JPWO2020110660A1 - 熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロール - Google Patents
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Abstract
従来と同等以上の耐摩耗性・耐疲労性を有し、且つ、ポロシティやザク巣を軽減させた、熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロールを提供すること。質量％で、Ｃ：１．６〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．６％、Ｃｒ：４．５〜７．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ｖ：４．０〜６．０％、Ｎｂ：０．５〜２．５％を含有し、且つ、ＮとＯの合計が１００〜４００質量ｐｐｍであり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する熱間圧延用ロール外層材。
Description
本発明は、熱間圧延用複合ロールに係り、とくに、鋼板の熱間圧延仕上げミル用として好適な熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロールに関する。
近年、鋼板の熱間圧延技術の進歩につれてロールの使用環境は苛酷化しており、また、高強度鋼板や薄肉品など圧延負荷の大きな鋼板の生産量も増加している。そのため、圧延用ワークロールに要求される品質レベルが高くなっており、偏析やポロシティ、ザク巣等の鋳造欠陥の無い、圧延用ワークロールが求められている。
このような圧延用ワークロールの外層材として、例えば、特許文献１には、Ｃ：１．５〜３．５％、Ｓｉ：１．５％以下、Ｍｎ：１．２％以下、Ｎｉ：５．５％以下、Ｃｒ：５．５〜１２．０％、Ｍｏ：２．０〜８．０％、Ｖ：３．０〜１０．０％、Ｎｂ：０．５〜７．０％を含み、かつ、ＮｂおよびＶを、Ｎｂ、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにＮｂとＶの比が特定の範囲内となるように含有する圧延用ロール外層材が提案されている。これにより、遠心力鋳造法を適用しても外層材における硬質炭化物の偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性に優れた圧延用ロール外層材となるとしている。
また、特許文献２には、Ｃ：１．５〜３．５％、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：０．５〜７．０％を含み、かつ、ＮｂおよびＶを、Ｎｂ、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにＮｂとＶの比が特定の範囲内となるように含有する圧延用ロール外層材が提案されている。これにより、遠心力鋳造法を適用しても外層材における硬質炭化物の偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性が向上し、熱間圧延の生産性向上に大きく貢献するとしている。
また、特許文献３には、Ｃ：１．５〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：５〜２５％、Ｍｏ：２〜１２％、Ｖ：３〜１０％、Ｎｂ：０．５〜５％を含み、かつ、ＭｏとＣｒ比が特定の範囲内となるように含有し、さらにロール半径方向に表面から３０ｍｍまでの領域で隣り合う極大値と極小値の差が平均値の２０％以下となる炭化物量分布を有する圧延用ロール外層材が提案されている。これにより、ラミネーション偏析が軽減することで偏析模様の発生が抑制され、表面品質に優れた圧延用ロール外層材となるとしている。
また、特許文献２には、Ｃ：１．５〜３．５％、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：０．５〜７．０％を含み、かつ、ＮｂおよびＶを、Ｎｂ、ＶおよびＣの含有量が特定の関係を満足し、さらにＮｂとＶの比が特定の範囲内となるように含有する圧延用ロール外層材が提案されている。これにより、遠心力鋳造法を適用しても外層材における硬質炭化物の偏析が抑制され、耐摩耗性と耐クラック性が向上し、熱間圧延の生産性向上に大きく貢献するとしている。
また、特許文献３には、Ｃ：１．５〜３．５％、Ｓｉ：０．１〜２．０％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｃｒ：５〜２５％、Ｍｏ：２〜１２％、Ｖ：３〜１０％、Ｎｂ：０．５〜５％を含み、かつ、ＭｏとＣｒ比が特定の範囲内となるように含有し、さらにロール半径方向に表面から３０ｍｍまでの領域で隣り合う極大値と極小値の差が平均値の２０％以下となる炭化物量分布を有する圧延用ロール外層材が提案されている。これにより、ラミネーション偏析が軽減することで偏析模様の発生が抑制され、表面品質に優れた圧延用ロール外層材となるとしている。
前述した特許文献に記載されているように、化学成分を適切な範囲にすることで、炭化物偏析を低減した圧延用ロール外層材は提案されているが、ポロシティやザク巣に対する有効な対策については、明確になっていないのが現状である。また、近年の苛酷なロール使用環境において、上記特許文献に記載されているようなＣｒ含有量が多い圧延用ロール外層材では、熱間転動疲労による深いクラックがロール表面に形成される場合がある。そのため、ポロシティやザク巣を低減し、かつ、耐疲労性に優れた圧延用ロール外層材が求められている。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、従来と同等以上の耐摩耗性・耐疲労性を有し、且つ、ポロシティやザク巣を軽減させた、熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロールを提供することを目的とする。
なお、本発明で、上記のように従来と同等以上の耐摩耗性を有するとは、以下の方法により測定される摩耗比が０．９７以上である場合を指す。
＜１＞ロール外層材から採取した摩耗試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ、面取り有）と相手材との２円盤すべり転動方式（図３参照）により、摩耗試験片５を冷却水で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させる。
＜２＞回転する摩耗試験片５に、高周波誘導加熱コイル７で８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ、Ｃ１面取り）８を荷重９８０Ｎで接触させながら、すべり率：９％で転動させる。
＜３＞５０分毎に相手片８を新品に交換する３００分間の摩耗試験を実施し、従来例（後述の表１のＮｏ．３５（質量％で、Ｃ：２．０％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：０．５％、Ｃｒ：６．０％、Ｍｏ：５．０％、Ｖ：７．０％、Ｎｂ：０．４％を含有し、且つ、ＮとＯの合計が４３０質量ｐｐｍであり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するロール外層材））を基準とし、基準値に対する各試験片の摩耗量の比（摩耗比（＝（基準片の摩耗量）／（各試験片の摩耗量））を測定し、摩耗比を得る。
