JPH04214837A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄鋼材の熱間圧延用複合
ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧延用ロールは、圧延使用層の耐摩耗性
と軸部の強靭性とを確保するため、通常、高級鋳鉄や球
状黒鉛鋳鉄等の強靭鋳鉄材によって形成された軸部の外
周面に耐摩耗性に優れた高合金鋳鉄材によって形成され
た外層を溶着一体化して複合化される。この場合、軸部
としては一般に円柱状のものが使用されるが、形鋼圧延
用のものでは円筒状のものが使用される場合もある。

【０００３】圧延用複合ロールは、遠心力鋳造によって
外層を鋳造し、その内面が半凝固の状態で軸部を鋳造し
、両者を溶着一体化することにより製作される。また、
耐摩耗性が特に要求される鉄鋼圧延用ロールの外層材と
して、高クロム鋳鉄が使用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
軸部が鋳鉄材によって形成されているため、引張強度が
５０ｋｇ／ｍｍ２　程度以下と十分な強度が得がたく、
また溶着の際に外層の高合金成分が軸部溶湯に混入し、
材質を劣化させる。このため、製造途中に外層の残留応
力によって軸部が破壊したり、また近年の圧延条件の苛
酷化に伴ない、圧延中に折損事故が生じる等の問題があ
った。

【０００５】かかる問題を解決するには、軸部を黒鉛鋼
や鋳鋼で形成すればよいと考えられるが、これらの鋼材
は凝固温度が外層材に対して高く、外層と軸部との溶着
の際に、外層内面が軸部の凝固よりも遅れるため、健全
な溶着が得がたく、溶着部における強度が不足するとい
う問題がある。また、高クロムロール材は、Ｃ：２．０
　〜３．２　ｗｔ％、Ｃｒ：１０〜３０ｗｔ％を含み、
組織中に高硬度のＭ７　Ｃ３　型のクロムカーバイドが
多量に生成したものであり、比較的良好な耐摩耗性を有
しているが、基地組織中の炭素量が高いため比較的脆く
、高硬度クロムカーバイドが基地から欠け落ち易いとい
う欠点がある。欠け落ち摩耗が生じると、欠け落ちた部
分が鋼板に転写されて表面性状を悪化させ、不良品発生
の原因となる。また、近年、熱間圧延鋼板の断面形状や
寸法精度などに対する要求が厳しく、これらの要求に対
応するため、ロールの耐摩耗性向上の要求も強い。

【０００６】本発明はかかる問題に鑑みなされたもので
、外層ロール材が高クロム鋳鉄ロール材に比べて優れた
耐摩耗性を有し、また外層と軸部との接合健全性を損な
うことなく、軸部を鋼材で形成した複合ロールを提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本発明の複合ロールは、耐摩耗性に優れた特
定組成の高合金鋳鉄材で鋳造された円筒状外層部材又は
前記高合金鋳鉄材によって鋳造された外層の内面に特定
組成の鋳鋼材によって鋳造された中間層が溶着一体化し
た円筒状外層・中間層部材が、靭性に優れた鋼材で形成
された軸部材の外周面に配置されると共に両部材が熱間
等方圧加圧により固相拡散接合されている。

【０００８】前記高合金鋳鉄材は、化学組成が重量％で
、 　　　　　　Ｃ：１．５　〜２．５　％、Ｓｉ：０．２
　〜１．０　％、Ｍｎ：１．５　％以下、　　 　　　　　　Ｃｒ：３〜１０％、　　Ｍｏ：１〜９％、
　　　　Ｗ：２〜９％、　　　　　　Ｖ：２〜１０％、 残部Ｆｅおよび不可避的不純物で形成されている。この
際、材質改善のためＦｅの一部に代えて、Ｎｉを２％以
下含有させることができる。

【０００９】また、前記鋳鋼材は、化学組成が重量％で
、 　　　　　　Ｃ：０．１　〜１．５　％、　　Ｓｉ：０
．２　〜１．０　％、Ｍｎ：０．１　〜１．０　％　　
、　　　　　　Ｃｒ：０．１　〜３．０　％、Ｍｏ：０
．１　〜２．０　％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物で
形成されている。

