JPH11199962A - 圧延用複合ロール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 強靱性にすぐれるロール本体１０の外周に硬
質リング１２を装着した圧延用複合ロールにおいて、鋳
造後の冷却段階において、ロール本体と硬質リングとの
熱収縮量の差を小さくすることにより、硬質リングと鋳
ぐるみ金属の間にに生じる残留応力を軽減し、クラック
が発生し難いようにする。 【解決手段】 重量％にて、Ｃ：２.５〜５.０％、Ｓ
ｉ：０.２〜２.０％、Ｍｎ：０.２〜１.５％、Ｃｒ：
４.０〜１５.０％、２Ｍｏ＋Ｗ：５.０〜３０.０％、
Ｖ：１０.０％を超えて２０.０％以下、残部実質的にＦ
ｅからなる耐摩耗性にすぐれる鋳鉄材を静置鋳造するこ
とにより硬質リングを形成し、該硬質リングをロール本
体となるダクタイル鋳鉄又は黒鉛鋼の溶湯で鋳ぐるむ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄鋼の線材、棒材
等の圧延に使用される複合ロールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】圧延用ロールは、圧延材と接触する外表
面側に耐摩耗性、芯部側に強靱性が要求される。この種
ロールとして、強靱性にすぐれるダクタイル鋳鉄又は黒
鉛鋼のロール本体の外周に、耐摩耗性にすぐれる超硬合
金を環状に形成した硬質リングを装着した複合構造のも
のがある。これは、超硬合金の硬質リングをダクタイル
鋳鉄又は黒鉛鋼の溶湯で鋳ぐるんで凝固させ、凝固部分
をロール本体となすものであり、鋳造凝固後、硬質リン
グ及びロール本体に適宜機械加工が施され、所望の形状
及び寸法に仕上げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、硬質リング
とロール本体において、熱膨張又は熱収縮時に発生する
応力は、ヤング率と熱膨張率の差に依存する。超硬合金
は、ヤング率が高い(約５００ＧＰａのオーダ)だけでな
く、鋳ぐるみ金属との熱膨張率の差が大きい(約７×１
０^-6℃^-1のオーダ)ため、超硬合金リングの場合、例え
ば鋳造工程における溶湯凝固後の冷却段階において、超
硬合金の硬質リングを抱いている鋳ぐるみ金属は超硬合
金よりも大きく熱収縮する結果、鋳ぐるみ金属に引張残
留応力、超硬合金リングに圧縮残留応力が発生する。そ
れゆえ、機械加工時や圧延使用時において、超硬合金リ
ングに大きな衝撃荷重が作用すると、超硬合金リングと
鋳ぐるみ金属の界面にクラックが発生し易くなる。ま
た、超硬合金は鋳鉄材に比べて機械加工性が良くないた
め、圧延材の形状に合わせて深いカリバーを凹設するカ
リバーロールの場合、加工に長時間を要しコスト高を招
く不都合があった。

【０００４】本発明は、強靱性にすぐれるロール本体の
外周に硬質リングを装着し複合一体化させた圧延用複合
ロールにおいて、特に、鋳造工程における溶湯凝固後の
冷却段階において、ロール本体と硬質リングとの熱収縮
量の差を小さくすることにより、硬質リングと鋳ぐるみ
金属との間に生じる残留応力を軽減し、クラックの発生
し難い複合ロールを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の圧延用複合ロールは、硬質リングの材料と
して、Ｃ：２.５〜５.０％(重量％、以下同じ)、Ｓｉ：
０.２〜２.０％、Ｍｎ：０.２〜１.５％、Ｃｒ：４.０
〜１５.０％、２Ｍｏ＋Ｗ：５.０〜３０.０％、Ｖ：１
０.０％を超えて２０.０％以下、残部実質的にＦｅから
なる鋳鉄材を使用することを特徴としており、この鋳鉄
材を静置鋳造により形成したリングを、ロール本体とな
るダクタイル鋳鉄又は黒鉛鋼の溶湯で鋳ぐるむようにし
たものである。

【０００６】ロール本体を構成するダクタイル鋳鉄又は
黒鉛鋼は、５０〜６００℃の温度範囲での平均熱膨張率
は約１２×１０^-6℃^-1〜１６×１０^-6℃^-1、硬質リング
を構成する前記鋳鉄材は約１１×１０^-6℃^-1〜１５×１
０^-6℃^-1であり、複合化に際しては、ロール本体と硬質
リングとの熱膨張率の差が、５×１０^-6℃^-1以内、より
好ましくは２×１０^-6℃^-1以内となるように材料を選択
することが好ましい。なお、熱膨張率とは、線膨張係数
を意味する。

