JPH0694581B2

JPH0694581B2 - 熱間圧延用ロール

Info

Publication number: JPH0694581B2
Application number: JP28234687A
Authority: JP
Inventors: 邦夫後藤; 俊朗間瀬
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-11-09
Filing date: 1987-11-09
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPH01127646A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、例えば熱間圧延の仕上ワークロールとして使
用するのに好適な、耐摩耗性および耐焼付性に優れた熱
間圧延用ロールに関するものである。

（従来の技術）近年、目を見張るばかりの著しい工業技術の発展を背景
として、新しい特性を備えた様々な素材が開発されてお
り、それと同時に金属の圧延材料もそれぞれの用途に応
じて種々のものが使用されるようになった。このため、
金属材料圧延用ロールにもそれぞれの使用目的に応じた
種々の厳しい特性が要求されるようになった。従来から
その材質等を中心に様々な工夫が凝らされてきたが、現
在では、特に苛酷な条件下で使用されがちな鉄鋼の熱間
圧延用仕上ワークロール等では、外層材にアダマイト
材、高クロム材或いは高合金グレン材等の耐摩耗性強靭
鋳鉄を適用したものが主流を占めるようになっている。

なお、これらロール材のうち、アダマイト材は特に強靭
性に富むと言う特徴を有することから仕上圧延の前段用
ワークロール外層材として広く使用されている。また、
高クロム材は、組織中に存在する高硬度炭化物（Cr、F
e）₇C₃の故に耐摩耗性に優れるとの特徴を、そして高合
金グレン材は、組織中に存在する黒鉛の故に熱伝導率が
高いことに加えて、黒鉛自身の潤滑作用によって耐焼付
性に優れているとの特徴を、それぞれ有していることか
ら、これらの特徴が生かされる条件下での使用が心掛け
られてきた。

一方、最近になって、ニハード（商品名：構造用Ni−Cr
チル鋳鉄で４種類の成分組成が規定されている）と称さ
れ、周知材料のSi含有量を増加させ、通常では現われな
い黒鉛を組織中に晶出させて熱伝導率を改善し、これに
よって耐焼付性の向上を図った圧延ロール外層材も提案
された（特公昭61−16336号、特公昭61−16415号）。

（従来技術の問題点）しかしながら、前記アダマイト材には使用条件が苛酷に
なると耐摩耗性や耐肌荒性の点で性能不足が認められる
ようになるなどの問題点があり、また前記高クロム材
は、他のロール材に比べて熱伝導率が低いため使用条件
が苛酷になった場合の耐焼付性不足が目立つ上、全面に
ささくれ状の肌荒れを生じると言う欠点を有していた。
そして、前記高合金グレン材には、使用条件が苛酷にな
ると組織中の黒鉛が逆に作用し、この黒鉛を起点とした
摩耗や肌荒れが顕著になって耐肌荒性や耐摩耗性を劣化
させると言う問題が指摘されていたのである。

更に、前記特公昭61−16336号や特公昭61−16415号とし
て提案されたロール外層材は、実作業を通じての詳細な
検討の結果、組織中への黒鉛晶出のために多量のSiを含
有させたことからロール材として必要な機械的性質が著
しく低いものとなる上、特に苛酷な条件下で使用する場
合には黒鉛剥落が著しくなり耐摩耗性の点で十分に満足
できるものではないとの結論を出さざるを得なかった。
しかも、上記提案に係るロール外層材ではCr量が5.0〜1
0.0％（以下、成分割合を示す「％」は「重量％」とす
る）と一般的な高クロム材に比べて非常に低いため、例
えM₇C₃型高硬度炭化物（Cr₇C₃,Fe₇C₃等）が存在したと
しても僅かでしかなく、一般的な高クロム材が有するよ
うな高温高耐摩耗性を実現することもできなかった。

このように、従来知られていたロール材には何れも一長
一短がある。従って、特に“特殊鋼圧延”、“低温圧
延”あるいは“薄物圧延”の如き、ロールに対して殊更
に苛酷さが要求される条件下での圧延、つまり高負荷圧
延等においても十分対処できるような、より優れた耐摩
耗性と耐焼付性とを兼ね備えたロール材が待望されてい
るのが現状であった。

