JPS59129720A - 高硬度高クロムロ−ルの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は好適には冷間圧延用ワークロールの用途に供さ
れる３重層構造の高クロムロールの提供に係り、遠心力
鋳造により鋳造されると共に鋳造後の中周波加熱処理に
よシ、耐摩耗性、耐事故性に優れたＨｓ８５以上の高硬
度を有するものの提供に関する。

一般に冷間圧延用ロールとして用いられているものは、
Ｈｓ８５〜１００の鍛鋼焼入れロールが主であるが、こ
の種のロールには次の特性が要求される。

（１）耐摩耗性 圧延におけるロールの摩耗量は硬度に影響する炭化物量
及び基地組織により決定される。従って冷間圧延用ロー
ルの耐摩耗性を望む場合、ロールを高硬度にしかつ高硬
度をもたらす組織を均一なものとするのが最も効果的で
ある。

（１１）耐事故性 冷間圧延における耐事故性の良否は焼付き、絞込みなど
の圧延時の事故によシロールが異常研摩される故、ロー
ル寿命を大きく左右する。

また一方、ロール全体としては大きな圧延荷重に耐える
ため胴部中心部に引張応力が働くロール残留応力は中心
部の強度よシも充分に低い引張応力が作用する様にコン
トロールされなければならない。

しかして本発明は、いわゆる高クロムロールを上記特性
が要求される用途に適合すべくその製造法を改良し、十
分な耐摩耗性と耐事故性を兼備させることに成功したも
のである。

本発明に係る高硬度高クロムロールの製造法では、その
複合ロールの鋳造にさいし、特定成分の外層高クロム材
と芯材ダクタイル鋳鉄材との間に中間層を鋳込んで芯材
の強靭性を確保すると共に、鋳造後は特に中周波加熱−
焼入れに供し、外層の高硬度化並びにロール全体として
の低残留応力化を図ることを特徴としている。

以下本発明の製造法について詳述して行くａまず外層、
中間層及び芯材の化学成分については溶湯成分で各々次
のように特定される。

〔外層〕

遠心力鋳造により最初に鋳型に鋳込まれる外層は、０２
５〜３，２、Ｓｉ　Ｏ，５〜１，５、ＭｆＩＱ、５〜１
５、Ｐｏ、０８以下、　５ＯｆＪ６以下、Ｎｉ　ｊ、０
〜３．Ｏ，Ｃ！ｒ　ｉ　Ｏ〜２３、Ｍｏ　Ｃ１，５〜３
．０　、　Ｖ　Ｄ、２〜１．０を各重量％で含み、残部
実質的にＦｅの高クロム鋳鉄材からなる。外層溶湯の成
分範囲限定理由を述べると、次の通りである。

Ｃは（Ｆｅ、Ｏｒ　）　７０３型炭化物を安定にする範
囲内でＯｒ量ドパランスし、目的のカーバイド量によっ
てその含有量が決定される。しかしてＣ含有量が２．５
％以下（後述のＣｒ含有量１０％以下）では、カーバイ
ド量が２１％以下となり耐摩耗性が不足し、一方５．２
％以上（Ｏｒ２３％以上）では、カーバイド量が６７％
以上となり機械的性質の劣化を来たすためである。

Ｓｉは溶湯の脱酸のだめに０．５％以上必要であるが、
：１．５％を超えると機械的性質の劣化を来たすためで
ある。

ＭｎはＳｉの補助脱酸として０．５％は必要であると同
時に、Ｓの悪影響をＭｎＳとして防止するのに有効であ
る。しかい、５％を超えると機械的性質、特に靭性の劣
化が著しくなる。従って、ＭＪ）含有量は０．５〜１．
５％とする。

