JP6292362B1 - 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
耐摩耗性を確保するとともに、ロール表面のピット状の疵を軽減させ、耐肌荒れ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提供することを目的とする。質量％で、Ｃ：２．０〜３．０％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：４．０〜７．０％、Ｍｏ：３．０〜６．５％、Ｖ：５．０〜７．５％、Ｎｂ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．０％、Ｃｏ：０．２〜５．０％、Ｗ：０．５〜５．０％を含有し、かつＣ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｗの含有量が下記（１）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し、基地組織の８５％以上が焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織であり、焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径は０．５〜３．０μｍであることを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。０．０５≦（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）≦４．０ （１）ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｃｒ、％Ｍｏ、％Ｗ、％Ｎｉは、各元素の含有量（質量％）である。
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。このため、圧延用ワークロールには圧延面の疲労に起因した肌荒れや欠落ち疵が発生することが多くなり、これまで以上に耐肌荒れ性と耐欠落ち性への要求が強くなっている。現在、熱間圧延では数％量のＶを添加することにより硬質炭化物を多量に形成させて、耐摩耗性を向上させたハイス系ロールが多用されている。
このようなハイス系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％、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％、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。
一方で、熱間圧延製品の品質向上と生産性向上の観点から、熱間圧延用ロールの使用環境は苛酷化しており、鋼板の連続圧延量が増加している。さらに、熱間圧延製品の表面品質への要求も厳しくなっている。そのため、摩耗よりも肌荒れといったロール表面の疲労損傷を抑制することが大きな課題となってきた。このような課題に対して、特許文献３には、Ｃ：２．２〜２．６％、Ｃｒ：５．０〜８．０％、Ｍｏ：４．４〜６．０％、Ｖ：５．３〜７．０％、Ｎｂ：０．６〜１．３％を、Ｍｏ＋Ｖ、Ｃ−０．２４Ｖ−０．１３Ｎｂが特定範囲内となるようにＣ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ含有量を調整して、熱間圧延環境下でのロール表層の耐疲労性に優れるとした遠心鋳造製複合ロールが提案されている。また、特許文献４には、Ｃ：１．３〜２．２％、Ｓｉ：０．３〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜１．５％、Ｃｒ：２．０〜９．０％、Ｍｏ：９．０％以下、Ｖ：４．０〜１５．０％、およびＷ：２０．０％以下、Ｎｉ：５．０％以下、Ｃｏ：１０．０％以下のうちいずれか１種または２種以上を含有し残部実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなり、その組織中に分散する炭化物のサイズが特定の範囲内となる圧延用ロール外層材が提案されている。特許文献４では、粗大な炭化物として形成しやすい共晶炭化物量を低減することで、ピット状の疵を軽減することが可能としている。
しかしながら、近年の圧延技術は圧延鋼板の高品質化と高級化に向けて目覚しいスピードで進歩を遂げている。同時に、圧延に対し低コスト化も厳しく追及されることから、ロールの使用環境はますます厳しい。このため、従来までの炭化物のみに着目したロール材質の設計では、ピット状の疵の発生を軽減できない場合が出てきた。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、耐摩耗性を確保するとともに、ロール表面のピット状の疵を軽減させ、耐肌荒れ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提供することを目的とする。
本発明者らは、熱間圧延用ロール表面に形成されたピット状の疵の発生箇所を詳細に調査した。その結果、ピット状の疵は、共晶炭化物（主としてＭ２Ｃ系、Ｍ６Ｃ系、Ｍ７Ｃ３系およびＭ２３Ｃ６系炭化物）から発生したクラックが基地組織を伝播することでピット状に欠け落ちることを明らかにした。そこで、ピット状の疵を軽減するためには、従来までの炭化物種類、サイズに着目することに加えて、基地組織を伝播するクラックの伝播速度を低減させることが有効であると考え、本発明を完成させた。すなわち、ロール外層材の耐熱間転動疲労性と基地組織サイズに影響する各種要因について研究した結果、各元素の成分範囲の調整、および、各元素が特定の関係を満足するように各元素の含有量を調整することにより、熱間圧延時の耐疲労性が著しく向上するという、従来にない知見を得た。さらに、基地組織サイズを制御することにより、より熱間圧延時の耐疲労性が著しく向上するという知見も得た。
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、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．５％とし、Ｃ：１．６〜３．５％、Ｃｒ：３．５〜９．０％、Ｍｏ：２．１〜７．０％、Ｖ：４．１〜８．５％、Ｎｂ：０．３〜４．６％、Ｎｉ：０．０２〜３．６％、Ｃｏ：０．３〜８．０％、Ｗ：０．２〜８．０％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１４５０℃〜１５３０℃とし、遠心力はリング状ロール材の外周部が重力倍数で１８０Ｇとなるようにした。鋳造後、焼入れ処理、焼戻処理を施し、硬さをＨＳ ７８〜８６とした。なお、焼入れ処理は、加熱温度：１０７０℃に加熱し、空冷する処理とした。また、焼戻処理は、温度：５３０〜５７０℃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１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１に示すように、ノッチを有する試験片（熱延疲労試験片）と加熱された相手材との２円盤の転がりすべり転動方式で行った。すなわち、図１に示すように試験片（熱延疲労試験片）１を冷却水２で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させ、回転する該試験片１に、高周波誘導加熱コイル３により８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ）４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１に導入した２つのノッチ５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。
