JPH0680176B2

JPH0680176B2 - 熱間圧延用作業ロールの製造法

Info

Publication number: JPH0680176B2
Application number: JP62286566A
Authority: JP
Inventors: 雅之江良; 保夫近藤; 庄吾森本; 修下タ村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-11-13
Filing date: 1987-11-13
Publication date: 1994-10-12
Anticipated expiration: 2009-10-12
Also published as: JPH01129929A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は熱間圧延用複合作業ロールの製造法に関する。

〔従来の技術〕

一般に熱間圧延用作業ロールに要求される性質は、粗前
段作業ロールについては靱性、耐熱亀裂性、耐摩耗性、
耐肌荒性等であり、粗後段作業ロールについては耐肌荒
れ性、耐摩耗性、耐亀裂性等であり、仕上前段作業ロー
ルについては耐肌荒れ性、耐摩耗性、耐焼付性、耐スポ
ーリング性、耐押込み疵性等の諸性質である。

熱間圧延用作業ロール材質としては粗前段及び粗後段作
業ロールには特殊鋼、アダマイトが、また、仕上前段作
業ロールにはアダマイトロールが、また、仕上後段作業
ロールには鋳鉄系のニッケルグレーンロールが用いられ
ているのが現状である。

ロールを芯材と外層材とからなる複合ロールとして構成
することが行なわれているが、最近はとくに、圧延ライ
ンの連続化、圧延温度の低温化、高速圧延等のため、ロ
ールはますます過酷な状態のもとで使用されるようにな
った。したがって複合ロールを製造するにあたっては芯
材と外層材の溶着性がすぐれたものが要求され、また、
軸（芯材）の強度は高速圧延下においても十分に耐えら
れることが要望される。

従来、複合ロールは遠心鋳造法により製造されており
（特公昭60-149、特公昭61-42774）、芯材には普通鋳鉄
またはダクタイル鋳鉄が用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の複合ロールは芯材に普通鋳鉄或はダクタイル
鋳鉄が用いられているため、ロールの軸（芯材）強度が
低く、芯材と外層材との接合境界部にミクロキャビティ
などの欠陥が生じやすい点が問題であり、過酷な条件で
の圧延に供することができなかった。

また、芯材に鋼を用いても、芯材の融点が高いため、遠
心鋳造においては接合境界部に不溶着部やミクロキャビ
ティ等の欠陥が生じやすいために芯材を鋼製にすること
は非常に困難であった。

さらに、普通鋳鉄及びダクタイル鋳鉄は軸強度が低いた
め、熱処理により発生する応力に耐えられないので、焼
入、焼戻しにより硬さの増加を図ることが不可能であっ
た。

本発明の目的は、軸（芯材）の強度の向上、芯材と外層
材の溶着一体化、芯材と外層材との接合境界部の内部欠
陥の発生の防止および焼入れ・焼戻しの可能化、その結
果としての高硬度化および高耐摩耗性化ひいてはロール
寿命の延長を可能にした熱間圧延用複合作業ロールの製
造法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１の本発明による熱間圧延用作業ロールの製造法は、
ニッケル3.3〜６重量％を含有した外層材と鋼製の芯材
とをエレクトロスラグ再溶解により溶着一体化した複合
材を作り、この複合材を500〜600℃で焼鈍した後、750
〜1150℃の温度に１〜10時間保持後冷却することにより
焼入れし、焼入れ後、450〜550℃の高温焼戻し温度に１
〜10時間保持後空冷又は徐冷する焼戻しにより硬度を高
めることを特徴とするものである。

第２の本発明による熱間圧延用作業ロールの製造法は、
上記の焼入れ後直ちに−30〜−196℃の温度で深冷処理
し、その後100〜500℃の温度で焼戻すことにより硬度を
さらに高めることを特徴とするものである。

