JPH11246950A

JPH11246950A - 熱間板圧延用ロール

Info

Publication number: JPH11246950A
Application number: JP5159598A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Horiuchi; 満喜堀内
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-03-04
Publication date: 1999-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】靱性が高くて耐亀裂性および耐割損性に優れ
るとともに、耐摩耗性および耐肌荒れ性に優れたハイス
系焼結合金の外層を有する熱間板圧延用ロールを提供す
る。【解決手段】鋳鋼、鍛鋼または黒鉛鋳鋼からなるスリ
ーブ状の内層あるいは中実軸材の外周に熱間等方圧加圧
法によりハイス系粉末の焼結合金からなる外層を形成さ
せたロールであって、前記焼結合金の組織中の炭化物の
平均粒径が８μｍ以下であり、かつ炭化物相互間の平均
間隔が３〜２５μｍである熱間板圧延用ロールである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳鋼、鍛鋼または
黒鉛鋳鋼からなるスリーブ内層あるいは中実軸材の外周
にハイス系粉末の焼結合金からなる外層を形成させた熱
間板圧延用ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱間板圧延用ワークロールとし
て、外層がハイス系材からなる連続鋳掛け肉盛ロールが
ある（Ｗ０８８／０７５９４号公報）。これは耐摩耗性
に優れているが耐肌荒れ性が未だ十分でない問題があ
る。また、外層がハイス系材からなる遠心鋳造ロール
は、鋳造時の凝固に伴い組織の粗大化や凝固むらによる
炭化物の偏析が生じやすいため耐肌荒れ性が劣化する問
題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】熱間板圧延ロールの耐
摩耗性に対する要求は厳しさを増しており、更なる耐摩
耗材として熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法によるハイス系
焼結合金が注目されている。しかしながら、ハイス系焼
結合金は靭性が低いため、圧延荷重が高く、熱負荷が大
きく、熱亀裂の発生が見られるスタンドへの適用は困難
であり、その適用は主に条鋼圧延ロールに限られたもの
となっていた。

【０００４】熱間板圧延ロールにおいては、咬み止めや
絞り込みなど圧延操業上の事故により、深い亀裂がロー
ル表面に発生しやすい。その亀裂を残存させたまま圧延
中の繰り返し負荷を与えた場合、ハイス系焼結合金から
なるロールは靭性が低いため、スポーリングに至る可能
性がある。この理由からハイス系焼結合金からなるロー
ルは熱間板圧延ロールに適用されるには至っていない。

【０００５】しかしながら、ハイス系焼結合金は硬質な
炭化物が均一かつ微細に分散しているため、従来の鋳造
による溶製ハイス系材に比べ耐摩耗性、耐肌荒れ性に優
れており、靭性を改善することにより、その適用スタン
ドの拡大が期待されている。

【０００６】従って、本発明の目的は、前述の溶製ハイ
ス系ロールの問題点を解消し、特に外層に用いられるハ
イス系焼結合金の靭性を向上させることにより熱間板圧
延に適用できる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】本発明者は、圧延用ロー
ルのスリーブ内層あるいは軸材の外周に外層材としてハ
イス系粉末をＨＩＰ焼結するとともに拡散接合させて、
焼結合金中に微細な硬質の炭化物を均一に分散させるこ
とにより、破壊靱性値Ｋ1cを向上させた耐摩耗性、耐肌
荒れ性に優れた熱間板圧延用ロールを開発した。

【０００８】本発明の熱間板圧延用ロールは、鋳鋼、鍛
鋼または黒鉛鋳鋼からなるスリーブ状の内層あるいは中
実軸材の外周に熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法によりハイ
ス系粉末の焼結合金からなる外層を形成させたロールで
あって、前記焼結合金組織中の炭化物の平均粒径が８μ
ｍ以下であり、かつ炭化物相互間の平均間隔が３〜２５
μｍであることを特徴とする。

