TWI744476B - 輥軋用複合輥及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的輥軋用複合輥，其是將外層和內層熔接成一體化而成；外層是由鐵基合金所構成，該鐵基合金，以質量為基準，含有1～3%的碳、0.3～3%的矽、0.1～3%的錳、0.1～5%的鎳、1～7%的鉻、1～8%的鉬、4～7%的釩、0.005～0.15%的氮、及0.05～0.2%的硼；內層是由石墨鑄鐵所構成，該石墨鑄鐵，以質量為基準，含有2.4～3.6%的碳、1.5～3.5%的矽、0.1～2%的錳、0.1～2%的鎳、未滿0.7%的鉻、未滿0.7%的鉬、0.05～1%的釩、及0.01～0.1%的鎂；內層具有被熔接在外層上之體芯部、及自體芯部的兩端一體地延伸出去的軸部，軸部的至少一方含有200個/cm2 以上的硬質金屬碳化物，該硬質金屬碳化物具有5μm以上的圓當量直徑。

Description

輥軋用複合輥及其製造方法
本發明關於一種輥軋用複合輥及其製造方法，該輥軋用複合輥，是將耐磨耗性和耐事故性優異的外層、及強韌且耐磨耗性優異的內層熔接成一體化而成。
作為熱軋用工作輥，廣泛地使用一種離心鑄造製複合輥，其將由利用離心鑄造法形成的耐磨耗性鐵基合金所構成的外層、及由強韌的延性鑄鐵所構成的內層熔接成一體化而成。在離心鑄造製複合輥中，由於與輥軋材料接觸而造成的熱負載和機械負載會對軋輥外層造成磨耗和表面粗化等的損傷，而成為輥軋材料的表面品質劣化的原因。又，在複合輥被用於熱精軋機的後階段的情況下，有時會遭遇絞入事故，所謂的絞入事故是當輥軋材料在軋台間移動時重疊而被咬入上下軋之輥間的事故。因為在這種絞入事故中，輥軋材料會熔執(seizure)在軋輥外層的表面上，所以過大的熱負載和機械負載會作用在軋輥外層的表面上而使其產生破裂。
因此，一旦外層的損傷進行到某種程度，則必須實行軋輥的交換。從輥軋機拆除的軋輥，自外層將損傷部磨削除去後，再次組裝到輥軋機中。自軋輥外層將損傷部磨削除去被稱為「修正磨削」。工作輥，自最初直徑至被修正磨削成輥軋可使用的最小直徑(廢棄直徑)之後被廢棄。自最初直徑至廢棄直徑間被稱為「輥軋有效直徑」。如果因為外層的損傷而頻繁地實行修正磨削，則會由於輥軋的中斷而造成生產性降低、由於修正磨削而造成輥軋有效直徑變小，所以為了防止大的損傷而期望在輥軋有效直徑內的外層具有優異的耐磨耗性、耐事故性及耐表面粗化性。
如第1圖所示，複合輥10是由與輥軋材料接觸的外層1、及被熔接在外層1的內面上之內層2所構成。內層2是由與外層1不同的材質所構成，並由被熔接在外層1上之體芯部21、及自體芯部21一體地朝向兩側延伸的驅動側軸部22和從動側軸部23所構成。在驅動側軸部22的端部，一體地設置有用以傳遞驅動力矩之離合器部24。又在從動側軸部23的端部，一體地設置有複合輥10的操縱(handling)等所需要的凸狀部25。離合器部24，具有端面24a、及與驅動手段(未圖示)卡合的一對平坦的切口面24b、24b；凸狀部25，具有端面25a。
通常，在對外層1重複地進行修正磨削至廢棄的期間，是以不進行修補作業的方式來使用軸部22、23，但是近年來隨著外層1的使用壽命的延長化(長壽命化)，軸部的損傷的進展也會妨礙輥軋作業的進行，也會有因為軸部的損傷而造成只好提早就廢棄複合輥的狀況。特別是，驅動側軸部22，其具有用以傳遞來自馬達側的驅動力矩之離合器部24，因為與耦接頭的滑動接觸、及受到來自馬達的驅動力矩而造成的高應力，所以容易產生損傷而成為最需要耐久力的部位。
為了解決上述軸部的損傷問題，本發明人藉由國際申請第2015/045720號公報，提案一種離心鑄造製複合輥，其能夠維持從動側軸部的加工性並且改善驅動側軸部的耐磨耗性。此離心鑄造製複合輥，其是將利用離心鑄造法形成的外層、及由延性鑄鐵所構成的內層熔接成一體化而成，前述外層是由鐵基合金所構成並具有不含石墨之組織，該鐵基合金，以質量為基準，含有從由1.3～3.7%的碳(C)、0.3～3%的矽(Si)、0.1～3%的錳(Mn)、1～7%的鉻(Cr)、1～8%的鉬(Mo)、2.5～7%的釩(V)、0.1～3%的鈮(Nb)、及0.1～5%的鎢(W)所組成之群組中選出的至少一種，其中，釩為必要元素，並含有0.01～0.2%的硼(B)及/或0.05～0.3%的硫(S)，且剩餘部分實質上是鐵(Fe)和不可避免的雜質；前述內層具有被熔接在前述外層上之體芯部、及自前述體芯部的兩端一體地延伸出去的驅動側軸部和從動側軸部，在前述驅動側軸部的端部中的Cr、Mo、V、Nb及W的合計量是0.35～2質量%，在前述從動側軸部的端部中的Cr、Mo、V、Nb及W的合計量是0.15～1.8質量%，前者比後者更多0.2質量%以上。
在國際申請第2015/045720號公報的離心鑄造製複合輥中，雖然軸部的耐磨耗性被改善，但是為了對應於近年來的體芯部的長壽命化而期望進一步的改善。為了提升構成內層之延性鑄鐵的耐磨耗性，在通常的延性鑄鐵中添加V、Nb等的碳化物形成元素，能夠有效地晶化出不是雪明碳鐵之硬質碳化物(MC碳化物(金屬碳化物)等)，但是這些碳化物形成元素，會阻礙延性鑄鐵的石墨化，並降低延性鑄鐵的延伸性。因此，軸部的長壽命化會受限。
[發明所欲解決的問題] 因此，本發明的目的在於提供一種輥軋用複合輥及其製造方法，該輥軋用複合輥是將耐磨耗性和耐事故性優異的外層、及強韌且耐磨耗性優異的內層熔接成一體化而成。