Ｐけ少ない程望ましく、材質を脆ぐするという点から０
．０８％を上限とする。

Ｓは粒界において偏析し易く、機械的性質を阻害する点
から０．０６％を上限とする。

Ｎｉは焼入性を向上し積極的に硬度調整する目的で添加
されるが、所期目的とするＨ９８５以上の硬度□を得る
上では１．Ｑ〜３．［１％が適当である。

Ｏｒは高クロム材において最も特徴的成分である。

すなわち、鋳鉄系材ではＯｒはＦｅ及びＣとカーバイド
を生成し高硬度化に寄与する。このさい最も硬度の高層
Ｍ、Ｃ，型のカーバイドの生成は、０ｒ１０比によって
支配される。そしてＭ７ｃ３型炭化物の形成量はＯｒ／
Ｃ比が増加するにつれて増すが、その比が約８程度に達
すると飽和する。しかして上記Ｃ含有量に対しＣｒ含有
量が１０％以下であると、カーバイドはＭ３Ｃ型となり
、これは上記Ｍ、０．型のものに比較すると強靭性及び
耐摩耗性の両面で劣る。またＣｒ含有量が２６′Ａ以上
であると、カーバイドは今度はＭＲｓ　Ｏｓ型となシ、
やけジ強靭性と耐摩耗性に劣化を来たす。従って、Ｃｒ
含有量はＭ、Ｃ３型カーバイドを有効に形成する範囲と
して１ｏ〜２３％に規定する。

ＭＯは焼戻し抵抗を著しく高めると同時に、炭化物中あ
る因は基地中に固溶し硬度を上昇させる。

この効果は０．５％以下で１ｄ余り示されず、一方３．
［３％を超えると過剰となってＭｏ２Ｃｊとして晶出し
、　その改善効果が飽和した状態となるためである。

■は鋳造組織の微細化に効果があり、又炭化物析出によ
る硬化が期待される。０．２％以下の場合、脱酸による
効果と共晶炭化物への優先固溶の為、微細化、析出効果
が顕著でなぐ硬度への寄与が期待できない。父上限を１
．０％としたのけＶ添加力Ｅ　１．０％以上でも硬度へ
の寄与があるが靭性劣化、コスト高等の問題がある為で
あり、よってＶ含有量は１．０％以下とする。

〔中間層〕

次に遠心力鋳造により上記外層内面に鋳込まれる中間層
にツイテは、０１．０〜２５、Ｓｉ　Ｏ，５〜１．５、
Ｍｎ０．５〜１５、ＰＯ９１以下、５Ｏ０１以下、Ｎｉ
　１５以下、Ｃｒ　ｌ、Ｑ以下、Ｍｏ　□、５以下、’
ｌ’ｉ０．４以下を各重量％で含み、残部実質的にＦｅ
からなるものに特定される。すなわち、この中間層の鋳
込みは外層高クロム材から内層（芯材）にＯｒ力５拡散
混入し、芯ｉ材質の強靭性を劣化するのを防止すること
にある。中間層溶湯の成分範囲限定理由を述べると、次
の通りである。

まずＣ含有量については、その下限は主として鋳込温度
の理由による。すなわち、中間層には外層の内面一部が
溶解されて、これが完全に均一混合したとするとＣｒ含
有量は最終的に５〜１０％に達するが、このさい中間層
溶湯のＣ含有量が１．０％以下であると必然的にその鋳
込温度を高くする必要が生じ、これは外層の溶解量を増
す結果を生じ、中間層のＣｒ含有量を減じ芯材へのＣｒ
の混入を防止する本来の意義が没却されることになるた
めである。一方その上限については、２．５％を超える
と炭化物の多い材質となシ、中間層自体の靭性が阻害さ
れてやはシその存在意義がなくなるためである。

Ｓｉについては溶湯の脱酸効果から０．５％以上必要で
あるが、１．５％を超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ためである。

Ｍｎも８ｉと同様の作用があシ、かつＭｎ　Ｓとなって
８の悪影響を消すため０．５％以上は必要であるが、１
．５Ｘを超えるとその効果も飽和し、かつ機械的性質の
劣化を来たすため、０．５〜１．５％の範囲とする。