【０００９】また、本発明において、前記ハイス系焼結
合金組織中の炭化物の面積率が１０％を超え３０％未満
であることが好ましい。前記ハイス系焼結合金の化学組
成は、重量比でＣ：１〜４％、Ｓｉ：０．２〜３％、Ｍ
ｎ：０．１〜１．５％，Ｃｒ：２〜１４％、Ｍｏ：９％
以下、Ｖ：３〜１５％、Ｗ：２０％以下、残部実質的に
Ｆｅおよび不可避的不純物からなることが好ましい。前
記ハイス系焼結合金は、更に重量比でＮｉ：５％以下、
Ｃｏ：１０％以下、Ｎｂ：５％以下、Ｔｉ：５％以下、
Ｚｒ：５％以下のいずれか１種以上を含有することがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のハイス系焼結合金は、ロ
ールの軸材の外周に直接にハイス系粉末を焼結するとと
もに拡散接合した複合ロールに適用できる。また、スリ
ーブ状の内層の外周にハイス系粉末を焼結するとともに
拡散接合して形成した複合スリーブを別途準備した軸材
に焼嵌めしたタイプの組立式複合ロールにも適用するこ
とができる。ロールの中実軸材の外周に直接にハイス系
粉末を焼結、拡散接合したタイプの複合ロールの場合、
ハイス系粉末をＨＩＰするときにロールの軸材の周りに
ハイス系粉末を充填して、ハイス系粉末を軸材の外周に
おいて焼結すると同時に拡散接合する。また複合スリー
ブを作るときには、スリーブ状の内層の外周にハイス系
粉末を充填してＨＩＰ処理をしてハイス系粉末を内層表
面に焼結すると同時に拡散接合する。ここで用いる軸材
やスリーブ状の内層は、０．１〜２重量％の炭素を含有
する鋳鋼、鍛鋼および黒鉛鋳鋼いずれかであるのが好ま
しい。炭素が２％を超えると炭化物量又は黒鉛量が過剰
になるので、必要な引っ張り強度、靱性等が確保されな
い。また炭素量が０．１％未満であると、必要な強度が
確保されない。

【００１１】本発明を組立式熱間板圧延用ロールに適用
した場合の、回転軸方向の断面図を図１に、そのＡ- Ａ
断面を図２に示す。この熱間板圧延用ロールは、外層１
１と内層１２とからなる複合スリーブ１と、軸材２とか
らなる。この内層１２と軸材２の材質は、上で説明した
ような鋳鋼、鍛鋼あるいは黒鉛鋳鋼であるのが好まし
い。外層１１と内層１２とが拡散接合された胴部形成用
の複合スリーブ１は軸材２に軸受部４以上の直径をして
おり焼嵌めにより固着されている。各軸受部４の外側に
は、軸受部４よりも小径の駆動部５がある。

【００１２】複合スリーブの外層１１はハイス系粉末の
焼結合金からなる。ハイス系焼結合金の組成としては、
重量比でＣ：１〜４％、Ｓｉ：０．２〜３％、Ｍｎ：
０．１〜１．５％，Ｃｒ：２〜１４％、Ｍｏ：９％以
下、Ｖ：３〜１５％、Ｗ：２０％以下、残部実質的にＦ
ｅおよび不可避的不純物からなる化学成分を有するもの
が好ましい。このハイスに更に重量比でＮｉ：５％以
下、Ｃｏ：１０％以下、Ｎｂ：５％以下、Ｔｉ：５％以
下、Ｚｒ：５％以下のいずれか１種以上を含有させても
よい。

【００１３】ハイス系粉末を製造するには、上記成分の
混合物を溶融し、ガスアトマイズ法または水アトマイズ
法により粉末化するのがよい。このような方法により得
られる合金粉末の平均粒径は２０〜１５０μｍであるこ
とが望ましい。また、このハイス系粉末に、更にＶ，
Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ等の炭化物粉末、炭窒化物粉末および硼
化物粉末のいずれか１種以上の硬質粒子を２０重量％以
下配合してもよい。

【００１４】外層を形成するためのハイス系焼結合金の
化学組成は、外層が必要とする耐摩耗性、硬さ、靱性を
確保するために、以下の通りであることが好ましい。Ｃ：１〜４％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％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、また４％を超えると硬質の炭化物が多
くなり過ぎて靱性が低下する。

【００１５】Ｓｉ：０．２〜３％Ｓｉは脱酸効果を有するとともに、アトマイズ作業性を
高める効果を有する。Ｓｉが０．２％未満では十分な脱
酸効果が得られず、また３％を超えると焼結ハイス系合
金が脆化する。

【００１６】Ｍｎ：０．１〜１．５％ＭｎもＳｉと同様に脱酸効果を有し、さらに焼入れ性を
高める効果を有する。このために０．１％以上必要であ
るが、１．５％を超えると焼結ハイス系合金を脆化させ
るので好ましくない。