[解決問題的技術手段] 鑒於上述目的而深入研究的結果，本發明人發現在內層用的熔融金屬中除了從原材料也就是金屬碎片(scrap)材料等混入的釩(V)等的碳化物形成材料之外，不再另外添加碳化物形成材料，以在石墨鑄鐵製軸部的至少一方適量地含有來自外層的硬質MC碳化物(硬質金屬碳化物)，能夠在不使軸部的強韌度降低的情況下顯著地改善耐磨耗性，藉此完成本發明。
亦即，本發明的輥軋用複合輥，其是將外層和內層熔接成一體化而成，該輥軋用複合輥的特徵在於： 前述外層是由鐵基合金所構成，該鐵基合金，以質量為基準，含有1～3%的C(碳)、0.3～3%的Si(矽)、0.1～3%的Mn(錳)、0.1～5%的Ni(鎳)、1～7%的Cr(鉻)、1～8%的Mo(鉬)、4～7%的V(釩)、0.005～0.15%的N(氮)、及0.05～0.2%的B(硼)，且剩餘部分實質上是由Fe(鐵)和不可避免的雜質所構成； 前述內層是由石墨鑄鐵所構成，該石墨鑄鐵，以質量為基準，含有2.4～3.6%的C、1.5～3.5%的Si、0.1～2%的Mn、0.1～2%的Ni、未滿0.7%的Cr、未滿0.7%的Mo、0.05～1%的V、及0.01～0.1%的Mg(鎂)，且剩餘部分實質上是由Fe和不可避免的雜質所構成； 前述內層具有被熔接在前述外層上之體芯部、及自前述體芯部的兩端一體地延伸出去的軸部，前述軸部的至少一方含有200個/cm2 以上的硬質MC碳化物，該硬質MC碳化物具有5μm以上的圓當量直徑(equivalent circle diameter)。
較佳是，前述外層進一步含有0.1～3質量%的Nb(鈮)，並且前述內層含有未滿0.5質量%的Nb。
較佳是，前述外層進一步含有0.1～5質量%的W(鎢)，並且前述內層含有未滿0.7質量%的W。
前述外層進一步能夠含有0.3質量%以下的S(硫)。
前述外層，以質量為基準，能夠進一步含有從由0.1～10%的Co(鈷)、0.01～0.5%的Zr(鋯)、0.005～0.5%的Ti(鈦)、及0.001～0.5%的Al(鋁)所組成之群組中選出的至少一種。
本發明的輥軋用複合輥的製造方法，其特徵在於具有下述步驟： (1)利用旋轉的離心鑄造用圓筒狀鑄模來離心鑄造出前述外層之後； (2)當前述外層的內面的溫度為950℃以上且未滿1000℃時，將1330～1400℃的內層用熔融金屬澆鑄到前述外層的空腔中，並僅使前述外層的內面再熔融厚度10～30mm。
較佳是，當澆鑄前述內層用熔融金屬時的前述外層的內面溫度為960～990℃。
較佳是前述內層用熔融金屬，以質量為基準，具有下述組成：含有2.5～3.6%的C、1.7～3.3%的Si、0.1～1.5%的Mn、0.1～2%的Ni、0～0.5%的Cr、0～0.5%的Mo、及0.01～0.1%的Mg，且剩餘部分實質上是Fe和不可避免的雜質。
[發明的效果] 藉由本發明能夠得到一種輥軋用複合輥，其外層具有優異的耐磨耗性和耐事故性，並且在內層用熔融金屬中不添加釩等會妨礙石墨化之碳化物形成元素，並在石墨鑄鐵製軸部的至少一方上含有許多的硬質MC碳化物，所以能夠在不降低軸部的強韌度的情況下，顯著改善軸部的耐磨耗性。軸部的耐磨耗性被顯著地改善，所以達成軋輥的進一步的長壽命化，並有貢獻於輥軋作業的成本降低。
雖然以下詳細地說明本發明的實施形態，但是本發明不受限於這些實施形態，只要在不脫離本發明的技術思想的範圍內也可以進行各種變更。如果沒有特別註明，1個實施形態的說明也可以適用於其他的實施形態中。如果沒有特別註明，當僅記載「%」時是指「質量%」。
[1]輥軋用複合輥 (A)外層 構成本發明的輥軋用複合輥的外層，是由鐵基合金所構成，該鐵基合金，以質量為基準，含有1～3%的C、0.3～3%的Si、0.1～3%的Mn、0.1～5%的Ni、1～7%的Cr、1～8%的Mo、4～7%的V、0.005～0.15%的N、及0.05～0.2%的B，且剩餘部分實質上是由Fe和不可避免的雜質所構成。較佳是外層進一步含有0.1～3質量%的Nb。又，較佳是外層進一步含有0.1～5質量%的W。又，外層也可以含有0.3質量%以下的S。進一步，外層也能夠以質量為基準，含有從由0.1～10%的Co、0.01～0.5%的Zr、0.005～0.5%的Ti、及0.001～0.5%的Al所組成之群組中選出的至少一種。
(1)必須元素 (a)C(碳)：1～3質量% C能夠與V、Cr及Mo(進一步，當含有Nb和W時，也能夠與Nb和W)結合而產生硬質碳化物，而有益於外層的耐磨耗性的提升。如果C未滿1質量%，則硬質碳化物的晶化量太少而不能夠賦予外層充分的耐磨耗性。另一方面，如果C超過3質量%，則過多的碳化物的晶化會造成外層的韌性降低而使耐破裂性降低，由於輥軋造成的破裂變深而導致修正磨削時的軋輥損失增加。C的含量的下限較佳是1.2質量%，更佳是1.5質量%。又，C的含量的上限較佳是2.9質量%，更佳是2.8質量%。
(b)Si(矽)：0.3～3質量% Si能夠藉由熔融金屬的脫氧來減少氧化物的缺陷，並且固熔在基體中而使得耐熔執性提升，進一步具有提升熔融金屬的流動性而防止發生鑄造缺陷的作用。如果Si未滿0.3質量%，則熔融金屬的脫氧作用不充分，熔融金屬的流動性也不足，而使得缺陷發生率高。另一方面，如果Si超過3質量%，則使得合金基體脆化並造成外層的韌性降低。Si含量的下限較佳是0.4質量%，更佳是0.5質量%。Si含量的上限較佳是2.7質量%，更佳是2.5質量%。