また、得られたリング状ロール材について、組織観察を行った。組織観察は、リング状ロール材の外表面から１０ｍｍ内部の任意の位置において、１０×１０×５ｍｍ（５ｍｍはリングの肉厚方向）の組織観察試験片を採取し、１０×１０ｍｍの面を鏡面研磨して、ナイタール（５体積％硝酸＋エタノール）で１０秒程度腐食し、光学顕微鏡を用いて行った。
また、焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径（短軸長さ）を測定するため、得られたリング状ロール材の外表面から１０ｍｍ内部の任意の位置において、測定試験片（５ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ）を採取して、５ｍｍ×１０ｍｍの面を鏡面研磨し、ＥＢＳＤ測定を実施した。加速電圧１５ｋＶ、ステップサイズ０．１μｍで、１００００μｍ２以上の領域の電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）により、測定を行った。隣接する測定点との方位差が１５°以上の箇所に境界線を引き、図２に示すように、境界線で囲まれた領域を一つの結晶として、測定面上で、長径が５μｍ以上の２０個の結晶の短径を測定し、その平均値を算出した。
得られた結果について、熱延疲労寿命と（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）との関係を図３に示し、熱延疲労寿命と焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径との関係を図４に示す。
図３から、（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）が０．０５以上または４．０以下になると、熱延疲労寿命が著しく向上していることが分かる。ここで、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗは炭化物を造りやすい元素であり、（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）は基地に固溶している炭素量を表す。そのため、（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）は基地に固溶している炭素量とＮｉ量の和であり、この値を適正な範囲に調整することで、基地中のクラックの伝播速度が遅い、熱延疲労寿命の優れるロール外層材が得られる。また、上記成分範囲を満足し、且つ基地組織の焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの結晶サイズを図４に示す範囲内に制御することにより、熱延疲労寿命を著しく向上させることが可能となる。
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：２．０〜３．０％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：４．０〜７．０％、Ｍｏ：３．０〜６．５％、Ｖ：５．０〜７．５％、Ｎｂ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．０％、Ｃｏ：０．２〜５．０％、Ｗ：０．５〜５．０％を含有し、かつＣ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｗの含有量が下記（１）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し、基地組織の８５％以上が焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織であり、焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径は０．５〜３．０μｍであることを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
０．０５≦（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）≦４．０ （１）
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｃｒ、％Ｍｏ、％Ｗ、％Ｎｉは、各元素の含有量（質量％）である。
［２］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［１］に記載の熱間圧延用ロール外層材からなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
［１］質量％で、Ｃ：２．０〜３．０％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：４．０〜７．０％、Ｍｏ：３．０〜６．５％、Ｖ：５．０〜７．５％、Ｎｂ：０．５〜３．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．０％、Ｃｏ：０．２〜５．０％、Ｗ：０．５〜５．０％を含有し、かつＣ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｗの含有量が下記（１）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し、基地組織の８５％以上が焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織であり、焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径は０．５〜３．０μｍであることを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
０．０５≦（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）≦４．０ （１）
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｃｒ、％Ｍｏ、％Ｗ、％Ｎｉは、各元素の含有量（質量％）である。
［２］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［１］に記載の熱間圧延用ロール外層材からな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、クラックの伝播速度が著しく低減し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、肌荒れや欠落ちなどの熱間圧延による表面損傷を抑制でき、連続圧延距離の延長やロール寿命の向上を達成できるという効果もある。
本発明の熱間圧延用ロール外層材は、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（ダクタイル鋳鉄）や鍛鋼、中間層は、Ｃ：１．５〜３．０質量％の高炭素材とすることが好ましい。
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、以下、質量％は、とくに断らない限り、単に％と記す。
Ｃ：２．０〜３．０％
