JPH02258949A - 耐摩耗複合ロール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐摩耗性に優れた熱間あるいは冷間圧延用ロー
ルに関するものである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕熱間あ
るいは冷間圧延用ロールは、耐摩耗性と強靭性とを同時
に有することが必要であるため、遠心鋳造法により外殻
層と内層とが複合化したロールとし、外殻層に耐摩耗性
のある材料を用い、内層に強靭性を有する材料を用いる
ことが広く行われている。この複合ロールは、高速で回
転している遠心鋳造金型内に外殻層となる溶湯を鋳込ん
で中空の外殻層を形成し、形成された外殻層内に内層と
なる溶湯を注入することにより製造することができる。

このようにして、外殻層と内層が金属接合した複合ロー
ルが得られるが、このとき内層溶湯の熱量により外殻層
内面の一品が再溶融し、内層と共に再凝固する。

このような遠心鋳造複合ロールの外殻層は硬質の炭化物
を晶出させて耐摩耗性を得るのが最も有効である。この
ようなロールの外殻層材質として、例えばＩｒｏｎ　ａ
ｎｄ　５ｔｅｅｌ　Ｂｎｇｉｎｅｅｒ、　Ａｐｒｉｌ　
１９７９、第４２頁〜第４９頁に開示されているように
、硬質のＣｒ炭化物を多く含有する高クロム鋳鉄が広く
用いられている。

高クロム鋳鉄より更に耐摩耗性を向上させる方法として
、Ｃｒ炭化物より更に硬質の炭化物を形成するＶ、Ｗ、
Ｍｏなどを多量に添加する方法が考えられるが、このよ
うな材質の遠心鋳造複合ロールは次の理由で製造できな
かった。

まず、■は耐摩耗性に極めて有効な硬質ＶＣ炭化物を形
成するが、この炭化物の比重は小さく、溶湯との比重差
が大きいため遠心鋳造時に内面側に濃縮する傾向を有す
る。このためロール使用表層部のＣおよびＶ量が著しく
減少する。

次に、硬質炭化物を形成するＶ、Ｗ、Ｍｏ等は強い白銑
化元素であり、外殻層と内層の溶着時に内層鋳鉄あるい
は鋳鋼に混入し、内層が鋳鉄の場合はその黒鉛化を著し
く劣化させる。このため、内層が脆化し、製造中或いは
圧延使用中に胴折れを生じる原因となる。

さらに、内層に黒鉛や炭化物の晶出しない鋼を用いた場
合、白銑化元素が混入することによる内層材の脆化の問
題はないが、内層の方が外殻層より高融点となるため、
内層を注入した時に外殻層が溶けて、混合状態となった
境界部分が最終凝固層となり、この境界部に鋳造欠陥が
発生しやすいという問題がある。

従って、本発明の目的は、Ｖ、　Ｍｏ、　Ｗ等の硬質炭
化物が均一に分布した外殻層と、黒鉛化の良好な鋳鉄或
いは鋳鋼からなる内層が溶着一体化した、耐摩耗性の極
めて良好な複合ロールを得ようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

ＶＣをはじめとする硬質炭化物を含有する遠心鋳造複合
ロールを製造する際の第一の問題点は、溶湯との比重が
相違するＶＣ炭化物が遠心分離することである。この問
題点につき発明者は種々の実験を行った結果、ＶＣ炭化
物の遠心分離による偏析程度は、ＶＣ炭化物の初晶での
晶出が少ない化学組成であれば極く小さいものであるこ
とを見い出した。

つまり、重量比で、０１〜４％、Ｓｉ３％以下、　Ｍｎ
１．５％以下、Ｎｉ４％以下、（’ｒ２〜１５％、Ｍｏ
８％以下、Ｗ２０％以下、Ｖ２〜１０％、残部実質的に
Ｆｅ及び不純物元素からなるとともに、０％＋０．４Ｖ
％の値が６．０以下の組成範囲とすれば、初晶としてＶ
Ｃ炭化物がほとんど晶出しないため、ＶＣ炭化物の内側
部分での偏析が少なく、かつ耐摩耗性の良好な外殻層材
を得ることができる。

従って、本発明の耐摩耗複合ロールは、遠心鋳造法によ
り鋳造した外殻層と鋳鉄又は鋳鋼の内層材とが溶着一体
化したもので、外殻層の化学成分が重量比でＣ１〜４％
、Ｓｉ３％以下、Ｍｎ１．５％以下、Ｎｉ４％以下、Ｃ
ｒ２〜１５％、Ｍｏ８％以下、Ｗ２０％以下、■２〜１
０％、残部実質的にＦｅ及び不可避的不純物元素からな
るとともに、０％＋０．４Ｖ％の値が６．０以下である
ことを特徴とする。

