JPH0873977A - 熱間圧延用ロール外層材及び熱間圧延用ロールの製造方法 - Google Patents

熱間圧延用ロール外層材及び熱間圧延用ロールの製造方法

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JPH0873977A
JPH0873977A JP7047958A JP4795895A JPH0873977A JP H0873977 A JPH0873977 A JP H0873977A JP 7047958 A JP7047958 A JP 7047958A JP 4795895 A JP4795895 A JP 4795895A JP H0873977 A JPH0873977 A JP H0873977A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 外層材は摩擦係数が低く然も耐摩耗性と耐バ
ンディング性に優れており、然もロール内部に欠陥のな
い熱間圧延用ロール外層材及び熱間圧延用ロールの製造
方法を提供すること。 【構成】 熱間圧延用ロール外層材において、重重量比
で、C:2.5 〜4.0 %、Si:1.5 %以下、Mn:1.2
%以下、Cr:6.0 〜20%、Mo:2.0 〜12%、V:3.
0 〜10.0%、Nb:0.6 〜5.0 %、を含有し、かつ下記
(1) 式を満足し、 10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・Cr(%) −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
ない熱間圧延用ロール外層材及び熱間圧延用ロールの製
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。従来、仕上げ
圧延機のワークロールの外層材は、高Cr鋳鉄、アダマ
イト及びNiグレン鋳鉄等が使用されてきた。また、ワ
ークロールの内層材は、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、(a) 圧延荷重が過大になる、(b) 摩擦
発熱によって被圧延材表面に2次スケールが生成し、被
圧延材の肌荒れを発生させる、(c) 高圧下圧延では摩擦
発熱が過大になってロール表面が損傷し、被圧延材の肌
荒れを発生させるという問題が発生するようになった。
また、ロールの耐摩耗性が向上したことから、生産上の
向上を狙って連続圧延量を増大するようになったため、
ロール表面の疲労が大きくなり、圧延中に疲労層が剥離
する(以降バンディングと呼ぶ)といった新たな問題も
発生するようになった。
【0006】尚、上述(a) 〜(c) の問題は、上述のロー
ルを熱間圧延仕上げ前段ミル等、熱的負荷の大きい環境
で使用された場合に顕著に現われる。
【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
ない熱間圧延用ロール外層材及び熱間圧延用ロールの製
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:2.5 〜4.0 %、Si:1.5 %以下、
Mn:1.2 %以下、Cr:6.0 〜20%、Mo:2.0 〜12
%、V:3.0 〜10.0%、Nb:0.6 〜5.0 %、を含有
し、かつ下記(1) 式を満足し、 10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・Cr(%) −2(%) …(1) 残部Fe及び不可避的不純物よりなる熱間圧延用ロール
外層材である。
【0010】請求項2に記載の本発明は、重量比で、
C:2.5 〜4.0 %、Si:1.5 %以下、Mn:1.2 %以
下、Cr:6.0 〜20%、Mo:2.0 〜12%、V:3.0 〜
10.0%、Nb:0.6 〜5.0 %、を含有し、かつ下記(1)
式を満足し、 10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・Cr(%) −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、ついで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、更に球状黒鉛鋳鉄、片状黒鉛鋳鉄
或いは黒鉛鋼等からなる軸材を鋳造する熱間圧延用ロー
ルの製造方法において、前記中間層が下記(2) 式を満足
するC量で鋳造されるようにしたものである。 C(中間層)≧-0.5(C-0.2V-0.11 Nb)(外層)+2.0 …(2)
【0011】
【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、組織は粒状炭化物
(主にV、Nb炭化物)、共晶炭化物(主にCr、M
o、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、熱間圧延での、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には、
粒状炭化物の量と形状を変えるか、粒状炭化物とそれ以
外の部分との段差を少なくして、摩擦力を低下させるこ
とを考えれば良い。
【0012】ロール外層材の組織中には粒状炭化物につ
いで、硬度の高い共晶炭化物を生成させることが可能で
ある。従って、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。
【0013】また、ロール表層部の疲労を低減し、バン
ディングを抑制するには、粒状炭化物、共晶炭化物、及
び基地組織を強化することが有効と考えられる。従っ
て、ロールに添加する適切な合金元素量を増大すれば、
固溶或いは析出強化によって耐疲労性(耐バンディング
性)を改善することが可能と考えられる。
【0014】尚、本発明のロールは、特に熱間仕上げ前
段に用いて好適である。このとき、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。
【0015】(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。 C:2.5 〜4.0 % Cはロール外層材の耐摩耗性を向上するための硬い炭化
物形成に必須の元素である。2.5 %未満では、炭化物量
が不足して、耐摩耗性が劣ると共に摩擦係数も増大し
て、肌荒れ性の原因となる。一方、4.0 %を超えても摩
擦係数低減効果が飽和するばかりか、耐摩耗性が劣化す
る。
【0016】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。
【0017】Mn:1.2 %以下 MnはSをMnSとして除去するためと組織の強化のた
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。
【0018】Cr:6.0 〜20% Crは強靱な共晶炭化物を形成し、耐摩耗性を向上す
る。また、基地中に固溶して基地組織を強化し疲労特性
を改善するとともに、ロールの黒皮の密着性を向上する
ため、重要かつ必要な元素で6.0 %以上添加するが、20
%を超えても耐摩耗性効果が飽和するばかりか、耐焼付
