WO2014041778A1 - 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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市野　健司
哲男 持田
浩光 柴田
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/38—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for roll bodies

Definitions

  • the present invention relates to a composite roll for hot rolling (hot roll rolling mill mill roll), in particular, excellent in wear resistance (wear resistance), thermal shock resistance (heat shock resistance) and surface roughness resistance (surface crack resistance).
  • the present invention relates to a hot rolling roll outer layer material suitable for use in a hot rolling finishing mill and a hot rolling composite roll.
  • the outer layer composition (surface layer) is similar to the high-speed tool steel composition, and hard carbides are precipitated to significantly improve wear resistance.
  • High-performance rolls (hereinafter also referred to as high-speed rolls) have been developed and put into practical use.
  • Patent Document 1 proposes a roll for hot rolling in which 1.0 to 5.0% by weight of V is added to Ni grain cast iron to improve wear resistance. ing.
  • Patent Document 2 2.0 to 8.0% by weight of V is added to Ni grain cast iron, and the area ratio is 0.5 to 5% of graphite and 0.2 to 10% of MC type.
  • a roll for hot rolling in which carbides appear to improve wear resistance.
  • Patent Document 3 discloses a rolling roll that achieves both wear resistance and rough skin resistance by refining crystallized graphite in a high-speed cast iron material having a high-hardness composite carbide and graphite in the structure. Outer layer materials have been proposed. Furthermore, in Patent Document 4, the total content of Cr, V, and Nb is limited to 3% by weight or less, and graphite with an area ratio of 2% or more is crystallized to suppress the occurrence of rough skin. Rolls for rolling have been proposed.
  • Patent Document 5 Patent Document 6, and Patent Document 7, composite addition of V and Nb improves the morphology of the MC type carbide and controls the Cr amount and the effective C amount to provide wear resistance and seizure resistance. It has been proposed to improve heat resistance, rough skin resistance, and thermal shock resistance. Further, Patent Document 8 proposes a hot rolling roll outer layer material that further improves the thermal shock resistance by controlling the graphite structure in addition to the above composition limitation.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 01-287248 Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-335712 Japanese Patent Laid-Open No. 11-229072 JP 2001-181780 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-73767 JP 2003-342669 A JP 2004-162104 A JP 2004-323961 A
  • the present invention advantageously solves the problems of the prior art described above, and proposes a roll outer layer material for hot rolling and a composite roll for hot rolling that are excellent in wear resistance, thermal shock resistance, and skin roughness resistance. For the purpose.
  • Figure 1 shows the thermal shock test results.
  • a 25 mm-thick plate-shaped test piece was sampled from a ring-shaped test material melted by changing the REM and Al contents, and a disk-shaped mating material (material: S45C, size: 190 mm ⁇ ) was used. It was carried out using a testing machine having the configuration shown in FIG. A disk-shaped mating material (material: S45C, size: 190 mm ⁇ ) heated at 830 ° C.
  • the thermal shock crack depth is large when the mass ratio REM / Al of REM to Al is less than 0.01, and the thermal shock crack depth is within a range of REM / Al of 0.01 to 3.2. It was found that the thermal shock crack depth increases when the REM / Al is over 3.2 and is as small as 2.5 mm or less.
  • the thermal shock resistance decreases (the thermal shock cracks deepen).
  • it exceeds 3.0% it discovered that the amount of graphite became excessive and abrasion resistance fell.
  • the present invention has been completed based on the above findings and further studies.
  • the present invention is [1] a roll outer layer material used as an outer layer of a composite roll for hot rolling, and in mass%, C: 2.4 to 3.5%, Si: 1.2 to 2.4. %, Mn: 0.2-2.0%, Cr: 0.8-2.1%, Mo: 0.3-1.1%, Ni: 3.0-6.0%, V: 1. 0 to 2.2%, Nb: 0.1 to 0.5%, REM: 0.0005 to 0.1%, Al: 0.003 to 0.05%, and C, Cr, V, Nb
  • the composition further includes one or two kinds selected from Ca: 0.04% or less and Ti: 0.03% or less in mass%.
  • the composition further includes one or two kinds selected from Co: 2.0% or less and W: 2.0% or less in mass%. [1] Thru
  • the outer layer further includes one or two selected from Ca: 0.04% or less and Ti: 0.03% or less in mass% in addition to the composition.
  • the outer layer further includes one or two kinds selected from Co: 2.0% or less and W: 2.0% or less by mass% in addition to the composition.
  • a composite roll having excellent wear resistance, thermal shock resistance, and rough skin resistance can be manufactured at low cost, and the industrially remarkable effect can be obtained. Play. Further, the composite roll of the present invention can be stably used as a roll for a subsequent rolling stand that frequently causes drawing accidents in hot rolling of a steel sheet.
  • the composite roll of the present invention can also be applied as a roll for rolling a shape steel or a roll for rolling a steel pipe, which requires excellent wear resistance and rough skin resistance.
  • C 2.4-3.4%
  • C combines with V, Nb, Cr, and Mo, and is an essential element for forming hard carbide to improve the wear resistance of rolls, and to ensure thermal shock resistance by crystallization of graphite. It is a necessary element, and in the present invention, it is necessary to contain 2.4% or more. On the other hand, if the content exceeds 3.4%, a large amount of eutectic carbide appears and the thermal shock resistance is deteriorated, and the graphite is coarsened to deteriorate the rough skin resistance. Therefore, C is limited to a range of 2.4 to 3.4%. Preferably, the content is 2.8 to 3.3%.
