JPH0813080A - 熱間圧延仕上げ前段用ロール外層材及び熱間圧延仕上げ前段用ロールの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 外層材は摩擦係数が低く然も耐摩耗性に優れ
ており、然もロール内部に欠陥のない熱間圧延仕上げ前
段用ロール外層材及び熱間圧延仕上げ前段用ロールの製
造方法を提供すること。 【構成】 熱間圧延仕上げ前段用ロール外層材におい
て、重量比で、Ｃ：3.5 超え5.0 ％以下、Ｓｉ：1.5 ％
以下、Ｍｎ：1.2 ％以下、Ｃｒ：5.5 〜12.0％、Ｍｏ：
2.0 〜8.0 ％、Ｖ：3.0 〜10.0％、Ｎｂ：0.6 〜7.0
％、を含有し、かつ下記(1) 式を満足し、 Ｎｂ／Ｖ≧0.2 …(1) 残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなるもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐肌荒性と耐摩耗性を
兼備し、かつ、製造時又は圧延使用時に折損等の事故の
ない熱間圧延仕上げ前段用ロール外層材及び熱間圧延仕
上げ前段用ロールの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱延鋼板は、連続鋳造或いは分塊により
製造された130 〜300mm 厚程度のスラブを、加熱炉にて
加熱し、或いは熱片のまま受け取り、粗圧延機及び仕上
げ圧延機にて熱間圧延して1.0 〜25mm厚程度のストリッ
プとし、コイラでコイルに巻取り、冷却後、各種精整ラ
インで各種精整処理を行って製造される。仕上げ圧延機
は通常、４重式圧延機５〜７スタンドで構成されている
が、昭和40年代に入ってからは生産能力向上、コイル大
型化に対応して、ほとんどのミルが７スタンドを採用し
ている。従来、仕上げ圧延機のワークロールの外層材
は、前段（５又は６スタンドのときは第３スタンドま
で、７スタンドのときは第４スタンドまで）については
高Ｃｒ鋳鉄、又はアダマイトが、後段についてはＮｉグ
レン鋳鉄が使用されてきた。また、仕上げ圧延後のワー
クロールの内層材は、前段、後段とも、靱性の良いねず
み鋳鉄、又はダクタイル鋳鉄が使用されてきた。そし
て、それらの外層材と内層材を主として遠心力鋳造して
製造した複合ロールが使用されてきた。

【０００３】ところが、圧延条件の苛酷化及び圧延にお
ける生産性向上の要求等から、より一層の耐摩耗性を備
えた圧延用ロールの提供が要求された。

【０００４】このような状況から、例えば特開昭60ー124
407 号、特開昭61-177355 号には、従来の遠心力鋳造ロ
ールの外層材として高Ｖ鋳鉄を用いることが提案されて
いる。然しながら、一般的には遠心力鋳造ロールの外層
材として高Ｖ鋳鉄を用いると、比重の小さいＶ炭化物が
遠心分離し、ロール外層材内の特性が肉厚方向で不均一
になるという欠点があり、そのため、特開平4-365836
号、特開平5-1350号、特開平5-339673号のようにＮｂを
複合添加することにより、偏析を防止する方法も提案さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、本発明者
の知見によれば、前述したような高Ｖ或いは高Ｖ−Ｎｂ
材からなるロール外層材は耐摩耗性を著しく向上する点
では有利であるが、圧延中に硬質なＶ炭化物やＮｂ炭化
物（ＭＣ炭化物）がロール表面に凸状に浮き出し、その
スパイク作用によって被圧延材とロール表面の摩擦係数
を増大させる。その結果として、このような外層材を備
えたロールでは、圧延荷重が過大になったり、被圧延材
表面に２次スケールが生成し、被圧延材の肌荒れを発生
させるという問題が、特にこのようなロールを仕上げ前
段に用いた場合に顕著に現われるようになった。また、
仕上げ前段と後段の被圧延材の温度の違い等でこのよう
なロールを仕上げ後段に使用した場合には、上述の問題
が現われない。