き性が劣化するため上限を20%とする。
【0019】Mo:2.0 〜12% 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、炭化物中に濃化して炭化物を強化
する。この効果を得るためには2.0 %以上必要である
が、12%を越えるとその効果は飽和するため、12%を越
えて添加する必要はない。図4に、2円盤のすべり接触
方式で転動疲労試験を行った後の、試料表面の炭化物へ
の疲労クラック発生個数とMo、Cr量の関係を示す。
Moが2.0%を越えるとクラック個数が半減し、約12%
まではMo量が多くなる程、クラック個数が減少してお
り、Moの効果が明らかである。また、Crが多い方
が、その効果が大きいことも示されている。
【0020】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。
【0021】W:1.0 %以下 本発明において、Wを添加しても特性が向上しないばか
りか、1.0 %を越えて含有すると、遠心鋳造時に炭化物
の偏析を促進せしめ、耐摩耗性と耐肌荒れ性を劣化させ
る。従って、Wは添加しない方が好ましいが、添加され
る場合においても1.0 %以下にする必要がある。
【0022】V:3.0 〜10.0%、Nb:0.6 〜5.0 % Vは耐摩耗性の向上に最も有効な硬いMC又はM43
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。
【0023】NbもVと同様耐摩耗性に有効な硬いMC
型炭化物を形成するとともに、V炭化物の偏析を抑制し
て、遠心鋳造した場合でもMC型炭化物が均一に分散し
た外層が得られる。その効果を発揮するためには0.6 %
以上必要であるが、5.0 %を超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5.0 %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ため、
必ずVと併用する必要がある。
【0024】10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・N
b(%) ≦2・Cr(%) −2(%) 本発明の最大の特徴の1つは、上式を満足することによ
り優れた耐摩耗性と耐肌荒れ性を兼備したロールが得ら
れる点である。通常、高V−Nbロールは、硬質なV
(Nb)Cを形成することによって耐摩耗性が著しく増
大するが、その結果、摩擦係数が増大して、板の肌荒れ
を生じて製品に重大な問題を及ぼすようになった。そこ
で、VとNbによって消費されるC量を想定した式(6.
5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) )を導き出すと共
に、添加されたCの総量との関係を求め、摩擦係数との
相関を調べた結果、図1が得られた。即ち、高V−Nb
系組成において、熱間圧延仕上げ前段用としても好適な
高Cr鋳鉄並の摩擦係数(約0.28)を得るためには、式
(10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) )を
満足する必要があることが明らかとなった。
【0025】一方、上式を満たした場合において、Cr
量が低くなると耐摩耗性と耐疲労性が著しく低下する傾
向が認められた。上式を満足する組成では、共晶炭化物
が多量に形成されるが、Cr量が少ない場合には、共晶
炭化物中に分配されるCr量が低減して耐摩耗性が劣化
すると考え、6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%)と
Cr量の関係を求め、摩耗量との相関を調べた結果、図
2が得られた。即ち、10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%)
−0.7・Nb(%) を満たし、摩擦係数を低減せしめた場合
において、更にもう1つの特徴である、6.5・C(%) −1.
3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・Cr(%) −2(%)を満足する
組成とすることによって耐摩耗性に優れたロールが得ら
れることが明らかとなった。
【0026】以上により、優れた耐摩耗性、耐肌荒れ性
を兼備した高V−Nbロールを得るためには、 10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・C
r(%) −2(%) を満足した組成にしなければならないことを見出し、本
発明に至ったのである。
【0027】尚、図1、図2、図4は、実施例の結果に
基づくものである。
【0028】(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。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。
【0029】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。
【0030】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;球状黒鉛鋳
鉄)を静置鋳造した後、外表面より外層と中間層の超音
波探傷により内層と中間層の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、 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。
【0031】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温度は鋳込時の値
であり、製造後、外層として確認できる部分のそれに等
しい。
【0032】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。
【0033】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。
【0034】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。
【0035】
【実施例】
(実施例1)(表1、表2) 表1に示す化学組成のロール外層材相当試料を溶製し、
1000℃から焼入れ、550 ℃で焼戻し処理を行ない、試験
材を作成した。摩耗試験は、φ190 ×15の相手材とφ50
×10の試験片の2円盤の滑り摩耗方式で、相手材を900
℃に加熱し、荷重100kgfで圧接し、試験材を水冷しなが
ら、試験片を800rpmで回転させた。試験片の表面損傷を
増大するとともに摩擦係数の相対評価を可能にするた
め、すべり率を14.2%として120 分間試験を行い、摩耗
減量と平均摩擦係数を調べた。
【表1】
【0036】摩耗試験結果を表2に示す。本発明の限定
式10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%)−0.7・Nb(%) を逸
脱したB-1 〜B-5 の試料は、摩擦係数が高Cr鋳鉄に比
べて約3割も高く、圧延ロールとして使用した場合に
は、板の肌荒れが問題となる。また、本発明の限定式6.