（発明が解決しようとする問題点）よって、本発明の目的は、従来の熱間圧延用ロールに指
摘される上記問題点を解消するとともに、高負荷圧延の
増加等、益々苛酷な度合を深めつつある使用条件下でも
十分に満足し得る耐摩耗性と耐焼付性とを兼ね備えた熱
間圧延用ロールを提供することである。

（問題点を解決するための手段）本発明者等は、かかる目的達成をはかるべく、特に高
温下での黒鉛および炭化物剥落防止すなわち高温耐摩耗
性改善には、基地部の高温軟化抵抗向上を図ることが有
効である、耐焼付性改善にはCr/C比が大きな係わりを
もつ、さらに耐摩耗性と耐焼付性とを共に満足できる
程度にバランスさせるには、組織中の黒鉛量が鍵を握っ
ているとの知見に立ってさらに鋭意研究を重ねた結果、
以下(a)ないし(c)に示す如き新らたな知見を得、本発明
を完成するに至ったのである。

(a)摩擦係数は、Cr/C比が小さい程低下する。すなわ
ち、耐焼付性は、Cr/C比が小さい程改善される。もっと
も、余り小さすぎると耐摩耗性の点で問題を生じ、この
傾向はロール組織中の黒鉛の如何（チルド合金、グレン
合金）を問わず成立する。

(b)高温下での黒鉛および炭化物の剥落防止には、従来
レベルを超えた多量のMoおよびAlの添加が有効である。
特に組織中の黒鉛は、従来はその利得が認識されながら
も、多量含有が剥落を促進する原因になることから、含
有量が制限されることが多かった。しかるに、Moの多量
添加により基地の高温軟化抵抗を含む高温諸特性が改善
されると、炭化物や黒鉛の剥落が単に防止され耐摩耗性
が改善されるというだけでなく、組織中に多量の黒鉛を
含有させてもその剥落が防止され、その結果、黒鉛の多
量含有が可能になるので、耐焼付性を耐摩耗性といった
他の特性の劣化なしに著しく高めることができる。この
ようにMoの多量添加による基地の高温諸特性の改善は、
この二つの特性を高次元で両立させ、熱間圧延ロールの
特性改善に多大の効果を与えるものとなる。

加えて、Alの多量添加により、飛躍的に耐熱性が向上
し、より一層の耐摩耗性、耐焼付性の改善が期待でき
る。

また、AlはSiと共に強い黒鉛化促進元素であるため適量
添加することにより、機械的性質の劣化を招く高Si化に
頼らずとも多量の黒鉛量を晶出することが可能である。

(c)黒鉛晶出量は、耐摩耗性、耐焼付性とが好適バラン
スをなして共に満足される領域が存在する。

よって、本発明は、斯かる独自の知見に基づき開発され
たもので、その要旨とするところは、少なくとも外層
が、重量で、 C:2.2〜3.7％、Si:0.4〜3.5％、 Mn:0.5〜1.5％、P:0.08％以下、 S:0.08％以下、Ni:5.0％超〜15.0％、 Cr:2.2〜13.0％、Mo:2.0％超〜10.0％、 Al:0.02〜2.5％、残部:Feおよび不可避不純物よりなり、且つCr/C＝（1.0〜3.5）を満足する合金にて
構成されてなることを特徴とする熱間圧延用ロールであ
る。

本発明において規定する上記合金は、組織中の黒鉛の存
在の有無によりチルド合金およびグレン合金に大別する
ことができる。共に、耐摩耗性、耐焼付性に優れるのは
勿論であるが、特にグレン合金は、チルド合金よりも耐
焼付性を一段と改善したものであるばかりか、好ましく
は組織中に含有する晶出黒鉛相を面積率にして1.0〜4.0
％に限定することによって、耐摩耗性と耐焼付性とが更
に一層好適なバランスをなして共に満足するものとな
る。一方、チルド合金はグレン合金よりも黒鉛を晶出し
ない分だけ耐焼付性に劣るものの逆に、炭化物量が多い
ため耐摩耗性は一段と改善されたものとなる。