  • Si 1.2-2.4%
  • Si is an element that increases the activity of C and facilitates crystallization of graphite, and has the effect of improving the thermal shock resistance. In this invention, in order to acquire this effect, 1.2% or more needs to be contained. On the other hand, if the content exceeds 2.4%, the wear resistance and rough skin resistance of the roll are significantly reduced. For these reasons, Si is limited to the range of 1.2 to 2.4%.
  • Mn 0.2-2.0% Mn is effective for fixing S in molten steel as MnS and harming and stabilizing S that impairs wear resistance. It also has the effect of improving hardenability and increasing hardness. In order to obtain such an effect, the content of 0.2% or more is necessary. However, if it exceeds 2.0%, it segregates at the solidification interface and embrittles the material. Therefore, Mn is limited to the range of 0.2 to 2.0%. Preferably, the content is 0.3 to 1.0%.
  • Cr 0.8-2.1% Cr is an element that increases the amount of eutectic carbide and hardens it, and has the effect of suppressing carbide destruction during roll rolling and improving wear resistance. In order to acquire such an effect, 0.8% or more needs to be contained. On the other hand, if the content exceeds 2.1%, the eutectic carbide increases and the rough skin resistance decreases, and the amount of graphite decreases and the thermal shock resistance also decreases. For this reason, Cr was limited to 0.8 to 2.1%. Note that the content is preferably 1.2 to 2.0%.
  • Mo 0.3-1.1%
  • Mo has an effect of strengthening carbides and bases without excessively increasing the amount of eutectic carbide, and has an effect of improving wear resistance while maintaining excellent skin roughness resistance.
  • it exerts an important effect of strengthening hard MC type carbide and remarkably improving wear resistance. In order to acquire such an effect, 0.3% or more needs to be contained.
  • the content exceeds 1.1%, the eutectic carbide becomes hard and brittle, and the thermal shock resistance and the rough skin resistance deteriorate.
  • Mo was limited to 0.3 to 1.1%.
  • the content is preferably 0.4 to 1.0%.
  • Ni 3.0-7.0%
  • Ni has the effect of improving hardenability and is added to secure the Shore hardness (Hs 76 to 88) required for the rolling roll with the base structure being hard martensite or bainite. Such an effect is recognized when the content is 3.0% or more. However, if the content exceeds 7.0%, austenite is remarkably stabilized and the amount of soft retained austenite in the matrix structure increases, so that the necessary hardness cannot be obtained and the wear resistance is also lowered. Therefore, Ni is limited to the range of 3.0 to 7.0%. Preferably, the content is 3.0 to 5.0%.
  • V 1.2-2.2%
  • V is an element that has the effect of forming hard MC-type carbides and improving wear resistance.
  • the content of 1.2% or more is required to obtain a certain level or more of wear resistance.
  • the hard MC type carbides are convex on the rolling surface, and the roll becomes rough.
  • adverse effects such as deterioration of thermal shock resistance are also generated.
  • V is limited to the range of 1.2 to 2.2%. It is preferably 1.4 to 2.1%.
  • Nb 0.1-0.8%
  • Nb is an element having an action of strengthening the carbide by dissolving in MC type carbide.
  • inclusion in combination with a predetermined range of Cr, Mo, and V has an important effect of significantly strengthening carbides and significantly improving wear resistance.
  • MC type carbide grows in a feathery shape, the structure becomes coarse, and the roll becomes rough.
  • Nb and V in combination, the MC carbide can be prevented from feathering.
  • Al, REM and / or Ti in combination carbides are finely dispersed, and rough skin is suppressed. In order to obtain such an effect, the content of 0.1% or more is required.
  • the content exceeds 0.8%, the MC-type carbides are coarsened in a dendritic form, and on the contrary, rough skin occurs. Further, when manufactured by centrifugal casting (centrifugal casting), segregation of MC type carbide occurs. For this reason, Nb was limited to the range of 0.1 to 0.8%. Preferably, the content is 0.2 to 0.6%.
  • REM 0.0005-0.1% REM is an extremely important element that improves thermal shock resistance, rough skin resistance, and wear resistance by containing Al in a specific range. REM alone has the effect of improving the wear resistance by rounding the graphite shape. In addition, the specific gravity of REM is 6-8, which is close to Fe, and therefore has the advantage that gravity segregation hardly occurs. In order to obtain such an effect of REM, the content of 0.0005% or more is required. On the other hand, if the content exceeds 0.1%, not only the effect of improving the characteristics disappears, but also the crystallization of graphite is suppressed and the thermal shock resistance and rough skin resistance are deteriorated. For this reason, REM is limited to the range of 0.0005 to 0.1%.
  • the content is 0.001 to 0.06%.
  • REM in the present invention is a rare earth element, rare earth (element symbols: Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, In the present invention, a mixture of two or more of these (Ce and La as main components) is added and used. In addition, since it was difficult or expensive to extract each of the above-mentioned rare earths, the content of REM was analyzed by using only Ce and using twice that value.
  • Al 0.003 to 0.05%
  • Al is an extremely important element that improves thermal shock resistance, rough skin resistance, and wear resistance by containing REM at a specific compounding ratio.
  • Al alone has the effect of improving the thermal shock resistance by making the graphite shape into an elongated piece.
  • the content 0.003% or more is required.
  • the graphite is coarsened, which has a serious adverse effect that the thermal shock resistance, wear resistance and rough skin resistance deteriorate.
  • castability is reduced, and a nest and microporosity are generated. Therefore, Al is limited to the range of 0.003 to 0.05%.
  • the content is 0.005 to 0.050%.
  • B 0.001 to 0.05%
  • B has the effect of finely dispersing graphite, and in particular, when it is contained in an amount of 0.001% or more in the presence of a composite of REM and Al, it exhibits the effect of improving the thermal shock resistance.