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。このため、Ｃ含有量が２．０％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、基地組織中に固溶するＣ量が低いため、耐熱間転動疲労性を低下させる。一方、３．０％を超える含有は、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は２．０〜３．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、２．１〜２．８％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。このため、Ｃ含有量が２．０％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、基地組織中に固溶するＣ量が低いため、耐熱間転動疲労性を低下させる。一方、３．０％を超える含有は、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は２．０〜３．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、２．１〜２．８％である。
Ｓｉ：０．２〜１．０％
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、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経済的に不利となり、さらには、基地組織を脆化させる場合もある。このため、Ｓｉは０．２〜１．０％に限定する。なお、好ましくは、０．３〜０．７％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。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、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経済的に不利となり、さらには、基地組織を脆化させる場合もある。このため、Ｓｉは０．２〜１．０％に限定する。なお、好ましくは、０．３〜０．７％である。
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。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、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％に限定する。なお、好ましくは、０．３〜０．８％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。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、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％に限定する。なお、好ましくは、０．３〜０．８％である。
Ｃｒ：４．０〜７．０％
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４．０％以上の含有を必要とする。一方、７．０％を超える含有は、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は４．０〜７．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、４．３〜６．５％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４．０％以上の含有を必要とする。一方、７．０％を超える含有は、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は４．０〜７．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、４．３〜６．５％である。
Ｍｏ：３．０〜６．５％
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、３．０％以上の含有を必要とする。一方、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３．０〜６．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、３．５〜６．０％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、３．０％以上の含有を必要とする。一方、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３．０〜６．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、３．５〜６．０％である。
Ｖ：５．０〜７．５％
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、５．０％以上の含有で顕著となる。一方、７．５％を超える含有は、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は５．０〜７．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、５．２〜７．０％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、５．０％以上の含有で顕著となる。一方、７．５％を超える含有は、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は５．０〜７．５％の範囲に限定する。なお、好ましくは、５．２〜７．０％である。
Ｎｂ：０．５〜３．０％
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％以上の含有で顕著となる。一方、含有量が３．０％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は０．５〜３．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、０．８〜１．５％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％以上の含有で顕著となる。一方、含有量が３．０％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は０．５〜３．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、０．８〜１．５％である。
Ｎｉ：０．０５〜３．０％
Ｎｉは、基地中に固溶し、熱処理中のオーステナイトの変態温度を低下させ、基地の焼入れ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、０．０５％以上の含有を必要とする。一方、３．０％を超えて含有すると、オーステナイトの変態温度が低くなりすぎ、且つ焼入れ性が向上するため、熱処理後にオーステナイトが残留しやすくなる。オーステナイトが残留すると、熱間圧延中にクラックが発生するなど、耐熱間転動疲労性を低下させる。そのため、Ｎｉは０．０５〜３．０％の範囲に限定する。なお、熱処理中の冷却速度が遅くても、基地組織の結晶サイズを微細にすることが可能となるという、操業し易さから、好ましくは０．２〜３．０％である。