（作用）このように、本発明にかかる熱間圧延用ロールにおいて
は、その少なくとも外層材のCr/C比を１〜3.5に規制す
ることにより、耐摩耗性と耐焼付性という相反する特性
を高次元で両立させ、なおかつMoを2.0％超〜10％、Al
を0.02〜2.5％という従来レベルをはるかに超えた高い
割合で含有させることによって高温軟化抵抗を含む高温
諸特性を飛躍的に改善し、特筆すべき高温耐摩耗性を実
現することができた。

チルド合金として利用する場合、多量に存在する炭化物
の剥落を防止することによって、一方、グレン合金とし
て利用する場合、晶出黒鉛に注目し、黒鉛の潤滑作用と
脱落による摩耗促進作用とのバランスを考慮し、好まし
くはその含有面積率を1.0〜4.0％とすることによって、
さらに優れた耐摩耗性と耐焼付性とを兼ね備えた熱間圧
延用ロール材を実現できるのである。

次に、本発明の熱間圧延用ロールが採用する外層材の成
分限定理由、Cr/C比および組織中の晶出黒鉛量を前記の
如くに数値限定した理由を説明する。

C:2.2〜3.7％Ｃ成分は、CrやMoと結合して高硬化炭化物を形成し、ロ
ール材として必要な硬度や耐摩耗性等の特性を確保する
作用を有しており、また後述するSiやNi、Alの黒鉛化促
進元素によって組織中に黒鉛を晶出し、耐焼付性を向上
させる作用をも有するものであるが、その含有量が2.2
％未満では炭化物が不足し、充分な硬度が得られず耐摩
耗性の劣化を来す。一方、3.7％を超えて含有される
と、炭化物が増し材質が脆くなるなど機械的性質の劣化
を来す。従ってＣは、 2.2〜3.7％とする。

Si:0.4〜3.5％ Siは溶湯の脱酸および湯流れ性確保の他、黒鉛を晶出さ
せるために不可欠な元素であるが、0.4％未満では溶湯
の流動性が不足する他、黒鉛が晶出し難くなる。

一方、Siが3.5％を超えて添加されると、炭化物の析出
が少なくなり、所望の耐摩耗性を確保できない上、焼入
性が阻害されて不完全焼入れ状態となり易く、基地硬度
の低下から機械的性質の劣化、更にはこの点からの耐摩
耗性劣化を招くこととなる。従って、Siは0.4〜3.5％と
した。

Mn:0.5〜1.5％ Mnは溶湯の脱酸のためにSiとともに積極添加されるが、
0.5％未満では十分な脱酸効果が得られず、逆に1.5％を
超えて添加されると、機械的性質、特に靭性を劣化させ
る。したがってMnは0.5〜1.5％とする。

P:0.08以下Ｐは、不可避的に随半する不純物元素であり、材質の脆
化を招くことからロール材としては少ない程望ましい
が、実際上は0.08％以下に抑制すれば前記不都合を許容
できることから、Ｐは0.08％以下とする。

S:0.08％以下Ｓも、Ｐと同様に材質の脆化を招くことから少ない程望
ましい不可避的不純物元素であるが、やはり0.08％以下
に抑制することで実際上の不都合を許容できることか
ら、Ｓは0.08％以下とする。

Ni:5.0超〜15.0％ Niは基地組織の改善作用と黒鉛を晶出させる作用がある
が、その含有量が5.0％以下では前記作用に所望の効果
が得られず、一方、15.0％を超えて含有させると残留オ
ーステナイトが増加してロール材として必要な硬度が得
られず耐摩耗性に問題が生じる。したがってNiは5.0％
超〜15.0％とする。

Cr:2.2〜13.0％ Crには、Ｃと結合して高硬度のクロム炭化物を形成し、
耐摩耗性や靭性を向上させる作用があるが、2.2％未満
ではこの効果が少なく、一方13.0％を超えると白銑化傾
向が強くなって黒鉛が晶出し難くなり、より優れた耐摩
耗性、耐焼付改善効果を得ることができなくなる。従っ
てCrは、2.2〜13.0％とする。

