JPH0778267B2 - 圧延用複合ロール及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は固相芯材の周囲に外層材を鋳造して構成した圧
延用複合ロール及びその製造方法に関する。

〔背景技術〕

従来熱間圧延用ロールとしては、適度の耐摩耗性と耐ク
ラック性を有したC2〜3.2％、Cr12〜18％、Ni,Mo各２％
以下の高合金クロム鋳鉄あるいは、C3〜3.4％、Cr0.4〜
1.5％、Ni2〜５％、Mo0.2〜1.0％の高合金グレン鋳鉄が
広く使用されている（鉄鋼基礎共同研究会“鉄鋼材料の
摩耗”（1984）p16）。また、特開昭58-87249号公報に
おいて、C2.4〜3.5％、V6.1〜14％に、Cr,Mo,W,Coの各
合金元素を含有した耐摩耗鋳鉄ロール材が試みられ、耐
摩耗性の向上がはかられた。

また、この種のロールを製造する技術として、例えば特
公昭59-19786及び特開昭61-60256号公報に開示されてい
るように、予熱コイルにより予熱された芯材の周囲に冷
却型を設け、該冷却型内に溶湯を加熱コイルにより、加
熱しつつ導入し、外層を溶着する技術が知られている。

このような圧延用ロールに要求される重要な具備特性
は、耐摩耗性と耐クラック性である。摩耗が少なけれ
ば、圧延した製品の板厚精度が向上するとともに、ロー
ルの組み替え頻度も少なくなり、作業能率が向上する。

一方、耐クラック性が不足すると使用中の熱及び機械的
負荷により、割れが発生し、大きなトラブルとなる。従
って、両特性を兼備することが強く望まれている。

この点、従来の高クロム鋳鉄及び高合金グレン鋳鉄に比
べ特開昭58-87249号に示された耐摩耗材は、良好な耐摩
耗性が確認されている。しかしながら、耐クラック性の
改善が必要である。

また、圧延用ロールに要求される他の重要な具備特性
に、耐肌荒れ性とロール表面粗さがある。即ち、圧延に
供したロールの表面粗さが小さいほど、このロールによ
って圧延した製品の表面が美麗なものができるためロー
ルの表面粗さを小さくし、耐肌荒れ性を改善することが
強く望まれている。

〔発明の開示〕

本発明は上述の実情に鑑み耐摩耗性及び耐クラック性、
特に耐肌荒れ性に優れた熱間圧延用複合ロールを提供す
ることを目的とする。

また、本発明はかゝるロールを芯材の周囲に外層材をク
ラッドさせて成形する複合形成方法を提供することを目
的とする。

本発明者らは上述した目的を達成すべく種々の検討を重
ねたところ、上記のような複合ロールにおける上記特性
を改良するには、特定の成分と結晶組織を有する鋼が必
要であり、また、複合ロールの形成方法においては溶湯
の冷却条件（必要により誘導加熱条件）を特定すること
が重要であることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の要旨とするところは、複合ロール外
層部が、重量％で、C:1.5〜2.4％、V:3〜６％、及びCr,
Mo又はＷの少くとも１種の元素を10〜22％含有し、必要
により接種材として、Al:0.05〜0.20％又はTi:0.02〜0.
10％の１種又は２種の元素を含有し、残部Fe及び不可避
的不純物からなる鋼であってかつ、前記外層部の組織が
30〜150μｍの結晶粒径を有するとともにその粒界に晶
出した供晶炭化物で囲まれた金属組織或いは上記結晶の
基地組織内に更に初晶炭化物が分散晶出した金属組織か
らなるところにある。

更に、本発明の他の要旨は上記鋼成分からなる溶湯を耐
火枠と芯材との間に注入して誘導加熱を行い、次いで該
耐火枠の下端に設けた水冷モールドで前記溶湯を平均凝
固速度４〜50mm/分で冷却凝固して外層部を形成し、し
かる後、一体となった外周部と芯材を順次引出して複合
ロールを製造する方法にある。

