JPH0270310A - 複合ロール製造方法及び圧延機 - 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〕 本発明は複合ロール並びにその製造方法及び圧延機に係
り、特に芯材が低合金鋼、外層材が高速度鋼からなる耐
摩耗性、耐クラツク性及び軸強度に優れた複合ロール並
びにその製造方法及び圧延機に関する。

〔従来の技術〕

高速度鋼は耐摩耗性、耐クラツク性に優れた特性を有し
ていることから、圧延用ワークロール材として注目され
ている。

高速度鋼を用いたロールの公知例として普通鋳造法やＥ
ＳＲ法による一体ロールが知られているが、鋼塊サイズ
が大きくなるにつれて偏析や巨大な炭化物が生成しやす
くなるために、熱処理及び鍛造が非常に困難になり、直
径３００ａｍ以上のロールを製造することができない現
状にある。

一方、ロール表面と軸部にそれぞれ異なった特性を持た
せた複合ロールが考えられ、例えば特開昭５９−２３８
４６号公報に記載のように、一般に遠心鋳造法によって
製造される。遠心鋳造法によれば種々の高合金鋼を外層
材とする複合ロールの製造が可能であるが、外層材とロ
ール芯材にはその溶着性を確保するために、ｖ！鉄系が
使用されるのが一般である。すなわち、本発明のような
外層材を高速度鋼、ロール芯材を低合金鋼とする複合ロ
ールを遠心鋳造法により製造した場合には、それらの凝
固温度が高いために、溶着が不完全となり、使用時に接
合部が剥離し、実用できない。

仮りに、溶着性を改善するために、ロール芯材に凝固温
度の低い鋳鉄を用いたとしても、製造された複合ロール
の軸強度が低いために要求を満足することができず、経
済的メリットはない。

一方、複合ロールの熱処理方法はＡｃｍ点以下の温度で
歪取り処理を行なう方法、特公昭５９−１７７２号公報
記載のように、外層材のみをＡｃ工点点以上加熱した後
に焼入れ、焼もどし処理を施す方法が採られていたが、
焼入硬化深度が制約される問題があった。また、普通鋳
造法あるいはＥＳＲ法による一体ロールではＡｃｍ点以
下に全体加熱した後に焼入れ、焼もどしする方法が採ら
れていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

最近の鋼板圧延の技術分野では、省エネルギ、生産性向
上及び鋼板品質の向上のために新しいタイプのミルが導
入され、ワークロールはますます過酷な圧延条件下で使
用されるようになってきた。

特に、新しいタイプのミルではロールに曲げ力を付与す
ることから、ロールの軸及びネック部は高い強度と靭性
を持っていることが要求されるが。

従来の遠心鋳造法による複合ロールでは、ロール芯材に
普通鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄あるいは黒鉛鋼が用いられてい
るため要求を充分に満足することは困難であった。

一方、珪素鋼板のような難加工材や高表面品質鋼板の需
要がますます増加しており、ロールはより耐摩耗性に富
んでいることが要求されている。

耐摩耗性を向上させるためには、硬度の増加を図ること
が考えられるが、従来の遠心鋳造法による複合ロールは
芯材と外層材の接合の信頼性が低いこと、芯材に鋳鉄が
用いられていること等のために、厳しい熱処理を施した
場合、発生する熱及び変態応力に耐えられず、接合部の
剥離や割れを招くため、ロールは焼入れ、焼もどしを行
なわずに歪取り処理が施された。また、焼入れ、焼もど
しを行なうとしても接合境界部に局部的変態応力を生じ
させないようにするために、境界部近傍はＡｃ０点以下
となるように加熱する方法が採られていた。その結果、
得られる硬さ及び深さに定量的規制が加えられた。

一方、普通鋳造法あるいはＥＳＲ法による一体ロールは
必要な強度と靭性を得るために、鍛造を行なって機械的
性質の改善が図られる。しかしながら、鋼塊サイズが大
きくなるにつれて偏析や巨大な共晶炭化物が生成しやす
くなり、鍛造が可能な鋼塊サイズが制約され、直径３０
０ｎｗｎ以上のロールを製造することができなかった。

