(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材からなる外層の内面に、アダマイト材からなる中間層が鋳造され、該中間層の内面に、強靱性にすぐれる鋳造用鉄鋼材からなる内層が鋳造され、外層、中間層及び内層が夫々溶着一体化されてなる圧延用複合ロールにおいて、中間層をアダマイト系材料から形成し、中間層の全体をパーライト組織にしたことを特徴とする圧延用複合ロール。
【請求項２】
中間層を形成するアダマイト系材料は、重量％にて、Ｃ：１.０〜２.５％、Ｓｉ：３.１〜４.５％、Ｍｎ：０.２〜１.５％、Ｎｉ：４.０％以下、Ｃｒ：４.０％以下、Ｍｏ：４.０％以下、Ｃｏ：１.０〜２.０％、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの内の少なくとも一種を合計で１２.０％以下含有し、残部実質的にＦｅからなる圧延用複合ロール。
【請求項３】
中間層を形成するアダマイト系材料は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂの内の少なくとも一種を合計で１２.０％以下含有している請求項２に記載の圧延用複合ロール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外層、中間層及び内層がそれぞれ溶着一体化された圧延用複合ロールにおける中間層の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧延用複合ロールとして、ハイス系鋳鉄材からなる外層の内面にアダマイト材からなる中間層が鋳造され、該中間層の内面に鋳造用鉄鋼材からなる内層が鋳造され、外層、中間層及び内層が互いに溶着一体化された複合構造のものが提案されている(特開平６−２５６８８８、特開平６−２５６８８９)。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このロールは、鋳造後の焼入れ熱処理工程において、外層は主としてマルテンサイト変態し、中間層はパーライト変態、ベイナイト変態及び一部マルテンサイト変態をし、内層はパーライト変態をする。
外層の表面はこのマルテンサイト変態により高硬度が得られ、大きな圧縮残留応力を生じることから、圧延使用時の熱疲労クラックや絞り事故時のクラックを抑制することができる。
【０００４】
しかし、中間層がパーライト変態だけでなくベイナイト変態及びマルテンサイト変態しているため、中間層での変態膨張により、外層は表面圧縮残留応力が小さくなり、圧延使用時における耐クラック性が低下する問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、外層、中間層及び内層がそれぞれ互いに溶着一体化された複合構造の圧延用複合ロールにおいて、ロール鋳造後の熱処理において、中間層の全体をパーライト変態させてパーライト組織にし、ベイナイト変態及びマルテンサイト変態を起こさないようにすることにより、外層に大きな表面圧縮残留応力を確保することである。
【０００６】
【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、耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材からなる外層の内面に、アダマイト材からなる中間層が鋳造され、該中間層の内面に、強靱性にすぐれる鋳造用鉄鋼材からなる内層が鋳造され、外層、中間層及び内層が互いに溶着一体化されてなる圧延用複合ロールにおいて、中間層を所定成分のアダマイト系材料から形成し、中間層の全体を、内層と同じようにパーライト組織にしたものである。
【０００７】
中間層を形成するアダマイト系材料として、重量％にて、Ｃ：１.０〜２.５％、Ｓｉ：３.１〜４.５％、Ｍｎ：０.２〜１.５％、Ｎｉ：４.０％以下、Ｃｒ：４.０％以下、Ｍｏ：４.０％以下、Ｃｏ：１.０〜２.０％、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの内の少なくとも一種を合計で１２.０％以下を含有し、残部実質的にＦｅからなる材料、又は必要に応じて、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂの内の少なくとも一種を合計で１２.０％以下をさらに含有する材料を示すことができる。
なお、中間層の材料は従来のアダマイト材とは異なる組成のものを使用するため、本明細書では「アダマイト系材料」と称している。
【０００８】
【作用】
ロール鋳造後所定の熱処理を施すことにより、後記する鋳造用鉄鋼材からなる内層は全体がパーライト変態して、パーライト組織が得られる。パーライト変態域では、塑性変形によって膨張歪が吸収される。これは、ベイナイト及びマルテンサイト変態では歪みが残留応力として残るのと相違する。