本発明に従って製造された複合ロールはその外層部組織
を、硬いM₆C炭化物（特に(Cr,Mo,W)₆C炭化物）が微細結
晶粒の基地組織（オーステナイト組織）の粒界に晶出し
た組織、或いは上記外層部組織の基地組織内に更に硬い
MC炭化物（特にVC炭化物）が分散した極めて緻密な組織
を有し、かつ、該ロールの熱処理（焼入れ、焼戻し）に
より硬化した基地組織を有するので、従来の熱間圧延用
ロールに比べ耐肌荒れ性と耐摩耗性の極めて優れたロー
ルを提供することができる。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は結晶粒径とロール使用後の表面粗さとの関係を
示した図である。第２図は平均凝固速度と結晶粒径の関
係を示した図である。第３図は本発明のロール製造過程
における組織の変化を示した図である。第４図は本発明
のロール組織を表す顕微鏡組織写真とその説明図であ
る。第５図は加熱コイルの周波数と異物巻込み状態の関
係を示す図である。第６図は本発明の製造方法を実施す
るための装置の概要を示す一部断面斜視図である。第７
図は第６図の装置の主要部を模式的に示す断面概略図で
ある。

〔発明を実施するための最良の形態〕

次に、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明
する。

先ず本発明のロール外層部の成分について説明する。

ロール外層部の成分として、Ｃの含有量を前記範囲1.5
〜2.4％に限定する理由は次のとおりである。すなわ
ち、Ｃが下限値未満では硬い炭化物の晶出が少なく耐摩
耗性が著しく劣化し、向上が望めなくなる。一方、上限
値を超えるときは脆弱な炭化物が増加し、耐クラック性
を損なうとともにかえって強靱性も低下することにより
耐摩耗性をも低下させ、本発明の目的は達成できない。

一般的には、Ｃ含有量を高めると硬い炭化物の量が増加
し、耐摩耗性は向上すると考えられる。しかし、本発明
においては多量の合金元素を含有するため、この炭化物
の形態と量が変化する。そこで、本願発明は耐肌荒れ性
と耐摩耗性を兼備するためのＣの最適範囲として、1.5
〜2.4％を見いだしたものである。

この点、特開昭58-87249号に示されたものはＣが高すぎ
て、かえって耐摩耗性を低下させている。

Ｖの含有量は従来のセメンタイト（FeC）系やクロム炭
化物（Cr₇C₃）系炭化物に比べ極めて硬いMC炭化物（本
願発明ではVC）を晶出するためＣとのバランスで選択さ
れる。特に、本発明においては、VC炭化物は溶湯より初
晶の炭化物として直接晶出し、組織を制御するもっとも
重要な要因であるため特に重要である。

すなわち、C1.5〜2.4％の範囲において、Ｖが下限値の
３％未満では硬いVC系炭化物が晶出せず、基地組織に入
ってしまう。

一方、６％以上では前記のように初晶の炭化物であるた
め炭化物の量が増大し、耐肌荒れ性を損なうとともに、
VC炭化物の比重が溶湯に比べ非常に小さいので分布が偏
り均質な材料ができないため、前記範囲に制御しなけれ
ばならない。

Cr,Mo,Wの合金元素はいずれも主としてＣと結合し、共
晶炭化物を形成するが、本発明においては非常に硬いM₆
C系である。従って、耐摩耗性と強靱性を兼備する役目
を果たしており、形成する炭化物の量を制御するため、
上記３元素の少くとも１種の元素の含有量を10〜22％に
限定しなければならない。

すなわち、下限値の10％以下では硬い炭化物が少なく耐
摩耗性が不足する。

一方、上限値の22％を超えると炭化物が増加し過ぎて耐
肌荒れ性を損なうため、本願発明の耐肌荒れ性と耐摩耗
性を兼備するには、この範囲にしなければならない。

尚、Cr及びMoはその一部が基地組織に分配され焼き入れ
性を増大させるとともに、特に高温での析出硬化の作用
を有する。

また、Al,Ti等の酸化物生成元素はロール鋳造中に溶湯
へ接種されると溶湯中に酸化物例えばAl₂O₃，Ti₂O₃など
が生成し、この酸化物が核となって、この周囲にVC炭化
物が晶出する。従って、VC炭化物を分散晶出するには重
要な元素であって、上記元素の内の１種又は２種をAl:
0.05〜0.20％、Ti:0.02〜0.10％の範囲で添加する必要
がある。