【００１７】Ｃｒ：２〜１４％Ｃｒは基地組織をベイナイトまたはマルテンサイトにし
て硬化するとともに、Ｍ₇Ｃ₃系、Ｍ₂₃Ｃ₆系炭化物を
形成して耐摩耗性を高める効果がある。さらに基地に固
溶して焼入れ性を付与する。しかし、２％未満では効果
が十分ではなく、また１４％を超えると基地組織の靱性
が低下するばかりではなく、ＶＣのような硬質の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。

【００１８】Ｍｏ：９％以下Ｍｏは、Ｃと結合して炭化物を形成し、耐摩耗性を高め
るために重要な元素である。また一部は、焼入れ時には
基地に固溶した後、焼戻しで微細な炭化物として析出
し、二次硬化により基地の硬さを高める効果もある。し
かし、９％を超えると靱性を低下させるとともに、ＶＣ
のような硬質の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。好ましいＭｏの含有量は
１〜８％である。

【００１９】Ｗ：２０％以下Ｍｏと同様に、ＷもＣと結合して炭化物を形成し、耐摩
耗性を高めるために重要な元素である。また一部は、焼
入れ時には基地に固溶した後、焼戻しで微細な炭化物と
して析出し、二次硬化により基地の硬さを高める効果も
ある。しかし、２０％を超えると靱性を低下させるとと
もに、ＶＣのような硬質の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。好ましいＷの
含有量は２〜１６％である。

【００２０】Ｖ：３〜１５％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Ｈｖ２５００〜３０００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％未満ではＶＣの量が不
足し、１５％を超えると焼結ハイス系合金が脆化する。
好ましいＶの含有量は４〜１２％である。

【００２１】本発明では、ハイス組成は上記合金元素以
外に更に以下の合金元素を単独あるいは複合して含有し
てもよい。Ｎｉ：５％以下Ｎｉはオーステナイト安定化元素であり、焼入れ性を向
上させる。特に肉厚の大型ロールを焼入れる際には効果
がある。しかし、５％を超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あるいはマルテンサ
イトへの変態が難しくなるので、硬さが出なくなり耐摩
耗性が得られなくなる。より好ましいＮｉの含有量は
０．１〜４％である。

【００２２】Ｃｏ：１０％以下Ｃｏは基地に固溶して焼戻し硬さ、高温硬さを高める効
果がある。熱間圧延に用いたときに耐摩耗性および耐肌
荒れ性の向上に有効である。しかし、１０％を超えると
靱性が低下するのに加えて、上記効果も向上しない。よ
って、１０％を上限とする。より好ましいＣｏの含有量
は１〜８％である。

【００２３】Ｎｂ：５％以下、Ｔｉ：５％以下、Ｚｒ：
５％以下これらの元素は何れもＶと同様に硬質な炭化物を生成す
るので、それぞれ５％以下の割合で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。

【００２４】上記元素以外の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。靱性低下防止のためにＰは０．０５％以下、Ｓは
０．０３％以下にするのが望ましい。

【００２５】本発明の熱間板圧延用ロールは、内層１２
あるいは軸材の周囲に鋼板等からなる円筒体を溶接し
て、得られた缶の空隙中に上記ハイス系粉末を充填して
以下のＨＩＰ処理をして作製する。

【００２６】ハイス系粉末を充填した缶の開口部に蓋材
を溶接し、蓋材に設けたベント管より缶内を減圧した後
でベント管を溶接により密封する。これをＨＩＰ装置内
にセットし、アルゴン雰囲気中で１２５０℃以下の温
度、特に１０００〜１２５０℃の温度で、かつ５０〜２
００ＭＰａの圧力で焼結する。１０００〜１２５０℃の
ＨＩＰ温度において炭化物を微細に分散させることがで
きる。またＨＩＰ焼結の圧力が５０ＭＰａ未満である
と、得られる材料の気孔率が大きいので好ましくない。
より好ましいＨＩＰ焼結圧力は１００〜１５０ＭＰａで
ある。また上記条件下でＨＩＰ焼結時間は２〜１０時間
であるのが好ましい。このようにして得られた焼結材の
表面にある缶を機械加工により取り除いて、ＨＩＰ焼結
されたハイス系材の表面を研磨する。

