JPH0823060B2 - 黒鉛を有する高クロム複合ロ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、圧延使用層たる外殻層を黒鉛が晶出した高
クロム鋳鉄材で形成した複合ロールの改良に関する。

（従来の技術） 従来、ホットストリップミル仕上スタンド前段ワーク
ロールや同ミル粗スタンドワークロールとして、主にア
ダマイトロールが使用されていたが、近年、耐摩耗性に
優れる高クロムロール材を圧延使用層に適用した高クロ
ム複合ロールが普及している。

しかし、高クロムロール材は、熱伝導率が低く焼付が
生じ易いという問題があった。

そこで、本出願人は、特公昭61−16336号において開
示した通り、高クロム組織中に黒鉛を晶出させ、耐焼付
性を著しく改善した黒鉛晶出高クロム鋳鉄材を圧延使用
層たる外殻層に適用した３層構造の複合ロールを開発し
た。この複合ロールによって、従来、焼付が生じ易いと
されているステンレス鋼等の特殊鋼を圧延したところ、
焼付の発生も生じず、良好な結果が得られた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記黒鉛晶出高クロム鋳鉄材は、高価
なNiが4.5〜10％含有しているため、コスト面で不利と
なっている。また、Niの多量の含有のため、残留オース
テナイトが増加傾向にあり、耐摩耗性や耐肌荒性に改善
の余地があった。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、
経済性、耐摩耗性および耐肌荒性に優れた複合ロールを
提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するためになされた本発明の複合ロー
ルは、化学組成が重量％で C:2.4〜3.4％、Ni:2.0〜4.5％ Si:2.0〜3.4％、Cr:5〜10％ Mn:0.5〜1.5％、Mo:0.4〜2.0％ P:0.1％以下 S:0.08％以下 CuもしくはSnの１種又は２種:0.5〜4.0％残部実質的にF
eからなり、組織中に黒鉛が晶出してなる高クロム鋳鉄
材で形成された外殻層と、 C:1.0〜2.5％ Ni:1.5％以下 Si:0.5〜1.5％ Cr:2〜５％ Mn:0.5〜1.5％ Mo:0.5％以下 P:0.1％以下 S:0.1％以下 残部実質的にFe及び外殻層から溶け込むCuもしくはSn
の１種又は２種からなるアダマイト材で形成された中間
層と、 C:3.0〜3.8％ Ni:2.0％以下 Si:1.8〜3.0％ Cr:1.0％以下 Mn:0.3〜1.0％ Mo:1.0％以下 P:0.1％以下 Mg:0.02〜0.1％ S:0.02％以下 残部実質的にFe及び中間層から溶け込むCuもしくはSn
の１種又は２種からなるダクタイル鋳鉄材で形成された
内殻層とが溶着一体化されていることを発明の構成とす
るものである。

（作用及び実施例） 第１図は本発明の複合ロールの概略構造を示したもの
であり、圧延使用量たる外殻層１は中間層２に溶着一体
化され、該中間層２は軸芯部たる内殻層３に溶着一体化
されている。

各層の成分限定理由は次の通りである。尚、成分は重
量％で示す。

＜外殻層＞ C:2.4〜3.4％ ＣはCrと結合してクロム炭化物を形成する他、後述す
るSi、Ni、Cu、Snの黒鉛化生成元素により微細黒鉛とし
て晶出するもので、2.4％未満ではクロム炭化物の減少
と共に黒鉛の晶出が困難となる。一方、3.4％を越える
と本発明におけるCr量が10％を上限としていることに関
連して、過飽和Ｃが前記黒鉛化元素の作用により過剰黒
鉛となって晶出して耐摩耗性を劣化させる。

Si2.0〜3.4％ Siは高クロム材質に黒鉛を晶出させるために必要で、
2.0％未満ではこの効果がほとんどなく、3.4％を越える
と黒鉛量が過多となり耐摩耗性を劣化させる。なおSiの
添加については、鋳込前のSi量を上記限定範囲より低目
にしておき、鋳込時に接種を行い最終製品の組成で上記
範囲に入るように調整する方が黒鉛の晶出に有効であ
る。

Mn:0.5〜1.5％ Mnは溶湯の脱酸のためにSiと共に積極的に添加する。
0.5％未満ではこの効果が不足し、1.5％を越えると機械
的性質特に靭性の劣化が著しくなる。

