JPH07252533A - 複合ロールの外層材製造方法 - Google Patents

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℃に保持して変態
せしめ、然る後、400 〜500 ℃に再加熱する複合ロール
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、耐クラック
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。特にＨ型鋼等の異形鋼板の熱間
圧延においては、ロールの端面でも圧延するため、熱的
負荷が大きくなり、粗大なヒートクラックがロール端部
に生成してロール原単位を著しく劣化させるという問題
が発生している。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、より一層の耐クラッ
ク性と耐摩耗性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、Ｎ
ｉ：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、 8
00〜 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、及びの問題点がある。 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】オーステンパー処理したロールは、従来
技術に示されているように、オーステンパー処理したま
ま圧延に使用されている。然し、オーステンパーのまま
のロール外層材の組織には、多量の残留オーステナイト
が形成されている。ここで、オーステナイトの線膨張係
数は、フェライトの1.5 倍と大きいため、ロールに熱衝
撃が加わると、瞬間的な膨張収縮量は大きくなり、ヒー
トクラックが生成する。

【０００９】以上の欠点を解決するために、本発明者
は、先に特願平4-241428の「複合ロール製造方法」を提
案したが、耐クラック性の面で更なる改善が要望されて
いた。

【００１０】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。

【００１１】

【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
して変態せしめ、然る後、400 〜500 ℃に再加熱するこ
とによって残留オーステナイトを分解するようにしたも
のである。

【００１２】

【作用】本発明者は、先に、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〜 5
10℃）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
性が著しく向上する。そして、本発明の特徴は、前記熱
処理の後、400 〜500 ℃に再加熱すると、オーステナイ
トが分解し、残留量が減少する結果、ロールの耐熱衝撃
性（耐クラック性）が著しく向上することを見い出した
のである。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】(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。

【００２２】(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。

【００２３】(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。また、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。

【００２４】(4) 再加熱条件： 400〜500 ℃ 前記(1) 〜(3) の熱処理の後、残留オーステナイトを分
解するため、 400〜500 ℃に再加熱する。再加熱温度が
400 ℃より低いと残留オーステナイトの分解が十分でな
くなり、耐クラック性は向上しないが、500 ℃を超える
と、分解が過度に進行して硬さが低下するため制限し
た。尚、本再加熱は、前記(3) に示した200 〜350 ℃に
保持した後、引き続いて昇温し、所定温度で保持するこ
とが熱処理時間短縮のためには好ましいが、200 〜350
℃に保持後、一旦、室温まで冷却してから再加熱するこ
とも可能である。再加熱時間は、オーステナイトを十分
に分解するため、 5時間以上とすることが望ましい。

【００２５】このようにして製造された本発明複合ロー
ルの外層材の基地組織は、ベイナイトが均一に析出する
とともに残留オーステナイト量が著しく低減するため、
優れた耐熱衝撃性、耐摩耗性を示す。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。

【００２６】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。

【００２７】

【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〜Ｈ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。Ｈは再加熱工程を省略したベイナイト組織試料であ
る。各試料から、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1470Ｎ、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。また、各
試料の残留オーステナイト量をＸ線回析法により分析し
た。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】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は耐熱衝撃性が1.5 〜 2倍向上し、耐摩耗性が 2〜3.
5 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 3.4倍以上向上し、耐摩耗性は同等から 1.7倍
に向上している。また、オーステナイト化後、 450〜 5
10℃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 3倍、耐摩耗性が約 1.2〜 2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。ま
た、本発明実施例試料Ｃの再加熱工程を省略した比較例
Ｈは本発明試料と比べると耐摩耗性はほぼ同等である
が、亀裂深さは約 2倍と耐衝撃性が劣っている。

【００３１】

【表３】

【００３２】（実施例２）遠心鋳造法により、表４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５に示す
熱処理を行なった。試料Ｉは本発明実施例であり、Ｋは
比較例である。試料Ｉ、Ｋの光学顕微鏡組織を図２、図
３に示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】

【表５】

【００３５】比較例Ｋ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３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。

【００３６】本発明実施例Ｉ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２に示すようにベイナイトが均一に析出
しており、残留オーステナイトの非常に少ない、良好な
組織が得られている。

【００３７】

【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せしめ、その後、350 〜500 ℃
再加熱することによって残留オーステナイトを分解する
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（Ｉ）の金属組織を示す40
0 倍の光学顕微鏡組織である。

【図３】図３は比較例（Ｋ）の金属組織を示す400 倍の
光学顕微鏡組織である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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℃に保持して
   変態せしめ、然る後、400 〜500 ℃に再加熱することを
   特徴とする複合ロールの外層材製造方法。