＜１＞ロール外層材から採取した摩耗試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ、面取り有）と相手材との２円盤すべり転動方式（図３参照）により、摩耗試験片５を冷却水で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させる。
＜２＞回転する摩耗試験片５に、高周波誘導加熱コイル７で８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ、Ｃ１面取り）８を荷重９８０Ｎで接触させながら、すべり率：９％で転動させる。
＜３＞５０分毎に相手片８を新品に交換する３００分間の摩耗試験を実施し、従来例（後述の表１のＮｏ．３５（質量％で、Ｃ：２．０％、Ｓｉ：０．５％、Ｍｎ：０．５％、Ｃｒ：６．０％、Ｍｏ：５．０％、Ｖ：７．０％、Ｎｂ：０．４％を含有し、且つ、ＮとＯの合計が４３０質量ｐｐｍであり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有するロール外層材））を基準とし、基準値に対する各試験片の摩耗量の比（摩耗比（＝（基準片の摩耗量）／（各試験片の摩耗量））を測定し、摩耗比を得る。
また、本発明で、上記のように従来と同等以上の耐疲労性を有するとは、以下の方法により測定される熱延疲労寿命が３５０千回（３５００００回）を超える場合を指す。
＜１＞ロール外層材から採取した熱延疲労試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ）に対し、ノッチ（深さｔ：１．２ｍｍ、周方向長さＬ：０．８ｍｍ）を外周面の２箇所に、０．２ｍｍφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入する（図６参照）。
＜２＞熱延疲労試験片５の転動面の端部に１．２Ｃの面取りを施す。
＜３＞ノッチを有する熱延疲労試験片５と加熱された相手材８との２円盤の転がりすべり方式により、熱延疲労試験片５を冷却水６で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させる。
＜４＞回転する試験片５に、高周波誘導加熱コイル７により８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ）８を荷重９８０Ｎで押し当てながら、すべり率：９％で転動させる。
＜５＞熱延疲労試験片５に導入した２つのノッチ９が折損するまで転動させ、各ノッチ９が折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を測定し、熱延疲労寿命とする。
＜１＞ロール外層材から採取した熱延疲労試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ）に対し、ノッチ（深さｔ：１．２ｍｍ、周方向長さＬ：０．８ｍｍ）を外周面の２箇所に、０．２ｍｍφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入する（図６参照）。
＜２＞熱延疲労試験片５の転動面の端部に１．２Ｃの面取りを施す。
＜３＞ノッチを有する熱延疲労試験片５と加熱された相手材８との２円盤の転がりすべり方式により、熱延疲労試験片５を冷却水６で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させる。
＜４＞回転する試験片５に、高周波誘導加熱コイル７により８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ）８を荷重９８０Ｎで押し当てながら、すべり率：９％で転動させる。
＜５＞熱延疲労試験片５に導入した２つのノッチ９が折損するまで転動させ、各ノッチ９が折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を測定し、熱延疲労寿命とする。
また、本発明で、上記のようにポロシティやザク巣を軽減させたとは、ロール外層材の表面に対し、凹凸やスケール（酸化物層）を研削で除去した後、最大管電圧２２５ｋＶ、管電圧１５０ｋＶ、管電流８０μＡでＸ線ＣＴ測定を行い、撮影されるポロシティまたはザク巣に外接する円の直径が０．５０ｍｍ以下である場合を指す。
本発明者らは、熱間圧延用ロール内部のポロシティやザク巣と化学成分の関係を詳細に調査した。その結果、ポロシティやザク巣は共晶炭化物（主としてＭ２Ｃ系、Ｍ６Ｃ系、Ｍ７Ｃ３系およびＭ２３Ｃ６系炭化物）の近傍に存在し、ポロシティやザク巣の発生はＮやＯ、Ａｌ、共晶炭化物の量と関係があることを明らかにした。すなわち、ロール外層材のＮやＯ、Ａｌ、共晶炭化物の量を特定の範囲内に調整することで、ポロシティやザク巣の無い、熱間圧延用のロール外層材が得られるという、従来にない知見を得た。
まず、本研究の基礎となった実験結果について説明する。質量％で、Ｃ：２．２％、Ｓｉ：０．７％、Ｍｎ：０．６％、Ｃｒ：７．０％、Ｍｏ：１．０％、Ｖ：４．０％、Ｎｂ：１．５％、Ｐ：０．０１９％、Ａｌ：０．０１〜０．５％、Ｎ＋Ｏ：１００〜６００質量ｐｐｍの範囲で変化させ、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成の溶湯を、高周波誘導炉で溶解し、ロール外層材に相当するリング状ロール材（外径：２５０ｍｍφ、幅：６５ｍｍ、肉厚：５５ｍｍ）を遠心鋳造法により鋳造した。なお、鋳込み温度は１５００℃とし、遠心力はリング状ロール材の外周部が重力倍数で１５０Ｇとなるようにした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施した。焼入れ処理は、加熱温度：１０３０℃に加熱し、空冷する処理とした。また、焼戻処理は、温度：５００℃で、残留オーステナイト量が体積％で１０％未満になるように、成分によって２または３回実施した。
得られたリング状ロール材の表面の凹凸やスケール（酸化物層）を研削で除去した後、Ｘ線ＣＴ測定用試験片（２０×２０×５０ｍｍ）を３本採取してＸ線ＣＴ測定を行い、ポロシティおよびザク巣の有無を調査した。Ｘ線ＣＴ測定用試験片２を、図１のように、リング状試験材１の幅中央から１２０°間隔で３本採取した。図２はＸ線ＣＴ測定で確認された、試験片内のザク巣３の一例である。Ｘ線ＣＴで試験片の長手方向に０．５ｍｍ間隔で透過像を１００枚撮影し、各透過像に確認される個々のポロシティまたはザク巣に外接する円４の直径を測定して、各試験片の外接円４の直径の最大値が０．５０ｍｍを超える場合を欠陥有りとし、０．５０ｍｍ以下の場合を欠陥無しとした。
得られた結果について、ポロシティまたはザク巣と外接する円の直径とＮとＯの含有量の合計（Ｎ＋Ｏ）との関係を図４、Ａｌ量と耐摩耗性の関係を図５に示す。
図４から、Ｎ＋Ｏが４００質量ｐｐｍ以下になると、外接円の直径が０．５０ｍｍ以下になることが分かり、これは品質上問題にならない大きさである。