鋼製の芯材と外層材とを、第１図に示すように、エレク
トロスラグ再溶解で溶着一体化させる。すなわち、第１
図において、鋼製の芯材２を定盤１上に設置し、該芯材
１と円筒状の水冷鋳型６との間に円筒状の外層材消耗電
極３を挿入し、図示の如く電源Ｅを接続し、エレクトロ
スラグ再溶解を行なう。スタート時には水冷鋳型６はス
タート盤５に接している。消耗電極３は溶融スラグ４の
ジュール熱によって下端部から順次に芯材２の表面と共
に溶融され、スラグ４の下部に溶融金属浴を形成し、順
次凝固して外層材１となって芯材２と水冷鋳型６との間
の空間を充填して行く。それにつれて、消耗電極３およ
び水冷鋳型６を徐々に引き上げて行くことによって、芯
材２の周りに所要長さに亘って外層材１が溶着される。

外層材は、重量で炭素１〜3.6％、硅素0.3〜２％、マン
ガン0.3〜0.7％、硫黄0.05〜0.15％、燐0.05〜0.3％、
ニッケル3.3〜６％、クロム1.5〜９％、モリブデン１％
以下を含み、残部が鉄および不可避的不純物からなり、
エレクトロスラグ再溶解において外層材が芯材を溶かし
ながら順次凝固するので、接合境界部における不溶着部
やミクロキャビティ等の内部欠陥を生ずることなく、芯
材と外層材とが完全に溶着一体化し、軸強度を向上させ
る。溶着後の鋼製の軸（芯材）２の引張り強さは80kg/m
m²以上、ヤング率は２×10⁴kg/mm²以上、曲げ強度は200
kg/mm²以上である。芯材の引張り強さが80kg/mm²以下で
あると圧延中に折損事故につながり、またヤング率が２
×10⁴kg/mm²以下では圧延中に変形が生じ易い。また、
溶着後の外層材には黒鉛が１〜10％晶出して作業ロール
の寿命を大巾に向上させる。黒鉛が１％以下では潤滑効
果がうすれ、ロール表面の肌荒れに影響を及ぼし、10％
以上では強度が弱くなるので、１〜10％が好ましい。

さらに、芯材と外層材とをエレクトロスラグ再溶解で溶
着一体化させた上記の複合ロールの鋼塊を500〜600℃で
焼鈍して歪応力の除去と機械加工性の向上を行う。この
温度が500℃以下または600℃以上ではいずれも硬さが高
くなって機械加工が困難になる。次に、作業ロールの硬
さを得るために、焼入れとして焼入温度750〜1150℃に
１〜10時間加熱保持後急冷、空冷又は徐冷の操作を行な
った後、450〜550℃の高温焼戻温度に１〜10時間加熱保
持後空冷の焼戻しを行なって硬さを上昇させる。

上記の焼入条件を750〜1150℃に１時間〜10時間加熱保
持後急冷、空冷又は徐冷したのは次の理由による。すな
わち、焼入温度が750℃以下では合金元素のオーステナ
イト化が十分でなく、熱処理が不安定となり、製品に悪
影響を及ぼし、また1150℃を超えると溶融点に近づき、
結晶粒の粗大化をまねき、焼割れの原因となりやすい。
また加熱保持時間は、製品の寸法により異なるが、１時
間以下では内部まで均一な温度になりずらく、10時間以
上になると結晶粒の粗大化が著しくなり脆くなる。

また上記の焼戻し条件を450〜550℃に１時間〜10時間加
熱保持後空冷としたのは、450℃以下では残留オーステ
ナイトの分解及び二次硬化現象による炭化物の析出が少
なく、硬さの上昇が認められず、また550℃以上の温度
になると残留オーステナイトの安定化及び二次硬化現象
が終了して硬さがかえって低下するからである。好まし
い加熱保持温度は450〜550℃である。