(c)Mn(錳)：0.1～3質量% Mn除了熔融金屬的脫氧作用以外，還具有將S固定成MnS的作用。MnS具有潤滑作用並具有防止輥軋材料發生熔執的效果，所以較佳是含有需要量(適量)的MnS。如果Mn未滿0.1質量%，則其添加效果不充分。另一方面，即便Mn超過3質量%，也不能夠得到進一步的效果。Mn的含量的下限較佳是0.3質量%。Mn的含量的上限較佳是2.4質量%，更佳是1.8質量%。
(d)Ni(鎳)：0.1～5質量% Ni具有提升外層的基體的淬火性(hardenability，硬化性)的作用，所以當製作大型的複合輥時如果含有Ni，則能夠防止在冷卻中產生波來鐵(pearlite)而提升外層的硬度。如果未滿0.1質量%則幾乎沒有Ni的添加效果，如果超過5質量%則沃斯田鐵(austenite)太過穩定化而難以提升硬度。Ni含量的下限較佳是0.2質量%，更佳是0.3質量%，進一步更佳是0.5質量%。Ni含量的上限較佳是4質量%，更佳是3.5質量%。
(e)Cr(鉻)：1～7質量% Cr能夠使基體成為變韌鐵(bainite)或麻田散鐵(martensite)而保持硬度，對於維持外層的耐磨耗性是一種有效的元素。如果Cr未滿1質量%，則其效果不充分。另一方面，如果Cr超過7質量%，則基體組織的韌性會降低。Cr的含量的下限較佳是1.5質量%，更佳是2.5質量%。Cr含量的上限較佳是6.8質量%。
(f)Mo(鉬)：1～8質量% Mo能夠與C結合而形成硬質碳化物(M6 C、M2 C)而增加外層的硬度，並且提升基體的淬火性。又，Mo能夠與V及/或Nb一起產生強韌且硬質的MC碳化物而提升耐磨耗性。如果Mo未滿1質量%，則這些效果不充分。另一方面，如果Mo超過8質量%，則外層的韌性會降低。Mo含量的下限較佳是1.5質量%，更佳是2.5質量%。Mo含量的上限較佳是7.8質量%，更佳是7.6質量%。
(g)V(釩)：4～7質量% V是能夠與C結合而產生硬質的MC碳化物之元素。MC碳化物具有2500～3000的維氏硬度HV，是碳化物之中最硬的。如果V未滿4質量%，則不僅MC碳化物的析出量不充分，熔入內層之MC碳化物量也不足，使得離合器部的耐損傷性的提升效果不充分。另一方面，如果V超過7質量%，則相較於鐵熔融金屬之比重更輕的MC碳化物會因為離心鑄造中的離心力而集中在外層的內側，不僅使得MC碳化物的半徑方向偏析(segregation)的情況嚴重，也使得MC碳化物粗大化並造成合金組織變粗，當輥軋時容易產生表面粗化。V含量的下限較佳是4.5質量%，更佳是5質量%。V含量的上限較佳是6.9質量%，更佳是6.8質量%。
(h)N(氮)：0.005～0.15質量% N具有使碳化物細微化的效果，但是如果超過0.15質量%則會使得外層脆化。N含量的上限較佳是0.1質量%。為了得到充分的碳化物細微化效果，N含量的下限較佳是0.005質量%，更佳是0.01質量%。
(i)B(硼)：0.05～0.2質量% B固熔在碳化物中，並且形成具有潤滑作用的碳硼化物，以提昇外層的耐熔執性(耐事故性)。碳硼化物的潤滑作用特別會在高溫中顯著地發揮，所以能夠有效地防止熱軋材料發生咬入時造成的外層的熔執。如果B未滿0.05質量%則不能夠得到充分的潤滑作用。另一方面，如果B超過0.2質量%則會使得外層脆化。B的含量的下限較佳是0.06質量%，更佳是0.07質量%。又，B含量的上限較佳是0.15質量%，更佳是0.1質量%。
(2)任意元素 外層也可以進一步含有0.1～3質量%的Nb。又，外層也可以含有0.1～5質量%的W。外層也可以進一步含有0.3質量%以下的S。外層也能夠以質量為基準，含有從由0.1～10%的Co、0.01～0.5%的Zr、0.005～0.5%的Ti、及0.001～0.5%的Al所組成之群組中選出至少一種。
(a)Nb(鈮)：0.1～3質量% 與V同樣，Nb也能夠與C結合而產生硬質MC碳化物。Nb藉由與V和Mo的複合添加而能夠固熔在MC碳化物中而強化MC碳化物，以提升外層的耐磨耗性。因為Nb具有比V更大的原子量並固熔在以V為主體的MC碳化物中，藉此使得以相較於鐵熔融金屬的比重更小的V為主體的MC碳化物的比重會變大，所以具有能夠減輕由於離心鑄造中的離心力而造成的MC碳化物的偏析的作用。如果Nb未滿0.1質量%則所提升的MC碳化物的晶化量太少而幾乎沒有增加熔入內層之MC碳化物量的效果，使得所產生的離合器部的耐損傷性的提升效果太少。另一方面，如果Nb超過3質量%則以相較於鐵熔融金屬的比重更大的Nb為主體的MC碳化物的晶化量會增加，由於離心力而使得MC碳化物容易集中在表面側和偏析。Nb含量的下限較佳是0.2質量%。Nb含量的上限較佳是2.9質量%，更佳是2.8質量%。
(b)W(鎢)：0.1～5質量% W能夠與C結合而形成硬質的M6 C等硬質碳化物，而有益於提升外層的耐磨耗性。又，W也會固熔於MC碳化物中而增加其比重，而具有減輕偏析的作用。但是，如果W超過5質量%，則M6 C碳化物變多而使得組織變得不均質(heterogeneity)，而成為表面粗化的原因。因此，當含有W時必須是5質量%以下。另一方面，如果W未滿0.1質量%，則其效果不充分。W的含量的上限較佳是4質量%，更佳是3質量%。
(c)S(硫)：0.3質量%以下 當利用MnS的潤滑性時，也可以含有0.3質量%以下的S。但是當S超過0.3質量%時則會引起外層的脆化。S含量的上限較佳是0.2質量%，更佳是0.15質量%。當利用MnS的潤滑性時，S含量的下限較佳是0.05質量%。