【００２７】粗加工を施したハイス系焼結合金の熱処理
は焼入れと焼戻しからなり、焼入れの最高温度は１２５
０℃以下とするのが好ましい。焼入れの最高温度が１２
５０℃を超えると、炭化物が成長して過大になるので好
ましくない。また焼戻しの最高温度は６００℃以下と
し、最低温度は１５０℃以上とするのが好ましい。最低
温度が１５０℃未満では、ハイス組織にマルテンサイト
相が現われて膨張し、拡散接合部に応力が発生するので
好ましくない。焼入れ時間は１〜１０時間とするのが好
ましい。また、焼戻しは２段階以上に分けて行うのが好
ましく、それぞれの温度条件は同じでよいが、焼戻し時
間は１〜１０時間とするのが好ましい。

【００２８】図１に示した組立式ロールの場合は、熱処
理をした複合スリーブを軸材に焼嵌めする。焼嵌め後に
仕上げ加工を行って、組立式熱間板圧延用ロールとす
る。なお、焼嵌め率は０．５／１０００〜２．２／１０
００の範囲に設定するのが望ましい。焼嵌め率が０．５
／１０００以下だと圧延中の複合スリーブと軸材間で滑
りが発生し、２．２／１０００を超えると複合スリーブ
が内面から割損しやすくなる。

【００２９】得られたロール外層の組織内には、微細な
炭化物が均一に分散しており、偏析はほとんどない。分
散した炭化物粒子は丸みをおびていてその平均粒径は８
μｍ以下である。また炭化物相互間の平均間隔は３〜２
５μｍである。炭化物の平均粒径およびその平均間隔は
基地組織部を腐食により黒化し２０視野で画像解析法に
より測定を行いその平均値を求めた。

【００３０】炭化物の平均粒径が８μｍを超えると炭化
物周辺の基地中成分が減少し、優先的に摩耗しやすくな
る。このために耐肌荒れ性が劣ってくる。また、炭化物
相互間の平均間隔が３μｍ未満となると、破壊靱性値Ｋ
1cが１５．５ＭＰａ・ｍ^1/2未満となり、熱間板圧延用
ロールとしては靱性が不足してくる。炭化物の平均間隔
が２５μｍを超えると、耐摩耗性や耐肌荒れ性が不足し
てくる。

【００３１】本発明の熱間板圧延用ロールのハイス系焼
結合金では析出した炭化物の面積率が組織全体のうちの
１０％を超え３０％未満であることが好ましい。炭化物
の面積が１０％以下の時は、炭化物の量が少なく耐摩耗
性が十分ではない。また、炭化物の面積が３０％以上だ
と、炭化物を結合している基地組織が少ないので破壊靱
性値Ｋ1cが１５．５ＭＰａ・ｍ^1/2以上を確保できな
い。

【００３２】

【実施例】例１表１に示すようにハイス系焼結合金及び鋳造による溶製
ハイス系材の試験材を作製した。表２にその炭化物の平
均粒径（μｍ）、炭化物の平均間隔（μｍ）、炭化物面
積率、破壊靱性値（Ｋ1c、ＭＰａ・ｍ^1/2）、耐摩耗性
（μｍ）を示す。

【００３３】ハイス系焼結合金の試料は何れもＨＩＰ処
理は、アルゴン雰囲気中で温度１１５０℃、圧力１２０
ＭＰａで２時間行った。それを、１１５０℃で１５分間
の焼入れに続いて、５８０℃で３時間の焼戻し処理を３
段行って試験片を得た。硬さはいずれもＨｓ８０〜９０
であった。

【００３４】耐摩耗性は、図３に示す圧延摩耗試験機に
試験用ロールを組み込み、表３に示す試験条件で試験を
行った後、試験用ロールの表面に生じた摩耗の深さを触
針式表面荒さ計(SURFCOM) を用いて測定することにより
行った。ここで図３に示す圧延摩耗試験機は、圧延機３
１と圧延材ｓを余熱する加熱炉３２と、圧延材ｓを冷却
する冷却水槽３３と、圧延材ｓの巻き取り機３４とテン
ションコントローラ３５とからなる。ここで、試験用ロ
ール３１１、３１２は圧延機３１に組み込まれている。

