JP5867143B2 - 耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール、ならびにそれらの製造方法 - Google Patents
耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール、ならびにそれらの製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、熱間圧延用ロールに係り、とくに鋼板の熱間圧延仕上圧延機に好適な遠心鋳造製複合ロールに関する。
近年、鋼板の熱間圧延技術の進歩は著しく、それに伴い、熱間圧延用ロールの使用環境は一段と苛酷化している。とくに最近では、高強度鋼板や薄肉製品など、熱間圧延負荷の大きな鋼板の生産量が増大している。このため、使用される熱間圧延用ロール特性の向上、とくに耐摩耗性の向上が強く要望されてきた。このような耐摩耗性向上の要求に対し、外層組成を高速度工具鋼組成に類似した組成とし、硬質炭化物を多量に分散させて耐摩耗性を格段に向上させたハイス系ロールが開発され、多用されている。
このようなハイス系ロール外層材として例えば、特許文献１、特許文献２に記載がある。特許文献１に記載されたロール外層材は、質量％で、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。これにより、遠心鋳造法を適用しても外層材における偏析が抑制され、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に記載されたロール外層材は、質量％で、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。これにより、遠心鋳造法を適用してもロール外層材における偏析が抑制され、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、ロール表層の耐疲労性に優れたロール外層材が記載されている。特許文献３に記載されたロール外層材では、質量％で、Ｃ：2.2〜2.6％、Si：0.2〜0.7％、Mn：0.2〜0.7％、Cr：5.0〜8.0％、Mo：4.4〜6.0％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.3％を含み、かつ、Mo＋Ｖ、Ｃ−0.24Ｖ−0.13Nbがそれぞれ特定範囲内となるようにMo、Ｖ、Ｃ、Nb含有量を調整して含有する。これにより、耐疲労性が顕著に向上し、ロール表面損傷を著しく抑制でき、ロール寿命を向上できるとともに、圧延製品の表面品質の顕著な向上が得られるとしている。
しかしながら、最近の熱延鋼板（圧延製品）には、更なる薄肉化、高強度化および高品質化が要望されており、熱間圧延負荷の増大は著しく、また生産性向上に伴う連続圧延量の増加など、熱間圧延条件は一層、厳しさを増し、熱間圧延用ロールの使用環境はますます苛酷化している。
熱間圧延用ロール（作業ロール）の表面には、被圧延材を熱間圧延するに際し、ロール転動方向に作用するすべり応力、ロール軸方向に作用する転動応力とが繰返し作用し、さらにはバックアップロールからの繰返し転動応力が作用する。上記したようなロールの使用環境の苛酷化に伴い、特許文献１、２に記載されたロール外層材を使用しても、このような熱と応力の繰返し負荷により、作業ロール表層が疲労し、ロール圧延面の肌荒れ、疲労疵、表層の欠落ちなど、疲労損傷の発生が大きな問題となっている。
熱間圧延用ロール（作業ロール）の表面には、被圧延材を熱間圧延するに際し、ロール転動方向に作用するすべり応力、ロール軸方向に作用する転動応力とが繰返し作用し、さらにはバックアップロールからの繰返し転動応力が作用する。上記したようなロールの使用環境の苛酷化に伴い、特許文献１、２に記載されたロール外層材を使用しても、このような熱と応力の繰返し負荷により、作業ロール表層が疲労し、ロール圧延面の肌荒れ、疲労疵、表層の欠落ちなど、疲労損傷の発生が大きな問題となっている。
また、特許文献３に記載されたロール外層材によってもなお、表層の欠落ち、疲労疵等が発生する場合があるという問題があった。
本発明は、かかる従来技術の問題を有利に解決し、欠落ちや疲労疵などの疲労損傷を抑制できる、耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールを提供することを目的とする。
本発明は、かかる従来技術の問題を有利に解決し、欠落ちや疲労疵などの疲労損傷を抑制できる、耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材および熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記した目的を達成するために、遠心鋳造製ロール表層の欠落ちや疲労疵の発生に影響する各種要因について鋭意研究した。その結果、ロール表層に発生する欠落ちや疲労疵は、ロールの使用環境の苛酷化に伴う、作業ロール表面に対する、被圧延材と冷却水による熱移動の繰返しを伴う熱間転動疲労の増加と、バックアップロールからの過大な面圧（圧縮応力）の繰返し負荷と、の重畳によると考え、ロール表層の欠落ちや疲労疵の発生を防止するためには、ロール外層材の耐熱間転動疲労性の向上と、圧縮0.2％耐力の増加が有効であることに思い至った。
そして、ロール外層材の耐熱間転動疲労性と、圧縮0.2％耐力に影響する各種要因について、研究した。その結果、MoとＶ含有量を特定範囲に調整し、さらに炭化物量を特定範囲となるように調整したうえ、Alおよび／またはREMを微量含有させることにより、耐熱間転動疲労性が顕著に向上し、かつ圧縮0.2％耐力も向上することを新規に見出した。
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
まず、本発明の基礎となった実験結果について説明する。