本発明を以下詳細に説明する。

以下に各元素の含有量（重量比）の特定理由を述べる。

（ａ）Ｃ：１〜４％ Ｃは耐摩耗性の向上に必要な炭化物を構成する元素であ
る。１％未満では炭化物量が十分でなく、十分な耐摩耗
性が得られない。一方、Ｃ量を多くすると、初晶ＶＣ炭
化物の晶出する量が過多となるので制限される。この量
はＶ量によっても制限を受けるが、Ｃが４％を超えると
いずれのＶ量の場合にも初晶において炭化物の晶出が過
多となり、鋳造の際にＶＣ炭化物の著しい偏析が生じる
ので不都合である。

（ｂ）Ｓｉ：３％以下 Ｓｉは脱酸剤として有効であるが、３％を超えると材質
的に脆化するため不都合である。

（Ｃ）　Ｍｎ　：　１．５％以下 ＭｎもＳｉと同様脱酸剤であるが、ＳをＭｎＳとして固
定する作用もある。しかし１．５％を超えると材質が脆
化するため不都合である。

（６）Ｎｉ：４％以下 Ｎｉはオーステナイトを安定化させ、焼入性を良好にす
るため、大型ロールの製造の場合に添加すると有効であ
る。しかし、４％を超えるとオーステナイトが安定化し
すぎ、残留オーステナイトの分解が困難となるため、硬
さや耐摩耗性が十分得られなくなる。

（ｅ）Ｃｒ　：　２〜１５％ Ｃｒは焼入性向上及び硬質のＭ７Ｃ３系炭化物を形成す
るため添加する。添加量が２％未満ではその添加による
効果が十分でない。また１５％を越えると、より硬質の
ＶＣ炭化物の量が少なくなりすぎるため、Ｃｒ量は１５
％以下とする。

（ｆ）Ｍｏ：８％以下 Ｍｏは焼入性向上及び焼戻し硬さ向上のため添加する。

しかし、８％を超えて添加すると、Ｍ２Ｃ系あるいはＭ
６Ｃ系炭化物の晶出が多くなり、より硬質のＶＣが減少
する。

（ＩｌＯＷ：２０％以下 Ｗは焼戻し硬さ向上の作用があるとともに、ＶＣ炭化物
中に置換固溶し、ＶＣ炭化物の比重を増加し、重力偏析
程度を軽減する作用を持つ。しかし、２０％を越えて添
加するとＷｓＣ炭化物が多く晶出し、より硬質のＶＣ炭
化物が減少する。

ｃｈ）■＝２〜１０％ ■は本発明の複合ロールの耐摩耗性に最も寄与する元素
である。つまり、Ｖは非常に炭化物形成作用の強い元素
であり、硬質のＶＣを形成する。このＶが２％未満では
、ＶＣ炭化物の晶出が十分ではない。一方Ｖの含有量が
多すぎると、初晶の粒状ＶＣ炭化物が過多となり、遠心
鋳造時の遠心力によって比重の軽いＶＣ炭化物が内側部
分に偏析する。

従ってＶの含有量は１０％以下にする必要がある。

またこのようなＶ量は、主としてＣ量によって制限され
る。本発明者は種々実験を重ねることにより、このよう
な初晶ＶＣ炭化物の晶出が少なく、遠心鋳造での偏析が
問題とならない組成範囲を求めた。すなわち、重量比に
て、０％＋０．４ｖ％が６．０以下となるような組成で
あれば、初晶でのＶＣ炭化物の晶出が十分少なくなる。

従って、このような組成範囲であれば遠心鋳造によって
外殻層を鋳造しても、外殻層内面側へのＶやＣの偏析が
少なく、はぼ均一な組成の外殻層を形成することができ
る。

（ｉ）その他の化学成分 また本発明においては、上記した成分に加えて、さらに
Ｔｉ、　Ｚｒ及びＮｂのうちの少なくとも１種を外殻層
に加えてもよい。Ｔｉ、　Ｚｒ及びＮｂは、■と同様に
硬質炭化物を形成する元素であり、これらをロールの外
殻層に導入することで、耐摩耗性の向上を図ることがで
きる。Ｔｌ５ｌｒ及びＮｂの１種又は２種以上の成分の
配合割合は、合計で５％以下とする。これらの元素の合
計が５％を超える量とすると、ＶＣ炭化物の量が少なく
なりすぎるため好ましくない。

