JPH0929313A

JPH0929313A - 組立式圧延用ロール

Info

Publication number: JPH0929313A
Application number: JP17994695A
Authority: JP
Inventors: Takumi Ohata; 拓巳大畑; Yoshihiro Kamiya; 欣宏神谷; Hiroshi Fukuzawa; 宏福沢
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1995-07-17
Publication date: 1997-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】耐摩耗性、耐肌荒れ性、耐亀裂性、耐割損性
に優れた組立式圧延用ロールを提供する。【構成】化学成分が重量比でC:0.1〜2％を含む鋳鋼又
は鍛鋼又は黒鉛鋳鋼からなる内層の外周に、ハイス粉末
の焼結合金からなる外層を形成した胴部構成用の複合ス
リーブを、軸材に嵌合固定してなり、かつ前記複合スリ
ーブは、回転軸と直角の断面における「外層の断面積／
内層の断面積」の値が0.7以下であることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鋳鋼、鍛鋼又は黒鉛鋳鋼
からなる内層の外周に、ハイス粉末の焼結合金からなる
外層を形成した複合スリーブを、軸材に嵌合固定した耐
摩耗性、耐肌荒れ性、耐亀裂性、耐割損性に優れた組立
式圧延用ロールに関し、特に連続熱間薄板仕上圧延機の
作動ロールとして好適なロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、連続熱間薄板圧延機の作動ロール
には、アダマイト材質やグレン鋳鉄材質が一般的に用い
らていた。これらの材質は圧延中に圧延事故に遭遇して
も、クラック発生などによる被害が比較的少なく、安定
した材質として永年に亘って重用されてきた。しかし、
耐摩耗性については、ロールに要求される水準の高度化
に伴って不満足となりつつあった。最近は、この要求を
満たすものとして、例えばWO88/07594号公報に開示され
ている外層がハイス系材質の高耐摩耗性ロールの適用が
拡がりつつある。ハイス系材質のロールは耐摩耗性が飛
躍的に優れているので、圧延技術の向上に著しく貢献し
ているが、耐亀裂性の点でまだ十分に満足されていな
い。また、遠心力鋳造法等の各種鋳造法より製造したロ
ールは、ハイス系材質に関わらず、その鋳造時の凝固に
伴い炭化物が微細、均一に分布しにくい、凝固むらによ
り偏析を生じやすい、及び組織粗大化により耐肌荒れ性
が劣化する等の問題がある。

【０００３】熱間圧延用ロールは、圧延中に例えば噛み
止め事故に遭遇したとき、その熱衝撃を受けて亀裂が発
生及び進展しやすい。また、絞り圧延事故に遭遇したと
きは、強圧を受けて被圧延材が焼付き、焼付きに起因す
る亀裂が発生及び進展しやすい。場合によっては、亀裂
が著しく進展して、ロール全体が破損に至ることがあ
る。このような場合、ロールの破損による圧延作業の停
止は莫大な損害となるが、特にハイス系材質を用いた高
価なロールの場合は、その損害金額がさらに大きくな
る。

【０００４】ロール全体を作り替えると非経済的である
ので、胴部のみの取替えを可能にするものとして、種々
の組立式圧延用ロールが開示されている。例えば、実公
昭45-7640号公報には、熱亀裂の発生及び伝播に対して
強い材料からなるスリーブをアーバーに焼嵌めした組立
式熱間圧延用作動ロールが、特開昭50-3922号公報に
は、高合金鋳鋼の外層と低合金強靱鋳鋼の内層とからな
り、外層の肉厚／内層の肉厚比を0.4〜1.2とした外径10
00mm以上の大形厚肉高硬度複合スリーブが、特開昭54-8
6463号公報には、ネック部径と胴部外径との比、胴部廃
却径と胴部外径との比を特定した圧延用ワークロールに
おいて、スリーブの内径を軸受部径に略等しくした圧延
用組立式ワークロールが開示されている。