Ｎｉは、基地中に固溶し、熱処理中のオーステナイトの変態温度を低下させ、基地の焼入れ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、０．０５％以上の含有を必要とする。一方、３．０％を超えて含有すると、オーステナイトの変態温度が低くなりすぎ、且つ焼入れ性が向上するため、熱処理後にオーステナイトが残留しやすくなる。オーステナイトが残留すると、熱間圧延中にクラックが発生するなど、耐熱間転動疲労性を低下させる。そのため、Ｎｉは０．０５〜３．０％の範囲に限定する。なお、熱処理中の冷却速度が遅くても、基地組織の結晶サイズを微細にすることが可能となるという、操業し易さから、好ましくは０．２〜３．０％である。
Ｃｏ：０．２〜５．０％
Ｃｏは、基地中に固溶し、とくに高温において基地を強化して、耐疲労性を向上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、０．２％以上の含有を必要とする。一方、５．０％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、経済的に不利となる。このため、Ｃｏは０．２〜５．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、０．５〜３．０％である。
Ｃｏは、基地中に固溶し、とくに高温において基地を強化して、耐疲労性を向上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、０．２％以上の含有を必要とする。一方、５．０％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、経済的に不利となる。このため、Ｃｏは０．２〜５．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、０．５〜３．０％である。
Ｗ：０．５〜５．０％
Ｗは、基地中に固溶し、とくに高温において基地を強化して、耐疲労性を向上させる作用を有する元素であり、且つＭ２ＣまたはＭ６Ｃ系の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。このような効果を得るためには、０．５％以上の含有を必要とする。一方、５．０％を超えて含有すると、効果が飽和するだけでなく、粗大なＭ２ＣまたはＭ６Ｃ系の炭化物が形成され、耐熱間転動疲労性を低下させる。このため、Ｗは０．５〜５．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、１．０〜３．５％である。
Ｗは、基地中に固溶し、とくに高温において基地を強化して、耐疲労性を向上させる作用を有する元素であり、且つＭ２ＣまたはＭ６Ｃ系の炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる。このような効果を得るためには、０．５％以上の含有を必要とする。一方、５．０％を超えて含有すると、効果が飽和するだけでなく、粗大なＭ２ＣまたはＭ６Ｃ系の炭化物が形成され、耐熱間転動疲労性を低下させる。このため、Ｗは０．５〜５．０％の範囲に限定する。なお、好ましくは、１．０〜３．５％である。
本発明では、Ｃ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｗを、上記した範囲で含有し、さらに、下記（１）式を満足するように調整して含有する。
０．０５≦（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）≦４．０ （１）
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｃｒ、％Ｍｏ、％Ｗ、％Ｎｉは、各元素の含有量（質量％）である。
０．０５≦（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）≦４．０ （１）
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｃｒ、％Ｍｏ、％Ｗ、％Ｎｉは、各元素の含有量（質量％）である。
（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）について、上記（１）式を満足するように調整することにより、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。（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）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、上記（１）式の範囲を外れると、耐熱間転動疲労性が劣化する。Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗは炭化物を造りやすい元素であり、（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）は基地に固溶している炭素量を表す。そのため、（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）は基地に固溶している炭素量とＮｉ量の和であり、この値を適正な範囲に調整することで、基地中のクラックの伝播速度が遅い、熱延疲労寿命の優れるロール外層材が得られる。このため、本発明では（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）について、上記（１）式を満足するように調整する。
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。
また、本発明では、基地組織の８５％以上が焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織であり、焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径が０．５〜３．０μｍとなるようにすることが好ましい。残留オーステナイトやパーライト組織の分率が多いと、耐熱間転動疲労性が低下するため、基地組織中に焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織が８５％以上含まれることが好ましく、耐熱間転動疲労性の観点から９０％以上含まれることがより好ましい。なお、残部としては、残留オーステナイトおよび／またはパーライトが挙げられる。なお、基地組織の８５％以上を焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイトとするためには、５００〜５７０℃に加熱保持した後、冷却する工程の繰り返し回数により制御すればよい。
また、焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径が０．５μｍよりも小さくなるような成分系では、変態温度が低くなりすぎ、焼戻しを繰り返し行っても残留オーステナイト量を低くすることが困難になり、残留オーステナイトを起因とした熱間圧延中のクラックの発生が生じる可能性があり、耐熱間転動疲労性が低下する。また、焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径が３．０μｍを超えると、基地組織のクラック伝播速度が速く、耐熱間転動疲労性が低下する。そのため、基地組織の焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径を０．５〜３．０μｍの範囲に限定することが好ましい。耐熱間転動疲労性の観点から好ましくは０．５〜２．０μｍの範囲である。また、この短径を得るためには、基地の変態温度が２００〜４００℃の範囲となるように、成分および冷却速度を制御すればよい。