また、従来の一体ロールの焼入れはロール全体をＡｃ１
点以上に加熱保持した後に急冷する方法が採られるが、
ロール表面では変態応力による引張の残留応力が発生し
、表面クラックのロール内部への伝播を助長するので好
ましくない。

本発明の目的は、耐摩耗性と耐クラツク性及び軸強度に
優れた複合ロール並びにその製造方法及び圧延機を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、ロール芯材と、こ
のロール芯材の外周に接合された外層材とを備えた複合
ロールにおいて、前記ロール芯材と外層材との接合境界
部にフェライト層を有するものである。

前記複合ロールにおいて、そのロール芯材と外層材とが
ニレクロトスラブ再溶解法により溶着−体化されたもの
であるのがよい。

前記複合ロールにおいて、ロール芯材は引張強さ及び曲
げ強さの少なくとも一方が外層材より高い低合金鋼より
成り、外層材はＭｏ系、Ｗ系又はＶ系高速度工具鋼から
成るものがよい。

前記複合ロールにおいて、ロール芯材は重量％で、Ｃが
０．２５〜０．８％、Ｓｉが０．１５〜０．６％、Ｍｎ
が０．３〜１．２％、Ｎｉが２．０％以下、Ｃｒが０．
５〜３．０％、Ｍｏが０．１５〜０．７％、残部がＦｅ
及び不可避的不純物を含む鋼材であるものがよい。

前記複合ロールにおいて、そのロール表面より少なくと
も４ｏｒＩｎの深さまで、ショア硬さ（Ｈｓ）９０以上
であるのがよい。

前記複合ロールにおいて、そのロール表面に圧縮の残留
応力が付与されているのがよい。

前記複合ロールにおいて、ロール胴部直径は３００ｍ５
以上であるのがよい。

前記複合ロールにおいて、フェライト層の厚さは５〜２
ｏｏμｍであるのがよい。

また本発明は、前記組成の低合金鋼から成るロール芯材
に、Ｍｏ系、Ｗ系又はＶ系高速度工具鋼から成る外層材
をエレクトロスラグ再溶解法により溶着一体化させて接
合境界部にフェライト層を形成する工程と、複合ロール
を１１５０〜１２４０℃に誘導加熱して外層材をオース
テナイト化する工程と、該外層材を焼入れしてマルテン
サイト組織とする工程と、サブゼロ処理してロール表面
のショア硬さ（Ｈｓ　）を９０以上にする工程と。

を含むことを特徴とする複合ロールの製造方法である。

上記複合ロールを備えた圧延機として、コールド、ホッ
トストリップミル用仕上ワークロール。

ホットスキンパス用ロール、線材仕上用ロール等が挙げ
られる。

〔作用〕

本発明に係る製造方法は、外層材がＭｏ系、Ｗ系及ＵＶ
系高速度鋼のいずれか一種、ロール芯材が重量％でＣが
０．２５〜０．８％、Ｓｉが０．１５〜０．６％、Ｍｎ
が０．３〜１．２％、Ｎｉが２．０％以下、Ｃｒが０．
５〜３．０％、Ｍｏが０．１５〜０．７％、残部がＦｅ
及び不可避的不純物を含み、引張強さ及び曲げ強さが前
記外層材よりも高い低合金鋼からなり、その接合境界部
にフェライト層を有した複合ロールをエレクトロスラグ
再溶解によって製造し、焼入れ→サブゼロ処理→焼きも
どしを施すことにある。

本発明者らは、複合ロールの熱処理割れと内部残留応力
との関係について検討した結果、熱膨張及び変態特性の
異なる材料の接合境界には半径方向の局部的な引張応力
が発生し、それが割れの原因となることがわかった。そ
して１局部的な引張応力の抑制には接合境界に降伏応力
の小さいフェライト層を形成することが有効であること
がわかった。すなわち、フェライト層を応力緩和材とし
て機能させ、発生応力をフェライト層の変形によって吸
収させることが有効であることを見出した。

