JPH0737656B2

JPH0737656B2 - 耐摩耗性複合ロール

Info

Publication number: JPH0737656B2
Application number: JP4164751A
Authority: JP
Inventors: 悦次清水; 善和宮坂
Original assignee: 株式会社淀川製鋼所
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 1995-04-26
Anticipated expiration: 2010-04-26
Also published as: JPH0641676A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として金属板の熱間
や冷間の圧延用複合ロールで、特に熱間圧延用のワーク
ロールとして好適なる耐摩耗性複合ロールに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】特に耐摩耗性が要求される熱間圧延用の
ワークロールとして、従来一般には、遠心鋳造法によっ
て製造された鋳鉄製複合ロールが広く使用されている。
この鋳鉄製複合ロールは、外層を耐摩耗性の大きい炭化
物を晶出させた鋳鉄系の材質で形成する一方、内層であ
る軸部材を靭性の大きいねずみ鋳鉄もしくはダクタイル
鋳鉄により形成するのが一般的であるが、このような複
合ロールを上記の遠心鋳造法によって製造する場合に
は、内外層を形成する材質に制限がある。すなわち、外
層を、Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ等の元素
が形成する炭化物を多量に晶出するような材質で形成す
ることは、耐摩耗性の向上に有効であるけれども、この
ような内外層を遠心鋳造法で製造することは、次の理由
により現実的に不可能である。

【０００３】その第１の理由として、上掲したような元
素が形成する炭化物は、外層の溶湯との比重が異なるた
めに、外層の形成中において遠心分離の作用が働く結
果、均一に分散せず偏析を起こしやすいことが挙げられ
る。また、上記の元素には酸化傾向の強いものが多く、
大気中における内層との溶着が非常に困難である。さら
に、遠心鋳造法においては、内層を形成する材料とし
て、黒鉛を晶出させたねずみ鋳鉄もしくはダクタイル鋳
鉄の使用により靭性を確保しているのが一般的であるけ
れども、外層を形成する材料中に上記のような白銑化傾
向の強い元素を多量に含有していると、外層成分が内層
中に若干溶け込むために、内層の黒鉛化を阻害して靭性
を低下し脆くなるという問題がある。さらにまた、内外
層の境界部付近に炭化物が集中して発生するために脆
く、境界部を起点として外層の剥離などの不都合を起こ
し易い。

【０００４】第２の理由として、内層を形成するねずみ
鋳鉄もしくはダクタイル鋳鉄の引張強さは、一般に５５
ｋｇ／ｍｍ²程度が限界であり、かつ、伸びの値は１％
以下である。従って、それ以上の値を得ようとすると、
内層に鋼系の材質を使用する必要があり、遠心鋳造法に
よって製造するのが困難である。すなわち、外層溶湯を
鋳込み後、内層溶湯を鋳込んで外層の内側部分を溶融し
て接合するとき、内層の方が外層より高融点であるた
め、内外層成分が溶融・混合状態となる境界部が最終凝
固層となり、その部位に鋳造欠陥を発生し易くなるため
である。

【０００５】一方、圧延用ロールとしては、外層材と軸
部材とを焼嵌めもしくは組立てにより一体構造としたも
のも使用されている。しかしながら、近年の圧延用ロー
ルには、一度に多量の圧延を行なうことによって圧延の
合理化を図るためと、被圧延材の寸法精度を向上させる
ために、ロールの耐摩耗性を大幅に向上させることが強
く要求されている。また、被圧延材の寸法精度の向上の
ため、圧延による撓みと逆方向にロール軸を曲げる手段
や、一つの圧延スタンドにおける圧下量を増大させる作
業が広く採用される状態になってきているため、ロール
の軸に付加される曲げ応力が極めて大きくなっており、
これらに対応できるようにロール軸部の強度の向上が要
求されるようになってきている。この場合、上記のよう
な焼嵌めもしくは組立ロールを使用すると、圧延中に外
層と軸部材との間に滑りを生じることや、外層が割れ易
い等の問題があり、そのために、外層と軸部材とは、金
属的に完全に一体接合することが要求される。