【００１０】

【作用】外層部材又は外層・中間層部材は各々単独で製
造することができるため、製造容易である。外層部材と
軸部材とは熱間等方圧加圧（以下、ＨＩＰという。）に
より固相拡散接合されているため、接合時に外層部材の
内面が溶融することがなく、凝固時間の遅れに起因する
接合不良が生じることがない。また、接合部の拡散層の
厚さは、拡散容易で軽元素のＣについて見ても５ｍｍ以
内であり、溶着の場合に生じる混合層（外層と軸部との
成分が混合した中間的な成分を有する層）に比べて極め
て薄く、外層部材は境界部近傍まで有効に使用すること
ができる。

【００１１】また、外層の内面に中間層を形成した外層
・中間層部材の場合、部材の内周面（嵌合面）の機械加
工が容易で、また軸部材との固相拡散接合も極めて容易
に行うことができる。しかも、ＨＩＰ処理後の冷却又は
熱処理に際し、外層と軸部材との材質の相違に起因した
変態温度差を中間層によって段階的に変えることができ
、残留応力を低減することができる。

【００１２】前記外層部材又は外層を形成する高合金鋳
鉄材の化学組成（単位重量％）は以下の理由により限定
される。 Ｃ：１．５　〜２．５　％ Ｃは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖと結びついて、高硬度の各種
カーバイドを形成し、耐摩耗性を向上する。１．５　％
未満ではカーバイド量が過少となり、耐摩耗性が不足す
る。 ２．５　％を越えると、溶融状態から直接晶出する１次
カーバイドが多くなり、耐クラック性が低下する。

【００１３】 Ｓｉ：０．２　〜１．０　％ Ｓｉは溶湯の脱酸のために必要な元素であり、また、湯
流れを良くするので、０．２　％以上添加する。一方、
１．０　％を越えると、材質を脆くする。Ｍｎ：１．５
　％以下Ｍｎは溶湯の脱酸および脱硫のために添加する
。また、焼入れ性を向上させ、耐摩耗性を向上するが、
１．５　％を越えるとオーステナイト結晶粒が粗大化し
焼入れ時の割れの原因となるので好ましくない。

【００１４】 Ｃｒ：３〜１０％ Ｃｒは一部基地組織中に固溶して基地の焼入性を改善し
、耐摩耗性を向上する。また、Ｃと結合して高硬度の炭
化物を形成し、耐摩耗性をさらに向上する。３％未満で
は炭化物量が少なく耐摩耗性が劣り、１０％を越えると
、炭化物量が過多となるので靭性が低下する。

【００１５】 Ｍｏ：１〜９％ Ｍｏは基地組織の焼入性を向上すると共にＣと結合して
Ｍｏ２　Ｃ型の微細な炭化物を生成して耐摩耗性を向上
する。１％未満では焼入性向上の効果が顕著に現われず
、生成炭化物量も少ないため、耐摩耗性が劣り、９％を
越えると炭化物量が飽和するので、コスト的に不利にな
る。さらに、過飽和に溶け込んだＭｏは、基地の残留オ
ーステナイトを安定化し十分な硬度が得難くなる。

【００１６】 Ｗ：２〜９％ Ｗは強力な炭化物形成元素であり、焼もどし処理により
、ＭＣ型炭化物として微細析出し、顕著な２次硬化をも
たらす。その効果を得るためには２％以上必要であるが
、９％を越えると、晶出炭化物が増し、耐クラック性が
劣化する。Ｖ：２〜１０％ Ｖは鋳造組織を微細緻密化して基地を強靭化する。また
、Ｃと結合して高硬度のＶカーバイドを形成する。該カ
ーバイドは組織中に微細分散して形成されるので耐摩耗
性を向上する。本発明のＣ含有量の範囲（１．５　〜２
．５　％）においてＶの上記効果を得るには、２％以上
の添加が望ましい。一方、１０％を越えるとその効果は
飽和し、材質を脆くする。

【００１７】本発明の外層材は以上の成分のほか、残部
実質的にＦｅで形成される。尚、Ｐ，Ｓはいずれも材質
を脆くするので少ない程望ましい。Ｐ：０．０５％未満
、Ｓ：０．０５％未満に止めておくのがよい。上記合金
成分の他、高クロム鋳鉄材質を改善する合金元素として
下記の一種又は二種以上の元素をＦｅの一部に代えて含
有させることができる。Ｎｉは、焼もどしにおける２次
硬化は期待できないが、焼入れ性を向上する。２％を越
えるとオーステナイトが安定化するため、良くない。Ａ
ｌは、脱ガスに効果が大きく、外層材の鋳造時に、０．
１　％以下の含有により、有効に鋳造欠陥を除去し得る
。Ｎｂは、鋳造組織の微細化に効果があり、また、Ｎｂ
は析出硬化にも寄与するが、偏析し易い元素であるため
、１．０　％以下が良い。