【０００５】また、特開平4-191347号公報には、ハイス
系材質を用いた組立式圧延ロール用中空スリーブ材が、
特開平4-344807号公報には、外層をハイス系材質、内層
を強靱鋳鉄又は黒鉛鋼により形成したＨ形鋼圧延用複合
スリーブロールが開示されている。これら鋳造ハイス系
材質を用いた組立式圧延ロールは、化学成分又は材質の
点で耐亀裂性向上の配慮はなされているが、それらは材
質が本来有する耐亀裂特性の域を越えるものでない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前述
の鋳造ハイス系材質ロールの問題点を解消し、耐摩耗
性、耐肌荒れ性、耐亀裂性、耐割損性に優れた組立式圧
延用ロールを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者は胴部構成用の複合スリーブの外層を、炭
化物が微細均一に分布し、偏析のない組織を有する耐摩
耗性、耐肌荒れ性に優れた焼結ハイスで形成すると共
に、特に複合スリーブの外層に圧縮応力を付与しておく
ことに着目した。実際の圧延に用いられたロールの多く
の事例を解析し、追究の結果、200MPa以上の圧縮応力を
外層に付与しておく必要があり、そのためには「外層の
断面積／内層の断面積」の値を0.7以下に設定すれば良
く、その結果、耐亀裂性に優れた組立式圧延用ロールが
得られるという結論を得た。

【０００８】即ち本発明の組立式圧延用ロールは、化学
成分が重量比でC:0.1〜2％を含む鋳鋼又は鍛鋼又は黒鉛
鋳鋼からなる内層の外周に、ハイス粉末の焼結合金から
なる外層を形成した胴部構成用の複合スリーブを、軸材
に嵌合固定してなり、かつ前記複合スリーブは、回転軸
と直角の断面における「外層の断面積／内層の断面積」
の値が0.7以下であることを特徴とする。

【０００９】本発明において、前記ハイス粉末は、化学
成分が重量比でC:1〜4％、Si:0.2〜3％、Mn:0.1〜1.5
％、Cr:2〜12％、Mo:9％以下、V:3〜15％、W:20％以
下、残部実質的にFe及び不可避的不純物からなる。ま
た、このハイス粉末に重量比でNi:5％以下、Co:10％以
下、Nb:5％以下、Ti:5％以下、Zr:5％以下の何れか１種
以上を含有させてもよい。本発明のハイス粉末を製造す
るには、上記化学成分のハイスを溶融し、ガスアトマイ
ズまたは水アトマイズにより粉末化する。このように粉
末化されたハイス粉末に、さらに炭化物粉末、炭窒化物
粉末、硼化物粉末の何れか１種以上の硬質粒子を重量比
で20％以下配合してもよい。本発明のハイス粉末を鋳
鋼、鍛鋼又は黒鉛鋳鋼からなる内層の外周に熱間等方圧
加圧法により拡散接合させることにより複合スリーブを
形成する。また、本発明の複合スリーブの外層の硬さは
HS:70以上であることが望ましい。

【００１０】

【作用】複合スリーブの外層材質を形成するためのハイ
ス粉末の合金元素量は、外層材質が必要とする耐摩耗
性、硬さ、圧縮残留応力を確保する上で、次の通り限定
される。

【００１１】C:1〜4重量％ Cは同時に含まれるCr、V、Mo、Wと結合して硬質の炭化
物を生成し、耐摩耗性を発揮するのに必要な元素であ
る。Cが1重量％未満では硬質の炭化物量が不足して耐摩
耗性が得られず、4重量％を越えると硬質の炭化物が多
くなりすぎて靭性が低下する。

【００１２】Si:0.2〜3重量％ Siは脱酸効果、アトマイズ作業性を高める効果を有する
が、0.2重量％未満では十分な脱酸効果が得られず、3重
量％を越えると材質を脆化する。