Ｐについては鋳造時の溶湯の流動性を高めるが、反面ロ
ール材において靭性を損うため０．１％以下とする。Ｓ
も同様にロール材を脆弱にするため、実害のない０．１
％以下とする。

Ｎｉについては別設添加しなくと本外層からの混入で０
．６％程度は含まれるが、１．５％までの含有には問題
ない。しかし１．５％を超えると、焼入性がよく基地が
硬くなり過ぎ、靭性及び残留応力の両面から望ましくな
い。

Ｃｒについては中間層はその溶湯含有量で１．０％以下
に抑えなければならない。すなわち、これ以上含有され
ていると、外層からのＯｒの拡散混入量を加算すると最
終的にＣｒ含有量が１０％を超える場合を生じ、機械的
性−質特に靭性が低下し、ロール全体が脆弱なものとな
るためである。

ＭｏについてもＮｉと同様な作用があるが、０．５％を
超えると中間層が硬くなり過ぎ、実害のないの範囲とし
て０，５％以下とする。

Ｔｉは鋳造時の脱酸のために有効であるが、０．１％を
超えると溶湯の過酸化状態を来たし、かつ溶湯の流動性
を低下するため、上限０．１％とする。

〔芯材〕

芯材に関しては、中間層を鋳込むことによシ外層と直接
溶着一体化する場合に比較するとそのＣｒ混入量は大き
く減少されるが、やはりＣｒの混入を完全に防止するこ
とはできず、通常０５〜１．０％程度の混入は避けられ
ない。従って、芯材溶湯はこのＯｒ増加分を考慮して成
分範囲を調整する必要がある。

しかして上記中間層の内面一部又は全部が凝固してから
鋳込まれる芯材は、Ｃ５，０〜３．８．　Ｓｉ　１．ｓ
〜３４１゜Ｍｒ１０３〜１．０、ＰＯ６１以下、８０．
０２以下、Ｎｉ　２１Ｊ以下、Ｏｒ　０．５以下、Ｍｏ
　１．０以下、ＭｇＯ，０２〜０．１を各重量％で含み
、残部実質的にＦｅのダクタイル鋳鉄材からなる。芯材
溶湯の成分範囲限定理由を述べると、次の通りである。

まずＣについては、３．０％以下では材質のチル化が進
行し芯材の靭性低下が著しく、また３、８Ｘを超えると
黒鉛化が過剰となシ、芯材としての強度不足を来たすと
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。このためＣ３，０〜３．８％とす
る。

８ｉについては１．８％以下では凝固時の黒鉛化が悪ぐ
セメンタイトが多く析出し、芯材の強度が劣化するため
残留応力により割れ易い問題を生じ、一方３．０％を超
えると黒鉛化が促進されてかえって強度の劣化を来たす
ためである。

凧はＳと結合しＭｎ８としてＳの愛影響を除くが、０３
％以下ではこの効果が少なく、一方１．０％を超える（
！：８の悪影響防止よシもむしろ材質劣化作用が問題と
なるためである。

Ｐは鋳造時に溶湯の流動性を増すが、材質を脆弱にする
ため少ない程望ましく、０．１％以下とする。

ＳはＰと同様材質を脆くするため少ない程望ましく、加
えて芯材ダクタイル鋳鉄材質の場合ではＭｇと結合して
Ｍｇ８となり、黒鉛球状化の目的にはＳを減少しておく
のが不可欠である。かかる点から特にＳ　Ｏ，０２％以
下とする。

Ｎｉハ黒鉛の安定化剤として奏効するが、２．０％を超
えても顕著に効果はたく、コヌト高ともなるためである
。

Ｏｒは外層が高クロム材である故中ｒ＃４Ｊ層の介在に
よってもある稈度の混入は避けられない。しかしてＯｒ
含有量は少々い程望ましいが、Ｓｉとのバランスにより
０５％以下であることが望まれる。すなわち、０．５％
を超えると外層からの混入分を加算すると最終含有量が
１．０％を超え、材質のセメンタイトが多ぐなって強靭
性の劣化を来たすだめである。