この他に必須の成分ではないが、溶湯の脱酸等の理由
で、溶解技術上、有用な元素であるSiならびにMnを、そ
れぞれ約0.3〜1.5％程度含むことは差し支えない。

また、P,S等の不純物についても、通常の鋳物に含まれ
る0.03％以下程度のものであれば含有されても差し支え
なく、これらは、本発明の効果を何等損なわしめるもの
ではない。

また、Niはこの種のロールにおいて耐肌荒れ性を損なう
ため、１％以下にすることが望ましい。

なお、本発明において、Coは金属組織の内の基地の高温
強度及び高温硬さを向上させるので、0.1〜10％、好ま
しくは５〜10％を添加するとロールの耐肌荒れ性、耐摩
耗性を更に向上することができる。

次に、特に耐肌荒れ性に優れている緻密な凝固組織につ
いて説明する。

通常熱間圧延においては、ロール表面が600〜800℃とい
う高温になるため、基地組織は焼戻軟化される。従っ
て、一般に使用されている高クロム鋳鉄や高合金グレン
鋳鉄等の鋳鉄系ロールにおいては、高温でも安定な炭化
物に対し基地組織が優先摩耗されて、ロール表面に凹凸
が生じ、肌荒れが生じる。かゝる肌荒れを防止するため
には基地組織を微細にし、かつ硬い炭化物を基地組織の
結晶粒界更には結晶粒内に多量に晶出分散せしめること
が重要である。

本発明者らはロール使用後のロール表面粗さRa（μｍ）
が1.6〜0.3μｍの範囲にあるとロールの肌荒れを防止で
きると共に圧延中でのロールと圧延製品との間のスリッ
プ発生も阻止できることを確認した。

そしてかゝる範囲の表面粗さを得るためにはロール組織
の結晶粒径を30〜150μｍの範囲にする必要があること
を究明したのである。

これを第１図に示す。同図の縦軸は表面粗さRa（μｍ）
を表し、横軸は結晶粒径（μｍ）を表す。本発明が意図
している表面粗さは図中の●印の範囲であるが、同図で
はこの表面粗さを得るために必要な結晶粒径は30〜150
μｍであることを示している。

このような表面粗さを常に維持するためにはロールに耐
摩耗性を強靱性を付与する必要がある。このため、本発
明は硬いM₆C炭化物を共晶として結晶粒界に、また更に
緻密な組織を得るためにこれに加え、極めて硬いMC炭化
物を初晶として基地組織の結晶粒内に晶出せしめたので
ある。

こゝで、本発明に係る組織の生成過程について、前述の
酸化物生成元素を溶湯に接種した場合を例にとり説明す
る。

第３図は溶湯の冷却凝固進行過程を示したもので、本発
明の成分を有する溶湯（Ｌ）（過程１）を冷却して該溶
湯から初晶MC（VC）炭化物を分散晶出させる。該炭化物
は溶湯中に生成した酸化物（Al₂O₃など）を核として、
容易にかつ確実に晶出する（過程２）。

更に冷却が進むと初晶MC炭化物の周囲に初晶オーステナ
イト（r₁）が晶出し、デンドライト状に成長する（過程
３）。

次に、残存溶湯（Ｌ）が共晶温度で共晶凝固し、共晶M₆
C（(Cr,Mo,W)₆C）炭化物と共晶オーステナイト（r₂）が
晶出する（過程４）。

前述したように、本発明では結晶粒径を30〜150μｍに
するが、この結晶粒径は凝固時の結晶粒径といゝ、過程
４で示すように結晶粒界に晶出した共晶M₆C炭化物によ
って囲まれた結晶粒の最大径を結晶粒径とする。従って
微細な結晶粒の粒界或いは粒内に硬い炭化物が晶出して
いる組織となっている。

次に、上記金属組織を有する本発明ロールの製造方法に
ついて説明する。

本発明の複合ロールは第６図及び第７図の装置によって
製造される。

同図に示されるように、SCM440等の合金鋼からなるロッ
ド状芯材１が昇降可能に設置され、該芯材１が挿通され
た開口を有するプラットホーム３上には、上部から順に
予熱コイル４、耐火枠５、誘導加熱コイル６及び水冷ホ
ールド７がそれぞれ芯材１を中心として同軸的に配設さ
れている。芯材１は低い速度をもって下方に一定速度で
運動するよう図示外の手段により支持されている。かゝ
る装置においてまず予熱コイル４により芯材１を加熱
し、取鍋８に貯留された高速度鋼等からなる溶湯９をノ
ズル8aを介して予熱された芯材１の外周と耐火枠５とに
より郭成された環状空隙内に導入する。耐火枠５の周囲
に設けた加熱コイル６により耐火枠５内の溶湯９が加熱
される。耐火枠５の下端は、水冷モールド７に接してお
り、水冷モールド７と芯材１との間に導入された溶湯が
順次凝固し外層部２を形成する。