質量％で、Ｃ：2.1〜3.1％、Si：0.3〜0.7％、Mn：0.3〜0.9％、Nb：0.7〜1.5％、Ti：０〜0.06％、Cu：０〜0.12％を含み、さらにCrを4.8〜9.8％、Moを3.8〜6.9％、Ｖを4.9〜7.3％の範囲で変化させ、さらにAlを０〜0.020％、REMを０〜0.021％を含有し、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、肉厚：55mm）を遠心鋳造法により鋳造した。なお、鋳込み温度は1380℃〜1450℃、遠心力は重力倍数で176Ｇとした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さをHS 78〜86に調整した。なお、焼入れ処理は、加熱温度：1050℃に加熱し、空冷あるいは炉冷する処理とし、焼戻処理は、焼戻温度：540〜560℃に加熱する処理とした。
なお、熱間仕上圧延圧延機用として使用されているハイス系遠心鋳造製ロール外層材（2.1質量％Ｃ−0.4質量％Si−0.4質量％Mn−6.3質量％Cr−4.2質量％Mo−5.1質量％Ｖ−0.1質量％Nb−残部Feおよび不可避的不純物）相当材（リング状ロール材）を、同様に遠心鋳造し、ついで同様な熱処理を施し、基準（従来例）とした。
得られたリング状ロール材から疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm）を採取して、熱間転動疲労試験を実施した。なお、疲労試験片には、図２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（180°離れた位置）に、0.20mmφ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面取り（1.2Ｃ）を施した。
得られたリング状ロール材から疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm）を採取して、熱間転動疲労試験を実施した。なお、疲労試験片には、図２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（180°離れた位置）に、0.20mmφ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面取り（1.2Ｃ）を施した。
熱間転動疲労試験は、図１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い、図２に示すようなノッチを有する試験片（疲労試験片）を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、790℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：10％で転動させた。疲労試験片に導入した２つのノッチ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、折損転動回転数とした。
そして、従来例の折損転動回転数を1.0（基準）とし、基準に対する各リング状ロール材の折損転動回転数の比、（リング状ロール材の折損転動回転数）／（従来例の折損転動回転数）を算出した。この比が1.5超える場合を耐疲労性が顕著に優れると評価した。なお、本発明者らは、すでに特開2010−101752号公報に記載されるように、この熱間転動疲労試験を用いれば、熱間圧延用ロールで生じる肌荒れ、疲労亀裂の発生・進展を再現することができ、熱間圧延用ロールの耐疲労性を簡便に評価でき、この熱間転動疲労試験において、折損転動回転数が多いロール外層材であれば、優れた耐疲労性を有するロール外層材となることを確認している。
得られた結果を、折損転動回転数の比と（Mo＋1.7Ｖ）（質量％）量との関係で図３に示す。
なお、図３では、質量％で、Ｃ：2.1〜3.1％、Si：0.3〜0.7％、Mn：0.3〜0.9％、Nb：0.7〜1.5％、Ti：０〜0.06％、Cu：０〜0.12％を含み、Cr：4.8〜9.8％、Mo：3.8〜6.9％、Ｖ：4.9〜7.3％を含有する範囲で、かつAlおよび／またはREMを含有する場合と、Al、REMを含有しない場合に限定して、示した。なお、Ti、Cuを含有しない場合も区別して示した。
なお、図３では、質量％で、Ｃ：2.1〜3.1％、Si：0.3〜0.7％、Mn：0.3〜0.9％、Nb：0.7〜1.5％、Ti：０〜0.06％、Cu：０〜0.12％を含み、Cr：4.8〜9.8％、Mo：3.8〜6.9％、Ｖ：4.9〜7.3％を含有する範囲で、かつAlおよび／またはREMを含有する場合と、Al、REMを含有しない場合に限定して、示した。なお、Ti、Cuを含有しない場合も区別して示した。
図３から、（Mo＋1.7Ｖ）が14.0〜17.0の範囲で、かつAlおよび／またはREMを含有する場合（●印）には、折損転動回転数の比が1.5以上と、従来例（△印）に比して増加しており、耐熱間転動疲労性が顕著に向上していることがわかる。一方、Al、REMを含有しない場合（×印）には、顕著な、折損転動回転数の比の増加は認められない。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成したものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成したものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールに用いられるロール外層材であって、質量％で、Ｃ：2.3〜2.9％、Si：0.2〜0.8％、Mn：0.2〜1.0％、Cr：5.0〜7.5％、Mo：4.4〜6.5％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％を、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、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疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材。