なお、本発明におけるCr量は、Ｃ量との重量比すなわち
Cr/C比が（1.0〜3.5）を満足することが必要である。

Mo:2.0％超〜10.0％ Moは本発明に係る熱間圧延用ロールの外層材成分として
極めて重要な元素であり、基地の中に入って高温軟化抵
抗をはじめとする高温諸特性を改善することにより、析
出した炭化物や晶出した黒鉛が高温下で剥落し易くなる
のを防ぐと共に、高硬度モリブデン複炭化物を形成して
耐摩耗性を飛躍的に向上させるなど高温下でも優れた耐
摩耗性と耐焼付性を保証する。しかしながら、その含有
量が2.0％以下では前記作用に所望の効果が得られず、
一方、10.0％を超えて含有させると前記作用は飽和して
しまう。したがってMoは、2.0％超〜10.0％とし、より
好ましくは効果の度合、経済性等を勘案して3.0〜8.0％
である。

Al:0.02〜2.5％ Alは、Moと共に本発明を特徴づける重要な元素であり、
比較的少量添加しただけで耐熱性を飛躍的に向上させる
ことができる。耐熱性の向上は、耐摩耗性、耐焼付性を
より一層改善させることは言うまでもないことである。

なお、Alには、Si以上の黒鉛化促進作用があり、Siとと
もにAlを適量添加させることにより、機械的性質の劣化
のまねく高Si化をせずとも組織中に多量の黒鉛を晶出可
能となる。つまり、Alは0.02％未満では、これらの効果
が少なく、一方2.5％を超えて含有されると黒鉛が過剰
に晶出するようになる他、基地硬度も低下する。したが
ってAlは、0.02〜2.5％とした。

Nb、Ｖ、Ｗ、Zr、Ti:1種または２種以上の合計が1.0％
以下本発明に係る熱間圧延用ロールの外層材は以上に説明し
た成分組成のほかは実質的にFeで構成されるものである
が、チルド合金、グレン合金共上記成分以外にもNb、
Ｖ、Ｗ、ZrあるいはTiを１種または２種以上含有して
も、その合計が1.0％以下ならば前記所望性能に悪影響
を及ぼすことがない。むしろ、チルド合金、グレン合金
共に鋳造組織の微細化による強靭化に役立つので積極添
加しても良い。

一方、その合計が１％を超えるとその効果が飽和する他
材質が脆くなり機械的性質の劣化をきたす。したがって
その合計量は、１％以下とする。

Cr/C:1.0〜3.5（wt％/wt％） Cr/C比が1.0未満では、炭化物生成量が少なく耐摩耗性
が劣化し、一方Cr/C比が3.5を超えると耐焼付性の点で
問題が生じる。したがって、Cr/C＝1.0〜3.5とした。

なお、Cr/C比を1.0〜3.5に制限する必要があることは、
後述の第４図からも明らかである。

黒鉛:1.0〜4.0％（面積率）グレン合金にあって、黒鉛は潤滑効果を有し、特に耐焼
付性の確保に有効とされながらも、一方で黒鉛の欠落に
起因する耐摩耗性の劣化を生じさせるので、従来は多量
の含有は実用上困難とされていた。しかるに、本発明に
おけるグレン合金にあってはMoおよびAlによる基地強靭
化により黒鉛の欠落が抑えられ、従来レベルよりも多量
の黒鉛を安定的に含有させることができ、耐摩耗性を犠
牲にすることなく耐焼付性を改善できる。かかる耐焼付
性の改善効果は晶出黒鉛が面積率1.0％以上で大きく、
逆に4.0％を超えると黒鉛を起点とした摩耗が著しく、
耐摩耗性の点で充分とは言えなくなる。したがって、耐
摩耗性、耐焼付性が共に好適バランスをなし満足し得る
黒鉛含有量は、面積率で、1.0〜4.0％であることが好ま
しい。

なお、黒鉛量が1.0〜4.0％であることが好ましいことは
後述の第５図からも明らかである。一方、チルド合金の
場合においても黒鉛の晶出がない分、グレン合金よりも
炭化物が多く存在し、その炭化物が高温でも剥落しにく
くなるため、高温での耐摩耗性は飛躍的に向上すること
は言うまでもないことである。