ポロシティは、溶湯中に含まれるＮやＯが凝固から室温まで冷却される過程でガスとして生成したものであり、Ｎ量およびＯ量を低減することで、ポロシティの大きさを低減することが可能である。従って、ここでいうＮ量およびＯ量には、鋼中に介在物（窒化物および酸化物）として存在するＮおよびＯは含まず、基地に固溶しているＮおよびＯである。
ザク巣は収縮巣であり、共晶炭化物の量を適切な範囲にすることで、ザク巣の大きさを低減することが可能である。
また、図５から、Ａｌ量が本発明の範囲では、特に優れた耐摩耗性を示すことが分かる。粗大なポロシティやザク巣が存在すると、圧延中にその周囲が欠けるように脱落するため、耐摩耗性が低下する。
そのため、耐摩耗性の向上にはＮ＋Ｏや共晶炭化物量を適切な範囲に調整して、ポロシティやザク巣のサイズを低減することが必要である。ＮやＯは原料に予め含有されているものや、原料溶解中に大気と接触して混入するため、使用する原料や溶解中に大気と触れないように不活性ガス（Ａｒ等）で表面を覆うことでＮ＋Ｏを調整することが可能であるが、ＮやＯはＡｌと結びつき、窒化物や酸化物を形成し易く、Ａｌ含有量によっても調整することが可能である。また、共晶炭化物量は、共晶炭化物を構成するＭｏ、Ｃｒ、Ｃの含有量によって調整することが可能である。
図４から、Ｎ＋Ｏが４００質量ｐｐｍ以下になると、外接円の直径が０．５０ｍｍ以下になることが分かり、これは品質上問題にならない大きさである。
ポロシティは、溶湯中に含まれるＮやＯが凝固から室温まで冷却される過程でガスとして生成したものであり、Ｎ量およびＯ量を低減することで、ポロシティの大きさを低減することが可能である。従って、ここでいうＮ量およびＯ量には、鋼中に介在物（窒化物および酸化物）として存在するＮおよびＯは含まず、基地に固溶しているＮおよびＯである。
ザク巣は収縮巣であり、共晶炭化物の量を適切な範囲にすることで、ザク巣の大きさを低減することが可能である。
また、図５から、Ａｌ量が本発明の範囲では、特に優れた耐摩耗性を示すことが分かる。粗大なポロシティやザク巣が存在すると、圧延中にその周囲が欠けるように脱落するため、耐摩耗性が低下する。
そのため、耐摩耗性の向上にはＮ＋Ｏや共晶炭化物量を適切な範囲に調整して、ポロシティやザク巣のサイズを低減することが必要である。ＮやＯは原料に予め含有されているものや、原料溶解中に大気と接触して混入するため、使用する原料や溶解中に大気と触れないように不活性ガス（Ａｒ等）で表面を覆うことでＮ＋Ｏを調整することが可能であるが、ＮやＯはＡｌと結びつき、窒化物や酸化物を形成し易く、Ａｌ含有量によっても調整することが可能である。また、共晶炭化物量は、共晶炭化物を構成するＭｏ、Ｃｒ、Ｃの含有量によって調整することが可能である。
本発明は上記の知見に基づき完成されたものであり、その要旨は次のとおりである。
［１］質量％で、Ｃ：１．６〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．６％、Ｃｒ：４．５〜７．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ｖ：４．０〜６．０％、Ｎｂ：０．５〜２．５％を含有し、且つ、ＮとＯの合計が１００〜４００質量ｐｐｍであり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する熱間圧延用ロール外層材。
［２］更に、質量％で、Ａｌ：０．０１〜０．３０％を含有する上記［１］に記載の熱間圧延用ロール外層材。
［３］更に、質量％で、Ｐ：０．０１０〜０．０４０％を含有する上記［１］または［２］に記載の熱間圧延用ロール外層材。
［４］Ｃ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂの含有量が下記（１）式および（２）式を満足する上記［１］ないし［３］のいずれかに記載の熱間圧延用ロール外層材。
１．６０≦（％Ｖ＋％Ｎｂ）／％Ｍｏ≦３．５・・・（１）式
９．００≦％Ｖ＋０．５×％Ｎｂ＋２．１×％Ｃ≦１１．０・・・（２）式
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｍｏは、各元素の含有量（質量％）である。
［５］外層、中間層および内層の３層構造または外層および内層の２層構造を有する熱間圧延用複合ロールにおいて、前記外層が上記［１］ないし［４］のいずれかに記載の熱間圧延用ロール外層材を有することを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
［１］質量％で、Ｃ：１．６〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．６％、Ｃｒ：４．５〜７．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ｖ：４．０〜６．０％、Ｎｂ：０．５〜２．５％を含有し、且つ、ＮとＯの合計が１００〜４００質量ｐｐｍであり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する熱間圧延用ロール外層材。
［２］更に、質量％で、Ａｌ：０．０１〜０．３０％を含有する上記［１］に記載の熱間圧延用ロール外層材。
［３］更に、質量％で、Ｐ：０．０１０〜０．０４０％を含有する上記［１］または［２］に記載の熱間圧延用ロール外層材。
［４］Ｃ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂの含有量が下記（１）式および（２）式を満足する上記［１］ないし［３］のいずれかに記載の熱間圧延用ロール外層材。
１．６０≦（％Ｖ＋％Ｎｂ）／％Ｍｏ≦３．５・・・（１）式
９．００≦％Ｖ＋０．５×％Ｎｂ＋２．１×％Ｃ≦１１．０・・・（２）式
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｍｏは、各元素の含有量（質量％）である。
［５］外層、中間層および内層の３層構造または外層および内層の２層構造を有する熱間圧延用複合ロールにおいて、前記外層が上記［１］ないし［４］のいずれかに記載の熱間圧延用ロール外層材を有することを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
本発明によれば、ポロシティやザク巣の発生が軽減され、耐摩耗性及び耐疲労性に優れた熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロールを製造することが可能となる。その結果、被圧延材の表面品質の向上およびロール寿命の向上を達成できるという効果もある。
本発明のロール外層材は、公知の遠心鋳造法あるいは連続鋳掛け肉盛法等の鋳造法により製造され、そのままリングロール、スリーブロールとすることもできるが、熱間仕上げ圧延用として好適な、熱間圧延用複合ロールの外層材として適用される。また、本発明の熱間圧延用複合ロールは、外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる。なお、外層と内層との間に中間層を配してもよい。すなわち、外層と溶着一体化した内層に代えて、外層と溶着一体化した中間層および該中間層と溶着一体化した内層としてもよい。