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、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疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材。
（２）外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる遠心鋳造製複合ロールであって、前記外層が、質量％で、Ｃ：2.3〜2.9％、Si：0.2〜0.8％、Mn：0.2〜1.0％、Cr：5.0〜7.5％、Mo：4.4〜6.5％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％
を、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、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疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
（３）質量％で、Ｃ：2.3〜2.9％、Si：0.2〜0.8％、Mn：0.2〜1.0％、Cr：5.0〜7.5％、Mo：4.4〜6.5％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％
を、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶湯を、遠心鋳造法によって鋳造してロール外層材とすることを特徴とする耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材の製造方法。
（４）質量％で、Ｃ：2.3〜2.9％、Si：0.2〜0.8％、Mn：0.2〜1.0％、Cr：5.0〜7.5％、Mo：4.4〜6.5％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％
を、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶湯を、遠心鋳造法によって鋳造して外層を成した後、内層材を静止鋳造法により鋳造し、前記外層と内層とを溶着一体化させて複合ロールとすることを特徴とする耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールの製造方法。
を、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、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疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
（３）質量％で、Ｃ：2.3〜2.9％、Si：0.2〜0.8％、Mn：0.2〜1.0％、Cr：5.0〜7.5％、Mo：4.4〜6.5％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％
を、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶湯を、遠心鋳造法によって鋳造してロール外層材とすることを特徴とする耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材の製造方法。
（４）質量％で、Ｃ：2.3〜2.9％、Si：0.2〜0.8％、Mn：0.2〜1.0％、Cr：5.0〜7.5％、Mo：4.4〜6.5％、Ｖ：5.3〜7.0％、Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、Cu：0.01〜0.2％
を、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶湯を、遠心鋳造法によって鋳造して外層を成した後、内層材を静止鋳造法により鋳造し、前記外層と内層とを溶着一体化させて複合ロールとすることを特徴とする耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールの製造方法。
本発明によれば、高い圧縮0.2％耐力と、優れた耐熱間転動疲労性を兼ね備えるロール外層材を得ることができ、耐疲労性が顕著に向上した高性能の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールを、容易にしかも安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。本発明の熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールは、耐疲労性が顕著に向上し、高圧延負荷が作用するような苛酷な熱間圧延環境下においても、摩耗や、肌荒れ、表層欠落ち、さらには疲労疵等のロール表面損傷を著しく抑制できる。本発明によれば、熱延鋼板の表面品質の顕著な向上、熱延鋼板の生産性向上、さらにはロール寿命の向上をともに達成できるという効果もある。
本発明のロール外層材は、遠心鋳造製で、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、遠心鋳造された外層と、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。なお、内層は静止鋳造法で製造することが好ましい。本発明では、内層、中間層の組成はとくに限定されないが、内層は球状黒鉛鋳鉄、中間層は、Ｃ：1.5〜3質量％の高炭素材とすることが好ましい。
まず、ロール外層材（外層）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％と記す。
Ｃ：2.3〜2.9％
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含有量に応じて共晶炭化物量が変化する。共晶炭化物は圧延使用特性に影響するため、Ｃ含有量が2.3％未満では、共晶炭化物量が不足し、圧延時の摩擦力が増加し圧延が不安定となるとともに、ロール外層材の圧縮0.2％耐力が低下する。一方、2.9％を超える含有は、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は2.3〜2.9％の範囲に限定した。