一方、本発明の製造方法によれば、基本的にはフェライ
ト層は、接合境界においてロール芯材側から外層材側へ
のＣの拡散によって生成されるが、本発明者らはフェラ
イト層の生成に対する外層材とロール芯材材質の組合せ
との関係について種々検討した結果、フェライト層の生
成を支配するのは芯材と外層材のＣ，Ｃｒ量の差である
ことがわかった。

以下で実験結果の一例について詳しく説明する。

実験は外層材を　１．４％Ｇ−４．２％Ｃｒ−５．４％
Ｍ　ｏ　−４、６％Ｗ−５．３％Ｖ−６．５％Ｃｏとし
て、ロール芯材のＣ，Ｃｒ量を種々変化させて接合させ
た後、フェライト層の厚さを測定した。

第４図はフェライト層の厚さと芯材のＣ量との関係を示
す。なお、Ｃｒ量は１．５％で一定とした。同図から明
らかなように、Ｃ量が０．８％以上では必要なフェライ
ト層の厚さとならず、０．８％以下でＣ量の低下ととも
にフェライト層の厚さが増すことがわかる。

次に、Ｃ量を０．４％で一定としてＣｒ量を変化させた
。第５図はその結果を示すが、Ｃｒ量が外層材よりも高
くなると、フェライト層は必要な厚さとならずに、むし
ろ外層材側から芯材側へＣが富化される現象が認められ
た。フェライト層の厚さは、Ｃｒ量が低いほど大きくな
る。

本発明者等は上記知見にもとすいて、接合境界にフェラ
イト層を形成するためには芯材のＣ量は０．８％以下と
し、Ｃｒ量は外層材よりも低く、具体的にはＣが０．２
５〜０．８％、Ｃｒが０．５〜３．０％が好適であるこ
とがわかった。

本発明の複合ロールを製造するためのエレクトロスラグ
再溶解法は、例えば特公昭６１−５４０９７号公報に記
載されている。第１図は本発明に係る高速度工具鋼の複
合ロールの構造の概略を示す。１は高速度工具鋼からな
る外層材、２は低合金鋼からなるロール芯材、３は接合
境界、４はフェライト層を示している。以下、本発明の
複合ロールを構成するロール芯材の成分範囲とその限定
理由について説明する。

本発明に係る製造方法で製造される複合ロールは、基本
的に接合境界において芯材側から外層材側へのＣの拡散
によってフェライト層を形成させるため、ロール芯材の
化学成分はこの点を考慮して選定する必要がある。

Ｃは目標の引張強さとなるようにＣｒとバランスして決
定されるが、前記の如く含有量が０．２５％以下では必
要とする軸強度が得られず、０．８％以上では炭化物量
が増して靭性の劣化を来すとともに、接合境界部にフェ
ライト層が充分に形成されなくなる。従って、Ｃは０．
２５〜０．８％に規定される。

Ｓｉ及びＭｎは脱酸の目的で添加されるが、性質に影響
しない範囲でそれぞれ０．１５〜０．６％。

０．３〜１．２％添加される。

Ｎｉは靭性を高めるために添加されるが、２．０％以上
では基地が硬くなり、靭性を劣化させるので２％以下が
望ましい。

ＣｒはＣとバランスをとりつつ目的の炭化物量により決
定されるが、０．５％以下では炭化物量が少なく軸強度
が不足し、３．０％以上では炭化物量が多くなりすぎて
、靭性の劣化を招くので好ましくない。よって、Ｃｒは
０．５〜３．０％と規定する。