本発明の熱間圧延用ロール外層材は、質量％で、Ｃ：１．６〜２．５％、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｎ：０．２〜１．６％、Ｃｒ：４．５〜７．０％、Ｍｏ：１．０〜５．０％、Ｖ：４．０〜６．０％、Ｎｂ：０．５〜２．５％を含有し、且つ、ＮとＯの合計が１００〜４００質量ｐｐｍであり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する。
まず、本発明の熱間圧延用ロール外層材の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は、とくに断らない限り、単に％と記し、質量ｐｐｍは、特に断らない限り、単にｐｐｍと記す。
まず、本発明の熱間圧延用ロール外層材の組成限定理由について説明する。なお、以下、質量％は、とくに断らない限り、単に％と記し、質量ｐｐｍは、特に断らない限り、単にｐｐｍと記す。
Ｃ：１．６〜２．５％
Ｃは、固溶して基地硬さを増加させるとともに、炭化物形成元素と結合し硬質炭化物を形成し、ロール外層材の耐摩耗性を向上させる作用を有する。Ｃ含有量が１．６％未満では、炭化物量が不足するため、耐摩耗性が低下する。また、共晶凝固量が少なくなり、ザク巣が発生する。一方、２．５％を超えるＣの含有は、炭化物の粗大化や共晶炭化物量を過度に増加させ、ロール外層材を硬質、脆化させて、疲労亀裂の発生・成長を促進し、耐疲労性を低下させる。このため、Ｃ含有量は１．６〜２．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｃ含有量は１．７％以上である。また、好ましくは、Ｃ含有量は２．４％以下である。
Ｃは、固溶して基地硬さを増加させるとともに、炭化物形成元素と結合し硬質炭化物を形成し、ロール外層材の耐摩耗性を向上させる作用を有する。Ｃ含有量が１．６％未満では、炭化物量が不足するため、耐摩耗性が低下する。また、共晶凝固量が少なくなり、ザク巣が発生する。一方、２．５％を超えるＣの含有は、炭化物の粗大化や共晶炭化物量を過度に増加させ、ロール外層材を硬質、脆化させて、疲労亀裂の発生・成長を促進し、耐疲労性を低下させる。このため、Ｃ含有量は１．６〜２．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｃ含有量は１．７％以上である。また、好ましくは、Ｃ含有量は２．４％以下である。
Ｓｉ：０．２〜１．５％
Ｓｉは、脱酸剤として作用するとともに、溶湯の鋳造性を向上させる元素である。また、Ｓｉは基地中に固溶して、基地を強化する作用がある。このような効果を得るためには、０．２％以上のＳｉの含有を必要とし、Ｓｉの含有量が０．２％未満では、基地の強化作用が少なく、耐摩耗性が低下する。一方、１．５％を超えてＳｉを含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり経済的に不利となり、さらには、基地組織が脆化し、耐疲労性を低下させる場合もある。このため、Ｓｉ含有量は０．２〜１．５％に限定する。なお、好ましくは、Ｓｉ含有量は０．３％以上である。また、好ましくは、Ｓｉ含有量は１．３％以下である。
Ｓｉは、脱酸剤として作用するとともに、溶湯の鋳造性を向上させる元素である。また、Ｓｉは基地中に固溶して、基地を強化する作用がある。このような効果を得るためには、０．２％以上のＳｉの含有を必要とし、Ｓｉの含有量が０．２％未満では、基地の強化作用が少なく、耐摩耗性が低下する。一方、１．５％を超えてＳｉを含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり経済的に不利となり、さらには、基地組織が脆化し、耐疲労性を低下させる場合もある。このため、Ｓｉ含有量は０．２〜１．５％に限定する。なお、好ましくは、Ｓｉ含有量は０．３％以上である。また、好ましくは、Ｓｉ含有量は１．３％以下である。
Ｍｎ：０．２〜１．６％
Ｍｎは、ＳをＭｎＳとして固定し、Ｓを無害化する作用を有するとともに、一部は基地組織に固溶し、焼入れ性を向上させる効果を有する元素である。また、Ｍｎは基地中に固溶して、基地を強化（固溶強化）する作用がある。このような効果を得るためには、０．２％以上のＭｎの含有を必要とし、Ｍｎの含有量が０．２％未満では、基地の強化作用が少なく、耐摩耗性が低下する。一方、１．６％を超えてＭｎを含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり、さらには材質が脆化して、耐疲労性が低下する場合もある。このため、Ｍｎ含有量は０．２〜１．６％に限定する。なお、好ましくは、Ｍｎ含有量は０．３％以上である。また、好ましくは、Ｍｎ含有量は１．４％以下である。
Ｍｎは、ＳをＭｎＳとして固定し、Ｓを無害化する作用を有するとともに、一部は基地組織に固溶し、焼入れ性を向上させる効果を有する元素である。また、Ｍｎは基地中に固溶して、基地を強化（固溶強化）する作用がある。このような効果を得るためには、０．２％以上のＭｎの含有を必要とし、Ｍｎの含有量が０．２％未満では、基地の強化作用が少なく、耐摩耗性が低下する。一方、１．６％を超えてＭｎを含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり、さらには材質が脆化して、耐疲労性が低下する場合もある。このため、Ｍｎ含有量は０．２〜１．６％に限定する。なお、好ましくは、Ｍｎ含有量は０．３％以上である。また、好ましくは、Ｍｎ含有量は１．４％以下である。
Ｃｒ：４．５〜７．０％
Ｃｒは、Ｃと結合して主に共晶炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、圧延時に鋼板との摩擦力を低減し、ロールの表面損傷を軽減させ、圧延を安定化させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには４．５％以上のＣｒの含有を必要とする。また、Ｃｒの含有量が４．５％よりも少なくなると、共晶炭化物量が少なくなり、耐摩耗性が低下する。一方、７．０％を超えるＣｒの含有は、粗大な共晶炭化物が増加するため、耐疲労性を低下させる。このため、Ｃｒ含有量が４．５〜７．０％の範囲では、耐疲労性に優れた圧延用ロール外層材が得られる。なお、好ましくは、Ｃｒ含有量は４．７％以上である。また、好ましくは、Ｃｒ含有量は６．５％以下である。
Ｃｒは、Ｃと結合して主に共晶炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、圧延時に鋼板との摩擦力を低減し、ロールの表面損傷を軽減させ、圧延を安定化させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには４．５％以上のＣｒの含有を必要とする。また、Ｃｒの含有量が４．５％よりも少なくなると、共晶炭化物量が少なくなり、耐摩耗性が低下する。一方、７．０％を超えるＣｒの含有は、粗大な共晶炭化物が増加するため、耐疲労性を低下させる。このため、Ｃｒ含有量が４．５〜７．０％の範囲では、耐疲労性に優れた圧延用ロール外層材が得られる。なお、好ましくは、Ｃｒ含有量は４．７％以上である。また、好ましくは、Ｃｒ含有量は６．５％以下である。
Ｍｏ：１．０〜５．０％