このような装置で複合ロールを製造するに際し、最も重
要なのは溶湯の誘導加熱コイル６による加熱と水冷モー
ルド７による冷却である。すなわち、上記加熱は芯材１
の外周面を外層部２に溶着せしめるための重要な事項で
あり、また、上記冷却は30〜150μｍの結晶粒径の組織
を得るための重要な事項である。

凝固による組織の大きさ、具体的には結晶粒径は凝固速
度によって決まる。したがって結晶粒径を小さくし組織
を微細化するには凝固速度を大きくしなければならな
い。しかしながら、従来の最も一般的な製造法である遠
心鋳造は金型の抜熱にたよるため自づと限界があり、ま
た、ロールの大きさの影響を受けせいぜい熱間圧延仕上
用ロールとしては200μｍ程度の結晶粒径が限界であっ
た。

これに対し、本発明において採用した連続鋳造法は水冷
鋳型（モールド）を介して、積極的に水冷することが可
能なため、凝固速度を大きくすることができる。具体的
には、ロール表面粗さRa0.3〜1.5μｍに相当する結晶粒
径30〜150μｍを得るには平均凝固速度すなわち、この
場合は引抜き速度を４〜50mm/分とすることにより可能
となる。

第２図は実施例２における結晶粒径（μｍ）（縦軸）と
平均凝固速度（mm/分）（横軸）の関係を示したもの
で、30〜150μｍの粒径を得るには４〜50mm/分の凝固速
度が必要であることを示している。

第４図は前記鋳造設備を用い、溶湯の主要成分が、C:2.
13％、Cr:5.13％、Mo:6.48％、V:5.31％、W:4.12％、A
l:0.10％からなり、かつ凝固速度20mm/分で鋳造したロ
ール外層部における顕微鏡金属組織を示すものである。
上記写真及びその解説図より明らかのように、本発明の
組織は粒径80μｍの結晶粒の周囲を共晶炭化物が囲み、
しかも初晶炭化物が基地内に散在している。

なお、結晶粒径を小さくするために凝固速度を大きくす
ると、副作用として外層と芯材の溶着が損なわれること
がある。そこで、前述したように外層溶湯に誘導加熱コ
イルを用いて熱を供給し、完全に溶着させる必要があ
る。しかしながら誘導加熱は熱を供給するとともに溶湯
を攪拌させるため加熱電力を増加するとともに攪拌力も
増加し、溶湯表面の酸化被膜材およびスラグ等の異物を
凝固界面に結果として凝固後の外層に異物が残存し、著
しく品質を損なう場合がある。これを防止するため、攪
拌力を抑制する目的で周波数を大きくする必要があり、
第５図に示すとうり、5KHz以上にすることによりこの異
物かみ込みによる欠陥を防止することが可能となった。

以上のようにして連続鋳造された複合ロールは通常の焼
入処理が施され、凝固時に晶出したオーステナイトが硬
いマルテンサイトになり、更に焼戻されて焼戻しマルテ
ンサイトとなる。

このように本発明の複合ロールは硬くかつ緻密な組織を
有しているので熱間圧延用ロールとして極めて優れてい
る。

〔実施例〕

（実施例１） 第６図に示す装置を使用して、第１表の本発明例1,2,3
の欄で示す化学成分からなる熱間仕上圧延用ワークロー
ルを連続鋳造した。溶解は高周波炉を用い、芯材に鍛鋼
（SCM440）を採用した。熱処理は鋳造後焼鈍し、更に焼
入れ、焼戻しの熱処理を施した。

第１表に、本発明例１〜３および比較例１〜５との具体
的な製造品質、実機圧延での使用成績の比較一覧を示す
が、本発明例1,2,3の結晶粒径は150,80,50μｍであり、
使用後の表面粗さはそれぞれRa＝1.6,0.9,0.5μｍと極
めて良好な品質を得ることができた。又、圧延使用中
に、ロールと圧延製品の間にスリップも発生しなかっ
た。