  • the content exceeds 0.05%, the thermal shock resistance and wear resistance are remarkably lowered. Therefore, B is limited to the range of 0.001 to 0.05%.
  • the content is 0.001 to 0.04%.
  • Ti and Ca both grow MC type carbides in a round shape and improve the rough skin resistance.
  • Ti is 0.03% or less and Ca is 0.04% or less.
  • Ti exceeds 0.03%, the graphite shape changes and the thermal shock resistance and the rough skin resistance are lowered.
  • Ca exceeds 0.04%, the thermal shock resistance decreases.
  • Ti is 0.001 to 0.01% and Ca is 0.0002 to 0.03%.
  • Co One or two types selected from Co: 2% or less and W: 2% or less
  • Co has the effect of solid-dissolving in the base metal and strengthening the base.
  • W has an effect of increasing the amount of carbides to improve wear resistance, and a small amount is preferable.
  • Co is 0.1 to 1.5% and W is 0.1 to 1.5%.
  • the manufacturing method of the roll outer layer material is not particularly limited. However, it is preferable from the viewpoint of manufacturing cost that the molten metal having the above composition is formed into a roll outer layer material having a predetermined size and shape by centrifugal casting. In this case, it is preferable that the outer layer material of the roll is solidified or completely solidified, and the rotation of the mold is stopped and the inner layer material is statically cast to form a composite roll. Thereby, the inner surface side of the roll outer layer material is redissolved so that the outer layer and the inner layer are fused and integrated to form a composite roll.
  • the inner layer to be statically cast it is preferable to use spheroidal graphite cast iron, worm-like graphite cast iron, graphite steel or the like having excellent castability and mechanical properties. Further, an intermediate layer made of graphite steel or high carbon steel may be provided between the outer layer and the inner layer. When the roll is manufactured by the centrifugal casting method, the intermediate layer may be further centrifugally cast following the centrifugal casting of the outer layer.
  • the roll for hot rolling of steel plates has mainly explained the roll for hot rolling of steel plates.
  • the present invention is not limited to the composite roll for hot rolling of steel plates, and it goes without saying that there is no problem even if it is applied to the composite roll for steel pipe rolling with caliber.
  • the outer layer is centrifugally cast, it may be centrifugally cast using spheroidal graphite cast iron or high carbon steel as the inner layer material.
  • a ring-shaped test material (outer diameter: 250 mm ⁇ , wall thickness: 80 mm) was obtained by centrifugal casting. Casted. The casting temperature was 1450 ° C., and the centrifugal force was 160 G as a multiple of gravity. After casting, the test material was tempered at 400 to 480 ° C. The hardness after tempering was Hs 77 to 83. Note that a known Ni grain cast iron was used as a conventional example, and tempered at 430 ° C. to give a hardness of Hs 78-80.
  • Test pieces were collected from these ring-shaped test materials, and subjected to structure observation, wear test, and thermal shock test.
  • (1) Microstructure observation A specimen for microstructural observation was collected from a ring-shaped test material, the graphite structure was observed after polishing to a mirror surface, and the carbide structure was observed after corrosion with a nitrate alcohol solution. First, the presence / absence of graphite was observed with a 100 ⁇ optical microscope, and the segregation of graphite and carbide structures was visually examined. When a clear quantitative change or shape change of the structure exceeding about 30% was recognized by visual judgment, segregation was “present”, and when segregation could not be identified, segregation was “no”.
  • a test piece (size: 60 mm ⁇ , 10 mm thickness) is taken from a ring-shaped test material, and a two-disk sliding wear method (part: material S45C, size: 190 mm ⁇ , 20 mm thickness) and the test piece ( A wear test was carried out in FIG. While rotating the test piece at a rotational speed of 720 rpm, the mating member was heated to 830 ° C., the test piece was water-cooled, and the amount of cooling water was changed so that the test piece surface temperature was 440 ° C. The sliding rate between the test piece and the counterpart material was 8%, and the sample was rolled for 160 minutes while being pressed with a load of 100 kgf (980 N). In this test, the mating material was updated every 40 minutes. After the test, the wear loss (wear amount) of the test piece was measured. The wear resistance of each sample was evaluated as superior or inferior to the conventional example by comparing the wear ratio obtained by dividing the wear amount of each sample by the wear amount of the conventional example.
  • Rz JIS and Ra are values in accordance with JIS B 0601-2001.
  • a disk-shaped mating material (material: S45C, size: 190 mm ⁇ ) heated at 830 ° C. by a high-frequency heating coil and rotating at 150 rpm is pressed against a 25 mm-thick plate-shaped test piece with a load of 100 kgf for 10 seconds to form a plate
  • the test piece was rapidly heated, and water-cooled simultaneously with unloading, and a thermal shock was applied to the plate-like test piece.
  • a penetrant flaw detection test was conducted, and the cross section was observed at three locations where there was much bleeding of the developer, the maximum depth of the crack was measured, and the thermal shock was compared with NiG, which is a conventional example, as the crack depth. Sex was evaluated.
  • Each of the examples of the present invention has excellent wear resistance, a shallow crack depth and excellent thermal shock resistance, and does not cause segregation or rough skin, and has extremely excellent properties as a roll for rolling.