5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・Cr(%) −2
(%)を逸脱したC-1 〜C-5 の試料は、耐摩耗性が著しく
低下している。これら比較材に対し、本発明材は、摩擦
係数が高Cr鋳鉄並で然も耐摩耗性は、高Cr鋳鉄の7
倍を示している。
【表2】
【0037】即ち、本発明によれば、外層材の成分を最
適化し、C、Cr、V、Nb量を相互に限定するとによ
り、耐摩耗性に優れ、摩擦係数が低く、然るに耐肌荒れ
性に優れた、熱間圧延仕上げ前段に用いても好適な熱間
圧延用ロール外層材を得ることができる。
【0038】(実施例2)(表3、表4) 遠心鋳造(140 G)にて外層材及び中間層材を鋳込み、
その後更に内層材を静置鋳造にて複合ロールを製造し
た。外層材の組成を表3に示す。また、表3の各外層材
に対して表4に示す組成の中間層を40mm厚みで鋳造した
後、内層材として球状黒鉛鋳鉄を鋳造した。そのうち、
D1〜D5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D2、D5のロールが製造時に
割損したため、D1〜D5のロールは圧延使用時に事故
の危険があると判断し、使用を中止した。
【0039】以上の結果をまとめると、前述図3の如く
なり、中間層のC量はC≧-0.5(C-0.2V-0.11 Nb)
+2.0 にすることにより、ロール内部に欠陥のない熱間
圧延用ロールを製造できることを見出した。
【表3】
【0040】
【表4】
【0041】(実施例3)(表5) 表5に示す化学組成のロール外層材相当試料を溶製し、
1000℃から焼入れ、550 ℃で焼戻し処理を行い、試験片
を作製した。試験はφ190 ×15の相手材とφ50×10の試
験片の2円盤のすべり接触方式で、相手材を800 ℃に加
熱し、荷重130kg で圧接し、試験片を水冷しながら800r
pmで回転させ、すべり率14.2%の条件で200 分試験を行
い、試験終了後の試験片表面をSEM観察し、炭化物へ
のクラック発生個数を調べた。
【表5】
【0042】クラック発生個数とMo、Cr量の関係を
図4に示す。クラック発生個数は、Mo量が 2%以上に
なると半減し、約12%まではMo量が多くなる程、クラ
ック数が減少している。また、7 %Cr材よりも、9 %
Crの方がクラック発生個数が少ないことから、Cr量
の効果も表われている。尚、炭化物のクラックは、試験
中の転動疲労や熱疲と、すべり応力の相乗作用によって
発生する。従って、本実験で得られた結果は、実圧延で
のロール表面の疲労をシミュレートするものであり、本
発明材が耐バンディング性に優れることが明白である。
【0043】
【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圧延用ロールを製
造するに際し、外層の耐摩耗性が著しく優れ、かつ、摩
擦係数が低く然るに耐肌荒れ性に優れ、然も同時に耐バ
ンディング性にも優れ、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、V、Nbの関係と摩擦係数との相関
を示す線図である。
【図2】図2はC、V、Nb、Crの関係と摩耗量との
相関を示す線図である。
【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。
【図4】図4は疲労によって生ずる炭化物のクラック発
生個数とMo、Cr量の関係を示す線図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量比で、C:2.5 〜4.0 %、Si:1.
    5 %以下、Mn:1.2 %以下、Cr:6.0 〜20%、M
    o:2.0 〜12%、V:3.0 〜10.0%、Nb:0.6 〜5.0
    %、を含有し、かつ下記(1) 式を満足し、 10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・Cr(%) −2(%) …(1) 残部Fe及び不可避的不純物よりなる熱間圧延用ロール
    外層材。
  2. 【請求項2】 重量比で、C:2.5 〜4.0 %、Si:1.
    5 %以下、Mn:1.2 %以下、Cr:6.0 〜20%、M
    o:2.0 〜12%、V:3.0 〜10.0%、Nb:0.6 〜5.0
    %、を含有し、かつ下記(1) 式を満足し、 10(%) <6.5・C(%) −1.3・V(%) −0.7・Nb(%) ≦2・Cr(%) −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、ついで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、更に軸材を鋳造する熱間圧延用ロ
    ールの製造方法において、 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)
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