JPH02295604A - 圧延用複合ロール - 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、熱間または冷間圧延用の連続肉盛鋳造製複合
ロールに関し、特に高強度で軸方向の残留応力が小さな
軸部を有する複合ロールに関する。

〔従来の技術〕

近年、合理化の目的で一度に多量の圧延を行うことや、
圧延材の寸法精度を向上するために、圧延用のロールに
対する要求レベルが高くなっている。

圧延材の寸法精度向上のためにロールの圧延によるたわ
みと逆方向にロールの軸部に曲げを加えることや、より
少ないスタンド数で圧延を完了するだめに一つの圧延ス
タンドで大きな圧下力をかけることなどから、ロールの
軸部にかかる曲げ応力は大きくなり、ロール軸部の強さ
の向上も必要になってきている。

このような状況において、あらかじめ形成した鋳鋼又は
鍛鋼からなる鋼製軸材の周囲に外層材の溶湯を溶着凝固
させることにより、複合ロールを製造するいわゆる鋳造
肉盛方法が注目され、これを用いて製造した種々の外層
材及び軸材の組合せによる複合ロールが提案され実用化
されている。

このような肉盛鋳造製複合ロールの軸材としては通常ク
ロム・モリブデン鋼（ＳＣＭ材）や構造用炭素鋼（　３
　４５Ｃ等）が使用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、複合ロールの製造工程における熱処理では、
ロール外層の強さ及び耐摩耗性を強化することを主目的
にして焼入れ、焼戻しを行うが、熱応力及び外層と軸材
の膨張率や変態特性の差によって焼入れ中に外層に割れ
の発生することがあるため、焼入れ速度をある程度以上
に速くすることができない。従って、外層材に比べて焼
入れ性が小さいクロム・モリブデン鋼や構造用炭素鋼を
軸材として用いた場合、軸材の硬度及び強さを上げるこ
とができないという問題がある。

またこのような複合ロールでは、外層及び軸材ともに弾
性係数が高い材質となっており、焼入れ、焼戻しの時の
熱応力及び外層と軸材の膨張率や変態特性の差により高
い残留応力が発生する。すなわち、ロール冷却時にまず
軸材において変態膨張が起きる。このとき外層は冷却に
伴う収縮をしているので、軸材は外層により締めつけら
れることとなり、軸方向に伸びるように塑性変形を受け
る。

この軸材の変態膨張は比較的高い温度で起きるので外層
による塑性変形の度合いは大きい。

さらにロールが冷却すると、今度は比較的低温で外層に
おいて変態膨張が起こる。これにより外層が軸材を引張
ることになり、残留応力が発生する。この引張り応力が
軸材に大きいまま残ると、ロールに繰り返しのペンディ
ング荷重をかけた時、金属疲労により折損する可能性が
あり問題となる。

一方外層においてはヒートクラック低減のために軸方向
及び円周方向の圧縮残留応力を高い状態に保持したいが
、軸方向及び円周方向の圧縮残留応力が高ければ高いほ
ど半径方向の引張応力が高くなるため、外層剥離等の危
険性が大きくなる。

したがって、本発明の目的は、高強度で、かつ残留応力
の少ない軸材を有し、もって信頼性の高い連続肉盛鋳造
ロールを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題に鑑み鋭意研究の結果、軸材にＮｉを含有する
鋼材を用い、焼入処理の冷却時に起きる軸材での変態膨
張の開始温度を下げることにより、軸の強度を上げ、か
つ軸材の残留応力を減少できることを発見し、本発明を
完成させた。

すなわち、本発明の複合ロールは、一連続肉盛鋳造法に
より製造された複合ロールであって、その軸材はＣ０．
３〜１．０重量％及びＮｉ　３重量％以下を含有する鋳
鋼あるいは鍛鋼からなり、ロール鋳造後に９００〜１２
００℃の温度から半冷時間が０．３〜７時間の速度で焼
入が施されており、前記焼入処理において軸材で起こる
変態膨張の開始温度が７００℃以下であることを特徴と
する。