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Abstract

耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性がともに優れた、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提供する。 外層材の組成を、質量％で、 C：２．４～３．５％、Si：１．２～２．４％、Mn：０．２～２．０％、Cr：０．８～２．１％、Mo：０．３～１．１％、Ni：３．０～６．０％、V：１．０～２．２％、Nb：０．１～０．５％、REM：０．０００５～０．１％、Al：０．００３～０．０５％を含み、かつC、Cr、V、Nb、REM、Al含有量がCr＋０．２≦C－（０．２４×V＋０．１３×Nb）≦３．０、０．０１≦REM/Aｌ≦３．２　(ここで、C、Cr、V、Nb、REM、Al：各元素の含有量（質量％）)を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成とする。

Description

熱間圧延用ロール外層材および熱間圧延用複合ロール
　本発明は、熱間圧延用複合ロール(hot rolling mill roll)に係り、とくに、耐摩耗性(wear resistance)、耐熱衝撃性(heat shock resistance)および耐肌荒れ性(surface deterioration resistance)に優れ、鋼板の熱間圧延仕上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、鋼板や鋼管の熱間圧延技術の進歩はめざましく、それに伴い、使用される熱間圧延用ロールの特性、とくに耐摩耗性の向上が強く要求されてきた。このような耐摩耗性向上の要求に対し、外層組成(surface layer)を高速度工具鋼(high-speed tool steel)組成に類似した組成とし、硬質な炭化物を析出させて、耐摩耗性を格段に向上させた高性能ロール（以下、ハイス系ロール(high-speed steel roll)ともいう）が開発され実用化されている。
　一方、鋼板の最終仕上圧延スタンドでは被圧延材の絞り圧延事故(cobble)が生じやすく、かつ、ロールの表面肌模様が鋼板に転写されやすい。そのため、黒鉛を含有し耐熱衝撃性に優れ、比較的ロール表面肌も美麗なＮｉグレン鋳鉄(nickel grain cast iron)ロールが組み込まれて熱間圧延が行われてきた。しかし、従来のＮｉグレン鋳鉄ロールは、耐摩耗性が劣り、そのためロール寿命が短いという問題があった。
　一方、耐摩耗性に優れたハイス系ロールは、絞り事故や焼付き(sticking)の発生によって粗大な熱衝撃亀裂が生成するなど、耐事故性の観点で問題がある。そのため、絞り圧延事故の発生頻度が高い鋼板の熱間圧延最終仕上後段スタンドでは、ハイス系ロールを安定して使用することはできず、依然として、多量のNiグレン鋳鉄ロールが使用されている。
　このような問題に対し、例えば、特許文献１には、Niグレン鋳鉄に１．０～５．０重量％のVを添加し、耐摩耗性を向上させるとした熱間圧延用ロールが提案されている。また、特許文献２には、Niグレン鋳鉄に２．０～８．０重量％のVを添加し、面積率で０．５～５％の黒鉛に加えて０．２～１０％のMC型炭化物を出現させて耐摩耗性を向上させるとした熱間圧延用ロールが提案されている。
　また、特許文献３には、高硬度複合炭化物と黒鉛を組織中に有するハイス系鋳鉄材において、晶出する黒鉛を微細化することにより耐摩耗性と耐肌荒れ性を両立させるとした圧延用ロール外層材が提案されている。さらに、特許文献４には、Cr、V、Nbの合計含有量を３重量％以下に制限し、面積率で２％以上の黒鉛を晶出させ、肌荒れの発生を抑制した耐摩耗性熱間圧延用ロールが提案されている。
　また、特許文献５、特許文献６、特許文献７には、VとNbを複合添加してMC型炭化物の形態を改善するとともにCr量と有効C量を制御して、耐摩耗性、耐焼付き性、耐肌荒れ性、および耐熱衝撃性を向上することが提案されている。さらに、特許文献８には、上記組成限定に加えて、黒鉛組織を制御することにより、耐熱衝撃性をより一層改善した熱間圧延用ロール外層材が提案されている。
特開平０１－２８７２４８号公報 特開平０６－３３５７１２号公報 特開平１１－２２９０７２号公報 特開２００１－１８１７８０号公報 特開２００３－７３７６７号公報 特開２００３－３４２６６９号公報 特開２００４－１６２１０４号公報 特開２００４－３２３９６１号公報
　しかしながら、最近では、圧延製品の品質向上と効率的生産の観点から、圧延速度の増加、連続圧延量の増加等が実施され、熱間圧延用ロールの使用環境はますます過酷化している。しかも圧延製品の表面品質への要求はますます厳格化されているのに対して、上記記載の従来技術では耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性を同時に満足することはできなかった。
　本発明は、上記した従来技術の問題を有利に解決し、耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性がともに優れた、熱間圧延用ロール外層材及び熱間圧延用複合ロールを提案することを目的とする。
　本発明者らは、上記した課題を達成するために、熱間圧延用ロールの耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性に影響する種々の要因について鋭意検討した。
　その結果、Cr、V、およびNbを含有するNiグレン鋳鉄にREMとAlを複合添加した場合、それらの添加量の比率によって耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性が変化し、特に耐熱衝撃性に及ぼす影響が大きいという重大な現象を知見した。