(d)Co(鈷)：0.1～10質量% Co固熔在基體中並增加基體在熱加工時的硬度，而具有改善外層的耐磨耗性和耐表面粗化性的效果。當Co未滿0.1質量%時則幾乎沒有效果，又當超過10質量%時則效果不能夠得到進一步的提升。Co含量的下限較佳是1質量%，又Co含量的上限較佳是7質量%。
(e)Zr(鋯)：0.01～0.5質量% 與V和Nb同樣，Zr能夠與C結合而產生MC碳化物而提升外層的耐磨耗性。又，Zr能夠在熔融金屬中產生氧化物，此氧化物作為結晶核而發揮作用，所以使得凝固組織變得細緻。進一步，Zr使得MC碳化物的比重增加而具有防止偏析的效果。但是，如果Zr超過0.5質量%，則會變成夾雜物(inclusion)而不佳。Zr含量的上限更佳是0.3質量%。又，為了得到充分的添加效果，Zr的含量的下限更佳是0.02質量%。
(f)Ti(鈦)：0.005～0.5質量% Ti能夠與C和N結合而形成TiC、TiN或TiCN這些硬質的粒狀化合物。這些硬質的粒狀化合物能夠變成MC碳化物的核，所以具有MC碳化物的均質分散效果，而有益於外層的耐磨耗性和耐表面粗化性的提升。但是，如果Ti含量超過0.5質量%，則熔融金屬的黏性會增加而容易產生鑄造缺陷。Ti含量的上限更佳是0.3質量%，最佳是0.2質量%。為了得到充分的添加效果，Ti含量的下限更佳是0.01質量%。
(g)Al(鋁)：0.001～0.5質量% Al與氧的親和性高，所以作為脫氧劑而作用。又，Al與N和O結合所形成的氧氮化物，能夠變成在熔融金屬中懸浮(suspension)的核，使得MC碳化物以細微和均質的方式晶化。但是，如果Al超過0.5質量%則外層會脆化。又，如果Al未滿0.001質量%則其效果不充分。Al含量的上限更佳是0.3質量%，最佳是0.2質量%。為了得到充分的添加效果，Al含量的下限更佳是0.01質量%。
(3)不可避免的雜質 外層組成的剩餘部分實質上是由Fe和不可避免的雜質所構成。不可避免的雜質當中，P(磷)會招致機械性質的劣化，所以較佳是盡量少。具體來說，P的含量較佳是0.1質量%以下。作為其他不可避免的雜質，也可以在不會損害外層的特性的範圍中含有Cu(銅)、Sb(銻)、Te(碲)、Ce(鈰)等元素。為了確保外層的優異的耐磨耗性和耐事故性，不可避免的雜質的合計量較佳是0.7質量%以下。
(4)組織 外層的組織，是由(a)MC碳化物、(b)M2 C和M6 C這類的以Mo為主體之碳化物(Mo系碳化物)或M7 C3 和M23 C6 這類的以Cr為主體之碳化物(Cr系碳化物)、(c)碳硼化物、以及(d)基體所構成。碳硼化物具有M(C、B)和M23 (C、B)6 等的組成。金屬M主要是Fe、Cr、Mo、V、Nb及W的至少一種，金屬M、C及B的比率依據組成而改變。較佳是本發明的外層組織中不存在有石墨。本發明的輥軋用複合輥的外層，具有硬質的MC碳化物、Mo系碳化物或Cr系碳化物，所以其耐磨耗性優異，且因為含有碳硼化物所以其耐事故性優異。
(B)內層 本發明的輥軋用複合輥的內層是由石墨鑄鐵所構成，該石墨鑄鐵，以質量為基準，含有2.4～3.6%的C、1.5～3.5%的Si、0.1～2%的Mn、0.1～2%的Ni、未滿0.7%的Cr、未滿0.7%的Mo、0.05～1%的V、及0.01～0.1%的Mg，且剩餘部分實質上是由Fe和不可避免的雜質所構成。
(1)必須元素 (a)C(碳)：2.4～3.6質量% C固熔在基體中，並且晶化出石墨。為了晶化出石墨，必須使C的含量是2.4質量%以上，但是如果超過3.6質量%則會導致內層的機械性質劣化。C的含量的下限較佳是2.7質量%。又C的含量的上限較佳是3.5質量%。
(b)Si(矽)：1.5～3.5質量% Si是用以晶化出石墨的必要元素而必須含有1.5質量%以上，但是如果超過3.5質量%則會導致內層的機械性質劣化。Si的含量的下限較佳是1.7質量%。又Si的含量的上限較佳是3質量%。
(c)Mn(錳)：0.1～2質量% Mn除了具有熔融金屬的脫氧作用之外，也可以與雜質也就是S結合而產生MnS，因而具有防止S造成脆化的作用。Mn的含量是必須有0.1質量%以上，但是如果超過2質量%則會導致內層的機械性質劣化。Mn的含量的下限較佳是0.15質量%。又Mn的含量的上限較佳是1.2質量%。
(d)Ni(鎳)：0.1～2質量% Ni是有效的石墨化的輔助元素。為了得到石墨化的效果而必須有0.1質量%以上，較佳是0.2質量%以上。除此之外，當澆鑄內層時而與外層熔接時，外層內面會熔融並混入內層，所以當外層的Ni含量比內層更高時，會使得內層的Ni含量增加。如果Ni含量增加則自高溫的沃斯田鐵相轉化成主要在常溫下的波來鐵相的轉化溫度(transformation temperature)會降低，而造成在鑄造後的冷卻中的外層的軸方向上容易產生破裂，所以Ni的上限必須設為2質量%，較佳是1.8質量%。
(e)Cr(鉻)：未滿0.7質量% Cr與C結合而形成雪明碳鐵以改善耐磨耗性，但是如果過多則會導致內層的機械性質劣化。如果Cr的含量是0.7質量%以上則內層的機械性質會劣化。Cr的含量的上限較佳是0.5質量%。另外，Cr的含量的下限也可以是0.05質量%。又Cr會自熔接成一體化的外層混入內層中，所以必須估計來自外層的混入量，並以熔接成一體化後的內層中的Cr的含量未滿0.7質量%的方式來設定內層用熔融金屬中的Cr的含量。Cr的含量的上限較佳是0.5質量%。