以下、本発明を詳細に説明する。

まずＮｉを含む鋼材を軸材に用いる理由を説明する。

Ｎ１を鋼材に加えることにより焼入れ硬化性を著しく改
善し、軸材の強度は向上する。またＮｉの存在により焼
入れの冷却時に軸材でおこるオーステナイトからパーラ
イトへの変態温度が低下する。

Ｎｉの量が３重量％を超えると軸材基地中に残留オース
テナイトが増加するのでＮｉの含有量は３重量％以下と
する。

炭素の存在は硬さ、強さの向上に効果があるが、炭素の
含有量が０．３％未満では焼入れ、焼戻しなどの熱処理
が有効とならない。また１．０％を超えると共晶炭化物
の量が増加し好ましくない。従って、Ｃの量は０．３〜
１．０重量％とする。

上記したようにＮ１の存在により軸材の変態温度が下が
るが、焼入れ時の冷却スピードを上げることによっても
この変態温度は低くなる。しかしながら冷却スピードを
上げすぎると外層の収縮に比して内層はあまり収縮しな
いために、外層が割れることがある。したがって焼入れ
は９００〜１２００℃から半冷時間が０．３〜７時間の
速度で行なうのが良い。

このようにＮｉを３重量％以下含有する軸材を用い、上
記の焼入れ条件で熱処理を行うことで、軸材で起こるオ
ーステナイトの変態温度は７００℃以下となる。

ここで、上記の条件の熱処理（焼入れ）によりまずオー
ステナイトからフェライト及びノ望一ライトの変態が起
こるが、一部はベーナイトへ変態し、最終的には軸材は
フェライトと、ノで−ライトと、べ−ナイトとの３層混
合となる。これにより軸材は高い強度を有することとな
る。

また外層には、硬さを得るために焼入れ性の大きい材質
を適用するので、軸材が変態膨張する温度で外層は変態
膨張しない。従って、軸材は、変態膨張する時に外層に
よって締めつけられて弾性変形及び塑性変形するが、軸
材の変態膨張する温度が高いほど塑性変形の比率が高く
なる。

軸材の変態が完了し、ロールが更に冷却していくと、今
度は外層が変態膨張する。軸材は、軸材自身が変態膨張
したときに外層により塑性変形を受けているため、外層
の変態膨張が完了すると、外層の体積は相対的に軸材よ
り大きくなる。従って、熱処理完了後には軸材は外層に
よって軸方向、円周方向、半径方向に引っ張られ、外層
は軸材によって軸方向、円周方向に圧縮され、半径方向
に引っ張られる形となる。

このように外層には軸方向、円周方向に圧縮残留応力が
付与されるため、圧延中のロール表面に発生する熱亀裂
等が伝播し難くなる。しかし、逆に軸材には引張残留応
力が付与されているため、強さ、特に疲労強さが低下す
る。特に、軸材の境界近くの部分は焼入れ中に外層から
大きな塑性変形を受けているため、引張残留応力が太き
《、また圧延によって受ける負荷も大きいため、強度上
の問題が起きる。

そこで軸材に変態温度の低い材質を用いると、焼入れ中
の軸材の変態膨張時の塑性変形量が少なくなるため、軸
材の外層との境界近く部分での熱処理後の引張り応力を
低下させることができる。

従って、本発明のロールでは以下の組成の軸材を使用す
ることができる。すなわち、化学成分が重量比でＣ０．
３６〜０．４３％、Ｓｉ０．１５〜０．３５％、Ｍｎ０
．　６０　〜０．　９０％、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ　
０．０３０％以下、Ｎ　ｉ　１．　６０〜２．　００％
、Ｃｒ　０．６０　〜１．００％、Ｍｏ　０．１５　〜
０．３０％で残部実質的にＦｅからなる軸材である。こ
のような化学組成を持ったいわゆるニッケル・クロム・
モリブデン鋼（　ＳＮＣＭ）はクロム・モリブデン鋼や
構造用鋼よりも焼入れ性が大きいため、外層材の特性に
合わせた比較的遅い焼入れ冷却速度でも高強度が得られ
る。またそのＮｉの含有により変態温度も低く、前述し
た条件の焼入れを施すことによって残留応力が小さな高
強度の軸材となる。