　図１に熱衝撃試験結果を示す。熱衝撃試験は、REMとAl含有量を変化させて溶製したリング状試験材から２５ｍｍ厚の板状試験片を採取し、円板状の相手材（材質：Ｓ４５Ｃ、大きさ：１９０ｍｍφ）を用いて、図３に示す構成の試験機で実施した。高周波加熱コイルにより８３０℃に加熱され、１５０ｒｐｍで回転する円板状の相手材（材質：Ｓ４５Ｃ、大きさ：１９０ｍｍφ）を２５ｍｍ厚の板状試験片に荷重１００ｋｇｆで１０秒間圧接して、板状試験片を急加熱し、除荷と同時に水冷して板状試験片に熱衝撃を印加した。試験後、浸透探傷試験を実施し、現像液の滲みが多い３ヶ所で切断し断面を観察して亀裂の最大深さを測定し亀裂深さとした。
　図１に示すように、REMとAlの質量比REM/Alが０．０１未満では熱衝撃亀裂深さが大きく、REM/Aｌが０．０１～３．２の範囲で熱衝撃亀裂深さは２．５ｍｍ以下と小さく、REM/Aｌが３．２超えになると熱衝撃亀裂深さが増大するという知見を得た。
　さらに、V、Nbと結合した残りのC量である有効C量（＝C－（０．２４×V＋０．１３×Nb））が（Cr＋０．２）％以上でないと出現する黒鉛量が不足して耐熱衝撃性が低下（熱衝撃亀裂が深くなる）する。一方、３．０％を超えると黒鉛量が過剰となり耐摩耗性が低下することを見出した。
本発明は、上記した知見に基いて、さらに検討を加えて完成されたものである。
　すなわち、本発明は
〔１〕　熱間圧延用複合ロールの外層に用いられるロール外層材であって、質量％で、C：２．４～３．５％、Si：１．２～２．４％、Mn：０．２～２．０％、Cr：０．８～２．１％、Mo：０．３～１．１％、Ni：３．０～６．０％、V：１．０～２．２％、Nb：０．１～０．５％、REM：０．０００５～０．１％、Al：０．００３～０．０５％を含み、かつC、Cr、V、Nb、REM、Al含有量が下記（１）および（２）式を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
　　　　　　　　　　　　　　　　記
Cr＋０．２≦C－（０．２４×V＋０．１３×Nb）≦３．０　・・・（１）
０．０１≦REM/Aｌ≦３．２　　　　　 　・・・・・・・・・・・（２）
ここで、C、Cr、V、Nb、REM、Al：各元素の含有量（質量％）
〔２〕　前記組成に加えてさらに、質量％で、B：０．００１～０．０５％を含むことを特徴とする〔１〕に記載の熱間圧延用ロール外層材。
　〔３〕　前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：０．０４％以下、Ti：０．０３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする、〔１〕または〔２〕に記載の熱間圧延用ロール外層材。
〔４〕　前記組成に加えてさらに、質量％でCo：２．０％以下、W：２．０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする、〔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。
　〔５〕　外層と内層が溶着一体化してなる熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が質量％で、C：２．４～３．５％、Si：１．２～２．４％、Mn：０．２～２．０％、Cr：０．８～２．１％、Mo：０．３～１．１％、Ni：３．０～６．０％、V：１．０～２．２％、Nb：０．１～０．５％、REM：０．０００５～０．１％、Al：０．００３～０．０５％を含み、かつＣ、Ｃｒ、V、Nb、REM、Al含有量が下記（１）および（２）式を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性に優れた熱間圧延用複合ロール。
　　　　　　　　　　　　　　　　記
Cr＋０．２≦C－（０．２４×V＋０．１３×Nb）≦　３．０　・・・（１）
０．０１≦REM/Aｌ≦３．２　　　　 ・・・・・・・・・・・・・・（２）
ここで、C、Cr、V、Nb、REM、Al：各元素の含有量（質量％）。
　〔６〕　前記外層が、前記組成に加えてさらに、質量％で、B：０．００１～０．０５％を含むことを特徴とする〔５〕に記載の熱間圧延用複合ロール。
〔７〕　前記外層が、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：０．０４％以下、Ti：０．０３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする〔５〕または〔６〕に記載の熱間圧延用複合ロール。
〔８〕　前記外層が、前記組成に加えてさらに、質量％で、Co：２．０％以下、W：２．０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする〔５〕ないし〔７〕のいずれかに記載の熱間圧延用複合ロール。
　本発明によれば、鋼板の熱間圧延の後段圧延スタンド用ロールとして、優れた耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性を兼備した複合ロールが安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。また、本発明の複合ロールは、鋼板の熱間圧延において絞り事故の多発する、後段圧延スタンド用ロールとして安定して使用できる。また、本発明の複合ロールは、優れた耐摩耗性および耐肌荒れ性が要求される形鋼圧延用ロールまたは鋼管圧延用ロールとしても適用できる。
熱衝撃亀裂深さとREM/Aｌの関係を示す図である。 摩耗試験の概要を示す概略説明図である。 熱衝撃試験の概略を示す概略説明図である。
　まず、本発明の熱間圧延用複合ロールの外層（外層材）の組成限定理由について説明する。なお、本明細書において組成における質量％は単に％と記す。
　C：２．４～３．４％
　Cは、V、Nb、Cr、Moと結合して、ロールの耐摩耗性を向上するための硬質炭化物形成に必須な元素であるとともに、黒鉛を晶出させて耐熱衝撃性を確保するために必要な元素であり、本発明では２．４％以上の含有を必要とする。一方、３．４％を超えて含有すると共晶炭化物が多量に出現して耐熱衝撃特性を劣化させるとともに、黒鉛が粗大化して、耐肌荒れ性が低下する。このため、Cは２．４～３．４％の範囲に限定した。なお、好ましくは、２．８～３．３％である。