本発明において規定する上記成分組成および組織の合金
は、ロール全体に使用しても、また外層材と内層材とを
異なる材質で構成したいわゆる複合ロールの外層材とし
て用いてもよい。複合ロールとした場合、軸芯部として
は従来と同様、ダクタイル鋳鉄、普通鋳鉄、黒鉛鋼等の
強靭材が、使用用途に応じて適宜選択される。

本発明にかかる熱間圧延用ロールを製造するには、上記
成分組成を目標に調整された溶湯を常法にしたがって鋳
型に注入し凝固させる。すなわち、ロール全体が同一材
質のものには普通鋳造法等が採用され、複合ロールには
中抜き鋳造法、スライディングゲート法、遠心鋳造法等
が採用される。

グレン合金の場合、黒鉛量を管理するために、溶湯Ca−
Si合金、Fe−Si合金等の接種剤を添加することを妨げな
い。溶湯に接種剤を添加する場合、最終成分が目標範囲
内に収まるよう、接種剤の添加によって成分組成が変化
する分を予め補正した溶湯を使用することが必要であ
る。

鋳造されたロールは、鋳造時の残留応力を除去するため
と、ミクロ組織安定化のために焼なまし処理を受けた
後、切削研磨して所定の寸法に仕上げられる。

本発明にかかる熱間圧延用ロールはホットストリップミ
ル仕上前後段ワークロールに使用される他、ホットスキ
ンパス用ワークロール、条鋼圧延用ロール、製管用ロー
ルにも好適であり、さらにコールドストリップミル用仕
上ワークロール、線材仕上用ロール等の冷間圧延用ロー
ルとしての適用も可能である。

次いで、実施例により、本発明を比較例と対比しながら
具体的に説明する。

（実施例）製品胴径750mm、胴長1800mm、全長3800mmの遠心鋳造複
合ロールを製造するべく、各種成分組成の外層材溶湯を
遠心力鋳造機上で回転する鋳型に1420℃前後の温度で肉
厚90mmに鋳込んだ。必要に応じ接種剤としてFe−Si合金
を使用した。そして外層材溶湯が完全に凝固した後、外
層材を内装したまま前記鋳型を垂直に立て、上部から軸
芯材溶湯を鋳込み、上端を押湯、保温材でカバーした。
軸芯材溶湯が完全に冷却した後、ロールを鋳型から取り
出し、外層材組成および黒鉛量が第１表に示される22種
類の第１図に示す外層材１と軸芯材２とから成る複合ロ
ールを得た。

なお、第１表中、例No.1、６、８および22、23、25、27
の黒鉛量ゼロの場合が、チルド合金に対応するもので、
他はグレン合金に相当する。

得られた複合ロールには、歪取り熱処理（350℃×10H
r）および組織調整熱処理（420℃×20Hr）を施した。

こうして製造された複合ロールの胴端部外層材から摩耗
試験片および焼付試験片（共に100mmφ×30）を採取
し、摩耗試験片に対しては、第２図に概略的に示す要領
で摩耗試験（応力25kgf/mm²、回転数100r.p.m.、試験時
間100min、被加工材加熱片温度800℃）を行い、試験後
の摩耗体積を測定した。第２図（イ）は試験装置の側面
図、第２図（ロ）は平面図である。高周波コイル３で加
熱された被加工材加熱片４を一定速度で回転し、これに
一定押圧力(p)でロール材試験片５を押し付ける。一
方、焼付試験片に対しては第３図に概略的に示す摩擦試
験（応力10kgf/mm²、回転数10r.p.m.、試験時間10min、
被加工材加熱片温度800℃）により、両金属間の凝着程
度を表わす摩擦係数を調査した。第３図（イ）は側面
図、第３図（ロ）は平面図である。第２図と同一部材は
同一符号で示す。

なお、相手となる被加工材加熱片４としてはいずれの試
験においてもSUS304を使用した。結果を第４図および第
５図にグラフで示す。

第４図は、摩耗体積および摩擦係数をCr/C比によって整
理したものである。

この結果により、黒鉛晶出の如何、黒鉛量の大小にかか
わらず、つまりグレン合金、チルド合金の区別なくCr/C
比が1.0未満では、耐焼付性良好なるも耐摩耗性に劣
り、Cr/C比が3.5を超えると、耐摩耗性良好なるも耐焼
付性に劣ることが看取される。