ＭＯについては実害のない１．０％以下とする。

Ｍｇは黒鉛の球状化のために必要で、　凝固時の球状化
不良を防止し芯材を強靭なダクタイル鋳鉄材質とするた
めには０．０２％以上の含有が必要である。しかし０．
１％を超えるとＪ匂のチル化作用及びドロスの点で問題
を生じ好ましくない。

本発明に係る高クロムロールは、以上ノ如く、外層、中
間層及び芯材溶湯を鋳込み、これらを溶着一体化せしめ
て三層構造のものに鋳造される。

第１図と第２図は上記のロール構造例を示し、図中（１
）は外層、（２）は中間層、（３）は芯材（胴芯部及び
ネック部）を示す。

次に鋳造後における熱処理について述べる。上記鋳造複
合ロールは、まず中周波加熱により９５０〜１１００°
Ｃに高温熱処理され、その＠１２５°０Ａｌｒ以上の冷
却速度で焼入れされ、さらに４００〜６００　’０で焼
戻されて、各層の組織を調整しつつ特に使用層に当る外
層にはＨｓ１３５以上の高硬度が付与される。

しかして本発明の製造法で上記特定の熱処理条件を採る
理由について詳述する。

まず外層を形成する高クロム鋳鉄に所期目的と　　：す
るＨｓ　８５の硬度を付与するためＩＩ？：は、共晶カ
ーバイドをＭ、Ｃ！３型のものとし、かつ基地組織をマ
ルテンサイト中心の組織に改変することが木質的に必要
とされる。このうち共晶カーバイドの形態については、
前述の如く、（Ｅｒ７０比が支配的であるが、−１基地
組織のマルテンサイト化については、元素の添加による
調整と共に、一定の有効冷熱処理を施すことが必要であ
る。すなわち、外層を形成する高クロム材は鋳造後の基
地組織がオーステナイトであり、マルテンサイト変態を
生じせしめるためには高温に保持した後急冷する必要が
ある。

かかる点から、まずその加熱熱処理温度は９５０〜１１
００°Ｃに保持したければならない。保持温度の下限に
ついては、外層高クロム拐のＡＣ３点と対応している。

すなわち、高クロムネオ基地中のＯｒはＡｃ３点以上に
昇温されることにより高硬度のＭ、０３型２次カーバイ
ドを析出し、ひ込ては固溶Ｏｒ　７１％度が低下するこ
とによって焼入れによるマルテンサイト化が促進される
ためである。

またその焼入れ速度は１２５°０／）Ｉｒ以上でなけれ
ばｋらない。これはそれ以下の冷却速度では、外層にパ
ーライト変態を起生じ、所期の高硬度が達せられないか
らである。

さらに焼入り後のロール＃−］：　４００〜６００００
で焼戻ししなければならない。この温度範囲での焼戻し
は、焼入れにより生じたマルテンサイ）Ｋ余シ影響を与
えず、焼入れに伴う歪を有効に解除することができる。

なお４ｏｏ’ｏ以下の温度では歪取り効果が十分でなく
、一方６００　’Ｏを超えるとマルテンサイトが焼戻さ
れて硬度低下を来たすおそれがあるためである。

次にロールの高温熱処理にさいし特に中周波加熱を採用
する理由を述べる。ロールを中周波加熱すると、 ｆ二層波数 の関係で、ロー／Ｉ／け区の深さまで即ちその表面層の
みが急激に加熱されることになる。この場合、その深さ
ｌは周波数ｆに反比例するため、ロールのような使用層
が片肉５Ｑ？ｌ！ｆｆ以上のものでは周波数を下げる方
がよい。