　Si：１．２～２．４％
　Siは、Cの活量を増加し黒鉛を晶出させやすくする元素であり、耐熱衝撃特性を向上させる効果を持つ。本発明ではこの効果を得るため１．２％以上の含有を必要とする。一方、２．４％を超えて含有すると、ロールの耐摩耗性と耐肌荒れ性が著しく低下する。このようなことから、Siは１．２～２．４％の範囲に限定した。
　Mn：０．２～２．０％
　Mnは、溶鋼中のSをMnS　として固定し、耐摩耗性を阻害するSを無害、安定化するために有効である。また、焼入れ性を向上させ硬さを増加させるという効果もある。このような効果を得るためには、０．２％以上の含有が必要である。しかし、２．０％を超えて含有すると凝固界面に偏析し材料を脆化させる。このため、Mnは０．２～２．０％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．３～１．０％である。
　Cr：０．８～２．１％
　Crは、共晶炭化物を増量させ、硬質化させる元素であり、ロール圧延時の炭化物破壊を抑制し耐摩耗性を向上させる効果を有する。このような効果を得るためには、０．８％以上の含有を必要とする。一方、２．１％を超えて含有すると、共晶炭化物が増加し耐肌荒れ性が低下するとともに、黒鉛量が減少して耐熱衝撃性も低下する。このため、Crは０．８～２．１％に限定した。なお、好ましくは１．２～２．０％である。
　Mo：０．３～１．１％
　Moは、共晶炭化物を過度に増量させることなく、炭化物や基地を強化する作用を有し、優れた耐肌荒れ性を維持しつつ耐摩耗性を向上させる効果を有する。特に、Nbと複合して含有することにより、硬質なMC型炭化物を強化し、耐摩耗性を顕著に向上させる重要な効果を発揮する。このような効果を得るためには、０．３％以上の含有を必要とする。一方、１．１％を超えて含有すると、共晶炭化物が硬く脆弱となり、耐熱衝撃性と耐肌荒れ性が劣化する。本発明の優れた耐熱衝撃性と耐肌荒れ性を確保するために、Moは０．３～１．１％に限定した。なお、好ましくは０．４～１．０％である。
　Ni：３．０～７．０％
　Niは、焼入れ性を向上する効果があり、基地組織を硬質なマルテンサイトまたはベイナイトとして、圧延用ロールに必要なショアー硬さ（Hs７６～８８）を確保するために添加する。このような効果は３．０％以上の含有で認められる。しかし、７．０％を超えて含有すると、オーステナイトが著しく安定化し、基地組織に軟質の残留オーステナイト量が増加するため、必要な硬さが得られなくなるとともに、耐摩耗性も低下する。このため、Niは３．０～７．０％の範囲に限定した。なお、好ましくは３．０～５．０％である。
　V：１．２～２．２％
　Vは、硬質なMC型炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる効果を有する元素である。本発明では、一定レベル以上の耐摩耗性を得るために、１．２％以上の含有を必要とする。一方、２．２％を超えると、硬質なＭＣ型炭化物が圧延面で凸化しロールの肌荒れが発生する。さらに、耐熱衝撃性が劣化する等の弊害も発生させる。このため、Vは１．２～２．２％の範囲に限定した。なお、好ましくは１．４～２．１％である。
　Nb：０．１～０．８％
　Nbは、MC型炭化物に固溶して炭化物を強化する作用を有する元素である。とくに、所定範囲のCr、Mo、Vと複合して含有することにより、炭化物を著しく強化して耐摩耗性を顕著に向上させる重要な効果を有している。また、Vのみの含有ではMC型炭化物が羽毛状(feathery)に成長して組織が粗大化し、ロールの肌荒れを誘引する。しかし、NbとVを複合して含有することにより、MC型炭化物の羽毛状化を抑制することができる。さらにAl、REMおよび／またはTiを複合添加することにより、炭化物が微細分散して、肌荒れが抑制される。このような効果を得るためには、０．１％以上の含有を必要とする。一方、０．８％を超えて含有すると、MC型炭化物がデンドライト状(dendritic)に粗大化するため、却って肌荒れが発生するようになる。また、遠心鋳造法(centrifugal casting)で製造すると、MC型炭化物の偏析が生じる。このようなことから、Nbは０．１～０．８％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．２～０．６％である。
　REM：０．０００５～０．１％
　REMはAlと特定の範囲で含有させることにより、耐熱衝撃性、耐肌荒れ性および耐摩耗性を向上させる極めて重要な元素である。REM単体では黒鉛形状を丸くして耐摩耗性を向上させる作用を持つ。また、REMの比重は６～８でFeに近いため重力偏析を起こしにくいという利点もある。REMのこのような効果を得るためには、０．０００５％以上の含有を必要とする。一方、０．１％を超えて含有すると前記特性向上効果が消滅するだけでなく、黒鉛の晶出を抑制して耐熱衝撃特性と耐肌荒れ性を悪化させる。このため、REMは０．０００５～０．１％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．００１～０．０６％である。ここで、本発明におけるREMとは、希土類元素、レアアース（元素記号：Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu）をさすが、本発明ではこれらの２種以上の混合物（CeとLaが主成分）のミッシュメタル(misch metal)を添加して用いる。なお、REMの含有量は、前記したレアアースをそれぞれ抽出することは困難あるいは膨大なコストがかかるため、Ceのみを分析してその２倍の値を用いた。
　Al：０．００３～０．０５％