【００１３】Mn:0.1〜1.5重量％ Mnも脱酸効果を有し、さらに焼入性を高める効果を有す
る。このため、0.1重量％以上必要であるが、1.5重量％
を越えると材質を脆化させるので好ましくない。

【００１４】Cr:2〜12重量％ Crは基地組織をベイナイト又はマルテンサイトにして硬
化すると共に、M₇C₃系、M₂₃C₆系炭化物を形成するの
で、耐摩耗性の向上に有効である。しかし、2重量％未
満では効果が十分でなく、12重量％を越えると基地組織
の靱性が低下するばかりでなく、VによるVCのようなさ
らに硬質のMC系炭化物の生成を少なくするので、耐摩耗
性向上効果が飽和する。

【００１５】Mo:9重量％以下 Moは基地組織中に固溶して基地組織を強化すると共に、
Cと結合してM₂C系、M₆C系炭化物を生成するので、耐摩
耗性の向上に有効である。しかし、9重量％を越える
と、VCのようなさらに硬質のMC系炭化物の生成が少なく
なるので、耐摩耗性向上効果が飽和する。

【００１６】W:20重量％以下 Moと同様に、Wも基地組織中にも固溶して基地組織を強
化すると共に、Cと結合してM₂C系、M₆C系炭化物を生成
するので、耐摩耗性向上に有効である。しかし、20重量
％を越えると、VCのようなさらに硬質のMC系炭化物の生
成が少なくなるので、耐摩耗性向上効果が飽和する。

【００１７】V:3〜15重量％ VはCと結合してVC、即ちMC系炭化物を生成する。VCの硬
さはHV 2500〜3000であり、炭化物の中で最も硬い。こ
のため、Vは耐摩耗性の向上に最も有効な必須元素であ
る。Vの量が3重量％未満ではVCの量が不足し、15重量％
を越えると材質を脆化する。

【００１８】本発明における複合スリーブの外層材質を
形成するためのハイス粉末は、上記の合金元素以外に、
さらに次の合金元素をそれぞれ単独又は複合して含むこ
とができる。Ni:5重量％以下 Niは基地組織の焼入れ性向上のため、特に大型の複合ス
リーブのときに添加すると有効である。しかし、5重量
％を越えるとオーステナイトが安定化して、硬い基地組
織のベイナイト又はマルテンサイトへ変態し難くするの
で、耐摩耗性が得られなくなる。

【００１９】Co:10重量％以下 Coは高温状態における基地を強化するので、特に熱間圧
延に用いたとき、耐摩耗性、耐肌あれ性の向上に有効で
ある。しかし、その効果は10重量％を越えると飽和す
る。

【００２０】Nb:5重量％以下、Ti:5重量％以下、Zr:5重
量％以下これらの元素は何れもVと同様にMC系の硬質炭化物を生
成するので、それぞれ5重量％以下を単独又は複合添加
することにより耐摩耗性の向上を図ることができる。

【００２１】上記元素以外は、残部は不純物を除いて実
質的にFeである。不純物として主な元素はPとSである。
Pは靭性低下防止のため0.05重量％以下、Sも同様理由に
より0.03重量％以下にするのが望ましい。

【００２２】また、上記本発明のハイス粉末に、VC粉
末、WC粉末、NbC粉末、TiC粉末等の炭化物粉末、TiCN粉
末等の炭窒化物粉末、硼化物粉末の何れか１種以上の硬
質粒子を20重量％以下、好ましくは10重量％以下配合し
てもよい。これら硬質粒子は耐摩耗性を向上させるが、
20重量％を越えると靱性が低下する。

【００２３】本発明における複合スリーブは熱間等方圧
加圧処理装置を用いた粉末焼結法により内層と外層を拡
散接合させて製作するのが好ましいが、これにこだわる
ことなく他の粉末焼結法によっても製作できる。また、
複合スリーブの外層の硬さはHS:70以上が必要である。
これにより、外層材質が本来有している耐摩耗性を確保
すると共に、外層に圧縮残留応力が付与されて、耐亀裂
性が得られる。