【００１８】本発明の外層材は、Ｃ含有量を低く抑えな
がら、基地組織の焼入れ性を改善すると共に高硬度の炭
化物を形成するＭｏ，Ｃｒ，Ｖ，Ｗを積極的に添加した
耐摩耗性に優れた高合金鋳鉄材である。従って、本外層
ロール材は、従来の高クロムロール材に比べてＣ含有量
が低いが、従来のロールがＣｒカーバイド主体の組織で
あるのに対し、本ロール材は、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗによ
って、高硬度の各種形態の複炭化物を基地組織中に生成
させることにより、耐摩耗性を向上させている。一方、
上記基地組織も、Ｃ含有量が低いため、靭性が向上し、
前記複炭化物の生成と相まって、既述の組織の欠け落ち
の発生が防止され、この結果ロール寿命を著しく向上さ
せることができる。

【００１９】また、外層・中間層部材の中間層を形成す
る鋳鋼材の化学組成（単位重量％）は以下の理由により
限定される。Ｃ：０．１　〜１．５　％０．１　％未満
では鋳造性が悪くなり、一方１．５　％を越えると主と
してセメンタイトからなる炭化物が増加し、脆くなると
ともに、溶接性が悪くなるからである。

【００２０】 Ｓｉ：０．２　〜１．０　％ ０．２　％未満では脱酸効果が充分でなく、一方１．０
　％を越えると機械的性質が劣化する。 Ｍｎ：０．１　〜１．０　％ ＭｎはＳの悪影響除去およびＳｉの補助脱酸剤として添
加される。０．１　％未満ではその作用が不足し、一方
１．０　％を越えると材質を硬くもろくする。

【００２１】 Ｃｒ：０．１　〜３．０　％ Ｃｒは基地の焼入れ性を向上させ、強度向上に寄与する
。０．１　％未満ではその作用が不足し、一方３．０　
％を越えて添加すると、炭化物が増加し、脆くなる。 Ｍｏ：０．１　〜２．０　％ Ｃｒと同様な作用を有し、０．１　〜２．０　％の含有
が適切である。

【００２２】本発明に係る中間層材は以上の成分のほか
、残部実質的にＦｅで形成される。尚、Ｐ，Ｓはいずれ
も材質の強靭性を劣化させるため少ない程よく、０．１
　％以下に止めておくのがよい。

【００２３】

【実施例】図１は本発明の複合ロールの構造を示してお
り、圧延使用層（外層）を形成する外層部材１が軸部材
２の外周面に配置され、ＨＩＰにより固相拡散接合され
ている。外層部材１は円筒体であり、遠心力鋳造（横型
、傾斜型、立型）や静置鋳造によって鋳造される。単一
材質であるため、鋳造後の冷却速度に注意を払えば、過
大な残留応力による割れ発生のおそれもない。外層部材
１の材質としては、既述の高合金鋳鉄材が使用される。

【００２４】軸部材２は円柱体であり、静置鋳造や鋳造
後に鍛造することによって製造される。尚、軸部材が円
筒状のものでは遠心力鋳造の適用も可能である。材質と
しては、低合金鋳鋼、高合金鋳鋼、ＪＩＳ規定のＳＣＭ
材、ＳＮＣＭ材等の鋼材を使用することができる。これ
によって軸部材の引張強度を６０ｋｇ／ｍｍ２　以上に
することができ、充分な強度、強靭性を確保することが
できる。

【００２５】前記外層部材１と軸部材２とを固相拡散接
合するには、外層部材１を軸部材２に嵌合し、両部材１
，２　間の嵌合部空隙にある空気を除去し、ＨＩＰ処理
することによって行われる。嵌合部空隙の空気を除去す
るには、図３に示すように、軸部材２の一方のメタル部
（径小部）３から他方のメタル部４を覆うように軟鋼板
製カバー５を設け、その内部の空気を脱気することによ
って行われる。６は脱気管であり、真空脱気後、カシメ
や溶接によって閉塞される。