【０００６】特開平4-365836号、特開平5-1350号、特開
平5-339673号で開示されている圧延ロール用外層材は耐
摩耗性だけでなく、耐クラック性をも考慮したものであ
る。一方、圧延荷重の過大、被圧延材表面への２次スケ
ールの生成が問題になっている仕上げ前段用ロールで絞
り事故の発生のありうる仕上げ後段用ロールに比べ耐ク
ラック性への要求は低い。

【０００７】ロールは、製造中、圧延使用中にロール内
部に応力が発生し、内部に欠陥があるとその応力に耐え
られず、折損事故を引き起こす場合がある。そのため、
製造段階で、内部欠陥なく製造する必要がある。

【０００８】然るに、本発明は、外層材は摩擦係数が低
く然も耐摩耗性に優れており、然もロール内部に欠陥の
ない熱間圧延仕上げ前段用ロール外層材及び熱間圧延仕
上げ前段用ロールの製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、重量比で、Ｃ：3.5 超え5.0 ％以下、Ｓｉ：1.5％
以下、Ｍｎ：1.2 ％以下、Ｃｒ：5.5 〜12.0％、Ｍｏ：
2.0 〜8.0 ％、Ｖ：3.0 〜10.0％、Ｎｂ：0.6 〜7.0
％、を含有し、かつ下記(1) 式を満足し、 Ｎｂ／Ｖ≧0.2 …(1) 残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなる熱間圧延仕上げ前
段用ロール外層材である。

【００１０】請求項２に記載の本発明は、請求項１に記
載の本発明において更に、他の合金成分として、Ｎｉ：
5.5 ％以下を含有するものである。

【００１１】請求項３に記載の本発明は、重量比で、
Ｃ：3.5 超え5.0 ％以下、Ｓｉ：1.5％以下、Ｍｎ：1.2
％以下、Ｃｒ：5.5 〜12.0％、Ｍｏ：2.0 〜8.0 ％、
Ｖ：3.0 〜 10.0％、Ｎｂ：0.6 〜7.0 ％、を含有し、
かつ下記(1) 式を満足し、 Ｎｂ／Ｖ≧0.2 …(1) 残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなる外層材を遠心力鋳
造し、次いでＣ：0.5 ％以上を含有する黒鉛鋼を中間層
として遠心力鋳造し、更に軸材を静置鋳造する熱間圧延
仕上げ前段用ロールの製造方法であって、前記中間層が
下記(2) 式を満足するＣ量で鋳造されるものである。 Ｃ（中間層）≧-0.5（Ｃ-0.2Ｖ-0.11 Ｎｂ）（外層）＋2.0 …(2)

【００１２】請求項４に記載の本発明は、請求項３に記
載の本発明において更に、前記外層材が他の合金成分と
して、Ｎｉ：5.5 ％以下を含有するものである。

【００１３】

【作用】

(A) 本発明の基本的な技術的思想を説明する。高Ｖ或い
は高Ｖ−Ｎｂロール外層材の場合、組織は大きく、粒状
炭化物（主にＶ、Ｎｂ炭化物）、共晶炭化物（主にＣ
ｒ、Ｍｏ、Ｆｅ炭化物）、基地に分けられる。圧延中は
硬度の低い基地が選択的に摩耗し、硬度の高い粒状炭化
物、共晶炭化物が凸部になっている。摩擦係数が増大す
るのは粒状炭化物がその形状から突起としての役割をす
ることと、組織中のかなりの多くの面積を占める基地と
に大きな段差が生じるためである。そこで、熱間仕上げ
前段用ロールで、圧延荷重の過大化や被圧延材表面への
２次スケールの生成を防止して被圧延材の肌荒れ発生を
防止するため、外層材の摩擦係数を低下させるためには
粒状炭化物の形状を変えるか、粒状炭化物とそれ以外の
部分との段差を少なくすることを考えれば良い。

【００１４】ロール外層材の組織中にはやはり硬度の高
い共晶炭化物が存在する。そのため、ロール外層材の組
織中に共晶炭化物を増加させることで粒状炭化物とそれ
以外の部分との段差を少なくし、ロール外層材の摩擦係
数を低下させることが可能である。

