JPH07103443B2 - 耐摩耗性に優れた高硬度黒鉛晶出高クロム材および圧延用複合ロ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、主としてロール材として使用される耐摩耗性
に優れた高硬度黒鉛晶出高クロム材および該高クロム材
を圧延使用層たる外層に有する圧延用複合ロールに関す
る。

（従来の技術と問題点） 高クロムロール材は、治金学的には組織中に高硬度のM₇
C₃型クロム炭化物を含んでおり、耐摩耗性に優れるのが
特長である。かかる高クロムロール材によって圧延使用
層たる外層が形成された複合ロールは、ホットストリッ
プミル用ワークロール等として普及している。

高クロムロール材は、ロールの用途により、組織中の基
地を熱処理によってパーライトからマルテンサイト、ベ
ーナイト等にすることにより、材質の硬度をHs50〜95に
調整して使用される。

一般的に、高硬度になるほど耐摩耗性が良好になるが、
変態に伴う残留応力も高くなり、圧延時に生じる熱応力
があまり高くならない用途に制約される。

例えば、ホットストリップミルの圧延では、圧延材の温
度が800〜1000℃と高く、圧延に使用されるワークロー
ルは、圧延材に接するロール表面と中心部との温度差が
大となり、このため大きな熱応力を発生する。残留応力
の高いロールを使用した場合、残留応力と前記熱応力と
が合成されて、圧延初期にロールが折損する虞れがあ
る。従って、熱間圧延に使用される高クロムロールは、
外層硬度をHs50〜83程度に押えているのが実情である。

一方、熱応力が小さい冷間圧延用ロールとしては、Hs90
前後のものでも折損の虞れがなく適用可能である。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、熱間およ
び冷間圧延のいずれにも使用することができ、耐摩耗性
に極めて優れた高硬度高クロム層を外層として有する圧
延用複合ロール並びに主としてその外層材として好適な
高クロム材を提供することを目的とする。

（問題点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高クロム材
は、化学組成が重量％で C:2.8〜3.6％ Ni:4.5〜10％ Si:2.5〜4.0％ Cr:5〜10％ Mn:0.5〜1.5％ Mo:3.5〜6.0％ P:0.1％以下 S:0.08％以下 残部実質的にFeから成り、組織がCr炭化物、Mo炭化物、
黒鉛および恒温変態により生成したベーナイトを主体と
した基地からなることを発明の構成とするものであり、
また、本発明の複合ロールは前記高クロム材を圧延使用
層たる外層として具備してなることを発明の構成とする
ものである。

（実施例） まず、本発明の高硬度黒鉛晶出高クロム材の成分限定理
由について述べると共に圧延用複合ロールの外層への適
用について言及する。以下、成分単位はすべて重量％で
ある。

C:2.8〜3.6％ ＣはCr,Moと結合して、Cr炭化物、Mo炭化物を形成する
ほか、後述するSi,Niの黒鉛化生成元素により微細な黒
鉛として晶出する。2.8％未満では上記炭化物量が減少
して硬度が不足すると共に黒鉛が晶出し難くなり、黒鉛
の存在による残留応力の軽減および耐焼付性の改善が図
られない。一方、3.6％を越えると、本発明におけるCr,
Mo含有量では炭化物量が過多となると共に黒鉛がほとん
ど晶出しなくなり、黒鉛の存在による残留応力の低減を
図ることができないばかりか、材質が脆くなり製造の際
に割れが発生する虞れがある。

Si:2.5〜4.0％ Siは黒鉛を晶出させるために必要である。本発明の場
合、白銑化促進元素であるCr,Moを夫々５〜10％、3.5〜
6.0％含有するので、2.5％未満では黒鉛の晶出が困難と
なり、一方4.0％を越えると黒鉛晶出が過多となり、耐
摩耗性が劣化する。

尚、黒鉛を容易に晶出させるためには、鋳込前のSi量を
上記成分範囲よりも低目にしておいて、鋳込時に接種を
行い、最終的に上記範囲内に調整する手段を採ることが
有効である。

Mn:0.5〜1.5％ Mnは溶湯の脱酸のためにSiと積極的に添加される。0.5
未満では脱酸作用が不足し、一方1.5％を越えると機械
的性質、特に靱性の劣化が著しく現れる。

P:0.1％以下 ロール材質において少なければ少ないほど望ましいが、
脆化を防ぐ点からも0.1％以下とする。

S:0.08％以下 ＳはＰと同様にロール材質を脆くするため、少なければ
少ないほど望ましく、0.08％以下とする。

Ni:4.5〜10％ Niは基地組織の改良と黒鉛を晶出させるため積極的に含
有させる。4.5％未満では黒鉛の晶出がほとんどなく、1
0％を越えると黒鉛過多となり、かつ、残留オーステナ
イトが増加すると共に安定になり、後の熱処理において
も変態し難くなり、耐肌荒性が劣化する。