Ｍｏは、Ｃと結合して硬質な炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。また、Ｍｏは、Ｖ、ＮｂとＣが結合した硬質なＭＣ型炭化物中に固溶して、炭化物を強化するとともに、共晶炭化物中にも固溶し、それら炭化物の破壊抵抗を増加させる。このような作用を介してＭｏは、ロール外層材の耐摩耗性、耐疲労性を向上させる。このような効果を得るためには、１．０％以上のＭｏの含有を必要とする。一方、５．０％を超えるＭｏの含有は、Ｍｏ主体の硬脆な炭化物が生成し、耐熱間転動疲労性を低下させ、耐疲労性を低下させる。このため、Ｍｏ含有量は１．０〜５．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｍｏ含有量は１．２％以上である。また、好ましくは、Ｍｏ含有量は４．９％以下である。
Ｍｏは、Ｃと結合して硬質な炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる元素である。また、Ｍｏは、Ｖ、ＮｂとＣが結合した硬質なＭＣ型炭化物中に固溶して、炭化物を強化するとともに、共晶炭化物中にも固溶し、それら炭化物の破壊抵抗を増加させる。このような作用を介してＭｏは、ロール外層材の耐摩耗性、耐疲労性を向上させる。このような効果を得るためには、１．０％以上のＭｏの含有を必要とする。一方、５．０％を超えるＭｏの含有は、Ｍｏ主体の硬脆な炭化物が生成し、耐熱間転動疲労性を低下させ、耐疲労性を低下させる。このため、Ｍｏ含有量は１．０〜５．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｍｏ含有量は１．２％以上である。また、好ましくは、Ｍｏ含有量は４．９％以下である。
Ｖ：４．０〜６．０％
Ｖは、ロールとしての耐摩耗性と耐疲労性とを兼備させるために、本発明において重要な元素である。Ｖは、極めて硬質な炭化物（ＭＣ型炭化物）を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、共晶炭化物を分断、分散晶出させることに有効に作用し、耐熱間転動疲労性を向上させ、ロール外層材としての耐疲労性を顕著に向上させる元素である。このような効果は、４．０％以上のＶの含有で顕著となる。一方、６．０％を超えるＶの含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させるため、圧延用ロールの諸特性を不安定にする。このため、Ｖ含有量は４．０〜６．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｖ含有量は４．３％以上である。また、好ましくは、Ｖ含有量は５．９％以下である。
Ｖは、ロールとしての耐摩耗性と耐疲労性とを兼備させるために、本発明において重要な元素である。Ｖは、極めて硬質な炭化物（ＭＣ型炭化物）を形成し、耐摩耗性を向上させるとともに、共晶炭化物を分断、分散晶出させることに有効に作用し、耐熱間転動疲労性を向上させ、ロール外層材としての耐疲労性を顕著に向上させる元素である。このような効果は、４．０％以上のＶの含有で顕著となる。一方、６．０％を超えるＶの含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させるため、圧延用ロールの諸特性を不安定にする。このため、Ｖ含有量は４．０〜６．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｖ含有量は４．３％以上である。また、好ましくは、Ｖ含有量は５．９％以下である。
Ｎｂ：０．５〜２．５％
Ｎｂは、ＭＣ型炭化物に固溶してＭＣ型炭化物を強化し、ＭＣ型炭化物の破壊抵抗を増加させる作用を介し、耐摩耗性、とくに耐疲労性を向上させる。ＮｂとＭｏとがともに、炭化物中に固溶されることにより、耐摩耗性とさらには耐疲労性の向上が顕著となる。また、Ｎｂは、共晶炭化物の分断を促進させ、共晶炭化物の破壊を抑制する作用を有し、ロール外層材の耐疲労性を向上させる元素である。また、ＮｂはＭＣ型炭化物の遠心鋳造時の偏析を抑制する作用を併せ有する。このような効果は、０．５％以上のＮｂの含有で顕著となる。一方、Ｎｂ含有量が２．５％を超えると、溶湯中でのＭＣ型炭化物の成長が促進され、耐熱間転動疲労性を悪化させる。このため、Ｎｂ含有量は０．５〜２．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｎｂ含有量は０．８％以上である。また、好ましくは、Ｎｂ含有量は２．０％以下である。
Ｎｂは、ＭＣ型炭化物に固溶してＭＣ型炭化物を強化し、ＭＣ型炭化物の破壊抵抗を増加させる作用を介し、耐摩耗性、とくに耐疲労性を向上させる。ＮｂとＭｏとがともに、炭化物中に固溶されることにより、耐摩耗性とさらには耐疲労性の向上が顕著となる。また、Ｎｂは、共晶炭化物の分断を促進させ、共晶炭化物の破壊を抑制する作用を有し、ロール外層材の耐疲労性を向上させる元素である。また、ＮｂはＭＣ型炭化物の遠心鋳造時の偏析を抑制する作用を併せ有する。このような効果は、０．５％以上のＮｂの含有で顕著となる。一方、Ｎｂ含有量が２．５％を超えると、溶湯中でのＭＣ型炭化物の成長が促進され、耐熱間転動疲労性を悪化させる。このため、Ｎｂ含有量は０．５〜２．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｎｂ含有量は０．８％以上である。また、好ましくは、Ｎｂ含有量は２．０％以下である。
Ｎ＋Ｏ：１００〜４００質量ｐｐｍ
ＮとＯは、原料中の窒素や酸素および大気中に存在する窒素や酸素が吸収されることで溶湯に混入する。そのため、原料中の窒素量・酸素量を低減する、原料の溶解中に大気と遮断する（アルゴンガス等の不活性ガスで溶湯表面を覆い、空気と遮断する等）、溶湯を遠心鋳造法あるいは連続鋳掛け肉盛法等の鋳造法で鋳造する際に、空気の巻き込みを少なくすること等で、溶湯中のＮとＯの量を調整することが可能である。ＮとＯの含有量の合計（Ｎ＋Ｏ）を４００質量ｐｐｍ以下にすることで、ポロシティを低減することが可能である。一方、ＮとＯの含有量の合計を１００質量ｐｐｍ未満にすることは経済上不利であり、また、ＮとＯの含有量の合計が１００質量ｐｐｍ未満になると耐疲労性が低下する場合がある。そのため、Ｎ＋Ｏは１００〜４００質量ｐｐｍの範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｎ＋Ｏは１２０質量ｐｐｍ以上であり、より好ましくは１５０質量ｐｐｍ以上である。また、好ましくは、Ｎ＋Ｏは３７０質量ｐｐｍ以下であり、より好ましくは３５０質量ｐｐｍ以下である。
ＮとＯは、原料中の窒素や酸素および大気中に存在する窒素や酸素が吸収されることで溶湯に混入する。そのため、原料中の窒素量・酸素量を低減する、原料の溶解中に大気と遮断する（アルゴンガス等の不活性ガスで溶湯表面を覆い、空気と遮断する等）、溶湯を遠心鋳造法あるいは連続鋳掛け肉盛法等の鋳造法で鋳造する際に、空気の巻き込みを少なくすること等で、溶湯中のＮとＯの量を調整することが可能である。ＮとＯの含有量の合計（Ｎ＋Ｏ）を４００質量ｐｐｍ以下にすることで、ポロシティを低減することが可能である。一方、ＮとＯの含有量の合計を１００質量ｐｐｍ未満にすることは経済上不利であり、また、ＮとＯの含有量の合計が１００質量ｐｐｍ未満になると耐疲労性が低下する場合がある。そのため、Ｎ＋Ｏは１００〜４００質量ｐｐｍの範囲に限定する。なお、好ましくは、Ｎ＋Ｏは１２０質量ｐｐｍ以上であり、より好ましくは１５０質量ｐｐｍ以上である。また、好ましくは、Ｎ＋Ｏは３７０質量ｐｐｍ以下であり、より好ましくは３５０質量ｐｐｍ以下である。