【００２４】複合スリーブの内層材質はC:0.1〜2重量％
を含む鋳鋼又は鍛鋼又は黒鉛鋳鋼である。これらの材質
において、Cが2重量％を越えると炭化物量又は黒鉛量が
過剰になるので、内層として必要な引張強度、靱性等の
強さが確保されない。また、Cが0.1重量％未満のときは
軟弱すぎるので、必要な強さが確保されない。

【００２５】以上により構成される複合スリーブを軸受
部等を構成する軸材に嵌合固定して、本発明の組立式圧
延用ロールが得られる。このとき、複合スリーブの内
径、即ち嵌合径は、軸受部の直径以上にしないと嵌合作
業のときに複合スリーブの嵌入が難しくなるので、必然
的に制約される。

【００２６】本発明の複合スリーブは回転軸と直角の断
面における「外層の断面積／内層の断面積」の値を0.7
以下にすることにより、複合スリーブの外層は如何なる
直径の時点で圧延に使用されても、常に200MPa以上の圧
縮応力が付与された状態になる。この結果、異常圧延等
により表面に引張応力が作用して亀裂が発生するような
事態に遭遇しても、圧縮応力により打ち消されるので、
亀裂の進展が阻止される。圧縮応力が200MPa未満のとき
は亀裂が進展しやすい。この圧縮応力は複合スリーブが
本来有している外層の円周方向残留応力と嵌合により外
層に作用する円周方向嵌合応力との合成応力である。

【００２７】このように、本発明の組立式圧延用ロール
は複合スリーブの外層と内層の断面積、即ち胴部の直径
に制約されるので、外層の厚みを従来の一体式複合ロー
ルのように大きくできない点が相違する。本発明の組立
式圧延用ロールの態様は、複合スリーブの外層の断面積
を小さくするために、外層の使用開始の初径を従来ロー
ルと同等にして使用終了の廃却径を従来ロールよりも大
きくしたり、初径を小さくして廃却径を従来ロールと同
等にしたり、そのときの状況に応じて適宜実施できる。
しかしなるべく、初径を従来ロールと同様に大きくして
廃却径を大きくする方、即ち複合スリーブの内層の断面
積を大きくする方が、複合スリーブの強靱性が確保でき
るので好ましい。

【００２８】

【実施例】図１は本発明実施例ロールを説明する回転軸
方向の断面図、図２は同じく回転軸と直角方向の胴部の
断面図である。これらの図において、外層１と内層２と
が金属的に接合された胴部形成用の複合スリーブは軸材
３に軸受部４以上の直径にて焼嵌めにより嵌合固定され
ている。軸受部４のさらに端側には、軸受部４よりも直
径の小さい駆動部５がある。実施例として、表１に示す
No.1とNo.2の連続熱間薄板仕上圧延用ロールを対象と
し、それぞれについて実施例 1及び 2と、それらを比較
するための比較例 1及び 2の組立式圧延用ロールを製作
した。

【００２９】

【表１】

【００３０】製作した各例複合スリーブの化学成分を表
２に示す。外層材質は何れも本発明の成分系であり、内
層材質は実施例 1と比較例 1がJIS-G-4105 SCM-440相当
の鍛鋼、実施例 2と比較例 2が黒鉛鋳鋼である。また、
実施例 1と比較例 1の複合スリーブは、上記鍛鋼製の軸
材を用いた。

【００３１】

【表２】

【００３２】各例の複合スリーブに、所定の熱処理と表
３に示す諸元の加工を施した。これらの複合スリーブの
外層の硬さを表２に併記する。表３において、実施例は
何れの外径時点においても「外層断面積／内層断面積」の
値が0.7以下であるが、比較例は初径時点で0.7を越え、
使用することにより複合スリーブの外径が小さくなった
時点で0.7以下になる。

