JPS6179727A

JPS6179727A - ロ−ルの熱処理方法

Info

Publication number: JPS6179727A
Application number: JP59202353A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Egawa; 江川　元浩
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1984-09-27
Filing date: 1984-09-27
Publication date: 1986-04-23

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】

（産業上の利用分野１本発明はロールの熱処理方法に係り、特に、所定の表面
硬度を得るべくロールを所定の焼入れ温度に加熱して焼
入れ処理を行うロールの熱処理方法の改良に関する。

【従来の技術］従来、所定の表面硬度を愕るためにスリーブロール等の
ロールに熱処理を行っている。この熱処理は、第７図に示すように、ロールを所定の焼
入れ湿度に加熱し、次いで、例えばミスト冷却等による
焼入れ操作を行うことで行っている。ところが、その後
エアー６団及び自然放冷によって表面温度が４００℃程
度に降下した時、あるいは、続けて行われる、鋳造時及
び熱処理時に発生プる残留応力の除去のための応力除去
焼なまし過程で削進（焼割れ）する轡合がある。このＶ）損は、焼入れ処理時に生じる熱応力が高温時の
材料に対し塑性変形を誘起し、この塑性変形が後に残留
応力を発生させて割れを起こずことで、生じるものと考
えら机る。即ち、焼入れ処理は、まず、燃焼式熱処理炉においてロ
ールを昇温すると共にＡ３変態点以上の９００〜９３０
℃でロールを均熱して、組織をオーステナイト化した後
に炉外に抽出し、その後、所定の表面硬度（ショア硬度
で６０〜７ＯＮ度）が得られる冷却速度で例えばミスト
冷却により行う。この時、ロール中心線を含む断面におけるロール外表面
と内表面との間は、第８図に示すようなｉｆｆ分布状態
となっている。この状態で自然放冷処置を行うと、外表
面部は大気に俵熱されるため焼入れ時にできた温度分布
状態は解消されることがなく、外表面部とロール中心線
を含む断面における中央部との温度差によって生じる熱
応力が高温時には塑性変形によって緩和されるが、冷却
されるにつれて断面における中央部の塑性変形が抑制さ
れ、該中央部に引張りの残留応力が生成されることにな
る。この残留応力値がロール材質の引張り強度ＴＳを越
えると微小クラックが発生し、そこから亀裂伝播して割
れに結びつくものである。又、自然放冷時に焼割れが起こらなくても、応力除去焼
なましく以下ＳＲと称する）を行うために熱処理炉にロ
ールを再装入して加熱すると、ロール表面では圧縮、中
央部では引張りの応力が発生し、焼入れ時に発生した残
留応力も表面で圧縮、中央部で引張りの応力のため、中
央部では引張り応力が加算されて、第９図の破線のよう
な温度推移となり、焼割れの可能性が高くなる。前記のような焼割れの問題に対しては、焼割れの解消を
図るべく、特公昭５７−４８６２５号公報、特公昭５０
−３１８５１号公報、特開昭５４〜８０２１４号公報、
特開昭４９−４６１０号公報等において焼割れを防止す
る焼入れ方法が提案されている。（発明が解決しようとする問題点］しかしながら、前記公報による提案内容は、何れも加熱
方法あるいは焼入れ処理（急冷）方法に薯眼したもので
あり、割損を防止するためには従来の焼入れ処理ライン
そのままでの実施は不可能であり、従来の処理ラインに