Ｃ：2.3〜2.9％
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含有量に応じて共晶炭化物量が変化する。共晶炭化物は圧延使用特性に影響するため、Ｃ含有量が2.3％未満では、共晶炭化物量が不足し、圧延時の摩擦力が増加し圧延が不安定となるとともに、ロール外層材の圧縮0.2％耐力が低下する。一方、2.9％を超える含有は、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は2.3〜2.9％の範囲に限定した。
Si：0.2〜0.8％
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。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。一方、0.8％を超えて含有しても、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る。このため、Siは0.2〜0.8％に限定した。
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。このような効果を得るためには、0.2％以上の含有を必要とする。一方、0.8％を超えて含有しても、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る。このため、Siは0.2〜0.8％に限定した。
Mn：0.2〜1.0％
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。このような効果を得るためには0.2％以上の含有を必要とするが、1.0％を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり、さらには材質を脆化する場合もある。このため、Mnは0.2〜1.0％に限定した。
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。このような効果を得るためには0.2％以上の含有を必要とするが、1.0％を超えて含有しても、効果が飽和し含有量に見合う効果が期待できなくなり、さらには材質を脆化する場合もある。このため、Mnは0.2〜1.0％に限定した。
Cr：5.0〜7.5％
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5.0％以上の含有を必要とする。一方、7.5％を超える含有は、硬脆な共晶炭化物が増加しすぎて、耐疲労性を低下させる。このため、Crは5.0〜7.5％の範囲に限定した。
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5.0％以上の含有を必要とする。一方、7.5％を超える含有は、硬脆な共晶炭化物が増加しすぎて、耐疲労性を低下させる。このため、Crは5.0〜7.5％の範囲に限定した。
Mo：4.4〜6.5％
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、4.4％以上の含有を必要とするが、6.5％を超える含有は、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は4.4〜6.5％の範囲に限定した。
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、4.4％以上の含有を必要とするが、6.5％を超える含有は、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は4.4〜6.5％の範囲に限定した。
Ｖ：5.3〜7.0％
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、5.3％以上の含有で顕著となるが、7.0％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させるとともに、ＭＣ型炭化物の遠心鋳造偏析を助長させるため、圧延用ロールの諸特性を不安定にする。このため、Ｖは5.3〜7.0％の範囲に限定した。
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、5.3％以上の含有で顕著となるが、7.0％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させるとともに、ＭＣ型炭化物の遠心鋳造偏析を助長させるため、圧延用ロールの諸特性を不安定にする。このため、Ｖは5.3〜7.0％の範囲に限定した。
Nb：0.6〜1.5％
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、とくにさら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、0.6％以上の含有で顕著となるが、1.5％を超える含有は、溶湯中でのＭＣ型炭化物の成長を促進させ、遠心鋳造時の炭化物偏析を助長する。このため、Nbは0.6〜1.5％の範囲に限定した。
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、とくにさら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、0.6％以上の含有で顕著となるが、1.5％を超える含有は、溶湯中でのＭＣ型炭化物の成長を促進させ、遠心鋳造時の炭化物偏析を助長する。このため、Nbは0.6〜1.5％の範囲に限定した。
Ti：0.002〜0.1％
Tiは、少量の含有でＭＣ型炭化物の晶出核を形成し、微細な粒状ＭＣ型炭化物を分散させ、強度を増加させ、耐疲労性を向上させる元素である。このような効果を得るためには0.002％以上の含有を必要とする。一方、0.1％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させ、鋳造時の炭化物偏析を助長させる。このため、Tiは0.002〜0.1％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.003〜0.08％である。