残留オーステナイト量は焼入時で20〜98％であるが、焼
戻しにより10〜30％に減少し、Hs（ショア硬度）85以上
の高硬度と耐摩耗性が得られる。

他の方法は、更に高い硬さを得るために、前記の焼戻し
を行なう代りに、前記の焼入れ処理作業終了後に直ちに
−30〜−196℃の温度で深冷処理（サブゼロ処理ともい
う）を行なった後、100〜500℃の温度で焼戻すことであ
る。このように、焼入作業終了後に直ちに深冷処理を行
なうのは残留オーステナイトを分解させるためである。
深冷温度が−30℃以上ではオーステナイトの分解する量
が少なく、硬さの上昇は無理であり、−196℃以下の冷
却は、分解するオーステナイトがなく、必要でない。こ
の方法で、製品の寸法精度向上と硬度および耐摩耗を向
上させ、ロール寿命を大巾に向上させ得る。

なお、前記外層材の組成の選定理由は下記の通りであ
る。

炭素は一部は焼入に際して基地に溶解して硬さを高め
る。残りはクロム、モリブデンと結合して硬い炭化物を
形成する。その量が多いほど耐摩耗性の向上に寄与する
元素である。しかし、多量になるほど黒鉛の量も多くな
りやすく、逆にセメンタイト量が不足することもある。
したがって、最適炭素量は１〜3.6％とした。

硅素は鉄鋼製錬において普通元素として分類され、鋼中
にある程度不可避的に含まれる成分である。通常は脱酸
の目的で添加される程度である。鋳鉄系では黒鉛を晶出
させるために必要である。また、焼戻しによる二次硬化
の促進作用により高い硬さが得られ、高硬度と耐摩耗性
の向上に寄与する。硅素が0.3％以下では鋳造性が悪く
なり、２％以上になるとセメンタイト量が過剰となりや
すいので、0.3〜２％が良い。

マンガンは必らず含まれている元素で特に規定する必要
はないが通常添加される量は0.3〜0.7％である。さら
に、硫黄と相互に結合して硫化マンガンを形成し、基地
に析出させて機械加工性の向上に寄与する元素である。

硫黄は燐と同様に有害元素であるが、硫化マンガンなど
なるべく害の少ない形にすれば機械加工性を増す元素で
ある。その量は0.05〜0.15％でよい。

燐は微量でも鋼中及び鋳鉄中に偏在する元素であり、焼
割れ、ひずみなどの主原因となる。脆性を著しく増加さ
せるので0.05〜0.3％とすべきである。

ニッケルは組織を微細化し、オーステナイトにもフェラ
イトにも固溶して基地を強化する。また、クロムやモリ
ブデンと共存して焼入性を増す。ニッケルの量は3.3〜
６％が望ましく、ニッケル量が多いとオーステナイト量
が多くなり、オーステナイトが安定化して硬さの上昇す
る程度が弱まり、黒鉛も粗大化する。

クロムは炭素と結合して炭化物を形成し耐摩耗に寄与す
る。また、一部は基地中に固溶し、基地の硬さを高め、
焼入性、耐摩耗性を向上させる。硅素、ニッケルと同様
に黒鉛の晶出に影響を及ぼす。その量は1.5〜９％が良
い。

モリブデンは一部は炭素と結合してM₆C炭化物を形成
し、残部は基地に固溶し、焼戻しによる二次硬化現象で
硬さが増加する。熱処理の安定からも１％は必要であ
る。

以下に熱処理条件の限定理由を詳しく述べる。

第１表に本発明法として示した組成を有する外層材の試
験片を切り出し、1050℃に1,5及び10時加熱保持後空冷
の操作を行ない、次いで500℃に1,5及び10時間加熱後空
冷する熱処理を行なった。これについてロックウエル硬
さ計で硬さを測定した。第２図は焼入、焼戻し硬さ曲線
を示す。焼入硬さはHRC36〜39と低硬度になっている
が、500℃の高温焼戻温度に加熱保持後空冷の操作を行
なうと、二次硬化現象及び残留オーステナイトの分解に
より、HRC65以上の高硬度が得られた。