　AlはREMと特定の配合比で含有させることにより、耐熱衝撃特性、耐肌荒れ性および耐摩耗性を向上させる極めて重要な元素である。Al単体では黒鉛形状を細長く伸びた片状にして耐熱衝撃特性を向上させる作用を持つ。Alのこのような効果を得るためには、０．００３％以上の含有を必要とする。一方、０．０５％を超えて含有すると、黒鉛が粗大化して耐熱衝撃特性、耐摩耗性および耐肌荒れ性が劣化するという重大な悪影響を及ぼす。また、鋳造性が低下してザク巣やミクロポロシティを発生させるようになる。このため、Alは０．００３～０．０５％の範囲に限定した。なお、好ましくは０.００５～０.０５０％である。
　B：０．００１～０．０５％
　Bは、黒鉛を微細分散する作用を有し、特に、REM、Alの複合共存下で０．００１％以上含有させると、耐熱衝撃特性を向上させる効果を発揮する。一方、０．０５％を超えて含有すると、耐熱衝撃特性と耐摩耗性が著しく低下する。このため、Bは０．００１～０．０５％の範囲に限定した。なお、好ましくは０．００１～０．０４％である。
　Ti：０．０３％以下、Ca：０．０４％以下のうちから選ばれた１種または２種
　Ti、Caは、いずれも、MC型炭化物を丸く成長させて、耐肌荒れ性を向上させる作用を有する。前記作用はTi：０．０３％以下およびCa：０．０４％以下であるときに有効に働く。一方、Tiが０．０３％を超えると黒鉛形状が変化して耐熱衝撃性と耐肌荒れ性を低下させる。また、遠心鋳造法でロール外層を製造した場合にMC型炭化物の偏析を促進する。また、Caが０．０４％を超えると、耐熱衝撃性が低下する。さらに、遠心鋳造法でロール外層を製造した場合に、黒鉛とMC型炭化物の偏析を促進する。好ましくはTi：０．００１～０．０１％、Ca：０．０００２～０．０３％である。
　Co：２％以下、W：２％以下のうちから選ばれた１種または２種
　Coは、基地金属に固溶し基地を強化する効果を有する。しかし、２％を超えて含有してもその効果は飽和するため、２％以下に限定した。また、Wは、炭化物を増量して耐摩耗性を向上する効果があり、少量の含有は好ましい。しかし、２％を超えると耐熱衝撃性および耐肌荒れ性が低下するため、２％以下に限定した。好ましくはCo：０．１～１．５％、W：０．１～１．５％である。
　また、本発明では、上記した成分範囲内としたうえで、さらに次（１）～（２）式
Cr＋０．２≦C－（０．２４×V＋０．１３×Nb）≦３．０　・・・（１）
０．０１≦REM/Al≦３．２　　　・・・（２）
（ここで、C、V、Nb、Cr、REM、Al：各元素の含有量（質量％））
を満足するように各成分の含有量を調整することが重要である。これにより、優れた耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性を兼備した熱間圧延作業用ロール外層（外層材）となる。
　Cr＋０．２≦C－（０．２４×V＋０．１３×Nb）≦３．０　……（１）
有効Ｃ量がCr＋０．２未満では、黒鉛の晶出が抑制されて耐熱衝撃性と耐肌荒れ性が低下する。一方、有効Ｃ量が３．０％を超えると共晶炭化物と黒鉛が過度に増加し、耐熱衝撃性と耐肌荒れ性が低下する。
　０．０１≦REM/Al≦３．２　　　・・・（２）
REMとAlは、それぞれ単独で含有させると耐熱衝撃性が低下する、あるいは耐摩耗性が低下するという悪影響が出現する。しかし、共存した場合には互いに悪影響を中和する作用があり、複合添加する必要がある。REM/Aｌが０．０１未満では耐肌荒れ性と耐摩耗性が低下する。REM/Aｌが３．２を超えると耐熱衝撃性と耐肌荒れ性が低下する。本発明の特定成分系では、０．０１≦REM/Al≦３．２とすることにより、優れた耐熱衝撃性、耐肌荒れ性と耐摩耗性を兼ね備えたロール材料が得られる。なお、より好ましくは０．０５～３．０である。
　本発明では、ロール外層材の製造方法は特に限定されない。しかし、上記した組成の溶湯を、遠心鋳造法で所定の寸法形状のロール外層材とすることが製造コストの観点から好ましい。この場合、ロール外層材の凝固途中あるいは完全凝固後に、鋳型の回転を停止し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が溶着一体化した、複合ロールとなる。
　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やいも虫状黒鉛鋳鉄あるいは黒鉛鋼などを用いるのが好ましい。また、外層と内層の間に、黒鉛鋼や高炭素鋼からなる中間層を設けてもよい。遠心鋳造法でロールを製造する場合、中間層は、外層の遠心鋳造に引きつづいて、さらに遠心鋳造すれば良い。
　なお、以上の説明は、主として、鋼板の熱間圧延用ロールを対象に説明してきた。しかし、本発明は、鋼板の熱間圧延用複合ロールに限定されることはなく、カリバー付き鋼管圧延用複合ロールに適用しても何ら問題ないことはいうまでもない。なお、鋼管圧延用のスリーブロール(sleeve roll)を製造する場合は、外層を遠心鋳造後、球状黒鉛鋳鉄や、高炭素鋼を内層材として、遠心鋳造すれば良い。
　表１に示す組成を有する溶湯を溶解し、Ca－Siで０．１５％量のSi接種した(inoculation)後、遠心鋳造法によりリング状試験材（外径：２５０ｍｍφ、肉厚：８０ｍｍ）を鋳造した。なお、鋳込み温度は１４５０℃、遠心力は、重力倍数で１６０Ｇとした。鋳造後、試験材に４００～４８０℃で焼戻し処理を施した。焼戻し後の硬さは、Ｈｓ７７～８３であった。なお、公知のＮｉグレン鋳鉄を従来例とし、４３０℃で焼戻し処理をしてHs７８～８０の硬さとした。
　これらリング状試験材から試験片を採取し、組織観察、摩耗試験、および熱衝撃試験を行った。
（１）組織観察
　リング状試験材から組織観察用試験片を採取し、鏡面まで研磨後に黒鉛組織を観察し、また硝酸アルコール溶液で腐食後に炭化物組織を観察した。まず、１００倍の光学顕微鏡で黒鉛の有無を観察し、黒鉛と炭化物組織の偏析状況を目視で調査した。目視判断で約３０％超えの組織の明確な量的変化または形状的変化が認められた場合を偏析“有り”、偏析を同定できない場合を偏析“なし”とした。
　（２）摩耗試験