Tiは、少量の含有でＭＣ型炭化物の晶出核を形成し、微細な粒状ＭＣ型炭化物を分散させ、強度を増加させ、耐疲労性を向上させる元素である。このような効果を得るためには0.002％以上の含有を必要とする。一方、0.1％を超える含有は、ＭＣ型炭化物を粗大化させ、鋳造時の炭化物偏析を助長させる。このため、Tiは0.002〜0.1％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.003〜0.08％である。
Cu：0.01〜0.2％
Cuは、固溶した基地を強化し、耐疲労性を向上させる作用を有し、また、Ｓ、Ｂ等の不純物元素の悪影響を緩和する作用も有する元素である。このような効果を得るためには、0.01％以上の含有を必要とする。一方、0.2％を超える含有は、脆化が顕著となる。このため、Cuは0.01〜0.2％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.15％である。
本発明ではMo、Ｖを、上記した範囲で含有し、さらに、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように調整して含有する。
Cuは、固溶した基地を強化し、耐疲労性を向上させる作用を有し、また、Ｓ、Ｂ等の不純物元素の悪影響を緩和する作用も有する元素である。このような効果を得るためには、0.01％以上の含有を必要とする。一方、0.2％を超える含有は、脆化が顕著となる。このため、Cuは0.01〜0.2％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.01〜0.15％である。
本発明ではMo、Ｖを、上記した範囲で含有し、さらに、次（１）式
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
（ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％））
を満足するように調整して含有する。
図３に示すように、Mo、Ｖを（Mo＋1.7Ｖ）が上記した（１）式を満足するように調整して含有することにより、Alおよび／またはREMを含有する場合には、基準（従来例）に比べて折損転動数が顕著に増加し、耐熱間転動疲労性が顕著に向上する。（Mo＋1.7Ｖ）は、耐熱間転動疲労性向上の駆動力となる重要なファクターであり、（Mo＋1.7Ｖ）が14.0〜17.0の範囲に調整されてはじめて、優れた耐熱間転動疲労性を維持することができる。（Mo＋1.7Ｖ）が14.0〜17.0の範囲を外れると、Alおよび／またはREMを含有する場合でも、耐熱間転動疲労性が劣化する。このため、本発明ではMo、Ｖ含有量を（１）式を満足するように調整することにした。
本発明では、Mo，Ｖを上記した（１）式を満足するように調整したうえで、Alおよび／またはREMを必須含有させる。
Al：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％
Alおよび／またはREMは、Mo，Ｖが上記した（１）式を満足するように含有される場合にはじめて、図３に示すように、耐熱間転動疲労性を著しく向上させる作用を有する。このような効果を得るためには、Al、REMをそれぞれ0.001％以上含有する必要がある。一方、Al、REMをそれぞれ0.03％を超えて含有しても、上記した効果が飽和するうえ、気泡生成や溶鋼の流動性が低下するなど鋳造性が低下する。このため、Al：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％の範囲に限定した。
Al：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％
Alおよび／またはREMは、Mo，Ｖが上記した（１）式を満足するように含有される場合にはじめて、図３に示すように、耐熱間転動疲労性を著しく向上させる作用を有する。このような効果を得るためには、Al、REMをそれぞれ0.001％以上含有する必要がある。一方、Al、REMをそれぞれ0.03％を超えて含有しても、上記した効果が飽和するうえ、気泡生成や溶鋼の流動性が低下するなど鋳造性が低下する。このため、Al：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％の範囲に限定した。
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物からなる。
不可避的不純物としては、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.05％以下、Ｎ：0.06％以下、Ｂ：0.02％以下が例示できる。Ｐは、粒界に偏析し、材質を劣化させるため、本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、0.05％以下であれば許容できる。また、Ｓは、硫化物系介在物として存在し材質を低下させるため、できるだけ低減することが好ましいが、0.05％以下であれば許容できる。Ｎは、通常の溶解であれば、0.06％以下程度混入するが、この程度であれば本発明の効果に影響することはない。なお、Ｎは、複合ロールの外層と中間層あるいは内層との境界に欠陥を生成する場合があるため、0.05％未満とすることが好ましい。
不可避的不純物としては、Ｐ：0.05％以下、Ｓ：0.05％以下、Ｎ：0.06％以下、Ｂ：0.02％以下が例示できる。Ｐは、粒界に偏析し、材質を劣化させるため、本発明ではできるだけ低減することが望ましいが、0.05％以下であれば許容できる。また、Ｓは、硫化物系介在物として存在し材質を低下させるため、できるだけ低減することが好ましいが、0.05％以下であれば許容できる。Ｎは、通常の溶解であれば、0.06％以下程度混入するが、この程度であれば本発明の効果に影響することはない。なお、Ｎは、複合ロールの外層と中間層あるいは内層との境界に欠陥を生成する場合があるため、0.05％未満とすることが好ましい。