【０００６】上記のような各要求を同時に満足させるた
めの有効な手段として、例えば特開昭６１−６０２５６
号公報に記載されているような鋳かけ肉盛り方法が提案
されている。この方法は、外側を誘導加熱コイルで包囲
した耐火枠と、この耐火枠の下部に同軸状に設置した冷
却型とからなるモールドの内側に、鋼材からなる軸部材
を同軸的に遊嵌させ、この軸部材と上記モールドとの間
に形成された空間に、外層を形成すべき溶湯を注入して
軸部材と溶着させ、この溶湯を冷却し凝固させながら、
軸部材とともに断続的に下方へ移動させることにより、
軸部材の外周に外層溶湯を連続的に鋳かけ肉盛りするも
のである。また、上記の外層溶湯として耐摩耗性を有す
る合金溶湯を使用してなる耐摩耗性複合ロールおよびそ
の製造方法も特開昭６２−６９６６６号公報で提案され
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した各公報に示さ
れた鋳かけ肉盛り方法による複合ロールや合金溶湯を使
用してなる複合ロールにおいては、耐摩耗性を有する外
層を強靭な鋼材よりなる軸部材の外周に強固に溶着する
ことが可能であり、外層と軸部材との境界部に鋳造欠陥
等を発生することなく、耐摩耗性およびロール軸部の強
度の向上を図ることができるけれども、次の点で未だ問
題があった。

【０００８】すなわち、第１の問題点は、ロールの使用
時における外層の絞りクラックの発生である。この絞り
クラックの発生原因は、ロールが熱間圧延時に非常に高
温に晒されながら被圧延材に強く局部的に食い込む状態
で使用されるために、ロール表面が摩擦熱および塑性変
形熱などによってオーステナイト化温度以上の高温とな
り、組織がオーステナイト化された後に瞬間的に冷却さ
れることにともない、マルテンサイト変態が起こるため
である。また、第２の問題点は、この種のロールでは、
耐摩耗性の向上のために多くの炭化物を晶出、析出させ
るために、靭性が低く、クラックが入った場合、そのク
ラック深さがすぐに大きくなり、使用寿命が短くなるこ
とにある。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、組織の微細化、炭化物の球状化が耐熱クラック性に
大きく関係している点に着目して、高温使用下での耐摩
耗性および耐熱クラック性を十分に向上させることがで
きる耐摩耗性複合ロールを提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による耐摩耗性複合ロールは、鋼材より構成
された軸部材の外周に、重量％において、Ｃ：１．５〜
２．５％，Ｓｉ：０．３〜２．０％，Ｍｎ：０．３〜
２．０％，Ｃｒ：４．０〜７．０％，Ｍｏ：４．０〜
８．０％，Ｗ：３．０〜６．０％，Ｖ：３．０〜８．０
％，Ｃｏ：１．０〜３．０％，０．５＜Ｎｉ＋Ｔｉ≦
２．０％であって、Ｎｉ＜１．０％（０％は除く）で、
残部がＦｅおよび不純物からなる組成の溶湯を溶着させ
て外層を形成したものである。

【００１１】上記構成の本発明において、外層を形成す
る溶湯組成の各元素の含有量（重量％）の限定の根拠に
ついて、それぞれ説明すると、次の通りである。Ｃは、
クロム（Ｃｒ），バナジウム（Ｖ），タングステン
（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）等と結合して、硬度の高い
ＭＣ系、Ｍ₇Ｃ₃系の炭化物を晶出、析出させ、耐摩耗
性を向上させるために必要な元素である。したがって、
その含有量が１．５％未満の場合は、炭化物の量が少な
くて耐摩耗性の十分な向上を望むことができない。ま
た、２．５％を越えると、炭化物の量が多くなりすぎて
靭性が低くなり、耐熱クラック性が低下する。

【００１２】Ｓｉは、脱酸剤として必要な元素である。
しかし、その含有量が０．３％未満ではその効果が少な
く、また、２．０％を越えると、脆化しやすくなる。Ｍ
ｎは、脱酸作用とともに不純物であるＳをＭｎＳとして
固定するために必要な元素である。しかし、０．３％未
満ではその効果が少なく、２．０％を越えると、残留オ
ーステナイトが生じやすくなり、十分な硬度が得られな
い。Ｃｒは、基地中に固溶して基地を強化するととも
に、Ｃと結合してＣｒ系炭化物を形成し、耐摩耗性の向
上に寄与する元素である。しかし、その含有量が４．０
％未満ではその効果が少なく、また、７．０％を越える
と、粗大なＣｒ系炭化物の量が多くなり、靭性が低下す
ると共に、この粗大炭化物の欠落により耐肌荒れ性を劣
化させる。