ＭＯはＮｉと同様の作用をするが、０．１５％以下では
その効果がなく、０．７％以上では基地が硬くなり、靭
性を劣化させるので０．１５〜０．７％と規定する。

ロール芯材は上記成分以外に残部がＦｅ及び不可避的不
純物を含有する。

次に、熱処理方法について説明する。

複合ロールのオーステナイト化は誘導加熱により行なわ
れるが、オーステナイト化温度を１１５０〜１２４０℃
としたのは、１１５０℃以下では。

高速度鋼のオーステナイト化が充分でなく、また、１２
４０℃以上になると、焼入れ後の残留オーステナイト量
が増加し、かつ安定化するため、目的とする硬さが得ら
れなくなるためである。本発明において、冷却（焼入れ
）は外層材の基地組織をマルテンサイト組織とするため
に充分な冷却速度で行なわれるが、外層材の成分に応じ
て水冷、ミスト冷却あるいは衝風冷却の急冷が採られる
。

ショア硬さ（Ｈｓ）９０以上の領域が少なくともロール
表面より４０ｆｆＩＩまで保持されるためには、サブゼ
ロ処理（深冷処理）を施さなければならない。そこで、
上記の焼入処理後、ただちにサブゼロ処理を行ない、残
留オーステナイトを分解してマルテンサイト変態させる
ことにより、硬度の上昇と組織の安定化を図る。サブゼ
ロ処理温度は目標とする硬さが得られるように、外層材
の成分に応じて−３０〜−１５０°Ｃの温度範囲で選択
される。

ロール芯材と外層材の接合境界のフェライト層は、応力
緩和として作用して熱処理割れを防止するが、熱処理後
のフェライト層の厚さが５μｍ以下ではその効果がなく
、２００μｍ以上ではロールの強度を低下させるので好
ましくない。従って、５〜２００μｍと規定される。エ
レクトロスラブ再溶解後に９００〜１１００℃の範囲に
加熱保持して充分にＣを拡散させることがフェライト層
を確保するのに効果的である。

次に、ロールの強靭化を図るために焼もどし処理が実施
されるが、焼もどし温度は１００〜５５０℃の範囲で数
回繰り返して行なうのが好適である。

本発明において、接合境界におけるフェライト層の形成
は、基本的にはロール芯材側から外層材側へのＣの拡散
によって達成されるが、芯材外周表面にあらかじめフェ
ライト層を強制的に付与することでもよい。付与方法と
して、脱炭処理あるいは芯材表面にフェライト鋼を溶接
する方法が挙げられる。

以上のように、従来の遠心鋳造法による複合ロール及び
普通鋳造法やＥＳＲ法による一体ロールでは不可能であ
った急速焼入れ、サブゼロ処理が可能になった理由とし
て、ロール芯材と外層材の接合境界にフェライト層を形
成させたことが挙げられる。すなわち、接合境界に発生
する半径方向の局部的引張応力をフェライト層の変形に
よって吸収緩和させたことが挙げられる。加えてロール
芯材に靭性に優れ、引張強さが外層材よりも高い低合金
鋼を用い、かつロール芯材と外層材がエレクトロスラグ
再溶解によって完全に溶着一体化され１発生する熱及び
変態応力に充分に耐えられるためである。

従来の遠心鋳造複合ロールでは、ロール表面に望ましい
圧縮の残留応力を付与するような熱処理を施した場合、
ロール芯材と外層材の接合の信頼性が乏しく、かつロー
ル芯材が強度の低い鋳鉄であることから、発生する熱及
び変態応力に耐えられずに割れが発生する。

一方、従来の一体ロールでは、前述したように、機械的
性質の向上を図るために鍛造を施し、その後全体加熱に
よる焼入れを行なうが、鋼塊サイズが大きくなるにつれ
て偏析、ミクロキャビティあるいは巨大な共晶炭化物が
生成するために鍛造が困難になり、ロールの大型化がで
きなかった。これに対して、本発明の外層材は水冷鋳型
及び芯材に冷却されながら一方的な凝固をするので微細
でかつ健全な組織を有する。その結果、無鍛造でもロー
ルに必要な強度が得られ、直径３００　ｎｎ以上のロー
ルの大型化が達成された。