なお、本発明ロール外層材では、Cr、Ｖ、Mo等を多量に含有しており、極めて硬質な炭化物（ＭＣ型炭化物）および共晶炭化物が分散し、所望の硬さ、所望の耐摩耗性等を確保している。炭化物量が、面積率で13％未満では、所望の硬さ、耐摩耗性等を確保しにくい。一方、20％を超えて含有すると、ロール材質を脆化させる場合がある。このため、炭化物は、面積率で13〜20％の範囲に限定することが好ましい。
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。
まず、本発明では、ロール外層材の製造方法は、エネルギーコストの低い安価な、遠心鋳造法とする。
まず、内面にジルコン等を主材とした耐火物が被覆された、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。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。
まず、本発明では、ロール外層材の製造方法は、エネルギーコストの低い安価な、遠心鋳造法とする。
まず、内面にジルコン等を主材とした耐火物が被覆された、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。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。
なお、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、いも虫状黒鉛鋳鉄（VC鋳鉄）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等は強力な炭化物形成元素であり、これら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、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％以上90％以下程度の範囲で混入する。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、950〜1150℃に加熱し空冷あるいは衝風空冷する工程と、さらに450〜600℃に加熱保持したのち冷却する工程を１回以上施す処理とすることが好ましい。
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、950〜1150℃に加熱し空冷あるいは衝風空冷する工程と、さらに450〜600℃に加熱保持したのち冷却する工程を１回以上施す処理とすることが好ましい。
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、より好ましい硬さは80〜86HSである。このような硬さを安定して確保できるように、鋳造後の熱処理を調整することが推奨される。
表１に示すロール外層材組成の溶湯を、高周波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、肉厚：55mm）とした。なお、鋳込み温度は1380〜1450℃、遠心力は重力倍数で176Ｇとした。鋳造後、焼入れ温度：1050℃に再加熱し、空冷して、焼入れる焼入れ処理、および焼戻温度：450〜600℃に加熱・保持し冷却する焼戻処理を施し、硬さを78〜84HSに調整した。
なお、熱間仕上圧延圧延機用として使用されているハイス系遠心鋳造製ロール外層材（質量％で、2.1％Ｃ−0.4％Si−0.4％Mn−6.3％Cr−4.2％Mo−5.1％Ｖ−0.1％Nb−残部Feおよび不可避的不純物）組成のリング状試験材（リングロール）を、同様に遠心鋳造法で鋳造し、さらに熱処理を施し、基準材（従来例）とした。
得られたリング状試験材から、硬さ試験片、圧縮試験片、熱間転動疲労試験片および組織観察用試験片を採取して、硬さ試験、圧縮試験、熱間転動疲労試験および組織観察試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）硬さ試験
得られた硬さ試験片について、JIS Z 2244 の規定に準拠して、ビッカース硬さ計（試験力：50kgf（490kＮ））でビッカース硬さHV50を測定し、JIS換算表でショア硬さHSに換算した。なお、測定点は各10点とし、最高値、最低値を削除して算術平均し、その試験材の硬さとした。
（２）圧縮試験
得られた圧縮試験片（直径10mmφ×長さ20mm）について、室温で圧縮試験を実施した。繰り返し数は２本とした。なお、圧縮試験では、圧縮試験片の中央部に歪ゲージを貼付し、応力−歪曲線を測定し、得られた応力−歪曲線から0.2％耐力を読み取った。各試験材の0.2％耐力は、試験片２本でそれぞれ得られた0.2％耐力の平均値とした。
（３）熱間転動疲労試験
得られたリング状試験材から図２に示す形状の熱間転動疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm、面取り有）を採取した。熱間転動疲労試験片には、図２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（180°離れた位置）に、0.20mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。
得られたリング状試験材から、硬さ試験片、圧縮試験片、熱間転動疲労試験片および組織観察用試験片を採取して、硬さ試験、圧縮試験、熱間転動疲労試験および組織観察試験を実施した。試験方法はつぎのとおりとした。
（１）硬さ試験
得られた硬さ試験片について、JIS Z 2244 の規定に準拠して、ビッカース硬さ計（試験力：50kgf（490kＮ））でビッカース硬さHV50を測定し、JIS換算表でショア硬さHSに換算した。なお、測定点は各10点とし、最高値、最低値を削除して算術平均し、その試験材の硬さとした。
（２）圧縮試験