【００１３】Ｍｏは、基地中に固溶して焼入れ性と高温
特性とを向上するために必要であるとともに、Ｃと結合
してＭｏ系炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する
元素である。しかし、その含有量が４．０％未満では焼
入れ性の向上が望めず、かつ生成炭化物の量も少ないた
め、耐摩耗性に劣る。また、８．０％を越えると、過飽
和となり、基地の残留オーステナイトを安定化させて十
分な硬度を得ることができない。Ｖは、Ｃと結合して微
細で高硬度のＶＣ炭化物を形成し、耐摩耗性の向上に最
も寄与する元素である。しかし、その含有量が３．０％
未満ではその効果が少なく、また、８．０％を越える
と、炭化物の量が多くなり過ぎて靭性が低下するととも
に、均一に分布しなくなる。さらに、溶湯の酸化も激し
くなる。

【００１４】Ｗは、Ｃと結合して高硬度のＷ系炭化物を
形成し、耐摩耗性の向上ならびに高温強度の向上に寄与
する元素である。しかし、その含有量が３．０％未満で
はその効果が少なく、また、６．０％を越えると、Ｗ系
炭化物の量が多くなり、靭性が低下する。Ｃｏは、炭化
物を形成せず、基地に固溶し焼戻し軟化抵抗を与えるこ
とにより、高温強度・硬度を増加させるために必要な元
素である。しかし、その含有量が１．０％未満ではその
効果が少なく、また、３．０％を越えると、焼入れ性が
悪くなる。

【００１５】Ｎｉは、組織を微細にするとともに基地に
固溶して基地を強化し、靭性および焼入れ性の向上に寄
与する元素である。しかし、このＮｉはオーステナイト
安定化元素であり、その含有量が１．０％を越えると、
熱処理後の残留オーステナイトが多くなり、十分な硬度
を得ることができないとともに、割れや肌荒れ発生の原
因となる。Ｔｉは、Ｃと結合して微細で高硬度のＴｉＣ
炭化物を形成し、かつ均一に分布することにより耐摩耗
性の向上に寄与する元素である。しかも、このＴｉはＶ
Ｃ炭化物を微細かつ球状に晶出させる働きも有する。し
かし、その含有量が２．０％以上になると、炭化物が多
くなり、靭性が低下するとともに、溶湯の酸化が激しく
なる。Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｎ等を添加することにより、
組織を微細化すると同時に炭化物を球状化し、これによ
り靭性の向上が得られる。しかし、それぞれ単独の添加
よりも複合的に添加する方がその効果が大きく、このう
ちＴｉ＋Ｎｉの添加が最も有効であり、特に、０．５＜
Ｔｉ＋Ｎｉ≦２．０（ただし、Ｎｉ＜１．０）の範囲
が、組織が微細化し、炭化物の球状化率が高い。

【００１６】以上のように、外層を形成する溶湯組成の
各元素の含有量（重量％）をそれぞれ上記のごとく適正
に限定することにより、ＣとＴｉを結合させて高硬度の
ＭＣ型炭化物の一つであるＴｉＣ炭化物を生成し、分布
させて炭化物の微細化および球状化を図るとともに、Ｎ
ｉを添加することにより、組織の微細化を図り、耐摩耗
性の向上とともに耐熱クラック性に優れた複合ロールを
得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の耐摩耗性複合ロールの構成お
よびその製造方法について説明する。図１は本発明の耐
摩耗性複合ロール１を示す縦断面図であり、同図におい
て、２は軸部材であって、この軸部材２は、例えば鋳鋼
や鍛鋼、機械構造用炭素鋼、Ｃｒ−Ｍｏ鋼、Ｎｉ−Ｃｒ
−Ｍｏ鋼等の高強度の構造用鋼材などから構成されてい
る。３は上記軸部材２の外周に形成された外層であり、
この外層３の組成は後述する。