【００３３】

【表３】

【００３４】各例の組立式圧延用ロールについて、外層
表面に作用している円周方向の圧縮応力の検討結果を表
５に示す。この圧縮応力は、複合スリーブの外層が本来
有していた円周方向の残留応力σ₁₁と、焼嵌めにより発
生した円周方向の焼嵌め応力σ₁₂とを合成した応力σ₁₅
である。残留応力σ₁₁は、各例と同等の複合スリーブを
それぞれ別に2個づつ製作し、歪ゲージを貼付後その部
分を40mm×40mm×40mmのブロックに切断して、開放法に
より測定した値である。焼嵌め応力σ₁₂は、表３と表４
に示す諸元を基にし、一般的に知られている厚肉円筒の
計算式を用いて計算により求めた値である。焼嵌め率は
組立式圧延用ロールに一般的に採用されている値を用い
たが、この値を変えることによっても圧縮応力は若干変
動する。

【００３５】

【表４】

【００３６】表５より、本発明の実施例ロールは何れも
使用外層が如何なる直径のときでも200MPaをはるかに越
えた圧縮応力を有し、耐亀裂性を有している。比較例ロ
ールは使用により外径が小さくなって廃却径に近づくと
200MPa以上になるが、直径が大きい使用開始の初径近く
では200MPa未満のため、耐亀裂性が十分といえない。

【００３７】

【表５】

【００３８】以上は外層の耐亀裂性に注目して検討した
が、さらに複合スリーブでは、内層の肉厚が薄くなると
引張残留応力が増加して、圧延中に複合スリーブの内
面、即ち焼嵌め面から割損するか、又は塑性変形により
焼嵌め率が低下することがある。このため、複合スリー
ブの内面に発生する円周方向の引張応力についての検討
を加えた。

【００３９】各例の組立式圧延用ロールについて、内層
の内表面、即ち焼嵌め面に作用している円周方向の引張
応力検討結果を表５に併記する。この引張応力は、複合
スリーブの内層が本来有していた円周方向の残留応力σ
₂₁と、焼嵌めにより発生した円周方向の焼嵌め応力σ₂₂
と、使用中の圧延荷重により加わる円周方向の圧延応力
σ₂₃と、同じく熱により加わる円周方向の熱応力σ₂₄と
を合成した応力σ₂₅である。残留応力σ₂₁は、前述同様
別に製作した各例同等の複合スリーブの内面を旋削加工
して、ザックス法により測定した値である。焼嵌め応力
σ₂₂は、表３と表４に示す諸元を基にして、前述同様計
算により求めた値である。焼嵌め率も前述同様である。

【００４０】圧延応力σ₂₃は、模型ロールの実験結果か
ら得た次の実験式により求めた。 σ₂₃={3.6-0.6(r₂/r₁)}・{P/(π・r₁・L)} σ₂₃:圧延応力〔=合成応力〕(MPa) P :圧延荷重 (kN) r₁ :複合スリーブの内面半径〔=焼嵌め面半径〕(mm) r₂ :複合スリーブの外表面半径 (mm) L :複合スリーブの長さ〔=焼嵌め面の長さ〕(mm)

【００４１】熱応力σ₂₄は、温度分布T(r)が与えられた
ときの一般的熱応力式を基にし、複合スリーブの内面に
対して外表面の温度が△T℃だけ高くなると仮定した次
式により求めた。 σ₂₄={(α・E)/(1-ν)}・{△T/3}・{〔2r₂+r₁)/(r₂+r₁)} σ₂₄:熱応力〔=合成応力〕(MPa) α :複合スリーブの熱膨張係数=1.2×10^-5 (1/℃) E :複合スリーブの弾性係数=21×10⁴ (MPa) ν :複合スリーブのポアソン比=0.3 △T:複合スリーブの外面と内面の温度差=40 (℃) r₁ :複合スリーブの内面半径〔=焼嵌め面半径〕(mm) r₂ :複合スリーブの外表面半径 (mm)