残部Ｆｅおよび不可避的不純物
本発明では、上記した組成以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、ＳやＮｉ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ等が挙げられる。これらは、原料や溶解中に耐火物等から混入する。これらの不可避的不純物は、Ｓ：０．０５％以下、Ｎｉ：０．１５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｂ：０．００８％以下であることが好ましく、これらの不可避的不純物の合計量が０．５％以下であれば耐摩耗性や耐熱疲労性に悪影響を及ぼさないため、合計量は０．５％以下であれば良い。なお、より好ましくは、合計量は０．４％以下である。また、不可避的不純物としてＡｌとＰが混入することもある。これらの含有量は、Ａｌ：０．０１％未満、Ｐ：０．０１０％未満である。
本発明では、上記した組成以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。不可避的不純物としては、ＳやＮｉ、Ｃｕ、Ｃａ、Ｓｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｂ等が挙げられる。これらは、原料や溶解中に耐火物等から混入する。これらの不可避的不純物は、Ｓ：０．０５％以下、Ｎｉ：０．１５％以下、Ｃｕ：０．２０％以下、Ｃａ：０．０１％以下、Ｓｂ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｚｒ：０．０５％以下、Ｂ：０．００８％以下であることが好ましく、これらの不可避的不純物の合計量が０．５％以下であれば耐摩耗性や耐熱疲労性に悪影響を及ぼさないため、合計量は０．５％以下であれば良い。なお、より好ましくは、合計量は０．４％以下である。また、不可避的不純物としてＡｌとＰが混入することもある。これらの含有量は、Ａｌ：０．０１％未満、Ｐ：０．０１０％未満である。
また、本発明では、上記した組成の他に、Ａｌ：０．０１〜０．３０％および／またはＰ：０．０１０〜０．０４０％を含有してもよい。
Ａｌ：０．０１〜０．３０％
Ａｌは、溶湯中の窒素および酸素と結合し、酸化物や窒化物を形成する元素であり、ポロシティやザク巣の形成を抑制する元素である。このような効果を得るためには、Ａｌを０．０１％以上含有することが好ましい。一方、０．３０％を超えてＡｌを含有すると、酸化物または窒化物が多量に形成され、熱間転動疲労性を悪化させる場合がある。そのため、Ａｌを含有する場合には、好ましいＡｌ含有量の範囲は０．０１〜０．３０％である。なお、より好ましくは、Ａｌ含有量は０．０２％以上である。また、より好ましくは、Ａｌ含有量は０．２５％以下である。
Ａｌは、溶湯中の窒素および酸素と結合し、酸化物や窒化物を形成する元素であり、ポロシティやザク巣の形成を抑制する元素である。このような効果を得るためには、Ａｌを０．０１％以上含有することが好ましい。一方、０．３０％を超えてＡｌを含有すると、酸化物または窒化物が多量に形成され、熱間転動疲労性を悪化させる場合がある。そのため、Ａｌを含有する場合には、好ましいＡｌ含有量の範囲は０．０１〜０．３０％である。なお、より好ましくは、Ａｌ含有量は０．０２％以上である。また、より好ましくは、Ａｌ含有量は０．２５％以下である。
Ｐ：０．０１０〜０．０４０％
Ｐは、製造過程で原料等から不可避的に混入し、機械的性質の劣化を招くと考えられてきたが、発明者らの鋭意検討の結果、少量のＰの含有は硬さや引張強度・圧縮強度を向上させる効果があることを明らかにした。Ｐによる高強度（高硬度）作用は、Ｐが基地組織に固溶することによる固溶強化であると考えている。Ｐ含有量が０．０１０〜０．０４０％であれば、基地組織の高強度化による耐摩耗性向上の効果が得られるが、０．０４０％を超えるＰの含有は、機械的性質の劣化を招く場合がある。そのため、Ｐを含有する場合には、Ｐ含有量は０．０１０〜０．０４０％の範囲であることが好ましい。なお、より好ましくは、Ｐ含有量は０．０１２％以上である。また、好ましくは、Ｐ含有量は０．０３５％以下である。
Ｐは、製造過程で原料等から不可避的に混入し、機械的性質の劣化を招くと考えられてきたが、発明者らの鋭意検討の結果、少量のＰの含有は硬さや引張強度・圧縮強度を向上させる効果があることを明らかにした。Ｐによる高強度（高硬度）作用は、Ｐが基地組織に固溶することによる固溶強化であると考えている。Ｐ含有量が０．０１０〜０．０４０％であれば、基地組織の高強度化による耐摩耗性向上の効果が得られるが、０．０４０％を超えるＰの含有は、機械的性質の劣化を招く場合がある。そのため、Ｐを含有する場合には、Ｐ含有量は０．０１０〜０．０４０％の範囲であることが好ましい。なお、より好ましくは、Ｐ含有量は０．０１２％以上である。また、好ましくは、Ｐ含有量は０．０３５％以下である。
また、本発明では、Ｃ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏの含有量が下記（１）式および（２）式を満足することが好ましい。
１．６０≦（％Ｖ＋％Ｎｂ）／％Ｍｏ≦３．５・・・（１）式
９．００≦％Ｖ＋０．５×％Ｎｂ＋２．１×％Ｃ≦１１．０・・・（２）式
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｍｏは、各元素の含有量（質量％）である。Ｖ、ＮｂおよびＭｏの含有量が（１）式の範囲内では、ＭＣ型炭化物中にＭｏが固溶して固溶強化され、耐摩耗性が向上する。また、Ｖ、ＮｂおよびＣの含有量が（２）式の範囲内では、炭化物偏析が抑制され、耐摩耗性、耐疲労性が向上する。耐摩耗性、耐疲労性が向上するのは、Ｖ、ＮｂおよびＣの含有量が（２）式の範囲を満足することで、溶湯が凝固する時の組織形成過程が変化することが原因と考えられる。
１．６０≦（％Ｖ＋％Ｎｂ）／％Ｍｏ≦３．５・・・（１）式
９．００≦％Ｖ＋０．５×％Ｎｂ＋２．１×％Ｃ≦１１．０・・・（２）式
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｍｏは、各元素の含有量（質量％）である。Ｖ、ＮｂおよびＭｏの含有量が（１）式の範囲内では、ＭＣ型炭化物中にＭｏが固溶して固溶強化され、耐摩耗性が向上する。また、Ｖ、ＮｂおよびＣの含有量が（２）式の範囲内では、炭化物偏析が抑制され、耐摩耗性、耐疲労性が向上する。耐摩耗性、耐疲労性が向上するのは、Ｖ、ＮｂおよびＣの含有量が（２）式の範囲を満足することで、溶湯が凝固する時の組織形成過程が変化することが原因と考えられる。
つぎに、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい製造方法について説明する。
本発明では、ロール外層材の製造方法は、公知の遠心鋳造法あるいは連続鋳掛け肉盛法等の鋳造法により製造されることが好ましい。なお、本発明では、これらの方法に限定されないことは言うまでもない。