一方、第１表に従来法として示したものから切り出した
試験片は鋳放し後850℃に1,5及び10時間加熱保持後炉冷
の操作を行なった。第２図に示すように焼入のままでは
HRC48の値を示している。焼入後の試験片を200℃に５時
間保持することによりHRC50を示したが、硬さの増加の
程度は少ないことが明らかである。

一方、第１表に本発明法として示した外層材と鋼製の芯
材（軸受鋼）をエレクトロスラグ再溶解により溶着一体
化した鋼塊から試験片を採取し、次に、磁気分析法によ
り残留オーステナイト量を測定した。また、従来法によ
るものから切り出した試験片についても同様の測定をし
た。第３図に残留オーステナイト測定結果を示す。従来
法のものは850℃に５時間加熱保持後炉冷し、200℃に５
時間加熱保持後徐冷の操作を行なったが、このものにお
いては残留オーステナイトは焼入、焼戻し処理とも約40
％と同程度の値を示している。

他方、本発明法によるものは焼入のままでは約98％オー
ステナイトが残留するが、焼戻しにより約20％に減少す
る。このことは焼戻し硬さを上昇させる要因となり、熱
間圧延用作業ロールの硬さを十分満足することが明白で
ある。

また、耐摩耗性に関しては、研磨式摩耗試験を行なっ
た。摩耗試験方法は回転数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って摩耗量
とし耐摩耗性の検討を行なった。第３図に摩耗減量測定
結果を示す。従来法のものは焼戻しを行なっても摩耗量
の変化が少なく、同等の摩耗減量を示している。

本発明法のものは焼入のままの硬さが低く、かつ、残留
オーステナイトが多くても、従来法のものより摩耗減量
が少なくなっている。さらに、焼戻しを行なうと摩耗減
量は従来法のものの1/2の摩耗減量となることが明らか
となった。

第１表に本発明法として示した組成を有する外層材から
試験片を切り出し、深冷処理による焼入、焼戻し硬さ曲
線を求めた。すなわち、該試験片は1050℃に1,5及び10
時間加熱保持後急冷の操作が終了した後、直ちに−75℃
に１時間保持したのち室温になるまで放置した。第４図
に結果を示す。深冷の後の硬さはHRC67の高い硬さが得
られた。また、深冷処理後の試験片を150℃に５時間保
持した後の硬さはHRC68と最も高い硬さが得られた。

一方、実験例１の従来法によるものから切り出した試験
片は鋳放し後850℃に1,5及び10時間加熱保持した後炉冷
を行ない、その終了後、−75℃に１時間保持して室温に
なるまで放置した。深冷処理後の硬さはHRC55を示し
た。深冷処理後の試験片を200℃に５時間保持した。硬
さはHRC55.2と深冷処理硬さとほぼ同様であった。

第１表に本発明法として示した試験片を採取し、磁気分
析法により深冷処理後の残留オーステナイト量を測定し
た結果を第５図に示す。

従来法のものは850℃に５時間加熱保持後炉冷の作業の
終了後−75℃に１時間保持後室温になるまで放置した。
残留オーステナイト量は約38％であった。深冷処理後20
0℃の温度で焼戻しを行なっても深冷処理時とほぼ同様
の値を示した。

本発明法のものでは1050℃に５時間保持後空冷の操作の
終了後、−75℃に１時間保持後室温になるまで放置し
た。残留オーステナイト量は15％となり、深冷処理後15
0℃に５時間焼戻しを行なうことにより５％に低下する
ことが確認された。

また、耐摩耗性に関して、上記の鋼塊から直径18mm×長
さ15mmの試験片を用いて研磨式摩耗試験を行なった。摩
耗試験方法は回転数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を張り、その上に直径18
mm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って摩耗量とし耐
摩耗性の検討を行なった。第５図にその結果を示す。