Cr:5〜10％ CrはＣと結合して高硬度Cr炭化物を形成する。５％未満
では炭化物が少なく耐摩耗性が不足し、一方10％を越え
ると上記Ni,Si含有量では黒鉛の晶出が困難となる。

Mo:3.5〜6.0％ Moは焼入焼戻し抵抗を高めると共にMo炭化物を生成する
ので、高硬度の材質を得るのに有効である。3.5％未満
ではMo炭化物の生成が少なく、材質の高硬度化が困難と
なる。一方、6.0％を越えると前記Si,Ni含有量では黒鉛
の晶出が著しく抑制され、黒鉛がほとんど晶出しなくな
る。

なお、MoはCrと共に高硬度炭化物の生成に寄与するもの
であるが、両者は白銑化傾向を有する元素であり、Crは
Moよりもこの傾向は強い。従って、黒鉛の適度な晶出の
下で高硬度化を図るには、（Cr％＋1/2Mo％）が8.5〜1
1.5％にするように成分調整することが望ましい。

本発明の高硬度黒鉛晶出高クロム材は、上記の合金成分
のほか、残部Feおよび不可避的に混入した不純物で構成
される。

上記高クロム材は鋳放し状態で、残留オーステナイト、
パーライトおよび一部マルテンサイトによって形成され
た基地中にCr炭化物、Mo炭化物および黒鉛が晶出したも
のとなり、前記炭化物による高硬度化と、黒鉛の晶出に
よる耐焼付性の改善が図られる。

本発明では、鋳造後に更に後述する熱処理を施して、基
地を恒温変態によりベーナイトを主体としたものにす
る。これによってHs85以上の高硬度化が図られ、しかも
黒鉛の存在とあいまって残留応力の著しい低減が図られ
る。

すなわち、ベーナイト変態は後述のように比較的高温状
態（350〜500℃）で生じると共に組織が恒温変態中に自
己焼鈍され、かつ組織中には晶出黒鉛が存在しているた
め、変態により生じた応力は速やかに緩和されるからで
ある。

前記熱処理は、鋳造材をオーステナイト化温度に加熱保
持した後、冷却速度300℃/Hr以上で350〜500℃に急冷
し、この温度で10〜20Hr保持し、基地の全部乃至大部分
をベーナイト変態させ、その後徐冷する工程が採られ
る。オーステナイト化後急冷するのは、冷却途中でパー
ライト変態を阻止しベーナイト変態域までオーステナイ
トの状態で持ち来す必要があるからである。

尚、従来の高クロム材の高硬度化熱処理は、オーステナ
イト化後、通常300℃以下の温度でマルテンサイト変態
させるため、本発明高クロム材のように、残留応力は緩
和されない。

以上説明した黒鉛晶出高クロム材は、主として圧延用複
合ロールの圧延使用層である外層の鋳造材として使用さ
れるが、その内層（軸芯）材としては、高級鋳鉄やダク
タイル鋳鉄等の強靭性のある鋳鉄材又は黒鉛鋳鋼等の鋳
鋼材が適宜使用される。

尚、ここでいう複合ロールとは、内層が中実状のものに
限らず、円筒状のものをも含む。後者の複合ロール（複
合スリーブと指称する場合もある）は、別途準備された
ロール軸に嵌着固定されて組立ロールとして使用され
る。

前記中実状複合ロールの製造方法としては、金型遠心力
鋳造法により外層を鋳造した後、外層を内有した遠心力
鋳造用金型を起立させて静置鋳型を構成し、その内部に
内層材溶湯を注湯し、外層と内層とを溶着一体化する方
法があり、簡便であるので一般的に適用されている。

複合ロールの鋳造後は、外層の基地をベーナイトを主体
とするために、既述の熱処理が行われ、その後機械加工
が施されて所定の製品ロールとされる。

本発明に係る高クロム材は以上説明した通り、Hs85以上
の高硬度を有するが故に耐摩耗性に極めて優れ、かつ残
留応力も低いので熱間圧延用ロールの圧延使用層として
好適であるほか、高耐摩耗性が要求される冷間圧延用ロ
ール材、ローラ材、機械部品用材質としても好適であ
る。本発明材が適用される機械部品としては、高温、低
温での耐摩耗性部材、例えば掘削機、スラリーポンプ、
射出成型部材、各種金型等を例示することができる。

ところで、現存する高硬度のロール材として高クロム材
のほかに、高合金グレン材があるが、硬度はHs85限度で
あり、それ以上高い硬度にするとロール製造中に割れが
発生し易くない実用的でない。

次に、圧延用複合ロール（製品胴径680mm、胴長1450m
m、全長3600mm）の具体的製造実施例について説明す
る。

（１） 第１表に示す化学組成の外層材溶湯を鋳造機上
で回転する遠心力鋳造用金型に外層として肉厚80mm（鋳
込重量2Ton400kg）分鋳込んだ。鋳込みに際して、実施
例においては、黒鉛を容易に晶出させるために、出銑前
元湯にFe−Siを接種した。元湯のSi含有量は接種による
増加分を考慮して第１表の値より0.5％低目に調整し
た。