しかして中周波加熱後冷却すると、外層は収縮し始める
。しかし乍ら、このさいロール内部は加熱されていない
為、結果として外層には引張応力が働くことになり、さ
らに温度が低下し外層にマルテンサイト変態による膨張
が生じても、内部に対する引張残留応力は小さくなる。

すなわち、中周波加熱手段によると、大きな焼入れ速度
によっても無理なく必要な外層に焼入効果を発揮させ、
かつロール全体と、して低残留応力を達成させることが
可能となる。

このような高温熱処理法によると、外層高クロム材に対
する焼入れ効果能のあるＮｉ及びＭｏの添加と相まって
、より確実にマルテンサイト組織を得ることができる。

かくして、外層高クロム材の基地組織は２次カーバイド
ＣＭ、Ｃ，型）＋マルテンサイトとなり、共晶Ｍ、（３
，型カーバイドとの相乗効果により、所期のＨｓ１３５
以上の高硬度を達成することができる。

なお外層硬度を特にＨｓ８５以上に規定する理由は、一
般に冷間の仕上ワークロールの場合、その耐摩耗性は硬
度との相関が強く、Ｈｓ８５以下のものでは耐摩耗性と
耐肌荒れ性が急激に低下する傾向にある。従って、この
種ロールに高クロムロールヲ適用し、優れた耐肌荒れ性
と耐摩耗性を具備させるためには、Ｈ５８５以上の高硬
度を有することが必要条件とされる。

本発明の製造工程を概説すると次の通りである。

まず遠心力鋳造機の上で回転する内面に耐火物を被覆し
た金属Ｍ鋳型内に所定成分の外層溶湯を鋳込む。その後
外層の内面が未凝固の間に中間層溶湯を鋳込み引き続き
遠心力鋳造に供する。しかして外層及び中間層が完全に
凝固した後、鋳型を垂直に立てて上部から所定成分の芯
材溶湯を鋳込み、王者を冶金学的に完全に一体化する。

なお芯材を鋳型の水平もしくは傾斜状態で鋳込みに供す
る場合では、外層及び中間層の内面が完全に凝固してな
い一部未凝固の状態であってもよい。

かぐして鋳造一体化された複合ロールは、中周波加熱炉
に装入され、その後焼入れ、焼戻しの必要な熱処理に供
される。

次に本発明の具体的な実施例を掲けて説明する。

〈実施例〉 本実施例は製品胴径５７０φ、胴長１４００７の高クロ
ムロールを製造した例であり、その剣造条件、製造試験
結果を下記に詳述する。

（１）外層として高クロム鋳鉄溶湯（Ｖを積極的に含有
するものとしないものの２種類）を鋳込温度１４００℃
で肉厚８０朋（鋳込重量ｌＴ２Ｏ０１１［Ｐ）に遠心力
鋳造用金型に鋳込んだ。

（２）各々の場合について、外層を鋳込み始めてから１
８分後に中間層溶湯を鋳込温度１４７０’ｆｉで肉厚５
５ＭＪＲ（鋳込重量４００　ＨＰ　）を回転金型中に鋳
込んだ。

（５）外層を鋳込み始めてから３０分後、共にその外層
及び中間層は完全に凝固した。

（４）その後裔々の場合について、鋳型を垂直に立て上
部から芯材溶湯を鋳込温度１３８０’ａで鋳込み、鋳型
を完全に満たした後押湯保温剤でカバーした。

（５）芯材が完全に凝固した後、各々型バランしてロー
ルを取出し、中周波加熱装置中で１０００’ａまで昇温
した後、水冷コイルによりロール胴部を水冷焼入れし、
ロール表面温度が１０００ｏになった時点で再び炉内で
５００°Ｃに保持し、その後炉冷する熱処理に供した。