【００１５】尚、本発明において、熱間仕上げ前段と
は、ミルの全スタンドがｎスタンドのとき、第１スタン
ドから第ｎ／２スタンド（ｎが奇数の場合は第［ｎ／２
＋0.5］スタンド）までで、一般的には、スタンド出側
での板の温度が 850〜900 ℃、仕上げスタンドに入る前
の板厚を基準にしたトータルの圧下率で85〜90％までの
圧延を行うロール群をさす。

【００１６】(B) 本発明における外層材を鋳造するにあ
たり、外層材の各合金元素の含有量の限定理由、Ｖ、Ｎ
ｂ量の限定式について説明する。

【００１７】Ｃ：3.5 〜5.0 ％ Ｃはロール外層材の耐摩耗性を向上する硬い炭化物を形
成するための必須元素で、Ｃの一部は粒状炭化物（主に
Ｖ、Ｎｂとともに）、共晶炭化物（主にＣｒ、Ｍｏ、Ｆ
ｅとともに）になる。図１にＣと摩擦係数の関係を示
す。このように共晶炭化物を増加させ、摩擦係数を熱間
圧延仕上げ前段用として好適な高Ｃｒ鋳鉄なみに低くす
るには3.5 ％を超えることが必要である。一方、5.0 ％
を越えると研削性が極端に悪化するので上限を5.0 ％と
する。

【００１８】また、図１の実験はＣ：2.0 〜5.5 ％、Ｓ
ｉ：0.6 ％、Ｍｎ：0.5 ％、Ｃｒ：9.4 ％、Ｍｏ：3.7
％、Ｖ：5.8 ％、Ｎｂ：3.1 ％を含有する溶湯を遠心鋳
造（140 Ｇ）して得た肉厚100mm のリングサンプルにつ
いて1000℃焼ならし処理、550 ℃焼もどし処理を施した
試料を用いた。

【００１９】そして、摩擦係数を求める試験は、φ190
×15の相手材（Ｓ45Ｃ）とφ50×10の試験材の２円盤の
すべり摩耗方式で相手材を900 ℃に加熱し、荷重100kgf
で圧接した状態で試験材を800rpmで回転させ、すべり率
3.9 ％として10分経過後の試験が安定した段階で、その
ときの圧接荷重と回転トルクから摩擦係数を求めた。

【００２０】Ｓｉ：1.5 ％以下 Ｓｉは脱酸剤及び鋳造性の確保に必要な元素で添加する
が、1.5 ％を越えるとその効果は飽和する。そのため、
上限を1.5 ％とする。

【００２１】Ｍｎ：1.2 ％以下 ＭｎはＳをＭｎＳとして除去するために添加するが1.2
％を越えるとその効果は飽和する。そのため、上限を1.
2 ％とする。

【００２２】Ｃｒ：5.5 〜12.0％ Ｃｒは炭化物を形成し、耐摩耗性を向上するために必要
な元素で5.5 ％以上添加するが、12.0％を越えると耐焼
付き性が劣化するため上限を12.0％とする。

【００２３】Ｍｏ：2.0 〜8.0 ％ ＭｏはＣｒと同様に炭化物を形成して耐摩耗性の向上に
有効であるとともに、基地の焼入れ性、焼もどし軟化抵
抗を向上し、基地組織の強化に有効であるため2.0 ％以
上必要であるが、8.0 ％を越えるとその効果は飽和す
る。そのため、上限を8.0 ％とする。

【００２４】Ｎｉ：5.5 ％以下 Ｎｉは焼入れ性を向上させるため焼入れ時の操作範囲が
広がる優位点がある。ロール径の大きなものに対し、よ
り有効である。但し、5.5 ％を越えると残留γの存在な
ど不安定組織を形成するため好ましくなく、上限を5.5
％とする。

【００２５】Ｖ：3.0 〜10.0％、Ｎｂ：0.6 〜7.0 ％ Ｖは耐摩耗性の向上に最も有効な硬いＭＣ又はＭ₄ Ｃ₃
炭化物を形成するための必須元素で、その効果を発揮す
るためには3.0 ％以上必要であるが、10.0％を越えると
その効果が飽和するとともに、溶解時のＶ合金の溶解不
良等の製造上の問題を生じるため上限を10.0％とする。