本発明では、ロール外層材の製造方法は、公知の遠心鋳造法あるいは連続鋳掛け肉盛法等の鋳造法により製造されることが好ましい。なお、本発明では、これらの方法に限定されないことは言うまでもない。
遠心鋳造法でロール外層材を鋳造する場合、まず、内面にジルコン等を主材とした耐火物が１〜５ｍｍ厚で被覆された、回転する鋳型に、上記したロール外層材組成の溶湯を、所定の肉厚となるように注湯し、遠心鋳造する。ここで、鋳型の回転数は、ロールの外表面に印加される重力倍数が１００〜２００Ｇの範囲とすることが好ましい。そして、中間層を形成する場合には、ロール外層材の凝固途中あるいは完全に凝固したのち、鋳型を回転させながら、中間層組成の溶湯を注湯し、遠心鋳造することが好ましい。外層あるいは中間層が完全に凝固したのち、鋳型の回転を停止し鋳型を立ててから、内層材を静置鋳造して、複合ロールとすることが好ましい。これにより、ロール外層材の内面側が再溶解され外層と内層、あるいは外層と中間層、中間層と内層とが溶着一体化した複合ロールとなる。
本発明では、内層、中間層の組成はとくに限定されないが、静置鋳造される内層は、鋳造性と機械的性質に優れた球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）、いも虫状黒鉛鋳鉄（ＣＶ鋳鉄）、又は鍛鋼などを用いることが好ましい。遠心鋳造製ロールは、外層と内層が一体溶着されているため、外層材の成分が１〜８％程度内層に混入する。外層材に含まれるＣｒ、Ｖ等の炭化物形成元素が内層へ混入すると、内層を脆弱化する。このため、外層成分の内層への混入率は６％未満に抑えることが好ましい。
また、中間層を形成する場合は、中間層材として、黒鉛鋼、Ｃ：１．５〜３．０質量％の高炭素鋼、亜共晶鋳鉄等を用いることが好ましい。中間層と外層とは同じように一体溶着されており、外層成分が中間層へ１０〜９５％の範囲で混入する。内層への外層成分の混入量を抑える観点から、外層成分の中間層への混入量はできるだけ低減しておくことが肝要となる。
本発明の熱間圧延用複合ロールは、鋳造後、熱処理を施されることが好ましい。熱処理は、９５０〜１１００℃に加熱し空冷あるいは衝風空冷する工程と、さらに４８０〜５７０℃に加熱保持した後、冷却する工程を２回以上行うことが好ましい。
なお、本発明の熱間圧延用複合ロールの好ましい硬さは、７９〜８８ＨＳ（ショア硬さ）、より好ましい硬さは８０〜８６ＨＳである。７９ＨＳよりも硬さが低いと、耐摩耗性が劣化し、逆に硬さが８８ＨＳを超えると、熱間圧延中に熱間圧延用ロール表面に形成されたクラックを研削により除去し難くなる。このような硬さは上記の熱処理温度を調整することで得ることができる。
表１に示すロール外層材組成の溶湯を高周波誘導炉で溶解し、遠心鋳造法により、リング状試験材（リングロール；外径：２５０ｍｍφ、幅：６５ｍｍ、肉厚：５５ｍｍ）とした。なお、鋳込み温度は１５００℃とし、遠心力はリング状ロール材の外周部が重力倍数で１５０Ｇとなるようにした。鋳造後、１０３０℃に加熱し、空冷する焼入れ処理、焼戻処理は、温度：５００℃で、残留オーステナイト量が体積％で１０％未満になるように、成分によって２または３回実施した。焼戻し温度からの冷却は炉冷とした。得られたリング状試験材から、摩耗試験片およびＸ線ＣＴ測定用試験片を採取して、摩耗試験およびＸ線ＣＴ測定を実施した。
得られたリング状ロール材の表面の凹凸やスケール（酸化物層）を研削で除去した後、Ｘ線ＣＴ測定用試験片（２０×２０×５０ｍｍ）を３本採取してＸ線ＣＴ測定を行い、ポロシティおよびザク巣の有無を調査した。Ｘ線ＣＴ測定用試験片２は、図１のように、リング状試験材１の幅中央から１２０°間隔で３本採取した。Ｘ線ＣＴ装置は、最大管電圧２２５ｋＶのものを用い、管電圧１５０ｋＶ、管電流８０μＡで試験片全体の透過像を撮影した。検出された個々のポロシティまたはザク巣に外接する円の直径が０．５０ｍｍを超える場合を欠陥有りとし、０．５０ｍｍ以下の場合を欠陥無しとした。
摩耗試験方法は次の通りとした。得られたリング状試験材から摩耗試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ、面取り有）を採取した。摩耗試験は、図３に示すように、試験片と相手材との２円盤すべり転動方式で行った。試験片５を冷却水６で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させ、回転する該試験片５に、高周波誘導加熱コイル７で８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ、Ｃ１面取り）８を荷重９８０Ｎで接触させながら、すべり率：９％で転動させた。摩耗試験は３００分間実施し、５０分毎に相手片を新品に交換して、試験を実施した。従来例を基準とし、基準値に対する各試験片の摩耗量の比を、摩耗比（＝（基準片の摩耗量）／（各試験片の摩耗量））で評価し、摩耗比が０．９７以上の場合を従来例と同等以上の耐摩耗性を有しているとし、０．９７よりも小さい場合を耐摩耗性に劣る、と判定した。
また、得られたリング状ロール材から熱延疲労試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ）を採取して、特開２０１０−１０１７５２にて実機における熱間圧延用作業ロールの耐疲労性を再現よく評価できることを示した熱延疲労試験を実施した。なお、疲労試験片には、図６に示すようなノッチ（深さｔ：１．２ｍｍ、周方向長さＬ：０．８ｍｍ）を外周面の２箇所に、０．２ｍｍφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。また、疲労試験片の転動面の端部には１．２Ｃの面取りを施した。熱延疲労試験は、図６に示すように、ノッチを有する試験片（熱延疲労試験片）５と加熱された相手材８との２円盤の転がりすべり方式で行った。すなわち、図６に示すように試験片（熱延疲労試験片）５を冷却水６で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させ、回転する該試験片５に、高周波誘導加熱コイル７により８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ）８を荷重９８０Ｎで押し当てながら、すべり率：９％で転動させた。熱延疲労試験片５に導入した２つのノッチ９が折損するまで転動させ、各ノッチが折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を熱延疲労寿命とした。そして、熱延疲労寿命が３５０千回を超える場合を熱延疲労寿命が著しく優れると評価した。
摩耗試験方法は次の通りとした。得られたリング状試験材から摩耗試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ、面取り有）を採取した。摩耗試験は、図３に示すように、試験片と相手材との２円盤すべり転動方式で行った。試験片５を冷却水６で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させ、回転する該試験片５に、高周波誘導加熱コイル７で８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ、Ｃ１面取り）８を荷重９８０Ｎで接触させながら、すべり率：９％で転動させた。摩耗試験は３００分間実施し、５０分毎に相手片を新品に交換して、試験を実施した。従来例を基準とし、基準値に対する各試験片の摩耗量の比を、摩耗比（＝（基準片の摩耗量）／（各試験片の摩耗量））で評価し、摩耗比が０．９７以上の場合を従来例と同等以上の耐摩耗性を有しているとし、０．９７よりも小さい場合を耐摩耗性に劣る、と判定した。