【０００７】

【作用】本発明の圧延用複合ロールの硬質リングは、
Ｃ：２.５〜５.０％、Ｖ：１０.０％を超えて２０.０％
以下を含有する高Ｃ高Ｖ含有鋳鉄材であり、ＭＣ型炭化
物の晶出により高硬度(Ｈｓ７０以上、好ましくはＨｓ
８０以上)を具え、すぐれた耐摩耗性を具えている。

【０００８】硬質リングは、鋳鉄材を使用するから、ヤ
ング率が約２４０ＧＰａのオーダと低いだけでなく、ロ
ール本体を形成するダクタイル鋳鉄又は黒鉛鋼との熱膨
張率の差を小さくできるから、溶湯凝固後の冷却段階に
おいて、硬質リングと鋳ぐるみ金属との熱収縮量の差は
小さくなる。それゆえ、鋳ぐるみ金属の熱収縮作用によ
って硬質リングと鋳ぐるみ金属との間に発生する残留応
力を小さくできるので、その後の機械加工や圧延使用時
において、硬質リングを装着した圧延用複合ロールのク
ラック発生率を可及的に少なくすることができる。

【０００９】また、硬質リングは鋳鉄材を使用するか
ら、超硬合金から形成した硬質リングよりも機械加工性
にすぐれており、機械加工時間を短縮できる。

【００１０】

【成分限定理由の説明】ロール本体の外周に装着される
硬質リングを構成する鋳鉄材の成分限定理由を以下に説
明する。 Ｃ：２.５〜５.０％ Ｃは、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖなどと結合して高硬度複合炭
化物を形成し、耐摩耗性の向上に寄与する。本発明の硬
質リングを構成する鋳鉄材は、前述したように、１０.
０％を超えるＶを含有させた点に大きな特徴を有してお
り、ＣがこのＶと結合してＭＣ型炭化物を晶出すること
により、硬質リングに高硬度を具備させることができ
る。含有量が２.５％に満たないとＭＣ型炭化物の晶出
量が不足する。一方、含有量が５.０％を超えると、材
質の脆化を招き、また鋳造時における凝固開始温度(液
相線)が高くなりすぎるため、鋳ぐるみに際して溶着(金
属接合)し難く、製造が困難となる。

【００１１】Ｓｉ：０.２〜２.０％ Ｓｉは脱酸作用と湯流れ性を確保するために、０.２％
以上含有させる。一方、あまり多く含有すると材質が脆
くなるため、２.０％を上限とする。

【００１２】Ｍｎ：０.２〜１.５％ ＭｎはＳと結合してＭｎＳを形成し、Ｓによる脆化を防
止するため、０.２％以上含有させる。一方、１.５％を
超えて含有すると材質が脆くなる。

【００１３】Ｃｒ：４.０〜１５.０％ Ｃｒは基地中に固溶し、焼入れ性を向上させると共に、
その一部がＣと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を向
上させる。含有量が４.０％に満たないとかかる作用が
不足し、一方、１５.０％を超えるとその作用が飽和す
ると共に材質が脆くなる。

【００１４】２Ｍｏ＋Ｗ：５.０〜３０.０％ ＭｏとＷは、Ｃと結合し、Ｍ₂Ｃ型又はＭ₆Ｃ型の炭化物
を形成して耐摩耗性を向上させると共に、その一部は基
地中に固溶し、二次硬化に寄与する。ＭｏはＷの２倍の
効果があるため、成分範囲はＭｏ含有量の２倍とＷ含有
量の和(２Ｍｏ＋Ｗ)によって規定する。２Ｍｏ＋Ｗが
５.０％に満たないとかかる作用が不足する。一方、３
０.０％を超えて含有すると、共晶炭化物量が多くな
り、靱性が低下すると共に、基地中に溶け込んだＭｏや
Ｗによって残留オーステナイトが安定化し、高硬度が得
られなくなる。

【００１５】Ｖ：１０.０％を超えて２０.０％以下 Ｖを１０.０％を超えて含有すると、Ｃとの結合により
高硬度のＭＣ型炭化物が初晶として晶出する。一方、２
０％を超えて含有すると、溶解、鋳造が困難となるだけ
でなく、初晶として晶出したＭＣ型炭化物が多くなりす
ぎる。このＭＣ型炭化物の比重は溶湯よりも小さいた
め、晶出量が多すぎるとミクロ偏析が顕著になる。この
ため、Ｖの含有量は、１０.０％を超えて２０.０％以下
に規定する。