変更を加えなければならない問題があった。しかも、そ
の変更も複雑な手間を曹するものであるという問題があ
る。又、ロールの高硬度化を進める場合、焼入れ時の冷却速
度の上昇は必然的なものとなるが、従来は焼割れへの懸
念で対処できないという問題があった。（発明の目的］本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであ
って、所定の硬度を得るための焼入れ時の冷部速度は変
更せずに、残留応力を低減し割損を防止できるロールの
熱α理方法を構成簡素にして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１本発明は、第１図にてその要旨を示１如く、ロールを所
定の焼入れ温度に加熱して焼入れ処理を１１う０−ルの
熱処理方法において、前記焼入れ処理を行った後にロー
ル内の温度分布状態を少くするよう徐冷づることによっ
て、上記目的を達成したものである。【作用】本発明においては、焼入れ処理後のロール内の温度分１
５差を小さくするよう徐冷処理を行うようにしたので、
焼入れ時にできた表面と内部との温度差を小さくするこ
とがでる。従って、発生熱応力を低減し、更に熱応力に
起因する残留応力を減少させて、割損防止が図れる。又、焼入れ後の残留応力を小さくできるから、次工程の
例えばＳＲ等の熱処理プロセスでロールを加熱する際に
発生プる熱応力が残留応力に加算されても、該残留応力
値がロール材質の引張強度ＴＳを超えることなく、微小
クラックは発生しないため焼割れ発生の恐れは非常に少
なくなる。しかも、焼入れ処理は従来のままでよく、変更を加える
必要がないから、従来の熱処理ラインがそのまま使用で
きるものとなり、実施が簡単に行える。前記徐冷処理時の冷却速度Ｓ　ｃ　（℃／′分）は０゜
９（℃／分）以下とすることが望ましい。なお、冷却速
度Ｓｃは次の（１）式により定めるものとする。Ｓｃ雪（Ｔｓ　ｑ−Ｔｏ　）／　（ｔｓ　＊　−ｔｏ　
）・・・・・・・・・（１）ここで、ＴＳＲはロールのＳＲ処理開始時の最高点温度
（”Ｃ）、ｔｓｐは焼入れ開始からＳＲ開始までの時間
（分）、Ｔｏは残留応力が零と仮定する基準温度（℃）
（ロール材質によって異なる）、ｔｏは暁入れ開始から
ロール最高点温度が基準滉ｆｔＴｏに到達プるまでの時
間（分）である。前記基準温度Ｔｏは、この温度以上で
はロールは完全塑性域と考え残留応力は零、又、この温
度以下では完全弾性域と考えて残留応力が発生し始める
と考える基準とづるものである。なお、冷却速度Ｓｃ（
℃，−’分〉は計痺堕が負の場合を正と設定する。この（１）式の定義理由は、基Ｐ温度Ｔｏ（℃）以下で
は残留応力が発生し始めると考えるため、ある時間での
温ａ　Ｔとの差ΔＴがなるべく小さい方が、後述する（
１つ）式、（２０）式かられかるように残留応力が小さ
くなるということに存する。又、この冷却速度Ｓｃ　（℃／分）、を０．９以下とす
るのは、次のような操業条件による残留応力の発生デー
タを考慮して決定したものである。即ち、残留応力が操業条件によってどのようになるかを
測定したところ、第２図、第１表及び第２表のｖ１果を
得た。第　　１　　表第２表＠２図は各種の冷却方法におけるロール最高点温度の冷
ｉ１＃ｌ線を示したち、ので、曲線Ａは本発明を実施し
た場合の冷却曲線（以下、各種冷却方法との比較説明簡
略のため、この熱処理方法をＡ法という）、曲ＩＩＢは
ミスト冷却、エアー６朗、自然放冷の順に熱処理する従
来法による場合の冷却曲線（以下、この熱処理方法をＢ
法という）、曲線Ｃはミスト冷却時に内外周面の冷ｍを