P:0.1％以下 Ｐはロール材質を脆くするため少ない程望ましく0.1
％以下とする。

S:0.08％以下 ＳもＰと同様、やはり材質を脆くすることから少ない
ほど望ましく0.08％以下とする。

Ni:2.0〜4.5％ Niは基地組織の改良と黒鉛を晶出させるために積極的
に含有させるもので、２％未満では黒鉛の晶出が困難と
なる。また、4.5％以上ではSiの場合と同様黒鉛過多と
なる。既述のようにNiを4.5〜10％として、後述のCu若
しくはSnを含まない場合も黒鉛晶出に同効であるが、こ
の場合はNi量が多いだけコストアップにつながると同時
に、残留オーステナイトの増加及びその安定化傾向が増
し、後の熱処理によってもオーステナイトが安定で耐摩
耗性や耐肌荒性の低下傾向が出はじめる。

Cr:5〜10％ CrはＣと結合してCr炭化物を形成するが、５％未満で
は該炭化物が少なく耐摩耗性の点で劣り、10％を越える
と上記Ni、Si、Cu若しくは／及びSnの組成範囲では黒鉛
の晶出が得られないのである。

Mo:0.4〜2.0％ Moは焼入焼戻し抵抗を高めると共に、炭化物中に入
り、炭化物硬度を高めると同時に焼戻軟化抵抗を向上さ
せるのに有効である。その含有量が0.4％未満ではこの
ような効果が少なく、一方2.0％を越えると白銑化傾向
が強く黒鉛の晶出が困難となる。

CuもしくはSnの１種又は２種の合計:0.5〜4.0％ CuもしくはSnの添加量はNiとのバランスで決定される
が、Cu又はSnは黒鉛化促進元素であると同時にパーライ
ト強化及び熱的安定化元素であって、0.5％未満ではそ
の効果は過少であり、一方4.0％を越えると晶出の黒鉛
は微細化されてチル化の方向に進み、黒鉛晶出が抑制さ
れる。

外殻層は上記成分のほか、残部実質的にFeで形成され
る。

＜中間層＞ 中間層は外殻層の高クロム材質から内殻層（軸芯部）
にCrが拡散し、軸芯部材質の強靭性がCrにより劣化する
のを防止する。その結果、ロールの耐折損性が向上す
る。

C:1.0〜2.5％ 中間層には外殻層のCrが溶解されて後述する如くその
Cr含有量が２〜５％と高められているが、このさいC1.0
％未満では中間層の鋳込温度が高くなり、これによって
外殻層の溶解が促進され、ますます中間層へのCrの拡散
量が増加し、ひいては内殻層へのCrの拡散を防止せんと
する中間層の存在意義がなくなる。一方、C2.5％を越え
ると炭化物が多くなり中間層自身その靭性が損なわれる
ものとなり、中間層を鋳込む意義がやはり没却される。

Si:0.5〜1.5％ Siは溶湯の脱酸効果の上で0.5％以上は必要である
が、1.5％を越えると材質的に脆くなり、中間層の機械
的性質の劣化を来たす。

Mn:0.5〜1.5％ MnもSiと同様の作用を有しMnSとしてＳの悪影響を除
去する上でも0.5％以上必要であるが、1.5％を越えると
その効果も飽和し、却って機械的性質の劣化を来たす。

P:0.1％以下 Ｐについては溶湯の流動性を高めるが、ロール材質にお
いては靭性を低下するので0.1％以下とする。

S:0.1％以下 ＳもＰと同様にロール材質を脆弱にするため、実害の
ない0.1％以下とする。

Ni:1.5％以下 Niについては別段添加しなくとも外殻層からの混入で
0.3％以上は含まれるが、1.5％以下までは材質上問題と
ならない。しかし、1.5％を越えて含まれると、焼入性
が良く基地が硬くなり過ぎ、靭性の面及び残留応力の面
から望ましくない。

Cr:2〜５％ Crについては中間層を鋳込む目的から低い方が望まし
く、溶湯成分では工業的に制御し易い1.0％以下に抑え
る。この場合1.0％を越えて含まれると、外殻層から溶
け込むCr量との和でCr含有量が増大し、ひいては内殻層
へのCr拡散量も許容範囲を越えることになる。中間層元
湯のCr含有量を1.0％以下とした場合、外殻層からのCr
が中間層に溶け込んでも、中間層は最終的に２〜５％の
Cr含有量となり、内殻層のCr含有量を所定の範囲とする
ことができる。

