５は本発明実施例（Ｈ）の金属組織を示す 4
00倍の光学顕微鏡写真である。

【図６】図６は比較例（Ｉ）の金属組織を示す 400倍の
光学顕微鏡写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｎｉ：2.0 〜 6.0％、Ｃｒ：
0.8 〜 4.0％、Ｍｏ：0.2 〜 3.0％、Ｓｉ：0.5 〜 1.5
％を含有する合金鋳鉄のロール外層材を、850 〜 950℃
に加熱した後、 450〜 510℃の温度域まで急冷し、該温
度域に保持した後、更に冷却し 200〜 350℃に保持し、
変態させることを特徴とする複合ロールの外層材製造方
法。