【００３５】また、破壊靱性値は米国材料試験学会（Ａ
ＳＴＭ）で定められたＡＳＴＭＥ３９９に準拠した試
験法にて測定した。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【表２】

【００３８】

【表３】

【００３９】これらの結果より、本発明の熱間板圧延ロ
ールに用いるハイス系焼結合金は、いずれも炭化物の平
均粒径が８μｍ以下と微細で、炭化物相互間の平均間隔
が３〜２５μｍと均一に分布しているとともに、炭化物
の面積率が１０％を超え３０％未満であるため、破壊靱
性値Ｋ1cは１５．５ＭＰａ・ｍ^1/2以上を確保でき、し
かも耐肌荒れ性、耐摩耗性に優れていた。

【００４０】ハイス系焼結合金であっても比較例１は炭
化物の平均間隔が小さすぎるため板圧延ロールの外層に
必要な靭性が得られなかった。また、比較例２は炭化物
の平均間隔が大きすぎるため耐摩耗性に劣った。比較例
３は炭化物の面積比が大きすぎるため靱性が不足した。
また、溶製ハイス材の比較例４、５は靱性に優れるもの
の耐摩耗性や耐肌荒れ性に劣っていた。

【００４１】例２表１の本発明例２のハイス系焼結合金
を用いて直径６００ｍｍ，胴長１８３０ｍｍの熱間板圧
延用ロールを作製し、表１の比較例４の溶製ハイスロー
ルと比較したところ、耐摩耗性は約２．５倍の効果が得
られた。耐肌荒れ性においても格段に良好な結果を得ら
れた。

【００４２】

【発明の効果】本発明の熱間板圧延用ロールは外層に用
いるハイス系焼結合金の靱性が高くて耐亀裂性および耐
割損性に優れるとともに、耐肌荒れ性、耐摩耗性に優れ
たものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を組立式熱間板圧延用ロールに適用した
場合の、回転軸方向の断面図である。

【図２】図１のＡ- Ａ断面図である。

【図３】ロールの耐摩耗性を測定する装置の概略図であ
る。

【符号の説明】

１複合スリーブ１１外層１２内層２軸材４軸受部５駆動部３１圧延機３１１、３１２テスト用ロール３２加熱炉３３冷却水槽３４巻き取り機３５テンションコントローラｓ圧延材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳鋼、鍛鋼または黒鉛鋳鋼からなるスリ
ーブ状の内層あるいは中実軸材の外周に熱間等方圧加圧
法によりハイス系粉末の焼結合金からなる外層を形成さ
せたロールであって、前記焼結合金の組織中の炭化物の
平均粒径が８μｍ以下であり、かつ炭化物相互間の平均
間隔が３〜２５μｍであることを特徴とする熱間板圧延
用ロール。
【請求項２】前記ハイス系焼結合金の組織中の炭化物
の面積率が１０％を超え３０％未満であることを特徴と
する請求項１記載の熱間板圧延用ロール。
【請求項３】前記ハイス系焼結合金はＡＳＴＭＥ３
９９に準拠した試験法にて、破壊靱性値Ｋ1cが１５．５
ＭＰａ・ｍ^1/2以上であることを特徴とする請求項１あ
るいは２に記載の熱間板圧延用ロール。
【請求項４】前記ハイス系焼結合金の化学組成は、重
量比でＣ：１〜４％、Ｓｉ：０．２〜３％、Ｍｎ：０．
１〜１．５％，Ｃｒ：２〜１４％、Ｍｏ：９％以下、
Ｖ：３〜１５％、Ｗ：２０％以下、残部実質的にＦｅお
よび不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１
〜３のいずれかに記載の熱間板圧延用ロール。
【請求項５】前記ハイス系焼結合金は更に重量比でＮ
ｉ：５％以下、Ｃｏ：１０％以下、Ｎｂ：５％以下、Ｔ
ｉ：５％以下、Ｚｒ：５％以下のいずれか１種以上を含
有することを特徴とする請求項４に記載の熱間板圧延用
ロール。
【請求項６】前記ハイス系焼結合金をロール中実軸材
の外周に形成したことを特徴とする請求項１〜５のいず
れかに記載の熱間板圧延用ロール。
【請求項７】前記ハイス系焼結合金をスリーブ状の内
層の外周に形成した複合スリーブをロール軸材に焼嵌め
たことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱
間板圧延用ロール。