【００２６】ＮｂもＶと同様耐摩耗性に有効な硬いＭＣ
型炭化物を形成し、その効果を発揮するためには0.6 ％
以上必要であるが、7.0 ％を越えるとその効果が飽和す
るとともに溶解時のＮｂ合金の溶解不良等の製造上の問
題を生じるため上限を7.0 ％とする。但し、単独添加で
は粗大な塊状炭化物となりその効果が得られない。

【００２７】そこで遠心力鋳造したリング材の炭化物分
布に起因する外層、内層間の熱間摩耗比とＮｂ、Ｖの含
有量比Ｎｂ／Ｖとの関係を調べた結果を図２に示す。

【００２８】図２から遠心力鋳造法で製造した場合に均
一な外層材を得ることができるのは、 Ｎｂ／Ｖ≧0.2 …(1) を満足する必要があることが明かとなった。

【００２９】尚、図２において、「摩耗比（内層／外
層）］は、リング材の内層側から採取した試験片の摩耗
量（Ｉｗ）と外層側から採取した試験片の摩耗量（Ｏ
ｗ）との比（Ｉｗ／Ｏｗ）である。

【００３０】また、図２の実験はＣ：4.0 ％、Ｓｉ：0.
6 ％、Ｍｎ：0.6 ％、Ｃｒ：7.4 ％、Ｍｏ：3.7 ％、
Ｖ：5.8 ％、Ｎｂ：0 〜7.5 ％を含有する溶湯を遠心力
鋳造（140 Ｇ）して得た肉厚100mm のリングサンプルに
ついて1000℃焼ならし処理、550 ℃焼もどし処理を施し
た試料を用いた。

【００３１】そして、摩耗試験は、前記条件と同一の方
法で行った。但し、摩耗減量は実験開始後120 分での値
である。

【００３２】(C) 次に本発明における中間層を鋳造する
にあたり、中間層のＣ量を限定する意味について説明す
る。

【００３３】複合３層ロールでは、その外層／中間層境
界部、中間層／内層境界部は冶金的に接合され、その境
界部には収縮巣等の欠陥を生じさせない必要がある。工
程的には境界欠陥の有無はロール外面からの超音波探傷
によって調査できるが、非工程的に折損ロールについて
は折損後、無折損ロールについては廃却後に境界部を切
断調査したところ、折損ロールについては外層／中間層
境界部に収縮巣欠陥が存在していたことがわかった。

【００３４】境界の収縮巣は以下のようなメカニズムで
発生する。遠心鋳造では冷えた金型に対し、まず外層を
鋳込む。凝固は金型に接する外側より進み、外層全体が
一旦凝固した後に中間層を鋳込む。鋳込まれた中間層は
外層内面側を一部再溶解し、その後金型、外層を通した
冷却によって、再溶解した外層及び中間層（外層成分が
再溶解で混入している）が凝固する。このとき、外層の
融点が中間層の融点より高いか同じであれば、金型に近
い外面側から内面側に順次凝固していくのは明かであ
る。然し、外層の融点が中間層の融点より低い場合、中
間層が先に凝固し、その後、外層／中間層境界部の外層
よりの部分が凝固する場合がある。そのとき、外層の凝
固収縮率によっては収縮巣が発生する。

【００３５】そこで、遠心力鋳造（140 Ｇ）にて外層、
次いで中間層を鋳込み、更に軸材（内層）を静置鋳造し
た後、外表面より超音波探傷により境界欠陥の有無を調
べた。図３から境界欠陥が実質的に問題ない範囲は、

【００３６】 Ｃ（中間層）≧-0.5（Ｃ-0.2Ｖ-0.11 Ｎｂ）（外層）＋2.0 …(2) であることが明かとなった。

【００３７】尚、上記(2) 式の中間層のＣ濃度は鋳込時
の値であり、外層を再溶解し、混入した分を含まない。
また上記(2) 式の外層のＣ、Ｖ、Ｎｂ濃度は鋳込時の値
であり、製造後、外層として確認できる部分のそれと等
しい。