(f)Mo(鉬)：未滿0.7質量% Mo是白鑄鐵(white iron)化元素而會妨礙石墨化，所以必須限制其含量。由於與外層熔接成一體化(外層內面的熔融)而造成的自外層混入內層的Mo，處於被包含在MC碳化物中或是M2 C碳化物的狀態。本發明的特徵，是有意地使Mo以MC碳化物的狀態自外層混入內層中，並使MC碳化物沒有再熔融而原樣地殘留在內層內，藉此謀求內層的耐磨耗性的提升。因此，Mo含量的下限較佳是0.05質量%。另一方面，如果Mo的含量成為0.7質量%以上則會顯著地妨礙石墨化而使得內層的韌性劣化。Mo的含量的上限較佳是0.5質量%。
(g)V(釩)：0.05～1質量% V是強的白鑄鐵化元素而會妨礙石墨化，所以必須限制其含量。由於與外層熔接成一體化(外層內面的熔融)而造成的自外層混入內層的V，大多是MC碳化物的狀態。本發明的特徵，是有意地使V的MC碳化物自外層混入內層中，並沒有再熔融而原樣地殘留在內層內，藉此抑制V的石墨化妨礙作用並且謀求內層的耐磨耗性的提升。為了充分地確保內層的耐磨耗性，V必須是0.05質量%以上。但是如果V的含量超過1質量%則V對於石墨化妨礙化作用的影響太大。V的含量的下限較佳是0.1質量%。又V的含量的上限較佳是0.7質量%，更佳是0.5質量%。
(h)Mg(鎂)：0.01～0.1質量% Mg具有使石墨球狀化的效果。藉由球狀化而大幅地提升內層的強韌性。為了球狀化而Mg需要有0.01質量%以上，但是0.1質量%以下就足夠。Mg含量的下限較佳是0.015質量%。又V的含量的上限較佳是0.05質量%。
(2)任意元素 (a)Nb(鈮)：未滿0.5質量% 與V同樣，Nb是強的白鑄鐵化元素而會妨礙石墨化，所以必須限制其含量。當外層中含有Nb時，由於與外層熔接成一體化(外層內面的熔融)而造成的自外層混入內層的Nb，大多是MC碳化物的狀態。如果Nb的含量超過0.5質量%則Nb對於石墨化妨礙作用的影響太大。Nb的含量的上限較佳是0.4質量%。另外，如果Nb的含量是0.02質量%以上就能夠謀求藉由MC碳化物而產生的內層的耐磨耗性的進一步的提升而較佳。
(b)W(鎢)：未滿0.7質量%
W是碳化物形成元素，會妨礙內層的石墨化。當在外層中含有W時，不能夠避免由於與含有W之外層熔接成一體化(外層內面的熔融)而造成的W自外層混入內層，但是為了防止石墨化的妨礙，W必須抑制在未滿0.7質量%。W的含量的上限較佳是0.6質量%。
(3)不可避免的雜質
內層組成的剩餘部分實質上是由鐵(Fe)和不可避免的雜質所構成。不可避免的雜質當中，磷(P)、硫(S)及氮(N)會招致機械性質劣化，所以較佳是盡量少。具體來說，P的含量較佳是0.1質量%以下，S的含量較佳是0.05質量%以下，N的含量較佳是0.07質量%以下。又，硼(B)會妨礙內層的石墨化，所以較佳是未滿0.05質量%。作為其他不可避免的雜質，當在外層中含有Zr、Co、Ti、Al、Ba(鋇)、Cu、Sb、Te、Ce、稀土類金屬元素等元素時，這些不可避免的雜質的元素的合計量較佳是0.7質量%以下。
(4)組織
本發明的輥軋用複合輥的內層，是由晶化出石墨之石墨鑄鐵所構成。相較於不含有石墨之白鑄鐵，石墨鑄鐵更軟且應變能(strain energy)更大。石墨鑄鐵對應於球狀、片狀、塊狀等石墨的形狀而被分類。特別是，因為晶化出球狀石墨之球狀石墨鑄鐵具有大的強韌性，所以是較佳的軋輥內層材料。
石墨鑄鐵中的石墨的面積率較佳是2～12%。如果石墨的面積率未滿2%則雪明碳鐵量太多使得材質的延伸性不足，造成輥軋時無法承受熱負載和機械負載，而很可能會引起軋輥的折損。另一方面，依據3.6質量%的碳量上限，而得到石墨的面積率的上限是12%。
本發明的輥軋用複合輥的特徵在於，內層的至少一方的軸部，含有200個/cm2 以上的硬質MC碳化物，該硬質MC碳化物具有5μm以上的圓當量直徑。硬質MC碳化物，是指以V為主體之包含Mo等之MC系碳化物(當包含Nb、W時，是指以V及/或Nb為主體之包含Mo、W等之MC系碳化物)。因為硬質MC碳化物，相較於氧化鋁磨粒具有更高硬度，如果在自內層材料採取的試驗片的平面上依序實行鑽石研磨和氧化鋁磨粒研磨，則當實行氧化鋁磨粒研磨時會無法除去而殘留有該硬質MC碳化物的凸起，所以能夠藉由光學顯微鏡的觀察來確認。
具有離合器部24之驅動側軸部22，如果含有200個/cm2 以上的硬質MC碳化物，該硬質MC碳化物具有5μm以上的圓當量直徑，則能夠防止離合器部24的損傷。離合器部24的損傷的主要原因，是當與耦接頭作滑動接觸時，由於潤滑油中包含的碎片(scale)等粒子產生的刮削所造成的磨耗。如果圓當量直徑是5μm以下，則硬質MC碳化物容易與周圍的組織一起脫落，使得提升軸部的耐磨耗性的效果變小。圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物越多則越有益於提升耐磨耗性，需要200個/cm2 以上。圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物，較佳是300～5000個/cm2 。如果圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物超過5000個/cm2 則內層變得太硬而不能夠充分地確保韌性。另外，硬質MC碳化物的圓當量直徑的上限較佳是20μm。