尚、従来例１は黒鉛の晶出のない従来の高Ｃ系高クロム
材、従来例２は高合金グレン材を示す。

（２） 外層鋳込開始から22〜23分後に外層は完全に凝
固した。その後、金型の回転を止めて、外層を内有した
鋳型を垂直に立てて、鋳型の両端にロール軸部形成用の
上型および下型を連設して静置鋳型を構成し、その内部
に第２表に示した内層材（ダクタイル鋳鉄）溶湯を鋳込
んで完全に満した後、押湯保温材でカバーした。

（３） 溶湯が凝固し完全に冷却した後、ロールを鋳型
から取り出して、下記の熱処理を施し、機械加工を行っ
て製品ロールを得た。

実施例 1000℃で５時間保持してオーステナイト化した後、熱処
理炉から引き出し、噴霧水冷によって400℃/Hrの冷却速
度で450℃まで急冷し、更にこの温度で15時間保持して
基地をベーナイト組織とした後、炉冷した。

従来例１ 1000℃で５時間保持してオーステナイト化した後、熱処
理炉から引き出し400℃/Hrの冷却速度で450℃まで急冷
し、更にこの温度で15時間保持し、外表面と中心部の温
度の均一化を計った後、常温まで冷却しマルテンサイト
変態をさせた。

従来例１ 鋳放した状態で残留オーステナイトとマルテンサイトの
混合基地組織であり、残留オーステナイトの分解のため
300℃〜450℃の温度で保持しベーナイト又は焼戻しマル
テンサイトの組織とした。

（４） このようにして得られたロールの製品組成を第
３表に示す。尚、外層組成は溶湯組成とほぼ同様である
ので記載省略する。

また、胴部を超音波探傷した結果、実施例および従来例
とも外層と内層とは完全に溶着一体化していることが確
認された。

また、実施例外層組織を顕微鏡観察した結果、ベーナイ
ト基地中にM₇C₃型Cr炭化物およびMo₂Cが析出しており、
また黒鉛が微細晶出している状態が看取された。

（５） 外層の硬度および残留応力を調査した。残留応
力はＸ線残留測定によって測定した。

その結果を第４表に示す。

第４表によると、本発明実施例では、外層が高硬度でか
つ残留圧縮応力も低いことが知られる。

従来例１では、外層残留応力の値からすると、中心部の
残留応力は15〜18kg/mm²の引張応力が作用しているもの
と推定され、熱間圧延に供した場合、胴部で折損する虞
れがある。

尚、この場合、残留応力を低下させるには、歪取り熱処
理を行えばよいが、該熱処理は500〜600℃で十数時間保
持する必要があり、そのため硬度もHs80以下に低下して
しまう。因に、550℃×15Hrの歪取り熱処理を施した結
果、残留応力は圧縮25kg/mm²となったが、硬度もHs73〜
75に低下した。

従来例２では、残留応力は実施例より若干高い程度であ
るが、硬度はHs83が限度であり、これ以上の硬度を得る
ことはできない。

（発明の効果） 以上説明した通り、本発明の高クロム材は、Cr:5〜10
％、Mo:3.5〜6.0％を有する特定組成および黒鉛が晶出
した特定組織の高クロム鋳鉄材質としたから、残留応力
の増大を招来することなく、Hs85以上の高硬度を具備す
るものとなり、耐摩耗性に極めて優れる。従って、高耐
摩耗性が要求されるロール材、ローラ材、機械部品用材
質として好適である。

特に、複合ロールの圧延使用層たる外層に本発明の高硬
度黒鉛晶出高クロム材を適用したものは、高硬度、高耐
摩耗性であるにも拘らず残留応力が低いので、耐折損性
に優れ熱応力の大きい熱間圧延にも使用することができ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】化学組成が重量％で、 C:2.8〜3.6％ Ni:4.5〜10％ Si:2.5〜4.0％ Cr:5〜10％ Mn:0.5〜1.5％ Mo:3.5〜6.0％ P:0.1％以下 S:0.08％以下 残部実質的にFeから成り、組織がCr炭化物、Mo炭化物、
   黒鉛および恒温変態により生成したベーナイトを主体と
   した基地からなることを特徴とする耐摩耗性に優れた高
   硬度黒鉛晶出高クロム材。
2. 【請求項２】化学組成が重量％で、 C:2.8〜3.6％ Ni:4.5〜10％ Si:2.5〜4.0％ Cr:5〜10％ Mn:0.5〜1.5％ Mo:3.5〜6.0％ P:0.1％以下 S:0.08％以下 残部実質的にFeから成り、組織がCr炭化物、Mo炭化物、
   黒鉛および恒温変態により生成したベーナイトを主体と
   した基地からなる圧延使用層たる外層を有することを特
   徴とする圧延用複合ロール。