（実施例２） 第６図の装置を使用し、第２表の本発明例１〜３で示す
外層部と芯材の化学成分からなる熱間仕上圧延用ワーク
ロールを連続鋳造した。製造条件、製造品質、使用品質
を比較例１〜５とともに第２表に表示した。

本発明の複合ロールは製造品質、使用品質とも、優れた
性質を示した。

すなわち、耐摩耗性においては、本発明の化学成分にお
いては従来の５倍以上との極めて優れた性能を示すとと
もに、使用後の表面粗さも小さく、耐肌荒性も向上し
た。

本発明例1,2,3の結晶粒径は150,80,50μｍであり、使用
後の表面粗さはそれぞれRa＝1.6,0.9,0.5μｍと極めて
良好であったが、結晶粒径の小さい方がさらに良好であ
った。なお、比較例4,5は粉末冶金法により製造したも
のであるが、組織が微小すぎるがために、使用後の表面
粗さが小さすぎ、圧延使用中にロールと圧延製品の間に
スリップが発生し、使用に耐え得なかった。

〔産業上の利用分野〕

本発明を熱間圧延用ロールに適用することにより、良好
な耐摩耗性とともに、強靱性不足によるクラック等の発
生もない高品質なロールを供給することが可能となり、
特に耐肌荒れ性については、従来ロールに比べ極めて良
好な成績が確認されており、従って本発明ロールは工業
的に多大な価値を有するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 綾垣 昌俊 福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新 日本製鐵株式会社 機械・プラント事業部 内 (72)発明者 澤田 健三 福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新 日本製鐵株式会社 機械・プラント事業部 内 (72)発明者 内田 秀 千葉県富津市新富20―１ 新日本製鐵株式 会社 中央研究本部内 (56)参考文献 特開 昭63−114937（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−199051（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−266043（ＪＰ，Ａ) 国際公開88−7594（ＷＯ，Ａ)

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（補正後）外層部内周面と芯材外周面を溶
   着して構成した圧延用複合ロールにおいて、前記外層部
   が重量で、C:1.5〜2.4％、V:3〜６％、Cr,Mo及びＷの３
   元素を総和で10〜22％含有し、残部Fe及び不可避的不純
   物からなる鋼で形成され、さらに前記外層部の組織が30
   〜150μｍの結晶粒径を有し、かつその粒界に晶出したM
   ₆C型の共晶炭化物で囲まれるとともに粒内にMC型の初晶
   炭化物を有する金属組織からなることを特徴とする圧延
   用複合ロール。
2. 【請求項２】前記化学成分に接種材としてAl:0.05〜0.2
   0％又はTi:0.02〜0.10％の１種又は２種を添加し、前記
   外層部の組織を構成する結晶粒内に初晶炭化物を溶湯中
   に生成した酸化物を核として晶出せしめた請求の範囲１
   記載の複合ロール。
3. 【請求項３】重量でCo:0.1〜10％含有する請求の範囲１
   又は２記載の複合ロール。
4. 【請求項４】重量でCo:5〜10％含有する請求の範囲１又
   は２記載の複合ロール。
5. 【請求項５】（補正後）重量でCo:1.5〜2.4％、V:3〜６
   ％、Cr,Mo及びＷの３元素を総和で10〜22％を含有し、
   残部Fe及び不可避的不純物からなる溶湯を耐火枠と芯材
   との間に注入して加熱し、次いで該耐火枠の下端に設け
   た水冷モールドで前記溶湯を平均凝固速度４〜50mm/分
   で冷却凝固して外層部を形成し、しかる後、一体となっ
   た外周部と芯材を順次引出すことを特徴とする圧延用複
   合ロールの製造方法。
6. 【請求項６】前記化学成分に接種材としてAl:0.05〜0.2
   0％又はTi:0.02〜0.10％の１種又は２種を添加して鋳造
   する請求の範囲５記載の製造方法。
7. 【請求項７】重量でCo:0.1〜10％含有する請求の範囲５
   又は６記載の製造方法。
8. 【請求項８】前記耐火枠の外周に設けた加熱コイルに5K
   Hz以上の周波数の高周波電流を供給して溶湯を加熱する
   請求の範囲５又は６記載の製造方法。