在另一方的軸部上，亦即在沒有離合器部24之從動側軸部23上，一體地設置有操縱等所需要的凸狀部25，因為在該凸狀部25上並沒有與耦接頭作滑動接觸，所以不需要驅動部那樣的耐磨耗性。
另一方的軸部的具有5μm以上的圓當量直徑之硬質MC碳化物的個數，較佳是一方的軸部的20～80%。如果另一方的軸部的具有5μm以上的圓當量直徑之硬質MC碳化物的個數是一方的軸部的20%以上，則另一方的軸部也可以謀求耐磨耗性的提升，如果另一方的軸部的具有5μm以上的圓當量直徑之硬質MC碳化物的個數是一方的軸部的80%以下，則另一方的軸部的加工性被改善而能夠有益於生產成本的減少。另一方的軸部的具有5μm以上的圓當量直徑之硬質MC碳化物的個數，較佳是一方的軸部的30%以上，更佳是40%以上。另一方的軸部的具有5μm以上的圓當量直徑之硬質MC碳化物的個數，較佳是一方的軸部的70%以下，更佳是60%以下。
雖然針對本發明的輥軋用複合輥來進行說明，但是以在外層與內層之間形成緩衝層的目的，也能夠設置外層與內層的中間組成的中間層。
[2]輥軋用複合輥的製造方法
第3圖(a)和第3圖(b)表示靜置鑄造用鑄模的一例，其用以在利用離心鑄造用圓筒狀鑄模30離心鑄造出外層1之後鑄造內層2。此靜置鑄造用鑄模100，是由在內面具有外層1之圓筒狀鑄模30、及被設置於其上端和下端之上部鑄模40和下部鑄模50所構成。在圓筒狀鑄模30內的外層1的內面具有用以形成內層2的體芯部21之空腔(模穴)60a，在上部鑄模40中具有用以形成內層2的從動側軸部23之空腔60b，並且在下部鑄模50中具有用以形成內層2的驅動側軸部22之空腔60c。使用圓筒狀鑄模30的離心鑄造法，也可以是水平型、傾斜型或垂直型的任一種。
較佳是在旋轉中的離心鑄造用圓筒狀鑄模30內澆鑄外層1的熔融金屬來進行離心鑄造時，添加由以Si等為主體的氧化物所構成的助熔劑，而在外層的內面形成厚度0.5~30mm的助熔劑層，以防止凝固後的外層的內周面的氧化。
如第3圖(a)和第3圖(b)所示，在驅動側軸部22形成用的下部鑄模50上，立起並設置已離心鑄造有外層1之圓筒狀鑄模30，並在圓筒狀鑄模30上設置從動側軸部23形成用的上部鑄模40，以組裝內層2形成用的靜置鑄造用鑄模100。藉此，外層1內的空腔60a，與上部鑄模40的空腔60b和下部鑄模50的空腔60c連通而構成空腔60，以一體地形成整個內層2。圓筒狀鑄模30內的32和33是砂模。又，上部鑄模40內的符號42和下部鑄模50內的符號52個別地也是砂模。另外，在下部鑄模50設置有用以保持內層用熔融金屬的底板53。
確認在靜置鑄造用鑄模100內的外層的內面溫度(助熔劑層表面的溫度)是950℃以上且未滿1000℃的範圍內之後，將1330～1400℃的內層用熔融金屬自上部鑄模40的上方開口部43澆鑄到空腔60內。空腔60內的熔融金屬的熔融液面自下部鑄模50逐漸地上升至上部鑄模40，並且助熔層被除去，以使得內層2與外層1被鑄造成一體，該內層2是由驅動側軸部22、體芯部21及從動側軸部23所構成。內層用熔融金屬的組成，較佳是以質量為基準，含有2.5～3.6%的C、1.7～3.3%的Si、0.1～1.5%的Mn、0.1～2%的Ni、0～0.5%的Cr、0～0.5%的Mo、及0.01～0.1%的Mg，且剩餘部分實質上是Fe和不可避免的雜質。另外，內層用熔融金屬也可含有0～0.1質量%程度的V，以作為自金屬碎片等的原材料混入的不可避免的雜質。作為其他不可避免的雜質，舉例有P、S、N、B、Zr、Co、Ti、Al、Ba、Cu、Sb、Te、Ce及稀土類金屬元素等。
藉由被澆鑄的內層用熔融金屬的熱量，僅使外層1的內面再熔融厚度10～30mm。藉由外層1的內面的再熔融，使得外層1中的Cr、Mo及V(進一步，當含有Cr、Mo、V、Nb及W時，也使得Cr、Mo、V、Nb及W)混入內層2。另外，相較於利用上部鑄模40形成的從動側軸部23，在利用下部鑄模50形成的驅動側軸部22的一方中的圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數較多。其結果，至少在驅動側軸部22中的圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數成為200個/cm2 以上。相較於從動側軸部23，驅動側軸部22的一方的硬質MC碳化物變得較多的理由，被認為是在下部鑄模50和上部鑄模40中的內層用熔融金屬的對流的程度不同所造成。
當外層的內面溫度未滿950℃時，即便澆鑄1330～1400℃的內層用熔融金屬也不能夠充分地使外層內面再熔融(至10～30mm的厚度為止)，所以硬質MC碳化物的自外層朝向內層的混入不充分而容易在邊界部殘留缺陷，並且至少一方的軸部中的圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數不能夠成為200個/cm2 以上。為了充分地確保硬質MC碳化物的混入量，根據同樣的觀點，外層的內面溫度的下限較佳是960℃。又，當外層的內面溫度為1000℃以上時，當澆鑄內層用熔融金屬時，外層內面的熔融量太多而妨礙內層的石墨化。根據同樣的觀點，外層的內面溫度的上限較佳是990℃。