従来法のものは850℃に５時間加熱保持後、炉冷の作業
の終了後、−75℃に１時間保持後室温にまるまで放置し
た。また、焼戻しは200℃に５時間加熱保持した後空冷
の操作を行なった。摩耗減量は深冷処理及び焼戻しにお
いても280mgと同程度の摩耗減量を示している。

本発明法のものは1050℃に５時間保持後、空冷の操作の
終了後、−75℃に１時間保持後室温になるまで放置し
た。また、深冷処理後150℃に５時間加熱保持したのち
空冷の操作を行なった。摩耗減量は深冷処理時のもので
は150mgの値を示し、焼戻したものでは140mgとほぼ同様
な値を示している。しかし、従来法のものに比べると1/
3の摩耗減量となることが確認された。

以下、具体的に実施例を説明する。

実施例１第１表に示す成分組成を有する外層材と芯材とよりなる
複合ロールを製作した。第１表中の本発明法と表示した
ものではエレクトロスラグ再溶解法で外層材と芯材を一
体的に溶着させることにより、また従来法と表示したも
のでは遠心鋳造法（鋳型を回転させて遠心力で外周材を
鋳造し、その中に芯材を鋳込む）により、複合ロールを
作った。

すなわち、本発明法では、第１図に示したエレクトロス
ラグ再溶解装置を用いて、直径320mm、高さ730mmの水冷
鋳型の内部に直径200mm、高さ1300mmの鋼製芯材（軸受
鋼SUJ1〜２）を定盤上に設置し、第１表上段のニッケル
鋳鉄からなる外層材の内径235mm、外径280mmの円筒状消
耗電極を用い、フラックスを挿入して溶解し鋼塊を作製
し、熱処理を施した。鋼塊の焼鈍は550℃に６時間保持
した。焼入は1050℃に５時間保持後空冷を行ない、焼戻
しは500℃に５時間保持した後、空冷の処理を行ない、
硬さはHRC66と高硬度のロールが得られた。さらに溶製
された鋼塊の溶着性について調べるため、超音波探傷試
験により、接合境界部の健全性についてチェックした。
その結果、外層材は芯材と完全に溶着一体化されている
ことが確認された。また、溶製後の鋼塊を横断面状に切
断し、マクロ組織による外観を観察した。その結果、接
合境界部にはミクロキャビティ等の内部欠陥は発生して
いなかった。したがって、高速圧延及び高圧下圧延を行
なっても接合境界部からのはく離等の問題は生じない。

さらに、本発明法と従来法における芯材の強度比較を行
なった。第２表から明らかなように本発明法は引張強さ
80kg/mm²以上、伸び及び絞りにおいては10％以上を示
し、衝撃値は2kg・m/cm²以上の高い値を示すことが明白
である。いずれの機械的性質とも従来法の1.5倍以上の
強度を示し、過酷な使用条件にも十分に耐えられること
が確認された。

本発明によって得られる熱間圧延用作業ロールは例えば
６重式または４重式熱間圧延用作業ロールとして用いる
ことができ、いずれも高圧下圧延及び高速圧延に十分耐
えられる。第６図は６重式熱間圧延機の構造を示し、圧
延材９を直接圧延する上下一対の作業ロール10,11はロ
ールハウジング14,14′内に保持されたメタルチョック1
2,12′及び13,13′に支持される。また、４重式圧延機
と同様に作業ロールのペンデングを容易になし得る構造
となっている。作業ロール10,11と接触する上下一対の
中間ロール15,16は上下の作業ロール10,11とほぼ同一中
心線上に位置するように配置されている。この中間ロー
ル15,16は上下各２本の補強ロール17,18によって支持さ
れている。また、第７図は４重式熱間圧延機の構造を示
し、圧延材９を直接圧延する上下一対の作業ロール21,2
2は補強ロール23,24で支持されている。25は圧延荷重、
26はロールベンデング力を示している。