行った場合の冷却曲線（以下、この熱処理方法をＤ法と
いう）、曲線りはエアー６朗を延長して熱処理する場合
の冷却曲１（以下、この熱処理方法をＤ法という）を示
す。又、第１表は前記各種の冷部条件での（１）式から求ま
る冷却速度である。測定に使用したロールは第３図及び
第４図に示すように外径１３００■１、内径６５０　ｙ
ｍ、長さ２０００　ｕの寸法で形成され、外層がアダマ
イト、内層が球状黒鉛鋼の材質を持つものである。なお
、第１表の冷却速度は、（１）式におけるＴｏが６５０
℃、１９Ｒが４００℃に設定しである。第２表はこれら各種の６知方法においてＳＲ処理開始時
における最大残留応力（奄　ｆ　、／　ｙ−）を示しｌ
ｃものである。この第２表から、本発明のＡ法の徐冷方
法において残留応力（ａｅ、σ２）が最も小さいごとが
わかる。この結果かられかるように本発明の徐冷処理に
よる効果は大きく、方法の従来の処理での残留応力の半
分に減少できることがわかる。又、Ｃ法のスリーブロールの内外表面の焼入れ時の両面
冷却は確かに内表面は冷却によって温度は下がるが、ロ
ール内中央部の熱量を抜熱するま−でにはいかず、中央
部の温度はそれほど降下しない。このため、熱応力に起
因する残留応力は従来値と比較して大幅な低減はされず
割損防止の方法としては効果が小さい。又、Ｄ法のミスト冷却後のエアー冷？ｉＩ′ｌ延長の場
合、ロール内温度差は大きくなり、基準温度Ｔ０（ここ
では６５０℃に設定）での温度差は他の条件と比較して
も最大となる。この結果、ロール温度がＳＲ開始時に到
達した時の残留応力は他の条件と比べて最大となり、割
損の危険性が高くなるため、エアー冷却の延長は避けな
ければならないことがわかる。次に、残留応力の線用方法について詳細に説明を加える
。スリーブロールを軸対称２次元で考える場合、熱伝導
方程式は次の（２）式で示され、境界条件は（３）式で
示される。ＤＣｐ　（ａＴ／２）ｊ）−λ（（１／ｒ）×（うＴ／
ａｒ　）＋　ｉ’　Ｔ／ａｒ　２　）＋　（ａ’　Ｔ／
＋ａｚ　２）　　　　　・−−−−−−・・（２）−λ
ｓ　（？ＪＴ／ａｒ　）−ｈ（Ｔａ　−Ｔｓｒ）〜λｓ
　（ａＴ／ａＺ　）−ｈ（Ｔａ−Ｔｓｚ）＋＋　（３）
ここで、ρは密度、ＣＰは比熱、λは熱伝導率、ｈは熱
伝達係数、■は温度、７ａは雰囲気温度、Ｔｓｒはロー
ル半径方向での表面温度、Ｔｓｚはロール軸方向での表
面温度である。従って、上記（２）式を差分化して計算し、（３）式の
境界条件のもとて解を求める。応力計算には熱弾性有限要素法を使用する。この時、全
歪（ε）は弾性歪（ａｅ）と熱歪（εＴ）の和で表わさ
れ、（４）式で示される。（ε）＝（ａｅ）＋（εＴ）　　・・・・・・・・・（
４）応力（σ）は弾性歪行列［０］を使って表ねすと（
５）式で示される。（σ）＝［ＤＪ（ａｅ）＝［ＤＪｉ　　ε　）−（ε　丁　）　ン　・・・　〈
　５　）ここで、軸対称２次元での

【ε１と（σ）は以
下のように表わされる。（ε）＝（εｒ、εｚ１εθ、γｒｚ）Ｔ（σ）１＝（
σｒ１σｌ、σθ、ｔｒｚ）−（８）今ここで、３角形
１次要素を採用すると、節点の変位Ｕ、Ｖが１次関数で
表現できる。次に、３角形の頂点（ｉ、ｊ、ｋ）の変化は行列表示す
ると（８）式で表わされる。＝（Ａ］→　（ｂ）　　　　　・・・・・・・・・（８
）そして、（８）式を轡き直して〈９）式が得られる。（ｂ　　］　＝　［Ａ］　　（ｔｉｅ）　　　　　　・
・・・・・・・・（９）変位と歪の関係式は（１０ン式
で示される。 −［Ｂ］［ｂ）　　　　・・・・・・・・・（１０）６
°、　（ａｅ）＝［Ｂ］　　［Ａ］　　（Ｌｌｅ］−（
１１）又、（５）式と（１１）式から次の（１２）式が