従って、中間層の全体がパーライト変態を起こすと、中間層は内層と同じ変態特性を示し、内層と同じように外層を圧縮するように作用するから、外層の表面圧縮残留応力はさらに大きくなる。
なお、外層の表面圧縮残留応力が大きくなっても、全体がパーライト組織の中間層は低温変態しないため、膨張することは殆どない。このため、内層に作用する引張残留応力が増すことはなく、内層が引張破壊に到ることはない。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の圧延用複合ロールは、外層の表面圧縮残留応力が大きいため、圧延使用時の熱疲労クラックや絞り事故時のクラックを抑制することができ、冷間圧延又は熱間圧延用のロールとして好適に使用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の中実状圧延用複合ロールの例であり、外層(2)の内面に中間層(4)が鋳造され、該中間層(4)の内面に内層(6)が鋳造され、外層(2)、中間層(4)及び内層(6)は互いに溶着一体化されている。
この複合ロールは、遠心力鋳造法により外層、中間層を鋳造した後、その内部に内層が静置鋳造される。遠心力鋳造法として、円筒状金型の回転軸が水平方向の横型、斜め方向の傾斜型、垂直方向の縦型の各種方法を適用することができる。
【００１１】
外層を形成する材料として、耐摩耗性にすぐれるハイス系鋳鉄材が使用される。このハイス系鋳鉄材として、Ｃ：１.０〜３.６％(重量％、以下同じ)、Ｓｉ：３.５％以下、Ｍｎ：２.０％以下、Ｎｉ：１０％以下、Ｃｒ：１０％以下、Ｍｏ：１０％以下、Ｗ、Ｖ、Ｎｂのうち少なくとも一種を合計量で１０％以下を含有し、残部実質的にＦｅなるものを挙げることができる。
なお、このハイス系鋳鉄材は、必要に応じて、Ｃｏ：１０％以下、及び／又はＡｌ：０.０１〜０.５０％、Ｔｉ：０.０１〜０.５０％、Ｚｒ：０.０１〜０.５０％、Ｂ：０.０１〜０.５０％のうち少なくとも一種を含有することができる。
【００１２】
中間層は、鋳造時、外層の合金が内層に混入して内層の材質が劣化するのを防止するために設けられるが、中間層は外層から多量の合金成分が混入しても、高強度を具備する必要がある。このため、外層に前記ハイス系鋳鉄材が使用される場合、アダマイト材が好適に使用される。
しかし、従来のアダマイト材は、前述の如く、外層の焼入れ熱処理時、パーライト変態の他にベイナイト変態及び一部マルテンサイト変態を起こす。そこで、中間層のパーライト変態を促進し、ベイナイト変態及びマルテンサイト変態が起こらないようにするために、本発明では、従来のアダマイト材と比べて、Ｓｉ含有量を３.１〜４.５％と多くし、Ｃｏを１.０〜２.０％含有させたアダマイト系材料を用いることにした。
【００１３】
本発明では、中間層を形成するアダマイト系材料として、Ｃ：１.０〜２.５％(重量％、以下同じ)、Ｓｉ：３.１〜４.５％、Ｍｎ：０.２〜１.５％、Ｎｉ：４.０％以下、Ｃｒ：４.０％以下、Ｍｏ：４.０％以下、Ｃｏ：１.０〜２.０％、Ｗ、Ｖ、Ｎｂの内の少なくとも一種を合計で１２.０％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。
前記アダマイト系材料は、３.１〜４.５％のＳｉ、１.０〜２.０％のＣｏを含有する点において、従来のアダマイト材と異なるが、所定の熱処理条件で全体がパーライト組織が得られるものであれば、他のアダマイト系材料を使用することもできる。
【００１４】
中間層を形成するアダマイト系材料は、例えば、外層のハイス系鋳鉄材にＡｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂが含まれるとき、それに対応してＡｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂの少なくとも一種を合計で１２.０％以下を含むことができる。
【００１５】
以下、中間層材の成分限定理由を以下に述べる。
Ｃ：１.０〜２.５％
Ｃは強度向上に寄与するが、１.０％未満では凝固点が高くなり、溶着が不十分になり易い。一方、２.５％を超えると炭化物が過多となり、材質が脆くなる。
Ｓｉ：３.１〜４.５％
Ｓｉは脱ガスの促進作用、湯流れ性の向上作用があるだけでなく、合金状態図におけるパーライトノーズを短時間側に移動させる効果があり、ハイス系鋳鉄材の焼入れ熱処理時における冷却速度を速くしても、ベイナイト変態を起こり難くし、パーライト変態を促進することができる。このため、３.１％以上含有させる。一方、含有量があまり多くなると未変態組織が生じ易くなり、強度低下を招く虞れがあるので、上限は４.５％とする。
Ｍｎ：０.２〜１.５％