そして、上記複合ロールを用いて各種圧延機を製造すれ
ば、過酷な圧延条件にも耐えられる圧延機となる。具体
的にはコールド、ホットストリップミル用仕上ワークロ
ール、ホットスキンパス用ロール、線材仕上用ロール等
が挙げられる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１ 直径３８０ｍｍ、高さ５００ｍｍの移動式水冷鋳型の内
部に直径２７０ｍ、高さ２５００ｍｍの０．４％Ｃ−０
，２５％５ｉ−０，６％Ｍ　ｎ　−１、０％Ｃｒ−０，
３％Ｍ　ａ　ｌｌよりなるロール芯材を配置し、外層材
となる１、４％Ｃ−４，２％Ｃｒ−５，４％Ｍ　ｏ　−
４、６％Ｗ−５．３％Ｖ−６．５％ＣＯよりなる外径３
５２ＩＩＩ１１．内径３００ＩＩＩ１１ノ円筒状Ｖ系高
速度工具鋼の消耗電極を用い、エレクトロスラグ再溶解
を行なった。電圧は４０Ｖ、電流は７ｋＡとした。

得られた複合ロールはエレクトロスラグ再溶解によりロ
ール芯材と外層材とは完全に溶着一体化され、接合境界
の接合の信頼性が高いものとされている。

その後、複合ロールを１２００℃で低周波漸進誘導加熱
後に衝風冷却し、ついで−７０℃でサブゼロ処理、５３
０℃Ｘ３ｈの焼きもどしを３回繰り返した。

第２図に接合境界部の熱処理後の組織構成を模式的にを
示すが、接合境界部３にはフェライト層４が形成されて
いるために、上記のような厳しい熱処理をしても割れを
生じなかった。

第３図は熱処理後の複合ロール半径方向の硬さ分布を示
すが、硬さが高く、しかも硬化深度も大きいことがわか
る。

比較例１ ０−ル芯材の材質゛を０．９％Ｃ−０，５％５ｉ−０，
４％Ｍ　ｎ　−３、０％Ｃｒ−０，２％Ｍｏ鋼とした以
外は、実施例１と同一条件でエレクトロスラグ再溶解を
行ない、その後熱処理を施したが、第６図に模式的示す
接合境界部の組織構成図から明らかなように、境界部に
はフェライト層が認められず、その結果、熱処理割れを
生じた。

比較例２ 実施例１の外層材と同材質の直径１８０ａｍの一体ロー
ルを１２００℃で焼入れし、ついで５３０’（Ｘ３ｈの
焼きもどしを３回繰り返した。

第１表にロール表面における軸方向の残留応力を示すが
、比較例は引張応力であるのに対して、実施例１は圧縮
応力であり、耐クラツク性に優れていることがわかる。

第１表 実施例２ 直径４７０ｍ＋、高さ５００ＩＩｎの移動式水冷鋳型の
内部に直径３４０国、高さ２７００ｍｎ＋の０．３％Ｃ
−０，２５％５ｉ−０，７５％Ｍ　ｎ　−１、８％Ｎｉ
−０，８％Ｃｒ−０，５％ＭｏｗＩよりなるロール芯材
を配置し、外層材となる１、５％Ｃ−５，１％Ｃｒ−５
，３％Ｍ　ｏ　−４、９％Ｗ−４．９％■−５．０％Ｃ
ｏよりなる外径３５２ｍｍ、内径３００ｍの円筒状Ｖ系
高速度工具鋼の消耗電極を用い、エレクトロスラグ再溶
解を行なった。電圧は４０Ｖ、電流は９ｋＡとした。