なお軸材の各成分の限定理由は以下の通りである。

Ｃ：ＯＪ６〜０．４３重量％ Ｃについては前記した理由により軸材に加えるが、より
好ましい量は０．３６〜０．４３重量％である。

この範囲にＣを限定することにより、強靭な鋼を得るこ
とができる。

Ｓｉ　：　０．　１５〜０．３５重量％Ｓｉは脱酸剤と
して必要な元素であり、少景で基地の強さ及び耐熱性を
高める。しかし、その量は多くなると脆化しやすくなる
。従って、０．１５〜０．３５重量％とするのがよい。

Ｍｎ　：　０，　６０〜０．　９０重量％Ｍｎは脱酸作
用とともに不純物であるＳとＭｎＳとして固定する作用
がある。その量が０．６重量％未満では脱酸性に乏しい
。また０．９重量％を超えると、残留オーステナイトが
生じやすくなり、十分な硬さを維持できない。

Ｐ　：　０．０３０重量％以下、Ｓ　：　０．０３０重
量％以下ＰとＳは不純物として混入するが、ともに多量
に存在すると基地の脆化をまねく。従って、Ｐ、Ｓとも
に０．　０３０重量％以下であるのがよい。

Ｎｉ　：　１．６０〜２．ＯＯ重量％ Ｎｉのより好ましい量は１．６０〜２．００重量％であ
る。

Ｃｒ，　Ｍｏ等の他の金属と共存することで少量でも硬
さと強さを増す。その量が１．６０重量％未渦のときに
は十分な効果は得られない。また２．００％を超すと、
ＣｒＳＭｏ等の他の金属の共存のために残留オーステナ
イトの増加を招きやすい。

Ｃｒ　：　０．　６（１〜１．　００重量％Ｃ『はＮｉ
と共存することによって、基地の耐食性、耐熱性を相乗
的に向上させる。その量が０．６０重量％未満では効果
があらわれず、１．００を超えても効果に変化はみられ
ないので、０．６０〜１．ＯＯ重量％とする。

Ｍｏ　：　０．　１５　〜０．　３０重量％Ｍｏは鋼の
強靭性を増加し、焼入れの質看効果を減少し、また焼戻
し脆化を防ぐ効果がある。その量が０．１５重量％では
効果が出す、０．３０重量％を超えても効果に変化はみ
られないので、０．１５〜０．３０重量％とする。

なお、これらの成分を有する鋼はＪＩＳ規格にあり、軸
材を調達するときに好都合でもある。

次に、本発明の複合ロールでは軸材の軸方向の残留応力
の最大値σｅａａｍは以下の式を満足している。すなわ
ち たたしｋ＝ＢＣ・＾ｃ／Ｂｓ−Ａｓで、Ｂｃ及びＢｓは
それぞれ軸材及び外層材の縦弾性係数で、Ａｃ及びＡｓ
はそれぞれロール軸方向に垂直な断面における軸材及び
外層の断面積で、νは軸材及び外層のポアソン比である
。

軸材での残留応力のうち軸方向の残留応力が一番大きく
ロールの強度に関係するので、これを規定する。なお残
留応力を数値で限定する理由は次のことによる。残留応
力は内部応力であるから外層と軸材の比率が変わると応
力値が変化する。特にロールは外層を削って使用するた
め、同一ロールでも製造直後のロールと外層を削った後
のロールとでは応力値が異なってくる。したがってロー
ル外層を削ることによる寸法のちがいによらず、応力の
範囲を規定しておくことによりロールの信頼性を見るこ
とができる。このため以下の仮定を用い弾性計算による
近似的な補正を行なう。