【００１８】図２は上記のような構成の耐摩耗性複合ロ
ール１の製造方法に使用する連続鋳かけ肉盛り溶接用製
造装置の一例を示す縦断面図である。架台（図示せず）
に垂直にセットされた鋼材製の軸部材２の外周部に外層
３の厚みを得るのに必要な所定の間隔を隔てて円環状の
水冷型４が配設されている。この水冷型４の上部に黒鉛
系耐火材よりなる緩衝型５および磁界遮断水冷銅板６を
介して耐火材からなる加熱型７がセットされている。こ
の加熱型７の肉厚内には、高周波加熱用コイル８および
その内部に位置するコイル冷却用通水路９が内外二重構
造にして円環状に配置されており、以上の各型４，５，
７をもって連続鋳かけ肉盛り溶接用の鋳型１０が構成さ
れている。なお、図２中の１１は初期の溶湯流出防止用
の受け板である。

【００１９】このような製造装置による複合ロール１の
製造方法について説明すると、まず軸部材２を鋳型１０
内に垂直にセットするとともに、その下端部に昇降機構
（図示せず）を装着する。次に、高周波加熱用コイル８
に通電し、通水路９に冷却水を流通させた状態で、鋳型
１０と軸部材２とにより形成される空間内に、外層３を
形成すべき溶湯１２を注入する。この溶湯１２の表面は
断熱および酸化防止のため溶融フラックス１３により被
覆するとともに、高周波加熱用コイル８により加熱攪拌
して、溶湯１２が凝固しないようにする。

【００２０】この状態で、上記昇降機構を介して軸部材
２を矢印Ａ方向に断続的に降下させると、溶湯１２も連
動して降下し、緩衝型５、水冷型４に至って、漸次凝固
が開始される。一方、軸部材２の表面は溶湯１２の熱に
より一部溶解し、それが溶湯１２と混合しながら、溶湯
１２の漸次凝固により外層３と完全に溶着一体化され
る。そして、溶湯１２の表面の降下につれて、新たに溶
湯１２を補給してその表面を一定の水準に保持すること
によって、図１に示すような耐摩耗性複合ロール１を連
続的に製造する。

【００２１】次に、本発明の実施例及び比較例について
詳細に述べる。表１に示す本発明の実施例１〜５及び比
較例１〜８まで組成の外層３を形成する溶湯１２と直径
３００ｍｍのＳＣＭ材の軸材２を用い、図２に示す装置
を用いて複合ロールを製造した。軸材は溶湯との溶着を
よくするために８００℃に予熱しておき、溶湯は１５５
０℃で鋳型１０内に鋳込んだ。なお、溶湯表面は溶融フ
ラックスにより溶湯の酸化を防止した。これらのロール
を施盤加工後、胴表面に耐酸化防止剤を塗り、１０００
〜１１５０℃からの焼入れおよび５００〜６００℃での
焼戻し熱処理を施した。このようにして胴径４００ｍｍ
×胴長１０００ｍｍの複合ロールを得た。これらのロー
ルから施盤加工によりサンプルを切り出すと同時に組織
観察および硬度測定を行った。これらのサンプルを以下
に述べるような試験要領により絞りクラック発生時のク
ラック深さをシミュレートした。

【００２２】

【表１】

【００２３】まず、試験方法に関しては、絞りクラック
の発生原因の多くが、既述したようにロール表面が瞬間
的に高温から冷却されることによる組織変態によるもの
であると考えて、サンプルを瞬間的な高温、具体的には
９００℃まで加熱し、その加熱温度で３秒間保持させた
後、２０℃の水浴中へ落下させて一気に冷却すること
で、クラックを発生させて、その深さを測定し耐クラッ
ク性の指標を得た。その結果は、表２に示す通りであっ
た。

【００２４】

【表２】

【００２５】上記の試験結果から、比較例のサンプルＮ
ｏ．１および２に関しては、ＴｉおよびＮｉの総添加量
が不足しているために炭化物の球状化が余り進まず、ま
たクラック深さが１．５、１．６ｍｍと深くなってしま
い、この種の複合ロールの材質として適さないことが判
った。また、比較例のサンプルＮｏ．３〜５のように、
Ｎｉ量が１．０％を越えるものでは、残留オーステナイ
ト量が多くなり、Ｔｉ量に拘らず硬度（ＨｓＤ）が７２
〜７６程度と適正な硬度を得ることができないことが判
った。さらに、比較例のサンプルＮｏ．６のように、Ｔ
ｉおよびＮｉの添加量が多くなると、炭化物の球状化率
が低下しクラック深さが深くなると同時に、溶湯の酸化
が激しくなって、溶解が困難になることが判った。