Mo:0.5％以下 MoについてもNiと同様の作用を有するが、0.5％を越
えると中間層が硬くなりすぎ、実害のない0.5％以下と
する。

中間層は、上記成分のほか、残部実質的にFe及び外殻
層から溶け込むCuもしくはSnの１種又は２種で形成され
る。

＜内殻層＞ 内殻層を形成するダクタイル鋳鉄材については、上記
中間層を介在させることにより外殻層からのCrの混入を
非常に低くすることができるが、Crの混入を完全に無く
することはできない。従って、この若干のCr増量分を考
慮してその溶湯成分組成を選定する必要がある。

C:3.0〜3.8％ 3.0％未満では材質のチル化が進行し、内殻層として
の靭性低下が著しくなる。また、C3.8％を越える場合で
は、黒鉛化が過剰となり、内殻材として強度不足となる
と同時にネック部の硬度が低下し、ネック部が使用中に
肌荒れを起こし易くなる。

Si:1.8〜3.0％ Si1.8％未満では黒鉛化が悪く、セメンタイトを多く
析出して内殻層の強度劣化を来たし、また残留応力によ
り鋳造時に割れ易い欠陥がある。一方、3.0％を越える
と黒鉛化が促進され過ぎて強度の劣化を来たす。

Mn:0.3〜1.0％ MnはＳと結合しMnSとしてＳの悪影響を除くが、0.3％
ではこの効果がほとんどなく、一方1.0％を越えるとむ
しろ材質の劣化が著しくなる。

P:0.1％以下 Ｐは溶湯の流動性を高めるが、材質を脆弱にするため
低い程望ましく、0.1％以下とする。

S:0.02％以下 ＳはＰと同様に材質を脆弱にするため低い程望まし
く、また内殻材質はダクタイル鋳鉄であるため黒鉛球状
化に必要なMgをMgSとして減少させるＳは可及的に低く
抑えることが必要であり、0.02％以下とする。

Ni:2.0％以下 Niは黒鉛の安定化剤として添加されるが、2.0％を越
えても顕著な効果はなく、かつコスト高となるため2.0
％以下とする。

Cr:1.0％以下 Crは外殻層が高クロム材であるため中間層の介在によ
ってもある程度の混入は避けられないが、最終的には、
1.0％以下のできるだけ低い含有量に抑えることが必要
である。このためにはその鋳込み溶湯成分で、Siとバラ
ンスしつつCr含有量を0.5％以下に抑える必要がある。
元湯のCr量が0.5％を越えると外殻層からの混合物との
和で1.0％を越えて含有されることになり、これによっ
て材質中にセメンタイトが多くなり、内殻層の強靭性が
劣化するためである。

Mo:1.0％以下 Moは実害のない1.0％以下とする。

Mg:0.02〜0.1％ Mgは黒鉛の球状化のために添加されるが、Mg0.02％未
満では球状化不良を起こし内殻層を強靭なダクタイル鋳
鉄材で形成することができない。しかし、Mgが0.1％を
越えて含有されるとMgのチル化作用及びドロスの点で好
ましくない。

内殻層は上記成分のほか、残部実質的にFe及び中間層
から溶け込むCuもしくはSnの１種又は２種で形成され
る。

本発明の複合ロールを製造するには、遠心力鋳造法に
より外殻層を形成した後、その内面が凝固ないし未凝固
状態のときに中間層溶湯を鋳込む。その後、中間層が完
全に凝固してから、外殻層および中間層を内有した遠心
力鋳造溶金型を起立させて静置鋳型を構成し、その内部
に内殻層溶湯を鋳込めばよい。

鋳造後、従来の高クロムロールと同様、歪取り熱処理
や組織安定化熱処理が施さる。

次に具体的実施例を掲げて説明する。

製品胴径570φ、胴長1400l、全長4000l（寸法単位m
m）の三層複合ロールを下記の要領で製造した。

（１） 第１表に示した化学組成の黒鉛晶出高クロム鋳
鉄溶湯を鋳造機上で回転する遠心力鋳造用金型に外殻層
として肉厚80mm分（鋳込重量2Ton300kg）鋳込んだ。鋳
込温度は1400℃とした。

（２） 外殻層鋳込後18分でその内面が凝固ないし未凝
固の混在状態となった。そこへ同表に示した中間層溶湯
を肉厚35mm分（鋳込重量800kg）鋳込んだ。

（４） 外殻層の鋳込開始から30分後に外殻層および中
間層は完全に凝固したので、金型の回転を止めて冷却し
た。その後、外殻層および中間層を内有した遠心力鋳造
用金型に軸部形成用の上型および下型を連設し、これを
垂直に立てて静置鋳型を構成した。その上部から内殻層
材として同表に示したダクタイル鋳鉄溶湯を1380℃で鋳
込み、鋳型内を完全に満たした後、上端を押湯保温材で
カバーした。