（ａ）ロールは一般的に軸方向に細長い形状をとるが、
胴長と胴径の比が１．５を超えるロールであればロール
胴体の中央部では近似的に無限円筒と考えて良い。

（５）外層と軸材の変態特性が大きく異なるため、残留
応力が零となる位置はロールの境界部である。

（Ｃ）外層と軸材の材質が決まれば残留応力分布の基本
的なパターンはほぼ同じであり、外層と軸材の比率が変
われば、応力分布の定性的なパターンはそのままで残留
応力の絶対値が一定の比率で変化する。

以上の三つの仮定により得られるのが（１）式である。

なお外層としては、その化学成分が重量比で、Ｃ　Ｉ．
５　〜３．５％、Ｓｉ　０．３〜３．０％、Ｍｎ　０．
　３〜１．　５％、Ｃｒ２〜７％、Ｎｉ　５％以下、Ｍ
ｏ　９％以下、Ｗ　２０％以下、Ｖ５〜１５％、Ｐ０．
０８％以下、３０．０６以下、残部Ｆｅ及び不純物元素
からなる鋼とするのが好ましい。このような外層は耐摩
耗性、耐肌荒性及び強靭性にすぐれており、また、この
ような外層と前記した軸材とを用い、連続肉盛鋳造法に
よりロールを製造すると、両者間の接合部を強力な金属
的な結合とすることができ、もって信頼性の高い複合ロ
ールとすることができる。

ここで外層の組成の限定理由は以下の通りである。

Ｃは耐摩耗性向上のための炭化物の形成に必要である。

そのｌが１．５％未満の場合、晶出炭化物量が少なく、
耐摩耗性の点で十分でない。またＶとのバランスにおい
て、下限値未満では炭化物が粒界に網目状に析出して靭
性および耐肌荒性においても本発明の目的を達成できな
い。一方Ｃが３．５％を超えるとＶとのバランスがくず
れ、ＶＣが均一に分布した組織形態がくずれ、耐肌荒性
及び強靭性の点で劣るようになる。

Ｓｉは脱酸剤として必要な元素であり、またＬＣ炭化物
中に固溶してＷＳＭｏ等の高価な元素を置換し，節減す
るのに有効である。その量がＯＪ％未満の場合、脱酸効
果がなく、鋳鉄材において鋳造欠陥を生じやすい。また
３．０％を超えると脆化が生じやすくなる。

Ｍｎは脱酸作用とともに不純物であるＳをＭｎＳとして
固定する作用がある。その量が０．３％未満では脱酸性
に乏しい。しかし１．５％を超えると残留オーステナイ
トが生じやすくなり、安定して十分な硬さを維持できな
い。

Ｃｒは２％未満では焼入れ性に劣り、また７％を超える
とクロム系炭化物が過多となるため不都合である。すな
わちＣｒ系炭化物例えばＭｌ３Ｃ６はＭＣ、閘４Ｃ３、
Ｍ．Ｃ　，　Ｍ２Ｃと比較して硬さが低く、耐摩耗性を
低下させる。

Ｍｏは焼入れ性と高温硬さを得るために必要であるが、
９％を超えるとＣとＶとＭ。とのバランスにおいてＭ．
Ｃ系炭化物が増加し、靭性および耐肌荒性の点で好まし
くないので、鵠。含有量の上限は９％である。

Ｗは高温硬さの維持の点で必要であるが、２０％を超え
るとＭ．Ｃ系炭化物が増加して靭性及び耐肌荒性の点で
好ましくないので、上限を２０％とする。

■は耐摩耗性の向上に効果のあるＭＣ系炭化物を形成す
るための必須元素である。従って５％未満では十分な効
果がなく、また１５％より多いと、上記Ｃの範囲とのバ
ランスでＭＣ系炭化物が均一に分布しにくくなる。

Ｎｉは焼入れ性を向上する作用を有する。従って５％以
下の量添加することができる。しかしそれより多いと残
留オーステナイトの増加を招き、割れや圧延中の肌荒れ
等の問題が生ずるので最大５％まで含有する。