つまり、グレン合金、チルド合金共に耐摩耗性と耐焼付
性とが共に好適バランスをなし満足しうる範囲は、Cr/C
＝1.0〜3.5であることが実証された。

第５図は、Cr/C＝1.0〜3.5における耐摩耗性、耐焼付性
に及ぼす晶出黒鉛の影響およびMo添加量の影響を示した
ものである。

なお、Mo添加量の影響は、第１表中の黒鉛量をほぼ2.6
％にそろえMo量の異なる例No.7、14、17、18にて調査し
た。図中の数字は本発明の例No.を示す。

この結果により、Cr/C＝1.0〜3.5を満足し、かつグレン
合金中で晶出黒鉛量が面積率で1.0〜4.0のものは、より
一層優れた耐摩耗性および耐焼付性を示すことが立証さ
れた。

また、Mo添加量については、Moが2.0％未満では、耐摩
耗性および耐焼付性改善効果が少なく、一方10％を超え
るとこれら改善効果が飽和する他、黒鉛の晶出や経済性
等に勘案すると決して、好ましいとは言えないことがわ
かる。

第２表は、比較ロールNo.1、７と本発明ロールNo.8、1
2、17、21、23、24、25、27の常温ならびに高温におけ
る硬度（Hv）を示したものである。なお、No.1、８、2
3、25、27はチルド合金、その他はグレン合金である。

本発明ロールの硬度は、比較ロールに比べて常温、高温
ともに高硬度を示す他、硬度低下も少ないことがわか
る。

（発明の効果）以上に説明した如く、本発明によれば、チルド系合金お
よびグレン系合金のいずれの形態であっても優れた耐摩
耗性と耐焼付性とを兼ね備えた圧延用ロールを実現する
ことができ、最近の苛酷な熱間圧延にあっても優れた耐
久性を発揮するとともに、良好な製品品質を保証し、さ
らに安全性にも優れるなど、産業上有用な効果がもたら
されるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、圧延用複合ロールの構造例を示す概略模式
図；第２図（イ）、（ロ）および第３図（イ）、（ロ）は、
特性試験の要領説明図；第４図は、本発明ロールに係る成分組成の外層材におけ
るCr/C比と耐摩耗性および耐焼付性との関係を示したグ
ラフ；および第５図は、本発明ロールに係る成分組成の外層材におけ
る晶出黒鉛含有割合（断面組織の面積率）と耐摩耗性お
よび耐焼付性との関係を示したグラフである。 1:外層材、2:軸芯材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも外層が、重量割合にて C:2.2〜3.7％、Si:0.4〜3.5％、 Mn:0.5〜1.5％、P:0.08％以下、 S:0.08％以下、Ni:5.0％超〜15.0％、 Cr:2.2〜13.0％、Mo:2.0％超〜10.0％、 Al:0.02〜2.5％、残部:Feおよび不可避不純物よりなり、且つCr/C＝（1.0〜3.5）を満足する合金にて
構成されてなることを特徴とする熱間圧延用ロール。
【請求項２】外層が、チルド合金である特許請求の範囲
第１項記載の熱間圧延用ロール。
【請求項３】外層が、グレン合金である特許請求の範囲
第１項記載の熱間圧延用ロール。
【請求項４】少なくとも外層が、重量割合にて C:2.2〜3.7％、Si:0.4〜3.5％、 Mn:0.5〜1.5％、P:0.08％以下、 S:0.08％以下、Ni:5.0％超〜15.0％、 Cr:2.2〜13.0％、Mo:2.0％超〜10.0％、 Al:0.02〜2.5％、さらにNb、Ｖ、Ｗ、ZrおよびTiの１種または２種以上の
合計が1.0％以下、残部:Feおよび不可避不純物よりなり、且つCr/C＝（1.0〜3.5）を満足する合金にて
構成されてなることを特徴とする熱間圧延用ロール。
【請求項５】外層が、チルド合金である特許請求の範囲
第４項記載の熱間圧延用ロール。
【請求項６】外層が、グレン合金である特許請求の範囲
第４項記載の熱間圧延用ロール。