得られた圧縮試験片（直径10mmφ×長さ20mm）について、室温で圧縮試験を実施した。繰り返し数は２本とした。なお、圧縮試験では、圧縮試験片の中央部に歪ゲージを貼付し、応力−歪曲線を測定し、得られた応力−歪曲線から0.2％耐力を読み取った。各試験材の0.2％耐力は、試験片２本でそれぞれ得られた0.2％耐力の平均値とした。
（３）熱間転動疲労試験
得られたリング状試験材から図２に示す形状の熱間転動疲労試験片（外径60mmφ、肉厚10mm、面取り有）を採取した。熱間転動疲労試験片には、図２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（180°離れた位置）に、0.20mmφのワイヤを用いた放電加工（ワイヤカット）法で導入した。
熱間転動疲労試験は、図１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い、試験片を水冷しながら700rpmで回転させ、回転する該試験片に、790℃に加熱した相手片（材質：S45C、外径：190mmφ、幅：15mm、面取り有）を荷重980Nで圧接させながら、すべり率：10％で転動させた。そして、熱間転動疲労試験片に導入した２つのノッチ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、折損転動回転数とした。そして、従来例の折損転動回転数を基準（1.0）とし、得られた各リング状試験材と従来例との折損転動回転数の比、（各リング状試験材の折損転動回転数）／（従来例の折損転動回転数）を算出し、耐疲労性の指標とし、折損転動回転数の比が1.5超である場合を、耐疲労性に優れる評価した。
（４）組織観察試験
得られた組織観察用試験片を、研磨し、ナイタール腐食して、画像解析装置を用い、光学顕微鏡倍率：50倍で、組織を観察した。得られた画像を２値化して、炭化物の面積率を測定し、各試験材の炭化物量とした。
（４）組織観察試験
得られた組織観察用試験片を、研磨し、ナイタール腐食して、画像解析装置を用い、光学顕微鏡倍率：50倍で、組織を観察した。得られた画像を２値化して、炭化物の面積率を測定し、各試験材の炭化物量とした。
得られた結果を表２に示す。
本発明例はいずれも、従来例（基準）に比べて、折損転動回数が1.5倍を超えて増加しており、耐熱間転動疲労性が顕著に向上し、また、圧縮の0.2％耐力が2000MPa以上と、高い圧縮0.2％耐力を保持し、高い圧縮0.2％耐力と、優れた耐熱間転動疲労性を兼ね備えた、耐疲労性に優れたロール外層材となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、圧縮0.2％耐力が低下しているか、耐熱間転動疲労性が低下しているか、あるいは両方とも低下している。
Claims (4)
- 熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールに用いられるロール外層材であって、質量％で、
Ｃ：2.3〜2.9％、 Si：0.2〜0.8％、
Mn：0.2〜1.0％、 Cr：5.0〜7.5％、
Mo：4.4〜6.5％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.5％、 Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、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疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材。
記
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％） - 外層と、該外層と溶着一体化した内層とからなる遠心鋳造製複合ロールであって、前記外層が、質量％で、
Ｃ：2.3〜2.9％、 Si：0.2〜0.8％、
Mn：0.2〜1.0％、 Cr：5.0〜7.5％、
Mo：4.4〜6.5％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.5％、 Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、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疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製複合ロール。
記
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％） - 質量％で、
Ｃ：2.3〜2.9％、 Si：0.2〜0.8％、
Mn：0.2〜1.0％、 Cr：5.0〜7.5％、
Mo：4.4〜6.5％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶湯を、遠心鋳造法によって鋳造してロール外層材とすることを特徴とする耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製ロール外層材の製造方法。
記
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％） - 質量％で、
Ｃ：2.3〜2.9％、 Si：0.2〜0.8％、
Mn：0.2〜1.0％、 Cr：5.0〜7.5％、
Mo：4.4〜6.5％、 Ｖ：5.3〜7.0％、
Nb：0.6〜1.5％、Ti：0.002〜0.1％、
Cu：0.01〜0.2％
を、下記（１）式を満足するように含み、さらにAl：0.001〜0.03％および／またはREM：0.001〜0.03％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する溶湯を、遠心鋳造法によって鋳造して外層を成した後、内層材を静止鋳造法により鋳造し、前記外層と内層とを溶着一体化させて複合ロールとすることを特徴とする耐疲労性に優れた熱間圧延用遠心鋳造製複合ロールの製造方法。
記
14.0 ≦（Mo＋1.7Ｖ）≦ 17.0 ‥‥（１）
ここで、Mo、Ｖ：各元素の含有量（質量％）
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