【００１６】本発明の上記鋳鉄材は、上記成分を含有
し、残部はＦｅ及び不可避的に混入する不純物からな
る。例えば、Ｐ、Ｓは原料より不可避的に混入するが、
材質を脆くするので少ない程好ましく、Ｐ：０.１％以
下、Ｓ：０.１％以下にするのがよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧延用複合ロール
の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明の圧延用複合ロールは、図１に示す如く、強靱性
にすぐれるダクタイル鋳鉄又は黒鉛鋼から形成されたロ
ール本体(10)の外周に、前述の鋳鉄材から形成された硬
質リング(12)が装着されている。

【００１８】ロール本体を構成するダクタイル鋳鉄の組
成例として、重量％にて、Ｃ：２.５〜４.０％、Ｓｉ：
１.３〜３.５％、Ｍｎ：０.２〜１.５％、Ｐ：０.２％
以下、Ｓ：０.２％以下、Ｎｉ：３.０％以下、Ｃｒ：
２.０％以下、Ｍｏ：２.０％以下、Ｍｇ：０.０２〜０.
１％を含有し、残部実質的にＦｅからなるものを挙げる
ことができる。このダクタイル鋳鉄は、必要に応じて、
Ｗ、Ｖ、Ｎｂの少なくとも１種を合計量で４％以下をさ
らに含有することができる。

【００１９】ロール本体を構成する黒鉛鋼の組成例とし
て、重量％にて、Ｃ：１.０〜２.３％、Ｓｉ：０.５〜
３.０％、Ｍｎ：０.２〜１.５％、Ｐ：０.２％以下、
Ｓ：０.２％以下、Ｎｉ：３.０％以下、Ｃｒ：２.０％
以下、Ｍｏ：２.０％以下を含有し、残部実質的にＦｅ
からなるものを挙げることができる。この黒鉛鋼は、必
要に応じて、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの少なくとも１種を合計量で
４％以下をさらに含有することができる。

【００２０】硬質リング(12)は静置鋳造法により作ら
れ、図２に示す如く、主型を構成する金型(22)と、中子
を構成する砂型(24)との間の環状空間に鋳鉄材溶湯(26)
が注がれ、鋳造される。得られた環状体は、適宜幅寸法
で切断することにより、複合ロール用のリングが作製さ
れる。なお、硬質リングを遠心力鋳造法で作製するのは
好ましくない。その理由は、本発明の鋳鉄材は、前述の
如くＶの含有量が多く、このＶはＣと結合してＭＣ型炭
化物を晶出するが、ＭＣ型炭化物は、鋳造凝固時に最初
に晶出すること、及びその比重が溶湯よりも軽いことか
ら、遠心力鋳造では遠心力加速度により遠心分離してリ
ングの内側に集まり、外表面の高硬度化を達成できず耐
摩耗性を確保できなくなるためである。

【００２１】このようにして得られた硬質リング(12)
は、図３に示す鋳造方案を用いて、ロール本体となる鋳
鉄溶湯(32)が鋳込まれる。図３を参照すると、３段構造
の金型(34)の上下部分に砂型(36)(37)が配備され、下側
の砂型(37)には鋳鉄溶湯(32)を供給する押湯(38)が連通
している。また、組み立てられた金型(34)の内周には、
硬質リング(12)の外周部を受ける凹所(39)が上下方向の
２箇所に形成されている。硬質リング(12)を金型(34)の
凹所(39)に嵌め込んだ後、押湯(38)から所定成分の鋳鉄
溶湯を供給し、凝固完了後、金型(34)及び砂型(36)(37)
を取り外すことにより、図１に示す圧延用複合ロールが
作製される。必要に応じて、適宜熱処理が施された後、
ロール本体(10)及び硬質リング(12)に適宜機械加工が施
され、所望の形状及び寸法に仕上げられる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の圧延用複合ロールの具体的作
製例について説明する。硬質リングの鋳鉄材の成分 重量％にて、Ｃ：３.８３％、Ｓｉ：０.５６％、Ｍｎ：
０.６５％、Ｐ：０.０２５％、Ｓ：０.０１８％、Ｃ
ｒ：９.８６％、Ｍｏ：４.５３％、Ｗ：７.２２％、
Ｖ：１１.１０％、残部実質的にＦｅからなる鋳鉄材を
使用した。

【００２３】硬質リングの作製 図２に示す鋳造方案を用いて、前記成分の鋳鉄材溶湯を
鋳込み、外径３７５mm×内径２３５mm×幅２５０mmの管
体を鋳造した。得られた管体の引け巣部分を切断して外
径３７５mm×内径２３５mm×幅１８０mmとし、７５０℃
の温度で軟化熱処理を施した後、幅方向で２分割し、さ
らに側面及び内面に機械加工を施し、外径３７５mm×内
径２４０mm×幅８５mmのリングを２個作製した。