【００４２】本発明の実施例 1と比較例 1の複合スリー
ブの内層材は、鍛鋼であり、引張強さは686MPaである。
同じく実施例 2と比較例 2は、黒鉛鋳鋼であり、引張強
さは490MPaである。これらの内層材質が有している強さ
と表５の複合スリーブ内面に発生する応力とを比較する
と、本発明の実施例ロールは何れも、使用外層が如何な
る直径のときでも、発生する引張応力に比べて大きい強
さを有するので、割損に対して安全である。これに対し
て、比較例ロールは、使用により外径が小さくなって廃
却径近くになると、残留応力が小さくなることにより内
面の合成応力が小さくなり、割損や内面の塑性変形の危
険がなくなるが、直径が大きい使用開始の初径近くで
は、残留応力が大きいことにより合成応力が引張強さ以
上又はそれに近くなり、割損や内面の塑性変形の危険が
ある。

【００４３】

【発明の効果】本発明の組立式圧延用ロールは、胴部構
成用の複合スリーブの外層に焼結ハイス系材質を採用す
ることにより耐摩耗性、耐肌荒れ性を有すると共に、外
層の断面積／内層の断面積を所定の範囲にして圧縮応力
を外層に付与しておくことにより優れた耐亀裂性、耐割
損性が得られる。その結果、圧延に用いて異常事態に遭
遇してもロールの受ける被害が阻止されるので、それに
基づく圧延機の停止やロールの損害が抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例ロールを説明する回転軸方向の断
面図である。

【図２】本発明実施例ロールを説明する回転軸と直角方
向の胴部の断面図である。

【符号の説明】

１：外層２：内層３：軸材４：軸受
部５：駆動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｃ 38/24 Ｃ２２Ｃ 38/24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学成分が重量比でC:0.1〜2％を含む鋳
鋼又は鍛鋼又は黒鉛鋳鋼からなる内層の外周に、ハイス
粉末の焼結合金からなる外層を形成した胴部構成用の複
合スリーブを、軸材に嵌合固定してなり、かつ前記複合
スリーブは、回転軸と直角の断面における「外層の断面
積／内層の断面積」の値が0.7以下であることを特徴と
する組立式圧延用ロール。
【請求項２】前記ハイス粉末は、化学成分が重量比で
C:1〜4％、Si:0.2〜3％、Mn:0.1〜1.5％、Cr:2〜12％、
Mo:9％以下、V:3〜15％、W:20％以下、残部実質的にFe
及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１
に記載の組立式圧延用ロール。
【請求項３】前記ハイス粉末は、さらに化学成分が重
量比でNi:5％以下、Co:10％以下、Nb:5％以下、Ti:5％
以下、Zr:5％以下の何れか１種以上を含むことを特徴と
する請求項１又は２に記載の組立式圧延用ロール。
【請求項４】前記ハイス粉末は、アトマイズ法により
粉末化されたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに
記載の組立式圧延用ロール。
【請求項５】前記ハイス粉末に、さらに炭化物粉末、
炭窒化物粉末、硼化物粉末の何れか１種以上の硬質粒子
を重量比で20％以下配合したことを特徴とする請求項１
〜４の何れかに記載の組立式圧延用ロール。
【請求項６】前記ハイス粉末の焼結合金を複合スリー
ブの内層の外周に熱間等方圧加圧法により拡散接合させ
たことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の組立
式圧延用ロール。
【請求項７】前記複合スリーブの外層の硬さがHS:70
以上であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記
載の組立式圧延用ロール。
【請求項８】前記複合スリーブの内径が軸材の軸受部
の直径以上であることを特徴とする請求項１〜７の何れ
かに記載の組立式圧延用ロール。
【請求項９】前記複合スリーブの厚みが150mm以下で
あることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の組
立式圧延用ロール。
【請求項１０】連続熱間薄板仕上圧延機の作動ロール
に用いることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載
の組立式圧延用ロール。