なお各ロールの鋳込溶湯成分と製品成分とを下表に示す
。

実施例１　溶湯化学成分（ｗｔ％） 実施例１　製品化学成分（ｗｔ％） 実施例２　溶湯化学成分（ｗｔ％） 実施例２　製品化学成分（ｗｔ％） 上記製品高クロムロールの試験結果について説明すると
、鋳造熱処理後機械加工して胴部の超音波探傷及び破断
調査した結果では、外層の厚さは中間層によって洗われ
いずれも６０朋前後であった。

まな中間層の厚さは３０〜３５７１Ｊで、その部分のＯ
ｒ量は６６０〜８．０％であった。そして外層と中間層
及び芯材とは各々完全に結合しており、組織的な連続性
も認められた。

なお胴部外層の硬度測定試験結果によると、実施例１で
はＨｓ　９３、またＶを含む実施例２ではＨｓ９４の硬
度が得られ、いずれも所期の高硬度が達成された。

以上に述べた如く、本発明の高クロムロール製造法では
、所定成分範囲の外層と芯材との間には中間層全鋳込ん
で外層高クロム材の芯材への拡散混入を防止していると
共に、鋳造後中周波加熱焼入れによる一定の熱処理を施
すことによシ残留応力を増加することなく的確に外層組
織を調整することができ、これによって１１８８５以上
の高硬度を有し耐摩耗性と耐事故性を兼備した高性能の
ロールが得られる。

従って、本発明に係る高硬度高クロムロールでは、叙述
の冷間圧延用あるいは熱間圧延用の仕上ワークロール、
その他ホットスキンパス用ロール、線材仕上用ロール等
の用途に適合する。

なお従来冷間圧延用ロールとして用いられている鍛鋼焼
入れロールに比較すると、その外層高硬度域が使用層内
で深く安定して得られることが利　点として挙げられる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る高クロムロールの構造例を現わす
縦断面図であり、第２図はその横断面図である。 （１）・・・外層、（２）・・・中間層、（６）・・・
芯材。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、遠心力鋳造にヨシ、Ｃ！　２５〜５：２、Ｓｉ　Ｏ
   ，５〜１．５、Ｍｎ０．５〜１．５、Ｐｏ、０８以下、
   ８０．０６以下、Ｎｉ　１．ｏ〜ｓ、ｏ、Ｃｒ１０〜２
   ５、ＭＯ０５〜３Ｊ］　、　Ｖ　Ｏ，２〜１．０を各重
   量％で含み、残部実質的にＦｅの高クロム鋳鉄材からた
   る外層溶湯を鋳込み、次いで０１．０〜２．５．８ｉ　
   ０．５〜１．５、Ｍｎ　０．５〜１．５、ＰＯ１１以下
   、５Ｏ１１以下、Ｎｉ　１５以下、Ｃ！ｒ１．０以下、
   Ｍｏ　Ｏ，５以下、Ｔｉ　Ｑ’、ｊ以下を各重量％で含
   み、残部実質的にＦｅからなる中間層溶湯を鋳込み、し
   かる後上記中間層の内面一部又は全部が凝固してから、
   Ｃ３Ｊ］〜６Ｂ、Ｓｉ　１．８〜３．０１．Ｍｒ１０．
   ３〜１．０、ＰＯ０１以下、８０．０２以下、Ｎｉ　２
   ．０以下、Ｏｒｏ、５以下、Ｍｏ　１．Ｑ以下、Ｍｇ　
   ０．０２〜０．１を各重量％で含み、残部実質的にＦｅ
   のダクタイル鋳鉄材からなる芯材溶湯を鋳込み、これら
   三者を溶着一体化せしめてロールに鋳造した後、ロール
   を中周波加熱によシ９５０〜１１００°０に高温熱処理
   し、その後１２５°Ｑ／Ｈｒ以上の冷却速度で焼入れし
   、さらに４００〜６００°Ｃで焼戻して外層にＨｓ８５
   以上の高硬度を付与することを特徴とする高硬度高クロ
   ムロールの製造法。