上記元素以外、鉄基合金は不純物元素を除いて鉄からな
る。不純物元素の主なものとしてはＰ及びＳがあるが、
Ｐは脆化防止のため０．０８％以下であり、Ｓは同様に
０．０６％以下であるのがよい。

なお、本発明において用いる上記の鉄基合金は必要に応
じて５％以下のＮｂやＣＯ等を含有してもよい。

〔作　用〕

複合ロールの軸材にＣ０．３〜１．０重量％及びＮｉ　
３重量％以下を含有する鋼材を用い、９００〜１２００
℃から半冷時間が０．３〜７時間の速度で焼入れを施す
ことにより、軸材で起こる変態膨張の開始温度を７００
℃以下にすることができるので、本発明のロールの軸材
は、高強度でかつ軸方向の残留応力の小さなものとなる
。これは変態膨張が比較的低温で起こるので外層の収縮
による軸材の塑性変形が小さくなり、もって残留応力が
小さな軸材となるからである。

〔実施例〕

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例１ 軸材としてＳＮＣＭ　４３９を用い、外層材には高速度
工具鋼（組成を第１表に示す）を用いて、通常の連続肉
盛鋳造法により複合ロールを製造した。

鋳型の内径は３　８　０　ｍで、軸材の径は２６０ｍｍ
，また内盛の長さは１０　０　０　ｍｍとし、鋳造後の
熱処理前加工で胴体外径が３４０ｍｍ，胴長を６　０　
０　ｍｍとした。このとき外層と軸材との境界は、ロー
ル中央から　１２５ｍｍの位置（軸材の径が２５０ｍｍ
）にあった。これは鋳造時に軸材の一部が溶け込んだた
めである。

次にこのロールを１０５０℃から放冷で焼入れを施し、
そめ後に５００〜５５０℃で２回の焼戻しをした。

焼入れの冷却時に軸材及び外層で起こる変態膨張の開始
温度を実験室的に再現して求めた。それらはそれぞれ６
８０℃及び３５０℃であった。

次にロール軸材から引張試験片を４本採取した。

その採取位置は４本ともにロール外層の両端部に近い軸
材部分で、軸材表面から５　０　ｍｍの深さであり、ま
た試験片は軸方向となるように採取した。

引張試験の結果を第２表に示す。

さらにロールを３　３　５　ｍｍ径で５９０ｍｍ長に加
工後、歪ゲージにより残留応力を測定した。ロールの胴
体表面の中央に軸及び円周方向に歪ゲージを貼り、ロー
ルの中心に穴をあけ、順次その穴を加工して大きくし、
そのたびに歪ゲージにより表面の歪を測定した。その結
果を用いてザックスの式によりロールの軸方向及び円周
方向の残留応力分布、さらには半径方向の残留応力の分
布を計算で求めた。

結果を第１図に示す。

比較例１ 比較のために、ＳＣＭ４４０を軸材とし、第１表に示す
組成の高速度工具鋼を外層として、実施例と同様に複合
ロールを作成した。さらに実施例と同様の加工及び熱処
理を施し、同じく同様に引張試験及び残留応力測定を行
った。焼入れの冷却時において軸材及び外層で起こる変
態膨張の開始温度を実施例１と同様にして求めた。それ
らは、それぞれ７２０℃及び３５０℃であった。

引張試験の結果を第２表に、残留応力測定の結果を第２
図にそれぞれ示す。

第　　　２　　　　表 まず第２表からわかるように、本実施例のロールは従来
のロールである比較例のロールに比べて大きな軸強さを
有している。

また軸材における軸方向の残留応力値は第２図及び第３
図からわかるように本実施例ではσｍａｘ＝３５ｋｇ／
ｍ口２であり比較例のロールではσｍａｘ　＝５２ｋｇ
　／　ｍｍ　２であった。今回作成のロールではＥｓ＝
　２．　３ｘ　１０’ｋｇ／　ｍｍ　’Ｅｃ＝　２．　
ＩＸ　１０’ｋｇ　／　ｍｍ　’Ａｓ＝　３９０．　３
ｃｉ Ａｃ＝　４９０．　６ｃＩＩｌ ν＝０．３ であるので Ｋ＝ｌ．ｌ４７となり （１）式は となる。