さらに、本発明ではＣｏを外殻層の成分として加えても
よい。Ｃｏはロール基地に固溶し、ロールの熱間強度を
向上させる作用を有する。従って、Ｃ。

の添加は、特に熱間圧延用ロールの耐摩耗性、耐肌あれ
性の向上に有効である。この効果はＣｏの添加量が１５
％であれば十分であり、また１５％を超えても耐摩耗性
及び耐肌あれ性の向上が特にみられないので、経済性の
点から１５％以下とする。

上述の組成の外殻層を用い、内層が黒鉛を晶出するねず
み鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、黒鉛鋼等の材質である複合ロ
ールを製造する際、問題となるのは、外殻層と内層の溶
着時にＶ、　Ｗ、　Ｍｏなどの強力な白銑化元素が内層
に混入することにともなう内層の白銑化による脆化であ
る。この問題について、本発明者は、種々実験検討し、
次の方法で解決できることを見出した。

まず、外殻層を鋳込んでから内層を鋳込むまでの時間、
内層の鋳込み温度、内層の成分及び溶湯処理等の各条件
を適切に選択することによって外殻層と内層との溶着時
の外殻層内面の溶解量が少なく、その結果内層へ混入す
る白銑化元素を十分低位に抑えることが可能である。

次に、上記手法は各条件の管理幅が狭く、成分、寸法が
異なる時の条件設定に手間がかかるが、さらに外殻層を
鋳込んだ後、重量比で２％以下のＣを含む鋳鋼を鋳込み
、その後内層材となるねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、黒
鉛鋼等を鋳込むことにより、内層への白銑化元素の混入
を比較的容易に低位に抑えることができる。

さらにまた、上述のような外殻層を用い、内層が鋳鋼で
ある複合ロールを製造する際は、前述のような内層の脆
化の問題はないが、境界に鋳造欠陥が発生し易いという
問題があった。この問題について種々実験検討した結果
、外殻層を鋳込んでから内層を鋳込むまでの時間、内層
の鋳込温度、内層の成分及び溶湯処理等の各条件を適切
に選択し、かつ鋳型の形状、冷却能力を適切に設定する
ことにより内層に鋼を用いても境界欠陥の発生を防ぐこ
とが可能となった。

〔実施例〕

本発明を更に以下の実施例により詳細に説明する。

実施例１ 第１表に示す組成の外層用溶湯を直径７０ｍｍ、高さ８
０ｍｍのＣＤ２砂型に注入して、圧延摩耗試験用の小型
ロール素材を鋳造した。この素材に１０００〜１１００
℃からの焼入れ及び５００〜５５０℃での焼戻しの熱処
理を施した後、外径６０ｍｍ、内径３５ｍｍ、長さ４０
ｍｍのスリーブ状の試験用ロールを作成した。

各試験用ロールの外殻層表面の硬さをショアー硬さ計に
より測定した結果を第２表に示す。次にこの試験用ロー
ルの圧延摩耗試験を行った。圧延摩耗試験機は第５図に
示す通り、圧延機１と、圧延機１に組み込まれた上ロー
ル２及び下ロール３と、圧延材Ｓを予熱する加熱炉４と
、圧延材Ｓを冷却する冷却水槽５と、圧延中に一定のテ
ンションを与える巻取機６と、テンションを調節するテ
ンションコントローラ７とからなる。試験条件は以下の
通りであった。

圧延材　　：　Ｓ［ＩＳ　　３０４、厚さｌ　ｍｍ、幅
１５ｍｍ圧延距離　：　８００　ｍ 圧延温度　：９００℃ 圧下率　　：２５％ 圧延速度　：　１５０　ｍ／分 ロール冷却：水　冷 試験用ロールの表面に生じた摩耗の深さを触針式表面荒
さ計（Ｓ［ＩＲＦ（：ＯＭ）を用いて測定した。得られ
た結果をサンプルＮα１について第３図Ａに示す。

また各ロールについて摩耗深さを圧延幅において平均し
て平均摩耗深さを求めた結果を第２表に示す。

比較用の従来の材質としては、高クロム鋳鉄（従゛来例
１）及び合金グレンロール材（従来例２）について実施
例１と同様にして試験用ロールを作製した。ただし、熱
処理はこれらの材質に適応した熱処理を施した。実施例
１と同様にして摩耗試験を行い、摩耗深さの実測値をそ
れぞれ第３図Ｂ（従来例１）及びＣ（従来例２）に示す
。また硬さを測定した結果を第２表に示す。