【００３８】また、図３中の超音波探傷欠陥指数は超音
波探傷で認められた欠陥総面積に標準欠陥試料に対する
反射エコーピーク比を掛け合わせたものである。また、
反射エコーピーク比0.2 以上を欠陥として取り扱った。
これはロールの外層／中間層境界の超音波探傷を行うと
健全部においても外層／中間層の組織差に起因する反射
エコーが0.15程度はあるためである。

【００３９】また、反射エコーピーク比を求める標準欠
陥試料は肉厚100mm のＣ：4.2 ％、Ｓｉ：0.5 ％、Ｍ
ｎ：0.5 ％、Ｃｒ：7.2 ％、Ｍｏ：3.1 ％、Ｖ：6.0
％、Ｎｂ：2.2 ％、からなるもので肉厚方向50mmの位置
に2mm の欠陥を入れたものである。

【００４０】また、中間層のＣ含有量は上記限定式にか
かわらず、0.5 ％以上であることが望ましい。0.5 ％未
満の場合、溶湯の粘度が高く、遠心鋳造時に金型内部に
均等に湯が回らず、場所ごとの外層の溶込み量に変動が
大きすぎ、ロールとしての使用層が確保できなくなるた
めである。

【００４１】

【実施例】

（実施例１）（表１、表２） 表１に示す化学組成の溶湯（本発明材：Ｃ1 〜Ｃ13、比
較材Ａ、Ｂ、Ｄ1 〜Ｄ12）を遠心力鋳造（140 Ｇ）によ
り鋳造し、肉厚100mm のリングサンプルを試作し、ショ
アー硬さ、熱間摩耗、熱衝撃試験を行った。

【００４２】尚、摩耗試験はリング材の内層側と外層側
からそれぞれφ50×10の試験片を採取し、前記条件と同
一の方法で行った。また、このときの圧接荷重と回転ト
ルクから摩擦係数を求めた。

【００４３】また、熱衝撃試験はリング材の外層側より
前記した板状試験片を採取し、同一の条件で行った。

【００４４】

【表１】

【００４５】それら摩耗試験と熱衝撃試験の結果を表２
に示す。表２によれば、かねてより熱間圧延仕上げ前段
に用いられてきた高Ｃｒ鋳鉄に対し、例えば特開平5-13
50号の範囲である従来の高Ｖ−Ｎｂロール材は、耐摩耗
性は大幅に向上しているが摩擦係数が２割程度高くなっ
ている。それに対し、本発明材の耐摩耗性は従来の高Ｖ
−Ｎｂ材ほどは高くはないものの、高Ｃｒ鋳鉄に比べれ
ばはるかに高いレベルにある。然も本発明材の摩擦係数
は高Ｃｒ鋳鉄なみの低いものになっている。即ち、本発
明材は熱間仕上げ前段用ロールとして好適な、耐肌荒性
と耐摩耗性とを兼備する。

【００４６】Ｄ1 〜Ｄ12は本発明の限定を外れているも
のである。Ｄ1 〜Ｄ3 はＣ含有量が少ないために耐摩耗
性は良いものの摩擦係数が高い。Ｄ4 はＮｉ含有量が過
多のために基地中の残留γが多く、あまりに基地が脆弱
で耐摩耗性が悪い。Ｄ5 、Ｄ7 はＣｒ又はＭｏ含有量が
少なく、共晶炭化物が少ないために耐摩耗性が悪い。Ｄ
6 はＣｒ含有量が過多のため焼付きが発生した。Ｄ8 、
Ｄ10はＶ又はＮｂ含有量が少なく、粒状炭化物が少ない
ために耐摩耗性が悪い。Ｄ9 、Ｄ11はＶ又はＮｂ含有量
が過多のため溶解時に未溶のＶ、Ｎｂが残存した。Ｄ12
は炭化物の偏析で外層の耐摩耗性が悪い。