Ｍｎは硬化能を有し、またＳを固定化してＳによる脆化を防ぐ役割を有する。一方、あまり多く含有すると靱性の低下を招く。このため、含有量は０.２〜１.５％とする。
Ｎｉ：４.０％以下
Ｎｉは材質を強化する作用がある。しかし、４.０％を超えるとパーライト変態を抑制する。
Ｃｒ：４.０％以下
Ｃｒは材質を強化する作用がある。しかし、４.０％を超えるとパーライト変態を抑制する。
Ｍｏ：４.０％以下
ＭｏはＣｒと同様、材質を強化する作用がある。しかし、４.０％を超えるとパーライト変態を抑制する。
Ｃｏ：１.０〜２.０％
Ｃｏは基地の改善作用があるだけでなく、前述のＳｉと同様、合金状態図におけるパーライトノーズを短時間側に移動させる効果がある。このため、ハイス系鋳鉄材の焼入れ熱処理時における冷却速度を速くしても、ベイナイト変態を起こり難くし、パーライト変態を促進することができるので、１.０％以上含有させる。一方、２.０％を超えて含有しても、その効果が飽和し、高価な元素であることから、経済的に不利である。
Ｗ、Ｖ、Ｎｂ：少なくとも一種を合計で１２.０％以下
これらの元素は中間層の材質を向上させる作用はあまりないが、外層にこれら元素を含む場合、外層からの混入は避けられない。パーライト変態の抑制作用を生じないように、１２.０％までの含有は許容される。
Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂ：少なくとも一種を合計で１２.０％以下
これらの元素も、中間層の材質を向上させる作用はあまりないが、外層にこれら元素を含む場合、外層からの混入は避けられない。これら元素についても、パーライト変態の抑制作用を生じないように、１２.０％までの含有は許容される。
【００１６】
中間層の成分は、上記の他、Ｐ、Ｓ等の不可避的に含まれる不純物元素と残部実施的にＦｅからなる。Ｐ、Ｓは材質を脆くするため、少ないほど好ましく、両者とも０.２％以下がよい。
【００１７】
内層を形成する材料として、強靱性にすぐれる鋳造用鉄鋼材が使用される。鋳造用鉄鋼材の中でも、片状黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄又は黒鉛鋼などの黒鉛を晶出する材料が好適に用いられる。熱伝導性ひいては放熱性にすぐれ、圧延時におけるロールの熱変形を防止することができるからである。また、ヤング率が１９０００kg/mm2程度以下であるため、過負荷時にロールの扁平化によって負荷を吸収し、耐事故性を向上させることができる。
【００１８】
片状黒鉛鋳鉄は、Ｃ：２.５〜４.０％(重量％、以下同じ)、Ｓｉ：０.８〜２.５％、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、Ｗ、Ｖ、Ｎｂのうち少なくとも一種を合計で４％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。
【００１９】
球状黒鉛鋳鉄は、Ｃ：２.５〜４.０％(重量％、以下同じ)、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、Ｗ、Ｖ、Ｎｂのうち少なくとも一種を合計で４％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。
【００２０】
黒鉛鋼は、Ｃ：１.０〜２.３％(重量％、以下同じ)、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、Ｗ、Ｖ、Ｎｂのうち少なくとも一種を合計で４％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。
【００２１】
なお、前記内層材に関しては、中間層のアダマイト系材料にＣｏが含まれることから、それに対応して微量のＣｏが含まれていてもよい。また、同様に、中間層にＡｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂが含まれるとき、それに対応してＡｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｂの少なくとも一種が微量含まれていても支障はない。
【００２２】
本発明の圧延用複合ロールは、ロール鋳造後、ロール全体を加熱炉の中で１１００℃以上の温度に加熱した後、４００〜６５０℃までの温度域を約１００℃/h〜５００℃/hの冷却速度で冷却することにより、外層は全体がマルテンサイト組織となり、中間層及び内層は全体がパーライト組織となる。なお、焼入れ加熱は、外層外周面の回りに誘導加熱コイルや多数のガスバーナを設置しておき、これら加熱装置を用いて行なうこともできる。
焼戻しは５００〜６００℃の温度で１回乃至数回行なうとよい。
【００２３】
【実施例】
次に本発明の具体的実施例を掲げる。