第 表 した。回転数はスリーブロール内面の遠心力が１４０Ｇ
となるよう設定した。

実施例２ 第３表に示す化学成分の本発明材（ａ）及び従来材ら）
を鋳型内径４５０ｍｍφ、胴長７５０ｍｍの金型を用い
て遠心鋳造し、肉厚６０ｍｍのスリーブロールを製造第
２図に各スリーブの鋳放し表面から内面までのＶＣ炭化
物量の変化の指標となるｖｌの変化を示す。

本発明材（ａ）では、ＶＣ炭化物の内面側への偏析が少
ないのに対し、従来材ら）では偏析程度が大きく、スリ
ーブ内面側において、Ｖ量が著しく増加していることが
わかる。

実施例３ 第４表に示す組成の外殻層及び内層を有し、胴（蚤４５
０　ｍｍ、胴長７５０　ｍｍの複合ロールを以下に示す
手順により製造した。

まず、高周波溶解炉にて外殻層の溶湯を溶解し、１４５
０℃にて回転する遠心鋳造用鋳型内に４５０　ｋｇ鋳込
んだ。この時同時に外殻層内面の酸化防止用フラックス
を吹き込んだ。外殻層の鋳込後１５分後に、鋳型の回転
を停止し、鋳型を直立させ、ただちに内層となるダクタ
イル鋳鉄を１４００℃にて鋳込んだ。

室温“まで冷却後、鋳型を解体し、粗加工を行い、１０
００℃から放冷焼き入れし、その後５５０℃にて３回の
焼戻しを行う熱処理を行った。熱処理後超音波探傷及び
カラーチエツクにて、欠陥のない健全なロールであるこ
とを確認した。

またこのロールの外殻層の金属組織層及び内層の金属組
織を調べるため、顕微鏡写真を撮った。

それらをそれぞれ第１図（１）及び（２）に示す。

次いで、このロールの胴中央部の内層材の軸方向の引っ
張り試験を行った。境界付近では引っ張り強さ４７　・
３　ｋｇ／　ｍｍ２、伸び率０．４１％、中心部では引
っ張り強さ４４．１ｋｇ／　ｍｍ２、伸び率０．３６％
を有し、実用上満足な値であった。

実施例４ 胴径４５０ｍｍ及び胴長５００ｍｍで、内層が鋼である
ロールの製造例を示す。溶湯成分を第５表に示す。

第　　　　　５　　　　　表 〔鋳造条件〕 ２０°傾斜式の遠心鋳造機上の回転鋳型内に、外殻層用
溶湯を鋳込温度１４２０℃で２９０ｋｇ注入し、その直
後内面の酸化を防止するためフラックスを吹き込んだ。

外殻層が凝固した直後に鋳型の回転を停止して直立させ
、鋳型を外層とともに吊り上げて、あらかじめ直立させ
ておいたロールジャーナル部を鋳込む鋳型の上に乗せ、
更にその上にロールジャーナル部となる鋳型を乗せ、内
層材を１５２０℃で注入して鋳型内を充満した。下方鋳
型の金型は厚さ１５０ｍｍ以上とし、上方のジャーナル
部となる鋳型はジャーナル部形状を砂型で造型し、更に
保温材を用い、下方から上方への指向件凝固を図った。

このようにして鋳造したロールは、上方のジャーナルの
ネック部表面に浅いクラブク状の欠陥が発生したが、通
常の加工代で加工除去することができた。このロールを
外径加工して超音波探傷した結果、境界部に実用上問題
があると考えられるような欠陥は発生せず、内層内も中
心部に軽い弓は巣と思われる欠陥が発生したが、実用上
問題ない程度であった。

また、このロールの胴長方向の中央部から、軸方向の内
層の引張試験片を切り出して、引張試験を行った。その
結果境界近くの内層は引張強さ４９゜８ｋｇ／ｍｍ”　
、伸び０．４３％、中心部の内層は引張強さ４４、６ｋ
ｇ／ｍｍ’、伸び０．３８％であり、実用上問題ない値
が得られた。

実施例５ 胴径４５０　ｍｍ、胴長７５０　ｍｍで、胴部断面が模
式的に第６図に示すような三重構造の複合ロールの製造
例を示す。同図において８は外殻層、９は中間層、ＩＯ
は内層であり、このロールの各部の溶湯成分を第６表に
示す。