【００４７】

【表２】

【００４８】（実施例２）遠心鋳造（140 Ｇ）にて外層
材及び中間層を鋳込み、その後更に内層材を静置鋳造に
て複合ロールを製造し熱間仕上げ前段で使用した結果を
表３に示す。そのうちＤ、Ｉ、Ｋ、Ｌ、Ｍは、 Ｃ（中間層）≧-0.5（Ｃ-0.2Ｖ-0.11 Ｎｂ）（外層）＋2.0 …(2) 以外のものである。これらのロールはいずれも超音波探
傷欠陥指数が高く、うちＤ、Ｌは製造時に折損した。ま
たＩ、Ｋ、Ｍは、製造時に折損しなかったが超音波探傷
欠陥指数が高いため圧延使用時に事故の危険があると判
断し、使用を見合わせた。折損ロール、使用中止ロール
について境界部を切断調査したところ、やはり超音波探
傷で欠陥と認められた部分には収縮巣が発見された。Ｆ
は上記(2)式の範囲であるが中間層のＣ含有量が0.5 ％
以下である。このため、溶湯の粘度が高く、遠心鋳造時
に金型内部に均等に湯が回らず、場所ごとの外層溶け込
み量に変動が大きすぎてロールとしての使用層が確保で
きなかった。

【００４９】

【表３】

【００５０】

【発明の効果】以上のように本発明により、生産性、経
済性の優れた遠心力鋳造によって熱間仕上げ前段用ロー
ルを製造するに際し、外層の耐摩耗性が肉厚方向に均一
で、かつ、摩擦係数が低く然るに耐肌荒性に優れ、然も
同時に耐摩耗性にも優れ、かつ、製造中及び圧延使用中
の折損事故の可能性が非常に少ない熱間圧延仕上げ前段
用ロールを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はＣ含有量と摩擦係数の関係を示す線図で
ある。

【図２】図２は遠心力鋳造したリング材の炭化物分布に
起因する外層と内層間の熱間摩耗比と、ＮｂとＶの含有
量比Ｎｂ／Ｖの影響を示す線図である。

【図３】図３は鋳造時の中間層のＣ添加量が境界欠陥に
及ぼす影響を示す線図である。

フロントページの続き (72)発明者 小関 智也 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者 市野 健司 千葉県千葉市中央区川崎町１番地 川崎製 鉄株式会社技術研究本部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比で、Ｃ：3.5 超え5.0 ％以下、Ｓ
   ｉ：1.5 ％以下、Ｍｎ：1.2 ％以下、Ｃｒ：5.5 〜12.0
   ％、Ｍｏ：2.0 〜8.0 ％、Ｖ：3.0 〜10.0％、Ｎｂ：0.
   6 〜7.0 ％、を含有し、かつ下記(1) 式を満足し、 Ｎｂ／Ｖ≧0.2 …(1) 残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなる熱間圧延仕上げ前
   段用ロール外層材。
2. 【請求項２】 他の合金成分として、Ｎｉ：5.5 ％以下
   を含有する請求項１に記載の圧延用ロール外層材。
3. 【請求項３】 重量比で、Ｃ：3.5 超え5.0 ％以下、Ｓ
   ｉ：1.5 ％以下、Ｍｎ：1.2 ％以下、Ｃｒ：5.5 〜12.0
   ％、Ｍｏ：2.0 〜8.0 ％、Ｖ：3.0 〜10.0％、Ｎｂ：0.
   6 〜7.0 ％、を含有し、かつ下記(1) 式を満足し、 Ｎｂ／Ｖ≧0.2 …(1) 残部Ｆｅ及び不可避的不純物よりなる外層材を遠心力鋳
   造し、次いでＣ：0.5％以上を含有する黒鉛鋼を中間層
   として遠心力鋳造し、更に軸材を静置鋳造する熱間圧延
   仕上げ前段用ロールの製造方法であって、 前記中間層が下記(2) 式を満足するＣ量で鋳造される熱
   間圧延仕上げ前段用ロールの製造方法。 Ｃ（中間層）≧-0.5（Ｃ-0.2Ｖ-0.11 Ｎｂ）（外層）＋2.0 …(2)
4. 【請求項４】 前記外層材が他の合金成分として、Ｎ
   ｉ：5.5 ％以下を含有する請求項３に記載した熱間圧延
   仕上げ前段用ロールの製造方法。