（５） 内殻層が完全に凝固し冷却した後、型ばらしを
行って、炉内で下記の熱処理を行った。

歪取り熱処理…500℃×10Hr 組織安定化熱処理…550℃×10Hr （６） 機械加工後、胴部を超音波探傷および破断調査
した結果、外殻層60mm前後、中間層30〜35mmであり、各
層は完全に溶着一体化し、冶金学的に組織の連続性が認
められた。

また、外殻層組織を顕微鏡観察したところ、初晶、共
晶、黒鉛の構成になっていた。

また、製品ロールの各層の化学組成は第２表の通りで
あった。

なお、第２表において、中間層のCuは外殻層から溶け
込んだものであり、又、内殻層のCuは中間層から溶け込
んだものである。

（７） 次に、外殻層から試験片（テストピン）を採取
し、耐焼付性を調べるため、ファビリー試験を行った。
この際、比較のために、下記の従来の高クロム鋳鉄材に
ついても同様の条件で試験した。

C:2.83％、Si:0.67％、Mn:0.75％ P:0.21％、S:0.007％、Ni:1.03％ Cr:18.15％、Mo:0.96％、残部実質的にFe ファビリー試験は、第２図に示すように、テストピ
ン11の一端を回転機12にシアーピン13によって固定し、
その他端を一定荷重Ｐの下で一対のＶブロック14,14に
より挟み付けながらテストピン11を回転させ、回転に要
したトルクにより焼付の有無、程度を調べるものであ
る。

ファビリー試験の試験条件は下記の通りであった。

テストピン寸法……φ6.5×40l Ｖブロック寸法……φ12 テストピン回転数……300rpm（0.1m/sec） 負荷荷重Ｐ……100kgf 試験環境……大気中無潤滑 試験結果を第３図および第４図に示す。第３図は実
施例外殻付、第４図は従来材を示す。

第３図より、実施例外殻材では、最大負荷状態（Ｐ＝
100kgf）でも焼付は生じなかった。一方、第４図より、
従来材では、低負荷の状態で既に顕著な焼付の発生が認
められた。

（発明の効果） 以上説明した通り、本発明の複合ロールによれば、圧
延使用層に当る外殻層をCuもしくはSnの１種または２
種:0.5〜4.0％を含有する特定組成の黒鉛晶出高クロム
鋳鉄材で形成したから、黒鉛の晶出を妨げることなく、
Ni含有量を2.0〜4.5％に押えることができ、それ故、経
済性に優れ、更に残留オーステナイトの生成を抑止する
ことができ、ロールに耐焼付性のみならず優れた耐摩耗
性、耐肌荒性を具備させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る複合ロールの概略構造を示す断面
図、第２図はファビリー試験要領説明図、第３図は実施
例外殻材の同試験結果を示すグラフ図、第４図は従来の
高クロム鋳鉄材の同試験結果を示すグラフ図である。 １……外殻層、２……中間層、３……内殻層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化学組成が重量％で C:2.4〜3.4％、 Ni:2.0〜4.5％ Si:2.0〜3.4％、 Cr:5〜10％ Mn:0.5〜1.5％、 Mo:0.4〜2.0％ P:0.1％以下 S:0.08％以下 CuもしくはSnの１種又は２種:0.5〜4.0％残部実質的にF
   eからなり、組織中に黒鉛が晶出してなる高クロム鋳鉄
   材で形成された外殻層と、 C:1.0〜2.5％ Ni:1.5％以下 Si:0.5〜1.5％ Cr:2〜５％ Mn:0.5〜1.5％ Mo:0.5％以下 P:0.1％以下 S:0.1％以下 残部実質的にFe及び外殻層から溶け込むCuもしくはSnの
   １種又は２種からなるアダマイト材で形成された中間層
   と、 C:3.0〜3.8％ Ni:2.0％以下 Si:1.8〜3.0％ Cr:1.0％以下 Mn:0.3〜1.0％ Mo:1.0％以下 P:0.1％以下 Mg:0.02〜0.1％ S:0.02％以下 残部実質的にFe及び中間層から溶け込むCuもしくはSnの
   １種又は２種からなるダクタイル鋳鉄材で形成された内
   殻層とが溶着一体化されていることを特徴とする黒鉛を
   有する高クロム複合ロール。