その後、ロールを１２００℃に低周波漸進誘導加熱後衝
風冷却し、ついで−７０℃でサブゼロ処理、５３０℃Ｘ
３ｈの焼きもどしを３回繰り返した。

複合ロールをコールドミル仕上２号スタンドに組込み種
々のテスト圧延を行なった。被圧延材は普通鋼である。

第２表はロール使用成績を従来の０．９％Ｃ−３％Ｃｒ
鍛鋼一体焼入れロールと比較した結果を示すが、本発明
ロールは耐摩耗性に優れていることがわかる。

第２表 〔発明の効果〕 本発明によれば、ロール芯材と外層材との接合境界にフ
ェライト層を介在させたので、このフェライト層が応力
緩和材となって、軸強度に優れ、耐摩耗性及び耐クラツ
ク性に優れた複合ロールとなる。特に、本発明を直径３
００ｍ＋以上の大型複合ロールに適用すれば、その効果
は顕著である。

本発明゛に係る複合ロールの製造方法によれば、上記軸
強度等の優れた複合ロールを容易に製造できる。

本発明の圧延機によれば、過酷な圧延条件にも耐えるこ
とができる

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る複合ロールの構造を示す概略断面
図、第２図は本発明複合ロールの接合境界部の熱処理後
の組織構成を示す模式図、第３図は本発明複合ロール半
径方向の硬度曲線を示す特性図、第４図はロール芯材の
Ｃ量とフェライト層の深さとの関係を示す特性図、第５
図はロール芯材のＣｒ量とフェライト層の深さとの関係
を示す特性図、第６図は従来例を示しロール芯材に０．
９％Ｃ−０，５％５ｉ−０，４％Ｍ　ｎ　−３、０％Ｃ
ｒ−〇、２％Ｍｏ鋼を用いた高速度工具鋼複合ロールの
接合境界の部の熱処理後の組織構成を示す模式図である
。 １・・・外層材 ２・・・ロール芯材 ３・・・接合境界 ４・・・フェライト層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロール芯材と、このロール芯材の外周に接合された
   外層材とを備えた複合ロールにおいて、前記ロール芯材
   と外層材との接合境界部にフェライト層を有することを
   特徴とする複合ロール。 ２、請求項１において、複合ロールはロール芯材と外層
   材とがエレクロトスラグ再溶解法により溶着一体化され
   たものである複合ロール。 ３、請求項１において、ロール芯材は引張強さ及び曲げ
   強さの少なくとも一方が外層材より高い低合金鋼より成
   り、外層材はＭｏ系、Ｗ系又はＶ系高速度工具鋼から成
   る複合ロール。 ４、請求項１において、ロール芯材は重量％で、Ｃが０
   ．２５〜０．８％、Ｓｉが０．１５〜０．６％、Ｍｎが
   ０．３〜１．２％、Ｎｉが２．０％以下、Ｃｒが０．５
   〜３．０％、Ｍｏが０．１５〜０．７％、残部がＦｅ及
   び不可避的不純物を含む鋼材である複合ロール。 ５、請求項１において、複合ロールはそのロール表面よ
   り少なくとも４０ｍｍの深さまで、ショア硬さ（Ｈｓ）
   ９０以上である複合ロール。 ６、請求項１において、複合ロールはそのロール表面に
   圧縮の残留応力が付与されている複合ロール。 ７、請求項５又は６において、ロール胴部直径は３００
   ｍｍ以上である複合ロール。 ８、請求項１において、フェライト層の厚さは５〜２０
   ０μｍである複合ロール。 ９、請求項４記載のロール芯材にＭｏ系、Ｗ系又はＶ系
   高速度工具鋼から成る外層材をエレクトロスラグ再溶解
   法により溶着一体化させて接合境界部にフェライト層を
   形成する工程と、複合ロールを１１５０〜１２４０℃に
   誘導加熱して外層材をオーステナイト化する工程と、該
   外層材を焼入れしてマルテンサイト組織とする工程と、
   サブゼロ処理してロール表面のショア硬さ（Ｈｓ）を９
   ０以上にする工程と、を含むことを特徴とする複合ロー
   ルの製造方法。 １０、請求項１〜８のいずれかの複合ロールを備えた圧
   延機。