成立つ。（ａｅ）＝　［ＤＪ　　（［８］　　［Ａ］　　（ｌｌ
ｅ）−（εＴ））　　　　　・・・・・・・・・（１２
）今ここで、節点に仮想変位を与えると、外力［Ｐ）１
＝　（Ｐｒｉ、　Ｐｚｉ−−−Ｐｚｋ］の仮想仕事Ｗｏ
は（１３）式で示される。〜Ｖａ＝　（ｕ’ｅ）（Ｐ）　　　　”・・・・・・・
（１３）この時、応力と歪の内部仕事Ｗ＋は（１４）式
で示される。Ｗ　１−ｆｌＦ（ε”ｅ）（σｅ）　ｄｖ＝　ｆ？（Ｌ
ｌ”　ｅ）１″［Ａ］　ＣＢ］　［Ｄ］［ＢＪ［Ａ］ｄ
ｖ −ｆ　　（ＩＪ”ｅ）［、Ａ］　　［８］　　［０１（
ε７　）　ｄｖ　　　　　　　　　・・・・・・・・・
（１４）ここで、Ｗ　ｔｙ　−Ｗ　ｉとおくと、１つの
要素に対して次式が成立する。（Ｐｅ）＋（Ｐｔ　ｅｌ−［ｋｅｌ（Ｉｊ＠）・・・・
・・・・・（１５）但し、Ｉｋｅｌは要素の剛性ｍａｔｒｉｘで次式で示さ
れる。［ｋｅｌ　−、ｆｖ［Ａ］　　［ＢＪ　　［Ｄ］［ＢＪ
［Ａ］ｄｖ　　　・−・・・・−＜１６）又、（Ｐｔ　
）は熱荷）項で（１７）式で示される。［Ｐｔ　　）　　ｅ＝　　ｆ？［Ａ］　　［ＢＪ　　［
Ｄ　Ｊ　（ε　ｙ）ｄＶ・・・・・・・・・（１７）連続体全体については結局以下の式を解けばよい。（Ｐ）−１−（Ｐｔ　）−［Ｋｌ　　（ｕ　）・−・・
−＜１８＞但し、（Ｐ）＝Σ（Ｐ）　ｅ（Ｐ【）−Σ（ＰＬ　）　ｅ［Ｋｌ−Σ［ｋｅｌ従って、応力（σ）は求まった（Ｕ）を使って、上記（
１１）式、（１２）式より一求まる。以上述べたように、焼入れ時の熱応力に起因づる塑性変
形を論理的に求めるためには熱弾塑性有限要素法で考え
る必要がある。しかし、計算時間の短さや、近似ではあ
るがＮＡＳＴＲＡＮ等の構造解析モデルでも簡単に残留
応力を求められるといった利点から、次の残留応力近似
算出方法を提示する。即ち、ロールは７００℃〜５００
℃にかけて塑性域から弾性域に推移する（降伏応力σｙ
の温度依存性から）。ここで、熱応力を求める際に熱歪
（εＴ）と温度差ΔＴは（１９）式で関係づけられ、６
丁は（２０）式で示されろ。 ΔＴ＝Ｔ−Ｔｏ　　　　　　　　　・・・・・・・・・
（２０）但し、αはＰｉｉ膨張係数、（６丁）は熱歪、
王は湿度（分布）、Ｔｏは基準温度（分布）である。これと同様に残留応力を求める場合に、塑性域から弾性
域に移行しているある時点でのロールは残留応力が駕と
考え、この時の温度分１５Ｔｏを基゛準温度分布とし、
冷部後の温度分布Ｔとの差ΔＴが残留応力（塑性歪＝熱
歪に起因する）を発生させると考える。この時、基＊ｉ
度Ｔｏは６００℃〜６５０℃に設定すると実測値とよく
対応づ′る。従って、熱歪（６丁）を（１７）式に代入して（Ｐ［）
を求め１次いで（１８）式で変位Ｕ、ＷをＱ出してから
、（１１）式、（１２）式より応力【σ）を求めるもの
である。【実施例】以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。この実施例は、ロール１０を所定の焼入れ温度に加熱し
て焼入れ処理を行う０−ル１０の熱処理方法において、
前記焼入れ処理を行った後に、第５図及び第６図に示す
が如く、該ロール１０を外気から遮断する徐冷ボックス
２０に収納して徐冷することで行う。前記徐冷ボックス２０は、外径１３００ｎ、内径６５０
ｍ、長さ２００Ｏｎの寸法をもつロール１０に対し、幅
２００Ｏｎ、高さ２０００　＋ｎ、長さ３０００１ｍの
寸法で直方体に形成した鋼製の蓋２２付き箱体２４と、
該箱体２４の内側面に配設する、例えばカオウール等で
なる断熱材２６とで構成づる。なお、断熱材２６の厚さ
及び箱体２４の大きさ等は、対象とするロール１ｏｆｆ