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。
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１２０〜２２０Ｇ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。
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（ＣＶ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、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５００〜５７０℃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。この時、変態温度が２００〜４００℃の範囲になるように、成分に応じて冷却速度を調整することによって、前述の好適な短径サイズを得ることが可能となる。また、５００〜５７０℃に加熱保持した後、冷却する工程の繰り返し回数によって、基地組織中の焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイトの量が変化するため、基地組織の８５％以上が焼戻しマルテンサイトおよび/またはベイナイトになるように繰り返し回数を設定すればよい
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。８０ＨＳよりも硬さが低いと、耐摩耗性が劣化し、逆に硬さが８６ＨＳ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。このような硬さを安定して確保できるように、鋳造後の熱処理温度、熱処理時間を調整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（ショア硬さ）、より好ましい硬さは８０〜８６ＨＳである。８０ＨＳよりも硬さが低いと、耐摩耗性が劣化し、逆に硬さが８６ＨＳ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。このような硬さを安定して確保できるように、鋳造後の熱処理温度、熱処理時間を調整することが好ましい。
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１４５０〜１５３０℃とし、遠心力はリング状ロール材の外周部が重力倍数で１８０Ｇとなるようにした。鋳造後、焼入れ温度：１０７０℃に再加熱し、空冷して、焼入れる焼入れ処理、焼戻処理は、温度：５３０〜５７０℃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、且つ、硬さを７８〜８６ＨＳに調整した。得られたリング状試験材から、硬さ試験片、熱間転動疲労試験片およびＥＢＳＤ測定用試験片を採取して、硬さ試験、熱間転動疲労試験および組織観察試験を実施した。
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（４９０Ｎ））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、最低値を削除して平均値を算出し、その試験材の硬さとした。
熱間転動疲労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１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った。試験片１を冷却水２で水冷しながら７００ｒｐｍで回転させ、回転する該試験片１に、高周波誘導加熱コイル３で８００℃に加熱した相手片（材質：Ｓ４５Ｃ、外径：１９０ｍｍφ、幅：１５ｍｍ、Ｃ１面取り）４を荷重９８０Ｎで接触させながら、すべり率：９％で転動させた。そして、熱間転動疲労試験片１に導入した２つのノッチ５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。
組織観察は、リング状ロール材の外表面から１０ｍｍ内部の任意の位置において、１０×１０×５ｍｍ（５ｍｍはリングの肉厚方向）の組織観察試験片を採取し、１０×１０ｍｍの面を鏡面研磨して、ナイタール（５体積％硝酸＋エタノール）で１０秒程度腐食し、光学顕微鏡を用いて行った。
焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径（短軸長さ）は、得られたリング状ロール材の外表面から１０ｍｍ内部の任意の位置からＥＢＳＤ測定試験片（５ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍ）を採取して、５ｍｍ×１０ｍｍの面を鏡面研磨し、ＥＢＳＤ測定により求めた。加速電圧１５ｋＶ、ステップサイズ０．１μｍで、１００００μｍ２以上の領域のＥＢＳＤ測定を行った。得られたデータを用いて、図２に示すように、隣接する測定点との方位差が１５°以上の箇所に境界線を引き、境界線で囲まれた領域を一つの結晶として、測定面上で、長径が１０μｍ以上の２０個の結晶の短径を測定し、その平均値を算出した。
得られた結果を表２に示す。
本発明例では熱延疲労寿命は著しく増加しており、３５０千回を超える優れた熱延疲労寿命を示した。また、組織観察の結果、本発明例はいずれも基地組織の８５％以上が焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織であることを確認した。
したがって、本発明によれば、クラックの伝播速度が著しく低減した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、肌荒れや欠落ちなどの熱間圧延による表面損傷を抑制できるため、連続圧延距離の延長やロール寿命の向上を達成できるという効果も得られる。
１ 試験片（熱延疲労試験片）
２ 冷却水
３ 高周波誘導加熱コイル
４ 相手片
５ ノッチ
２ 冷却水
３ 高周波誘導加熱コイル
４ 相手片
５ ノッチ
Claims (2)
- 質量％で、Ｃ：２．０〜３．０％、
Ｓｉ：０．２〜１．０％、
Ｍｎ：０．２〜１．０％、
Ｃｒ：４．０〜７．０％、
Ｍｏ：３．０〜６．５％、
Ｖ：５．０〜７．５％、
Ｎｂ：０．５〜３．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．０％、
Ｃｏ：０．２〜５．０％、
Ｗ：０．５〜５．０％
を含有し、かつＣ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｗの含有量が下記（１）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し、基地組織の８５％以上が焼戻しマルテンサイトおよび／またはベイナイト組織であり、測定面上で、長径が５μｍ以上の焼戻しマルテンサイトまたはベイナイトの短径は０．５〜３．０μｍであることを特徴とする熱間圧延用ロール外層材。
０．０５≦（％Ｃ−％Ｖ×０．１７７−％Ｎｂ×０．１２９−％Ｃｒ×０．０９９−％Ｍｏ×０．０６３−％Ｗ×０．０３３）＋（％Ｎｉ）≦４．０ （１）
ここで、％Ｃ、％Ｖ、％Ｎｂ、％Ｃｒ、％Ｍｏ、％Ｗ、％Ｎｉは、各元素の含有量（質量％）である。 - 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、前記外層が請求項１に記載の熱間圧延用ロール外層材からなることを特徴とする熱間圧延用複合ロール。
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