第 表 ２０°傾斜式の遠心鋳造機上の鋳型内に外殻層８の溶湯
を鋳込温度１４２０℃で４２００ｋｇ注入し、その直後
内面の酸化を防止するためフラックスを吹き込んだ。外
殻層が凝固した直後に中間層９の溶湯を１４８０℃で１
５０　ｋｇ注入して、中間層９が完全凝固した直後に内
層１０の溶湯を１４００℃で注入し、鋳型内を完全に満
たして鋳造を完了した。

鋳造冷却後鋳型を解体し、外径加工して超音波探傷を行
った。外殻層８と中間層９との境界及び中間層９と内層
１０との境界ともに欠陥は発生せず、健全な複合ロール
が得られた。

第４図にこの内層１０の金属組織の顕微鏡写真を示す。

内層の黒鉛化は良好で、望ましい金属組織が得られた。

〔発明の効果〕

本発明により従来の鋳鉄ロール材の２〜５倍の耐摩耗性
を有する複合ロールを製造することが可能となった。こ
のことはロールの寿命延長のみならず、ロール交換頻度
の低減、製品形状の改善、圧延スケジュール自由度の増
加等の効果をもたらすものである。

一方、高耐摩耗性ロールの製造法として、粉末金属の成
形による方法も開発されているが、このようなロールの
製造工程は、非常に複雑で製造コストも高く、さらには
軸材との複合化が困難であるため組立式となり、板用ロ
ールには適用しにくく、また形鋼用ロールに適用した場
合はカリバー数が制限されることになる。本発明の複合
ロールはこれらの問題点を解決するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例３の複合ロールにおいて、（１）は外
殻層、（２）は内層の金属組織を示す顕微鏡写真であり
、 第２図は本発明のスリーブロール及び従来材質のスリー
ブロールのＶ量変化を示すグラフであり、第３図は本発
明及び従来例の材質の圧延摩耗試験後のサンプル表面の
摩耗深さの測定結果を示すグラフであり、 第４図は実施例５の複合ロールの内層の金属組織を示す
顕微鏡写真であり、 第５図はロールの摩耗試験に用いた圧延摩耗試験機の概
略を示す図であり、 第６図は実施例５に係わる複合ロールの胴部の断面図で
ある。 １．６．圧延機 ２・・・上ロール ３・　秦下ロール Ｓ・・・圧延材 ８・・・外殻層 ９・・・中間層 １０・・・内層 ａ、Ａ・・・本発明のロール材 す、Ｂ、Ｃ・・従来のロール材

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）遠心鋳造法により鋳造した外殻層と鋳鉄又は鋳鋼
   の内層材とが溶着一体化した耐摩耗複合ロールにおいて
   、外殻層の化学成分が重量比でＣ１〜４％、Ｓｉ３％以
   下、Ｍｎ１．５％以下、Ｎｉ４％以下、Ｃｒ２〜１５％
   、Ｍｏ８％以下、Ｗ２０％以下、Ｖ２〜１０％、残部実
   質的にＦｅ及び不可避的不純物元素からなるとともに、
   Ｃ％＋０．４Ｖ％の値が６．０以下であることを特徴と
   する耐摩耗複合ロール。
2. （２）請求項１に記載の耐摩耗複合ロールにおいて、前
   記外殻層は、上記した化学成分に加えてさらに、Ｔｉ、
   Ｚｒ及びＮｂからなる群から選ばれる１種又は２種以上
   の成分を、合計で５重量％以下含むことを特徴とする耐
   摩耗複合ロール。
3. （３）請求項１又は２に記載の耐摩耗複合ロールにおい
   て、前記外殻層がさらにＣｏを１５重量％以下含有する
   ことを特徴とする耐摩耗複合ロール。
4. （４）請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗複合ロ
   ールにおいて、前記内層材がダクタイル鋳鉄であること
   を特徴とする耐摩耗複合ロール。
5. （５）請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗複合ロ
   ールにおいて、前記内層材がねずみ鋳鉄であることを特
   徴とする耐摩耗複合ロール。
6. （６）請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗複合ロ
   ールにおいて、前記内層材が黒鉛鋼であることを特徴と
   する耐摩耗複合ロール。
7. （７）請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗複合ロ
   ールにおいて、前記内層材が重量比で２．０％以下のＣ
   を含有する鋳鋼であることを特徴とする耐摩耗複合ロー
   ル。
8. （８）請求項１乃至３のいずれかに記載の耐摩耗複合ロ
   ールにおいて、前記内層材がねずみ鋳鉄又はダクタイル
   鋳鉄であり、外殻層と内層との間に重量比で２．０以下
   のＣを含有する合金鋼組成の中間層を有することを特徴
   とする耐摩耗複合ロール。