本実施例のロールにおいては、確かに軸方向の残留応力
は上記の値（４１ｋｇ／ｍｍ２）より小さくなっており
、比較例のロールにおいては大きくなっている。

〔発明の効果〕

本発明のロールの軸材は高強度で特に軸方向の残留応力
の小さなものとなるので、大きな曲げ応力に対して信頼
性の高いロールとなる。またロールの外層にはある程度
の圧縮応力が残っているので、ヒートクラックの防止に
もすぐれたロールとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるロール軸部の残留応力
分布を表わすグラフであり、 第２図は比較例のロール軸部の残留応力分布を表わすグ
ラフである。 第１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）連続肉盛鋳造法により製造された圧延用複合ロー
   ルにおいて、その軸材はＣ０．３〜１．０重量％、及び
   Ｎｉ３重量％以下を含有する鋳鋼あるいは鍛鋼からなり
   、ロール鋳造後に９００〜１２００℃から半冷時間が０
   ．３〜７時間の速度で焼入れが施されており、前記焼入
   処理において軸材で起こる変態膨張の開始温度が７００
   ℃以下であることを特徴とする複合ロール。
2. （２）連続肉盛鋳造法により製造された圧延用複合ロー
   ルにおいて、化学成分が重量比で、Ｃ０．３６〜０．４
   ３％、Ｓｉ０．１５〜０．３５％、Ｍｎ０．６０〜０．
   ９０％、Ｐ０．０３０％以下、Ｓ０．０３０％以下、Ｎ
   ｉ１．６０〜２．００％、Ｃｒ０．６０〜１．００％、
   Ｍｏ０．１５〜０．３０％で、残部実質的にＦｅからな
   る軸材を有し、ロール鋳造後に９００〜１２００℃の温
   度から半冷時間が０．３〜７時間の速度で焼入れが施さ
   れており、前記焼入処理において軸材で起こる変態膨張
   の開始温度が７００℃以下であることを特徴とする複合
   ロール。
3. （３）請求項１又は２に記載の圧延用複合ロールにおい
   て、前記焼入処理により軸部にフェライト、パーライト
   及びベーナイトが変態生成されたことを特徴とする複合
   ロール。
4. （４）請求項１乃至３のいずれかの項に記載の圧延用複
   合ロールにおいて、熱処理後の軸材における胴長方向の
   引張残留応力の最大値σ＿ｃ＿ｍ＿ａ＿ｘが式 σ＿ｃ＿ｍ＿ａ＿ｘ＜［０．００３／（１＋ｋ）］×［
   Ｅｃ／（１−ν）］（ただしｋ＝Ｅｃ・Ａｃ／Ｅｓ・Ａ
   ｓで、Ｅｃ及びＥｓはそれぞれ軸材及び外層材の縦弾性
   係数で、Ａｃ及びＡｓはそれぞれロール軸方向に垂直な
   断面における軸材及び外層の断面積で、νは軸材及び外
   層のポアソン比であり）を満足することを特徴とする複
   合ロール。
5. （５）請求項１乃至４のいずれかの項に記載の圧延用複
   合ロールにおいて、外層の化学成分が重量比で、Ｃ１．
   ５〜３．５％、Ｓｉ０．３〜３．０％、Ｍｎ０．３〜１
   ．５％、Ｃｒ２〜７％、Ｎｉ５％以下、Ｍｏ９％以下、
   Ｗ２０％以下、Ｖ５〜１５％、Ｐ０．０８％以下、Ｓ０
   ．０６％以下、残部Ｆｅ及び不純物元素からなることを
   特徴とする複合ロール。