また、得られたリング状ロール材から熱延疲労試験片（外径６０ｍｍφ、肉厚１０ｍｍ）を採取して、特開２０１０−１０１７５２にて実機における熱間圧延用作業ロールの耐疲労性を再現よく評価できることを示した熱延疲労試験を実施した。なお、疲労試験片には、図６に示すようなノッチ（深さｔ：１．２ｍｍ、周方向長さＬ：０．８ｍｍ）を外周面の２箇所に、０．２ｍｍφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。また、疲労試験片の転動面の端部には１．２Ｃの面取りを施した。熱延疲労試験は、図６に示すように、ノッチを有する試験片（熱延疲労試験片）５と加熱された相手材８との２円盤の転がりすべり方式で行った。すなわち、図６に示すように試験片（熱延疲労試験片）５を冷却水６で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させ、回転する該試験片５に、高周波誘導加熱コイル７により８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ）８を荷重９８０Ｎで押し当てながら、すべり率：９％で転動させた。熱延疲労試験片５に導入した２つのノッチ９が折損するまで転動させ、各ノッチが折損するまでの転動回転数をそれぞれ求め、その平均値を熱延疲労寿命とした。そして、熱延疲労寿命が３５０千回を超える場合を熱延疲労寿命が著しく優れると評価した。
得られた結果を表２に示す。
ここで、耐摩耗性については、従来との対比において、０．９７以上のものを「〇」（合格）、０．９７未満のものを「×」（不合格）とし、耐疲労性については４１０千回（４１００００回）を超えるものを「◎」（合格、特に優れている）、３５０千回を超え４１０千回以下（３５０００１〜４１００００回）のものを「〇」（合格）、３５０千回（３５００００回）以下のものを「×」（不合格）とし、それらをもとに総合評価を行った。
総合評価としては、ポロシティやザク巣の欠陥が無く、耐摩耗性の評価が「〇」（合格）であり、且つ耐疲労性の評価が「〇」（合格）であったものを「〇」（合格）とした。
また、ポロシティやザク巣の欠陥が無く、耐摩耗性の評価が「〇」（合格）であり、且つ耐疲労性の評価が「◎」（合格、特に優れている）であったものは、「◎」（合格、特に優れている）とした。
また、ポロシティやザク巣の欠陥：「有り」、耐摩耗性の評価：「×」（不合格）、耐疲労性の評価：「×」（不合格）のいずれか１つにでも該当したものは総合評価を「×」（不合格）とした。
総合評価としては、ポロシティやザク巣の欠陥が無く、耐摩耗性の評価が「〇」（合格）であり、且つ耐疲労性の評価が「〇」（合格）であったものを「〇」（合格）とした。
また、ポロシティやザク巣の欠陥が無く、耐摩耗性の評価が「〇」（合格）であり、且つ耐疲労性の評価が「◎」（合格、特に優れている）であったものは、「◎」（合格、特に優れている）とした。
また、ポロシティやザク巣の欠陥：「有り」、耐摩耗性の評価：「×」（不合格）、耐疲労性の評価：「×」（不合格）のいずれか１つにでも該当したものは総合評価を「×」（不合格）とした。
本発明例では従来例と同等以上の耐摩耗性を有し、且つ、ポロシティやザク巣が著しく低減していることが分かる。特に、Ａｌ含有量が好適範囲の実施例（Ｎｏ．７〜１３）においては、摩耗比が大きく、耐摩耗性が優れていることが分かる。これは、ポロシティやザク巣が存在すると、摩耗試験中にその周囲が欠けるように脱落し、試験片の重量が大きく減少するが、Ａｌ含有量を好ましい範囲にすることで、ポロシティやザク巣のサイズが大きく減少し、摩耗試験中の試験片の質量変化が小さくなるためである。
また、図７に示すように、Ｃ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏが（１）式および（２）式を満足する場合（Ｎｏ．１１〜１３）には、ポロシティやザク巣の形成を抑制しつつ、従来例や（１）式および（２）式を満足しない本発明例に比べて優れた耐摩耗性および耐疲労性を有することが分かる。
また、図７に示すように、Ｃ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏが（１）式および（２）式を満足する場合（Ｎｏ．１１〜１３）には、ポロシティやザク巣の形成を抑制しつつ、従来例や（１）式および（２）式を満足しない本発明例に比べて優れた耐摩耗性および耐疲労性を有することが分かる。
したがって、本発明によれば、ポロシティやザク巣の発生が軽減され、耐摩耗性及び耐疲労性に優れた熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロールを製造することが可能となる。その結果、被圧延材の表面品質の向上およびロール寿命の向上を達成できるという効果もある。
１ リング状試験材
２ 試験片（Ｘ線ＣＴ測定用試験片）
３ ポロシティまたはザク巣
４ 外接円
５ 試験片（摩耗試験片、熱延疲労試験片）
６ 冷却水
７ 高周波誘導加熱コイル
８ 相手片
９ ノッチ
２ 試験片（Ｘ線ＣＴ測定用試験片）
３ ポロシティまたはザク巣
４ 外接円
５ 試験片（摩耗試験片、熱延疲労試験片）
６ 冷却水
７ 高周波誘導加熱コイル
８ 相手片
９ ノッチ
Claims (5)
- 質量％で、
Ｃ：１．６〜２．５％、
Ｓｉ：０．２〜１．５％、
Ｍｎ：０．２〜１．６％、
Ｃｒ：４．５〜７．０％、
Ｍｏ：１．０〜５．０％、
Ｖ：４．０〜６．０％、
Ｎｂ：０．５〜２．５％を含有し、
且つ、ＮとＯの合計が１００〜４００質量ｐｐｍであり、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有する熱間圧延用ロール外層材。 - 更に、質量％で、Ａｌ：０．０１〜０．３０％を含有する請求項１に記載の熱間圧延用ロール外層材。
- 更に、質量％で、Ｐ：０．０１０〜０．０４０％を含有する請求項１または２に記載の熱間圧延用ロール外層材。
- Ｃ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂの含有量が下記（１）式および（２）式を満足する請求項１ないし３のいずれかに記載の熱間圧延用ロール外層材。
１．６０≦（％Ｖ＋％Ｎｂ）／％Ｍｏ≦３．５・・・（１）式
９．００≦％Ｖ＋０．５×％Ｎｂ＋２．１×％Ｃ≦１１．０・・・（２）式
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｍｏは、各元素の含有量（質量％）である。 - 外層、中間層および内層の３層構造または外層および内層の２層構造を有する熱間圧延用複合ロールにおいて、
前記外層が請求項１ないし４のいずれかに記載の熱間圧延用ロール外層材を有する熱間圧延用複合ロール。
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