【００２６】また、図４に示すように、両方の嵌合端部
を溶接し、嵌合部空隙に連通するように取付けた脱気管
６より脱気してもよい。尚、メタル部３，４　を分割し
、ＨＩＰ処理することにより、ＨＩＰ処理炉を小形化す
ることができ、設備費の低減を図ることができる。軸部
材２は鋼材で形成されているので、分割したメタル部は
ＨＩＰ処理後、溶接により容易に接合一体化することが
できる。

【００２７】図５は、軸部材が円筒体であるＨ形鋼用ス
リーブロールの場合を示し、カバー５は外層部材１を軸
部材２に嵌合した複合ロール素材を包み込むように形成
されている。一方、図２に示すように、前記外層部材１
の代りに外層１２の内面に中間層１３が溶着一体化され
た外層・中間層部材１１を用いることにより、外層１２
と中間層１３とが溶着され、中間層１３と軸部材２とが
固相拡散接合された三層構造の複合ロールが得られる。 外層・中間層部材１１は、外層１２を遠心力鋳造後、そ
の内面に中間層材溶湯を遠心力鋳造することにより容易
に鋳造される。 尚、中間層１３の厚さは　　１０〜３０　　ｍｍ程度と
薄く、中間層材の溶湯量は軸部材のそれに比べて少量な
ため、凝固温度の逆転による溶着不良は問題とならない
。

【００２８】ＨＩＰ処理後、複合ロール素材は、粗加工
後、外層部材の硬化のために９５０　〜１２００℃に保
持してオーステナイト化した後、噴霧水冷等によって急
冷して焼入れ、その後５００　〜６５０　℃で２〜２０
時間保持する焼戻しが数回行われる。尚、素材が小形の
ものでは、空冷するだけで焼入れが可能である。本発明
の複合ロールは、小形の鋼材圧延用ロールから、広幅帯
鋼圧延ロール等の胴径φ４００　〜φ９００ｍｍ　の大
形ロール、並びにＨ形鋼圧延用スリーブロール等の広範
囲の圧延用ロールに適用可能である。

【００２９】次に具体的実施例を掲げる。（１）外層部
材および外層・中間層部材として外径３４０ｍｍ　、内
径２９０．０　〜２９０．２ｍｍ　、長さ１２５０ｍｍ
の円筒体を遠心力鋳造により製作した。尚、外層・中間
層部材の中間層厚さは２０ｍｍとした。これらの部材を
外径２８９．８　〜２９０．０ｍｍ　、長さ１４５０ｍ
ｍの軸部材に嵌合し、嵌合部隙間を脱気した後ＨＩＰ処
理を施した。ＨＩＰ処理条件は、圧力２００ｋｇ　／ｃ
ｍ２　、温度１０８０℃である。外層部材、外層・中間
層部材の化学組成（ｗｔ％、残部実質Ｆｅ）を下記表１
に示す。尚、比較例の外層部材は高クロム鋳鉄材である
。

【００３０】

【表１】

【００３１】（２）ＨＩＰ処理後、下記表２のオーステ
ナイト化温度に加熱後、急冷し、下記の温度で焼戻し、
歪取り熱処理を施した。

【００３２】

【表２】

【００３３】（３）熱処理後、表面硬度、境界４５°圧
縮強さ（外層部材と軸部材との接合境界面を荷重方向に
対して４５°に配置した試験片により測定した圧縮強さ
）等を測定した。その結果を下記表３に示す。

【００３４】

【表３】

【００３５】（４）表３より本発明の複合ロールは、軸
部材が８０ｋｇ／ｍｍ２　程度以上と高強度であり、境
界４５°圧縮強さがほぼ２５０ｋｇ　／ｍｍ２　以上で
、外層部材表面にも大きな圧縮応力が残留しており、接
合境界部の健全性、耐折損性に優れることが確認された
。また、表面強度も比較例に比べて高く、耐摩耗性に優
れることが推認される。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の複合ロール
は、靭性に優れた鋼材で形成された軸部材の外周面に圧
延使用層（外層）たる外層部材がＨＩＰにより固相拡散
接合されているので、両部材の接合に際し、外層部材の
内面が溶融することがなく、それ故接合部が健全で強度
劣化が生じず、また軸部材の材質特性をそのまま生かす
ことができ、高強度の確保ひいては耐折損性の向上を図
ることができる。また、両部材の拡散層も５ｍｍ程度以
下とごく薄いため高価な高合金材で形成された外層部材
の有効利用を図ることができる。