ｉ前記（１）式で示ず冷却速度Ｓｃ　（℃／分）を０．
９　（℃／分）以下として徐冷されるよう決定する。この徐冷ボックス２０に収納する時期は、ロール外表面
１２が５００℃に到達した時で、又、徐冷ボックス２０
から取出づ時期は、ロール外表面１２が約４００　”Ｃ
になった時である。なお、ロール表面温度は、何れも図
示しない温度計により測定する。従って、この実施例では蓋２２付きの徐冷ボックス２０
にロール１０を収納して外気を遮断することで、ロール
１０内の温度分布を均一化しつつロール１０を冷加する
ことができる。その結果、焼入れ時に発生１°る表面と
内部との温度差を小さくし、発生熱応力を低減し、この
熱応力に起因する残留応力を減少させることで割損防止
が図れる。具体的には、過去において、月１本の割合で割損が生じ
ていたのが、本発明を実際の操業に導入したところ割損
が１本も生ぜず、かなりのコストダウンが図れたもので
ある。しかも、徐冷処理を行ったロール１０の表面硬度
は従来と変わりなく規Ｐ侑を満足づるものであり、品質
の低下もない。加えて、単にロール１０を徐冷ボックス２０内に装入す
るという簡単な操作で割損防止が図れるものであり、熱
処理プロセスの構成を簡素とできるし、従来の熱処理ラ
インにおいても容易に対応実施できる。なお、実施例においてはスリーブロールを対槃としたが
、本発明はこれに限定されるものではなく、中実ロール
に対しても実施可能であって有効なものとなる。（発明の効果］以上説明した通り、本発明によれば、従来の熱処理ライ
ンに変更を加えることなく構成簡素としてロールの割損
を防止でき、しかもロール品質の低下をきたすことがな
いばかりか、ロールの高硬度化を進めるべく焼入れ時の
冷却速度を上昇させた場合でも容易に対応できてロール
の高硬度化の可能性も開ける等の優れた効果が得られる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るロールの熱処理方法の医旨を示
づ流れ図、第２図は本発明方法による場合のロール内の
ａ高点温度推移を従来法による場合と比較して示すロー
ル冷部曲線図、第３図はスリーブロールの正面図、第４
図は同側面図、第５図は徐冷ボックスの断面図、第６図
は第５図におけるＸ−Ｘ線矢視図、＠７図はスリーブロ
ールの一般的な熱処理ヒートパターン図、第８図はミス
ト冷加終了時のロール断面の温度分布図、第９図は従来
法におけるスリーブロール外表面の温度推移線図である
。１０・・・ロール、２０・・・徐冷ボックス、２２・・・蓋、２４・・・箱体、２６・・・断熱材。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ロールを所定の焼入れ温度に加熱して焼入れ処理
を行うロールの熱処理方法において、前記焼入れ処理を
行った後にロール内の温度分布差を少なくするよう徐冷
することを特徴とするロールの熱処理方法。
（２）前記徐冷は、次工程の歪とり焼なまし開始時のロ
ール最高点温度をＴ＿Ｓ＿Ｒ（℃）、ロール内の残留応
力が零と仮定する基準温度をＴ＿０（℃）、焼入れ開始
から歪とり焼なまし開始までの時間をｔ＿Ｓ＿Ｒ（分）
、焼入れ開始からロールの最高点温度が前記基準温度Ｔ
＿０（℃）に到達するまでの時間をｔ＿０（分）とした
時、次式Ｓ＿Ｃ＝（Ｔ＿Ｓ＿Ｒ−Ｔ＿０）／（ｔ＿Ｓ＿Ｒ−ｔ＿
０）で定義される冷却速度Ｓ＿Ｃ（℃／分）を０．９以
下として行うようにした特許請求の範囲第１項記載のロ
ールの熱処理方法。
（３）前記徐冷を、ロールを外気から遮断するようにし
て収納する徐冷ボックスを用いて行うようにした特許請
求の範囲第１項記載のロールの熱処理方法。