　リング状試験材から試験片（大きさ：６０ｍｍφ、１０ｍｍ厚）を採取し、相手材（材質：Ｓ４５Ｃ、大きさ：１９０ｍｍφ、２０ｍｍ厚）と試験片の２円盤すべり摩耗方式（図２）で摩耗試験を実施した。試験片を回転数７２０ｒｐｍで回転させながら、相手材を８３０℃に加熱し、試験片を水冷し、その冷却水量を変化させて試験片表面温度が４４０℃になるようにした。試験片と相手材のすべり率を８％として、荷重１００ｋｇｆ（９８０Ｎ）で圧接しながら１６０分間転動させた。この試験では相手材を４０分毎に更新して試験を行った。試験後、試験片の摩耗減量（摩耗量）を測定した。各試料の耐摩耗性の評価は、各試料の摩耗量を従来例の摩耗量で除した摩耗比を比較することにより従来例との優劣で行った。
　さらに、試験片表面の肌荒れ状況を目視で観察し、凹凸状の肌荒れが目立つ場合（おおよそ１５～２０μｍ　Rz　JIS　以上（Rz　JIS　：十点平均粗さ）に相当）を肌荒れ “有り”とし、それ以外を肌荒れ“なし”とした。なお、Rz　JIS　、Ra　はJIS　B　０６０１－２００１　に準拠した値である。
　（３）熱衝撃試験
　リング状試験材から２５ｍｍ厚の板状試験片を採取し、円板状の相手材（材質：Ｓ４５Ｃ、大きさ：１９０ｍｍφ）を用いて、図３に示す構成の試験機で実施した。
　高周波加熱コイルにより８３０℃に加熱され、１５０ｒｐｍで回転する円板状の相手材（材質：Ｓ４５Ｃ、大きさ：１９０ｍｍφ）を２５ｍｍ厚の板状試験片に荷重１００ｋｇｆで１０秒間圧接して、板状試験片を急加熱し、除荷と同時に水冷して板状試験片に熱衝撃を印加した。試験後、浸透探傷試験を実施し、現像液の滲みが多い３ヶ所で切断し断面を観察して亀裂の最大深さを測定し亀裂深さとして、従来例であるＮｉＧとの比較により耐熱衝撃性を評価した。
　得られた結果を表２に示す。
　本発明例は、いずれも耐摩耗性に優れ、かつ亀裂深さが浅く耐熱衝撃性に優れるとともに、偏析、肌荒れの発生もなく、極めて優れた圧延用ロールとしての特性を有している。
　一方、本発明の範囲から外れる比較例は、耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性の少なくとも１つ以上が著しく低下している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  

Claims (8)

  1. 　熱間圧延用複合ロールの外層に用いられるロール外層材であって、質量％で、
    C：２．４～３．５％、Si：１．２～２．４％、Mn：０．２～２．０％、Cr：０．８～２．１％、Mo：０．３～１．１％、Ni：３．０～６．０％、V：１．０～２．２％、Nb：０．１～０．５％、REM：０．０００５～０．１％、Al：０．００３～０．０５％を含み、かつC、Cr、V、Nb、REM、Al含有量が下記（１）および（２）式を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
    　　　　　　　　　　　　　　　　記
    Cr＋０．２≦C－（０．２４×V＋０．１３×Nb）≦３．０　・・・（１）
    ０．０１≦REM/Aｌ≦３．２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
    ここで、C、Cr、V、Nb、REM、Al：各元素の含有量（質量％）
  2. 　前記組成に加えてさらに、質量％で、B：０．００１～０．０５％を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱間圧延用ロール外層材。
  3. 　前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：０．０４％以下、Ti：０．０３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の熱間圧延用ロール外層材。
  4. 　前記組成に加えてさらに、質量％でCo：２．０％以下、W：２．０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする、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。
  5. 　外層と内層が溶着一体化してなる熱間圧延用複合ロールであって、前記外層が質量％で、C：２．４～３．５％、Si：１．２～２．４％、Mn：０．２～２．０％、Cr：０．８～２．１％、Mo：０．３～１．１％、Ni：３．０～６．０％、V：１．０～２．２％、Nb：０．１～０．５％、REM：０．０００５～０．１％、Al：０．００３～０．０５％を含み、かつC、Cr、V、Nb、REM、Al含有量が下記（１）および（２）式を満足し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする耐摩耗性、耐熱衝撃性、および耐肌荒れ性に優れた熱間圧延用複合ロール。
    　　　　　　　　　　　　　　　　記
    Cr＋０．２≦C－（０．２４×V＋０．１３×Nb）≦　３．０　・・・（１）
    ０．０１≦REM/Aｌ≦３．２ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
    ここで、C、Cr、V、Nb、REM、Al：各元素の含有量（質量％）
  6. 　前記外層が、前記組成に加えてさらに、質量％で、B：０．００１～０．０５％を含むことを特徴とする請求項５に記載の熱間圧延用複合ロール。
  7. 　前記外層が、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ca：０．０４％以下、Ti：０．０３％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の熱間圧延用複合ロール。
  8. 　前記外層が、前記組成に加えてさらに、質量％で、Co：２．０％以下、W：２．０％以下のうちから選ばれた１種または２種を含むことを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の熱間圧延用複合ロール。
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