【００２６】さらにまた、Ｔｉ及びＮｉを添加していな
い比較例のサンプルＮｏ．７及びＮｏ．８では、硬度は
十分得られたが、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗといった元素の組
織にかかわらず、球状化率、クラック深さともＴｉ，Ｎ
ｉを添加したサンプルに比べて悪いことが判った。これ
ら比較例に対して、本発明の実施例１〜５は、炭化物の
球状化率が高く、クラック深さも浅く、硬度も高い。

【００２７】上記のような試験結果に基づいて、Ｔｉお
よびＮｉ量についての相関関係を調べるために、図３に
示すようなグラフを作成してみた。このグラフは、その
左縦軸にクラック深さ（ｍｍ）、右縦軸に球状化率
（％）をとり、下横軸を（Ｔｉ＋Ｎｉ）量（％）とした
ものである。この図３のグラフにおいて、黒く塗り潰し
た丸印がクラック深さ、黒く塗り潰した四角印が球状化
率であって、同グラフから明らかなように、ＴｉとＮｉ
の総添加量が、０．５％を越えて２．０％迄の範囲のも
のが、炭化物の球状化率が高く、クラック深さが浅い関
係にあることが一目瞭然である。なお、図３のグラフで
示すサンプルのＴｉ，Ｎｉ以外の組成は、Ｃ：１．８〜
２．２％，Ｓｉ：０．３〜０．５％，Ｍｎ：０．３〜
０．５％，Ｃｒ：５．５〜６．５％，Ｍｏ：５．５〜
６．５％，Ｖ：５．６〜６．５％，Ｗ：４．０〜５．０
％，Ｃｏ：１．５〜２．５％、その他がＦｅである。

【００２８】これらの試験および調査の結果から炭化物
の球状化および組織の微細化について着目し、Ｔｉおよ
びＮｉの最適な量を求めたところ、つぎのような結論に
達した。すなわち、０．５＜Ｔｉ＋Ｎｉ≦２．０（但
し、Ｎｉ＜１．０）。なお、上記の球状化率は、対象と
する範囲に存在する個々の炭化物の面積（Ｓ１）および
球状化炭化物の最大長を直径とする円の面積（Ｓ０）を
それぞれ測定し、その面積比の平均値を求める。この方
法による球状化率をＳ（％）とすると、

【００２９】

【数１】

【００３０】で表される。また、上記各面積（Ｓ１，Ｓ
０）の測定は、顕微鏡を介して画像解析装置（コンピュ
ータ）を用いて行なった。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、この種の
複合ロールは耐摩耗性を向上させるために多くの炭化物
を晶・析出させており、このため靭性が低下して使用時
において、絞りクラックが入った場合のクラック深さが
大きくなるという問題が生じている。このため、Ｔｉお
よびＮｉの添加量を適切に設定することにより、高硬度
のＭＣ型炭化物であるＴｉＣを生成・分布させて炭化物
の微細化および球状化を図るとともに、組織の微細化も
図って、耐摩耗性はもちろん、高温使用下での耐熱クラ
ック性を十分に向上させることができる。したがって、
圧延におけるロールの使用寿命を著しく延ばすことがで
き、また圧延材の品質向上を達成することができるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐摩耗性複合ロールの縦断面図であ
る。

【図２】耐摩耗性複合ロールの製造方法に使用する連続
鋳かけ肉盛り溶接用製造装置の一例を示す縦断面図であ
る。

【図３】ＴｉおよびＮｉ量についての相関関係をグラフ
化した図である。

【符号の説明】

１耐摩耗性複合ロール２軸部材３外層

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 38/52

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼材より構成された軸部材の外周に、重
量％において、Ｃ：１．５〜２．５％，Ｓｉ：０．３〜
２．０％，Ｍｎ：０．３〜２．０％，Ｃｒ：４．０〜
７．０％，Ｍｏ：４．０〜８．０％，Ｗ：３．０〜６．
０％，Ｖ：３．０〜８．０％，Ｃｏ：１．０〜３．０
％，０．５＜Ｎｉ＋Ｔｉ≦２．０％であって、Ｎｉ＜
１．０％（０％は除く）で、残部がＦｅおよび不純物か
らなる組成の溶湯を溶着させて外層を形成したことを特
徴とする耐摩耗性複合ロール。