當內層用熔融金屬的澆鑄溫度未滿1330℃時，即便外層的內面溫度為950℃以上且未滿1000℃也不能夠使外層內面充分地再熔融，所以硬質MC碳化物的自外層朝向內層的混入不充分而使得至少一方的軸部中的圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數不能夠成為200個/cm2 以上。根據同樣的觀點，內層用熔融金屬的澆鑄溫度較佳是1340℃以上，更佳是1350℃以上。又，如果澆鑄超過1400℃的內層用熔融金屬，則當外層內面被再熔融時，外層中的硬質MC碳化物會消失在內層熔融金屬中而使得至少一方的軸部中的圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數不能夠成為200個/cm2 以上。根據同樣的觀點，內層用熔融金屬的澆鑄溫度較佳是1390℃以下，更佳是1380℃以下。
在利用離心鑄造所澆鑄的外層的內面，也可以利用離心鑄造來形成中間層以作為與內層之間的緩衝層。雖然藉由中間層的澆鑄能夠使得外層的內面再熔融，但是相較於內層，中間層的熔融金屬量較少而使得再熔融的熱量較少，所以被包含在外層中的MC碳化物不會再熔融而殘留在中間層。特別是比重輕的MC碳化物因為離心力的作用而集中在中間層的內面。在本發明的條件下，將外層內面溫度替換成中間層內面溫度，並且澆鑄內層，藉此使中間層的內面再熔融，而能夠使中間層中的MC碳化物混入內層。
本發明藉由以下實施例來進一步詳細地說明，但是本發明不受限於這些實施例。
＜實施例1～6及比較例1～4＞ 將如第3圖(a)所示的構造的圓筒狀鑄模30(內徑800mm及長度2500mm)設置在水平型的離心鑄造機中，使用如表3所示的外層組成(剩餘部分是Fe和不可避免的雜質)而得到的熔融金屬來離心鑄造出外層1。在離心鑄造中添加以Si為主體之氧化物系助熔劑，並在外層的內面形成厚度5mm的助熔劑層。其後，將在鑄模的內面上形成有外層1(厚度：90mm)及在該外層1的內面上形成有助熔劑層(厚度：5mm)之圓筒狀鑄模30加以立起，將圓筒狀鑄模30直立地設置在驅動側軸部22形成用的中空狀下部鑄模50(內徑600mm、及長度1500mm)上，並在圓筒狀鑄模30上直立地設置從動側軸部23形成用的中空狀上部鑄模40(內徑600mm、及長度2000mm)，以構成如第3圖(b)所示的靜置鑄造用鑄模100。
藉由放射溫度計的測定來判斷外層1的內面溫度(助熔劑層的表面溫度)成為如表2所示的溫度之後，在靜置鑄造用鑄模100的空腔60中，自上方開口部43以如表2的溫度注入如表1所示的組成(剩餘部分是Fe和不可避免的雜質)的延性鑄鐵的熔融金屬。延性鑄鐵的熔融金屬的熔融液面，自驅動側軸部22形成用的下部鑄模50、體芯部21形成用的圓筒狀鑄模30(外層1)及從動側軸部23形成用的上部鑄模40依序地上升，並且助熔層被除去，外層的內面的一部分藉由內層用熔融金屬的熱量而熔融，以在外層1的內部一體地形成有內層2，該內層2是由驅動側軸部22、體芯部21及從動側軸部23所構成。
[表1-1]
Figure 107104547-A0304-0001
[表1-2]
Figure 107104547-A0304-0002
 附註：(1)剩餘部分包含不可避免的雜質。
在內層2完全地凝固之後，將靜置鑄造用鑄模100解體而取出複合輥，並實行500℃的退火處理。其後，藉由機械加工來將外層1、驅動側軸部22及從動側軸部23加工成特定的形狀，以形成離合器部24和凸狀部25。在表3中表示在以這樣的方式得到的各複合輥中的外層1和內層2的組成(剩餘部分是Fe和不可避免的雜質)。內層2的組成，是相當於驅動側軸部22的部分的分析值。
[表2]
Figure 107104547-A0304-0003
[表3-1]
Figure 107104547-A0304-0004
[表3-2]
Figure 107104547-A0304-0005
 附註：(1)剩餘部分包含不可避免的雜質。
對於各複合輥的內層2的兩軸部22、23依序實行鑽石研磨和氧化鋁研磨之後，在沒有腐蝕的狀態下拍攝光學顯微鏡照片(倍率200倍)，並計算圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數。第4圖表示實施例3的輥軋用複合輥的軸部的光學顯微鏡照片。在第4圖中的①表示的黑色部分是石墨，②表示的以虛線圍繞的灰色部分為圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物。 圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數，利用任意10個視野(1個視野：660μm×989μm)來求得平均值，並換算成每1cm2 中的個數。
進一步，藉由超音波檢查來觀察外層1內面的再熔融厚度、及在外層1與內層2的邊界的熔融狀態。外層1內面的再熔融厚度，是將澆鑄內層之前的外層厚度(90mm)減去利用超音波檢查所求得的外層厚度而算出的差值。在表4中表示於兩軸部22、23中的圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數、外層1的再熔融深度、及在外層1與內層2的邊界的熔融狀態。
[表4]
Figure 107104547-A0304-0006
 附註：(1)圓當量直徑是5μm以上的硬質MC碳化物的個數(單位：個/cm2 )。