【００２４】鋳ぐるみ金属(ロール本体)の成分 重量％にて、Ｃ：３.６８％、Ｓｉ：２.５６％、Ｍｎ：
０.６５％、Ｐ：０.０２５％、Ｓ：０.０１８％、Ｎ
ｉ：０.５２％、Ｃｒ：０.０２％、Ｍｏ：０.０１％、
Ｍｇ：０.０６％、残部実質的にＦｅからなるダクタイ
ル鋳鉄を使用した。

【００２５】複合ロールの作製 １２０℃の温度に予熱した２個の硬質リング(12)(12)を
金型(34)の凹所(39)(39)に嵌め込み、１３８０℃の温度
で前記成分のダクタイル鋳鉄溶湯を鋳込み、凝固部分を
ロール本体とする複合ロールを作製した。なお、鋳込み
作業に際しては、必要溶湯の約１.５倍の溶湯を供給
し、上側の砂型(36)に設けた排出口から排出して溶湯の
置換を行なった。

【００２６】複合ロールの熱処理 得られた複合ロールを９５０℃の温度に加熱保持した
後、３００〜４００(℃/H)の冷却速度で焼入れし、さら
に５５０℃の温度で１０時間の焼戻し処理を３回実施し
た。硬質リングの硬度はＨｓ８５〜９０であった。

【００２７】最終機械仕上加工 得られた複合ロールの外径部分に機械加工を施し、外径
３６０mm、軸部長さ６５０mmの複合ロールを作製した。
最終機械仕上加工後、超音波探傷試験により硬質リング
の表面状態を調べたところ、クラックの発生は認められ
なかった。

【００２８】なお、５０〜６００℃における平均熱膨張
率は、硬質リングを構成する前記成分の鋳鉄材が約１３
×１０^-6℃^-1であり、ロール本体を構成する前記成分の
ダクタイル鋳鉄が約１４×１０^-6℃^-1である。このよう
に、硬質リングとロール本体との熱膨張率の差は約１×
１０^-6℃^-1と小さいから、溶湯凝固後の冷却段階におい
て、ロール本体の熱収縮作用により硬質リングに発生す
る引張残留応力を小さく抑えることができる。また、焼
入れ熱処理時において、硬質リングは約４００℃以下の
低温で変態し膨張する。この膨張により、硬質リングと
鋳ぐるみ金属の間の残留応力は一時的に増加するが、そ
の後の焼戻し熱処理によって軽減される。

【００２９】

【発明の効果】本発明の圧延用複合ロールは、硬質リン
グに高Ｖ含有鋳鉄材を使用しており、ＭＣ型炭化物の晶
出により高硬度を具え、すぐれた耐摩耗性を具えてお
り、冷間圧延用及び熱間圧延用のロールとして広く使用
することができる。なお、硬質リングは、鋳鉄材を使用
しており、ロール本体を形成するダクタイル鋳鉄又は黒
鉛鋼との熱膨張率の差が小さいから、鋳造後の冷却段階
において、硬質リングと鋳ぐるみ金属との熱収縮量の差
は小さく、硬質リングに発生する引張残留応力を小さく
することができ、その後の機械加工工程におけるクラッ
ク発生率を可及的に少なくすることができる。また、硬
質リングは鋳鉄材を使用するから、超硬合金から形成し
た硬質リングよりも機械加工性にすぐれており、機械加
工時間を短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧延用複合ロールの縦断面図である。

【図２】硬質リングを作製するための鋳造方案の説明図
である。

【図３】硬質リングを鋳ぐるんでロール本体を形成する
ための鋳造方案の説明図である。

【符号の説明】

(10) ロール本体 (12) 硬質リング (26) 硬質リング形成用鋳鉄材溶湯 (32) ロール本体形成用ダクタイル鋳鉄溶湯

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダクタイル鋳鉄又は黒鉛鋼から形成され
   たロール本体の外周に硬質リングを装着した圧延用複合
   ロールにおいて、硬質リングは、重量％にて、Ｃ：２.
   ５〜５.０％、Ｓｉ：０.２〜２.０％、Ｍｎ：０.２〜
   １.５％、Ｃｒ：４.０〜１５.０％、２Ｍｏ＋Ｗ：５.０
   〜３０.０％、Ｖ：１０.０％を超えて２０.０％以下、
   残部実質的にＦｅからなる材料から形成されていること
   を特徴とする圧延用複合ロール。
2. 【請求項２】 ロール本体を形成する材料と、硬質リン
   グを形成する材料との熱膨張率の差は、５×１０^-6℃^-1
   以内である請求項１に記載の圧延用複合ロール。