内径８１０mmの遠心力鋳造用金型に外層材溶湯を遠心力鋳造し、外層が完全に凝固した後引き続いて中間層材溶湯を遠心力鋳造し、外層と中間層とを溶着させた。鋳込量は、肉厚で外層１００mm、中間層２５mmとした。中間層が完全に凝固するのを待って、金型の回転を止め、外層と中間層を内有した金型を垂直に立てて、両端に上型と下型を連設して、その内部に軸心となる内層材溶湯を鋳込んだ。
このようにして作製された供試ロールNo.１〜No.３の外層、中間層及び内層の合金化学成分を表１に示す。外層は、No.１〜No.３ともハイス系鋳鉄材を使用している。中間層は、No.１とNo.２が本発明のアダマイト系材料、No.３は従来のアダマイト材を使用している。内層は、No.１が球状黒鉛鋳鉄、No.２とNo.３は黒鉛鋼を使用している。
【００２４】
【表１】
0003683417.tif 000002
【００２５】
鋳造された供試ロールを粗加工した後、６００℃に均一予熱後、水平に対向配置されかつロール軸方向に沿って２５０mmピッチで平行に列設されたガスバーナ間にロールを回転自在に支持し、ロールを回転させながらロールを加熱した。外層表面温度が１１２５℃、内層の内周面の温度が１０３０℃となったところで加熱を止めた。加熱に要した時間は１８０分であった。
加熱停止後、速やかに噴霧水冷を行ない、ロールの外層表面温度を５００℃まで急冷した後、常温まで放冷した。その後、５５０℃で２０時間保持する焼戻し熱処理を３回繰り返した。
【００２６】
供試ロールの余長部の外層、中間層及び内層部分からミクロ組織観察用の試験片を切り出し、顕微鏡で観察した。No.１〜No.３とも、外層はマルテンサイト組織、内層はパーライト組織であった。中間層については、No.１とNo.２がパーライト組織、No.３はベイナイトとマルテンサイトの混合組織であった。
【００２７】
次に、供試ロールの余長部の中間層部分から熱膨張測定用試験片(直径５mm×長さ２０mm)を採取し、熱膨張測定により変態挙動を調べた。
これら試験片に測定ゲージを取り付け、３℃/分の速度で９８０℃まで加熱昇温し、１５分間保持した後、６℃/分の速度で冷却したとき、各温度における熱膨張量を線膨張測定装置により測定した。供試ロールのNo.１、No.２及びNo.３から採取した試験片の測定結果を夫々、図２、図３及び図４に示す。図中、γはオーステナイト変態域、Ｐはパーライト変態域、Ｂはベイナイト変態域、Ｍはマルテンサイト変態域を表しており、γは加熱時における変態であり、Ｐ、Ｂ及びＭは冷却時における変態である。
図２及び図３を参照すると、パーライト変態域で線膨張量の単調減少は阻止される一方、ベイナイト変態域ではほぼ単調減少していることから、パーライト変態のみが起こっており、ベイナイト変態は殆ど起こっていないことがわかる。一方、図４を参照すると、パーライト変態域では線膨張量は単調減少し、ベイナイト変態域及びマルテンサイト変態域での線膨張量の単調減少は阻止されていることから、パーライト変態は殆ど認められず、ベイナイト変態とマルテンサイト変態が起こっていることが認められる。
これら試験片の合金化学成分を比較すると、No.１とNo.２は、No.３と比べて、中間層のＳｉとＣｏの含有量が多く、合金状態図におけるパーライトノーズを短時間側へ移行させる役割を果たしていると考えられ、パーライト変態が促進され、ベイナイト変態及びマルテンサイト変態が抑制されたことがわかる。
【００２８】
このようにして得られた供試ロールについて、Ｘ線装置を用いてその外層表面の圧縮残留応力を測定した。測定結果は次の通りである。
No.１：  ２３５ＭＰａ
No.２：  ２４７ＭＰａ
No.３：  １６２ＭＰａ
この結果から明らかなように、中間層全体がパーライト組織であるNo.１とNo.２は、No.３よりも外層表面の圧縮残留応力が大きいことがわかる。
【００２９】
上記から明らかなように、本発明の圧延用複合ロールは、中間層の全体が内層と同じようにパーライト組織となった効果として、外層表面の圧縮残留応力を大きくすることができ、ひいては、圧延使用時の熱疲労クラックや絞り事故時のクラックを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中実状圧延用複合ロールの縦断面図である。
【図２】供試ロールNo.１の中間層部分から採取した試験片の熱膨張試験結果を示す図である。
【図３】供試ロールNo.２の中間層部分から採取した試験片の熱膨張試験結果を示す図である。
【図４】供試ロールNo.３の中間層部分から採取した試験片の熱膨張試験結果を示す図である。
【符号の説明】
(2)  外層
(4)  中間層
(6)  内層
【図１】
0003683417.tif 000003
【図２】
0003683417.tif 000004
【図３】
0003683417.tif 000005
【図４】
0003683417.tif 000006