在實施例1～6中，在澆鑄內層用熔融金屬之間的外層的內面溫度(助熔劑表面溫度)是在950℃以上且未滿1000℃的範圍內，內層用熔融金屬的澆鑄溫度是在1330～1400℃的範圍內。因此，當外層和內層熔接成一體化時的外層內面的再熔融厚度是在10～30mm的範圍內，外層和內層被健全地熔接而在邊界沒有缺陷。又，內層的驅動側軸部和從動側軸部的至少一方(離合器部)，含有200個/cm2 以上的硬質MC碳化物，該硬質MC碳化物具有5μm以上的圓當量直徑，而具有優異的耐磨耗性並改善耐久性。
相對於此，在比較例1中的外層的內面溫度為735℃而太低，且內層用熔融金屬的澆鑄溫度為1410℃而太高，所以外層內面的再熔融厚度太小，在外層與內層的邊界產生缺陷，且在任一方的軸部中的具有5μm以上的圓當量直徑的硬質MC碳化物的個數都未滿200個/cm2 。
在比較例2中的外層的內面溫度為1067℃而太高，且內層用熔融金屬的澆鑄溫度也是1465℃而太高，所以外層內面的再熔融厚度是40mm而太大，自內面剝離的助熔劑在外層與內層的邊界產生缺陷。又，因為內層用熔融金屬的澆鑄溫度太高而造成硬質MC碳化物消失，使得在任一方的軸部中的具有5μm以上的圓當量直徑的硬質MC碳化物的個數都未滿200個/cm2 。
在比較例3中的外層的內面溫度為900℃而太低，且內層用熔融金屬的澆鑄溫度為1498℃而太高，所以雖然外層與內層的邊界是良好，但是卻造成硬質MC碳化物消失，使得在任一方的軸部中的具有5μm以上的圓當量直徑的硬質MC碳化物的個數都未滿200個/cm2 。
在比較例4中的外層的內面溫度為905℃而太低，且內層用熔融金屬的澆鑄溫度也是1315℃而太低，所以外層內面的再熔融厚度是5mm而太薄(太小)，藉由外層的內面的再熔融而混入內層的硬質MC碳化物的個數太少。
1‧‧‧外層2‧‧‧內層10‧‧‧複合輥21‧‧‧體芯部22‧‧‧驅動側軸部23‧‧‧從動側軸部24‧‧‧離合器部24a、25a‧‧‧端面24b‧‧‧平坦的切口面25‧‧‧凸狀部30‧‧‧圓筒狀鑄模32、33、42、52‧‧‧砂模40‧‧‧上部鑄模43‧‧‧上方開口部50‧‧‧下部鑄模53‧‧‧底板60、60a、60b、60c‧‧‧空腔100‧‧‧靜置鑄造用鑄模
第1圖是表示複合輥的概略剖面圖。 第2圖是表示第1圖的複合輥的離合器部的部分立體圖。 第3圖(a)是表示本發明的輥軋用複合輥的製造所使用的鑄模的一例的分解剖面圖。 第3圖(b)是表示本發明的輥軋用複合輥的製造所使用的鑄模的一例的剖面圖。 第4圖是實施例3的輥軋用複合輥的軸部剖面的氧化鋁磨粒研磨後無腐蝕的光學顯微鏡照片。
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Claims (8)

  1. 一種輥軋用複合輥，其是將外層和內層熔接成一體化而成，該輥軋用複合輥的特徵在於：前述外層是由鐵基合金所構成，該鐵基合金，以質量為基準，含有1~3%的碳、0.3~3%的矽、0.1~3%的錳、0.1~5%的鎳、1~7%的鉻、1~8%的鉬、4~7%的釩、0.005~0.15%的氮、及0.05~0.2%的硼，且剩餘部分實質上是由鐵和不可避免的雜質所構成；前述內層是由石墨鑄鐵所構成，該石墨鑄鐵，以質量為基準，含有2.4~3.6%的碳、1.5~3.5%的矽、0.1~2%的錳、0.1~2%的鎳、未滿0.7%的鉻、未滿0.7%的鉬、0.05~1%的釩、及0.01~0.1%的鎂，且剩餘部分實質上是由鐵和不可避免的雜質所構成；前述內層具有被熔接在前述外層上之體芯部、及自前述體芯部的兩端一體地延伸出去的軸部，前述軸部的至少一方含有200個/cm2以上的硬質金屬碳化物，該硬質金屬碳化物具有5μm以上的圓當量直徑。
  2. 如請求項1所述之輥軋用複合輥，其中，前述外層進一步含有0.1~3質量%的鈮，並且前述內層含有未滿0.5質量%的鈮。
  3. 如請求項1或2所述之輥軋用複合輥，其中，前述外層進一步含有0.1~5質量%的鎢，並且前述內層含有未滿0.7質量%的鎢。
  4. 如請求項1或2所述之輥軋用複合輥，其中， 前述外層進一步含有0.3質量%以下的硫。
  5. 如請求項1或2所述之輥軋用複合輥，其中，前述外層，以質量為基準，進一步含有從由0.1~10%的鈷、0.01~0.5%的鋯、0.005~0.5%的鈦、及0.001~0.5%的鋁所組成之群組中選出的至少一種。
  6. 一種輥軋用複合輥的製造方法，是製造請求項1至5中任一項所述之輥軋用複合輥的方法，該製造方法的特徵在於具有下述步驟：(1)利用旋轉的離心鑄造用圓筒狀鑄模來離心鑄造出前述外層之後；(2)當前述外層的內面的溫度為950℃以上且未滿1000℃時，將1330~1400℃的內層用熔融金屬澆鑄到前述外層的空腔中，並僅使外層的內面再熔融厚度10~30mm。
  7. 如請求項6所述之輥軋用複合輥的製造方法，其中，當澆鑄前述內層用熔融金屬時的前述外層的內面溫度為960~990℃。
  8. 如請求項6或7所述之輥軋用複合輥的製造方法，其中，前述內層用熔融金屬，以質量為基準，具有下述組成：含有2.5~3.6%的碳、1.7~3.3%的矽、0.1~1.5%的錳、0.1~2%的鎳、0~0.5%的鉻、0~0.5%的鉬、及0.01~0.1%的鎂，且剩餘部分實質上是鐵和不可避免的雜質。
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