【００３７】また、外層の内面に特定成分の中間層が溶
着された外層・中間層部材を用いることにより、嵌合面
の加工が容易で、軸部材との固相拡散接合も極めて容易
に行うことができ、変態温度差を段階的に変えることが
できるため残留応力の軽減にも効果がある。また、本発
明の外層材は、Ｃを低く抑えると共に基地組織の焼入性
の改善および高硬度炭化物の形成のために、Ｍｏ，Ｃｒ
，Ｖ，Ｗを積極的に添加した高合金鋳鉄で形成されてい
るので、Ｃ含有量の低い強靭な基地中にＭｏ，Ｃｒ，Ｖ
，Ｗを含む高硬度の各種形態の複炭化物が生成した組織
となり、炭化物の欠け落ちの発生が防止され、従来の高
クロム鋳鉄ロール材に比べて極めて優れた耐摩耗性を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合ロールの断面図である。

【図２】本発明の他の複合ロールの断面図である。

【図３】複合ロール素材の接合部の脱気要領を示す断面
図である。

【図４】複合ロール素材の接合部の他の脱気要領を示す
断面図である。

【図５】複合ロール素材の接合部の他の脱気要領を示す
断面図である。

【符号の説明】

１　　　外層部材 ２　　　軸部材 １１　　　外層・中間層部材 １２　　　外層 １３　　　中間層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　化学組成が重量％で、　　　　　　Ｃ
   ：１．５　〜２．５　％、Ｓｉ：０．２　〜１．０　％
   、Ｍｎ：１．５　％以下、　　　　　　Ｃｒ：３〜１０
   ％、　　Ｍｏ：１〜９％、　　　　Ｗ：２〜９％、　　
   　　　　Ｖ：２〜１０％ 残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる高合金鋳鉄材で
   鋳造された円筒状外層部材が靭性に優れた鋼材で形成さ
   れた軸部材の外周面に配置されると共に両部材が熱間等
   方圧加圧により固相拡散接合されていることを特徴とす
   る複合ロール。
2. 【請求項２】　　化学組成が重量％で、　　　　　　Ｃ
   ：１．５　〜２．５　％、Ｓｉ：０．２　〜１．０　％
   、Ｍｎ：１．５　％以下、　　　　　　Ｎｉ：２％以下
   、　　Ｃｒ：３〜１０％、　　　　Ｍｏ：１〜９％、　
   　　　　　Ｗ：２〜９％、　　　　Ｖ：２〜１０％残部
   Ｆｅおよび不可避的不純物からなる高合金鋳鉄材で鋳造
   された円筒状外層部材が靭性に優れた鋼材で形成された
   軸部材の外周面に配置されると共に両部材が熱間等方圧
   加圧により固相拡散接合されていることを特徴とする複
   合ロール。
3. 【請求項３】　　化学組成が重量％で、　　　　　　Ｃ
   ：１．５　〜２．５　％、Ｓｉ：０．２　〜１．０　％
   、Ｍｎ：１．５　％以下、　　　　　　Ｃｒ：３〜１０
   ％、　　Ｍｏ：１〜９％、　　　　Ｗ：２〜９％、　　
   　　　　Ｖ：２〜１０％ 残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる高合金鋳鉄材で
   鋳造された外層の内面に、 　　　　　　Ｃ：０．１　〜１．５　％、　　Ｓｉ：０
   ．２　〜１．０　％、Ｍｎ：０．１　〜１．０　％　　
   、　　　　　　Ｃｒ：０．１　〜３．０　％、Ｍｏ：０
   ．１　〜２．０　％残部Ｆｅおよび不可避的不純物から
   なる鋳鋼材で鋳造された中間層が溶着一体化した円筒状
   外層・中間層部材が靭性に優れた鋼材で形成された軸部
   材の外周面に配置されると共に両部材が熱間等方圧加圧
   により固相拡散接合されていることを特徴とする複合ロ
   ール。