〔発明の効果〕

本発明によれば、熱間圧延用作業ロールの軸（芯材）強
度を従来の1.5倍以上に向上させることができる上、芯
材と外層材との溶着一体化、その接合境界部における内
部欠陥の発生の防止が可能となり、また焼入れ、焼戻し
等の熱処理が可能となり、その結果、硬度および耐摩耗
性を高めることができロールの寿命を大巾に改善するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いるエレクトロスラグ再溶解を説明
する図、第２図は実施例における焼入れ、焼戻し硬さを
示した図、第３図は実施例における残留オーステナイト
量および摩耗減量を示した図、第４図は実施例における
焼入、焼戻し硬さを示した図、第５図は実施例における
残留オーステナイト量および摩耗減量を示した図、第６
図および第７図は夫々、６重式熱間圧延機および４重式
熱間圧延機の構造を示す図である。１……外層材、２……芯材３……外層材の円筒消耗電極、４……溶融スラグ５……スタート盤、６……水冷鋳型７……回転定盤、８……カーボンブラシ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下タ村修茨城県勝田市堀口832番地の２株式会社日立製作所勝田工場内 (56)参考文献特開昭61−147815（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−92403（ＪＰ，Ｕ) 特公昭59−31567（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量で炭素１〜3.6％、硅素0.3〜２％、マ
ンガン0.3〜0.7％、硫黄0.05〜0.15％、燐0.05〜0.3
％、ニッケル3.3〜６％、クロム1.5〜９％、モリブデン
１％以下を含み、残部が鉄および不可避的不純物よりな
る外層材を引張強さ80kg/mm²以上の鋼製の芯材にエレク
トロスラグ再溶解により溶着一体化した複合材を作り、
この複合材を500〜600℃で焼鈍した後、750〜1150℃の
温度に加熱保持後冷却することにより焼入れし、焼入れ
後、450〜550℃で加熱保持後空冷又は徐冷の焼戻し処理
をすることを特徴とする熱間圧延用作業ロールの製造
法。
【請求項２】溶着一体化後、鋼製の芯材が引張強さ80kg
/mm²以上、ヤング率２×10⁴kg/mm²以上、曲げ強度200kg
/mm²以上を有する特許請求の範囲第１項記載の熱間圧延
用作業ロールの製造法。
【請求項３】硬度がHs（ショア硬度）85以上である特許
請求の範囲第１項記載の熱間圧延用作業ロールの製造
法。
【請求項４】残留オーステナイト量が焼入終了時で20〜
98％、焼戻終了時で10〜30％である特許請求の範囲第１
項記載の熱間圧延用作業ロールの製造法。
【請求項５】重量で炭素１〜3.6％、硅素0.3〜２％、マ
ンガン0.3〜0.7％、硫黄0.05〜0.15％、燐0.05〜0.3
％、ニッケル3.3〜６％、クロム1.5〜９％、モリブデン
１％以下を含み、残部が鉄および不可避的不純物よりな
る外層材を引張強さ80kg/mm²以上の鋼製の芯材にエレク
トロスラグ再溶解により溶着一体化した複合材を作り、
この複合材を500〜600℃で焼鈍した後、750〜1150℃の
温度に加熱保持後冷却することにより焼入れし、焼入れ
後直ちに−30〜−196℃の温度で深冷処理し、その後、1
00〜500℃の温度で焼戻処理することを特徴とする熱間
圧延用作業ロールの製造法。
【請求項６】溶着一体化後、鋼製の芯材が引張強さ80kg
/mm²以上、ヤング率２×10⁴kg/mm²以上、曲げ強度200kg
/mm²以上を有する特許請求の範囲第５項記載の熱間圧延
用作業ロールの製造法。
【請求項７】硬度がHs（ショア硬度）85以上である特許
請求の範囲第５項記載の熱間圧延用作業ロールの製造
法。